JP6907620B2

JP6907620B2 - 振動トランスデューサ

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Publication number: JP6907620B2
Application number: JP2017051886A
Authority: JP
Inventors: 智矢宮田
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-03-16
Also published as: JP2018157347A

Description

本発明は、振動トランスデューサに関する。

例えばスピーカー、マイクロフォン等、振動を電気信号に変換又は電気信号を振動に変換する振動トランスデューサが広く利用されている。このような振動トランスデューサの中で、膜状の圧電体を用いて振動と電気信号との間の変換を行うものが知られている（例えば特開２００３−３０４５９５号公報参照）。

圧電体は、温度によってその特性が一定ではない。このため、前記公報に記載されるように圧電体を用いた振動トランスデューサは、環境温度によって利得が変化したり、出力される振動又は電気信号の波形が歪んだりするおそれがある。具体的には、振動トランスデューサを用いたマイクロフォンを気温が氷点の屋外で使用した場合に、マイクロフォンの感度が低下するといった不都合が生じ得る。

特開２００３−３０４５９５号公報

前記不都合に鑑みて、本発明は、環境温度による影響が小さい振動トランスデューサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明の一態様に係る振動トランスデューサは、シート状の圧電素子と、前記圧電素子の温度を調節する熱効果素子とを備える。

当該振動トランスデューサは、圧電素子の温度を調節する熱効果素子を備えるため、環境温度に拘わらず圧電素子の温度を一定の範囲内に保持することができる。これにより、当該振動トランスデューサは、環境温度による影響が小さく、利得が略一定で、比較的リニアな出力が得られる。

当該振動トランスデューサにおいて、前記熱効果素子が前記圧電素子の少なくとも一面に面していることが好ましい。この構成によれば、前記熱効果素子が前記圧電素子の面に対して接触又は対向するよう配置されていることで、圧電素子の温度を比較的効率よく調節することができる。このため、例えば当該振動トランスデューサを屋内から屋外に移動する場合等の環境温度の急激な変化に対しても出力特性の変化を効果的に抑制することができる。

当該振動トランスデューサは、温度センサをさらに備えることが好ましい。この構成によれば、圧電素子の温度を正確に把握して、出力特性の安定性をより向上できる。

当該振動トランスデューサにおいて、前記熱効果素子が前記圧電素子を非接触で加熱する発熱素子であってもよい。この構成によれば、熱効果素子が圧電素子による信号変換を阻害しないので、比較的リニアで高利得の出力が得られる。また、発熱素子よって圧電素子を非接触で加熱することで圧電素子を比較的ムラなく加熱することができるので、出力のリニアリティをより向上できる。

以上のように、本発明の振動トランスデューサは、環境温度による影響が小さい。

本発明の一実施形態の振動トランスデューサを示す模式的断面図である。図１の振動トランスデューサの模式的平面図である。本発明の図１とは異なる実施形態の振動トランスデューサを示す模式的断面図である。本発明の図１及び図３とは異なる実施形態の振動トランスデューサを示す模式的断面図である。本発明の図１、図３及び図４とは異なる実施形態の振動トランスデューサを示す模式的断面図である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

［第一実施形態］
図１及び図２に本発明の第一実施形態に係る振動トランスデューサ１を示す。当該振動トランスデューサ１は、環状の支持体Ｓによって裏面外周部が保持されており、表面に入射する音波振動を電気信号に変換するマイクロフォン又は電気信号を音波振動に変換して表面側に出射するスピーカーとして使用することができる。なお、「音波振動」とは、可聴域の振動に限られず、非可聴域の低周波振動や超音波振動であってもよい。

当該振動トランスデューサ１は、シート状の圧電素子２と、この圧電素子２の温度を調節する熱効果素子３とを備える。

本実施形態の振動トランスデューサ１において、熱効果素子３は、圧電素子２の裏面に面するよう配置されている。より詳しくは、熱効果素子３は、圧電素子２の裏面側に絶縁膜４を介して積層されている。

＜圧電素子＞
圧電素子２は、シート状乃至膜状の圧電体５と、この圧電体の表裏に積層されるシート状乃至膜状の一対の電極６，７とを有する。

（圧電体）
圧電体５は、圧力を電圧に変換する圧電材料から形成することができる。この圧電体５を形成する圧電材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛等の無機材料であってもよいが、可撓性を有する高分子圧電材料であることが好ましい。

前記高分子圧電材料としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン−３フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））、シアン化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体（Ｐ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ））等を挙げることができる。

また、圧電体５として、圧電特性を有しない例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等に多数の扁平な気孔を形成し、例えばコロナ放電等によって扁平な気孔の対向面を分極して帯電させることによって圧電特性を付与したものを使用することもできる。

圧電体５の平均厚さの下限としては、１０μｍが好ましく、５０μｍがより好ましい。一方、圧電体５の平均厚さの上限としては、５００μｍが好ましく、２００μｍがより好ましい。圧電体５の平均厚さが前記下限に満たない場合、圧電体５の強度が不十分となるおそれがある。逆に、圧電体５の平均厚さが前記上限を超える場合、圧電体５の変形能が小さくなることで当該振動トランスデューサ１の利得が不十分となるおそれがある。

（電極）
電極６，７は、圧電体５の両面に積層され、圧電体５の表裏の電位差を検出又は圧電体５の表裏に電位差を与えるために用いられる。このため、電極６，７には、電気信号を出力又は入力するための配線（不図示）が接続される。

電極６，７の材質としては、導電性を有するものであればよく、例えばアルミニウム、銅、ニッケル等の金属や、カーボン等を挙げることができる。

電極６，７の平均厚さとしては、特に限定されず、積層方法にもよるが、例えば０．１μｍ以上３０μｍ以下とすることができる。電極６，７の平均厚さが前記下限に満たない場合、電極６，７の強度が不十分となるおそれがある。逆に、電極６，７の平均厚さが前記上限を超える場合、圧電体５への振動の伝達を阻害するおそれがある。

電極６，７の圧電体５への積層方法としては、特に限定されず、例えば金属の蒸着、カーボン導電インクの印刷、銀ペーストの塗布乾燥等が挙げられる。

＜熱効果素子＞
本実施形態における熱効果素子３としては、発熱素子が用いられている。具体的には、熱効果素子３は、発熱抵抗体とすることができ、温度に応じて抵抗値が変化することで温度を一定の範囲内に保つことができる自己制御型ヒータとしてもよい。

このように、熱効果素子３として発熱素子を用いる場合、圧電素子２の目標温度範囲を想定される環境温度の上限以上とすることで、圧電素子２の温度を目標温度範囲内に保持することができる。

具体例として、熱効果素子３は、図２に示すように、蛇行する線状に形成された発熱抵抗体とすることができる。このような発熱抵抗体は、例えばカーボンペースト等を印刷して形成される印刷抵抗とすることができる。

この熱効果素子３には、熱効果素子３を発熱させる電力を供給するための配線（不図示）が接続される。

＜絶縁膜＞
絶縁膜４としては、圧電素子２と熱効果素子３とを電気的に絶縁できるものであればよく、例えばプリント基板用カバーレイ、ソルダレジスト等を用いることができる。

＜利点＞
当該振動トランスデューサ１は、圧電素子２の温度を調節する熱効果素子３を備えるため、環境温度に拘わらず圧電素子２の温度を一定の範囲内に保持することができる。これにより、当該振動トランスデューサ１は、環境温度が変化しても、利得が略一定で比較的リニアな出力が得られる。

［第二実施形態］
図３に本発明の第二実施形態に係る振動トランスデューサ１ａを示す。当該振動トランスデューサ１ａは、環状の支持体Ｓによって裏面外周部が保持されており、表面に入射する音波振動を電気信号に変換するマイクロフォン又は電気信号を音波振動に変換して表面側に出射するスピーカーとして使用することができる。

本実施形態の振動トランスデューサ１ａは、シート状の圧電素子２と、この圧電素子２の温度を調節する熱効果素子３ａとを備える。図３の振動トランスデューサ１ａにおける圧電素子２の構成は、図１の振動トランスデューサ１における圧電素子２の構成と同様とすることができる。このため、図３の振動トランスデューサ１ａについて、図１の振動トランスデューサ１と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

＜熱効果素子＞
本実施形態における熱効果素子３ａとしては、圧電素子２の裏面の外縁近傍領域に積層される発熱素子が用いられている。具体的には、熱効果素子３ａとしては、例えば円環板状のモールドヒータ等を使用することができる。モールドヒータ等の絶縁性の被覆を有する熱効果素子３ａを用いることで、圧電素子２の電極７に直接熱効果素子３ａを積層することができる。

＜利点＞
当該振動トランスデューサ１ａは、圧電素子２の温度を調節する熱効果素子３ａが、圧電素子２の外周近傍領域にのみ積層されているため、圧電素子２の中央部が比較的自由に撓むことができる。このため、当該振動トランスデューサ１ａは、環境温度が変化しても利得が略一定で比較的リニアな出力が得られると共に、比較的大きな利得が得られる。

［第三実施形態］
図４に本発明の第三実施形態に係る振動トランスデューサ１ｂを示す。当該振動トランスデューサ１ｂは、表面に入射する音波振動を電気信号に変換するマイクロフォン又は電気信号を音波振動に変換して表面側に出射するスピーカーとして使用することができる。

本実施形態の振動トランスデューサ１ｂは、シート状の圧電素子２と、この圧電素子２の温度を調節する熱効果素子３ｂと、圧電素子２の温度を検出する温度センサ８と、温度センサ８の出力に基づいて熱効果素子３ｂの出力を調節する制御回路９とを備える。また、本実施形態の振動トランスデューサ１ｂは、熱効果素子３ｂ及び制御回路９を実装したプリント基板１０と、圧電素子２及びプリント基板１０間に介在して圧電素子２及びプリント基板１０間の間隔を定めるスペーサ１１とをさらに備える。

本実施形態の振動トランスデューサ１ｂは、プリント基板１０を不図示の支持体に固定して使用することができる。

図４の振動トランスデューサ１ｂにおける圧電素子２の構成は、図１の振動トランスデューサ１における圧電素子２の構成と同様とすることができる。このため、図４の振動トランスデューサ１ｂについて、図１の振動トランスデューサ１と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

＜熱効果素子＞
本実施形態における熱効果素子３ｂは、圧電素子２を非接触で加熱する発熱素子である。このような発熱素子としては、例えばニクロム線ヒータ、白熱電球、赤外線発光ダイオード等を用いることができる。当該振動トランスデューサ１ｂは、１又は複数の熱効果素子３ｂを有していてもよい。

このように、熱効果素子３ｂが圧電素子２を非接触で加熱することで、圧電素子２のお温度を略一定に保持して温度変化による圧電素子２の利得の変化を抑制すると共に、圧電素子２の温度ムラを抑制して圧電素子２の出力特性を比較的リニアに維持することができる。

＜温度センサ＞
温度センサ８は、圧電素子２の雰囲気温度を検出してもよいが、圧電素子２の温度を検出するよう圧電素子２に付設されることが好ましい。また、温度センサ８は、出力信号を制御回路９に入力できるよう、制御回路９と配線によって接続される。

温度センサ８としては、例えば熱電対、サーミスタ等を用いることができる。また、温度センサ８は、圧電素子２の変形を阻害しないよう、微小且つ軽量のものを使用することが好ましい。

＜制御回路＞
制御回路９は、温度センサ８による検出温度が予め設定される範囲内となるよう、熱効果素子３ｂに入力される電流を制御する。

制御回路９は、ＩＣによって構成されてもよく、プリント基板１０の配線パターンと実装部品とによって構成されてもよい。

制御回路９による制御方法は、例えば比例制御、オンオフ制御、ＰＩＤ制御等が挙げられるが、比較的構成が簡単な比例制御又はオンオフ制御が好適に採用される。

＜プリント基板＞
プリント基板１０は、絶縁性の基材層と、この基材層の表面に形成される導電パターンとを有する。このプリント基板１０は、熱効果素子３ｂを圧電素子２に対向して保持すると共に、熱効果素子３ｂに電流を印加するための電路を提供する。

プリント基板１０の基材層の材質としては、熱容量及び熱伝導率が小さいものが好ましく、具体的には、例えばポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂、例えば紙エポキシ等の複合材料などを挙げることができる。

プリント基板１０の導電パターンの材質としては、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、金等の金属を挙げることができる。

＜スペーサ＞
スペーサ１１は、熱効果素子３ｂの上方に圧電素子２を保持する。具体的には、スペーサ１１は、円環板状乃至短い円筒状に形成され、圧電素子２の裏面の外縁近傍領域を保持する。

スペーサ１１の材質としては、熱容量及び熱伝導率が比較的小さいものが好ましく、例えばポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド等の樹脂、例えばセラミックス等の無機物など用いることができる。また、スペーサ１１は、熱容量及び熱伝導率をより小さくできるよう、多孔性の材料から形成されてもよい。

＜利点＞
当該振動トランスデューサ１ｂは、熱効果素子３ｂが圧電素子２を非接触で加熱することで、温度変化による利得の変化を抑制すると共に、圧電素子２の温度ムラを抑制して圧電素子２の出力特性を比較的リニアに維持することができる。

［第四実施形態］
図５に本発明の第四実施形態に係る振動トランスデューサ１ｃを示す。当該振動トランスデューサ１ｃは、表面に入射する音波振動を電気信号に変換するマイクロフォン又は電気信号を音波振動に変換して表面側に出射するスピーカーとして使用することができる。

本実施形態の振動トランスデューサ１ｃは、シート状の圧電素子２と、この圧電素子２の裏面に積層されるプリント基板１２と、このプリント基板１２の裏面側に実装される第１熱効果素子１３、第２熱効果素子１４、温度センサ８及び制御回路９とを備える。当該振動トランスデューサ１ｃは、１又は複数の第１熱効果素子１３と１又は複数の第２熱効果素子１４とを有してもよく、平面視で複数の第１熱効果素子１３と複数の第２熱効果素子１４とが偏りなく分散して配置されていることが好ましい。

図５の振動トランスデューサ１ｃにおける圧電素子２、温度センサ８及び制御回路９の構成は、図１の振動トランスデューサ１における圧電素子２、温度センサ８及び制御回路９の構成と同様とすることができる。このため、図５の振動トランスデューサ１ｃについて、図１の振動トランスデューサ１と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

＜プリント基板＞
プリント基板１２は、絶縁性及び熱伝導性を有する基材層と、この基材層の裏面に形成される導電パターンとを有する。また、絶縁性基板の熱容量を比較的大きくすることによって、圧電素子２の温度変化を緩やかにすることができる。

本実施形態の振動トランスデューサ１ｃにおいて、プリント基板１２の温度は、圧電素子２の温度と同視することができる。換言すると、本実施形態の振動トランスデューサ１ｃにおいて、第１熱効果素子１３、第２熱効果素子１４及び温度センサ８は、プリント基板１２を介して圧電素子２と熱を授受する。

プリント基板１２の基材層としては、例えば薄い樹脂フィルム、熱伝導性フィラーを含む樹脂シート、金属系材料板等を用いることができる。

プリント基板１２の基材層は、圧電素子２の曲げを阻害しないよう十分な可撓性を有するものとしてもよく、圧電素子２の裏面の変形を防止するよう十分な剛性を有するものとしてもよい。プリント基板１２の基材層が可撓性を有する場合、圧電素子２は曲げ歪みを検出する。一方、プリント基板１２の基材層が剛性を有する場合、圧電素子２は厚さ方向の圧縮歪みを検出する。

プリント基板１２の導電パターンの材質としては、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、金等の金属を挙げることができる。

＜第１熱効果素子＞
本実施形態の振動トランスデューサ１ｃにおいて、第１熱効果素子１３は、例えば発熱抵抗体等の発熱素子である。この第１熱効果素子１３は、プリント基板１２を加熱することによって圧電素子２の温度を上昇させる。

＜第２熱効果素子＞
本実施形態の振動トランスデューサ１ｃにおいて、第２熱効果素子１４は、例えばペルチェ素子等の吸熱素子（表面側の熱を奪って裏面側に放出する素子）である。この第２熱効果素子１４は、プリント基板１２を冷却することによって圧電素子２の温度を低下させる。

第２熱効果素子１４を構成するペルチェ素子としては、プリント基板１２の導電パターン上にｐ型半導体及びｎ型半導体のブロックを平面視で並べて形成し、プリント基板１２側でｎ型半導体からｐ型半導体に電流が流れるように接続したものとすることができる。第２熱効果素子１４は、ｐ型半導体及びｎ型半導体のブロックが多数配列されたアレイ構造を有してもよい。

＜利点＞
本実施形態の振動トランスデューサ１ｃは、発熱素子である第１熱効果素子１３と、吸熱素子である第２熱効果素子１４とを備えるため、圧電素子２の温度を任意の温度帯に保持することができる。また、当該振動トランスデューサ１ｃは、環境温度が通常の温度帯である場合には第１熱効果素子１３及び第２熱効果素子１４を使用せず、環境温度が特に低い場合にのみ第１熱効果素子１３を使用し、環境温度が特に高い場合にのみ第２熱効果素子１４を使用することでエネルギー消費を抑制することができる。

［その他の実施形態］
前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

当該振動トランスデューサにおいて、熱効果素子や温度センサが圧電素子の表面側に配置されていてもよい。

当該振動トランスデューサにおいて、発熱素子の平面パターンは例えばストライプ状、メッシュ状等、任意の形状とすることができる。

当該振動トランスデューサは、物体表面に接触して配置され、物体の振動を検出する振動センサや、電気信号を振動に変換して物体を加振する加振デバイスとして使用してもよい。また、当該振動トランスデューサは、生体の表面に密接して配置され、生体内部の振動を検出するものに用いてもよい。例えば人、動物等の生体の表面に密接して配置され、生体内部の振動を検出するために用いることができる。その際、振動トランスデューサが生体の温度の影響を受けるおそれがあるため、生体内部の振動を検出しやすい温度となるように当該振動トランスデューサの温度の調整を行うようにすればよい。

本発明に係る振動トランスデューサは、マイクロフォンに特に好適に利用することができる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ振動トランスデューサ
２圧電素子
３，３ａ，３ｂ熱効果素子
４絶縁膜
５圧電体
６，７電極
８温度センサ
９制御回路
１０，１２プリント基板
１１スペーサ
１３第１熱効果素子
１４第２熱効果素子

Claims

複数の気孔を内部に有する多孔質であり、平均厚さが５００μｍ以下のシート状の圧電体と、
前記圧電体の一方の面に配置される第１の電極と、
前記圧電体の前記第１の電極が配置される面と反対の面に配置される第２の電極と、
前記第２の電極に配置される絶縁膜と、
前記絶縁膜に配置され、カーボンペーストを用いた印刷抵抗を含む発熱素子と、
前記第２の電極の周囲を支持する支持部と
を備える振動トランスデューサ。
温度センサをさらに備える請求項１に記載の振動トランスデューサ。
前記温度センサによる検出温度と予め設定された温度とに基づき前記発熱素子への入力電力を制御する制御回路をさらに備える請求項２に記載の振動トランスデューサ。