JP2008022371A - 圧電発音体 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域の音を出力することが可能な圧電発音体を提供することを目的とする。
【解決手段】圧電発音体１は、湾曲した圧電素子５０と、被駆動部材４０と、振動板３０とを備えている。圧電素子５０は、印加電圧に応じて湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位する。被駆動部材４０は、圧電素子５０の両端部に固定される一対の固定部４１と、固定部４１を連結する連結部４２とを有している。連結部４２はヘッド４３を中心として屈曲されており、圧電素子５０が湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位すると、ヘッド４３が屈曲の内側方向（矢印Ａ方向）あるいは外側方向（矢印Ｂ方向）に変位する。振動板３０はヘッド４３に固着されており、これらの方向は振動板３０の厚み方向であるため、ヘッド４３の変位に応じて、振動板３０はピストンモードで振動することとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子の振動を利用して音を発生させる圧電発音体に関する。

従来の圧電発音体として、例えば特許文献１のように、平板状の圧電素子に金属からなる振動板を接合したものが知られている。このような圧電発音体に電圧を印加すると、圧電素子に変位が生じ、当該変位に応じて振動板がベンディングモードで振動する。その結果、圧電発音体から音が発生する。
特開平０５−２４９９７９号公報

特許文献１の圧電発音体において、振動板は金属といった高い剛性を有する材料で形成されている。これは、振動板にベンディングモードの振動を効率よく伝播させるためである。しかしながら、高い剛性を有する材料で形成された振動板は、Q値が高い。そのため、上述の圧電発音体では広帯域の音を出力することができない。

そこで、本発明の目的は、広帯域の音を出力することが可能な圧電発音体を提供することとする。

本発明に係る圧電発音体は、一端部および他端部を有するとともに少なくとも一端部と他端部との間の領域が湾曲しており、一端部および他端部が印加電圧に応じて湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位する圧電素子と、圧電素子における湾曲した領域を支持する支持部材と、圧電素子の一端部および他端部に固定される一対の固定部と、一対の固定部を連結するとともに頂部を中心として屈曲または湾曲された連結部とを有する変位拡大部材と、主面が連結部の頂部に固着された振動板と、を備え、連結部の頂部は、圧電素子の変位に伴って、連結部における屈曲又は湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位し、振動板は、頂部の変位を受けて振動し音を発生させることを特徴とする。

本発明の圧電発音体で用いられる圧電素子は、一端部と他端部との間の領域が湾曲している。このように湾曲した圧電素子は、印加電圧に応じて湾曲の内側方向および外側方向に変位する。圧電素子の両端部には変位拡大部材の固定部が固定されている。そのため、圧電素子に変位が生じると変位拡大部材の固定部が動くこととなり、これに伴って、固定部を連結する連結部における頂部が屈曲又は湾曲の内側方向や外側方向に変位する。頂部には振動板の主面が固着されているため、頂部が変位すると振動板が振動する。頂部は屈曲又は湾曲の内側方向や外側方向に変位するので、振動板は頂部と同じ方向（例えば上下方向）に振動することとなる。このように本発明の圧電発音体では、圧電素子の振動変位方向を変えるとともに変位を拡大する機構を備えることにより、小型でありながら振動板を直接駆動することが可能となる。生じる振動は、従来のように金属板に圧電素子を接合した場合に生じるベンディングモードの振動と異なるため、金属よりも剛性の低い材料で形成した振動板でも、効率よく振動を伝播させることができる。よって、振動板を金属といった高い剛性を有する材料で形成する必要がなくなるため、振動板のQ値を低く抑えることができる。その結果、広帯域の音を出力することが可能となる。

また、圧電素子を湾曲させることにより、より狭いスペースに、有効長がより長い圧電素子を収容することができる。圧電素子を狭いスペースに収容できるため、圧電発音体としてのサイズを小さくすることが可能となる。更に、圧電素子の有効長を長く取ることができるため、電圧印加時における圧電素子の一端部および他端部の変位量を大きくすることができる。圧電素子の変位量を大きくすることができるので、連結部における頂部の変位量も大きなものとなる。その結果、頂部に固着された振動板を大きく振動させることが可能となるため、印加電圧が同等であっても、より大きな振動変位を得ることができる。

また、本発明の圧電素子は、支持部材によって支持されている。支持部材は、一端部と他端部との間の領域を支持している。一端部と他端部との間の領域は、一端部および他端部と比べて変位量が非常に小さい。このように変位量が小さい部分を支持することにより、支持部材が圧電素子の変位を妨げる可能性を低くすることができる。したがって、圧電素子の変位量は、印加された電圧値を正確に反映したものとなる。また、一端部と他端部との間の領域には圧電素子の重心が位置している。圧電素子は、支持部材によって重心位置を常に支えられることとなるため、変位時においても安定した状態を維持することができる。

また、本発明の圧電発音体では、圧電素子は、一端部から他端部に向かって連続的に伸びるとともに、厚み方向が湾曲の内側から外側に向かう方向とされた圧電体層を有することが好ましい。このように長く連続した圧電体層を有することにより、圧電素子の一端部および他端部の変位量をさらに大きくすることができる。また、圧電体層の厚み方向を湾曲の内側から外側に向かう方向とすることにより、圧電素子を湾曲の内側方向あるいは外側方向に確実に変位させることができる。したがって、変位拡大部材の連結部における頂部を確実に且つ大きく変位させることが可能となるため、頂部に固定した振動板を確実に精度よく振動させることができる。

また、本発明の圧電発音体では、圧電素子は、圧電体層を複数有しており、複数の圧電体層は、湾曲の内側から外側に向かう方向に沿って積層されていることが好ましい。圧電体層を複数有することにより、圧電素子を湾曲の内側方向あるいは外側方向にいっそう大きく変位させることができる。また、圧電体層が１つである場合と比べて、同一変位量を得るための印加電圧を小さくすることができる。

また、本発明の圧電発音体では、圧電素子は、圧電体層を挟むように形成された内部電極と、当該内部電極に接続された外部電極とを有しており、外部電極は、圧電素子の一端部と他端部との間の領域に設けられていることが好ましい。これにより、外部電極は変位が殆ど生じない領域に設けられることとなる。よって、外部電極上で電極端子と接続する場合、圧電素子の変位を妨げることがない。

また、本発明の圧電発音体では、圧電素子は半円環状を呈していることが好ましい。半円環状とすることによって、圧電素子のスムーズな変位が可能となる。さらに、圧電素子の収容スペースを確実に小さくすることができる。

また、本発明の圧電発音体では、支持部材は、圧電素子における湾曲した領域を支持するとともに、振動板の周縁部を支持することが好ましい。支持部材が振動板の周縁部を支持することにより、振動板に張力を付与することができる。その結果、圧電素子の振動をより効率よく伝播させることができる。

また、本発明の圧電発音体では、振動板は樹脂を含む材料からなることが好ましい。金属よりも剛性が低い樹脂を用いることにより、Ｑ値が低く広帯域の振動を効率よく伝播可能な振動板を確実に得ることができる。

本発明によれば、低消費電力で小型であるという従来の圧電発音体の利点を損なうことなく、広帯域の音を出力することが可能な圧電発音体を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る圧電発音体を示す分解斜視図である。図２は、図１に示した圧電発音体を組み立てた場合における断面図である。本実施形態に係る圧電発音体１は、携帯電話機等の小型の電子機器に搭載して使用される、小径のダイナミックスピーカである。図１に示されるように、圧電発音体１は、ハウジング（支持部材）１０と、振動板３０と、被駆動部材（変位拡大部材）４０と、圧電素子５０と、を備えている。

図１に示されるように、ハウジング１０は、ハウジング本体２０と、ハウジング本体２０に脱着可能に装着されるハウジングカバー１２とを有している。これらはＰＢＴや液晶ポリマーなどの樹脂成形体として形成されている。ハウジングカバー１２は、頂面部１４と、頂面部１４と一体に設けられたカバー側周壁部１６とを有している。頂面部１４は、複数の放音孔１８を有する平坦な略円板形状を呈している。カバー側周壁部１６は、頂面部１４の周縁から当該頂面部１４と交差する方向に延びている。

ハウジング本体２０は、底面部２１と、底面部２１と一体に設けられた本体側周壁部２２とを有している。底面部２１は、略円形状を呈している。底面部２１の中央には、本体側周壁部２２で囲まれる空間に向かって突出した凸部２３が、底面部２１の径方向にわたって形成されている。凸部２３には、電極２４と電極２８とが設けられている。電極２４は、圧電素子５０の第３外部電極５８に電圧を印加するためのものであり、電極２８は、圧電素子５０の第１外部電極５４および第２外部電極５６に電圧を印加するためのものである。電極２４の一端部は、凸部２３から突出しており、圧電素子５０の第３外部電極５８と半田または導電性接着剤を介して接続されている。電極２８の一端部もまた、凸部２３から突出しており、圧電素子５０の第１外部電極５４および第２外部電極５６と半田または導電性接着剤を介して接続されている。図２にも示されるように、電極２４，２８の一端部は、その先端がＵ状になっているため、圧電素子５０を本体側周壁部２２に設けられた凸部２６に押し付ける押付けばねの役割も果たしている。電極２４，２８の他端部は、凸部２３および底面部２１の内側を通って、ハウジング本体２０の外面に形成された凹部２５，２９に引き出されている。

図１に示されるように、ハウジング本体２０の本体側周壁部２２は、底面部２１の周縁から当該底面部２１と交差する方向に延びている。本体側周壁部２２の一端部２２ａは、ハウジングカバー１２のカバー側周壁部１６と嵌合するように形成されている。本体側周壁部２２には、当該本体側周壁部２２で囲まれる空間に向かって突出した凸部２６が形成されている。凸部２６は、底面部２１に形成された凸部２３と一体化されている。凸部２３には、圧電素子が接着剤により固着されている。

振動板３０は、振動により音を発生させる。振動板３０は、ダイヤフラム状の部材であって、例えばポリプロピレンやポリカーボネート等の樹脂からなっている。振動板３０は、平坦部３２と、平坦部３２上に形成された補強部３４とを有している。平坦部３２は、略円板形状を呈したフィルムである。平坦部３２の径は、カバー側周壁部１６および本体側周壁部２２の内径よりも大きくなっている。平坦部３２の周縁部３６は、図２に示されるように、カバー側周壁部１６と本体側周壁部２２とに挟持されている。これにより、平坦部３２の周縁部３６は、ハウジング１０によって支持されることとなる。平坦部３２のハウジング本体２０側の主面には、後述する連結部４２のヘッド４３が固着されている。平坦部３２のハウジングカバー１２側の主面には、補強部３４が形成されている。図１に示されるように、補強部３４は、平坦部３２の中心に位置しており、直方体を略放射状に並べたような形状を呈している。このような補強部３４を有することで、振動板３０の中央部の剛性を高めることができるため、振動板３０を連結部４２のヘッド４３で駆動した際に、ピストン運動を確実に実現することができる。また、補強部３４を、直方体を略放射状に並べたような形状とすることで、振動板３０の等価密度を低く抑え、且つ効率的に剛性を高めることが可能となっている。

被駆動部材４０は、連結部４２と、連結部４２によって連結される一対の固定部４１とを有している。

連結部４２は、ヘッド（頂部）４３と、ヘッド４３から伸びる一対のアーム４４とを含んでいる。ヘッド４３はハウジング本体２０の底面部２１と反対の方向に突出しており、ヘッド４３の先端部は振動板３０の中心部に固着されている。ヘッド４３の後端部には、各アーム４４の一端部が接続されている。アーム４４は略扁平形状を呈しており、ヘッド４３の後端部から圧電素子５０の一端部５０ａおよび他端部５０ｂに向かって伸びている。そのため、連結部４２は、ヘッド４３を中心として屈曲された形状となっている。一対のアーム４４は、ヘッド４３を中心としてヒンジ結合されている。アーム４４をヒンジ結合することにより、ヘッド４３は屈曲の内側方向あるいは外側方向、すなわち、ハウジング本体２０の底面部２１に近づく方向（矢印Ａ方向）、あるいは底面部２１から離れる方向（矢印Ｂ方向）に変位することが可能となる。

各アーム４４の他端部には、固定部４１がそれぞれ取り付けられている。各アーム４４と各固定部４１とはヒンジ結合されている。固定部４１は、圧電素子５０に固定されている。より具体的には、一方の固定部４１は圧電素子５０の一端部５０ａに、他方の固定部４１は圧電素子５０の他端部５０ｂに、それぞれ公知の接着剤を介して固定されている。

圧電素子５０は、ハウジング本体２０内に収容されている。図１に示されるように、圧電素子５０は、一端部５０ａおよび他端部５０ｂを有する積層型の圧電素子である。圧電素子５０の一端部５０ａと他端部５０ｂとの間の領域、すなわち圧電素子５０の中間部は、湾曲して形成されている。圧電素子５０の中間部は、ハウジング本体２０の凸部２６に接着剤で固定されるとともに、支持されている。なお、凸部２６の上面の幅は圧電素子５０の長さと比べて十分に狭いため、圧電素子５０の変位が凸部２６によって抑制されることはない。

図３は、圧電素子５０を示す斜視図である。図４は、圧電素子５０を他の方向から見たときの斜視図である。圧電素子５０は、積層体５２と、この積層体５２の側面に形成された第１外部電極５４、第２外部電極５６、および第３外部電極５８を有している。積層体５２は、複数（本実施形態では８つ）の圧電体層６０と、複数（本実施形態では２つ）の第１内部電極６２と、複数（本実施形態では２つ）の第２内部電極６４と、複数（本実施形態では４つ）の第３内部電極６６と、を積層したものである。圧電体層６０は、圧電素子５０の一端部５０ａから他端部５０ｂに向かって連続的に伸びている。また、圧電体層６０の厚み方向は、圧電素子５０の湾曲の内側から外側に向かう方向に沿っている。第１〜第３内部電極６２，６４，６６は圧電体層６０を挟むように形成されており、圧電体層６０および第１〜第３内部電極６２，６４，６６の積層方向は、圧電体層６０の厚み方向と同様に、圧電素子５０の湾曲の内側から外側に向かう方向に沿っている。

積層体５２は、半円環状の六面体を呈している。積層体５２は、一対の主面５２ａ，５２ｂと、一対の主面５２ａと垂直な一対の側面５２ｃ，５２ｃと、一対の主面５２ａ，５２ｂと垂直で一対の側面５２ｃ，５２ｃに挟まれる一対の側面５２ｄ，５２ｄと、を有している。一対の主面５２ａ，５２ｂは、積層体５２の湾曲方向に沿い、且つ積層方向に対向する面である。主面５２ａ側は圧電素子５０の湾曲の内側に位置しており、主面５２ｂは圧電素子５０の湾曲の外側に位置している。一対の側面５２ｃ，５２ｃは、積層体５２の湾曲方向に対向する面である。一方の側面５２ｃは圧電素子５０の一端部５０ａに位置しており、他方の側面５２ｃは圧電素子５０の他端部５０ｂに位置している。一対の側面５２ｃ，５２ｃおよび一対の側面５２ｄ，５２ｄからは、圧電体層６０および第１〜第３内部電極６２，６４，６６が露出している。第１内部電極６２は第１外部電極５４と、第２内部電極６４は第２外部電極５６と、第３内部電極６６は第３外部電極５８と、それぞれ電気的に接続されている。

圧電体層６０および第１〜第３内部電極６２，６４，６６は、第３内部電極６６、圧電体層６０、第１内部電極６２、圧電体層６０、第３内部電極６６、圧電体層６０、第１内部電極６２、圧電体層６０、第３内部電極６６、圧電体層６０、第２内部電極６４、圧電体層６０、第３内部電極６６、圧電体層６０、第２内部電極６４、圧電体層６０、の順で積層されている。圧電体層６０のうち、積層方向に隣り合う第１内部電極６２と第３内部電極６６とに挟まれる領域６０ａ、および積層方向に隣り合う第２内部電極６４と第３内部電極６６とに挟まれる領域６０ｂは、圧電活性領域となる。圧電活性領域６０ａ，６０ｂは、電圧が印加されたときに積層体５２の積層方向と垂直な方向（すなわち、積層体５２の湾曲に沿った方向）に伸縮する。圧電活性領域６０ａと圧電活性領域６０ｂとは、伸縮の方向が逆となっている。すなわち、圧電活性領域６０ａが伸びるときに圧電活性領域６０ｂは縮み、圧電活性領域６０ａが縮むときに圧電活性領域６０ｂは伸びるように構成されている。圧電活性領域６０ａ，６０ｂがこのように伸縮することによって、圧電素子５０の一端部５０ａおよび他端部５０ｂは湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位することとなる。

積層体５２の主面５２ａと一対の側面５２ｄとには、第１〜第３外部電極５４，５６，５８が設けられている。第１および第２外部電極５４，５６は積層体５２の中間部に配設されており、第３外部電極５８は、その一部が積層体５２の中間部にかかるように配設されている。第１〜第３外部電極５４，５６，５８は、下地電極および端子電極からなっており、積層体５２と同時焼成することにより形成されている。下地電極は端子電極を形成する際の下地になる。この下地電極を介して、端子電極は、積層体５２から露出した第１〜第３内部電極６２，６４，６６と電気的に接続される。

圧電体層６０は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主成分とする圧電セラミック材料で形成されている。第１〜第３内部電極６２，６４，６６は、Ａｇ，Ｐｄを主成分とする導電材料で形成されている。第１〜第３外部電極５４，５６，５８の下地電極は、第１〜第３内部電極６２，６４，６６を構成している金属と電気的に良好に接続できる導電材料で形成されており、例えば第１〜第３内部電極６２，６４，６６と同様に、Ａｇ，Ｐｄを主成分とする導電材料で形成されている。第１〜第３外部電極５４，５６，５８の端子電極は、下地電極上にＰｔを主成分とするペーストを印刷することにより形成されている。

続いて、図５〜図９を参照して、上述した構成を有する圧電素子５０の製造方法について説明する。

まず、圧電体層６０となるグリーンシートを作製する（ステップＳ１００）。グリーンシートを作製するにあたって、例えばＰＺＴを主成分としたセラミック粉体に有機バインダ樹脂および有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、例えばドクターブレード法によって、上記ペーストをキャリアフィルム上に塗布することにより、グリーンシートを複数枚作製する。

次に、グリーンシートに、第１〜第３内部電極６２，６４，６６に対応する電極パターンを複数（後述する分割チップ数に対応する数）形成する。電極パターンを形成するにあたって、例えばＡｇ：Ｐｄ＝８５：１５の比率で構成された導電材料に有機バインダ樹脂および有機溶剤等を混合したペーストを作製する。そして、そのペーストをグリーンシートにスクリーン印刷して乾燥させることにより、第１内部電極６２に相当する電極パターンＥＬ１が形成されたグリーンシートＧＳ１、第２内部電極６４に相当する電極パターンＥＬ２が形成された第２グリーンシートＧＳ２、および第３内部電極６６に相当する電極パターンＥＬ３が形成された第３グリーンシートＧＳ３を得る。

次に、電極パターンが形成されたグリーンシートを重ねてラミネートし、シート積層体を得る（ステップＳ１０２）。グリーンシートは、グリーンシートＧＳ２、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ２、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ３の順で積層される。なお、グリーンシートＧＳ２とグリーンシートＧＳ３との間、およびグリーンシートＧＳ１とグリーンシートＧＳ３との間には、電極パターンが形成されていないグリーンシートを適宜積層してもよい。

次に、得られたシート積層体の上下面を反転させる。より具体的には、最初に積層したグリーンシートＧＳ２の、電極パターンが形成されていない面が上面、最後に積層したグリーンシートＧＳ３の、電極パターンが形成された面が下面となるように、シート積層体を反転させる。反転後、シート積層体の上面に先述したペーストをスクリーン印刷し、第１外部電極５４の下地電極に相当する電極パターンＥＬ４、第２外部電極５６の下地電極に相当する電極パターンＥＬ５、および第３外部電極５８の下地電極に相当する電極パターンＥＬ６を形成する（ステップＳ１０３）。

上面に電極パターンを形成した後、シート積層体をチップ単位に切断して、短冊状のシート積層体を複数得る（ステップＳ１０４）。得られた短冊状のシート積層体を、以下グリーン体ＬＳ１と呼ぶ。図６は、グリーン体ＬＳ１の分解斜視図である。図６に示されるように、グリーン体ＬＳ１では、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ１、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ２、グリーンシートＧＳ３、グリーンシートＧＳ２、の順でこれらが積層されている。グリーン体ＬＳ１の主面７０、すなわち最上位層に位置するグリーンシートＧＳ２の露出面には、第１〜第３外部電極５４，５６，５８の下地電極に相当する電極パターンＥＬ４〜ＥＬ６が印刷されている。

得られたグリーン体ＬＳ１の側面と、主面７０に対向する面とに、先述したペーストをスクリーン印刷または転写等の方法で付着させ、第１〜第３外部電極５４，５６，５８の下地電極に相当する電極パターンＥＬ４〜ＥＬ６を形成する（図５、ステップＳ１０５）。図７に、側面に電極パターンＥＬ４〜ＥＬ６が形成されたグリーン体ＬＳ１の斜視図を示す。これらの下地電極の上からＰｔを主成分とするペーストを印刷して、第１〜第３外部電極５４，５６，５８の端子電極となる部分を形成する（図５、ステップＳ１０６）。

次に、グリーン体ＬＳ１を焼成する。グリーン体ＬＳ１を焼成するにあたって、焼成治具を用意する（図５、ステップＳ１０７）。図８（ａ）は焼成治具を示す斜視図であり、図８（ｂ）は焼成治具の上面図である。図８に示されるように、焼成治具８０は、第１焼成治具８２および第２焼成治具８４から成っている。第１および第２焼成治具８２，８４は略円環状を呈している。このような形状を有する第１焼成治具８２の外壁面８２ａ（第１壁面）および第２焼成治具８４の内壁面８４ａ（第２壁面）は、ともに略円形状に湾曲している。第２焼成治具８４の内壁面８４ａの径は、第１焼成治具８２の外壁面８２ａの径よりも大きくなっている。第１および第２焼成治具８２，８４は、ジルコニアといった材料から形成されている。

第１焼成治具８２の外壁面８２ａと第２焼成治具８４の内壁面８４ａとに挟まれるように、グリーン体ＬＳ１を配置する（図５、ステップＳ１０８）。より具体的には、図９（ａ）に示されるように、第１焼成治具８２の外壁面８２ａにグリーン体ＬＳ１を沿わせる。このとき、グリーン体ＬＳ１のうち主面７０が第１焼成治具８２の外壁面８２ａと対向するようにする。グリーン体ＬＳ１を第１焼成治具８２の外壁面８２ａに沿わせた後、図９（ｂ）に示されるように、第２焼成治具８４を被せて、グリーン体ＬＳ１の主面７０と対向する面が第２焼成治具８４の内壁面８４ａと対向するようにする。このように、グリーン体ＬＳ１の側面のうち、長手方向に沿い且つ積層方向と垂直な一対の側面が、第１および第２焼成治具８２，８４と対向するよう、グリーン体ＬＳ１を配置する。

図９（ｃ）に示されるように、第１および第２焼成治具８２，８４で挟んだまま、グリーン体ＬＳ１をジルコニア製の焼成セッター８６の上に載置する。そして、４００℃、１０時間程度の加熱処理を実施して、グリーン体ＬＳ１に脱バインダ処理を施す。脱バインダ後、引き続き第１および第２焼成治具８２，８４で挟んだままの状態で、グリーン体ＬＳ１を９５０℃で２時間程度、焼成する（図５、ステップＳ１０９）。これにより、湾曲した積層体５２が形成される。

次に、第１および第２焼成治具８２，８４を外して積層体５２を取り出す。取り出した積層体５２に、温度１２０℃の環境下で、積層体５２の厚みに対する電界強度が２ｋＶ／ｍｍとなるように所定の電圧を３分間印加することにより、積層体５２の分極処理を行う（図５、ステップＳ１１０）。以上の工程を経て、図３に示される圧電素子５０が完成する。

ここで、圧電素子５０の他の製造方法を考える。他の製造方法として、例えば、ステップＳ１０３で得られたシート積層体を圧電素子５０の形状に打ち抜き、打ち抜いたものを焼成する方法が考えられる。しかしながらこの方法では、図３に示されるような構造の圧電素子、すなわち湾曲した圧電素子であって、圧電体層が湾曲の内側から外側に向かう方向に沿って積層された圧電素子、を得るのは非常に困難である。シート積層体の上面から単に打ち抜きを行っただけでは、湾曲形状のものは得られても、圧電体層が上記した方向に積層されたものは得られないからである。本実施形態の製造方法では、シート積層体をまず短冊状に切断した後に、第１および第２焼成治具８２，８４を用いて湾曲させるため、図３に示されるような圧電素子５０を容易に得ることができる。

上述したステップＳ１００〜Ｓ１１０の工程を経て製造された圧電素子５０を備える圧電発音体１の動作について、説明する。図１０は、被駆動部材４０および圧電素子５０の概略斜視図であり、図１１は、振動板３０、被駆動部材４０、および圧電素子５０の側面図である。図１０（ａ）および図１１（ａ）は、圧電素子５０の第１〜第３外部電極５４，５６，５８に電圧が印加されていない状態を示している。図１０（ｂ），（ｃ）および図１１（ｂ），（ｃ）は、圧電素子５０の第１〜第３外部電極５４，５６，５８に電圧が印加された状態を示している。第１外部電極５４に対する電圧の印加はハウジング本体２０の凸部２３に設けられた電極２４を介して行われ、第２外部電極５６に対する電圧の印加はハウジング本体２０の凸部２６に設けられた電極２７を介して行われ、第３外部電極５８に対する電圧の印加はハウジング本体２０の凸部２６に設けられた電極２８を介して行われる。

第１〜第３外部電極５４，５６，５８に電圧が印加されて、当該印加電圧値に応じた量だけ積層体５２の圧電活性領域６０ａが縮み圧電活性領域６０ｂが伸びると、圧電素子５０は図１０（ｂ）に示されるように、湾曲の外側方向すなわち主面５２ｂ方向に変位する。圧電素子５０が主面５２ｂ方向に変位すると、圧電素子５０の両端に固定された被駆動部材４０の固定部４１が、互いに離間する方向に移動する。固定部４１が離間する方向に移動すると、固定部４１にヒンジ結合された各アーム４４の他端部は、固定部４１により引っ張られて、互いに離間する方向に動く。その結果、アーム４４とアーム４４との間に位置しているヘッド４３が、ハウジング本体２０の底面部２１に近づく方向、つまり矢印Ａ方向に変位することとなる。

第１〜第３外部電極５４，５６，５８に電圧が印加されて、当該印加電圧値に応じた量だけ積層体５２の圧電活性領域６０ａが伸び圧電活性領域６０ｂが縮むと、圧電素子５０は図１０（ｃ）に示されるように、湾曲の内側方向すなわち主面５２ａ方向に変位する。圧電素子５０が主面５２ａ方向に変位すると、圧電素子５０の両端に固定された被駆動部材４０の固定部４１が、互いに接近する方向に移動する。固定部４１が接近する方向に移動すると、固定部４１にヒンジ結合された各アーム４４の他端部は、固定部４１によりヘッド４３側に押されて、互いに接近する方向に動く。その結果、アーム４４とアーム４４との間に位置しているヘッド４３が、ハウジング本体２０の底面部２１から離れる方向、つまり矢印Ｂ方向に変位することとなる。

ヘッド４３の先端部に固着された振動板３０は、ダイヤフラム構造を有している。そのため、ヘッド４３が矢印Ａ方向あるいは矢印Ｂ方向に動作すると、この動作は振動板３０の振動に変換されることになる。具体的には、ヘッド４３が矢印Ａ方向に変位すると、振動板３０は、図１１（ｂ）に示されるように、矢印Ａ方向に引っ張られる。ヘッド４３が矢印Ｂ方向に変位すると、振動板３０は、図１１（ｃ）に示されるように、矢印Ｂ方向に押される。矢印Ａ方向および矢印Ｂ方向はともに振動板３０の厚み方向であるから、ヘッド４３が矢印Ａ方向あるいは矢印Ｂ方向に動作すると、振動板３０はピストンモードで振動することとなる。振動板３０がピストンモードで振動することによって空気が振動し、その結果音が発生する。発生した音は、ハウジング１０内で共鳴し音圧レベルが上昇した状態で、ハウジングカバー１２に形成された放音孔１８から外部に放音される。

以上説明したように、本実施形態に係る圧電発音体１は、湾曲して形成された圧電素子５０を備えている。湾曲した圧電素子５０は、印加電圧に応じて湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位する。圧電素子５０の変位に応じて、圧電素子５０の両端に固定された固定部４１が互いに接近離間する。固定部４１が接近離間すると、固定部４１にヒンジ結合された連結部４２の各アーム４４が動き、その結果、アーム４４間に位置する連結部４２のヘッド４３が図1に示される矢印Ａ方向あるいは矢印Ｂ方向に変位する。ヘッド４３の変位方向が矢印Ａ方向あるいは矢印Ｂ方向であるため、ヘッド４３に固定された振動板３０は、ヘッド４３の変位に応じて振動することとなる。本実施形態に係る圧電発音体１では、金属よりも剛性の低い材料で形成した振動板３０に補強部３４を形成して、中央部の剛性を周縁部よりも高めることにより、空気を効率よく体積排除し、ピストン運動により近い駆動ができるようになっている。よって、振動板３０を高い剛性を有する材料で形成する必要がなくなるため、振動板３０のQ値を低く抑えることができる。その結果、本発明の圧電発音体１は広帯域の音を出力することが可能となる。

本実施形態に係る圧電発音体１では、湾曲した圧電素子５０を用いるので、直方体型の圧電素子を用いる場合と比べて、より狭いスペースに、有効長がより長い圧電素子５０を収容することができる。狭いスペースに圧電素子５０を収容できるため、圧電発音体１のサイズを小さくすることができる。更に、圧電素子５０の有効長を長く取ることができるため、第１〜第３外部電極５４，５６，５８に電圧を印加した際における圧電素子５０の一端部５０ａおよび他端部５０ｂの変位量を大きくすることができる。一端部５０ａおよび他端部５０ｂの変位量が大きいと、ヘッド４３の変位量も大きなものとなる。よって、ヘッド４３に固着された振動板３０を大きく振動させることが可能となるため、印加電圧が同等であっても、より大きな振動変位を得ることができる。その結果、音をより確実に出力することができる。

圧電素子５０は、ハウジング本体２０の凸部２６に接着剤で固定されるとともに、支持されている。凸部２６は圧電素子５０の中間部を固定および支持している。一端部５０ａおよび他端部５０ｂと比べて変位量が非常に小さい中間部を固定および支持することで、凸部２６が圧電素子５０の変位を妨げる可能性を低くすることができる。更に、凸部２６の上面の幅を圧電素子５０の長さと比べて十分に短くすることで、圧電素子５０の変位（特に湾曲の外側方向への変位）が凸部２６によって抑制される可能性をいっそう低くすることができる。したがって、圧電素子５０の変位量は、第１〜第３外部電極５４，５６，５８に印加された電圧値を正確に反映したものとなる。なお、圧電素子５０の中間部には圧電素子５０の重心が位置している。重心位置を凸部２６が常に支えることとなるため、圧電素子５０は変位時においても安定した状態を維持することができる。

また、本実施形態に係る圧電発音体１において、圧電素子５０は圧電体層６０を有している。この圧電体層６０は、圧電素子５０の一端部５０ａから他端部５０ｂに向かって連続的に伸びている。このように長く連続した圧電体層６０を有することにより、圧電素子５０の一端部５０ａおよび他端部５０ｂの変位量をさらに大きくすることができる。また、圧電体層６０の厚み方向は、圧電素子５０の湾曲の内側から外側に向かう方向となっている。これにより、圧電素子５０を湾曲の内側方向あるいは外側方向に確実に変位させることができる。

また、本実施形態に係る圧電発音体１において、圧電素子５０の積層体５２は圧電体層６０を複数有しており、圧電体層６０の積層方向は圧電素子５０の内側から外側に向かう方向に沿っている。複数の圧電体層６０をこのように積層することにより、圧電体層６０が１つである場合と比べて、湾曲の内側方向あるいは外側方向に圧電素子５０をより大きく変位させることができる。また、圧電体層６０が１つである場合と比べて、同一変位量を得るための印加電圧を小さくすることができる。

また、本実施形態に係る圧電発音体１において、圧電素子５０は、圧電体層６０を挟むように形成された第１〜第３内部電極６２，６４，６６と、これらに接続された第１〜第３外部電極５４，５６，５８とを有しており、第１〜第３外部電極５４，５６，５８は圧電素子５０の中間部に設けられている。圧電素子５０の中間部は変位が殆ど生じない部位であるため、第１〜第３外部電極５４，５６，５８が圧電素子５０の変位を妨げることはない。したがって、変位を妨げることなく、圧電素子５０に電圧を印加できる。

また、本実施形態に係る圧電発音体１において、圧電素子５０は半円環状を呈している。半円環状とすることによって、圧電素子５０を変位がスムーズなものとすることができる。また、直方体型の圧電素子を用いる場合と比べて、圧電素子５０の収容スペースを確実に小さくすることができる。

また、本実施形態に係る圧電発音体１において、振動板３０の周縁部３６はハウジング１０で支持されている。より具体的には、振動板３０の周縁部３６はハウジング本体２０とハウジングカバー１２とに挟持されている。ハウジング１０が周縁部３６を支持することにより、振動板３０に張力を付与することができる。その結果、圧電素子５０の振動をより効率よく、振動板３０にて伝播させることができる。

また、本実施形態に係る圧電発音体１において、振動板３０はポリプロピレンやポリカーボネート等の樹脂からなっている。振動板３０に樹脂といった低密度で剛性の低い材料を用いることにより、広帯域の圧電発音体をより確実に得ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、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、本実施形態では、略円板形状の平坦部３２と補強部３４とを有する振動板３０を備えるとしたが、このような振動板３０の代わりに、図１２（ａ）および（ｂ）に示されるように、中心部がドーム状に成形された振動板９０を備えるとしてもよい。中心部をドーム状とすることによって振動板９０に強度をもたせることができるため、振動板３０の補強部３４に相当する部分を設ける必要がなくなる。なお、振動板９０の中心部は、図１２（ａ）に示されるように、ハウジングカバー１２に向かって凸となっていてもよいし、図１２（ｂ）に示されるように、ハウジング本体２０に向かって凸となっていてもよい。

また、ハウジング１０および振動板３０に用いられる材料は、上述したものに限られない。振動板３０についていえば、本実施形態において振動板３０はポリプロピレンやポリカーボネート等の樹脂からなるとしたが、これらの樹脂だけでなく、グラスファイバ、カーボンファイバ、紙、ガラス等を含んでいてもよい。

また、本実施形態では、圧電素子５０の積層体５２は半円環状を呈しているとしたが、積層体５２は少なくとも中間部が湾曲していればよい。また、本実施形態では、連結部４２はヘッド４３を中心として屈曲された形状をなしているとした。これを、連結部４２の各アーム４４をカーブさせることにより、連結部４２はヘッド４３を中心として湾曲された形状をなしているとしてもよい。この場合、アーム４４をヒンジ結合することによって、連結部４２は湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位することとなる。

また、本実施形態では、第１〜第３外部電極５４，５６，５８は下地電極および端子電極からなっているとしたが、第１〜第３外部電極５４，５６，５８を外部（例えばハウジング本体２０の凸部２６に設けられた電極）に半田付けする必要がない場合には、第１〜第３外部電極５４，５６，５８は下地電極のみを有していればよい。

また、本実施形態では、圧電素子５０の積層体５２は８つの圧電体層６０を有するとしたが、圧電体層６０の数はこれに限られず、１つ以上であればよい。また、圧電体層６０、第１〜第３内部電極６２，６４，６６、および第１〜第３外部電極５４，５６，５８に用いられる材料は、上述したものに限られない。

本実施形態に係る圧電発音体を示す分解斜視図である。 本実施形態に係る圧電発音体の断面図である。 本実施形態に係る圧電発音体が備える圧電素子の斜視図である。 本実施形態に係る圧電発音体が備える圧電素子の斜視図である。 本実施形態に係る圧電発音体が備える圧電素子の製造方法を説明するためのフロー図である。 グリーン体の分解斜視図である。 側面に電極パターンが形成されたグリーン体の斜視図である。 焼成治具を示す斜視図および上面図である。 グリーン体を焼成する工程を示す斜視図である。 本実施形態に係る圧電発音体が備える被駆動部材および圧電素子の概略斜視図である。 本実施形態に係る圧電発音体が備える振動板、被駆動部材、および圧電素子の側面図である。 本実施形態に係る圧電発音体の変形例を示す側面図である。

符号の説明

１・・・圧電発音体、１０・・・ハウジング、１２・・・ハウジングカバー、２０・・・ハウジング本体、２１・・・底面部、２２ａ・・・一端部、２２・・・本体側周壁部、２３，２６・・・凸部、３０，９０・・・振動板、３２・・・平坦部、３４・・・補強部、３６・・・周縁部、４０・・・被駆動部材、４１・・・固定部、４２・・・連結部、４３・・・ヘッド、４４・・・アーム、５０・・・圧電素子、５０ａ・・・一端部、５０ｂ・・・他端部、５２・・・積層体、５４・・・第１外部電極、５６・・・第２外部電極、５８・・・第３外部電極、６０・・・圧電体層、６２・・・第１内部電極、６４・・・第２内部電極、６６・・・第３内部電極。

Claims (7)

1. 一端部および他端部を有するとともに少なくとも前記一端部と前記他端部との間の領域が湾曲しており、前記一端部および前記他端部が印加電圧に応じて湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位する圧電素子と、
   前記圧電素子における湾曲した前記領域を支持する支持部材と、
   前記圧電素子の前記一端部および前記他端部に固定される一対の固定部と、前記一対の固定部を連結するとともに頂部を中心として屈曲または湾曲された連結部とを有する変位拡大部材と、
   主面が前記連結部の前記頂部に固着された振動板と、
   を備え、
   前記連結部の前記頂部は、前記圧電素子の変位に伴って、前記連結部における屈曲又は湾曲の内側方向あるいは外側方向に変位し、
   前記振動板は、前記頂部の変位を受けて振動し音を発生させることを特徴とする圧電発音体。
2. 前記圧電素子は、前記一端部から前記他端部に向かって連続的に伸びるとともに、厚み方向が湾曲の内側から外側に向かう方向とされた圧電体層を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電発音体。
3. 前記圧電素子は、前記圧電体層を複数有しており、
   複数の前記圧電体層は、湾曲の内側から外側に向かう方向に沿って積層されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電発音体。
4. 前記圧電素子は、前記圧電体層を挟むように形成された内部電極と、当該内部電極に接続された外部電極とを有しており、
   前記外部電極は、前記圧電素子の前記一端部と前記他端部との間の領域に設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の圧電発音体。
5. 前記圧電素子は、半円環状を呈していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電発音体。
6. 前記支持部材は、前記圧電素子における湾曲した前記領域を支持するとともに、前記振動板の周縁部を支持することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電発音体。
7. 前記振動板は樹脂を含む材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電発音体。
   

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