JP6020465B2 - 発振装置 - Google Patents

Description

本発明は、音波を発振する発振装置に関する。

スピーカの一つにパラメトリックスピーカがある。パラメトリックスピーカは、例えば特許文献１に記載されているように、音声信号を、超音波帯域の変調信号に変調し、この変調信号を大気中で可聴音に復調させるものである。

超音波帯域の音波を発振する発振装置として、圧電素子を振動子として利用するものがある（例えば特許文献１〜４）。圧電素子を振動子として利用する場合、圧電素子の両面に電極を形成し、これら２つの電極間に信号を入力する必要がある。これらのうち特許文献１及び２には、圧電素子の上面側の電極に信号を入力するための端子をバネにすることが記載されている。

なお特許文献５には、圧電アクチュエータにおいて、圧電素子が、弾性体を介して給電支持部によって支持されることが記載されている。

登録実用新案第３０４４４６０号公報 特開２００５−２９５３３９号公報 実開昭６２−１４８９７号公報 特開平９−４６７９３号公報 特開２００７−３１８９９７号公報

特許文献１及び２に記載の構造は、振動子の一方の面にバネが接続している。そして、圧電素子のうちバネが接続している面には、バネから力が加わるため、圧電素子に加わる応力のバランスが悪くなる。この場合、発振装置の特性が劣化する。

本発明の目的は、圧電素子に加わる応力のバランスを良好に保つ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、
前記振動部材の一面に取り付けられた圧電素子と、
前記振動部材の縁を支持する支持部材と、
前記支持部材に設けられ、前記振動部材の前記一面に対向する第１対向部と、
前記支持部材に設けられ、前記振動部材の前記一面とは逆側の面に対向する第２対向部と、
前記振動部材又は前記圧電素子と、前記第１対向部の間に設けられた第１バネと、
前記振動部材と前記第２対向部の間に設けられた第２バネと、
を備える発振装置が提供される。

本発明によれば、振動部材及び圧電素子に加わる応力のバランスを良好に保つことができる。

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。

第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。 第１バネのレイアウトを示すための平面図である。 第２バネのレイアウトを示すための平面図である。 図２の変形例を示す図である。 第２の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。 第３の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。 第４の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。

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。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る発振装置１００の構成を示す図である。発振装置１００は、振動部材１４０，圧電素子１３０、支持部材１１０、第１バネ１５２、及び第２バネ１５４を有している。振動部材１４０は、シート形状を有している。圧電素子１３０は、振動部材１４０の一面に取り付けられている。支持部材１１０は、振動部材１４０の縁を支持している。支持部材１１０は、第１対向部１１２及び第２対向部１１４を有している。第１対向部１１２は、振動部材１４０のうち圧電素子１３０が取り付けられている面に対向している。第２対向部１１４は、振動部材１４０のうち圧電素子１３０とは逆側の面に対向している。第１バネ１５２は、第１対向部１１２と、振動部材１４０又は圧電素子１３０との間に設けられている。第２バネ１５４は、第２対向部１１４と振動部材１４０の間に設けられている。このようの本実施形態では、振動部材１４０及び圧電素子１３０からなる振動子の両面にバネが取り付けられている。従って、振動子に加わる応力のバランスを良好に保つことができる。以下、詳細に説明する。

振動部材１４０はシート状であり、圧電素子１３０から発生した振動によって振動する。また振動部材１４０は、圧電素子１３０の基本共振周波数を調整する。振動部材１４０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１４０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１４０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１４０を構成する材料は、金属や樹脂など、脆性材料である圧電素子１３０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。

圧電素子１３０は、例えばＰＺＴなどの圧電セラミックスにより形成されている。ただし圧電素子１３０は、他の圧電材料により形成されていても良い。圧電素子１３０の平面形状は、振動部材１４０の平面形状よりも小さい。

圧電素子１３０及び振動部材１４０の積層体は、圧電素子１３０が支持部材１１０の上面側を向くように配置されている。すなわち発振装置１００は、支持部材１１０の上面側に音波を発振する。本実施形態では、支持部材１１０は筒状の側面部を有している。そしてこの側面部の内壁が、振動部材１４０の縁を支持している。

支持部材１１０の底面は塞がれている。このため、振動部材１４０と支持部材１１０によって、閉空間が形成されている。この閉空間は、支持部材１１０の底面に形成された貫通孔１１６を介して外部と繋がっている。なお、支持部材１１０のうち底面を塞いでいる部分が、第２対向部１１４となっている。

また支持部材１１０の側面部の上端が内側に張り出している。本実施形態では、この張り出している部分が、第１対向部１１２となっている。また、支持部材１１０の側面部の外面には、端子１７２，１７４が設けられている。

第１バネ１５２は、コイルバネであり、金属などの導体により形成されている。第１バネ１５２は、一端が第１対向部１１２に取り付けられており、他端が圧電素子１３０に取り付けられている。そして少なくとも一つの第１バネ１５２の一端は、第１配線１７１に接続している。第１配線１７１は、第１バネ１５２と端子１７２とを接続している。すなわち本実施形態では、圧電素子１３０の表面電極は、第１バネ１５２及び第１配線１７１を介して、端子１７２に接続している。

第２バネ１５４は、コイルバネであり、金属などの導体により形成されている。第２バネ１５４は、一端が第２対向部１１４に取り付けられており、他端が振動部材１４０に取り付けられている。本図に示す例では、振動部材１４０は導体により形成されており、圧電素子１３０の裏面電極を兼ねている。そして少なくとも一つの第２バネ１５４の一端は、第２配線１７３に接続している。第２配線１７３は、第２バネ１５４と端子１７４とを接続している。すなわち本実施形態では、圧電素子１３０の裏面は、振動部材１４０、第２バネ１５４、及び第２配線１７３を介して、端子１７４に接続している。

なお、圧電素子１３０の上面には、接着層を介してコーンが固定されていてもよい。このコーンは、例えば金属製であり、発振装置１００が出力する音波を大きくするために設けられる。

図２は、第１バネ１５２のレイアウトを示すための平面図である。本図に示す例において、圧電素子１３０及び振動部材１４０は、いずれも矩形を有している。第１バネ１５２は、互いに重ならない位置に３つ以上設けられている。本図に示す例では、第１バネ１５２は、圧電素子１３０の４隅それぞれに設けられている。

図３は、第２バネ１５４のレイアウトを示すための平面図である。本図に示す例において、第２バネ１５４は、互いに重ならない位置に３つ以上設けられている。本図に示す例では、第２バネ１５４は、平面視で第１バネ１５２と重なる位置に設けられている。具体的には、圧電素子１３０の４隅と重なる位置それぞれに設けられている。

なお、第１バネ１５２及び第２バネ１５４のレイアウトは、図２及び図３に示す例に限定されない。例えば図４に示すように、第１バネ１５２は、図２に示した部分に加えて、さらに圧電素子１３０の長辺の中央に対応する部分に設けられていても良い。この場合、第２バネ１５４も、平面視で第１バネ１５２と重なる位置に追加で設けられる。

また本実施形態では、第１バネ１５２及び第２バネ１５４は、バネ定数が互いに等しい。例えば第１バネ１５２及び第２バネ１５４は、互いに同一のコイルバネである。

なお発振装置１００は、例えば、複数アレイ状に並べて使用される。そして発振装置１００は、例えばパラメトリックスピーカとして使用される。この場合、発振装置１００の端子１７２，１７４には、パラメトリックスピーカ用の変調信号が入力される。この変調信号は、例えば、外部から入力された可聴音の音声信号を、ＡＭ（Amplitude Modulation）変調、ＤＳＢ（Double Side Band）変調、ＳＳＢ（Single Side Band）変調、又はＦＭ（Frequency Modulation）変調することにより、生成される。

以上、本実施形態によれば、上記したように、振動部材１４０及び圧電素子１３０からなる振動子の両面にバネが取り付けられている。従って、振動子に加わる応力のバランスを良好に保つことができる。この効果は、第１バネ１５２及び第２バネ１５４が平面視で重なっている場合、特に大きくなる。またこの効果は、第１バネ１５２及び第２バネ１５４のバネ定数が互いに等しい場合、特に大きくなる。

また、第１バネ１５２及び第２バネ１５４は、いずれも３つ以上設けられている。このため、第１バネ１５２及び第２バネ１５４がいずれも２つ以下である場合と比較して、圧電素子１３０及び振動部材１４０からなる振動子の法線が揺れ動くことを抑制できる。この効果は、第１バネ１５２及び第２バネ１５４が平面視で重なっている場合、特に大きくなる。またこの効果は、第１バネ１５２及び第２バネ１５４のバネ定数が互いに等しい場合、特に大きくなる。

また本実施形態では、第１バネ１５２及び第２バネ１５４は、圧電素子１３０に信号を入力するための配線の一部となっている。このため、圧電素子１３０が振動によって上下動しても、圧電素子１３０から配線が外れることを抑制できる。

また圧電素子１３０に直接第１バネ１５２を接続することができる。このため、圧電素子１３０の上面電極に接続する配線の長さを短くすることができる。また、圧電素子１３０に通常の配線を接続する場合と比較して、作業効率が向上する。

また第１バネ１５２及び第２バネ１５４のバネ定数を調節することにより、圧電素子１３０及び振動部材１４０からなる振動子の固有振動数を調節することができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る発振装置１００の構成を示す図である。本実施形態は、以下の点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様の構成である。

圧電素子１３０及び振動部材１４０は、弾性材１２０を介して支持部材１１０に支持されている。具体的には、支持部材１１０の内周面には全周にわたって凹部が形成されており、この凹部内に弾性材１２０が埋め込まれている。弾性材１２０は、支持部材１１０よりも低弾性の材料、例えば樹脂である。振動部材１４０の縁は、弾性材１２０に埋め込まれている。

本実施形態によっても、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１４０の縁は、支持部材１１０よりも低弾性の弾性材１２０によって保持されている。従って、振動部材１４０の振幅は大きくなる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る発振装置１００の構成を示す図である。本実施形態に係る発振装置１００は、支持部材１１０がバネ受部材１１８（第２対向部）を有している点を除いて、第２の実施形態に係る発振装置１００と同様の構成である。

バネ受部材１１８は、例えばステンレスなどの金属により形成されており、シート形状を有している。バネ受部材１１８の縁は、支持部材１１０の筒状の側面部の内面に支持されている。バネ受部材１１８は、振動部材１４０のうち圧電素子１３０とは逆側の面に対向している。バネ受部材１１８の剛性は、振動部材１４０の剛性よりも高い。そして第２バネ１５４の一端は、バネ受部材１１８に取り付けられている。そして第２配線１７３は、バネ受部材１１８に接続されている。すなわち本実施形態では、第２バネ１５４は、バネ受部材１１８を介して第２配線１７３に接続している。

本実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、既存の支持部材１１０を用いた場合であっても、バネ受部材１１８が取り付けられている位置を調節することにより、圧電素子１３０が振動していない状態における第１バネ１５２と第２バネ１５４の長さを、互いに等しくすることができる。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係る発振装置１００の構成を示す図である。本実施形態に係る発振装置１００は、第１バネ１５２及び第２バネ１５４が板バネ（リーフバネ）である点を除いて、第３の実施形態に係る発振装置１００と同様の構成である。
本実施形態によっても、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

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。

この出願は、２０１１年１２月７日に出願された日本出願特願２０１１−２６７８２６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. シート状の振動部材と、
   前記振動部材の一面に取り付けられた圧電素子と、
   前記振動部材の縁を支持する支持部材と、
   前記支持部材に設けられ、前記振動部材の前記一面に対向する第１対向部と、
   前記支持部材に設けられ、前記振動部材の前記一面とは逆側の面に対向する第２対向部と、
   前記振動部材又は前記圧電素子と、前記第１対向部の間に設けられた第１バネと、
   前記振動部材と前記第２対向部の間に設けられた第２バネと、
   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、
   前記第１バネは、平面視で互いに重ならない位置に３つ以上設けられており、
   前記第２バネは、平面視で互いに重ならない位置に３つ以上設けられている発振装置。
3. 請求項１又は２に記載の発振装置において、
   前記第１バネは、前記圧電素子と前記第１対向部の間に設けられている発振装置。
4. 請求項３に記載の発振装置において、
   前記圧電素子のうち前記振動部材とは対向していない面には電極が形成されており、
   前記第１バネは導電性材料により形成されており、
   さらに、前記第１バネに接続された第１配線を備える発振装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記振動部材、及び前記第２バネは導電性材料により形成されており、
   さらに、前記第２バネに接続された第２配線を備える発振装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記第１バネ及び前記第２バネは、平面視で互いに重なっている発振装置。
7. 請求項６に記載の発振装置において、
   前記第１バネ及び前記第２バネは、バネ定数が互いに等しい発振装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の発振装置において、
   前記第１バネ及び前記第２バネは、いずれもコイルバネ又は板バネである発振装置。

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