JPWO2012001901A1 - 発振装置 - Google Patents

Abstract

圧電振動子（１０）と、平面視で圧電振動子（１０）よりも大きく、圧電振動子（１０）の一面を拘束する振動部材（２０）と、平面視で圧電振動子（１０）よりも大きく、圧電振動子（１０）の他面を拘束する振動部材（２５）と、振動部材（２０）の圧電振動子（１０）を拘束する面の縁を支持し、かつ振動部材（２５）の圧電振動子（１０）を拘束する面の縁を支持する弾性部材（３０）と、弾性部材（３０）の周囲に位置し、弾性部材（３０）を支持する支持部材（３５）と、を備える。

Description

本発明は、圧電振動子を用いた発振装置に関する。

携帯機器などの電気音響変換器として、動電型電気音響変換器がある。動電型電気音響変換器は、磁気回路の作用を利用して振動振幅を発生させる。しかし、磁気回路は永久磁石やボイスコイル等の多数の部材によって構成されるため、動電型電気音響変換器では薄型化に限界があった。

動電型電気音響変換器に代わる電気音響変換器として、圧電型電気音響変換器がある。圧電型電気音響変換器は、圧電振動子に電界を印加することにより発生する伸縮運動を利用して、振動振幅を発生させるものである。圧電型電気音響変換器は、振動振幅を発生させるために多数の部材を必要としないため、薄型化に有利である。

圧電振動子に関する技術として、特許文献１〜５に記載のものがある。特許文献１、及び特許文献２に記載の技術は、圧電振動子を貼り付けた振動部材を、弾性部材を介して支持部材に支持させるというものである。特許文献３では、圧電素子からその周辺方向に接続されていく部材の密度が次第に小さくなる圧電音響装置が開示されている。特許文献４には、圧電振動子を一対の剛性部材で挟持させた受光型圧電素子が開示されている。特許文献５に記載の技術は、圧電素子を２枚の振動板の間にはんだを介して固定することにより構成される圧電振動子に切溝を設けるというものである。

国際公開第２００７／０８３４９７号パンフレット 特開２００２−１５２８８８号公報 特開２００１−３３９７９３号公報 特開平６−２６９０９２号公報 特開昭６０−１１２３９７号公報

圧電振動子を構成する圧電材料は脆性材料であり、また機械損失が小さい。このため圧電型電気音響変換器は、動電型電気音響変換器に対し機械品質係数（Ｑ値）が高い。よって動電型電気音響変換器がピストン型の振幅運動を発生させるのに対し、圧電型電気音響変換器は屈曲型の振幅運動を発生させる。従って圧電型電気音響変換器は、動電型電気音響変換器よりも振動端部における変位量が小さく、振幅の掃引体積において不利である。よって小型化を図りつつ、振幅の掃引体積を確保して十分な音圧レベルを実現することができる、圧電振動子を用いた発振装置が求められている。

本発明の目的は、小型化を図りつつ、高い音圧レベルを実現することができる、圧電振動子を用いた発振装置を提供することにある。

本発明によれば、圧電振動子と、
平面視で前記圧電振動子より大きく、前記圧電振動子の一面を拘束する第１の振動部材と、
平面視で前記圧電振動子より大きく、前記圧電振動子の他面を拘束する第２の振動部材と、
前記第１の振動部材の前記圧電振動子を拘束する面の縁を支持し、かつ前記第２の振動部材の前記圧電振動子を拘束する面の縁を支持する弾性部材と、
前記弾性部材の周囲に位置し、前記弾性部材を支持する支持部材と、
を備える発振装置が提供される。

本発明によれば、小型化を図りつつ、高い音圧レベルを実現することができる、圧電振動子を用いた発振装置を提供することができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる

第１の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。 図１に示す圧電振動子を示す断面図である。 第２の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。 携帯通信端末の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、第１の実施形態に係る発振装置１００を示す断面図である。発振装置１００は、圧電振動子１０と、振動部材２０と、振動部材２５と、弾性部材３０と、支持部材３５と、を備えている。発振装置１００は、例えばスピーカ、又は音波センサの発振源として使用される。また圧電体の焦電効果を利用することで温度センサとして機能することもできる。発振装置１００をスピーカとして使用する場合、例えば電子機器（携帯電話、ラップトップ型コンピュータ、小型ゲーム機器等）の音源として用いられる。

振動部材２０は、平面視で圧電振動子１０より大きい。また振動部材２０は、圧電振動子１０の一面を拘束している。振動部材２５は、平面視で圧電振動子１０より大きい。また振動部材２５は、圧電振動子１０の他面を拘束している。弾性部材３０は、振動部材２０の圧電振動子１０を拘束する面の縁を支持している。また弾性部材３０は、振動部材２５の圧電振動子１０を拘束する面の縁を支持している。支持部材３５は、弾性部材３０の周囲に位置しており、弾性部材３０を支持している。以下図１、及び図２を用いて、発振装置１００の構成について詳細に説明する。

図１に示すように、発振装置１００において、圧電振動子１０、振動部材２０、振動部材２５、及び弾性部材３０によって構成される構造は、弾性部材３０の厚さ方向における中心面を基準に面対称である。また発振装置１００は、制御部９０と、信号生成部９５を更に備えている。信号生成部９５は、圧電振動子１０に入力する電気信号を生成する。制御部９０は、外部から入力された情報に基づいて信号生成部９５を制御する。発振装置１００をスピーカとして使用する場合、制御部９０に入力される情報は音声信号である。また発振装置１００を音波センサとして使用する場合、制御部９０に入力される信号は、音波を発振する旨の指令信号である。そして発振装置１００を音波センサとして使用する場合、信号生成部９５は圧電振動子１０に圧電振動子１０の共振周波数の音波を発生させる。

また圧電振動子１０、振動部材２０、振動部材２５、及び弾性部材３０が複数組設けられている場合、発振装置１００はパラメトリックスピーカとして使用することができる。この場合、制御部９０は信号生成部９５を介してパラメトリックスピーカとしての変調信号を入力する。パラメトリックスピーカとして用いる場合、圧電振動子１０は、２０ｋＨｚ以上、例えば１００ｋＨｚの音波を信号の輸送波として用いる。

図２は、図１に示す圧電振動子１０を示す断面図である。図２に示すように、圧電振動子１０は、上部電極４０、下部電極４５、圧電体５０からなる。また圧電振動子１０は、例えば円形、楕円形、又は矩形を有する。圧電振動子１０は、例えば弾性部材３０と同一の厚さを有する。圧電体５０は、上部電極４０と下部電極４５に挟まれている。圧電体５０は、圧電効果を有する材料により構成され、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等により構成される。また圧電体５０の厚みは、１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。厚みが１０μｍ未満である場合、圧電体５０は脆性材料により構成されるため、破損等が生じやすい。一方、厚みが１ｍｍを超える場合、圧電体５０の電界強度が低減する。従ってエネルギー変換効率の低下を招く。

上部電極４０、及び下部電極４５は、例えば銀、又は銀／パラジウム合金等によって構成される。上部電極４０、及び下部電極４５の厚みは、１〜５０μｍであることが好ましい。厚みが１μｍ未満の場合、均一に成形することが難しくなる。一方、１００μｍを超える場合、上部電極４０、又は下部電極４５が圧電体５０に対して拘束面となり、エネルギー変換効率の低下を招く。

本実施形態における圧電振動子１０は、その両面が振動部材２０、２５によって拘束されている。振動部材２０、２５は、圧電振動子１０から発生した振動を弾性部材３０に伝播させる機能を有する。また振動部材２０、２５は、発振装置１００の機械的強度を向上させる機能を有する。振動部材２０、２５は、セラミック材料に対して高い弾性率を持つ材料によって構成され、例えばリン青銅、又はステンレス等によって構成される。振動部材２０、２５の厚みは、５〜５００μｍであることが好ましい。また振動部材２０、２５の縦弾性係数は、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。振動部材２０、２５の縦弾性係数が過度に低い、又は高い場合、機械振動子としての特性や信頼性を損なうおそれがある。

弾性部材３０は、例えばウレタン、ＰＥＴ、又はポリエチレン等の樹脂材料等によって構成される。振動部材２０、２５は、弾性部材３０を介して支持部材３５に支持されている。よって弾性部材３０は、発振装置１００の振動の端部を、固定端ではなくある程度の自由端とさせる機能を有する。また弾性部材３０は、落下時の衝撃エネルギーの吸収等、発振装置１００の機械的強度を向上させる機能を有する。弾性部材３０の剛性は、振動部材２０、２５の剛性の５０分の１以下であることが好ましい。支持部材３５は、例えばステンレス等の金属膜により構成される。

次に、本実施形態に係る発振装置１００の製造方法について説明する。まず圧電体５０を製造する。圧電体５０の製造は、グリーンシート法により行い、大気中において１１００℃で２時間焼成する。次いで圧電体５０に、上部電極４０、及び下部電極４５を形成する。そして圧電体５０に、厚み方向に分極処理を施す。これにより得られた圧電振動子１０を、エポキシ系樹脂等を用いて振動部材２０、２５へ接着する。これと同時に、弾性部材３０を、振動部材２０、２５へ接着する。その後弾性部材３０を、支持部材３５により支持させる。これにより発振装置１００が形成される。

圧電体５０は、外径＝φ１５ｍｍ、厚み＝１００μｍとすることができる。圧電体５０は、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用いることができる。上部電極４０、及び下部電極４５は、厚み＝８μｍとすることができる。上部電極４０、及び下部電極４５は、銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を用いることができる。振動部材２０、２５は、外径＝φ１６ｍｍ、厚み＝１００μｍとすることができる。振動部材２０、２５は、リン青銅を用いることができる。弾性部材３０は、外径＝φ１８ｍｍ、内径＝φ１５ｍｍの中空状で、厚み＝１００μｍとすることができる。支持部材３５は、外径＝φ１９ｍｍ、内径＝φ１８ｍｍの中空状のケースを構成することができる。支持部材３５は、ＳＵＳ３０４を用いることができる。

次に、本実施形態に係る発振装置１００を用いた圧電型電気音響変換器による音響再生方法について説明する。本実施形態では、例えばパラメトリックスピーカの動作原理を利用して音響再生をすることができる。この場合制御部９０は、圧電振動子１０に信号生成部９５を介してパラメトリックスピーカとしての変調信号を入力する。パラメトリックスピーカとして用いる場合、圧電振動子１０は、２０ｋＨｚ以上、例えば１００ｋＨｚの音波を信号の輸送波として用いる。

ここでパラメトリックスピーカの動作原理を説明する。パラメトリックスピーカの動作原理は、ＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音波を空気中に放射し、超音波が空気中に伝播する際の非線形特性により、可聴音が出現する原理で音響再生を行うというものである。ここでいう非線形とは、流れの慣性作用と粘性作用の比で示されるレイノルズ数が大きくなると、層流から乱流に推移することをいう。すなわち、音波は流体内で微少にじょう乱しているため、音波は非線形で伝播している。特に超音波を空気中に放射した場合に、非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中の分子集団が濃淡に混在する疎密状態である。空気分子が圧縮よりも復元するのに時間が生じた場合、圧縮後に復元できない空気が、連続的に伝播する空気分子と衝突し、衝撃波が生じて可聴音が発生する。

次に本実施形態の効果を説明する。発振装置１００において、振動部材２０、２５は、弾性部材３０を介して支持部材３５に支持されている。このため振動の端部は自由端となる。よって振幅の掃引体積は大きくなる。また圧電振動子１０のエネルギーが、振動膜２０、２５を介して弾性部材３０へ伝播される。このため発振装置の機械インピーダンスの整合がとれ、振動の伝播効率が向上する。さらに発明者は、本実施形態における構成を有する発振装置１００において、振幅が増大することを見いだした。これは、圧電振動子１０を振動部材２０、２５によって挟むことにより、発振装置１００に振動の中心面を基準とした対称性が生じることに起因すると想定される。よって小型化を図りつつ、高い音圧レベルを実現することができる。

また、弾性部材３０の剛性が振動部材２０、２５の５０分の１である場合、振幅はより増大する。よってこの場合、さらに高い音圧レベルを実現することができる。さらに、圧電振動子１０は、弾性部材３０を介して支持部材３５に支持されている。よって発振装置の衝撃安定性を向上させることができる。さらに、圧電振動子１０は、金属材料により構成される振動部材２０、２５によって挟まれている。よって圧電振動子１０に直接配線を接続することを要さず、発振装置の製造容易性が向上する。

図３は、第２の実施形態に係る圧電振動子１１０を示す斜視図である。本実施形態に係る発振装置は、圧電振動子の構成を除いて第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。また本実施形態に係る圧電振動子１１０は、積層構造を有する点を除いて、第１の実施形態に係る圧電振動子１０と同様である。

図３に示すように圧電振動子１１０は、複数の圧電体と複数の電極を交互に積層して構成されている。圧電体６０、６１、６２、６３、６４の間には、電極７０、７１、７２、７３が１層ずつ形成されている。電極７０と電極７２、及び電極７１と電極７３は、それぞれ互いに接続している。各圧電体の分極方向は、１層ごとに逆向きとなっている。また各電極間に生じる電界の向きも、交互に逆向きとなっている。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また圧電振動子１１０は積層構造を有しているため、電極層間に生じる電界強度が高い。これにより圧電振動子１１０の駆動力を向上させることができる。なお、圧電振動子１１０の積層数は任意に増減できる。

（実施例）
図１、及び図３に示した発振装置を作成し、各発振装置の特性を調べた（実施例１、２）。本実施例では、発振装置をパラメトリックスピーカとして機能させた。また比較例として、実施例１、２と同一の平面積を有する動電型の発振装置を作成し、特性を調べた。その結果を表１に示す。なお音圧レベル周波数特性の測定では、交流電圧１Ｖ入力時の音圧レベルを、圧電振動子から１０ｃｍ離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。また落下衝撃安定性の測定では、発振装置を備える電気音響変換器を搭載した携帯通信端末を５０ｃｍの高さから、５回自然落下させた。その後、携帯通信端末の破損等を目視で確認した。さらに、音圧特性を測定し、試験前後において音圧レベル差が３ｄＢ以内の場合、○とした。

この表から、各実施例に係る発振装置は、比較例と比べて、音圧レベルが高いことが示された。また比較例と比べて、落下衝撃安定性が高いことも示された。

また、図４に示すように、携帯通信端末１２０のスピーカ１２２として、実施例１、２に係る発振装置を使用した。スピーカ１２２は、携帯通信端末１２０の筐体の内面に取り付けた。各実施例を用いた場合のスピーカ１２２の特性を表２に示す。なお、測定条件は、表１と同様である。

この表から、各実施例に係る携帯通信端末１２０は、高い音圧レベルを確保していることが示された。また落下衝撃安定性が高いことが示された。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

この出願は、２０１０年６月３０日に出願された日本出願特願２０１０−１４９９１９を基礎とする優先権を主張し、その開示の総てをここに取り込む。

Claims (6)

1. 圧電振動子と、
   平面視で前記圧電振動子より大きく、前記圧電振動子の一面を拘束する第１の振動部材と、
   平面視で前記圧電振動子より大きく、前記圧電振動子の他面を拘束する第２の振動部材と、
   前記第１の振動部材の前記圧電振動子を拘束する面の縁を支持し、かつ前記第２の振動部材の前記圧電振動子を拘束する面の縁を支持する弾性部材と、
   前記弾性部材の周囲に位置し、前記弾性部材を支持する支持部材と、
   を備える発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記弾性部材の剛性は、前記第１の振動部材及び前記第２の振動部材の剛性の５０分の１以下である発振装置。
3. 請求項１または２に記載の発振装置において、
   前記弾性部材は、樹脂材料により構成されている発振装置。
4. 請求項１ないし３いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記圧電振動子、前記第１の振動部材、前記第２の振動部材、及び前記弾性部材によって構成される構造は、前記弾性部材の厚さ方向における中心面を基準に面対称である発振装置。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記発振装置は、音波センサの発信源である発振装置。
6. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記発振装置は、スピーカである発振装置。

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