発振装置及び電子機器
【課題】Ｄ級アンプにより駆動し、かつ圧電素子を利用した発振装置において、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することを抑制する。
【解決手段】この発振装置は、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子、及びインダクタ５２を備え、Ｄ級アンプ（制御部５０）により振動部材１０に駆動信号が入力される。そして圧電振動子の静電容量、及びインダクタ５２により、ローパスフィルタが構成される。このローパスフィルタは、制御部５０からの駆動信号と同一周波数成分を除去する。
【解決手段】この発振装置は、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子、及びインダクタ５２を備え、Ｄ級アンプ（制御部５０）により振動部材１０に駆動信号が入力される。そして圧電振動子の静電容量、及びインダクタ５２により、ローパスフィルタが構成される。このローパスフィルタは、制御部５０からの駆動信号と同一周波数成分を除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピーカの一つに、圧電素子を発振源として利用するものがある。このタイプのスピーカは、ボイスコイル及び磁石を用いた動電型のスピーカと比較して、小型化しやすい、という特徴がある。
【０００３】
一方、近年は、アンプとしてＤ級アンプを用いるケースが増加している。
【０００４】
特許文献１には、Ｄ級アンプとスピーカの間にローパスフィルタを設けることが記載されている。特許文献２には、圧電型のトランスデューサは共振特性が鋭いから静電型トランスデューサのほうが好ましいことを前提とした技術が記載されている。具体的には、特許文献２，３には、Ｄ級アンプと静電型トランスデューサの間にローパスフィルタを設けること、及び、ローパスフィルタの最後段の容量として静電型トランスデューサの負荷容量を用いることが記載されている。
【０００５】
特許文献４、５には、圧電素子を用いた超音波振動装置において、駆動電源と超音波振動子の間にインダクタンスを直列に接続し、このインダクタンスと超音波振動子の容量とを用いて直列共振回路を形成することが記載されている。特許文献４では、この直列共振回路の共振周波数を、超音波振動子の共振周波数と、超音波振動子上に設けられたホーンの共振周波数の間にすることを、発明の主要部としている。特許文献５では、直列に接続したインダクタンスと超音波振動子の容量による直列共振回路の共振周波数と、等価直列コンデンサ及び等価並列インダクタからなる直列共振回路の共振周波数と、のいずれかを、超音波振動子を駆動する周波数とすることを、発明の主要部としている。
【０００６】
特許文献６には、互いに異なる共振周波数を有する複数の振動子を選択して駆動する際に、選択された振動子の共振周波数に対応した駆動信号を用いることが記載されている。特許文献７には、パラメトリックスピーカの制御部が、超音波源への入力電力が最低となるように搬送波の周波数を調整することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３３００３５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７４６１９号公報
【特許文献３】特開２００７−１８１１７６号公報
【特許文献４】特開２００４−３４９９５６号公報
【特許文献５】特開２０１０−２３９３４６号公報
【特許文献６】特開平８−９４８８号公報
【特許文献７】特開昭６２−２８９０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧電振動子を利用したスピーカの駆動源としてＤ級アンプを使用する場合も、Ｄ級アンプとスピーカの間にローパスフィルタを設ける必要がある。しかし、ローパスフィルタは複数の素子を用いて形成されているため、ある程度の体積を占めることになる。すなわち、Ｄ級アンプを使用すると、圧電素子を利用したスピーカの特徴の一つである、小型化が妨げられてしまう。
【０００９】
また圧電振動子を利用したスピーカは、パラメトリックスピーカとして使用されることがある。この場合、搬送波には、圧電振動子の共振周波数が用いられることが多い。しかし、圧電振動子の形状を変化させずにその共振周波数を調整することは難しい。
【００１０】
また、発振装置を共振周波数で振動させる場合、発振装置には、共振周波数の設計値が記憶されている。しかし、圧電振動子は機械的品質係数Ｑが高いため、圧電振動子の共振周波数が設計値から外れると、共振周波数における発振装置の出力は低下してしまう。
【００１１】
本発明の目的は、Ｄ級アンプにより駆動し、かつ圧電素子を利用した発振装置において、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することを抑制することにある。また本発明の別の目的は、圧電振動子の形状を変化させずに共振周波数を調整することができる発振装置及び電子機器を提供することにある。また本発明の別の目的は、圧電振動子の共振周波数が設計値から外れても、共振周波数における発振装置の出力が低下することを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、圧電振動子と、
前記圧電振動子に直列に接続されたインダクタと、
を備え、
Ｄ級アンプにより前記圧電振動子に駆動信号が入力され、
前記圧電振動子の静電容量、及び前記インダクタにより、前記駆動信号と同一周波数成分を除去するローパスフィルタが形成される発振装置が提供される。
【００１３】
本発明によれば、圧電振動子と、
前記圧電振動子に直列に接続されたインダクタと、
を備え、
前記圧電振動子の静電容量、及び前記インダクタにより、前記圧電振動子の共振周波数を低域側にシフトするフィルタが形成される発振装置が提供される。
【００１４】
本発明によれば、圧電振動子と、
前記圧電振動子の共振周波数の実測値を記憶する周波数記憶手段と、
前記共振周波数の駆動信号を前記圧電振動子に入力する制御手段と、
を備える発振装置が提供される。
【００１５】
本発明によれば、上記した発振装置を備える電子機器が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、Ｄ級アンプにより駆動し、かつ圧電素子を利用した発振装置において、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することを抑制できる。また本発明によれば、圧電振動子の形状を変化させずに共振周波数を調整することができる。また本発明によれば、圧電振動子の共振周波数が設計値から外れても、共振周波数における発振装置の出力が低下することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示した発振装置の等価回路図である。
【図３】図１に示した発振装置を電子機器に取り付けた状態を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。
【図５】第３の実施形態に係る発振装置の等価回路図である。
【図６】第４の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。
【図７】第５の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。
【図８】圧電振動子の共振周波数の測定装置の構成を示す図である。
【図９】圧電振動子の共振周波数の測定方法を示すフローチャートである。
【図１０】図７に示した発振装置の変形例を示す図である。
【図１１】図１０に示した電子機器において共振周波数を測定装置する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（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図である。図２は、図１に示した発振装置の等価回路図である。この発振装置は、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子、及びインダクタ５２を備え、Ｄ級アンプ（制御部５０）により振動部材１０に駆動信号が入力される。インダクタ５２は圧電振動子に直列に接続されている。そして圧電振動子の静電容量２２、及びインダクタ５２により、ローパスフィルタが構成される。このローパスフィルタは、制御部５０からの駆動信号と同一周波数成分を除去する。以下、詳細に説明する。
【００２０】
振動部材１０はシート状であり、圧電素子２０から発生した振動によって振動する。また振動部材１０は、圧電素子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、圧電素子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、脆性材料である圧電素子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。
【００２１】
圧電素子２０は、例えばＰＺＴなどの圧電セラミックスにより形成されている。ただし圧電素子２０は、他の圧電材料により形成されていても良い。圧電素子２０の平面形状は、振動部材１０の平面形状よりも小さい。
【００２２】
制御部５０は、外部から入力された音声信号に基づいて駆動信号を生成し、生成した駆動信号を圧電素子２０に入力する。本実施形態では、制御部５０は、Ｄ級アンプであり、音声信号をパルス幅変調（ＰＷＭ）またはパルス密度変調（ＰＤＭ）することにより、駆動信号を生成する。
【００２３】
インダクタ５２のインダクタンス値Ｌ［Ｈ］は、上記したように、圧電振動子の静電容量２２とインダクタ５２から構成されるローパスフィルタが、制御部５０が生成する駆動信号と同一周波数の成分を除去するように、定められる。
【００２４】
具体的には、インダクタンス値Ｌは、以下の式（１）を満たすように定められるのが好ましい。
【数１】
ただし、Ｃ：静電容量２２［Ｆ］、ｆ：駆動信号の周波数［Ｈｚ］
【００２５】
また本図に示す例では、発振装置は支持枠４０を備えている。支持枠４０は、振動部材１０の縁を支持している。支持枠４０は、樹脂により形成されていても良いし、剛性の高い金属により形成されていても良い。
【００２６】
図３は、図１に示した発振装置を電子機器に取り付けた状態を示す図である。
【００２７】
本図に示す例において、支持枠４０は樹脂製であり、筒の底面を塞いだ形状を有している。支持枠４０の底面には、開口４２が設けられている。また支持枠４０の外面には、端子８０，８２が設けられている。端子８０は配線を介して圧電素子２０の一面に接続しており、端子８２は、別の配線を介して振動部材１０に接続している。本実施形態では、振動部材１０は金属製であるため、配線は、振動部材１０を介して圧電素子２０に駆動信号を入力することができる。なお、端子８２に接続している配線は、圧電素子２０の他面に直接接続していても良い。そして端子８０，８２には、制御部５０から駆動信号が入力される。
【００２８】
そして発振装置は、支持枠４０の上端面が、筐体６０の内壁に取り付けられる。筐体６０には、音孔６２が設けられている。そして支持枠４０は、平面視で音孔６２を内側に含んでいる。このため、音孔６２は振動部材１０及び圧電素子２０と対向し、振動部材１０及び圧電素子２０が発振した音波は、音孔６２を介して筐体６０の外部に放射される。
【００２９】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施形態によれば、ローパスフィルタの容量として、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子の静電容量２２を用いている。従って、ローパスフィルタを構成する部品の数を少なくすることができるため、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することを抑制できる。
【００３０】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る電子機器の構成を示す図であり、第１の実施形態における図３に対応している。本実施形態に係る電子機器は、発振装置のインダクタ５２の構成を除いて、第１の実施形態に係る電子機器と同様である。
【００３１】
本実施形態において、インダクタ５２はコア部材５４を有している。コア部材５４は、振動部材１０のうち圧電素子２０が設けられていない側の面に設けられている。コア部材５４は、磁性材料、例えばＮｉ−Ｚｎフェライトなどのスピネルフェライトにより形成されている。コア部材５４は、バルク材を振動部材１０に取り付けた構成であっても良いし、振動部材１０の裏面に膜として形成されても良い。後者の場合、コア部材５４は、例えば蒸着、スパッタリング、またはめっきにより形成される。
【００３２】
そしてインダクタ５２は、コア部材５４に巻かれている。すなわちインダクタ５２も、振動部材１０のうち圧電素子２０が設けられていない側の面に設けられている。
【００３３】
本実施形態においてインダクタ５２は、上記した（１）式を満たすとともに、下記（２）式を満たしている。
【００３４】
【数２】
ただし、ｎ：インダクタ５２の巻き数［回］、μ：コア部材５４の透磁率［Ｈ／ｍ］、ｌ：インダクタ５２の長さ［ｍ］、Ｓ：インダクタ５２の断面積［ｍ２］、ＫＮ：長岡係数である。
【００３５】
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にインダクタ５２が取り付けられているため、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することをさらに抑制できる。
【００３６】
また、インダクタ５２はコア部材５４を有しているため、インダクタ５２を小型化することができる。このため、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することをさらに抑制できる。
【００３７】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る発振装置の等価回路図である。本実施形態に係る発振装置は、インダクタ５２と静電容量２２により、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子の共振周波数を低域側にシフトさせるフィルタが形成されている点、及び制御部５０の動作を除いて、第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。
【００３８】
振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子は、基本共振周波数、及び高次の基本共振周波数を有している。そして各モードの共振周波数別に、等価回路を描くことができる。具体的には、ｎ次の共振周波数の等価回路は、圧電振動子の機械インダクタンスＬｍａ＿ｎ、圧電振動子の機械的損失Ｒｍａ＿ｎ、及び圧電振動子の機械コンプライアンスＣｍａ＿ｎが、直列に接続した構成を有している。そしてｎ次の共振周波数ｆｎは、以下の式（３）で表される。
【００３９】
【数３】
【００４０】
振動部材１０及び圧電素子２０の大きさ及び形状は、発振装置が組み込まれる電子機器の大きさや、発振装置に求められる出力、量産性などによって定められる。そして、振動部材１０及び圧電素子２０の大きさ及び形状によって、振動部材１０及び圧電素子２０の共振周波数が定まる。ｎ次の共振周波数が所望の値よりも大きい場合、ｎ次の共振周波数と所望の周波数の差をｆshift［Ｈｚ］とすると、インダクタ５２のインダクタンスＬ［Ｈ］は、以下の（４）式を満たすように定められる。
【００４１】
【数４】
【００４２】
また、基本共振周波数の下限ｆmin［Ｈｚ］が定められている場合、インダクタ５２のインダクタンスＬ［Ｈ］は、以下の（５）式も満たす必要がある。なお、ｆminは、例えば３０ｋＨｚ以上である。
【００４３】
【数５】
【００４４】
本実施形態において、発振装置は、例えばバラメトリックスピーカとして使用される。このため、制御部５０は、外部から入力された音声データ（原信号）を変調してパラメトリックスピーカ用の変調データを生成し、このデータに基づいて駆動信号を生成する。この駆動信号の周波数は、振動部材１０及び圧電素子２０のｎ次の共振周波数である。制御部５０がｎとしてどの値を選択するかにより、パラメトリックスピーカの指向性を制御できる。そして本実施形態では、ｆshift［Ｈｚ］の大きさを調節することにより、パラメトリックスピーカの搬送波として使用できる周波数帯域に、複数のモードの共振周波数を位置させることができる。
【００４５】
以上、本実施形態によれば、圧電振動子の形状を変化させずに共振周波数を調整することができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。本実施形態に係る発振装置は、直流抵抗５６を有する点を除いて、第３の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。本実施形態において、直流抵抗５６は、インダクタ５２と圧電素子２０の間に設けられている。
【００４７】
圧電振動子の静電容量及びインダクタ５２からなるフィルタを用いた場合、圧電素子２０の機械品質係数Ｑが見かけ上低下し、共振周波数における発振装置の出力が低下する可能性がある。そこで本実施形態では、以下の式（６）を満たすように、直流抵抗５６の抵抗値Ｒ［Ω］を定める。ここで、Ｑtarget_nは、ｎ次の共振周波数における圧電素子２０の機械品質係数Ｑの目標値である。
【００４８】
【数６】
【００４９】
なお、発振装置がパラメトリックスピーカの発振源として使用される場合、圧電振動子の基本共振周波数が搬送波の周波数として用いられる場合が多い。このため、ｎ＝１の場合に、（６）式を満たすことは重要である。
【００５０】
また、以下の（７）式を満たすことが好ましい。なお、（７）は、（８）式のように変形できる。
【００５１】
【数７】
【数８】
【００５２】
本実施記形態によれば、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、直流抵抗５６を設けているため、圧電素子２０の機械品質係数Ｑが見かけ上低下することを抑制できる。
【００５３】
（第５の実施形態）
図７は、第５の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。この発振装置は、以下の点を除いて第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。
【００５４】
まずインダクタ５２が設けられていない。また、制御部５０はＤ級アンプではなく、パラメトリックスピーカの発振源として機能する。
【００５５】
またこの発振装置は周波数記憶部５１を有している。周波数記憶部５１は、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子の共振周波数の実測値を記憶している。このため、圧電振動子の共振周波数が設計値から外れても、共振周波数における発振装置の出力が低下することを抑制することができる。なお、本図に示す例では、圧電振動子の共振周波数は、発振装置単体で実測されている。
【００５６】
図８は、圧電振動子の共振周波数の測定装置の構成を示す図である。この測定装置は、インピーダンス測定部７２、設定制御部７４、マイクロフォン７６、及び音圧測定部７８を有している。インピーダンス測定部７２は圧電素子２０に接続しており、圧電素子２０のインピーダンスを測定する。設定制御部７４は、インピーダンス測定部７２の測定結果に基づいて、振動部材１０及び圧電素子２０の共振周波数を算出し、算出した共振周波数を周波数記憶部５１に書き込む。マイクロフォン７６は、発振装置から出力された音波を電気信号に変換する。音圧測定部７８は、マイクロフォン７６の測定結果に基づいて、発振装置の音圧を測定し、設定制御部７４に出力する。
【００５７】
図９は、圧電振動子の共振周波数の測定方法を示すフローチャートである。設定制御部７４は、制御部５０を制御し、周波数を変えながら圧電素子２０に信号を入力する。そしてインピーダンス測定部７２は、圧電素子２０のインピーダンスを測定し、設定制御部７４に出力する。このようにして、設定制御部７４は、圧電素子２０のインピーダンスの周波数依存性を測定する（ステップＳ１０）。
【００５８】
次いで設定制御部７４は、圧電素子２０のコンダクタンスの周波数依存性を算出し、コンダクタンスが最大となる周波数を、圧電素子２０の基本共振周波数と判断し（ステップＳ２０）、周波数記憶部５１に書き込む（ステップＳ３０）。
【００５９】
次いで設定制御部７４は、制御部５０に、周波数記憶部５１に書き込んだ周波数の駆動信号を出力させる。このとき発振装置が出力した音波は、マイクロフォン７６によって電気信号に変換される。音圧測定部７８は、マイクロフォン７６から出力された電気信号に基づいて、音圧を算出する（ステップＳ４０）。設定制御部７４は、音圧測定部７８が算出した音圧が基準値以上である場合（ステップＳ５０：Ｙｅｓ）、動作を終了する。また設定制御部７４は、音圧測定部７８が算出した音圧が基準値未満である場合（ステップＳ５０：Ｎｏ）、ステップＳ１０に戻る。
【００６０】
なお、ステップＳ５０において所定回数以上Ｎｏと判断された場合、その発振装置は不良品である可能性が高いため、警告処理をするとともに処理を終了するのが好ましい。
【００６１】
図１０は、図７に示した発振装置の変形例を示す図である。本図に示す例において、発振装置は電子機器の筐体６０内に収容されている。そして支持枠４０や筐体６０が振動要素の一部として機能する場合、図８の状態における圧電振動子の共振周波数は、発振装置単体で測定された共振周波数とは異なる可能性がある。このばらつきは例えば±５Ｈｚ程度である。
【００６２】
そこで本変形例では、図１１に示すように、共振周波数は、筐体６０に収容された状態で実測されている。このため、制御部５０は、さらに高い精度でパラメトリックスピーカの変調波の周波数を設定することができる。
【００６３】
本実施形態によって製造された発振装置は、周波数記憶部５１に記憶されている共振周波数は、個体間で同一の値になる可能性は低く、個体ごとに異なる可能性が高い。
【００６４】
以上、本実施形態によれば、周波数記憶部５１は、圧電振動子の共振周波数の実測値を記憶している。このため、圧電振動子の共振周波数が設計値から外れても、共振周波数における発振装置の出力が低下することを抑制することができる。この効果は、発振装置がパラメトリックスピーカの発振源として使用される場合、特に大きくなる。
【００６５】
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】
【００６６】
１０ 振動部材
２０ 圧電素子
２２ 静電容量
４０ 支持枠
４２ 開口
５０ 制御部
５１ 周波数記憶部
５２ インダクタ
５４ コア部材
５６ 直流抵抗
６０ 筐体
６２ 音孔
７２ インピーダンス測定部
７４ 設定制御部
７６ マイクロフォン
７８ 音圧測定部
８０ 端子
８２ 端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピーカの一つに、圧電素子を発振源として利用するものがある。このタイプのスピーカは、ボイスコイル及び磁石を用いた動電型のスピーカと比較して、小型化しやすい、という特徴がある。
【０００３】
一方、近年は、アンプとしてＤ級アンプを用いるケースが増加している。
【０００４】
特許文献１には、Ｄ級アンプとスピーカの間にローパスフィルタを設けることが記載されている。特許文献２には、圧電型のトランスデューサは共振特性が鋭いから静電型トランスデューサのほうが好ましいことを前提とした技術が記載されている。具体的には、特許文献２，３には、Ｄ級アンプと静電型トランスデューサの間にローパスフィルタを設けること、及び、ローパスフィルタの最後段の容量として静電型トランスデューサの負荷容量を用いることが記載されている。
【０００５】
特許文献４、５には、圧電素子を用いた超音波振動装置において、駆動電源と超音波振動子の間にインダクタンスを直列に接続し、このインダクタンスと超音波振動子の容量とを用いて直列共振回路を形成することが記載されている。特許文献４では、この直列共振回路の共振周波数を、超音波振動子の共振周波数と、超音波振動子上に設けられたホーンの共振周波数の間にすることを、発明の主要部としている。特許文献５では、直列に接続したインダクタンスと超音波振動子の容量による直列共振回路の共振周波数と、等価直列コンデンサ及び等価並列インダクタからなる直列共振回路の共振周波数と、のいずれかを、超音波振動子を駆動する周波数とすることを、発明の主要部としている。
【０００６】
特許文献６には、互いに異なる共振周波数を有する複数の振動子を選択して駆動する際に、選択された振動子の共振周波数に対応した駆動信号を用いることが記載されている。特許文献７には、パラメトリックスピーカの制御部が、超音波源への入力電力が最低となるように搬送波の周波数を調整することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３３００３５号公報
【特許文献２】特開２００７−１７４６１９号公報
【特許文献３】特開２００７−１８１１７６号公報
【特許文献４】特開２００４−３４９９５６号公報
【特許文献５】特開２０１０−２３９３４６号公報
【特許文献６】特開平８−９４８８号公報
【特許文献７】特開昭６２−２８９０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
圧電振動子を利用したスピーカの駆動源としてＤ級アンプを使用する場合も、Ｄ級アンプとスピーカの間にローパスフィルタを設ける必要がある。しかし、ローパスフィルタは複数の素子を用いて形成されているため、ある程度の体積を占めることになる。すなわち、Ｄ級アンプを使用すると、圧電素子を利用したスピーカの特徴の一つである、小型化が妨げられてしまう。
【０００９】
また圧電振動子を利用したスピーカは、パラメトリックスピーカとして使用されることがある。この場合、搬送波には、圧電振動子の共振周波数が用いられることが多い。しかし、圧電振動子の形状を変化させずにその共振周波数を調整することは難しい。
【００１０】
また、発振装置を共振周波数で振動させる場合、発振装置には、共振周波数の設計値が記憶されている。しかし、圧電振動子は機械的品質係数Ｑが高いため、圧電振動子の共振周波数が設計値から外れると、共振周波数における発振装置の出力は低下してしまう。
【００１１】
本発明の目的は、Ｄ級アンプにより駆動し、かつ圧電素子を利用した発振装置において、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することを抑制することにある。また本発明の別の目的は、圧電振動子の形状を変化させずに共振周波数を調整することができる発振装置及び電子機器を提供することにある。また本発明の別の目的は、圧電振動子の共振周波数が設計値から外れても、共振周波数における発振装置の出力が低下することを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、圧電振動子と、
前記圧電振動子に直列に接続されたインダクタと、
を備え、
Ｄ級アンプにより前記圧電振動子に駆動信号が入力され、
前記圧電振動子の静電容量、及び前記インダクタにより、前記駆動信号と同一周波数成分を除去するローパスフィルタが形成される発振装置が提供される。
【００１３】
本発明によれば、圧電振動子と、
前記圧電振動子に直列に接続されたインダクタと、
を備え、
前記圧電振動子の静電容量、及び前記インダクタにより、前記圧電振動子の共振周波数を低域側にシフトするフィルタが形成される発振装置が提供される。
【００１４】
本発明によれば、圧電振動子と、
前記圧電振動子の共振周波数の実測値を記憶する周波数記憶手段と、
前記共振周波数の駆動信号を前記圧電振動子に入力する制御手段と、
を備える発振装置が提供される。
【００１５】
本発明によれば、上記した発振装置を備える電子機器が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、Ｄ級アンプにより駆動し、かつ圧電素子を利用した発振装置において、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することを抑制できる。また本発明によれば、圧電振動子の形状を変化させずに共振周波数を調整することができる。また本発明によれば、圧電振動子の共振周波数が設計値から外れても、共振周波数における発振装置の出力が低下することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示した発振装置の等価回路図である。
【図３】図１に示した発振装置を電子機器に取り付けた状態を示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る電子機器の構成を示す図である。
【図５】第３の実施形態に係る発振装置の等価回路図である。
【図６】第４の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。
【図７】第５の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。
【図８】圧電振動子の共振周波数の測定装置の構成を示す図である。
【図９】圧電振動子の共振周波数の測定方法を示すフローチャートである。
【図１０】図７に示した発振装置の変形例を示す図である。
【図１１】図１０に示した電子機器において共振周波数を測定装置する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（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図である。図２は、図１に示した発振装置の等価回路図である。この発振装置は、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子、及びインダクタ５２を備え、Ｄ級アンプ（制御部５０）により振動部材１０に駆動信号が入力される。インダクタ５２は圧電振動子に直列に接続されている。そして圧電振動子の静電容量２２、及びインダクタ５２により、ローパスフィルタが構成される。このローパスフィルタは、制御部５０からの駆動信号と同一周波数成分を除去する。以下、詳細に説明する。
【００２０】
振動部材１０はシート状であり、圧電素子２０から発生した振動によって振動する。また振動部材１０は、圧電素子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、圧電素子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、脆性材料である圧電素子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。
【００２１】
圧電素子２０は、例えばＰＺＴなどの圧電セラミックスにより形成されている。ただし圧電素子２０は、他の圧電材料により形成されていても良い。圧電素子２０の平面形状は、振動部材１０の平面形状よりも小さい。
【００２２】
制御部５０は、外部から入力された音声信号に基づいて駆動信号を生成し、生成した駆動信号を圧電素子２０に入力する。本実施形態では、制御部５０は、Ｄ級アンプであり、音声信号をパルス幅変調（ＰＷＭ）またはパルス密度変調（ＰＤＭ）することにより、駆動信号を生成する。
【００２３】
インダクタ５２のインダクタンス値Ｌ［Ｈ］は、上記したように、圧電振動子の静電容量２２とインダクタ５２から構成されるローパスフィルタが、制御部５０が生成する駆動信号と同一周波数の成分を除去するように、定められる。
【００２４】
具体的には、インダクタンス値Ｌは、以下の式（１）を満たすように定められるのが好ましい。
【数１】
ただし、Ｃ：静電容量２２［Ｆ］、ｆ：駆動信号の周波数［Ｈｚ］
【００２５】
また本図に示す例では、発振装置は支持枠４０を備えている。支持枠４０は、振動部材１０の縁を支持している。支持枠４０は、樹脂により形成されていても良いし、剛性の高い金属により形成されていても良い。
【００２６】
図３は、図１に示した発振装置を電子機器に取り付けた状態を示す図である。
【００２７】
本図に示す例において、支持枠４０は樹脂製であり、筒の底面を塞いだ形状を有している。支持枠４０の底面には、開口４２が設けられている。また支持枠４０の外面には、端子８０，８２が設けられている。端子８０は配線を介して圧電素子２０の一面に接続しており、端子８２は、別の配線を介して振動部材１０に接続している。本実施形態では、振動部材１０は金属製であるため、配線は、振動部材１０を介して圧電素子２０に駆動信号を入力することができる。なお、端子８２に接続している配線は、圧電素子２０の他面に直接接続していても良い。そして端子８０，８２には、制御部５０から駆動信号が入力される。
【００２８】
そして発振装置は、支持枠４０の上端面が、筐体６０の内壁に取り付けられる。筐体６０には、音孔６２が設けられている。そして支持枠４０は、平面視で音孔６２を内側に含んでいる。このため、音孔６２は振動部材１０及び圧電素子２０と対向し、振動部材１０及び圧電素子２０が発振した音波は、音孔６２を介して筐体６０の外部に放射される。
【００２９】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施形態によれば、ローパスフィルタの容量として、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子の静電容量２２を用いている。従って、ローパスフィルタを構成する部品の数を少なくすることができるため、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することを抑制できる。
【００３０】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る電子機器の構成を示す図であり、第１の実施形態における図３に対応している。本実施形態に係る電子機器は、発振装置のインダクタ５２の構成を除いて、第１の実施形態に係る電子機器と同様である。
【００３１】
本実施形態において、インダクタ５２はコア部材５４を有している。コア部材５４は、振動部材１０のうち圧電素子２０が設けられていない側の面に設けられている。コア部材５４は、磁性材料、例えばＮｉ−Ｚｎフェライトなどのスピネルフェライトにより形成されている。コア部材５４は、バルク材を振動部材１０に取り付けた構成であっても良いし、振動部材１０の裏面に膜として形成されても良い。後者の場合、コア部材５４は、例えば蒸着、スパッタリング、またはめっきにより形成される。
【００３２】
そしてインダクタ５２は、コア部材５４に巻かれている。すなわちインダクタ５２も、振動部材１０のうち圧電素子２０が設けられていない側の面に設けられている。
【００３３】
本実施形態においてインダクタ５２は、上記した（１）式を満たすとともに、下記（２）式を満たしている。
【００３４】
【数２】
ただし、ｎ：インダクタ５２の巻き数［回］、μ：コア部材５４の透磁率［Ｈ／ｍ］、ｌ：インダクタ５２の長さ［ｍ］、Ｓ：インダクタ５２の断面積［ｍ２］、ＫＮ：長岡係数である。
【００３５】
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にインダクタ５２が取り付けられているため、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することをさらに抑制できる。
【００３６】
また、インダクタ５２はコア部材５４を有しているため、インダクタ５２を小型化することができる。このため、ローパスフィルタを設けることにより発振装置が大型化することをさらに抑制できる。
【００３７】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る発振装置の等価回路図である。本実施形態に係る発振装置は、インダクタ５２と静電容量２２により、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子の共振周波数を低域側にシフトさせるフィルタが形成されている点、及び制御部５０の動作を除いて、第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。
【００３８】
振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子は、基本共振周波数、及び高次の基本共振周波数を有している。そして各モードの共振周波数別に、等価回路を描くことができる。具体的には、ｎ次の共振周波数の等価回路は、圧電振動子の機械インダクタンスＬｍａ＿ｎ、圧電振動子の機械的損失Ｒｍａ＿ｎ、及び圧電振動子の機械コンプライアンスＣｍａ＿ｎが、直列に接続した構成を有している。そしてｎ次の共振周波数ｆｎは、以下の式（３）で表される。
【００３９】
【数３】
【００４０】
振動部材１０及び圧電素子２０の大きさ及び形状は、発振装置が組み込まれる電子機器の大きさや、発振装置に求められる出力、量産性などによって定められる。そして、振動部材１０及び圧電素子２０の大きさ及び形状によって、振動部材１０及び圧電素子２０の共振周波数が定まる。ｎ次の共振周波数が所望の値よりも大きい場合、ｎ次の共振周波数と所望の周波数の差をｆshift［Ｈｚ］とすると、インダクタ５２のインダクタンスＬ［Ｈ］は、以下の（４）式を満たすように定められる。
【００４１】
【数４】
【００４２】
また、基本共振周波数の下限ｆmin［Ｈｚ］が定められている場合、インダクタ５２のインダクタンスＬ［Ｈ］は、以下の（５）式も満たす必要がある。なお、ｆminは、例えば３０ｋＨｚ以上である。
【００４３】
【数５】
【００４４】
本実施形態において、発振装置は、例えばバラメトリックスピーカとして使用される。このため、制御部５０は、外部から入力された音声データ（原信号）を変調してパラメトリックスピーカ用の変調データを生成し、このデータに基づいて駆動信号を生成する。この駆動信号の周波数は、振動部材１０及び圧電素子２０のｎ次の共振周波数である。制御部５０がｎとしてどの値を選択するかにより、パラメトリックスピーカの指向性を制御できる。そして本実施形態では、ｆshift［Ｈｚ］の大きさを調節することにより、パラメトリックスピーカの搬送波として使用できる周波数帯域に、複数のモードの共振周波数を位置させることができる。
【００４５】
以上、本実施形態によれば、圧電振動子の形状を変化させずに共振周波数を調整することができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。本実施形態に係る発振装置は、直流抵抗５６を有する点を除いて、第３の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。本実施形態において、直流抵抗５６は、インダクタ５２と圧電素子２０の間に設けられている。
【００４７】
圧電振動子の静電容量及びインダクタ５２からなるフィルタを用いた場合、圧電素子２０の機械品質係数Ｑが見かけ上低下し、共振周波数における発振装置の出力が低下する可能性がある。そこで本実施形態では、以下の式（６）を満たすように、直流抵抗５６の抵抗値Ｒ［Ω］を定める。ここで、Ｑtarget_nは、ｎ次の共振周波数における圧電素子２０の機械品質係数Ｑの目標値である。
【００４８】
【数６】
【００４９】
なお、発振装置がパラメトリックスピーカの発振源として使用される場合、圧電振動子の基本共振周波数が搬送波の周波数として用いられる場合が多い。このため、ｎ＝１の場合に、（６）式を満たすことは重要である。
【００５０】
また、以下の（７）式を満たすことが好ましい。なお、（７）は、（８）式のように変形できる。
【００５１】
【数７】
【数８】
【００５２】
本実施記形態によれば、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、直流抵抗５６を設けているため、圧電素子２０の機械品質係数Ｑが見かけ上低下することを抑制できる。
【００５３】
（第５の実施形態）
図７は、第５の実施形態に係る発振装置の構成を示す図である。この発振装置は、以下の点を除いて第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。
【００５４】
まずインダクタ５２が設けられていない。また、制御部５０はＤ級アンプではなく、パラメトリックスピーカの発振源として機能する。
【００５５】
またこの発振装置は周波数記憶部５１を有している。周波数記憶部５１は、振動部材１０及び圧電素子２０からなる圧電振動子の共振周波数の実測値を記憶している。このため、圧電振動子の共振周波数が設計値から外れても、共振周波数における発振装置の出力が低下することを抑制することができる。なお、本図に示す例では、圧電振動子の共振周波数は、発振装置単体で実測されている。
【００５６】
図８は、圧電振動子の共振周波数の測定装置の構成を示す図である。この測定装置は、インピーダンス測定部７２、設定制御部７４、マイクロフォン７６、及び音圧測定部７８を有している。インピーダンス測定部７２は圧電素子２０に接続しており、圧電素子２０のインピーダンスを測定する。設定制御部７４は、インピーダンス測定部７２の測定結果に基づいて、振動部材１０及び圧電素子２０の共振周波数を算出し、算出した共振周波数を周波数記憶部５１に書き込む。マイクロフォン７６は、発振装置から出力された音波を電気信号に変換する。音圧測定部７８は、マイクロフォン７６の測定結果に基づいて、発振装置の音圧を測定し、設定制御部７４に出力する。
【００５７】
図９は、圧電振動子の共振周波数の測定方法を示すフローチャートである。設定制御部７４は、制御部５０を制御し、周波数を変えながら圧電素子２０に信号を入力する。そしてインピーダンス測定部７２は、圧電素子２０のインピーダンスを測定し、設定制御部７４に出力する。このようにして、設定制御部７４は、圧電素子２０のインピーダンスの周波数依存性を測定する（ステップＳ１０）。
【００５８】
次いで設定制御部７４は、圧電素子２０のコンダクタンスの周波数依存性を算出し、コンダクタンスが最大となる周波数を、圧電素子２０の基本共振周波数と判断し（ステップＳ２０）、周波数記憶部５１に書き込む（ステップＳ３０）。
【００５９】
次いで設定制御部７４は、制御部５０に、周波数記憶部５１に書き込んだ周波数の駆動信号を出力させる。このとき発振装置が出力した音波は、マイクロフォン７６によって電気信号に変換される。音圧測定部７８は、マイクロフォン７６から出力された電気信号に基づいて、音圧を算出する（ステップＳ４０）。設定制御部７４は、音圧測定部７８が算出した音圧が基準値以上である場合（ステップＳ５０：Ｙｅｓ）、動作を終了する。また設定制御部７４は、音圧測定部７８が算出した音圧が基準値未満である場合（ステップＳ５０：Ｎｏ）、ステップＳ１０に戻る。
【００６０】
なお、ステップＳ５０において所定回数以上Ｎｏと判断された場合、その発振装置は不良品である可能性が高いため、警告処理をするとともに処理を終了するのが好ましい。
【００６１】
図１０は、図７に示した発振装置の変形例を示す図である。本図に示す例において、発振装置は電子機器の筐体６０内に収容されている。そして支持枠４０や筐体６０が振動要素の一部として機能する場合、図８の状態における圧電振動子の共振周波数は、発振装置単体で測定された共振周波数とは異なる可能性がある。このばらつきは例えば±５Ｈｚ程度である。
【００６２】
そこで本変形例では、図１１に示すように、共振周波数は、筐体６０に収容された状態で実測されている。このため、制御部５０は、さらに高い精度でパラメトリックスピーカの変調波の周波数を設定することができる。
【００６３】
本実施形態によって製造された発振装置は、周波数記憶部５１に記憶されている共振周波数は、個体間で同一の値になる可能性は低く、個体ごとに異なる可能性が高い。
【００６４】
以上、本実施形態によれば、周波数記憶部５１は、圧電振動子の共振周波数の実測値を記憶している。このため、圧電振動子の共振周波数が設計値から外れても、共振周波数における発振装置の出力が低下することを抑制することができる。この効果は、発振装置がパラメトリックスピーカの発振源として使用される場合、特に大きくなる。
【００６５】
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】
【００６６】
１０ 振動部材
２０ 圧電素子
２２ 静電容量
４０ 支持枠
４２ 開口
５０ 制御部
５１ 周波数記憶部
５２ インダクタ
５４ コア部材
５６ 直流抵抗
６０ 筐体
６２ 音孔
７２ インピーダンス測定部
７４ 設定制御部
７６ マイクロフォン
７８ 音圧測定部
８０ 端子
８２ 端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子と、
前記圧電振動子に直列に接続されたインダクタと、
を備え、
Ｄ級アンプにより前記圧電振動子に駆動信号が入力され、
前記圧電振動子の静電容量、及び前記インダクタにより、前記駆動信号と同一周波数成分を除去するローパスフィルタが形成される発振装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発振装置において、
前記圧電振動子の静電容量をＣ、前記インダクタをＬ、前記駆動信号の周波数をｆとした場合、以下の（１）式を満たす発振装置。
【数１】
【請求項３】
請求項１に記載の発振装置において、
前記Ｄ級アンプを有する発振装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発振装置において、
前記圧電振動子は、
振動部材と、
前記振動部材の一面上に設けられた圧電素子と、
を備え、
前記振動部材の他面には、前記インダクタのコアとなるコア部材が設けられている発振装置。
【請求項５】
圧電振動子と、
前記圧電振動子に直列に接続されたインダクタと、
を備え、
前記圧電振動子の静電容量、及び前記インダクタにより、前記圧電振動子の共振周波数を低域側にシフトするフィルタが形成される発振装置。
【請求項６】
請求項５に記載の発振装置において、
低域側にシフトした後の前記圧電振動子の基本共振周波数は、３０ｋＨｚ以上である発振装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の発振装置において、
前記インダクタと前記圧電振動子の間に設けられた直流抵抗をさらに備え、
前記インダクタのインダクタンスをＬ、前記圧電振動子の機械インダクタンスをＬｍａ＿１、前記圧電振動子の機械コンプライアンスをＣｍａ＿１としたときに、基本共振周波数の下限ｆｍｉｎは以下の式（５）を満たす発振装置。
【数５】
【請求項８】
圧電振動子と、
前記圧電振動子の共振周波数の実測値を記憶する周波数記憶手段と、
前記共振周波数の駆動信号を前記圧電振動子に入力する制御手段と、
を備える発振装置。
【請求項９】
請求項８に記載の発振装置において、
複数の前記発振装置で比較した場合、前記共振周波数は互いに異なる発振装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の発振装置を有する電子機器。
【請求項１】
圧電振動子と、
前記圧電振動子に直列に接続されたインダクタと、
を備え、
Ｄ級アンプにより前記圧電振動子に駆動信号が入力され、
前記圧電振動子の静電容量、及び前記インダクタにより、前記駆動信号と同一周波数成分を除去するローパスフィルタが形成される発振装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発振装置において、
前記圧電振動子の静電容量をＣ、前記インダクタをＬ、前記駆動信号の周波数をｆとした場合、以下の（１）式を満たす発振装置。
【数１】
【請求項３】
請求項１に記載の発振装置において、
前記Ｄ級アンプを有する発振装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発振装置において、
前記圧電振動子は、
振動部材と、
前記振動部材の一面上に設けられた圧電素子と、
を備え、
前記振動部材の他面には、前記インダクタのコアとなるコア部材が設けられている発振装置。
【請求項５】
圧電振動子と、
前記圧電振動子に直列に接続されたインダクタと、
を備え、
前記圧電振動子の静電容量、及び前記インダクタにより、前記圧電振動子の共振周波数を低域側にシフトするフィルタが形成される発振装置。
【請求項６】
請求項５に記載の発振装置において、
低域側にシフトした後の前記圧電振動子の基本共振周波数は、３０ｋＨｚ以上である発振装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の発振装置において、
前記インダクタと前記圧電振動子の間に設けられた直流抵抗をさらに備え、
前記インダクタのインダクタンスをＬ、前記圧電振動子の機械インダクタンスをＬｍａ＿１、前記圧電振動子の機械コンプライアンスをＣｍａ＿１としたときに、基本共振周波数の下限ｆｍｉｎは以下の式（５）を満たす発振装置。
【数５】
【請求項８】
圧電振動子と、
前記圧電振動子の共振周波数の実測値を記憶する周波数記憶手段と、
前記共振周波数の駆動信号を前記圧電振動子に入力する制御手段と、
を備える発振装置。
【請求項９】
請求項８に記載の発振装置において、
複数の前記発振装置で比較した場合、前記共振周波数は互いに異なる発振装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の発振装置を有する電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２１７０１０（Ｐ２０１２−２１７０１０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８０９６１（Ｐ２０１１−８０９６１）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【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１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【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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