JP3635992B2

JP3635992B2 - 圧電型電気音響変換器

Info

Publication number: JP3635992B2
Application number: JP20719999A
Authority: JP
Inventors: 哲夫竹島
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: JP2001036990A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電受話器，圧電サウンダ，圧電スピーカ，圧電ブザーなどの圧電型電気音響変換器、特にユニモルフ型振動板の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電受話器や圧電ブザーなどに圧電型電気音響変換器が広く用いられている。この種の圧電型電気音響変換器は、円形の圧電セラミック板の片面に円形の金属板を貼り付けてユニモルフ型振動板を構成し、この振動板の周縁部を円形のケースの中に支持し、ケースの開口部をカバーで閉鎖した構造のものが一般的である。ユニモルフ型振動板の場合、電圧印加によって外径が伸縮するセラミック板を、寸法変化しない金属板に接着して屈曲振動を得るものであるが、圧電セラミック板が単層構造であるため、その変位量つまり音圧が小さいという欠点がある。
【０００３】
そこで、複数の圧電セラミックス層からなる積層体を金属板に貼り付けたユニモルフ型振動板が提案されている（特開昭６１−２０５１００号公報）。この振動板は、複数のセラミックグリーンシートおよび複数の電極を積層し、同時に焼成して得られた焼結体を金属板に貼り付けたものであり、振動板の振動を拘束しない位置に形成されたスルーホールにより、電極間を電気的に接続している。この場合には、単層のセラミックス層を金属板に貼り付けた振動板に比べて大きな変位量つまり大きな音圧を得ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、単層構造のユニモルフ型振動板を屈曲振動させるには、その表面の主面電極と裏面側の金属板との間に交番電圧を印加すればよく、外部リード線の接続は容易である。しかし、積層構造のユニモルフ型振動板の場合には、薄肉なセラミックス層の間に形成された内部電極を外部へ引き出す必要があり、引出構造が複雑になる。例えば、積層体の端面に内部電極と導通する端面電極を形成し、この端面電極を介して外部へ引き出す方法があるが、この方法の場合には、振動板１枚毎に端面電極を加工する必要があるため、工数がかかり、コスト高になるという欠点がある。
【０００５】
そこで、上記公報の場合には、各セラミックス層の間に設けられた電極を、振動のノード部近傍に形成したスルーホールを介して１層おきに相互に接続してある。しかし、スルーホールを介して電極間の相互の接続を行なうには、各セラミックス層を積層する時にスルーホール同士が正確に一致するように位置合わせを行なわなければならず、電極パターンの位置合わせも精度よく行なわなければならない。そのため、製造コストが高くつくという欠点がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、セラミックス層間に設けられる電極同士を簡単に接続することができ、製造コストを低減できるユニモルフ型の圧電型電気音響変換器を得ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数の圧電セラミックス層を積層して積層体が形成され、この積層体の表裏主面には主面電極が形成され、各セラミックス層の間には内部電極が形成され、すべてのセラミックス層の隣合う層が厚み方向において逆方向に分極されており、上記積層体の裏面に金属板が貼り付けられた圧電型電気音響変換器において、上記積層体および金属板は矩形形状に形成され、上記積層体の対向する２辺の近傍の表面に、上記辺と平行で、その底部が内部電極および金属板まで至る深さの導通溝がそれぞれ形成され、上記導通溝に導電性材料を埋設することで、各層の電極が一層ごとに導通し、かつ内部電極が積層体の表面に引き出されていることを特徴とする圧電型電気音響変換器を提供する。
【０００８】
例えば、２層のセラミックス層からなる矩形状積層体を矩形状金属板に貼り付けた構造の振動板の場合、表裏の主面電極と内部電極との間に交番電圧を印加する必要がある。そこで、一方の辺の近傍に設けた導通溝を内部電極に至る深さとし、他方の辺の近傍に設けた導通溝を金属板に至る深さとする。そして、これら導通溝に導電性接着剤や半田などの導電性材料を埋設すれば、表面の主面電極と金属板（裏面の主面電極）とを相互に接続することができるとともに、内部電極を積層体の表面へ引き出すことができる。したがって、端面電極を設けずに表面側から電極を外部に引き出すことができる。
導通溝はダイサーなどを用いてハーフカットすれば簡単に加工できるので、従来のようなスルーホールの位置合わせや、電極パターンの正確な位置合わせ作業が不要となり、製造コストを低減できる。
【０００９】
表面の主面電極が全面電極である場合には、内部電極に至る深さの導通溝を介して表面の主面電極と内部電極とが導通してしまう。そこで、請求項２のように、内部電極まで至る深さの導通溝の内側に、この導通溝と平行でかつ内部電極まで到達しない深さの分離溝を形成し、この分離溝により表面の主面電極を分断するのが望ましい。この場合には、分離溝を追加加工することによって、表面の主面電極と内部電極とを簡単に分断できる。
【００１０】
また、内部電極が全面電極である場合には、金属板に至る深さの導通溝を介して表裏の主面電極と内部電極とが導通してしまう。その場合には、請求項３のように、金属板まで至る深さの導通溝の内側に、この導通溝と平行でかつ内部電極に至る深さの分離溝を形成し、この分離溝により内部電極を分断するのが望ましい。この場合も、請求項２と同様に、溝加工によって表裏の主面電極と内部電極とを簡単に分断できる。
【００１１】
請求項４のように、積層体を電極膜を介して複数のセラミックグリーンシートを積層し、同時に焼成して得られる焼結体とするのが望ましい。すなわち、予め焼成し分極処理したセラミック板を複数枚積層接着して積層体を得ることも可能であるが、これでは積層体の厚みを薄くできず、音圧が小さい。これに対し、セラミックグリーンシートを電極膜を間にして積層し、同時焼成すれば、非常に薄い積層体を得ることができ、高い音圧を得ることができる。
【００１２】
従来のような円形振動板の場合には、中心部のみが最大振幅点となるため、変位体積が小さく、音響変換効率が比較的低い。また、振動板の周囲が拘束されるので、周波数が高くなり、低い周波数の圧電振動板を得ようとすれば、半径寸法が大きくなる。これに対し、本発明のような矩形振動板の場合には、最大振幅点が長さ方向の中心線にそって存在するので、変位体積が大きく、高い音響変換効率を得ることができる。そこで、請求項５では、振動板をハウジング内に収容するとともに、振動板の導通溝を設けた２辺をハウジングに支持剤によって支持し、他の２辺とハウジングとの間を弾性封止剤によって封止し、振動板の表裏に音響空間を形成している。すなわち、矩形振動板の対向する２辺が拘束されるが、その間の部分は弾性封止剤によって自由に変位できるので、円形の振動板に比べて低い周波数を得ることができる。逆に、同じ周波数を得るのであれば、寸法を小型化できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第１実施例を示す。
この圧電型電気音響変換器は、長方形の振動板１と、この振動板１を収容した角形のケース１０および裏蓋１１（ハウジング）とで構成されている。ケース１０の上面には放音穴１０ａが形成され、下面開口部に裏蓋１１が接着されている。ケース１０の対向する２辺の内側面には段差状の支持部１２ａ，１２ｂが形成され、これら支持部１２ａ，１２ｂ上に振動板１の短辺側の２辺が絶縁性接着剤などの支持剤１３ａ，１３ｂによって支持されている。また、振動板１の長辺側の２辺とケース１０との隙間はシリコーンゴムなどの弾性封止剤１４ａ，１４ｂによって封止されている。これにより、振動板１の表裏には、音響空間１５，１６が形成される。裏蓋１１の両端部表裏面には外部接続用電極１７ａ，１７ｂが形成されており、表裏の電極１７ａ，１７ｂは裏蓋１１の両端部側縁に形成されたスルーホール溝１８ａ，１８ｂの内面を介して相互に導通している。
【００１４】
裏蓋１１をケース１０の下面開口部に接着した後、図２に示すようにスルーホール溝１８ａ，１８ｂから導電性接着剤１９ａ，１９ｂを流し込むことで、外部接続用電極１７ａ，１７ｂと振動板１の電極とが相互に接続されるとともに、スルーホール溝１８ａ，１８ｂが閉じられる。これにより、圧電型電気音響変換器が完成する。
【００１５】
この実施例の振動板１は、図３，図４に示すように、ＰＺＴなどの２層の圧電セラミックス層２ａ，２ｂからなる積層体に金属板３を貼り付けたものであり、２つのセラミックス層２ａ，２ｂは、図４に矢印で示すように厚み方向において逆方向に分極されている。振動板１の表裏主面には主面電極４，５が全面に形成され、裏側の主面電極５は金属板３と導通している。セラミックス層２ａ，２ｂの間には内部電極６が部分的に形成され、この内部電極６はセラミックス層２ａ，２ｂの一側縁から他側縁の手前まで延びている。なお、図３，図４は振動板１の構造の理解を容易にするため、厚みを誇張して記載してある。
【００１６】
振動板１の長さ方向両端部には、底部が内部電極６および金属板３まで至る深さの導通溝７ａ，７ｂがそれぞれ短辺と平行に形成されている。そして、導通溝７ａの内側近傍部には、この導通溝７ａと平行に内部電極６に至らない程度の深さの分離溝７ｃが形成され、この分離溝７ｃによって端子電極４ａが主面電極４に対して分離される。上記導通溝７ａ，７ｂに導電性接着剤などの導電性材料８ａ，８ｂを埋設することで、内部電極６と端子電極４ａとが導電性材料８ａを介して接続され、表側の主面電極４と金属板３（裏側の主面電極５）とが導電性材料８ｂを介して相互に接続される。
【００１７】
上記振動板１は、その金属板３側をケース１０の支持部１２ａ，１２ｂに向けてケース１０に取り付けられている。特に、支持剤１３ａ，１３ｂは、少なくともスルーホール溝１８ａ，１８ｂと対応する金属板３の部分が露出しないように絶縁被覆する役割を有する。振動板１をケース１０に固定した後、振動板１の端子電極４ａは、図２のように導電性接着剤１９ａによって外部接続用電極１７ａと接続され、主面電極４は導電性接着剤１９ｂによって外部接続用電極１７ｂと接続される。そして、外部接続用電極１７ａ，１７ｂの間に所定の交番電圧を印加することで、振動板１を長さベンディングモードで屈曲振動させることができる。すなわち、振動板１の長さ方向両端部を支点とし、長さ方向の中央部を最大振幅点として屈曲振動させることができる。
【００１８】
例えば一方の外部接続用電極１７ａにマイナスの電圧、他方の外部接続用電極１７ｂにプラスの電圧を印加すると、図４の矢印で示す方向の電界が生じる。セラミックス層２ａ，２ｂは、分極方向と電界方向とが同一方向であれば平面方向に縮む性質を有し、分極方向と電界方向とが逆方向であれば平面方向に伸びる性質を有するので、表裏のセラミックス層２ａ，２ｂは同時に伸びることになる。そのため、振動板１は中心部が上方へ凸となるように屈曲する。外部接続用電極１７ａ，１７ｂに印加する電圧を交番電圧とすれば、振動板１は周期的に屈曲振動を生じ、これによって大きな音圧の音を発生することができる。
【００１９】
上記構成よりなる振動板１は、例えば図５に示されるような方法で製造される。まず、図５の（Ａ）のようにマザー基板状態のセラミックグリーンシート２Ａを準備し、別のセラミックグリーンシート２Ｂの表面に内部電極となる電極膜６Ａを印刷などの手法で所定のパターンに形成しておき、このセラミックグリーンシート２Ａ，２Ｂを積層して圧着する。
積層圧着後、焼成して焼結体２を得る（図５の（Ｂ）参照）。
次に、この焼結体２の表裏全面に主面電極４Ａ，５Ａを形成した後、主面電極４，５と内部電極６との間に直流電圧を印加し、分極を行なう。つまり、２層のセラミックス層２Ａ，２Ｂに逆方向の分極を行なう（図５の（Ｃ）参照）。
次に、分極済みの焼結体２を金属板３Ａに導電性接着剤などを用いて接着する（図５の（Ｄ）参照）。
次に、金属板３Ａを貼り付けた焼結体２の表面に、導通溝７ａ，７ｂおよび分離溝７ｃをダイサーなどを用いて連続的に形成する（図５の（Ｅ）参照）。
次に、導通溝７ａの複数箇所に導電性材料８ａを埋設することで、内部電極６Ａと端子電極４ａとを導通させるとともに、導通溝７ｂの複数箇所に導電性材料８ｂを埋設し、表裏の主面電極４，５を相互に接続する（図５の（Ｆ）参照）。
次に、カットラインＣＬで焼結体２と金属板３Ａとを同時にダイサーなどを用いて個々の素子にカットする（図５の（Ｇ）参照）。
このようにして、振動板１を得る（図５の（Ｈ）参照）。
上記のようにマザー基板の段階で溝７ａ〜７ｃの加工および導電性材料８ａ，８ｂの塗布を行うことができるので、生産性が良好であり、品質の安定した振動板１を製造できる。また、溝７ａ〜７ｃの加工を焼結体２を金属板３Ａに貼り付けた後で行うので、焼結体２の割れを防止できる利点がある。
【００２０】
図６は本発明にかかる振動板の第２実施例を示す。
この実施例の振動板２０は、内部電極６として全面電極を用いたものである。この場合には、導通溝７ｂに埋設された導電性材料８ｂによって内部電極６と主面電極４，５とが導通してしまうので、導通溝７ｂの内側に内部電極６を分断する分離溝７ｄを追加してある。
この場合には、図５と同様に製造を行なう際、内部電極６を全面電極とすることができるので、電極形成が容易になるとともに、溝加工時やカット時に内部電極との位置合わせを行なう必要がなく、製造が容易となる。
【００２１】
図７は本発明にかかる振動板の第３実施例を示す。
この実施例の振動板３０は、内部電極６を部分電極とするとともに、表側の主面電極４も部分電極としたものである。そのため、表側の主面電極４と端子電極４ａとが予め分離されており、図４における分断用の溝７ｃを省略できる。
【００２２】
図８は本発明にかかる振動板の第４実施例を示す。
この実施例の振動板４０は、３層のセラミックス層２ａ，２ｂ，２ｃを積層したものであり、これらセラミックス層の間に２層の内部電極６ａ，６ｂが設けられている。これら内部電極６ａ，６ｂは部分電極であり、一方の内部電極６ａはセラミックス層２ａ，２ｂ，２ｃの一側縁から他側縁の近傍まで延びており、他方の内部電極６ｂはセラミックス層２ａ，２ｂ，２ｃの他側縁から一側縁の近傍まで延びている。振動板４０の長さ方向一端部には、底部が内部電極６ａを貫いて金属板３まで至る深さの導通溝７ｅが短辺と平行に形成され、長さ方向他端部には、底部が内部電極６ｂまで至る深さの導通溝７ｆが短辺と平行に形成されている。そして、導通溝７ｅの内側近傍部には、この導通溝７ｅと平行に内部電極６ａに至らない程度の深さの分離溝７ｇが形成され、この溝７ｇによって、主面電極４に対して端子電極４ａが分離される。上記導通溝７ｅ，７ｆに導電性接着剤などの導電性材料８ａ，８ｂを埋設することで、端子電極４ａと内部電極６ａと金属板３（裏側の主面電極５）とが導電性材料８ａを介して接続され、表側の主面電極４と内部電極６ｂとが導電性材料８ｂを介して相互に接続される。
【００２３】
この振動板４０の場合も、図８に矢印で示すようにセラミックス層２ａ，２ｂ，２ｃは互いに逆方向に分極されており、主面電極４と端子電極４ａとの間に交番電圧を印加することにより、主面電極４と内部電極６ｂとが同一電位で、内部電極６ａと主面電極５とが同一電位となり、振動板４０を屈曲振動させることができる。これにより、単層構造のユニモルフ型振動板に比べて大きな音圧の音を発生することができる。
【００２４】
図９は本発明にかかる振動板の第４実施例を示す。
この実施例の振動板５０は、４層のセラミックス層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを積層したものであり、これらセラミックス層の間に３層の内部電極６ａ，６ｂ，６ｃが設けらている。内部電極６ａ，６ｂ，６ｃはそれぞれ部分電極であり、中間の内部電極６ｂはセラミックス層２ａ，２ｂ，２ｃの一側縁から他側縁の近傍まで延びており、他の内部電極６ａ，６ｃはセラミックス層２ａ，２ｂ，２ｃの他側縁から一側縁の近傍まで延びている。振動板５０の長さ方向一端部には、底部が内部電極６ｂを貫いて金属板３まで至る深さの導通溝７ｈが短辺と平行に形成され、長さ方向他端部には、底部が内部電極６ａを貫いて内部電極６ｃまで至る深さの導通溝７ｉが短辺と平行に形成されている。そして、導通溝７ｉの内側近傍部には、この導通溝７ｉと平行に内部電極６ａに至らない程度の深さの分離溝７ｊが形成され、この溝７ｊによって、主面電極４に対して端子電極４ｂが分離される。上記導通溝７ｈ，７ｉに導電性接着剤などの導電性材料８ａ，８ｂを埋設することで、主面電極４，５と内部電極６ｂとが導電性材料８ａを介して接続され、端子電極４ｂと内部電極６ａ，６ｃとが導電性材料８ｂを介して接続され相互に接続される。
【００２５】
この振動板５０の場合、図９に矢印で示すようにセラミックス層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは互いに逆方向に分極されており、主面電極４と端子電極４ｂとの間に交番電圧を印加することにより、主面電極４，５と内部電極６ｂとが同一電位で、内部電極６ａと６ｂとが同一電位となり、振動板４０を屈曲振動させることができる。これにより、大きな音圧の音を発生することができる。
【００２６】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。
本発明にかかる振動板を収容するハウジング構造としては、図１，図２に限るものではない。例えば、図１では裏蓋１１に外部接続用の電極１７ａ，１７ｂを形成したが、ケース１０側に外部接続用の電極または端子を固定してもよい。さらに、振動子１の電極を外部へ引き出すために、導電性接着剤に代えて、リード線を用いてもよい。この場合、導通溝７ａ，７ｂに埋設される導電性材料として半田を用い、この半田を利用してリード線を接続してもよい。
上記実施例の振動板１，２０，３０，４０，５０はいずれも、セラミック積層体と金属板３とが同一形状の場合を示したが、金属板３が積層体より大形であってもよい。
【００２７】
上記実施例の振動板１，２０，３０，４０，５０の製造方法は、セラミックグリーンシートを電極膜を介して複数枚積層し、この積層体を同時焼成して焼結体を得た後、この焼結体を分極処理した後、金属板に貼り付けるものであるが、金属板に貼り付けた後で分極処理してもよい。さらに、予め焼成し分極処理した複数の圧電セラミックス板と金属板とを積層接着してもよい。ただし、積層後に焼成する前者の製造方法は、予め焼成したものを積層する後者の方法に比べて、振動板の厚みを格段に薄くでき、音圧を大きくできるので、前者の製造方法の方が音響変換効率に優れた振動板を得ることが可能である。
積層体の分極方向は、セラミックス層の隣合う層が厚み方向において逆方向であればよく、図３のように対向方向に限らず、相反方向でもよい。
なお、本発明の圧電型電気音響変換器は、圧電ブザー，圧電サウンダ，圧電スピーカなどの発音体としての用途の他、圧電受話器などの受音体としても使用できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、複数のセラミックス層からなる積層体の対向する２辺の近傍の表面に、上記辺と平行で、その底部が内部電極および金属板まで至る深さの導通溝をそれぞれ形成し、これら導通溝に導電性材料を埋設することで、各層の電極を一層ごとに導通させたので、セラミックス層間に設けられる電極同士を簡単に接続することができる。
また、内部電極を外部へ引き出すために、導通溝を介して積層体の表面側へ引き出すので、マザー基板段階で溝加工および導電性材料の埋設処理を行なうことができ、工数を削減できるとともに、コストを低減できる。しかも、スルーホールを介して導通させる方法のように、厳密な位置合わせ作業を必要としないので、生産性が向上するとともに、品質の安定した振動体を製造できる。
さらに、積層体および金属板が矩形形状であるから、溝加工を含めてマルチ処理を行なうことができるとともに、材料の無駄が少なく、安価に製造できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第１実施例を裏側から見た分解斜視図である。
【図２】図１の圧電型電気音響変換器の組立状態の縦断面図である。
【図３】図１の圧電型電気音響変換器に用いられる振動板の斜視図である。
【図４】図３の振動板の縦断面図である。
【図５】図３の振動板の製造方法を示す工程図である。
【図６】振動板の第２実施例の縦断面図である。
【図７】振動板の第３実施例の縦断面図である。
【図８】振動板の第４実施例の縦断面図である。
【図９】振動板の第５実施例の縦断面図である。
【符号の説明】
１，２０，３０，４０，５０振動板
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄセラミックス層
３金属板
４，５主面電極
６内部電極
１０ケース
１１裏蓋

Claims

複数の圧電セラミックス層を積層して積層体が形成され、
この積層体の表裏主面には主面電極が形成され、
各セラミックス層の間には内部電極が形成され、
すべてのセラミックス層の隣合う層が厚み方向において逆方向に分極されており、
上記積層体の裏面に金属板が貼り付けられた圧電型電気音響変換器において、
上記積層体および金属板は矩形形状に形成され、
上記積層体の対向する２辺の近傍の表面に、上記辺と平行で、その底部が内部電極および金属板まで至る深さの導通溝がそれぞれ形成され、
上記導通溝に導電性材料を埋設することで、各層の電極が一層ごとに導通し、かつ内部電極が積層体の表面に引き出されていることを特徴とする圧電型電気音響変換器。
上記積層体表面の主面電極は全面電極であり、
上記内部電極まで至る深さの導通溝の内側に、この導通溝と平行でかつ内部電極まで到達しない深さの分離溝が形成され、この分離溝により表面の主面電極が分断されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電型電気音響変換器。
上記積層体の内部電極は全面電極であり、
上記金属板まで至る深さの導通溝の内側に、この導通溝と平行でかつ内部電極に至る深さの分離溝が形成され、この分離溝により内部電極が分断されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電型電気音響変換器。
上記積層体は電極膜を介して複数のセラミックグリーンシートを積層し、同時に焼成して得られる焼結体よりなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電型電気音響変換器。
上記振動板はハウジング内に収容され、
上記振動板の導通溝を設けた２辺がハウジングに支持剤によって支持され、
他の２辺とハウジングとの間が弾性封止剤によって封止され、
振動板の表裏に音響空間が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電型電気音響変換器。