JP5474564B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

圧電素子は、例えば、特許文献１に開示される。

米国特許第６，３４６，７６４号明細書

ともに高効率である、圧電素子と、圧電素子を備えた振動可能な素子配置とを提供することが、解決すべき課題であった。

第１の好ましい実施形態によれば、圧電特性を有する本体を含む圧電素子が提供される。この本体は、交互に重なる、圧電層と、第１、第２、第３電極が配置された平面電極とを含む。少なくとも１つの第１電極と、少なくとも１つの第２電極と、少なくとも１つの第３電極とが設けられる。好ましくは、複数の第１電極と複数の第２電極とが設けられる。少なくとも１つの第３電極は、好ましくは、本体に配置された少なくとも１つの内面に配置された第３電極を含む。

本体には、実質的に無フィールド即ち無応力の本体の中立領域によって互いに隔てられる、電気的かつ機械的に接続された変換器要素が実装される。第１変換器要素は、電気的に接続された第１電極を含む。第２変換器要素は、電気的に接続された第２電極を含む。第１および第２変換器要素の両方に配置された少なくとも１つの第３電極が本体に実装される。第１および第３電極から選択された少なくとも３つの電極が交互に配置される。第２および第３電極から選択された少なくとも３つの電極が、交互に重ねて配置される。中立領域は電極が配置された水平面と直角をなす。

本体には、２つだけではなくそれよりも多くの変換器要素が集積されてもよく、このとき、好ましくは、少なくとも２つの変換器要素あるいは全ての変換器要素が互いに電気的に接続される。各変換器要素は、形成された電気回路の直列分岐あるいは十字分岐に配置される。

圧電素子は、電気エネルギーを機械的エネルギーに、あるいはその逆方向に、変換するためのものである。圧電素子は、振動可能な膜の機械的振動を励起するための作動装置として使用できる。また、圧電素子は、機械的変形を、特に、膜の音響振動を電気信号に変換するための検出器要素として使用できる。例えば、圧電素子は、マイクロフォン配置ではマイクロフォン要素として使用できる。

他の有利な変形例では、圧電素子は、素子配置あるいはスピーカー配置を形成するために強固に接続されたスピーカー膜の振動を励起する機能を果たす。素子配置については以下で説明するが、これはスピーカーでの使用や作動装置としての圧電素子の使用に限定されるものではない。

圧電素子は、好ましくは、高い圧電結合を有する平板振動子あるいはたわみ振動子として設けられる。

圧電素子は、比較的小さい空間に集約された高エネルギー密度を特徴とする。電気容量の増加に伴って無効電力が増加するため、圧電素子の電気容量分布は、吸収される電流と損失とに対して重要である。本体に集積された電気機械的機能単位を２つの変換器要素に分割することで、圧電素子の電気容量を極めて小さくし、少ない電流消費量で高い圧電効率を達成することができる。圧電素子が電流を電気回路に送る検出装置では、逆に、圧電素子の低い電気容量によって、有効信号の高エネルギー密度を達成することができる。

圧電層の素材、数、厚みと変換器要素の水平寸法との適切な選択を含む、変換器要素の適切な選択によって、スピーカー配置で変換される予定のエネルギーは、好ましくは、機械的振動の励起が必要なときに、変換され得る。圧電層としては、任意の規格のＰＺＴセラミックあるいは低損失角の適切な圧電セラミックが考えられる。

圧電素子の外部接触の種類によって、さらなる改良を達成することができる。例えば、外部接触は、銀を含有した金属ペーストを塗布後焼成することにより、あるいは、スパッタリングによって金属層を溶着することにより、形成され得る。外部接触は、異なった材質からなるいくつかの層を有していてもよい。

各変換器要素は制御電圧によって制御され得る。制御電圧は、有効信号を含み、好ましくは、直流電圧と重畳される。直流電圧を印加することで、即ち、各変換器要素にバイアスを掛けることで、音響レベルを所定の値に戻すことが可能となる。有利な変形例では、直流電圧は周波数に依存する。直流電圧は周波数に応じて上昇したり下降したりし得る。特に、一方の変換器要素に対しては、周波数に応じて電圧が上昇する直流電圧によって、他方の変換器要素に対しては、周波数に応じて電圧が下降する直流電圧によってバイアスを掛けることが可能である。

変換器要素に適切にバイアスを掛けることで、周波数依存的信号の膜振動への変換が達成できる。

スピーカー膜の音響振動は、それに結合した圧電素子によって励起される。原則として、スピーカー配置は６００Ｈｚから１ｋＨｚ域の固有の特性振動を備える。好ましくは、スピーカー配置の別の固有振動であって、その共鳴周波数が第１の固有振動の周波数よりも大きいものが、同様に圧電によって励起される。第２の固有振動の周波数は、好ましくは、５ｋＨｚより高く、好ましくは、６ｋＨｚ域、例えば、５．５ｋＨｚと６．５ｋＨｚの間、あるいは、６ｋＨｚ超である。

中立領域は変換器要素の間に配置される。そして、変換器要素は隣り合って配置されるが、互いに隔てられており、無応力かつ無変形の中立領域が挿入されることで、互いは実質的かつ機械的に分断される。隣り合って配置される変換器要素は、好ましくは、実質的に同一のあるいは対称の構造を有し、特に、実質的に同じ電気容量値を有する。

有利な変形例では、異なる変換器要素の電気的に隔てられた少なくとも２つの電極が平面電極に配置される。第１電極と第２電極はそれぞれ本体外から接触することができる。第３電極は、必ずしもその必要なないが、外から接触することができる。

第３電極と圧電層との寸法が適切であれば、特に、電気容量と損失角との両方もしくは一方を減らすことが可能である。好ましくは、比較的大きい電極区域と薄い層の厚さで、極めて小さい電気容量と極めて小さい損失角とが達成される。各変換器要素の電気容量は、好ましくは、最大２μＦである。

有利な変形例では、圧電層は、圧電特性を有するセラミックを含む。チタン酸ジルコン酸鉛のような偏向強誘電体セラミックは、特に、圧電係数ｄ_１３の水平振動を励起することによって、振動可能な素子配置の平坦な周波数応答を達成することに適している。

個別の圧電層のそれぞれの厚さは、特定の圧電素子では、特に小さいものを選択することができる。同一の制御電圧では、これによって、各層の電場強度は増強し、特に大きい偏向が可能となる。

有利な変形例では、本体の中心点を含みかつ本体の層に対して直角な平面に対して、本体は鏡面対称に作製される。

第２の好ましい実施形態によれば、膜とそれに強固に固定された圧電素子とを有する素子配置が示される。圧電素子は、素子配置の少なくとも２つの振動モードを励起するために設けられる。圧電素子は、好ましくは、本体に実装された少なくとも２つの変換器要素を有し、それらの間には中立領域が存在する。

膜と圧電素子の本体との間の強固な接続のため、本体は、膜に直接隣接した領域では伸展できない。一方、膜と背向する本体の領域は、水平方向に伸展できる。こうしたことによって、素子配置のたわみ変形が強制される。

そこで、膜に固定され膜に対向する各変換器要素の領域は、変換器要素の水平係止領域を形成する。変換器要素の間に配置される中立領域は、実質的に無応力なので、中立領域に隣接する領域に各変換器要素が係止されたかのように機能する。そこで、中立領域は、各変換器要素のための、垂直係止領域を形成する。

これら係止領域とその近傍では、各変換器要素は水平方向には実質的に伸展しない。この結果、変換器要素の反対の自由端で水平方向へのより一層大きな伸展が生じる。そして、中立領域の挿入によって、本体あるいは素子配置のたわみ変形が強化される。

第３の好ましい実施形態によれば、膜とそれに強固に接続された圧電素子とを有する素子配置が示される。このとき、圧電素子は本体に実装された少なくとも２つの変換器要素を有する。好ましくは、本体の主面は膜に固定される。

変換器要素は、好ましくは、隣り合って配置され、有利な変形例では、実質的に無応力の中立領域によって互いに分断される。

変換器要素は、好ましくは、独立して制御される。独立した２つの制御信号による２つの変換器要素の制御は、例えば、少なくとも２つの振動モードを励起すること、あるいは、素子配置の質を下げることにより意図的に一方のモードの応答を平坦化することで、素子配置によって生成される音圧の周波数応答を平均化するために、特に、使用することが可能である。素子配置の質は、膜の最大振動振幅が達成される共鳴周波数と、特定の水準の振動振幅、例えば３ｄB、が達成される周波数の差分との比率を意味するものと解される。

単一の圧電素子を用い、変換器要素の独立した制御を介して、ステレオ信号は膜振動に変換され得る。

第４の好ましい実施形態によれば、周波数依存的な制御電圧によって制御される、少なくとも１つの変換器要素を有する圧電素子が提供される。有利な変形例では、この素子は、それぞれが少なくとも１つの周波数依存的な制御電圧によって制御された少なくとも２つの変換器要素が実装される本体を有する。

圧電素子は、好ましくは、振動可能な膜に接続される。

第５の好ましい実施形態によれば、振動可能な膜と、該膜に強固に接続された圧電素子であり、重ねて配置される少なくとも２つの変換器要素を備え、異なった厚さの、即ち、異なる分極電極間が異なった距離の圧電層を備えた圧電素子とを有する素子配置が提供される。変換器要素は、好ましくは、互いに電気的に接続される。

重ねて配置される変換器要素は、異なった数の圧電層と電極とを有していてもよい。

有利な変形例では、４つの変換器要素のブリッジ回路が可能である。この場合、好ましくは、２つの変換器要素は重ねて配置され、２つの変換器要素は隣り合って配置される。

本体は、中立領域によって互いに分断された少なくとも２つの隣り合う側方領域を有する。各側方領域に変換器要素の一方が配置される。

ある変形例では、重ねてあるいは隣り合って配置される変換器要素は個別に制御される。好ましくは、下層の変換器要素は共通の第１制御信号によって、上層の変換器要素は第２の制御信号によって制御される。本体の異なる側方領域の個別制御によって、圧電素子での圧電活動に、そして同様に、素子配置の周波数応答にも作用することが可能となる。

原則的には、水平方向に広がる実質的に無フィールドの領域は、重ねて配置される２つの変換器要素の間に設けられる。

異なる変換器要素を互いに重ね合わせることで、素子配置の共鳴周波数の変位を達成し、ただ１つよりも多くの振動モードを励起することが可能となる。

圧電素子と、圧電素子を有する素子配置との有利な実施形態は、互いに任意に組み合わせてもよい。

素子配置の全ての実施形態に関して、圧電素子によって励起される振動モードのうちより高周波数の振動モードは、好ましくは、５ｋＨｚより高く設定される。有利な変形例では、所定の有効領域の素子配置の周波数応答が素子配置の最大振動振幅に対して３ｄＢより大きい力の下降を生じないように、少なくとも２つの振動モードの共鳴曲線が重複する。これは、特に、２つ以上の変換器要素を１つの本体に実装することと、以下で説明する変換器要素の制御の変形例とによってもたらされる。

以下では、特定の素子の性質と構造、そしてその有利な実施形態をより詳細に説明する。

本体は、好ましくは、電気信号によって圧電係数ｄ_１３の水平方向の変位が生成される平板として設けられる。

平板の最小の水平寸法、即ち、その幅は、好ましくは、その厚さを最小で５倍超過する。平板の厚さは、平板の水平幅に対して、有利な変形例では、最大で１０％、別の変形例では最大で５％である。

水平寸法、即ち、平板の長さと幅は、ある変形例では、１０から４０ｍｍの間で選択される。平板の厚さは、好ましくは、最大で２００μｍである。ある変形例の平板の寸法は１５ｍｍ×２０ｍｍ×１２０μｍである。

平板は、好ましくは、４から２０個の間の圧電層を含む。この層の厚さは、好ましくは、１０から５０μｍである。

平板は、長方形あるいは円盤状に作成してもよい。平板の形状は、好ましくは、膜の形状と一致する。例えば、長方形の膜には長方形の平板、丸い膜には円盤状の平板を結合することが有利である。

電極と圧電層とは、好ましくは、本体の主面に平行な向きである。好ましくは、各第３電極は、２つの第１電極の間と２つの第２電極の間とに配置される。好ましい変形例では、複数の第３電極が設けられる。好ましくは、少なくとも１つの第１電極と少なくとも１つの第２電極とが２つの第３電極の間に配置される。

各変換器要素の互いに電気的に接続された電極は、好ましくは、本体の側面に配置された伝導性表面でともに接続され、集電極と外部端子として提供される。電極は、好ましくは、電極が各外部端子と接続された端子領域を除いて、本体の表面に露出しない。

第３電極は、第１および第２電極から電気的に隔てられる。第１および第２電極は、互いに電気的に隔てられてもよく、それら自身が各素子の外部端子に接続され得る。第１および第２電極は、しかし、共通の素子の外部端子に電気的に接続されてもよい。例えば、共通の制御信号で変換器要素の並列回路を制御する場合などである。

ある変形例では、第３電極は反応性電極として設けられる。反応性電極は、例えば、圧電層で前分極を生成する場合などに、反応性電極に接続するために外部電極に接続することができるものの、特定の電位を有する電気回路向きではない電極として、理解される。

ある変形例では、第３電極は互いに電気的に絶縁された、フロート電極として設けられる。ある変形例では、フロート電極は、互いから、かつ、変換器要素の他の電極から電気的に隔てられている。

しかし、第３電極は互いに電気的に接続されてもよい。この場合、それらは、本体の表面に配置された圧電素子の外部端子に接続することができる。

変換器要素は少なくとも１つの制御信号によって制御される。各変換器要素は、交流電圧成分を有する制御信号によって制御される。

有利な変形例では、変換器要素は、電気的直流電圧を印加することでバイアスを掛けられる。圧電素子の所定の作用点は直流電圧によって決まる。圧電層の弾性係数の望ましい値と、そして、素子配置の特定のダイナミック・レンジとは、直流電圧の電位に従ってそれぞれ決めることができる。その後、この値は有効信号によって調節される。有効信号は、素子配置の音響振動が励起される交流電圧である。音響有効信号は、例えば、増幅器要素を有するオーディオ・チップによって生成される。

圧電素子の弾性係数を変えることで、スピーカー配置の共鳴周波数に、そして、各振動モードの固有周波数に、特にそれらを上昇させるように、作用することが可能となる。弾性定数は電場強度の２乗に比例して増加する。このようにして、圧電素子に電気的バイアスを、特にそれを上昇させるように掛けることで、圧電素材の弾性定数あるいは弾性係数を制御することが可能である。

特に、より高い固有周波数を有する振動モードに作用することが可能である。より高いモードの共鳴周波数は、スピーカー配置の所定の有効範囲よりも高い周波数に合わせて変位し得る。しかし、より低い固有周波数を有する振動モードの周波数は変位し得、とりわけ、上昇し得る。

圧電素子の変換器要素の圧電素材の弾性Ｅを変えることで、例えば、共鳴周波数を数パーセントの幅で精密に調整することが可能となる。特に、音響有効信号と重畳する直流制御電圧を印加することで、共鳴周波数は上昇し得る。

有利な変形例では、有効信号は、制御信号を形成するため、直流電圧信号と重畳する。直流電圧の振幅は、好ましくは、有効信号の振幅よりも大きい。

そこで、制御信号は、交流成分内の有効信号と、正極あるいは負極の直流電圧信号とから構成される。正あるいは負の電位と有効信号とは、各変換器要素の同一の電極にもまた印加することができる。しかし、直流電圧成分と有効信号とは、変換器要素の異なる電極にもまた印加することができる。

圧電素子の異なる変換器要素は共通の制御信号によって制御され得る。

電気的に接続され共通の本体に実装された少なくとも２つの変換器要素は、例えば直列に接続することができる。制御器では、制御信号は、好ましくは、変換器要素の直列回路に印加される。

その代わりに、変換器要素の少なくとも２つが並列に接続され、制御信号が変換器要素の並列回路に印加されてもよい。ある変形例では、制御信号は、圧電素子の第１および第２電極に印加され、少なくとも１つの第３電極が基準電位に接続される。

ある変形例では、変換器要素の制御は共通の電極を介して行われる。この場合、制御信号は、少なくとも１つの第３電極に印加される。そして、好ましくは、第１電極は第１基準電位に接続され、第２電極は第２基準電位に接続される。また、第１および第２電極もまた共通の基準電位に接続され得る。

各基準電位は、零電位あるいは接地であってもよい。基準電位を、正あるいは負の極性の直流電圧で置換してもよい。ある変形例では、正または負の極性の直流制御電圧を供給するため少なくとも１つの第３電極が設けられる。別の変形例では、直流制御電圧を供給するため第１および第２電極の両方あるいは一方が設けられる。

別の変形例によれば、変換器要素は独立して制御される、即ち、異なる制御信号によって制御される。例えば、第１制御信号が第１電極に印加され、第２制御信号が第２電極に印加される。この場合、第３電極は、好ましくは、基準電位に接続される。

変換器要素は、特に、隣り合って配置される変換器要素は、単一の制御信号による制御の場合や、複数の制御信号による制御の場合に、共通の基準電位、あるいは、異なる基準電位に接続されてもよい。

電気エネルギーを機械的エネルギーに、あるいはその逆方向に、効率的に変換する際、比較的高効率を実現するためには様々な可能性が考えられる。

制御信号の電気エネルギーを膜の振動に効率的に変換するためには、圧電素子の本体と膜との接続は可能な限り堅固であるほうが有利である。この場合、本体と膜との間に配置された接続層は、好ましくは、固い、即ち、弾力性がない。接続層は、好ましくは、本体の底面が全面に渡って、即ち、空洞や隙間なしで、膜と接続されるように設けられる。しかし、所望の効率を確立するため、例えば、本体の中立領域と膜との間に、少なくとも１つの隙間が設けられてもよい。

接続層あるいは接着層は、好ましくは、薄く、例えば、厚さ最大２０μｍであり、有利な変形例では厚さ５〜１０μｍである。接着層は、好ましくは、電気的に絶縁性である。

また、素子配置の効率は、本体の中立領域の寸法を適切にすることで増加し得る。例えば、本体の中立方向に計測した場合の中立領域の幅は、変換器要素を互いに機械的に分断するために必要な最小幅よりも大きくなるよう選択される。ある変形例では、中立領域の最小幅は２００μｍである。中立領域の幅は、好ましくは、最大５００μｍであり、有利な変形例では、最大３００μｍである。

変換器要素の平面電極間の距離、即ち、各圧電層の厚さは、可能な限り大きい曲げ応力を達成できるようにするため、本体の異なる側方領域では異なるように設けることが有利である。電極間隔が小さいと、電圧が変動しなくても、各圧電層の電場強度はより大きくなる。このため、より大きな曲げ応力を達成するため、本体のより大きな変位が必要とされるような本体の領域の圧電層の厚さを減らすことは有利である。このことは、例えば、膜に固定されていない、膜に背向する本体の側方領域に当てはまる。したがって、膜に対向する本体の領域での層の厚さあるいは平面電極間の間隔は、膜に背向する本体の側面領域でのそれらよりも大きいことが有利である。

各圧電層は極性軸を特徴とする。正と負の方向の極性を有する圧電層は、好ましくは、交互に重ねて配置される。

本体の圧電層は、分極性を有するドメインの優先方向を決めるために前分極処理される。分極場は、例えば、１−３ｋＶ／ｍｍである。作動中は、１層に付き２００Ｖ／ｍｍの電場が達成され得る。

作用点を決めるため、電場が該層の分極の方向と一致するような目印とともに直流電圧を供給することが有利である。

有利な変形例では、各圧電層の分極軸は、第１および第２変換器要素の領域と同一の方向を向いている。このことは、例えば、分極を生成する際、分極電圧が変換器要素の並列回路に印加される場合に当てはまる。

別の有利な変形例では、各圧電層の分極軸は、第１および第２変換器要素の領域と反対の方向を向いている。このことは、例えば、分極を生成する際、分極電圧が変換器要素の直列回路に印加される場合に当てはまる。

ある変形例では、制御電圧は、圧電素子の作動中、各圧電層の電場が第１および第２の変換器要素の領域内で同一の方向を向くように、印加される。このことは、例えば、変換器要素の並列回路に並列バイアスが適用される場合に当てはまる。

別の変形例では、制御電圧は、圧電素子の作動中、各圧電層の電場が第１および第２の変換器要素の領域内で反対の方向を向くように、印加される。このことは、例えば、変換器要素の直列回路に電気バイアスが適用される場合に当てはまる。

作動電圧の分極の方向は、各圧電層の極性軸の方向と並行であってもよく、このとき分極軸と電場が同一の方向を向く。また、作動電圧の分極の方向と極性軸の方向とは逆並行でもよく、このとき分極軸と電場は互いに反対の方向を向く。

有利な変形例では、圧電層の前分極の生成の際の分極電圧と、作動中の制御電圧との両方は、変換器要素の直列回路あるいは並列回路に印加される。この場合、作動電圧の分極の方向と各圧電層の極性軸の方向とは、隣り合う変換器要素では並行である。

別の変形例では、前分極の生成の際に変換器要素の直列回路に分極電圧を印加することと、作動中に変換器要素の並列回路に制御電圧を印加することが可能である。代わりに、前分極の生成の際に変換器要素の並列回路に分極電圧を印加することと、作動中に変換器要素の直列回路に制御電圧を印加することが可能である。この場合、作動電圧の分極の方向と各圧電層の極性軸の方向とは、第１変換器要素では並行である一方、作動電圧の分極の方向と各圧電層の極性軸の方向とは、第２変換器要素では逆並行である。

有利な実施形態では、各変換器要素の直流バイアスは周波数依存的である。圧電素子に印加される周波数依存的制御電圧は、信号経路に配置されたドライバによって生成される。この信号経路は各変換器要素に接続され、各変換器要素に制御電圧を供給するために設けられる。

圧電素子の異なる変換器要素は、異なる直流制御電圧によってバイアスされる。これを介して、スピーカー配置の周波数応答は、目標としたように、平坦化される。音響有効信号を提供するオーディオ・チップとその有効信号によって作動される圧電素子との間には、例えば、出力側に少なくとも２つの信号経路を有するドライバが配置されてもよい。各信号経路は各変換器要素に接続され、該変換器要素を制御するために設けられる。ドライバの各信号経路では、音響有効信号は、好ましい周波数依存的直流制御電圧と重畳されるので、変換器要素は重畳された制御信号によって制御される。各変換器要素の作用点は各直流制御電圧の設定を介して選択される。

ある変形例では、第１の周波数依存的制御電圧は有効信号の周波数が減少するときに増加し、第２の周波数依存的制御電圧は制御信号が増加するときに増加する。第１信号経路は、膜と対向する変換器要素を制御するために設けられ、第２信号経路は、膜と背向する変換器要素の圧電素子を制御するために設けられる。

音響有効信号を使用して、変換器要素をバイアスするための、少なくとも２つの異なる直流制御電圧を設定できる可能性がある。

例えば、圧電素子の異なる領域では、隣り合ってあるいは重ねて配置される領域もしくは変換器要素は、異なる周波数域、例えば、有効信号スペクトルの低周波部と高周波部と、を有する信号による制御のために設けられる。

ある変形例では、膜に対向する変換器要素は第１の周波数依存的制御電圧で制御され、膜に背向する変換器要素は第２の周波数依存的制御電圧で制御される。例えば、第１制御電圧の制御電圧源は有効信号スペクトルの低周波部によって主に作動され、第２制御電圧の制御電圧源は、例えば、有効信号スペクトルの高周波部によって主に作動される。そして、周波数に伴って、第１制御電圧は、減少し、第２制御電圧は増加する。第１および第２制御電圧の電位は有効信号スペクトルの各部の振幅に依存する。

膜は支持部に繋止される。膜振動として、音波が周囲媒質へ放射される。有利な変形例では、膜は金属、例えば、金属箔あるいは金属板からなる。

圧電素子の変位が生じない中立平面が、膜と圧電素子との間の境界表面（接触面）に位置するとき、特に大きな膜移動が達成される。

ある変形例では、振動可能な膜の領域は、２つの、好ましくは、同様に作られた圧電素子の間に配置される。好ましくは、素子配置は、膜の静止位置に一致する平面に対して鏡面対称性を有する。互いに対向するあるいは膜に対向する異なる圧電素子の変換器要素は、好ましくは、逆位相に制御される。

有利な変形例では、素子配置は比較的平坦な共鳴曲線を特徴とする。重要なことは、素子配置の機械的固有振動である。

素子配置の平坦な周波数応答は、伝達関数の有効領域、例えば、約６ｋＨｚまでの音響周波数域では”音響出力の穴”、即ち、性能の下降が生じないので、望ましい。平坦な共振特性は、素子配置の少なくとも２つの音響振動モードを励起することで生成される。有利な変形例では、素子配置の周波数応答は少なくとも２つの共鳴を有する。このとき、各共鳴は、好ましくは、広く調整される。

このことは、励起される予定の各振動モードに関して素子配置の質は、好ましくは、比較的に低く、例えば、１５０より小さいことを意味する。そのため、素子配置は、好ましくは、少なくとも２つの振動モードが圧電素子によって励起されるように設けられる。

素子配置の平坦な周波数応答を設定するためには、圧電素子を１つの本体内に集積された少なくとも２つの変換器要素に分割することが特に有利である。変換器要素は、好ましくは、独立して制御され、かつ／または、別々に設けられる。この場合、変換器要素は、隣り合ってあるいは重ねて配置され得る。

適切な周波数応答、特に、各振動モードに関する素子配置の質は、例えば、変換器要素の適切な制御によって、作用され得る。各変換器要素がそれ自身の設定された作用点で有するような電気バイアスによる、あるいは、周波数依存的制御電圧による圧電素子の異なる変換器要素の個別の制御は、この場合、有利である。

レゾナンス、周波数、そして、素子配置の質は、とりわけ、支持部上の膜の構造と支持に依存し、また、圧電素子の構造にも依存する。比較的低いレゾナンスのＱ因子、例えば、最大でも５０のＱ因子、が特に有利であると考えられる。

ある変形例では、圧電素子は、音響信号を必要な電力レベルに、例えば、約１から３Ｖで１Ａに増幅する増幅器のための電気的負荷として利用される。アンプリファイア・チップの著しい加熱を防ぐため、負荷での電力損失は２００ｍＷを下回るように維持される必要がある。このため、低い負荷キャパシタンス、例えば、２μＦより下が有利である。変換器要素の直列回路は、この場合、特に有利である。

電極間隔が小さいため、各電圧層の電場強度は大きくなる。圧電効果によって圧電素子で変換される予定の有効電力は、電場強度の二次関数に比例して増加する。しかし、直列配線によって圧電素子の低い電気容量が実現されるので、薄い層の厚さにも関わらず低い電力損失を達成することができる。結果として、変換器要素が直列に接続される場合、圧電素子の寸法、特に、厚さを減少することができる。

所定の圧電素子の利点は、変圧器要素が特段に低い電気容量を特徴とする点である。直列回路が２つの同一の変換器要素に制御される場合、電気容量は、２つの接続された変換器要素の代わりに単一の変換器要素が本体に実装される変形例の電気容量の約四分の一に減少する。同一の電圧レベルであれば、各圧電層の電場強度は半分ほどの大きさである。損失角は電圧に依存するので、ある変形例では、熱損失を招くような電流の損失は、１０倍より多く減少することができる。

圧電素子では、可能な限り少ない電流消費量での、電気エネルギーから機械的エネルギーへの、あるいはその逆方向への、効率的な変換が望まれている。電力損失による圧電層の発熱を減少し、そして、圧電層の望まざる脱分極を防ぐため、各変換器要素で、可能な限り少ない無効電力が生成されるようにする必要がある。そのため、各変換器要素の低い電気容量が有利である。このことは、直列接続と並列接続両方の変換器要素に適用される。

膜は、好ましくは、スピーカー配置の特定の主振動モードが励起されうるように、支持部に係止される。

ある変形例では、膜は支持部にその２つの反対端のみにおいて固定される。また、膜は支持部に外周部に沿って固定され得る。この場合、膜の中央領域で最大の移動が達成される。

別の実施形態では、膜の中央領域は支持部に固定されてもよい。この場合、膜の端領域で最大の移動が達成される。

膜を支持部に固定する際、膜の外周全体ではなく、隔てられた膜の端領域が支持部に固定されるように、好ましくは限られた数の振動モードのみが励起されるという有利な修正を、振動スペクトルに行ってもよい。特に、有効であると考えられるスピーカー配置の振動モードは支持され得るが、一方、スピーカー配置の特定の振動モードは減弱され、さらには抑止される。

励起される予定の振動モードの選択は、少なくとも２つの異なる変換器要素を重ね合わせることで、更に達成することができる。この場合、圧電素子は、好ましくは、少なくとも４つの変換器要素を含む。積層して配置された変換器要素は変換器要素積層を形成する。電極平面間の間隔は、各変換器要素積層の膜に対向する領域で、膜に背向する領域でよりも大きいように選択される可能性がある。

ある変形例では、変換器要素積層は第３電極を介して互いに接続される。第３電極はそれぞれ２つの変換器要素と中立領域をまたぐ。

隣り合って配置される異なる変換器要素積層の変換器要素は、好ましくは、交流電圧部と直流電圧部との両方もしくは一方を有する共通の制御信号によって制御される。有利な変形例では、膜に対向して隣り合って配置された変換器要素は、第１制御信号によって制御される一方、膜に背向して隣り合って配置された変換器要素は第２制御信号によって制御される。

交流電圧部を有する各制御信号は、隣り合って配置された変換器要素の共通電極に印加することができる。好ましくは、直流電圧、あるいは、常規電圧がこれら変換器要素の別の電極に印加される。

代わりに、各変換器要素積層が重ねて配置された変換器要素は、交流電圧部と直流電圧部との両方もしくは一方を有する共通制御信号によって制御されてもよい。交流電圧部を有する各制御信号は、例えば、重ねて配置された変換器要素の電気的に接続された電極に印加することができる。この場合、直流電圧信号、あるいは、零電位は、好ましくは、隣り合って配置される変換器要素の共通電極に印加される。

隔てられ本体に実装された変換器要素積層は、原則的には、互いに別々に制御される。変換器要素積層は、互いに電気的に隔てられてもよい。

以下では、特定の素子とその有利な実施形態を、本明細書中の必ずしも原寸に比例して描かれていない模式的な図を用いて説明する。

フロート電極を介して互いに電気的に接続された２つの変換器要素を有する圧電素子の断面図を示すものである。 図１Ａで示した素子の第１平面電極の上面図を示すものである。 図１Ａで示した素子の第２平面電極の上面図を示すものである。 振動可能な膜に固定された圧電素子の断面図を示すものである。 振動可能な膜に固定された、集積された２つの変換器要素を有する圧電素子の断面図を示すものである。 外部接触電極を介して互いに電気的に接続された２つの変換器要素を有する圧電素子の断面図を示すものである。 図４Ａで示した素子の第１平面電極の上面図を示すものである。 図４Ａで示した素子の第２平面電極の上面図を示すものである。 図４Ａで示した素子の、全ての電気端子が本体の一側面に向いている変形例を示すものである。 図５Ａで示した素子の第１平面電極の上面図を示すものである。 図５Ａで示した素子の第２平面電極の上面図を示すものである。 図５Ａに係る素子の上面図を示すものである。 ２つの変換器要素を有する圧電素子の制御のための変形例を示すものである。 ２つの変換器要素を有する圧電素子の制御のための変形例を示すものである。 ２つの変換器要素を有する圧電素子の制御のための変形例を示すものである。 ２つの変換器要素を有する圧電素子の制御のための変形例を示すものである。 共通電極を介して変換器要素が制御される際の素子の圧電層の分極軸の向きを示すものである。 変換器要素の直列回路の制御の際の素子の圧電層の分極軸の向きを示すものである。 それぞれが４つの変換器要素を有する、自身に強固に固定された２つの圧電素子を有する、膜の断面図を示すものである。 図１２Ａで示した素子の平面電極の上面図を示すものである。 図１２Ａで示した素子の平面電極の上面図を示すものである。 図１２Ａで示した素子の平面電極の上面図を示すものである。 図１２Ａで示した各圧電素子の等価回路図を示すものである。 支持部と、そこに係止された膜と、該膜に強固に固定された圧電素子とを有する素子配置の上面図を示すものである。 支持部と、そこに係止された膜と、該膜に強固に固定された圧電素子とを有する素子配置の上面図を示すものである。

図１Ａから図１３で描かれた圧電素子は、例えば、図１４あるいは図１５に示された素子配置で使用できる。この素子は、支持部６に係止された膜４に固定される。

ある変形例では、膜４の振動可能領域の部分は圧電素子の本体１０に強固に固定される。図１２Ａに示すような別の変形例では、膜４の振動可能領域の部分は、２つの好ましくは同一の圧電素子の間に配置される。

圧電素子は、好ましくは、膜４の音響振動を励起する機能を果たす。反対に、膜の、特に、マイク膜の振動振幅を検出するための、あるいは、膜に作用する圧力を記録するための検出器として圧電素子を使用することもできる。

圧電素子の本体１０は、圧電層と、交互に重ねて配置された平面電極とを有する。圧電層は、好ましくは、前分極処理したセラミック金属を含む。

本体１０は、第１変換器要素１１と、第２変換器要素１２と、該要素間に配置され、例えば変換器要素１１および１２の領域とは対照的に、実質的に無フィールドで、好ましくは分極軸を有さない中立領域１３とを含む。

変換器要素１１，１２は、特に、交流電圧部を有する電気信号を機械的振動に、あるいはその逆方向に変換する機能を果たす。

本体１０は、膜４に、その区域の大部分に渡って、好ましくは、その区域の全てに渡って、強固に固定されている。有利な変形例では、第１変換器要素１１および第２変換器要素１２の両方は機械的に膜４に結合される。これにより、本体１０の電気的に励起された振動の機械的エネルギーは、特に効果的に膜４に連結される。

第１変換器要素１１は、変換器要素Ｃ１、あるいは、少なくとも２つの電気的に接続された、好ましくは、重ねて配置される変換器要素Ｃ１とＣ３（図１２Ａ参照）とを含む。第２変換器要素１２は、変換器要素Ｃ２、あるいは、少なくとも２つの電気的に接続された、好ましくは、重ねて配置される変換器要素Ｃ２とＣ４（図１２Ａ参照）とを含む。

中立領域１３は、制御電圧を変換器要素１１および１２に印加する際に機械的変形を実質的に受けない。そのため、中立領域１３は、係止領域と類似した働きをするある種の音響短絡回路である。

本体１０は、好ましくは、長軸方向に沿って、第１変換器要素１１と、第２変換器要素１２と、中立領域１３とに分けられる。断面図では、中立領域１３は、垂直方向に、好ましくは、本体１０の長軸方向に直角に広がる。

本体１０は、第１電極２１と、第２電極２２と、第３電極２３とを有する。第１電極２１同士は、第１電気伝導性表面５１によって電気的に接続される。第２電極２２同士は、第２電気伝導性表面５２によって電気的に接続される。

第１電極２１は、第２および第３電極２２，２３から電気的に隔てられる。第２電極２２は、第１および第３電極２１，２３から電気的に隔てられる。第３電極２３は、第１および第２電極２１，２２から電気的に隔てられる。

単一の第３電極２３は、好ましくは、本体の内部に配置されるが、少なくとも２つの変換器要素を電気的に接続するために、原則的に、十分なものであり得る。しかしまた、第３電極２３の少なくとも１つは、本体の表面に配置され、ある変形例では、膜４に対向する本体１０の少なくとも主面に配置される。

有利な変形例では、本体１０に、変換器要素１１，１２，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４のうち少なくとも２つのための共通電極として設けられる複数の第３電極２３，２４が配置される。各第３電極は、相互に電気的に接続され該第３電極とは電気的に隔てられている第１変換器要素１１の２つの電極間に配置される。各第３電極は、相互に電気的に接続され該第３電極とは電気的に隔てられている第２変換器要素１２の２つの電極間に配置される。

図１Ａ−１Ｃに係る変形例では、第３電極２３はフロート式に形成され、互いに電気的に隔てられる。図３、４Ａ−４Ｃ、５Ａ−５Ｄ、１２Ａ−１２Ｄの変形例では、第３電極２３は、第３電気伝導性表面５３に接続され、図１２Ａでは、少なくとも１つの第３電極２４が別の第３電気伝導性表面５４に接続される。

本体の表面に配置された電気伝導性表面５１，５２，５３，５４は、一方では、第１、第２あるいは第３電極２１，２２あるいは２３，２４を接続するための集電極として設けられてもよいし、他方では、圧電素子の外部端子として設けられてもよい。集電極として設けられた各伝導性表面は、基本的に、本体１０の主面に配置され素子の外部端子として設けられた他の伝導性表面に接続されてもよい。

電気伝導性表面５１，５２，５３，５４は、少なくとも部分的には、本体１０の側面に配置される。これは、伝導性表面が可能な限り隔てられている場合、例えば、異なる側面に配置される場合に有利である。各伝導性表面の端子領域はまた本体１０の主面に配置される。例えば、伝導性表面５３あるいは５４の領域５３Ａ，５４Ａは，本体１０の主面であって、該本体の係止領域ではない部分に配置される。これらの点については、図４Ａ，４Ｂそして図５Ａ，５Ｂを参照されたい。

素子の各外部端子５１もしくは２１ａ，５２もしくは２２ａ，５３、５４には、端子線３１，３２，３３あるいは３４が固定される。

第１変換器要素１１の領域では、第１電極２１と第３電極２３の第１領域とが交互に重ねて配置される。第２変換器要素１２の領域では、第２電極２２と第３電極２３の第２領域とが交互に重ねて配置される。中立領域１３には、第３電極２３のみが配置される。

第１および第２電極２１，２２は第１平面電極に配置される。第３電極２３は第２平面電極に配置される。各圧電層は、好ましくは、第１および第２平面電極の間に配置される。そして、第１および第２平面電極は交互に積層して配置される。

平面電極は、本体の内部に位置する平面、および、本体の上面と下面とに配置された平面電極を含む。本体１０の上面と下面に配置された平面電極は、使途に応じて、第１あるいは第２平面電極であってもよい。

端子線３１，３２，３３，３４を介して接触するように設けられた素子の外部端子は、本体１０の側面あるいは膜４に背向する主面に配置される。端子線の主面での配置は、本体１０が僅かな厚さのみを有する場合、特に有利である。例えば、本体１０の表面に配置される電極２１ａ，２２ａの領域と外部に位置する第３電極との両方もしくは一方が、素子の外部端子として使用されてもよい。

図１Ｂは、本体１０の第１平面電極を示す図である。各第１平面電極には、第１電極２１と、これと隔てられた第２電極２２とが配置される。

図１Ｃは、本体１０の第２平面電極を示す図である。各第２平面電極には、第３電極２３が配置される。

第３電極２３は、好ましくは、全ての面に渡って、場合によっては伝導性表面５３あるいは５４への端子領域を除いて、本体１０の表面に露出しない。また、このことは同様に、第１および第２電極２１，２２と、これら電極の伝導性表面５１，５２への端子領域とに適用される。

図２と図３では、取付領域で振動可能な膜４に固定される圧電素子における、圧電効果の作用を説明する。矢印８は、圧電素子によって作動される膜４の変位を示す。参照番号４は接地状態の膜を示し、参照番号４ａは変形した膜を示す。

図２上図では、互いに噛み合う第１および第２電極を有する圧電素子が示されている。図２下図では、本体１０の拡大図が示されている。

この場合、ただ１つの変換器要素のみが設けられる。両端矢印は、電極２１，２２への電圧印加の際に各圧電層の変位が側平面で生じることを示す。

圧電定数ｄ_１３の累積的側方効果の結果、本体は、静止位置に対して水平方向に伸展あるいは収縮する。本体が膜４に固定されているため、この効果は、膜と対向する本体の一面で阻害される。このようにして、本体は、機械的応力に関わらず伸展も収縮もし得ない。そのため、取付領域の直線的測定値は変化しない。

各圧電層と本体１０の取付領域との間隔が大きいほど、より大きな圧電素材の水平方向の変位が可能となる。図２上図では、膜４と背向する圧電層は印加された電圧に対応する極性での伸展を受ける一方、膜４と対向する圧電層は応力を受ける。本体１０の垂直方向に不均一な水平変位は、本体の曲げ変形を招き、これによって膜４の振動が生成される。

図３は共通の第３電極２３を介して電気的に接続される２つの変換器要素１１，１２を有する圧電素子を示す。図３下図では、本体１０の拡大図が示されている。

矢印９１は、第１変換器要素１１の領域での本体の水平変位の方向を示し、矢印９２は、第２変換器要素１２の領域での本体の水平変位の方向を示す。この変位は、電極２１，２２、および／あるいは、場合によっては電極２３への電圧の印加によって生じる。

中立領域１３は、この領域において各圧電素材の材料が前分極されないので、無フィールドかつ実質的に機械的応力を受けない。圧電層は、中立領域１３に外見上は係止される。中立領域では変位が不可能なので、本体の変位は、その中立領域と背向する自由端でより大きい。

図４Ａ−４Ｃに示す圧電素子は、本体１０の長軸方向に直角に広がる平面に対して実質的に鏡面対称である。さらに、この素子は、電極と直角で本体１０の長軸方向を含む平面に対して鏡面対称である。各第３電極２３は、第３伝導性表面５３と別の第３伝導性表面５４との両方に接続され、原則的に、伝導性表面５３，５４の両方を、あるいは、これらのうち一方を介して接触される。

このとき、端子線３１，３２，３３，３４は、本体１０の側面に配置される伝導性表面５１，５２，５３，５４に固定される。代わりに、図５Ａに示すように、端子線３１は、最上部の第１電極２１ａで形成される伝導性表面に取り付けられてもよく、端子線３２は、最上部の第２電極２２ａで形成される伝導性表面に取り付けられてもよく、端子線３３は、伝導性表面５３の領域５３Ａに取り付けられてもよく、端子線３４は、伝導性表面５４の領域５４Ａに取り付けられてもよい。

伝導性表面５３，５４の選択的領域５３Ａ，５４Ａは、原則的に、全ての変形例において省略される。

必要な場合、例えば、中立領域が５００μｍより小さい幅を有する場合、端子表面として設けられる領域５３Ａ，５４Ａは、端子線３３，３４のための十分な端子領域を補償するため、中立領域１３と実質的に同一の広さに、あるいは、中立領域１３より幾分広く設けられる。伝導性表面５３Ａ，５４Ａと同一の平面電極に位置する第１および第２電極２１ａ，２２ａは、同様に保持され、かつ、内部に位置する平面電極よりも本体の長軸方向に対して短く設けられる。外部に位置する電極２１，２２は、本体１０の縁あるいは側面から離されてもよいが、必ずしもそうである必要はない。

図５Ａ−５Ｄで示す変形例では、素子の電気端子の全てが本体１０と対向している。そのため、全ての電極端子は本体の上面に配置される。本体の上面に配置される電極２１ａ，２２ａは、内部に配置される平面電極の第１および第２電極２１，２２よりも本体の長軸方向に対して短く設けられる。しかし、本体の上面に配置される電極２１ａ，２２ａは、第１および第２電極２１，２２よりも本体の短軸方向に対して広く設けられる。

図６−９は、変換器要素１１，１２の接続と制御との異なる可能性を示す。各変形例は、一つの使途として、キュリー点を越える比較的高い温度で分極電圧として比較的大きい直流電圧を印加する際、変換器要素１１と１２の領域で圧電層の前分極を生成するために使用され得る。各圧電層での分極軸の配置は、印加された分極電圧の極性に依存する。

各変形例は、別の使途として、交流電圧素子の制御信号による制御のために使用され得る。記号”〜”は、制御信号が交流電圧素子を有することを示す。記号”＝”は、制御信号が直流電流素子を有することを示す。

図６の変形例では、分極電圧、即ち、制御信号Ｖ_〜が変換器要素１１，１２あるいはＣ１，Ｃ２の直列配線に印加される。この変形例では、それぞれがフロート式に設けられたあるいはともに電気的に接続された共通電極２３は外部回路に接続されない。

図７の変形例では、分極電圧、即ち、共通制御信号Ｖ_〜が変換器要素１１，１２あるいはＣ１，Ｃ２の両方の共通電極２３に印加される。第１電極２１は第１基準電位に接続され、第２電極２２は第２基準電位に接続される。各基準電位は、例えば、接地、零電位、あるいは正あるいは負の極性の直流電圧であってもよい。

第１および第２変換器要素１１，１２のための互いに異なる基準電位は有利である。しかし、第１基準電位は第２基準電位と等しくてもかまわない。後者の場合、変換器要素１１，１２は並列に配線される。

図８と図９の変形例では、第１分極電圧、即ち、第１制御信号Ｖ_１〜が第１変換器要素１１の第１電極２１に印加される。第２分極電圧、即ち、第２制御電圧Ｖ_２〜が第２変換器要素１２の第２電極２２に印加される。この場合、変換器要素１１，１２の共通電極２３は、好ましくは、基準電位に接続される。図８では、これは零電位あるいは接地である。図９では、これは正あるいは負の直流信号Ｖ_３＝である。基準電位のための正あるいは負の符号は、圧電素子で使用される素子配置の接地を示す。

信号Ｖ_１〜とＶ_２〜とは、例えば、両者を合わせてステレオ信号となる。

第１、第２、第３電極に印加される制御信号は、基本的に、交流成分ではなく、例えば変換器要素１１，１２でのバイアスを生成し作用点を設定するために、直流成分を含む。この場合、第１、第２、第３電極に印加される制御信号は、交流成分と直流成分の和である。

図１０では、変換器要素１１，１２の各圧電層の分極の配置が、黒矢印で示す所定の極性を有する制御信号Ｖによって制御される。制御は共通電極２３を介して行われる。この場合、電極２３の電位は明確に規定され、特に、この変形例では、第１および第２電極２１，２２の電位に対して正に設定される。電極２３が負の電位で制御される場合、それぞれの電極層で、図示した分極の方向とは反対方向の分極がみられる。

各圧電層は、例えばこの場合、最下層Ｐ１は、第１および第２の変換器要素１１，１２の領域での分極と同一の方向（上向き）を有する。

図１１では、所定の極性を有する制御信号Ｖによる変換器要素１１，１２の直列配線の制御の際の各圧電層の分極の方向が黒矢印で示されている。第１および第２変換器要素１１，１２の領域の分極の方向は互いに逆並行である。この場合、第３電極２３がフロート式なので、あるいは、少なくとも特定の電位で接続されていないので、各第３電極２３の電位は自由に設定できる。この電位は、第１変換器要素１１の領域では第１電極２１の電位に対して負であり、第２変換器要素１２の領域では第２電極２２の電位に対して正である。

図１２Ａの変形例では、膜４は２つの同一の圧電素子の間に配置される。第２圧電素子の本体１０’は、下記の第１圧電素子の本体１０と実質的に同一の性質を有する。

図１２Ａの変形例では、第１変換器要素１１は、２つの電気的に接続され重ねて配置された変換器要素Ｃ１，Ｃ３を含む。第２変換器要素１２は、２つの電気的に接続され重ねて配置された変換器要素Ｃ２，Ｃ４を含む。

変換器要素Ｃ１とＣ２の領域の圧電層の厚さはｄ１である。変換器要素Ｃ３，Ｃ４は、変換器要素Ｃ１，Ｃ２よりも薄い厚さｄ２の圧電層を有する。比較的厚い圧電層を有する変換器要素Ｃ１とＣ２は膜４と対向している。比較的薄い圧電層を有する変換器要素Ｃ３とＣ４は膜４と背向している。

膜４と背向する本体１０の領域での異なる分極した電極間の間隔が小さいほど、より大きな圧電素材の変位振幅を達成することが可能となる。そこで、各変換器要素１１，１２の上部領域での電極間の間隔を下部領域に対して変化させることで、特に効果的な電気機械変換が円滑に行われる。

図１２Ａ−１２Ｃで示した変形例に係る圧電素子の等価回路図を図１３に示す。

第１および第２制御信号Ｖ_１〜とＶ_２〜は、好ましくは、隣り合って配置される変換器要素の共通電極に印加される。制御信号Ｖ_１〜は、変換器要素Ｃ１とＣ２の共通電極２４に印加され、制御信号Ｖ_２〜は、変換器要素Ｃ３とＣ４の共通電極２３に印加される。

第３および第４制御信号Ｖ_３とＶ_４は、好ましくは、重ねて配置される変換器要素の共通電極に印加される。制御信号Ｖ_３は、変換器要素Ｃ１とＣ３の第１電極２１に印加され、制御信号Ｖ_４は変換器要素Ｃ２とＣ４の第２電極２２に印加される。

各制御信号Ｖ_１〜，Ｖ_２〜，Ｖ_３，Ｖ_４は、変形例に依存するが、基準電位、直流電圧、交流電圧、あるいは、重畳信号であり得る。好ましくは、少なくとも制御信号Ｖ_１〜とＶ_２〜は音響有効信号を含む。制御信号Ｖ_３とＶ_４は、好ましくは、直流成分を含む、あるいは、基準電位に等しい。

制御信号Ｖ_３とＶ_４は共通制御信号に置換してもよい。また、制御信号Ｖ_１〜とＶ_２〜も共通制御信号に置換してもよい。

ただ１つの第３電極２４の代わりに、複数の共通電極２４を変換器要素Ｃ１，Ｃ２の領域に設けることが可能である。反対に、変換器要素Ｃ３，Ｃ４の領域の複数の第３電極２３の代わりに、ただ１つの共通電極２３が設けられてもよい。

原則的に、第１バイアスを変換器要素Ｃ１，Ｃ２に適用し、第２バイアスを変換器要素Ｃ３，Ｃ４に適用することが可能である。これは素子配置の特定の振動モードを好ましく励起するために有利である。この場合、電気的に隔てられた伝導性表面５３あるいは５４を介して、第３電極２３と別の第３電極２４とが個別に接触することが特に有利である。

第３伝導性表面５３は、第３電極２３を接続するための集電極として設けられる。また、別の第３電極２４を接続する追加の第３伝導性表面５４が、複数の第３電極２４を接続するための集電極として設けられてもよい。原則的に、本体内の第３電極２３，２４の全てを電気的に接続する可能性がある。例えば、第３電極２３，２４の全てが、伝導性表面５３，５４の１つに、あるいは、伝導性表面５３，５４の両方に接続されてもよい。

図１２Ａ−１２Ｃの変形例では、第３伝導性表面５３，５４は、本体１０の反対に位置する側面に配置される。また、第３伝導性表面は、本体１０の同一の側面に配置されてもよい。

全ての変形例において、変換器要素Ｃ１は、好ましくは、それに隣接して配置される第２変換器要素Ｃ２と同一の性質を有する。これは、特に、変換器要素の電気容量値を示す。図１２Ａ−１２Ｃ，１３に示す変形例では、変換器要素Ｃ１とＣ２は、好ましくは、互いに同質で、かつ、変換器要素Ｃ３とＣ４とは異質である。変換器要素Ｃ３とＣ４は、好ましくは、互いに同質である。

図１２Ａの変形例では、変換器要素１１，１２は２つの変換器要素のみを有する変換器要素積層として示されているが、本体１０において２つより多くの変換器要素を重ねて配置し変換器要素積層を形成してもよい。この場合、好ましくは、各積層の変換器要素の全ては、１つに接続されて同一の電位であるか、あるいは、共通制御信号によって制御される。共通制御信号による重ねて配置された変換器要素の並列配線の制御は、特に、有利である。

図１４は、素子配置、特に、スピーカー配置あるいはマイクロフォン配置を示す。素子配置は、支持部６と膜４とを含む。支持部６には、隙間７、即ち、膜４の取り付けられない領域が振動できる余地のある空間が存在する。膜４の振動可能領域の外側には、膜４が支持部６に、例えば、接着層によって、強固に接続される取付領域７１，７２，７３が存在する。

取付領域７１，７２，７３は互いに隔てられる。図１５の変形例では、膜は支持部６にその反対の側の２ヶ所で係止される。取付領域７１と７２を参照のこと。膜４の２つの側は係止されないので、自由に振動できる。この場合、隙間７の幅は、好ましくは、膜４の幅よりも大きい。

別の変形例では、複数の取り付け領域の代わりに、ただ１つの外周取付領域のみが形成される。

素子と素子配置の設計は、特に、図示した素子の数や形態に関して、図に示した実施例に制限されない。材料の情報は、素子の設計をいかようにも制限するものではない。

膜の代わりに、音響エネルギーを結合するために適した別の部品、好ましくは、振動することができる、例えば、共鳴体あるいは保持要素を使用することが可能である。

図１２Ａの変形例では、変換器要素の組み合わせＣ１とＣ２，Ｃ３とＣ４，あるいは，Ｃ１とＣ３，Ｃ２とＣ４に関して、図６，７，８，９で示した制御の変形例が可能である。異なる組は、ともに電気的に接続されても、互いに電気的に隔てられてもよい。

１０ 第１圧電素子の本体
１０’ 第２圧電素子の本体
１１ 第１変換器要素
１２ 第２変換器要素
１３ 本体の中立領域
２１ 第１電極
２１ａ 外面に配置された第１電極
２２ 第２電極
２２ａ 外面に配置された第２電極
２３ 第３電極
２４ 他の第３電極
３１，３２，３３，３４ 端子線
４ 初期状態の膜
４ａ 変形した膜
５１ 第１電極２１を接続するための集電極
５２ 第２電極２２を接続するための集電極
５３ 第３電極２３を接続するための集電極
５３ａ 集電極５３の端子領域
５４ 追加の第３電極２４に接触するための外部端子
５４ａ 集電極５４の端子領域
６ 支持部
７ 支持部の隙間
７１，７２，７３ 支持部の膜取付領域
８ 膜４の変位の向き
９１，９２ 本体１０の水平方向の変位の向き
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ 変換器要素
ｄ１，ｄ２ 連続する電極間の距離
Ｐ１ 圧電層
Ｖ 制御信号
Ｖ_〜，Ｖ_２〜，Ｖ_３〜 交流電圧成分を有する制御信号
Ｖ_３，Ｖ_３＝，Ｖ_４ 直流成分を有する制御信号

Claims (18)

1. 電気的に接続された複数の変換器要素が実装されている本体を有し、
   該変換器要素は、前記本体のゼロ電界の中立領域によって互いに隔てられ、かつ、圧電電歪効果要素として構成されており、
   第１変換器要素は、積層して配置されている少なくとも２つの前記変換器要素を備える第１変換器要素積層として構成されており、
   第２変換器要素は、前記第１変換器要素積層を構成する前記変換器要素とは別の積層して配置されている少なくとも２つの前記変換器要素を備える第２変換器要素積層として構成されており、
   前記第１変換器要素は、電気的に接続された第１電極を備え、
   前記第２変換器要素は、電気的に接続された第２電極を備え、
   前記第１変換器要素および前記第２変換器要素に配置された少なくとも１つの第３電極が設けられており、
   前記第１電極および前記第３電極から選択された少なくとも３つの電極が交互に配置され、
   前記第２電極および前記第３電極から選択された少なくとも３つの電極が交互に配置され、
   前記中立領域は、前記第１電極、前記第２電極、および前記第３電極が配置された平面と直角であり、
   前記第１変換器要素積層の１番目の変換器要素と２番目の変換器要素とは互いに積層して配置されており、
   前記第２変換器要素積層の１番目の変換器要素と２番目の変換器要素とは互いに積層して配置されており、
   前記本体内で互いに隣接して配置されている前記第１変換器要素積層および前記第２変換器要素積層の前記１番目の変換器要素は、前記第１変換器要素積層および前記第２変換器要素積層の前記２番目の変換器要素とは異なる厚さを有する、
   ことを特徴とする圧電素子。
2. 前記本体は平板である、請求項１に記載の素子。
3. 少なくとも２つの前記変換器要素が直列に電気的に接続されている、請求項１または２に記載の素子。
4. 少なくとも２つの前記変換器要素が並列に接続されている、請求項１または２に記載の素子。
5. 前記本体は、複数の圧電層を有し、
   膜に取り付けられている前記本体の第１側方領域の圧電層の厚さが、前記膜に取り付けられていない前記本体の第２側方領域の圧電層の厚さよりも大きい、請求項１から４のいずれか１項に記載の素子。
6. 制御信号が前記変換器要素の直列回路に印加される、請求項３に記載の素子。
7. 制御信号が、少なくとも１つの前記第３電極に、または、前記第１電極および前記第２電極に印加される、請求項１、２、４、および５のいずれか１項に記載の素子。
8. 第１制御信号が前記第１電極に印加され、第２制御信号が前記第２電極に印加される、請求項１、２、４、および５のいずれか１項に記載の素子。
9. 少なくとも１つの前記第３電極が直流電圧を供給するために設けられる、請求項１、２および４から８のいずれか１項に記載の素子。
10. 各圧電層の分極軸が、前記第１変換器要素および前記第２変換器要素の領域内で同一のまたは反対の方向に向けられている、請求項１から９のいずれか１項に記載の素子。
11. 前記圧電素子の作動中、各前記圧電層の電場が前記第１変換器要素および前記第２変換器要素の領域内で同一のまたは反対の方向を向くように、制御電圧が送られる、請求項１０に記載の素子。
12. 前記本体内で互いに隣接して配置されている前記第１変換器要素積層の前記変換器要素と前記第２変換器要素積層の前記変換器要素とは、同一の性質を有する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の素子。
13. 前記本体内で互いに隣接して配置されている前記第１変換器要素積層の前記変換器要素と前記第２変換器要素積層の前記変換器要素とは、同じ電気容量値を有する、請求項１２に記載の素子。
14. 前記第１変換器要素積層および前記第２変換器要素積層の前記１番目の変換器要素は膜に対向しており、
    前記第１変換器要素積層および前記第２変換器要素積層の前記２番目の変換器要素は前記膜に背向しており、
    前記第１変換器要素積層および前記第２変換器要素積層の前記１番目の変換器要素は、前記第１変換器要素積層および前記第２変換器要素積層の前記２番目の変換器要素よりも厚い、請求項１に記載の素子。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の少なくとも１つの圧電素子と、
    前記素子が取付けられている振動可能な膜と、
    を有する素子配置体。
16. 前記膜の領域が２つの圧電素子の間に配置される、請求項１５に記載の素子配置体。
17. 前記膜は、相隔てられた少なくとも２つの領域で支持部に繋止される、請求項１５または１６に記載の素子配置体。
18. 前記第１変換器要素積層および前記第２変換器要素積層はそれぞれ少なくとも１つの周波数依存的な制御電圧によって制御される、請求項１から１４のいずれか１項に記載の素子。

Images