JP5488266B2 - 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薄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、薄型化に有利である。

圧電振動子を用いた音響機器に関する技術として、特許文献１〜３に記載のものがある。特許文献１には、圧電振動子を一対の剛性部材で挟持させた受光型圧電素子が開示されている。特許文献２に記載の技術は、圧電発音素子を備える圧電発音体において、クオリティファクタの低減手段を設けるというものである。特許文献３では、圧電型スピーカエレメントを屏風状に屈曲、または配設した圧電型ホーンスピーカが開示されている。

特開平６−２６９０９２号公報 特開２００２−１０８３４６号公報 実開昭６０−１５５３００号公報

携帯通信端末等に搭載される電気音響変換器においては、小型化を図ることが求められる。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望まれる。

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第１の振動部材と、
前記第１の振動部材の縁を支持する第１の弾性部材と、
前記第１の弾性部材の周囲に位置する支持部材と、
を備え、
前記第１の振動部材は、前記支持部材によって拘束されておらず、
前記支持部材は、前記第１の弾性部材が位置する側に突出部を有しており、
前記第１の弾性部材は、前記突出部の一面によって支持されており、
前記第１の振動部材の縁は、平面視で前記突出部と重なってい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の実施形態に係る圧電振動子を示す断面図である。

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、弾性部材２４と、支持部材３０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。また振動部材２０は、支持部材３０によって拘束されていない。支持部材３０は、弾性部材２４の周囲に位置する。また支持部材３０は、弾性部材２４が位置する側に突出部３２を有している。弾性部材２４は、振動部材２０の縁を支持している。また弾性部材２４は、突出部３２の一面によって支持されている。振動部材２０の縁は、平面視で突出部３２と重なっている。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、制御部９０と、信号生成部９２と、をさらに備えている。信号生成部９２は、圧電振動子１０と接続しており、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と接続しており、外部から入力された情報に基づいて信号生成部９２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。

また圧電振動子１０、振動部材２０、及び弾性部材２４が複数組設けられている場合、発振装置１００はパラメトリックスピーカとして使用することができる。この場合、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。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。

図１に示すように発振装置１００は、振動部材２２と、弾性部材２６と、をさらに備えている。また発振装置１００において、圧電振動子１０と、振動部材２０、２２と、弾性部材２４、２６と、突出部３２によって構成される構造は、突出部３２の厚さ方向における中心面を基準に面対称である。振動部材２２は、支持部材３０によって拘束されていない。弾性部材２６は、突出部３２の他面によって支持されている。振動部材２２の縁は、平面視で突出部３２と重なっている。

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。圧電振動子１０は、例えば弾性部材２４の厚さと、突出部３２の厚さと、弾性部材２６の厚さを合わせた厚さを有する。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、２２と支持部材３０との間には、隙間が設けられている。振動部材２０、２２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、２２の厚みは、５〜５００ｕｍであることが好ましい。また振動部材２０、２２の縦弾性係数は、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。振動部材２０、２２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。

弾性部材２４、２６は、弾性運動を行う材料により構成され、例えば樹脂材料によって構成される。振動部材２０、２２は、弾性部材２４、２６を介して支持部材３０に支持されている。また振動部材２０、２２は、支持部材３０によって拘束されていない。よって弾性部材２４、２６は、発振装置１００の振動の端部において自由端を構成する機能を有する。また弾性部材２４、２６の一部は、振動部材２０、２２と支持部材３０によって挟まれている。このため振動する際において、振動部材２０、２２には、弾性部材２４、２６の慣性と復元力が働くこととなる。さらに弾性部材２４、２６として内部損失の大きな材料を選択することにより、発振装置１００の機械品質係数（Ｑ値）を低減させる機能を有する。

支持部材３０の突出部３２は、支持部材３０の全周から内側に向けて形成されている（図示せず）。また突出部３２の一面と他面は、互いに平行である。さらに突出部３２の一面及び他面は、それぞれ支持部材３０に垂直である。

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、支持部材３０に弾性部材２４を介して固定された振動部材２０へ接着する。その後、振動部材２２を、弾性部材２６を介して支持部材３０に接着する。これにより発振装置１００が形成される。

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。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を説明する。本実施形態に係る発振装置１００において、振動部材２０は、弾性部材２４を介して支持部材３０に設けられた突出部３２の一面によって支持されている。このため、弾性部材２４の慣性と復元力が振動部材２０に働き、振幅は増大する。また振動の端部は自由端となるため、振幅の掃引体積は大きくなる。さらに、振動部材２０、弾性部材２４、及び突出部３２は平面視で重なっていることから、発振装置１００の面積が増大することを抑制できる。従って、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、圧電振動子１０は、弾性部材２４、２６を介して支持部材３０に支持されている。よって、発振装置１００の機械的強度を向上することができる。さらに、弾性部材２４、２６を、内部損失の大きい材料により構成した場合、発振装置１００のＱ値は低減する。このため平坦な音圧レベル周波数特性を実現することができる。さらに、弾性部材２４、２６を構成する材料を選択することにより、特定周波数帯域におけるＱ値を制御することができる。よって低周波数帯域においてＱ値を低減し、高周波数帯域においてＱ値を高く調整した場合、可聴音スピーカまたは、パラメトリックスピーカとして動作可能な電気音響変換器を実現することができる。

図３は、第２の実施形態に係る発振装置１０２を示す断面図であって、第１の実施形態における図１に対応している。本実施形態に係る発振装置１０２は、弾性部材２４、２６が、バネにより構成されている点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。

本実施形態においても、振動部材２０は、弾性部材２４を介して支持部材３０に設けられた突出部３２の一面によって支持されている。また、振動部材２０、弾性部材２４、及び突出部３２は平面視で重なっている。従って、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。

図４は、第３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４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。

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。
以下、参考形態の例を付記する。
１．圧電振動子と、
前記圧電振動子の一面を拘束する第１の振動部材と、
前記第１の振動部材の縁を支持する第１の弾性部材と、
前記第１の弾性部材の周囲に位置する支持部材と、
を備え、
前記第１の振動部材は、前記支持部材によって拘束されておらず、
前記支持部材は、前記第１の弾性部材が位置する側に突出部を有しており、
前記第１の弾性部材は、前記突出部の一面によって支持されており、
前記第１の振動部材の縁は、平面視で前記突出部と重なっている発振装置。
２．１．に記載の発振装置において、
前記圧電振動子の他面を拘束する第２の振動部材と、
前記第２の振動部材の縁を支持する第２の弾性部材と、
をさらに備え、
前記第２の振動部材は、前記支持部材によって拘束されておらず、
前記第２の弾性部材は、前記突出部の他面によって支持されており、
前記第２の振動部材の縁は、平面視で前記突出部と重なっている発振装置。
３．１．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、樹脂材料によって構成されている発振装置。
４．１．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、バネによって構成されている発振装置。
５．１．ないし４．いずれか１項に記載の発振装置において、
前記発振装置は、音波センサの発信源である発振装置。
６．１．ないし４．いずれか１項に記載の発振装置において、
前記発振装置は、スピーカである発振装置。

１０ 圧電振動子
２０ 振動部材
２２ 振動部材
２４ 弾性部材
２６ 弾性部材
３０ 支持部材
３２ 突出部
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
９２ 信号生成部
１００ 発振装置
１０２ 発振装置
１１０ 圧電振動子

Claims (5)

1. 圧電振動子と、
   前記圧電振動子の一面を拘束する第１の振動部材と、
   前記第１の振動部材の縁を支持する第１の弾性部材と、
   前記第１の弾性部材の周囲に位置する支持部材と、
   を備え、
   前記第１の振動部材は、前記支持部材によって拘束されておらず、
   前記支持部材は、前記第１の弾性部材が位置する側に突出部を有しており、
   前記第１の弾性部材は、前記突出部の一面によって支持されており、
   前記第１の振動部材の縁は、平面視で前記突出部と重なっており、
   前記圧電振動子の他面を拘束する第２の振動部材と、前記第２の振動部材の縁を支持する第２の弾性部材と、をさらに備え、
   前記第２の振動部材は、前記支持部材によって拘束されておらず、
   前記第２の弾性部材は、前記突出部の他面によって支持されており、
   前記第２の振動部材の縁は、平面視で前記突出部と重なっている発振装置。
2. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記第１の弾性部材は、樹脂材料によって構成されている発振装置。
3. 請求項１に記載の発振装置において、
   前記第１の弾性部材は、バネによって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、
   前記発振装置は、音波センサの発信源である発振装置。
5. 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、
   前記発振装置は、スピーカである発振装置。

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