JPH01176200A

JPH01176200A - 圧電振動板

Info

Publication number: JPH01176200A
Application number: JP33604687A
Authority: JP
Inventors: Teruyuki Ikeda; 輝幸池田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-12-29
Filing date: 1987-12-29
Publication date: 1989-07-12

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は圧電振動板に関し、特に圧電材と支持板を貼り
付けた振動板の共振周波数を低くさせる圧電振動板に関
する。

（従来の技術）支持板に電極を形成した圧電材料を貼り付けて得る圧電
振動板は、圧電体に交番電圧を加えることにより圧電体
が面方向に伸縮し、貼り付けた支持板によって圧電体の
一方の面が固定されているために圧電体の伸縮が支持板
の貼り合わせ面を中心にして上下方向へ反りとなって生
じる。このため、支持板の外周部を固定すれば、この反
りによって中心部が上下に変位し、加えた交番電圧の周
波数で振動する振動子となるものである。

このような振動板に周波数数ｋＨｚの信号を加えれば、
この振動が空気の疎密波を作り出して音を生じる発音体
となり、圧電ブザーや圧電スピーカーとして実用化され
ている。

また、振動板自体の形状を長方形とし、この１辺を支持
固定することで、固定端と反対側の端部は大きく変位し
、この変位を利用することでアクチエーターとして実用
化されており、ファンやポンプなどがある。

一方、振動板の圧電材からの電極リードを増幅器等の入
力に接続すれば、振動板に外部から加えられた力によっ
て生じる圧電材からの電荷が電圧に変換されるため、こ
れら特性を利用して加速度センサー、圧力センサー、マ
イクロホンなどとしての利用も行われている。

（発明が解決しようとする問題点）上述したような圧電振動板の応用において、まず１つめ
の圧電発音体においては通常変位量（振動振幅）が量も
大きくなる共振周波数の近くで利用する。しかし、この
共振周波数は支持固定する部分の直径が小さくなると高
い周波数となり、小型で低周波の音を発生させることは
できない。

このような振動板の第１次共振周波数ｆ１は、ここで、
　αｍ：支持方式で異なる定数（周辺固定の場合αｍ＝
３．２）（周辺支持の場合αｍ＝２．２２）ｈｌ：圧電材の厚さ（ｍ）ａ：支持部の半径（ｍ）ｐ：圧電材の厚さｈ１／支持板の厚さｈ２Ｅ２：支持板
のヤング率（Ｎ／ｍ２）ｐ２：支持板の密度（ｇ／ｍ３）１１２：支持板のポアソン比 α：圧電材のヤング率／支持板のヤング率で求めること
ができ、周辺支持が最も低い共振周波数として得られる
。ところが周辺固定は単に周辺部を支持体ではさみ込む
だけの簡単な構成で得られるが周辺支持は周辺をピン端
で支持し上下方向への動きを容易にさせなければならな
いため、実際にはこの支持は困難であり、これに近い支
持として弾性接着剤で周辺部を固定するものがあり、実
際の共振周波数は計算値より高いものとしかならない。

この結果、例えば１３ｍｍ口の形状で２ｋＨｚ以下の音
を発生させるのは困難である。

又、振動板の一端を支持固定して得るアクチエーターな
とでも共振状態で使用するには、共振周波数が低くなる
ほど小型で同一の振動振幅となるアクチエーターが得ら
れるが、この場合にも支持部分は限りなく点に近い状態
の方が共振周波数は低くなる。ところが、一端の支持で
は、弾性接着剤で固定するのは信頼性などの面から困難
であることが分かる。

一方、圧電材から誘起される電荷を電圧に変換して利用
するような圧力センサや加速度センサあるいはマイクロ
ホンなどとしての利用では周辺固定の場合より、周辺支
持の方が帯域も広くなり感度も高くなる。この場合にも
周辺支持に近い弾性接着剤での固定から、よりビン端固
定となる方が良いが困難である。

（問題点を解決するための手段）両面に電極を形成した圧電材を支持板に貼り付け、この
支持板の周辺部の一部または全部を固定してなる圧電振
動板において、前記支持板の周辺固定部と圧電材が貼り
付けられた個所との間で固定部に沿って溝を両面にそれ
ぞれ少なくとも１つ設けた構成である。また、前記支持
板の周辺固定部と平行又は同心円となる前記溝を両面で
互いに異なる位置となるように交互に設ける構成が望ま
しい。

（作用）本発明の圧電振動板は支持板の両面又は片面に圧電材を
貼り付けたバイモルフ又はユニモルフの振動板によって
構成される。この圧電材を貼り付ける支持板の周辺又は
１辺の固定部の近くに固定部と平行させた状態（円形振
動板の場合には固定部と同心円となるリング状態）で、
この支持板の画面から圧電材の方向に位置をずらした溝
を形成する。

支持板の両面に形成する溝を複数（望ましくは２〜３本
）とする場合には、両面の溝を交互に形成する。溝の深
さは支持板の厚さの１７２〜２／３程度でかつ溝の幅も
溝の深さと同程度とし、反対面の溝位置を０．１〜０．
２ｍｍずらして形成する。このような溝を有する支持板
とすることにより、この支持板に圧電材を貼り付け、溝
の近くを固定すれば、圧電材の貼り１寸は面で生じた反
りは支持板の反りとなって生じる。このとき周辺固定部
の近くに溝が形成されているため、溝の部分で支持板の
反りが自由状態となり振動板としての共振周波数は低く
なり、中心部（円形の場合）の変位は大きくなる。この
ような溝は通常のエツチング加工技術で容易に得られ、
溝が自由状態を作り出すため周辺固定の簡単な構成で低
周波振動が可能で帯域が広く、かつ振動振幅も大きな圧
電振動板が得られる。

（実施例）次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は、本発明の一実施例の圧電型発音体の断面構造
図である。振動板は両面に電極１１が形成された圧電体
１２を円形の金属板１３の中心部に貼り付け、かつ周辺
部を固定体１４で固定している。金属板１３上の圧電材
１２の外周部と固定部１４の内周部との間には、固定体
の１４の内周部に近い方から両面に順次位置をずらして
交互に複数の溝１５が形成されている。ここで、電極１
１を含めた圧電体１２の厚さはｔｌ、金属板１３の厚さ
はｔ２及び溝形成部分の残りの厚さはｔ３である。又、
圧電材１２の直径ｄ０に対して固定体１４の内周部直径
ｄ２の方から両面に直径を変化させて幅ｇ１の溝を形成
する。このとき、金属板１３の同一面の隣り合う溝１５
の相互間隔ｇ２は、この間に丁度反対面の溝１５が位置
するようにする。

例えば、外形寸法が１３ｍｍ口の超小型圧電ブザーを作
る場合、固定体として利用できるスペースを外周部１ｍ
ｍとすれば、固定体の内周部直径ｄ２は１１ｍｍになる
。このとき、圧電材の直径ｄ１に７．６ｍｍを用いれば
、この圧電材の外周部と固定体の内周部の間に溝を形成
すれば良い。ここでは振動板として金属板の板厚ｔ２を
５０ｐｍ、貼り付ける圧電材の板厚としてｔｏを７０ｐ
ｍ、溝の残りの部分としてｔ３を２０ｐｍとし、さらに
１本目の溝として直径１１ｍｍから１０．５２ｍｍを裏
面に、２本目の溝として直径１０．４ｍｍから９．５６
ｍｍを表面に、３本目、の溝として９．０８ｍｍから８
．６ｍｍを裏面に、４本目の溝として８．１２ｍｍから
７．６ｍｍを表面に形成する。金属板にはステンレスを
用い（材質的には鋼又は黄銅が最も共振周波数が低くな
る）圧電材との接着には導電性の接着剤を用いることで
超小型圧電ブザー用振動板が得られる。

以上のような構成によって得た超小型圧電ブザー用の振
動板の周辺固定部近くの溝に着目して、この動きを見る
。

第２図（ａ）、（ｂ）は、周辺固定部の４本の溝の部分
の断面を示したもので（ａ）が圧電材によるたわみが生
じていない場合で、（ｂ）が圧電材によるたわみが生じ
ているときの変形状態を示したものである。

これら図から見られるように周辺固定部にある溝は、圧
電材に電界を加えたときに生じるたわみ変形を容易にし
、溝部分を自由状態として動くことができる。このため
固定体１４による振動板の動きを阻害することが無くな
り、従来の同一形状の周辺固定振動板より共振周波数が
ず２と低くなる。

第３図（ａ）、　（ｂ）は同一形状での共振周波数を比
較したもので、光学式非接触変位計であるフォトニック
センサ−を用いて振動振幅の周波数特性を見たものであ
る。この図から見られるように溝を形成した振動板の共
振周波数は、従来の振動板の共振周波数よりずっと低い
共振周波数となり、周辺支持の計算値にほぼ近い共振周
波数が得られていることが分かる。

第４図は別な実施例を示すアクチエーターとしての応用
の１つである圧電ファンとして実施例である。この場合
にも両面に電極４１を形成した圧電材４２を貼り付ける
金属板４３の端部である固定部４４の近くには上下から
交互に溝４５を持たせる。さらに、金属板４３のもう一
方の端部には風を発生させるための羽４６を持たせる。

このように構成した振動板の圧電材に交′ａ、電圧を加
えると圧電材と金属板との関係から加えた交流電圧の周
波数に応じて振動板がたわみ振動を生じる。この結果、
振動板の先端にもうけた羽４６も振動し、これが風を発
生させるものである。この場合にも、単に金、属板の固
定部分には溝が形成されているため、この溝によって上
下方向への動きが容易になり従来の同一形状の振動板よ
り共振周波数がずっと低くなり、ファンとしての風量を
増加させることができる。

さらに別な実施例としては第１図で示したような発音体
をマイクロホンとして利用する場合があるが、この場合
にも固定部の近くにもうけた溝は振動板の動きを容易に
するため、小さな外力、つまり、小さな音の入力に対し
ても振動板の変形は容易に行われ、この結果、感度の高
いマイクロホンとして得られる。また、マイクロホンで
はなく、このような構造の振動板は圧力センサーや加速
度センサーなどとしても単に周辺部を固定した振動板よ
り性能の向上が得られる。

なお、センサーとしての応用では圧電セラミックスを貼
るだけでなく、スパッタ等の手段で金属板の上に圧電材
・薄膜を形成しても良く、支持固定部近くに形成する溝
は振動板としての動きを容易にし、性能向上が計れる。

又、金属板の材質も限定されることはなく、支持板とし
て溝を形成することが可能なものであればプラスチック
やガラスなど材料に限定されることはない。

さらに、第５図に示すように本発明の溝形成の支持固定
は平面上に複数の振動子５１を形成し、広い面積の振動
を利用するような場合にも１つ１つの振動部分の共振周
波数は低くなる。

（発明の効果）以上説明したように本発明によれば、振動板として変位
する自由状態部分と振動板を支持する固定体部分との境
界において圧電材を貼り付けた貼り付は部材の両面から
位置をずらした溝を交互に形成しであるため、溝形成部
分では自由状態に近い支持が行え、発音体としては、従
来の同一形状の周辺固定支持より共振周波数はずっと低
くなり、低周波域の特性が改善される。又、アクチエー
ターとしての応用でも支持固定する部分の溝形成は振動
板としての共振周波数を低くでき、そのＩｆｊＩＪであ
るファンとしての応用では周波数が下がることで風量は
多くできる。さらにマイクロホンや圧力センサー、ある
いは加速度センサーとしての応用でも支持固定する部分
の溝形成は感度や帯域の性能向上が計れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す発音体の断面図であ
る。第２図（ａ）、（ｂ）は、支持固定する部分の溝に
ついて見た変形状態の断面図である。第３図（ａ）。（ｂ）は、従来の周辺固定と比較した振動振幅の周波数
特性図である。第４図はアクチエーターとしての応用の
１つである圧電ファンとしての実施例を示す斜視図であ
る。第５図は複数の振動板を平面上に配置する場合の実
施例を示す斜視図である。図において、１１・・・電極、１２・・・圧電材、１３・・・金属板
、１４・・・固定部、１５・・・溝、ｄｌ・・・圧電材
の直径、ｄ２・・・固定部の直径、ｔｌ・・・圧電材の
厚さ、ｔ２・・・支持板の厚さ、ｔ３．・・溝の残りの
厚さ、４１・・・電極、４２・・・圧電材、４３・・・
金属板、４４・・・固定部、４５・・・溝、４６・・・
羽５１・・・振動板である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）両面に電極を形成された圧電材が支持板に貼り付
けられ、この支持板の周辺部の一部または全部が固定さ
れてなる圧電振動板において、前記支持板の周辺固定部
と圧電財が貼り付けられた領域との間で固定部に沿って
溝が両面にそれぞれ少なくとも１つ設けられたことを特
徴とする圧電振動板。
（２）前記支持板の周辺固定部と平行又は同心円となる
前記溝を両面で互いに異なる位置となるように設けたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電振動板
。