(57)【要約】【課題】小型でありながらも複数の方向に高指向性音波を出力することができる発振装置を提供する。【解決手段】発振装置１００は、振動子支持機構１２０を音声偏向機構１３０が変位させて圧電振動子１１１〜１１３を偏向させる。このため、圧電振動子１１１〜１１３の方向が変更されて出力される高指向性音声の方向が変更される。それでいて、複数の圧電振動子１１１〜１１３をマトリクス状に配列する必要がないので、装置全体を小型化することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも超音波を内包した高指向性音波を各々出力する圧電振動子と、
前記圧電振動子を支持する振動子支持機構と、
前記振動子支持機構を変位させて前記圧電振動子を偏向させる音声偏向機構と、
を有する発振装置。
【請求項２】
複数の前記圧電振動子が複数の前記振動子支持機構で支持されており、
複数の前記音声偏向機構が複数の前記振動子支持機構の少なくとも一部を変位させて複数の前記圧電振動子の少なくとも一部を偏向させる請求項１に記載の発振装置。
【請求項３】
前記振動子支持機構は、出力される複数の前記高指向性音波の焦点位置が相違する配置に複数の前記圧電振動子を支持する請求項１または２に記載の発振装置。
【請求項４】
一個の圧電素子と一個の弾性部材とが一体に形成されており、
前記振動子支持機構は、一体に形成されている前記圧電素子と前記弾性部材との少なくとも一方を拘束して複数の前記圧電振動子に区分している請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項５】
前記音声偏向機構は、圧電素子で前記振動子支持機構を変位させる請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項６】
複数の前記圧電振動子は、低周波の可聴域音波を高周波の前記超音波で変調した前記高指向性音波を出力し、
前記振動子支持機構は、前記高指向性音波が前記可聴域音波に復調される前記焦点位置が相違する配置に複数の前記圧電振動子を支持する請求項１ないし５の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項７】
複数の前記圧電振動子は、高周波の前記超音波からなる前記高指向性音波を出力し、
前記振動子支持機構は、前記高指向性音波が反射される前記焦点位置が相違する配置に複数の前記圧電振動子を支持する請求項１ないし５の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか一項に記載の発振装置と、
前記発振装置に低周波の可聴域音波を高周波の前記超音波で変調した前記高指向性音波を出力させる発振駆動手段と、
を有する電子機器。
【請求項９】
請求項１ないし７の何れか一項に記載の発振装置と、
前記発振装置を駆動して前記高指向性音波である超音波を出力させる発振駆動手段と、
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手段と、
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距離算出手段と、
を有する電子機器。
【請求項１０】
複数の前記圧電振動子が個々に出力する複数の前記高指向性音波の方向と前記音声偏向機構による複数の前記振動子支持機構の変位との関係が登録されており、登録されている関係に対応して複数の前記振動子支持機構の少なくとも一部を変位させて複数の前記圧電振動子の少なくとも一部を所定方向に偏向させる請求項８または９に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を備えた発振装置に関し、特に、振動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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
現在、携帯電話機等の電子機器には、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から構成されている。
【０００４】
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、圧電素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。
【０００５】
また、圧電素子を用いた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）など、種々の電子機器や発振装置が知られている(特許文献４)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】再表２００７−０２６７３６号公報
【特許文献２】再表２００７−０８３４９７号公報
【特許文献３】特開平０３−２７０２８２号公報
【特許文献４】特開平０４−０７４０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
圧電素子を用いた発振装置は、圧電素子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、圧電素子を用いた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。
【０００８】
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。しかしながら、発振装置は出力する音声が高指向性であるため、一方の方向しか音声を出力することができない。
【０００９】
高指向性音波を複数方向に出力する手法としては、複数の圧電振動子をマトリクス状に配列したパラメトリックスピーカがある。このパラメトリックスピーカでは、マトリクス状に配列した複数の圧電振動子を個別に駆動することで高指向性音波を複数方向に出力することができる。しかし、これでは複数の圧電振動子をマトリクス状に配列する必要があるので、当然ながら発振装置が大型化することになる。
【００１０】
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、小型でありながらも複数の方向に高指向性音波を出力することができる発振装置、この発振装置を有する電子機器、を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の発振装置は、少なくとも超音波を内包した高指向性音波を各々出力する圧電振動子と、圧電振動子を支持する振動子支持機構と、振動子支持機構を変位させて圧電振動子を偏向させる音声偏向機構と、を有する。
【００１２】
本発明の第一の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に低周波の可聴域音波を高周波の超音波で変調した高指向性音波を出力させる発振駆動手段と、を有する。
【００１３】
本発明の第二の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置を駆動して高指向性音波として超音波を出力させる発振駆動手段と、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手段と、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距離算出手段と、を有する。
【００１４】
なお、本発明で云う高指向性音波の焦点位置とは、低周波の可聴域音波を高周波の超音波に変調した高指向性音波の場合は、その高指向性音波が可聴域音波に復調される位置を意味しており、高周波の高指向性音波として超音波の場合は、その高指向性音波が反射される位置を意味している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の発振装置では、振動子支持機構を音声偏向機構が変位させて圧電振動子を偏向させる。このため、圧電振動子の方向が変更されて出力される高指向性音声の方向が変更される。それでいて、複数の圧電振動子をマトリクス状に配列する必要がないので、装置全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の第一の形態に関して図１を参照して説明する。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、少なくとも超音波を内包した高指向性音波を各々出力する圧電振動子１１１〜１１３と、圧電振動子１１１〜１１３を支持する振動子支持機構１２０と、振動子支持機構１２０を変位させて圧電振動子１１１〜１１３を偏向させる音声偏向機構１３０と、を有する。
【００１８】
より詳細には、三個の圧電振動子１１１〜１１３が四個の振動子支持機構１２０で支持されており、四個の音声偏向機構１３０が四個の振動子支持機構１２０を変位させて複数の圧電振動子１１１〜１１３を偏向させる。
【００１９】
音声偏向機構１３０は、圧電素子からなり、振動子支持機構１２０の基部に配置されている。この振動子支持機構１２０は、出力される複数の高指向性音波の焦点位置が相違する配置に複数の圧電振動子１１１〜１１３を支持している。
【００２０】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、一個の圧電素子１１４と一個の弾性部材１１５とが一体に形成されており、振動子支持機構１２０は、一体に形成されている圧電素子１１４と弾性部材１１５とを拘束して三個の圧電振動子１１１〜１１３に区分している。
【００２１】
複数の圧電振動子１１１〜１１３は、低周波の可聴域音波を高周波の超音波で変調した高指向性音波を出力し、振動子支持機構１２０は、高指向性音波が可聴域音波に復調される焦点位置が相違する配置に複数の圧電振動子１１１〜１１３を支持している。
【００２２】
より具体的には、本実施の形態の電気音響変換器１００では、三個の圧電振動子１１１〜１１３は、同一の全長に形成されている。振動子支持機構１２０は、圧電素子１１４の一方の表面を拘束する門型に形成されている。
【００２３】
ただし、両側の二個の振動子支持機構１２０は中央の二個の振動子支持機構１２０より長大に形成されている。このため、三個の圧電振動子１１１〜１１３は、中央の一個の表面が水平に位置しており、両側の二個は表面が相対するように傾斜している。
【００２４】
本実施の形態の電気音響変換器１００は、平板状の本体フレーム１４０を有しており、その表面に複数の振動子支持機構１２０が固定されている。本体フレーム１４０は固定端の役割を果たし、その材質は弾性部材１１５に対して高い剛性の材料でなくてはならず、例えば、ステンレスや真鍮などが使用できる。
【００２５】
圧電素子１１４は、圧電層の上下両面に上部／下部電極層が個々に形成されている(図示せず)。なお、上部／下部電極層にはリード線で発振駆動手段１５０が結線されており、この発振駆動手段１５０から印加される電界により、圧電素子１１４は可聴領域や超音波領域で駆動される。
【００２６】
この発振駆動手段１５０は、複数の圧電振動子１１１〜１１３が個々に出力する複数の高指向性音波の方向と音声偏向機構１３０による複数の振動子支持機構１２０の変位との関係が登録されており、登録されている関係に対応して複数の振動子支持機構１２０の少なくとも一部を変位させて複数の圧電振動子１１１〜１１３の少なくとも一部を所定方向に偏向させる。
【００２７】
本実施の形態の圧電素子１１４の圧電層については、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：lead Zirco-titanate）や、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などの材料が使用できる。
【００２８】
また、圧電素子１１４の圧電層の厚みは、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未満の薄膜を使用した場合、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。
【００２９】
また、厚み５００μｍを超えるセラミックを使用した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。
【００３０】
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。
【００３１】
本実施の形態の圧電素子１１４には、電界を発生させるために前述のように主面に上部／下部電極層が形成されている。上部／下部電極層は、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。
【００３２】
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、上部／下部電極層の厚みについては、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。
【００３３】
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、薄膜状の上部／下部電極層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。
【００３４】
しかし、圧電層がセラミック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。
【００３５】
一方、上部／下部電極層の膜厚が１００μｍを超える場合は、製造上は特に問題はないが、上部／下部電極層が圧電層である圧電セラミック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問題点がある。
【００３６】
本実施の形態の電気音響変換器１００の圧電素子１１４は、その片側の主面が弾性部材１１５によって拘束されている。また、同時に弾性部材１１５は、圧電素子１１４の基本共振周波数を調整する機能を持つ。機械的な圧電振動子１１１〜１１３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。
【００３７】
[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。
【００３８】
言い換えれば、コンプライアンスは圧電振動子１１１〜１１３の機械剛性であるため、このことは圧電素子１１４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。
【００３９】
例えば、弾性率の高い材料の選択や、弾性部材１１５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、弾性部材１１５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。
【００４０】
従来は、圧電素子１１４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、構成部材である弾性部材１１５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。
【００４１】
なお、弾性部材１１５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。
【００４２】
また、弾性部材１１５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素子１１４の機械振動特性の誤差が生じてしまう。
【００４３】
また、厚みが１０００μｍを超える場合は、剛性増による圧電素子１１４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、本実施の形態の弾性部材１１５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、弾性部材１１５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。
【００４４】
振動子支持機構１２０は、材質は特に限定されないが、弾性部材１１５や圧電素子１１４に比べ高い剛性を持つ材料が好ましく、真鍮などを使用することができる。また、本体フレーム１４０と同一の材料や一体となっていても構わない。
【００４５】
ここで、以下に本実施の形態の電気音響変換器１００の動作原理を説明する。本実施の形態の電気音響変換器１００は、複数の圧電振動子１１１〜１１３から並列に高指向性音波を発生させる。
【００４６】
本発明の電気音響変換器１００は、振動子支持機構１２０で区分された複数の圧電振動子１１１〜１１３からなり、これら複数の圧電振動子１１１〜１１３は、両端が振動子支持機構１２０で固定されている弾性部材１１５および圧電素子１１４からなる。
【００４７】
この圧電素子１１４が上述のように複数に分割されているため、小型である点を利用して、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。
【００４８】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００による音響再生方法は、超音波を変調波の輸送体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。
【００４９】
ＡＭ変調やＤＳＢ(Double Sideband 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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
概略すれば、音波は空気中で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。
【００５３】
なお、圧電素子１１４は機械品質係数Ｑ（以下、機械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。
【００５４】
すなわち、単一の周波数で音波を発振する圧電素子１１４では、機械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、本構成では圧電素子１１４を使用することで効果が増大する。
【００５５】
なお、図示されるように、本実施の形態の電気音響変換器１００では、複数の圧電振動子１１１〜１１３が相違する方向に高指向性音波を出力する。これら複数の高指向性音波は本体フレーム１４０の内部で交差しているが、可聴域音波に復調される焦点位置では交差しない。
【００５６】
このため、交差の干渉により意図せず復調されることがなく、所望の位置で可聴域音波に復調することができる。本実施の形態の電気音響変換器１００は、このように所望の位置で可聴域音波に復調される高指向性音波を複数の方向に出力することができる。
【００５７】
それでいて、既存のパラメトリックスピーカのように、複数の圧電振動子１１１〜１１３をマトリクス状に配列するような必要はないので、機器全体を小型化することができる。
【００５８】
そして、本実施の形態の電気音響変換器１００では、複数の圧電振動子１１１〜１１３を音声偏向機構である上下方向に伸縮自在な音声偏向機構１３０で支持することにより、複数の圧電振動子１１１〜１１３を自在に偏向することもできる。
【００５９】
この電気音響変換器１００では、三個の圧電振動子１１１〜１１３の方向と四個の音声偏向機構１３０の伸縮状態との関連が発振駆動手段１５０にデータ登録されている。そこで、圧電振動子１１１〜１１３を偏向するときには、その登録データに対応して四個の音声偏向機構１３０の少なくとも一個が伸縮される。この電気音響変換器１００では、上述のように複数の圧電振動子１１１〜１１３の方向が可変する(偏向される)ので、出力される高指向性音波の方向を偏向することができる。
【００６０】
さらに、本実施の形態の電気音響変換器１００では、複数の圧電振動子１１１〜１１３を振動させるので、電気音響変換器１００の製造時に振動子支持機構１２０の位置を調節することにより、複数の圧電振動子１１１〜１１３の面積を可変して基本共振周波数を調整することもできる。
【００６１】
このため、複数の圧電振動子１１１〜１１３に各々任意の基本共振周波数を容易に付与することができる。例えば、複数の基本共振周波数を持つ圧電振動子１１１〜１１３を同時に駆動させることで、音圧レベルが低い帯域を補完することができ、音圧レベルの周波数特性を改善することができる。
【００６２】
なお、本実施の形態の電気音響変換器１００では、複数の圧電振動子１１１〜１１３が出力する高指向性音波が交差する。この交差による干渉を利用することにより、復調される可聴域音波を増幅したり低減することもでき、可聴域音波が復調される位置を可変することもできる。
【００６３】
また、超音波を利用した可聴音再生においても、複数の圧電振動子１１１〜１１３から音波を発生させるため、指向性制御が可能となり、立体音響などの機能を付与することができる。
【００６４】
しかも、本実施の形態の電気音響変換器１００では、一枚の圧電素子１１４と一枚の弾性部材１１５とを一体に接合して複数の振動子支持機構１２０で拘束することで複数の圧電振動子１１１〜１１３を実現している。このため、その構造が簡単で生産性が良好であるとともに、複数の圧電振動子１１１〜１１３の周波数特性なども均等にすることが容易である。
【００６５】
以上をまとめると、本発明の電気音響変換器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。電気音響変換器１００の大型化を抑制することができ、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良好に利用することが可能である。
【００６６】
なお、本発明は上記の実施の形態および実施例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、上記形態の電気音響変換器１００では、複数の圧電振動子１１１〜１１３が同一サイズに区分されていることを想定した。しかし、このような複数の圧電振動子１１１〜１１３のサイズが相違していてもよい(図示せず)。
【００６７】
また、上記形態では方向が相違する複数の圧電振動子１１１〜１１３を有することを例示した。しかし、このような方向が相違する複数の圧電振動子の各々をマトリクスアレイからなるパラメトリックスピーカで形成し、その高指向性音波の出力方向を偏向してもよい(図示せず)。
【００６８】
さらに、上記形態では圧電素子１１４の上面と下面との全域に一様に電極層が形成されていることを例示した。しかし、複数の圧電振動子１１１〜１１３ごとに個別に電極層が形成されていて圧電層が個々に駆動されてもよい(図示せず)。
【００６９】
また、上記形態では一個の圧電素子１１４と一個の弾性部材１１５とが一体に形成されていて振動子支持機構１２０で拘束されることにより複数の圧電振動子１１１〜１１３が形成されていることを例示した。しかし、最初から個別に形成されている圧電振動子が振動子支持機構で支持されていてもよい(図示せず)。
【００７０】
さらに、上記形態では三個の圧電振動子１１１〜１１３が凹状に配置されていることを例示した。しかし、複数の圧電振動子１１１〜１１３が凸状に配置されていてもよく、その圧電振動子の個数も二個以下でも四個以上でもよい(図示せず)。
【００７１】
また、上記形態では、発振装置として電気音響変換器１００等を例示した。このような電気音響変換器１００等は、例えば、前述のように電気機器である携帯電話機に搭載することができる。
【００７２】
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等を駆動する発振駆動部と、電気音響変換器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距離算出部と、を有するソナー(図示せず)なども実施可能である。
【００７３】
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。
【符号の説明】
【００７４】
１００    電気音響変換器
１１１-１１３    圧電振動子
１１４    圧電素子
１１５    弾性部材
１２０    振動子支持機構
１３０    音声偏向機構
１４０    本体フレーム
１５０    発振駆動手段
【図１】
2012029098.tif 000003