JP2012217030A - 電子機器、電子機器の出力制御方法、および発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子を有する発振装置を用いた電子機器において、音圧レベルの周波数特性を平坦化する。
【解決手段】電子機器１００は、圧電振動子１０と、一面において圧電振動子１０を拘束する振動部材２０と、振動部材２０を保持する支持部材３０と、減衰材料４０を介して支持部材３０を保持する筐体３２と、を備え、圧電振動子１０と振動部材２０によって構成される振動系の共振周波数をｆ_ｎとしたとき、減衰材料４０の内部損失が最大となる周波数は、ｆ_ｎ×０．７５（Ｈｚ）以上ｆ_ｎ×１．２５（Ｈｚ）以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子を有する電子機器、電子機器の出力制御方法、および発振装置に関する。

音波を発振する発振装置に関する技術としては、様々な検討がなされている。例えば特許文献１に記載の技術は、超音波センサに関する技術であり、振動減衰部材を備えた超音波センサにより超音波の検出感度を向上させると記載されている。また、例えば特許文献２〜５に記載の技術は、電気音響変換器に関する技術である。

特許文献２に記載の技術は、ボイスコイル等を用いた動電型電気音響変換器に関するものである。また、特許文献３〜８に記載の技術は、圧電振動子を用いた圧電型電気音響変換器に関するものである。特許文献９に記載の技術は、超指向性スピーカにおける搬送波信号の周波数を、復調距離に応じて制御するというものである。さらに、特許文献１０に記載の技術は、支柱の上端において支承される天秤部材に、一つまたは複数のスピーカを固定するというものである。

特開２００９−２００８６号公報 特開２００３−１６３９８１号公報 国際公開第２００７／０８３４９７号パンフレット 特開２００６−３０３６７５号公報 特開平９−２７１０９６号公報 特開２００４−９６６２９号公報 特開２００１−１６０９９９号公報 実開昭６３−１６５９９９号公報 特開２００６−８１１１７号公報 特開２００６−２６１９０９号公報

圧電振動子を有する発振装置では、圧電振動子の機械品質係数の高さから、共振周波数近傍に振動エネルギーが集中する。このため、特定の周波数において振動変位量が大きくなり、音圧レベルの周波数特性において山谷が生じてしまう。
従って、圧電振動子を有する発振装置を用いた電子機器において、平坦な音圧レベルの周波数特性を実現することは難しい。

本発明の目的は、圧電振動子を有する発振装置を用いた電子機器において、音圧レベルの周波数特性を平坦化することにある。

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、
前記振動部材を保持する支持部材と、
減衰材料を介して前記支持部材を保持する筐体と、
を備え、
前記圧電振動子と前記振動部材によって構成される振動系の共振周波数をｆ_ｎとしたとき、前記減衰材料の内部損失が最大となる周波数は、ｆ_ｎ×０．７５（Ｈｚ）以上ｆ_ｎ×１．２５（Ｈｚ）以下である電子機器が提供される。

本発明によれば、上述した電子機器の出力制御方法であって、前記電子機器が出力する音波の周波数を制御することによって、前記音波の指向性を制御する電子機器の出力制御方法が提供される。

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、前記振動部材の前記一面または前記一面とは反対の他面のいずれか一方の縁を保持する弾性部材と、前記弾性部材を保持する支持部材と、を備える発振装置が提供される。

本発明によれば、上述した発振装置を搭載する、電子機器が提供される。

本発明によれば、圧電振動子を有する発振装置を用いた電子機器において、音圧レベルの周波数特性を平坦化することができる。

第１の実施形態に係る電子機器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。 図１に示す減衰材料における、誘電正接の周波数特性を示すグラフである。 第１の実施形態および比較例に係る電子機器の、音圧レベルの周波数特性を示すグラフである。 図１に示す電子機器の出力制御方法を示す模式図である。 第２の実施形態に係る電子機器を示す断面図である。 図６に示す電子機器の変形例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の実施形態に係る電子機器１００を示す断面図である。電子機器１００は、圧電振動子１０と、振動部材２０と、支持部材３０と、筐体３２と、を備えている。

振動部材２０は、一面において圧電振動子１０を拘束している。支持部材３０は、振動部材２０を保持している。筐体３２は、減衰材料４０を介して支持部材３０を保持している。圧電振動子１０と振動部材２０によって構成される振動系の共振周波数をｆｎとしたとき、減衰材料４０の内部損失が最大となる周波数は、ｆ_ｎ×０．７５（Ｈｚ）以上ｆ_ｎ×１．２５（Ｈｚ）以下である。以下、電子機器１００の構成について詳細に説明する。

電子機器１００は、発振装置２００と筐体３２により構成されている。発振装置２００は、圧電振動子１０と、振動部材２０と、支持部材３０により構成されている。電子機器１００は、例えば携帯電話機等の携帯端末装置である。

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。

減衰材料４０は、例えばウレタン材、またはポリエステル不織布等により構成される。発振装置２００の駆動時において、減衰材料４０の内部損失が最大となる周波数は、ｆ_ｎ×０．７５（Ｈｚ）以上ｆ_ｎ×１．２５（Ｈｚ）以下であり、好ましくはｆ_ｎ×０．９５（Ｈｚ）以上ｆ_ｎ×１．０５（Ｈｚ）以下である。発振装置２００の駆動時、すなわち発振装置２００の振動系が振動しているとき、減衰材料４０の温度は、例えば４０（℃）以下である。

図１に示すように、筐体３２は、例えば内部損失が最大となる周波数が発振装置２００の駆動時において互いに異なる複数の減衰材料４２、４４、４６を介して、支持部材３０を保持している。減衰材料４２、減衰材料４４および減衰材料４６における内部損失が最大となる周波数は、例えば発振装置２００の振動系が有する複数の共振周波数のそれぞれに対応している。
なお、内部損失が最大となる周波数が互いに異なる複数の減衰材料の数は、共振周波数の数等によって適宜決定することができる。

図１に示すように、減衰材料４２、減衰材料４４および減衰材料４６は、例えば筐体３２上に積層されている。
また、筐体３２は、例えば振動部材２０の一面から出力される音波を出力するための音孔５０を有している。音孔５０は、図１に示すように、例えば支持部材３０に設けられた互いに分離した複数の開口からなる。

図１に示すように、電子機器１００は、樹脂材料２２を備えている。支持部材３０は、樹脂材料２２を介して振動部材２０を保持している。このとき、発振装置２００の振動系は、圧電振動子１０、振動部材２０、および樹脂材料２２によって構成されることとなる。
樹脂材料２２は、例えば振動部材２０の縁に設けられている。樹脂材料２２は、振動部材２０の全周において一体として設けられていてもよく、また互いに分離した複数により構成されていてもよい。樹脂材料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。

図１に示すように、電子機器１００は、例えば圧電振動子１０を振動部材２０の両面に備えている。この場合、発振装置２００は、バイモルフ構造を有することとなる。従って、発振装置の振動振幅を増大させることができる。

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、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。

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（ＢａＴｉＯ_３）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。

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。

電子機器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２００の出力を制御することができる。

発振装置２００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２００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２００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２００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。

パラメトリックスピーカの動作原理は次のようである。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。

図５は、図１に示す電子機器１００の出力制御方法を示す模式図である。本実施形態に係る発振装置２００をパラメトリックスピーカとして使用する場合には、図５に示すように、ユーザが任意に音波の指向角を制御することができる。すなわち、音声信号を搬送する超音波の周波数を変更することで、超音波の指向性を変化させることができる。
例えば、超音波の周波数を高くすることにより、超音波の指向角は狭くなる。図５においては、領域６０、領域６２、領域６４の順に、超音波の指向角は狭い。このとき、領域６０、領域６２、領域６４の順に、発振装置２００が出力する超音波の周波数は高くなる。

次に、本実施形態の作用および効果を説明する。本実施形態に係る電子機器１００において、筐体３２は、減衰材料４０を介して支持部材３０を保持している。また、支持部材３０は、発振装置２００の振動系を保持している。さらに、圧電振動子１０と振動部材２０によって構成される振動系の共振周波数をｆ_ｎとしたとき、減衰材料４０の内部損失が最大となる周波数は、ｆ_ｎ×０．７５（Ｈｚ）以上ｆ_ｎ×１．２５（Ｈｚ）以下である。

圧電振動子を用いた発振装置では、圧電振動子の機械品質係数の高さから、音圧レベルの周波数特性において山谷が生じてしまう。また、振動エネルギーが集中する共振周波数近傍では、発振装置の振動系からの振動が、振動系を保持している筐体に伝達してしまう場合がある。この場合、共振周波数近傍では、振動系および筐体から音響放射が生じ、音圧レベルが増大する。従って、音圧レベルの周波数特性に表れる山谷は、さらに大きくなる。

本実施形態によれば、振動系の共振周波数と、減衰材料４０の内部損失が最大となる周波数とを整合させている。これにより、振動系の共振周波数近傍において、振動エネルギーが振動系から筐体３２へ伝達することが抑制される。これと比較して、振動系の共振周波数近傍以外の周波数領域では、振動エネルギーが振動系から筐体３２へ伝達することは抑制されない。従って、圧電振動子を有する発振装置を用いた電子機器において、平坦な音圧レベルの周波数特性を実現することができる。

圧電振動子を有する発振装置では、例えば圧電振動子の形状に起因した複数の振動モードを有する。これらの振動モードは、その形状等によっては振動系と接続した筐体の振動を誘発させる場合がある。
本実施形態において、筐体３２は、互いに内部損失が最大となる周波数が異なる減衰材料４２、減衰材料４４および減衰材料４６を介して支持部材３０を保持している。そして、支持部材３０は、振動系を保持している。
このため、各振動モードが発生する複数の共振周波数と、減衰材料の内部損失が最大となる周波数とを整合させることができる。これにより、各振動モードが発生する複数の共振周波数近傍において、振動エネルギーが振動系から支持部材へ伝達することが抑制される。従って、圧電振動子を有する発振装置を用いた電子機器において、平坦な音圧レベルの周波数特性を実現することができる。

図３は、第１の実施形態に係る減衰材料４０の、誘電正接の周波数特性の一例を示すグラフである。図３に示す複数の減衰材料（材料Ａ、材料Ｂ、および材料Ｃ）は、内部損失が最大となる周波数が互いに異なっている。なお、図３は、２５（℃）における各減衰材料の周波数特性を示している。

図４は、第１の実施形態および比較例に係る電子機器の、音圧レベルの周波数特性を示すグラフである。
比較例に係る電子機器は、減衰材料４０を有さない点を除いて、本実施形態に係る電子機器１００と同様の構成を有している（図示せず）。
図４に示される本実施形態に係る電子機器１００は、図３に示される減衰材料４０を用いている。このとき、図３に示される減衰材料４０の内部損失が最大となる周波数は、図４に示される電子機器１００の発振装置２００が有する振動系の共振周波数をｆ_ｎとしたときに、ｆ_ｎ×０．７５（Ｈｚ）以上ｆ_ｎ×１．２５（Ｈｚ）以下である。

図４に示すように、比較例に係る電子機器は、１０００Ｈｚ近傍、４０００Ｈｚ近傍、および１００００Ｈｚ近傍において、音圧レベルのピークを有している。一方で、本実施形態に係る電子機器１００では、１０００〜１００００Ｈｚにおいて、平坦な音圧レベルを示す。このように、本実施形態によれば、平坦な音圧レベルの周波数特性を実現できることがわかる。

また、本実施形態によれば、平坦な音圧レベルの周波数特性を有する発振装置２００を実現することができる。このため、例えば図５に示すように、異なる指向角を有するように超音波の周波数を変化させた場合においても、任意の周波数において高い音圧レベルを得ることが可能となる。
従って、指向性の制御が容易な発振装置を有する電子機器を実現することができる。

図６は、第２の実施形態に係る電子機器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。本実施形態に係る電子機器１０２は、以下に記載する構成を除いて、第１の実施形態に係る電子機器１００と同様の構成を有する。すなわち、電子機器１０２は、発振装置２００を搭載する。

図６に示すように、減衰材料４０は、振動部材２０の一面とは反対の他面の縁に設けられ、当該縁を保持している。そして、支持部材３０は、減衰材料４０を保持している。本実施形態において、減衰材料４０は、弾性材料として機能する。
本実施形態において、発振装置２００は、圧電振動子１０と、振動部材２０と、減衰材料４０と、支持部材３０によって構成される。
なお、減衰材料４０は、振動部材２０の一面に設けられていてもよい（図示せず）。

支持部材３０は、筐体３２によって直接的に固定されている。減衰材料４０は、図６に示すように、例えば支持部材３０から突出した突出部上に固定される。このとき、振動部材２０は、支持部材３０に固定された減衰材料４０上に固定される。

図７は、図６に示す電子機器１０２の変形例を示す断面図である。図７に示すように、振動部材２０の他面には樹脂材料２２が設けられていてもよい。この場合、減衰材料４０は、樹脂部材２２を介して振動部材２０を保持することとなる。
樹脂部材２２は、例えば振動部材２０の他面の全面に設けられている。また、樹脂部材２２は、振動部材２０の縁にのみ設けられていても良い（図示せず）。

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、振動部材２０の他面を保持する減衰材料４０は、弾性材料として機能する。すなわち、振動部材２０の端部は自由端となる。このため、振動部材２０は、ピストン型の振動姿態を有することとなる。これにより、振動部材２０が振動する際の、振動部材２０の体積排除量は増大する。従って、発振装置の音圧レベルを向上することができる。この効果は、電子機器が有する減衰材料の周波数特性に依存せずに得ることができる。

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。

１０ 圧電振動子
２０ 振動部材
２２ 樹脂部材
３０ 支持部材
３２ 筐体
４０ 減衰材料
４２ 減衰材料
４４ 減衰材料
４６ 減衰材料
５０ 音孔
６０ 領域
６２ 領域
６４ 領域
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 電子機器
１０２ 電子機器
２００ 発振装置

Claims (9)

1. 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、
   前記振動部材を保持する支持部材と、
   減衰材料を介して前記支持部材を保持する筐体と、
   を備え、
   前記圧電振動子と前記振動部材によって構成される振動系の共振周波数をｆ_ｎとしたとき、前記減衰材料の内部損失が最大となる周波数は、ｆ_ｎ×０．７５（Ｈｚ）以上ｆ_ｎ×１．２５（Ｈｚ）以下である電子機器。
2. 請求項１に記載の電子機器において、
   前記筐体は、互いに内部損失が最大となる周波数が異なる複数の前記減衰材料を介して前記支持部材を保持している電子機器。
3. 請求項２に記載の電子機器において、
   前記複数の減衰材料は、前記筐体上に積層されている電子機器。
4. 請求項１ないし３いずれか１項に記載の電子機器において、
   前記支持部材は、樹脂材料を介して前記振動部材を保持しており、
   前記振動系は、前記樹脂材料を含む電子機器。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の電子機器の出力制御方法であって、
   前記電子機器が出力する音波の周波数を制御することによって、前記音波の指向性を制御する電子機器の出力制御方法。
6. 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、
   前記振動部材の前記一面または前記一面とは反対の他面のいずれか一方の縁を保持する弾性部材と、
   前記弾性部材を保持する支持部材と、
   を備える発振装置。
7. 請求項６に記載の発振装置において、
   前記弾性部材は、樹脂材料を介して前記振動部材を保持している発振装置。
8. 請求項６に記載の発振装置において、
   前記圧電振動子と前記振動部材によって構成される振動系の共振周波数をｆ_ｎとしたとき、前記弾性部材の内部損失が最大となる周波数は、ｆ_ｎ×０．７５（Ｈｚ）以上ｆ_ｎ×１．２５（Ｈｚ）以下である発振装置。
9. 請求項６ないし８いずれか１項に記載の発振装置を搭載する、電子機器。

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