JP2012015758A - 発振装置、その製造方法、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】出力の音圧レベルの増大と装置の小型化とを、ともに実現する発振装置を提供する。
【解決手段】電気音響変換器１００は、圧電セラミック１１１の裏面に電極板１１３が接合されているので、例えば、圧電セラミック１１１となる大型の圧電セラミックの裏面に大型の電極板１１３を接合してから所定形状に分断することで、損傷を防止しながら圧電セラミックからなる圧電セラミック１１１を所定形状に形成することができる。このような圧電振動子１１０が弾性振動板１２０の凹部１２１に挿入されて接合されているので、圧電振動子１１０の電極板１１３が弾性振動板１２０の一部として機能することができる。このため、出力の音圧レベルの増大と装置の小型化とを、ともに実現することができる。
【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、その製造方法、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(特許文献４，５)。

再表２００７−０２６７３６号公報 再表２００７−０８３４９７号公報 特開平３−２７０２８２号公報 特開２０００−２７８７９５号公報 特開２００４−１９５４３２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。

このように高効率な小型電気音響変換器の開発が必要であるが、未だに要求を満たす変換器の開発はなされていない。そこで、薄型の圧電セラミックを用いて、電界強度を高めることで、高効率な圧電アクチュエーターを得る方法が検討されているが、圧電セラミックは脆性材料であるため、製造時に割れや欠けなどの損傷が発生し、歩留りの低下などの問題点を抱えていた。

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、出力の音圧レベルの増大と装置の小型化とを、ともに実現する発振装置、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、圧電層の表面に電極層が形成されているとともに裏面に電極板が接合されている圧電振動子と、表面に形成されている凹部に圧電振動子が挿入されて接合されている振動部材と、を有する。

本発明の製造方法は、本発明の発振装置の製造方法であって、大型の圧電セラミックの裏面に大型の電極板を接合し、大型の電極板が接合された大型の圧電セラミックを所定形状に分断し、振動部材の所定形状の凹部に圧電セラミックの電極板を挿入して接合する。

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、本発明の製造方法は、複数の製造工程を順番に記載してあるが、その記載の順番は複数の製造工程を実行する順番を限定するものではない。このため、本発明の製造方法を実施するときには、その複数の製造工程の順番は内容的に支障しない範囲で変更することができる。

さらに、本発明の製造方法は、複数の製造工程が個々に相違するタイミングで実行されることに限定されない。このため、ある製造工程の実行中に他の製造工程が発生すること、ある製造工程の実行タイミングと他の製造工程の実行タイミングとの一部ないし全部が重複していること、等でもよい。

また、本発明で云う電極層とは、薄膜技術で対象物の表面に成膜される金属などの層膜を意味しており、電極板とは、機械技術で独立に形成される金属製の板材などを意味している。

本発明の発振装置では、圧電層の裏面に金属板が接合されているので、例えば、圧電層となる大型の圧電セラミックの裏面に大型の金属板を接合してから所定形状に分断することで、損傷を防止しながら圧電セラミックからなる圧電層を所定形状に形成することができる。このような圧電振動子が振動部材の凹部に挿入されて接合されているので、圧電振動子の金属板が振動部材の一部として機能することができる。このため、出力の音圧レベルの増大と装置の小型化とを、ともに実現することができる。

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。 電気音響変換器の製造方法の一部を示す模式的な縦断正面図である。 電気音響変換器の製造方法の一部を示す模式的な平面図である。

本発明の実施の第一の形態について図１および図２を参照して以下に説明する。本実施の形態の発振装置である電気音響変換器１００は、図１に示すように、圧電層である圧電セラミック１１１の表面に電極層１１２が形成されているとともに裏面に電極板１１３が接合されている圧電振動子１１０と、表面に形成されている凹部１２１に圧電振動子１１０が挿入されて接合されている振動部材である弾性振動板１２０と、を有する。

より詳細には、圧電振動子１１０の電極板１１３の外形と弾性振動板１２０の凹部１２１の内形とが略同形状に形成されている。弾性振動板１２０は、１８０μｍ以上２００μｍ以下の板厚に形成されており、凹部１２１は、１００μｍ以上１２０μｍ以下の深度に形成されている。

そこで、圧電振動子１１０の電極板１１３は、１００μｍ以上１２０μｍ以下の板厚に形成されている。圧電振動子１１０は、詳細には後述するが、大型の圧電セラミックの裏面に大型の電極板１１３が接合されてから分断されている。

また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電振動子１１０の電極層１１２と電極板１１３とに発振駆動部である制御部１３０が接続されている。この制御部１３０から圧電振動子１１０を可聴領域や超音波領域で発振させる電界が印加される。

なお、表面の電極層１１２と裏面の電極板１１３とは、例えば、リード線１３１で制御部１３０に接続されている。なお、裏面の電極板１１３は、例えば、金属製の弾性振動板１２０とリード線１３１とで制御部１３０に接続することもできる。

また、圧電セラミック１１１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と電極板１１３とが形成されている。電極層１１２と電極板１１３とは、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が圧電セラミック１１１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の圧電振動子１１０は、その片側の主面が弾性振動板１２０によって拘束されている。弾性振動板１２０は、圧電振動子１１０から発生した振動を外側に伝播させる。

また、同時に弾性振動板１２０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。このとき、裏面の電極板１１３も弾性振動板１２０の一部として機能する。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、電極板１１３および弾性振動板１２０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、電極板１１３および弾性振動板１２０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。

従来は、圧電振動子１１０の形状や材質により基本共振周波数を制御していたところから設計上の制約やコスト、信頼性に問題があったが、本発明のように、構成部材である電極板１１３や弾性振動板１２０を変更することで所望の基本共振周波数に容易に調整できることから、工業上の価値は大きい。

なお、弾性振動板１２０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１２０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１２０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１２０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。そこで、本実施の形態では、前述のように弾性振動板１２０は、１８０μｍ以上２００μｍ以下の板厚に形成されており、凹部１２１は、１００μｍ以上１２０μｍ以下の深度に形成されている。

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は、図２に示すように、厚み＝２００μｍの大型の圧電セラミック１１１を形成する。

圧電セラミック１１１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と電極板１１３とには銀／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に分極処理を施す。

つぎに、完成した大型の圧電セラミック１１１の裏面に、１００μｍ以上１２０μｍ以下の板厚の大型の電極板１１３を導電性接着剤で接着する。このような大型の圧電セラミック１１１と電極板１１３との接合体を、図２および図３に示すように、ダイサー(図示せず)によるダイシング等で、所定形状の圧電セラミック１１１と電極板１１３とに分断する。

このとき、脆性が高い圧電セラミック１１１の裏面全域に脆性が低い電極板１１３が一体に接合されているので、分断される圧電セラミック１１１に損傷が発生することが防止される。

上述のような圧電セラミック１１１の表面にスパッタリングやペーストなどの薄膜技術で電極層１１２が形成される。なお、この電極層１１２は分断される以前に形成しておいてもよい。さらに、弾性振動板１２０に所定形状の凹部１２１を形成し、この凹部１２１に圧電振動子１１０をエポキシ系の接着剤で接合する。

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の動作原理を説明する。圧電セラミック１１１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の主面のそれぞれに、電極層１１２および電極板１１３が形成されている。

圧電セラミック１１１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では、上下方向（圧電振動子１１０の厚み方向）で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は、電極層１１２および電極板１１３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運動を行う。このような運動を繰り返すことで弾性振動板１２０は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。

ただし、弾性振動板１２０には凹部１２１が形成されているが、この凹部１２１に電極板１１３が位置する。このため、圧電振動子１１０の電極板１１３が弾性振動板１２０の一部として機能する。

また、本発明の構成では、圧電振動子１１０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。

以上のように、本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電セラミック１１１の裏面に電極板１１３が接合されているので、圧電セラミック１１１となる大型の圧電セラミックの裏面に大型の電極板１１３を接合してから所定形状に分断することで、損傷を防止しながら圧電セラミックからなる圧電セラミック１１１を所定形状に形成することができる。

このような圧電振動子１１０が弾性振動板１２０の凹部１２１に挿入されて接合されているので、圧電振動子１１０の電極板１１３が弾性振動板１２０の一部として機能することができる。しかも、圧電振動子１１０の位置が凹部１２１で規制されるので、弾性振動板１２０の所望の位置に簡単に正確に圧電振動子１１０を配置することができる。

このため、出力の音圧レベルの増大と装置の小型化とを、ともに実現することができる。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、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。

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
１１０ 圧電振動子
１１１ 圧電セラミック
１１２ 電極層
１１３ 電極板
１２０ 弾性振動板
１２１ 凹部
１３０ 制御部
１３１ リード線

Claims (12)

1. 圧電層の表面に電極層が形成されているとともに裏面に電極板が接合されている圧電振動子と、
   表面に形成されている凹部に前記圧電振動子が挿入されて接合されている振動部材と、
   を有する発振装置。
2. 前記圧電振動子の前記電極板の外形と前記振動部材の前記凹部の内形とが略同形状に形成されている請求項１に記載の発振装置。
3. 前記振動部材は、１８０μｍ以上２００μｍ以下の板厚に形成されており、前記凹部は、１００μｍ以上１２０μｍ以下の深度に形成されている請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記圧電振動子の前記電極板は、１００μｍ以上１２０μｍ以下の板厚に形成されている請求項３に記載の発振装置。
5. 前記圧電振動子は、前記圧電層が圧電セラミックからなる請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
6. 前記圧電振動子は、大型の前記圧電セラミックの裏面に別体の大型の前記電極板が接合されてから分断されており、
   前記圧電セラミックの表面に前記電極層が薄膜技術で形成されている請求項５に記載の発振装置。
7. 前記圧電振動子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６の何れか一項に記載の発振装置。
8. 前記圧電振動子が可聴波の超音波変調波を発振する請求項１ないし７の何れか一項に記載の発振装置。
9. 請求項１ないし１４の何れか一項に記載の発振装置の製造方法であって、
   大型の前記圧電セラミックの裏面に大型の前記電極板を接合し、
   大型の前記電極板が接合された大型の前記圧電セラミックを所定形状に分断し、
   前記振動部材の所定形状の前記凹部に前記圧電セラミックの前記電極板を挿入して接合する製造方法。
10. 所定形状の前記凹部が表面に形成されている前記振動部材を形成し、
    前記振動部材の前記凹部に前記圧電セラミックの前記電極板を挿入して接合する請求項９に記載の製造方法。
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。
12. 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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