JP2012217036A - Oscillation device and electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電振動子を有する発振装置、および電子機器に関する。 The present invention relates to an oscillation device having a piezoelectric vibrator and an electronic apparatus.
電子機器に搭載す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せず、薄型化に有利である。
圧電型電気音響変換器に関する技術としては、例えば特許文献1に記載のものがある。
As an electroacoustic transducer mounted on an electronic device, there is a piezoelectric electroacoustic transducer. Piezoelectric electroacoustic transducers generate vibration amplitude by utilizing the expansion and contraction generated by applying an electric field to a piezoelectric vibrator. Piezoelectric electroacoustic transducers do not require a large number of members in order to generate vibration amplitude, and are advantageous for thinning.
As a technique related to the piezoelectric electroacoustic transducer, for example, there is one described in Patent Document 1.
他にも圧電素子に関する技術としては、例えば特許文献2〜5に記載されるように、圧電素子を有する超音波送受波器に関するものがある。特許文献2に記載の技術は、セラミック多孔体からなる音響整合体に、接合手段の浸透を制御する抑制層を形成するというものである。特許文献3に記載の技術は、乾燥ゲルからなる音響整合部材を内部に保持する整合部材ケースを設けるというものである。特許文献4に記載の技術は、圧電体の超音波放射面側に多孔質物質で構成された整合層を形成するというものである。特許文献5に記載の技術は、圧電部材上に、金属部材および音響整合部材を順に形成するというものである。 As another technique related to the piezoelectric element, for example, as described in Patent Documents 2 to 5, there is a technique related to an ultrasonic transducer having a piezoelectric element. The technique described in Patent Document 2 is to form a suppression layer for controlling penetration of the joining means on an acoustic matching body made of a ceramic porous body. The technique described in Patent Document 3 is to provide a matching member case that holds an acoustic matching member made of dry gel inside. The technique described in Patent Document 4 is to form a matching layer made of a porous material on the ultrasonic radiation surface side of a piezoelectric body. The technique described in Patent Document 5 is to sequentially form a metal member and an acoustic matching member on a piezoelectric member.
圧電振動子を備える発振装置は、圧電振動子の高い剛性に起因して、高い機械品質係数を有する。このため、圧電振動子を備える発振装置は、共振周波数近傍においては音圧レベルが高く、他の周波数帯域においては音圧レベルが低くなるという、音響特性の山谷を有する。従って、圧電振動子を備える発振装置においては、広い周波数帯域において平坦な音圧レベルを実現することが求められている。
一方で、発振装置に対しては、その信頼性を向上させることも求められる。
An oscillation device including a piezoelectric vibrator has a high mechanical quality factor due to the high rigidity of the piezoelectric vibrator. For this reason, an oscillating device including a piezoelectric vibrator has acoustic characteristics such that the sound pressure level is high near the resonance frequency and the sound pressure level is low in other frequency bands. Therefore, an oscillation device including a piezoelectric vibrator is required to achieve a flat sound pressure level in a wide frequency band.
On the other hand, it is also required to improve the reliability of the oscillation device.
本発明の目的は、信頼性を保持しつつ、広い周波数帯域において平坦な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。 An object of the present invention is to provide an oscillation device capable of realizing a flat sound pressure level in a wide frequency band while maintaining reliability.
本発明によれば、圧電振動子と、
一面において前記圧電振動子を拘束する振動部材と、
前記振動部材の縁を支持する支持部材と、
前記振動部材の前記一面を覆い、かつ多孔質材料により構成される放射膜と、
を備え、
前記多孔質材料は、カーボンファイバー、黒鉛粉末、またはアルミナ粉末である発振装置が提供される。
According to the present invention, a piezoelectric vibrator;
A vibration member that restrains the piezoelectric vibrator on one surface;
A support member for supporting an edge of the vibration member;
A radiation film covering the one surface of the vibration member and made of a porous material;
With
An oscillation device is provided in which the porous material is carbon fiber, graphite powder, or alumina powder.
本発明によれば、上述した発振装置を搭載した、電子機器が提供される。 According to the present invention, an electronic apparatus equipped with the above-described oscillation device is provided.
本発明によれば、信頼性を保持しつつ、広い周波数帯域において平坦な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。 According to the present invention, it is possible to provide an oscillation device capable of realizing a flat sound pressure level in a wide frequency band while maintaining reliability.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図1は、本実施形態に係る発振装置100を示す断面図である。本実施形態に係る発振装置100は、圧電振動子10と、振動部材20と、支持部材30と、放射膜40と、を備えている。発振装置100は、例えば携帯電話機等の電子機器に搭載される。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an
振動部材20は、一面において圧電振動子10を拘束する。支持部材30は、振動部材20の縁を保持する。放射膜40は、振動部材20の一面を覆い、かつ多孔質材料により構成されている。多孔質材料は、カーボンファイバー、黒鉛粉末、またはアルミナ粉末である。以下、発振装置100の構成について詳細に説明する。
The
振動部材20は、例えば平板形状を有している。振動部材20は、金属や樹脂等、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によって構成され、例えばリン青銅、又はステンレス等の汎用材料によって構成される。振動部材20の厚みは、5〜500μm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、または高い場合、発振装置の振動特性や信頼性を損なうおそれがある。
The
図1に示すように、発振装置100は、弾性部材22を備えている。弾性部材22は、振動部材20の縁に設けられている。また、弾性部材22は、例えば振動部材20の全周に設けられる。弾性部材22は、例えばウレタン、PET、又はポリエチレン等の樹脂材料等によって構成される。支持部材30は、弾性部材22を介して振動部材20を支持している。
As shown in FIG. 1, the
支持部材30は、図1に示すように、例えば基板32上に固定されている。また、支持部材30は、例えば両端が開放された筒状の形状を有している。そして、振動部材20の一面側に位置する一端が放射膜40によって覆われ、一端とは反対の他端が基板32によって覆われている。放射膜40は、例えば支持部材30の端部に固定される。
なお、支持部材30の開放された両端が放射膜40によって覆われるように構成されていてもよい。
As shown in FIG. 1, the
The both open ends of the
放射膜40は、多孔質材料からなるため、一面から出力された音波50を放射する放射孔となる多数の孔を有している。このため、振動部材20の一面から出力された音波50は、当該放射孔を通過して外部へ放射される。音波50が多孔質材料である放射膜40の放射孔を通過する際、音波50と放射孔との間において内部摩擦が生じる。これにより、振動部材20の一面から出力された音波50は、減衰する。従って、共振周波数近傍における音圧レベルを低減することが可能となる。
Since the
図1に示すように、発振装置100は、例えば振動部材20の一面および一面とは反対の他面に圧電振動子10を備えた、バイモルフ構造を有している。
この場合、振動部材20の一面に設けられた圧電振動子10と、振動部材20の他面に設けられた圧電振動子10は、分極方向が互いに逆である。また、振動部材20の一面に設けられた圧電振動子10と、振動部材20の他面に設けられた圧電振動子10は、平面視で重なるように設けられている。
発振装置100がバイモルフ構造を有することにより、振動振幅の増大を図ることができる。
As shown in FIG. 1, the
In this case, the polarization directions of the
Since the
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、圧電体70、上部電極72および下部電極74を有している。圧電体70は、上部電極72および下部電極74に挟まれている。また、圧電体70は、その厚さ方向(図2中上下方向)に分極している。圧電振動子10は、振動部材20の一面と水平な面方向において、例えば円形または楕円形を有する。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the
圧電体70は、圧電効果を有する材料により構成され、例えば電気機械変換効率が高い材料としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)またはチタン酸バリウム(BaTiO3)等により構成される。また、圧電体70の厚みは、10μm〜1mmであることが好ましい。厚みが10μm未満である場合、圧電体70は脆性材料により構成されるため、取り扱い時において破損等が生じやすい。一方、厚みが1mmを超える場合、圧電体70の電界強度が低減する。このため、エネルギー変換効率の低下を招く。
The
上部電極72および下部電極74は、電気伝導性を有する材料によって構成され、例えば銀または銀/パラジウム合金等によって構成される。銀は、低抵抗な汎用材料であり、製造コストや製造プロセスの観点から優位である。また、銀/パラジウム合金は、耐酸化性に優れた低抵抗材料であり、信頼性に優れる。上部電極72および下部電極74の厚みは、1〜50μmであることが好ましい。厚みが1μm未満の場合、均一に成形することが難しくなる。一方、50μmを超える場合、上部電極72または下部電極74が圧電体70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。
The
発振装置100は、制御部90と、信号生成部92と、を備えている。信号生成部92は、圧電振動子10と接続し、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、信号生成部92に接続し、信号生成部92による信号の生成を制御する。外部から入力された情報に基づいて制御部90が信号生成部92の信号の生成を制御することにより、発振装置100の出力を制御することができる。
The
発振装置100をパラメトリックスピーカとして使用する場合、制御部90は信号生成部92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。この場合、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。
また、発振装置100を通常のスピーカとして使用する場合には、制御部90は信号生成部92を介して、音声信号をそのまま圧電振動子10へ入力してもよい。
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92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。
When the
When the
When the
次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態によれば、振動部材20の一面を覆い、かつ多孔質材料により構成される放射膜40を備えている。また、多孔質材料は、カーボンファイバー、黒鉛粉末、またはアルミナ粉末である。
上記構成により、振動部材20から出力される音波50は、多孔質材料が有する多数の放射孔を通して外部へ放射される。音波50が多孔質材料の放射孔を通過する際、音波50と放射孔との間において内部摩擦が生じる。このため、振動部材20の一面から出力された音波50は、減衰する。これにより、共振周波数近傍における音圧レベルを低減することが可能となる。従って、広い周波数帯域において平坦な音圧レベルを有する発振装置実現することができる。
また、多孔質材料は、カーボンファイバー、黒鉛粉末、またはアルミナ粉末である。このように、熱伝導率が高い材料によって放射膜40を形成することにより、音波と放射孔との間に生じる内部摩擦によって発生した熱を、外部へ拡散することが容易となる。従って、信頼性の高い発振装置を実現することもできる。
Next, the effect of this embodiment will be described. According to the present embodiment, the
With the above configuration, the
The porous material is carbon fiber, graphite powder, or alumina powder. Thus, by forming the
図3は、比較例に係る発振装置102を示す断面図である。比較例に係る発振装置102は、放射膜40を有していない点を除いて、本実施形態に係る発振装置100と同様の構成を有する。
また、図4は、本実施形態および比較例に係る発振装置の、振動振幅速度の周波数依存性を示すグラフである。図4においては、本実施形態に係る発振装置100について、放射膜40がカーボンファイバー、黒鉛粉末、およびアルミナ粉末によって構成されている場合のそれぞれが示されている。なお、図4は、本実施形態および比較例に係る発振装置をパラメトリックスピーカとして用いた場合の、復調された可聴音波の振動振幅速度(m/s)を測定した結果を示している。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an
FIG. 4 is a graph showing the frequency dependence of the vibration amplitude speed of the oscillation devices according to the present embodiment and the comparative example. FIG. 4 shows each of cases where the
図4に示すように、比較例に係る発振装置102においては、40Hz付近において振動振幅速度の高いピークが見られる。これに対し、本実施形態に係る発振装置100では、40Hz付近におけるピークは、比較例と比べて小さくなっている。また、特に放射膜40としてアルミナ粉末を用いた場合に、振動振幅速度のピークが最も小さくなっている。
このように、本実施形態によれば、広い周波数帯域において平坦な音圧レベルを有する発振装置が実現されていることがわかる。
As shown in FIG. 4, in the
Thus, according to this embodiment, it can be seen that an oscillation device having a flat sound pressure level in a wide frequency band is realized.
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。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
10 圧電振動子
20 振動部材
22 弾性部材
30 支持部材
32 基板
40 放射膜
50 音波
70 圧電体
72 上部電極
74 下部電極
90 制御部
92 信号生成部
100 発振装置
102 発振装置
DESCRIPTION OF
Claims (3)
一面において前記圧電振動子を拘束する振動部材と、
前記振動部材の縁を保持する支持部材と、
前記振動部材の前記一面を覆い、かつ多孔質材料により構成される放射膜と、
を備え、
前記多孔質材料は、カーボンファイバー、黒鉛粉末、またはアルミナ粉末である発振装置。 A piezoelectric vibrator;
A vibration member that restrains the piezoelectric vibrator on one surface;
A support member for holding an edge of the vibration member;
A radiation film covering the one surface of the vibration member and made of a porous material;
With
The oscillation device, wherein the porous material is carbon fiber, graphite powder, or alumina powder.
前記振動部材の縁に設けられた弾性部材を備え、
前記支持部材は、前記弾性部材を介して前記振動部材を支持している発振装置。 The oscillation device according to claim 1,
An elastic member provided at an edge of the vibration member;
The oscillation device in which the support member supports the vibration member via the elastic member.
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---|---|---|---|---|
CN111751110A (en) * | 2020-07-04 | 2020-10-09 | 西北工业大学 | Carbon fiber heat release sound production device for oscillation combustion of solid propellant |
WO2021256189A1 (en) * | 2020-06-16 | 2021-12-23 | 株式会社デンソー | Ultrasonic sensor |
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- 2011-03-31 JP JP2011081032A patent/JP2012217036A/en not_active Withdrawn
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