JP5954181B2 - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素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。

携帯電話機においては、音楽再生、ハンズフリー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が活発化している。この中、電気音響変換器に対しては、小型・薄型でかつ高音質への要求が高い。これらの要望を解決する手段としては、圧電素子を駆動源とする圧電型の電気音響変換器が開発されている。圧電型の電気音響変換器は圧電素子の自己伸縮運動を利用するため、磁気回路から構成される動電型の電気音響変換器より、薄型となる。

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）。

特開２００９−１５１６６６号公報

しかしながら、圧電素子型の電気音響変換器では、剛性の高い圧電セラミックを駆動源に用いるため、機械品質係数が高い。この場合、基本共振周波数近傍では高い音圧レベルを確保することができるが、それ以外の帯域では音圧レベルが減衰してしまう問題点がある。すなわち、音響特性に山谷があり、充分な音圧レベルを確保することが困難である。

さらに、圧電型の電気音響変換器では、機械品質係数Ｑが高い圧電素子の影響を受けるため、その振動姿態は屈曲型となる。すなわち、中心部は大きく、端部では僅小な変位分布をとるため、ピストン運動姿態で振幅する動電型の電気音響変換器に比べて、体積排除量の点で不利となり、やはり音圧レベルに課題があった。

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、充分な音圧レベルを確保することができる圧電型の発振装置、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、枠状の支持フレームと、支持フレームに外周部で支持されている扁平な弾性部材と、弾性部材の両面に少なくとも一個ずつ配置されていて電界の印加により伸縮運動する少なくとも二個の圧電素子と、を有し、弾性部材の両面に位置する圧電素子の主面の中心位置が互いに相違している。

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。

なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも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、等でもよい。

本発明によれば、充分な音圧レベルを確保することができる圧電型の発振装置を提供することができる。

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。

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縦断正面図である。 一の変形例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縦断正面図である。 他の変形例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縦断正面図である。

図１は、本発明の実施の形態の発振装置である電気音響変換器１００を示す模式的な縦断正面図である。
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、図示するように、枠状の支持フレーム１１０と、支持フレーム１１０に外周部で支持されている扁平な弾性部材１２０と、弾性部材１２０の両面に少なくとも一個ずつ配置されていて電界の印加により伸縮運動する少なくとも二個の圧電素子１３０と、を有する。

ただし、本実施の形態の電気音響変換器１００では、上述のように弾性部材１２０の両面に位置する圧電素子１３０の主面の中心位置が互いに相違している。より詳細には、弾性部材１２０の一面に位置する第一の圧電素子１３０の主面の中心が、平面視で弾性部材１２０の他面に位置する第二の圧電素子１３０の側面と重なっている。また、第二の圧電素子１３０の中心が、平面視で第一の圧電素子１３０の側面と重なっている。なお、圧電素子１３０や支持フレーム１１０の平面形状は円形でもよく、矩形である正方形などでもよい(図示せず)。

なお、圧電素子１３０の二つの主面には電極層１３１が形成されており、発振駆動部であるドライバ回路１４０に接続されている。このため、圧電素子１３０は２０ｋＨｚ以上の超音波帯域の周波数で発振する。弾性部材１２０は、金属からなるが、圧電素子１３０の電極層１３１とは絶縁されている。ただし、電極層１３１と弾性部材１２０とを導通させることにより、弾性部材１２０を圧電素子１３０とドライバ回路とを接続する配線の一部とすることもできる。

圧電素子１３０は、圧電効果を有する材料により構成される。圧電素子１３０を構成する材料としては、無機材料、有機材料ともに特に限定されないが、例えば電気機械変換効率が高い材料であるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などの材料が使用可能である。また、圧電素子１３０の厚みは、特に限定されないが、１０μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。

脆性材料であるセラミック材料として厚み１０μｍ未満の薄膜を使用した場合、取り扱い時に機械強度の弱さから、欠けや破損などが生じて、取り扱いが困難となる。また、厚み１ｍｍを超えるセラミックを使用した場合は電気エネルギから機械エネルギに変換する変換効率が著しく低下し、電気音響変換器１００として充分な性能が得られない。一般的に、電気信号の入力により電歪効果を発生させる圧電セラミックにおいては、その変換効率は電界強度に依存する。この電界強度は、分極方向に対する厚み／入力電圧で表されることから、厚みの増加は必然的に変換効率の低下を招いてしまう。

本実施の形態の圧電素子１３０には電界を発生させるために主面に電極層１３１が形成されている。電極層１３１の材料は、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可能である。銀は低抵抗な汎用的な電極材料として使用されており、製造プロセスやコストなどに利点がある。また、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、電極層１３１の厚みは特に限定されないが、その厚みが１μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。電極層１３１の厚みが１μｍ未満であると、膜厚が薄いため、均一に成形することが困難となる。このため、変換効率が低下する可能性がある。また、電極層１３１の膜厚が５０μｍを超える場合は、製造上に特に問題はないが、電極層１３１が圧電素子１３０のセラミック材料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問題点がある。

弾性部材１２０としては、金属や樹脂など、脆性材料であるセラミックに対して高い弾性率を持つ材料を用いることができる。弾性部材１２０としては、加工性やコストの観点から、例えばリン青銅やステンレスなどの汎用材料が使用される。また、弾性部材１２０の厚みは、５μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。弾性部材１２０の厚みが５μｍ未満である場合、機械強度が弱いために拘束部材として機能を損なうという問題点や、加工精度の低下により製造ロット間で振動子の機械振動特性のばらつきが生じてしまうという問題点が生じうる。

音波発生のメカニズムは、圧電素子１３０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１３０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。このため、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。

本実施の形態の電気音響変換器１００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１３０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１３０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、本実施の形態の電気音響変換器１００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１３０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、本構成の圧電型の電気音響変換器１００では、一般的なバイモルフ構造とは相違して、弾性部材１２０の両面に位置する圧電素子１３０の主面の中心位置が互いに相違している。すなわち、弾性部材１２０の一面に位置する第一の圧電素子１３０の主面の中心位置が平面視で他面に位置する第二の圧電素子１３０の側面と重なっており、第二の圧電素子１３０の中心位置が平面視で第一の圧電素子１３０の側面と重なっている。

このように、電気音響変換器１００に二個の圧電素子１３０が上下で非対称に配置されている。これにより、振動面内における均一性や周期性が崩れ、振動の縮退を防止することができる。従って、多数の振動モードを生み出すことが可能となる。

また、このような配列にすることで、正相、逆相が重畳される分割振動の際に、逆相の振動を抑制することが可能となる。すなわち、局所的な逆相の振動による音波の発生を抑制することができる。このため、正相の振動による音波と逆相の振動による音波が打ち消し合うことが抑制される。従って、電気音響変換器１００の音圧レベルを向上させることが可能となる。
通常、逆相の振動姿態は、電気音響変換器１００を中心として形成する。本実施の形態の電気音響変換器１００では、複数の圧電素子１３０の中心が一致しない。この場合、電気音響変換器１００の中心部の剛性が強化される。従って、逆相の振動が増大することを抑制することができる。

また、本実施の形態の電気音響変換器１００の動作原理は、圧電素子１３０への電界印加の際に発生する伸縮運動を利用するものである。発振する周波数は２０ｋＨｚ以上の超音波帯域が好ましい。発振周波数を超音波帯域にすることで、圧電素子１３０を小型化できると同時に、超音波の直進性を利用して指向性を制御することが可能となる。その応用例として、音声信号を超音波に搬送させて、空気中で復調させるパラメトリックスピーカにも利用できる。

図２は、一の変形例の発振装置である電気音響変換器２００の構造を示す模式的な縦断正面図である。
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、上記形態では弾性部材１２０が金属からなることを例示した。しかし、図２に発振装置として例示する電気音響変換器２００のように、弾性部材１２０が樹脂からなってもよい。この場合、弾性部材１２０は、例えば縦弾性係数が１００ＧＰａ以下の高分子材料により構成される。弾性部材１２０としては、汎用性の観点から、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ウレタン、シリコンゴム、天然ゴム、または合成ゴムなどを用いることができる。

また、弾性部材１２０の厚みは、５μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。厚みが１０００μｍを超える場合は、剛性増による圧電素子１３０への拘束が強まり、振動変位量の減衰を生じさせてしまう問題点がある。
また、本実施形態の弾性部材１２０は、材料の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。弾性部材１２０の剛性が過度に低い場合や、過度に高い場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう問題点がある。

なお、このような電気音響変換器２００では、振動面のうち振動時に応力が集中する端部が、柔軟性に富む樹脂製の弾性部材１２０で構成されている。すなわち、落下時の衝撃エネルギを樹脂製の弾性部材１２０で吸収することができるため、落下強度を向上させることができる。

また、この電気音響変換器２００では、支持フレーム１１０と圧電素子１３０との間にある端部が弾性部材１２０の樹脂で構成されている。すなわち、柔軟性に富む樹脂製の弾性部材１２０が振動の端部に位置することで、端部の可動範囲が拡大する。この場合、振動姿態はよりピストン状に近づき、振動の際の体積排除量は拡大する。音圧レベルは、振動の際の空気への体積排除量に依存することから、本構成の電気音響変換器２００では優位な特性を実現することができる。

図３は、他の変形例の発振装置である電気音響変換器３００の構造を示す模式的な縦断正面図である。
上記形態では弾性部材１２０の両面に、圧電素子１３０が一個ずつ配置されている構成を例示した。しかし、図３に例示される電気音響変換器３００のように、弾性部材１２０の一面や両面に複数の圧電素子１３０が配置されていてもよい。
図３に示すように、電気音響変換器３００は、弾性部材１２０の一面に配置された第１の圧電素子１３０および第３の圧電素子１３０と、弾性部材１２０の他面に配置された第２の圧電素子１３０と、を備えている。第１の圧電素子１３０および第３の圧電素子１３０と、第２の圧電素子１３０は、主面の中心位置が互いに相違している。
本変形例においても、上述した形態に係る電気音響変換器１００と同様の効果を得ることができる。

また、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１４０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。

この出願は、２０１０年１２月２０日に出願された日本出願特願２０１０−２８２６６６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 (8)

1. 枠状の支持フレームと、
   前記支持フレームに外周部で支持されている扁平な弾性部材と、
   前記弾性部材の両面に少なくとも一個ずつ配置されていて電界の印加により伸縮運動する少なくとも二個の圧電素子と、を有し、
   前記弾性部材の両面に位置する前記圧電素子の主面の中心位置が互いに相違している発振装置。
2. 前記弾性部材の一面に位置する第一の前記圧電素子の主面の中心が、平面視で前記弾性部材の他面に位置する第二の前記圧電素子の側面と重なっており、
   前記第二の圧電素子の中心が、平面視で前記第一の圧電素子の側面と重なっている請求項１に記載の発振装置。
3. 前記弾性部材の一面に複数の前記圧電素子が並列に配置されている請求項１に記載の発振装置。
4. 前記弾性部材が金属からなる請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
5. 前記弾性部材が樹脂からなる請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
6. 前記圧電素子が２０ｋＨｚ以上の超音波帯域の周波数で発振する請求項１ないし５の何れか一項に記載の発振装置。
7. 請求項１ないし６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。
8. 請求項１ないし６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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