JP4003686B2 - 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】
本発明は圧電レシーバや圧電サウンダなどの圧電型電気音響変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−９５０９４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１０３９３号公報
【特許文献３】
特開昭６１−３０８９８号公報
従来、電子機器、家電製品、携帯電話機などにおいて、警報音や動作音を発生する圧電サウンダあるいは圧電レシーバとして電気音響変換器が広く用いられている。従来の電気音響変換器は、金属板の片面に圧電板を貼り付けてユニモルフ型振動板を構成し、金属板の周縁部をケースの中に接着固定するとともに、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、ユニモルフ型の振動板は、拡がり振動する圧電板を面積変化しない金属板で拘束することで、面積屈曲振動を発生させるものであるため、音響変換効率が低く、しかも小型で共振周波数の低い音圧特性を持たせることは困難であった。
【０００３】
特許文献１には、音響変換効率がよい圧電振動板が提案されている。この圧電振動板は、２層または３層の圧電セラミックス層を内部電極を間にして積層して積層体を形成するとともに、この積層体の表裏主面に主面電極を形成したものであり、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加することで、積層体を面積屈曲振動させ、音を発生させる。
この構造の圧電振動板では、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加すると、厚み方向に順に配置された２つの振動領域（セラミックス層）が相互に逆方向に振動するので、ユニモルフ型振動板に比べて音響変換効率が良好であり、大きな音圧を得ることができるとともに、同一寸法でも低周波化することができるという利点がある。
【０００４】
ところで、圧電振動板はセラミックスのみで構成されているので、落下衝撃に対する強度が低い。そこで、特許文献２では、圧電振動板の表裏面のほぼ全面に樹脂の保護膜を形成することで、落下強度を高めたものが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように圧電セラミックスのみで構成された圧電振動板は、音響変換効率に優れているが、非常に薄肉であるため、反りやうねりが発生しやすく、その反りの方向は一定していない。そのため、振動板を筐体に支持した際、面積屈曲振動の節になる円の直径にバラツキを生じ、振動板の共振周波数が大きくばらつくという問題があった。
【０００６】
図１０は反りが発生した圧電振動板を用いた圧電型電気音響変換器の構造を示し、Ａは圧電振動板、Ｂは圧電振動板Ａを支持するケース、Ｃはカバーである。また、図１１の破線は、振動板Ａの面積屈曲振動の節Ｎの位置を示す。
圧電振動板Ａに上向きの反りがある場合には、図１０に実線で示すように支持点間の距離Ｌ１が長くなるのに対し、圧電振動板Ａに下向きの反りがある場合には、破線で示すように支持点間の距離Ｌ２が短くなってしまう。支持点間の距離Ｌ１，Ｌ２は面積屈曲振動の節になる円の直径Ｌに相当する。そのため、下向きの反りがある場合には、圧電振動板Ａの共振周波数が高くなり、低周波域の音圧が低下するという欠点がある。
このように、圧電振動板Ａの反りの方向によって面積屈曲振動の節になる円の直径にバラツキを生じるため、振動板の共振周波数が大きくばらつく結果となる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、圧電振動板の反りの方向を制御し、低周波での音圧が高くかつ共振周波数のバラツキを少なくすることができる圧電型電気音響変換器を提供することにある。
【０００８】
【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に係る発明は、複数の圧電セラミックス層を内部電極を間にして積層し、表裏主面に主面電極を形成し、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加することにより板厚方向に面積屈曲振動する圧電振動板と、この圧電振動板の外周部裏面を支持する支持部を設けた筐体と、を備えた圧電型電気音響変換器において、上記圧電振動板の裏面のみあるいは表裏両面のほぼ全面に、ペースト状樹脂を膜状に塗布して硬化させた保護膜、もしくは接着シートを貼り付けて硬化させた保護膜を形成するとともに、上記保護膜の硬化収縮応力によって上記圧電振動板を表面側が凸となるように湾曲させたことを特徴とする圧電型電気音響変換器を提供する。
【０００９】
本発明では、圧電振動板の表裏面または裏面に耐衝撃性を高めるための保護膜が形成されているが、その保護膜の厚みを調整することで、振動板の反りの方向を制御している。保護膜としては、ペースト状樹脂を膜状に塗布して硬化させたものでもよいし、接着シートを貼り付けて硬化させたものでもよい。例えば、保護膜に加熱硬化型の樹脂材料を使用した場合、その線膨張係数が比較的大きいので、高温で硬化した後、常温に戻したとき、圧電体より体積収縮が大きく、保護膜の面内に引張り力が働く。表裏面で保護膜の引張り力（収縮応力）に差を与えておけば、引張り力の大きい側に向かって凹形状に振動板を反らせることができる。この反りを利用して振動板の凸側を上側（表面側）に向けて、振動板の外周部裏面を筐体の支持部に支持することで、振動板の支持点間の距離が長くなる、換言すれば面積屈曲振動の節になる円の直径を大きくできる。そのため、振動板の共振周波数を低くできるとともに、低周波域の音圧を高くすることができる。また、常に一定の方向に反りを発生させるので、共振周波数および音圧のバラツキを少なくすることができる。
保護膜としては、加熱硬化型に限らず、常温硬化型や紫外線硬化型でも使用可能であるが、加熱硬化型の方が収縮応力が大きいので、圧電振動板に反りをより効果的に発生させることができる。
【００１０】
請求項２のように、保護膜を圧電振動板の表裏両面に形成し、裏面側の保護膜を表面側の保護膜より厚く形成してもよい。
この場合には、表裏面で保護膜の厚みをアンバランスにしておくことで、厚い側の保護膜の方が薄い側の保護膜に比べて余計に体積収縮するので、保護膜の厚い側に向かって凹形状に振動板を反らせることができる。したがって、裏側の保護膜を表側の保護膜より厚く形成すれば、裏側の保護膜の方が表側の保護膜より収縮応力が大きく、圧電振動板を上に凸の反りを与えることができる。
また、圧電振動板の表裏面に保護膜が形成されるので、落下衝撃に対する強度が高いという利点がある。
【００１１】
保護膜は、圧電振動板の裏面のみに形成してもよい。この場合には、圧電振動板の表面には保護膜が形成されないので、裏面の保護膜の厚みが薄くても、その収縮応力によって圧電振動板を表面側が凸となるように反りを与えることができる。
また、圧電振動板の表裏両面に同一厚みの保護膜を形成する場合であっても、その保護膜の硬化方法の違いや保護膜の材料の違いによって、表裏の保護膜の収縮応力に差を与え、圧電振動板に表面側が凸となる反りを与えることもできる。
【００１２】
請求項３のように、圧電振動板を四角形に形成し、筐体の支持部は圧電振動板の４つのコーナ部を支持するよう、筐体の内周部の４箇所に設けてもよい。
圧電振動板には円形と四角形とがあるが、円形に比べて四角形の振動板は、変位体積が大きく、大きな音圧が得られるという利点がある。このような四角形の振動板を支持する場合、その４辺の中央部を支持する場合に比べて、４つのコーナ部を支持した場合には、振動板にほぼ外接する円を面積屈曲振動の節として振動させることができ、外形寸法が同一の振動板でも、共振周波数を低周波化できる。
このような構造に本発明における上向きの反りのある振動板を適用すれば、低周波域での音圧に優れ、かつ特性ばらつきの少ない電気音響変換器が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明にかかる表面実装型の圧電型電気音響変換器の一例を示す。
この実施形態の電気音響変換器は、圧電レシーバのように広いレンジの周波数に対応する用途に適したものであり、積層構造の圧電振動板１とケース１０と蓋板２０とを備えている。ここでは、ケース１０と蓋板２０とで筐体が構成される。
【００１４】
振動板１は、図２，図３に示すように、２層の圧電セラミックス層１ａ，１ｂ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２，３が形成され、セラミックス層１ａ，１ｂの間には内部電極４が形成されている。２つのセラミックス層１ａ，１ｂ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。表側の主面電極２と裏側の主面電極３は、振動板１の辺長よりやや短く形成され、その一端は振動板１の一方の端面に形成された端面電極５に接続されている。そのため、表裏の主面電極２，３は相互に接続されている。内部電極４は主面電極２，３とほぼ対称形状に形成され、内部電極４の一端は上記端面電極５と離れており、他端は振動板１の他端面に形成された端面電極６に接続されている。なお、振動板１の他端部の表裏面には、端面電極６と導通する補助電極７が形成されている。
ここでは、セラミックス層１ａ，１ｂとして、一辺が１０ｍｍ、１層の厚みが２０μｍ（合計４０μｍ）の正方形状ＰＺＴ系セラミックスを使用した。
【００１５】
振動板１の表裏面には、主面電極２，３のほぼ全面を覆う保護膜８，９が形成されている。この保護膜８，９は、落下衝撃による振動板１の割れを防止する目的で設けられた膜であり、ポリアミドイミド系樹脂などのペースト状樹脂を膜状に塗布し、加熱硬化させたものである。表側主面２を覆う保護膜８に比べて、裏側主面３を覆う保護膜９は厚肉に形成されている。そのため、図４に示すように、表裏の保護膜８，９の加熱硬化時の収縮応力の差により、振動板１は上側が凸となるように湾曲した反りが付与されている。例えば、一辺が１０ｍｍの振動板１に形成した表側の保護膜８の厚さを約７μｍ、裏側の保護膜９の厚さを約１５μｍとした場合、その反りΔＣは約０．１ｍｍとなる。
なお、保護膜８，９としては、公知の加熱硬化型接着シートまたは接着フィルムを用いることもできる。
【００１６】
表裏の保護膜８，９には、振動板１の対角のコーナ部近傍に、主面電極２，３が露出する切欠部８ａ，９ａと、補助電極７が露出する切欠部８ｂ，９ｂとが形成されている。切欠部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂを表裏一方の面にのみ設けてもよいが、表裏の方向性をなくすため、この例では表裏両面に設けてある。
また、補助電極７は、一定幅の帯状電極とする必要はなく、切欠部８ｂ，９ｂに対応する箇所のみ設けてもよい。
【００１７】
ケース１０は、図５〜図８に示すように、樹脂材料で底壁部１０ａと４つの側壁部１０ｂ〜１０ｅとを持つ四角形の箱型に形成されている。樹脂材料としては、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樹脂が望ましい。４つの側壁部１０ｂ〜１０ｅのうち、対向する２つの側壁部１０ｂ，１０ｄの内側に、端子１１，１２の二股状の内側接続部１１ａ，１２ａが露出している。端子１１，１２は、ケース１０にインサート成形されている。ケース１０の外部に露出した端子１１，１２の外側接続部１１ｂ，１２ｂが、側壁部１０ｂ，１０ｄの外面に沿ってケース１０の底面側へ折り曲げられている。
【００１８】
ケース１０の内部の４隅部には、振動板１のコーナ部下面を支持するための支持部１０ｆが形成されている。この支持部１０ｆは上記端子１１，１２の内側接続部１１ａ，１２ａの露出面より一段低く形成されている。それは、支持部１０ｆ上に振動板１を載置することで、振動板１の上面を端子１１，１２の内側接続部１１ａ，１２ａの上面よりやや低くするためである。
【００１９】
上記支持部１０ｆの近傍には、支持部１０ｆより低く、かつ振動板１の下面との間で所定の隙間Ｄ１を形成する受台１０ｇが形成されている。つまり、受台１０ｇの上面と振動板１の下面（支持部１０ｆの上面）との隙間Ｄ１は、後述する第１の弾性接着剤１３の表面張力によって、第１の弾性接着剤１３が流れ出るのを止められる寸法に設定されている。この実施形態では、隙間Ｄ１＝０．１５ｍｍに設定されている。
【００２０】
また、ケース１０の底壁部１０ａの周辺部には後述する第２の弾性接着剤１５を充填するための溝部１０ｈが設けられ、この溝部１０ｈの内側に、支持部１０ｆより低い流れ止め用壁部１０ｉが設けられている。この流れ止め用壁部１０ｉは、第２の弾性接着剤１５が底壁部１０ａへ流れ出るのを規制するものであり、壁部１０ｉの上面と振動板１の下面（支持部１０ｆの上面）との隙間Ｄ２は、第２の弾性接着剤１５がその表面張力によって流れが止められる寸法に設定されている。この実施形態では、隙間Ｄ２＝０．２０ｍｍに設定されている。
この実施形態では、溝部１０ｈの底面は底壁部１０ａの上面より高い位置にあり、比較的少量の第２の弾性接着剤１５で溝部１０ｈが満たされ、かつ周囲に速やかに回り込むよう、溝部１０ｈは浅底に形成されている。具体的には、溝部１０ｈの底面から振動板１の下面（支持部１０ｆの上面）までの高さＤ３＝０．３０ｍｍに設定されている。溝部１０ｈおよび壁部１０ｉは、受台１０ｇを除く底壁部１０ａの周辺部に設けたものであるが、受台１０ｇの内周側を経由して底壁部１０ａの全周に連続的に設けてもよい。
【００２１】
ケース１０の側壁部１０ｂ〜１０ｅの内面には、圧電振動板１の４辺をガイドするテーパ状の突起部１０ｊが設けられている。突起部１０ｊは、各側壁部１０ｂ〜１０ｅにそれぞれ２個ずつ設けられている。
ケース１０の側壁部１０ｂ〜１０ｅの上縁内面には、第２の弾性接着剤１５のはい上がり規制用の凹部１０ｋが形成されている。
また、側壁部１０ｅ寄りの底壁部１０ａには、第１の放音孔１０ｌが形成されている。
ケース１０の側壁部１０ｂ〜１０ｅのコーナ部頂面には、蓋板２０の角部を嵌合保持するための略Ｌ字形の位置決め凸部１０ｍが形成されている。これら凸部１０ｍの内面には、蓋板２０をガイドするためのテーパ面１０ｎが形成されている。
【００２２】
振動板１はケース１０に収納され、そのコーナ部が支持部１０ｆで支持される。振動板１は上に凸となるように湾曲しているので、振動板１を支持部１０ｆ上に載置したとき、振動板１のコーナ部の周縁部が支持部１０ｆに接触することになる。そのため、支持点間の距離が長くなり、面積屈曲振動の節となる円の直径が大きくなり、共振周波数を低周波化できるとともに、低周波域での音圧を高めることができる。
【００２３】
振動板１をケース１０に収納した後、図５に示すように第１の弾性接着剤１３を４箇所に塗布することによって、振動板１は端子１１，１２の内側接続部１１ａ，１２ａに固定される。すなわち、対角位置にある切欠部８ａに露出する主面電極２と端子１１の一方の内側接続部１１ａとの間、および切欠部８ｂに露出する補助電極７と端子１２の一方の内側接続部１２ａとの間に、第１の弾性接着剤１３が塗布される。また、残りの対角位置にある２箇所についても第１の弾性接着剤１３が塗布される。なお、ここでは第１の弾性接着剤１３を横長な楕円形あるいは長円形に塗布したが、塗布形状はこれに限るものではない。第１の弾性接着剤１３としては、例えば硬化後のヤング率が比較的低い接着剤、例えば３．７×１０6 Ｐａ程度のウレタン系接着剤が使用される。第１の弾性接着剤１３を塗布した後、加熱硬化させる。
【００２４】
第１の弾性接着剤１３を硬化させた後、導電性接着剤１４を第１の弾性接着剤１３の上を交差するように楕円形あるいは細長形状に塗布する。導電性接着剤１４としては特に制限はないが、この実施形態では硬化後のヤング率が０．３×１０9 Ｐａのウレタン系導電ペーストを使用した。導電性接着剤１４を塗布した後、これを加熱硬化させることで、主面電極２と端子１１の内側接続部１１ａ、補助電極７と端子１２の内側接続部１２ａとをそれぞれ接続する。導電性接着剤１４の塗布形状は楕円形に限るものではなく、第１の弾性接着剤１３の上面を介して主面電極２と内側接続部１１ａ、補助電極７と内側接続部１２ａとを接続できればよい。第１の弾性接着剤１３が盛り上がって形成されるので、その上面に導電性接着剤１４はアーチ状に塗布され、最短経路を迂回する形となる（図７参照）。したがって、導電性接着剤１４の硬化収縮応力は第１の弾性接着剤１３で緩和され、圧電振動板１に対する影響が小さくなる。
【００２５】
導電性接着剤１４を塗布，硬化させた後、第２の弾性接着剤１５を振動板１の周囲全周とケース１０の内周部との隙間に塗布し、振動板１の表側と裏側との間の空気漏れを防止する。第２の弾性接着剤１５を環状に塗布した後、加熱硬化させる。第２の弾性接着剤１５としては、硬化後のヤング率が低い（例えば３．０×１０5 Ｐａ程度）熱硬化性接着剤が使用される。ここでは、シリコーン系接着剤を使用した。
【００２６】
第２の弾性接着剤１５を塗布した際、その一部がケース１０の側壁部１０ｂ〜１０ｅをはい上がり、側壁部の頂面に付着する可能性がある。第２の弾性接着剤１５がシリコーン系接着剤のように離型性のある封止剤の場合、後で蓋板２０を側壁部１０ｂ〜１０ｅの頂面に接着する際に接着強度が低下する恐れがある。しかし、側壁部１０ｂ〜１０ｅの上縁内面には、第２の弾性接着剤１５のはい上がり規制用の凹部１０ｋが形成されているので、第２の弾性接着剤１５が側壁部の頂面に付着するのを防止できる。
【００２７】
上記のように振動板１をケース１０に固定した後、ケース１０の側壁部頂面に蓋板２０が接着剤２１によって接着される。蓋板２０はケース１０と同様な材料で平板状に形成されている。蓋板２０の周縁部が、上記ケース１０の側壁部頂面に突設された位置決め用凸部１０ｍの内側テーパ面１０ｎに係合され、正確に位置決めされる。蓋板２０をケース１０に接着することで、蓋板２０と振動板１との間に音響空間が形成される。蓋板２０には、第２の放音孔２２が形成されている。
上記のようにして表面実装型の圧電型電気音響変換器が完成する。
【００２８】
この実施形態の電気音響変換器では、端子１１，１２間に所定の交番電圧（交流信号または矩形波信号）を印加することで、振動板１を面積屈曲振動させることができる。分極方向と電界方向とが同一方向である圧電セラミックス層は平面方向に縮み、分極方向と電界方向とが逆方向である圧電セラミックス層は平面方向に伸びるので、全体として厚み方向に屈曲する。
この実施形態では、振動板１がセラミックスの積層構造体であり、厚み方向に順に配置された２つの振動領域（セラミックス層）が相互に逆方向に振動するので、ユニモルフ型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。
また、表裏の保護膜８，９によって振動板１の反りが支持部２０ｆに対して上向きに設定されているので、振動板１の周縁が支持部２０ｆに接触し、面積屈曲振動する際に自由に動ける領域（面積屈曲振動の節になる円の径）が一定に保たれ、しかも支持点間の距離が長く保たれる。そのため、共振周波数が低下して低周波域での音圧が向上し、かつ音圧特性のバラツキを少なくすることができる。
【００２９】
図９は、上向きの反りのある圧電振動板と、下向きの反りのある圧電振動板を用いたときの電気音響変換器の音圧特性を比較したものである。
図から明らかなように、上向きの反りを与えた場合には、下向きの反りを与えた場合に比べて、１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの低周波数域での音圧が改善されていることがわかる。
【００３０】
本発明は上記実施形態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変更可能である。
上記実施形態では、振動板１の表裏面に保護膜８，９を形成し、裏側の保護膜９を表側の保護膜８に比べて厚肉とすることで、振動板１に上に凸の反りを付与したが、表側の保護膜８を省略して裏側の保護膜９のみを設けることで、振動板１に上に凸の反りを付与してもよい。
さらに、振動板１の表裏面に保護膜８，９を形成するとともに、裏側の保護膜９の硬化収縮応力を表側の保護膜８の硬化収縮応力に比べて大きくすることで、振動板１に上に凸の反りを付与してもよい。例えば、表側の保護膜８の線膨張係数を１．０×１０5 〔１／Ｋ〕とし、裏側の保護膜９の線膨張係数を１．０×１０4 〔１／Ｋ〕とするように、表側と裏側の保護膜８，９の材質を異なるものとしてもよい。また、表側の保護膜８の硬化温度を６０℃とし、裏側の保護膜９の硬化温度を１１０℃としてもよい。
【００３１】
上記実施形態の圧電振動板１は２層の圧電セラミックス層を積層したものであるが、３層以上の圧電セラミックス層を積層したものでもよい。
本発明の筐体は、実施形態のような凹断面形状のケース１０と、その上面開口部に接着される蓋板２０とで構成されたものに限らない。例えば下面が開口したキャップ形状のケースと、このケースの下面に接着される基板とで構成し、ケースの内部に圧電振動板１を収容してもよい。
【００３２】
【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、圧電振動板の裏面のみあるいは表裏両面のほぼ全面に、ペースト状樹脂を膜状に塗布・硬化させた保護膜、あるいは接着シートを貼り付けて硬化させた保護膜を形成するとともに、保護膜の硬化収縮応力によって圧電振動板を表面側が凸となるように湾曲させたので、振動板が面積屈曲振動する際に自由に動ける領域（面積屈曲振動の節になる円の径）が一定に保たれ、しかも支持点間の距離が長く保たれるので、共振周波数が低下して低周波域での音圧が高くなり、かつバラツキを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電型電気音響変換器の第１実施形態の分解斜視図である。
【図２】図１の圧電型電気音響変換器に用いられる圧電振動板の斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線による階段断面図である。
【図４】圧電振動板の反りを表す断面図である。
【図５】ケースに振動板を保持した状態（第２の弾性接着剤の塗布前）の平面図である。
【図６】ケースのコーナ部の拡大斜視図である。
【図７】図５のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
【図８】図５のＣ−Ｃ線拡大断面図である。
【図９】上向きの反りのある圧電振動板と、下向きの反りのある圧電振動板を用いたときの音圧−周波数特性図である。
【図１０】反りのある圧電振動板を用いた圧電型電気音響変換器の構造を示す図である。
【図１１】振動板の面積屈曲振動の節の位置を示す図である。
【符号の説明】
１ 圧電振動板
２，３ 主面電極
４ 内部電極
８ 表側の保護膜
９ 裏側の保護膜
１０ ケース
１０ｆ 支持部
１１，１２ 端子
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電レシーバや圧電サウンダなどの圧電型電気音響変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−９５０９４号公報
【特許文献２】
特開２００２−１０３９３号公報
【特許文献３】
特開昭６１−３０８９８号公報
従来、電子機器、家電製品、携帯電話機などにおいて、警報音や動作音を発生する圧電サウンダあるいは圧電レシーバとして電気音響変換器が広く用いられている。従来の電気音響変換器は、金属板の片面に圧電板を貼り付けてユニモルフ型振動板を構成し、金属板の周縁部をケースの中に接着固定するとともに、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、ユニモルフ型の振動板は、拡がり振動する圧電板を面積変化しない金属板で拘束することで、面積屈曲振動を発生させるものであるため、音響変換効率が低く、しかも小型で共振周波数の低い音圧特性を持たせることは困難であった。
【０００３】
特許文献１には、音響変換効率がよい圧電振動板が提案されている。この圧電振動板は、２層または３層の圧電セラミックス層を内部電極を間にして積層して積層体を形成するとともに、この積層体の表裏主面に主面電極を形成したものであり、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加することで、積層体を面積屈曲振動させ、音を発生させる。
この構造の圧電振動板では、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加すると、厚み方向に順に配置された２つの振動領域（セラミックス層）が相互に逆方向に振動するので、ユニモルフ型振動板に比べて音響変換効率が良好であり、大きな音圧を得ることができるとともに、同一寸法でも低周波化することができるという利点がある。
【０００４】
ところで、圧電振動板はセラミックスのみで構成されているので、落下衝撃に対する強度が低い。そこで、特許文献２では、圧電振動板の表裏面のほぼ全面に樹脂の保護膜を形成することで、落下強度を高めたものが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように圧電セラミックスのみで構成された圧電振動板は、音響変換効率に優れているが、非常に薄肉であるため、反りやうねりが発生しやすく、その反りの方向は一定していない。そのため、振動板を筐体に支持した際、面積屈曲振動の節になる円の直径にバラツキを生じ、振動板の共振周波数が大きくばらつくという問題があった。
【０００６】
図１０は反りが発生した圧電振動板を用いた圧電型電気音響変換器の構造を示し、Ａは圧電振動板、Ｂは圧電振動板Ａを支持するケース、Ｃはカバーである。また、図１１の破線は、振動板Ａの面積屈曲振動の節Ｎの位置を示す。
圧電振動板Ａに上向きの反りがある場合には、図１０に実線で示すように支持点間の距離Ｌ１が長くなるのに対し、圧電振動板Ａに下向きの反りがある場合には、破線で示すように支持点間の距離Ｌ２が短くなってしまう。支持点間の距離Ｌ１，Ｌ２は面積屈曲振動の節になる円の直径Ｌに相当する。そのため、下向きの反りがある場合には、圧電振動板Ａの共振周波数が高くなり、低周波域の音圧が低下するという欠点がある。
このように、圧電振動板Ａの反りの方向によって面積屈曲振動の節になる円の直径にバラツキを生じるため、振動板の共振周波数が大きくばらつく結果となる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、圧電振動板の反りの方向を制御し、低周波での音圧が高くかつ共振周波数のバラツキを少なくすることができる圧電型電気音響変換器を提供することにある。
【０００８】
【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に係る発明は、複数の圧電セラミックス層を内部電極を間にして積層し、表裏主面に主面電極を形成し、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加することにより板厚方向に面積屈曲振動する圧電振動板と、この圧電振動板の外周部裏面を支持する支持部を設けた筐体と、を備えた圧電型電気音響変換器において、上記圧電振動板の裏面のみあるいは表裏両面のほぼ全面に、ペースト状樹脂を膜状に塗布して硬化させた保護膜、もしくは接着シートを貼り付けて硬化させた保護膜を形成するとともに、上記保護膜の硬化収縮応力によって上記圧電振動板を表面側が凸となるように湾曲させたことを特徴とする圧電型電気音響変換器を提供する。
【０００９】
本発明では、圧電振動板の表裏面または裏面に耐衝撃性を高めるための保護膜が形成されているが、その保護膜の厚みを調整することで、振動板の反りの方向を制御している。保護膜としては、ペースト状樹脂を膜状に塗布して硬化させたものでもよいし、接着シートを貼り付けて硬化させたものでもよい。例えば、保護膜に加熱硬化型の樹脂材料を使用した場合、その線膨張係数が比較的大きいので、高温で硬化した後、常温に戻したとき、圧電体より体積収縮が大きく、保護膜の面内に引張り力が働く。表裏面で保護膜の引張り力（収縮応力）に差を与えておけば、引張り力の大きい側に向かって凹形状に振動板を反らせることができる。この反りを利用して振動板の凸側を上側（表面側）に向けて、振動板の外周部裏面を筐体の支持部に支持することで、振動板の支持点間の距離が長くなる、換言すれば面積屈曲振動の節になる円の直径を大きくできる。そのため、振動板の共振周波数を低くできるとともに、低周波域の音圧を高くすることができる。また、常に一定の方向に反りを発生させるので、共振周波数および音圧のバラツキを少なくすることができる。
保護膜としては、加熱硬化型に限らず、常温硬化型や紫外線硬化型でも使用可能であるが、加熱硬化型の方が収縮応力が大きいので、圧電振動板に反りをより効果的に発生させることができる。
【００１０】
請求項２のように、保護膜を圧電振動板の表裏両面に形成し、裏面側の保護膜を表面側の保護膜より厚く形成してもよい。
この場合には、表裏面で保護膜の厚みをアンバランスにしておくことで、厚い側の保護膜の方が薄い側の保護膜に比べて余計に体積収縮するので、保護膜の厚い側に向かって凹形状に振動板を反らせることができる。したがって、裏側の保護膜を表側の保護膜より厚く形成すれば、裏側の保護膜の方が表側の保護膜より収縮応力が大きく、圧電振動板を上に凸の反りを与えることができる。
また、圧電振動板の表裏面に保護膜が形成されるので、落下衝撃に対する強度が高いという利点がある。
【００１１】
保護膜は、圧電振動板の裏面のみに形成してもよい。この場合には、圧電振動板の表面には保護膜が形成されないので、裏面の保護膜の厚みが薄くても、その収縮応力によって圧電振動板を表面側が凸となるように反りを与えることができる。
また、圧電振動板の表裏両面に同一厚みの保護膜を形成する場合であっても、その保護膜の硬化方法の違いや保護膜の材料の違いによって、表裏の保護膜の収縮応力に差を与え、圧電振動板に表面側が凸となる反りを与えることもできる。
【００１２】
請求項３のように、圧電振動板を四角形に形成し、筐体の支持部は圧電振動板の４つのコーナ部を支持するよう、筐体の内周部の４箇所に設けてもよい。
圧電振動板には円形と四角形とがあるが、円形に比べて四角形の振動板は、変位体積が大きく、大きな音圧が得られるという利点がある。このような四角形の振動板を支持する場合、その４辺の中央部を支持する場合に比べて、４つのコーナ部を支持した場合には、振動板にほぼ外接する円を面積屈曲振動の節として振動させることができ、外形寸法が同一の振動板でも、共振周波数を低周波化できる。
このような構造に本発明における上向きの反りのある振動板を適用すれば、低周波域での音圧に優れ、かつ特性ばらつきの少ない電気音響変換器が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明にかかる表面実装型の圧電型電気音響変換器の一例を示す。
この実施形態の電気音響変換器は、圧電レシーバのように広いレンジの周波数に対応する用途に適したものであり、積層構造の圧電振動板１とケース１０と蓋板２０とを備えている。ここでは、ケース１０と蓋板２０とで筐体が構成される。
【００１４】
振動板１は、図２，図３に示すように、２層の圧電セラミックス層１ａ，１ｂ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２，３が形成され、セラミックス層１ａ，１ｂの間には内部電極４が形成されている。２つのセラミックス層１ａ，１ｂ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。表側の主面電極２と裏側の主面電極３は、振動板１の辺長よりやや短く形成され、その一端は振動板１の一方の端面に形成された端面電極５に接続されている。そのため、表裏の主面電極２，３は相互に接続されている。内部電極４は主面電極２，３とほぼ対称形状に形成され、内部電極４の一端は上記端面電極５と離れており、他端は振動板１の他端面に形成された端面電極６に接続されている。なお、振動板１の他端部の表裏面には、端面電極６と導通する補助電極７が形成されている。
ここでは、セラミックス層１ａ，１ｂとして、一辺が１０ｍｍ、１層の厚みが２０μｍ（合計４０μｍ）の正方形状ＰＺＴ系セラミックスを使用した。
【００１５】
振動板１の表裏面には、主面電極２，３のほぼ全面を覆う保護膜８，９が形成されている。この保護膜８，９は、落下衝撃による振動板１の割れを防止する目的で設けられた膜であり、ポリアミドイミド系樹脂などのペースト状樹脂を膜状に塗布し、加熱硬化させたものである。表側主面２を覆う保護膜８に比べて、裏側主面３を覆う保護膜９は厚肉に形成されている。そのため、図４に示すように、表裏の保護膜８，９の加熱硬化時の収縮応力の差により、振動板１は上側が凸となるように湾曲した反りが付与されている。例えば、一辺が１０ｍｍの振動板１に形成した表側の保護膜８の厚さを約７μｍ、裏側の保護膜９の厚さを約１５μｍとした場合、その反りΔＣは約０．１ｍｍとなる。
なお、保護膜８，９としては、公知の加熱硬化型接着シートまたは接着フィルムを用いることもできる。
【００１６】
表裏の保護膜８，９には、振動板１の対角のコーナ部近傍に、主面電極２，３が露出する切欠部８ａ，９ａと、補助電極７が露出する切欠部８ｂ，９ｂとが形成されている。切欠部８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂを表裏一方の面にのみ設けてもよいが、表裏の方向性をなくすため、この例では表裏両面に設けてある。
また、補助電極７は、一定幅の帯状電極とする必要はなく、切欠部８ｂ，９ｂに対応する箇所のみ設けてもよい。
【００１７】
ケース１０は、図５〜図８に示すように、樹脂材料で底壁部１０ａと４つの側壁部１０ｂ〜１０ｅとを持つ四角形の箱型に形成されている。樹脂材料としては、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樹脂が望ましい。４つの側壁部１０ｂ〜１０ｅのうち、対向する２つの側壁部１０ｂ，１０ｄの内側に、端子１１，１２の二股状の内側接続部１１ａ，１２ａが露出している。端子１１，１２は、ケース１０にインサート成形されている。ケース１０の外部に露出した端子１１，１２の外側接続部１１ｂ，１２ｂが、側壁部１０ｂ，１０ｄの外面に沿ってケース１０の底面側へ折り曲げられている。
【００１８】
ケース１０の内部の４隅部には、振動板１のコーナ部下面を支持するための支持部１０ｆが形成されている。この支持部１０ｆは上記端子１１，１２の内側接続部１１ａ，１２ａの露出面より一段低く形成されている。それは、支持部１０ｆ上に振動板１を載置することで、振動板１の上面を端子１１，１２の内側接続部１１ａ，１２ａの上面よりやや低くするためである。
【００１９】
上記支持部１０ｆの近傍には、支持部１０ｆより低く、かつ振動板１の下面との間で所定の隙間Ｄ１を形成する受台１０ｇが形成されている。つまり、受台１０ｇの上面と振動板１の下面（支持部１０ｆの上面）との隙間Ｄ１は、後述する第１の弾性接着剤１３の表面張力によって、第１の弾性接着剤１３が流れ出るのを止められる寸法に設定されている。この実施形態では、隙間Ｄ１＝０．１５ｍｍに設定されている。
【００２０】
また、ケース１０の底壁部１０ａの周辺部には後述する第２の弾性接着剤１５を充填するための溝部１０ｈが設けられ、この溝部１０ｈの内側に、支持部１０ｆより低い流れ止め用壁部１０ｉが設けられている。この流れ止め用壁部１０ｉは、第２の弾性接着剤１５が底壁部１０ａへ流れ出るのを規制するものであり、壁部１０ｉの上面と振動板１の下面（支持部１０ｆの上面）との隙間Ｄ２は、第２の弾性接着剤１５がその表面張力によって流れが止められる寸法に設定されている。この実施形態では、隙間Ｄ２＝０．２０ｍｍに設定されている。
この実施形態では、溝部１０ｈの底面は底壁部１０ａの上面より高い位置にあり、比較的少量の第２の弾性接着剤１５で溝部１０ｈが満たされ、かつ周囲に速やかに回り込むよう、溝部１０ｈは浅底に形成されている。具体的には、溝部１０ｈの底面から振動板１の下面（支持部１０ｆの上面）までの高さＤ３＝０．３０ｍｍに設定されている。溝部１０ｈおよび壁部１０ｉは、受台１０ｇを除く底壁部１０ａの周辺部に設けたものであるが、受台１０ｇの内周側を経由して底壁部１０ａの全周に連続的に設けてもよい。
【００２１】
ケース１０の側壁部１０ｂ〜１０ｅの内面には、圧電振動板１の４辺をガイドするテーパ状の突起部１０ｊが設けられている。突起部１０ｊは、各側壁部１０ｂ〜１０ｅにそれぞれ２個ずつ設けられている。
ケース１０の側壁部１０ｂ〜１０ｅの上縁内面には、第２の弾性接着剤１５のはい上がり規制用の凹部１０ｋが形成されている。
また、側壁部１０ｅ寄りの底壁部１０ａには、第１の放音孔１０ｌが形成されている。
ケース１０の側壁部１０ｂ〜１０ｅのコーナ部頂面には、蓋板２０の角部を嵌合保持するための略Ｌ字形の位置決め凸部１０ｍが形成されている。これら凸部１０ｍの内面には、蓋板２０をガイドするためのテーパ面１０ｎが形成されている。
【００２２】
振動板１はケース１０に収納され、そのコーナ部が支持部１０ｆで支持される。振動板１は上に凸となるように湾曲しているので、振動板１を支持部１０ｆ上に載置したとき、振動板１のコーナ部の周縁部が支持部１０ｆに接触することになる。そのため、支持点間の距離が長くなり、面積屈曲振動の節となる円の直径が大きくなり、共振周波数を低周波化できるとともに、低周波域での音圧を高めることができる。
【００２３】
振動板１をケース１０に収納した後、図５に示すように第１の弾性接着剤１３を４箇所に塗布することによって、振動板１は端子１１，１２の内側接続部１１ａ，１２ａに固定される。すなわち、対角位置にある切欠部８ａに露出する主面電極２と端子１１の一方の内側接続部１１ａとの間、および切欠部８ｂに露出する補助電極７と端子１２の一方の内側接続部１２ａとの間に、第１の弾性接着剤１３が塗布される。また、残りの対角位置にある２箇所についても第１の弾性接着剤１３が塗布される。なお、ここでは第１の弾性接着剤１３を横長な楕円形あるいは長円形に塗布したが、塗布形状はこれに限るものではない。第１の弾性接着剤１３としては、例えば硬化後のヤング率が比較的低い接着剤、例えば３．７×１０6 Ｐａ程度のウレタン系接着剤が使用される。第１の弾性接着剤１３を塗布した後、加熱硬化させる。
【００２４】
第１の弾性接着剤１３を硬化させた後、導電性接着剤１４を第１の弾性接着剤１３の上を交差するように楕円形あるいは細長形状に塗布する。導電性接着剤１４としては特に制限はないが、この実施形態では硬化後のヤング率が０．３×１０9 Ｐａのウレタン系導電ペーストを使用した。導電性接着剤１４を塗布した後、これを加熱硬化させることで、主面電極２と端子１１の内側接続部１１ａ、補助電極７と端子１２の内側接続部１２ａとをそれぞれ接続する。導電性接着剤１４の塗布形状は楕円形に限るものではなく、第１の弾性接着剤１３の上面を介して主面電極２と内側接続部１１ａ、補助電極７と内側接続部１２ａとを接続できればよい。第１の弾性接着剤１３が盛り上がって形成されるので、その上面に導電性接着剤１４はアーチ状に塗布され、最短経路を迂回する形となる（図７参照）。したがって、導電性接着剤１４の硬化収縮応力は第１の弾性接着剤１３で緩和され、圧電振動板１に対する影響が小さくなる。
【００２５】
導電性接着剤１４を塗布，硬化させた後、第２の弾性接着剤１５を振動板１の周囲全周とケース１０の内周部との隙間に塗布し、振動板１の表側と裏側との間の空気漏れを防止する。第２の弾性接着剤１５を環状に塗布した後、加熱硬化させる。第２の弾性接着剤１５としては、硬化後のヤング率が低い（例えば３．０×１０5 Ｐａ程度）熱硬化性接着剤が使用される。ここでは、シリコーン系接着剤を使用した。
【００２６】
第２の弾性接着剤１５を塗布した際、その一部がケース１０の側壁部１０ｂ〜１０ｅをはい上がり、側壁部の頂面に付着する可能性がある。第２の弾性接着剤１５がシリコーン系接着剤のように離型性のある封止剤の場合、後で蓋板２０を側壁部１０ｂ〜１０ｅの頂面に接着する際に接着強度が低下する恐れがある。しかし、側壁部１０ｂ〜１０ｅの上縁内面には、第２の弾性接着剤１５のはい上がり規制用の凹部１０ｋが形成されているので、第２の弾性接着剤１５が側壁部の頂面に付着するのを防止できる。
【００２７】
上記のように振動板１をケース１０に固定した後、ケース１０の側壁部頂面に蓋板２０が接着剤２１によって接着される。蓋板２０はケース１０と同様な材料で平板状に形成されている。蓋板２０の周縁部が、上記ケース１０の側壁部頂面に突設された位置決め用凸部１０ｍの内側テーパ面１０ｎに係合され、正確に位置決めされる。蓋板２０をケース１０に接着することで、蓋板２０と振動板１との間に音響空間が形成される。蓋板２０には、第２の放音孔２２が形成されている。
上記のようにして表面実装型の圧電型電気音響変換器が完成する。
【００２８】
この実施形態の電気音響変換器では、端子１１，１２間に所定の交番電圧（交流信号または矩形波信号）を印加することで、振動板１を面積屈曲振動させることができる。分極方向と電界方向とが同一方向である圧電セラミックス層は平面方向に縮み、分極方向と電界方向とが逆方向である圧電セラミックス層は平面方向に伸びるので、全体として厚み方向に屈曲する。
この実施形態では、振動板１がセラミックスの積層構造体であり、厚み方向に順に配置された２つの振動領域（セラミックス層）が相互に逆方向に振動するので、ユニモルフ型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。
また、表裏の保護膜８，９によって振動板１の反りが支持部２０ｆに対して上向きに設定されているので、振動板１の周縁が支持部２０ｆに接触し、面積屈曲振動する際に自由に動ける領域（面積屈曲振動の節になる円の径）が一定に保たれ、しかも支持点間の距離が長く保たれる。そのため、共振周波数が低下して低周波域での音圧が向上し、かつ音圧特性のバラツキを少なくすることができる。
【００２９】
図９は、上向きの反りのある圧電振動板と、下向きの反りのある圧電振動板を用いたときの電気音響変換器の音圧特性を比較したものである。
図から明らかなように、上向きの反りを与えた場合には、下向きの反りを与えた場合に比べて、１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの低周波数域での音圧が改善されていることがわかる。
【００３０】
本発明は上記実施形態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変更可能である。
上記実施形態では、振動板１の表裏面に保護膜８，９を形成し、裏側の保護膜９を表側の保護膜８に比べて厚肉とすることで、振動板１に上に凸の反りを付与したが、表側の保護膜８を省略して裏側の保護膜９のみを設けることで、振動板１に上に凸の反りを付与してもよい。
さらに、振動板１の表裏面に保護膜８，９を形成するとともに、裏側の保護膜９の硬化収縮応力を表側の保護膜８の硬化収縮応力に比べて大きくすることで、振動板１に上に凸の反りを付与してもよい。例えば、表側の保護膜８の線膨張係数を１．０×１０5 〔１／Ｋ〕とし、裏側の保護膜９の線膨張係数を１．０×１０4 〔１／Ｋ〕とするように、表側と裏側の保護膜８，９の材質を異なるものとしてもよい。また、表側の保護膜８の硬化温度を６０℃とし、裏側の保護膜９の硬化温度を１１０℃としてもよい。
【００３１】
上記実施形態の圧電振動板１は２層の圧電セラミックス層を積層したものであるが、３層以上の圧電セラミックス層を積層したものでもよい。
本発明の筐体は、実施形態のような凹断面形状のケース１０と、その上面開口部に接着される蓋板２０とで構成されたものに限らない。例えば下面が開口したキャップ形状のケースと、このケースの下面に接着される基板とで構成し、ケースの内部に圧電振動板１を収容してもよい。
【００３２】
【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、圧電振動板の裏面のみあるいは表裏両面のほぼ全面に、ペースト状樹脂を膜状に塗布・硬化させた保護膜、あるいは接着シートを貼り付けて硬化させた保護膜を形成するとともに、保護膜の硬化収縮応力によって圧電振動板を表面側が凸となるように湾曲させたので、振動板が面積屈曲振動する際に自由に動ける領域（面積屈曲振動の節になる円の径）が一定に保たれ、しかも支持点間の距離が長く保たれるので、共振周波数が低下して低周波域での音圧が高くなり、かつバラツキを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電型電気音響変換器の第１実施形態の分解斜視図である。
【図２】図１の圧電型電気音響変換器に用いられる圧電振動板の斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線による階段断面図である。
【図４】圧電振動板の反りを表す断面図である。
【図５】ケースに振動板を保持した状態（第２の弾性接着剤の塗布前）の平面図である。
【図６】ケースのコーナ部の拡大斜視図である。
【図７】図５のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
【図８】図５のＣ−Ｃ線拡大断面図である。
【図９】上向きの反りのある圧電振動板と、下向きの反りのある圧電振動板を用いたときの音圧−周波数特性図である。
【図１０】反りのある圧電振動板を用いた圧電型電気音響変換器の構造を示す図である。
【図１１】振動板の面積屈曲振動の節の位置を示す図である。
【符号の説明】
１ 圧電振動板
２，３ 主面電極
４ 内部電極
８ 表側の保護膜
９ 裏側の保護膜
１０ ケース
１０ｆ 支持部
１１，１２ 端子
Claims (3)
- 複数の圧電セラミックス層を内部電極を間にして積層し、表裏主面に主面電極を形成し、主面電極と内部電極との間に交流信号を印加することにより板厚方向に面積屈曲振動する圧電振動板と、この圧電振動板の外周部裏面を支持する支持部を設けた筐体と、を備えた圧電型電気音響変換器において、
上記圧電振動板の裏面のみあるいは表裏両面のほぼ全面に、ペースト状樹脂を膜状に塗布して硬化させた保護膜、もしくは接着シートを貼り付けて硬化させた保護膜を形成するとともに、上記保護膜の硬化収縮応力によって上記圧電振動板を表面側が凸となるように湾曲させたことを特徴とする圧電型電気音響変換器。 - 上記保護膜は圧電振動板の表裏両面に形成され、かつ裏面側の保護膜は表面側の保護膜より厚く形成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。
- 上記圧電振動板は四角形に形成され、
上記筐体の支持部は上記圧電振動板の４つのコーナ部を支持するよう、筐体の内周部の４箇所に設けら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。
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