(57)【要約】【課題】パラメトリックスピーカにおいて新たな復調方式を実現する。【解決手段】発振装置は、シート状の振動部材１０と、振動部材１０の一方の面に取り付けられた振動子２０と、振動部材１０の縁を指示する支持部材４０と、振動部材１０に対向し、少なくとも１つの貫通孔３２が形成された復調膜３０と、を備えている。発振装置は、振動子２０に発振信号を入力することによって振動子２０を振動させて、振動子２０及び振動部材１０より音波を発振させる入力部を備えている。復調膜３０の膜厚が、音波の波長の１／４以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の振動部材と、
前記振動部材の一方の面に取り付けられた振動子と、
前記振動部材の縁を支持する支持部材と、
前記振動部材に対向し、少なくとも１つの貫通孔が形成された復調膜と、
前記振動子に発振信号を入力することによって前記振動子を振動させて、前記振動子及び前記振動部材より音波を発振させる入力部と、
を備え、
前記復調膜の膜厚が、前記音波の波長の１／４以下であることを特徴とする発振装置。
【請求項２】
前記入力部は、前記振動子を２０ｋＨｚ以上の周波数で振動させることにより、前記振動子及び前記振動部材より周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振させることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
【請求項３】
前記貫通孔の半径が前記音波の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発振装置。
【請求項４】
前記復調膜は樹脂膜であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項５】
前記復調膜は、前記支持部材に縁が固定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項６】
前記振動子は圧電振動子であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項７】
前記振動子はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）であり、その駆動方式は圧電方式であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項８】
前記振動子はＭＥＭＳであり、その駆動方式は静電方式であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項９】
前記振動子はＭＥＭＳであり、その駆動方式は電磁方式であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項１０】
前記振動子はＭＥＭＳであり、その駆動方式は熱伝導方式であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やラップトップ型コンピュータの携帯端末などの需要が拡大している。特にテレビ電話や動画再生、ハンズフリー電話機能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。これらの開発の中で、小型でかつ出力が大きい電気音響変換器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いる。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を有する。しかしながら動電型電気音響変換器は、その動作原理及び構造から、薄型化には限界がある。そこで、例えば特許文献１、２に記載されているように、圧電振動子を有するパラメトリックスピーカが新たな電気音響変換器として期待されている。
【０００３】
なお、特許文献３には、貫通孔を有する第１及び第２の電極と、第１及び第２の電極により挟まれるとともに導電層を有し、導電層に電圧が印加される振動膜と、を有する静電型超音波トランスデューサーが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−００５４５４号公報
【特許文献２】特開２００５−１０１７４９号公報
【特許文献３】特開２００７−１９５１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
パラメトリックスピーカは、変調された音声信号を発振後に復調することにより、可聴域の音を再生するものである。ここで、新たな復調方式を創出すれば、パラメトリックスピーカの特性をさらに向上させる糸口となる可能性がある。
【０００６】
本発明の目的は、パラメトリックスピーカにおいて新たな復調方式を実現することができる発振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、シート状の振動部材と、
前記振動部材の一方の面に取り付けられた振動子と、
前記振動部材の縁を支持する支持部材と、
前記振動部材に対向し、少なくとも１つの貫通孔が形成された復調膜と、
前記振動子に発振信号を入力することによって前記振動子を振動させて、前記振動子及び前記振動部材より音波を発振させる入力部と、
を備え、
前記復調膜の膜厚が、前記音波の波長の１／４以下であることを特徴とする発振装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、パラメトリックスピーカにおいて新たな復調方式を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る発振装置の断面図である。
【図２】図１の発振装置の復調膜の平面図である。
【図３】振動子の層構造を示す断面図である。
【図４】復調のメカニズムの一例を説明するための模式図である。
【図５】第２の実施形態に係る発振装置の振動子の構成を示す分解斜視図である。
【図６】第３の実施形態に係る発振装置の断面図である。
【図７】第４の実施形態に係る発振装置の断面図である。
【図８】第５の実施形態に係る発振装置の断面図である。
【図９】第６の実施形態に係る発振装置の振動子として用いられるＭＥＭＳアクチュエータの構成を示す分解斜視図である。
【図１０】発振装置を有する携帯通信端末の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。
【００１１】
〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す断面図である。図２は図１の発振装置の復調膜３０の平面図である。この発振装置は、シート状の振動部材１０、振動子２０、復調膜３０、支持部材４０、信号生成部５４及び制御部５０を備えている。振動子２０は例えば圧電振動子であり、振動部材１０の一方の面に取り付けられている。支持部材４０は、振動部材１０の縁を支持している。復調膜３０は、振動部材１０に対向している。復調膜３０には、少なくとも１つの貫通孔３２が形成されている。信号生成部５４及び制御部５０は、振動子２０に発振信号を入力することによって振動子２０を振動させて、振動子２０及び振動部材１０より音波を発振させる発振回路（入力部）を構成している。そして、復調膜３０の膜厚は、発振する音波の波長の１／４以下である。この発振装置は、例えばパラメトリックスピーカの発振源として使用される。このパラメトリックスピーカは、例えば電子機器（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）の音源として使用される。以下、詳細に説明する。
【００１２】
振動部材１０は、振動子２０から発生した振動によって振動し、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。なお、振動子２０も、自身が振動することによって、例えば周波数が２０ｋＨｚ以上の音波を発振する。また振動部材１０は、振動子２０の基本共振周波数を調整する。機械振動子の基本共振周波数は、負荷重量と、コンプラインスに依存する。コンプラインスは振動子の機械剛性であるため、振動部材１０の剛性を制御することで、振動子２０の基本共振周波数を制御できる。なお、振動部材１０の厚みは５μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、振動部材１０は、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。振動部材１０の剛性が低すぎる場合や、高すぎる場合は、機械振動子として特性や信頼性を損なう可能性が出てくる。なお、振動部材１０を構成する材料は、金属や樹脂など、脆性材料である振動子２０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が好ましい。
【００１３】
本実施形態において振動子２０の平面形状は円形である。ただし振動子２０の平面形状は円形に限定されない。振動子２０は、振動部材１０に対向する面の全面が接着剤によって振動部材１０に固定されている。これにより、振動子２０の片面の全面が振動部材１０によって拘束される。
【００１４】
信号生成部５４は、振動子２０に入力する電気信号、例えばパラメトリックスピーカにおける変調信号を生成する。変調信号の輸送波は、例えば、周波数が２０ｋＨｚ以上の超音波であり、具体的には、例えば１００ｋＨｚの超音波である。制御部５０は、外部から入力された情報に応じて、信号生成部５４を制御する。発振装置をスピーカとして使用する場合、制御部５０に入力される情報は音声信号である。
【００１５】
復調膜３０の膜厚は、上記のように、振動子２０及び振動部材１０により発振される音波の波長の１／４以下である。
ここで、信号生成部５４は、所定範囲内の周波数の音波が振動子２０及び振動部材１０から発振されるように、所定の変調信号を振動子２０に入力することが好ましい。振動子２０及び振動部材１０により発振される音波が経時的に変動したとしても、復調膜３０の膜厚が、振動子２０及び振動部材１０により発振される音波の波長の１／４以下であるという条件を満たせばよい。
【００１６】
復調膜３０は、例えば樹脂により構成されている。復調膜３０の厚みは、電気音響変換器の形状を損なわせいため、０．５ｍｍ以下が好ましい。復調膜３０を構成する樹脂材料は特に限定されないが、汎用性や加工性を考慮すると、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ウレタン、又はポリエチレンなどが好ましい。
【００１７】
本実施形態において、復調膜３０は、複数の貫通孔３２を全面に亘って分散した配置で有している。また復調膜３０は、縁が支持部材４０に固定されている。復調膜３０は、例えば、振動子２０を介して振動部材１０とは反対側に位置している。ただし復調膜３０は、振動部材１０を介して振動子２０とは反対側に位置していてもよい。
【００１８】
図３は、振動子２０の厚さ方向の層構造を示す断面図である。振動子２０は、圧電体２２、上面電極２４、及び下面電極２６を有している。
【００１９】
圧電体２２は厚さ方向に分極している。圧電体２２を構成する材料は、圧電効果を有する材料であれば、無機材料及び有機材料のいずれであってもよい。ただし、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塩（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）であるのが好ましい。圧電体２２の厚さｈ１は、例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下である。厚さｈ１が１０μｍ未満の場合、発振装置の製造時に振動子２０が破損する可能性が生じる。また厚さｈ１が１ｍｍ超の場合、電気機械変換効率が低くなりすぎてしまい、十分な大きさの振動を得られない可能性がある。その理由は、振動子２０の厚さが厚くなると、圧電振動子内における電界強度は反比例して小さくなるためである。
【００２０】
上面電極２４及び下面電極２６を構成する材料は特に限定されないが、例えば、銀や銀／パラジウムを使用することができる。銀は低抵抗で汎用的な電極材料として使用されているため、製造プロセスやコストなどに利点がある。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、上面電極２４及び下面電極２６の厚さｈ２は特に限定されないが、その厚さｈ２が１μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。厚さｈ２が１μｍ未満では、上面電極２４及び下面電極２６を均一に成形することが難しくなり、その結果、電気機械変換効率が低下する可能性がある。また、上面電極２４及び下面電極２６の膜厚が１００μｍを超える場合は、上面電極２４及び下面電極２６が圧電体２２に対して拘束面となり、エネルギー変換効率を低下させてしまう可能性が生じる。
【００２１】
次に、発振装置の製造方法を説明する。まず、振動子２０を所定の平面形状に加工する。また振動部材１０を所定の形状に加工する。この段階で、振動子２０の圧電体２２には既に分極処理がなされている。次いで、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて、振動子２０を振動部材１０に固定する。なお振動部材１０を支持部材４０に固定するタイミングは、振動子２０を振動部材１０に固定した後であってもよいし、固定する前であってもよい。支持部材４０は、例えばステンレスなどの金属により形成される。そして振動部材１０に振動子２０を固定し、且つ、振動部材１０を支持部材４０に固定した後、復調膜３０を支持部材４０に取り付ける。
【００２２】
ここで、振動子２０は、外径＝φ１８ｍｍ、内径＝φ１２ｍｍ、厚み＝１００μｍとすることができる。また上面電極２４及び下面電極２６としては、例えば厚み８μｍの銀／パラジウム合金（重量比は例えば７：３）を用いることができる。また振動部材１０は、外径＝φ２０ｍｍ、厚み＝５０μｍ（０．３ｍｍ）のリン青銅を用いることができる。支持部材４０は発振装置のケースとして機能するものであり、例えば、外径＝φ２２ｍｍ、内径＝φ２０ｍｍの筒状（例えば円筒状）に形成されている。
【００２３】
次に、本実施形態に係る発振装置をパラメトリックスピーカとして用いる場合について説明する。
【００２４】
まず、一般的なパラメトリックスピーカの原理を説明する。パラメトリックスピーカは、複数の発振源それぞれからＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音波（輸送波）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、可聴音を出現させるものである。ここでの非線形とは、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示す。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。特に超音波周波数帯では音波の非線形性が容易に観察できる。そして超音波を空気中に放射した場合、音波の非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中において分子密度に濃淡が生じる疎密状態である。そして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、衝撃波が生じる。この衝撃波により可聴音が発生する。
【００２５】
次に、本実施形態の発振装置をパラメトリックスピーカとして用いた場合の原理を説明する。本実施形態において振動子２０に変調信号が入力されると、振動子２０及び振動部材１０から、変調信号に従った超音波が放射される。
【００２６】
図４はこの放射される超音波の復調のメカニズムの一例を示す模式図であり、図１の断面図と対応している。図４に示すように、放射された超音波の一部１は、例えば振動子２０から貫通孔３２へ向けて直進する。また、放射された超音波の他の一部２は、例えば、振動子２０から復調膜３０の裏面（振動子２０と対向する面）へ向けて直進した後、この裏面に沿って貫通孔３２側へ進む。こうして、超音波の一部１と一部２とは、貫通孔３２の近傍の干渉領域３にて互いに干渉する。ここで、超音波の一部１は干渉領域３へ向けて直進するのに対し、一部２は屈曲した経路で干渉領域３へ到達する。つまり、超音波の他の一部２は一部１よりも長い距離を経由して干渉領域３へ到達する。このため、干渉領域３へ到達するまでに、超音波の一部１と一部２とで位相差が生じている。そして互いに位相がずれた超音波の一部１と一部２とが重なり合うことにより、可聴音が生成（復調）される。
【００２７】
ここで、復調膜３０の膜厚が発振される音波の波長の１／４を超える場合の動作を説明する。復調膜３０は、空気とは音波の伝播速度が異なると考えられる。このため、貫通孔３２を通過する超音波と、復調膜３０の中を進んだ後に復調膜３０から放射された超音波との間には、位相差が生じる。そして、これらの超音波が互いに重なり合うことによる復調が生じる。復調膜３０の膜厚が波長の１／４を超える場合の方が、このメカニズムでの復調が生じやすくなると同時に、図４を用いて上述したようなメカニズムでの復調が生じにくくなる。
これに対し、本実施形態では、復調膜３０の膜厚が、発振される音波の波長の１／４以下であるため、図４を用いて上述したようなメカニズムでの復調が優先的に生じる。
また、復調膜３０は内部損失が大きい材料により構成され、その値は振動部材１０の内部損失よりも大きい。本実施形態では、復調膜３０の中を進んだ超音波が復調された可聴音よりも、例えば上述したような経路の超音波の一部１と一部２とが復調された可聴音が支配的となるため、音質の劣化を抑制することができる。
【００２８】
なお、超音波の一部１と一部２との位相差は、発振される音波の波長の１／４以下であることが好ましい。仮に、超音波の一部１と一部２との位相差が波長の１／２であれば、一部１と一部２とが互いに相殺されてしまう。また、超音波の一部１と一部２との位相差が波長の１／２に近づくほど、相殺される割合が高まるため、可聴音の出力が低下する。
これに対し、超音波の一部１と一部２との位相差を１／４以下とすることにより、確実に可聴音の復調を実現しつつ、可聴音の出力効率を高めることができる。
そして、貫通孔３２の半径を発振される音波の波長の１／４以下とすることにより、超音波の一部１と一部２との位相差を発振される音波の波長の１／４以下にし易くなる。
【００２９】
また、復調膜３０が金属膜等の硬質材料により構成されている場合、超音波の他の一部２は復調膜３０にて反射し易いため、上述したような理想的な経路では進みにくくなる。
これに対し、本実施形態では、復調膜３０は、樹脂等の軟質材料により構成されているため、超音波の他の一部２は復調膜３０にて反射しにくくなるとともに、上述したような理想的な経路で進みやすくなる。その結果、図４を用いて説明したメカニズムでの復調が生じやすくなる。
【００３０】
このように、本実施形態によれば、パラメトリックスピーカにおいて新たな復調方式を実現することができる。
【００３１】
〔第２の実施形態〕
図５は第２の実施形態に係る発振装置の振動子２０の構成を示す分解斜視図である。本実施形態に係る発振装置は、振動子２０が圧電体２２と電極２４とを交互に複数積層させた構造を有している点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。図５では、圧電体２２及び電極２４がそれぞれ４層ずつで、合計８層の例を示している。圧電体２２の分極方向は、一層ごとに入れ替わっており、互い違いになっている。
【００３２】
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。また振動子２０を、複数の圧電体２２と電極２４とを交互に複数積層させた構造にしているため、振動子２０の伸縮量が大きくなる。従って、発振装置の出力を大きくすることができる。
【００３３】
〔第３の実施形態〕
図６は第３の実施形態に係る発振装置の断面図である。本実施形態に係る発振装置においては、第１又は第２の実施形態に係る発振装置が、復調膜３０及び振動部材１０の面方向に複数並んで設けられている。
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また複数の発振装置を有しているため、出力を大きくすることができる。
【００３４】
〔第４の実施形態〕
図７は、第４の実施形態に係る発振装置の断面図である。この発振装置は、振動部材１０の両面にそれぞれ振動子２０を有している点を除いて、第１又は第２の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。すなわち本実施形態において、発振装置は、振動部材１０の両面を振動子２０で拘束したバイモルフ構造を有している。各振動子２０には、信号生成部５４から発振信号が入力されるようになっている。２つの振動子２０は、互いに同一形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。
【００３５】
本実施形態によっても第１又は第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また振動子２０がバイモルフ構造を有しているため、より大きな振動を得ることができる。
【００３６】
〔第５の実施形態〕
図８は、第５の実施形態に係る発振装置の断面図である。この発振装置は、振動部材１０が第２振動部材６０を介して支持部材４０に取り付けられている点を除いて、第１〜第４の実施形態のいずれかと同様の構成である。なお図８は、この点を除いて第１の実施形態と同様の場合を図示している。
【００３７】
第２振動部材６０は、振動部材１０よりも剛性が低くなるように形成されている。第２振動部材６０は、例えばウレタン、ＰＥＴ、及びポリエチレンなどの樹脂材料により形成されている。第２振動部材６０の厚さは、特に限定されないが、振動部材１０の端部の動きやすさが確保でき、かつ耐久性が基準を満たすように、その値が決定される。
【００３８】
本実施形態によっても、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１０が第２振動部材６０を介して支持部材４０に取り付けられているため、振動部材１０の端部を自由端に近づけることができる。従って、振動部材１０の振動における体積排除量が大きくなり、発振装置の出力を大きくすることができる。また振動部材１０及び振動子２０の耐衝撃性を高くすることができる。
【００３９】
〔第６の実施形態〕
本実施形態に係る発振装置は、振動子２０の代わりに、図９に示したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）アクチュエータ７０を有している点を除いて、第１〜第５の実施形態に係る発振装置のいずれかと同様の構成である。
【００４０】
図９に示す例において、ＭＥＭＳアクチュエータ７０の駆動方式は圧電方式であり、圧電薄膜層７２を上部可動電極層７４及び下部可動電極層７６ではさんだ構造を有している。ＭＥＭＳアクチュエータ７０は、信号生成部５４から上部可動電極層７４及び下部可動電極層７６に信号が入力されることにより動作する。ＭＥＭＳアクチュエータ７０の製造には、例えばエアロゾルデポジション法が用いられるが、この方法に限定されない。ただしエアロゾルデポジション法を用いた場合、圧電薄膜層７２、上部可動電極層７４及び下部可動電極層７６をそれぞれ曲面上にも成膜できるため好ましい。なおＭＥＭＳアクチュエータ７０の駆動方式は、静電方式、電磁方式、又は熱伝導方式であってもよい。
【００４１】
本実施形態によっても、第１〜第５の実施形態のいずれかと同様の効果を得ることができる。
【００４２】
なお、上記の各実施形態に係る発振装置は、例えば図１０に示すように、携帯通信端末１００のスピーカ１０２として用いることができる。
【００４３】
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。
【符号の説明】
【００４４】
１  超音波の一部
２  超音波の他の一部
３  干渉領域
１０ 振動部材
２０ 振動子
２２ 圧電体
２４ 上面電極
２６ 下面電極
３０    復調膜
３２    貫通孔
４０ 支持部材
５０ 制御部
５４ 信号生成部
６０    第２振動部材
７０    ＭＥＭＳアクチュエータ
７２    圧電薄膜層
７４    上部可動電極層
７６    下部可動電極層
１００ 携帯通信端末
１０２ スピーカ
【図１】
2012029105.tif 000003
【図２】
2012029105.tif 000004
【図３】
2012029105.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012029105.tif 000007
【図６】
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【図７】
2012029105.tif 000009
【図８】
2012029105.tif 000010
【図９】
2012029105.tif 000011
【図１０】
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