JP2012029110A - Oscillation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電振動子を備えた発振装置に関する。 The present invention relates to an oscillation device including a piezoelectric vibrator.
近年、携帯電話機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。携帯端末では、テレビ電話や動画再生、ハンズフリー電話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。このような開発の中、音響部品である電気音響変換器(スピーカ装置)に対して、高音質でかつ小型・薄型化への要求が高まっている。 In recent years, demand for mobile terminals such as mobile phones and laptop computers has been increasing. As for mobile terminals, development of thin mobile terminals with commercial functions such as videophones, video playback, and hands-free telephones is underway. Under such development, there is an increasing demand for high-quality sound, small size, and thinness for electroacoustic transducers (speaker devices) that are acoustic components.
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きた。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、その動作原理および構造から、薄型化には限界がある。一方、特許文献1、2には、圧電振動子を電気音響変換器として使用することが記載されている。 Conventionally, electrodynamic electroacoustic transducers have been used as electroacoustic transducers in electronic devices such as mobile phones. This electrodynamic electroacoustic transducer is composed of a permanent magnet, a voice coil, and a diaphragm. However, there is a limit to reducing the thickness of electrodynamic electroacoustic transducers due to their operating principle and structure. On the other hand, Patent Documents 1 and 2 describe using a piezoelectric vibrator as an electroacoustic transducer.
また、圧電振動子を用いた発振装置の他の例としては、スピーカ装置のほか、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音波センサ(特許文献3を参照)など、種々が知られている。 As another example of an oscillation device using a piezoelectric vibrator, in addition to a speaker device, a sound wave sensor that detects a distance to an object using a sound wave oscillated from the piezoelectric vibrator (see Patent Document 3) Etc.) are known.
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。そして、動電型電気音響変換器がピストン型の進退運動によって振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は屈曲型の振動姿態をとるために振幅が小さくなる。このため、上記した動電型の電気音響変換器に対して薄型化に優位である。 An oscillating 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. The electrodynamic electroacoustic transducer generates vibration by a piston-type advance / retreat motion, whereas the oscillation device using the piezoelectric vibrator has a bending-type vibration state and thus has a small amplitude. For this reason, it is superior in reducing the thickness of the electrodynamic electroacoustic transducer described above.
しかしながら、発振装置の物理指標の一つである音圧レベルは、振動子による空気の体積排除量によって決定される。このため、圧電振動子を用いた発振装置の場合は、動電型電気音響変換器と比較して振幅および体積排除量が小さくなりやすく、小型化を図った場合には出力の音圧レベルを十分に得ることが困難であった。 However, the sound pressure level, which is one of the physical indicators of the oscillation device, is determined by the air volume exclusion amount by the vibrator. For this reason, in the case of an oscillation device using a piezoelectric vibrator, the amplitude and volume exclusion amount are likely to be small compared to an electrodynamic electroacoustic transducer. It was difficult to get enough.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、出力の音圧レベルの増大と装置の小型化をともに実現する発振装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an oscillation device that realizes both an increase in output sound pressure level and a reduction in size of the device.
本発明の発振装置は、厚さ方向に分極された圧電体と振動部材とが積層され電界の印加により面直方向に揺動して超音波をそれぞれ発振する第一および第二の圧電振動子を備え、前記第二の圧電振動子が、前記第一の圧電振動子の発振方向の前方に配置されているとともに、前記第一の圧電振動子が発振した前記超音波を通過させる開口部を備えていることを特徴とする。 The oscillation device according to the present invention includes a first piezoelectric vibrator and a second piezoelectric vibrator each of which is laminated with a piezoelectric body polarized in the thickness direction and a vibrating member and oscillates in the direction perpendicular to the surface by applying an electric field to oscillate ultrasonic waves The second piezoelectric vibrator is disposed in front of the oscillation direction of the first piezoelectric vibrator, and has an opening through which the ultrasonic wave oscillated by the first piezoelectric vibrator passes. It is characterized by having.
なお、本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。 Note that the various components of the present invention do not have to be individually independent, that a plurality of components are formed as one member, and one component is formed of a plurality of members. That a certain component is a part of another component, a part of a certain component overlaps a part of another component, and the like.
本発明によれば、圧電振動子を用いた発振装置において、出力の音圧レベルの増大と装置の小型化がともに実現される。 According to the present invention, in an oscillation device using a piezoelectric vibrator, both an increase in output sound pressure level and a reduction in size of the device are realized.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。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。
なお、本実施の形態では図示するように前後左右上下の方向を規定して説明する。しかし、これは構成要素の相対関係を簡単に説明するために便宜的に規定するものであり、本発明を実施する製品の製造時や使用時の方向を限定するものではない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
In the present embodiment, description will be made by defining the front-rear, left-right, up-down directions as shown. However, this is provided for convenience in order to simply explain the relative relationship of the components, and does not limit the direction during the manufacture or use of the product implementing the present invention.
<第一実施形態>
図1(a)は本実施形態にかかる発振装置100の平面図であり、同図(b)はそのB−B線断面図である。図2は発振装置100の一部切欠斜視図であり、同図の手前側の一部と制御部50(図1(a)を参照)は図示を省略している。
<First embodiment>
FIG. 1A is a plan view of the
はじめに、本実施形態の概要について説明する。
本実施形態の発振装置100は、厚さ方向に分極された圧電体12、22と振動部材13、23とが積層され電界の印加により面直方向に揺動して超音波をそれぞれ発振する第一圧電振動子10および第二圧電振動子20を備えている。そして、第二圧電振動子20は、第一圧電振動子10の発振方向の前方に配置されているとともに、第一圧電振動子10が発振した超音波を通過させる開口部24を備えている。
First, an outline of the present embodiment will be described.
The
発振装置100は、例えばスピーカ装置や音波センサの発振源として使用される。
スピーカ装置としては、圧電振動子の高い発振周波数を利用したパラメトリックスピーカとすることができる。すなわち発振装置100は、圧電振動子(第一圧電振動子10、第二圧電振動子20)が可聴波の超音波変調波を発振するスピーカ装置であってもよい。
The
As the speaker device, a parametric speaker using a high oscillation frequency of a piezoelectric vibrator can be used. That is, the
また、発振装置100は、圧電振動子(第一圧電振動子10、第二圧電振動子20)から発振されて測定対象物で反射した超音波を検知して、圧電振動子と測定対象物との距離を算出する測距部(図示せず)をさらに備えるソナー装置(音波センサ)であってもよい。測距部は、検知した超音波の減衰の度合いを測定することで、発振されてから検知されるまでの超音波の経路長を求めることができる。したがって、かかる経路長の半分をもって、発振装置100から測定対象物までの距離を知得することができる。
In addition, the
以下、本実施形態では、発振装置100をスピーカ装置とする場合を例に説明する。発振装置100は、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電子機器の音源として使用することができる。
Hereinafter, in this embodiment, a case where the
本実施形態の発振装置100について詳細に説明する。
発振装置100は、多段に配置されて超音波をそれぞれ発振する複数の圧電振動子を備えている。圧電振動子の段数は特に限定されない。本実施形態では、三段の圧電振動子(以下、第一圧電振動子10、第二圧電振動子20および第三圧電振動子30を圧電振動子と総称する場合がある)を備えている。なお、四段以上の圧電振動子を多段に配置してもよい。
The
The
軸方向AXに沿って第二圧電振動子20の発振方向のさらに前方に、第三圧電振動子30が配置されている。第三圧電振動子30は、第二圧電振動子20が発振した超音波を通過させる開口部34を備えている。
The third
ここで、圧電振動子が多段に配置されているとは、図示のように各段の圧電振動子の面直方向(軸方向AX)が互いに一致している場合のほか、各段の圧電振動子の軸方向AXが互いに交差する場合を含む。なお、各段に関しては、さらに複数の圧電振動子を平面方向に配置してもよい。 Here, the piezoelectric vibrators are arranged in multiple stages, in addition to the case where the perpendicular directions (axial direction AX) of the piezoelectric vibrators of each stage coincide with each other as shown in the figure, as well as the piezoelectric vibrations of each stage. This includes the case where the child axial directions AX intersect each other. For each stage, a plurality of piezoelectric vibrators may be further arranged in the plane direction.
本実施形態の圧電振動子は、制御部50により所定の周波数の交番電界が印加されて逆圧電効果により変形する圧電体12、22、32と、圧電体12、22、32をそれぞれ支持してこれらを往復揺動させる振動部材13、23、33とを含む。圧電体12、22、32および振動部材13、23、33が音響放射面にあたる。
The piezoelectric vibrator of this embodiment supports the
制御部50は、配線52およびリード線54、55を通じて圧電体12、22、32にそれぞれ高周波電圧を印加する。
圧電体12、22、32の表裏両側の主面には、上部電極層56と下部電極層57がそれぞれ形成されている。リード線54、55は、上部電極層56、下部電極層57に対して個別に接続されている。これにより、制御部50から供給された高周波電圧が、圧電体12、22、32の厚さ方向の両側に対して個別に印加される。なお、振動部材13、23、33に金属などの導電性材料を用いた場合、下部電極層57を振動部材13、23、33で兼用してもよい。
The
An
圧電体12、22、32の片側(図1(b)における下方)の主面は振動部材13、23、33にそれぞれ拘束されている。
The principal surfaces of one side (the lower side in FIG. 1B) of the
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、無機材料または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(BaTiO3)などの圧電セラミックスが好ましい。圧電体22の厚さは、例えば10μm以上500μm以下が好ましい。この厚さ範囲とすることで、圧電振動子の成形性が良好であり、また所望の振幅が得られるため十分な電気機械変換効率をえることができる。なお、第一圧電振動子10から第三圧電振動子30の各圧電体12、22、32の厚さは、互いに等しくてもよく、異なっていてもよい。
The
上部電極層56および下部電極層57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。銀は電気抵抗の低い汎用的な電極材料と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性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、上部電極層56および下部電極層57の厚さは特に限定されないが、1μm以上50μm以下とすることが好ましい。この厚さ範囲とすることで、均一な膜厚に成形することが容易であり、また圧電体22に対する拘束力が抑制されて圧電振動子のエネルギー変換効率を低下させることがない。
Although the material which comprises the
振動部材13、23、33は、圧電体12、22、32に発生した振動を発振装置100の全体に伝播させる機能と、圧電振動子の落下時の衝撃安定性を高める機能を持つ。また、振動部材13、23、33は、圧電体12、22、32の基本共振周波数を調整する機能を持つ。圧電体の基本共振周波数は負荷重量とコンプライアンスに依存するため、圧電体の剛性の制御により基本共振周波数が制御される。また、圧電体に用いる材料の弾性率の選択のほか、振動部材の厚みの調整により、基本共振周波数は低域または高域にシフトさせることができる。振動部材に対する塗膜の形成などによって重量負荷を調整してもよい。
The
振動部材13、23、33には、金属や樹脂などを広く用いることができる。加工性の観点から、リン青銅や鉄−ニッケル合金、ステンレス鋼などの金属材料が使用される。また、振動部材13、23、33の厚さについては、5μm以上1000μm以下が好ましい。この厚さ範囲とすることで、圧電体12、22、32の拘束力と加工精度を所望に得ることができる。振動部材13、23、33の縦弾性係数(ヤング率)は1GPa以上500GPa以下が好ましい。かかる数値範囲とすることで、圧電振動子の基本周波数を所望に調整し、かつ圧電振動子に高い信頼性を得ることができる。なお、鉄―ニッケル合金はセラミックスとの熱膨張係数が近く、接着処理などの熱工程での応力負荷を防止でき、信頼性が向上する。
For the vibrating
そして、成形加工性の高い金属材料からなる振動部材13、23、33を用いることにより、脆弱な圧電体12、22、32の成形寸法および形状を共通化した状態で圧電振動子の基本共振周波数を調整することができる。
Then, by using the vibrating
第二圧電振動子20の振動部材23は、圧電体22を支持する台座部231と、台座部231の周囲に延在する複数の梁部232(232a〜232d)とを含んでいる。そして、開口部24が梁部232a〜232d同士の間に形成されている。
The
言い換えると、振動部材23の梁部232は略十字状をなし、交差する中心部に台座部231が形成されている。振動部材23は、梁部232と台座部231とを一体成形してもよく、または個別に作成された梁部232と台座部231とを接合して一体化してもよい。台座部231は、圧電体22を包含する形状および寸法をもつ。
In other words, the beam portion 232 of the
本実施形態の発振装置100において、第一圧電振動子10と第二圧電振動子20は、互いに同一形状である。第一圧電振動子10および第二圧電振動子20は、略十字状の梁部132、232およびその中心部に設けられた台座部131、231からなる振動部材13、23と、台座部131、231に接合された圧電体12、22とで構成されている。
In the
圧電体12、22と台座部131、231とは、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合することができる。
The
さらに、第一圧電振動子10から第三圧電振動子30は、いずれも同一形状である。すなわち、第三圧電振動子30の振動部材33は、圧電体32を支持する台座部331と、台座部331の周囲に延在する複数の梁部332とを含んでいる。
本実施形態の発振装置100において、第二圧電振動子20の梁部232と、第三圧電振動子30の梁部332の少なくとも一部同士は、発振方向(軸方向AX)からみて互いに重なりの位置にある。特に本実施形態の場合、第二圧電振動子20の梁部232と第三圧電振動子30の梁部332とは軸方向AXからみて完全に重なり合っている。ただし、本発明はこれに限られず、軸方向AX方向に隣接する振動部材23と振動部材33とは、互いに重なり合わず異なる位置に設けられていてもよい。
Further, the first
In the
第一圧電振動子10から第三圧電振動子30が同一形状であり、各振動子の基本共振周波数は略同等である。そして、第一圧電振動子10から第三圧電振動子30は、圧電体12、22、32の中心同士が軸方向AXに一致している。これにより、各振動子から発振された超音波US1、US2、US3の位相制御が容易におこなわれる。
The first
また、発振装置100は、振動部材13、23、33が固定された筒状の支持体40を備えている。第一圧電振動子10、第二圧電振動子20および第三圧電振動子30は、支持体40の軸方向AXに沿って多段に配置されている。
The
支持体40は、発振装置100を形成する筐体(ケース)としての役割を果たすと同時に、振動部材13、23、33の振動を拡大する剛部材としての機能を果たす。
The
本実施形態の支持体40は、梁部132、232、332をそれぞれ内包する円筒状をなしている。支持体40には装着溝42が設けられ、梁部132、232、332の先端がそれぞれ嵌合固定される。これにより、圧電体12、22、32は、各面直方向が支持体40の軸方向AXに一致して多段に配置される。そして、隣接する梁部132、232、332同士と支持体40の内壁面との間に略扇形の開口部14、24、34がそれぞれ形成されている。
The
図2に示すように、第二圧電振動子20の開口部24および第三圧電振動子30の開口部34は、それぞれの後段に配置された第一圧電振動子10、第二圧電振動子20から発振された超音波US1、US2を通過させる。これにより、本実施形態の発振装置100は、多段に配置した圧電振動子が他の圧電振動子から発振された超音波を阻害することがない。そして、複数の圧電振動子を多段に配置したことで、発振装置100の設置面積を小型化することができる。言い換えると、発振装置100は、多段に配列された複数の圧電振動子から音波を発生させることから、放射面の面積を拡大することなく、大きな音圧レベルでの出力が可能である。
As shown in FIG. 2, the
本実施形態の第一圧電振動子10、第二圧電振動子20、第三圧電振動子30が発振する超音波の周波数は、ともに20kHzを超える。
The frequencies of the ultrasonic waves oscillated by the first
図3は、本実施形態の発振装置100が搭載された携帯端末200の平面図である。同図に示すように、本実施形態の発振装置100は携帯端末200に搭載される。携帯端末200としては携帯電話機を例示する。携帯端末200の筐体202は、折り畳み型でもスライド型でもよく、または図示のように直線型でもよい。ディスプレイ部204および操作キー206と同一面上に本実施形態の発振装置100は配置されている。筐体202には、ディスプレイ部204を目視するユーザに正対する位置に音声出力部208が開口形成され、その内部に発振装置100が装着されている。
FIG. 3 is a plan view of the
本実施形態の発振装置100はパラメトリックスピーカであり、圧電振動子の特長である高い機械品質係数Qを利用して、特定周波数に限定した超音波を発振させる。これにより、携帯端末200のユーザおよびその近傍に特定して可聴音を再生させことができる。ここで、圧電振動子の基本共振周波数は圧電体12、22、32の円周径に依存し、小径になるにつれ、高周波数帯域へシフトする。そして、圧電振動子の発振周波数を20kHz以上とすることで、携帯端末200への搭載性に優れた小型の発振装置100が実現される。
The
図4(a)から(c)は、往復揺動する圧電振動子を説明する正面図である。例として第二圧電振動子20を図示するが、第一圧電振動子10および第三圧電振動子30に関しても同様である。
FIGS. 4A to 4C are front views illustrating a piezoelectric vibrator that reciprocally swings. Although the second
第二圧電振動子20は圧電体22と振動部材23とを積層してなる。圧電体22の上面には上部電極層56が被着形成され、下面には下部電極層57が被着形成されている。制御部50は、超音波変調した可聴波に対応する交番電界を出力する。
The second
圧電体22は厚み方向に分極している。分極方向の正逆の向きは任意であるが、図4では上向きを分極方向とする。
同図(a)は中立状態であり、制御部50による印加電圧はゼロである。
同図(b)に示すように、リード線54および上部電極層56に正電界を印加し、リード線55および下部電極層57に負電界を印加した場合、圧電体22は逆圧電効果によって厚みが減少する。厚みが減少した圧電体22はポアソン比に応じて平面方向に拡大する。このとき、圧電体22の下面は、振動部材23の上面234が接合されて拘束されている。このため、圧電体22の逆圧電変形量は、下面側に比べて上面側の方が大きくなり、圧電体22は上に凸に変形する。
The
FIG. 5A shows a neutral state, and the voltage applied by the
When a positive electric field is applied to the
本実施形態の第二圧電振動子20はユニモルフ構造であり、圧電体22は振動部材23の一方側にのみ設けられている。このため、圧電体22の拡大変形に伴って、振動部材23の上面234は下面235に比べて大きな歪みが平面方向に生じる。これにより、振動部材23もまた上に凸に変形する。
よって、第二圧電振動子20は中立状態(同図(a))から上方に変位して振動の上死点に至る。
The second
Therefore, the second
図4(c)に示すように制御部50により印加される交番電界の正負が反転すると、圧電体22は逆圧電効果によって厚みが増大し、平面方向に縮小するように変形する。これにより、同図(b)とは逆に圧電体22および振動部材23は下に凸に変形する。このため、第二圧電振動子20は中立状態(同図(a))から下方に変位して振動の下死点に至る。
As shown in FIG. 4C, when the alternating electric field applied by the
換言すれば、圧電体22は、主面が拡大するような第1の変形モードと、主面が縮小するような第2の変形モードとを繰り返すような運動を行う。このような運動を繰り返すことで、第二圧電振動子20に振動を発生し、音波を発生する。
In other words, the
なお、第一圧電振動子10、第二圧電振動子20、第三圧電振動子30に対して制御部50が印加する交番電界の周波数を相違させた場合には、各圧電振動子が発振する超音波の周波数は互いに相違する。これにより、発振された超音波が互いに干渉することが防止される。一方、各圧電振動子に対して制御部50が印加する交番電界の周波数を等しくすることにより、超音波から復調される可聴波を増幅させることができる。
In addition, when the frequency of the alternating electric field applied by the
なお本実施形態については種々の変形を許容する。 Various modifications are allowed for this embodiment.
(第一変形例)
圧電振動子は、複数のセラミック層と電極層とが交互に形成された積層構造を有してもよい。
図5は、かかる第一変形例の圧電振動子(第二圧電振動子20を例示する)を示す正面図である。振動部材23は圧電体22a、22bによって両側から拘束されている。圧電体22aには上部電極層56aと下部電極層57aが設けられ、圧電体22bには上部電極層56bと下部電極層57bが設けられている。すなわち、本変形例の第二圧電振動子20は、2つのセラミック層(圧電体22a、22b)と電極層(上部電極層56a、56bおよび下部電極層57a、57b)とが交互に形成されている。
(First modification)
The piezoelectric vibrator may have a laminated structure in which a plurality of ceramic layers and electrode layers are alternately formed.
FIG. 5 is a front view showing the piezoelectric vibrator of the first modification (illustrating the second piezoelectric vibrator 20). The
圧電体22aの下部電極層57aと、圧電体22bの上部電極層56bは、導電性の振動部材23にそれぞれ接合されて同電位である。制御部50の出力の一端に接続されたリード線55は振動部材23を通じて下部電極層57aおよび上部電極層56bに電気的に接続されている。
The
制御部50の出力の他端に接続されたリード線54(54a、54b)は分岐してそれぞれ圧電体22aの上部電極層56aと圧電体22bの下部電極層57bに接続されている。これにより、第二圧電振動子20の上下両面は同電位となって制御部50から交番電界が印加される。
Lead wires 54 (54a, 54b) connected to the other end of the output of the
このバイモルフ型の圧電振動子は、電界印加時の圧電体22aと圧電体22bの変位方向が反対であり、一方が長手方向に伸張したときに他方が収縮する。これにより、圧電体22aと圧電体22bとは、振動部材23の凸変形(図4(b)、(c)を参照)の変形量を増大させる、発振装置100の音圧レベルを高める。なお、二つの圧電体22a、22bについては、第一実施形態と同様の圧電性材料を使用することができる。また、2つの圧電体22a、22bは、互いに同一形状であってもよく、または互いに異なる形状であってもよい。
In this bimorph type piezoelectric vibrator, the displacement directions of the
(第二変形例)
図6は第二変形例の圧電振動子の分解斜視図である。本変形例の圧電振動子もまた、複数のセラミック層(圧電体22a〜22e)と電極層(導体層58a〜58d)とが交互に形成された積層構造を有する。
(Second modification)
FIG. 6 is an exploded perspective view of the piezoelectric vibrator of the second modification. The piezoelectric vibrator of this modification also has a laminated structure in which a plurality of ceramic layers (
この変形例の圧電振動子(第二圧電振動子20を例示する)は、板状の圧電材料からなる三層以上、より具体的には五層の圧電体22a〜22eを互いに積層し、圧電体同士の間に電極層(導体層58a〜58d)を一層ずつ介装したものである。
The piezoelectric vibrator (example of the second piezoelectric vibrator 20) of this modification is formed by stacking three or more layers, more specifically, five layers of
ここで、各圧電体の分極方向は一層ごとに逆向きとし、印加電界の向きも交互に逆向きとする。このような積層構造の圧電振動子によれば、電極層間に生じる電界強度が高いため、圧電体の積層数に応じて圧電振動子の駆動力が向上する。これにより、圧電振動子の面積を小さくして発振装置を小型化しても、その音圧レベルを十分に確保することができる。 Here, the polarization direction of each piezoelectric body is reversed for each layer, and the direction of the applied electric field is also reversed alternately. According to the piezoelectric vibrator having such a laminated structure, since the electric field strength generated between the electrode layers is high, the driving force of the piezoelectric vibrator is improved according to the number of laminated piezoelectric bodies. Thereby, even if the area of the piezoelectric vibrator is reduced to reduce the size of the oscillation device, the sound pressure level can be sufficiently secured.
また、本実施形態の第三変形例として、振動部材13、23、33は、当該振動部材よりも低剛性の樹脂材料を介して支持体40に接合されていてもよい。
図7は、かかる第三変形例の圧電振動子(第二圧電振動子20を例示する)を示す正面図である。
As a third modification of the present embodiment, the
FIG. 7 is a front view showing the piezoelectric vibrator (illustrating the second piezoelectric vibrator 20) of the third modified example.
圧電体22が接合された振動部材23の両端は、樹脂材料からなる保持部60で支持されている。保持部60は、支持体40および振動部材23よりもヤング率の低い樹脂材料からなる。保持部60は、一端(外側端部)が支持体40に固定され、他端(内側端部)が振動部材23に固定された板状をなしている。樹脂材料は、有機高分子材料であれば特に限定されないが、ウレタン、PET(Polyethylene terephthalate)またはポリエチレンなどが好ましい。
Both ends of the
本変形例の第二圧電振動子20は、このように振動部材23と支持体40との間に樹脂材料を介在させることで、圧電体22の逆圧電変形によって生じた振動部材23の往復揺動の振幅が増大する。これは、振動部材23と支持体40との固定状態が、第一実施形態よりも自由端に近づくためである。そして、かかる第二圧電振動子20によれば、振動可動範囲が拡大して振幅量が増加するとともに、落下時の衝撃安定性も向上する。
In the second
<第二実施形態>
図8は本実施形態にかかる発振装置100の内部構造を示す一部切欠斜視図である。支持体40における手前側の一部と、制御部50(図1(a)を参照)は図示を省略している。
<Second embodiment>
FIG. 8 is a partially cutaway perspective view showing the internal structure of the
本実施形態の発振装置100は、圧電体22、32がそれぞれ多数の貫通孔を開口部24、34として備えている。そして、本実施形態の発振装置100は、第一圧電振動子10から第三圧電振動子30のそれぞれ少なくとも一部が、発振方向からみて互いにずれあった位置にある。
In the
本実施形態の第二圧電振動子20および第三圧電振動子30は、圧電体22、32と振動部材23、33をそれぞれ接合したうえで、それぞれ複数の開口部24、34を格子状または千鳥状に形成したものである。そして、開口部24と開口部34とは、軸方向AXに直交する平面視方向からみて異なる位置に形成されている。これにより、第二圧電振動子20(圧電体22)が発振した超音波US2は、その直上の開口部34を通じて発振装置100から前方に放射される。
In the second
ともに矩形の第一圧電振動子10から第三圧電振動子30は、角筒状の支持体40に対して四辺がそれぞれ固定されている。
In each of the rectangular first
本実施形態の第一圧電振動子10は無孔の平板状をなしている点で第二圧電振動子20や第三圧電振動子30と相違する。第一圧電振動子10(圧電体12)が発振した超音波US1は、その直上の開口部24を通じて前方に放射される。そして、超音波US1は、第二圧電振動子20よりも遠方にあたる第三圧電振動子30においては、振動部材33を迂回して開口部34を通過することが可能である。
The first
本実施形態の発振装置100は、隣接する圧電振動子の開口部24、34がずれていることにより、放射された超音波US1、US2が支持体40の内部に籠もらず好適に放射される。また、本実施形態の圧電振動子は、貫通孔(開口部24、34)の数密度および直径を選択することで基本共振周波数を調整することができる。
In the
以下、本発明の発振装置を、実施例に基づいてより詳細に説明する。ただし本発明は以下の実施例に限られるものではない。 Hereinafter, the oscillation device of the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
本発明の発振装置の特性評価を、以下、評価1〜評価2の評価項目で行った。
(評価1)音圧レベル周波数特性の測定:交流電圧1V入力時の音圧レベルを、素子から所定距離だけ離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。なお、この所定距離は、特に明記しない限り10cmであり、周波数の測定範囲は10Hz〜10kHzとして、超音波変調された可聴波を発振した。また、マイクロホンで測定した音圧レベルの波形の目視観察と、変調された可聴波の官能評価により、周波数特性の平坦性を評価した。
The characteristic evaluation of the oscillation device of the present invention was performed using evaluation items 1 to 2 below.
(Evaluation 1) Measurement of sound pressure level frequency characteristics: The sound pressure level when an AC voltage of 1 V was input was measured with a microphone placed at a position away from the element by a predetermined distance. The predetermined distance was 10 cm unless otherwise specified, and an ultrasonically modulated audible wave was oscillated with a frequency measurement range of 10 Hz to 10 kHz. Further, the flatness of the frequency characteristics was evaluated by visual observation of the waveform of the sound pressure level measured with a microphone and sensory evaluation of the modulated audible wave.
(評価2)落下衝撃試験:発振装置を搭載した携帯電話機を50cm直上から、5回自然落下させ、落下衝撃安定性試験を行った。具体的には、落下衝撃試験後の割れ等の破壊を目視で確認し、さらに、試験後の音圧特性を測定した。その結果、音圧レベル差(試験前の音圧レベルと試験後の音圧レベルとの差)が3dB未満を○とし、3dB以上を×とした。 (Evaluation 2) Drop impact test: A mobile phone equipped with an oscillation device was naturally dropped 5 times from directly above 50 cm, and a drop impact stability test was performed. Specifically, breakage such as cracks after the drop impact test was visually confirmed, and the sound pressure characteristics after the test were further measured. As a result, the sound pressure level difference (difference between the sound pressure level before the test and the sound pressure level after the test) was less than 3 dB, and 3 dB or more was evaluated as x.
(実施例1)
図1に示した発振装置を作成し、評価1による音響特性、および評価2による機械特性を調べた。
Example 1
The oscillation device shown in FIG. 1 was prepared, and the acoustic characteristics according to Evaluation 1 and the mechanical characteristics according to Evaluation 2 were examined.
第一圧電振動子10の圧電体12は、外径=φ10mm、厚み=200μmとし、その両面に、それぞれ厚み8μmの上部電極層56および下部電極層57を形成した。振動部材13は、外径=φ12mm、厚み=300μmのリン青銅を用いた。支持体40にはステンレス鋼(SUS304)を用い、振動部材13と直接に接合した。支持体40は、外径=φ13mm、内径=φ12mmの中空状の円筒であり、厚さを2.0mmとした。
圧電体12および振動部材13は同心状に配置した。また、圧電体12の圧電材料には、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用いた。上部電極層56および下部電極層57には、銀/パラジウム合金(重量比70%:30%)を使用した。圧電体12の圧電セラミックスの製造はグリーンシート法で行い、大気中で1100℃、2時間にわたって焼成し、その後、圧電体12に分極処理を施した。圧電体12と振動部材13との接着、および支持体40との接着には、いずれもエポキシ系接着剤を用いた。
第二圧電振動子20および第三圧電振動子30についても第一圧電振動子10と同様に作成した。
The
The
The second
また、図5(実施例2)、図6(実施例3)および図7(実施例4)の発振装置100を実施例1と同様に作成し、同様に音響特性および機械特性を調べた。
In addition, the
比較例1として、実施例1〜4と同一面積の音響放射面を有する動電型の発振装置を作成し、同様に音響特性および機械特性を調べた。
なお、各実施例と比較例において、音響放射面の面積は共通とした。結果を表1に示す。
As Comparative Example 1, an electrodynamic oscillator having an acoustic radiation surface having the same area as in Examples 1 to 4 was prepared, and the acoustic characteristics and mechanical characteristics were similarly examined.
In each example and comparative example, the area of the acoustic radiation surface is the same. The results are shown in Table 1.
上記の結果より明らかのように、実施例1〜4の発振装置によれば、小型かつ高い音圧レベルを有し、音圧レベル周波数特性は平坦であった。 As is clear from the above results, according to the oscillation devices of Examples 1 to 4, the sound pressure level frequency characteristics were flat with a small and high sound pressure level.
実施例5として、第一実施形態の発振装置に対して、各圧電振動子の圧電体の外径寸法のみを3mm、5mm、7mm、10mmに変更して、実施例1と同様に音響特性および機械特性を調べた。結果を表2に示す。 As Example 5, with respect to the oscillation device of the first embodiment, only the outer diameter dimension of the piezoelectric body of each piezoelectric vibrator was changed to 3 mm, 5 mm, 7 mm, and 10 mm, and the acoustic characteristics and The mechanical properties were investigated. The results are shown in Table 2.
上記の結果より明らかのように、実施例5の発振装置によれば、いずれも小型でかつ高い音圧レベルを有し、音圧レベル周波数特性は平坦であった。 As apparent from the above results, according to the oscillation device of Example 5, all were small and had a high sound pressure level, and the sound pressure level frequency characteristics were flat.
実施例6から9として、図3に示した携帯端末200の筐体202に、実施例1から4の発振装置100をそれぞれ搭載した。具体的には、携帯電話機(携帯端末200)の筐体202の内側面に発振装置を貼り付ける構成とした。かかる携帯端末200に関して、実施例1と同様に音圧レベルの測定と機械特性の評価をおこなった。なお機械特性は、発振装置100を搭載した携帯端末200を50cm直上から5回自然落下させて落下衝撃安定性試験をおこなった。結果を表3に示す。
As the sixth to ninth embodiments, the
上記の結果より明らかのように、実施例6〜9の発振装置に関しても、いずれも小型でかつ高い音圧レベルを有し、高い衝撃安定性を有することが分かった。 As is clear from the above results, it was found that all of the oscillation devices of Examples 6 to 9 were small and had a high sound pressure level and high impact stability.
10 第一圧電振動子
20 第二圧電振動子
30 第三圧電振動子
12、22、32 圧電体
13、23、33 振動部材
131、231、331 台座部
132、232、332 梁部
234 上面
235 下面
14、24、34 開口部
40 支持体
42 装着溝
50 制御部
52 配線
54、55 リード線
56 上部電極層
57 下部電極層
58a〜58d 導体層
60 保持部
100 発振装置
200 携帯端末
202 筐体
204 ディスプレイ部
206 操作キー
208 音声出力部
AX 軸方向
US1、US2、US3 超音波
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記第二の圧電振動子が、前記第一の圧電振動子の発振方向の前方に配置されているとともに、前記第一の圧電振動子が発振した前記超音波を通過させる開口部を備えていることを特徴とする発振装置。 A piezoelectric body polarized in the thickness direction and a vibrating member are stacked, and includes first and second piezoelectric vibrators that respectively oscillate in an ultrasonic wave by oscillating in a direction perpendicular to a plane by applying an electric field,
The second piezoelectric vibrator is disposed in front of the oscillation direction of the first piezoelectric vibrator, and includes an opening through which the ultrasonic wave oscillated by the first piezoelectric vibrator passes. An oscillation device characterized by that.
前記開口部が前記梁部同士の間に形成されている請求項1に記載の発振装置。 The vibrating member of the second piezoelectric vibrator includes a pedestal portion that supports the piezoelectric body, and a plurality of beam portions that extend around the pedestal portion,
The oscillation device according to claim 1, wherein the opening is formed between the beam portions.
前記第一および第二の圧電振動子が前記支持体の軸方向に沿って多段に配置されている請求項1から3のいずれか一項に記載の発振装置。 It further comprises a cylindrical support to which the vibration member is fixed,
4. The oscillation device according to claim 1, wherein the first and second piezoelectric vibrators are arranged in multiple stages along the axial direction of the support. 5.
前記第三の圧電振動子は、前記第二の圧電振動子が発振した前記超音波を通過させる開口部を備えていることを特徴とする請求項4または5に記載の発振装置。 A third piezoelectric vibrator is disposed further forward in the oscillation direction of the second piezoelectric vibrator along the axial direction,
6. The oscillation device according to claim 4, wherein the third piezoelectric vibrator includes an opening through which the ultrasonic wave oscillated by the second piezoelectric vibrator passes.
前記第二の圧電振動子の前記梁部と、前記第三の圧電振動子の前記梁部の少なくとも一部同士が、前記発振方向からみて互いに重なりの位置にあることを特徴とする請求項6に記載の発振装置。 The vibrating member of the third piezoelectric vibrator includes a pedestal portion that supports the piezoelectric body, and a plurality of beam portions that extend around the pedestal portion,
7. The beam portion of the second piezoelectric vibrator and at least a part of the beam portion of the third piezoelectric vibrator are in positions overlapping each other when viewed from the oscillation direction. The oscillation device described in 1.
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