発振装置および電子機器
【課題】簡単な構造で短絡を懸念することなく圧電振動子を配線することができる発振装置を提供する。
【解決手段】電気音響変換器１００は、圧電セラミック１１１の表面と側面と裏面の一部とに連続的に表面電極層１１２が形成されており、表面電極層１１２と干渉しない範囲で圧電セラミック１１１の裏面に裏面電極層１１３が形成されている。弾性振動板１３０の表面に形成されている第一配線層１２１が裏面電極層１１３に導通することなく表面電極層１１２と導通しており、弾性振動板１３０の表面に形成されている第二配線層１２２が表面電極層１１２に導通することなく裏面電極層１１３と導通しており、第一配線層１２１と第二配線層１２２との間隙および表面電極層１１２と裏面電極層１１３との間隙を絶縁材１４０が充填している。
【解決手段】電気音響変換器１００は、圧電セラミック１１１の表面と側面と裏面の一部とに連続的に表面電極層１１２が形成されており、表面電極層１１２と干渉しない範囲で圧電セラミック１１１の裏面に裏面電極層１１３が形成されている。弾性振動板１３０の表面に形成されている第一配線層１２１が裏面電極層１１３に導通することなく表面電極層１１２と導通しており、弾性振動板１３０の表面に形成されている第二配線層１２２が表面電極層１１２に導通することなく裏面電極層１１３と導通しており、第一配線層１２１と第二配線層１２２との間隙および表面電極層１１２と裏面電極層１１３との間隙を絶縁材１４０が充填している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を備えた発振装置に関し、特に、振動部材に圧電振動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】
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きた。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、圧電振動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、圧電振動子を用いる発振装置の他の例としては、スピーカ装置のほか、圧電振動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を参照）など、種々の発振装置や電子機器が知られている(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２００１−２９８３４４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発振装置は、圧電層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、圧電振動子を用いる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。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。
【０００８】
しかし、上述のように圧電層を作用させるためには、その表面と裏面とに電界を印加する必要がある。このため、通常は圧電層の表面と裏面とに、電極層を個々に形成する。
【０００９】
しかし、これでは圧電振動子の表面と裏面とにリード線などで配線を結線する必要があり、その製造が煩雑であるとともにリード線が圧電振動子の振動を阻害することになる。
【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、簡単な構造で圧電振動子を配線することができる発振装置、この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】
【００１１】
本発明の発振装置は、圧電作用により分極方向に発振する圧電層と、圧電層の表面と側面と裏面の一部とに連続的に形成されている表面電極層と、表面電極層と干渉しない範囲で圧電層の裏面に形成されている裏面電極層と、圧電層と表面電極層と裏面電極層からなる圧電振動子が表面に搭載されている振動部材と、裏面電極層に導通することなく表面電極層と導通する形状に振動部材の表面に形成されている第一配線層と、表面電極層に導通することなく裏面電極層と導通する形状に振動部材の表面に形成されている第二配線層と、第一配線層と第二配線層との間隙および表面電極層と裏面電極層との間隙を充填している絶縁材と、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、発振装置に可聴域の音波を出力させる発振駆動部と、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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の発振装置では、振動部材の表面に形成されている第一配線層が裏面電極層に導通することなく表面電極層と導通しており、振動部材の表面に形成されている第二配線層が表面電極層に導通することなく裏面電極層と導通しており、第一配線層と第二配線層との間隙および表面電極層と裏面電極層との間隙を絶縁材が充填している。このため、簡単な構造で短絡を懸念することなく圧電振動子を配線することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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。
【図２】圧電振動子の構造を示し、(ａ)は模式的な縦断正面図、(ｂ)は模式的な底面図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の第一の形態について図１および図２を参照して以下に説明する。本実施の形態の発振装置である電気音響変換器１００は、図１に示すように、圧電作用により分極方向に発振する圧電層である圧電セラミック１１１と、圧電セラミック１１１の表面と側面と裏面の一部とに連続的に形成されている表面電極層１１２と、表面電極層１１２と干渉しない範囲で圧電セラミック１１１の裏面に形成されている裏面電極層１１３と、圧電セラミック１１１と表面電極層１１２と裏面電極層１１３からなる圧電振動子１１０が表面に搭載されている振動部材である弾性振動板１３０と、裏面電極層１１３に導通することなく表面電極層１１２と導通する形状に弾性振動板１３０の表面に形成されている第一配線層１２１と、表面電極層１１２に導通することなく裏面電極層１１３と導通する形状に弾性振動板１３０の表面に形成されている第二配線層１２２と、第一配線層１２１と第二配線層１２２との間隙および表面電極層１１２と裏面電極層１１３との間隙を充填している絶縁材１４０と、を有する。
【００１７】
より詳細には、本実施の形態の電気音響変換器１００では、図２に示すように、圧電セラミック１１１と表面電極層１１２と裏面電極層１１３とで、扁平な直方体状の圧電振動子１１０が形成されている。
【００１８】
その圧電セラミック１１１の表面には、図中左側の縁部を空白として表面電極層１１２が形成されている。この表面電極層１１２は、図２(ｂ)に示すように、圧電セラミック１１１の図中右側の側面を経由して裏面の図中右側の一部まで形成されている。また、裏面電極層１１３は、図中右側の縁部を空白として、圧電セラミック１１１の裏面に形成されている。
【００１９】
絶縁材１４０は、絶縁性の接着剤からなり、圧電振動子１１０を弾性振動板１３０の表面に接着している。一方、表面電極層１１２と第一配線層１２１とは導電性の接着剤(図示せず)で接着されており、裏面電極層１１３と第二配線層１２２も導電性の接着剤で接着されている。このような接着剤は、例えば、絶縁性の樹脂に導電性の粒子を分散させた導電性樹脂からなる。
【００２０】
弾性振動板１３０は、表面に位置する樹脂層１３１と、裏面に位置する金属層１３２と、を有する。このため、弾性振動板１３０は、金属層１３２により必要な弾性を有しながら、樹脂層１３１により表面に必要な絶縁性を有している。
【００２１】
この弾性振動板１３０は、円形や矩形の平面形状に形成されており、外周部がフレーム１３３で支持されている。このような弾性振動板１３０の表面に第一配線層１２１と第二配線層１２２とがプリント配線などで形成されている。
【００２２】
これらの第一／第二配線層１２１，１２２は、例えば、リード線１５１で発振駆動部である制御部１５０に接続されている。この制御部１５０から圧電振動子１１０を可聴領域や超音波領域で発振させる電界が印加される。
【００２３】
なお、圧電セラミック１１１としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などを使用するが特に限定されない。圧電セラミック１１１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。
【００２４】
例えば、脆性材料であるセラミック材料として厚み１０μｍ未満の薄膜を使用する場合、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。
【００２５】
また、厚み５００μｍを超える圧電セラミック１１１を使用する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。
【００２６】
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１１１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。
【００２７】
本実施の形態の圧電振動子１１０には、電界を発生させるために表面／裏面電極層１１２，１１３が形成されている。表面／裏面電極層１１２，１１３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。
【００２８】
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、表面／裏面電極層１１２，１１３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。
【００２９】
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、薄膜状の表面／裏面電極層１１２，１１３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。
【００３０】
しかし、圧電セラミック１１１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。
【００３１】
一方、表面／裏面電極層１１２，１１３の膜厚が１００μｍを超える場合は、製造上に特に問題はないが、表面／裏面電極層１１２，１１３が圧電セラミック１１１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。
【００３２】
なお、表面電極層１１２は、マイグレーションによる溶融で裏面電極層１１３と導通することなどを防止するため、圧電セラミック１１１の図中左方の表面縁部には形成されていない。
【００３３】
本実施の形態の電気音響変換器１００の圧電振動子１１０は、その片側の主面が弾性振動板１３０によって拘束されている。弾性振動板１３０は、圧電振動子１１０から発生した振動を外側に伝播させる。
【００３４】
また、同時に弾性振動板１３０には、圧電振動子１１０の基本共振周波数を調整する機能を持つ。機械的な電気音響変換器１００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。
【００３５】
[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。
【００３６】
言い換えれば、コンプライアンスは電気音響変換器１００の機械剛性であるため、このことは圧電振動子１１０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。
【００３７】
例えば、弾性率の高い材料の選択や、弾性振動板１３０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、弾性振動板１３０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。
【００３８】
従来は、圧電振動子１１０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振動板１３０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。
【００３９】
なお、弾性振動板１３０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。
【００４０】
また、弾性振動板１３０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振動子１１０の機械振動特性の誤差が生じてしまう問題点がある。
【００４１】
また、厚みが１０００μｍを超える場合は、剛性増による圧電振動子１１０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、本実施形態の弾性振動板１３０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、弾性振動板１３０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。
【００４２】
ここで、本実施の形態の電気音響変換器１００の製造方法を以下に説明する。まず、圧電振動子１１０は、外径＝φ３ｍｍ、厚み＝２００μｍの圧電セラミック１１１を形成し、その両面に、それぞれ厚み８μｍの表面電極層１１２および裏面電極層１１３を形成する。
【００４３】
圧電セラミック１１１には、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用い、表面／裏面電極層１１２，１１３には銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を使用する。この圧電セラミック１１１の製造はグリーンシート法で行い、大気中で１１００℃で２時間にわたって焼成し、その後、圧電セラミック１１１に分極処理を施した。圧電振動子１１０と弾性振動板１３０との接着にはエポキシ系接着剤を用いる。
【００４４】
また、本構成では、プライバシー保護が可能な音響再生を実現するために、超音波を発振させる。ここでは、変調した超音波を可聴音に復調するパラメトリックスピーカの原理を利用している。圧電振動子１１０は周波数２０ｋＨｚ以上の超音波を発振するものである。
【００４５】
ここでは、ＡＭ(Amplitude Modulation)変調やＤＳＢ(Double Sideband)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。
【００４６】
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。
【００４７】
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ながら、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。
【００４８】
概略すれば、音波は空気中に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。
【００４９】
続いて、圧電振動子１１０の動作原理を説明する。圧電セラミック１１１は、上述のように二個の主面を有する圧電板からなり、圧電セラミック１１１の主面のそれぞれに、表面電極層１１２および裏面電極層１１３が形成されている。
【００５０】
圧電セラミック１１１の分極方向は特に限定されるものではないが、本実施の形態の電気音響変換器では、上下方向（圧電振動子１１０の厚み方向）で上向きとなっている。このように構成された圧電振動子１１０は、制御部１５０から表面電極層１１２および裏面電極層１１３に交流電圧が印加され、交番的な電界が付与されると、その両主面が同時に拡大または縮小するような、半径方向の伸縮運動（径拡がり運動）を行う。
【００５１】
換言すれば、圧電振動子１１０は、主面が拡大するような第一の変形モードと、主面が縮小するような第二の変形モードとを繰り返すような運動を行う。このような運動を繰り返すことで弾性振動板１３０は弾性効果を利用して、慣性作用と復元作用による上下振動を発生し、音波を発生する。
【００５２】
また、本発明の構成では、圧電振動子１１０は周波数２０ｋＨｚ以上の超音波を発振する。ＦＭやＡＭ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。これは、超音波の特徴である高い指向性を利用して音波を伝播させるものであり、ユーザにしか聴こえないプライバシー音源の実現が可能となる。
【００５３】
以上のように、本実施の形態の電気音響変換器１００は、小型で大音量の再生ができる。また、超音波を利用しているため、指向性が狭く、ユーザのプライバシー保護などの点で、工業的な価値は大きい。
【００５４】
すなわち、本実施形態の電気音響変換器１００は、従来の電気音響変換器に比べ、音波の直進性が高く、ユーザに伝えたい位置へ選択的に音波を伝播できる。以上をまとめると、本実施の形態の電気音響変換器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。しかも、電気音響変換器１００の大型化を防止することができ、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好適に利用することが可能である。
【００５５】
そして、本実施の形態の電気音響変換器１００では、弾性振動板１３０の表面に形成されている第一配線層１２１が裏面電極層１１３に導通することなく表面電極層１１２と導通しており、弾性振動板１３０の表面に形成されている第二配線層１２２が表面電極層１１２に導通することなく裏面電極層１１３と導通している。
【００５６】
このため、弾性振動板１３０のプリント配線などで表面に形成した第一配線層１２１および第二配線層１２２を、圧電振動子１１０の表面電極層１１２と裏面電極層１１３に結線することができる。従って、その構造が簡単で生産性が良好である。
【００５７】
それでいて、第一配線層１２１と第二配線層１２２との間隙および表面電極層１１２と裏面電極層１１３との間隙を絶縁材１４０が充填している。このため、簡単な構造で短絡を懸念することなく圧電振動子１１０を配線することができる。
【００５８】
しかも、この絶縁材１４０は、圧電振動子１１０を弾性振動板１３０の表面に接着している。このため、第一配線層１２１と第二配線層１２２との短絡および表面電極層１１２と裏面電極層１１３との短絡を防止しながら、同時に圧電振動子１１０を弾性振動板１３０に接合することができる。
【００５９】
なお、表面電極層１１２と第一配線層１２１とは導電性の接着剤で接着されており、裏面電極層１１３と第二配線層１２２とは導電性の接着剤で接着されている。このため、表面電極層１１２と第一配線層１２１とを導通させるとともに裏面電極層１１３と第二配線層１２２とを導通させながら、同時に圧電振動子１１０を弾性振動板１３０に接合することができる。
【００６０】
さらに、弾性振動板１３０は、表面に位置する樹脂層１３１と、裏面に位置する金属層１３２と、を有する。このため、金属層１３２により必要な弾性を確保しながら、樹脂層１３１により表面に必要な絶縁性も確保している。
【００６１】
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、本実施の形態では圧電振動子１１０の圧電素子としてジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック１１１を利用することを例示した。
【００６２】
しかし、圧電素子については、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ず、電気機械変換効率が高い材料、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などの材料が使用できる。
【００６３】
また、上記形態では第二配線層１２２が図中で圧電振動子１１０の中央付近まで形成されていることを例示した。しかし、これは圧電振動子１１０の裏面電極層１１３に導通すればよいので、圧電振動子１１０の左端付近までしか形成されていなくともよく、裏面電極層１１３の下面全域に形成されていてもよい(ともに図示せず)。
【００６４】
また、上記形態では、電気機器として電気音響変換器１００等で音声を出力する携帯電話機等を想定した。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(図示せず)なども実施可能である。
【００６５】
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】
【００６６】
１００ 電気音響変換器
１１０ 圧電振動子
１１１ 圧電セラミック
１１２ 表面電極層
１１３ 裏面電極層
１２１ 第一配線層
１２２ 第二配線層
１３０ 弾性振動板
１３１ 樹脂層
１３２ 金属層
１３３ フレーム
１４０ 絶縁材
１５０ 制御部
１５１ リード線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を備えた発振装置に関し、特に、振動部材に圧電振動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】
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きた。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、圧電振動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、圧電振動子を用いる発振装置の他の例としては、スピーカ装置のほか、圧電振動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を参照）など、種々の発振装置や電子機器が知られている(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２００１−２９８３４４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発振装置は、圧電層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、圧電振動子を用いる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。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。
【０００８】
しかし、上述のように圧電層を作用させるためには、その表面と裏面とに電界を印加する必要がある。このため、通常は圧電層の表面と裏面とに、電極層を個々に形成する。
【０００９】
しかし、これでは圧電振動子の表面と裏面とにリード線などで配線を結線する必要があり、その製造が煩雑であるとともにリード線が圧電振動子の振動を阻害することになる。
【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、簡単な構造で圧電振動子を配線することができる発振装置、この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】
【００１１】
本発明の発振装置は、圧電作用により分極方向に発振する圧電層と、圧電層の表面と側面と裏面の一部とに連続的に形成されている表面電極層と、表面電極層と干渉しない範囲で圧電層の裏面に形成されている裏面電極層と、圧電層と表面電極層と裏面電極層からなる圧電振動子が表面に搭載されている振動部材と、裏面電極層に導通することなく表面電極層と導通する形状に振動部材の表面に形成されている第一配線層と、表面電極層に導通することなく裏面電極層と導通する形状に振動部材の表面に形成されている第二配線層と、第一配線層と第二配線層との間隙および表面電極層と裏面電極層との間隙を充填している絶縁材と、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、発振装置に可聴域の音波を出力させる発振駆動部と、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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の発振装置では、振動部材の表面に形成されている第一配線層が裏面電極層に導通することなく表面電極層と導通しており、振動部材の表面に形成されている第二配線層が表面電極層に導通することなく裏面電極層と導通しており、第一配線層と第二配線層との間隙および表面電極層と裏面電極層との間隙を絶縁材が充填している。このため、簡単な構造で短絡を懸念することなく圧電振動子を配線することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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。
【図２】圧電振動子の構造を示し、(ａ)は模式的な縦断正面図、(ｂ)は模式的な底面図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の第一の形態について図１および図２を参照して以下に説明する。本実施の形態の発振装置である電気音響変換器１００は、図１に示すように、圧電作用により分極方向に発振する圧電層である圧電セラミック１１１と、圧電セラミック１１１の表面と側面と裏面の一部とに連続的に形成されている表面電極層１１２と、表面電極層１１２と干渉しない範囲で圧電セラミック１１１の裏面に形成されている裏面電極層１１３と、圧電セラミック１１１と表面電極層１１２と裏面電極層１１３からなる圧電振動子１１０が表面に搭載されている振動部材である弾性振動板１３０と、裏面電極層１１３に導通することなく表面電極層１１２と導通する形状に弾性振動板１３０の表面に形成されている第一配線層１２１と、表面電極層１１２に導通することなく裏面電極層１１３と導通する形状に弾性振動板１３０の表面に形成されている第二配線層１２２と、第一配線層１２１と第二配線層１２２との間隙および表面電極層１１２と裏面電極層１１３との間隙を充填している絶縁材１４０と、を有する。
【００１７】
より詳細には、本実施の形態の電気音響変換器１００では、図２に示すように、圧電セラミック１１１と表面電極層１１２と裏面電極層１１３とで、扁平な直方体状の圧電振動子１１０が形成されている。
【００１８】
その圧電セラミック１１１の表面には、図中左側の縁部を空白として表面電極層１１２が形成されている。この表面電極層１１２は、図２(ｂ)に示すように、圧電セラミック１１１の図中右側の側面を経由して裏面の図中右側の一部まで形成されている。また、裏面電極層１１３は、図中右側の縁部を空白として、圧電セラミック１１１の裏面に形成されている。
【００１９】
絶縁材１４０は、絶縁性の接着剤からなり、圧電振動子１１０を弾性振動板１３０の表面に接着している。一方、表面電極層１１２と第一配線層１２１とは導電性の接着剤(図示せず)で接着されており、裏面電極層１１３と第二配線層１２２も導電性の接着剤で接着されている。このような接着剤は、例えば、絶縁性の樹脂に導電性の粒子を分散させた導電性樹脂からなる。
【００２０】
弾性振動板１３０は、表面に位置する樹脂層１３１と、裏面に位置する金属層１３２と、を有する。このため、弾性振動板１３０は、金属層１３２により必要な弾性を有しながら、樹脂層１３１により表面に必要な絶縁性を有している。
【００２１】
この弾性振動板１３０は、円形や矩形の平面形状に形成されており、外周部がフレーム１３３で支持されている。このような弾性振動板１３０の表面に第一配線層１２１と第二配線層１２２とがプリント配線などで形成されている。
【００２２】
これらの第一／第二配線層１２１，１２２は、例えば、リード線１５１で発振駆動部である制御部１５０に接続されている。この制御部１５０から圧電振動子１１０を可聴領域や超音波領域で発振させる電界が印加される。
【００２３】
なお、圧電セラミック１１１としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などを使用するが特に限定されない。圧電セラミック１１１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。
【００２４】
例えば、脆性材料であるセラミック材料として厚み１０μｍ未満の薄膜を使用する場合、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。
【００２５】
また、厚み５００μｍを超える圧電セラミック１１１を使用する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。
【００２６】
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１１１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。
【００２７】
本実施の形態の圧電振動子１１０には、電界を発生させるために表面／裏面電極層１１２，１１３が形成されている。表面／裏面電極層１１２，１１３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。
【００２８】
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、表面／裏面電極層１１２，１１３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。
【００２９】
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、薄膜状の表面／裏面電極層１１２，１１３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。
【００３０】
しかし、圧電セラミック１１１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。
【００３１】
一方、表面／裏面電極層１１２，１１３の膜厚が１００μｍを超える場合は、製造上に特に問題はないが、表面／裏面電極層１１２，１１３が圧電セラミック１１１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。
【００３２】
なお、表面電極層１１２は、マイグレーションによる溶融で裏面電極層１１３と導通することなどを防止するため、圧電セラミック１１１の図中左方の表面縁部には形成されていない。
【００３３】
本実施の形態の電気音響変換器１００の圧電振動子１１０は、その片側の主面が弾性振動板１３０によって拘束されている。弾性振動板１３０は、圧電振動子１１０から発生した振動を外側に伝播させる。
【００３４】
また、同時に弾性振動板１３０には、圧電振動子１１０の基本共振周波数を調整する機能を持つ。機械的な電気音響変換器１００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。
【００３５】
[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。
【００３６】
言い換えれば、コンプライアンスは電気音響変換器１００の機械剛性であるため、このことは圧電振動子１１０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。
【００３７】
例えば、弾性率の高い材料の選択や、弾性振動板１３０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、弾性振動板１３０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。
【００３８】
従来は、圧電振動子１１０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振動板１３０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。
【００３９】
なお、弾性振動板１３０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。
【００４０】
また、弾性振動板１３０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振動子１１０の機械振動特性の誤差が生じてしまう問題点がある。
【００４１】
また、厚みが１０００μｍを超える場合は、剛性増による圧電振動子１１０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、本実施形態の弾性振動板１３０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、弾性振動板１３０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。
【００４２】
ここで、本実施の形態の電気音響変換器１００の製造方法を以下に説明する。まず、圧電振動子１１０は、外径＝φ３ｍｍ、厚み＝２００μｍの圧電セラミック１１１を形成し、その両面に、それぞれ厚み８μｍの表面電極層１１２および裏面電極層１１３を形成する。
【００４３】
圧電セラミック１１１には、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用い、表面／裏面電極層１１２，１１３には銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を使用する。この圧電セラミック１１１の製造はグリーンシート法で行い、大気中で１１００℃で２時間にわたって焼成し、その後、圧電セラミック１１１に分極処理を施した。圧電振動子１１０と弾性振動板１３０との接着にはエポキシ系接着剤を用いる。
【００４４】
また、本構成では、プライバシー保護が可能な音響再生を実現するために、超音波を発振させる。ここでは、変調した超音波を可聴音に復調するパラメトリックスピーカの原理を利用している。圧電振動子１１０は周波数２０ｋＨｚ以上の超音波を発振するものである。
【００４５】
ここでは、ＡＭ(Amplitude Modulation)変調やＤＳＢ(Double Sideband)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。
【００４６】
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。
【００４７】
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ながら、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。
【００４８】
概略すれば、音波は空気中に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。
【００４９】
続いて、圧電振動子１１０の動作原理を説明する。圧電セラミック１１１は、上述のように二個の主面を有する圧電板からなり、圧電セラミック１１１の主面のそれぞれに、表面電極層１１２および裏面電極層１１３が形成されている。
【００５０】
圧電セラミック１１１の分極方向は特に限定されるものではないが、本実施の形態の電気音響変換器では、上下方向（圧電振動子１１０の厚み方向）で上向きとなっている。このように構成された圧電振動子１１０は、制御部１５０から表面電極層１１２および裏面電極層１１３に交流電圧が印加され、交番的な電界が付与されると、その両主面が同時に拡大または縮小するような、半径方向の伸縮運動（径拡がり運動）を行う。
【００５１】
換言すれば、圧電振動子１１０は、主面が拡大するような第一の変形モードと、主面が縮小するような第二の変形モードとを繰り返すような運動を行う。このような運動を繰り返すことで弾性振動板１３０は弾性効果を利用して、慣性作用と復元作用による上下振動を発生し、音波を発生する。
【００５２】
また、本発明の構成では、圧電振動子１１０は周波数２０ｋＨｚ以上の超音波を発振する。ＦＭやＡＭ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。これは、超音波の特徴である高い指向性を利用して音波を伝播させるものであり、ユーザにしか聴こえないプライバシー音源の実現が可能となる。
【００５３】
以上のように、本実施の形態の電気音響変換器１００は、小型で大音量の再生ができる。また、超音波を利用しているため、指向性が狭く、ユーザのプライバシー保護などの点で、工業的な価値は大きい。
【００５４】
すなわち、本実施形態の電気音響変換器１００は、従来の電気音響変換器に比べ、音波の直進性が高く、ユーザに伝えたい位置へ選択的に音波を伝播できる。以上をまとめると、本実施の形態の電気音響変換器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。しかも、電気音響変換器１００の大型化を防止することができ、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好適に利用することが可能である。
【００５５】
そして、本実施の形態の電気音響変換器１００では、弾性振動板１３０の表面に形成されている第一配線層１２１が裏面電極層１１３に導通することなく表面電極層１１２と導通しており、弾性振動板１３０の表面に形成されている第二配線層１２２が表面電極層１１２に導通することなく裏面電極層１１３と導通している。
【００５６】
このため、弾性振動板１３０のプリント配線などで表面に形成した第一配線層１２１および第二配線層１２２を、圧電振動子１１０の表面電極層１１２と裏面電極層１１３に結線することができる。従って、その構造が簡単で生産性が良好である。
【００５７】
それでいて、第一配線層１２１と第二配線層１２２との間隙および表面電極層１１２と裏面電極層１１３との間隙を絶縁材１４０が充填している。このため、簡単な構造で短絡を懸念することなく圧電振動子１１０を配線することができる。
【００５８】
しかも、この絶縁材１４０は、圧電振動子１１０を弾性振動板１３０の表面に接着している。このため、第一配線層１２１と第二配線層１２２との短絡および表面電極層１１２と裏面電極層１１３との短絡を防止しながら、同時に圧電振動子１１０を弾性振動板１３０に接合することができる。
【００５９】
なお、表面電極層１１２と第一配線層１２１とは導電性の接着剤で接着されており、裏面電極層１１３と第二配線層１２２とは導電性の接着剤で接着されている。このため、表面電極層１１２と第一配線層１２１とを導通させるとともに裏面電極層１１３と第二配線層１２２とを導通させながら、同時に圧電振動子１１０を弾性振動板１３０に接合することができる。
【００６０】
さらに、弾性振動板１３０は、表面に位置する樹脂層１３１と、裏面に位置する金属層１３２と、を有する。このため、金属層１３２により必要な弾性を確保しながら、樹脂層１３１により表面に必要な絶縁性も確保している。
【００６１】
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、本実施の形態では圧電振動子１１０の圧電素子としてジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック１１１を利用することを例示した。
【００６２】
しかし、圧電素子については、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ず、電気機械変換効率が高い材料、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などの材料が使用できる。
【００６３】
また、上記形態では第二配線層１２２が図中で圧電振動子１１０の中央付近まで形成されていることを例示した。しかし、これは圧電振動子１１０の裏面電極層１１３に導通すればよいので、圧電振動子１１０の左端付近までしか形成されていなくともよく、裏面電極層１１３の下面全域に形成されていてもよい(ともに図示せず)。
【００６４】
また、上記形態では、電気機器として電気音響変換器１００等で音声を出力する携帯電話機等を想定した。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(図示せず)なども実施可能である。
【００６５】
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】
【００６６】
１００ 電気音響変換器
１１０ 圧電振動子
１１１ 圧電セラミック
１１２ 表面電極層
１１３ 裏面電極層
１２１ 第一配線層
１２２ 第二配線層
１３０ 弾性振動板
１３１ 樹脂層
１３２ 金属層
１３３ フレーム
１４０ 絶縁材
１５０ 制御部
１５１ リード線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電作用により分極方向に発振する圧電層と、
前記圧電層の表面と側面と裏面の一部とに連続的に形成されている表面電極層と、
前記表面電極層と干渉しない範囲で前記圧電層の裏面に形成されている裏面電極層と、
前記圧電層と前記表面電極層と前記裏面電極層からなる圧電振動子が表面に搭載されている振動部材と、
前記裏面電極層に導通することなく前記表面電極層と導通する形状に前記振動部材の表面に形成されている第一配線層と、
前記表面電極層に導通することなく前記裏面電極層と導通する形状に前記振動部材の表面に形成されている第二配線層と、
前記第一配線層と前記第二配線層との間隙および前記表面電極層と前記裏面電極層との間隙を充填している絶縁材と、
を有する発振装置。
【請求項２】
前記絶縁材は、前記圧電振動子を前記振動部材の表面に接着している請求項１に記載の発振装置。
【請求項３】
前記表面電極層と前記第一配線層とが導電性の接着剤で接着されており、
前記裏面電極層と前記第二配線層とが導電性の接着剤で接着されている請求項１または２に記載の発振装置。
【請求項４】
前記振動部材は、表面に位置する樹脂層と、裏面に位置する金属層と、を有する請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項５】
前記圧電層が、圧電セラミックからなる請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項６】
前記圧電振動子が発振する超音波の周波数が２０ｋＨｚを超える請求項１ないし５の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項７】
前記圧電振動子が可聴波の超音波変調波を発振する請求項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】
圧電作用により分極方向に発振する圧電層と、
前記圧電層の表面と側面と裏面の一部とに連続的に形成されている表面電極層と、
前記表面電極層と干渉しない範囲で前記圧電層の裏面に形成されている裏面電極層と、
前記圧電層と前記表面電極層と前記裏面電極層からなる圧電振動子が表面に搭載されている振動部材と、
前記裏面電極層に導通することなく前記表面電極層と導通する形状に前記振動部材の表面に形成されている第一配線層と、
前記表面電極層に導通することなく前記裏面電極層と導通する形状に前記振動部材の表面に形成されている第二配線層と、
前記第一配線層と前記第二配線層との間隙および前記表面電極層と前記裏面電極層との間隙を充填している絶縁材と、
を有する発振装置。
【請求項２】
前記絶縁材は、前記圧電振動子を前記振動部材の表面に接着している請求項１に記載の発振装置。
【請求項３】
前記表面電極層と前記第一配線層とが導電性の接着剤で接着されており、
前記裏面電極層と前記第二配線層とが導電性の接着剤で接着されている請求項１または２に記載の発振装置。
【請求項４】
前記振動部材は、表面に位置する樹脂層と、裏面に位置する金属層と、を有する請求項１ないし３の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項５】
前記圧電層が、圧電セラミックからなる請求項１ないし４の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項６】
前記圧電振動子が発振する超音波の周波数が２０ｋＨｚを超える請求項１ないし５の何れか一項に記載の発振装置。
【請求項７】
前記圧電振動子が可聴波の超音波変調波を発振する請求項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２】
【公開番号】特開２０１２−１５７５７（Ｐ２０１２−１５７５７Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４９８９３（Ｐ２０１０−１４９８９３）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【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１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【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）】
[ Back to top ]