JP6107138B2 - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電フィルムを有する発振装置、及びこの発振装置を利用した電子機器に関する。

携帯電話においては、音楽再生、ハンズフリーなどの音響機能を充実させることが要求されている。これに伴い、携帯電話において小型・薄型でかつ高音質化への要求が高くなっている。これらの要望を解決する手段として、圧電素子を発振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（例えば特許文献１）。

特開２００６−２８７４８０号公報

圧電素子としては、脆性材料である圧電セラミックスが一般的に使用されている。圧電セラミックスは、加工コストや機械強度など、携帯電話用の音響部品として利用するためには多くの課題を有している。これらの課題を解決する手段として、高分子材料からなる圧電フィルムを使用する方法がある。圧電フィルムは柔軟性に富む樹脂材料から構成されるため、落下衝撃安定性が高い。しかしながら、圧電フィルムの変換効率は、圧電セラミックスの変換効率に比べて低い。このため、圧電フィルムを用いた電気音響変換器において、高い音圧レベルを実現する技術が必要とされていた。

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、圧電フィルムを用いつつ音圧レベルを高くすることができる圧電型の発振装置、及び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、複数の円形状の貫通孔を有する弾性部材と、前記弾性部材の一面に配置され、高分子材料からなる圧電フィルムと、を有する圧電振動子と、
前記圧電振動子の外周部を支持する支持部材と、
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、上記した超音波と同一周波数の音波を検知する超音波検知部と、検知された超音波に基づいて測定対象物までの距離を算出する測距部と、を有する。

本発明の発振装置によれば、圧電フィルムを用いつつ音圧レベルを高くすることができる。

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。 電気音響変換器の構造を示す模式的な分解斜視図である。 一変形例の電気音響変換器の構造を示す模式的な分解斜視図である。 一変形例の電子機器の構成を示す図である。

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、圧電振動子１３０及び支持部材１４０を備えている。圧電振動子１３０は、弾性部材１１０及び圧電フィルム１２０を有している。弾性部材１１０は、複数の空孔１１１を有している。空孔１１１は、弾性部材１１０を上下に貫通している。圧電フィルム１２０は、弾性部材１１０の一面上に配置されており、電界の印加により伸縮運動する。支持部材１４０は、圧電振動子１３０の外周部を支持する。本図に示す例では、支持部材１４０はフレーム形状を有しており、弾性部材１１０の外周の全周を支持している。

弾性部材１１０は、例えばリン青銅やステンレスなどである。弾性部材１１０の厚みは５μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。弾性部材１１０の厚みが５μｍ未満の場合、機械強度が弱く、拘束部材として機能を損なう可能性がある。また、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可能性がある。また、弾性部材１１０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。

空孔１１１の少なくとも一つは、圧電フィルム１２０と重なっている。例えば図１，２に示す例では、圧電フィルム１２０は弾性部材１１０のほぼ全面を覆っている。このため、全ての空孔１１１が圧電フィルム１２０と重なっている。弾性部材１１０は、空孔１１１の大きさ、数、及び位置などによって、圧電フィルム１２０に対する剛性インピーダンスが調整されている。空孔１１１の直径は、各種条件に対応して決定される。また弾性部材１１０の主面の面積に対する空孔１１１の合計の面積の比率も、各種条件に対応して決定される。空孔１１１は、弾性部材１１０の平面形状が円形である場合、少なくとも一部の空孔１１１は、同一の円環に沿って等間隔に配置されている。空孔１１１は、例えば、弾性部材１１０の全面に均等に分散しているが、特定の領域に偏って形成されていてもよい。

なお、図２に示す例では、弾性部材１１０と圧電フィルム１２０とは円盤状に形成されており、支持部材１４０は円環状に形成されている。ただし弾性部材１１０及び圧電フィルム１２０を矩形（例えば長方形や正方形）にした上で、支持部材１４０を矩形にしてもよい。

本実施の形態の圧電振動子１３０では、圧電フィルム１２０は、弾性部材１１０の両面に配置されている。圧電フィルム１２０の両面には電極層(図示せず)も形成されており、この電極層と圧電フィルム１２０と弾性部材１１０とで圧電振動子１３０が形成されている。

圧電フィルム１２０は、例えばフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）などからなる。圧電フィルム１２０二形成されている電極層の材料は、特に限定されないが、例えば、銀や銀／パラジウムである。銀は低抵抗な汎用的な電極材料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り、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、電極層の厚みは特に限定されないが、その厚みが１〜１００μｍであるのが好ましい。厚み１μｍ未満では、膜厚が薄いため、均一に成形できず、変換効率が低下する可能性がある。また、電極層の膜厚が１００μｍを超える場合は、製造上に特に問題はないが、電極層が圧電フィルム１２０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可能性がある。

圧電振動子１３０には、発振駆動部であるドライバ回路１５０が結線されている。ドライバ回路１５０は、圧電振動子１３０に発振信号を入力して音波を出力させる。この発振信号は、例えば圧電振動子１３０の基本共振周波数と同一の周波数である。詳細には、圧電振動子１３０の圧電フィルム１２０に信号を入力すると、圧電フィルム１２０及び弾性部材１１０に伸縮運動が発生する。この伸縮振動により、音波が生成する。電気音響変換器１００をパラメトリックスピーカとして使用する場合、圧電振動子１３０は超音波を発振する。超音波の周波数は、例えば２０ｋＨｚ以上である。

圧電振動子１３０の基本共振周波数は圧電フィルム１２０の形状や大きさに影響を受ける。そして、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ためには圧電フィルム１２０を小型化するほうが好ましい。このため、電気音響変換器１００を小型化しやすい。

なお、発振装置がパラメトリックスピーカとして機能する場合、ドライバ回路１５０は、圧電フィルム１２０に、例えばＦＭ(Frequency Modulation)やＡＭ(Amplitude Modulation)変調させた超音波を発振させる。この超音波は、空気の非線形状態（疎密状態）により、可聴音に復調する。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施の形態の電気音響変換器１００では、弾性部材１１０に複数の空孔１１１が形成されている。このため、空孔１１１の数、位置、面積等を調節することにより、圧電フィルム１２０に対して最適な剛性インピーダンスの整合が可能となる。従って、電気音響変換器１００が発振する音波の音圧レベルを高くすることができる。

また、弾性部材１１０の両面に圧電フィルム１２０が設けられている。すなわち圧電振動子１３０はバイモルフ構造であるため、電気音響変換器１００が発振する音波の音圧レベルはさらに高くなる。

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、上記形態では弾性部材１１０の両面に一対の圧電フィルム１２０が一個ずつ配置されているバイモルフ構造を例示した。しかし、弾性部材１１０の片面のみに圧電フィルム１２０が配置されているユニモルフ構造も実施可能である。

また、上記形態では、図２に示すように、弾性部材１１０と圧電フィルム１２０とは円盤状に形成されており、支持部材１４０は円環状に形成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、弾性部材２１０と圧電フィルム２２０の平面形状を矩形、例えば正方形や長方形とした上で、支持部材２３０を矩形の枠状にしてもよい。このような電気音響変換器２００では、弾性部材２１０の空孔２１１は、例えば格子点となる位置に形成されている。

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１５０が接続されている電子機器を想定した。しかし、図４に示すように、電子機器は、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１６０と、電気音響変換器１００から発振された超音波と同一周波数の音波（例えば測定対象物で反射した超音波）を検知する超音波検知部１７０と、検知された超音波に基づいて測定対象物までの距離を算出する測距部１８０と、を有するソナーであってもよい。

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、これらの構造を、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。
以下、参考形態の例を付記する。
１．
複数の貫通孔を有する弾性部材と、前記弾性部材の一面に配置され、高分子材料からなる圧電フィルムと、を有する圧電振動子と、
前記圧電振動子の外周部を支持する支持部材と、
を有する発振装置。
２．
前記弾性部材の両面にそれぞれ前記圧電フィルムが配置されている１．に記載の発振装置。
３．
前記弾性部材は、金属からなる１．または２．に記載の発振装置。
４．
前記弾性部材は、形成されている前記貫通孔により前記圧電フィルムに対する剛性インピーダンスが調整されている１．ないし３．の何れか一つに記載の発振装置。
５．
少なくとも一つの前記貫通孔は、前記圧電フィルムと重なっている１．ないし４．の何れか一つに記載の発振装置。
６．
１．ないし５．の何れか一つ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。
７．
１．ないし５．の何れか一つ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、
前記超音波と同一周波数の音波を検知する超音波検知部と、
検知された前記超音波に基づいて、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。

この出願は、２０１０年１２月２０日に出願された日本出願特願２０１０−２８２６７４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 (7)

1. 複数の円形状の貫通孔を有する弾性部材と、前記弾性部材の一面に配置され、高分子材料からなる圧電フィルムと、を有する圧電振動子と、
   前記圧電振動子の外周部を支持する支持部材と、
   を有する発振装置。
2. 前記弾性部材の両面にそれぞれ前記圧電フィルムが配置されている請求項１に記載の発振装置。
3. 前記弾性部材は、金属からなる請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記弾性部材は、形成されている前記貫通孔により前記圧電フィルムに対する剛性インピーダンスが調整されている請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
5. 少なくとも一つの前記貫通孔は、前記圧電フィルムと重なっている請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
6. 請求項１ないし５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。
7. 請求項１ないし５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、
   前記超音波と同一周波数の音波を検知する超音波検知部と、
   検知された前記超音波に基づいて、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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