JP2012100044A - 発振装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありながら大音量音の再生が可能であり、製造工数の削減や、特性バラツキの安定化、信頼性向上などが実現できる発振装置を提供する。
【解決手段】発振装置１００は、圧電素子１１０の小型化への影響を考慮して、超音波用を振動子として利用することで、小型でありながら大音量音の再生が可能である。また、圧電素子１１０は電気機械品質係数Ｑが高いことから、特定の周波数帯域の限定した音波の再生には優位であり、高効率で音響再生することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を備えた発振装置に関し、特に、弾性部材に圧電素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、音響部品である発振装置（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、発振装置として動電型発振装置が利用されてきた。この動電型発振装置は、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、動電型発振装置は、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、圧電素子を発振装置として使用することが記載されている。

また、圧電素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、圧電素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素子を弾性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素子を弾性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

圧電素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、動電型発振装置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、圧電素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、上記した動電型の発振装置に対して薄型化に優位である。

しかしながら、圧電層として一般的なセラミック材料は脆性材料である上に、機械損失が小さいため、電気機械品質係数Ｑ（以下、機械係数Ｑと略す）が高い特性を持つ。動電型発振装置の機械係数Ｑは３〜５程度であるに対して、圧電型の発振装置の機械係数Ｑは約５０である。

機械係数Ｑは共振時での振幅の先鋭度を示すため、要約すれば、圧電型の発振装置では、基本共振周波数近傍では音圧が高く、それ以外の帯域では音圧が著しく減衰することを意味する。このことは、小型化への問題を持つ。動電型の発振装置は機械係数Ｑは低く、ピストン状の振幅運動を発生させるのに対して、機械係数Ｑの高い圧電型の発振装置では屈曲運動の振動姿態をとる。

ピストン型では最大変位量は小さいが、振動端部での変位量が大きいため、同じ放射面積では体積排除量は屈曲型の振動姿態に対して優位となる。すなわち、圧電型の発振装置では、機械係数Ｑを低減するか、変位量を大幅に増大しない限り、動電型発振装置よりも小型化が困難である。

例えば、圧電型の発振装置において、動電型発振装置の三倍以上の変位を得る場合、応力が脆性材料の圧電セラミックに集中し、破損や破壊などの信頼性への問題が生じる。以上をまとめると、圧電型の発振装置では薄型化は可能であるが、原理上で小型化は困難である。

さらに、従来の圧電型の発振装置では、圧電セラミック上にランドとリード線を接合していた。しかしながら、圧電セラミックの形状が小型になるにつれ、ランドの重量や剛性、接合位置のなどの影響を強くうけ、基本共振周波数のバラツキによる、音圧レベル周波数特性のバラツキの問題点が生じていた。

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、小型でありながら高効率で音響再生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、電界の印加により伸縮運動する平板状の圧電素子と、圧電素子の二つの主面の一方を拘束している平板状の金属弾性部材と、圧電素子の二つの主面の他方を拘束している平板状の樹脂弾性部材と、金属弾性部材と樹脂弾性部材とを支持している枠状の支持体と、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。

本発明の発振装置では、圧電素子は電気機械品質係数Ｑが高いことから、特定の周波数帯域の限定した音波の再生には優位であり、高効率で音響再生することが可能となる。

本発明の実施の第一の形態の発振装置の構造を示す模式的な縦断正面図である。 圧電素子の構造を示す模式的な縦断正面図である。 本発明の実施の第二の形態の発振装置の構造を示す模式的な平面図である。 本発明の実施の第三の形態の発振装置の圧電素子の構造を示す模式的な分解斜視図である。 一従来例の発振装置の構造を示す縦断正面図である。 電子機器である携帯電話機の外観を示す模式的な正面図である。

[実施の第一の形態]
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１００は、図１に示すように、電界の印加により伸縮運動する平板状の圧電素子１１０と、圧電素子１１０の二つの主面の一方を拘束している平板状の金属弾性部材１２０と、圧電素子１１０の二つの主面の他方を拘束している平板状の樹脂弾性部材１３０と、金属弾性部材１２０と樹脂弾性部材１３０とを支持している枠状の支持体１４０と、を有する。

さらに、本実施の形態の発振装置１００は、樹脂弾性部材１３０に圧電素子１１０に接続されているランド１３１とリード線１３２が埋含されている。樹脂弾性部材１３０と金属弾性部材１２０は圧電素子１１０の上下主面の何れかを拘束して、支持体１４０と直接接合している。

本構成の発振装置１００では、圧電素子１１０の電歪効果を利用した伸縮運動を利用して音波を発振させる。ここで、圧電素子１１０は、図２に示すように、圧電材料１１１の両主面が電極層１１２，１１３によって拘束されており、電界の印加により圧電効果を利用して伸縮運動を発生する。

圧電材料１１１は、圧電効果を有する材料であれば、無機材料、有機材料ともに限定されないが、電気機械変換効率が高い材料、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などの材料が使用可能である。その厚みは特に限定されないが、１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。セラミック材料が厚み１０μｍ未満の場合、脆性材料であるため、機械強度の弱さから、取り扱い時に欠けや破損などが生じて、製造上の問題が生じる。

厚みが１ｍｍを超える場合は、電気エネルギから機械エネルギに変換するエネルギ変換効率が著しく低下してしまう問題点がある。これは、電歪効果を利用する圧電セラミックでは、電気エネルギから機械エネルギへの変換効率は電界強度に依存するため、厚みの増加は必然的に変換効率の低下を招いてしまうからである。

電極層１１２，１１３を形成する電極材料については、電気伝導性を有する材料であれば、特に材質は限定されないが、例えば、銀や銀/パラジウムなどを使用することが可能である。特に、銀電極は低抵抗な汎用材料であるため、製造コストや製造プロセスで優位である。また、銀／パラジウムは耐酸化性に優れた低抵抗材料であるため、信頼性の観点から優位である。

その厚みは特に限定されないが、総厚で１〜５０μであるのが好ましい。厚みが1μｍ未満の場合では、膜厚が薄いため、電極上に均一に成形できない問題点がある。電極層１１２，１１３の膜厚が１００μｍを超える場合は、電極層１１２，１１３が圧電材料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。

本発明の圧電素子１１０は、その一方の主面が金属弾性部材１２０によって拘束されている。金属弾性部材１２０は、圧電素子１１０から発生した振動を支持体１４０に伝播させる機能と機械強度を向上させる機能を持つ。

金属弾性部材１２０の厚みは５〜５００μｍであることが好ましい。また、材料の剛性を示す指標である縦弾性係数が、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。金属弾性部材１２０の剛性が過度に低い場合や、過度の高い場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう問題点がある。なお、金属弾性部材１２０には、金属や樹脂など脆性材料である圧電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。

本発明の圧電素子１１０は、金属弾性部材１２０に拘束されていない他方の主面が樹脂弾性部材１３０によって拘束されている。なお、樹脂弾性部材１３０には、あらかじめ、電極端子の役割を果たすランド１３１やリード線１３２が埋め込まれている。このため、本構成では電気接続時の製造容易性と信頼性が向上する。従来の圧電型の発振装置１００では、圧電セラミック上にランド１３１とリード線１３２を接合していた。

しかしながら、圧電セラミックの形状が小型になるにつれ、ランド１３１の重量や剛性、接合位置のなどの影響を強くうけ、基本共振周波数のバラツキによる、音圧レベル周波数特性のバラツキの問題点が生じていた。特に、機械係数Ｑの高い圧電素子１１０では共振周波数近傍にエネルギが集中するため、基本共振周波数の僅かな変化でも音圧レベル周波数特性が著しく変化する。このため、一定形状に加工された樹脂弾性部材１３０にランド１３１とリード線１３２を埋設する本実施の形態の発振装置１００では、製造工数の削減や、特性バラツキの安定化、信頼性向上などが実現できる。

また、圧電セラミックからなる圧電素子１１０は脆性材料ではあるため、機械応力による耐性は低い。圧電素子１１０の振幅運動の際に、応力が集中する特定の箇所では、圧電セラミックの機械強度の限界まで到達し、機械破壊、割れ、欠けなどの信頼性の問題が生じていた。

しかし、本実施の形態の発振装置１００では、特定箇所の応力集中や落下時の衝撃エネルギーを、柔軟性が高く内部損失の大きい樹脂弾性部材１３０で吸収できる。また、ランド１３１接続時の高熱処理プロセスにより、消極（分極状態の破壊）が生じてしまう問題点があった。本実施の形態の発振装置１００のように、樹脂弾性部材１３０を圧電セラミックに接合することで、容易に電気接続が可能となるため、消極などの信頼性も問題点を回避できる。

また、本実施の形態の発振装置１００では、剛性が低い樹脂弾性部材１３０で拘束するため、圧電素子１１０への拘束による剛性増加を緩和できることから、特に、基本共振周波数への調整も容易となり、音響設計の自由度を高めることができ、工業的な価値も大きい。なお、樹脂弾性部材１３０は電気伝導性を有する材料であれば、いかなる材料も使用できるが、縦弾性係数が、１００ＧＰａ以下であることが好ましい。

金属／樹脂弾性部材１２０，１３０は、圧電素子１１０から直接および間接に発生した振動で共振する。また、同時に金属／樹脂弾性部材１２０，１３０には、圧電素子１１０の基本共振周波数を調整する機能を持つ。なお、金属／樹脂弾性部材１２０，１３０は、円環状の支持体１４０で支持されている。金属／樹脂弾性部材１２０，１３０の機械的な発振装置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発振装置１００の機械剛性であるため、このことは圧電素子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、金属／樹脂弾性部材１２０，１３０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、金属／樹脂弾性部材１２０，１３０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。

本実施の形態の発振装置１００では、圧電素子１１０である圧電セラミックの特長を活かして、超音波（例えば、２０ｋＨｚ以下の周波数帯域）を発振することで可聴音の再生を行う。ここで超音波は変調波の輸送体として利用し、可聴帯域外が好ましく、例えば、１００ＫＨｚなどが適している。また、本発明の発振装置１００による音響再生方法は、超音波を変調波の輸送対として利用する音響再生器であるパラメトリックスピーカの動作原理を利用している。

ＡＭ(Amplitude Modulation)変調やＤＳＢ(Double Side Band amplitude modulation)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、音波が空気中は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。なお、圧電素子１１０は電気機械品質係数Ｑ（以下、機械係数Ｑと称す）が高い特徴を持つ。これは、基本共振周波数近傍にエネルギが集中するため、共振周波数近傍で音波は大きいが、それ以外の帯域では著しく減衰する特性を持つ。

すなわち、単一の周波数で音波を発振する圧電素子１１０では、機械係数Ｑが高いほど音波の音圧レベルは高く、電気機械変換効率の観点から優位となるため、本実施の形態の発振装置１００では圧電素子１１０を使用することで効果が増大する。以下に、本発明の発振装置１００の製造方法を述べる。まず、圧電素子１１０は、圧電素子１１０外径＝φ１５ｍｍ、厚み＝１００μｍ（0..０１ｍｍ）の圧電板であり、各々の両面に、それぞれ厚み８μｍの上部電極層１１２および下部電極層１１３を形成されている。

金属弾性部材１２０は、外径＝φ１７ｍｍ、厚み＝1００μｍ（０．３ｍｍ）のリン青銅からなる。また、樹脂弾性部材１３０は、外径＝φ１７ｍｍ、厚み＝２００μｍ（０．３ｍｍ）のポリエチレンポリマ−からなり、溶融成形によって、ランド１３１とリード線１３２とが、あらかじめ埋め込まれている。

支持体１４０は、支持体１４０は、外径＝φ１９ｍｍ、内径＝φ１８ｍｍの中空状のケースであり、ＳＵＳ３０４で形成されている。支持体１４０は、金属／樹脂弾性部材１２０，１３０、と直接接合している。また、圧電素子１１０は、中央に同心状に配置した。また、接合部材(図示せず)にはφ３ｍｍのステンレスとＰＥＴ材料を用いた。圧電素子１１０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には銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を使用した。

この圧電セラミックの製造はグリーンシート法で行い、大気中で１１００℃−２時間にわたって焼成し、その後、圧電材料層に分極処理を施した。圧電素子１１０と弾性部材との接着には、何れもエポキシ系接着剤を用いた。

以上のように、本発明に係る発振装置１００は、小型で大音量の再生ができる。また、超音波を利用して音響再生する場合においては、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。

以上をまとめると、本発明の発振装置１００は、図６に示すように、電子機器（例えば、携帯電話機、ラップトップ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。発振装置１００全体の形状が増加せず、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。

[実施の第二の形態]
本発明の実施の第二の形態を、図３を参照して説明する。本実施の形態の発振装置２００では、樹脂弾性部材２３０の形状が変更されている。本実施の形態の発振装置２００では、第一の実施形態に樹脂弾性部材２３０に対して複数の空孔２３１が形成されている。このように、樹脂弾性部材２３０に空孔２３１を形成することで、樹脂弾性部材２３０の剛性を低減でき、基本共振周波数の調整が容易となる。

以上、本実施の形態の発振装置２００は、図６に示すように、電子機器（例えば、携帯電話機、ラップトップ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。発振装置全体の形状が増加せず、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。

[第三の実施形態]
本発明の第三の実施形態について図４を参照して説明する。本実施の形態の発振装置３００では、圧電素子３１０が積層型に構成されている。圧電素子３１０は、図４に示すように、圧電材料からなる圧電板３１１〜３１５が五層に積層された多層構造である。圧電板同士の間には電極層（導体層）３２１〜３２４が一層ずつ形成されている。各圧電板３１１〜３１５の分極方向は一層ごとに逆向きとなっており、また、電界の向きも交互に逆向きとなるように構成されている。このような積層構造の圧電素子３１０によれば、電極層間に生じる電界強度が高いため、圧電板の積層数に応じた分だけ、圧電素子全体としての駆動力が向上する。

以上、本実施形態に係る電気音響変換器は、図６に示すように、電子機器（例えば、携帯電話機、ラップトップ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。電気音響変換器全体の形状が増加せず、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。

[発明の他の実施例]
本発明の発振装置の特性評価を、以下、評価１〜評価２の評価項目で行った。

（評価１）音圧レベル周波数特性の測定：交流電圧１Ｖ入力時の音圧レベルを、素子から所定距離だけ離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。なお、この所定距離は、特に明記しない限り１０ｃｍであり、周波数の測定範囲は１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚとした。

（評価２）落下衝撃試験：発振装置を搭載した携帯電話を５０ｃｍ直上から、５回自然落下させ、落下衝撃安定性試験を行った。具体的には、落下衝撃試験後の割れ等の破壊を目視で確認し、さらに、試験後の音圧特性を測定した。その結果、音圧レベル差（試験前の音圧レベルと試験後の音圧レベルとの差のことを指す）が３ｄＢ以内を○とし、３ｄＢ以上を×とした。

[実施例１]
本発明の第一の実施の形態で記載した発振装置１００の特性評価を実施した。
[比較例１]
比較例１として、図５の従来の動電型発振装置を作製した。
[実施例２]
実施例２として、実施の第二の形態の発振装置２００を作製した。
[実施例３]
実施例３として、実施の第二の形態の発振装置２００を作製した。

上記の結果より明らかのように、実施例１，２の発振装置１００，２００によれば、小型でかつ高い音圧レベルを有し、音圧レベルの周波数特性は平坦である。

[実施例４]
実施例４として、図６に示すような携帯電話機を用意し、この筐体内に実施の第一の形態の発振装置１００を搭載した。具体的には、携帯電話機の筐体内側面に、発振装置１００を貼り付ける構成とした。
[実施例５]
実施例５として、図６に示すような携帯電話機を用意し、この筐体内に実施の第二の形態の発振装置２００を搭載した。具体的には、携帯電話機の筐体内側面に、発振装置を貼り付ける構成とした。
[実施例６]
実施例６として、図６に示すような携帯電話機を用意し、この筐体内に実施の第三の形態の発振装置３００を搭載した。具体的には、携帯電話機の筐体内側面に、発振装置を貼り付ける構成とした。

上記の結果より明らかのように、実施例４〜６の発振装置１００，２００，３００によれば、小型でかつ高い音圧レベルを有し、音圧レベルの周波数特性は平坦である。

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、上記形態では発振装置１００，２００を携帯電話機の発音装置として利用することを例示した。しかし、発振装置１００と、発振装置１００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、を有する電子機器(図示せず)なども実施可能である。

１００ 発振装置
１１０ 圧電素子
１１１ 圧電材料
１１２ 上部電極層
１１３ 下部電極層
１２０ 金属弾性部材
１３０ 樹脂弾性部材
１３１ ランド
１３２ リード線
１４０ 支持体
２００ 発振装置
２３０ 樹脂弾性部材
２３１ 空孔

Claims (10)

1. 電界の印加により伸縮運動する平板状の圧電素子と、
   前記圧電素子の二つの主面の一方を拘束している平板状の金属弾性部材と、
   前記圧電素子の二つの主面の他方を拘束している平板状の樹脂弾性部材と、
   前記金属弾性部材と前記樹脂弾性部材とを支持している枠状の支持体と、
   を有する発振装置。
2. 前記樹脂弾性部材に前記圧電素子に順次接続されているランドとリード線とが埋含されている請求項１に記載の発振装置。
3. 前記圧電素子の発振周波数が２０ｋＨｚ以上である請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記圧電素子の主面の平面形状が矩形である請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
5. 前記圧電素子の主面の平面形状が円形である請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
6. 前記圧電素子の主面の平面形状が楕円形である請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
7. 前記圧電素子は、セラミック層と電極層とが交互に積層された積層構造からなる請求項１ないし６の何れか一項に記載の発振装置。
8. 前記圧電素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８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。
10. 請求項１ないし８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。

Images