JP2012015755A - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で複数の共振周波数で発振することができる発振装置を提供する。
【解決手段】弾発性を有する弾性振動板１０１の表面に、圧電層１１１，１２１の表面と裏面とに電極層１１２，１１３，１２２が形成されている複数の圧電振動子１１０，１２０が順番に積載されており、この複数の圧電振動子１１０，１２０の少なくとも一部は、主モードの共振周波数が相違している。このため、簡単な構造で複数の共振周波数で発振することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子を備えた発振装置に関し、特に、振動部材に圧電振動子が装着されている発振装置、この発振装置を有する電子機器、に関する。

近年、携帯電話機やノート型コンピュータなどの携帯型の電子機器の需要が拡大している。このような電子機器では、テレビ電話や動画再生、ハンズフリー電話などの音響機能を商品価値とした薄型の携帯端末の開発が進められている。このような開発の中、音響部品である電気音響変換器（スピーカ装置）に対して、高音質でかつ小型・薄型化への要求が高まっている。

従来、携帯電話等の電子機器には、電気音響変換器として動電型電気音響変換器が利用されてきた。この動電型電気音響変換器は、永久磁石とボイスコイルと振動膜から構成されている。

しかし、動電型電気音響変換器は、その動作原理および構造から、薄型化には限界がある。一方、特許文献１、２には、圧電振動子を電気音響変換器として使用することが記載されている。

また、圧電振動子を用いる発振装置の他の例としては、スピーカ装置のほか、圧電振動子から発振された音波を用いて対象物までの距離などを検出する音波センサ（特許文献３を参照）など、種々の発振装置や電子機器が知られている。

例えば、同一形状で同一材料の二個の圧電振動子を振動部材に二段に積層することで、バイモルフの発振装置を実現する提案がある(特許文献４)。また、平面形状のサイズが相違する二個の圧電振動子を振動部材の両面に一個ずつ配置することで、バイモルフの発振装置を実現する提案もある(特許文献５)

再表２００７−０２６７３６号公報 再表２００７−０８３４９７号公報 特開平０３−２７０２８２号公報 特開２００２−１１２３９１号公報 特開２００８−２８５９３号公報

圧電振動子を用いる発振装置は、圧電層の圧電効果を利用して、電気信号の入力による電歪作用により、振動振幅を発生させるものである。そして、動電型電気音響変換器がピストン型の進退運動によって振動を発生させるのに対して、圧電振動子を用いる発振装置は屈曲型の振動姿態をとるために振幅が小さくなる。このため、上記した動電型の電気音響変換器に対して薄型化に優位である。

しかしながら、発振装置の物理指標の一つである主モードの共振周波数は、その圧電振動子の形状や材料などにより一つに決定される。しかし、発振装置をスピーカ装置として利用するような場合には、共振周波数が一つでは単調な音声しか出力することができない。

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、簡単な構造で複数の共振周波数で発振することができる発振装置、この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、弾発性を有する振動部材と、圧電層の表面と裏面とに電極層が形成されていて振動部材の表面に順番に積載されている複数の圧電振動子と、を有し、複数の圧電振動子の少なくとも一部は、主モードの共振周波数が相違している。

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、本発明で平面形状が相違しているとは、相似形状でサイズが相違していることも内包する。

本発明の発振装置では、振動部材に順番に積載されている複数の圧電振動子の主モードの共振周波数が相違しているため、簡単な構造で複数の共振周波数で発振することができる。

本発明の実施の第一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平面図である。 二個の圧電振動子の分極方向を示す模式的な縦断正面図である。 一の変形例の電気音響変換器の構造を示す斜視図である。 他の変形例の電気音響変換器の構造を示す斜視図である。 さらに他の変形例の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。

本発明の実施の第一の形態について図１ないし図３を参照して以下に説明する。本実施の形態の発振装置である電気音響変換器１００は、図１に示すように、弾発性を有する振動部材である弾性振動板１０１と、圧電セラミック１１１，１２１の表面と裏面とに電極層１１２，１１３，１２２が形成されていて弾性振動板１０１の表面に順番に積載されている複数の圧電振動子１１０，１２０と、を有する。

ただし、複数の圧電振動子１１０，１２０の主モードの共振周波数が相違している。より具体的には、本実施の形態の電気音響変換器１００では、図１および図２に示すように、共振周波数が相違する複数の圧電振動子１１０，１２０の平面形状が相違している。

つまり、下部の圧電振動子１１０は大径の円形に平面形状が形成されているが、上部の圧電振動子１２０は小径の円形に平面形状が形成されている。なお、本実施の形態の電気音響変換器１００では、下部の圧電振動子１１０の上面の電極層１１３が上部の圧電振動子１２０の下面の電極層１１３として兼用されている。

そして、上述のような二個の圧電振動子１１０，１２０の三個の電極層１１２，１１３，１２２が個々に発振駆動部である制御部１３０に接続されており、この制御部１３０は、二個の圧電振動子１１０，１２０を可聴領域や超音波領域で発振させる電界を個別に出力する。

また、圧電セラミック１１１，１２１としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などを使用するが特に限定されない。圧電セラミック１１１，１２１の厚みは、特に限定されないが、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。

例えば、脆性材料であるセラミック材料として厚み１０μｍ未満の薄膜を使用する場合、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５００μｍを超える圧電セラミック１１１，１２１を使用する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として十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１１１，１２１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問題がある。

本実施の形態の圧電振動子１１０には、電界を発生させるために表面と裏面とに電極層１１２，１１３，１２２が形成されている。前述のように中央の電極層１１３は二個の圧電セラミック１１１，１２１で兼用されるため、例えば、アースとして利用される。

電極層１１２，１１３，１２２は、電気伝導性を有する材料であれば特に限定されないが、銀や銀／パラジウムを使用することが好ましい。銀は低抵抗な汎用的な電極層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１１２，１１３，１２２の厚みについては、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。

例えば、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。なお、薄膜状の電極層１１２，１１３，１２２を形成する技術として、ペースト状にして塗布する方法もある。

しかし、圧電セラミック１１１，１２１のような多結晶では表面状態が梨地面であるため、塗布時の濡れ状態が悪く、ある程度の厚みがないと均一な電極膜が形成できない問題点がある。

一方、電極層１１２，１１３，１２２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１１２，１１３，１２２が圧電セラミック１１１，１２１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。

本実施の形態の電気音響変換器１００では、上方の圧電振動子１２０の下面が下方の圧電振動子１１０の上面で拘束されており、この下方の圧電振動子１１０の下面が弾性振動板１０１の上面で拘束されている。

弾性振動板１０１は、圧電振動子１１０，１２０から直接および間接に発生した振動で共振する。また、同時に弾性振動板１０１には、圧電振動子１１０の基本共振周波数を調整する機能を持つ。

なお、弾性振動板１０１は、円環状の支持フレーム１０２で支持されている。弾性振動板１０１の機械的な電気音響変換器１００の基本共振周波数fは、以下の式で示されるように、負荷重量と、コンプライアンスに依存する。

[数１]
ｆ＝１／(２πＬ√(ｍＣ))
なお、"ｍ"は質量、"Ｃ"はコンプライアンス、である。

言い換えれば、コンプライアンスは電気音響変換器１００の機械剛性であるため、このことは圧電振動子１１０，１２０の剛性を制御することで基本共振周波数を制御できることを意味する。

例えば、弾性率の高い材料の選択や、弾性振動板１０１の厚みを低減することで、基本共振周波数を低域にシフトさせることが可能となる。この一方で、弾性率の高い材料を選択することや、弾性振動板１０１の厚みを増加させることで基本共振周波数を高域にシフトさせることができる。

なお、弾性振動板１０１には、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の汎用材料が使用される。

また、弾性振動板１０１の厚みについては、５μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。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ことや、加工精度の低下により、製造ロット間で圧電振動子１１０の機械振動特性の誤差が生じてしまう問題点がある。

また、厚みが１０００μｍを超える場合は、剛性増による圧電振動子１１０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、本実施形態の弾性振動板１０１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。上述のように、弾性振動板１０１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。

ここで、本実施の形態の電気音響変換器１００の製造方法を以下に説明する。まず、圧電振動子１１０，１２０は、例えば、外径＝φ３ｍｍ、φ２ｍｍ、厚み＝２００μｍの圧電セラミック１１１，１２１を形成し、圧電セラミック１１１，１２１の各々の両面に、それぞれ厚み８μｍの電極層１１２，１１３，１２２を形成する。

圧電セラミック１１１，１２１には、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用い、電極層１１２，１１３，１２２には銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を使用する。

この圧電セラミック１１１，１２１の製造はグリーンシート法で行い、大気中で１１００℃で２時間にわたって焼成し、その後、圧電セラミック１１１，１２１に分極処理を施す。圧電振動子１１０，１２０の接着と、圧電振動子１１０と弾性振動板１０１との接着とには、エポキシ系接着剤を用いる。

また、本構成では、プライバシー保護が可能な音響再生を実現するために、超音波を発振させる。ここでは、変調した超音波を可聴音に復調するパラメトリックスピーカの原理を利用している。圧電振動子１１０，１２０は周波数２０ｋＨｚ以上の超音波を発振するものである。

ここでは、ＡＭ(Amplitude Modulation)変調やＤＳＢ(Double Sideband)変調、ＳＳＢ(Single-Sideband modulation)変調、ＦＭ(Frequency Modulation)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っている。

非線形としては、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現象が挙げられる。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。

しかしながら、低周波数帯域での音波の振幅は非線形でありながら、振幅差が非常に小さく、通常、線形理論の現象として取り扱っている。これに対して、超音波では非線形性が容易に観察でき、空気中に放射した場合、非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。

概略すれば、音波は空気中に分子集団が濃淡に混在する疎密状態であり、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原理である。

続いて、圧電振動子１１０，１２０の動作原理を説明する。圧電セラミック１１１，１２１は、上述のように二個の主面を有する圧電板からなり、圧電セラミック１１１，１２１の主面のそれぞれに、電極層１１２，１１３，１２２が形成されている。

圧電セラミック１１１，１２１の分極方向は特に限定されるものではないが、本実施の形態の電気音響変換器１００では、図３に示すように、上下方向（圧電振動子１１０，１２０の厚み方向）で下方の圧電振動子１１０では下向き、上方の圧電振動子１２０では上向きとなっている。

このように構成された圧電振動子１１０，１２０は、電極層１１２，１１３，１２２に交流電圧が印加され、交番的な電界が付与されると、その両主面が同時に拡大または縮小するような、半径方向の伸縮運動（径拡がり運動）を行う。

換言すれば、圧電振動子１１０，１２０は、主面が拡大するような第一の変形モードと、主面が縮小するような第二の変形モードとを繰り返すようなバイモルフの運動を行う。

このようなバイモルフの運動を圧電振動子１１０，１２０が繰り返すことで、弾性振動板１０１は両端を支点として、弾性効果を利用して慣性作用と復元作用による上下振動を発生し、音波を発生する。

また、本発明の構成では、圧電振動子１１０，１２０は周波数２０ｋＨｚ以上の超音波を発振する。ＦＭやＡＭ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。これは、超音波の特徴である高い指向性を利用して音波を伝播させるものであり、ユーザにしか聴こえないプライバシー音源の実現が可能となる。

そして、本実施の形態の電気音響変換器１００では、弾性振動板１０１に順番に積載されている複数の圧電振動子１１０，１２０の主モードの共振周波数が相違しているため、複数の共振周波数で発振することができる。

それでいて、複数の圧電振動子１１０，１２０が弾性振動板１０１の表面に順番に積層されているので、その構造が簡単で製造が容易である。しかも、電極層１１３を二個の圧電振動子１１０，１２０が共用するので、さらに構造が簡単で製造が容易である。

以上のように、本実施の形態の電気音響変換器１００は、小型で大音量の再生ができる。また、超音波を利用しているため、指向性が狭く、ユーザのプライバシー保護などの点で、工業的な価値は大きい。

すなわち、本実施形態の電気音響変換器１００は、従来の電気音響変換器に比べ、音波の直進性が高く、ユーザに伝えたい位置へ選択的に音波を伝播できる。以上をまとめると、本実施の形態の電気音響変換器１００は、電子機器（例えば、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、小型ゲーム機器など）の音源としても利用可能である。しかも、電気音響変換器１００の大型化を防止することができ、音響特性が向上することから、携帯型の電子機器に対しても好適に利用することが可能である。

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、本実施の形態では圧電振動子１１０，１２０の圧電素子としてジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック１１１，１２１を利用することを例示した。

しかし、圧電素子については、圧電効果を有する材料であれば、無機材料、有機材料ともに特に限定されず、電気機械変換効率が高い材料、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などの材料が使用できる。

また、上記形態では主モードの共振周波数が相違する圧電振動子１１０，２２０として、板厚と材料とが同一で直径が大小の圧電振動子１１０，１２０が弾性振動板１０１に順番に積層されていることを例示した。

しかし、図４に例示する発振装置である電気音響変換器２００のように、弾性振動板１０１に大径の円形の圧電振動子２１０と矩形の小型の圧電振動子２２０とが順番に積載されていてもよい。

反対に、弾性振動板１０１に大型の多角形の圧電振動子と小径の円形などの圧電振動子とが順番に積載されていてもよく、弾性振動板１０１に大型の多角形の圧電振動子と小径の多角形の圧電振動子とが順番に積載されていてもよい(ともに図示せず)。

また、弾性振動板１０１に三段以上の圧電振動子が積載されていてもよい。さらに、 図５に例示する発振装置である電気音響変換器３００のように、弾性振動板１０１に積載されている大径の円形の圧電振動子２１０の上面に、小径の半円形の平面形状の二個の圧電振動子３２０が並列に積載されていてもよい。

さらに、共振周波数が相違する複数の圧電振動子１１０，１２０の圧電セラミック１１１，１２１の材料が相違していてもよく、電極層１１２，１１３，１２２の材料が相違していてもよい(図示せず)。

また、図６に発振装置として例示する電気音響変換器４００のように、共振周波数が相違する複数の圧電振動子４１０，４２０として、その板厚が相違していてもよく、その圧電セラミック１１１，１２１や電極層１１２，１１３，１２２の層厚が相違していてもよい。

さらに、上記形態では、電気機器として電気音響変換器１００等で音声を出力する携帯電話機等を想定した。しかし、電子機器として、発振装置である電気音響変換器１００等と、この電気音響変換器１００等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(図示せず)なども実施可能である。

また、上記形態では弾性振動板１０１に順番に積載されている二個の圧電振動子１１０，１２０が上下逆様に分極されていてバイモルフとして動作することを例示した。しかし、二個の圧電振動子１１０，１２０が同一方向に分極されていて個々に駆動されてもよい。

さらに、上記形態では二個の圧電振動子１１０，１２０が中間の電極層１１３を共用することを例示した。しかし、下方の圧電振動子１１０の上面と上方の圧電振動子１２０の下面とに専用の電極層が各々形成されていてもよい(図示せず)。

このような場合、下方の圧電振動子１１０の上面と上方の圧電振動子１２０の下面との電極層間に絶縁層を形成することで、より確実に二個の圧電振動子１１０，１２０を個別に駆動することが可能となる。

なお、当然ながら、上述した複数の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。

１００ 電気音響変換器
１０１ 弾性振動板
１０２ 支持フレーム
１１０ 圧電振動子
１１１，１２１ 圧電セラミック
１１２，１１３，１２２ 電極層
１２０ 圧電振動子
１３０ 制御部
２００ 電気音響変換器
２１０ 圧電振動子
２２０ 圧電振動子
３００ 電気音響変換器
３２０ 圧電振動子

Claims (11)

1. 弾発性を有する振動部材と、
   圧電層の表面と裏面とに電極層が形成されていて前記振動部材の表面に順番に積載されている複数の圧電振動子と、を有し、
   複数の前記圧電振動子の少なくとも一部は、主モードの共振周波数が相違している発振装置。
2. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の平面形状が相違している請求項１に記載の発振装置。
3. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の板厚が相違している請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の前記圧電層の層厚が相違している請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
5. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の前記電極層の層厚が相違している請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
6. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の前記圧電層の材料が相違している請求項１ないし５の何れか一項に記載の発振装置。
7. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の前記電極層の材料が相違している請求項１ないし６の何れか一項に記載の発振装置。
8. 前記共振周波数が相違する複数の前記圧電振動子の少なくとも一個が発振する超音波の周波数が２０ｋＨｚを超える請求項１ないし７の何れか一項に記載の発振装置。
9. 複数の前記圧電振動子の少なくとも一個が可聴波の超音波変調波を発振する請求項１ないし８の何れか一項に記載の発振装置。
10. 請求項１ないし９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を出力させる発振駆動部と、
    を有する電子機器。
11. 請求項１ないし９の何れか一項に記載の発振装置と、
    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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