JP5012512B2 - 圧電アクチュエータおよび電子機器 - Google Patents
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Description
(第1の実施形態)
図3は、本実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す分解斜視図であり、図4は、図3の圧電アクチュエータの縦断面図である。
(第2実施形態)
本発明の圧電アクチュエータは、台座の外周部と支持部材の内周部との間の振動膜介在部Aの撓み量δ(m)は下記のように算出できる。なお、台座の外周部と支持部材の内径部との間の振動膜介在部Aは、図7に示すように、振動膜介在部A(30a)は、台座20の外周部20cと、支持部材45の内周部45aとの間に位置している振動膜で構成される介在部位であり、この振動膜介在部Aの撓み量δ(m)は、下記算出式(1)から算出される。
L:台座の外周部と支持部材の内周部との間の振動膜介在部の長さ(m)
E:振動膜の材料の縦弾性係数(N/m2)
W:荷重(N)
I:慣性モーメント(m4)
I = (b・h3)/12 ・・・(式2)
b:振動膜介在部の幅(m)=0.001
h:振動膜の厚み(m)
以下に例として、図10に示す形状における振動膜介在部Aの撓み量δを算出する。振動膜介在部Aの長さLが0.001m(1mm)、振動膜の縦弾性係数(材質:ウレタン)が4.0×108(N/m2)、振動膜の厚みhが8×10−5(m)(80μm)、規定値である幅bが0.001m(1mm)、規定値である荷重Wが1(N)をそれぞれ代入して算出すれば、撓み量δは0.0195(m)となる。
本発明の圧電アクチュエータは、上記実施形態に示したものに限らず、図11A,11Bに示すような構成であってもよい。図11Aは第2の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す分解斜視図であり、図11Bは圧電アクチュエータの縦断面図である。
本発明の圧電アクチュエータは、上記実施形態に示したものに限らず図12に示すような構成であってもよい。図12に示す圧電アクチュエータ52では、正方形に形成された圧電素子11が使用されている。その他の構成については第1の実施形態と同様である。圧電素子11は、第1の実施形態の圧電素子10の輪郭形状のみを変更したものであり、その材質や基本的構造については第1の実施形態と同様である。例えば、圧電板の上下面にそれぞれ上部電極層と下部電極層とが形成されている点については、上記実施形態と同様である。
本発明の圧電アクチュエータは、さらに、上記実施形態に示したものに限らず図13、図14に示すような構成であってもよい。図13は、第4の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す平面図であり、図14は、圧電アクチュエータに用いられる台座単体を示す平面図である。
本発明の圧電アクチュエータは、さらに、上記実施形態に示したものに限らず図17に示すような構成であってもよい。なお、図17では、圧電素子10の図示は省略されている。図17に示す圧電アクチュエータ54では、正方形の支持部材46が使用され、また、これに合わせて振動膜32もの輪郭形状も矩形とされている。その他の構成については第1の実施形態と同様である。
本発明の圧電アクチュエータは、上記実施形態に示したものに限らず図18に示すような構成であってもよい。図18に示す圧電アクチュエータ55では、湾曲部33bを備えた振動膜33が使用されている。その他の構成については第1の実施形態と同様である。
以上、圧電素子10が台座の一方の面に固定された構成を例に挙げて説明してきたが、本発明の圧電アクチュエータはそれに限定されるものではない。図19に示すような、バイモルフ型の圧電素子11を搭載した構成とすることも可能である。
(評価1)共振周波数の測定:交流電圧1V入力時の共振周波数を測定した。
(評価2)最大振動速度振幅:交流電圧1V印加、共振時の最大振動速度振幅Vmax(図6A,6Bを参照)を測定した。
(評価3)平均振動速度振幅:図21に示すように、圧電素子の長手方向に均一に分割された測定点20点において振動速度振幅を測定し、これらの平均値を算出した。
(評価4)振動膜介在部の撓み量δの算出。下記式より、撓み量δを算出した。なお、下記の式中、荷重は1N(N/m2)、幅bを0.001m(式2)に規定して計算する(計算方法の詳細は第2の実施形態を参照)。
L:台座の外周部と支持部材の内周部との間の振動膜介在部の長さ(m)
E:振動膜の材料の縦弾性係数(N/m2)
W:荷重(N)
I:慣性モーメント(m4)
慣性モーメント(I)
I = (b・h3)/12 ・・・(式2)
b:振動膜介在部の幅(m)=0.001
h:振動膜の厚み(m)
(評価5)振動形態:図6A,6Bに示すように、「振動速度比」を平均振動速度振幅Vm/最大速度振幅Vmaxと定義し、この振動速度比の値に基いて振動の形態を判別した。すなわち、振動速度比が小さいときには図6Aに示すような屈曲運動(山型運動)となり、振動速度比が大きいときには図6Bに示すような往復運動(ピストン型運動)となることから、本実施例では、そのしきい値を振動速度比=0.8として、振動速度比が0.8未満のときには屈曲運動、0.8以上のときにはピストン型運動であると判別した。
(評価6)音圧レベルの測定:交流電圧1V入力時の音圧レベルを、素子から所定距離だけ離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。なお、この所定距離は、特に明記しない限り10cmである。
(評価7)落下衝撃試験:圧電アクチュエータを搭載した携帯電話を50cm直上から、5回自然落下させ、落下衝撃安定性試験を行った。具体的には、落下衝撃試験後の割れ等の破壊を目視で確認し、さらに、試験後の音圧特性を測定した。その結果、音圧レベル差
(試験前の音圧レベルと試験後の音圧レベルとの差のことを指す)が3dB以内を○とし、3dB以上を×とした。
実施例1として、図22A,22Bに示すような、台座上面に圧電素子10が貼り付けられた第1の実施形態(図3、図4も参照)の圧電アクチュエータ50を作製した。本質的な相違ではないが、本実施例では、振動膜30が支持部材45の下面に貼付けられた構成となっている。
圧電素子10 :外径=φ16mm、厚み=50μm(0.05mm)の圧電板の両面に、それぞれ厚み8μmの上部電極層および下部電極層を形成した。
台座20 :外径=φ18mm、厚み=30μm(0.03mm)のリン青銅を使用した。
振動膜30 :外径=φ22mm、厚み=80μmのウレタン製の膜を使用した。
支持部材45 :外径=φ22mm、枠抜き取り部内径=φ21mm、厚み=1.5mmのSUS304を使用した。
〔結果〕
共振周波数 :898Hz
最大振動速度振幅 :275mm/s
振動速度比 :0.81
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :82dB
落下衝撃安定 :○
上述の結果から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が1kHz以下と低く、さらに、振動振幅が大きく、ピストン型の振動姿態をとることが実証された。また、圧電アクチュエータの厚み(支持部材45の厚み)は1.5mm程度であり、十分な薄型化がなされていた。
比較例1として、図23に示すような、台座外周部が支持部材に直接接合された従来の圧電アクチュエータを作製した。この圧電アクチュエータ550は図1に示したものと同様の構成を有する。なお、圧電素子510、台座520、および支持部材545は、上記実施例1の圧電素子10、台座20、および支持部材45と同一の材質で構成されている。
台座520 :外径=φ21mm(厚み・材質は、実施例1の台座20と同じ)
支持部材545 :実施例1の支持部材45と同じ
圧電素子510、台座520、および支持部材530は同心円状の配置とした。
〔結果〕
共振周波数 :1418Hz
最大振動速度振幅 :47mm/s
振動速度比 :0.31
振動姿態 :屈曲型
落下衝撃安定 :×
(実施例2)
実施例2として、図24A,24Bに示すような、第2の実施形態型(図11A,11Bも参照)の圧電アクチュエータ51を作製した。本実施例の圧電アクチュエータ51は、振動膜31に開口部31aが形成されている。
圧電素子10 :実施例1と同じ
台座20 :実施例1と同じ
振動膜31 :外径=φ21mm、内径(開口部径)=φ17mm(厚み・材質は、実施例1の振動膜30と同じ)
支持部材45 :実施例1と同じ
開口部31aは、振動膜31の中心に形成した。
〔結果〕
共振周波数 :847Hz
最大振動速度振幅 :295mm/s
振動速度比 :0.84
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :84dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が実施例1よりもさらに低減し、また、振動振幅も大きいことが実証された。
実施例3として、図25A,25Bに示すような、第4の実施形態型(図13も参照)の圧電アクチュエータを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ53Aは、台座21Aに8本の梁21aを設けたものである。
圧電素子10 :実施例1と同じ
台座21A :厚み・材質は、実施例1の台座20と同じ
梁21a :放射状かつ等間隔で8本/各梁21aは梁幅2mm(一定幅)、長さ1mm
本体部21b:外径=φ18mm
振動膜30 :実施例1と同じ
支持部材45 :実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数 :812Hz
最大振動速度振幅 :348mm/s
振動速度比 :0.82
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :85dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が実施例1よりもさらに低減し、また、振動振幅も大きいことが実証された。
実施例4として、図26A,26Bに示すような圧電アクチュエータを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ53Dは、上記実施例3の変形例として構成したものであり、振動膜30に代えて、開口部31aが形成された振動膜31を備えている。その他の構成は第3の実施例と同じである。
圧電素子10 :実施例1と同じ(実施例3と同じ)
台座21A :実施例3と同じ
振動膜31 :外径=φ22mm、内径(開口部径)=φ15mm、(厚み・材質は、実施例1の振動膜30と同じ)
支持部材45 :実施例1と同じ
開口部31aは、振動膜31の中心に形成した。
〔結果〕
共振周波数 :809Hz
最大振動速度振幅 :367mm/s
振動速度比 :0.81
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :86dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が実施例3よりもさらに低減し、また、振動振幅も大きいことが実証された。
実施例5として、図27に示すようなバイモルフ型の圧電アクチュエータ56Cを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ56Cは、実施例1の圧電アクチュエータ50(図22A,22B参照)の振動膜30の裏面に、追加の圧電素子10Bを配すことでバイモルフ型としたものである。つまり、圧電素子10Bは、図示するように振動膜30を介在させた状態で台座20の下面側に取り付けられている。
圧電素子10A :実施例1の圧電素子10と同じ
圧電素子10B :基本的な構成は圧電素子10と同じ(ただし、圧電素子10Aとは逆の動作をするように構成されている。)
台座20 :実施例1と同じ
振動膜30 :実施例1と同じ
支持部材45 :実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数 :927Hz
最大振動速度振幅 :468mm/s
振動速度比 :0.87
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :88dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が低く、振動振幅が実施例1よりも大きいことが実証された。
実施例6として、図28に示すような、第7の実施形態型(図19も参照)の圧電アクチュエータを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ56Aでは、振動膜に開口部が形成されており、台座20の両面に圧電素子11A、11Bが直接貼り付けられている。
圧電素子11A :実施例1の圧電素子10と同じ
圧電素子11B :基本的な構成は圧電素子10と同じ(ただし、圧電素子11Aとは逆の動作をするように構成されている。)
台座20 :実施例1と同じ
振動膜31 :実施例2と同じ(開口部が形成されている)
支持部材45 :実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数 :901Hz
最大振動速度振幅 :487mm/s
振動速度比 :0.86
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :88dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が低く、振動振幅が実施例1より大きいことが実証された。
実施例7として、図29に示すような圧電アクチュエータ56Bを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ56Bは、上記実施例6の圧電アクチュエータ56Aの台座を、梁を備えたものに変更したものである。詳細には、実施例4(図26A,26B参照)に示したアクチュエータ53Dの、台座21A裏面に追加の圧電素子11Bを貼り付けて圧電素子11’を構成したものである。
圧電素子11A :実施例1の圧電素子10と同じ
圧電素子11B :基本的な構成は圧電素子10と同じ(ただし、圧電素子11Aとは逆の動作をするように構成されている。)
台座21A :実施例4と同じ
振動膜31 :実施例4と同じ
支持部材45 :実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数 :905Hz
最大振動速度振幅 :502mm/s
振動速度比 :0.83
振動姿態 :ピストン型運動
音圧レベル :89dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が低く、振動振幅が実施例1より大きいことが実証された。
実施例8として、図30に示すような第6の実施形態型(図18も参照)の圧電アクチュエータを作製した。本実施形態の圧電アクチュエータ55は、実施例1の圧電アクチュエータの振動膜形状を変更したものである。すなわち、台座外周部と支持部材内周部との隙間に湾曲部33bを設けたものである。その他の構成は実施例1の圧電アクチュエータと同一である。
圧電素子10 :実施例1と同じ
台座20 :実施例1と同じ
振動膜33 :外径=φ21mm、枠内抜き取り部内径=φ17mm(厚み・材質は、実施例1の膜30と同じ)
湾曲部33b:曲率半径r=6mm
支持部材45 :実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数 :886Hz
最大振動速度振幅 :517mm/s
振動速度比 :0.81
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :90dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が実施例1よりもさらに低減し、また、振動振幅も大きいことが実証された。
実施例9として、次のような圧電アクチュエータを作製した(不図示)。この圧電アクチュエータは、実施例1の圧電アクチュエータ50の台座20のサイズを小型化したものである(図示は省略するが、区別のためこれを「台座20’」と呼ぶ)。その他の構成は実施1の圧電アクチュエータと同一である。台座が小型化したことにより、支持部材と拘束部材との間の隙間距離は実施例1と比較して長くなっている。
圧電素子10 :実施例1と同じ
台座20’ :外径=φ16mm(2mm減少)、(厚み・材質は実施例1と同じ)
振動膜30 :実施例1と同じ
支持部材45 :実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数 :852Hz
最大振動速度振幅 :291mm/s
振動速度比 :0.84
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :83dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例のように、支持部材と拘束部材との間の隙間距離を変化させることで共振周波数の調整が可能であり、また、共振周波数が実施例1よりもさらに低減し、振動振幅も大きいことが実証された。
実施例10として、図31に示すような圧電アクチュエータを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ53Bは、実施例3の台座における梁数を変更(8本→4本)したものである。その他の構成は実施例3の圧電アクチュエータと同一である。
圧電素子10 :実施例3と同じ
台座 :厚み・材質は、実施例3の台座と同じ
梁21a :放射状かつ等間隔で4本(梁自体の形状は実施例3と同じ)
本体部21b:実施例3と同じ
振動膜30 :実施例1と同じ
支持部材45 :実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数 :784Hz
最大振動速度振幅 :352mm/s
振動速度比 :0.82
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :85dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が低く、また、振動振幅も大きいことが実証された。
実施例11として、図32に示すような圧電アクチュエータを作製した。本実施形態の圧電アクチュエータ53Cは、上記実施例同様、実施例3の台座における梁数を変更(8本→12本)したものである。その他の構成は実施例3の圧電アクチュエータと同一である。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子10 :実施例3と同じ
台座 :厚み・材質は、実施例3の台座と同じ
梁21a :放射状かつ等間隔で12本(梁自体の形状は実施例3と同じ)
本体部21b:実施例3と同じ
振動膜30 :実施例1と同じ
支持部材45 :実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数 :853Hz
最大振動速度振幅 :321mm/s
振動速度比 :0.81
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :84dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が低く、また、振動振幅も大きいことが実証された。
実施例12として、次のような圧電アクチュエータを作製した(不図示)。この圧電アクチュエータは、実施例1の圧電アクチュエータ50の振動膜の材質を変更(ウレタン→PET)したものである。その他の構成は実施例1の圧電アクチュエータと同一である。
圧電素子10 :実施例1と同じ
台座20 :実施例1と同じ
振動膜31 :形状は実施例1と同じ。厚み=50μmのPETを使用。
支持部材45 :実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数 :912Hz
最大振動速度振幅 :341mm/s
振動速度比 :0.80
振動姿態 :ピストン型運動
音圧レベル :83dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、実施例1と同様に共振周波数が低く、また、振動振幅も大きいことが実証された。
実施例13として、次のような圧電アクチュエータを作製した(不図示)。この圧電アクチュエータは、実施例1の圧電アクチュエータ50の台座20の材質を変更し、かつ、振動膜30にPET膜を使用したものである。その他の構成は実施例1の圧電アクチュエータと同一である。
圧電素子10 :実施例1と同じ
台座20 :形状は実施例1と同じ。厚み=40μmの42アロイを使用した。
振動膜30 :厚み=50μmのPETを使用した。
支持部材45 :実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数 :871Hz
最大振動速度振幅 :281mm/s
振動速度比 :0.82
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :82dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、実施例1と同様に共振周波数が低く、また、振動振幅も大きいことが実証された。
比較例2として、図33に示されるような圧電アクチュエータ550’を作製した。この圧電アクチュエータは、比較例1(図23参照)のアクチュエータの台座520裏面に振動膜530(実施例1の膜30と同じ)を貼り付けたものである。よって、振動膜530以外の構成は比較例1と全く同じである。
〔結果〕
共振周波数 :1498Hz
音圧レベル :65dB
次に、音響素子を携帯電話機に搭載した例について、実施例14〜16および比較例3を参照して説明する。
実施例14として、図34に示すような携帯電話機70を用意し、この筐体内に実施例1(図22A,22B参照)の圧電アクチュエータ50を搭載した。具体的には、携帯電話機のスピーカ部71の筐体内側面に、圧電アクチュエータ50を貼り付ける構成とした。
(評価):素子から10cm離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。また、落下衝撃試験も行なった。
〔結果〕
共振周波数 :795Hz
音圧レベル :82dB
周波数特性 :平潤な特性を示した
落下衝撃試験 :5回落下後においても圧電素子の割れは見られず、試験後、音圧レベルを測定したところ84dBであった。
実施例15として、上記実施形態同様、携帯電話機70内に実施例3(図25A,25B参照)の圧電アクチュエータ53Aを搭載した。評価については上記実施形態と同様である。
〔結果〕
共振周波数 :855Hz
音圧レベル :84dB
周波数特性 :平潤な特性を示した
落下衝撃試験 :5回落下後においても圧電素子の割れは見られず、試験後、音圧レベルを測定したところ84dBであった。
比較例3として、上記実施形態と同様に、携帯電話機70内に比較例2(図33参照)の圧電アクチュエータ550’を搭載した。
(評価):素子から10cm離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。また、落下衝撃試験も行なった。
〔結果〕
共振周波数 :1520Hz
音圧レベル :66dB
周波数特性 :凹凸の激しい特性を示した
落下衝撃試験 :2回落下後において圧電素子の割れが見られ、この時点で音圧レベルを測定したところ50dB以下であった。
比較例4として、図35に示すような電磁式の音響素子を作製した。図35に示す音響素子は、永久磁石191と、ボイスコイル193と、振動板192とを有し、電気端子194を通じてボイスコイルに電流を流すことで磁力が発生し、発生した磁力により、振動板192に吸引と反発とを繰り返させて音を発生するものである。なお、この音響素子の外形形状は、外形=φ20mmの円形であり、厚み=4.0mmである。
(評価):このように構成された音響素子に対し、素子から30cm離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。
〔結果〕
共振周波数=810Hz
音圧レベル=83dB
(実施例16:PC)
実施例16として、実施例1の圧電アクチュエータを搭載したノート型パーソナルコンピュータ(不図示)を作製した。具体的には、携帯電話の場合と同じように、パーソナルコンピュータの筐体内側面に、圧電アクチュエータ50を貼り付ける構成とした。
(評価):素子から30cm離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。また、落下衝撃試験も行なった。
〔結果〕
共振周波数 :816Hz
音圧レベル :81dB
落下衝撃試験 :5回落下後においても圧電素子の割れは見られず、試験後、音圧レベルを測定したところ89dBであった。
実施例17として、次に示すような圧電アクチュエータを作製した。この圧電アクチュエータは、実施例1の圧電アクチュエータ50を小型したものである。
圧電素子10 :外径=φ12mm(4mm減少)、厚み・材質は実施例1と同じ。
台座20 :外径=φ14mm(4mm減少)、厚み・材質は実施例1と同じ。
振動膜30 :外径=φ18mm(4mm減少)、厚み・材質は実施例1と同じ。
支持部材45 :外径=φ18mm(4mm減少)、内径φ16mm、厚み・材質は実施例1と同じ。
〔結果〕
共振周波数 :841Hz
最大振動速度振幅 :312mm/s
振動速度比 :0.82
振動姿態 :ピストン型
音圧レベル :83dB
落下衝撃安定 :○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、実施例1と同様に共振周波数が低く、また、振動振幅も大きいことが実証された。
実施例1〜13の圧電アクチュエータを用いた音響素子は、比較例4(電磁式アクチュエータ)の周波数特性に近い周波数特性を示していた。一方、比較例3の従来型の圧電アクチュエータでは、周波数特性のグラフに激しい凹凸が見られた。この点からしても、本発明によれば音響素子の周波数特性が改善されることが実証された。特に、本実施例では、いずれもその共振周波数f0が比較例の共振周波数f0よりも低くなっており、このことから、本発明に係る音響素子の周波数帯域が拡大したことが実証された。また、携帯電話に実装した実施例14、15では、比較例3と比べて、共振周波数が低く、その音圧レベルの向上も図られていた。
以上、実施例1〜実施例17として各部材の形状および材質を変更するなどして、本発明による作用効果を検証してきたが、ここからは、圧電素子10、台座20、及び振動膜30につき、そのうちの1つ部材の形状のみを段階的に変更していった際の結果について説明する。まず、実施例18として、圧電素子10および台座20の厚みを固定したまま、振動膜(フィルム)30の厚みのみを種々変更した。なお、振動膜30以外の構造部については実施例1と同じであり、また評価条件も実施例1と同じである。
圧電素子10 :実施例1と同じ(厚み=50μmの圧電板の両面に、それぞれ厚み8μmの上部電極層および下部電極層を形成)
台座20 :実施例1と同じ(厚み=30μm)
振動膜30 :実施例1と同様にウレタンを使用し、厚みを30μm〜200μmまで種々変更した。
支持部材45 :実施例1と同じ
振動膜30の厚みを変更したときの、共振周波数f0および音圧レベルの結果を表3に示す。
次に、実施例19として、振動膜30の輪郭形状を固定したまま、円形の台座20の外径のみを種々変更した場合について検証する。本実施例では、台座20の輪郭形状のみを変更し、台座20以外の構造部については実施例1と同じであり、また評価条件も実施例1と同じである。図36に示すように、圧電素子10の外周部と台座20の外周部との間の距離をX2、台座20の外周部とフィルム30の外周部(支持部材45の内周部に同じ)との間の距離をX1とする。
圧電素子10 :実施例1と同じ(外径=φ16mm)
台座20 :距離X1が0.25mm〜2.0mmとなるように、外径を変更した。
振動膜30 :実施例1と同じ(外径=φ21mm)
支持部材45 :実施例1と同じ
台座20の輪郭形状を変更していったときの、共振周波数f0および音圧レベルの結果を表4に示す。
実施例20として、振動膜介在部Aの撓み量と音響特性との関係について検証する。下記実施例20a〜20cにおいて、振動膜材質、振動膜介在部Aの長さ、振動膜厚みを変更し、振動膜介在部Aの撓み量と運動姿態との関係を検証した。
実施例20aは、振動膜材質のみを変更し、振動膜材質以外については実施例2と同じであり、評価条件も実施例2と同じである。
圧電素子10 :実施例2と同じ(外径=φ16mm)
台座20 :実施例2と同じ
振動膜31 :4.0x108〜13.0x1010(N/m2)の範囲あるヤング率を有する材質に変更した。
振動膜形状は実施例2と同じ
支持部材45 :実施例2と同じ
振動膜時材質を変更したときの撓み量と振動姿態と関係、共振周波数F0および音圧レベルの結果を表5に示す。
実施例20bは、支持部材45、円形の台座20の外径を変更し、振動膜介在部Aの長さLを変更した。本実施例では、振動介在部Aの長さLを変更し、台座20、振動30以外の構造部については実施例2と同じであり、また評価条件も実施例2と同じである。図36に示すように、圧電素子10の外周部と台座20の外周部との間の距離X2を調整し、振動膜介在部Aの長さLを変更した。
圧電素子10 :実施例2と同じ(外径=φ16mm)
台座20 :振動膜介在部Aが0.05mm〜2.0mmとなるように、外径を変更した。
振動膜31 :振動膜介在部Aの長さがが0.05mm〜2.0mmに変更した。
支持部材45 :実施例2と同じ
振動膜介在部Aの長さLを変更したときの撓み量δと振動姿態、共振周波数f0および音圧レベルの結果を表6に示す。
圧電素子10 :実施例2と同じ(外径=φ16mm)
台座20 :実施例2と同じ(外径=φ18mm)
振動膜31 :厚み5μm〜1mmとなるように振動膜の厚みを変更した。実施例2と同じ(外径=φ21mm)
支持部材45 :実施例2と同じ
振動膜の厚みを変更したときの撓み量と振動姿態、共振周波数f0および音圧レベルの結果を表7に示す。
Claims (16)
- 電界の状態に応じて伸縮運動する圧電素子と、少なくとも一方の面に前記圧電素子が貼り付けられる台座と、前記圧電素子および前記台座を支持するための支持部材とを有し、前記圧電素子の前記伸縮運動に応じて、前記圧電素子および前記台座が前記圧電素子の厚み方向に振動する圧電アクチュエータにおいて、
前記台座が、前記台座よりも低剛性な振動膜を介して前記支持部材に接続され、
前記台座の外周部には、前記圧電素子が貼り付けられる面と平行な面内で外側に向かって延びる梁が複数形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記複数の梁が互いに等間隔に配置されている、請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記複数の梁が互いに等間隔に配置されている、請求項1から10のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記梁が4つ以上設けられている、請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記梁は、その先端に向かって梁幅が狭まる先細り形状である、請求項1から4のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記台座は本体部と前記梁とから構成され、前記本体部の材質と前記梁の材質とが異なる、請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記振動膜のうち、前記台座が配置される領域の少なくとも一部に開口部が形成されている、請求項1から6のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記支持部材の内周部と前記台座の外周部との間に振動膜介在部が形成され、
前記振動膜介在部Aの、下記式1で算出される撓み量δが0.001から5の範囲にある、請求項1から7のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
δ=(W・L3)/(3・E・I) ・・・(式1)
但し、L:前記振動膜介在部の長さ(m)、E:前記振動膜の材料の縦弾性係数(N/m2)、W:荷重(N)、I:慣性モーメント(m4)。
前記慣性モーメントIは下記式2で算出される。
I=(b・h3)/12 ・・・(式2)
但し、b:前記振動膜介在部の幅=0.001(m)、h:前記振動膜の厚み(m)。 - 前記振動膜は樹脂材料であって、ウレタン、PET、およびポリエチレンフィルムのうちのいずれかである、請求項1から8のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記振動膜は、前記台座よりも弾性率が小さい材質からなる、請求項1から9のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- バイモルフ型素子を構成するため、前記圧電素子とは別の圧電素子をさらに有する、請求項1から10のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電素子は、圧電材料層と電極層とが交互に積層された積層型構造である、請求項1から11のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電素子および前記台座の輪郭形状がいずれも円形である、請求項1から12のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記振動膜の輪郭形状が円形であり、前記圧電素子、前記台座、および前記振動膜が同心円状に配置されている、請求項13に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電素子の輪郭形状が正方形または矩形である、請求項1から12のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 請求項1から15のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータを音響素子として備えた電子機器。
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