WO2012011238A1 - 発振装置 - Google Patents

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piezoelectric vibrator
oscillation device
vibration
piezoelectric
oscillation
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康晴 大西
黒田 淳
元喜 菰田
重夫 佐藤
行雄 村田
岸波 雄一郎
信弘 川嶋
Original Assignee
日本電気株式会社
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means
    • G10K9/125Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means with a plurality of active elements
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2499/00Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10General applications
    • H04R2499/11Transducers incorporated or for use in hand-held devices, e.g. mobile phones, PDA's, camera's

Definitions

  • the present invention relates to an oscillation device using a piezoelectric vibrator.
  • an electrodynamic electroacoustic transducer is used as an electroacoustic transducer in an electronic device such as a mobile phone.
  • This electrodynamic electroacoustic transducer is composed of a permanent magnet, a voice coil, and a diaphragm.
  • the electrodynamic electroacoustic transducer is limited in thickness because of its operation principle and structure. Therefore, for example, as described in Patent Documents 1 to 3, it is expected to use a piezoelectric vibrator as an electroacoustic transducer.
  • Patent Document 3 describes that a parametric speaker is configured using a piezoelectric vibrator.
  • the piezoelectric vibrator As an application of the piezoelectric vibrator, for example, there is a sound wave sensor as described in Patent Document 4.
  • the sound wave sensor is a sensor that detects a distance to an object using a sound wave oscillated from a piezoelectric vibrator.
  • An oscillation device using a piezoelectric vibrator generates a vibration amplitude by an electrostrictive action by inputting an electric signal by using a piezoelectric effect of a piezoelectric material. For this reason, it is superior in reducing the thickness with respect to the electrodynamic electroacoustic transducer (oscillator).
  • the piezoelectric material is a brittle material and has a small mechanical loss, the mechanical quality factor Q is higher than that of the electrodynamic electroacoustic transducer described above.
  • An electrodynamic electroacoustic transducer generates a piston-type amplitude motion, whereas an oscillation device using a piezoelectric vibrator has a flexural vibration state.
  • the oscillation device using the piezoelectric vibrator has a smaller amount of variation at the vibration end than the electrodynamic electroacoustic transducer, and the volume exclusion amount in the same area tends to be small. For this reason, it has been difficult to reduce the size of an oscillation device using a piezoelectric vibrator while maintaining output.
  • An object of the present invention is to provide an oscillation device using a piezoelectric vibrator that can be miniaturized while maintaining output.
  • a sheet-like vibration member A first piezoelectric vibrator attached to one surface of the vibration member and having a hollow portion in a planar shape; A second piezoelectric vibrator attached to the one surface of the vibrating member and positioned in the hollow portion of the first piezoelectric vibrator in plan view; A support that supports an edge of the vibrating member; With The basic resonance frequency of the first piezoelectric vibrator is lower than the basic resonance frequency of the second piezoelectric vibrator, The second piezoelectric vibrator is provided with an oscillation device that overlaps an antinode of vibration generated in the vibrating member when the first piezoelectric vibrator is driven at a fundamental resonance frequency.
  • an oscillation device using a piezoelectric vibrator can be reduced in size while maintaining an output.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional view along AA ′ of FIG. 1 including peripheral circuits. It is sectional drawing which shows the structure of the thickness direction of a 1st piezoelectric vibrator and a 2nd piezoelectric vibrator. It is a perspective exploded view showing the composition of the 1st piezoelectric vibrator of the transmitting device concerning a 2nd embodiment. It is a top view of the oscillation apparatus which concerns on 3rd Embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. It is a top view of the oscillation device concerning a 4th embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. It is sectional drawing of the oscillation apparatus which concerns on 5th Embodiment. It is sectional drawing which shows the modification of FIG. It is a top view of the oscillation apparatus concerning a 6th embodiment. It is sectional drawing of the oscillation apparatus which concerns on 7th Embodiment. It is the schematic which shows the structure of a portable communication terminal.
  • FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the oscillation device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1, including peripheral circuits.
  • the oscillation device includes a vibrating member 10, a first piezoelectric vibrator 20, a second piezoelectric vibrator 30, and a support body 40.
  • the vibration member 10 has a sheet shape.
  • the first piezoelectric vibrator 20 is attached to one surface of the vibration member 10 and has a hollow portion 21 in a planar shape.
  • the second piezoelectric vibrator 30 is attached to the one surface of the vibration member 10 and is located in the hollow portion 21 of the first piezoelectric vibrator 20 in plan view.
  • the support body 40 is a frame-like member, and the inner side surface supports the edge of the vibration member 10.
  • the basic resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 20 is lower than the basic resonance frequency of the second piezoelectric vibrator 30.
  • the second piezoelectric vibrator 30 overlaps the antinode of vibration generated by the vibrating member 10 when the first piezoelectric vibrator 20 is driven at the fundamental resonance frequency, for example, the center of the antinode of vibration.
  • the center of the second piezoelectric vibrator 30 overlaps the center of the antinode of vibration generated in the vibration member 10 by the first piezoelectric vibrator 20.
  • This oscillation device is used as an oscillation source of a speaker or a sound wave sensor, for example.
  • the relatively small second piezoelectric vibrator 30 can also function as a temperature sensor by utilizing the pyroelectric effect of the piezoelectric body.
  • the oscillation device is used as a speaker
  • the oscillation device is used as a sound source of an electronic device (for example, a mobile phone, a laptop personal computer, a small game device, or the like). Details will be described below.
  • the vibrating member 10 vibrates due to vibration generated from the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30.
  • the vibrating member 10 adjusts the basic resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30.
  • the fundamental resonance frequency of the mechanical vibrator depends on the load weight and compliance. Since the compliance is the mechanical rigidity of the vibrator, the basic resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 can be controlled by controlling the rigidity of the vibration member 10.
  • the thickness of the vibration member 10 is preferably 5 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the vibration member 10 preferably has a longitudinal elastic modulus, which is an index indicating rigidity, of 1 GPa or more and 500 GPa or less.
  • a longitudinal elastic modulus which is an index indicating rigidity, of 1 GPa or more and 500 GPa or less.
  • the material constituting the vibration member 10 is not particularly limited as long as it is a material having a high elastic modulus with respect to the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 which are brittle materials such as metal and resin. From the viewpoint of workability and cost, phosphor bronze, stainless steel and the like are preferable.
  • the first piezoelectric vibrator 20 has a ring shape, and both the outer periphery and the inner periphery are circular.
  • the second piezoelectric vibrator 30 is circular.
  • the second piezoelectric vibrator 30 is smaller than the first piezoelectric vibrator 20.
  • the fundamental resonance frequency of the second piezoelectric vibrator 30 is higher than the fundamental resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 20.
  • the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 are fixed to the vibration member 10 with an adhesive on the entire surface facing the vibration member 10.
  • the oscillation device also includes a control unit 50, a first signal generation unit 52, and a second signal generation unit 54 as an oscillation circuit.
  • the first signal generator 52 generates an electrical signal that is input to the first piezoelectric vibrator 20.
  • the second signal generation unit 54 generates an electrical signal that is input to the second piezoelectric vibrator 30.
  • the control unit 50 controls the first signal generation unit 52 and the second signal generation unit 54 based on information input from the outside.
  • information input to the control unit 50 is an audio signal.
  • the signal input to the control unit 50 is a command signal indicating that a sound wave is transmitted.
  • the first signal generation unit 52 causes the first piezoelectric vibrator 20 to generate a sound wave having the resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 20, and the second signal generation unit 54 includes the second piezoelectric vibrator 20.
  • a sound wave having a resonance frequency of the second piezoelectric vibrator 30 is generated in the vibrator 30.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 in the thickness direction.
  • the first piezoelectric vibrator 20 includes a piezoelectric body 22, an upper surface electrode 24, and a lower surface electrode 26.
  • the second piezoelectric vibrator 30 includes a piezoelectric body 32, an upper surface electrode 34, and a lower surface electrode 36. Since the schematic structures of the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 are the same, only the structure of the first piezoelectric vibrator 20 will be described below.
  • the piezoelectric body 22 is polarized in the thickness direction.
  • the material constituting the piezoelectric body 22 may be either an inorganic material or an organic material as long as it has a piezoelectric effect. However, a material having high electromechanical conversion efficiency such as zirconate titanate (PZT) or barium titanate (BaTiO 3 ) is preferable.
  • the thickness h of the piezoelectric body 22 is, for example, not less than 10 ⁇ m and not more than 1 mm. When the thickness h 1 is less than 10 ⁇ m, there is a possibility that the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 are damaged during the manufacture of the oscillation device.
  • the thickness h 1 of 1mm greater than the electro-mechanical conversion efficiency is too low, not obtained vibration large enough. The reason is that as the thickness of the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 increases, the electric field strength in the piezoelectric vibrator decreases in inverse proportion.
  • the thicknesses of the piezoelectric bodies 22 and 32 may be equal to each other or different from each other.
  • the material which comprises the upper surface electrode 24 and the lower surface electrode 26 is not specifically limited, For example, silver and silver / palladium can be used. Since silver is used as a general-purpose electrode material with low resistance, it has advantages in manufacturing process and cost. Since silver / palladium is a low-resistance material excellent in oxidation resistance, there is an advantage from the viewpoint of reliability.
  • the thickness h 2 of the upper surface electrode 24 and the lower surface electrode 26 is not particularly limited, but the thickness h 2 is preferably 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less. The thickness h 2 is less than 1 [mu] m, it becomes difficult to uniformly mold the upper electrode 24 and the lower electrode 26, as a result, the electromechanical conversion efficiency may be lowered.
  • the upper surface electrode 24 and the lower surface electrode 26 serve as constraining surfaces with respect to the piezoelectric body 22, and there is a possibility that the energy conversion efficiency is lowered. come.
  • the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 are processed into a predetermined planar shape. Further, the vibrating member 10 is processed into a predetermined shape. At this point, the piezoelectric members 22 and 32 have already been subjected to polarization processing. Next, the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 are fixed to the vibration member 10 using an adhesive such as an epoxy resin. Note that the timing of fixing the vibration member 10 to the support body 40 may be after the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 are fixed to the vibration member 10 or before fixing. .
  • the support 40 is made of a metal such as stainless steel.
  • a silver / palladium alloy having a thickness of 8 ⁇ m (weight ratio is 7: 3, for example) can be used.
  • the basic resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 20 is lower than the basic resonance frequency of the second piezoelectric vibrator 30. For this reason, it is preferable to mainly oscillate a relatively low frequency sound from the first piezoelectric vibrator 20 and mainly oscillate a relatively high frequency sound from the second piezoelectric vibrator 30.
  • a plurality of sets of the vibrating member 10, the first piezoelectric vibrator 20, and the second piezoelectric vibrator 30 may be provided.
  • the oscillation device can be used as a parametric speaker.
  • the control unit 50 inputs the signal indicating the reproduced sound as it is to the first piezoelectric vibrator 20 via the first signal generation unit 52, and the second signal to the small second piezoelectric vibrator 30.
  • a modulation signal as a parametric speaker can be input via the generation unit 54.
  • the second piezoelectric vibrator 30 uses a sound wave of 20 kHz or more, for example, 100 kHz, as a signal transport wave.
  • the basic resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 20 is set to 1 kHz or less, for example.
  • piezoelectric vibrators have a high mechanical quality factor Q. For this reason, since energy concentrates in the vicinity of the fundamental resonance frequency, the sound wave is large near the resonance frequency, but the sound wave is remarkably attenuated in other bands.
  • the parametric speaker may oscillate a single frequency. For this reason, it is preferable to use the second piezoelectric vibrator 30 as a parametric speaker from the viewpoint of increasing the efficiency of the speaker.
  • Parametric loudspeakers emit AM, DSB, SSB, and FM modulated ultrasonic waves from a plurality of oscillation sources into the air, and audible sound is generated by nonlinear characteristics when the ultrasonic waves propagate into the air. It is something that appears.
  • Non-linear means that the flow changes from laminar flow to turbulent flow when the Reynolds number indicated by the ratio between the inertial action and the viscous action of the flow increases. Since the sound wave is slightly disturbed in the fluid, the sound wave propagates nonlinearly. In particular, in the ultrasonic frequency band, the nonlinearity of sound waves can be easily observed.
  • the sound wave is a dense state where the density of the molecular density is generated in the air.
  • air that cannot be recovered after compression collides with air molecules that continuously propagate, and a shock wave is generated. An audible sound is generated by this shock wave.
  • the second piezoelectric vibrator 30 overlaps the antinode of vibration generated in the vibration member 10 when the first piezoelectric vibrator 20 vibrates at the fundamental resonance frequency. For this reason, when the first piezoelectric vibrator 20 is vibrated near the fundamental resonance frequency, the second piezoelectric vibrator 30 vibrates greatly. Further, the basic resonance frequency of the first piezoelectric vibrator 20 is lower than the basic resonance frequency of the second piezoelectric vibrator 30. For this reason, when the first piezoelectric vibrator 20 is vibrated near the basic resonance frequency, the second piezoelectric vibrator 30 does not resonate and can be regarded as a plate.
  • the second piezoelectric vibrator 30 vibrates greatly, so that the output can be reduced while maintaining the output.
  • the basic resonance frequencies of the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 are different from each other, sound waves having different frequencies can be efficiently generated from the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30, respectively. it can.
  • the oscillation device is used as a speaker, by simultaneously driving the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30, it is possible to cause sound waves to interfere and increase the sound pressure level.
  • the second piezoelectric vibrator 30 functions as a parametric speaker, sound can be reproduced with high directivity.
  • the first piezoelectric vibrator 20 when used as a normal speaker and the second piezoelectric vibrator 30 is used as a parametric speaker, different sounds are reproduced by the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30.
  • a person at a specific location can hear the sound reproduced by the second piezoelectric vibrator 30, and a person at another location can hear only the sound reproduced by the first piezoelectric vibrator 20. it can.
  • This effect can also be obtained when a speaker other than the first piezoelectric vibrator 20 is used as a normal speaker.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing the configuration of the first piezoelectric vibrator 20 of the transmitter according to the second embodiment.
  • the first piezoelectric vibrator 20 has a structure in which a plurality of piezoelectric bodies 22 and electrodes 24 are alternately stacked, and the second piezoelectric vibrator 30 is similar. Except for the structure, the configuration is the same as that of the oscillation device according to the first embodiment. The polarization direction of the piezoelectric body 22 is changed every layer and is alternated.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 have a structure in which a plurality of piezoelectric bodies 22 and 32 and electrodes 24 and 34 are alternately stacked. 2
  • the amount of expansion / contraction of the piezoelectric vibrator 30 increases. Therefore, the output of the oscillation device can be increased.
  • FIG. 5 is a plan view of the oscillation device according to the third embodiment
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
  • the oscillation device according to the present embodiment has the same configuration as that of the oscillation device according to the first embodiment, except that the first shield member 12 is provided.
  • the first shield member 12 is embedded in the vibration member 10 and is located in the hollow portion 21 of the first piezoelectric vibrator 20 in plan view.
  • the first shield member 12 surrounds the second piezoelectric vibrator 30 and is made of a material having a lower longitudinal elastic modulus than that of the vibration member 10, for example, a resin.
  • the first shield member 12 is provided in the entire area of the vibration member 10 when viewed in the thickness direction.
  • the first shield member 12 is provided only on a part, for example, only the front side or the back side. It may be provided.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • the first shield member 12 is provided, when the first piezoelectric vibrator 20 vibrates, the vibration can be suppressed from propagating to the second piezoelectric vibrator 30. Further, by positioning the first shield member 12 at a vibration node when the second piezoelectric vibrator 30 vibrates at the fundamental vibration frequency, the rigidity of the node can be reduced, thereby freeing vibration. An edge can be formed. In this case, since the movable range of the vibrating member is expanded, the vibration output of the second piezoelectric vibrator 30 can be increased. In addition, by interposing the first shield member 12, it is possible to prevent the impact from propagating to the second piezoelectric vibrator 30 when the oscillation device falls. For this reason, the reliability of the oscillation device is improved.
  • FIG. 7 is a plan view of the oscillation device according to the fourth embodiment
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
  • the oscillation device according to the present embodiment has the same configuration as that of the oscillation device according to the third embodiment, except that the second shield member 14 is provided.
  • the second shield member 14 is embedded in the vibration member 10 and surrounds the first piezoelectric vibrator 20 in a plan view.
  • the second shield member 14 is made of a material having a lower longitudinal elastic modulus than that of the vibration member 10, for example, a resin.
  • the material of the second shield member 14 may be the same as or different from the material of the first shield member 12.
  • the second shield member 14 is provided in the entire area of the vibration member 10 when viewed in the thickness direction. However, the second shield member 14 is only partially, for example, only on the front side or the back side. May be provided.
  • the same effect as that of the third embodiment can be obtained by this embodiment.
  • the rigidity of the node can be reduced, thereby free from vibration. An edge can be formed.
  • the vibration output of the first piezoelectric vibrator 20 can be increased.
  • the second shield member 14 it is possible to prevent the impact from propagating to the first piezoelectric vibrator 20 and the second piezoelectric vibrator 30 when the oscillation device falls. For this reason, the reliability of the oscillation device is improved.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the oscillation device according to the fifth embodiment.
  • This oscillation device has the same configuration as that of the oscillation device according to the first embodiment, except that the second piezoelectric vibrator 30 is provided on both surfaces of the vibration member 10. That is, in this embodiment, the piezoelectric vibrator of the oscillation device has a bimorph structure in which both surfaces of the vibration member 10 are constrained by the piezoelectric vibrator.
  • the two second piezoelectric vibrators 30 may have the same shape or different shapes.
  • the first piezoelectric vibrator 20 may also be provided on both surfaces of the vibration member 10.
  • the piezoelectric vibrator has a bimorph structure, larger vibration can be obtained.
  • FIG. 11 is a plan view of the oscillation device according to the sixth embodiment.
  • This oscillation device has the same configuration as that of the oscillation device according to the first embodiment except that the planar shape of the second piezoelectric vibrator 30 is a rectangle, for example, a square.
  • the planar shape of the second piezoelectric vibrator 30 is not limited to the shapes shown in the first embodiment and the present embodiment. Further, the planar shape of the first piezoelectric vibrator 20 is not limited to the above-described embodiments.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the oscillation device according to the seventh embodiment.
  • This oscillation device has the same configuration as that of the transmission device according to the first embodiment except that the thickness of the vibration member 10 is partially changed.
  • the vibrating member 10 has the convex portion 11 in a portion overlapping the second piezoelectric vibrator 30 on the surface opposite to the second piezoelectric vibrator 30.
  • the same effect as that of the first embodiment can also be obtained by this embodiment. Further, by changing the thickness of the vibration member 10 partially, the transmission characteristics of the oscillation element can be adjusted.
  • Example 2 The oscillation devices shown in FIGS. 1, 4, 5, 7, 9, 10, 11, and 12 were produced, and the characteristics of the oscillation devices were examined (Examples 1 to 8).
  • the oscillation device functions as a parametric speaker.
  • an electrodynamic oscillation device having the same plane area as in Examples 1 to 8 was produced and the characteristics were examined. The results are shown in Table 1.
  • the transmission device according to each example had a larger output, a flat frequency characteristic, and a higher resistance to impact when dropped than the oscillation device according to the comparative example.
  • the oscillators according to Examples 1 to 8 were used as the speaker 102 of the mobile communication terminal 100.
  • the speaker 102 was attached to the inner surface of the casing of the mobile communication terminal 100.
  • Table 2 shows the characteristics of the speaker 102 when each example is used.
  • the speaker 102 according to each example has a flat frequency characteristic and is strong against an impact when dropped.

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Abstract

 第2圧電振動子(30)は、平面視で第1圧電振動子(20)の中空部(21)に位置している。支持体(40)は枠状の部材であり、内側面が振動部材(10)の縁を支持している。そして第1圧電振動子(20)の基本共振周波数は、第2圧電振動子(30)の基本共振周波数よりも低い。また第2圧電振動子(30)は、第1圧電振動子(20)が基本共振周波数で駆動しているときに振動部材(10)で生じる振動の腹と重なっている。好ましくは、第2圧電振動子(30)の中心は、第1圧電振動子(20)によって振動部材(10)に生じる振動の腹の中心と重なっている。

Description

発振装置
 本発明は、圧電振動子を用いた発振装置に関する。
 近年、携帯電話やラップトップ型コンピュータなどの携帯端末の需要が拡大している。特にテレビ電話や動画再生、ハンズフリー電話機能などの音響機能を商品価値とした薄型の携帯端末の開発が進められている。これらの開発の中で、小型でかつ出力が大きい電気音響変換器の要求が高まっている。従来、携帯電話等の電子機器には、電気音響変換器として動電型電気音響変換器が利用されている。この動電型電気音響変換器は、永久磁石とボイスコイルと振動膜から構成されている。しかしながら動電型電気音響変換器は、その動作原理及び構造から、薄型化には限界がある。そこで、例えば特許文献1~3に記載されているように、圧電振動子を電気音響変換器して使用することが期待されている。特に特許文献3には、圧電振動子を用いてパラメトリックスピーカを構成することが記載されている。
 また圧電振動子の用途として、例えば特許文献4に記載されているように音波センサがある。音波センサは、圧電振動子から発振された音波を用いて対象物までの距離などを検出するセンサである。
特開平5-122793号公報 特表2009-518922号公報 特表2003-513576号公報 特開平3-270282号公報
 圧電振動子を用いた発振装置は、圧電材料の圧電効果を利用して、電気信号の入力による電歪作用により、振動振幅を発生させるものである。このため、上記した動電型の電気音響変換器(発振装置)に対して薄型化に優位である。しかしながら、圧電材料は脆性材料であり、かつ機械損失が小さいため、上記した動電型電気音響変換器に対して機械的品質係数Qが高い。動電型電気音響変換器はピストン型の振幅運動を発生させるのに対して、圧電振動子を用いた発振装置では屈曲型の振動姿態をとる。このため、圧電振動子を用いた発振装置は、動電型電気音響変換器と比較して振動端部での変異量が少なくなり、同一面積における体積排除量は小さくなりやすい。このため、圧電振動子を用いた発振装置において、出力を維持しつつ小型化することは難しかった。
 本発明の目的は、出力を維持しつつ小型化することができる、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、シート状の振動部材と、
 前記振動部材の一面に取り付けられ、平面形状で中空部を有する第1圧電振動子と、
 前記振動部材の前記一面に取り付けられ、平面視で前記第1圧電振動子の前記中空部に位置する第2圧電振動子と、
 前記振動部材の縁を支持する支持体と、
を備え、
 前記第1圧電振動子の基本共振周波数は前記第2圧電振動子の基本共振周波数よりも低く、
 前記第2圧電振動子は、前記第1圧電振動子が基本共振周波数で駆動しているときに前記振動部材で生じる振動の腹と重なってい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、出力を維持しつつ小型化することができる。
 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の構成を示す平面図である。 図1のA-A´断面図を周辺回路も含めて示す図である。 第1圧電振動子及び第2圧電振動子の厚さ方向の構成を示す断面図である。 第2の実施形態に係る発信装置の第1圧電振動子の構成を示す斜視分解図である。 第3の実施形態に係る発振装置の平面図である。 図5のA-A´断面図である。 第4の実施形態に係る発振装置の平面図である。 図7のA-A´断面図である。 第5の実施形態に係る発振装置の断面図である。 図9の変形例を示す断面図である。 第6の実施形態に係る発振装置の平面図である。 第7の実施形態に係る発振装置の断面図である。 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。
(第1の実施形態)
 図1は、第1の実施形態に係る発振装置の構成を示す平面図である。図2は図1のA-A´断面図を、周辺回路も含めて示す図である。この発振装置は、振動部材10、第1圧電振動子20、第2圧電振動子30、及び支持体40を備えている。振動部材10はシート形状を有している。第1圧電振動子20は振動部材10の一面に取り付けられており、平面形状で中空部21を有している。第2圧電振動子30は、振動部材10の上記した一面に取り付けられており、平面視で第1圧電振動子20の中空部21に位置している。支持体40は枠状の部材であり、内側面が振動部材10の縁を支持している。そして第1圧電振動子20の基本共振周波数は、第2圧電振動子30の基本共振周波数よりも低い。また第2圧電振動子30は、第1圧電振動子20が基本共振周波数で駆動しているときに振動部材10で生じる振動の腹、例えば振動の腹の中心と重なっている。好ましくは、第2圧電振動子30の中心は、第1圧電振動子20によって振動部材10に生じる振動の腹の中心と重なっている。この発振装置は、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。また相対的に小さい第2圧電振動子30は、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。発振装置をスピーカとして使用する場合、発振装置は、例えば電子機器(例えば、携帯電話機、ラップトップ型パーソナルコンピュータ、小型ゲーム機器など)の音源として使用される。以下、詳細に説明する。
 振動部材10は、第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30から発生した振動によって振動する。また振動部材10は、第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30の基本共振周波数を調整する。機械振動子の基本共振周波数は、負荷重量と、コンプラインスに依存する。コンプラインスは振動子の機械剛性であるため、振動部材10の剛性を制御することで、第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30の基本共振周波数を制御できる。なお、振動部材10の厚みは5μm以上500μm以下であることが好ましい。また、振動部材10は、剛性を示す指標である縦弾性係数が1Gpa以上500GPa以下であることが好ましい。振動部材10の剛性が低すぎる場合や、高すぎる場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう可能性が出てくる。なお、振動部材10を構成する材料は、金属や樹脂など、脆性材料である第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30に対して高い弾性率を持つ材料であれば特に限定されないが、加工性やコストの観点からリン青銅やステンレスなどが好ましい。
 本実施形態において第1圧電振動子20はリング形状であり、外周及び内周のいずれも円形である。そして第2圧電振動子30は円形である。第2圧電振動子30は第1圧電振動子20よりも小型である。このため、第2圧電振動子30の基本共振周波数は、第1圧電振動子20の基本共振周波数よりも高い。また第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30は、振動部材10に対向する面の全面が接着剤によって振動部材10に固定されている。
 また発振装置は、発振回路として制御部50、第1信号生成部52、及び第2信号生成部54を有している。第1信号生成部52は、第1圧電振動子20に入力する電気信号を生成する。第2信号生成部54は、第2圧電振動子30に入力する電気信号を生成する。制御部50は、外部から入力された情報に基づいて、第1信号生成部52及び第2信号生成部54を制御する。発振装置をスピーカとして使用する場合、制御部50に入力される情報は音声信号である。また発振装置を音波センサとして使用する場合、制御部50に入力される信号は、音波を発信する旨の指令信号である。そして発振装置を音波センサとして使用する場合、第1信号生成部52は第1圧電振動子20に第1圧電振動子20の共振周波数の音波を発生させ、第2信号生成部54は第2圧電振動子30に第2圧電振動子30の共振周波数の音波を発生させる。
 図3は、第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30の厚さ方向の構成を示す断面図である。第1圧電振動子20は、圧電体22、上面電極24、及び下面電極26を有している。また第2圧電振動子30は、圧電体32、上面電極34、及び下面電極36を有している。なお第1圧電振動子20と第2圧電振動子30の概略の構造は互いに同じであるため、以下、第1圧電振動子20の構造のみ説明する。
 圧電体22は厚さ方向に分極している。圧電体22を構成する材料は、圧電効果を有する材料であれば、無機材料及び有機材料のいずれであってもよい。ただし、電気機械変換効率が高い材料、例えばジルコン酸チタン酸塩(PZT)やチタン酸バリウム(BaTiO)であるのが好ましい。圧電体22の厚さhは、例えば10μm以上1mm以下である。厚さhが10μm未満の場合、発振装置の製造時に第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30が破損する可能性が出てくる。また厚さhが1mm超の場合、電気機械変換効率が低くなりすぎてしまい、十分な大きさの振動を得られない。その理由は、第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30の厚さが厚くなると、圧電振動子内における電界強度は反比例して小さくなるためである。また圧電体22,32の厚さは、互いに等しくてもよいし、異なっていてもよい。
 上面電極24及び下面電極26を構成する材料は特に限定されないが、例えば、銀や銀/パラジウムを使用することができる。銀は低抵抗な汎用的な電極材料して使用されているため、製造プロセスやコストなどに利点がある。銀/パラジウムは耐酸化に優れた低抵抗材料であるため、信頼性の観点から利点がある。また、上面電極24及び下面電極26の厚さhは特に限定されないが、その厚さhが1μm以上100μm以下であるのが好ましい。厚さhが1μm未満では、上面電極24及び下面電極26を均一に成形することが難しくなり、その結果、電気機械変換効率が低下する可能性がある。また、上面電極24及び下面電極26の膜厚が100μmを超える場合は、上面電極24及び下面電極26が圧電体22に対して拘束面となり、エネルギ変換効率を低下させてしまう可能性が出てくる。
 次に、発振装置の製造方法を説明する。まず、第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30を所定の平面形状に加工する。また振動部材10を所定の形状に加工する。この時点で、圧電体22,32には既に分極処理が行われている。次いで、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて、第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30を振動部材10に固定する。なお振動部材10を支持体40に固定するタイミングは、第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30を振動部材10に固定した後であってもよいし、固定する前であってもよい。支持体40は、例えばステンレスなどの金属により形成される。
 ここで、第1圧電振動子20は、外径=φ18mm、内径=φ12mm、厚み=100μmとすることができる。また第2圧電振動子30は、外径=φ3mm、厚み=100μm(0.1mm)とすることができる。また上面電極24,36及び下面電極26,36としては、例えば厚み8μmの銀/パラジウム合金(重量比は例えば7:3)を用いることができる。また振動部材10は、外径=φ20mm、厚み=50μm(0.05mm)のリン青銅を用いることができる。支持体40は、例えば、外径=φ22mm、内径=φ20mmの中空状のケースである。
 次に、発振装置をスピーカとして用いる場合について説明する。上記したように、第1圧電振動子20の基本共振周波数は、第2圧電振動子30の基本共振周波数よりも低い。このため、第1圧電振動子20から相対的に低い周波数の音を主に発振させ、かつ第2圧電振動子30から相対的に高い周波数の音を主に発振させるのが好ましい。
 また振動部材10、第1圧電振動子20、第2圧電振動子30を複数組設けてもよい。この場合、発振装置をパラメトリックスピーカとして用いることができる。この場合、制御部50は、第1信号生成部52を介して第1圧電振動子20には再生音を示す信号をそのまま入力し、小型である第2圧電振動子30には、第2信号生成部54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とができる。パラメトリックスピーカとして用いる場合、第2圧電振動子30は、20kHz以上、例えば100kHzの音波を信号の輸送波として用いる。また第1圧電振動子20を通常のスピーカとして用いる場合、第1圧電振動子20の基本共振周波数を、例えば1kHz以下にする。
 なお一般的に圧電振動子は機械品質係数Qが高い。このため、基本共振周波数近傍にエネルギーが集中するため、共振周波数近傍で音波は大きいが、それ以外の帯域では著しく音波が減衰する。一方、パラメトリックスピーカは単一の周波数を発振させればよい。このため、第2圧電振動子30をパラメットリックスピーカとして使用することは、スピーカの効率を高めるという視点から好ましい。
 ここでパラメトリックスピーカの原理を説明する。パラメトリックスピーカは、複数の発振源それぞれから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、可聴音を出現させるものである。ここでの非線形とは、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示す。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。特に超音波周波数帯では音波の非線形性が容易に観察できる。そして超音波を空気中に放射した場合、音波の非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中において分子密度に濃淡が生じる疎密状態である。そして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、衝撃波が生じる。この衝撃波により可聴音が発生する。
 次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施形態において、第2圧電振動子30は、第1圧電振動子20が基本共振周波数で振動しているときに振動部材10に生じる振動の腹と重なっている。このため、第1圧電振動子20を基本共振周波数近辺で振動させるとき、第2圧電振動子30は大きく振動する。また、第1圧電振動子20の基本共振周波数は第2圧電振動子30の基本共振周波数よりも低い。このため、第1圧電振動子20を基本共振周波数近辺で振動させるとき、第2圧電振動子30には共振が生じず、板とみなすことができる。
 従って、第1圧電振動子20を基本共振周波数近辺で振動させるとき、第2圧電振動子30が大きく振動することにより、出力を維持しつつ小型化することができる。
 また第1圧電振動子20と第2圧電振動子30の基本共振周波数は互いに異なるため、第1圧電振動子20と第2圧電振動子30それぞれから効率よく互いに異なる周波数の音波を発生させることができる。また発振装置をスピーカとして用いる場合、第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30を同時に駆動することで、音波を干渉させ、音圧レベルを増加することができる。また第2圧電振動子30をパラメトリックスピーカとして機能させる場合、高い指向性で音を再生することができる。
 特に第1圧電振動子20を通常のスピーカとして使用し、第2圧電振動子30をパラメトリックスピーカとして使用する場合、第1圧電振動子20と第2圧電振動子30とで異なる音声を再生させることにより、特定の場所にいる人のみに第2圧電振動子30によって再生される音を聴かせ、他の場所にいる人には第1圧電振動子20によって再生される音のみを聞かせることができる。この効果は、第1圧電振動子20以外の他のスピーカを通常のスピーカとして使用した場合にも得ることができる。
(第2の実施形態)
 図4は、第2の実施形態に係る発信装置の第1圧電振動子20の構成を示す斜視分解図である。本実施形態に係る発振装置は、第1圧電振動子20が複数の圧電体22と電極24とを交互に複数積層させた構造を有している点、及び第2圧電振動子30も同様の構造を有している点を除いて、第1の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。圧電体22の分極方向は、一層ごとに入れ替わっており、互い違いになっている。
 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。また第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30を、複数の圧電体22,32と電極24、34とを交互に複数積層させた構造にしているため、第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30の伸縮量が大きくなる。従って、発振装置の出力を大きくすることができる。
(第3の実施形態)
 図5は第3の実施形態に係る発振装置の平面図であり、図6は図5のA-A´断面図である。本実施形態に係る発振装置は、第1シールド部材12を有している点を除いて、第1の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。
 第1シールド部材12は、振動部材10に埋め込まれており、平面視で第1圧電振動子20の中空部21に位置している。第1シールド部材12は、第2圧電振動子30の周囲を囲んでおり、かつ振動部材10よりも縦弾性係数が低い材料、例えば樹脂により形成されている。本図に示す例において第1シールド部材12は、厚さ方向で見た場合、振動部材10の全域に設けられているが、一部分、例えば表面側のみ又は裏面側のみに第1シールド部材12を設けてもよい。
 本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また第1シールド部材12を設けているため、第1圧電振動子20が振動する際に、その振動が第2圧電振動子30に伝播することを抑制できる。また第1シールド部材12を、第2圧電振動子30が基本振動周波数で振動しているときの振動の節目に位置させることにより、その節目の剛性を低減させることができ、これによって振動に自由端を形成させることができる。この場合、振動する部材の可動範囲が拡大するため、第2圧電振動子30の振動の出力を大きくすることができる。また、第1シールド部材12が介在することにより、発振装置が落下した場合に衝撃が第2圧電振動子30に伝播することを抑制できる。このため、発振装置の信頼性が向上する。
(第4の実施形態)
 図7は第4の実施形態に係る発振装置の平面図であり、図8は図7のA-A´断面図である。本実施形態に係る発振装置は、第2シールド部材14を有している点を除いて、第3の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。
 第2シールド部材14は、振動部材10に埋め込まれており、平面視で第1圧電振動子20の周囲を囲んでいる。第2シールド部材14は、振動部材10よりも縦弾性係数が低い材料、例えば樹脂により形成されている。第2シールド部材14の材料は、第1シールド部材12の材料と同一であってもよいし、異なっていてもよい。また本図に示す例において第2シールド部材14は、厚さ方向で見た場合、振動部材10の全域に設けられているが、一部分、例えば表面側のみ又は裏面側のみに第2シールド部材14を設けてもよい。
 本実施形態によっても第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。また第2シールド部材14を、第1圧電振動子20が基本振動周波数で振動しているときの振動の節目に位置させることにより、その節目の剛性を低減させることができ、これにより振動に自由端を形成させることができる。この場合、振動する部材の可動範囲が拡大するため、第1圧電振動子20の振動の出力を大きくすることができる。また、第2シールド部材14が介在することにより、発振装置が落下した場合に衝撃が第1圧電振動子20及び第2圧電振動子30に伝播することを抑制できる。このため、発振装置の信頼性が向上する。
(第5の実施形態)
 図9は、第5の実施形態に係る発振装置の断面図である。この発振装置は、振動部材10の両面に第2圧電振動子30を有している点を除いて、第1の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。すなわち本実施形態において、発振装置の圧電振動子は、振動部材10の両面を圧電振動子で拘束したバイモルフ構造を有している。2つの第2圧電振動子30は、互いに同一形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。
 なお本実施形態において、図10に示すように、第1圧電振動子20も振動部材10の両面に設けられていてもよい。
 本実施形態によっても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また圧電振動子がバイモルフ構造を有しているため、より大きな振動を得ることができる。
(第6の実施形態)
 図11は、第6の実施形態に係る発振装置の平面図である。この発振装置は、第2圧電振動子30の平面形状が矩形、例えば正方形である点を除いて、第1の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。
 本実施形態によっても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお第2圧電振動子30の平面形状は、第1の実施形態及び本実施形態に示した形状に限定されない。また第1圧電振動子20の平面形状も、上記した各実施形態に限定されない。
(第7の実施形態)
 図12は、第7の実施形態に係る発振装置の断面図である。この発振装置は、振動部材10の厚さが部分的に変わっている点を除いて、第1の実施形態に係る発信装置と同様の構成である。本実施形態において、振動部材10は、第2圧電振動子30とは逆側の面のうち第2圧電振動子30と重なる部分に凸部11を有している。
 本実施形態によっても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また振動部材10の厚さを部分的に変えることにより、発振素子の発信特性を調整することができる。
(実施例)
 図1、図4、図5、図7、図9、図10、図11、及び図12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1~8)。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1~8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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 この表から、各実施例に係る発信装置は、比較例にかかる発振装置と比較して、出力が大きく、周波数特性が平坦であり、かつ落下時の衝撃に対して強いことが示された。
 また、図13に示すように、携帯通信端末100のスピーカ102として、実施例1~8に係る発振装置を使用した。スピーカ102は、携帯通信端末100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102の特性を表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 この表から、各実施例に係るスピーカ102は、周波数特性が平坦であり、かつ落下時の衝撃に対して強いことが示された。
 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7月23日に出願された日本出願特願2010-166506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 (10)

  1.  シート状の振動部材と、
     前記振動部材の一面に取り付けられ、平面形状で中空部を有する第1圧電振動子と、
     前記振動部材の前記一面に取り付けられ、平面視で前記第1圧電振動子の前記中空部に位置する第2圧電振動子と、
     前記振動部材の縁を支持する支持体と、
    を備え、
     前記第1圧電振動子の基本共振周波数は前記第2圧電振動子の基本共振周波数よりも低く、
     前記第2圧電振動子は、前記第1圧電振動子が基本共振周波数で駆動しているときに前記振動部材で生じる振動の腹と重なっている発振装置。
  2.  請求項1に記載の発振装置において、
     前記振動部材に埋め込まれ、平面視で前記第1圧電振動子の前記中空部に位置しており、前記第2圧電振動子の周囲を囲んでおり、かつ前記振動部材よりも縦弾性係数が低い材料により形成されている第1シールド部材を備えている発振装置。
  3.  請求項2に記載の発振装置において、
     前記第1シールド部材は樹脂により形成されている発振装置。
  4.  請求項1~3のいずれか一項に記載の発振装置において、
     前記振動部材に埋め込まれ、平面視で前記第1圧電振動子と前記支持体の間に位置しており、前記第1圧電振動子の周囲を囲んでおり、かつ前記振動部材よりも縦弾性係数が低い材料により形成されている第2シールド部材を備えている発振装置。
  5.  請求項4に記載の発振装置において、
     前記第2シールド部材は樹脂により形成されている発振装置。
  6.  請求項1~5のいずれか一項に記載の発振装置において、
     前記第1圧電振動子はリング形状である発振装置。
  7.  請求項6に記載の発振装置において、
     前記第2圧電振動子は円形である発振装置。
  8.  請求項1~7のいずれか一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振源である発振装置。
  9.  請求項8に記載の発振装置において、
     前記第1圧電振動子に第1周波数の音波を発生させ、前記第2圧電振動子に前記第1周波数より高い第2周波数の音波を発生させる制御部をさらに備える発振装置。
  10.  請求項1~7のいずれか一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り、
     前記振動部材、前記第1圧電振動子、及び前記第2圧電振動子を複数組有しており、
     前記第1圧電振動子に再生音を示す信号をそのまま入力し、前記第2圧電振動子にパラメトリックスピーカとしての変調信号を入力する制御部をさらに備える発振装置。
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