JP2508274B2 - 圧電変換装置 - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
- H04R17/04—Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus
- H04R17/08—Gramophone pick-ups using a stylus; Recorders using a stylus signals being recorded or played back by vibration of a stylus in two orthogonal directions simultaneously
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- Liquid Crystal (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、圧電素子を用いた電気機械変換装置あるい
は機械電気変換装置などの圧電変換装置に関するもので
ある。
は機械電気変換装置などの圧電変換装置に関するもので
ある。
［従来の技術］ 従来より知られている圧電素子には、PZT（チタン酸
鉛（PbTiO3）とジルコン酸鉛（PbZrO3）との固溶体）等
のセラミック材料を用いたものや、PVDF（ポリフッ化ビ
ニリデン）等の高分子材料を用いたもの等がある。これ
らの圧電素子は、可聴域から超音波域の発音体、アクチ
ュエータ、モーター等の電気機械変換装置や、圧力セン
サーなどの機械電気変換装置などに広く利用されてい
る。
鉛（PbTiO3）とジルコン酸鉛（PbZrO3）との固溶体）等
のセラミック材料を用いたものや、PVDF（ポリフッ化ビ
ニリデン）等の高分子材料を用いたもの等がある。これ
らの圧電素子は、可聴域から超音波域の発音体、アクチ
ュエータ、モーター等の電気機械変換装置や、圧力セン
サーなどの機械電気変換装置などに広く利用されてい
る。
［解決しようとする課題］ セラミック材料を用いた圧電素子の場合、1000〜1500
℃で高温焼成しなければならなず、寸法精度が出しずら
い。また、非常にもろいために、割れ易い。
℃で高温焼成しなければならなず、寸法精度が出しずら
い。また、非常にもろいために、割れ易い。
高分子材料を用いた圧電素子の場合も、フィルム状に
形成した高分子材料を機械的に延伸処理するため、寸法
精度が出しずらい。
形成した高分子材料を機械的に延伸処理するため、寸法
精度が出しずらい。
さらに、従来の圧電素子では、圧電性を発現するため
にポーリング処理（キュリー温度以上の温度で直流高電
界を印加し、そのままキュリー温度以下まで冷却して、
電気双極子の向きを揃える処理。）が必要であり、製造
工程が煩雑なものであった。
にポーリング処理（キュリー温度以上の温度で直流高電
界を印加し、そのままキュリー温度以下まで冷却して、
電気双極子の向きを揃える処理。）が必要であり、製造
工程が煩雑なものであった。
本発明は、ポーリング処理を必ずしも必要としない
で、変形量が大きく、起電効果に優れた、全く新規な圧
電変換装置を提供することを目的としている。
で、変形量が大きく、起電効果に優れた、全く新規な圧
電変換装置を提供することを目的としている。
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の圧電変換装置
は、相対向する内面に電極と配向層が設けてある２枚の
基板と、この両基板間に封止してある強誘電性液晶とか
らなる強誘電性液晶パネルを含み、両基板の一方の曲げ
剛性を他方のそれよりも小としたものである。
は、相対向する内面に電極と配向層が設けてある２枚の
基板と、この両基板間に封止してある強誘電性液晶とか
らなる強誘電性液晶パネルを含み、両基板の一方の曲げ
剛性を他方のそれよりも小としたものである。
両基板の一方の曲げ剛性を他方のそれよりも小とする
ために、両基板の厚みや材質が変えられる。
ために、両基板の厚みや材質が変えられる。
また、この圧電変換装置を利用して、強誘電性液晶の
電歪効果による液晶パネルの振動に対し共鳴系を構成す
る空間を生じさせるための音響反射板を、液晶パネルに
対し実質的に平行に固定して発音装置を構成している。
電歪効果による液晶パネルの振動に対し共鳴系を構成す
る空間を生じさせるための音響反射板を、液晶パネルに
対し実質的に平行に固定して発音装置を構成している。
さらに、この圧電変換装置を利用して、基板に与えら
れた歪みに対応して電極間に生じる電位を検出する電圧
検出手段をさらに設けて機械電気変換装置を構成してい
る。
れた歪みに対応して電極間に生じる電位を検出する電圧
検出手段をさらに設けて機械電気変換装置を構成してい
る。
［実施例］ 第１図は、本発明における強誘電性液晶パネルＡの一
実施例を示したものであり、対向する２枚の基板1,2
は、一方の曲げ剛性を他方のそれよりも小としてある。
材質は共にガラスを用いており、その厚みを変えて形成
し、基板１の厚みを薄くすることによりその曲げ剛性を
小にしている。２枚の基板1,2の相対向する内面に、電
極11,21と配向層12,22がそれぞれ設けてある。電極11,2
1は導電性を有するもので、ITO（インジウム ティン
オキサイド）、Al（アルミニウム）、Cr（クロム）、Ni
（ニッケル）等により形成されている。配向層12,22
は、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリアミド、
テフロン、アクリル系樹脂などの有機材料、SiO2、Al2O
3等の無機材料等を基材として形成されたものである。
両基板1,2はその外周部を封止材３によって所定の間隙
を保ってシールしてあり、この間隙内に強誘電性液晶４
が封入されている。
実施例を示したものであり、対向する２枚の基板1,2
は、一方の曲げ剛性を他方のそれよりも小としてある。
材質は共にガラスを用いており、その厚みを変えて形成
し、基板１の厚みを薄くすることによりその曲げ剛性を
小にしている。２枚の基板1,2の相対向する内面に、電
極11,21と配向層12,22がそれぞれ設けてある。電極11,2
1は導電性を有するもので、ITO（インジウム ティン
オキサイド）、Al（アルミニウム）、Cr（クロム）、Ni
（ニッケル）等により形成されている。配向層12,22
は、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリアミド、
テフロン、アクリル系樹脂などの有機材料、SiO2、Al2O
3等の無機材料等を基材として形成されたものである。
両基板1,2はその外周部を封止材３によって所定の間隙
を保ってシールしてあり、この間隙内に強誘電性液晶４
が封入されている。
第２図（ａ）および（ｂ）は、曲げ剛性を異にした２
枚の基板1,2を用いた本発明の強誘電性液晶パネルＡ
（実施例）と、曲げ剛性の等しい２枚の基板を用いた従
来の強誘電性液晶パネル（比較例）とを下記の条件に従
って形成し、それぞれの電極に交流電圧を印加し、強誘
電性液晶の電歪効果によって液晶パネルを振動させ、そ
の表面変位を測定した特性図である。
枚の基板1,2を用いた本発明の強誘電性液晶パネルＡ
（実施例）と、曲げ剛性の等しい２枚の基板を用いた従
来の強誘電性液晶パネル（比較例）とを下記の条件に従
って形成し、それぞれの電極に交流電圧を印加し、強誘
電性液晶の電歪効果によって液晶パネルを振動させ、そ
の表面変位を測定した特性図である。
実施例 比較例 液晶パネルの 大きさ： 60×80mm 60×80mm 両基板の材質： ガラス ガラス 基板１の板厚： 0.5mm 1.1mm 基板２の板厚： 1.8mm 1.1mm 配向方法 ：ポリイミドを電極上にスピンコート後ベ
ーキングして配向層を形成し、これをラビングして２枚
の基板のラビング方向が100°となるように組み合わせ
た。
ーキングして配向層を形成し、これをラビングして２枚
の基板のラビング方向が100°となるように組み合わせ
た。
そして電極間の間隙を10μにして基板周辺をシール
し、強誘電性液晶を真空注入した。その後全体をアイソ
トロピック相まで加熱し、オーブン内で室温まで徐冷し
て配向状態を揃えた。
し、強誘電性液晶を真空注入した。その後全体をアイソ
トロピック相まで加熱し、オーブン内で室温まで徐冷し
て配向状態を揃えた。
使用液晶:ZLI−3774（メルク社製） 測定方法：電極11と21との間に±100V,0.5Hzの交流電圧
を印加して、パネル中央部の変位を表面粗さ計（サーフ
コム555A（東京精密製））にて測定した。
を印加して、パネル中央部の変位を表面粗さ計（サーフ
コム555A（東京精密製））にて測定した。
以上の条件で測定を行ない、本発明に係る液晶パネル
Ａにおける測定結果を第２図（ａ）に示している。これ
によると、±100Vの交流電圧を印加したときの液晶パネ
ルの変位の最大値と最小値との差は300オングストロー
ムであった。
Ａにおける測定結果を第２図（ａ）に示している。これ
によると、±100Vの交流電圧を印加したときの液晶パネ
ルの変位の最大値と最小値との差は300オングストロー
ムであった。
一方、比較例の測定結果を第２図（ｂ）に示してい
る。これによると、液晶パネルはかすかに振動している
が、ピーク位置が明確に現われず、ノイズに埋もれて測
定できなかった。
る。これによると、液晶パネルはかすかに振動している
が、ピーク位置が明確に現われず、ノイズに埋もれて測
定できなかった。
なお上記した実施例および比較例の液晶パネルに、±
15Vの交流電圧を周波数をシフトさせながら印加した場
合、双方とも、ほぼ4KHz近辺に共振周波数があり、発生
する音の大きさは本発明の実施例の方がはるかに大きか
った。
15Vの交流電圧を周波数をシフトさせながら印加した場
合、双方とも、ほぼ4KHz近辺に共振周波数があり、発生
する音の大きさは本発明の実施例の方がはるかに大きか
った。
これによって、液晶パネルの大きさが同じで、厚さも
同じ強誘電性液晶パネルの場合、２枚の基板の曲げ剛性
を同じにしたものよりも、曲げ剛性の異なる２枚の基板
を用いたものの方が、大きな振動が得られるとともに、
大きな音が得られることが明瞭になった。
同じ強誘電性液晶パネルの場合、２枚の基板の曲げ剛性
を同じにしたものよりも、曲げ剛性の異なる２枚の基板
を用いたものの方が、大きな振動が得られるとともに、
大きな音が得られることが明瞭になった。
第３図は、本発明の強誘電性液晶パネルＡを利用した
発音装置であって、上記のような液晶パネルの振動に対
し共鳴系を構成する空間を生じさせるための音響反射板
５を、２本の支持柱６を用い、液晶パネルに所定の間隔
ｄをおいて、実質的に平行に固定したものである。強誘
電性液晶パネルＡの両電極には、電気信号発生手段７か
ら駆動信号が供給される。
発音装置であって、上記のような液晶パネルの振動に対
し共鳴系を構成する空間を生じさせるための音響反射板
５を、２本の支持柱６を用い、液晶パネルに所定の間隔
ｄをおいて、実質的に平行に固定したものである。強誘
電性液晶パネルＡの両電極には、電気信号発生手段７か
ら駆動信号が供給される。
音圧を測定するに際し、上記した実施例と比較例の強
誘電性液晶パネルを利用して、間隔ｄを3.5mmとして音
響反射板を設け、２つの発音装置を形成した。間隔ｄを
3.5mmとすることにより、4KHz付近の音に対して共鳴系
が形成される。そこで電気信号発生手段７からの供給電
圧として±15Vの交流電圧を、周波数をシフトさせなが
ら印加した。その結果、第４図に示す周波数音圧特性図
が得られた。
誘電性液晶パネルを利用して、間隔ｄを3.5mmとして音
響反射板を設け、２つの発音装置を形成した。間隔ｄを
3.5mmとすることにより、4KHz付近の音に対して共鳴系
が形成される。そこで電気信号発生手段７からの供給電
圧として±15Vの交流電圧を、周波数をシフトさせなが
ら印加した。その結果、第４図に示す周波数音圧特性図
が得られた。
第４図においては、本発明の実施例の結果を実線に示
し、比較例の結果を破線に示している。いずれも4KHzを
超えるところから80dB以上の音圧が得られているが、特
にアラーム音などに実用に供せられる1KHz以上の周波数
帯では、本発明の実施例の方が遥かに大きな音圧が得ら
れていることが分る。
し、比較例の結果を破線に示している。いずれも4KHzを
超えるところから80dB以上の音圧が得られているが、特
にアラーム音などに実用に供せられる1KHz以上の周波数
帯では、本発明の実施例の方が遥かに大きな音圧が得ら
れていることが分る。
なお、この発音装置は、第３図に示すものとは逆に、
共鳴系を構成する音響反射板５側に、強誘電性液晶パネ
ルＡの曲げ剛性の小さい基板１を配置して構成しても、
発生する音圧の大きさは変らなかった。
共鳴系を構成する音響反射板５側に、強誘電性液晶パネ
ルＡの曲げ剛性の小さい基板１を配置して構成しても、
発生する音圧の大きさは変らなかった。
このことから、本発明の発音装置で大きな音圧が得ら
れるのは、２枚の基板1,2のいずれか一方の曲げ剛性が
小さいことに基因するもので、曲げ剛性が小さい方の基
板１の配置位置には必ずしも関係はないことが明らかに
なった。
れるのは、２枚の基板1,2のいずれか一方の曲げ剛性が
小さいことに基因するもので、曲げ剛性が小さい方の基
板１の配置位置には必ずしも関係はないことが明らかに
なった。
次に第５図は、第１図示の本発明の強誘電性液晶パネ
ルＡを利用した機械電気変換装置であって、上記のよう
な液晶パネルの基板1,2に与えられた歪みに対応して、
電極11,21間に生じる電位を検出するために、電極11,21
間に電圧検出手段８を接続してある。
ルＡを利用した機械電気変換装置であって、上記のよう
な液晶パネルの基板1,2に与えられた歪みに対応して、
電極11,21間に生じる電位を検出するために、電極11,21
間に電圧検出手段８を接続してある。
このように構成した機械電気変換装置の起電効果を調
べるために、7gのボールを5cmの高さから落下して強誘
電性液晶パネルＡに力を加えたところ、電圧検出手段８
により、第６図に示すように、ボールの衝撃によって大
きな起電圧が得られ、次第に減衰してゆく様子が確認で
きた。これによると、7gのボールを5cmの高さから落と
した場合、強誘電性液晶パネルＡに生じる電圧の最大値
と最小値の差は1.648Vであった。
べるために、7gのボールを5cmの高さから落下して強誘
電性液晶パネルＡに力を加えたところ、電圧検出手段８
により、第６図に示すように、ボールの衝撃によって大
きな起電圧が得られ、次第に減衰してゆく様子が確認で
きた。これによると、7gのボールを5cmの高さから落と
した場合、強誘電性液晶パネルＡに生じる電圧の最大値
と最小値の差は1.648Vであった。
この機械電気変換装置の応用例としてはタッチスイッ
チなどが考えられる。その場合、強誘電性液晶パネルＡ
の表面を押圧することによる起電圧を検出して押圧され
たことを確認する構成とする。またキーボード等、多数
のスイッチを必要とする装置に本発明による機械電気変
換装置を用いる場合には、多数の電極をフォトエッチン
グ等で形成しておくことにより、多数のスイッチを１枚
の強誘電性液晶パネルで同時にかつ容易に、しかも特性
を揃えて形成できる。しかも２枚の基板の曲げ剛性を変
えておくことにより、大きい出力を得ることができる。
チなどが考えられる。その場合、強誘電性液晶パネルＡ
の表面を押圧することによる起電圧を検出して押圧され
たことを確認する構成とする。またキーボード等、多数
のスイッチを必要とする装置に本発明による機械電気変
換装置を用いる場合には、多数の電極をフォトエッチン
グ等で形成しておくことにより、多数のスイッチを１枚
の強誘電性液晶パネルで同時にかつ容易に、しかも特性
を揃えて形成できる。しかも２枚の基板の曲げ剛性を変
えておくことにより、大きい出力を得ることができる。
なお、２枚の基板は同一の材質であることを必要とせ
ず、一方にフレキシブルな基板を使用するなど、材質を
変えることにより曲げ剛性を相違させてもよい。
ず、一方にフレキシブルな基板を使用するなど、材質を
変えることにより曲げ剛性を相違させてもよい。
配向層12,22の配向方向は、100°ずらすことに限定さ
れるものでなく、平行または反平行でもよく、また、片
側のみラビングしても良いが、ホモジニアス配向である
ことが望ましい。
れるものでなく、平行または反平行でもよく、また、片
側のみラビングしても良いが、ホモジニアス配向である
ことが望ましい。
［効果］ 以上に説明したように、本発明の圧電変換装置は、強
誘電性液晶パネルから構成されるので、容易に任意の形
状に形成することができ、しかもポーリング処理を必ず
しも必要としない。２枚の基板の曲げ剛性を異にするこ
とによって、従来に比して大きな変形量が得られ、発音
装置では大きな音圧が得られる。また、一定の力に対す
る起電圧も大きく、起電効果に優れている。
誘電性液晶パネルから構成されるので、容易に任意の形
状に形成することができ、しかもポーリング処理を必ず
しも必要としない。２枚の基板の曲げ剛性を異にするこ
とによって、従来に比して大きな変形量が得られ、発音
装置では大きな音圧が得られる。また、一定の力に対す
る起電圧も大きく、起電効果に優れている。
第１図は本発明の圧電変換装置の一実施例を示す概略構
成図、第２（ａ），（ｂ）図は本発明（実施例）と従来
例（比較例）の圧電変換装置を振動させたときに生じる
表面変位特性を示す図、第３図は本発明の発音装置の一
実施例を示す斜視図、第４図は本発明（実施例）と従来
例（比較例）の圧電変換装置をそれぞれ利用した発音装
置の周波数音圧特性図、第５図は本発明の機械電気変換
装置の一実施例を示す概略構成図、第６図はその起電圧
特性を示す図である。 Ａ……圧電変換装置（強誘電性液晶パネル）、1,2……
基板、11,21……電極、12,22……配向層、４……強誘電
性液晶、５……音響反射板、８……電圧検出手段。
成図、第２（ａ），（ｂ）図は本発明（実施例）と従来
例（比較例）の圧電変換装置を振動させたときに生じる
表面変位特性を示す図、第３図は本発明の発音装置の一
実施例を示す斜視図、第４図は本発明（実施例）と従来
例（比較例）の圧電変換装置をそれぞれ利用した発音装
置の周波数音圧特性図、第５図は本発明の機械電気変換
装置の一実施例を示す概略構成図、第６図はその起電圧
特性を示す図である。 Ａ……圧電変換装置（強誘電性液晶パネル）、1,2……
基板、11,21……電極、12,22……配向層、４……強誘電
性液晶、５……音響反射板、８……電圧検出手段。
Claims (5)
- 【請求項１】相対向する内面に電極と配向層が設けてあ
る２枚の基板と、上記両基板間に封止してある強誘電性
液晶とからなる強誘電性液晶パネルを含み、上記両基板
の一方の曲げ剛性を他方のそれよりも小としたことを特
徴とする圧電変換装置。 - 【請求項２】請求項１において、厚みを変えることによ
って上記両基板の一方の曲げ剛性を他方のそれよりも小
としたことを特徴とする圧電変換装置。 - 【請求項３】請求項１において、材質を変えることによ
って上記両基板の一方の曲げ剛性を他方のそれよりも小
としたことを特徴とする圧電変換装置。 - 【請求項４】上記強誘電性液晶の電歪効果による上記液
晶パネルの振動に対し共鳴系を構成する空間を生じさせ
るための音響反射板を、上記液晶パネルに対し実質的に
平行に固定したことを特徴とする請求項１〜３に記載の
圧電変換装置を利用した発音装置。 - 【請求項５】上記基板に与えられた歪みに対応して上記
電極間に生じる電位を検出する電圧検出手段をさらに具
備することを特徴とする請求項１〜３に記載の圧電変換
装置を利用した機械電気変換装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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- 1989-06-15 JP JP1152523A patent/JP2508274B2/ja not_active Expired - Fee Related
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