(57)【要約】【課題】薄型化を図りつつ、十分な振動振幅を得ることができ、かつ広帯域において平坦な周波数振幅特性を生み出すことができる発振装置を提供する。【解決手段】圧電振動子１０と、一面側において圧電振動子１０を拘束し、圧電振動子１０から伸びる梁部２１、２２、２３、２４により構成される振動部材２０と、圧電振動子１０の周囲に位置し、梁部２１、２２、２３、２４の端部を支持する支持部材３０と、を備え、梁部２１と梁部２２は、圧電振動子１０の重心位置を中心に対称であり、梁部２３と梁部２４は、圧電振動子１０の重心位置を中心に対称であり、梁部２１、２２と圧電振動子１０により生じる共振周波数は、梁部２３、２４と圧電振動子１０により生じる共振周波数と異なる。【選択図】図１
2012029087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧電振動子と、
一面側において前記第１の圧電振動子を拘束し、前記第１の圧電振動子から伸びる複数の梁部により構成される振動部材と、
前記第１の圧電振動子の周囲に位置し、前記複数の梁部の端部を支持する支持部材と、
を備え、
前記複数の梁部は、前記第１の圧電振動子の重心位置を中心に対称である少なくとも２つの前記梁部からなる組を複数構成しており、
前記複数の組のうち少なくとも１組を構成する前記梁部と前記第１の圧電振動子により生じる共振周波数は、他の組を構成する前記梁部と前記第１の圧電振動子により生じる共振周波数と異なる発振装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発振装置において、
前記複数の組のうち少なくとも１組を構成する前記梁部は、前記第１の圧電振動子の重心位置から端部に向けて細くなる発振装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の発振装置において、
前記支持部材は矩形である発振装置。
【請求項４】
請求項３に記載の発振装置において、
前記複数の組のうち少なくとも１組を構成する前記梁部は、前記支持部材の角部により支持されている発振装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか１項に記載の発振装置において、
前記第１の圧電振動子は矩形である発振装置。
【請求項６】
請求項１ないし４いずれか１項に記載の発振装置において、
前記第１の圧電振動子は円形、又は楕円形である発振装置。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれか１項に記載の発振装置において、
前記第１の圧電振動子と同一の形状を有し、前記振動部材の他面において拘束され、かつ前記振動部材を挟んで前記第１の圧電振動子と対称に位置する第２の圧電振動子を更に備える発振装置。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか１項に記載の発振装置において、
前記第１の圧電振動子は、複数の圧電体と電極を交互に積層して構成されている発振装置。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれか１項に記載の発振装置において、
前記発振装置は、音波センサの発信源である発振装置。
【請求項１０】
請求項１ないし８いずれか１項に記載の発振装置において、
前記発振装置は、スピーカーである発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を用いた発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯機器などの電気音響変換器として、動電型電気音響変換器がある。動電型電気音響変換器は、磁気回路の作用を利用して振動振幅を発生させる。しかし、磁気回路は永久磁石やボイスコイル等の多数の部材によって構成されるため、動電型電気音響変換器では薄型化に限界があった。
【０００３】
動電型電気音響変換器に代わる電気音響変換器として、圧電型電気音響変換器がある。圧電型電気音響変換器は、圧電振動子に電界を印加することにより発生する伸縮運動を利用して、振動振幅を発生させるものである。圧電型電気音響変換器は、振動振幅を発生させるために多数の部材を必要としないため、薄型化に有利である。
【０００４】
圧電型電気音響変換器に関する技術として、特許文献１〜５に記載のものがある。特許文献５に記載の技術は、高内部ロスを有する材料を用いることにより、圧電型スピーカーの周波数特性の向上を図るというものである。また特許文献１では、圧電振動子を振動膜に当接させた指向性スピーカーが開示されている。さらに特許文献２に記載の技術は、圧電振動子を搭載した振動部材を任意に分割するというものである。
【０００５】
特許文献３、及び４に記載の技術は、圧電振動子を拘束する振動部材を、四辺に位置する梁部を介して支持部材により支持するというものである。さらに特許文献４に記載の技術では、梁部の端部を下方に折り曲げるというものである。これらはいずれも、振動振幅を大きくしつつ、圧電型電気音響変換器の小型化を図ることを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２８２２２１号公報
【特許文献２】特開２００３−１５８７９５号公報
【特許文献３】ＷＯ２００５／０６７３４６号パンフレット
【特許文献４】ＷＯ２００７／０２６７３６号パンフレット
【特許文献５】実開平０３−０７５６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
圧電振動子を用いることにより、電気音響変換器の薄型化を図ることができる。一方で、圧電振動子を構成するセラミック材料は、機械的品質係数（Ｑ値）が高い。このため圧電型電気音響変換器では、基本共振周波数近傍において振幅が大きく、それ以外の帯域では振幅が著しく減衰してしまう。またセラミック材料の剛性が高いことから、十分な振動振幅を得ることが難しい。従って、薄型化を図りつつ、十分な振動振幅を得ることができ、かつ広帯域において周波数振幅特性を平坦に近くすることができる発振装置が求められている。
【０００８】
本発明の目的は、薄型化を図りつつ、十分な振動振幅を得ることができ、かつ広帯域において周波数振幅特性を平坦に近く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】
【０００９】
本発明によれば、第１の圧電振動子と、
一面側において前記第１の圧電振動子を拘束し、前記第１の圧電振動子から伸びる複数の梁部により構成される振動部材と、
前記第１の圧電振動子の周囲に位置し、前記複数の梁部の端部を支持する支持部材と、
を備え、
前記複数の梁部は、前記第１の圧電振動子の重心位置を中心に対称である少なくとも２つの前記梁部からなる組を複数構成しており、
前記複数の組のうち少なくとも１組を構成する前記梁部と前記第１の圧電振動子により生じる共振周波数は、他の組を構成する前記梁部と前記第１の圧電振動子により生じる共振周波数と異なる発振装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、薄型化を図りつつ、十分な振動振幅を得ることができ、かつ広帯域において周波数振幅特性を平坦に近くすることができる発振装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る発振装置を示す平面図である。
【図２】図１に示す圧電振動子を示す断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る発振装置を示す平面図である。
【図４】第３の実施形態に係る発振装置を示す平面図である。
【図５】第４の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。
【図６】第５の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。
【図７】携帯通信端末の構成を示す概略図である。
【図８】第１の比較例に係る発振装置を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
図１は、第１の実施形態に係る発振装置１００を示す平面図である。発振装置１００は、圧電振動子１０と、振動部材２０と、支持部材３０と、を備えている。振動部材２０は、梁部２１、２２、２３、２４により構成されている。発振装置１００は、例えばスピーカー、又は音波センサの発振源として使用される。また圧電体の焦電効果を利用することで温度センサとして機能することもできる。発振装置１００をスピーカーとして使用する場合、例えば電子機器（携帯電話、ラップトップ型コンピュータ、小型ゲーム機器等）の音源として用いられる。
【００１４】
振動部材２０は、一面側において圧電振動子１０を拘束している。なお振動部材２０のうち、圧電振動子１０と重なる部分は、図中の点線によって示している（図３、図４において同様）。支持部材３０は、圧電振動子１０の周囲に位置している。また支持部材３０は梁部２１、２２、２３、２４の端部を支持している。梁部２１と梁部２２は、圧電振動子１０の重心位置を中心に対称に設けられている。梁部２３と梁部２４は、圧電振動子１０の重心位置を中心に対称に設けられている。また梁部２１、２２は、支持部材３０の角部により支持されている。そして梁部２３、２４は、支持部材３０の辺と垂直な方向に伸長し、支持部材３０により支持されている。
【００１５】
図１、及び図２を用いて、発振装置１００の構成について詳細に説明する。図２は、図１に示す圧電振動子１０を示す断面図である。図１に示すように圧電振動子１０は、矩形を有する。また図２に示すように、圧電振動子１０は、上部電極４０、下部電極４５、圧電体５０からなる。圧電体５０は、上部電極４０と下部電極４５に挟まれている。圧電体５０は、圧電効果を有する材料により構成され、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等により構成される。また圧電体５０の厚みは、１０ｕｍ〜１ｍｍであることが好ましい。厚みが１０ｕｍ未満である場合、圧電体５０は脆性材料により構成されるため、破損等が生じやすい。一方、厚みが１ｍｍを超える場合、圧電体５０の電界強度が低減する。従ってエネルギー変換効率の低下を招く。
【００１６】
上部電極４０、及び下部電極４５は、例えば銀、又は銀／パラジウム合金等によって構成される。上部電極４０、及び下部電極４５の厚みは、１〜５０ｕｍであることが好ましい。厚みが１ｕｍ未満の場合、均一に成形することが難しくなる。一方、５０ｕｍを超える場合、上部電極４０、又は下部電極４５が圧電体５０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。
【００１７】
図１に示すように梁部２１、２２は、圧電振動子１０の重心位置から支持部材３０の角部に向けて細くなっている。一方、梁部２３、２４の幅は一定である。振動部材２０は、セラミック材料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、又はステンレス等によって構成される。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、又は高い場合、機械振動子としての特性や信頼性を損なうおそれがある。支持部材３０は、例えば矩形を有する。支持部材３０は、例えばステンレス等により構成される。
【００１８】
次に、本実施形態に係る発振装置１００の製造方法について説明する。まず圧電体５０を製造する。圧電体５０の製造は、グリーンシート法により行い、大気中において１１００℃で２時間焼成する。次いで圧電体５０に、上部電極４０、及び下部電極４５を形成する。そして圧電体５０に、厚み方向に分極処理を施す。これにより得られた圧電振動子１０を、エポキシ系樹脂等を用いて振動部材２０へ接着する。その後振動部材２０を、支持部材３０により支持させる。これにより発振装置１００が形成される。
【００１９】
圧電体５０は、外径＝φ１５ｍｍ、厚み＝１００ｕｍとすることができる。圧電体５０は、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用いることができる。上部電極４０、及び下部電極４５は、厚み＝８ｕｍとすることができる。上部電極４０、及び下部電極４５は、銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を用いることができる。振動部材２０は、厚み＝３００ｕｍとすることができる。振動部材２０は、リン青銅を用いることができる。支持部材３０は、外径＝φ１９ｍｍ、内径＝φ１８ｍｍの中空状のケースとすることができる。支持部材３０は、ＳＵＳ３０４を用いることができる。
【００２０】
次に、本実施形態に係る発振装置１００を用いた圧電型電気音響変換器による音響再生方法について説明する。本実施形態では、パラメトリックスピーカーの動作原理を利用して音響再生をする。パラメトリックスピーカーの動作原理とは、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。
【００２１】
次に、本実施形態の効果について説明する。図８は、第１の比較例に係る発振装置を示す平面図である。第１の比較例に係る発振装置は、圧電振動子１０を拘束する振動部材２０が、振動部材２０の四辺に位置する梁部２７を介して支持部材３０により支持されている。従って圧電振動子１０により発生される振動振幅は、梁部２７によって増幅される。これにより大きな振動振幅を有する発振装置を実現している。しかし第１の比較例に係る発振装置の振幅は、基本共振周波数近傍において大きく、それ以外の帯域では著しく減衰してしまう。
【００２２】
これに対し本実施形態における発振装置１００は、見かけ上、梁部２１、２２と圧電振動子１０により構成される振動子、及び梁部２３、２４と圧電振動子１０により構成される振動子を有する。また梁部２１、２２と梁部２３、２４は、互いに長さと幅が異なる。このため発振装置１００は、見かけ上、異なる２つの振動子を有することとなり、振動モードを増加させ、振動を縮退させることができる。すなわち基本共振周波数を増加させ、これらの一部を重なり合わせることにより、振幅が減衰する帯域において振幅を補完し、周波数特性を平坦にすることができる。従って、圧電振動子を用いた発振装置によって薄型化を図りつつ、十分な振動振幅を得ることができ、かつ広帯域において平坦な周波数振幅特性を生み出すことができる。
【００２３】
梁部２１、２２は、圧電振動子１０の重心位置から支持部材３０による支持部に向けて細くなっている。このため梁部２１、２２は支持部分が動きやすくなっており、より大きく変位することが可能となる。従ってより大きな振動振幅を有する発振装置を実現することができる。また梁部の形状によって、共振周波数を任意に調整することができるため、通常のスピーカーとして使用し、又はパラメトリックスピーカーとして使用することが可能である。さらに梁部の形状は任意に変形することができる。よって振幅が減衰する帯域において振幅を補完するように、梁部の形状を変形して共振周波数を調整することができる。そして梁部の形状は、圧電振動子１０の重心を中心に対称となっている。このため安定した振動を実現することができる。
【００２４】
図３は、第２の実施形態に係る発振装置１０２を示す平面図であり、第１の実施形態における図１に対応している。本実施形態に係る発振装置１０２は、圧電振動子１０が円形を有する点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。
【００２５】
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。また圧電振動子１０は、任意の形状、及び大きさをとることができる。これにより共振周波数を調整することが可能となる。
【００２６】
図４は、第３の実施形態に係る発振装置１０４を示す平面図であり、第１の実施形態における図１に対応している。本実施形態に係る発振装置１０４は、振動部材２０が梁部２５、２６をさらに有している点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。
【００２７】
図４に示すように、支持部材３０は、長辺と短辺を有する矩形である。梁部２５と梁部２６は、圧電振動子１０の重心位置を中心に対称に設けられている。梁部２３、２４は、支持部材３０の短辺と垂直な方向に伸長し、支持部材３０により支持されている。梁部２５、２６は、支持部材３０の長辺と垂直な方向に伸長し、支持部材３０により支持されている。
【００２８】
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。また発振装置１０４は、見かけ上、梁部２５、２６と圧電振動子１０により構成される振動子を更に有する。このため振動モードが増加する。すなわち、新たな共振周波数が生じるため、より平坦な周波数特性を実現することができる。なお、梁部の数は任意に増減することができる。互いに異なる共振周波数を生じさせる梁部の数を増減することにより、振動モードの増減を行うことができる。
【００２９】
図５は、第４の実施形態に係る発振装置１０６を示す断面図である。本実施形態に係る発振装置１０６は、圧電振動子１５をさらに備えている点を除いて、第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。
【００３０】
図５に示すように圧電振動子１５は、圧電振動子１０と同一の形状を有する。また圧電振動子１５は、振動部材２０の他面において拘束される。そして圧電振動子１５は、振動部材２０を挟んで圧電振動子１０と対称に位置する。圧電振動子１０と圧電振動子１５は、分極方向が互いに逆である。
【００３１】
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。また圧電振動子１０と圧電振動子１５は、分極方向が互いに逆である。このため一方を縮めた場合、他方は伸びることとなる。これにより、より大きな振動振幅を有する発振装置を実現することができる。
【００３２】
図６は、第５の実施形態に係る圧電振動子１１０を示す斜視図である。本実施形態に係る発振装置は、圧電振動子の構成を除いて第１の実施形態に係る発振装置１００と同様である。また本実施形態に係る圧電振動子１１０は、積層構造を有することを除いて第１の実施形態に係る圧電振動子１０と同様である。
【００３３】
図６に示すように圧電振動子１１０は、複数の圧電体と複数の電極を交互に積層して構成されている。圧電体６０、６１、６２、６３、６４の間には、電極７０、７１、７２、７３が１層ずつ形成されている。電極７０と電極７２、及び電極７１と電極７３は、それぞれ互いに接続している。各圧電体の分極方向は、１層ごとに逆向きとなっている。また各電極間に生じる電界の向きも、交互に逆向きとなっている。
【００３４】
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。また圧電振動子１１０は積層構造を有しているため、電極層間に生じる電界強度が高い。これにより圧電振動子１１０の駆動力を向上させることができる。なお、圧電振動子１１０の積層数は任意に増減できる。
【００３５】
図１、図３、図４、図５、及び図６に示した発振装置を作成し、各発振装置の特性を調べた（実施例１〜５）。本実施例では、発振装置をパラメトリックスピーカーとして機能させた。また第２の比較例として、実施例１〜５と同一の平面積を有する動電型の発振装置を作成し、特性を調べた。その結果を表１に示す。なお音圧レベル周波数特性の測定では、交流電圧１Ｖ入力時の音圧レベルを、圧電振動子から１０ｃｍ離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。周波数の測定範囲は１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚとした。また落下衝撃安定性の測定では、発振装置を備える電気音響変換器を搭載した携帯通信端末を５０ｃｍの高さから、５回自然落下させた。その後、携帯通信端末の破損等を目視で確認した。さらに、音圧特性を測定し、試験前後において音圧レベル差が３ｄＢ以内の場合、○とした。
【００３６】
【表１】
2012029087.tif 000003
【００３７】
この表から、各実施例に係る発振装置は、第２の比較例と比べて、音圧レベルが高く、周波数特性が平坦であることが示された。また第２の比較例と比べて、落下衝撃安定性が高いことも示された。
【００３８】
また、図７に示すように、携帯通信端末１２０のスピーカー１２２として、実施例１〜５に係る発振装置を使用した。スピーカー１２２は、携帯通信端末１２０の筐体の内面に取り付けた。各実施例を用いた場合のスピーカー１２２の特性を表２に示す。なお、測定条件は、表１と同様である。
【００３９】
【表２】
2012029087.tif 000004
【００４０】
この表から、各実施例に係る携帯通信端末１２０は、落下衝撃安定性が高いことが示された。
【００４１】
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】
【００４２】
１０  圧電振動子
１５  圧電振動子
２０  振動部材
２１〜２７  梁部
３０  支持部材
４０  上部電極
４５  下部電極
５０  圧電体
６０〜６４  圧電体
７０〜７３  電極
１００  発振装置
１０２  発振装置
１０４  発振装置
１０６  発振装置
１１０  圧電振動子
１２０  携帯通信端末
１２２  スピーカー
【図１】
2012029087.tif 000005
【図２】
2012029087.tif 000006
【図３】
2012029087.tif 000007
【図４】
2012029087.tif 000008
【図５】
2012029087.tif 000009
【図６】
2012029087.tif 000010
【図７】
2012029087.tif 000011
【図８】
2012029087.tif 000012