JP2006109163A - 圧電シート及びこれを用いた圧電スピーカ - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子チップの形状を四角形から三角形に変えることによってチップ密度を高く維持すると共に、この不均一性を改善し、もって可聴周波数帯域から超音波帯域の広い範囲に亘って音圧特性を平坦化して出力特性を改善することが可能な圧電シートを提供する。
【解決手段】 互いに微小間隙を隔てて配置されている複数の圧電素子チップ４間に樹脂６を介在させることによって前記圧電素子チップ同士を結合して全体が曲面形状に近似する多面体形状に成形されている圧電シートにおいて、前記圧電素子チップは、三角形に形成されている。これにより、チップ密度を高く維持すると共に、この不均一性を改善し、もって可聴周波数帯域から超音波帯域の広い範囲に亘って音圧特性を平坦化して出力特性を改善する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子を利用した圧電シート及び圧電スピーカに係り、特に出力特性を改善することができる圧電シート及び圧電スピーカに関する。

一般に、スピーカはボイスコーンに接続されたボイスコイルに音声信号を流すことにより、このコイルの電流と永久磁石の磁界の相互作用によりボイスコーンを機械的に振動させ、これにより空気を振動させて音声を再生するようになっている。
音声の再生においては人間の可聴周波数である数１０Ｈｚから１０数ｋＨｚまでの広範囲に渡って効率良く且つ歪みが生じないように再生することが理想的であるが、一般的には１つのスピーカではそのような広範囲の周波数領域をカバーすることができないので各領域に対応させた複数のスピーカが用いられている。また、このような永久磁石を用いたマグネットスピーカは音圧を高めるためには寸法が大きくなり、また重量も大きいものとなる。

ところで、近年においてはステレオ装置、テレビジョン及びサラウンドサウンド等の音響装置において小型軽量化及び薄型化の要請が非常に高まってきており、このような要請に応えて極めて薄く且つ軽量の圧電スピーカが開発されている。この圧電スピーカは、例えば特許文献１、２、３等において開示されており、圧電セラミックスと樹脂等の有機物とを混在させることにより圧電セラミックスの有する圧電効果と有機物の持つ弾力性とを組み合わせた圧電シートを用いるようになっている。
この圧電シートを用いた圧電スピーカは、エポキシ系樹脂等の有機物の格子状シートに多数の例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系セラミックスの薄板よりなる圧電素子チップを埋め込んで圧電シートを形成し、このシートの両面に電極板を形成して全体が例えば平板状或いはドーム状に固定して構成されている。上記のように構成された圧電スピーカにあっては、可聴周波数帯域において十分に実用化が可能な出力特性が得られている。

特開平７−３２７２９８号公報 特開２０００−３２４５９８号公報 特開２００３−３４８６９２号公報

ところで、近年、オーディオ技術の発達と共に超音波帯域（２０ｋＨｚ以上）の再生を行う、いわゆるスーパーオーディオＣＤ（ＳＡＣＤ）やＤＶＤ−オーディオが規格化されて市場を形成しつつある。これらの可聴周波数帯域を超えた音域を取り扱う目的は、より自然な音の録音再生による音質の向上と非可聴周波数帯域音のヒーリング効果にある。
しかしながら、前述した従来の圧電スピーカにあっては、上記した２０ｋＨｚ以上の超音波帯域を加えた出力特性はそれ程良好ではなく、例えば２ｋＨ〜６０ｋＨｚに亘る出力特性（音圧特性）の平坦性は±２０ｄＢ以上であった。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。
本発明の目的は、四角形の圧電素子チップの配列を工夫することによってチップ密度を高く維持すると共に、この不均一性を改善し、もって可聴周波数帯域から超音波帯域の広い範囲に亘って音圧特性を平坦化して出力特性を改善することが可能な圧電シート及び圧電スピーカを提供することにある。
また本発明の他の目的は、圧電素子チップの形状を四角形から三角形に変えることによってチップ密度を高く維持すると共に、この不均一性を改善し、もって可聴周波数帯域から超音波帯域の広い範囲に亘って音圧特性を平坦化して出力特性を改善することが可能な圧電シート及び圧電スピーカを提供することにある。

請求項１に係る発明は、互いに微小間隙を隔てて配置されている複数の圧電素子チップ間に樹脂を介在させることによって前記圧電素子チップ同士を結合して全体が曲面形状に近似する多面体形状に成形されている圧電シートにおいて、前記圧電素子チップを四角形に形成し、前記圧電素子チップを同心状に配置するように構成したことを特徴とする圧電シートである。
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記曲面形状は、球体殻の一部、或いは非球体殻の一部である。
また例えば請求項３に規定するように、前記非球面体殻は、楕円体殻及び超楕円体殻を含む。
請求項４に係る発明は、互いに微小間隙を隔てて配置されている複数の圧電素子チップ間に樹脂を介在させることによって前記圧電素子チップ同士を結合して全体が曲面形状に近似する多面体形状に成形されている圧電シートにおいて、前記圧電素子チップは、三角形に形成されていることを特徴とする圧電シートである。

この場合、例えば請求項５に規定するように、前記三角形の圧電素子チップの各角頂は、前記曲面形状の曲面に内接するような位置で互いに接合されている。
また例えば請求項６に規定するように、前記三角形は、実質的な２等辺三角形と実質的な正三角形とを含む。
また例えば請求項７に規定するように、前記２等辺三角形は１種類であり、前記正三角形は複数種類ある。
また例えば請求項８に規定するように、前記三角形の一辺の長さＬは、前記圧電素子チップの厚さを”ｔ”とすると、”１００×ｔ≧Ｌ≧５×ｔ”の関係にある。
また例えば請求項９に規定するように、前記三角形の一辺の長さＬは、前記曲面形状の直径の長さを”Ｄ”とすると、”Ｄ／１００≦Ｌ≦Ｄ／５”の関係にある。
また例えば請求項１０に規定するように、前記曲面形状は、球体殻の一部、或いは非球体殻の一部である。
また例えば請求項１１に規定するように、前記非球面体殻は、楕円体殻及び超楕円体殻を含む。
請求項１２に係る発明は、上記圧電シートを用いた圧電スピーカである。

本発明の圧電シート及びこれを用いた圧電スピーカによれば、チップ密度を高く維持すると共に、この不均一性を改善し、もって可聴周波数帯域から超音波帯域の広い範囲に亘って音圧特性を平坦化して出力特性を改善することができる。

以下に、本発明に係る圧電シート及びこれを用いた圧電スピーカの一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の圧電スピーカを示す要部拡大断面図、図２は図１に示す圧電スピーカに用いる圧電シートを示す断面図、図３は本発明の第１実施例の圧電シートにおいて同心状に配列された圧電素子チップの配列を示す平面図、図４は従来の圧電シートにおいて格子状に配列された圧電素子チップの配列を示す平面図である。
図示するようにこの圧電スピーカ２は、複数の圧電素子チップ４間に有機物の樹脂６を介在させて上記圧電素子チップ４同士を結合してなる本発明の特徴とする圧電シート８と、この圧電シート８の両面に均一に貼り合わせた２つの薄膜状の電極膜１０Ａ、１０Ｂと、これらの各電極膜１０Ａ、１０Ｂの表面に貼り合わせて積層するように設けられて上記電極膜１０Ａ、１０Ｂの酸化を防止等するための保護膜１２Ａ、１２Ｂと、この積層体の周囲を保持する例えば金属や樹脂等よりなる枠体１４とにより主に構成されている。そして、上記２つの電極膜１０Ａ、１０Ｂからそれぞれリード線１６Ａ、１６Ｂを引き出し、これに音声信号源１８から音声信号電流を印加することにより、逆圧電効果により圧電シート８がシート曲面に対して接線方向に伸縮運動を起こし、圧電シート８の端部を枠体１４で固定した場合には、圧電シート８は曲面法線方向に振動し、いわゆる呼吸振動し、音声が発せられることになる。図示例ではこの圧電シート８は、湾曲されて曲面形状に例えば半球面状（半球体殻）に近似する多面体形状に成形されている。すなわち微少な平坦な圧電素子チップ４に囲まれた多面体形状となる。この時の圧電シート８だけの断面形状は図２に示されている。以上は、圧電スピーカの一般的な構造である。

＜実施例１＞
次に、圧電シートの実施例１の構造について説明する。
ここで上記圧電素子チップ４は、圧電素子である例えばＰＺＴよりなり、その大きさは例えば縦、横、厚さがそれぞれ２ｍｍ×２ｍｍ×０．２ｍｍ程度の四角形に成形されている。そして、図３に示すように、上記圧電素子チップ４は隣り同士が微小な間隙、例えば０．２〜０．５ｍｍ程度離間させて、同心状（同心円状）に多数配列されている。尚、Ｘ、Ｙ方向へは等方性を持たせるためにチップ４は直線状に配列されている。そして、圧電素子チップ４同士の間隙に接合用の樹脂６（図３においては図示せず）が介在されている。
この場合、図３から明らかなように、圧電シート８の周辺部のチップ密度（チップの占積率）はかなり高いが、中心に行く程、チップを同心円状に配列する幾何学的制約からチップ同士間の隙間を少しずつ大きくせざるを得ず、中心部ではチップ密度は少し低下している。

この時の四角形状の圧電素子チップ４の一辺の長さ”Ｌ”は、チップ４の厚さを”ｔ”とすると、次の関係式を満足するように設定する。
１００×ｔ≧Ｌ≧５×ｔ
また好ましくは”５０×ｔ≧Ｌ≧１０×ｔ”の範囲に設定する。
この理由は、上記チップ４の一辺の長さＬが”５×ｔ”よりも小さいと、チップ４の数が多過ぎてしまい、製造上のスループットが大幅に低下してしまう。また、チップ４の一辺の長さＬが”１００×ｔ”よりも大きいと、チップ４の寸法が大きくなり過ぎて取り扱う時等に割れが発生し易くなってしまう。
また図２において、圧電シート８の曲面形状の直径の長さを”Ｄ”とすると、チップ４の一辺の長さ”Ｌ”は次の関係式を満足するように設定する。
Ｄ／１００≦Ｌ≦Ｄ／５
また好ましくは”Ｄ／５０≦Ｌ≦Ｄ／１０”の範囲に設定する。
この理由は、上記チップ４の一辺の長さＬが”Ｄ／１００”よりも小さいと、チップ４の数が多過ぎてしまい、製造上のスループットが大幅に低下してしまう。またチップ一辺の長さＬが”Ｄ／５”よりも大きいと、チップサイズが大き過ぎてしまい、曲面形状が滑らかでなくなり、音圧の指向性が低下してしまう。

ここで上記したような実施例１の圧電シート８を用いて、図１に示すような圧電スピーカを構成したときの出力特性を実測により評価したので、その評価結果について説明する。また比較例として図４に示すように従来例のように四角形の圧電素子チップ４を格子状に配列してなる圧電シートについても評価を行った。圧電素子チップ４の大きさは、共に、縦、横、厚さが２ｍｍ×２ｍｍ×０．２ｍｍである。また図４に示す比較例の場合には、Ｘ、Ｙ方向に共に３列にチップ４をそれぞれ同数配列している。また図４において、チップ４間の間隙は０．４ｍｍに設定してある。そして、図２に示すように曲面形状の圧電シート４の直径Ｄ及び高さＨは、共に４０ｍｍ及び２０ｍｍ（Ｈ／Ｄ＝１／２）にそれぞれ設定してある。図５は比較例の周波数に対する音圧特性を示すグラフ、図６は実施例１の周波数に対する音圧特性を示すグラフである。

比較例の場合には、図５に示すように周波数が２ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲内では相対音圧は４０ｄＢ以上（±２０ｄＢ以上）もの大きな変化があり、相対音圧の平坦性はかなり低いことが確認できた。この理由は、図４から理解できるように、圧電シートの中央部近辺はチップ密度が均一であるが、周辺部に近い部分ではチップ密度の均一性が低下し、この部分に特性の歪が発生しているからである。
実施例１の場合には、図６に示すように周波数２ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲内では相対音圧は３０ｄＢ（±１５ｄＢ）程度の変化であり、出力特性は上記比較例と較べた場合にかなり改善できることが確認できた。この理由は、比較例と較べて、実施例１のチップ密度の均一性が圧電シートの中央部ではやや低下するものの、周辺部（枠体近傍部）では大きく改善されたからである。

［実施例２〜実施例４］
次に圧電シート８の実施例２〜実施例４の構造について説明する。
この実施例２〜４では、圧電素子チップ８を、四角形に代えて三角形に形成している。具体的には、この三角形のチップは製造工程における煩雑さを抑制するために１種類の２等辺三角形のチップと複数種類の正三角形のチップ群よりなり、圧電シート８の中央部や圧電シート８の周辺部である枠体１４の近傍のチップ密度の不均一性を改善し、相対音圧特性の平坦性の更なる向上を図るものである。そして、この実施例２〜４の特徴としては、微小な三角形の各圧電素子チップ４の全ての角頂（頂角）を、圧電シート８の多面体形状が近似する曲面形状の曲面に内接するような位置で互いに接合している。
ここで上記したような構成をするために、各三角形の圧電素子チップ４の寸法を求めるための数学的な手法について説明する。

まず複数の正三角形の面よりなる正多面体を考える。ここでは理解を容易にするために、２０個の正三角形の面を有する正二十面体を例にとって説明する。図７はこのような正二十面体３０を示す斜視図である。この正二十面体３０を切断線３２に沿って上下に２つに分割する。従って、分割された一方の分割体には１０個の正三角形に相当する面が存在することになる。尚、正三角形が切断線３２によって切断された部分は、この横方向に隣接する部分を加えることによって１つの正三角形の大きさとなる。
そして、上記正三角形を各辺に沿って平行に分割することによって、多数の小三角形に細分化する。図８は正三角形の一面を複数の小三角形に細分化した時の一例を示す。すなわち、図７に示す正二十面体の正三角形３４の内の１つを取り出し、これを図８に示している。そして、図８では、１つの正三角形３４を、各辺に平行に６分割することによって、全体で３６個の小三角形３６に細分化している。尚、後述するようにこの小三角形３６の寸法が近似的に圧電素子チップ４に対応することになる。

次に、上記のように細分化された小三角形３６の各角頂（頂点）Ｐ１を、図７に示す正二十面体３０の各角頂（頂点）が形成する球面状の曲面（球殻）の面上に位置するように、すなわち内接するように上記各小三角形３６の各辺の長さを決定する。そして、このように各辺の長さを決定した３６個の小三角形３６よりなる面を１０個、半球殻状になるように貼り合わせれば、半球状に近似されているドーム状の多面体が得られることになる。図９はこの時の状態を示した図である。図９において太細で囲まれた領域が１つの正三角形３４の領域を示している。また上記正三角形３４の内、切断線３２（図７参照）によって切断された部分は、これに隣接する領域と合わせて１つの正三角形３４の大きさとなっている。
ここで上記のように、細分化された小三角形３６の各角頂Ｐ１が正二十面体３０の形成する球殻の面上に内接するように、各小三角形３６の各辺の長さを決定する手法として、数学的な測地学的演算手法を用いることができる。これにより平面状の図８に示すような小三角形３６の各角頂Ｐ１の座標を球面座標系に変換することができ、この結果、球殻の面上に内接するようにした各小三角形３６の各辺の長さを決定することができる。尚、上記測地学的演算手法に関しては、参考文献として［Ｋｅｎｎｅｒ，Ｈ．Ｇｅｏｄｅｓｉｃ Ｍａｔｈ ａｎｄ Ｈｏｗ ｔｏ Ｕｓｅ Ｉｔ．Ｂｅｒｋｅｌｅｙ，ＣＡ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｒｅｓｓ．１９９４］等を挙げることができる。

さて、上記のように各辺の長さを決定した各小三角形３６を上記したように圧電素子チップ４で形成し、これらを樹脂６によって互いに接合すれば、全体で３６０個のチップ４による半球殻状（多面体半球殻状）の圧電シート４が得られることになる。
上記説明では、１つの正三角形３４を３６個の小三角形３６に細分化した場合を例にとって説明したが、これに限定されず、圧電スピーカのサイズに応じて、４個、１６個、６４個、１００個或いはそれ以上に細分化してもよい。
図１０は１つの正三角形を３６個の小三角形に細分化した第２実施例の状態を示す平面図、図１１は１つの正三角形を６４個の小三角形に細分化した第３実施例の状態を示す平面図、図１２は１つの正三角形を１００個の小三角形に細分化した第４実施例の状態を示す平面図である。図中の各小三角形３６の各辺には計算で求められた長さがアルファベットにより併記してある。

＜第２実施例＞
まず、図１０を参照して第２実施例の場合について説明する。ここでは圧電シート８の直径Ｄ（図２参照）を４０ｍｍに設定している。３６個の小三角形３６の各辺の寸法は数学的に厳密に計算すると下記のようにＡ〜Ｉの９種類のアルファベットで示される寸法があり、それぞれ下記のような値となる。
Ａ＝３．２５ｍｍ Ｂ＝３．８０ｍｍ Ｃ＝３．７４ｍｍ
Ｄ＝３．６３ｍｍ Ｅ＝４．０５ｍｍ Ｆ＝３．９６ｍｍ
Ｇ＝４．１１ｍｍ Ｈ＝４．３０ｍｍ Ｉ＝４．３３ｍｍ
ここで半球殻形状に必要な小三角形のチップ４の種類及び個数は以下のようになる。
＜種類減少後＞
小三角形ＡＡＢ：３個×１０＝３０個 − ＡＡＢ＝３０個
小三角形ＢＤＤ：３個×１０＝３０個 − ＤＤＤ＝９０個
小三角形ＣＤＥ：６個×１０＝６０個 ／
小三角形ＥＦＧ：１２個×１０＝１２０個 − ＦＦＦ＝１２０個
小三角形ＧＧＨ：６個×１０＝６０個 − ＧＧＧ＝１２０個
小三角形ＩＩＨ：６個×１０＝６０個 ／

上記のように、厳密には６種類の寸法の小三角形のチップ４が必要となるが、これでは製造時に管理が煩雑となってスループットが低下してしまう。そこで、上記６種類の小三角形の種類を減少させるために、小三角形の３辺の寸法差が極めて小さい場合には、その３辺の寸法の内の一番小さい寸法に統一して揃えるようにする。このように種類を減少させた時の状態が上記右辺側に記載してある。
ここでは小三角形ＡＡＢは変更がなく、小三角形ＢＤＤ及び小三角形ＣＤＥは共に小三角形ＤＤＤに統一し、小三角形ＥＦＧは小三角形ＦＦＦに統一し、小三角形ＧＧＨ及び小三角形ＩＩＨは共に小三角形ＧＧＧに統一している。これにより１種類の２等辺三角形（小三角形ＡＡＢ）と、３種類の正三角形（小三角形ＤＤＤ、ＦＦＦ、ＧＧＧ）とにより構成されることになり、これにより、チップ４の管理や製造が容易となり、製造時のスループットを向上させることができる。尚、この第２実施例の場合には圧電シート全体で３６０個（＝３６×１０面）のチップが必要となる。

＜第３実施例＞
次ず、図１１を参照して第３実施例の場合について説明する。ここでは圧電シート８の直径Ｄ（図２参照）を６０ｍｍに設定している。そして、直径Ｄを第２実施例の場合よりも少し大きくしたので、正三角形３４の一辺を８等分して全体で６４個の小三角形３６に細分化している。これらの小三角形３６の各辺の寸法は数学的に厳密に計算すると下記のようにＡ〜Ｔの２０種類のアルファベットで示される寸法があり、それぞれ下記のような値となる。
Ａ＝３．５９ｍｍ Ｂ＝４．２１ｍｍ Ｃ＝４．０３ｍｍ
Ｄ＝３．９１ｍｍ Ｅ＝４．４４ｍｍ Ｆ＝４．３９ｍｍ
Ｇ＝４．２２ｍｍ Ｈ＝４．３７ｍｍ Ｉ＝４．５８ｍｍ
Ｊ＝４．６９ｍｍ Ｋ＝４．５９ｍｍ Ｌ＝４．４６ｍｍ
Ｍ＝４．６９ｍｍ Ｎ＝４．６４ｍｍ Ｏ＝４．５９ｍｍ
Ｐ＝４．８３ｍｍ Ｑ＝４．８１ｍｍ Ｒ＝４．８１ｍｍ
Ｓ＝４．８９ｍｍ Ｔ＝４．９４ｍｍ
ここで半球殻形状に必要な小三角形のチップ４の種類及び個数は以下のようになる。
小三角形ＡＡＢ：３個×１０＝３０個
小三角形ＤＤＢ：３個×１０＝３０個
小三角形ＣＥＤ：６個×１０＝６０個
小三角形ＦＩＧ：６個×１０＝６０個
小三角形ＥＧＨ：６個×１０＝６０個
小三角形ＨＨＪ：３個×１０＝３０個
小三角形ＫＯＬ：６個×１０＝６０個
小三角形ＩＬＭ：６個×１０＝６０個
小三角形ＭＮＰ：６個×１０＝６０個
小三角形ＮＮＪ：３個×１０＝３０個
小三角形ＯＯＱ：３個×１０＝３０個
小三角形ＱＲＲ：３個×１０＝３０個
小三角形ＰＲＳ：６個×１０＝６０個
小三角形ＳＳＴ：３個×１０＝３０個
小三角形ＴＴＴ：１個×１０＝１０個

上記のように、厳密には１５種類の寸法の小三角形のチップ４が必要となるが、これでは製造時に管理が煩雑となってスループットが低下してしまう。そこで、先の第２実施例の場合と同様に、上記１５種類の小三角形の種類を減少させるために、小三角形の３辺の寸法差が極めて小さい場合には、その３辺の寸法の内の一番小さい寸法に統一して揃えるようにする。
ここでは小三角形ＡＡＢは変更がなく、小三角形ＤＤＢ及び小三角形ＣＥＤは共に小三角形ＤＤＤに統一し、小三角形ＦＩＧ、ＥＧＨ及びＨＨＪは小三角形ＧＧＧに統一し、小三角形ＫＬＯ、ＩＬＭ、ＭＮＰ、ＮＮＪ及びＯＯＱは共に小三角形ＬＬＬに統一し、小三角形ＱＲＲ、ＰＲＳ、ＳＳＴ及びＴＴＴは共に小三角形ＱＱＱに統一している。これにより１種類の２等辺三角形（小三角形ＡＡＢ）と、４種類の正三角形（小三角形ＤＤＤ、ＧＧＧ、ＬＬＬ、ＱＱＱ）とにより構成されることになり、これにより、チップ４の管理や製造が容易となり、製造時のスループットを向上させることができる。尚、この第３実施例の場合には圧電シート全体で６４０個（＝６４×１０面）のチップが必要となる。

＜第４実施例＞
次ず、図１２を参照して第４実施例の場合について説明する。ここでは圧電シート８の直径Ｄ（図２参照）を８０ｍｍに設定している。そして、直径Ｄを第３実施例の場合よりも少し大きくしたので、正三角形３４の一辺を１０等分して全体で１００個の小三角形３６に細分化している。これらの小三角形３６の各辺の寸法は数学的に厳密に計算すると下記のようにＡ〜Ｚ４の３０種類のアルファベット（Ｚ１〜Ｚ４を含む）で示される寸法があり、それぞれ下記のような値となる。
Ａ＝３．７８ｍｍ Ｂ＝４．４３ｍｍ Ｃ＝４．１６ｍｍ
Ｄ＝４．０５ｍｍ Ｅ＝４．４６ｍｍ Ｆ＝４．５１ｍｍ
Ｇ＝４．３２ｍｍ Ｈ＝４．４５ｍｍ Ｉ＝４．８０ｍｍ
Ｊ＝４．８７ｍｍ Ｋ＝４．７７ｍｍ Ｌ＝４．５６ｍｍ
Ｍ＝４．８０ｍｍ Ｎ＝４．７２ｍｍ Ｏ＝４．８７ｍｍ
Ｐ＝５．０４ｍｍ Ｑ＝４．９２ｍｍ Ｒ＝４．７５ｍｍ
Ｓ＝５．０２ｍｍ Ｔ＝４．９４ｍｍ Ｕ＝５．０３ｍｍ
Ｖ＝４．８６ｍｍ Ｗ＝５．１０ｍｍ Ｘ＝５．１９ｍｍ Ｙ＝５．１０ｍｍ Ｚ＝５．０７ｍｍ Ｚ１＝５．２０ｍｍ
Ｚ２＝５．１９ｍｍ Ｚ３＝５．２４ｍｍ Ｚ４＝５．２８ｍｍ
ここで半球殻形状に必要な小三角形のチップ４の種類及び個数は以下のようになる。
小三角形ＡＡＢ：３個×１０＝３０個
小三角形ＤＤＢ：３個×１０＝３０個
小三角形ＣＥＤ：６個×１０＝６０個
小三角形ＦＩＧ：６個×１０＝６０個
小三角形ＥＧＨ：６個×１０＝６０個
小三角形ＨＨＪ：３個×１０＝３０個
小三角形ＫＯＬ：６個×１０＝６０個
小三角形ＩＬＭ：６個×１０＝６０個
小三角形ＭＮＰ：６個×１０＝６０個
小三角形ＮＮＪ：３個×１０＝３０個
小三角形ＱＲＶ：６個×１０＝６０個
小三角形ＯＲＳ：６個×１０＝６０個
小三角形ＳＴＷ：６個×１０＝６０個
小三角形ＰＴＵ：６個×１０＝６０個
小三角形ＵＵＸ：３個×１０＝３０個
小三角形ＶＶＸ：３個×１０＝３０個
小三角形ＹＺＺ：３個×１０＝３０個
小三角形ＷＺＺ１：６個×１０＝６０個
小三角形Ｚ１Ｚ２Ｚ３：６個×１０＝６０個
小三角形ＸＺ２Ｚ３：３個×１０＝３０個
小三角形Ｚ２Ｚ３Ｚ４：３個×１０＝３０個
小三角形Ｚ４Ｚ４Ｚ４：１個×１０＝１０個

上記のように、厳密には２２種類の寸法の小三角形のチップ４が必要となるが、これでは製造時に管理が煩雑となってスループットが低下してしまう。そこで、先の第２及び第３実施例の場合と同様に、上記２２種類の小三角形の種類を減少させるために、小三角形の３辺の寸法差が極めて小さい場合には、その３辺の寸法の内の一番小さい寸法に統一して揃えるようにする。
ここでは小三角形ＡＡＢは変更がなく、小三角形ＤＤＢ及び小三角形ＣＥＤは共に小三角形ＤＤＤに統一し、小三角形ＦＩＧ、ＥＧＨ及びＨＨＪは小三角形ＧＧＧに統一し、小三角形ＫＬＯ、ＩＬＭ、ＭＮＰ、ＮＮＪ、ＯＲＶ及びＯＲＳは共に小三角形ＬＬＬに統一し、小三角形ＳＴＷ、ＰＴＵ、ＵＵＸ及びＶＶＹは共に小三角形ＶＶＶに統一し、小三角形ＹＺＺ、ＷＺＺ１、Ｚ１Ｚ２Ｚ３、ＸＺ２Ｚ２、Ｚ３Ｚ３Ｚ４及びＺ４Ｚ４Ｚ４は共に小三角形ＺＺＺに統一している。これにより１種類の２等辺三角形（小三角形ＡＡＢ）と、５種類の正三角形（小三角形ＤＤＤ、ＧＧＧ、ＬＬＬ、ＶＶＶ、ＺＺＺ）とにより構成されることになり、これにより、チップ４の管理や製造が容易となり、製造時のスループットを向上させることができる。尚、この第４実施例の場合には圧電シート全体で１０００個（＝１００×１０面）のチップが必要となる。

以上のように、実施例２〜４に代表されるように、正二十面体の各面を形成する正三角形３４を小三角形３６に細分化した時、この小三角形３６の角頂を球殻面上に内接させるような小三角形３６の各辺を数学的な厳密さで求めたが、実際の圧電シートの製造に際しては、各小三角形チップ同士を接合するために隣り合う小三角形チップ同士間に接合用の樹脂６を介在させる間隙を設けなければならない。
この樹脂代となる間隙の幅を例えば０．１〜０．２ｍｍ程度の範囲で設定すると、上記各実施例２〜４で最終的に求めた各辺の寸法を、例えば０．０５〜０．１ｍｍ短くすることになる。そして、このように樹脂代（間隙）の幅に応じて各辺の長さを、上記実施例２〜４において説明した場合よりも更に短縮化して形成し、この小三角形チップよりなる例えば半球殻状（より詳しくは多面体半球殻状）の圧電シート８を形成することになる。

また、この時の小三角形の圧電素子チップ４の長さの範囲は、先の四角形状のチップを用いた実施例１の場合と同じであり、小三角形状の圧電素子チップ４の一辺の長さ”Ｌ”は、チップ４の厚さを”ｔ”とすると、次の関係式を満足するように設定する。
１００×ｔ≧Ｌ≧５×ｔ
また好ましくは”５０×ｔ≧Ｌ≧１０×ｔ”の範囲に設定する。
この理由は、上記チップ４の一辺の長さＬが”５×ｔ”よりも小さいと、チップ４の数が多過ぎてしまい、製造上のスループットが大幅に低下してしまう。また、チップ４の一辺の長さＬが”１００×ｔ”よりも大きいと、チップ４の寸法が大きくなり過ぎて取り扱う時等に割れが発生し易くなってしまう。
また図２において、圧電シート８の曲面形状の直径の長さを”Ｄ”とすると、チップ４の一辺の長さ”Ｌ”は次の関係式を満足するように設定する。
Ｄ／１００≦Ｌ≦Ｄ／５
また好ましくは”Ｄ／５０≦Ｌ≦Ｄ／１０”の範囲に設定する。
この理由は、上記チップ４の一辺の長さＬが”Ｄ／１００”よりも小さいと、チップ４の数が多過ぎてしまい、製造上のスループットが大幅に低下してしまう。またチップ一辺の長さＬが”Ｄ／５”よりも大きいと、チップサイズが大き過ぎてしまい、曲面形状が滑らかでなくなり、音圧の指向性が低下してしまう。

以上のように圧電シートを形成することにより、圧電素子チップ４を圧電シート８の全面に亘って極めて均一性が高い状態で配列することができ、しかも、十分な音圧が得られるように樹脂に対するチップ４の占積率（密度）も８０％以上に高くすることができる。この結果、このような圧電シート８を用いた圧電スピーカによれば、その出力特性の変動を大幅に小さくすることができ、例えば２ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの広い帯域において、相対音圧を±１０ｄＢ程度に抑制することができる。

［圧電シートの製造方法］
上記実施例２〜４（実施例１も含む）の圧電シートの製造方法は特開２００３−３４８６９２号公報で開示された方法と同じである。すなわち、ここでは成形すべき湾曲形状になされた曲面状（小三角形に対応する多面体形状にする必要はない）の金型面を有する凸部状金型と、これに嵌め込まれる凹部状金型とを用いる。そして、いずれか一方の金型、ここでは凸部状金型の金型面の全表面を被うようにして弾性体シートを設ける。この弾性体シートは、例えば厚みが１ｍｍ程度のポリウレタンゴムシート等を用いることができ、この弾性体シートにより、成形時に圧電素子チップの破損等を防止すると共に、この圧電素子チップの裏面と弾性体シートとの接合境界に溶融樹脂が浸入することを防止する。この弾性体シートの表面、すなわち上面側にグリース状の粘着剤を均一に塗布しておき、圧電素子チップが剥がれ落ちないようにする。

次に、この弾性体シートの表面に、先に実施例２〜４で求めた寸法になされた小三角形の圧電素子チップを互いに微小間隙だけ隔てて整然と配列する。
次に、上記凸部状金型と凹部状金型とを、互いに嵌め込んで密接させる。この時、凸部状金型の凸部の周縁部、或いは裾野部に沿って円形リング状の枠体１４（図１参照）を介在させる。また、金型の嵌め込みに先立って、凹部状金型の凹部の内面である金型面にも、前記した弾性体シートをこの金型面の全表面を被うようにして予め設けておく。また、この弾性体シートの表面にも、グリース等の粘着剤を予め均一に塗布しておく。
また、この凹部状金型には、金型の内部と外部とを連通するように予め少なくとも２つの連通路を設けておき、両金型を互いに嵌め込んで一方の連通路である脱気口から両金型の接合部の内部を真空引きしつつ、他方の連通路である樹脂注入口から溶融状態の樹脂を樹脂容器から吸引して注入させる。これにより、両金型間に介在された多数の圧電素子チップ４間の微小な間隙内に上記樹脂が真空注入されて充填されることになる。そして、樹脂が硬化した時点で、両金型を分解することにより、圧電シート８が形成されることになる。

次に、実際に上記実施例２〜４の圧電シート及び圧電スピーカを製造してその評価を行ったので、その評価結果について説明する。
まず、次の諸元を有する直径４０、６０、８０ｍｍ（小三角形状の圧電素子チップ４の厚さ０．２ｍｍ）の半球殻状（小三角形よりなる多面体半球殻状）の圧電スピーカを形成した。
ＰＺＴ圧電素子チップ間寸法：０．１〜０．２ｍｍ
ＰＺＴ圧電歪定数：ｄ_３１＝−２６０×１０^−１２ ｍ／Ｖ
ＰＺＴ圧電素子チップ間の樹脂：エポキシ系樹脂（Ｅｍｅｒｓｏｎ ＆ Ｃｕｍｉｎｇ社スタイキャスト）
電極膜１０Ａ、１０Ｂ：Ａｌ＋５％重量Ｔｉ合金膜，膜厚１００ｎｍ
枠体１４（下記の３種類）
：外径７５ｍｍ×内径４５ｍｍ×厚さ３ｍｍ，Ａｌ板
：外径９５ｍｍ×内径６５ｍｍ×厚さ３ｍｍ，ステンレス板
：外径１２０ｍｍ×内径９０ｍｍ×厚さ３ｍｍ，真鍮板
保護膜１２Ａ、１２Ｂ：５μｍ厚さのＳＢＲ系高分子樹脂を両面に付加

（脱気注入法による製造プロセス）
金型：Ａｌ製凸部状金型，Ａｌ製凹部状金型
弾性体シート：シリコンゴムシート，１ｍｍ厚さ
粘着剤：シリコングリース
ＰＺＴ圧電素子チップ４を配置した凸部状金型の組立体と凹部状金型の組立体を、これが置かれた空間を油回転真空ポンプにより真空度１００Ｐａ以下に保持し、十分脱気した樹脂スタイキャストをパン状容器に入れ約５０℃に加熱した。これを金型下部より圧電素子チップ間の間隙に注入した。このチップ間の間隙を樹脂で充填したのち、樹脂注入口を封止し、脱気口の真空引きを停止し、この金型を約１２０℃で１０〜３０分間加熱して樹脂を硬化させた。これにより、実施例２〜４に対応する圧電シートを作製し、更にこれにより圧電スピーカを製造した。

（音圧を測定した結果）
上記圧電シートを用いて作成した圧電スピーカの周波数に対する音圧特性を図１３〜図１５に示す。図１３は実施例２の圧電シートを用いた圧電スピーカの周波数に対する音圧特性を示し、図１４は実施例３の圧電シートを用いた圧電スピーカの周波数に対する音圧特性を示し、図１５は実施例４の圧電シートを用いた圧電スピーカの周波数に対する音圧特性を示す。
図１３〜図１５に示すグラフから明らかなように、いずれの場合にも周波数２ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの範囲内では相対音圧は２０ｄＢ（±１０ｄＢ）程度の変化であり、図６に示す実施例１の場合よりも更に出力特性を改善してより平坦化できることが確認できた。
尚、上記実施例２〜４で説明した各小三角形の寸法は、単に一例を示したに過ぎず、樹脂用の間隙（樹脂代）の幅のとり方等によって種々な値が選択されるが、いずれにしても、三角形の種類や寸法は製造工程における管理の行い易さ、スループット等を考慮して決定される。また２等辺三角形よりなるチップを用いないで、これを正三角形にして用いるようにしてもよい。

またここでは近似的に半球殻状の圧電シート８を形成する場合を例にとって説明しており、図２中のドーム状半球殻の半径Ｄと高さＨとの関係が”Ｈ／Ｄ＝１／２”の場合であるが、これに限定されず、これをドーム状の曲面形状に成形して”Ｈ／Ｄ＜１／２”としてもよいし、逆に”Ｈ／Ｄ＞１／２”としてもよい。例えば圧電シート８の形状を半球殻（１／２球殻）とせず、１／８球殻、３／８球殻、５／８球殻、５／９球殻等に形成してもよい。
また、ここでは圧電シート８の曲面形状として球面形状の一部を例にとって説明したが、これを非球面形状（非球面殻）としてもよい。この非球面殻としては、例えば楕円体殻や超楕円体殻などがある。またオブリドーム状であってもよい。このような非球面殻の場合にも、前記した測地学的演算手法を用いて球面座標表示を拡張して適用することができる。

また各小三角形チップ同士を接続するための樹脂用の間隙の幅は全て同じになるように設定したが、これに限定されず、用いる小三角形チップの辺が長くて大きい部分では上記間隙の幅も少し大きく設定し、逆に小三角形チップの辺が短くて小さい部分では上記間隙の幅も少し小さく設定し、全体でチップ占積率の均一性を更に向上させるようにしてもよい。
また更に、上記実施例では圧電素子チップ４としてＰＺＴを用いた場合を示したが、これに限定されず、他の複合材料セラミックを用いてもよい。具体的には、ＰＺＴよりも圧電歪定数が３倍程度大きいリラクサーとチタン酸鉛との固溶体として、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛（ＰＺＮＴ）の単結晶やマグネシウムニオブ酸チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）の単結晶等を用いることができる。例えばＰＺＮＴ単結晶は圧電定数ｄ_３１＝−１５００×１０^−１２ ｍ／Ｖのものが知られている。

本発明の圧電スピーカを示す要部拡大断面図である。 図１に示す圧電スピーカに用いる圧電シートを示す断面図である。 本発明の第１実施例の圧電シートにおいて同心状に配列された圧電素子チップの配列を示す平面図である。 従来の圧電シートにおいて格子状に配列された圧電素子チップの配列を示す平面図である。 比較例の周波数に対する音圧特性を示すグラフである。 実施例１の周波数に対する音圧特性を示すグラフである。 正二十面体を示す斜視図である。 正三角形の一面を複数の小三角形に細分化した時の一例を示す図である。 半球状に近似されているドーム状の多面体を示す図である。 １つの正三角形を３６個の小三角形に細分化した第２実施例の状態を示す平面図である。 １つの正三角形を６４個の小三角形に細分化した第３実施例の状態を示す平面図である。 １つの正三角形を１００個の小三角形に細分化した第４実施例の状態を示す平面図である。 実施例２の圧電シートを用いた圧電スピーカの周波数に対する音圧特性を示すグラフである。 実施例３の圧電シートを用いた圧電スピーカの周波数に対する音圧特性を示すグラフである。 実施例４の圧電シートを用いた圧電スピーカの周波数に対する音圧特性を示すグラフである。

符号の説明

２…圧電スピーカ、４…圧電素子チップ、６…樹脂、８…圧電シート、１０Ａ，１０Ｂ…電極膜、１４…枠体、３０…正二十面体、３２…切断線、３４…正三角形、３６…小三角形、Ｐ１…角頂（頂点）。

Claims (12)

1. 互いに微小間隙を隔てて配置されている複数の圧電素子チップ間に樹脂を介在させることによって前記圧電素子チップ同士を結合して全体が曲面形状に近似する多面体形状に成形されている圧電シートにおいて、
   前記圧電素子チップを四角形に形成し、前記圧電素子チップを同心状に配置するように構成したことを特徴とする圧電シート。
2. 前記曲面形状は、球体殻の一部、或いは非球体殻の一部であることを特徴とする請求項１記載の圧電シート。
3. 前記非球面体殻は、楕円体殻及び超楕円体殻を含むことを特徴とする請求項２記載の圧電シート。
4. 互いに微小間隙を隔てて配置されている複数の圧電素子チップ間に樹脂を介在させることによって前記圧電素子チップ同士を結合して全体が曲面形状に近似する多面体形状に成形されている圧電シートにおいて、
   前記圧電素子チップは、三角形に形成されていることを特徴とする圧電シート。
5. 前記三角形の圧電素子チップの各角頂は、前記曲面形状の曲面に内接するような位置で互いに接合されていることを特徴とする請求項４記載の圧電シート。
6. 前記三角形は、実質的な２等辺三角形と実質的な正三角形とを含むことを特徴とする請求項４または５記載の圧電シート。
7. 前記２等辺三角形は１種類であり、前記正三角形は複数種類あることを特徴とする請求項６記載の圧電シート。
8. 前記三角形の一辺の長さＬは、前記圧電素子チップの厚さを”ｔ”とすると、”１００×ｔ≧Ｌ≧５×ｔ”の関係にあることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の圧電シート。
9. 前記三角形の一辺の長さＬは、前記曲面形状の直径の長さを”Ｄ”とすると、”Ｄ／１００≦Ｌ≦Ｄ／５”の関係にあることを特徴とする請求項４乃至８のいずれかに記載の圧電シート。
10. 前記曲面形状は、球体殻の一部、或いは非球体殻の一部であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載の圧電シート。
11. 前記非球面体殻は、楕円体殻及び超楕円体殻を含むことを特徴とする請求項１０記載の圧電シート。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の圧電シートを用いたことを特徴とする圧電スピーカ。
    
    

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