JPWO2012132262A1

JPWO2012132262A1 - 発振装置

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Publication number: JPWO2012132262A1
Application number: JP2013507126A
Authority: JP
Inventors: 康晴大西; 黒田　淳; 淳黒田; 岸波　雄一郎; 雄一郎岸波; 重夫佐藤; 行雄村田; 信弘川嶋; 内川　達也; 達也内川; 元喜菰田
Original assignee: NEC Casio Mobile Communications Ltd
Current assignee: NEC Casio Mobile Communications Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: WO2012132262A1; US9093953B2; JP5958463B2; EP2693772A4; CN103444206A; EP2693772B1; EP2693772A1; CN103444206B; US20140022026A1

Abstract

圧電振動子（１０）と、一面において圧電振動子（１０）を拘束する振動部材（２０）と、振動部材（２０）の一面または一面とは反対の他面であって、かつ平面視で圧電振動子（１０）と振動部材（２０）の縁との間に位置するように設けられている弾性部材（４０）と、振動部材（２０）の一面または他面であって、かつ平面視で圧電振動子（１０）と弾性部材（４０）との間に位置するように設けられている固定部材（４２）と、弾性部材（４０）および固定部材（４２）を介して振動部材（２０）を支持する支持部材（３０）と、を備える。

Description

本発明は、圧電振動子を有する発振装置に関する。

電子装置に用いられる電気音響変換器として、圧電振動子を用いた圧電型電気音響変換器がある。圧電型電気音響変換器は、圧電振動子の伸縮運動を利用して振動振幅を発生させるものである。このため、磁石やボイスコイル等から構成される動電型電気音響変換器に比べて薄型化に有利となる。圧電型電気音響変換器に関する技術としては、例えば特許文献１に記載の技術がある。特許文献１に記載の技術は、圧電素子が貼り付けられた台座を、台座よりも低剛性な振動膜を介して支持部材に接続するというものである。

また、圧電振動子は、例えば超音波センサとしても用いられる。特許文献２に記載の技術は、圧電振動子を用いた超音波センサに関するものであり、圧電剤の伸縮振動に伴って屈曲振動する金属板の外周端を、保持材によって保持す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２００７−２５１２７１号公報

圧電振動子を用いた発振装置において、その音圧レベルの向上を図ることが求められている。

本発明によれば、圧電振動子と、
一面において前記圧電振動子を拘束する振動部材と、
前記振動部材の前記一面または前記一面とは反対の他面であって、かつ平面視で前記圧電振動子と前記振動部材の縁との間に位置するように設けられている弾性部材と、
前記振動部材の前記一面または前記他面であって、かつ平面視で前記圧電振動子と前記弾性部材との間に位置するように設けられている固定部材と、
前記弾性部材および前記固定部材を介して前記振動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、圧電振動子を用いた発振装置において、その音圧レベルの向上を図ることができる。

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。図１に示す発振装置の振動姿態を示す断面図である。第２の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。第３の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。

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、弾性部材４０と、固定部材４２と、支持部材３０と、を備えている。発振装置１００は、例えば携帯電話機等の携帯端末装置に搭載される。

振動部材２０は、一面において圧電振動子１０を拘束している。弾性部材４０は、振動部材２０の一面とは反対の他面であって、かつ平面視で圧電振動子１０と振動部材２０の縁との間に位置するように設けられている。固定部材４２は、振動部材２０の他面であって、かつ平面視で圧電振動子１０と弾性部材４０との間に位置するように設けられている。支持部材３０は、弾性部材４０および固定部材４２を介して振動部材２０を支持している。以下、発振装置１００の構成について詳細に説明する。

振動部材２０は、例えば平板形状を有している。振動部材２０は、金属材料によって構成され、例えばリン青銅、又はステンレス等の汎用材料によって構成される。振動部材２０の厚みは、５〜５００μｍであることが好ましい。また、振動部材２０の縦弾性係数は、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。振動部材２０の縦弾性係数が過度に低い、または高い場合、発振装置の振動特性や信頼性を損なうおそれがある。

弾性部材４０は、例えばポリエチレンテレフタレートやウレタン等のオレフィン系ポリマー材料等の樹脂材料によって構成されている。弾性部材４０は、例えば圧電振動子１０の周囲において互いに分離するように複数設けられているが、これに限られない。すなわち、弾性部材４０は、圧電振動子１０の全周を囲むように一体として設けられていてもよく、弾性部材４０の周囲の一部に一つだけ設けられていてもよい。
また、本実施形態において、弾性部材４０は振動部材２０の他面と接合するように設けられているが、例えば振動部材２０の一面と接合するように設けられていてもよい。

固定部材４２は、例えば真鍮やステンレス、銅等の金属材料によって構成されている。固定部材４２は、弾性部材４０よりも高い弾性率を有している。
固定部材４２は、例えば弾性部材４０と、圧電振動子１０の中心点とを結ぶ直線上に位置している。これにより、後述する本実施形態の振動姿態において、振動部材２０の振動振幅を効果的に増大することが可能となる。
固定部材４２は、弾性部材４０と同様に、例えば圧電振動子１０の周囲において互いに分離するように複数設けられているが、これに限られない。また、本実施形態において、固定部材４２は振動部材２０の他面と接合するように設けられているが、例えば振動部材２０の一面と接合するように設けられていてもよい。

図１に示すように、固定部材４２は、例えば接続部材４６を介して振動部材２０と接合している。接続部材４６は、例えば金属材料によって構成される。また、接続部材４６は、例えば天然ゴム、ＮＢＲゴム、シリコンゴム等の弾性材料によって構成されていてもよい。この場合、振動部材２０に対する固定部材４２からの拘束力が緩和されるため、後述する本実施形態の振動姿態において、振動振幅の増大を図ることができる。
振動部材２０の一面と水平な面方向において、接続部材４６の断面積は、固定部材４２の断面積よりも小さい。この場合においても、振動部材２０に対する固定部材４２からの拘束力が緩和されるため、後述する本実施形態の振動姿態において、振動振幅の増大を図ることができる。

図１に示すように、弾性部材４０は、例えば接続部材４４を介して振動部材２０と接合している。接続部材４４は、例えば金属材料によって構成されている。

図１に示すように、支持部材３０は、振動部材２０の他面側に配置される。振動部材２０の他面側に配置された支持部材３０は、振動部材２０の他面に設けられた弾性部材４０および固定部材４２と接合している。これにより、支持部材３０は、振動部材２０を支持することとなる。
また、弾性部材４０と固定部材４２が、例えば振動部材２０のうちの互いに異なる面に設けられている場合には、支持部材３０は振動部材２０の一面側および他面側に配置される（図示せず）。

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、圧電体７０、上部電極７２および下部電極７４を有している。圧電体７０は、上部電極７２および下部電極７４に挟まれている。また、圧電体７０は、その厚さ方向（図２中上下方向）に分極している。圧電振動子１０は、振動部材２０の一面と水平な面方向において、例えば円形または楕円形を有する。

圧電体７０は、圧電効果を有する材料により構成され、例えば電気機械変換効率が高い材料としてジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）またはチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等により構成される。また、圧電体７０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７０は脆性材料により構成されるため、取り扱い時において破損等が生じやすい。一方、厚みが１ｍｍを超える場合、圧電体７０の電界強度が低減する。このため、エネルギー変換効率の低下を招く。

上部電極７２および下部電極７４は、電気伝導性を有する材料によって構成され、例えば銀または銀／パラジウム合金等によって構成される。銀は、低抵抗な汎用材料であり、製造コストや製造プロセスの観点から優位である。また、銀／パラジウム合金は、耐酸化性に優れた低抵抗材料であり、信頼性に優れる。上部電極７２および下部電極７４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、５０μｍを超える場合、上部電極７２または下部電極７４が圧電体７０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。

発振装置１００は、制御部９０と、信号生成部９２と、を備えている。信号生成部９２は、圧電振動子１０と接続し、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、信号生成部９２に接続し、信号生成部９２による信号の生成を制御する。外部から入力された情報に基づいて制御部９０が信号生成部９２の信号の生成を制御することにより、発振装置１００の出力を制御することができる。

発振装置１００をパラメトリックスピーカとして使用する場合、制御部９０は信号生成部９２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。この場合、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。
また、発振装置１００を通常のスピーカとして使用する場合には、制御部９０は信号生成部９２を介して、音声信号をそのまま圧電振動子１０へ入力してもよい。
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９２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。

パラメトリックスピーカの動作原理は次のようである。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。パラメトリックスピーカは、使用者の周囲にのみ音場を形成することができ、プライバシー保護という観点から優れる。

次に、本実施形態において、振動部材２０の振幅が増大する原理を説明する。図３は、図１に示す発振装置１００の振動姿態を示す断面図である。圧電振動子１０の伸縮振動に伴い、振動部材２０は図３中上下方向へ振動する。このとき、振動部材２０は、固定部材４２を支点５０として振動する。
本実施形態において、弾性部材４０は、固定部材４２よりも振動部材２０の縁に近い位置に設けられている。このため、振動部材２０が振動する際には、振動部材２０の端部に対して、図３のブロック矢印によって示す方向に弾性部材４０からの応力がかかる。

すなわち、図３（ａ）に示すように、振動部材２０が図中下方に凸状の振動をする場合には、支点５０より振動部材２０の縁に近い部分は図中上方へ変位する。このとき、振動部材２０の端部には、図中下方への応力、つまり振動部材２０の振動を増大する方向への応力が弾性部材４０から加わる。
また、図３（ｂ）に示すように、振動部材２０が図中上方に凸状の振動をする場合には、支点５０より振動部材２０の縁に近い部分は図中下方へ変位する。このとき、振動部材２０の端部には図中上方への応力、つまり振動部材２０の振動を増大する方向への応力が弾性部材４０から加わる。
このようにして、振動部材２０の振幅は増大する。

次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態に係る発振装置１００は、振動部材２０の他面であって、かつ平面視で圧電振動子１０と振動部材２０の縁との間に位置するように設けられている弾性部材４０と、圧電振動子１０の他面であって、かつ平面視で圧電振動子１０と弾性部材４０との間に位置するように設けられている固定部材４２を備えている。そして、弾性部材４０および固定部材４２を介して、振動部材２０は支持部材３０に支持されている。
このような構成を有するため、振動部材２０が振動する際に、振動部材２０は、固定部材４２を支点として弾性部材４０から上下方向の応力を受ける。これにより、振動部材２０の振幅は増大する。従って、圧電振動子を用いた発振装置において、その音圧レベルの向上を図ることができる。

図４は、第２の実施形態に係る発振装置１０２を示す断面図であって、第１の実施形態における図１に対応している。本実施形態に係る発振装置１０２は、弾性部材４０および固定部材４２が、振動部材２０の一面および他面に設けられている点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様の構成を有する。

図４に示すように、弾性部材４０は、振動部材２０の一面および他面において、接続部材４４を介して振動部材２０と接合している。振動部材２０の一面に設けられている弾性部材４０と、他面に設けられている弾性部材４０は、平面視で互いに重なるように位置している。
固定部材４２は、振動部材２０の一面および他面において、接続部材４６を介して振動部材２０と接合している。振動部材２０の一面に設けられている固定部材４２と、振動部材２０の他面に設けられている固定部材４２は、平面視で互いに重なるように位置している。
支持部材３０は、振動部材２０の一面側および他面側に配置されており、振動部材２０の一面および他面に設けられた弾性部材４０および固定部材４２を介して、振動部材２０を支持している。

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、弾性部材４０は、振動部材２０の一面および他面に設けられている。このため、振動部材２０が振動する際に、弾性部材４０から振動部材２０へかかる応力は、第１の実施形態と比較して大きくなる。これにより、振動部材の振幅をさらに増大することが可能となる。

図５は、第３の実施形態に係る発振装置１０４を示す断面図であって、第１の実施形態に係る図１に対応している。本実施形態に係る発振装置１０４は、弾性部材４０が、バネにより構成されている点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様の構成を有する。

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。

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、２０１１年３月３１日に出願された日本出願特願２０１１−０８１０３６号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

圧電振動子と、
一面において前記圧電振動子を拘束する振動部材と、
前記振動部材の前記一面または前記一面とは反対の他面であって、かつ平面視で前記圧電振動子と前記振動部材の縁との間に位置するように設けられている弾性部材と、
前記振動部材の前記一面または前記他面であって、かつ平面視で前記圧電振動子と前記弾性部材との間に位置するように設けられている固定部材と、
前記弾性部材および前記固定部材を介して前記振動部材を支持する支持部材と、
を備える発振装置。
請求項１に記載の発振装置において、
前記弾性部材は、ポリエチレンテレフタレートまたはウレタンにより構成されている発振装置。
請求項１に記載の発振装置において、
前記弾性部材は、バネである発振装置。
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、
前記弾性部材は、前記振動部材の前記一面および前記他面に設けられている発振装置。
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、
前記固定部材は、弾性材料を介して前記振動部材と接合している発振装置。