JP2018157346A - 振動トランスデューサ - Google Patents

Abstract

【課題】出力が大きい振動トランスデューサを提供する。【解決手段】振動トランスデューサは、シート状の圧電体３及びこの圧電体の表裏に積層される１対の電極４，５をそれぞれ有し、間隔を空けて互いに積層される複数の圧電素子１を備え、複数の圧電素子間で対向し合う電極の極性が一致する。圧電素子の数が偶数であり、最も外側に位置する圧電素子の外側の電極が負極であることが好ましい。複数の圧電素子の間に配設されるスペーサ２をさらに備えることが好ましい。スペーサが空隙シートであってもよい。少なくとも１の圧電素子に貫通穴が形成されていてもよい。複数の圧電体が、平面視で互いに重複しない突出部を有してもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、振動トランスデューサに関する。

圧電体の両面に電極を設けた圧電素子を用いて振動を電気信号に変換又は電気信号を振動に変換する振動トランスデューサが広く利用されている。このような振動トランスデューサの出力を大きくするために、複数の圧電体を電極を挟んで積層したものが提案されている（例えば特開２０１１−２１７１６０号公報参照）。

しかしながら、前記公報に記載される振動トランスデューサのように複数の圧電体を電極を挟んで積層した場合、各圧電体が互いの変形、特に曲げモードの変形を阻害し合う。このため、前記公報に記載される振動トランスデューサでは、用途によっては、十分に出力を大きくすることができない。

特開２０１１−２１７１６０号公報

前記不都合に鑑みて、本発明は、出力が大きい振動トランスデューサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明の一態様に係る振動トランスデューサは、シート状の圧電体及びこの圧電体の表裏に積層される１対の電極をそれぞれ有し、間隔を空けて互いに積層される複数の圧電素子を備え、前記複数の圧電素子間で対向し合う電極の極性が一致する。

当該振動トランスデューサは、前記複数の圧電素子が間隔を空けて積層されるので、それぞれの圧電素子が変形しやすいことで出力が大きくなる。また、当該振動トランスデューサは、前記複数の圧電素子間で対向し合う電極の極性が一致するため、この電極間に寄生容量が形成されない。このため、当該振動トランスデューサは、圧電素子を間隔を空けて配置したことによる寄生容量の増大を防止することができる。

当該振動トランスデューサにおいて、前記圧電素子の数が偶数であり、最も外側に位置する前記圧電素子の外側の電極が負極であることが好ましい。このように、通常接地される負極を外側の電極とすることによって、外側の電極が電磁シールドとしての機能を果たすことができるため、当該振動トランスデューサのＳ／Ｎ比を向上することができる。

当該振動トランスデューサは、前記複数の圧電素子の間に配設されるスペーサをさらに備えることが好ましい。この構成によれば、スペーサによって圧電素子の間隔が一定に保持されるので、当該振動トランスデューサの性能が一定となる。

当該振動トランスデューサにおいて、前記スペーサが空隙シートであってもよい。この構成によれば、前記圧電素子間を確実に分離しつつ、それぞれの圧電素子の自由な振動が可能となるので、当該振動トランスデューサの性能を比較的容易に向上することができる。

当該振動トランスデューサにおいて、少なくとも１の前記圧電素子に貫通穴が形成されていてもよい。この構成によれば、前記貫通穴が音波の出入り口となるため、当該振動トランスデューサの出力を向上することができる。

当該振動トランスデューサにおいて、前記複数の圧電体が、平面視で互いに重複しない突出部を有してもよい。この構成によれば、前記突出部に容易に配線することができる。

以上のように、本発明の一態様に係る振動トランスデューサは、出力が大きい。

本発明の一実施形態の振動トランスデューサを示す模式的側面図である。 本発明の図１とは異なる実施形態の振動トランスデューサを示す模式的側面図である。 本発明の図１及び図２とは異なる実施形態の振動トランスデューサを示す模式的側面図である。 本発明の図１乃至図３とは異なる実施形態の振動トランスデューサを示す模式的断面図である。 本発明の図１乃至図４とは異なる実施形態の振動トランスデューサを示す模式的平面図である。 図５の振動トランスデューサの模式的Ａ−Ａ線断面矢視図である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

［第一実施形態］
図１に、本発明の第一実施形態に係る振動トランスデューサを示す。本実施形態の振動トランスデューサは、それぞれシート状乃至板状に形成され、間隔を空けて互いに積層される２つの圧電素子１と、２つの圧電素子１の間に配設される１対のスペーサ２とを備える。

＜圧電素子＞
圧電素子１は、シート状乃至膜状の圧電体３と、この圧電体３の表裏に積層されるシート状乃至膜状の１対の電極（正極４及び負極５）とを有する。各圧電素子１は、圧電体３及び１対の電極４，５の形成材料の大判の積層体シートから切り出して形成することができる。

２つの圧電素子１は、圧電素子１間で対向し合う電極４，５の極性が一致するよう配置されている。より詳しくは、２つの圧電素子１は、外側の電極が負極５となるよう、正極４を対向させて配置されている。

（圧電体）
圧電体３は、圧力を電圧に変換する圧電材料から形成することができる。この圧電体３を形成する圧電材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛等の無機材料であってもよいが、可撓性を有する高分子圧電材料であることが好ましい。

前記高分子圧電材料としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン−３フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））、シアン化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体（Ｐ（ＶＤＣＮ／ＶＡｃ））等を挙げることができる。

また、圧電体３として、圧電特性を有しない例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等に多数の扁平な気孔を形成し、例えばコロナ放電等によって扁平な気孔の対向面を分極して帯電させることによって圧電特性を付与したものを使用することもできる。

圧電体３の平均厚さの下限としては、１０μｍが好ましく、５０μｍがより好ましい。一方、圧電体３の平均厚さの上限としては、５００μｍが好ましく、２００μｍがより好ましい。圧電体３の平均厚さが前記下限に満たない場合、圧電体３の強度が不十分となるおそれがある。逆に、圧電体３の平均厚さが前記上限を超える場合、圧電体３の変形能が小さくなることで当該振動トランスデューサの出力が不十分となるおそれがある。

（電極）
電極４，５は、圧電体３の両面に積層され、圧電体３の表裏の電位差を検出又は圧電体３の表裏に電位差を与えるために用いられる。このため、電極４，５には、電気信号を出力又は入力するための配線Ｗが接続される。

電極４，５の材質としては、導電性を有するものであればよく、例えばアルミニウム、銅、ニッケル等の金属や、カーボン等を挙げることができる。

電極４，５の平均厚さとしては、特に限定されず、積層方法にもよるが、例えば０．１μｍ以上３０μｍ以下とすることができる。電極４，５の平均厚さが前記下限に満たない場合、電極４，５の強度が不十分となるおそれがある。逆に、電極４，５の平均厚さが前記上限を超える場合、圧電体３への振動の伝達を阻害するおそれがある。

電極４，５の圧電体３への積層方法としては、特に限定されず、例えば金属の蒸着、カーボン導電インクの印刷、銀ペーストの塗布乾燥等が挙げられる。

当該振動トランスデューサは、図示するように、負極５に接続される配線Ｗが接地された状態で使用されることが好ましい。

＜スペーサ＞
スペーサ２は、２つの圧電素子１が互いに接触しないよう一定の隙間を形成する。本実施形態におけるスペーサ２は、圧電素子１の対向する１対の側縁に沿って配置される角柱状の部材である。従って、圧電素子１の間の空間は、スペーサ２の長さ方向両側が開放されており、特に当該振動トランスデューサが音波振動の変換に用いられる場合に２つの圧電素子１が両者間の空気を介して互いに干渉することを抑制する。

スペーサ２の材質としては、十分な強度を有する限り特に限定されないが、導電性を有するものを用い、対向する電極間を電気的に接続することによって一方電極の配線Ｗを省略してもよい。

圧電素子１の材質や大きさ（１対のスペーサ２間の距離）にもよるが、スペーサ２の平均厚さの下限としては、０．３ｍｍが好ましく、０．５ｍｍがより好ましい。一方、スペーサ２の平均厚さの上限としては、５ｍｍが好ましく、３ｍｍがより好ましい。スペーサ２の平均厚さが前記下限に満たない場合、圧電素子１同士の接触を防止できないおそれがある。逆に、スペーサ２の平均厚さが前記上限を超える場合、当該振動トランスデューサが不必要に大きくなるおそれや、２つの圧電素子１の入出力振動が同期せず、波形を歪ませたり出力を低下させたりするおそれがある。

＜利点＞
当該振動トランスデューサは、複数の圧電素子１が間隔を空けて積層されているので、それぞれの圧電素子１が互いの変形を阻害せず、比較的変形しやすいことで出力が大きくなる。

また、当該振動トランスデューサは、複数の圧電素子１間で対向し合う電極４の極性が一致するため、この対向し合う電極４間に寄生容量が形成されない。このため、当該振動トランスデューサは、比較的フラットな周波数特性を有する。

また、当該振動トランスデューサは、外側の電極を負極５としたことによって、一般的な使用においてこの負極５を接地することができる。このように、当該振動トランスデューサは、厚さ方向最も外側に設置された負極５を有することで、この負極５が電磁シールドとして機能する。従って、当該振動トランスデューサは、電磁ノイズの影響を受けにくく、比較的Ｓ／Ｎ比が大きい出力を得ることができる。

［第二実施形態］
図２に、本発明の第二実施形態に係る振動トランスデューサを示す。本実施形態の振動トランスデューサは、それぞれシート状乃至板状に形成され、間隔を空けて互いに積層される２つの圧電素子１と、２つの圧電素子１の間に配設されるシート状のスペーサ２ａとを備える。

図２の振動トランスデューサにおける圧電素子１の構成は、図１の振動トランスデューサにおける圧電素子１の構成と同様とすることができる。このため、図２の振動トランスデューサについて、図１の振動トランスデューサと同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。

＜スペーサ＞
本実施形態のスペーサ２ａは、２つの圧電素子の間に挟み込まれる空隙シート（内部に空隙を有するシート状体）である。このスペーサ２ａは、２つの圧電素子の対向面の略全面に亘って存在する。このため、本実施形態の振動トランスデューサでは、剛性が小さい可撓性の圧電素子１を用いることができる。

スペーサ２ａとしては、メッシュ、連続気孔を有する発泡体シート、穴空きシート等を用いることができ、一方の圧電素子１の動きを他方の圧電素子１に伝えにくいよう厚さ方向に弾性を有するものが特に好適に用いられる。このような弾性を有する空隙シートとしては、例えばスポンジシート等の樹脂発泡体を挙げることができる。

スペーサ２ａの平均厚さの下限としては、０．５ｍｍが好ましく、０．８ｍｍがより好ましい。一方、スペーサ２ａの平均厚さの上限としては、５ｍｍが好ましく、３ｍｍがより好ましい。スペーサ２ａの平均厚さが前記下限に満たない場合、圧電素子１同士が互いに干渉するおそれがある。逆に、スペーサ２ａの平均厚さが前記上限を超える場合、当該振動トランスデューサが不必要に大きくなるおそれや、２つの圧電素子１の入出力振動が同期せず、波形を歪ませたり出力を低下させたりするおそれがある。

＜利点＞
当該振動トランスデューサは、空隙シートから形成されるスペーサ２ａを備えるため、２つの圧電素子１の間隔を確実に保持することができるので、可撓性が大きい圧電素子１を使用することができるので、出力を大きくすることが容易である。

［第三実施形態］
図３に、本発明の第三実施形態に係る振動トランスデューサを示す。本実施形態の振動トランスデューサは、それぞれシート状乃至板状に形成され、間隔を空けて互いに積層される第１圧電素子１及び第２圧電素子１ａと、これら２つの圧電素子１，１ａの間に配設される１対のスペーサ２とを備える。第２圧電素子１ａは、空気振動が入射又は出射する側に配置される。

図３の振動トランスデューサにおける第１圧電素子１及びスペーサ２の構成は、図１の振動トランスデューサにおける圧電素子１及びスペーサ２の構成と同様とすることができる。このため、図３の振動トランスデューサについて、図１の振動トランスデューサと同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。

＜第２圧電素子＞
第２圧電素子１ａは、シート状乃至膜状の圧電体３と、この圧電体３の表裏に積層されるシート状乃至膜状の１対の電極（正極４及び負極５）とを有する。また、この第２圧電素子１ａは、平面視でスペーサ２の間に表裏に貫通するよう形成される複数の貫通穴６を有する。

図３の振動トランスデューサにおける第２圧電素子１ａの圧電体３及び１対の電極４，５の構成は、貫通穴６が形成されることを除いて図１の振動トランスデューサにおける圧電素子１の圧電体３及び１対の電極４，５の構成と同様とすることができる。

（貫通穴）
複数の貫通穴６は、外側から第２圧電素子１ａに入射した音波が通過して、第１圧電素子１に到達することを可能にする。

貫通穴６の平均径の下限としては、０．５ｍｍが好ましく、０．８ｍｍがより好ましい。一方、貫通穴６の平均径の上限としては、５ｍｍが好ましく、３ｍｍがより好ましい。貫通穴６の平均径が前記下限に満たない場合、貫通穴６の形成が容易でなくなるおそれや、第２圧電素子１ａを十分に音波が通過できないおそれがある。逆に、貫通穴６の平均径が前記上限を超える場合、第２圧電素子１ａの検出精度が不十分となるおそれがある。

第２圧電素子１ａの開口率（貫通穴６の合計面積の比率）の下限としては、１０％が好ましく、１５％がより好ましい。一方、第２圧電素子１ａの開口率の上限としては、６０％が好ましく、５０％がより好ましい。第２圧電素子１ａの開口率が前記下限に満たない場合、第２圧電素子１ａを十分に音波が通過できないおそれがある。逆に、第２圧電素子１ａの開口率が前記上限を超える場合、第２圧電素子１ａの検出精度が不十分となるおそれがある。

［第四実施形態］
図４に、本発明の第四実施形態に係る振動トランスデューサを示す。本実施形態の振動トランスデューサは、それぞれシート状乃至板状に形成され、一定の間隔を空けて互いに積層される４つの圧電素子１と、４つの圧電素子１の間にそれぞれ配設される３対のスペーサ２とを備える。

図４の振動トランスデューサにおける圧電素子１及びスペーサ２の構成は、その数を除いて図１の振動トランスデューサにおける圧電素子１及びスペーサ２の構成と同様とすることができる。このため、図４の振動トランスデューサについて、図１の振動トランスデューサと同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。

本実施形態の振動トランスデューサにおいて、４つの圧電素子１は、隣接し合う圧電素子１間で対向し合う電極４，５の極性が一致するよう、且つ最も外側の電極が負極５となるよう配向されている。つまり、４つの圧電素子１は、隣接する圧電素子１と正極４及び負極５の向きが逆転している。本実施形態の振動トランスデューサは、４つの圧電素子１の負極５に接続される配線Ｗが接地された状態で使用されることが好ましい。

＜利点＞
本実施形態の振動トランスデューサは、多数の圧電素子１を備えるため比較的出力を大きくすることができる。

［第５実施形態］
図５及び図６に、本発明の第五実施形態に係る振動トランスデューサを示す。本実施形態の振動トランスデューサは、それぞれシート状乃至板状に形成され、一定の間隔を空けて互いに積層される４つの圧電素子１１，１２，１３，１４と、４つの圧電素子１の間にそれぞれ配設される３対のスペーサ２とを備える。

図５及び図６の振動トランスデューサにおけるスペーサ２の構成は、その数を除いて図１の振動トランスデューサにおけるスペーサ２の構成と同様とすることができる。このため、図５及び図６の振動トランスデューサについて、図１の振動トランスデューサと同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。

＜圧電素子＞
圧電素子１１，１２，１３，１４は、それぞれシート状乃至膜状の圧電体３と、この圧電体３の表裏に積層されるシート状乃至膜状の１対の電極（正極４及び負極５）とを有する。

本実施形態の振動トランスデューサにおいて、圧電素子１１，１２，１３，１４は、隣接し合う圧電素子間で対向し合う電極４，５の極性が一致するよう、且つ最も外側の電極が負極５となるよう配向されている。本実施形態の振動トランスデューサは、圧電素子１１，１２，１３，１４の負極５に接続される配線Ｗが接地された状態で使用されることが好ましい。

各圧電素子１１，１２，１３，１４は、圧電体３及び１対の電極４，５の形成材料の大判の積層体シートから異なる平面形状に切り出して形成することができる。

具体的には、圧電素子１１，１２，１３，１４は、平面視方形状で互いに重複し、振動を電気信号に変換又は電気信号を振動に変換するための変換部１５と、この変換部１５から突出し、平面視で互いに重複しない小さい舌片状の突出部１６とを有する。本実施形態の振動トランスデューサにおいて、圧電素子１１，１２，１３，１４の電極４，５への配線Ｗは、突出部１６において行われる。

＜利点＞
本実施形態の振動トランスデューサは、圧電素子１１，１２，１３，１４が平面視で互いに重複しない突出部１６を有するため、配線Ｗが容易である。また、圧電素子１１，１２，１３，１４の突出部１６を図示するように変換部１５の一方側に並んで突出させることによって、配線Ｗの取り回しが容易となり、当該振動トランスデューサを配設することも容易となる。

［その他の実施形態］
前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

当該振動トランスデューサにおいて、最も外側の電極が正極であってもよい。特に当該振動トランスデューサが最も外側に正極を有する場合には、当該振動トランスデューサを正極を接地して使用してもよい。また、当該振動トランスデューサは、正極及び負極の両方が接地されずに使用されてもよい。

当該振動トランスデューサにおいて、圧電素子の数は、電磁シールド効果を得るために偶数とすることが好ましいが、奇数であってもよい。つまり、当該振動トランスデューサにおける圧電素子の数は、６以上の偶数であってもよく、３以上の奇数であってもよい。

当該振動トランスデューサへの配線は、全ての圧電素子を電気的に並列に接続できればよく、接続位置、取り回し、結線等は任意である。

当該振動トランスデューサにおいて、スペーサは、圧電素子の外縁に沿って略全周に亘って存在してもよい。

また、当該振動トランスデューサにおいて、複数の圧電素子は、スペーサ以外の手段で間隔を空けて配置されてもよい。具体例としては、複数の圧電素子の端面を支柱又は筒体に間隔を空けて接着してもよい。

当該振動トランスデューサにおいて、複数又は全ての圧電素子に貫通穴が形成されていてもよい。

本発明に係る振動トランスデューサは、音波振動を電気信号に変換するために特に好適に利用することができる。

１，１ａ，１１，１２，１３，１４ 圧電素子
２，２ａ スペーサ
３ 圧電体
４，５ 電極
６ 貫通穴
１５ 変換部
１６ 突出部
Ｗ 配線

Claims (6)

1. シート状の圧電体及びこの圧電体の表裏に積層される１対の電極をそれぞれ有し、間隔を空けて互いに積層される複数の圧電素子を備え、
   前記複数の圧電素子間で対向し合う電極の極性が一致する振動トランスデューサ。
2. 前記圧電素子の数が偶数であり、最も外側に位置する前記圧電素子の外側の電極が負極である請求項１に記載の振動トランスデューサ。
3. 前記複数の圧電素子の間に配設されるスペーサをさらに備える請求項１又は請求項２に記載の振動トランスデューサ。
4. 前記スペーサが空隙シートである請求項３に記載の振動トランスデューサ。
5. 少なくとも１の前記圧電素子に貫通穴が形成されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の振動トランスデューサ。
6. 前記複数の圧電体が、平面視で互いに重複しない突出部を有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の振動トランスデューサ。

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