JP4633422B2 - 圧電型振動素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電発音器等に用いる圧電型振動素子に関するものである。

特開平１１−９４８７１号公報には、加速度センサに用いる圧電型振動素子が示されている。この圧電型振動素子は、振動板に圧電素子が接合されてなる圧電振動体と、圧電振動体の一方の端部を支持する支持体とを備えている。この種の圧電型振動素子では、該素子を実装した機器の落下等により、圧電振動体が必要以上に大きく振動したときに、圧電振動体が大きく撓んで、圧電素子が破損する問題があった。そこで、この圧電型振動素子では、圧電振動体の振動方向両側に圧電振動体の振れ幅を規制する振れ幅規制手段を配置している。この振れ幅規制手段は、圧電振動体が必要以上に大きく振動しようとすると、圧電振動体の一部に接触して、圧電振動体の振れ幅を規制する。
特開平１１−９４８７１号公報

しかしながら、このような振れ幅規制手段を圧電振動体の振動方向両側に配置しても、圧電素子の破損を十分に防止することはできなかった。

本発明の目的は、圧電振動体の破損を十分に防止することができる圧電型振動素子を提供することにある。

本発明の他の目的は、圧電型振動素子の機器への組み付けが容易になり、また部品点数を増加させることがない圧電型振動素子を提供することにある。

本発明の圧電型振動素子は、振動板に１以上の圧電素子が接合されてなる圧電振動体と、圧電振動体を振動可能に支持する支持体とを備えている。そして、圧電型振動素子は、圧電振動体の振動方向両側に圧電振動体の振れ幅を規制する振れ幅規制手段が配置された状態で使用される。本発明では、圧電振動体の支持体によって支持されていない振動部分に変形抑制層を形成する。この変形抑制層は、動作時における圧電振動体の振動には大きな影響を与えないが、圧電振動体の一部が振れ幅規制手段と接触した状態になるほどに大きな衝撃が外部から加わった際に、圧電振動体を破損させるような変形が圧電振動体に生じるのを抑制するように形成されている。

本願発明者は、振れ幅規制手段を配置した場合において、外部からかなり大きな衝撃が加わったときに、圧電振動体の先端部が振れ幅規制手段と接触した後、その先端部から支持体側の部分が、振れ幅規制手段が配置されている方向に向かって変形を続け、その変形が圧電振動体を破損する原因になっていることを見出した。そこで、本願発明者は、圧電振動体に、このような変形が生じるのを抑制するために、圧電振動体の振動部分に変形抑制層を形成した。この変形抑制層は、圧電振動体の先端が振れ幅規制手段に接触した後に、更に変形を続けた場合において、実質的に圧電振動体の機械的強度を補強する効果または圧電振動体の一部の剛性を増す効果を発揮する。したがって本発明によれば、振れ幅規制手段が配置される場合において、振れ幅規制手段で対処する衝撃を上回る大きな衝撃が加わった場合でも、圧電振動体が破損するのを防止することができる。特に本発明によれば、部品点数を増加させることなく、圧電振動体の破損を十分に防止することができる。

本発明の圧電型振動素子は、圧電振動体の長手方向の一方の端部を支持体により振動可能に支持するいわゆる片持ちの圧電型振動素子にも適用できるし、圧電振動体の長手方向の中央部を支持体により振動可能に支持するいわゆる両持ちの圧電型振動素子にも適用できる。振動板の表面及び裏面にそれぞれ圧電素子が接合されてなる細長い圧電振動体を用い、圧電振動体の長手方向の中央部を支持体により振動可能に支持する場合には、圧電振動体の中央部の両側に位置する一対の振動部分に変形抑制層を形成する。

変形抑制層は、弾性または可撓性を有する電気絶縁材料から形成することができる。このような材料で変形抑制層を形成した場合には、変形抑制層の厚み、パターンを適宜に変えることによって、必要な変形抑制効果を簡単に得ることができる。

なお変形抑制層は、振動部分の表面及び裏面の少なくとも一方の面上に形成することができる。通常の動作にできるだけ影響を与えないようにするためには、振動部分の表面及び裏面の両方にバランスよく変形抑制層を形成するのが好ましい。具体的には、振動部分の支持体側に位置する固定端部と自由端部との間の中間位置における固定端部に隣接した位置または固定端部寄りの位置に変形抑制層を形成するのが好ましい。

圧電振動体の構造によっても異なるが、固定端部から変形抑制層までの距離を、振動部分の長手方向の寸法の４〜１５％にし、自由端部から変形抑制層までの距離を、振動部分の長手方向の寸法の３０〜５０％にするのが好ましい。

また変形抑制層は、固定端部から５ｍｍ以内の位置にある振動部分の振動幅を０．５ｍｍ以下に抑制するように中間位置に形成するのが好ましい。このようにすると実用上、圧電振動体が破損することが無くなる。またこの範囲であれば、最小限の大きさの変形抑制層で圧電振動体の破損を防止できる。

変形抑制層は、種々の方法で形成することができる。例えば、合成樹脂ペーストを振動部分の表面及び裏面の少なくとも一方の上に印刷して形成することができる。また、合成樹脂シートを振動部分の表面及び裏面の少なくとも一方の上に貼り付けて形成することもできる。このようにすれば、圧電型振動素子を量産する際に、変形抑制層を容易に形成することができる。

本発明によれば、振れ幅規制手段が配置される場合において、振れ幅規制手段で対処する衝撃を上回る大きな衝撃が加わった場合でも、圧電振動体が破損するのを十分に防止することができる利点が得られる。特に本発明によれば、部品点数を増加させることなく、圧電振動体の破損を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１及び図２は、本発明の実施の形態の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の正面図及び平面図である。なお、図１では、理解を容易にするため、一部の厚み寸法を誇張して描いている。また、図２では、後述する上部壁９を取り除いた状態で圧電発音器を描いている。本例の圧電発音器１は、支持体３と該支持体３に支持される圧電振動体５とを有している。圧電振動体５の振動方向両側には、上部壁９と下部壁１１とが配置されている。本例では、上部壁９及び下部壁１１が圧電振動体５の振れ幅を規制する振れ幅規制手段を構成している。支持体３は、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等からなる直方体形状を有しており、下部壁１１上に配置されている。この支持体３の上方には、下部壁１１が延びる方向と平行に延びる切込部３ａが形成されている。

圧電振動体５は、振動板１３と第１の圧電素子１５と第２の圧電素子１７とを有している。即ち、本例では、振動板１３の両方にそれぞれ圧電素子１５，１７を接合するバイモルフタイプの圧電素子を採用している。振動板１３は、表面１３ａと裏面１３ｂとを有する細長い長方形の板形状を有しており、鉄−ニッケル合金、黄銅等からなる金属板により形成されている。第１の圧電素子１５は、表面に第１電極１５ａを有し、裏面に第２電極１５ｂを有するように複数の圧電セラミックス層と電極層が交互に積層された構造を有する積層圧電素子である。第１の圧電素子１５は、振動板１３の表面１３ａの表面側外周面部１３ｃを残すようにして第２の電極１５ｂが振動板１３の表面１３ａに電気的に導通可能に接合されている。第２の圧電素子１７も第１の圧電素子１５と同様に、表面に第１電極１７ａを有し、裏面に第２電極１７ｂを有するように複数の圧電セラミックス層と電極層が交互に積層された構造を有する積層圧電素子である。第２の圧電素子１７では、振動板１３の裏面１３ｂの裏面側外周面部１３ｄを残すようにして第２の電極１７ｂが振動板１３の裏面１３ｂに電気的に導通可能に接合されている。そして、圧電振動体５の長手方向中央部５ａが支持体３の切込部３ａ内に嵌合されて固定されている。これにより、圧電振動体５の長手方向中央部５ａが支持体３に支持された状態で、支持体３によって支持されていない一対の振動部分５ｂ，５ｂが上下方向に振動する。なお、本例では、第１及び第２の圧電素子１５，１７として積層圧電素子を用いたが、圧電素子は単層からなるものも用いることができる。

一対の振動部分５ｂ，５ｂのそれぞれの両面の一部には、変形抑制層１９が形成されている。即ち、４つの変形抑制層１９が形成されている。変形抑制層１９は、シリコンゴム、ウレタンゴム等からなる弾性または可撓性を有する電気絶縁材料の合成樹脂から形成されており、動作時における圧電振動体５の振動には実質的に影響を与えないが、圧電振動体５を破損させるような変形が圧電振動体５に生じるのを抑制する。本例では、印刷パターンにより０．０２〜０．３ｍｍの厚み寸法に変形抑制層１９を形成した。この変形抑制層１９は、一対の振動部分５ｂ，５ｂの支持体側の固定端部５ｃ、自由端部５ｄ及び幅方向の端部５ｅ，５ｆのそれぞれから所定の間隔を隔てた振動部分５ｂの中間位置における固定端部５ｃに隣接した位置に形成されている。固定端部５ｃから変形抑制層１９の端部までの距離Ｌ２は、振動部分５ｂの長手方向の距離Ｌ１の４〜１５％とし、自由端部５ｄから変形抑制層１９の端部までの距離Ｌ３は、振動部分５ｂの長手方向の距離Ｌ１の３０〜５０％とするのが好ましい。これらの変形抑制層１９は、合成樹脂シートを粘着剤により張り付けて形成することもできる。

本例の圧電発音器１では、外部から加わった大きな衝撃で、圧電振動体５が必要以上に振動すると、上部壁９または下部壁１１に圧電振動体５の先端が最初が接触して圧電振動体５の振れ幅が規制される。しかしながら、衝撃が大きい場合には、圧電振動体５の先端が上部壁９または下部壁１１に接触した後でも、振動部分の変形は続く。すなわち先端に続いて、固定端部５ｃ寄りの振動部分が上部壁９または下部壁１１に接触するように変形が続く。外部から加わる衝撃が大きいほど、この変形の範囲は固定端部５ｃに近づくように広がる。しかしながら、本発明では変形抑制層１９が、固定端部５ｃに隣接した振動部分の変形を抑制する効果を発揮するため、圧電振動体５に破損が生じるのを防止することができる。

次に、変形抑制層を形成しない圧電型振動素子を用いて、固定端部から種々の距離に加重を加え、各加重を加えた位置における圧電振動体の変位量と圧電振動体の破損状況との関係を調べた。表１はその測定結果を示している。

表１において、Ｘは加重を加えた固定端部からの距離であり、Ｙは加重を加えた位置における圧電振動体の振動幅であり、表中の数値は試験に供した５個の圧電振動体の内、破損した圧電振動体の個数である。表１より固定端部から５ｍｍ以内に位置する部分の振動幅を０．５ｍｍ以下にすれば、圧電振動体の破損を防止できるのが分かる。

以下、本発明をする過程において発明者が発明した本発明の前提となる圧電型振動素子の構成について説明する。図３は、本発明の前提となる第１の参考例の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の正面図である。本参考例の圧電発音器では、上部壁１０９と下部壁１１１とにそれぞれ変形抑制用スペーサ１１９が設けられている。変形抑制用スペーサ１１９は、圧電振動体１０５の一対の振動部分１０５ｂの各両面に間隙を隔てて形成されている。更に、変形抑制用スペーサ１１９は、一対の振動部分１０５ｂの支持体１０３側の固定端部１０５ｃ及び自由端部１０５ｄのそれぞれから所定の間隔を隔てた振動部分１０５ｂの中間位置に対応して配置されている。

本参考例の圧電発音器１０１では、外部から加わった大きな衝撃で、圧電振動体１０５が必要以上に振動すると、上部壁１０９または下部壁１１１に圧電振動体１０５の先端が最初が接触して圧電振動体１０５の振れ幅が規制される。しかしながら、衝撃が大きい場合には、圧電振動体１０５の先端が上部壁１０９または下部壁１１１に接触した後でも、振動部分の変形は続く。外部から加わる衝撃が大きいほど、この変形の範囲は固定端部１０５ｃに近づくように広がる。しかしながら、本参考例では圧電振動体１０５が変形抑制用スペーサ１１９に接触して、固定端部１０５ｃに隣接した振動部分の変形を抑制する効果を発揮するため、圧電振動体１０５に破損が生じるのを防止することができる。

図４は、本発明の前提となる第２の参考例の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の正面図である。本参考例の圧電発音器では、下部壁２１１にそれぞれ変形抑制用スペーサ２１９が設けられている。変形抑制用スペーサ２１９は、横断面形状がコの字形を有しており、一対の振動部分２０５ｂの一部が変形抑制用スペーサ２１９のコの字形の中空部２１９ａ内に配置されている。変形抑制用スペーサ２１９は、一対の振動部分２０５ｂの支持体２０３側の固定端部２０５ｃ及び自由端部２０５ｄのそれぞれから所定の間隔を隔てた振動部分２０５ｂの中間位置に対応して配置されている。

図５は、本発明の前提となる第３の参考例の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の正面図である。本参考例の圧電発音器では、支持体３０３に４つの変形抑制用スペーサ３１９が一体に設けられている。具体的には、変形抑制用スペーサ３１９は、一対の振動部分３０５ｂの固定端部３０５ｃ近傍の両面に間隙を隔てて形成されている。

図６は、本発明の前提となる第４の参考例の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の正面図である。本参考例の圧電発音器の支持体４０３には、４つの弾性体４１９が設けられている。弾性体４１９は、支持体４０３にインサート成形により形成されており、圧電振動体４０５の一対の振動部分４０５ｂの固定端部４０５ｃ近傍の両面に接触して、圧電振動体４０５の変形を抑制する。

以下、本明細書に記載したその他の発明の構成を付記する。

（１）
振動板の表面及び裏面にそれぞれ圧電素子が接合されてなる細長い圧電振動体と、
前記圧電振動体の長手方向の中央部を振動可能に支持する支持体とを備え、
前記圧電振動体の振動方向両側に前記圧電振動体の振れ幅を規制する振れ幅規制手段が配置された状態で使用される圧電型振動素子であって、
前記圧電振動体の前記支持体によって支持されていない振動部分の両側に、動作時における前記圧電振動体の振動には実質的に影響を与えないが、前記圧電振動体の一部が前記振れ幅規制手段と接触した状態になるほどに大きな衝撃が外部から加わった際に、前記圧電振動体を破損させるような変形が前記圧電振動体に生じるのを抑制する変形抑制用スペーサが配置されていることを特徴とする圧電型振動素子。

（２）
前記変形抑制用スペーサは、前記振れ幅規制手段に設けられていることを特徴とする上記（１）に記載の圧電型振動素子。

（３）
前記変形抑制用スペーサは、横断面形状がコの字形を有しており、
前記一対の振動部分の一部が前記コの字形の中空部に配置されていることを特徴とする上記（１）に記載の圧電型振動素子。

（４）
振動板の表面及び裏面にそれぞれ圧電素子が接合されてなる細長い圧電振動体と、
前記圧電振動体の長手方向の中央部を振動可能に支持する支持体とを備え、
前記圧電振動体の振動方向両側に前記圧電振動体の振れ幅を規制する振れ幅規制手段が配置された状態で使用される圧電型振動素子であって、
前記圧電振動体の前記支持体によって支持されていない振動部分の両側に、動作時における前記圧電振動体の振動には実質的に影響を与えないが、前記圧電振動体の一部が前記振れ幅規制手段と接触した状態になるほどに大きな衝撃が外部から加わった際に、前記圧電振動体を破損させるような変形が前記圧電振動体に生じるのを抑制する変形抑制用スペーサが配置されており、
前記変形抑制用スペーサは、前記支持体に一体に設けられていることを特徴とする圧電型振動素子。

（５）
振動板の表面及び裏面にそれぞれ圧電素子が接合されてなる細長い圧電振動体と、
前記圧電振動体の長手方向の中央部を振動可能に支持する支持体とを備え、
前記圧電振動体の振動方向両側に前記圧電振動体の振れ幅を規制する振れ幅規制手段が配置された状態で使用される圧電型振動素子であって、
前記圧電振動体の前記支持体によって支持されていない振動部分の両側に、動作時における前記圧電振動体の振動には実質的に影響を与えないが、前記圧電振動体の一部が前記振れ幅規制手段と接触した状態になるほどに大きな衝撃が外部から加わった際に、前記圧電振動体を破損させるような変形が前記圧電振動体に生じるのを抑制する変形抑制用スペーサが配置されており、
前記変形抑制用スペーサは、前記支持体にインサート成形された弾性体からなることを特徴とする圧電型振動素子。

本発明の実施の形態の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の正面図である。 本発明の実施の形態の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の平面図である。 本発明の前提となる第１の参考例の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の正面図である。 本発明の前提となる第２の参考例の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の正面図である。 本発明の前提となる第３の参考例の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の正面図である。 本発明の前提となる第４の参考例の圧電型振動素子を構成する圧電発音器の正面図である。

符号の説明

１ 圧電発音器（圧電型振動素子）
３ 支持体
５ 圧電振動体
５ａ 長手方向中央部
５ｂ 振動部分
９，１１ 振れ幅規制手段
１３ 振動板
１５ 第１の圧電素子
１７ 第２の圧電素子
１９ 変形抑制層

Claims (6)

1. 振動板に１以上の圧電素子が接合されてなる圧電振動体と、
   前記圧電振動体を振動可能に支持する支持体とを備え、
   前記圧電振動体の振動方向両側に前記圧電振動体の振れ幅を規制する振れ幅規制手段が配置された状態で使用される圧電型振動素子であって、
   前記圧電振動体の前記支持体によって支持されていない振動部分に、動作時における前記圧電振動体の振動には実質的に影響を与えないが、前記圧電振動体の一部が前記振れ幅規制手段と接触した状態になるほどに大きな衝撃が外部から加わった際に、前記圧電振動体を破損させるような変形が前記圧電振動体に生じるのを抑制する変形抑制層が形成されており、
   前記変形抑制層は、前記振動部分の支持体側に位置する固定端部と自由端部との間の中間位置における前記固定端部に隣接した位置に形成されており、
   前記固定端部から前記変形抑制層までの距離は、前記振動部分の前記長手方向の寸法の４〜１５％であり、
   前記自由端部から前記変形抑制層までの距離は、前記振動部分の前記長手方向の寸法の３０〜５０％であり、
   且つ前記変形抑制層は、前記固定端部から５ｍｍ以内の位置にある前記振動部分の振動幅を０．５ｍｍ以下に抑制するように前記中間位置に形成されていることを特徴とする圧電型振動素子。
2. 前記変形抑制層は、弾性または可撓性を有する電気絶縁材料から形成されている請求項１に記載の圧電型振動素子。
3. 振動板の表面及び裏面にそれぞれ圧電素子が接合されてなる細長い圧電振動体と、
   前記圧電振動体の長手方向の中央部を振動可能に支持する支持体とを備え、
   前記圧電振動体の振動方向両側に前記圧電振動体の振れ幅を規制する振れ幅規制手段が配置された状態で使用される圧電型振動素子であって、
   前記圧電振動体の前記支持体によって支持されていない一対の振動部分には、弾性材料または可撓性材料からなる変形抑制層が設けられ、
   前記変形抑制層は、動作時における前記圧電振動体の振動には実質的に影響を与えないが、前記圧電振動体の一部が前記振れ幅規制手段と接触した状態になるほどに大きな衝撃が外部から加わった際に、前記圧電振動体を破損させるような変形が前記圧電振動体に生じるのを抑制するように構成されており、
   前記変形抑制層は、前記振動部分の支持体側に位置する固定端部と自由端部との間の中間位置における前記固定端部に隣接した位置に形成されており、
   前記固定端部から前記変形抑制層までの距離は、前記振動部分の前記長手方向の寸法の４〜１５％であり、
   前記自由端部から前記変形抑制層までの距離は、前記振動部分の前記長手方向の寸法の３０〜５０％であり、
   且つ前記変形抑制層は、前記固定端部から５ｍｍ以内の位置にある前記振動部分の振動幅を０．５ｍｍ以下に抑制するように前記中間位置に形成されていることを特徴とする圧電型振動素子。
4. 前記変形抑制層は、前記振動部分の表面及び裏面の少なくとも一方の面上に形成されている請求項１乃至３のいずれか一つに記載の圧電型振動素子。
5. 前記変形抑制層は、合成樹脂ペーストを前記振動部分の前記表面及び裏面の少なくとも一方の上に印刷して形成されている請求項１乃至４のいずれか一つに記載の圧電型振動素子。
6. 前記変形抑制層は、合成樹脂シートが前記振動部分の前記表面及び裏面の少なくとも一方の上に貼り付けされて形成されている請求項１乃至４のいずれか一つに記載の圧電型振動素子。

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