JP2012029111A - 発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パラメトリックスピーカにおいて新たな復調方式を実現する。
【解決手段】発振装置は、シート状の振動部材１０と、振動部材１０の一方の面に取り付けられた振動子２０と、振動部材１０の縁を支持する支持部４０と、振動部材１０に対向し音波を反射する反射部３０とを有する。発振装置は、更に、反射部３０と支持部４０とのうちの少なくとも何れかに形成された放音孔３２を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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の携帯端末など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を有する。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、２に記載されているように、圧電振動子を有するパラメトリックスピーカが新たな電気音響変換器として期待されている。

なお、特許文献３には、複数の超音波振動子と、個々の超音波振動子とそれぞれ対応する反射板と、を有するパラメトリックスピーカが記載されている。このパラメトリックスピーカでは、個々の超音波振動子から放射した超音波を対応する反射板により反射させ、複数の反射板から反射される超音波を合成して再生可聴音とする。

特開２０００−００５４５４号公報 特開２００５−１０１７４９号公報 特開２００９−２９０３５７号公報

パラメトリックスピーカは、変調された音声信号を発振後に復調することにより、可聴域の音を再生するものである。ここで、新たな復調方式を創出すれば、パラメトリックスピーカの特性をさらに向上させる糸口となる可能性がある。

本発明の目的は、パラメトリックスピーカにおいて新たな復調方式を実現することができる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、
前記振動部材の一方の面に取り付けられた振動子と、
前記振動部材の縁を支持する支持部と、
前記振動部材に対向し、音波を反射する反射部と、
前記反射部と前記支持部とのうちの少なくとも何れかに形成された放音孔と、
を有することを特徴とする発振装置が提供される。

本発明によれば、パラメトリックスピーカにおいて新たな復調方式を実現することができる。

第１の実施形態に係る発振装置の断面図である。 振動子の層構造を示す断面図である。 復調のメカニズムの一例を説明するための模式図である。 第２の実施形態に係る発振装置の断面図である。 第３の実施形態に係る発振装置の断面図である。 第４の実施形態に係る発振装置の振動子の構成を示す分解斜視図である。 第５の実施形態に係る発振装置の断面図である。 第６の実施形態に係る発振装置の断面図である。 第７の実施形態に係る発振装置の断面図である。 第８の実施形態に係る発振装置の振動子として用いられるＭＥＭＳアクチュエータの構成を示す分解斜視図である。 発振装置を有する携帯通信端末の構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。

〔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断面図である。この発振装置は、シート状の振動部材１０、振動子２０、支持部４０及び反射部３０を備えている。振動子２０は例えば圧電振動子であり、振動部材１０の一方の面に取り付けられている。支持部４０は、振動部材１０の縁を支持している。反射部３０は、振動部材１０に対向し、振動子２０及び振動部材１０より発振される音波を反射する。更に、反射部３０と支持部４０とのうちの少なくとも何れかには、放音孔３２が形成されている。この発振装置は、例えばパラメトリックスピーカの発振源として使用される。このパラメトリックスピーカは、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、振動子２０から発生した振動によって振動し、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。なお、振動子２０も、自身が振動することによって、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。また振動部材１０は、振動子２０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、振動子２０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、脆性材料である振動子２０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振動子２０の平面形状は円形である。ただし振動子２０の平面形状は円形に限定されない。振動子２０は、例えば、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。これにより、振動子２０の片面の全面が振動部材１０によって拘束される。

発振装置は、更に、信号生成部５４及び制御部５０を備えている。信号生成部５４及び制御部５０は、振動子２０に発振信号を入力することによって振動子２０を振動させて、振動子２０及び振動部材１０より音波を発振させる発振回路（入力部）を構成している。信号生成部５４は、振動子２０に入力する電気信号、例えばパラメトリックスピーカにおける変調信号を生成する。変調信号の輸送波は、例えば、周波数が２０ｋＨｚ以上の超音波であり、具体的には、例えば１００ｋＨｚの超音波である。制御部５０は、外部から入力された情報に応じて、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。

上記のように、反射部３０は、振動部材１０に対向し、振動子２０及び振動部材１０より発振される音波を反射する。反射部３０を構成する材料は、超音波を反射できる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、金属であることが好ましく、なかでも例えばアルミニウム或いはステンレスが好ましい。反射部３０は、例えば、平板状に形成されている。

本実施形態の場合、例えば、反射部３０及び支持部４０は互いに一体形成されてケース４を構成している。このケース４は、振動子２０との間に間隔を空けて、該振動子２０の周囲を囲んでいる。なお、このように反射部３０及び支持部４０を一体形成する場合、反射部３０及び支持部４０を同一の種類の金属により構成することができる。

ケース４は、例えば、一端が開放した半筐体状に形成されている。より具体的には、ケース４は、一端が開放し、他端が塞がれた、扁平な円筒状に形成されている。なお、ケース４の他端を塞いでいるのが反射部３０であり、支持部４０は、ケース４の筒状の側壁を構成している。そして、振動部材１０は、ケース４の開放端側を塞ぐようにケース４に取り付けられている。

また、放音孔３２は、例えば、ケース４において、開放端と対向する面（つまり、反射部３０）に対して交差する側面（つまり支持部４０）に形成されている。なお、放音孔３２の数は任意である。放音孔３２は１つであっても良いし、複数であっても良い。

ここで、反射部３０の厚みは、その機械的強度を十分な大きさとする観点からは、１００μｍ以上であることが好ましく、２００μｍ以上であることがさらに好ましい。なお、発振装置の小型化の観点からは、反射部３０が薄い方が良い。

本実施形態において、振動子２０は、振動部材１０を基準として反射部３０と同じ側に位置している。ただし、振動子２０は、振動部材１０と基準として反射部３０とは反対側に位置していても良い。

図２は、振動子２０の厚さ方向の層構造を示す断面図である。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。

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（ＢａＴｉＯ３）であるのが好ましい。圧電体２２の厚さｈ１は、例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下である。厚さｈ１が１０μｍ未満の場合、発振装置の製造時に振動子２０が破損する可能性が生じる。また厚さｈ１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可能性がある。その理由は、振動子２０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。

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。銀は低抵抗で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ｈ２は特に限定されないが、その厚さｈ２が１μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。厚さｈ２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、エネルギー変換効率を低下させてしまう可能性が生じる。

次に、発振装置の製造方法を説明する。まず、振動子２０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。この段階で、振動子２０の圧電体２２には既に分極処理がなされている。次いで、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて、振動子２０を振動部材１０に固定する。なお振動部材１０を支持部４０（ケース４）に固定するタイミングは、振動子２０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。なお、反射部３０が支持部４０とは別体の場合、振動部材１０に振動子２０を固定し、且つ、振動部材１０を支持部４０に固定した後、反射部３０を支持部４０に取り付ける。

ここで、振動子２０は、外径＝φ１８ｍｍ、内径＝φ１２ｍｍ、厚み＝１００μｍとすることができる。また上面電極２４及び下面電極２６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（０．３ｍｍ）のリン青銅を用いることができる。ケース４は、例えば、外径＝φ２２ｍｍ、内径＝φ２０ｍｍの筒状（例えば円筒状）に形成されている。

次に、本実施形態に係る発振装置をパラメトリックスピーカとして用いる場合について説明する。

まず、一般的な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（輸送波）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、本実施形態の発振装置をパラメトリックスピーカとして用いた場合の原理を説明する。本実施形態において振動子２０に変調信号が入力されると、振動子２０及び振動部材１０から、変調信号に従った超音波が放射される。

図３はこの放射される超音波の復調のメカニズムの一例を示す模式図であり、図１の断面図と対応している。図３に示すように、放射された超音波の一部１は、例えば振動子２０から反射部３０へ向けて直進し、反射部３０にて反射する。また、放射された超音波の他の一部２は、例えば、振動子２０から直進する過程で、図３に示す干渉領域３にて上記一部１と干渉する。ここで、超音波の一部１は反射部３０にて反射する際に位相が反転する、すなわち位相が波長の１／２だけずれる。そして、一部１は反射部３０にて反射後、干渉領域３へ到達する。一方、超音波の一部２は干渉領域３へ直進する。つまり、超音波の一部１は他の一部２よりも長い距離を経由して干渉領域３へ到達する。このため、干渉領域３へ到達するまでに、超音波の一部１と一部２との間には、（波長の１／２）＋αの位相差が生じている。そして互いに（波長の１／２）＋αの位相差を有する超音波の一部１と一部２とが重なり合うことにより、可聴音が生成（復調）される。そして、この可聴音は、放音孔３２を介して、ケース４の外部へ放射される。

なお、上記αが波長の１／２となってしまうと、干渉領域３にて超音波の一部１と一部２との位相差が生じないため、復調を適切に行うことが困難となる。このため、上記αが波長の１／２となってしまうことを抑制するために、振動部材１０と反射部３０との距離を音波の波長の１／４以下に設定することが好ましい。

このように、本実施形態によれば、パラメトリックスピーカにおいて新たな復調方式を実現することができる。

〔第２の実施形態〕
図４は第２の実施形態に係る発振装置の断面図である。本実施形態に係る発振装置では、振動部材１０と、ケース４において開放端と対向する面（つまり反射部３０）と、のなす角度が、放音孔３２側に向けて広がる角度となっている。すなわち、振動部材１０と、ケース４において開放端と対向する面（反射部３０）とが、互いに傾斜して配置されている。これにより、干渉領域３にて復調される可聴音の、放音孔３２側への指向性が向上する。よって、可聴音を効率的に放音孔３２から外部に出力することができる。本実施形態に係る発振装置は、その他の点では第１の実施形態に係る発振装置と同様に構成されている。図４の例では、振動部材１０が傾斜して配置されている例を示している。ただし、振動部材１０と支持部４０との相対的な配置は第１の実施形態と同様にし、反射部３０と支持部４０との相対的な配置を第１の実施形態と異ならせることにより、振動部材１０と反射部３０とを互いに傾斜させても良い。

〔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断面図である。本実施形態に係る発振装置は、放音孔３２が反射部３０に形成されている点を除いて、第１又は第２の実施形態に係る発振装置と同様に構成されている。すなわち、本実施形態の場合、放音孔３２は、ケース４において、開放端と対向する面に形成されている。本実施形態においても第１又は第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

〔第４の実施形態〕
図６は第４の実施形態に係る発振装置の振動子２０の構成を示す分解斜視図である。本実施形態に係る発振装置は、振動子２０が圧電体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。図６では、圧電体２２及び電極２４がそれぞれ４層ずつで、合計８層の例を示している。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乃至第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。また振動子２０を、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にしているため、振動子２０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５の実施形態〕
図７は第５の実施形態に係る発振装置の断面図である。本実施形態に係る発振装置においては、第１乃至第４の実施形態に係る発振装置が、振動部材１０の面方向に複数並んで設けられている。
本実施形態によっても、第１乃至第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。また複数の発振装置を有しているため、出力を大きくすることができる。

〔第６の実施形態〕
図８は、第６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の両面にそれぞれ振動子２０を有している点を除いて、第１乃至第５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、発振装置は、振動部材１０の両面を振動子２０で拘束したバイモルフ構造を有している。各振動子２０には、信号生成部５４から発振信号が入力されるようになっている。２つの振動子２０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。

本実施形態によっても第１乃至第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。また振動子２０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７の実施形態〕
図９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が第２振動部材６０を介して支持部４０に取り付けられている点を除いて、第１乃至第６の実施形態と同様の構成である。なお図９は、この点を除いて第１の実施形態と同様の場合を図示している。

第２振動部材６０は、振動部材１０よりも剛性が低くなるように形成されている。第２振動部材６０は、例えばウレタン、ＰＥＴ、及びポリエチレンなどの樹脂材料により形成されている。第２振動部材６０の厚さは、特に限定されないが、振動部材１０の端部の動きやすさが確保でき、かつ耐久性が基準を満たすように、その値が決定される。

本実施形態によっても、第１乃至第６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が第２振動部材６０を介して支持部４０に取り付けられているため、振動部材１０の端部を自由端に近づけることができる。従って、振動部材１０の振動における体積排除量が大きくなり、発振装置の出力を大きくすることができる。また振動部材１０及び振動子２０の耐衝撃性を高くすることができる。

〔第８の実施形態〕
本実施形態に係る発振装置は、振動子２０の代わりに、図１０に示したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）アクチュエータ７０を有している点を除いて、第１乃至第７の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。

図１０に示す例において、ＭＥＭＳアクチュエータ７０の駆動方式は圧電方式であり、圧電薄膜層７２を上部可動電極層７４及び下部可動電極層７６ではさんだ構造を有している。ＭＥＭＳアクチュエータ７０は、信号生成部５４から上部可動電極層７４及び下部可動電極層７６に信号が入力されることにより動作する。ＭＥＭＳアクチュエータ７０の製造には、例えばエアロゾルデポジション法が用いられるが、この方法に限定されない。ただしエアロゾルデポジション法を用いた場合、圧電薄膜層７２、上部可動電極層７４及び下部可動電極層７６をそれぞれ曲面上にも成膜できるため好ましい。なおＭＥＭＳアクチュエータ７０の駆動方式は、静電方式、電磁方式、又は熱伝導方式であってもよい。

本実施形態によっても、第１乃至第７の実施形態と同様の効果を得ることができる。

ここで、上記の各実施形態に係る発振装置は、例えば図１１に示すように、携帯通信端末１００のスピーカ１０２として用いることができる。携帯通信端末１００は、例えば、扁平な直方体形状の筐体１０１を少なくとも１つ有している。例えば、スピーカ１０２（発振装置）の放音孔３２が筐体１０１の側面に位置し、スピーカ１０２からの可聴音の出力方向が図１１に矢印Ａで示す方向（筐体１０１の側面に対して直交する方向）となることが好ましい一例である。なお、筐体１０１の前面側に放音孔３２が配置されることも好ましい。

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。

１ 超音波の一部
２ 超音波の他の一部
３ 干渉領域
４ ケース
１０ 振動部材
２０ 圧電振動子
２２ 圧電体
２４ 上面電極
２６ 下面電極
３０ 反射部
３２ 放音孔
４０ 支持部
５０ 制御部
５４ 信号生成部
６０ 第２振動部材
７０ ＭＥＭＳアクチュエータ
７２ 圧電薄膜層
７４ 上部可動電極層
７６ 下部可動電極層
１００ 携帯通信端末
１０１ 筐体
１０２ スピーカ
Ａ 矢印

Claims (10)

1. シート状の振動部材と、
   前記振動部材の一方の面に取り付けられた振動子と、
   前記振動部材の縁を支持する支持部と、
   前記振動部材に対向し、音波を反射する反射部と、
   前記反射部と前記支持部とのうちの少なくとも何れかに形成された放音孔と、
   を有することを特徴とする発振装置。
2. 前記反射部は金属により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
3. 前記振動子に発振信号を入力することによって前記振動子を振動させて、前記振動子及び前記振動部材より音波を発振させる入力部を更に備え、
   前記入力部は、前記振動子を２０ｋＨｚ以上の周波数で振動させることにより、前記振動子及び前記振動部材より周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振させることを特徴とする請求項１又は２に記載の発振装置。
4. 前記振動部材と前記反射部との距離が前記音波の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項３に記載の発振装置。
5. 前記反射部及び前記支持部は互いに一体形成されてケースを構成し、前記振動子と間隔を空けて該振動子の周囲を囲んでいることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の発振装置。
6. 前記ケースは、一端が開放した半筐体状に形成され、
   前記振動部材は、前記ケースの開放端側を塞ぐように前記ケースに取り付けられ、
   前記放音孔は、前記ケースにおいて、前記開放端と対向する面に対して交差する側面に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の発振装置。
7. 前記振動部材と、前記ケースにおいて前記開放端と対向する面と、のなす角度が、前記放音孔側に向けて広がる角度となっていることを特徴とする請求項６に記載の発振装置。
8. 前記ケースは、一端が開放した半筐体状に形成され、
   前記振動部材は、前記ケースの開放端側を塞ぐように前記ケースに取り付けられ、
   前記放音孔は、前記ケースにおいて、前記開放端と対向する面に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の発振装置。
9. 前記振動子は圧電振動子であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の発振装置。
10. 前記振動子はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）であり、その駆動方式は圧電方式、静電方式、電磁方式又は熱伝導方式であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の発振装置。

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