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技術 発振装置

出願人 日本電気株式会社
発明者 大西康晴黒田淳菰田元喜岸波雄一郎佐藤重夫村田行雄内川達也
出願日 2010年6月30日 (9年8ヶ月経過) 出願番号 2010-149912
公開日 2012年1月19日 (8年2ヶ月経過) 公開番号 2012-015761
状態 特許登録済
技術分野 可聴帯域用圧電型電気機械変換器 電気機械変換器用振動板
主要キーワード 薄肉フランジ 弾性復元作用 ダンピング手段 掃引体 じょう乱 慣性作用 疎密状態 粘性作用
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

小型化を図りつつ、高い音圧レベルを実現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、圧電振動子10と、圧電振動子10の一面を拘束する振動部材20と、圧電振動子10の他面に取り付けられた金属部材22と、金属部材22の圧電振動子10と接する面とは反対側の面に取り付けられた弾性部材24と、振動部材20の縁を支持する支持部材30と、金属部材22と弾性部材24とを介して圧電素子10を支持する支持部材35と、を備える。

概要

背景

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小型化に限界があった。

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、圧電振動子電界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、小型化に有利である。

圧電型電気音響変換器に関する技術として、特許文献1、特許文献2、及び特許文献3に記載のものがある。特許文献3に記載の技術は、圧電振動板の片面、又は両面にダンピング手段としてバネ材を設けるというものである。特許文献1に記載の技術は、圧電振動板の外周部を、薄肉フランジを介して支持し、かつ圧電振動板の中央部を、弾性体を介して支持するというものである。これにより音圧レベルの改善とともに、ピークディップの少ない優れた周波数特性が実現されると記載されている。

特許文献2に記載の技術は、圧電素子振動膜を、弾性を有する振動伝達部材を介して接合するというものである。振動伝達部材の弾性復元作用を利用して、十分な振動振幅を得ることができると記載されている。

概要

小型化をりつつ、高い音圧レベルを実現することができる発振装置を提供する。発振装置100は、圧電振動子10と、圧電振動子10の一面を拘束する振動部材20と、圧電振動子10の他面に取り付けられた金属部材22と、金属部材22の圧電振動子10と接する面とは反対側の面に取り付けられた弾性部材24と、振動部材20の縁を支持する支持部材30と、金属部材22と弾性部材24とを介して圧電素子10を支持する支持部材35と、を備える。

目的

本発明の目的は、小型化を図りつつ、高い音圧レベルを実現することができる発振装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

圧電振動子と、前記圧電振動子の一面を拘束する振動部材と、前記圧電振動子の他面に取り付けられた金属部材と、前記金属部材の前記圧電振動子と接する面とは反対側の面に取り付けられた第1の弾性部材と、前記振動部材の縁を支持する第1の支持部材と、前記金属部材と前記第1の弾性部材とを介して前記圧電素子を支持する第2の支持部材と、を備える発振装置

請求項2

請求項1に記載の発振装置において、前記金属部材のヤング率は、前記第1の弾性部材のヤング率の20倍以上である発振装置。

請求項3

請求項1または2に記載の発振装置において、前記第1の弾性部材は、樹脂により構成されている発振装置。

請求項4

請求項1ないし3いずれか1項に記載の発振装置において、前記第1の支持部材と前記第2の支持部材は、一体として設けられている発振装置。

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、前記圧電振動子は、前記金属部材を介して電圧印加されている発振装置。

請求項6

請求項1ないし5いずれか1項に記載の発振装置において、前記振動部材の外周部に設けられた第2の弾性部材をさらに備え、前記第2の弾性部材の剛性は、前記振動部材の剛性よりも低く、前記振動部材は、前記第2の弾性部材を介して前記第1の支持部材に支持される発振装置。

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、前記発振装置は、音波センサ発信源である発振装置。

請求項8

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、前記発振装置は、スピーカである発振装置。

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小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、小型化に有利である。

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、特許文献2、及び特許文献3に記載のものがある。特許文献3に記載の技術は、圧電振動板の片面、又は両面にダンピング手段としてバネ材を設けるというものである。特許文献1に記載の技術は、圧電振動板の外周部を、薄肉フランジを介して支持し、かつ圧電振動板の中央部を、弾性体を介して支持するというものである。これにより音圧レベルの改善とともに、ピークディップの少ない優れた周波数特性が実現されると記載されている。

0005

特許文献2に記載の技術は、圧電素子振動膜を、弾性を有する振動伝達部材を介して接合するというものである。振動伝達部材の弾性復元作用を利用して、十分な振動振幅を得ることができると記載されている。

先行技術

0006

特開2002−135893号公報
再表WO2005/094121
実開昭57−181198

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、電気音響変換器の小型化を図ることができる。一方で、電気音響変換器には、音響再生を可能とするための一定以上の音圧レベルを確保することが求められる。

0008

本発明の目的は、小型化を図りつつ、高い音圧レベルを実現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、圧電振動子と、
前記圧電振動子の一面を拘束する振動部材と、
前記圧電振動子の他面に取り付けられた金属部材と、
前記金属部材の前記圧電振動子と接する面とは反対側の面に取り付けられた第1の弾性部材と、
前記振動部材の縁を支持する第1の支持部材と、
前記金属部材と前記第1の弾性部材とを介して前記圧電素子を支持する第2の支持部材と、
を備える発振装置が提供される。

発明の効果

0010

本発明によれば、小型化を図りつつ、高い音圧レベルを実現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

第1の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。
図1に示す圧電振動子を示す断面図である。
第2の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。
第3の実施形態に係る発振装置を示す断面図である。
第4の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。
携帯通信端末の構成を示す概略図である。

実施例

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を示す断面図である。発振装置100は、圧電振動子10と、振動部材20と、金属部材22と、弾性部材24と、支持部材30と、支持部材35とを備えている。発振装置100は、例えばスピーカ、又は音波センサ発振源として使用される。また圧電体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、圧電振動子10の一面を拘束している。金属部材22は、圧電振動子10の他面に取り付けられている。弾性部材24は、金属部材22の圧電振動子10と接する面とは反対側の面に取り付けられている。支持部材30は、振動部材20の縁を支持する。支持部材35は、金属部材22と弾性部材24を介して圧電振動子10を支持する。以下図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。

0015

図1に示すように、発振装置100は、リード線26と、外部端子28をさらに備えている。外部端子28は、金属部材22に埋め込まれている。また外部端子28は、圧電振動子10と接続している。リード線26は、一端において外部端子28と接続しており、他端において発振装置100の外部に延伸している。

0016

図1に示すように、発振装置100は、制御部90と、信号生成部95をさらに備えている。信号生成部95は、圧電振動子10に入力する電気信号を生成する。制御部90は、外部から入力された情報に基づいて信号生成部95を制御する。発振装置100をスピーカとして使用する場合、制御部90に入力される情報は音声信号である。また発振装置100を音波センサとして使用する場合、制御部90に入力される信号は、音波発振する旨の指令信号である。そして発振装置100を音波センサとして使用する場合、信号生成部95は圧電振動子10に圧電振動子10の共振周波数の音波を発生させる。

0017

図2は、図1に示す圧電振動子10を示す断面図である。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。また圧電振動子10は、例えば円形楕円形、又は矩形を有する。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。

0018

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。

0019

振動部材20は、支持部材30により固定されている。よって圧電振動子10から発生した振動により、発振装置100に振動を発生させる機能を有する。また振動部材20は、発振装置100の機械的強度を向上させる機能を有する。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。振動部材20の厚みは、5〜500umであることが好ましい。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、例えばステンレス等の金属膜により構成される。

0020

金属部材22は、例えば圧電振動子10の他面のうち振動の変位量が最大となる位置に取り付けられている。弾性部材24は、例えば樹脂材料により構成されている。金属部材22のヤング率は、弾性部材24の20倍以上であることが好ましい。発振装置100に振動が発生した場合、弾性部材24には復元力による吸収・反発効果が生じる。この吸収・反発効果は金属部材22を介して、圧電振動子10及び振動部材20へ伝わる。これにより、発振装置100の振幅は増大する。支持部材30と支持部材35は、例えば一体として設けられる。

0021

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の縁を、支持部材30により支持させる。また圧電振動子10を、金属部材22及び弾性部材24を介して、支持部材35により支持させる。これにより発振装置100が形成される。

0022

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、外径=φ17mm、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、及び支持部材35により、外径=φ19mm、内径=φ18mmのバスタブ状ケースを構成することができる。支持部材30、及び支持部材35は、SUS304を用いることができる。金属部材22、及び弾性部材24は、外径=φ3mmとすることができる。金属部材22は、ステンレスを用いることができる。また弾性部材24は、PET材料を用いることができる。

0023

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、例えばパラメトリックスピーカ動作原理を利用して音響再生をすることができる。この場合制御部90は、圧電振動子10に信号生成部95を介してパラメトリックスピーカとしての変調信号を入力する。パラメトリックスピーカとして用いる場合、圧電振動子10は、20kHz以上、例えば100kHzの音波を信号の輸送波として用いる。

0024

ここでパラメトリックスピーカの動作原理を説明する。パラメトリックスピーカの動作原理は、AM変調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、層流から乱流推移することをいう。すなわち、音波は流体内で微少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、空気中の分子集団濃淡に混在する疎密状態である。空気分子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。

0025

次に、本実施形態の効果について説明する。発明者は、本実施形態における構成を有する発振装置100において、振幅が著しく増大することを見いだした。これは発振装置100に振動が発生した際に弾性部材24が生じる復元力による吸収・反発効果が、金属部材22を介することによって圧電振動子10及び振動部材20へ伝わりやすくなるためであると想定される。このため本実施形態によれば、小型化を図りつつ、高い音圧レベルを実現することができる。

0026

また発明者は、金属材料22のヤング率が弾性部材24のヤング率の20倍以上である場合、発振装置の振幅がより増大することを見いだした。よって音圧レベルをより向上させることができる。さらに圧電振動子10は、弾性部材24を介して支持部材35により支持されている。このため落下時等において、弾性部材24により衝撃エネルギーが吸収される。従って発振装置の機械的強度を向上させることができる。

0027

また、圧電振動子10は、外部端子28が埋め込まれた金属部材22と接している。このため圧電振動子10に直接外部端子を設けずとも、金属部材22に埋め込んだ外部端子28を介して、圧電振動子10を外部と接続することができる。よって発振装置の製造が容易となる。

0028

図3は、第2の実施形態に係る発振装置102を示す断面図であり、第1の実施形態に係る図1に対応している。本実施形態に係る発振装置102は、リード線26が金属部材22を介して圧電振動子10と接続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。

0029

リード線26は、金属部材22を介して圧電振動子10と接続している。圧電振動子10には、金属部材22及びリード線26を介して電圧が印加される。このため圧電振動子10に直接外部端子を設けることを要しない。よって本実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果が得られる。

0030

図4は、第3の実施形態に係る発振装置104を示す断面図であり、第1の実施形態に係る図1に対応している。本実施形態に係る発振装置104は、弾性部材32を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。

0031

弾性部材32は、振動部材20の外周部に設けられている。振動部材20は、弾性部材32を介して支持部材30に支持されている。弾性部材32は、例えばウレタン、PET、又はポリエチレン等の樹脂材料により構成されており、振動部材20よりも低い剛性を有する。弾性部材32の厚さは、特に限定されないが、振動部材20の端部の動きやすさが確保でき、かつ耐久性が基準を満たすように、その値が決定される。

0032

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。また振動部材20は、外周部の縁に設けられた弾性部材32を介して支持部材30に支持されている。このため振動部材20の端部を自由端に近づけることができる。よって振動部材20による振動の掃引体積が増大し、発振装置の音圧レベルをさらに向上させることができる。また落下時等において、弾性部材32により衝撃エネルギーが吸収される。従って発振装置の機械的強度をさらに向上させることができる。

0033

図5は、第4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、積層構造を有する点を除いて、第1の実施形態に係る圧電振動子10と同様である。

0034

図5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。

0035

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。

0036

(実施例)
図1図4、及び図5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1〜3)。本実施例では、発振装置をパラメトリックスピーカとして機能させた。また比較例1として、実施例1〜3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。周波数測定範囲は10Hz〜10kHzとした。また落下衝撃定性の測定では、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。

0037

0038

この表から、各実施例に係る発振装置は、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。また比較例と比べて、落下衝撃安定性が高いことも示された。

0039

また、図6に示すように、携帯通信端末120のスピーカ122として、実施例1〜3に係る発振装置を使用した。スピーカ122は、携帯通信端末120の筐体内面に取り付けた。各実施例を用いた場合のスピーカ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。

0040

0041

この表から、各実施例に係る携帯通信端末120は、周波数特性が平坦であることが示された。また落下衝撃安定性が高いことが示された。

0042

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。

0043

10圧電振動子
20振動部材
22金属部材
24弾性部材
26リード線
28外部端子
30支持部材
32 弾性部材
35 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
90 制御部
95信号生成部
100発振装置
102 発振装置
104 発振装置
110 圧電振動子
120携帯通信端末
122 スピーカ

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