JP5440422B2 - 発振装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子を用いた発振装置に関する。

携帯機器などの電気音響変換器として、動電型電気音響変換器がある。動電型電気音響変換器は、磁気回路の作用を利用して振動振幅を発生させる。しかし、磁気回路は永久磁石やボイスコイル等の多数の部材によって構成されるため、動電型電気音響変換器では小型化に限界があった。

動電型電気音響変換器に代わる電気音響変換器として、圧電型電気音響変換器がある。圧電型電気音響変換器は、圧電振動子に電界を印加することにより発生する伸縮運動を利用して、振動振幅を発生させるものである。圧電型電気音響変換器は、振動振幅を発生させるために多数の部材を必要としないため、小型化に有利である。

圧電型電気音響変換器に関する技術として、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に記載のものがある。特許文献３に記載の技術は、圧電振動板の片面、又は両面にダンピング手段としてバネ材を設けるというものである。特許文献１に記載の技術は、圧電振動板の外周部を、薄肉フランジを介して支持し、かつ圧電振動板の中央部を、弾性体を介して支持するというものである。これにより音圧レベルの改善とともに、ピークディップの少ない優れた周波数特性が実現されると記載されている。

特許文献２に記載の技術は、圧電素子と振動膜を、弾性を有する振動伝達部材を介して接合するというものである。振動伝達部材の弾性復元作用を利用して、十分な振動振幅を得ることができると記載されている。

特開２００２−１３５８９３号公報 再表ＷＯ２００５／０９４１２１ 実開昭５７−１８１１９８

圧電振動子を用いることにより、電気音響変換器の小型化を図ることができる。一方で、電気音響変換器には、音響再生を可能とするための一定以上の音圧レベルを確保することが求められる。

本発明の目的は、小型化を図りつつ、高い音圧レベル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、圧電振動子と、
前記圧電振動子の一面を拘束する振動部材と、
前記圧電振動子の他面に取り付けられた金属部材と、
前記金属部材の前記圧電振動子と接する面とは反対側の面に取り付けられた第１の弾性部材と、
前記振動部材の縁を支持する第１の支持部材と、
前記金属部材と前記第１の弾性部材とを介して前記圧電素子を支持する第２の支持部材と、
を備える発振装置が提供される。

本発明によれば、小型化を図りつつ、高い音圧レベルを実現することができる発振装置を提供することができる。

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。 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。 第４の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。 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。

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、金属部材２２と、弾性部材２４と、支持部材３０と、支持部材３５とを備えている。発振装置１００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１００をスピーカとして使用する場合、例えば電子機器（携帯電話、ラップトップ型コンピュータ、小型ゲーム機器等）の音源として用いられる。

振動部材２０は、圧電振動子１０の一面を拘束している。金属部材２２は、圧電振動子１０の他面に取り付けられている。弾性部材２４は、金属部材２２の圧電振動子１０と接する面とは反対側の面に取り付けられている。支持部材３０は、振動部材２０の縁を支持する。支持部材３５は、金属部材２２と弾性部材２４を介して圧電振動子１０を支持する。以下図１、及び図２を用いて、発振装置１００の構成について詳細に説明する。

図１に示すように、発振装置１００は、リード線２６と、外部端子２８をさらに備えている。外部端子２８は、金属部材２２に埋め込まれている。また外部端子２８は、圧電振動子１０と接続している。リード線２６は、一端において外部端子２８と接続しており、他端において発振装置１００の外部に延伸している。

図１に示すように、発振装置１００は、制御部９０と、信号生成部９５をさらに備えている。信号生成部９５は、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、外部から入力された情報に基づいて信号生成部９５を制御する。発振装置１００をスピーカとして使用する場合、制御部９０に入力される情報は音声信号である。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９５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。

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、上部電極４０、下部電極４５、圧電体５０からなる。また圧電振動子１０は、例えば円形、楕円形、又は矩形を有する。圧電体５０は、上部電極４０と下部電極４５に挟まれている。圧電体５０は、圧電効果を有する材料により構成され、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）等により構成される。また圧電体５０の厚みは、１０ｕｍ〜１ｍｍであることが好ましい。厚みが１０ｕｍ未満である場合、圧電体５０は脆性材料により構成されるため、破損等が生じやすい。一方、厚みが１ｍｍを超える場合、圧電体５０の電界強度が低減する。従ってエネルギー変換効率の低下を招く。

上部電極４０、及び下部電極４５は、例えば銀、又は銀／パラジウム合金等によって構成される。上部電極４０、及び下部電極４５の厚みは、１〜５０ｕｍであることが好ましい。厚みが１ｕｍ未満の場合、均一に成形することが難しくなる。一方、５０ｕｍを超える場合、上部電極４０、又は下部電極４５が圧電体５０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。

振動部材２０は、支持部材３０により固定されている。よって圧電振動子１０から発生した振動により、発振装置１００に振動を発生させる機能を有する。また振動部材２０は、発振装置１００の機械的強度を向上させる機能を有する。振動部材２０は、セラミック材料に対して高い弾性率を持つ材料によって構成され、例えばリン青銅、又はステンレス等によって構成される。振動部材２０の厚みは、５〜５００ｕｍ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、又は高い場合、機械振動子としての特性や信頼性を損なうおそれがある。支持部材３０は、例えばステンレス等の金属膜により構成される。

金属部材２２は、例えば圧電振動子１０の他面のうち振動の変位量が最大となる位置に取り付けられている。弾性部材２４は、例えば樹脂材料により構成されている。金属部材２２のヤング率は、弾性部材２４の２０倍以上であることが好ましい。発振装置１００に振動が発生した場合、弾性部材２４には復元力による吸収・反発効果が生じる。この吸収・反発効果は金属部材２２を介して、圧電振動子１０及び振動部材２０へ伝わる。これにより、発振装置１００の振幅は増大する。支持部材３０と支持部材３５は、例えば一体として設けられる。

次に、本実施形態に係る発振装置１００の製造方法について説明する。まず圧電体５０を製造する。圧電体５０の製造は、グリーンシート法により行い、大気中において１１００℃で２時間焼成する。次いで圧電体５０に、上部電極４０、及び下部電極４５を形成する。そして圧電体５０に、厚み方向に分極処理を施す。これにより得られた圧電振動子１０を、エポキシ系樹脂等を用いて振動部材２０へ接着する。その後振動部材２０の縁を、支持部材３０により支持させる。また圧電振動子１０を、金属部材２２及び弾性部材２４を介して、支持部材３５により支持させる。これにより発振装置１００が形成される。

圧電体５０は、外径＝φ１５ｍｍ、厚み＝１００ｕｍとすることができる。圧電体５０は、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用いることができる。上部電極４０、及び下部電極４５は、厚み＝８ｕｍとすることができる。上部電極４０、及び下部電極４５は、銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を用いることができる。振動部材２０は、外径＝φ１７ｍｍ、厚み＝３００ｕｍとすることができる。振動部材２０は、リン青銅を用いることができる。支持部材３０、及び支持部材３５により、外径＝φ１９ｍｍ、内径＝φ１８ｍｍのバスタブ状のケースを構成することができる。支持部材３０、及び支持部材３５は、ＳＵＳ３０４を用いることができる。金属部材２２、及び弾性部材２４は、外径＝φ３ｍｍとすることができる。金属部材２２は、ステンレスを用いることができる。また弾性部材２４は、ＰＥＴ材料を用いることができる。

次に、本実施形態に係る発振装置１００を用いた圧電型電気音響変換器による音響再生方法について説明する。本実施形態では、例えばパラメトリックスピーカの動作原理を利用して音響再生をすることができる。この場合制御部９０は、圧電振動子１０に信号生成部９５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。パラメトリックスピーカとして用いる場合、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。

ここでパラメトリックスピーカの動作原理を説明する。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。

次に、本実施形態の効果について説明する。発明者は、本実施形態における構成を有する発振装置１００において、振幅が著しく増大することを見いだした。これは発振装置１００に振動が発生した際に弾性部材２４が生じる復元力による吸収・反発効果が、金属部材２２を介することによって圧電振動子１０及び振動部材２０へ伝わりやすくなるためであると想定される。このため本実施形態によれば、小型化を図りつつ、高い音圧レベルを実現することができる。

また発明者は、金属材料２２のヤング率が弾性部材２４のヤング率の２０倍以上である場合、発振装置の振幅がより増大することを見いだした。よって音圧レベルをより向上させることができる。さらに圧電振動子１０は、弾性部材２４を介して支持部材３５により支持されている。このため落下時等において、弾性部材２４により衝撃エネルギーが吸収される。従って発振装置の機械的強度を向上させることができる。

また、圧電振動子１０は、外部端子２８が埋め込まれた金属部材２２と接している。このため圧電振動子１０に直接外部端子を設けずとも、金属部材２２に埋め込んだ外部端子２８を介して、圧電振動子１０を外部と接続することができる。よって発振装置の製造が容易となる。

図３は、第２の実施形態に係る発振装置１０２を示す断面図であり、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１０２は、リード線２６が金属部材２２を介して圧電振動子１０と接続している点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。

リード線２６は、金属部材２２を介して圧電振動子１０と接続している。圧電振動子１０には、金属部材２２及びリード線２６を介して電圧が印加される。このため圧電振動子１０に直接外部端子を設けることを要しない。よって本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図４は、第３の実施形態に係る発振装置１０４を示す断面図であり、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３２を備えている点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。

弾性部材３２は、振動部材２０の外周部に設けられている。振動部材２０は、弾性部材３２を介して支持部材３０に支持されている。弾性部材３２は、例えばウレタン、ＰＥＴ、又はポリエチレン等の樹脂材料により構成されており、振動部材２０よりも低い剛性を有する。弾性部材３２の厚さは、特に限定されないが、振動部材２０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。また振動部材２０は、外周部の縁に設けられた弾性部材３２を介して支持部材３０に支持されている。このため振動部材２０の端部を自由端に近づけることができる。よって振動部材２０による振動の掃引体積が増大し、発振装置の音圧レベルをさらに向上させることができる。また落下時等において、弾性部材３２により衝撃エネルギーが吸収される。従って発振装置の機械的強度をさらに向上させることができる。

図５は、第４の実施形態に係る圧電振動子１１０を示す斜視図である。本実施形態に係る発振装置は、圧電振動子の構成を除いて第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。また本実施形態に係る圧電振動子１１０は、積層構造を有する点を除いて、第１の実施形態に係る圧電振動子１０と同様である。

図５に示すように圧電振動子１１０は、複数の圧電体と複数の電極を交互に積層して構成されている。圧電体６０、６１、６２、６３、６４の間には、電極７０、７１、７２、７３が１層ずつ形成されている。電極７０と電極７２、及び電極７１と電極７３は、それぞれ互いに接続している。各圧電体の分極方向は、１層ごとに逆向きとなっている。また各電極間に生じる電界の向きも、交互に逆向きとなっている。

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。また圧電振動子１１０は積層構造を有しているため、電極層間に生じる電界強度が高い。これにより圧電振動子１１０の駆動力を向上させることができる。なお、圧電振動子１１０の積層数は任意に増減できる。

（実施例）
図１、図４、及び図５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１〜３）。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１として、実施例１〜３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。なお音圧レベル周波数特性の測定では、交流電圧１Ｖ入力時の音圧レベルを、圧電振動子から１０ｃｍ離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。周波数の測定範囲は１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚとした。また落下衝撃安定性の測定では、発振装置を備える電気音響変換器を搭載した携帯通信端末を５０ｃｍの高さから、５回自然落下させた。その後、携帯通信端末の破損等を目視で確認した。さらに、音圧特性を測定し、試験前後において音圧レベル差が３ｄＢ以内の場合、○とした。

この表から、各実施例に係る発振装置は、比較例と比べて、音圧レベルが高く、周波数特性が平坦であることが示された。また比較例と比べて、落下衝撃安定性が高いことも示された。

また、図６に示すように、携帯通信端末１２０のスピーカ１２２として、実施例１〜３に係る発振装置を使用した。スピーカ１２２は、携帯通信端末１２０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１２２の特性を表２に示す。なお、測定条件は、表１と同様である。

この表から、各実施例に係る携帯通信端末１２０は、周波数特性が平坦であることが示された。また落下衝撃安定性が高いことが示された。

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。

１０ 圧電振動子
２０ 振動部材
２２ 金属部材
２４ 弾性部材
２６ リード線
２８ 外部端子
３０ 支持部材
３２ 弾性部材
３５ 支持部材
４０ 上部電極
４５ 下部電極
５０ 圧電体
６０〜６４ 圧電体
７０〜７３ 電極
９０ 制御部
９５ 信号生成部
１００ 発振装置
１０２ 発振装置
１０４ 発振装置
１１０ 圧電振動子
１２０ 携帯通信端末
１２２ スピーカ

Claims (8)

1. 圧電振動子と、
   前記圧電振動子の一面を拘束する振動部材と、
   前記圧電振動子の他面に取り付けられた金属部材と、
   前記金属部材の前記圧電振動子と接する面とは反対側の面に取り付けられた第１の弾性部材と、
   前記振動部材の縁を支持する第１の支持部材と、
   前記金属部材と前記第１の弾性部材とを介して前記圧電素子を支持する第２の支持部材と、
   を備える発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記金属部材のヤング率は、前記第１の弾性部材のヤング率の２０倍以上である発振装置。
3. 請求項１または２に記載の発振装置において、
   前記第１の弾性部材は、樹脂により構成されている発振装置。
4. 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、
   前記第１の支持部材と前記第２の支持部材は、一体として設けられている発振装置。
5. 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、
   前記圧電振動子は、前記金属部材を介して電圧が印加されている発振装置。
6. 請求項１ないし５いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記振動部材の外周部に設けられた第２の弾性部材をさらに備え、
   前記第２の弾性部材の剛性は、前記振動部材の剛性よりも低く、
   前記振動部材は、前記第２の弾性部材を介して前記第１の支持部材に支持される発振装置。
7. 請求項１ないし６いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記発振装置は、音波センサの発信源である発振装置。
8. 請求項１ないし６いずれか１項に記載の発振装置において、
   前記発振装置は、スピーカである発振装置。

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