発振装置および電子機器
【課題】分割振動の発生を抑制することができる圧電型の発振装置を提供する。
【解決手段】発振装置である電気音響変換器１００は、圧電素子１２３の周縁部が補強部材１３０で補強されている。分割振動モードにおいては、弾性部材１２２の周縁部と中心部とが互いに異なる位相で変形する。このため、分割振動の節目となる圧電素子１２３の周縁部が補強されているので、その剛性を局所的に強化することができる。従って、分割振動の姿態を変形することが可能であり、音圧レベルを増加させることができる。
【解決手段】発振装置である電気音響変換器１００は、圧電素子１２３の周縁部が補強部材１３０で補強されている。分割振動モードにおいては、弾性部材１２２の周縁部と中心部とが互いに異なる位相で変形する。このため、分割振動の節目となる圧電素子１２３の周縁部が補強されているので、その剛性を局所的に強化することができる。従って、分割振動の姿態を変形することが可能であり、音圧レベルを増加させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を利用した発振装置、この発振装置を利用した電子機器、に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機においては、音楽再生、ハンズフリーなどの音響機能を商品価値とした薄型スタイリッシュ携帯の開発が活発化している。この中、電気音響変換器に対しては、小型・薄型でかつ高音質への要求が高い。これらの要望を解決する手段としては、圧電素子を駆動源とする圧電型の電気音響変換器が開発されている。圧電型の電気音響変換器は圧電素子の自己伸縮運動を利用するため、磁気回路から構成される動電型の電気音響変換器より、薄型となる。
【０００３】
現在、上述のような電気音響変換器として各種の提案がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５１６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電式の電気音響変換器は、機械品質係数Ｑが高いため、共振周波数近傍にエネルギーが集中し、凹凸のある音圧レベル周波数特性になる。さらに、圧電素子では、基本共振周波数以降の高次振動モードにおいて、分割振動が発生する問題点がある。
【０００６】
分割振動とは、高次の振動モードであり、基本振動モードが重畳することで成長する。ここでは、局所的に正相と逆相の振動姿態が重なりあい、音波放射の際に、干渉（キャンセリング）が発生し、音圧レベルが著しく低下する問題がある。このため、圧電素子を用いた電気音響変換器において、分割振動の発生を抑制できる画期的な技術が必要とされていた。
【０００７】
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、分割振動の発生を抑制することができる圧電型の発振装置、このような発振装置を利用した電子機器、を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発振装置は、枠状の支持フレームと、支持フレームに外周部で支持されている扁平な振動部材と、振動部材の少なくとも一面に配置されていて振動部材より高剛性な弾性部材と、弾性部材の少なくとも一面に配置されていて電界の印加により伸縮運動する圧電素子と、圧電素子の周縁部を補強する補強部材と、を有する。
【０００９】
本発明の第一の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に可聴域の音波に復調される超音波を出力させる発振駆動部と、を有する。
【００１０】
本発明の第二の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に超音波を出力させる発振駆動部と、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測距部と、を有する。
【００１１】
なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の発振装置は、圧電素子の周縁部が補強部材で補強されている。分割振動モードにおいては、弾性部材の周縁部と中心部とが互いに異なる位相で変形する。このため、分割振動の節目となる圧電素子の周縁部が補強されているので、その剛性を局所的に強化することができる。従って、分割振動の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施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。
【図２】電気音響変換器の構造を示す模式的な平面図である。
【図３】一変形例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平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施の形態の発振装置である電気音響変換器１００を図１および図２を参照して以下に説明する。本実施の形態の電気音響変換器１００は、図１に示すように、枠状の支持フレーム１１０と、支持フレーム１１０に外周部で支持されている扁平な振動フィルム１２１と、振動部材である振動フィルム１２１の少なくとも一面に配置されていて振動フィルム１２１より高剛性な弾性部材１２２と、弾性部材１２２の少なくとも一面に配置されていて電界の印加により伸縮運動する圧電素子１２３と、圧電素子１２３の周縁部を補強する補強部材１３０と、を有する。
【００１５】
補強部材１３０は、図１および図２に示すように、少なくとも圧電素子１２３より高剛性で圧電素子１２３の周縁部に埋設されている複数の軸状部材１３１からなり、軸状部材１３１は金属棒からなる。軸状部材１３１は高剛性な金属棒であれば利用できる。
【００１６】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、図１に示すように、軸状部材１３１が圧電素子１２３から弾性部材１２２まで埋設されている。なお、本実施の形態の電気音響変換器１００は、図２に示すように、圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１とが同心円状の平面形状に形成されており、軸状部材１３１は平面形状が円形の圧電素子１２３の周縁部に略等間隔に配置されている。
【００１７】
より詳細には、圧電素子１２３の両面には電極層１２４も形成されており、この電極層１２４と圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１とで圧電振動子１２０が形成されている。このような圧電振動子１２０に、発振駆動部であるドライバ回路１４０が結線されている。このドライバ回路１４０が圧電振動子１２０を駆動することにより、圧電素子１２３は２０ｋＨｚ以上の超音波帯域の周波数で発振する。
【００１８】
なお、金属棒からなる軸状部材１３１は電極層１２４も貫通しているが、例えば、電極層１２４の貫通孔を軸状部材１３１より大径に形成し、その間隙に絶縁体を成膜することなどで、軸状部材１３１と電極層１２４とは相互に絶縁されている。ただし、軸状部材１３１を部分的に電極層１２４に導通させることで、軸状部材１３１を電極層１２４の接続端子として利用することもできる。
【００１９】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、例えば、樹脂製の振動フィルム１２１の縦弾性係数が金属製の弾性部材１２２の縦弾性係数の１／５０以下であり、弾性部材１２２と振動フィルム１２１の厚み比が略３：１である。
【００２０】
圧電素子１２３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）や、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などの材料が使用可能である。また、厚みは特に限定されないが、１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
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。また、厚み１ｍｍ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として充分な性能が得られない。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。
【００２２】
本発明の圧電素子１２３には電界を発生させるために主面に電極層１２４が形成されている。その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可能である。銀は低抵抗な汎用的な電極材料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り、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。
【００２３】
また、電極層１２４の厚みは特に限定されないが、その厚みが１〜１００μｍであるのが好ましい。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。また、電極層１２４の膜厚が１００μｍを超える場合は、製造上に特に問題はないが、電極層１２４が圧電素子１２３の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。
【００２４】
弾性部材１２２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。また、厚みについては、５〜１０００μｍ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、製造ロット間で振動子の機械振動特性のばらつきが生じてしまう問題点がある。
【００２５】
振動フィルム１２１は、縦弾性係数が、１００ＧＰａ以下の高分子材料であれば特に限定されないが、汎用性の観点から、ポリエチレンテレフタレートや、ポリエチレン、ウレタン、シリコンゴム、天然ゴム、合成ゴム、などの使用が可能である。
【００２６】
また、厚みが１０００μｍを超える場合は、剛性増による圧電素子１２３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、本実施形態の弾性部材１２２は、材料の剛性を示す指標である縦弾性係数が、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。上述のように、弾性部材１２２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。
【００２７】
音波発生のメカニズムは、圧電素子１２３への電界の印加により発生する伸縮運動を利用する。また、超音波の周波数は２０ｋＨｚ以上に限定する。圧電素子１２３は機械品質係数Ｑが高いため、基本共振の近傍にエネルギが集中するため、基本共振周波数では高い音圧レベルを得ることができるが、その他の周波数帯域では、音圧が減衰してしまう。
【００２８】
本実施の形態の電気音響変換器１００は、特定周波数に限定した超音波を発振させるため、むしろ、圧電素子１２３の機械品質係数Ｑが高いことが特性として優位となる。また、圧電振動子の基本共振周波数は圧電素子１２３の形状に影響を受けるため、高い周波数帯域、例えば、超音波帯域に共振周波数を調整する場合、小型化に優位となる。
【００２９】
なお、本実施の形態の電気音響変換器１００は、ＦＭ(Frequency Modulation)やＡＭ(Amplitude Modulation)変調させた超音波を発振させ、空気の非線形状態（疎密状態）を利用して、変調波を復調させ可聴音を再生する、いわゆるパラメトリックスピーカの原理に基づいて音響再生を行う。本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電素子１２３は、高周波数帯域の発振に限定した構成になるため、小型化が可能となる。
【００３０】
上述のような構成において、本構成の圧電型の電気音響変換器１００では、分割振動の節目となる圧電素子１２３の周縁部に複数の軸状部材１３１が埋設されているため、この複数の軸状部材１３１からなる補強部材１３０で剛性を局所的に強化でき、分割振動の姿態を変形することが可能である。すなわち、分割振動の抑制により、音波の干渉を抑制でき、音圧レベルを増加させることが可能である。
【００３１】
特に、軸状部材１３１が圧電素子１２３と弾性部材１２２を通貫しているため、外形形状に変化を与えない点も利点である。また、金属板からなる弾性部材１２２と金属棒からなる軸状部材１３１とを接合できるため、圧電素子１２３と弾性部材１２２との接合強度を高めることもできる。また、局所的に絶縁処理することで、電気接続端子としても利用することができ、製造容易性が向上する。
【００３２】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００の圧電振動子１２０の動作原理は、圧電素子１２３への電界印加の際に発生する伸縮運動を利用するものである。発振する周波数は２０ｋＨｚ以上の超音波帯域が好ましい。発振周波数を超音波帯域にすることで、圧電振動子１２０を小型化できると同時に、超音波の直進性を利用して指向性を制御することが可能となる。その応用例として、音声信号を超音波に搬送させて、空気中で復調させるパラメトリックスピーカにも利用できる。
【００３３】
さらに、本実施の形態の電気音響変換器１００は、振動時に応力が集中する端部が柔軟性に富む樹脂製の振動フィルム１２１で構成されている。すなわち、落下時の衝撃エネルギーを樹脂製の振動フィルム１２１で吸収することができるため、落下強度を向上させることができる。
【００３４】
また、本構成の電気音響変換器１００では、支持フレーム１１０と弾性部材１２２との間にある端部が振動フィルム１２１の樹脂で構成されている。すなわち、柔軟性に富む樹脂製の振動フィルム１２１が振動の端部に位置することで、端部の可動範囲が拡大し、振動姿態はよりピストン状に近づき、振動の際の体積排除量は拡大する。音圧レベルは、振動の際の空気への体積排除量に依存することから、本構成の電気音響変換器１００では優位な特性を実現することができる。
【００３５】
なお、本発明は本実施の形態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、上記形態では圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１とは相似形状に形成されており、同心円状に形成されていることを例示した。
【００３６】
しかし、図３に発振装置として例示する電気音響変換器２００のように、圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１と支持フレーム１１０とが多角形である正方形の相似形状に形成されており、その角部に補強部材１３０である軸状部材１３１が埋設されていてもよい。
【００３７】
また、上記形態では振動フィルム１２１の片面に圧電振動子１２０が形成されているモノモルフ構造の電気音響変換器１００を例示した。しかし、振動フィルム１２１の両面に圧電振動子１２０が形成されているバイモルフ構造も実施可能である(図示せず)。その場合、一対の弾性部材の直径を相違させることにより、振動フィルムの両面に一個ずつ装着されている圧電振動子の構造を相違させることもできる。また、直径は同一のまま一対の弾性部材の板厚を相違させてもよく、圧電素子の直径や板厚を相違させてもよい(何れも図示せず)。
【００３８】
また、上記形態では電気音響変換器１００に発振駆動部であるドライバ回路１４０が接続されている電子機器を想定した。しかし、このような電気音響変換器１００と、電気音響変換器１００に超音波を出力させる発振駆動部と、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測距部と、を有するソナーなどの電子機器(図示せず)も実施可能である。
【００３９】
なお、当然ながら、上述した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および変形例では、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】
【００４０】
１００ 電気音響変換器
１１０ 支持フレーム
１２０ 圧電振動子
１２１ 振動フィルム
１２２ 弾性部材
１２３ 圧電素子
１２４ 電極層
１３０ 補強部材
１３１ 軸状部材
１４０ ドライバ回路
２００ 電気音響変換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を利用した発振装置、この発振装置を利用した電子機器、に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機においては、音楽再生、ハンズフリーなどの音響機能を商品価値とした薄型スタイリッシュ携帯の開発が活発化している。この中、電気音響変換器に対しては、小型・薄型でかつ高音質への要求が高い。これらの要望を解決する手段としては、圧電素子を駆動源とする圧電型の電気音響変換器が開発されている。圧電型の電気音響変換器は圧電素子の自己伸縮運動を利用するため、磁気回路から構成される動電型の電気音響変換器より、薄型となる。
【０００３】
現在、上述のような電気音響変換器として各種の提案がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５１６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、圧電式の電気音響変換器は、機械品質係数Ｑが高いため、共振周波数近傍にエネルギーが集中し、凹凸のある音圧レベル周波数特性になる。さらに、圧電素子では、基本共振周波数以降の高次振動モードにおいて、分割振動が発生する問題点がある。
【０００６】
分割振動とは、高次の振動モードであり、基本振動モードが重畳することで成長する。ここでは、局所的に正相と逆相の振動姿態が重なりあい、音波放射の際に、干渉（キャンセリング）が発生し、音圧レベルが著しく低下する問題がある。このため、圧電素子を用いた電気音響変換器において、分割振動の発生を抑制できる画期的な技術が必要とされていた。
【０００７】
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、分割振動の発生を抑制することができる圧電型の発振装置、このような発振装置を利用した電子機器、を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発振装置は、枠状の支持フレームと、支持フレームに外周部で支持されている扁平な振動部材と、振動部材の少なくとも一面に配置されていて振動部材より高剛性な弾性部材と、弾性部材の少なくとも一面に配置されていて電界の印加により伸縮運動する圧電素子と、圧電素子の周縁部を補強する補強部材と、を有する。
【０００９】
本発明の第一の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に可聴域の音波に復調される超音波を出力させる発振駆動部と、を有する。
【００１０】
本発明の第二の電子機器は、本発明の発振装置と、発振装置に超音波を出力させる発振駆動部と、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測距部と、を有する。
【００１１】
なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の発振装置は、圧電素子の周縁部が補強部材で補強されている。分割振動モードにおいては、弾性部材の周縁部と中心部とが互いに異なる位相で変形する。このため、分割振動の節目となる圧電素子の周縁部が補強されているので、その剛性を局所的に強化することができる。従って、分割振動の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施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。
【図２】電気音響変換器の構造を示す模式的な平面図である。
【図３】一変形例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平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施の形態の発振装置である電気音響変換器１００を図１および図２を参照して以下に説明する。本実施の形態の電気音響変換器１００は、図１に示すように、枠状の支持フレーム１１０と、支持フレーム１１０に外周部で支持されている扁平な振動フィルム１２１と、振動部材である振動フィルム１２１の少なくとも一面に配置されていて振動フィルム１２１より高剛性な弾性部材１２２と、弾性部材１２２の少なくとも一面に配置されていて電界の印加により伸縮運動する圧電素子１２３と、圧電素子１２３の周縁部を補強する補強部材１３０と、を有する。
【００１５】
補強部材１３０は、図１および図２に示すように、少なくとも圧電素子１２３より高剛性で圧電素子１２３の周縁部に埋設されている複数の軸状部材１３１からなり、軸状部材１３１は金属棒からなる。軸状部材１３１は高剛性な金属棒であれば利用できる。
【００１６】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、図１に示すように、軸状部材１３１が圧電素子１２３から弾性部材１２２まで埋設されている。なお、本実施の形態の電気音響変換器１００は、図２に示すように、圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１とが同心円状の平面形状に形成されており、軸状部材１３１は平面形状が円形の圧電素子１２３の周縁部に略等間隔に配置されている。
【００１７】
より詳細には、圧電素子１２３の両面には電極層１２４も形成されており、この電極層１２４と圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１とで圧電振動子１２０が形成されている。このような圧電振動子１２０に、発振駆動部であるドライバ回路１４０が結線されている。このドライバ回路１４０が圧電振動子１２０を駆動することにより、圧電素子１２３は２０ｋＨｚ以上の超音波帯域の周波数で発振する。
【００１８】
なお、金属棒からなる軸状部材１３１は電極層１２４も貫通しているが、例えば、電極層１２４の貫通孔を軸状部材１３１より大径に形成し、その間隙に絶縁体を成膜することなどで、軸状部材１３１と電極層１２４とは相互に絶縁されている。ただし、軸状部材１３１を部分的に電極層１２４に導通させることで、軸状部材１３１を電極層１２４の接続端子として利用することもできる。
【００１９】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００では、例えば、樹脂製の振動フィルム１２１の縦弾性係数が金属製の弾性部材１２２の縦弾性係数の１／５０以下であり、弾性部材１２２と振動フィルム１２１の厚み比が略３：１である。
【００２０】
圧電素子１２３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）や、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などの材料が使用可能である。また、厚みは特に限定されないが、１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
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。また、厚み１ｍｍ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として充分な性能が得られない。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。
【００２２】
本発明の圧電素子１２３には電界を発生させるために主面に電極層１２４が形成されている。その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可能である。銀は低抵抗な汎用的な電極材料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り、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。
【００２３】
また、電極層１２４の厚みは特に限定されないが、その厚みが１〜１００μｍであるのが好ましい。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。また、電極層１２４の膜厚が１００μｍを超える場合は、製造上に特に問題はないが、電極層１２４が圧電素子１２３の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。
【００２４】
弾性部材１２２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。また、厚みについては、５〜１０００μｍ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、製造ロット間で振動子の機械振動特性のばらつきが生じてしまう問題点がある。
【００２５】
振動フィルム１２１は、縦弾性係数が、１００ＧＰａ以下の高分子材料であれば特に限定されないが、汎用性の観点から、ポリエチレンテレフタレートや、ポリエチレン、ウレタン、シリコンゴム、天然ゴム、合成ゴム、などの使用が可能である。
【００２６】
また、厚みが１０００μｍを超える場合は、剛性増による圧電素子１２３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、本実施形態の弾性部材１２２は、材料の剛性を示す指標である縦弾性係数が、１〜５００ＧＰａであることが好ましい。上述のように、弾性部材１２２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。
【００２７】
音波発生のメカニズムは、圧電素子１２３への電界の印加により発生する伸縮運動を利用する。また、超音波の周波数は２０ｋＨｚ以上に限定する。圧電素子１２３は機械品質係数Ｑが高いため、基本共振の近傍にエネルギが集中するため、基本共振周波数では高い音圧レベルを得ることができるが、その他の周波数帯域では、音圧が減衰してしまう。
【００２８】
本実施の形態の電気音響変換器１００は、特定周波数に限定した超音波を発振させるため、むしろ、圧電素子１２３の機械品質係数Ｑが高いことが特性として優位となる。また、圧電振動子の基本共振周波数は圧電素子１２３の形状に影響を受けるため、高い周波数帯域、例えば、超音波帯域に共振周波数を調整する場合、小型化に優位となる。
【００２９】
なお、本実施の形態の電気音響変換器１００は、ＦＭ(Frequency Modulation)やＡＭ(Amplitude Modulation)変調させた超音波を発振させ、空気の非線形状態（疎密状態）を利用して、変調波を復調させ可聴音を再生する、いわゆるパラメトリックスピーカの原理に基づいて音響再生を行う。本実施の形態の電気音響変換器１００では、圧電素子１２３は、高周波数帯域の発振に限定した構成になるため、小型化が可能となる。
【００３０】
上述のような構成において、本構成の圧電型の電気音響変換器１００では、分割振動の節目となる圧電素子１２３の周縁部に複数の軸状部材１３１が埋設されているため、この複数の軸状部材１３１からなる補強部材１３０で剛性を局所的に強化でき、分割振動の姿態を変形することが可能である。すなわち、分割振動の抑制により、音波の干渉を抑制でき、音圧レベルを増加させることが可能である。
【００３１】
特に、軸状部材１３１が圧電素子１２３と弾性部材１２２を通貫しているため、外形形状に変化を与えない点も利点である。また、金属板からなる弾性部材１２２と金属棒からなる軸状部材１３１とを接合できるため、圧電素子１２３と弾性部材１２２との接合強度を高めることもできる。また、局所的に絶縁処理することで、電気接続端子としても利用することができ、製造容易性が向上する。
【００３２】
また、本実施の形態の電気音響変換器１００の圧電振動子１２０の動作原理は、圧電素子１２３への電界印加の際に発生する伸縮運動を利用するものである。発振する周波数は２０ｋＨｚ以上の超音波帯域が好ましい。発振周波数を超音波帯域にすることで、圧電振動子１２０を小型化できると同時に、超音波の直進性を利用して指向性を制御することが可能となる。その応用例として、音声信号を超音波に搬送させて、空気中で復調させるパラメトリックスピーカにも利用できる。
【００３３】
さらに、本実施の形態の電気音響変換器１００は、振動時に応力が集中する端部が柔軟性に富む樹脂製の振動フィルム１２１で構成されている。すなわち、落下時の衝撃エネルギーを樹脂製の振動フィルム１２１で吸収することができるため、落下強度を向上させることができる。
【００３４】
また、本構成の電気音響変換器１００では、支持フレーム１１０と弾性部材１２２との間にある端部が振動フィルム１２１の樹脂で構成されている。すなわち、柔軟性に富む樹脂製の振動フィルム１２１が振動の端部に位置することで、端部の可動範囲が拡大し、振動姿態はよりピストン状に近づき、振動の際の体積排除量は拡大する。音圧レベルは、振動の際の空気への体積排除量に依存することから、本構成の電気音響変換器１００では優位な特性を実現することができる。
【００３５】
なお、本発明は本実施の形態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、上記形態では圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１とは相似形状に形成されており、同心円状に形成されていることを例示した。
【００３６】
しかし、図３に発振装置として例示する電気音響変換器２００のように、圧電素子１２３と弾性部材１２２と振動フィルム１２１と支持フレーム１１０とが多角形である正方形の相似形状に形成されており、その角部に補強部材１３０である軸状部材１３１が埋設されていてもよい。
【００３７】
また、上記形態では振動フィルム１２１の片面に圧電振動子１２０が形成されているモノモルフ構造の電気音響変換器１００を例示した。しかし、振動フィルム１２１の両面に圧電振動子１２０が形成されているバイモルフ構造も実施可能である(図示せず)。その場合、一対の弾性部材の直径を相違させることにより、振動フィルムの両面に一個ずつ装着されている圧電振動子の構造を相違させることもできる。また、直径は同一のまま一対の弾性部材の板厚を相違させてもよく、圧電素子の直径や板厚を相違させてもよい(何れも図示せず)。
【００３８】
また、上記形態では電気音響変換器１００に発振駆動部であるドライバ回路１４０が接続されている電子機器を想定した。しかし、このような電気音響変換器１００と、電気音響変換器１００に超音波を出力させる発振駆動部と、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測距部と、を有するソナーなどの電子機器(図示せず)も実施可能である。
【００３９】
なお、当然ながら、上述した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および変形例では、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】
【００４０】
１００ 電気音響変換器
１１０ 支持フレーム
１２０ 圧電振動子
１２１ 振動フィルム
１２２ 弾性部材
１２３ 圧電素子
１２４ 電極層
１３０ 補強部材
１３１ 軸状部材
１４０ ドライバ回路
２００ 電気音響変換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠状の支持フレームと、
前記支持フレームに外周部で支持されている扁平な振動部材と、
前記振動部材の少なくとも一面に配置されていて前記振動部材より高剛性な弾性部材と、
前記弾性部材の少なくとも一面に配置されていて電界の印加により伸縮運動する圧電素子と、
前記圧電素子の周縁部を補強する補強部材と、
を有する発振装置。
【請求項２】
前記補強部材は、少なくとも前記圧電素子より高剛性で前記圧電素子の周縁部に埋設されている複数の軸状部材からなる請求項１に記載の発振装置。
【請求項３】
前記軸状部材は金属棒からなる請求項２に記載の発振装置。
【請求項４】
前記軸状部材が前記圧電素子から前記弾性部材まで埋設されている請求項２または３に記載の発振装置。
【請求項５】
前記圧電素子と前記弾性部材と前記振動部材とが同心円状の平面形状に形成されており、
前記軸状部材は平面形状が円形の前記圧電素子の周縁部に略等間隔に配置されている請求項２ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項６】
前記圧電素子と前記弾性部材と前記振動部材とが多角形の相似形状の平面形状に形成されており、
前記軸状部材は前記圧電素子の複数の角部に配置されている請求項２ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項７】
前記圧電素子が２０ｋＨｚ以上の超音波帯域の周波数で発振する請求項１ないし６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、
前記発振装置に可聴域の音波に復調される超音波を出力させる発振駆動部と、
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、
前記発振装置に超音波を出力させる発振駆動部と、
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部と、
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測距部と、
を有する電子機器。
【請求項１】
枠状の支持フレームと、
前記支持フレームに外周部で支持されている扁平な振動部材と、
前記振動部材の少なくとも一面に配置されていて前記振動部材より高剛性な弾性部材と、
前記弾性部材の少なくとも一面に配置されていて電界の印加により伸縮運動する圧電素子と、
前記圧電素子の周縁部を補強する補強部材と、
を有する発振装置。
【請求項２】
前記補強部材は、少なくとも前記圧電素子より高剛性で前記圧電素子の周縁部に埋設されている複数の軸状部材からなる請求項１に記載の発振装置。
【請求項３】
前記軸状部材は金属棒からなる請求項２に記載の発振装置。
【請求項４】
前記軸状部材が前記圧電素子から前記弾性部材まで埋設されている請求項２または３に記載の発振装置。
【請求項５】
前記圧電素子と前記弾性部材と前記振動部材とが同心円状の平面形状に形成されており、
前記軸状部材は平面形状が円形の前記圧電素子の周縁部に略等間隔に配置されている請求項２ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項６】
前記圧電素子と前記弾性部材と前記振動部材とが多角形の相似形状の平面形状に形成されており、
前記軸状部材は前記圧電素子の複数の角部に配置されている請求項２ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項７】
前記圧電素子が２０ｋＨｚ以上の超音波帯域の周波数で発振する請求項１ないし６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、
前記発振装置に可聴域の音波に復調される超音波を出力させる発振駆動部と、
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、
前記発振装置に超音波を出力させる発振駆動部と、
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部と、
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測距部と、
を有する電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１３４５９５（Ｐ２０１２−１３４５９５Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８２６６８（Ｐ２０１０−２８２６６８）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（３１０００６８５５）ＮＥＣカシオモバイルコミュニケーションズ株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（３１０００６８５５）ＮＥＣカシオモバイルコミュニケーションズ株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
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