JP2913659B2 - 圧電振動板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電振動板に関し、特に圧電材と支持板を貼
り付け発音体の歪成分である高調波を低下させる圧電振
動板に関する。

〔従来の技術〕

従来のかかる圧電振動板は支持板に電極を形成した圧
電材料を貼り付けて構成されており、特に圧電体に交番
電圧を加えることにより圧電体を面方向に伸縮させるも
のである。すなわち、貼り付けた支持板によって圧電体
の一方の面が固定されているために、圧電体の伸縮が支
持板の貼り合わせ面を中心にして上下方向へ反りとなっ
て生じるので、支持板の外周部を固定すれば、この反り
によって中心部が上下に変位し、加えた交番電圧の周波
数で振動する振動子が得られる。

このような振動板に周波数が数kHzの信号を加えれ
ば、この振動が空気の疎密波を作り出して音を生じる発
音体となり、圧電ブザーや圧電スピーカーとして実用化
される。

この圧電型発音体は小型・薄型化が可能であり、特に
重要なポイントとなる磁気を生じないということから、
情報機器のIDカードと一緒に携帯する可能性のあるポケ
ットベルや移動通信機器あるいはカードラジオ，薄型ポ
ケットテレビの実用化には、なくてはならないものとな
ってきている。

従来、かかる圧電型発音体は単に円板状の圧電材の両
面に電極を形成し、これを金属製の薄い支持板に接着す
るだけで構成しており、小型・低周波化するために圧電
材及び支持板の厚みを50μｍ以下に薄くすると同時に、
この支持板の外周部を自由状態に近い支持構造とするた
め弾性接着剤で固定するものがある。しかし、支持板の
厚みが薄くなると、弾性接着剤の影響が強くなり、しか
も弾性接着剤は均一に塗布しにくいことから、得られる
性能にばらつきが多くなるという問題がある。

このような問題を解決するために、従来は支持板の外
周固定部と圧電材の外周部との間に両面交互に且つ異な
る位置とした溝を持たせることにより、弾性接着剤の場
合よりも共振周波数を低下させ、小型・低周波化を実現
している。さらに、この低周波化に伴って圧電材の厚み
を薄くしたとき、圧電材の接着による変位低下により生
じる音圧レベルの低下を防止する構造として、圧電材と
支持板の接着を部分接着するものも提案されている。こ
のように両者の構造を一体化することにより、小型で低
周波特性の良好な圧電型発音体が得られるようになって
きている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したような周辺支持部に両面交互で異なる位置と
した溝と接着面に部分接着とするための溝を持たせるこ
とにより、小型で低周波特性の良好なものが得られた。
しかしながら、移動通信機器の受話器やカードラジオ，
薄型ポケットテレビなどのスピーカーとしての応用で
は、再生可能な周波数帯域が十分広くなければならない
だけでなく、音の歪み成分である高調波が小さくならな
ければ長時間の利用に耐えられなくなってしまう。

すなわち、単に支持板を薄くして周辺部を固定したも
のでは、音声帯域に基本波の２倍,3倍の周波数成分であ
る高調波が非常に多く、スピーカーとして長時間の使用
には耐えらえないものである。

第４図は従来の一例を説明するための圧電発音体の音
圧の周波数特性図である。

第４図に示すように、この周波数特性は厚さ50μm,直
径30mmの支持板に厚さ50μｍ直径18mmの圧電材を貼り付
け周辺部を固定し１V_rmsでドライブしたときの状態を表
わし、実線で示される特性が基本波（ドライブした周波
数の音）であり、破線で示される特性が二次から五次ま
での高調波成分である。この音圧の周波数特性によれ
ば、1kHzから3kHzの周波数帯域で高調波成分の音圧レベ
ルが基本波と同じレベルとなっていることが分かる。こ
の結果、聞える音は高調波の多く含まれた音であるた
め、聞くに耐えない音になっているという欠点がある。

第５図は従来の他の例を説明するための圧電発音体の
音圧の周波数特性図である。

第５図に示すように、かかる周波数特性は厚さ50μm,
直径30mmで周辺部の両面交互に位置をづらしたリング状
の溝を６本形成した支持板に厚さ50μm,直径18mmの圧電
材を貼り付けたものの周辺部を固定し、１V_rmsでドライ
ブしたときの音圧の周波数特性であり、実線で示される
特性が基本波、破線で示される特性が二次から五次まで
の高調波成分である。この図から見られるように、周辺
部の溝形成によって0.3kHzから1kHzの周波数帯域での音
圧レベルが向上しており、高調波成分もずっと少なくな
っていることがわかる。しかしながら、0.8kHzに基本波
と同じレベルとなる高調波があり、1.5kHz付近にも第二
次の高調波が基本波に接近している。このように、周辺
部に溝を形成しても高調波を完全に除去することはでき
ず、スピーカーとしての性能は満たされていない。

このようなことから、高調波の発生原因を調べた所、
支持板がたわみ変形するときに生じる支持板の応力が問
題であることが分った。

第６図（ａ），（ｂ）はそれぞれ従来の圧電振動板の
静止状態および最大変位状態の様子を示すモデル図であ
る。

第６図（ａ）に示すように、この状態は静止状態を示
し、P₁，P₂，P₃，P₄の各点は振動板を直径方向に見たと
きのポイントであり、P₁とP₄が周辺固定部、P₂とP₃が圧
電材の外周部に相当するポイントである。

また第６図（ｂ）に示すように、この状態はたわみ変
形の最大変位状態を示している。この（ｂ）図からわか
るように、振動板がたわみ変形するためには、直径方向
であるP₁からP₄の間では伸びなければならない。また、
たわみ変形は振動板の中間付近のP₂とP₃では円周方向に
縮まなければならない。ここで、前者の直径方向の伸び
に対しては、周辺部に形成した両面交互の溝で吸収でき
るが、後者の円周方向の縮みは吸収することができな
い。この結果、円周方向へ縮もうとする力が支持板の応
力となって生じ、これが高調波を発生させている要因で
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の圧電振動板は、両面に電極を形成した圧電材
を支持板に貼り付け、この支持板の周辺部の一部または
全部が固定されてなる圧電振動板において、前記支持板
の周辺固定部と前記圧電材を貼り付けた領域との間に周
辺固定部に沿った溝が両面に位置を変えてそれぞれ少な
くとも一つ設けられ、前記圧電材を貼り付けた領域から
前記周辺固定部に沿った溝との間に複数の放射状溝が両
面に位置を変えて均等に設けられることを特徴としてい
る。

〔作用〕

本発明では、支持板の周辺部に両面交互の溝を形成す
ると共に、圧電材を貼り付ける面に放射状に且つ円周方
向に位置をづらして両面交互の溝を形成するものであ
る。

これら２種類の溝により、直径方向への伸びと円周方
向への縮みが可能となるため、振動板がたわみ変形する
ときにも支持板の応力発生がなく、この結果として高調
波の発生を抑えることができ、圧電スピーカーとしても
最適なものが得られる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の第一の実施例を示す圧電振動板の圧
電材貼り付け面から見た一部切欠き図である。

第１図に示すように、本実施例は支持板11に３種類の
溝を形成しており、第１の溝は支持固定部となる最外周
部にリング状の溝12（表側の溝は12A,裏側の溝は12B）
が両面交互に位置をづらせて形成されており、第２の溝
は圧電材13を中心部（半径R_a）と外周部（半径R_b）の部
分接着とする溝14が形成されており、第３の溝は圧電材
外周部位置（半径R_c）と外周部のリング状の溝12の位置
（半径R_d）との間に放射状の溝15（表側の溝は15A,裏側
の溝15B）が円周方向に位置をづらして両面交互に形成
されている。これら３種類の溝は通常のエッチング技術
によって形成されるものであり、特に溝の深さはエッチ
ング時間をコントロールすることにより支持板の厚さの
3/5以上となる深さに形成される。このようにして得た
３種類の溝を有する支持板に、支持固定する最外周の溝
の直径に対して、0.5〜0.8倍となる直径の圧電材13がそ
の中心部と外周部とで接着される。このとき、接着され
る圧電材13に形成される電極は接着両側は全面ベタ電極
としているが、表側の面では裏面の電極をスルホールで
引き上げ、リード線を接続するための端子16と表側の電
極17の２つが形成されている。

このように構成して得た圧電振動板を圧電スピーカー
として利用するときには、周辺部のリング状の溝の外側
となる位置を固定体で固定し、前記２つの電極である裏
面接続の端子16と表側の電極17に細いリード線を半田づ
けし、固定体に設けた端子で中継し、通常の電磁型スピ
ーカーと同じようにドライブすれば良い。

このとき、ドライブする交番電圧によって、従来の圧
電型発音体と同様に圧電材13が面方向に伸縮し、支持板
11との関係からたわみ振動となるので、これが空気の疎
密波を作り出し、音となって生じるものであるが、従来
と大きく異なるのは、支持板11がたわみ変形するときに
周辺部のリング状の溝12が直径方向への伸縮を可能に
し、しかも放射状の溝15が円周方向への伸縮を可能にす
る点にある。この結果、たわみ変形するときに支持板11
に形成した溝が応力を発生させず、従来のこの応力によ
って生じていた高調波が除去できる。

第２図は第１図に示す圧電振動板の音圧の周波数特性
図である。

第２図に示すように、かかる周波数特性は支持板に厚
さが50μｍの黄銅を用い周辺リング状の溝を６本，部分
接着の溝１本とし、この間に角度ピッチが５°で溝幅の
角が２°となる放射溝を両面交互に形成し、固定体の直
径が29mm、圧電材の直径が18mmとして構成したときの音
圧特性である。この図からわかるように、二次から五次
までの高調波成分は発生しなくなる。また、このとき発
生する主モードの特性は、低周波側で音圧レベルが向上
しており、従来の周辺部にだけ溝を形成したものより広
帯域の高音圧レベルを実現できる。

これらの結果から、周辺部に形成したリング状の溝と
放射状の溝がたわみ変形を容易にするので、高調波の発
生を防止すると共に、低周波での音圧レベルを向上させ
ることができる。また、支持板直径を40mm,50mmと大き
くすれば、さらに低周波での音の再生が可能になり、音
質のすぐれた圧電スピーカーを形成することもできる。

ここで用いた溝形成を行った支持板に貼り付ける圧電
材は、マグネシウム・ニオブ酸鉛Pb（Mgl/3・Nb2/3）O₃
を主成分とする電歪材料の粉末を有機バインダーととも
に溶媒中に分散しスラリー状とする。これをドクターブ
レードを用いたスリップキャスティング法により厚さ40
〜100μｍ程度の均一な厚みの圧電材グリーンシートと
する。次に、この圧電材グリーンシートを規定の大きさ
に打ち抜き、接着面側の電極を表側に引き上げるための
スルホール接続用の穴をパンチ及びダイによって形成す
る。次に、この穴あけを行った圧電材グリーンシートの
両面にスクリーン印刷機を用いて電極ペーストを印刷す
るが、このとき接着面となる側は全面ベタ電極とし、こ
の反対面である表側では、スルホール部分と接続された
端子パターンを一部にもうけた電極パターンとする。さ
らに、この電極パターンが印刷された圧電材グリーンシ
ートをプレス金型にセットし、100℃前後の温度で加熱
した後250kg/cm²程度の圧力を加えて密度を高めた圧電
材グリーンシートを形成する。

次に、プレスした圧電材グリーンシートを所定の寸法
に切断した後、セラミックグリーンシート中に存在する
有機物を脱バインダー工程において酸化雰囲気中でゆっ
くりと加熱し、分解・消失させる。通常、これらの有機
物は500℃〜600℃までには完全に分解・酸化するが、急
激に温度を分解温度まで上げると圧電材が破損するので
25℃／時間あるいはこれよりもゆっくりとした昇温スピ
ードで温度を上げ、500℃〜600℃に充分長い時間保持す
ることにより有機物を完全に消失させる。この後、900
℃〜1200℃の温度で焼成すれば、前述した支持板に貼り
付ける圧電材平板が得られる。

第３図は本発明の第二の実施例を示す圧電振動板の圧
電材貼り付け両側から見た一部切欠き図である。

第３図に示すように、本実施例は支持板31に２種類の
長穴を持っており、第１の長穴は支持固定部となる位置
で円周方向の長穴32であり、円周方向に1/2ピッチづら
し半径方向に４周形成している。また、第２の長穴は支
持板31の中心部の近くから放射方向の長穴33であり、半
径方向に1/2ピッチづらし円周方向に均等分割で形成し
ている。本実施例では、円周方向の長穴32を10°のピッ
チ角できざみ、放射方向の長穴33を２°の角度の開きの
幅とし、５°のピッチ角で形成している。これら２種類
の長穴は、通常のエッチング技術によって得られるもの
である。このようにして得た２種類の溝と同様の穴32,3
3を持つ支持板31に、支持固定する最外周の長穴形成位
置の直径に対して、0.5〜0.8倍となる直径の圧電材34が
接着される。このとき接着される圧電材34に形成される
電極は接着面側は全面ベタ電極としているが、表側の面
では裏面の電極をスルホールで引き上げ、リード線を接
続するための端子35と表側の電極36の２つが形成されて
いる。

このように構成して得た圧電振動板を圧電スピーカー
などとして利用するときには、周辺部に形成した長穴と
放射状の長穴にフィルム又は、シート状材料を貼り付
け、前記２つの電極に細いリード線を半田づけし、固定
体に設けた端子で中継してドライブすれば良い。

本実施例の場合にも、ドライブする交番電圧により、
従来の圧電型発音体と同様に圧電材が面方向に伸縮し、
支持板との関係からたわみ振動となり、これが空気の疎
密波を作り出し、音なって生じるものであるが、前述し
た第一の実施例と同じように、支持板がたわみ変形する
ときに周辺部の長穴が1/2ピッチづらして形成されてい
るので、直径方向への伸縮を可能にし、且つ放射方向の
長穴が円周方向へ伸縮を可能にしている。この結果、た
わみ変形するときに支持板に形成した長穴が応力を発生
させず、この応力によって生じていた高調波を除去でき
る。このため、従来の圧電型発音体では不可能であった
音質の良い圧電スピーカーを実現できる。

以上第一および第二の実施例で説明したように、本発
明の圧電型振動板は圧電材が伸縮することによって生じ
るたわみ振動において、支持板に円周方向への伸縮を可
能にする溝及び長穴をもうけたため、支持板の応力発生
が除去され、これによって発音体としては高調波成分の
非常に少ないものが得られる。

また、これら実施例で示してきた溝を形成する支持板
としては、ステンレス板や黄銅あるいはその他金属板だ
けでなく、溝形成を行える材料ならどのようなものでも
可能であり、この溝の形成方法もエッチングに限定され
ることはない。例えば、このエッチングによる溝と同じ
形状となる金型をエッチング等で作成しておき、これを
用いて支持板をプレス成形しても良い。また、振動板の
形状としては二つの実施例とも円形状で示してきたが、
圧電材の伸縮によって生じる支持板のたわみ変形発生時
に支持板に応力が生じないように溝あるいは位置をづら
した長穴があれば良く、形状としては円形に限定される
ことはない。

さらに、圧電材を片面にだけ接着したものについて示
したが、圧電材を支持板の両面に形成しても良く、圧電
材も前記実施例で述べた材料に限定されることはない。

なお、第一の実施例では、接着面に溝を形成して部分
接着としたが、溝が無くても接着時の接着剤の形成を部
分接着のパターンとすることでも得られ、また第二の実
施例では接着面に溝を形成していないが放射状の長穴を
圧電材の外周部とし、接着剤を部分接着とすることも可
能である。

また、本発明の圧電振動板を圧電型発音体として示し
てきたが、圧電材に電界を加えるのではなく、外力によ
って生じる電荷を利用するセンサーとしての利用もで
き、圧力センサーやマイクロホンとして用いる場合に
は、外部入力に対する電荷の発生効率の高いものや周波
数特性の良いものが得られる。なお、周辺部に形成する
溝又は長穴に等価なものとして従来通り弾性接着剤を用
い、支持板には放射状の溝又は長穴のみがあっても効果
は同様である。

〔発明の効果〕

以上の説明したように、本発明の圧電振動板は、圧電
材を貼り付ける支持板に支持板の外周部では、直径方向
に伸縮を可能にした両面交互の溝あるいは位置をづらし
た長穴を形成し、さらに外周部の溝及び長穴の内側で
は、円周方向に伸縮を可能にした放射状の両面交互の溝
あるいは位置をづらした長穴を形成することにより、圧
電材の伸縮で生じるたわみ振動の発生時に支持板での応
力発生を防止し、発音体としては高調波成分の非常に少
ないものが得られるという効果がある。また、かかるた
わみ振動が押えられる要因が除去されることにより、低
周波側への帯域が広くなり、同時に音圧レベルの高い発
音体を実現するとともに、センサーとして用いたとき、
外部入力に対して発生する電荷が大きくなるので、検出
感度が向上し且つ周波数特性も良好なものが得られると
いう効果がある。

更に、スピーカーとして用いたとき、カードラジオや
薄型ポケットテレビに利用した場合にも、音質的にすぐ
れたスピーカーとなり、長時間の使用には十分耐えられ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す圧電振動板の圧電
材貼り付け面側から見た一部切欠き図、第２図は第１図
に示す圧電振動板の音圧の周波数特性図、第３図は本発
明の第二の実施例を示す圧電振動板の圧電材貼り付け面
側から見た一部切欠き図、第４図は従来の一例を説明す
るための圧電発音体の音圧の周波数特性図、第５図は従
来の他の例を説明するための圧電発音体の音圧の周波数
特性図、第６図（ａ），（ｂ）はそれぞれ従来の圧電振
動板の静止状態および最大変位状態の様子を示すモデル
図である。 11……支持板、12……周辺部溝、13……圧電材、14……
部分接着溝、15……放射状溝、16……裏面電極端子、17
……表面電極、R_a……接着部の溝内側半径、R_b……接着
部の溝外側半径、R_c……放射状溝形成の内側の位置、R_d
……放射状溝形成の外側の位置、31……支持板、32……
周辺部の円周方向長穴、33……放射方向長穴、34……圧
電材、35……裏面の電極端子、36……表面電極。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両面に電極を形成した圧電材を支持板に貼
   り付け、この支持板の周辺部の一部または全部が固定さ
   れてなる圧電振動板において、前記支持板の周辺固定部
   と前記圧電材を貼り付けた領域との間に周辺固定部に沿
   った溝が両面に位置を変えてそれぞれ少なくとも一つ設
   けられ、前記圧電材を貼り付けた領域から前記周辺固定
   部に沿った溝との間に複数の放射状溝が両面に位置を変
   えて均等に設けられることを特徴とする圧電振動板。
2. 【請求項２】周辺固定部に沿った溝として円周方向に分
   割された複数の長穴が位置をづらして少なくとも２列形
   成され、且つ放射状の溝として支持板の中心から放射方
   向に分割された複数の長穴が位置をづらして形成される
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電振動板。
3. 【請求項３】圧電材が接着された支持板の周辺部が弾性
   接着材で固定される圧電振動板において、前記圧電材の
   接着部から放射状に両面交互の溝もしくは位置を1/2ピ
   ッチづらした長穴が形成されていることを特徴とする圧
   電振動板。