JP3714128B2 - 圧電型電気音響変換器 - Google Patents
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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、特にその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。しかしながら、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から、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構造のバイ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利用したものであり、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。そして、厚み方向に順に配置された第１および第２の振動領域が相互に逆方向に振動するように構成することで、ユニモルフ型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】
ところが、上記バイモルフ型振動板の場合、例えば３層のセラミックス層からなる振動板を屈曲振動させようとすると、上記公報の第１７図に示すように、一方の主面の電極と一方の内部電極とをスルーホールを介して相互に接続し、他方の主面電極と他方の内部電極とをスルーホールを介して相互に接続した上、両者の間に交番電圧を印加する必要がある。そのため、主面電極と内部電極との間の複雑な相互接続が必要となり、コスト高になる可能性があった。
【０００５】
また、上記積層体に対して分極処理を行なう場合も、内部電極と表裏の主面電極との間に電圧を印加して分極しなければならない。例えば３層構造の振動板の場合、上記公報の第１４図に示すように、内部電極と導通する２個のスルーホールを接続用の電極でつなぎ、この接続用電極と表裏の主面電極との間に高電圧を印加して分極している。このように、従来のバイモルフ型振動板の場合、分極処理のために内部電極をスルーホールを介して外部に引き出す必要があり、接続用の電極を形成するなど、煩雑な処理を必要とするという欠点があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、主面電極と内部電極との相互接続をなくし、簡単な接続構造でバイモルフ型振動板を構成できる圧電型電気音響変換器を得ることにある。
また、他の目的は、分極処理を簡単に行なうことができる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、２層または３層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は厚み方向において同一方向に分極されており、上記主面電極と内部電極との間に交番信号を印加することで、上記積層体を全体として屈曲振動させる圧電型電気音響変換器であって、上記積層体は矩形板状に形成され、上記表裏主面の主面電極は上記積層体の第１の端面に形成された第１の端面電極を介して相互に接続されており、上記内部電極は、上記第１の端面と対向する第２の端面に形成された第２の端面電極に接続されており、上記表裏主面の主面電極は、第１の端面およびこの第１の端面に直交する２つの端面で囲まれる矩形領域に形成され、かつ第２の端面の手前で終端となっており、上記内部電極は、第２の端面およびこの第２の端面に直交する２つの端面で囲まれる矩形領域に形成され、かつ第１の端面の手前で終端となっており、上記積層体の表裏主面であって、第２の端面に沿った領域には、上記第２の端面電極と接続され、かつ上記主面電極と離間した補助電極が形成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】
本発明の積層体の場合、主面電極と内部電極との間に交番電圧を印加すれば、表側および裏側のセラミックス層に働く電界方向が厚み方向において逆方向になる。一方、分極方向は全てのセラミックス層が厚み方向において同一方向に向いている。圧電セラミックスは、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している。したがって、上記のように交番電圧を印加すれば、表側のセラミックス層が延びた時、裏側のセラミックス層が縮み、全体として積層体は屈曲振動を生じることになる。この変位量はユニモルフ型振動板に比べて大きくなるので、音圧も増大する。
【０００９】
本発明では、表裏の主面電極を相互に接続し、これと内部電極との間に交番電圧を印加すれば、屈曲振動を発生させることができるので、従来のように主面電極と内部電極との間の複雑な相互接続が不要となり、構造が簡単になり、加工コストを低減できる。
また、本発明では、積層体は矩形板状に形成され、表裏主面の主面電極は積層体の第１の端面に形成された第１の端面電極を介して相互に接続されており、内部電極は、第１の端面と対向する第２の端面に形成された第２の端面電極に接続されており、表裏主面の主面電極は、第１の端面およびこの第１の端面に直交する２つの端面で囲まれる矩形領域に形成され、かつ第２の端面の手前で終端となっており、内部電極は、第２の端面およびこの第２の端面に直交する２つの端面で囲まれる矩形領域に形成され、かつ第１の端面の手前で終端となっており積層体の表裏主面であって、第２の端面に沿った領域には、第２の端面電極と接続され、かつ上記主面電極と離間した補助電極が形成されている。
矩形状の積層体を用いた矩形振動板の場合、円形の振動板を用いる場合に比べて変位体積が大きく、音響変換効率がよく、しかも円形の振動板に比べて低い周波数を得ることができる。
【００１０】
請求項２のように、積層体が３層のセラミックス層で構成されている場合、中間のセラミックス層の厚みを積層体の全体の厚みの５０％〜８０％とするのが望ましい。音圧を高めるには、積層体の積層数を増やせばよいが、共振周波数により厚みが固定されている場合には、積層数も自由に増やすことができない。
３層構造の積層体の場合、２つの内部電極の間には電位差がないので、中間層は屈曲振動には寄与せず、表側および裏側のセラミックス層のみが屈曲振動することになる。セラミックス層はその厚みが薄い程、変位量が大きい。そこで、積層体の全体の厚みを一定とし、中間層の厚みを表裏層の厚みに対して相対的に厚くすると、屈曲振動に寄与する表側および裏側のセラミックス層の厚みが相対的に薄くなり、大きな変位量が得られる。なお、中間層の厚みを大きくし過ぎると、表裏層の厚みが薄くなり過ぎ、強度が低下して大きな変位が得られない。そこで、中間層の厚みを全体の５０％〜８０％の範囲とすることで、大きな音圧を得ることができる。
【００１１】
請求項３のように、積層体は電極膜を介して２層または３層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り、積層体の表裏主面に形成された主面電極間に電圧を印加することで、すべてのセラミックス層を厚み方向において同一方向に分極するのが望ましい。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。しかも、積層体の各セラミックス層の分極方向が同一方向を向いているので、その分極処理は、従来のように内部電極と主面電極との間に電圧を印加する必要がなく、表裏の主面電極の間に電圧を印加するだけでよく、分極処理が非常に簡単になる。
【００１２】
上記積層体をハウジング内に収容し、圧電受話器や圧電サウンダのような発音体として用いる場合、次のような構造とすることができる。
すなわち、受話器としての用途に適した例では、広いレンジの周波数に対応するため、共振領域以外の領域も使用される。そのため、積層体の振動エネルギーが比較的小さくても変位できるように、積層体の対向する２辺だけをケースに支持し、他の２辺は弾性封止体で変位自在に封止した構造となっている。
一方、圧電サウンダなどの用途に適した例では、単一周波数での大音量に対応するため、共振領域で使用される。この場合には、積層体の振動エネルギーを大きくするため、積層体の４辺すべてをケースに支持した構造となっている。
いずれの構造も、積層体の主面電極と内部電極とをリード線を使用せずにハウジングの外部に引き出すことができるので、表面実装部品として構成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明の前提となる圧電型電気音響変換器の第１参考例を示す。
この圧電型電気音響変換器は、円板状の振動板（積層体）１と、この振動板１を収容した円形のケース１０および裏蓋１１とで構成されている。ケース１０の上面には放音穴１２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の外周部の対称位置には、外部接続用端子１３，１４がインサート成形などにて固定され、端子１３，１４の一部はケース１０の内側に露出している。端子１３，１４の内側露出部に、振動板１の電極が導電性接着剤１５，１６によって電気的に接続されている。なお、導電性接着剤１５，１６を塗布した箇所以外の振動板１の外周部とケース１０との隙間は、シリコーンゴムなどの弾性封止剤（図示せず）で封止されている。
【００１４】
振動板１は、図３，図４に示すようにＰＺＴなどからなる２層の圧電セラミックス層２，３を積層したものであり、振動板１の表裏主面には主面電極４，５が形成され、セラミックス層２，３の間には内部電極６が形成されている。２つのセラミックス層２，３は、図４に太線矢印で示すように厚み方向において同一方向に分極されている。
【００１５】
この参考例では、表側の主面電極４と裏側の主面電極５は、振動板１の直径よりやや小さい円形に形成され、その引出電極４ａ，５ａが振動板１の外周縁まで引き出されている。内部電極６は主面電極４，５とほぼ対称形状に形成され、内部電極６の引出電極６ａは上記引出電極４ａ，５ａとほぼ対称位置へ引き出され、端面に設けられた端面電極７に接続されている。なお、端面電極７の一部は振動板１の表裏面まで引き出されている。上記引出電極４ａ，５ａは導電性接着剤１５によって端子１３と接続され、端面電極７は導電性接着剤１６によって端子１４と接続されている。そして、端子１３，１４の間に所定の交番電圧を印加することで、振動板１を屈曲振動させることができる。
【００１６】
例えば一方の端子１３にマイナスの電圧、他方の端子１４にプラスの電圧を印加すると、図４の細線矢印で示す方向の電界が生じる。セラミックス層２，３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、表側のセラミックス層２は縮み、裏側のセラミックス層３は伸びることになる。そのため、振動板１は中心部が下方へ凸となるように屈曲する。端子１３，１４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。
【００１７】
上記構成よりなる振動板１は次のような方法で製造される。
すなわち、マザー基板状態のセラミックグリーンシートの表面に電極膜を印刷などの手法で所定のパターンに形成し、このセラミックグリーンシート１枚と、電極膜を形成していないセラミックグリーンシート１枚とを積層して圧着する。
次に、この積層体から振動板１に対応する形状に打ち抜き、あるいはカットする。
次に、打ち抜きまたはカットされた積層体を同時焼成して焼結積層体を得る。
次に、焼結積層体の表裏主面に主面電極を形成し、これら主面電極間に分極電圧を印加することで、積層体を構成する全てのセラミックス層を厚み方向において同一方向に分極する。
その後、端面電極７などを形成し、振動板１を得る。
【００１８】
上記製造方法では、積層されたマザー基板状態のセラミックグリーンシートを個別形状に打ち抜いた後、焼成し、その後で分極処理したが、積層されたセラミックグリーンシートを焼成した後、マザー基板状態で分極処理し、その後で個別形状にカットしてもよい。この場合には、焼結体をカットするために、レーザー加工などの公知の方法を用いればよい。
【００１９】
図５，図６は圧電型電気音響変換器の第２参考例を示す。
図１，図２では、ケース１０に固定された端子１３，１４を用いて振動板１の電極を外部へ引き出したが、図５，図６ではリード線２０，２１を用いたものである。この場合には、リード線２０，２１が振動板１の裏面側の主面電極５と端面電極７とにそれぞれ半田や導電性接着剤などの接合剤２２，２３によって接続される。そのため、表裏の主面電極４，５を導電性接着剤を用いて相互に接続してもよいし、予め端面電極によって主面電極４，５を接続しておいてもよい。
【００２０】
図７，図８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（積層体）３０と、この振動板３０を収容した角形のケース４０および裏蓋４１とで構成されている。ケース４０の上面には放音穴４２が形成され、下面開口部に裏蓋４１が接着されている。ケース４０の対向する２辺の内側面には段差状の支持部４２ａ，４２ｂが形成され、これら支持部４２ａ，４２ｂ上に振動板３０の短辺側の２辺が接着剤などの支持剤４３ａ，４３ｂによって支持されている。ケース４０の支持部４２ａ，４２ｂを設けた側面とは異なる側面には、制動孔４８が形成されている。また、振動板３０の長辺側の２辺とケース４０との隙間はシリコーンゴムなどの弾性封止剤４４ａ，４４ｂによって封止されている。裏蓋４１の両端部表裏面には外部接続用電極４５ａ，４５ｂが形成されており、表裏の電極４５ａ，４５ｂは裏蓋４１の両端部側縁に形成されたスルーホール溝４６ａ，４６ｂの内面を介して相互に導通している。
【００２１】
裏蓋４１をケース４０の下面開口部に接着した後、図８に示すようにスルーホール溝４６ａ，４６ｂから導電性接着剤４７ａ，４７ｂを流し込むことで、外部接続用電極４５ａ，４５ｂと振動板３０の電極とが相互に接続されるとともに、スルーホール溝４６ａ，４６ｂ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。
【００２２】
この実施例の振動板３０は、図９，図１０に示すように、２層の圧電セラミックス層３１，３２を積層したものであり、振動板３０の表裏主面には主面電極３３，３４が形成され、セラミックス層３１，３２の間には内部電極３５が形成されている。２つのセラミックス層３１，３２は、図１０に太線矢印で示すように厚み方向において同一方向に分極されている。
【００２３】
この実施例では、表側の主面電極３３と裏側の主面電極３４は、振動板３０の短辺と同幅でかつ長辺よりやや短く形成され、その一端は振動板３０の一方の短辺側端面に形成された端面電極３６に接続されている。そのため、表裏の主面電極３３，３４は相互に接続されている。内部電極３５は主面電極３３，３４とほぼ対称形状に形成され、内部電極３５の一端は上記端面電極３６と離れており、他端は振動板３０の他方の短辺側端面に形成された端面電極３７に接続されている。なお、振動板３０の他方の短辺側端部の上下面には、端面電極３７と導通する細幅な補助電極３８が形成されている。
【００２４】
上記端面電極３６または裏側の主面電極３４は、図８のように導電性接着剤４７ａによって外部接続用電極４５ａと接続され、端面電極３７は導電性接着剤４７ｂによって外部接続用電極４５ｂと接続されている。そして、外部接続用電極４５ａ，４５ｂの間に所定の交番電圧を印加することで、振動板３０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３０の短辺側両端部を支点とし、長手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。
【００２５】
第１参考例のような円形振動板１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１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、第１実施例のような矩形振動板３０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。また、振動板３０はその長さ方向両端部が固定されるが、その間の部分は弾性封止剤４４ａ，４４ｂ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。
【００２６】
図１１は、図１０の変形例である、振動板の第３参考例を示す。
図１０では内部電極３５が部分電極である例を示したが、図１１では全面電極としたものである。この場合には、内部電極３５が端面電極３６側まで延びているので、内部電極３５と端面電極３６とが導通してしまう恐れがある。そこで、振動板３０’の端面にまず絶縁層３９を形成し、その上に表裏の主面電極３３，３４を導通させる端面電極３６を形成したものである。これにより、内部電極３５を全面電極とした場合でも、内部電極３５と主面電極３３，３４とを確実に絶縁できる。
【００２７】
図１２は振動板の第２実施例を示す。
この実施例の振動板５０は、３層の圧電セラミックス層５１〜５３を積層したものであり、振動板５０の表裏面には主面電極５４，５５が形成され、各セラミックス層５１〜５３の間には内部電極５６，５７が形成されている。３つのセラミックス層５１〜５３は太線矢印で示すように厚み方向において同一方向に分極されている。
【００２８】
この実施例の主面電極５４，５５は、図１０と同様に振動板５０の短辺と同幅でかつ長辺よりやや短く形成され、その一端は振動板５０の一方の短辺側端面に形成された端面電極５８に接続されている。そのため、表裏の主面電極５４，５５は相互に接続されている。内部電極５６，５７の一端は端面電極５８と離れており、他端は振動板５０の他方の短辺側端面に形成された端面電極５９に接続されている。したがって、内部電極５６，５７も相互に接続されている。なお、振動板５０の他方の短辺側端部の上下面には、端面電極５９と導通する細幅な補助電極５９ａが形成されている。
【００２９】
例えば、端面電極５８にマイナスの電圧、端面電極５９にプラスの電圧を印加すると、図１２の細線矢印で示す方向の電界が生じる。この時、中間層であるセラミックス層５２の両側に位置する内部電極５６，５７は同一電位であるため、電界が生じない。表側のセラミックス層５１は分極方向と電界方向とが同一方向であるため平面方向に縮み、裏側のセラミックス層５２は分極方向と電界方向とが逆方向であるため平面方向に伸びる。そして、中間層５２は伸び縮みしない。そのため、振動板５０は下方へ凸となるように屈曲する。端面電極５８，５９間に交番電圧を印加すれば、振動板５０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。
なお、図１２では、内部電極５６，５７を部分電極としたが、図１１のように全面電極としてもよい。
【００３０】
上記のような３層構造の振動板５０の製造方法も、図４に示した２層構造の振動板１の製造方法と同様である。すなわち、マザー基板状態のセラミックグリーンシートの表面に電極膜を印刷などの手法で所定のパターンに形成し、このセラミックグリーンシートを３枚積層して圧着する。この積層体から振動板５０に対応する形状に打ち抜きまたはカットし、この打ち抜きまたはカットされた積層体を同時焼成して焼結積層体を得る。
次に、焼結積層体の表裏面に主面電極５４，５５を形成し、これら主面電極間に分極電圧を印加することで、積層体を構成する全てのセラミックス層５１〜５３を厚み方向において同一方向に分極する。
その後、端面電極５８，５９などを形成することで、振動板５０を得る。
この場合も、分極に際し、内部電極５６，５７と主面電極５４，５５とを相互に接続する必要がなく、表裏の主面電極５４，５５間に電圧を印加するだけでよいので、分極処理が簡単である。
【００３１】
図１３は振動板の第３実施例を示す。
図１２の実施例では３層のセラミックス層５１〜５３がほぼ同一厚みである例を示したが、図１３では中間のセラミックス層５２を表裏のセラミックス層５１，５３に比べて厚くしたものである。特に、中間のセラミックス層５２の厚みは、振動板５０’の全体の厚みの５０％〜８０％とするのが望ましい。なお、他の構造は図１２と同様であるため、重複説明を省略する。
【００３２】
図１４は中間セラミックス層５２の厚みの割合を変化させた時の音圧の変化を示す。縦軸は２層構造の振動板（図１０参照）の音圧を１とした時の音圧の比率であり、横軸は振動板５０’の全体の厚みに対する中間セラミックス層５２の厚みの割合を表す。なお、音圧は、振動板５０’の全体の厚みが一定で、かつ印加電圧が一定である条件で測定した。
【００３３】
図１４から明らかなように、２層に比べて３層の場合には音圧が上昇することが分かる。また、３層すべてが同一厚みである場合（３３％）に比べて、中間層の厚みを全体の５０％〜８０％とした場合には、さらに音圧が上昇する。特に、中間層の厚みを全体の６０％〜７０％とした場合に最大の音圧（２層に比べて１．６倍）を得ることができる。したがって、積層数に制約がある場合に、中間層の厚みを大きくすることで、積層数を少なく（３層）しながら、音圧を最大限まで上げることができる。
【００３４】
図１５〜図１７は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第４実施例であり、表面実装型の圧電受話器として構成した例を示す。
この圧電受話器は、大略、長方形の振動板（積層体）３０と、この振動板３０を収容した角形のケース６０と、放音孔６９を有する上蓋６８とで構成されている。振動板３０は図９，図１０に示されたものと同様であるため、同一符号を付してある。ケース６０は、例えばＬＣＰ（液晶ポリマー），ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），エポキシなどの耐熱性樹脂で形成され、上蓋６８も液晶ポリマーまたはガラスエポキシなどの耐熱性材料あるいはセラミックスで形成されている。ケース６０の上面には開口部６１が形成され、この上面開口部６１に上蓋６８が接着されている。ケース６０の対向する２辺の内側面には段差状の支持部６２ａ，６２ｂが形成され、これら支持部６２ａ，６２ｂの上面とケース６０の外側面とに露出するように、外部接続用電極６３ａ，６３ｂがインサート成形されている。この外部接続用電極６３ａ，６３ｂとしては、例えばＡｕ，Ｓｎメッキを施したＣｕ合金、Ｆｅなどからなる金属端子で構成される。ケース６０の支持部６２ａ，６２ｂを設けた側面とは異なる側面には、制動孔６４が形成されている。
【００３５】
振動板３０の短辺側の２辺は、支持部６２ａ，６２ｂ上に接着剤などの支持剤６５ａ，６５ｂによって支持されている。また、振動板３０の長辺側の２辺とケース６０との隙間はシリコーンゴムなどの弾性封止剤６６ａ，６６ｂによって封止されている。そして、振動板３０の短辺側の２辺に設けられた端面電極３６，３７は、導電ペースト６７ａ，６７ｂによって支持部６２ａ，６２ｂの上面に露出した外部接続用電極６３ａ，６３ｂとそれぞれ電気的に接続されている。なお、支持剤６５ａ，６５ｂおよび弾性封止剤６６ａ，６６ｂの塗布は、導電ペースト６７ａ，６７ｂによって振動板３０と外部接続用電極６３ａ，６３ｂとを接着した後で行う方がよい。そして、導電ペースト６７ａ，６７ｂ、支持剤６５ａ，６５ｂおよび弾性封止剤６６ａ，６６ｂの加熱硬化は、同時に行ってもよい。
【００３６】
図１８は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第５実施例であり、図１５〜図１７に示された例の変形例である。
この実施例では、外部接続用電極６３ａ，６３ｂが、ケース６０にインサートされたものではなく、別体に形成された金属端子をケース６０の孔６０ａに挿入し、接着したものである。その他の構造は図１５〜図１７と同様であるから、同一部品には同一符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図１９〜図２１は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第６実施例であり、表面実装型部品として構成した例を示す。
この実施例では、図１５〜図１７におけるインサート端子よりなる外部接続用電極６３ａ，６３ｂに代えて、無電解湿式めっき法あるいはスパッタなどの乾式めっき法により形成した電極膜６３ｃ，６３ｄとしたものである。この例では、電極膜６３ｃ，６３ｄがケース６０の支持部６２ａ，６２ｂを設けた側部の外面から支持部６２ａ，６２ｂの上面にかけて連続的に形成されている。
その他の構成は図１５〜図１７のものと同様であるから、同一部品には同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
なお、図１５〜図２１に示す実施例において、振動板としては、図９，図１０に示された振動板３０に限らず、図１１，図１２，図１３に示された振動板３０’，５０，５０’を用いることも可能である。
【００３９】
図２２は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第７実施例である。この実施例は、図７に示す実施例の変形例であり、図７と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
図２２は裏側から見た斜視図であり、ケース４０’の内側面全周に段差状の支持部４２が形成されている。これら支持部４２の頂面は同一高さに形成されており、支持部４２上に振動板３０の４辺全周が接着剤などの支持剤４３によって支持されている。
この実施例は、例えば圧電サウンダなどの単一周波数での発音器として用いられるものであり、振動板３０の全周が支持剤４３によって拘束されるが、振動板３０を共振領域で使用することにより、強く励振させることができ、大音量を得ることができる。
【００４０】
図２３は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第８実施例である。
この実施例は、図１５〜図１７に示す実施例とほぼ同様な構造を有し、図１５〜図１７と共通部分には同一符号を付して説明を省略する。
この実施例では、角形のケース６０の内側面全周に段差状の支持部６２が形成され、振動板３０の４辺すべてが支持部６２に対して接着剤などの支持剤６５によって支持されている。
この実施例も、圧電サウンダなどの単一周波数での発音器として用いられる例であり、振動板３０は共振領域で使用される。
【００４１】
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。
上記実施例の振動板３０，５０，５０’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２枚または３枚積層し、この積層体を同時焼成して焼結積層体を得た後、この焼結積層体を分極処理するものであるが、この方法に代えて、予め焼成し分極処理した２枚または３枚の圧電セラミックス板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。
本発明の振動板は、圧電セラミックス層のみで構成されたものに限らず、積層体の片面に金属フィルムや樹脂シートなどの補強シートを貼り付けてもよい。但し、この補強シートはユニモルフ型振動板の金属板とは異なり、積層体の割れなどを防止するためのものであり、積層体の屈曲振動を阻害しないものが望ましい。
【００４２】
【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、２層または３層の圧電セラミックス層からなる積層体の表裏面に主面電極を形成し、各セラミックス層の間に内部電極を形成し、すべてのセラミックス層を厚み方向において同一方向に分極したので、主面電極と内部電極との間に交番信号を印加すれば、表側と裏側のセラミックス層が逆方向に伸縮し、全体として積層体が屈曲振動を生じることになる。この変位量はユニモルフ型振動板に比べて大きくなるので、音圧も増大する。
また、矩形板状の積層体を用いることで、円形の積層体を用いた振動板に比べて音響変換効率がよく、低い周波数を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電型電気音響変換器の第１参考例の外観斜視図である。
【図２】図１に示す圧電型電気音響変換器の縦断面図である。
【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に示す振動板の縦断面図である。
【図５】圧電型電気音響変換器の第２参考例の外観斜視図である。
【図６】図５に示す圧電型電気音響変換器の縦断面図である。
【図７】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８】図７の圧電型電気音響変換器の断面図である。
【図９】図７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１０】図９の振動板の断面図である。
【図１１】振動板の第３参考例の断面図である。
【図１２】本発明にかかる振動板の第２実施例の断面図である。
【図１３】本発明にかかる振動板の第３実施例の断面図である。
【図１４】図１３に示す振動板を用いた圧電型電気音響変換器の中間層の厚みと音圧との関係を示す特性図である。
【図１５】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第４実施例の斜視図である。
【図１６】図１５に示す圧電型電気音響変換器の分解斜視図である。
【図１７】図１５のＡ−Ａ線断面図である。
【図１８】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第５実施例の分解斜視図である。
【図１９】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第６実施例の斜視図である。
【図２０】図１９に示す圧電型電気音響変換器の分解斜視図である。
【図２１】図１９のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２２】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第７実施例の分解斜視図である。
【図２３】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第８実施例の分解斜視図である。
【符号の説明】
３０，５０，５０’ 振動板
３１，３２，５１〜５３ セラミックス層
３３，３４，５４，５５ 主面電極
３５，５６，５７ 内部電極
４０，６０ ケース
４１，６８ 蓋
６２ａ，６２ｂ 支持部
６３ａ，６３ｂ 外部接続用電極
６５ａ，６５ｂ 支持剤
６６ａ，６６ｂ 弾性封止剤
６７ａ，６７ｂ 導電ペースト
６８ 上蓋
６９ 放音穴
【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、特にその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。しかしながら、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から、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構造のバイ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利用したものであり、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。そして、厚み方向に順に配置された第１および第２の振動領域が相互に逆方向に振動するように構成することで、ユニモルフ型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】
ところが、上記バイモルフ型振動板の場合、例えば３層のセラミックス層からなる振動板を屈曲振動させようとすると、上記公報の第１７図に示すように、一方の主面の電極と一方の内部電極とをスルーホールを介して相互に接続し、他方の主面電極と他方の内部電極とをスルーホールを介して相互に接続した上、両者の間に交番電圧を印加する必要がある。そのため、主面電極と内部電極との間の複雑な相互接続が必要となり、コスト高になる可能性があった。
【０００５】
また、上記積層体に対して分極処理を行なう場合も、内部電極と表裏の主面電極との間に電圧を印加して分極しなければならない。例えば３層構造の振動板の場合、上記公報の第１４図に示すように、内部電極と導通する２個のスルーホールを接続用の電極でつなぎ、この接続用電極と表裏の主面電極との間に高電圧を印加して分極している。このように、従来のバイモルフ型振動板の場合、分極処理のために内部電極をスルーホールを介して外部に引き出す必要があり、接続用の電極を形成するなど、煩雑な処理を必要とするという欠点があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、主面電極と内部電極との相互接続をなくし、簡単な接続構造でバイモルフ型振動板を構成できる圧電型電気音響変換器を得ることにある。
また、他の目的は、分極処理を簡単に行なうことができる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、２層または３層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は厚み方向において同一方向に分極されており、上記主面電極と内部電極との間に交番信号を印加することで、上記積層体を全体として屈曲振動させる圧電型電気音響変換器であって、上記積層体は矩形板状に形成され、上記表裏主面の主面電極は上記積層体の第１の端面に形成された第１の端面電極を介して相互に接続されており、上記内部電極は、上記第１の端面と対向する第２の端面に形成された第２の端面電極に接続されており、上記表裏主面の主面電極は、第１の端面およびこの第１の端面に直交する２つの端面で囲まれる矩形領域に形成され、かつ第２の端面の手前で終端となっており、上記内部電極は、第２の端面およびこの第２の端面に直交する２つの端面で囲まれる矩形領域に形成され、かつ第１の端面の手前で終端となっており、上記積層体の表裏主面であって、第２の端面に沿った領域には、上記第２の端面電極と接続され、かつ上記主面電極と離間した補助電極が形成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】
本発明の積層体の場合、主面電極と内部電極との間に交番電圧を印加すれば、表側および裏側のセラミックス層に働く電界方向が厚み方向において逆方向になる。一方、分極方向は全てのセラミックス層が厚み方向において同一方向に向いている。圧電セラミックスは、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している。したがって、上記のように交番電圧を印加すれば、表側のセラミックス層が延びた時、裏側のセラミックス層が縮み、全体として積層体は屈曲振動を生じることになる。この変位量はユニモルフ型振動板に比べて大きくなるので、音圧も増大する。
【０００９】
本発明では、表裏の主面電極を相互に接続し、これと内部電極との間に交番電圧を印加すれば、屈曲振動を発生させることができるので、従来のように主面電極と内部電極との間の複雑な相互接続が不要となり、構造が簡単になり、加工コストを低減できる。
また、本発明では、積層体は矩形板状に形成され、表裏主面の主面電極は積層体の第１の端面に形成された第１の端面電極を介して相互に接続されており、内部電極は、第１の端面と対向する第２の端面に形成された第２の端面電極に接続されており、表裏主面の主面電極は、第１の端面およびこの第１の端面に直交する２つの端面で囲まれる矩形領域に形成され、かつ第２の端面の手前で終端となっており、内部電極は、第２の端面およびこの第２の端面に直交する２つの端面で囲まれる矩形領域に形成され、かつ第１の端面の手前で終端となっており積層体の表裏主面であって、第２の端面に沿った領域には、第２の端面電極と接続され、かつ上記主面電極と離間した補助電極が形成されている。
矩形状の積層体を用いた矩形振動板の場合、円形の振動板を用いる場合に比べて変位体積が大きく、音響変換効率がよく、しかも円形の振動板に比べて低い周波数を得ることができる。
【００１０】
請求項２のように、積層体が３層のセラミックス層で構成されている場合、中間のセラミックス層の厚みを積層体の全体の厚みの５０％〜８０％とするのが望ましい。音圧を高めるには、積層体の積層数を増やせばよいが、共振周波数により厚みが固定されている場合には、積層数も自由に増やすことができない。
３層構造の積層体の場合、２つの内部電極の間には電位差がないので、中間層は屈曲振動には寄与せず、表側および裏側のセラミックス層のみが屈曲振動することになる。セラミックス層はその厚みが薄い程、変位量が大きい。そこで、積層体の全体の厚みを一定とし、中間層の厚みを表裏層の厚みに対して相対的に厚くすると、屈曲振動に寄与する表側および裏側のセラミックス層の厚みが相対的に薄くなり、大きな変位量が得られる。なお、中間層の厚みを大きくし過ぎると、表裏層の厚みが薄くなり過ぎ、強度が低下して大きな変位が得られない。そこで、中間層の厚みを全体の５０％〜８０％の範囲とすることで、大きな音圧を得ることができる。
【００１１】
請求項３のように、積層体は電極膜を介して２層または３層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り、積層体の表裏主面に形成された主面電極間に電圧を印加することで、すべてのセラミックス層を厚み方向において同一方向に分極するのが望ましい。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。しかも、積層体の各セラミックス層の分極方向が同一方向を向いているので、その分極処理は、従来のように内部電極と主面電極との間に電圧を印加する必要がなく、表裏の主面電極の間に電圧を印加するだけでよく、分極処理が非常に簡単になる。
【００１２】
上記積層体をハウジング内に収容し、圧電受話器や圧電サウンダのような発音体として用いる場合、次のような構造とすることができる。
すなわち、受話器としての用途に適した例では、広いレンジの周波数に対応するため、共振領域以外の領域も使用される。そのため、積層体の振動エネルギーが比較的小さくても変位できるように、積層体の対向する２辺だけをケースに支持し、他の２辺は弾性封止体で変位自在に封止した構造となっている。
一方、圧電サウンダなどの用途に適した例では、単一周波数での大音量に対応するため、共振領域で使用される。この場合には、積層体の振動エネルギーを大きくするため、積層体の４辺すべてをケースに支持した構造となっている。
いずれの構造も、積層体の主面電極と内部電極とをリード線を使用せずにハウジングの外部に引き出すことができるので、表面実装部品として構成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明の前提となる圧電型電気音響変換器の第１参考例を示す。
この圧電型電気音響変換器は、円板状の振動板（積層体）１と、この振動板１を収容した円形のケース１０および裏蓋１１とで構成されている。ケース１０の上面には放音穴１２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の外周部の対称位置には、外部接続用端子１３，１４がインサート成形などにて固定され、端子１３，１４の一部はケース１０の内側に露出している。端子１３，１４の内側露出部に、振動板１の電極が導電性接着剤１５，１６によって電気的に接続されている。なお、導電性接着剤１５，１６を塗布した箇所以外の振動板１の外周部とケース１０との隙間は、シリコーンゴムなどの弾性封止剤（図示せず）で封止されている。
【００１４】
振動板１は、図３，図４に示すようにＰＺＴなどからなる２層の圧電セラミックス層２，３を積層したものであり、振動板１の表裏主面には主面電極４，５が形成され、セラミックス層２，３の間には内部電極６が形成されている。２つのセラミックス層２，３は、図４に太線矢印で示すように厚み方向において同一方向に分極されている。
【００１５】
この参考例では、表側の主面電極４と裏側の主面電極５は、振動板１の直径よりやや小さい円形に形成され、その引出電極４ａ，５ａが振動板１の外周縁まで引き出されている。内部電極６は主面電極４，５とほぼ対称形状に形成され、内部電極６の引出電極６ａは上記引出電極４ａ，５ａとほぼ対称位置へ引き出され、端面に設けられた端面電極７に接続されている。なお、端面電極７の一部は振動板１の表裏面まで引き出されている。上記引出電極４ａ，５ａは導電性接着剤１５によって端子１３と接続され、端面電極７は導電性接着剤１６によって端子１４と接続されている。そして、端子１３，１４の間に所定の交番電圧を印加することで、振動板１を屈曲振動させることができる。
【００１６】
例えば一方の端子１３にマイナスの電圧、他方の端子１４にプラスの電圧を印加すると、図４の細線矢印で示す方向の電界が生じる。セラミックス層２，３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、表側のセラミックス層２は縮み、裏側のセラミックス層３は伸びることになる。そのため、振動板１は中心部が下方へ凸となるように屈曲する。端子１３，１４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。
【００１７】
上記構成よりなる振動板１は次のような方法で製造される。
すなわち、マザー基板状態のセラミックグリーンシートの表面に電極膜を印刷などの手法で所定のパターンに形成し、このセラミックグリーンシート１枚と、電極膜を形成していないセラミックグリーンシート１枚とを積層して圧着する。
次に、この積層体から振動板１に対応する形状に打ち抜き、あるいはカットする。
次に、打ち抜きまたはカットされた積層体を同時焼成して焼結積層体を得る。
次に、焼結積層体の表裏主面に主面電極を形成し、これら主面電極間に分極電圧を印加することで、積層体を構成する全てのセラミックス層を厚み方向において同一方向に分極する。
その後、端面電極７などを形成し、振動板１を得る。
【００１８】
上記製造方法では、積層されたマザー基板状態のセラミックグリーンシートを個別形状に打ち抜いた後、焼成し、その後で分極処理したが、積層されたセラミックグリーンシートを焼成した後、マザー基板状態で分極処理し、その後で個別形状にカットしてもよい。この場合には、焼結体をカットするために、レーザー加工などの公知の方法を用いればよい。
【００１９】
図５，図６は圧電型電気音響変換器の第２参考例を示す。
図１，図２では、ケース１０に固定された端子１３，１４を用いて振動板１の電極を外部へ引き出したが、図５，図６ではリード線２０，２１を用いたものである。この場合には、リード線２０，２１が振動板１の裏面側の主面電極５と端面電極７とにそれぞれ半田や導電性接着剤などの接合剤２２，２３によって接続される。そのため、表裏の主面電極４，５を導電性接着剤を用いて相互に接続してもよいし、予め端面電極によって主面電極４，５を接続しておいてもよい。
【００２０】
図７，図８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（積層体）３０と、この振動板３０を収容した角形のケース４０および裏蓋４１とで構成されている。ケース４０の上面には放音穴４２が形成され、下面開口部に裏蓋４１が接着されている。ケース４０の対向する２辺の内側面には段差状の支持部４２ａ，４２ｂが形成され、これら支持部４２ａ，４２ｂ上に振動板３０の短辺側の２辺が接着剤などの支持剤４３ａ，４３ｂによって支持されている。ケース４０の支持部４２ａ，４２ｂを設けた側面とは異なる側面には、制動孔４８が形成されている。また、振動板３０の長辺側の２辺とケース４０との隙間はシリコーンゴムなどの弾性封止剤４４ａ，４４ｂによって封止されている。裏蓋４１の両端部表裏面には外部接続用電極４５ａ，４５ｂが形成されており、表裏の電極４５ａ，４５ｂは裏蓋４１の両端部側縁に形成されたスルーホール溝４６ａ，４６ｂの内面を介して相互に導通している。
【００２１】
裏蓋４１をケース４０の下面開口部に接着した後、図８に示すようにスルーホール溝４６ａ，４６ｂから導電性接着剤４７ａ，４７ｂを流し込むことで、外部接続用電極４５ａ，４５ｂと振動板３０の電極とが相互に接続されるとともに、スルーホール溝４６ａ，４６ｂ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。
【００２２】
この実施例の振動板３０は、図９，図１０に示すように、２層の圧電セラミックス層３１，３２を積層したものであり、振動板３０の表裏主面には主面電極３３，３４が形成され、セラミックス層３１，３２の間には内部電極３５が形成されている。２つのセラミックス層３１，３２は、図１０に太線矢印で示すように厚み方向において同一方向に分極されている。
【００２３】
この実施例では、表側の主面電極３３と裏側の主面電極３４は、振動板３０の短辺と同幅でかつ長辺よりやや短く形成され、その一端は振動板３０の一方の短辺側端面に形成された端面電極３６に接続されている。そのため、表裏の主面電極３３，３４は相互に接続されている。内部電極３５は主面電極３３，３４とほぼ対称形状に形成され、内部電極３５の一端は上記端面電極３６と離れており、他端は振動板３０の他方の短辺側端面に形成された端面電極３７に接続されている。なお、振動板３０の他方の短辺側端部の上下面には、端面電極３７と導通する細幅な補助電極３８が形成されている。
【００２４】
上記端面電極３６または裏側の主面電極３４は、図８のように導電性接着剤４７ａによって外部接続用電極４５ａと接続され、端面電極３７は導電性接着剤４７ｂによって外部接続用電極４５ｂと接続されている。そして、外部接続用電極４５ａ，４５ｂの間に所定の交番電圧を印加することで、振動板３０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３０の短辺側両端部を支点とし、長手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。
【００２５】
第１参考例のような円形振動板１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１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、第１実施例のような矩形振動板３０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。また、振動板３０はその長さ方向両端部が固定されるが、その間の部分は弾性封止剤４４ａ，４４ｂ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。
【００２６】
図１１は、図１０の変形例である、振動板の第３参考例を示す。
図１０では内部電極３５が部分電極である例を示したが、図１１では全面電極としたものである。この場合には、内部電極３５が端面電極３６側まで延びているので、内部電極３５と端面電極３６とが導通してしまう恐れがある。そこで、振動板３０’の端面にまず絶縁層３９を形成し、その上に表裏の主面電極３３，３４を導通させる端面電極３６を形成したものである。これにより、内部電極３５を全面電極とした場合でも、内部電極３５と主面電極３３，３４とを確実に絶縁できる。
【００２７】
図１２は振動板の第２実施例を示す。
この実施例の振動板５０は、３層の圧電セラミックス層５１〜５３を積層したものであり、振動板５０の表裏面には主面電極５４，５５が形成され、各セラミックス層５１〜５３の間には内部電極５６，５７が形成されている。３つのセラミックス層５１〜５３は太線矢印で示すように厚み方向において同一方向に分極されている。
【００２８】
この実施例の主面電極５４，５５は、図１０と同様に振動板５０の短辺と同幅でかつ長辺よりやや短く形成され、その一端は振動板５０の一方の短辺側端面に形成された端面電極５８に接続されている。そのため、表裏の主面電極５４，５５は相互に接続されている。内部電極５６，５７の一端は端面電極５８と離れており、他端は振動板５０の他方の短辺側端面に形成された端面電極５９に接続されている。したがって、内部電極５６，５７も相互に接続されている。なお、振動板５０の他方の短辺側端部の上下面には、端面電極５９と導通する細幅な補助電極５９ａが形成されている。
【００２９】
例えば、端面電極５８にマイナスの電圧、端面電極５９にプラスの電圧を印加すると、図１２の細線矢印で示す方向の電界が生じる。この時、中間層であるセラミックス層５２の両側に位置する内部電極５６，５７は同一電位であるため、電界が生じない。表側のセラミックス層５１は分極方向と電界方向とが同一方向であるため平面方向に縮み、裏側のセラミックス層５２は分極方向と電界方向とが逆方向であるため平面方向に伸びる。そして、中間層５２は伸び縮みしない。そのため、振動板５０は下方へ凸となるように屈曲する。端面電極５８，５９間に交番電圧を印加すれば、振動板５０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。
なお、図１２では、内部電極５６，５７を部分電極としたが、図１１のように全面電極としてもよい。
【００３０】
上記のような３層構造の振動板５０の製造方法も、図４に示した２層構造の振動板１の製造方法と同様である。すなわち、マザー基板状態のセラミックグリーンシートの表面に電極膜を印刷などの手法で所定のパターンに形成し、このセラミックグリーンシートを３枚積層して圧着する。この積層体から振動板５０に対応する形状に打ち抜きまたはカットし、この打ち抜きまたはカットされた積層体を同時焼成して焼結積層体を得る。
次に、焼結積層体の表裏面に主面電極５４，５５を形成し、これら主面電極間に分極電圧を印加することで、積層体を構成する全てのセラミックス層５１〜５３を厚み方向において同一方向に分極する。
その後、端面電極５８，５９などを形成することで、振動板５０を得る。
この場合も、分極に際し、内部電極５６，５７と主面電極５４，５５とを相互に接続する必要がなく、表裏の主面電極５４，５５間に電圧を印加するだけでよいので、分極処理が簡単である。
【００３１】
図１３は振動板の第３実施例を示す。
図１２の実施例では３層のセラミックス層５１〜５３がほぼ同一厚みである例を示したが、図１３では中間のセラミックス層５２を表裏のセラミックス層５１，５３に比べて厚くしたものである。特に、中間のセラミックス層５２の厚みは、振動板５０’の全体の厚みの５０％〜８０％とするのが望ましい。なお、他の構造は図１２と同様であるため、重複説明を省略する。
【００３２】
図１４は中間セラミックス層５２の厚みの割合を変化させた時の音圧の変化を示す。縦軸は２層構造の振動板（図１０参照）の音圧を１とした時の音圧の比率であり、横軸は振動板５０’の全体の厚みに対する中間セラミックス層５２の厚みの割合を表す。なお、音圧は、振動板５０’の全体の厚みが一定で、かつ印加電圧が一定である条件で測定した。
【００３３】
図１４から明らかなように、２層に比べて３層の場合には音圧が上昇することが分かる。また、３層すべてが同一厚みである場合（３３％）に比べて、中間層の厚みを全体の５０％〜８０％とした場合には、さらに音圧が上昇する。特に、中間層の厚みを全体の６０％〜７０％とした場合に最大の音圧（２層に比べて１．６倍）を得ることができる。したがって、積層数に制約がある場合に、中間層の厚みを大きくすることで、積層数を少なく（３層）しながら、音圧を最大限まで上げることができる。
【００３４】
図１５〜図１７は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第４実施例であり、表面実装型の圧電受話器として構成した例を示す。
この圧電受話器は、大略、長方形の振動板（積層体）３０と、この振動板３０を収容した角形のケース６０と、放音孔６９を有する上蓋６８とで構成されている。振動板３０は図９，図１０に示されたものと同様であるため、同一符号を付してある。ケース６０は、例えばＬＣＰ（液晶ポリマー），ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），エポキシなどの耐熱性樹脂で形成され、上蓋６８も液晶ポリマーまたはガラスエポキシなどの耐熱性材料あるいはセラミックスで形成されている。ケース６０の上面には開口部６１が形成され、この上面開口部６１に上蓋６８が接着されている。ケース６０の対向する２辺の内側面には段差状の支持部６２ａ，６２ｂが形成され、これら支持部６２ａ，６２ｂの上面とケース６０の外側面とに露出するように、外部接続用電極６３ａ，６３ｂがインサート成形されている。この外部接続用電極６３ａ，６３ｂとしては、例えばＡｕ，Ｓｎメッキを施したＣｕ合金、Ｆｅなどからなる金属端子で構成される。ケース６０の支持部６２ａ，６２ｂを設けた側面とは異なる側面には、制動孔６４が形成されている。
【００３５】
振動板３０の短辺側の２辺は、支持部６２ａ，６２ｂ上に接着剤などの支持剤６５ａ，６５ｂによって支持されている。また、振動板３０の長辺側の２辺とケース６０との隙間はシリコーンゴムなどの弾性封止剤６６ａ，６６ｂによって封止されている。そして、振動板３０の短辺側の２辺に設けられた端面電極３６，３７は、導電ペースト６７ａ，６７ｂによって支持部６２ａ，６２ｂの上面に露出した外部接続用電極６３ａ，６３ｂとそれぞれ電気的に接続されている。なお、支持剤６５ａ，６５ｂおよび弾性封止剤６６ａ，６６ｂの塗布は、導電ペースト６７ａ，６７ｂによって振動板３０と外部接続用電極６３ａ，６３ｂとを接着した後で行う方がよい。そして、導電ペースト６７ａ，６７ｂ、支持剤６５ａ，６５ｂおよび弾性封止剤６６ａ，６６ｂの加熱硬化は、同時に行ってもよい。
【００３６】
図１８は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第５実施例であり、図１５〜図１７に示された例の変形例である。
この実施例では、外部接続用電極６３ａ，６３ｂが、ケース６０にインサートされたものではなく、別体に形成された金属端子をケース６０の孔６０ａに挿入し、接着したものである。その他の構造は図１５〜図１７と同様であるから、同一部品には同一符号を付して説明を省略する。
【００３７】
図１９〜図２１は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第６実施例であり、表面実装型部品として構成した例を示す。
この実施例では、図１５〜図１７におけるインサート端子よりなる外部接続用電極６３ａ，６３ｂに代えて、無電解湿式めっき法あるいはスパッタなどの乾式めっき法により形成した電極膜６３ｃ，６３ｄとしたものである。この例では、電極膜６３ｃ，６３ｄがケース６０の支持部６２ａ，６２ｂを設けた側部の外面から支持部６２ａ，６２ｂの上面にかけて連続的に形成されている。
その他の構成は図１５〜図１７のものと同様であるから、同一部品には同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
なお、図１５〜図２１に示す実施例において、振動板としては、図９，図１０に示された振動板３０に限らず、図１１，図１２，図１３に示された振動板３０’，５０，５０’を用いることも可能である。
【００３９】
図２２は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第７実施例である。この実施例は、図７に示す実施例の変形例であり、図７と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
図２２は裏側から見た斜視図であり、ケース４０’の内側面全周に段差状の支持部４２が形成されている。これら支持部４２の頂面は同一高さに形成されており、支持部４２上に振動板３０の４辺全周が接着剤などの支持剤４３によって支持されている。
この実施例は、例えば圧電サウンダなどの単一周波数での発音器として用いられるものであり、振動板３０の全周が支持剤４３によって拘束されるが、振動板３０を共振領域で使用することにより、強く励振させることができ、大音量を得ることができる。
【００４０】
図２３は本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第８実施例である。
この実施例は、図１５〜図１７に示す実施例とほぼ同様な構造を有し、図１５〜図１７と共通部分には同一符号を付して説明を省略する。
この実施例では、角形のケース６０の内側面全周に段差状の支持部６２が形成され、振動板３０の４辺すべてが支持部６２に対して接着剤などの支持剤６５によって支持されている。
この実施例も、圧電サウンダなどの単一周波数での発音器として用いられる例であり、振動板３０は共振領域で使用される。
【００４１】
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。
上記実施例の振動板３０，５０，５０’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２枚または３枚積層し、この積層体を同時焼成して焼結積層体を得た後、この焼結積層体を分極処理するものであるが、この方法に代えて、予め焼成し分極処理した２枚または３枚の圧電セラミックス板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。
本発明の振動板は、圧電セラミックス層のみで構成されたものに限らず、積層体の片面に金属フィルムや樹脂シートなどの補強シートを貼り付けてもよい。但し、この補強シートはユニモルフ型振動板の金属板とは異なり、積層体の割れなどを防止するためのものであり、積層体の屈曲振動を阻害しないものが望ましい。
【００４２】
【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、２層または３層の圧電セラミックス層からなる積層体の表裏面に主面電極を形成し、各セラミックス層の間に内部電極を形成し、すべてのセラミックス層を厚み方向において同一方向に分極したので、主面電極と内部電極との間に交番信号を印加すれば、表側と裏側のセラミックス層が逆方向に伸縮し、全体として積層体が屈曲振動を生じることになる。この変位量はユニモルフ型振動板に比べて大きくなるので、音圧も増大する。
また、矩形板状の積層体を用いることで、円形の積層体を用いた振動板に比べて音響変換効率がよく、低い周波数を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電型電気音響変換器の第１参考例の外観斜視図である。
【図２】図１に示す圧電型電気音響変換器の縦断面図である。
【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に示す振動板の縦断面図である。
【図５】圧電型電気音響変換器の第２参考例の外観斜視図である。
【図６】図５に示す圧電型電気音響変換器の縦断面図である。
【図７】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８】図７の圧電型電気音響変換器の断面図である。
【図９】図７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１０】図９の振動板の断面図である。
【図１１】振動板の第３参考例の断面図である。
【図１２】本発明にかかる振動板の第２実施例の断面図である。
【図１３】本発明にかかる振動板の第３実施例の断面図である。
【図１４】図１３に示す振動板を用いた圧電型電気音響変換器の中間層の厚みと音圧との関係を示す特性図である。
【図１５】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第４実施例の斜視図である。
【図１６】図１５に示す圧電型電気音響変換器の分解斜視図である。
【図１７】図１５のＡ−Ａ線断面図である。
【図１８】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第５実施例の分解斜視図である。
【図１９】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第６実施例の斜視図である。
【図２０】図１９に示す圧電型電気音響変換器の分解斜視図である。
【図２１】図１９のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２２】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第７実施例の分解斜視図である。
【図２３】本発明にかかる圧電型電気音響変換器の第８実施例の分解斜視図である。
【符号の説明】
３０，５０，５０’ 振動板
３１，３２，５１〜５３ セラミックス層
３３，３４，５４，５５ 主面電極
３５，５６，５７ 内部電極
４０，６０ ケース
４１，６８ 蓋
６２ａ，６２ｂ 支持部
６３ａ，６３ｂ 外部接続用電極
６５ａ，６５ｂ 支持剤
６６ａ，６６ｂ 弾性封止剤
６７ａ，６７ｂ 導電ペースト
６８ 上蓋
６９ 放音穴
Claims (3)
- ２層または３層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は厚み方向において同一方向に分極されており、
上記主面電極と内部電極との間に交番信号を印加することで、上記積層体を全体として屈曲振動させる圧電型電気音響変換器であって、
上記積層体は矩形板状に形成され、
上記表裏主面の主面電極は上記積層体の第１の端面に形成された第１の端面電極を介して相互に接続されており、
上記内部電極は、上記第１の端面と対向する第２の端面に形成された第２の端面電極に接続されており、
上記表裏主面の主面電極は、第１の端面およびこの第１の端面に直交する２つの端面で囲まれる矩形領域に形成され、かつ第２の端面の手前で終端となっており、
上記内部電極は、第２の端面およびこの第２の端面に直交する２つの端面で囲まれる矩形領域に形成され、かつ第１の端面の手前で終端となっており、
上記積層体の表裏主面であって、第２の端面に沿った領域には、上記第２の端面電極と接続され、かつ上記主面電極と離間した補助電極が形成されていることを特徴とする圧電型電気音響変換器。 - 上記積層体は３層のセラミックス層で構成され、
中間のセラミックス層の厚みは、積層体の全体の厚みの５０％〜８０％であ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。 - 上記積層体は電極膜を介して２層または３層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り、
上記積層体の表裏主面に形成された主面電極間に電圧を印加することで、すべてのセラミックス層を厚み方向において同一方向に分極してな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。
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