(57)【要約】【課題】振動板と金属コーンを、接着剤を固化させることで得られる接着支柱により接続すると、超音波振動子の機械的特性のばらつきが抑制できず、また、超音波振動子が振動する際に生じる２つの共振周波数を制御することができない。そこで、機械的特性のばらつきを抑制しつつ、２つの共振周波数の制御を可能とすることに寄与する超音波振動子を提供する。【解決手段】超音波振動子は、音波放射部材と、圧電素子を備えて構成される振動板と、振動板と音波放射部材のそれぞれに接着される、ボビン形状の支柱と、を備える。【選択図】図１
2015032843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波放射部材と、
圧電素子を備えて構成される振動板と、
前記振動板と前記音波放射部材のそれぞれに接着される、ボビン形状の支柱と、
を備える超音波振動子。
【請求項２】
前記支柱は、
前記振動板と接着され、前記振動板の接着面の形状に適合した形状を備える第１の接着面と、
前記音波放射部材と接着され、前記音波放射部材の接着面の形状に適合した形状を備える第２の接着面と、
を備える請求項１の超音波振動子。
【請求項３】
前記支柱の前記第１の接着面と前記第２の接着面を連結する支柱部分の径は、前記振動板の駆動により前記音波放射部材を振動させた場合に生じる２つの共振周波数に基づいて定まる請求項２の超音波振動子。
【請求項４】
前記２つの共振周波数の差分又は比率は、前記支柱部分の径に応じて定まる請求項３の超音波振動子。
【請求項５】
前記支柱は、樹脂又は金属を材料として含む請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高い指向性を持つパラメトリックスピーカ（所謂、超音波スピーカ）の研究開発が進んでいる。パラメトリックスピーカを含む音響システムは、目的とする場所（スポット）に向けて音を聞かせることができるので、ノイズの多い状況下での利用に適する。パラメトリックスピーカに使用されるのが超音波振動子である。超音波スピーカでは、複数の超音波振動子をアレイ状に配置する。また、アレイ状に配置された超音波振動子に対し、その共振周波数に一致する周波数を持つキャリア信号を使用して変調された可聴音信号の変調波を入力する。可聴音信号を変調する際の方式には、例えば、ＦＭ（Frequency modulation）、ＡＭ（Amplitude modulation）、ＳＳＢ（Single side band modulation）等が使用できる。
【０００３】
特許文献１において、可聴帯域でのスピーカにおいて、周波数特性の平坦性を向上させるための技術が開示されている。特許文献２において、超音波帯域において使用される超音波マイクロフォンであって、振動板の寸法により共振周波数を調整する技術が開示されている。特許文献３において、可聴帯域で使用する圧電素子を使用したスピーカの薄型化を可能とする構造が開示されている。特許文献４において、複数の圧電素子を使用し、出力音圧レベルを向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−２６３９００号公報
【特許文献２】特開平０４−２１７２００号公報
【特許文献３】実公昭６０−０２４０５６号公報
【特許文献４】実開平０１−０３０９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
なお、上記先行技術文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明者らによってなされたものである。
【０００６】
図７は、超音波振動子２００の断面の一例を示す図である。図７を参照すると、超音波振動子２００は、圧電素子２０１と金属板２０２とを接着剤により貼り合わせてなる振動板２０３を備える。また、超音波帯域での振動に耐え、且つ、振動板２０３と金属コーン２０５の間の隙間（クリアランス）を十分に確保するため、接着支柱２０４により、振動板２０３と金属コーン２０５は接着される。なお、接着支柱２０４は、十分な量の接着剤を個化させることで円柱状に形成され、接着支柱２０４自身にて１つの部材を構成する（図８及び図９参照）。
【０００７】
ここで、図７〜図９に示す超音波振動子２００の量産時において、接着支柱２０４を形成する接着剤の量や接着剤の形状が均一ではないことに起因し、超音波振動子２００の機械的特性（スティフネス、摩擦損失）にばらつきが生じる可能性がある。超音波振動子２００の特性（音量や周波数特性）への影響を考慮すれば、超音波振動子２００の機械的特性のばらつきは最小限であることが望ましい。しかし、個化させた接着剤により接着支柱２０４を形成する場合には、その形状が一定せず、超音波振動子２００の機械的特性のばらつきが増大する。
【０００８】
さらに、個化した接着剤により接着支柱２０４を形成すると、その形状が制限されることで超音波振動子２００の共振周波数の制御が制限される。超音波振動子２００の電気機械等価回路の一例を示す図１０において、αは振動板２０３（圧電素子２０１及び金属板２０２）、βは接着支柱２０４、γは金属コーン２０５の各構成要素を示す。また、振動板２０３等の構成要素の質量をｍ、摩擦損失をｒ、スティフネスをｓと表記する。例えば、ｍαは、振動板２０３の質量を示す。さらに、圧電素子２０１の駆動力を「Ｇα」と表記し、超音波振動子２００の機械的振動変位をＸとして示す。なお、機械的振動変位Ｘは、電気的には電荷の変動量に相当する。
【０００９】
図１０に示す等価回路は、以下の式（１）及び（２）のように、２本の常微分方程式として記載できる。
2015032843.tif 000003
2015032843.tif 000004
なお、式（１）及び（２）の導出の際、接着支柱２０４の質量ｍβは、振動板２０３の質量ｍαと比較して極めて小さいため、接着支柱２０４はスティフネスｓβ及び摩擦損失ｒβにより表現できると仮定している。式（１）及び（２）はそれぞれ、２階の常微分方程式であるから、特性方程式を導出することで、正の周波数領域に２つの固有周波数が存在することが明らかである。このことは、超音波振動子２００の電気コンダクタンスの一例を示す図１１からも理解できる。
【００１０】
また、（１）及び（２）において、超音波振動子２００の加振力及び振動は正弦波であるとして、式（１）及び（２）から共振周波数ω１及びω２を算出すると、以下の式（３）及び（４）のとおりとなる。
2015032843.tif 000005
2015032843.tif 000006
【００１１】
式（３）及び（４）を参照すると、共振周波数ω２は、接着支柱２０４のスティフネスｓβに応じて変化し、スティフネスｓβが小さいほど２つの共振周波数が近接することが分かる。
【００１２】
また、上述のように、超音波帯域での振動に耐え、且つ、振動板２０３と金属コーン２０５の間のクリアランスを十分に確保するために、接着支柱２０４を形成する接着剤は相当量必要である。つまり、接着支柱２０４を形成する接着剤の量は、所定量以下にはできない。使用する接着剤の量が制限されると、２つの共振周波数の差分（ギャップ）や比率を自由に設定できない。２つの共振周波数の差分や比率は、超音波振動子２００が発する音波の特性（音量や周波数特性）を特徴付けるものであるため、２つの共振周波数を柔軟に制御できないと（２つの共振周波数の差分や比率を自由に設定できないと）、超音波振動子２００を設計する際の自由度が阻害される。
【００１３】
以上のことから、本発明は、機械的特性のばらつきを抑制しつつ、２つの共振周波数の制御を可能とすることに寄与する超音波振動子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の視点によれば、音波放射部材と、圧電素子を備えて構成される振動板と、前記振動板と前記音波放射部材のそれぞれに接着される、ボビン形状の支柱と、を備える超音波振動子が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一視点によれば、機械的特性のばらつきを抑制しつつ、２つの共振周波数の制御を可能とすることに寄与する超音波振動子が、提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態の概要を説明するための図である。
【図２】第１の実施形態に係る超音波振動子１０の断面の一例を示す図である。
【図３】超音波振動子１０の立体図の一例である。
【図４】図３に示す超音波振動子１０の分解図の一例である。
【図５】超音波振動子１０の立体図の別の一例である。
【図６】図５に示す超音波振動子１０の分解図の別の一例である。
【図７】超音波振動子２００の断面の一例を示す図である。
【図８】超音波振動子２００の立体図の一例である。
【図９】図８に示す超音波振動子２００の分解図の一例である。
【図１０】超音波振動子２００の電気機械等価回路の一例を示す図である。
【図１１】超音波振動子２００の電気コンダクタンスの実測値の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
初めに、図１を用いて一実施形態の概要について説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、この概要の記載はなんらの限定を意図するものではない。
【００１８】
上述のように、振動板と金属コーンを、接着剤を固化させることで得られる接着支柱により接続すると、超音波振動子の機械的特性のばらつきが抑制できず、また、超音波振動子が振動する際に生じる２つの共振周波数を制御することができない。そのため、機械的特性のばらつきを抑制しつつ、２つの共振周波数の制御を可能とすることに寄与する超音波振動子が望まれる。
【００１９】
そこで、一例として図１に示す超音波振動子１００を提供する。超音波振動子１００は、音波放射部材１０１と、圧電素子を備えて構成される振動板１０２と、振動板１０２と音波放射部材１０１のそれぞれに接着される、ボビン形状の支柱１０３と、を備える。
【００２０】
超音波振動子１００は、接着剤を固化することで得られる接着支柱に代えて、例えば、樹脂や金属を主材料とする支柱１０３を用いて、振動板１０２と音波放射部材１０１を接続する。また、支柱１０３の形状をボビン形状とすることで、振動板１０２や音波放射部材１０１との接着面の面積を十分確保し、必要な接着強度を与える。さらに、支柱１０３における支柱部分の径を変更することで、支柱１０３のスティフネスが変化し、２つの共振周波数の差分や比率を制御できる。
【００２１】
以下に具体的な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
【００２２】
［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。
【００２３】
図２は、第１の実施形態に係る超音波振動子１０の断面の一例を示す図である。図２を参照すると、超音波振動子１０は、圧電素子１１と金属板１２を接着剤により貼り合わせることで得られる振動板１３を備える。なお、圧電素子１１と金属板１２を接着する接着剤の厚みは極めて薄く、使用される量も微量であるため、図示を省略する。
【００２４】
振動板１３は、弾性材１６を介して、フレーム１７に固定される。超音波振動子１０への電気信号の入力は、端子１８により行われる。音波は、主として金属コーン１５から放射される。即ち、金属コーン１５は上述の音波放射部材１０１に相当する。
【００２５】
圧電素子１１は、圧電の電歪効果を利用して振動振幅を発生させる素子である。圧電素子１１は、２つの電極（図示せず）の間に圧電セラミックス（図示せず）が挟み込まれた構造を備える。圧電セラミックスとしては、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などを使用することができる。勿論、各種の多くの圧電セラミックス等の圧電素子を必要に応じ選択して用いることができる。
【００２６】
金属板１２や金属コーン１５に用いる金属材料としては、例えば、リン青銅、ステンレス、マグネシウム、アルミニウム、チタン又はベリリウム、或いはこれらの合金などが例示される。
【００２７】
弾性材１６には、例えば、ウレタンゴム、二トリル系ゴム等の弾性を有する材料を用いることができる。また、フレーム１７には、例えば、樹脂材料や、真鍮、ステンレス等を用いることができる。
【００２８】
第１の実施形態に係る超音波振動子１０と超音波振動子２００の相違点の１つは、接着支柱２０４に代えて、支柱１４により振動板１３と金属コーン１５を接続する点である。
【００２９】
支柱１４は、樹脂又は金属を主材料とし、接着支柱２０４のように接着剤を個化させることで得られる部材ではない。つまり、接着支柱２０４のように、超音波振動子の製造工程において、接着剤を個化させて得るものではないため、支柱１４の機械的特性のばらつきは抑制される。また、支柱１４は、円盤形状の接着面と、接着面を連結する支柱部分とからなるボビン型の形状を有している。
【００３０】
図３は、超音波振動子１０の立体図の一例である。図４は、図３に示す超音波振動子１０の分解図の一例である。なお、図３及び図４では、振動板１３（圧電素子１１、金属板１２）、支柱１４及び金属コーン１５に限り図示している。
【００３１】
支柱１４の接着面は、振動板１３及び金属コーン１５との接着強度が十分となるように、接着対象の形状に適合した形状、大きさとなっている。具体的には、支柱１４の振動板１３との接着面は、平坦な円盤形状とすることで、平坦な振動板１３との接着強度を確保している。一方、支柱１４の金属コーン１５との接着面は、金属コーン１５の形状に倣って中央部に窪みを持たせている。支柱１４の金属コーン１５との接着面を、金属コーン１５の形状に適合させることで、接着強度を確保している。
【００３２】
このように、支柱１４の接着面の形状を、接着する対象物に適合させているため、塗布する接着剤が少量であっても十分な接着強度が確保できる。即ち、支柱１４における振動板１３及び金属コーン１５との接着面の形状を工夫することで、充分な接着強度を確保する。
【００３３】
また、支柱１４をボビン形状とすることで、振動板１３と金属コーン１５の接着面を連結する支柱部分の径を自由に調整できる（例えば、図２においては、支柱部分の径を接着面の直径よりも細くしている）。上述のように、支柱１４における支柱部分の径を変更すれば、そのスティフネスも変化し、２つの共振周波数の差分（周波数ギャップ）を自由に調整できる。
【００３４】
理解の容易のため、金属コーン１５と振動板１３の等価定数が実質的に一致し、かつ、全ての減衰を排除した場合を仮定すれば、２つの共振周波数ω１、ω２（ω１＜ω２）の比率は、以下の式（５）により導出できる。
2015032843.tif 000007
従って、支柱１４における支柱部分の径を調整することによりスティフネスｓβもまた調整可能であり、結果的に２つの共振周波数の差分や比率が制御できる。つまり、２つの共振周波数の差分又は比率は、支柱１４の支柱部分の径に応じて定まる。あるいは、支柱１４における支柱部分の径は、超音波振動子１０の振動板１３の駆動により金属コーン１５を振動させた際に生じる２つの共振周波数をどのように制御するかに応じて定まるといえる。
【００３５】
第１の実施形態では、音波放射部材として、円錐形状の金属コーン１５を用いて説明したが、音波放射部材の形状を限定する趣旨ではない。音波放射部材の形状は、図５及び図６に示すように、円盤形状であってもよい。そのような場合には、支柱１４における音波放射部材との接着面は円盤形状でよい。
【００３６】
以上のように、第１の実施形態に係る超音波振動子１０では、接着剤を固化することで得られる接着支柱に代えて、例えば、樹脂や金属を主材料とする支柱１４を用いて、振動板１３と金属コーン１５を接続する。また、支柱１４の形状をボビン形状とすることで、振動板１３や金属コーン１５との接着面の面積を十分確保し、必要な接着強度を与える。さらに、支柱１４における支柱部分の径を変更することで、支柱１４のスティフネスｓβが変化し、２つの共振周波数の差分や比率を制御できる。
【００３７】
あるいは、超音波振動子２００の接着支柱２０４を形成する場合の接着条件が整っていない場合には、超音波振動子２００が破損する可能性があるが、超音波振動子１０では必要な接着剤の量が少ないため、破損の可能性が大きく減少する。
【００３８】
なお、特許文献１〜４に開示された技術を適用したとしても、超音波帯域において、２つ発現する共振周波数の差分や比率の制御を、振動板と金属コーンを連結する支柱により実現することはできない。いずれの文献においても、超音波領域での共振の制御を目的とした支柱の具体的形状を開示していなためである。一方、第１の実施形態に係る超音波振動子１０では、２つ発現する共振周波数の差分又は比率の制御を、製造ばらつきを抑制しつつ、支柱１４の物理条件により実現している。さらに、超音波振動子１０では、量産を考慮した場合、接着が安価であるとの見解に基づき、支柱１４をボビン形状とすることで、必要な接着強度を確保しつつ、振動板１３と金属コーン１５の接続を実現している。そのため、特殊な形状の金属コーンや振動板は不要であり、量産コストを抑制できる。
【００３９】
第１の実施形態に係る超音波振動子１０は、携帯電話、スマートフォン、ポータブルオーディオプレイヤー、テレビ装置、タブレット端末、ゲーム機等の電子機器に搭載するスピーカ（超音波スピーカ）への使用が好適である。
【００４０】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
【００４１】
［付記１］
上述の第１の視点に係る超音波振動子のとおりである。
［付記２］
前記支柱は、
前記振動板と接着され、前記振動板の接着面の形状に適合した形状を備える第１の接着面と、
前記音波放射部材と接着され、前記音波放射部材の接着面の形状に適合した形状を備える第２の接着面と、
を備える付記１の超音波振動子。
［付記３］
前記支柱の前記第１の接着面と前記第２の接着面を連結する支柱部分の径は、前記振動板の駆動により前記音波放射部材を振動させた場合に生じる２つの共振周波数に基づいて定まる付記２の超音波振動子。
［付記４］
前記２つの共振周波数の差分又は比率は、前記支柱部分の径に応じて定まる付記３の超音波振動子。
［付記５］
前記支柱は、樹脂又は金属を材料として含む付記１乃至４のいずれか一に記載の超音波振動子。
【００４２】
なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１０、１００、２００  超音波振動子
１１、２０１  圧電素子
１２、２０２  金属板
１３、１０２、２０３  振動板
１４、１０３  支柱
１５、２０５  金属コーン
１６、２０６  弾性材
１７、２０７  フレーム
１８、２０８  端子
１０１  音波放射部材
２０４  接着支柱
【図１】
2015032843.tif 000008
【図２】
2015032843.tif 000009
【図３】
2015032843.tif 000010
【図４】
2015032843.tif 000011
【図５】
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【図６】
2015032843.tif 000013
【図７】
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【図８】
2015032843.tif 000015
【図９】
2015032843.tif 000016
【図１０】
2015032843.tif 000017
【図１１】
2015032843.tif 000018