JPH0469826B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電型発音体及び圧電アクチエーター
などとして用いる圧電振動板に関する。

〔従来の技術〕

圧電型発音体及び圧電アクチエーターは電界を
加えることによつて生じる圧電材料の変形を利用
するもので、静的にはコンデンサーと同じように
電荷が蓄積された状態となるため、その変形状態
の保持状態のときには電流は流れない。このた
め、電気機械変換効率が高く、低電力での駆動が
可能となる特徴を有する。したがつて、最近で
は、プリンターの印字ヘツド及び圧電モーターな
どとして利用されている。又、電話機の受話器用
発音体などにも利用されるようになつてきた。こ
のような圧電材料への電界による変形を生じさせ
るには、一般に良く知られるように圧電材を異種
材料である金属板へ貼り付け、圧電材に電界を加
えることで生じる湾曲変形を利用したユニモルフ
構造及び２つの圧電材料を重ね合わせ電極の接続
を分極に対して互いに逆となるように接続し、電
界を加えることにより一方が伸びかつ他方が縮む
ことから生じる湾曲を利用したバイモルフ構造が
ある。圧電材を貼り付けることにより生じる湾曲
は加える電界を交番電圧とすることで交互に変位
し、周辺を固定することにより中心部が振動する
振動板となり、この振動板への交番電圧が可聴周
波数のとき発音体として利用できるようになるも
のである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したようなアクチエーター及び発音体など
に利用する圧電振動板は、周辺又は一端を固定し
て利用されるが、このとき円形の振動板では固定
する直径を大きくしたり、振動板全体の厚みを薄
くすることで振動板としての変位が大きくなり、
発音体として利用する場合には低周波での音圧特
性が改善されるというものである。このため、振
動板の薄型化に着目し、薄型化の技術確立が進め
られている。

第７図ａ及び第７図ｂは金属板７１に圧電材７
２を貼り付けた一般的に用いられているユニモル
フ構造の圧電振動板の断面構造である。このよう
な圧電振動板の圧電材７２に例えば分極方向に対
して逆方向へ電界を加えることで、この圧電材７
２は面方向へ伸びを生じ、第７図ｂに示したよう
にたわみ変形する。このとき、図中に矢印で示し
たように圧電材７２は上下で一様に伸びるのでは
なく、金属板７１との貼り合わせ面ではこの伸び
が必然的に抑えられており、貼り合わせ面に近づ
くほど伸びは小さくなる。したがつて、圧電材７
２の厚さを薄くして行くと、この圧電材７２の伸
びは金属板７１によつて抑えられた状態へと近づ
いて行く。このため圧電材７２の厚みが薄くなる
と中心部の変位は小さくなり、発音体としては音
圧レベルの小さなものになつてしまう。このよう
なことは、第８図ａ及び第８図ｂに示すバイモル
フ構造の振動板においても同じであり、図中矢印
で示すように一方の面の伸びに対してもう一方の
面は縮むことになるが、このときも２つの圧電材
８１，８２の貼り合わせ面では、伸びと縮みが逆
方向となつているため互いに押え合い、この境界
付近では全く動くことができない。このため圧電
材８１，８２のみが薄くなると、この境界付近へ
近づくだけ２つの圧電材８１，８２の動きは小さ
くなる。この結果、中心部の変位は小さくなり、
発音体としては音圧レベルの小さなものになつて
しまう。

第９図ａ及び第９図ｂは前述した説明を２枚の
圧電材を貼り合わせたバイモルフ構造の振動板を
発音体として用いたときの音圧の周波数特性を実
測によつて得たもので、ここでは直接圧電材の厚
みを変化させるのではなく、この圧電材を貼り合
わせる接着層の厚みを変化させている。

これは圧電材の厚みを変化させてしまうと振動
板のインピーダンスが変化してしまうため、駆動
条件などの違いが加わつてしまうと考えられるか
らであり、接着層の厚さを変化させてもこの２つ
の圧電材の間の厚みに対しての位置関係と同じに
なるからである。第９図ａはバイモルフ全体の厚
さが214μmとしたときの音圧の周波数特性であ
り、第９図ｂは420μmとしたときの音圧の周波数
特性である。両図から見られるように厚みが薄く
なると音圧最大となるピーク（共振点）は低周波
数側へ動くが、このとき音圧レベルは小さくなつ
てしまうことが分かる。

以上の説明から明らかなように、圧電材の厚さ
を薄くすることで共振点は低周波域になつて行く
が、圧電材の動きが貼り合わせ板への接近や逆方
向へ動く圧電材との関係から湾曲する圧電材の中
心部の変位は小さくなつてしまい、発音体として
は音圧レベルの小さいものとなる。又、発音体と
してではなく単に変位を利用するアクチエーター
の場合にも変位は小さくなり、この応用面も決定
されてしまうことになる。

さらに、アクチエーターのように変位を大きく
得るためにに駆動電圧を高くすると貼り付け部材
と圧電材との間及び圧電材ともう一方の圧電材と
の間には応力による歪が発生し、接合面へのクラ
ツクなどの発生等で破壊することもある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の圧電振動板は対向する第１電極及び第
２電極に挟まれた圧電材と、前記圧電材を挟む前
記第１電極及び前記第２電極のいずれかに対応す
る位置に設けた部分空間を有して前記圧電材と結
合する部材とを備える。また、前記部材が対向す
る第１電極及び第２電極に挟まれた圧電材及び貼
り付け部材のいずれかであることを特徴とする。
さらに、前記部分空間が前記貼り付け部材への溝
形成によつて設定されることを特徴とする。さら
に、前記部分空間が空孔形成材と圧電セラミツク
グリーンシートとの積層によつて設定されること
を特徴とする。

〔作用〕

本発明の圧電振動板は金属板等の異種材料であ
る平板に１枚の圧電材を貼り付けたユニモルフ構
造と２つの圧電材を貼り合わせ又は積層等によつ
て得たバイモルフ構造のどちらかの場合にも適用
できるものであり、圧電材と貼り合わせ部材ある
いは圧電材と圧電材とが全面で接着又は積層され
るのではなく、接着又は積層面に部分的な空間領
域を持たせるものである。このとき、圧電材への
電極形成としては、この空間の部分だけに電極を
形成している。さらに、電極及び空間は円形の振
動板の場合には、中心に対して同心円のリング状
に形成され、方形状の振動板の場合には変位させ
ようとする長手方向に短冊状に形成する。このよ
うにすることで圧電材に電界を加えたときに生じ
る面方向への伸縮は当然電極が形成された部分だ
けとなる。この電極形成部は貼り付け部材やもう
一方の圧電材との貼り付けられる面と直接に接し
ておらず、この部分に空間があることで面方向へ
の伸縮が抑えられることがなくなる。

〔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ａ及び第１図ｂは本発明の一実施例を示
す円形状ユニモルフ構造の圧電振動板の構成図で
あり、第１図ａは上から見た一部切欠きの内部構
成図、かつ第１図ｂは中心部を横から見た断面図
である。まず、圧電材１１の一方の面には通常と
同じ全面電極１２か形成されているが、反対面に
は圧電材１１の中心から同心円となる複数のリン
グ状の電極１３がある。このような電極１３を持
つ圧電材１１が貼り合わせ部材１４に貼り付けら
れているが、この貼り付け部材１４にはリング状
の電極１３に一致した複数のリング状の溝１５が
形成されている。貼り付け部材１４と圧電材１１
とは電極１３の無い所が接着層１６で接着されて
いる。

第２図ａ〜第２図ｃは圧電材２１に形成した電
極２２と貼り付け部材２３の溝２４及び接着状態
を断面にて示したものである。第２図ａは圧電材
２１に電界を加えていない状態、第２図ｂ及び第
２図ｃは圧電材２１の分極方向にに対して相反す
る方向へ電界を加えたときの状態である。図中、
矢印で示した方向は電界によつて生じる圧電材２
１の伸び及び縮みの方向を示している。圧電材２
１の伸縮は当然電極２２が形成されている部分だ
けとなり、電極２２の無い接着層２５の部分では
生じない。電極形成部分は貼り付け部材２３に溝
２４が形成されているため、貼り付け部材２３と
は接しておらず、圧電材２１の伸縮は抑えられる
ことがない。又、圧電材２１と貼り付け部材２３
との接着層２５の部分では伸縮がないため、この
接合面には無理な応力が加わらない。これらの理
由により、圧電材２１の厚さを薄くしたとしても
圧電材２１の厚み方向で見た方向の伸縮に差は無
く、薄くすることで湾曲する中心部の変位が小さ
くなることはない。このため、圧電材２１も貼り
付け部材２３も薄くすることができ、発音体とし
て利用する場合には低周波領域の特性が良好なも
のとなる。

第３図ａ〜第３図ｃは本発明の他の実施例を示
す。第３図ａは電界を加えていないときの断面図
であり、貼り付け部材３１の両面に溝３２を形成
し、この両面に溝３２と同じパターンの電極３３
が形成された側を貼り付け両側とした圧電材３４
が貼り付けられる。このようにすることでバイモ
ルフ振動板が形成できるが、この場合にも電極３
３が形成されている圧電部分は貼り付け部材３１
と接していない。両面の圧電材３４に分極方向に
対して互いに逆の電界を加えることにより、第３
図ｂ及び第３図ｃのように湾曲変形する。この結
果、電界を加えたことによつて生じる圧電材３４
の伸縮は抑えられることはない。また、圧電材３
４とと貼り付け部材３１との接着層３５の部分で
は伸縮がないため、この接合面には無理な応力が
加わらない。これらの理由により、圧電材３４の
厚さを薄くしたとしても圧電材３４の厚さ方向に
見た面方向の伸縮に差は無く、薄くすることで湾
曲する中心部の変位が小さくなることはない。こ
の場合にも上記実施例と同様に圧電材３４も貼り
付け部材３１も薄くすることができ、発音体とし
て良好な振動板となる。

なお、上記各実施例では円形の振動板として説
明したが、これは円形に限定されるものでなく、
一端を支持して長手方向の変位を利用する場合に
は、第４図ａ及び第４図ｂに示すように電極４１
及び貼り付け部材４２の溝４３を変位させようと
する長手方向に対して直交する短冊状とすること
で、電極４１に挟まれた圧電材４４の部分は貼り
付け部材４２側に溝４３があるため、この場合に
も圧電材４４の伸縮を抑えることとがなくなり、
支持部４５で固定された側の反対側の端部の変位
は従来のものよりずつと大きくなる。この結果、
アクチエーターなどとしての利用面が広がる。

以上、圧電材を貼り付ける貼り付け部材に溝を
形成した場合について説明したが、この溝形成に
おいて金属板を貼り付け部材として用いる場合に
はエツチング等の手段を用いて作るが、これをエ
ポキシ等の絶縁物質を貼り付け部材とするために
はエポキシ等のベースフイルムに光硬化樹脂を塗
布してこれをパターニングしたフエトマスク等で
硬化処理し、不要部分を除去することで絶縁物質
を貼り付け部材とした溝形成の板が得られ、この
溝に合わせたパターンの電極を持つ圧電材を貼り
付けても良い。さらに、貼り付け部材へ溝形成及
び貼り付けによるものでなく、全く別な方法及び
この構造として圧電セラミツクグリーンシートと
空孔形成材とこれらの積層によつてでも得られ
る。

第５図ａは圧電セラミツクグリーンシートと空
孔形成材とれらの積層、焼結によつて得たバイモ
ルフ構造の圧電振動板の構造断面図である。積層
体の上下には電極５１があり、内部には電極５１
に対して圧電材５３を挟む状態で電極５２が形成
されるとともに、これら電極５１，５２で挟まれ
た圧電材５３を分離するための空孔５４がある。
この構造は第５図ｂに示すように、両面に電極パ
ターン５５を印刷形成したグリーンシート５６を
２枚作り、この間にパターニングした空孔形成材
５７を置き、これらを積層して焼結させることで
得る。空孔形成材５７は焼成過程において燃えて
ガス化し、空洞が形成されるものであり、その一
例として感光性樹脂を露光し、現象することでパ
ターニングしたフイルムを電極形成した圧電体グ
リーンシートに圧着形成する特願昭60−243218号
及び特願昭60−243219号を参照できる。又、この
空孔パターンに相当する部分にカーボン粉末にバ
インダーを加えたペーストを作り、これを用いて
スクリーン印刷機で空孔形成パターンとして印刷
し、又はカーボン等のグリーンシートをパターニ
ングしこれを積層しても良い。このように積層に
よつて得たバイモルフ構造の圧電振動板も上記実
施例と同様に上側の電極で挟まれた部分の圧電材
は空孔によつてもう一方の圧電材には直接接して
おらず、このため圧電材に電圧が加えられたとき
に生じる面方向の伸縮は抑えられることが無い。
又、バイモルフとなる上下の層の接合面は電極が
形成されていないため、この部分での圧電材の伸
縮はなく、この接合面には無理な応力は加わらな
い。この場合にも上記実施例と同様に圧電材の厚
み方向に見た面方向の伸縮に差差は無く、薄くす
ることで湾曲する中心部の変位が小さくなること
はない。このため、発音体として利用する振動板
としては低周波特性の良好なものとなり、アクチ
エーターとしては変位の大きな圧電素子となり得
る。

なお、上記各実施例で示した構成以外であつて
も圧電材と貼り付け部材との間、又は圧電材とも
う一方の面の圧電材との貼り合わせ面との間に空
孔あるいは空間を設け、この空間の形成された部
分に圧電材を挟む電極が形成されていれば良く、
第６図ａ及び第６図ｂのような断面構造でも良
い。要は圧電材に電界を加えることで生じる伸縮
の部分が貼り付け部材や他の面に接しないように
空孔又は空間を設ければ上記実施例と同様な効果
が得られる。又、圧電材に形成する電極を第１図
から第４図の実施例では接合面と反対面には全面
電極を形成したが、この面の電極は全面でなくて
も良く、接合面と同じパターンとしても電界が加
わる個所を制限でき何んら特性に変化を与えな
い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明よれば、圧電材と貼
り付け部材あるいは圧電材ともう一方の面の圧電
材との間に空孔あるいは空間を形成し、空孔ある
いは空間が形成されている部分の圧電材に対向す
る電極を形成することにより、圧電材に電界を加
えることで生じる圧電材の面方向の伸縮が抑えら
れることはなく、圧電材の厚み方向で見た面方向
の伸縮に差は生じず、このため圧電材の厚みを薄
くしても湾曲する中心部の変位又は一方の端部を
支持したときのもう一方の端部の変位が小さくな
ることはない。又、伸縮する面は貼り付け部材や
他の部材と接していないため、この部分に不要な
応力は生じず高電界が加わつた場合にも接合面で
の破壊を生じることはない。

この結果、圧電材の厚さを薄くすることがで
き、この薄型化によつて振動板に柔軟性を持たせ
られ、例えば発音体として用いた場合には低周波
特性の優れたものとなる。さらに、アクチエータ
ーとして用いる場合にも薄くしても変位が小さく
なることがないため、低電圧での駆動が可能とな
る。

このような振動板の応用としては発音体やアク
チエーターだけでなく、薄型にして低電圧駆動が
可能なため、圧電モーター、リレースイツチ、圧
電ポンプ、インクジエツトヘツドなどの振動板と
して多くの利用が期待できる。又、これら構造は
圧電材に電界を加えることによる変形や振動を利
用しているが、この反対に振動板に外部から圧力
や振動を与えることにより得る電子信号を利用し
たマイクロホン、圧力センサー、加速度センサー
などにも利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ及び第１図ｂは本発明の一実施例を示
す構成図、第２図ａ、第２図ｂ及び第２図ｃは同
実施例における圧電振動板の電界に対する変形状
態を示す図、第３図ａ、第３図ｂ及び第３図ｃは
本発明の他の実施例を示す構成図、第４図ａ及び
第４図ｂは本発明のさらに他の実施例を示す構成
図、第５図ａ及び第５図ｂは本発明の別の実施例
を示す構成図、第６図ａ及び第６図ｂは本発明の
さらに別の実施例を示す構成図、第７図ａ及び第
７図ｂは従来のユニモルフ構造の圧電振動板の一
例を示す構成図、第８図ａ及び第８図ｂは従来の
バイモルフ構造の圧電振動板の一例を示す構成
図、第９図ａ及び第９図ｂは従来の圧電振動板の
特性を示す図である。 １１……圧電材、１２……電極、１３……電
極、１４……貼り付け部材、１５……溝、１６…
…接着層、２１……圧電材、２２……電極、２３
……貼り付け部材、２４……溝、２５……接着
層、３１……貼り付け部材、３２……溝、３３…
…電極、３４……圧電材、４１……電極、４２…
…貼り付け部材、４３……溝、４４……圧電材、
４５……支持部、５１……電極、５２……電極、
５３……圧電材、５４……空孔、５５……電極パ
ターン、５６……圧電体グリーンシート、５７…
…空孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 対向する第１電極及び第２電極に挟まれた圧
   電材と、前記圧電材を挟む前記第１電極及び前記
   第２電極のいずれかに対応する位置に設けた部分
   空間を有して前記圧電材と結合する部材とを備え
   ることを特徴とする圧電振動板。 ２ 前記部材が対向する第１電極及び第２電極に
   挟まれた圧電材及び貼り付け部材のいずれかであ
   る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。 ３ 前記部分空間が前記貼り付け部材への溝形成
   によつて設定されることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項記載の圧電振動板。 ４ 前記部分空間が空孔形成材と圧電セラミツク
   グリーンシートとの積層によつて設定されること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の圧電振
   動板。