JP2007027856A - 圧電発音体 - Google Patents

Abstract

【課題】 広帯域でフラットな周波数特性をもった圧電発音体を提供する。
【解決手段】 圧電発音体１は、略円環状の圧電素子２と、この圧電素子２に接着固定され、圧電素子２で生じた振動を受けて音を発生させるダイヤフラム構造の振動板３と、この振動板３を支持する円筒状の支持体４とを備えている。圧電素子２は、圧電体６と電極７，８とが積層されてなる積層型圧電素子である。圧電素子２は、帯状のグリーン積層体を略円環状に曲げた状態で焼成することにより形成される。振動板３は、圧電素子２よりも低密度であり且つ音響インピーダンスの低い材料で形成されている。圧電素子２の電極７，８間に電圧を印加すると、圧電素子２が水平方向（円環径方向）に振動し、その振動が振動板３に伝わり、振動板３が上下方向（円環軸方向）に振動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子の振動を利用して空気を振動させることで、音を発生させる圧電発音体に関するものである。

従来の圧電発音体としては、例えば特許文献１に記載されているように、表裏両面に電極が形成された円形の圧電セラミック板を金属板に接合し、この金属板の外周部を支持体に支持させ、圧電セラミック板の振動を金属板に伝えて金属板を振動させるようにしたものが知られている。
特開平５−１２２７９３号公報

しかしながら、上記従来技術の圧電発音体においては、振動板として金属板を使用しているので、共振周波数が高く、広帯域の音を出力する圧電スピーカとしては性能不足である。

本発明の目的は、広帯域でフラットな周波数特性をもった圧電発音体を提供することである。

本発明の圧電発音体は、圧電素子と、圧電素子に固定され、圧電素子で生じた振動を受けて音を発生させる振動板と、振動板を支持する支持体とを備え、圧電素子は、実質的に円環状を有しており、振動板は、圧電素子よりも低密度であることを特徴とするものである。ここで、実質的に円環状とは、完全な円環状と略円環状とを含む概念である。また、振動板の密度は、振動板全体の平均密度のことを言う。

このような圧電発音体においては、圧電素子の形状を実質的に円環状とすることにより、圧電素子と振動板との接触面積を小さくしつつ、圧電素子の水平方向（円環径方向）の振動を振動板の上下方向（円環径方向に垂直な方向）の振動に効率良く変換して、音を発生させることが可能となる。このとき、圧電素子と振動板との接触面積が小さくて済むので、振動板として、金属板ではなく、圧電素子よりも低密度の板（例えば樹脂やグラスファイバー等で形成された板）を使用しても、圧電素子の振動が振動板に十分に伝わり、振動板が十分に振動するようになる。このように振動板として金属板を使用しない様にすることで、金属板による共振周波数の影響が発生せず、広帯域でフラットな周波数特性をもった圧電発音体を得ることができる。

好ましくは、実質的に円環状を有する圧電素子は、帯状構造の圧電素子を円環状に曲げて形成したものである。この場合には、例えば円板状構造の圧電素子に対して打ち抜き加工を施して、円環状の圧電素子を形成する場合に比べて、製作が容易に行える。また、打ち抜いた部分が全く無駄になってしまうといった不具合が起きないので、コスト的にも有利となる。

また、好ましくは、圧電素子は、複数の圧電体と複数の電極とを交互に積層して形成されている。このように圧電素子を積層構造とすることにより、圧電素子に印加する電圧を低くしつつ、圧電素子の所望な振動量を確保することができる。

さらに、好ましくは、振動板は、円板状を有する発音部と、発音部の外側に設けられると共に圧電素子に固定され、圧電素子で生じた振動を発音部に伝える円環状の振動伝達部と、振動伝達部の外側に設けられ、支持体に支持される円環支持部とを有する。この場合には、簡単な構造でありながら、圧電素子の水平方向の振動を振動板の上下方向の振動に効率良く変換することができる。

本発明によれば、広帯域でフラットな周波数特性をもった圧電発音体を得ることができる。これにより、圧電発音体を圧電スピーカとして使用した場合に、スピーカ特性を向上させることが可能となる。

以下、本発明に係わる圧電発音体の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる圧電発音体の一実施形態を示す断面図であり、図２は、その圧電発音体の裏面図である。各図において、本実施形態の圧電発音体１は、略円環状の圧電素子２と、この圧電素子２に固定され、圧電素子２で生じた振動を受けて音を発生させるダイヤフラム構造の振動板３と、この振動板３を支持する円筒状の支持体４とを備えている。圧電素子２には、切り欠き部５が設けられている。これにより、圧電素子２は、完全な円環状ではなく、略円環状を有する構造となっている。

圧電素子２は、図３及び図４に示すように、断面矩形状を有し、圧電体６と電極７，８とが積層されてなる積層型圧電素子である。なお、図３では、便宜上、圧電素子２が直線的に示されているが、実際には圧電素子２は略円環状になっている。電極７と電極８とは、圧電体６を介して交互に積層されている。圧電素子２は、圧電体６及び電極７，８が水平方向つまり円環径方向（図１及び図３のＡ方向）に積層された状態で、振動板３に固定されている。電極７は、圧電素子２の対向する１対の側面に露出するように形成されている。電極８は、電極７と離れた状態で圧電素子２の当該１対の側面に露出するように形成されている。圧電体６は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電セラミック材料で形成されている。電極７，８は、例えばＡｇまたはＡｇ，Ｐｄを主成分とする導電材料で形成されている。

圧電素子２の側面には、電極７と電気的に接続された接続電極９と、電極８と電気的に接続された接続電極１０とが設けられている。なお、図４では、接続電極９，１０は省略してある。接続電極９，１０は、例えばＡｇ、Ａｕ及びＣｕのいずれかを主成分とする導電材料で形成されている。接続電極９，１０は、圧電素子２の一側面のみに形成しても良いし、圧電素子２の複数の側面にまたがって形成しても良い。

このような圧電素子２において、接続電極９，１０間に電圧を印加すると、各電極７，８間に電圧が印加され、各圧電体６における電極７，８に挟まれた部分に電界が生じ、当該部分が変位（伸縮動作）する。これにより、圧電素子２が円環径方向に振動するようになる。このとき、圧電素子２を積層構造とすることで、圧電素子２の振動パワーが増大するようになるため、その分だけ電極７，８間への印加電圧を低く抑えることができる。

上記の圧電素子２の製作は、以下のようにして行う。即ち、まず図５（ａ）に示すように、圧電体６となるセラミックグリーンシート１１を所定枚数用意する。そして、上記の電極７となる電極パターン１２と上記の電極８となる電極パターン１３とを、異なるグリーンシート１１の表面に印刷する。電極パターン１２は、複数の個別電極部１２ａと、各個別電極部１２ａと接続された共通電極部１２ｂとを有している。電極パターン１３は、グリーンシート１１における対向する１対の縁部を除いてベタ状に形成されている。

続いて、図５（ｂ）に示すように、電極パターン１２が印刷されたグリーンシート１１と電極パターン１３が印刷されたグリーンシート１１と交互に所定の枚数だけ積層することにより、板状のグリーン積層体１４を形成する。そして、場合によっては、そのグリーン積層体１４の裏面に、裏面電極としての電極パターン１３を印刷する。

続いて、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、カッター１５を用いて、グリーン積層体１４における対向する１対の縁部を切り落とす。このとき、グリーン積層体１４の当該縁部に電極パターン未形成部が僅かに残るように切断する。そして、図６（ｃ）に示すように、カッター１５を用いて、電極パターン１２の各個別電極部１２ａを切り離すようにグリーン積層体１４を切断する。これにより、図７（ａ）に示すような複数の帯状のグリーン積層体１６が得られる。この状態では、電極パターン１２，１３は、帯状グリーン積層体１６の対向する１対の側面に露出している。

続いて、図７（ｂ）に示すように、印刷等によって帯状のグリーン積層体１６の側面に接続電極９，１０を形成する。そして、図７（ｃ）に示すように、帯状のグリーン積層体１６において電極パターン１３の露出部分及び接続電極９，１０が上を向くように、帯状のグリーン積層体１６を横に倒した状態で、帯状のグリーン積層体１６を円環状の内側用ジルコニア焼成治具１７の外周面に沿って巻く。これにより、グリーンシート１１及び電極パターン１２，１３の積層方向が水平方向（円環径方向）となるように、帯状のグリーン積層体１６が円環状に曲げられることになる。このとき、グリーンシート１１及び電極パターン１２，１３は水平方向に積層されているので、帯状のグリーン積層体１６が曲げやすくなる。

続いて、図７（ｄ）に示すように、略円環状に形成されたグリーン積層体１６、円環状の内側用ジルコニア焼成治具１７及び外側用ジルコニア焼成治具１８をジルコニア焼成セッター１９の上に載せ、グリーン積層体１６の焼成を行う。このとき、内側用ジルコニア焼成治具１７と外側用ジルコニア焼成治具１８との間にグリーン積層体１６を配置した状態で、グリーン積層体１６を焼成する。

ここで、図８に示すように、帯状のグリーン積層体１６を円環状に曲げた状態では、グリーン積層体１６に切り欠き部２０が形成される。しかし、グリーン積層体１６を焼成すると、グリーン積層体１６が焼結・収縮されるため、焼成後のグリーン積層体１６には、焼成前よりも大きな切り欠き５が形成されることになる。

そして、焼成後のグリーン積層体１６に対して分極処理を行うことにより、上記の略円環状の圧電素子２が完成する。その後、図９に示すように、半田により接続電極９，１０にリード線２１，２２をそれぞれ接続する。

このように帯状のグリーン積層体１６を円環状に曲げた状態で焼成することにより、略円環状の圧電素子２を作製するので、例えば円形状のグリーンシートまたはグリーン積層体を抜き打ち加工して円環状の圧電素子を得る場合と異なり、材料の無駄が生じることは無い。従って、材料の歩留まりが大幅に向上するため、材料コストを削減することができる。

図１及び図２に戻り、以上のような圧電素子２が固定される振動板３は、円板状を有する発音部２３と、この発音部２３の外側に設けられた円環状の振動伝達部２４と、この振動伝達部２４の外側に設けられた円環支持部２５とを有している。発音部２３は、振動伝達部２４の内側縁部から上方に対して略ドーム状に形成されている。振動伝達部２４の下側の面には、上述した略円環状の圧電素子２が接着固定されている。振動伝達部２４は、圧電素子２で生じた振動を発音部２３に伝える部分である。円環支持部２５は、振動伝達部２４の外側縁部から上方に延びるような断面略Ｌ字状を有し、支持体４の上端面に支持されている。

このような振動板３は、圧電素子２よりも低密度であり且つ音響インピーダンスの低い材料で形成されている。このような材料としては、ポリプロピレンやポリカーボネート等の樹脂、グラスファイバ、カーボンファイバ、紙、ガラス及びこれらの混合物等が挙げられる。また、これらの材料からなる板の表面に金属層が形成されていても良い。この場合には、振動板３全体の平均密度が圧電素子２よりも低密度であれば良い。ここで、圧電素子２は略円環状を有しているので、剛性的な面から、圧電素子２よりも低密度の振動板３を使用することが可能となる。

以上のような圧電発音体１において、圧電素子２の接続電極９，１０間に電圧を印加し、圧電素子２を円環径方向に振動させると、その振動が振動板３に伝わって、振動板３が振動する。このとき、振動板３はダイヤフラム構造を有しているため、圧電素子２の円環径方向の振動が振動板３の上下方向（図１中のＢ方向）の振動に変換されることになる。具体的には、図１０（ａ）に示すように、圧電素子２が円環径方向の内側に変位すると、振動板３の発音部２３が上方に変位し（破線参照）、図１０（ｂ）に示すように、圧電素子２が円環径方向の外側に変位すると、振動板３の発音部２３が下方に変位するようになる（破線参照）。このような発音部２３の上下振動によって空気が振動し、空気の体積排除が起こり、音が発生するようになる。

このとき、圧電素子２の高さＨ（図１参照）を圧電素子２の幅Ｗ（図１参照）よりも大きくすることにより、図１０の破線で示すような圧電素子２のスイング振動が発生しやすくなる。この場合には、振動板３の発音部２３が十分に上下振動するため、発する音の音圧が上がるようになる。なお、音圧を更に上げるためには、発音部２３の上方に共鳴器を配置するのが望ましい。

ところで、従来の圧電発音体は、円板状の圧電素子を振動板に接着してなる、いわゆるユニモルフ構造のものが一般的である。このユニモルフ構造の圧電発音体では、円板状の圧電素子の円振動（径方向振動）をベンディング振動に効率良く変換するためと、セラミック圧電素子と接着する必要があるという制約上とから、振動板として金属板が使用され、共振を利用して単一音を発するブザーとして採用される。このため、圧電発音体としては低コストであるが、広帯域の音を出力する圧電スピーカとしては性能不足である。

また、円板状の圧電素子では、電圧を印加した時に生じる内側領域の歪みが外側領域の歪みよりも小さい。このため、圧電素子の内側領域は、圧電素子の外側領域よりも振動伝達（音圧）に寄与していないこととなる。

これに対し本実施形態では、振動板３への振動伝達を効率的に行うべく、円板状の圧電素子の外側領域に対応する構造として、略円環状の圧電素子２を使用している。このような略円環状の圧電素子２を設けることにより、圧電素子２の円環径方向の振動を振動板３のベンディング振動及びピストン振動に変換することができる。このとき、圧電素子２と振動板３との接触面積が小さくて済むので、ユニモルフ構造の圧電発音体のような金属板を使用する必要が無く、圧電素子２よりも低密度の材料からなる振動板３を使用することができる。この場合でも、圧電素子２の振動が振動板３に十分に伝わり、振動板３の発音部２３が十分に振動するようになる。このため、圧電素子２の円環径方向の振動が振動板３の上下方向（円環軸方向）の振動に効率良く変換され、音圧の高い音が発生するようになる。

以上のように本実施形態によれば、振動板３として金属板を使用しないので、金属板による共振周波数の影響が起きず、広い周波数帯域での振動が得られるようになる。これにより、圧電発音体１の周波数特性がフラットになり、良好な音質が得られる。従って、圧電発音体１を圧電スピーカに適用した場合に、スピーカ特性を大幅に向上させることができる。また、電磁スピーカに比べて、省電力化及び部品点数の削減を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、圧電素子２の圧電体６及び電極７，８が円環径方向に積層されるように圧電素子２を略円環状に形成した（図３参照）が、図１１に示すように、圧電素子２の圧電体６及び電極７，８が上下方向（円環軸方向）に積層されるように圧電素子２を略円環状に形成しても良い。この場合であっても、圧電素子２の円環径方向の振動が振動板３の上下方向の振動に変換される。

また、上記実施形態では、略円環状の圧電素子２を振動板３における円環支持部２４の下側の面に接着した（図１参照）が、図１２に示すように、略円環状の圧電素子２を円環支持部２４の上側の面に接着しても良い。この場合でも、図１３（ａ）に示すように、圧電素子２が円環径方向の内側に変位すると、振動板３の発音部２３が上方に変位し（破線参照）、図１３（ｂ）に示すように、圧電素子２が円環径方向の外側に変位すると、振動板３の発音部２３が下方に変位する（破線参照）。

さらに、上記実施形態では、圧電素子２として、切り欠き部５を有する略円環状のものを用いたが、切り欠き部の無い完全な円環状の圧電素子を採用しても良いことは言うまでも無い。

また、例えば振動板３の上方に共鳴器を配置すること等によって、圧電発音体１として所望の音圧が得られるのであれば、圧電素子２としては、圧電体６が１層のみの単層構造であっても良い。

本発明に係わる圧電発音体の一実施形態を示す断面図である。 図１に示す圧電発音体の裏面図である。 図１に示す圧電素子の圧電体及び電極が円環径方向に積層されている状態を示す概略斜視図である。 図１に示す圧電素子の断面図である。 図３に示す圧電素子を製造する工程を示す斜視図である。 図３に示す圧電素子を製造する工程を示す斜視図である。 図３に示す圧電素子を製造する工程を示す斜視図である。 図７に示す帯状のグリーン積層体の焼成前と焼成後の状態を示す平面図である。 図３に示す圧電素子の接続電極にリード線を接続した状態を示す平面図である。 図１に示す圧電素子の振動が振動板に伝わる様子を示す概念図である。 図１に示す圧電素子の圧電体及び電極が上下方向に積層されている状態を示す斜視図である。 図１に示す圧電発音体の変形例を示す断面図である。 図１２に示す圧電素子の振動が振動板に伝わる様子を示す概念図である。

符号の説明

…圧電発音体、２…略円環状の圧電素子、３…振動板、４…支持体、６…圧電体、７，８…電極、２３…発音部、２４…振動伝達部、２５…円環支持部。

Claims (4)

1. 圧電素子と、
   前記圧電素子に固定され、前記圧電素子で生じた振動を受けて音を発生させる振動板と、
   前記振動板を支持する支持体とを備え、
   前記圧電素子は、実質的に円環状を有しており、
   前記振動板は、前記圧電素子よりも低密度であることを特徴とする圧電発音体。
2. 前記実質的に円環状を有する圧電素子は、帯状構造の圧電素子を円環状に曲げて形成したものであることを特徴とする請求項１記載の圧電発音体。
3. 前記圧電素子は、複数の圧電体と複数の電極とを交互に積層して形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の圧電発音体。
4. 前記振動板は、円板状を有する発音部と、前記発音部の外側に設けられると共に前記圧電素子に固定され、前記圧電素子で生じた振動を前記発音部に伝える円環状の振動伝達部と、前記振動伝達部の外側に設けられ、前記支持体に支持される円環支持部とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の圧電発音体。
   
   

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