JP2000102095A

JP2000102095A - 圧電発音体及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000102095A
Application number: JP10265984A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Sakamoto; 守坂本; Nobuo Mamada; 信雄侭田; Yukihiro Matsui; 幸弘松井; Fumihisa Ito; 文久伊藤; Mitsuo Nakajima; 光雄中島
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2000-04-07

Abstract

(57)【要約】【課題】共振周波数の低周波数化を図るとともに、温
度変化に伴う破損を低減し、製造工程の簡略化を図る。【解決手段】圧電材を円板状に形成し、圧電駆動板１
０を得る。圧電駆動板１０の上面側には、上面電極１２
が形成される。圧電材を前記圧電駆動板１０よりも大き
な径の円板状に形成して、圧電振動板２０を得る。この
圧電振動板２０の上面側には、下面電極２２が略中央付
近に形成される。この下面電極２２は、一部が圧電振動
板２０の端部に引き出されて引出部２４となっている。
圧電駆動板１０は、圧電振動板２０の下面電極２２に対
面するように重ね合わせ、矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように
圧着するとともに、一体焼成を行う。焼成後、圧電駆動
板１０の分極が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子音響機器，通
信機器，電子機器などに使用される圧電発音体及びその
製造方法に関するものである。

【０００２】

【背景技術】圧電発音体は、簡易な電気音響変換手段と
して広く利用されており、特に近年は携帯電話などの分
野で多用されている。図９を参照して一般的な製造方法
を説明すると、圧電材としては、例えば、圧電性セラミ
ックス（ジルコン酸チタン酸鉛（略してＰＺＴ），チタ
ン酸バリウム，ジルコン酸鉛，チタン酸鉛などを主成分
とするセラミックス）が用いられる。このような圧電材
は、図９（Ａ）に示すように、円板状に成形され、更に
焼成される。その後、図９（Ｂ）に示すように、圧電駆
動板１００の両面に電極１０２，１０４が設けられる。
そして、これら電極１０２，１０４に直流電圧１０６を
印加し、図中に矢印ＦＡで示すように圧電材１００の分
極が行われる。

【０００３】一方、以上のような分極された圧電駆動板
１００の他に、金属による振動円板１１０を用意する。
金属としては、例えばＦｅ−Ｎｉ系ステンレス材料が用
いられる。金属振動板１１０の表面には、引出部を備え
た電極１１２が形成される。そして、前記分極された圧
電駆動板１００を金属振動板１１０の電極１１２上に導
電性接着剤を用いて貼り合わせ、圧電発音体ないしは圧
電ブザー１２０を得る。図１０（Ａ）には、貼り合わせ
後の断面が示されている。

【０００４】このようにして得られた圧電発音体１２０
には、例えば図１０（Ａ）に示すように駆動信号が供給
される。すなわち、信号を増幅回路１２２で増幅して駆
動回路１２４に供給し、この駆動回路１２４によって圧
電駆動板１００の電極１０２に駆動信号が印加される。
圧電駆動板１００の他方の電極１０４側は、導電性接着
剤１２６，金属振動板１１０側の電極１１２を通じてア
ースされる。このようにして、圧電駆動板１００の表面
と金属振動板１１０の間に電気変位を与えると、圧電駆
動板１００は、同図に矢印ＦＢで示すように、円周方向
に伸縮する。ところが、金属振動板１１０があるため、
全体が図１０（Ｂ）に示すように湾曲することになる。
結果として圧電発音体１２０は、同図に矢印ＦＣで示す
ように上下方向に振動し、音を発生させる。

【０００５】圧電発音体１２０から発生する音は、用途
にもよるが、通常は人間の可聴帯域である２０Ｈｚ〜２
０ＫＨｚであることが必要がある。また、発生する音も
大きいと好都合である。このような条件を満たすよう
に、圧電発音体１２０自体の振動が最も大きくなる共振
周波数帯が使用周波数帯となるように設定される。この
ような振動周波数の調整は、圧電駆動板１００の厚さや
径を変更することで行うことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような背景技術には次のような不都合がある。（１）電子機器などの小型化に伴い、圧電駆動板１００
の径も小さくなる。このため、共振周波数が高くなって
低音域の音が小さくなってしまう。また、圧電発音体１
２０の振動の変位量も小さくなり、結果的に全音域で音
が小さくなってしまう。このような不都合を解決するた
め、従来では、圧電駆動板１００の厚さを薄くするとと
もに、金属振動板１１０に印加される電界強度を大きく
することによってその変位量を大きくしている。

【０００７】ところが、圧電駆動板１００を薄くする
と、発音体の製造工程中における圧電駆動板１００の取
扱時に破損が生じたり、焼成時にクラックが発生するよ
うになる。（２）圧電駆動板１００と金属振動板１１０の熱による
線膨張率が異なるため、圧電駆動板１００が温度変化に
よって破損する可能性がある。（３）圧電駆動板１００と金属振動板１１０とを導電性
接着剤１２６によって接着しているが、このような接着
工程は、生産工程上コストアップの一原因となる。

【０００８】本発明は、以上の点に着目したもので、そ
の目的は、共振周波数の低周波数化を図ることである。
他の目的は、温度変化に伴う破損を低減することであ
る。更に他の目的は、製造工程の簡略化を図ることであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の圧電発音体は、駆動板及び振動板を積層し
た圧電発音体において、前記振動板を圧電材で形成した
ことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記駆動板を
複数の圧電材板による多層構造としたことを特徴とす
る。他の形態は、前記駆動板を、前記振動板の表裏にそ
れぞれ設けたことを特徴とする。更に他の形態は、前記
駆動板に駆動電圧を印加する駆動電極を、前記駆動板の
みを挟むように形成したことを特徴とする。更に他の形
態は、前記多層構造の駆動板の圧電材板間に中間電極を
形成したことを特徴とする。

【００１０】本発明の圧電発音体の製造方法は、前記駆
動板と前記振動板を、圧着の後に一体焼成したことを特
徴とする。主要な形態の一つは、前記駆動板のみに分極
電圧を印加することを特徴とする。

【００１１】本発明の前記及び他の目的，特徴，利点
は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。最初に、図１〜図３を参照しながら
実施形態１について説明する。図１には、本形態におけ
る圧電発音体の主要製造工程が示されている。まず、図
１（Ａ）に示すように、適宜の方法で圧電材を円板状に
形成し、圧電駆動板１０を得る。圧電材の円板形成は、
例えば、図２（Ａ）に示すような凸状及び凹状の成型用
治具３０，３２を用いた成形や、図２（Ｂ）に示すよう
な圧電材シート３４からの打ち抜きなどの方法で行われ
る。この圧電駆動板１０の上面側には、図１（Ｂ）に示
すように、上面電極１２が適宜の手法で形成される。な
お、この上面電極１２の形成は、後述する焼成工程の後
に行ってもよい。また、図示の例では、上面電極１２の
周囲において圧電駆動板１０の表面が露出しているが、
もちろん、圧電駆動板１０の表面全体に上面電極を形成
してもよい。

【００１３】一方、本形態では、同様に圧電材を使用し
て圧電振動板２０が形成される。すなわち、図１（Ｃ）
に示すように、圧電材を前記圧電駆動板１０よりも大き
な径の円板状に形成して、圧電振動板２０を得る。この
圧電振動板２０の上面側には、図１（Ｄ）に示すよう
に、下面電極２２が略中央付近に形成される。この下面
電極２２は、一部が圧電振動板２０の端部に引き出され
て引出部２４となっている。

【００１４】次に、図１（Ｅ）に示すように、圧電駆動
板１０を圧電振動板２０の下面電極２２に対面するよう
に重ね合わせ、矢印Ｆ１，Ｆ２で示すように圧着すると
ともに、一体焼成を行う。図１（Ｆ）には、圧着後の径
方向断面が示されている。焼成後、圧電駆動板１０の分
極が行われる。この分極は、例えば図２（Ｃ）に示すよ
うに、上面電極１２及び下面電極２２の引出部２４にコ
ンタクトプローブ３６，３８を当てるとともに、これら
コンタクトプローブ３６，３８に直流電源４０を接続し
て行われる。直流電源４０の直流電圧は、コンタクトプ
ローブ３６，３８及び電極１２，２２を通じて圧電駆動
板１０に印加される。図示の例では、上面電極１２側が
プラス，下面電極２２側がマイナスとなっている。もち
ろん、その逆の極性としてもよい。下面電極２２側は、
通常アースとする。

【００１５】なお、本形態では、上述したように振動板
２０も圧電材によって形成されている。このため、振動
板２０も分極可能であるが、仮に圧電振動板２０を分極
してしまうと、駆動時に圧電振動板２０が円周方向に変
位し、図１０に矢印ＦＣで示した上下方向の発音振動の
妨げとなる。従って、下面電極２２を圧電振動板２０の
裏面２０Ｂ（図１（Ｆ）参照）側に形成し、電極１２，
２２で圧電駆動板１０及び圧電振動板２０の両方を挟ん
だ状態で分極を行うことは適切ではない。すなわち、上
述したように、下面電極２２は、圧電振動板２０の表面
２２Ａ側に形成し、電極１２，２２で圧電駆動板１０の
みが挟まれた状態で分極を行うようにする。

【００１６】以上のような本形態の圧電発音体の駆動
は、前記背景技術と同様である。すなわち、図１０
（Ａ）に示したように、駆動信号が増幅回路１２２で増
幅されて駆動回路１２４に供給され、この駆動回路１２
４によって圧電駆動板１０の上面電極１２に駆動信号が
印加される。なお、下面電極２２側は、引出部２４から
アースされる。このようにして、圧電駆動板１０に電気
変位が与えられ、圧電駆動板１０が円周方向に伸縮す
る。このため、圧電振動板２０を含む全体が図１０
（Ｂ）に矢印ＦＣで示したように上下方向に振動し、音
が発生する。発生する音の周波数帯域の調整は、圧電駆
動板１０の厚さや径の変更によって行われる。

【００１７】以上のように、本形態によれば、駆動板と
振動板の双方がいずれも圧電材で形成され、更にそれら
が圧着・一体焼成される。このため、上述した背景技術
のような駆動板と振動板を接着する接着工程が不要とな
り、製造工程が簡略化される。

【００１８】次に、金属材と圧電材の線膨張率の一例を
示すと、次の表１に示すように両者で大きく異なる。こ
のため、上述したように、圧電駆動板が温度変化によっ
て破損することとなる。しかし、本形態では、駆動板及
び振動板のいずれも圧電材であるため、両者の線膨張率
も同じになる。従って、温度変化に伴う膨張収縮も両者
で同じとなり、温度変化に伴う破損が防止されるように
なる。一例を示すと、本形態及び背景技術についてそれ
ぞれ１０個のサンプルを製作し、図３に示すようなヒー
トサイクル試験を行った。すなわち、−４５℃〜８５℃
の温度範囲，１サイクル８０分とし、−４５℃及び８５
℃でそれぞ３０分キープする。このヒートサイクルを、
合計１００回繰り返した。その結果、背景技術の場合
は、１０個のサンプルのうち、４個において駆動板と振
動板が剥離した。しかし、本形態では、１０個のサンプ
ルのいずれも剥離しなかった。

【００１９】次に、振動板のみの共振周波数ｆ₀［Ｈ
ｚ］は、ｆ₀∝（ａ・ｔ／ｒ）・√（Ｅ・ｂ／ρ）の関係がある。このうち、ａ及びｂは係数，ｔは振動板
の厚さ［ｍ］，ｒは振動板の直径［ｍ］，Ｅはヤング率
［Ｎ／ｍ²］，ρは振動板の密度［Ｋｇ／ｍ³ ］であ
る。表１に示すように，密度ρは、金属材と圧電材でそ
れほど違いはない。従って、振動板の径や厚さがほぼ同
様であるとすると、共振周波数ｆ₀は、√Ｅに比例する
ことになる。一方、表１に示すように、金属材と圧電材
のヤング率を比較すると、圧電材の方が金属材よりも小
さい。従って、共振周波数ｆ₀は、圧電材の方が低くな
る。

【００２０】

【表１】

【００２１】図４（Ａ）には、周波数特性試験の様子が
示されている。インピーダンスアナライザ５０を、上面
電極１２と下面電極２２の引出部２４に接続して、イン
ピーダンスの周波数特性を測定する。測定結果は、図４
（Ｂ）に示すようになる。測定に用いた駆動板の直径は
１５ｍｍφ，厚さは５０μｍ、振動板の直径は２０ｍｍ
φ，厚さは５０μｍである。図４（Ｂ）のグラフの横軸
は周波数，縦軸はインピーダンス（対数表示）である。
上述した背景技術の場合は、図４（Ｂ）にグラフＧＢで
示すように、共振周波数が約１４００［Ｈｚ］，反共振
周波数が約１５４０［Ｈｚ］である。これに対し、本形
態では、グラフＧＡで示すように、共振周波数が約８０
０［Ｈｚ］，反共振周波数が約９８０［Ｈｚ］であり、
約６００［Ｈｚ］周波数が低下した。

【００２２】次に、一例を示すと、駆動板用及び振動板
用の圧電材として例えばＰＺＴを用る。それらを、厚さ
が６０μｍ，直径が駆動板は１４．０ｍｍ，振動板は１
７．６ｍｍの円板状にそれぞれ成形するとともに、Ａｇ
−Ｐｄ合金などのスクリーン印刷によって上面電極や下
面電極を形成する。次に、圧電駆動板と圧電振動板を例
えば４２５ｋｇ／ｃｍ²，８０℃の条件で圧着するとと
もに、１２３０℃の温度で一体焼成する。その後、直流
電圧として６０Ｖを印加して圧電駆動板の分極を行う。
その後、上面電極及び下面電極に引出線を接続したり、
パッケージに収納するなどの作業が行われる。

【００２３】次に、図５〜図８を参照しながら実施形態
２について説明する。この形態２は、圧電駆動板を複数
の圧電材板で構成したものである。まず、図５の例から
説明する。図５中（Ａ）には分解した状態が示されてお
り、（Ｂ）には組み立てた状態が示されている。また、
（Ｃ）には、（Ｂ）の横断面が示されている。これらの
図に示すように、本形態では圧電駆動板が２層構造とな
っている。上段の第１の圧電駆動板６０には上面電極６
０Ａが形成されており、下段の第２の圧電駆動板６２に
は中間電極６２Ａ及び側面電極６２Ｂが形成されてい
る。一方、圧電振動板６４には下面電極６４Ａ及びその
引出部６４Ｂの他に、前記側面電極６２Ｂに接続する引
出部６４Ｃが設けられている。

【００２４】図６の例は、前記図５の例の各部を四角形
状にしたものである。なお、対応する部分に同一の符号
を付す。このような角型形状にすると、円板形状の場合
と比較して積層時の位置決めがし易くなる。また、駆動
板や振動板を図２（Ｂ）に示したようなシートを打抜い
て成型する場合には、円板形状のものよりも取れる板の
個数が多くなるといった利点がある。

【００２５】図７の例は、圧電振動板の表裏にそれぞれ
圧電駆動板を設けたバイモフル型の例である。同図に横
断面を示すように、圧電振動板７０の表面７２には下面
電極７２Ａ及びその引出部７２Ｂが形成されている。ま
た、圧電振動板７０の裏面７４には下面電極７４Ａ及び
その引出部７４Ｂが形成されている。そして、圧電振動
板７０の表面側には上部圧電駆動板７６が設けられてお
り、裏面側には下部圧電駆動板７８が設けられている。
圧電駆動板７６，７８には、それぞれ上面電極７６Ａ，
７８Ａが形成されている。

【００２６】駆動電圧の印加は、圧電駆動板の分極方向
を考慮し、複数の圧電駆動板が同一の駆動方向となるよ
うに留意する。図５及び図６の例において、圧電駆動板
６０，６２の分極方向が同一，例えば図８（Ａ）に示す
矢印Ｆ３の場合は、上面電極６０Ａに駆動電圧＋Ｖinを
印加し、下面電極６４Ａに駆動電圧−Ｖinを印加する。
中間電極６２Ａはそのままでもよいが、必要であればア
ースする。圧電駆動板６０，６２の分極方向が異なる場
合，例えば図８（Ｂ）に示す矢印Ｆ３，Ｆ４の場合は、
上面電極６０Ａ及び下面電極６４Ａに駆動電圧Ｖinを印
加し、中間電極６２Ａはアースする。

【００２７】図７に示したバイモフル型の場合は、圧電
駆動板の一方が伸びたら他方が縮むように、駆動電圧を
印加する。例えば、図８（Ｃ）のように圧電駆動板７
６，７８の分極方向が矢印Ｆ３，Ｆ４と異なる場合は、
圧電駆動板７６の上面電極７６Ａに駆動電圧＋Ｖinを印
加し、圧電駆動板７８の上面電極７８Ａに駆動電圧−Ｖ
inを印加する。下面電極７２Ａ，７４Ａは、いずれもア
ースする。

【００２８】これらの例のように、圧電駆動板を多層構
造もしくはバイモフル構造とすることで音圧の向上を図
ることができる。また、圧電駆動板の間に電極があるた
め，圧電駆動板の分極を比較的低電圧，短時間で行うこ
とができるという利点がある。更に、圧電駆動板を薄く
することができ、低電圧駆動が可能となる。

【００２９】本発明には数多くの実施形態があり、以上
の開示に基づいて多様に改変することが可能である。例
えば、前記形態で示した形状，寸法，材料，製造条件な
どは一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。圧電
駆動板の積層数なども同様である。また、駆動板と振動
板は、必ずしも同一の圧電材で形成する必要はないが、
熱的特性などが接近したものを使用すると好都合であ
る。前記形態を組み合わせるようにしてもよい。例え
ば、図７に示したバイモフル構造に図６に示した多層構
造を組み合わせ、振動板の表裏の駆動板をそれぞれ多層
の圧電板で構成するという具合である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次のような効果がある。（１）駆動板のみならず、振動板も圧電材で形成し、圧
着の後に一体焼成することとしたので、駆動板と振動板
の接着工程を削減することができる。（２）駆動板及び振動板の両方を圧電材で形成すること
としたので、両者の熱的特性が接近するようになり、温
度変化による破損が防止されて信頼性が向上する。（３）振動板を圧電材で形成することとしたので、共振
周波数が低下し、低音域の音量の増大を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の製造方法を示す図であ
る。

【図２】本発明の実施形態１の製造方法を示す図であ
る。

【図３】ヒートサイクル試験における温度変化の様子を
示すグラフである。

【図４】周波数特性試験の方法と結果の一例を示す図で
ある。

【図５】本発明の実施形態２の円板型実施例を示す図で
ある。

【図６】実施形態２の角型実施例を示す図である。

【図７】実施形態２のバイモフル型実施例を示す図であ
る。

【図８】実施形態２における駆動電圧の印加の様子を示
す図である。

【図９】背景技術の一例の製造方法を示す図である。

【図１０】背景技術の駆動の様子を示す図である。

【符号の説明】

１０…圧電駆動板１２…上面電極２０…圧電振動板２２Ａ…表面２０Ｂ…裏面２２…下面電極２４…引出部３０…成型用治具３４…圧電材シート３６…コンタクトプローブ４０…直流電源５０…インピーダンスアナライザ６０…圧電駆動板６２…圧電駆動板６０Ａ…上面電極６２Ａ…中間電極６２Ｂ…側面電極６４…圧電振動板６４Ａ…下面電極６４Ｂ…引出部６４Ｃ…引出部７０…圧電振動板７２…表面７２Ａ…下面電極７２Ｂ…引出部７４…裏面７４Ａ…下面電極７４Ｂ…引出部７６…上部圧電駆動板７６Ａ…上面電極７８…下部圧電駆動板７８Ａ…上面電極Ｖin…駆動電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松井幸弘東京都台東区上野６丁目16番20号太陽誘電株式会社内 (72)発明者伊藤文久東京都台東区上野６丁目16番20号太陽誘電株式会社内 (72)発明者中島光雄東京都台東区上野６丁目16番20号太陽誘電株式会社内Ｆターム(参考） 5D004 AA07 AA12 BB01 CC04 CD01 CD07 DD01 GG00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動板及び振動板を積層した圧電発音体
において、前記振動板を圧電材で形成したことを特徴とする圧電発
音体。
【請求項２】前記駆動板を複数の圧電材板による多層
構造としたことを特徴とする請求項１記載の圧電発音
体。
【請求項３】前記駆動板を、前記振動板の表裏にそれ
ぞれ設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電
発音体。
【請求項４】前記駆動板に駆動電圧を印加する駆動電
極を、前記駆動板のみを挟むように形成したことを特徴
とする請求項１，２又は３のいずれかに記載の圧電発音
体。
【請求項５】前記多層構造の駆動板の圧電材板間に中
間電極を形成したことを特徴とする請求項２記載の圧電
発音体。
【請求項６】請求項１，２，３，４及び５のいずれか
に記載の圧電発音体の製造方法であって、前記駆動板と前記振動板を、圧着の後に一体焼成したこ
とを特徴とする圧電発音体の製造方法。
【請求項７】前記駆動板のみに分極電圧を印加するこ
とを特徴とする請求項６記載の圧電発音体の製造方法。