JP2012134591A - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率で音波の指向性を絞り込むことができる発振装置を提供する。
【解決手段】電気音響変換器１００は、片持ち支持構造を利用していることから、音波の放射部は圧電振動子１１０の端部に限定される。このため、隣接する圧電振動子１１０の音波放射位置を近接させることができる。すなわち、圧電振動子１１０間の短径方向の距離を制御することで、隣接する圧電振動子１１０から発振された音波の位相キャンセリングを抑制することができ、高効率で音波の指向性を絞り込むことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子を利用した発振装置、この発振装置を利用した電子機器、に関する。

携帯電話において、ＴＶ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スタイリッシュ携帯の開発に取り組んでおり、小型でかつ大音量の電気音響変換器開発への要求が高まっている。また、プライバシ−保護の観点から、特定位置にのみ音場を形成できる超指向性スピーカの開発が要求されている。超指向性のスピーカとして、超音波を音声などの搬送波に利用して、空気中の非線形状態により復調するパラメトリックスピーカが開発されている。

現在、上述のような電気音響変換器として各種の提案がある（特許文献１，２）。

実用新案登録第３０６８４５０号公報 特開２０００−１３４６９７号公報

しかしながら、超音波の指向性を絞り込むには、フェーズドアレイ法のように、微少な超音波振動子を多数配列したアレイ探触子から、タイミングを変えて発信した超音波を合成した主ビームを発生させる方法が取られていた。この場合、多数の圧電振動子をアレイ状に配列する必要があるため、超音波デバイスのサイズが増加する問題があった。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、高い指向性を有する小型の発振装置、このような発振装置を利用した電子機器、を提供するものである。

本発明の発振装置は、電界の印加により伸縮運動する複数の圧電素子と、複数の圧電素子が個々に一端に装着されている細長形状の複数の弾性部材と、複数の弾性部材の他端を支持している枠状の支持部材と、を有する。

本発明の第一の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に可聴域の音波に復調される超音波を出力させる発振駆動部と、を有する。

本発明の第二の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に超音波を出力させる発振駆動部と、発振装置から発振されて測定対象物で反射した超音波を検知する超音波検知部と、検知された超音波から測定対象物までの距離を算出する測距部と、を有する。

本発明の発振装置は、枠状の支持部材に他端が支持されている複数の細長形状の弾性部材の一端に複数の圧電素子が個々に装着されている。片持ち支持構造を利用していることから、音波の放射部は弾性部材と圧電素子からなる振動子の端部に限定される。このため、隣接する振動子の音波放射位置を近接させることができる。すなわち、振動子間の短径方向の距離を制御することで、隣接する振動子から発振された音波の位相キャンセリングを抑制することができ、高効率で音波の指向性を絞り込むことができる。

本発明の実施の形態の発振装置である電気音響変換器の構造を示す模式的な平面図である。 電気音響変換器の構造を示す模式的な縦断正面図である。 一の変形例の電気音響変換器の構造を示す模式的な平面図である。 他の変形例の電気音響変換器の構造を示す模式的な平面図である。

本実施の形態の発振装置である電気音響変換器１００を図１および図２を参照して以下に説明する。本実施の形態の電気音響変換器１００は、図１に示すように、電界の印加により伸縮運動する複数の圧電素子１１１と、複数の圧電素子１１１が個々に一端に装着されている細長形状の複数の弾性部材１１２と、複数の弾性部材１１２の他端を支持している枠状の支持部材１２０と、を有する。

本実施の形態の電気音響変換器１００では、支持部材１２０は、平面形状で矩形に形成されており、弾性部材１１２は、支持部材１２０の相対する二辺で前記他端が支持されている。より詳細には、支持部材１２０は、平面形状で前後左右に四辺が位置する矩形に形成されており、弾性部材１１２は、左右方向に細長形状で前後方向に複数が配列されている。なお、弾性部材１１２のアスペクト比は、例えば、３〜１０である。

ただし、左右二列に弾性部材１１２が配列されており、右側の弾性部材１１２の左端に圧電素子１１１が装着されているとともに、左側の弾性部材１１２の右端に圧電素子１１１が装着されている。なお、本実施の形態の電気音響変換器１００では、矩形の弾性部材１１２の一端上面の全域に矩形の圧電素子１１１が形成されている。

本実施の形態の電気音響変換器１００には、圧電素子１１１と弾性部材１１２からなる圧電振動子１１０に可聴域の音波を出力させる発振駆動部であるドライバ回路１３０が結線されている。

音波発生のメカニズムは、圧電素子１１１への電界の印加により発生する伸縮運動を利用する。また、超音波の周波数は２０ｋＨｚ以上に限定する。圧電素子１１１は機械品質係数Ｑが高いため、基本共振近傍にエネルギが集中するため、基本共振周波数では高い音圧レベルを得ることができるが、その他の周波数帯域では、音圧が減衰してしまう。

本構成では、特定周波数に限定した超音波を発振させるため、むしろ、圧電素子１１１の機械品質係数Ｑが高いことが特性として優位となる。また、圧電振動子の基本共振周波数は圧電素子１１１の形状に影響を受けるため、高い周波数帯域、例えば、超音波帯域に共振周波数を調整する場合、小型化に優位となる。

なお、本構成では、ＦＭ(Frequency Modulation)やＡＭ(Amplitude Modulation)変調させた超音波を発振させ、空気の非線形状態（疎密状態）を利用して、変調波を復調させ可聴音を再生する、いわゆるパラメトリックスピーカの原理に基づいて音響再生を行う。本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電素子１１１は、高周波数帯域の発振に限定した構成になるため、小型化が可能となる。

上述のような構成において、本構成の電気音響変換器１００では、超音波を音声の搬送波として利用するパラメトリックスピーカの原理を利用して音響再生を行う。このパラメトリックスピーカの原理を利用することで、超指向性の音場形成が可能となる。なお、音波の指向性を制御するにはフェーズドアレイ法のように、アレイ状の複数の圧電振動子１１０から音波を放射することが好ましく、本構成の電気音響変換器１００においても、アレイ状に配列されている複数の圧電振動子１１０を利用して超指向性の音場形成が可能となる。

本実施の形態の電気音響変換器１００は、上述のように枠状の支持部材１２０に他端が支持されている複数の細長形状の弾性部材１１２の一端に複数の圧電素子１１１が個々に装着されている。

このように片持ち支持構造を利用していることから、音波の放射部は弾性部材１１２と圧電素子１１１からなる圧電振動子１１０の端部に限定される。このため、隣接する圧電振動子１１０の音波放射位置を近接させることができる。すなわち、圧電振動子１１０間の短径方向の距離を制御することで、隣接する圧電振動子１１０から発振された音波の位相キャンセリングを抑制することができ、高効率で音波の指向性を絞り込むことができる。

なお、ドライバ回路１３０で複数の圧電素子１１１を駆動するときには、全部に同一の駆動信号を入力して高効率に高指向性の音波を発生させてもよく、複数の圧電素子１１１に入力する駆動信号を個別に制御して高効率な高指向性の音波の出力方向を制御してもよい。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、上記形態では圧電素子１１１で弾性部材１１２の上面のみ拘束するユニモルフ構造の電気音響変換器１００を例示した。しかし、二個の圧電素子１１１で弾性部材１１２の上面と下面とを拘束したバイモルフ構造の発振装置なども実施可能である。この場合、装置全体を大型化することなく、さらに高効率に大音量の出力が可能となる。

また、上記形態では左右二列に弾性部材１１２が配列されており、右側の弾性部材１１２の左端に圧電素子１１１が装着されているとともに、左側の弾性部材１１２の右端に圧電素子１１１が装着されていることを例示した。

しかし、図３に発振装置として例示する電気音響変換器２００のように、矩形の支持部材１２０の四辺から複数の弾性部材１１２が卍状に四方向に形成されていてもよい。さらに、図４に発振装置として例示する電気音響変換器３００のように、支持部材３１０が円形に形成されており、複数の弾性部材１１２が放射状に形成されていてもよい。

また、上記形態では圧電素子１１１が一個の圧電層からなることを想定した。しかし、圧電素子が、圧電層と電極層とが交互に積層された積層構造からなってもよい(図示せず)。

さらに、上記形態では、矩形の弾性部材１１２の一端上面の全域に矩形の圧電素子１１１が形成されていることを例示した。しかし、矩形の弾性部材１１２の一端上面の一部に小型の圧電素子(図示せず)が形成されていてもよい。

また、上記形態では左右二列に弾性部材１１２が配列されており、右側の弾性部材１１２の左端に圧電素子１１１が装着されているとともに、左側の弾性部材１１２の右端に圧電素子１１１が装着されていることを例示した。しかし、例えば、左右の一方には弾性部材１１２が形成されていない一列の構造も実施可能である。

さらに、上記形態では電気音響変換器１００に発振駆動部であるドライバ回路１３０が接続されている電子機器を想定した。しかし、このような電気音響変換器１００と、電気音響変換器１００に超音波を出力させる発振駆動部と、電気音響変換器１００から発振されて測定対象物で反射した超音波を検知する超音波検知部と、検知された超音波から測定対象物までの距離を算出する測距部と、を有するソナーなどの電子機器(図示せず)も実施可能である。

なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１００ 電気音響変換器
１１０ 圧電振動子
１１１ 圧電素子
１１２ 弾性部材
１２０ 支持部材
１３０ ドライバ回路
２００ 電気音響変換器
３００ 電気音響変換器
３１０ 支持部材

Claims (6)

1. 電界の印加により伸縮運動する複数の圧電素子と、
   複数の前記圧電素子が個々に一端に装着されている細長形状の複数の弾性部材と、
   複数の前記弾性部材の他端を支持している枠状の支持部材と、
   を有する発振装置。
2. 前記支持部材は、平面形状で矩形に形成されており、
   前記弾性部材は、前記支持部材の少なくとも一辺で前記他端が支持されている請求項１に記載の発振装置。
3. 左右二列に前記弾性部材が配列されており、右側の前記弾性部材の左端に前記圧電素子が装着されているとともに左側の前記弾性部材の右端に前記圧電素子が装着されている請求項２に記載の発振装置。
4. 複数の前記弾性部材の各々の両面に一個ずつ前記圧電素子が装着されている請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置と、
   前記発振装置に可聴域の音波に復調される超音波を出力させる発振駆動部と、
   を有する電子機器。
6. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置と、
   前記発振装置に超音波を出力させる発振駆動部と、
   前記発振装置から発振されて測定対象物で反射した前記超音波を検知する超音波検知部と、
   検知された前記超音波から前記測定対象物までの距離を算出する測距部と、
   を有する電子機器。

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