JP5362049B2 - 音響発生器 - Google Patents
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Description
本発明は、音響発生器に関し、特に、積層型圧電素子を用いた音響発生器に関するものである。
近年、ＤＶＤオーディオやスーパオーディオＣＤのような高品位、超広帯域ソースに対応して、１００ＫＨｚ以上の超高周波までの再生を可能にしたスピーカが求められてきている。そして単品コンポーネントや小型ステレオを問わず、ローコストで超高周波まで再生できる高音用スピーカの実現が望まれている。
従来、高音用スピーカとして振動板を圧電素子で駆動するタイプのものが提案されている。ところが一般的に圧電素子を用いた音響発生器は、共振現象を利用することから、音圧の周波数特性において大きなピークディップが発生するばかりでなく、超高周波まで十分な音圧を得ることが困難であることが知られている。
そこで、圧電素子を駆動源とする音響発生器の周波数特性のピークディップを改善するために提案された方法として、従来、特許文献１に開示されたような音響発生器が知られている。
この特許文献１に記載された音響発生器は、２つの円形状の金属基体にそれぞれ設けられた円板状の圧電素子と、これらの二つの圧電素子を覆うように、圧電素子と所定間隔をおいて設けられた一つの振動板とを具備しており、振動板は、音を放射する方向に凸状とされた平面視矩形状とされている。このような音響発生器では、１００ＫＨｚ程度まで高い音圧が得られたことが記載されている。
また、例えば、非特許文献１によれば、２０ＫＨｚを超える超高周波成分の音は、人の基幹脳を活性化させ、免疫活性の上昇、ストレス性ホルモンの減少、脳波α波の増強、２０ＫＨｚ以下の可聴帯域の音を聞きやすくする等、人に良い影響を与えることが解明されつつあり、超高周波成分の音の重要性が高まってきている。
２００６年８月２日、日本音響学会聴覚研究会資料，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．Ａ，Ｈ−２００６−Ａ２、知覚をこえる音世界と脳−ハイパーソニック・エフェクトへの招待−
しかしながら、特許文献１の音響発生器では、圧電素子の振動が金属基体を介して、所定間隔をおいて圧電素子を覆う振動板に伝達され、この振動板から外部に放射されるため、未だ１００ＫＨｚを超える超高周波では音圧が低く、大きなピークディップが発生するという問題があった。
本発明は、超高周波でも音圧が高く、大きなピークディップの発生を抑制できる音響発
生器を提供することを目的とする。
生器を提供することを目的とする。
本発明の音響発生器は、フィルムと、該フィルムの外周部に設けられた枠部材と、該枠部材の枠内の前記フィルム上に設けられた圧電素子と、該圧電素子を覆うように前記枠部材の枠内に設けられた樹脂層と、を有しており、前記フィルムは、張力をかけた状態で前記枠部材に固定されているものである。
本発明の音響発生器では、１００ＫＨｚを超える超高周波においても音圧を高くできるとともに、大きなピークディップの発生を低減できる。
以下、音響発生器の第１形態を図１、２に基づいて説明する。図１、２の音響発生器は、一対の枠状の枠部材５により挟持された、支持板となるフィルム３の上面および下面に、それぞれ２個の圧電素子としての積層型圧電素子１を具備して構成されている。
すなわち、第１形態の音響発生器は、フィルム３に張力をかけた状態で第１および第２の枠部材５ａ、５ｂで挟持し、フィルム３を第１および第２の枠部材５ａ、５ｂに固定しており、このフィルム３の上下面にそれぞれ２個の積層型圧電素子１が配置されている。
フィルム３の上面および下面に配置された２個の積層型圧電素子１は、フィルム３を挟持するように対向配置されており、一方の積層型圧電素子１が縮むと対向する他方の積層型圧電素子１は伸びるように構成されている。
なお、音響発生器の断面図（図２、図３、図４、図５）では、理解を容易にするため、積層型圧電素子１の厚み方向ｙを拡大して示した。
積層型圧電素子１は、４層のセラミックスからなる圧電体層７と３層の内部電極層９とを交互に積層してなる積層体１３と、この積層体１３の上下面に形成された表面電極層１
５ａ、１５ｂと、積層体１３の長手方向ｘの両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極１７、１９とを具備して構成されている。
５ａ、１５ｂと、積層体１３の長手方向ｘの両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極１７、１９とを具備して構成されている。
外部電極層１７は、表面電極層１５ａ、１５ｂと、１層の内部電極層９とに接続され、外部電極層１９は、２層の内部電極層９に接続されている。圧電体層７は、図２に矢印で示すように、圧電体層７の厚み方向に交互に分極されており、フィルム３上面の積層型圧電素子１の圧電体層７が縮む場合には、フィルム３下面の積層型圧電素子１の圧電体層７が延びるように、外部電極層１７、１９に電圧が印加されるように構成されている。
外部電極層１９の上下端部は、積層体１３の上下面まで延設されてそれぞれ折返外部電極１９ａが形成されており、これらの折返外部電極１９ａは、積層体１３の表面に形成された表面電極層１５ａ、１５ｂに接触しないように、表面電極層１５ａ、１５ｂと所定間隔をおいて延設されている。
積層体１３のフィルム３と反対側の面の折返外部電極１９ａには、リード端子２２ａが掛け渡され、さらにリード端子２２ａが接続された一方の折返外部電極１９ａには、リード端子２２ｂの一端部が接続され、他端部が外部に延設されている。また、外部電極１７に接続する表面電極１５ｂにも、リード端子２２ａが掛け渡され、さらにリード端子２２ａが接続された一方の表面電極１５ｂには、リード端子２２ｂの一端部が接続され、他端部が外部に延設されている。
従って、複数の積層型圧電素子１は並列接続されており、リード端子２２ａ、２２ｂを介して、同一電圧が印加されることになる。
積層型圧電素子１は板状であり、上下の主面が長方形状とされ、積層体１３の主面の長手方向ｘには、内部電極層９が交互に引き出された一対の側面を有している。
４層の圧電体層７と３層の内部電極層９とは積層された状態で同時焼成されて構成されており、表面電極層１５ａ、１５ｂは、後述するように、積層体１３を作製した後、ペーストを塗布し焼き付けて形成されている。
積層型圧電素子１は、そのフィルム３側の主面とフィルム３とが接着剤層２１で接合されている。積層型圧電素子１とフィルム３との間の接着剤層２１の厚みは２０μｍ以下とされている。特には、接着剤層２１の厚みは１０μｍ以下であることが望ましい。このように、接着剤層２１の厚みが２０μｍ以下である場合には、積層体１３の振動をフィルム３に伝えやすくなる。
接着剤層２１を形成するための接着剤としては、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ポリエステル系樹脂等公知のものを使用することができる。接着剤に使用する樹脂の硬化方法としては、熱硬化性、光硬化性、嫌気性硬化等いずれを用いても振動体を作製することができる。
積層型圧電素子１の圧電特性は、大きな屈曲撓み振動を誘起させ音圧を高めるために、圧電ｄ３１定数は１８０ｐｍ／Ｖ以上の特性を有していることが望まれる。圧電ｄ３１定数が１８０ｐｍ／Ｖ以上の場合は、６０ＫＨｚ〜１３０ＫＨｚにおける平均の音圧が６５ｄＢ以上とできる。
そして、第１形態の音響発生器では、積層型圧電素子１を埋設するように、枠部材５ａ、５ｂの内側に樹脂が充填されて樹脂層２０が形成されている。リード端子２２ａ、リード端子２２ｂの一部も、樹脂層２０中に埋設されている。なお、図１、および後述する図
６、７では、理解を容易にするため、樹脂層２０の記載を省略した。
６、７では、理解を容易にするため、樹脂層２０の記載を省略した。
この樹脂層２０は、例えばアクリル系樹脂、シリコン系樹脂、あるいはゴム等を用いることができ、ヤング率が１ＭＰａ〜１ＧＰａの範囲にあるものが望ましく、特には、１ＭＰａ〜８５０ＭＰａであるものが望ましい。また、樹脂層２０の厚みは、スプリアスを抑制するという点から、積層型圧電素子１を完全に覆う状態で塗布する必要がある。さらに、支持板となるフィルム３も積層型圧電素子１と一体となり振動することから、積層型圧電素子１で覆われないフィルム３の領域も同様に樹脂層２０で覆われている。
このような音響発生器では、フィルム３と、フィルム３の上下面にそれぞれ設けられた２個の積層型圧電素子１と、これらの積層型圧電素子１を埋設するように、枠部材５の内側に形成された樹脂層２０とを具備するため、積層型圧電体１は高周波音に対応した波長の屈曲撓み振動を誘起することが可能になり、１００ＫＨｚ以上の超高周波成分の音を再生することが可能になる。
さらには、積層型圧電素子１の共振現象に伴うピークディップは、積層型圧電素子１を樹脂層２０で埋設することで適度なダンピング効果を誘発させ、共振現象の抑制とともにピークディップを小さく抑えることができるとともに、音圧の周波数依存性を小さくすることが可能になるのである。
また、複数の積層型圧電素子１を一枚のフィルムに形成し、同一の電圧を印加することで、それぞれの積層型圧電素子１で発生した振動の相互干渉により強い振動が抑制され、振動の分散化に伴いピークディップを小さくする効果をもたらすのである。その結果、１００ＫＨｚを超える超高周波においても音圧を高くできる。
圧電体層７としては、ジルコン酸鉛（ＰＺ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、Ｂｉ層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等、従来より用いられている他の圧電セラミックスを用いることができる。圧電体層７の１層の厚みは、低電圧駆動という観点から、１０〜１００μｍとされている。
内部電極層９としては、銀とパラジウムとからなる金属成分と圧電体層７を構成する材料成分とを含有することが望ましい。内部電極層９に圧電体層７を構成するセラミック成分を含有することにより、圧電体層７と内部電極層９との熱膨張差による応力を低減することができ、積層不良のない積層型圧電素子１を得ることができる。内部電極層９は、特に、銀とパラジウムとからなる金属成分に限定されるものではなく、また、セラミック成分として、圧電体層７を構成する材料成分に限定されるものではなく、他のセラミック成分であっても良い。
表面電極層１５と外部電極１７、１９は、銀からなる金属成分にガラス成分を含有することが望ましい。ガラス成分を含有することにより、圧電体層７や内部電極層９と、表面電極層１５または外部電極１７、１９との間に強固な密着力を得ることができる。
また、積層型圧電素子１を積層方向から見たときの外形状としては、正方形や長方形等の多角形をしたものがよい。
枠部材５は、図１に示すように矩形状をなしており、２枚の矩形枠状の枠部材５ａ、５ｂを貼り合わせて構成されており、枠部材５ａ、５ｂ間にはフィルム３の外周部が挟み込まれ、張力を印加した状態で固定されている。枠部材５ａ、５ｂは、例えば、厚み１００〜１０００μｍのステンレス製とされている。なお、枠部材５ａ、５ｂの材質はステンレス製に限らず、樹脂層２０よりも変形し難いものであればよく、例えば、硬質樹脂、プラ
スチック、エンジニアリングプラスチック、セラミックス等を用いることができ、本形態では、枠部材５ａ、５ｂの材質、厚み等は特に限定されるものではない。更に枠形状も矩形状に限定されるものではなく、円形や菱形であってもよい。
スチック、エンジニアリングプラスチック、セラミックス等を用いることができ、本形態では、枠部材５ａ、５ｂの材質、厚み等は特に限定されるものではない。更に枠形状も矩形状に限定されるものではなく、円形や菱形であってもよい。
フィルム３は、枠部材５ａ、５ｂ間にフィルム３の外周部を挟み込むことにより、フィルム３が面方向に張力をかけられた状態で、枠部材５ａ、５ｂに固定され、フィルム３が振動板の役割を果たしている。フィルム３の厚みは、例えば、１０〜２００μｍとされ、フィルム３は、例えば、ポリエチレン、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリスチレン、テン等の樹脂、あるいはパルプや繊維等からなる紙から構成されている。これらの材料を用いることでピークディップを抑えることができる。
本発明の音響発生器の製法について説明する。
まず、積層型圧電素子１を準備する。積層型圧電素子１は、圧電材料の粉末にバインダー、分散剤、可塑剤、溶剤を混練し、スラリーを作製する。圧電材料としては、鉛系、非鉛系のうちいずれでも使用することができる。
次に、得られたスラリーをシート状に成形し、グリーンシートを得ることができ、このグリーンシートに内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンを形成し、この電極パターンが形成されたグリーンシートを３枚積層し、最上層にはグリーンシートのみ積層して、積層成形体を作製する。
次に、この積層成形体を脱脂、焼成し、所定寸法にカットすることにより積層体１３を得ることができる。積層体１３は、必要に応じて外周部を加工し、積層体１３の圧電体層７の積層方向の主面に表面電極層１５ａ、１５ｂのペーストを印刷し、引き続き、積層体１３の長手方向ｘの両側面に外部電極１７、１９のペーストを印刷し、所定の温度で電極の焼付けを行うことにより、図２に示す積層型圧電素子１を得ることができる。
次に、積層型圧電素子１に圧電性を付与するために表面電極層１５ｂまたは外部電極１７、１９を通じて直流電圧を印加して、積層型圧電素子１の圧電体層７の分極を行う。分極は、図２に矢印で示す方向となるように、ＤＣ電圧を印加して行う。
次に、支持体となるフィルム３を準備し、このフィルム３の外周部を枠部材５ａ、５ｂ間に挟み、フィルム３に張力をかけた状態で固定する。この後、フィルム３の両面に接着剤を塗布して、そのフィルム３を挟むように両面に積層型圧電素子１を押し当て、この後、接着剤を熱や紫外線を照射することにより硬化させる。そして、樹脂を枠部材５ａ、５ｂの内側に流し込み、積層型圧電素子１を完全に埋設させ、樹脂層２０を硬化させることにより、第１形態の音響発生器を得ることができる。
以上のように構成された音響発生器は、簡単な構造でありながら小型化や薄型化が図れるとともに、超高周波まで高い音圧が維持される。また、積層型圧電素子１は、樹脂層２０により埋設しているために水等の影響を受け難く、信頼性を向上させることが可能になる。
図３は、第２形態を示すもので、音響発生器の音を発する表面に対して反対側の裏面は、積層型圧電素子１の振動によっても振動しないケース２３で覆われている。このケース２３は、積層型圧電素子１に位置する部分が外側に膨らんだ構造とされており、その外周部が枠部材５およびその近傍の樹脂層２０に接合されている。
フィルム３の両側に積層型圧電素子１が設けられた音響発生器では、表面から発する音
と裏面から発する音とは位相が逆であるため、音が相殺され音質や音圧を劣化させるが、この第２形態では、圧電スピーカの裏面にケース２３を取り付けたため、圧電スピーカの表面から有効に音を発することができ、音質や音圧を向上できる。
と裏面から発する音とは位相が逆であるため、音が相殺され音質や音圧を劣化させるが、この第２形態では、圧電スピーカの裏面にケース２３を取り付けたため、圧電スピーカの表面から有効に音を発することができ、音質や音圧を向上できる。
なお、図２、３の圧電スピーカでは、積層型圧電素子１における圧電体層７の積層数を４層としたが、積層型圧電素子１における圧電体層７の積層数は特に限定されるものではなく、例えば、２層であっても良く、４層よりも多くても良いが、積層型圧電素子１の振動を大きくするという点から、２０層以下であることが望ましい。
図４は、第３形態の音響発生器を示すもので、この第３形態では、フィルム３の上面のみに積層型圧電素子１が接着剤２１で接合され、この積層型圧電素子１が樹脂層２０に埋設されている。
図４の積層型圧電素子３１は、バイモルフ型の積層型圧電素子３１とされている。すなわち、図２、３の積層型圧電素子１と構造は同一であるが、フィルム３側から３層目と４層目の圧電体層７の分極方向が逆となっており、フィルム３側から１〜２層目の圧電体層７が縮む場合には、フィルム３側から３〜４層目の圧電体層７は伸び、１〜２層目の圧電体層７が伸びる場合には、フィルム３側から３〜４層目の圧電体層７は縮むように変形し、積層型圧電素子３１自体が屈曲撓み振動を起こし、この振動が樹脂層２０の表面を振動させることになる。
このような音響発生器でも、上記第１、第２形態と同様に、バイモルフ型の積層型圧電素子３１において、高周波の音に対応した屈曲撓み振動を誘発させることができることから、フィルム３の片面側のみに積層型圧電素子３１を接合するだけで、超高周波まで高い音圧を得ることができるとともに、構造を簡略化できる。
図５は、第４形態の音響発生器を示すもので、この第４形態では、フィルム３の上面のみに積層型圧電素子４１が接着剤２１で接合され、この積層型圧電素子４１が樹脂層２０に埋設されている。
図５の積層型圧電素子４１は、ユニモルフ型の積層型圧電素子４１とされている。すなわち、図２、３の積層型圧電素子１と構造上異なる点は、積層体１３の下面に表面電極層１５ａが形成されておらず、表面電極層１５ｂのみ形成されている点である。
このような積層型圧電素子４１は、フィルム３側から１層目の圧電体層７は、電極で挟持されていないため伸縮せず、圧電的な不活性層７ｂとされている。フィルム３側から２〜４層目の圧電体層７は同時に伸縮するように構成され、不活性層であるフィルム３側から１層目の不活性層７ｂの存在により、積層型圧電素子４１自体が振動し、この振動が樹脂層２０の表面を振動させることになる。
このような音響発生器でも、上記第１、第２形態と同様に、高周波音に対応した波長の屈曲撓み振動を得ることができ、高周波音の再生の効果を得ることができるともに、フィルム３の片面側のみに積層型圧電素子４１を設けるため、構造を簡略化できる。大きな撓み振動による大きな音圧を実現するという観点からは、バイモルフ型が望ましい。
図６は、第５形態の音響発生器を示すもので、この第５形態では、フィルム３の上面および下面に、図２、３に示すような積層型圧電素子１がそれぞれ３個、フィルム３を挟んで対向するように設けられ、これらの積層型圧電素子１が樹脂層２０に埋設されている。
フィルム３の上面および下面のそれぞれの積層型圧電素子１は、それぞれの折返外部電
極１９ａ同士を連結するようにリード端子２２ａが掛け渡され、さらにリード端子２２ａが接続された一つの折返外部電極１９ａには、リード端子２２ｂの一端部が接続され、他端部が外部に延設されている。また、外部電極１７に接続する表面電極１５ｂにも、リード端子２２ａが掛け渡され、さらにリード端子２２ａが接続された一方の表面電極１５ｂには、リード端子２２ｂの一端部が接続され、他端部が外部に延設されている。
極１９ａ同士を連結するようにリード端子２２ａが掛け渡され、さらにリード端子２２ａが接続された一つの折返外部電極１９ａには、リード端子２２ｂの一端部が接続され、他端部が外部に延設されている。また、外部電極１７に接続する表面電極１５ｂにも、リード端子２２ａが掛け渡され、さらにリード端子２２ａが接続された一方の表面電極１５ｂには、リード端子２２ｂの一端部が接続され、他端部が外部に延設されている。
このような音響発生器でも、上記第１、第２形態と同様に、高周波音に対応した波長の屈曲撓み振動を得ることができ、且つ積層型圧電素子１間の相互干渉の影響を受けることから、ピークディップを誘発する振動を抑制するとともに、この第５形態では、積層型圧電素子１の個数が多いため、より高い音圧を得ることができる。
なお、図６の第５形態でも、図４のバイモルフ型の積層型圧電素子、図５のユニモルフ型の積層型圧電素子を用いることができる。
図７は、第６形態の音響発生器を示すもので、この第６形態では、フィルム３の上面および下面に、図２、３に示すような積層型圧電素子１がそれぞれ４個、フィルム３を挟んで対向するように設けられ、これらの積層型圧電素子１が樹脂層２０に埋設されている。フィルム３の上面および下面に、それぞれ積層型圧電素子１が２行２列に配列した状態で設けられ、この状態で樹脂層２０に埋設されている。
フィルム３の上面および下面のそれぞれの積層型圧電素子１は、それぞれの折返外部電極１９ａ同士を連結するようにリード端子２２ａが掛け渡され、さらにリード端子２２ａが接続された一つの折返外部電極１９ａには、リード端子２２ｂの一端部が接続され、他端部が外部に延設されている。また、外部電極１７に接続する表面電極１５ｂにも、リード端子２２ａが掛け渡され、さらにリード端子２２ａが接続された一方の表面電極１５ｂには、リード端子２２ｂの一端部が接続され、他端部が外部に延設されている。
このような音響発生器でも、上記第１、第２形態と同様に、高周波音に対応した波長の屈曲撓み振動を得ることができ、且つ積層圧電素子１間の相互干渉の影響を受けることから、ピークディップを誘発する振動を抑制するとともに、この第６形態では、積層型圧電素子１の個数が多いため、より高い音圧を得ることができる。また、フィルム３の上面および下面に、それぞれ積層型圧電素子１を２行２列に配列した点も、ピークディップを誘発する振動を抑制できる要因であると考えている。
なお、図７の第６形態でも、図４のバイモルフ型の積層型圧電素子、図５のユニモルフ型の積層型圧電素子を用いることができる。また、図７の第６形態では積層型圧電素子１の個数は合計８個用いたが、８個よりも多くても良いことは勿論である。
図８は、第７形態の音響発生器を示すもので、この第７形態は、樹脂層２０の厚みを異ならせた以外は図１と同様の構成を有するものである。樹脂層２０の厚みは、図８（ｂ）に示すように、圧電体層７の積層方向における（以下、「積層型圧電素子１の厚み方向ｙにおける」ということがある）一方の積層型圧電素子１が位置する音響発生器の全体厚みｔ１が、圧電体層７の積層方向における他方の積層型圧電素子１が位置する音響発生器の全体厚みｔ２と異なっている。言い換えると、フィルム３の同一表面に並設された２つの積層型圧電素子１の表面の樹脂層２０の厚みが異なっている。さらに言い換えると、図８（ｂ）の右端の樹脂層２０の上下面は、枠部材５ａ、５ｂの上下面とほぼ同じ高さに位置し、左端の樹脂層２０の上下面は、枠部材５ａ、５ｂの上下面よりも低い高さで位置しており、樹脂層２０の上下面が、フィルム３に対して傾斜している。
一方の積層型圧電素子１が位置する全体厚みｔ１と、他方の積層型圧電素子１が位置す
る全体厚みｔ２との間に、厚み差（ｔ２−ｔ１＞０）があれば良いが、厚み差（ｔ２−ｔ１）は３０μｍ以上であることが望ましい。一方、樹脂層２０の上下面における振動の伝達性（音波の広がり）の観点から、厚み差（ｔ２−ｔ１）は５００μｍ以下であることが望ましい。
る全体厚みｔ２との間に、厚み差（ｔ２−ｔ１＞０）があれば良いが、厚み差（ｔ２−ｔ１）は３０μｍ以上であることが望ましい。一方、樹脂層２０の上下面における振動の伝達性（音波の広がり）の観点から、厚み差（ｔ２−ｔ１）は５００μｍ以下であることが望ましい。
言い換えると、一方の積層型圧電素子１が位置する全体厚みｔ１と、他方の積層型圧電素子１が位置する全体厚みｔ２との差（ｔ２−ｔ１）は、枠部材５の内側における音響発生器の最大厚みに対して５％以上あることが望ましく、音の広がりの観点から４０％以下であることが望ましい。
全体厚みｔ１、ｔ２は、積層型圧電素子１の上下面の中央部に位置する、フィルム３、２層の接着剤層２１、２個の積層型圧電素子１、２層の樹脂層２０の合計厚みである。
全体厚みｔ１、ｔ２に厚み差（ｔ２−ｔ１＞０）をつけるには、２つの積層型圧電素子１の上下面の樹脂層２０の厚みを異ならせても良く、また、例えば、接着剤層２１の厚みを異ならせたり、積層型圧電素子１の厚みを異ならせたりしても良い。
図９は、第８形態の音響発生器を示すもので、この第８形態も樹脂層２０の厚みを異ならせる以外は図１と同様の構成をしたものである。すなわち、積層型圧電素子１の厚み方向ｙにおける一方の積層型圧電素子１が位置する音響発生器の全体厚みｔ１が、積層型圧電素子１の厚み方向ｙにおける他方の積層型圧電素子１が位置する音響発生器の全体厚みｔ２と異なるもので、この第８形態では、一方の積層型圧電素子１が位置する音響発生器の全体厚みｔ１が、一方の積層型圧電素子１の上下面全体にわたってほぼ均一な厚みｔ１とされ、他方の積層型圧電素子１が位置する音響発生器の全体厚みｔ２が、他方の積層型圧電素子１の上下面全体にわたってほぼ均一な厚みｔ２とされ、厚みｔ１が厚みｔ２よりも薄くなっている。一方と他方の積層型圧電素子１が位置する音響発生器の全体厚みｔ１、ｔ２は、その境界部分では傾斜が設けられ段差とならないように形成されている。
このような音響発生器は、例えば、枠部材５内に全体厚みが厚みｔ１となるように樹脂を充填し、均一な厚みで固化させた後、他方の積層型圧電素子１に位置する全体厚みが厚みｔ２となるように、他方の積層型圧電素子１に位置する部分にさらに樹脂を塗布し、固化させることにより、作製することができる。
図８、９に示す音響発生器は、フィルム３の上面の２つの積層型圧電素子１を埋設した樹脂層２０、およびフィルム３の下面の２つの積層型圧電素子１を埋設した樹脂層２０が一体となって振動する。そして、一方の積層型圧電素子１が位置する全体厚みｔ１を、他方の積層型圧電素子１が位置する全体厚みｔ２と異ならせることにより、複数の積層型圧電素子１の振動が樹脂層２０の上下面に伝達されても、一方の積層型圧電素子１による共振周波数と他方の積層型圧電素子１による共振周波数とがずれ、複数の積層型圧電素子１による共振を抑制することができ、音響発生器におけるピークディップの発生を低減できる。
なお、先に説明した第２形態乃至第６形態においても一方の積層型圧電素子１が位置する全体厚みｔ１を、他方の積層型圧電素子１が位置する全体厚みｔ２と異ならせることにより、複数の積層型圧電素子１による共振をさらに抑制することができ、音響発生器におけるピークディップの発生を低減できる。
さらに、本形態の音響発生器は、低音用圧電スピーカと組み合わせて、スピーカ装置として用いることができる。第９形態としてのスピーカ装置は、図１０に示すように、例えば、金属板からなる支持板Ｚに形成された高音用圧電スピーカＳＰ１、低音用圧電スピー
カＳＰ２を収容するそれぞれの開口部に、高音用圧電スピーカＳＰ１および低音用圧電スピーカＳＰ２を固定して構成することができ、高音用圧電スピーカＳＰ１として第１形態乃至第８形態の音響発生器を用いたものである。
カＳＰ２を収容するそれぞれの開口部に、高音用圧電スピーカＳＰ１および低音用圧電スピーカＳＰ２を固定して構成することができ、高音用圧電スピーカＳＰ１として第１形態乃至第８形態の音響発生器を用いたものである。
高音用圧電スピーカＳＰ１は、主に２０ＫＨｚ以上の周波数を再生するものであり、低音用圧電スピーカＳＰ２は、主に２０ＫＨｚ以下の周波数を再生するものである。
低音用圧電スピーカＳＰ２は、低い周波数を再生しやすくする観点から、例えば矩形状や楕円形状の場合では最長辺を長くする点で高音用圧電スピーカＳＰ１と異なるだけで、実質的に高音用圧電スピーカＳＰ１と同様の構成を有したものを用いることができる。
このようなスピーカ装置では、高音用圧電スピーカＳＰ１として用いる第１形態乃至第８形態の音響発生器によって１００ＫＨｚ以上の超高周波成分の音を再生することが可能になり、このような超高周波成分の音を再生したとしても音圧を高く維持でき、これにより、低音から高音まで、例えば、約５００Ｈｚ〜１００ＫＨｚ以上の超高周波まで、高い音圧を維持できるとともに、大きなピークディップの発生を抑制することができる。
Ｚｒの一部をＳｂで置換したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含有する圧電粉末と、バインダーと、分散剤と、可塑剤と、溶剤とをボールミル混合により２４時間混練してスラリーを作製した。
得られたスラリーを用いてドクターブレード法によりグリーンシートを作製した。このグリーンシートに電極材料としてＡｇおよびＰｄを含有する電極ペーストをスクリーン印刷法により所定形状に塗布し、該電極ペーストが塗布されたグリーンシートを３層積層し、最上層には電極ペーストが塗布されていないグリーンシートを１層重ね合わせて加圧し、積層成形体を作製した。そして、この積層成形体を５００℃、１時間、大気中で脱脂し、その後、１１００℃、３時間、大気中で焼成し、積層体を得た。
次に、得られた積層体の長手方向ｘの両端面部をダイシング加工によりカットし、内部電極層の先端を積層体の側面に露出させ、積層体の両側主面に表面電極層を形成すべく、電極材料としてＡｇとガラスを含有する電極ペーストを、圧電体の主面の片側にスクリーン印刷法により塗布し、その後、長手方向ｘの両側面に、外部電極材料としてＡｇとガラスを含有する電極ペーストをディップ法により塗布し、７００℃、１０分、大気中で焼き付け、図２に示すような積層型圧電素子を作製した。
作製された積層体の主面の寸法は幅５ｍｍ、長さ１５ｍｍであり、積層体の厚みは１００μｍであった。
得られたスラリーを用いてドクターブレード法によりグリーンシートを作製した。このグリーンシートに電極材料としてＡｇおよびＰｄを含有する電極ペーストをスクリーン印刷法により所定形状に塗布し、該電極ペーストが塗布されたグリーンシートを３層積層し、最上層には電極ペーストが塗布されていないグリーンシートを１層重ね合わせて加圧し、積層成形体を作製した。そして、この積層成形体を５００℃、１時間、大気中で脱脂し、その後、１１００℃、３時間、大気中で焼成し、積層体を得た。
次に、得られた積層体の長手方向ｘの両端面部をダイシング加工によりカットし、内部電極層の先端を積層体の側面に露出させ、積層体の両側主面に表面電極層を形成すべく、電極材料としてＡｇとガラスを含有する電極ペーストを、圧電体の主面の片側にスクリーン印刷法により塗布し、その後、長手方向ｘの両側面に、外部電極材料としてＡｇとガラスを含有する電極ペーストをディップ法により塗布し、７００℃、１０分、大気中で焼き付け、図２に示すような積層型圧電素子を作製した。
作製された積層体の主面の寸法は幅５ｍｍ、長さ１５ｍｍであり、積層体の厚みは１００μｍであった。
次に、積層型圧電素子の外部電極を通して内部電極層間および内部電極層と表面電極間に１００Ｖ、２分間電圧を印加し分極を行い、ユニモルフ型の積層型圧電素子を得た。
次に、厚み２５μｍのポリイミド樹脂からなるフィルムを準備し、このフィルムを枠部材に張力を与えた状態で固定し、固定されたフィルムの両主面にアクリル樹脂からなる接着剤を塗布し、接着剤を塗布したフィルムの部分に、フィルムを挟むように両側から積層型圧電素子を押し付け、１２０℃、１時間、空気中で接着剤を硬化させ、厚さ５μｍの接着剤層を形成した。枠部材内のフィルムの寸法は、縦２８ｍｍ、横２１ｍｍであり、２個の積層型圧電素子間の間隔を２ｍｍとし、積層型圧電素子と枠部材との間隔が同一となるように、積層型圧電素子をフィルムに接合した。この後、２個の積層型圧電素子にリード端子を接合し、一対のリード端子を外部に引き出した。
次に、厚み２５μｍのポリイミド樹脂からなるフィルムを準備し、このフィルムを枠部材に張力を与えた状態で固定し、固定されたフィルムの両主面にアクリル樹脂からなる接着剤を塗布し、接着剤を塗布したフィルムの部分に、フィルムを挟むように両側から積層型圧電素子を押し付け、１２０℃、１時間、空気中で接着剤を硬化させ、厚さ５μｍの接着剤層を形成した。枠部材内のフィルムの寸法は、縦２８ｍｍ、横２１ｍｍであり、２個の積層型圧電素子間の間隔を２ｍｍとし、積層型圧電素子と枠部材との間隔が同一となるように、積層型圧電素子をフィルムに接合した。この後、２個の積層型圧電素子にリード端子を接合し、一対のリード端子を外部に引き出した。
そして、枠部材の内側に、固化後のヤング率が１７ＭＰａのアクリル系樹脂を流しこみ、枠部材の高さと同一となるようにアクリル系樹脂を充填し、積層型圧電素子および外部に引き出すリード端子以外のリード端子を埋設し、固化させ、図２に示すような音響発生
器を作製した。
器を作製した。
作製した音響発生器の音圧周波数特性について、ＪＥＩＴＡ（電子情報技術産業協会規格）ＥＩＪＡ ＲＣ−８１２４Ａに準じて評価した。評価は、音響発生器の積層型圧電素子のリード端子に、１Ｗ（抵抗８Ω）の正弦波信号を入力し、音響発生器の基準軸上１ｍの点にマイクを設置して音圧を評価した。図１１に測定結果を示す。
図１１から、図２の第１形態の音響発生器では、２０〜１５０ＫＨｚまでは約７８ｄＢの高い音圧とピークディップの小さい特性が得られていることが判る。特に、６０〜１３０ＫＨｚは約８０ｄＢ以上の高い音圧が得られ、大きなピークディップも発生せず、ほぼ平坦な音圧特性が得られていることが判る。また、１０〜２００ＫＨｚの広い範囲で６０ｄＢ以上の高い音圧が得られていることがわかる。
なお、実施例１では圧電素子として、ユニモルフ型の積層型圧電素子を用いた例を示したが、バイモルフ型の積層型圧電素子を用いた場合でも同様の傾向が見られた。
図１１から、図２の第１形態の音響発生器では、２０〜１５０ＫＨｚまでは約７８ｄＢの高い音圧とピークディップの小さい特性が得られていることが判る。特に、６０〜１３０ＫＨｚは約８０ｄＢ以上の高い音圧が得られ、大きなピークディップも発生せず、ほぼ平坦な音圧特性が得られていることが判る。また、１０〜２００ＫＨｚの広い範囲で６０ｄＢ以上の高い音圧が得られていることがわかる。
なお、実施例１では圧電素子として、ユニモルフ型の積層型圧電素子を用いた例を示したが、バイモルフ型の積層型圧電素子を用いた場合でも同様の傾向が見られた。
ユニモルフ型の積層型圧電素子を用い、実施例１と同様にして、図７に示すような、フィルムの両側にそれぞれ４個の積層型圧電素子を有する音響発生器を作製し、音圧周波数特性を求めた。結果を図１２に示す。
図１２から、２０〜１５０ＫＨｚまでは約７８ｄＢの高い音圧とピークディップの小さい音圧が得られ、実施例１よりもさらに幅広い超高周波帯域においてピークディップを小さくできることがわかる。
１、３１、４１・・・積層型圧電素子
３・・・フィルム
５・・・枠部材
５ａ・・・第１の枠部材
５ｂ・・・第２の枠部材
７・・・圧電体層
９・・・内部電極層
１３・・・積層体
１５、１５ａ、１５ｂ・・・表面電極層
１７、１９・・・外部電極層
２０・・・樹脂層
ｘ・・・積層体の長手方向
ｙ・・・積層体の厚み方向
３・・・フィルム
５・・・枠部材
５ａ・・・第１の枠部材
５ｂ・・・第２の枠部材
７・・・圧電体層
９・・・内部電極層
１３・・・積層体
１５、１５ａ、１５ｂ・・・表面電極層
１７、１９・・・外部電極層
２０・・・樹脂層
ｘ・・・積層体の長手方向
ｙ・・・積層体の厚み方向
Claims (14)
- フィルムと、該フィルムの外周部に設けられた枠部材と、該枠部材の枠内の前記フィルム上に設けられた圧電素子と、該圧電素子を覆うように前記枠部材の枠内に設けられた樹脂層と、を有しており、
前記フィルムは、張力をかけた状態で前記枠部材に固定されていることを特徴とする音響発生器。 - 前記枠部材は、前記樹脂層よりも変形し難い材質からなり、前記樹脂層が前記枠部材に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の音響発生器。
- 前記樹脂層が、１ＭＰａ〜１ＧＰａのヤング率を有する樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の音響発生器。
- 前記樹脂層が、アクリル系樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の音響発生器。
- 前記フィルムが樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の音響発生器。
- 前記圧電素子が、バイモルフ型の積層型圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の音響発生器。
- 前記圧電素子が、ユニモルフ型の積層型圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の音響発生器。
- 前記圧電素子が前記枠部材の枠内の前記フィルム上に複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の音響発生器。
- 前記枠部材は第１の枠部材と第２の枠部材とを有し、前記フィルムの外周部が前記第１の枠部材と第２の枠部材とに挟持されていることを特徴とする請求項１乃至８に記載の音響発生器。
- 前記圧電素子が、前記フィルムを挟んで向かい合うように前記フィルムの両面に設けら
れていることを特徴とする請求項９に記載の音響発生器。 - 前記圧電素子が前記第１の枠部材および前記第２の枠部材の各枠内の前記フィルム上に複数設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の音響発生器。
- 前記フィルムの同一面に設けられた前記複数の圧電素子は、同一の電圧が印加されることを特徴とする請求項８または１１に記載の音響発生器。
- 一方の前記圧電素子が配置されている部位における前記フィルム、前記一方の圧電素子、前記樹脂層の全体厚みと、他方の前記圧電素子が配置されている部位における前記フィルム、前記他方の圧電素子、前記樹脂層の全体厚みとが異なっていることを特徴とする請求項８または１１に記載の音響発生器。
- 高音用圧電スピーカおよび低音用圧電スピーカと、前記高音用圧電スピーカおよび前記低音用圧電スピーカを固定する支持板とを具備してなり、前記高音用圧電スピーカが請求項１乃至１３のいずれかに記載の音響発生器からなることを特徴とするスピーカ装置。
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