JP5832000B2 - Piezoelectric sounding body and electronic device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、圧電発音体及びそれを利用した電子機器に関し、更に具体的には、小型機器等への搭載に適した圧電発音体の改良に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric sounding body and an electronic device using the piezoelectric sounding body, and more specifically to an improvement of a piezoelectric sounding body suitable for mounting on a small device or the like.
近年、携帯電話やスマートフォンなどは、通話機能のみならず、携帯型個人情報端末としての機能が充実してきている。その中で、機器そのものの大きさに関しては、小型化・薄型化・軽量化の要望が強く、それに伴って、用いる部品に対する小型化・薄型化・軽量化への要求が高まっている。スピーカに関しても同じ要求があるが、圧電素子の31方向への伸縮変位を利用し、屈曲変位を用いて変位拡大を行う圧電スピーカは、構造的にも薄型化が容易であり、高い音圧を確保できることから、携帯機器に用いられてきている。また、圧電スピーカは、電圧駆動型であることから、ダイナミックスピーカと比べて消費電力が少ないという利点もあり、電池の寿命が重要視される携帯機器に用いる部品として適している。 In recent years, mobile phones, smartphones, and the like have been enhanced not only with call functions but also with functions as portable personal information terminals. Among them, regarding the size of the device itself, there is a strong demand for downsizing, thinning, and weight reduction, and accordingly, there is an increasing demand for downsizing, thinning, and weight reduction of components to be used. The same requirements apply to loudspeakers, but piezoelectric loudspeakers that use the displacement of the piezoelectric element in the 31 direction and expand the displacement using bending displacements are easy to make thin and structurally have high sound pressure. Since it can be secured, it has been used for portable devices. In addition, since the piezoelectric speaker is a voltage-driven type, it has an advantage that it consumes less power than a dynamic speaker, and is suitable as a component used in a portable device in which battery life is important.
これらの圧電スピーカは、特に駆動電圧の低減という観点から、8層程度までの積層体で形成されており、金属板などのシム板に貼り付けて用いられる。この際、金属板に積層圧電体を1枚だけ貼り付けたものをユニモルフ型,金属板の両面に各々逆方向に分極した積層圧電体を貼り付けたものをバイモルフ型と呼ぶ。このようなユニモルフ型,バイモルフ型の圧電スピーカとしては、例えば、下記特許文献1に記載の技術がある。バイモルフ型の場合、金属板を用いずに、積層圧電素子の上半分と下半分で分極方向を逆にすることで、1枚の素子でバイモルフ型を実現する方法もある。この一体型バイモルフ素子においては、金属板のような余計な構造体を含まないため、比較的屈曲変位の効率が高い。
These piezoelectric speakers are formed of a laminate of up to about eight layers, particularly from the viewpoint of reducing driving voltage, and are used by being attached to shim plates such as metal plates. At this time, a single laminated piezoelectric material attached to a metal plate is called a unimorph type, and a laminated piezoelectric material polarized in opposite directions on both sides of a metal plate is called a bimorph type. As such a unimorph type and bimorph type piezoelectric speaker, for example, there is a technique described in
圧電スピーカは容量性の素子であり、実効消費電力の観点からすると、前述した通り、ダイナミック型のスピーカに比べ、遙かに消費電力が少なくて済み、電池の持続時間を延ばすことが可能である。しかしながら、特に可聴音域の上限近傍である10〜20kHzにおいては、インピーダンスが低下することから、流れる電流値は大きくなる。このように電流値が大きくなると、実効消費電力としては小さいものの、スピーカを構成する導線の接続部分のように他と比べて抵抗値の高い場所で発熱するという課題が生じる。そして、発熱により圧電素子の劣化が加速されるため、設計以下の時間で特性劣化を引き起こすおそれがある。また、スピーカを駆動するための回路にも大きな電流が流れることを考慮しなければならないため、太い導線等を用いる必要があり、携帯機器等の小型化を妨げる要因になるという課題があった。 A piezoelectric speaker is a capacitive element, and from the viewpoint of effective power consumption, as described above, it consumes much less power than a dynamic speaker and can extend the duration of a battery. . However, particularly at 10 to 20 kHz, which is near the upper limit of the audible sound range, the impedance decreases, so the value of the flowing current increases. When the current value increases as described above, although the effective power consumption is small, there arises a problem that heat is generated in a place having a higher resistance value compared to other parts, such as a connecting portion of a conducting wire constituting the speaker. And since deterioration of a piezoelectric element is accelerated by heat_generation | fever, there exists a possibility of causing characteristic deterioration in the time after a design. In addition, since it is necessary to consider that a large current flows also in a circuit for driving the speaker, it is necessary to use a thick conductor or the like, which causes a problem that hinders downsizing of portable devices and the like.
本発明は、以上のような点に着目したもので、素子としての変位量を損なうことなく、流れる電流値を低く抑えることで、特性劣化の防止と小型化を実現可能な圧電発音体を提供することを、その目的とする。他の目的は、前記圧電発音体を利用した電子機器を提供することである。 The present invention focuses on the above points, and provides a piezoelectric sounding body capable of preventing characteristic deterioration and miniaturization by keeping the flowing current value low without impairing the amount of displacement as an element. The purpose is to do. Another object is to provide an electronic device using the piezoelectric sounding body.
本発明の圧電発音体は、変位に寄与する圧電体層が、4層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、積層方向の中央部は分極しない層であり、前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有するとともに、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとしたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からn層(nは自然数)までの厚みが、tdmost×(√n)を満たすことを特徴とする The piezoelectric sounding body of the present invention is a piezoelectric sounding body in which a bimorph type piezoelectric driving element in which four or more piezoelectric layers that contribute to displacement are stacked is supported by a support plate, and the plurality of piezoelectric members An electrode layer is formed between the layers, and the same number of upper and lower piezoelectric layers are polarized in opposite directions with the center in the stacking direction as a boundary, and the center portion in the stacking direction is a non-polarized layer, and the stacking direction from the center The thickness of the piezoelectric layer is gradually reduced in the vertical direction, and the thickness of the piezoelectric layer is the same when the upper and lower stacking positions are the same from the central boundary, and contributes to displacement. Among the piezoelectric layers to be used, when the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost , n layers (n is a natural number) from the base point with the surface on the central boundary side of the thickest piezoelectric layer as a base point the thickness of until, satisfy the t dmost × (√n) And wherein the Succoth
他の発明の圧電発音体は、変位に寄与する圧電体層が、4層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、積層方向の中央部はシム板からなり、前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有するとともに、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとしたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からn層(nは自然数)までの厚みが、tdmost×(√n)を満たすことを特徴とする。主要な形態の一つは、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとし、変位に寄与する圧電体層の層数を2nとしたときに、全層厚が、2×tdmost×(√n)であることを特徴とする。 A piezoelectric sounding body according to another aspect of the invention is a piezoelectric sounding body in which a bimorph type piezoelectric driving element in which four or more piezoelectric layers contributing to displacement are laminated and supported by a support plate is supported by the support plate. An electrode layer is formed between the body layers, and the same number of upper and lower piezoelectric layers are polarized in the opposite direction with the center in the stacking direction as a boundary, and the center portion in the stacking direction is formed of a shim plate. The thickness of the piezoelectric layer is gradually reduced in the vertical direction, and the thickness of the piezoelectric layer is the same when the upper and lower stacking positions are the same from the central boundary, and contributes to displacement. Among the piezoelectric layers to be used, when the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost , n layers (n is a natural number) from the base point with the surface on the central boundary side of the thickest piezoelectric layer as a base point the thickness of until, less than a t dmost × (√n) It is characterized in. One of the main forms is that when the thickness of the thickest piezoelectric layer among the piezoelectric layers contributing to displacement is t dmost and the number of piezoelectric layers contributing to displacement is 2n, the total thickness is Is 2 × t dmost × (√n).
更に他の圧電発音体は、変位に寄与する圧電体層が、4層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、積層方向の中央部は分極しない層であり、前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有しており、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとし、前記中央の境からn層目(nは自然数)の前記電極層の厚みをtie(n)としたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からn層までの厚みが、tdmost×(√n)+Σt ie(n-1)であることを特徴とする。 Still another piezoelectric sounding body is a piezoelectric sounding body in which a bimorph type piezoelectric driving element in which four or more piezoelectric layers that contribute to displacement are stacked is supported by a support plate, and the plurality of piezoelectric members An electrode layer is formed between the layers, and the same number of upper and lower piezoelectric layers are polarized in opposite directions with the center in the stacking direction as a boundary, and the center portion in the stacking direction is a layer that is not polarized, The thickness of the piezoelectric layer is gradually reduced toward the upper and lower sides, and the thickness of the piezoelectric layer is the same when the upper and lower stacking positions are the same with respect to the central boundary. Among the piezoelectric layers contributing to the above, when the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost and the thickness of the electrode layer of the nth layer (n is a natural number) from the central boundary is t ie (n) , With the central boundary side surface of the thickest piezoelectric layer as a base point, The thickness from the base point to the n layer, characterized in that it is a t dmost × (√n) + Σ t ie (n-1).
更に他の圧電発音体は、変位に寄与する圧電体層が、4層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、積層方向の中央部はシム板からなり、前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有しており、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとし、前記中央の境からn層目(nは自然数)の前記電極層の厚みをtie(n)としたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からn層までの厚みが、tdmost×(√n)+Σt ie(n-1)であることを特徴とする。主要な形態の一つは、前記圧電体層の各層の厚み誤差は、各圧電体層に対して±10%の誤差が許容されることを特徴とする。本発明の電子機器は、前記いずれかに記載の圧電発音体を利用したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的,特徴,利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。 Still another piezoelectric sounding body is a piezoelectric sounding body in which a bimorph type piezoelectric driving element in which four or more piezoelectric layers that contribute to displacement are stacked is supported by a support plate, and the plurality of piezoelectric members An electrode layer is formed between the layers, and the same number of upper and lower piezoelectric layers are polarized in the opposite direction with respect to the center in the stacking direction, and the central portion in the stacking direction is formed of a shim plate. The thickness of the piezoelectric layer is gradually reduced toward the surface, and the thickness of the piezoelectric layer is the same when the upper and lower stacking positions are the same with respect to the central boundary. Among the contributing piezoelectric layers, when the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost and the thickness of the electrode layer of the nth layer (n is a natural number) from the center boundary is t ie (n), Starting from the central boundary side surface of the thickest piezoelectric layer, the base Thickness from up to n layers, characterized in that it is a t dmost × (√n) + Σ t ie (n-1). One of the main features is that a thickness error of each layer of the piezoelectric layer is allowed to be ± 10% with respect to each piezoelectric layer . An electronic apparatus according to the present invention uses any one of the piezoelectric sounding bodies described above. The above and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.
本発明によれば、圧電体層を複数積層した圧電駆動素子を使用した圧電発音体において、変位量が最も少ない部分の圧電体層の厚みを最も厚くし、外側へ向けて順次圧電体層を薄く形成することとした。これにより、素子としての変位量を損なうことなく、容量を低減し、流れる電流値を低く抑えることができる。その結果、発熱による故障の発生を防止できるとともに、駆動回路に太い導線を用いる必要がなくなるため小型化も可能となる。 According to the present invention, in a piezoelectric sounding body using a piezoelectric driving element in which a plurality of piezoelectric layers are stacked, the thickness of the piezoelectric layer with the smallest amount of displacement is maximized, and the piezoelectric layers are sequentially formed outward. It was decided to form thinly. As a result, the capacitance can be reduced and the flowing current value can be kept low without impairing the amount of displacement as the element. As a result, it is possible to prevent the occurrence of a failure due to heat generation and to reduce the size because it is not necessary to use a thick conductor in the drive circuit.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。図1(A)は圧電駆動素子の積層構造を示す断面図,(B)及び(C)は圧電駆動素子が屈曲した状態を示す断面図,(D)及び(E)は圧電駆動素子を支持する枠の一例を示す図である。図2は、本発明の4〜8層積層のバイモルフ型の圧電駆動素子の電極層の構成を示す断面図であり、(A-1)〜(A-3)は分極操作時の電極構成を示し、(B-1)〜(B-3)は駆動時の電極構成を示す。図3は、本発明の圧電駆動素子の内部電極パターンを示す平面図である。図4は、内部電極層の厚みを考慮した場合の圧電駆動素子の厚みの定義を示す説明図である。本実施例の圧電発音体10は、例えば、携帯電話やスマートフォンに代表される携帯通信端末のスピーカとして利用されるものである。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail based on examples. 1A is a cross-sectional view showing a laminated structure of piezoelectric drive elements, FIGS. 1B and 1C are cross-sectional views showing a state in which the piezoelectric drive element is bent, and FIGS. 1D and 1E support a piezoelectric drive element. It is a figure which shows an example of the frame to do. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the electrode layer of the 4- to 8-layer laminated bimorph type piezoelectric driving element of the present invention, and (A-1) to (A-3) show the electrode configuration during polarization operation. (B-1) to (B-3) show electrode configurations during driving. FIG. 3 is a plan view showing an internal electrode pattern of the piezoelectric driving element of the present invention. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the definition of the thickness of the piezoelectric driving element when the thickness of the internal electrode layer is taken into consideration. The
図1(A)及び(D)に示すように、本実施例の圧電発音体に用いられる圧電駆動素子10は、バイモルフ型であって、全体が略長方形である。前記圧電駆動素子10は、6層の圧電体層20,22,24,30,32,34と、これらの圧電体層の間に設けられた電極層40,42,44,52,54と、積層体表面に形成された電極層46,56により構成されている。本実施例は、厚み方向の中央部の電極層40を境に、上下に3層ずつの圧電体層が形成されている。圧電体層20,22,24により、上側の積層圧電体12が形成され、圧電体層30,32,34により、下側の積層圧電体14が形成されている。
As shown in FIGS. 1A and 1D, the
本実施例では、圧電駆動素子10の変位が最も少ない部分(横方向への伸縮が最も少ない部分)の圧電体層20,30の厚みが最も厚く形成されている。そして、圧電体層20,22,24の順に厚みが薄くなり、圧電体層30,32,34の順に厚みが薄く形成されている。圧電体層20,30の厚みは同じであり、圧電体層22,32の厚みは同じであり、圧電体層24,34の厚みは同じである。すなわち、電極層40を対称面として上下対称な層構造及び厚みとなるように各圧電体層の厚みが設定されている。従って、本実施例のようにバイモルフ構造を採用する場合、圧電駆動素子を構成する圧電体層(変位に寄与する圧電体層)は、必ず4層以上の偶数層となる。なお、圧電体層同士の厚みの比率については、後に詳述する。
In the present embodiment, the
前記圧電駆動素子10は、PZTなどの圧電体をシート成形し、電極を含むペーストをシートに印刷して積層・圧着後、所定の温度で焼成するという通常の手法を用いて作製することができる。素子の面方向の寸法に関しては特に規定はないが、通常の携帯機器に用いることを想定すると、直径20〜25mm程度の円形もしくは1辺が15〜20mm程度の長方形が好ましい。本実施例では、長方形としている。図1(A)の例では、下から圧電体層34,電極層54,圧電体層32,電極層52,圧電体層30,電極層40,圧電体層20,電極層42,圧電体層22,電極層44,圧電体層24の順に積層される。最外層の電極層46,56は、内部の電極層と同じくペーストを印刷して積層体と同時に焼成してもよいし、積層体の焼成後にペーストを塗布して焼き付けてもよい。あるいは、蒸着やスパッタ,メッキ等の低温プロセスで形成してもよい。
The
次に、このようにして形成した積層体の圧電体層20〜24,30〜34に、電極層40〜46,52〜56を利用して分極用の電圧を印加し、所定の分極が施される。例えば、図2(A-2)に示す例では、電極層42と電極層46を正極用パターンとして側面電極62で接続し、電極層52と電極層56を負極用パターンとして側面電極64で接続する。また、電極層40,44,54はコモンパターンとして側面電極60で接続する。これら正極パターン,負極パターン,コモンパターンの一例が、図3(A)〜(C)に示されている。なお、前記側面電極60,62,64は、例えば、積層体の側面にペーストを塗布する方法や、蒸着,スパッタ,メッキ等の低温プロセスを用いる方法などにより形成される。あるいは、外部側面で接続せずに、圧電体シートにホールを開けてペースト印刷時に電極層同士を接続するスルーホールを用いる方法など、従来から使用されている手法での接続が可能である。
Next, a voltage for polarization is applied to the
また、圧電駆動素子10を4層構造とする場合には、図2(A-1)に示すように、電極層42を正極パターンとし、電極層52を負極パターンとする。また、電極層40,44,54はコモンパターンとして、側面電極60で接続する。圧電駆動素子10を8層構造とする場合には、図2(A-3)に示すように、電極層42と電極層46を正極用パターンとして側面電極62で接続し、電極層52と電極層56を負極用パターンとして側面電極64で接続する。また、電極層40,44,48,54,58をコモンパターンとして、側面電極68で接続する。
When the
積層体の焼成,電極の形成後に分極を行う。分極電圧は、材料の抗電界以上の電圧をかけるが、その際、最も厚い層厚に合わせた電圧を加える必要がある。また、分極時に高温にして電圧を下げても良い。分極時には、図2(A-1)〜(A-3)に示す通り、正極パターン,負極パターン,コモンパターンを用いて、正負の電圧と0Vとなるコモンの3極で分極を行う。この際、正負の電圧は同じである必要があり、また同時に加える必要がある。電圧が異なったり、同時に加えなかったりすると、素子が異常な変形を起こし、応力によるクラック発生の原因となる。分極終了後、図2(B-1)〜(B-3)に示すように、正負の電極を接続し、一つの電極とする。図2(B-1)に示す4層構造の例では、電極層42と52を側面電極66で接続する。図2(B-2)に示す6層構造と図2(B-3)に示す8層構造の例では、電極層42,46,52,56を側面電極50で接続する。
Polarization is performed after firing the laminate and forming the electrodes. As the polarization voltage, a voltage higher than the coercive electric field of the material is applied. At this time, it is necessary to apply a voltage in accordance with the thickest layer thickness. Further, the voltage may be lowered by increasing the temperature during polarization. At the time of polarization, as shown in FIGS. 2 (A-1) to (A-3), using a positive electrode pattern, a negative electrode pattern, and a common pattern, polarization is performed using three common electrodes of positive and negative voltages and 0V. At this time, the positive and negative voltages need to be the same and must be applied simultaneously. If the voltages are different or not applied at the same time, the element will be deformed abnormally, causing cracks due to stress. After the polarization is completed, as shown in FIGS. 2B-1 to 2B-3, positive and negative electrodes are connected to form one electrode. In the example of the four-layer structure shown in FIG. 2 (B-1), the electrode layers 42 and 52 are connected by the
そして、これら接続した電極とコモン電極に信号を入力することで、圧電駆動素子10の上半分と下半分で逆方向に伸縮し、結果として屈曲変位となる。図1(A)の6層構造の例では、下側の積層圧電体14の圧電体層30,32,34の分極方向は、上側の積層圧電体12の圧電体層20,22,24の分極方向と逆となっている。一方、音声信号などの駆動電圧は、電極層42,46,52,56に印加され、他の電極層40,44,54はアースされている。このため、積層圧電体12の矢印FA方向の伸縮と、積層圧電体14の矢印FC方向の伸縮は互いに逆方向となる。すなわち、図1(B)に示すように積層圧電体12が矢印FA方向に伸びたときは、積層圧電体14は矢印FC方向に縮む。逆に、図1(C)に示すように積層圧電体12が矢印FA方向に縮んだときは積層圧電体14は矢印FC方向に伸びる。このため、全体として矢印FB方向に振動するようになる。
Then, by inputting a signal to the connected electrode and common electrode, the
前記圧電駆動素子10の全体の厚みは50〜200μmとする。これ以下の厚みでは十分な力が出ないため、空気や後述する支持板70の剛性に負けてしまい、十分に変位することができない。また、これ以上厚い場合は、圧電駆動素子10自体の剛性が高すぎるため、やはり十分に変位することができなくなる。図1(A)の例では、圧電体層は6層であるが、4層以上の偶数層であればよく、図2(A-1)及び(B-1)に示す4層構造としてもよいし、図2(A-3)及び(B-3)に示す8層構造としてもよい。いずれにしても、厚み方向の中心(本実施例の場合は電極層40)を境に、上下が対称となるように積層する。
The total thickness of the
複数の圧電体層の厚みの比は、屈曲変位を起こすと考えた場合、曲率半径から計算される各層の必要な伸縮量から、全層数を2n(nは自然数)層として計算すると、以下の数式1で表すことができる。
前記数式1を用いると、圧電体層の積層数が、
4層(n=2)の場合は、圧電体の厚み比は、下層から順に、
√2-1:1:1:√2-1
となる。
6層(n=3)の場合は、
√3-√2:√2-1:1:1:√2-1:√3-√2
となり、
8層(n=4)の場合は、
2-√3:√3-√2:√2-1:1:1:√2-1:√3-√2:2-√3
となる。そして、各層の厚みは、上記比率に対して±10%の誤差までが許容される。このような理想的な厚み比率を有する各層の厚みを合計したときの全層厚は、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとし、変位に寄与する圧電体層の層数を2nとしたときに、
2×tdmost×(√n)
の関係で示されることが見出されている。いいかえれば、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとしたときに、該最も厚い圧電体層と中央の電極層との境界面を基点として、該基点からn層(nは自然数)までの厚みが、
tdmost×(√n)
を満たすことになる。本実施例の圧電駆動素子はバイモルフ構造のため、素子全体としての圧電体層の厚みは、その2倍となり、上記のとおり、2×tdmost×(√n)となる。
Using
In the case of 4 layers (n = 2), the thickness ratio of the piezoelectric body is, in order from the lower layer,
√2-1: 1: 1: √2-1
It becomes.
For 6 layers (n = 3)
√3-√2: √2-1: 1: 1: √2-1: √3-√2
And
For 8 layers (n = 4)
2-√3: √3-√2: √2-1: 1: 1: √2-1: √3-√2: 2-√3
It becomes. The thickness of each layer is allowed to have an error of ± 10% with respect to the above ratio. The total thickness when the thicknesses of the respective layers having such an ideal thickness ratio are totaled is the piezoelectric layer contributing to the displacement, where t dmost is the thickness of the thickest piezoelectric layer among the piezoelectric layers contributing to the displacement. When the number of body layers is 2n,
2 x t dmost x (√n)
It has been found that In other words, of the piezoelectric layers that contribute to displacement, when the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost , the boundary surface between the thickest piezoelectric layer and the central electrode layer is used as a base point, and from this base point The thickness up to n layers (n is a natural number)
t dmost × (√n)
Will be satisfied. Since the piezoelectric driving element of the present embodiment has a bimorph structure, the thickness of the piezoelectric layer as the entire element is twice that, which is 2 × t dmost × (√n) as described above.
しかしながら、実際の積層体には、各層間に電極層を形成しなければならない。この電極はセラミックス(圧電体層)の焼結と同時に形成する必要があるため、セラミックスの焼結温度で溶融せず焼結のみを起こすような、銀,白金,パラジウムやその合金などを用いる。電極層は、圧電体層と異なり、電圧によって変形を起こすことはないため、上記の数式1は電極層の存在により修正を受ける。このように、電極層の存在により圧電駆動素子10の変位量は抑制を受けるため、電極層の厚みは可能な限り薄い方がよく、例えば、印刷法によれば1〜2μmとなる。また、層数が多くなると電極比率が増えるため、実質的な圧電体層の積層数は8層までである。また、2層では層厚に傾斜ないし差を設けられないため、最低層数は4層となる。
However, in an actual laminate, an electrode layer must be formed between each layer. Since this electrode needs to be formed simultaneously with the sintering of the ceramic (piezoelectric layer), silver, platinum, palladium, an alloy thereof, or the like that does not melt at the sintering temperature of the ceramic but only causes the sintering is used. Unlike the piezoelectric layer, the electrode layer is not deformed by a voltage, and thus the
ここで、前記電極層の厚みをtie,最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとし、最も厚い圧電体層の厚みに対する電極層の厚みの比Aを、A=(tie/tdmost)と表すことで、全体の厚みが厚くなり、曲げ剛性が増加することを考慮にいれて前記数式1を修正することができるが、解は解析的に導くことはできない。しかし、電極材料のヤング率を50〜150GPaとし、圧電駆動素子10の全体厚みを50〜200μmとし、電極厚みを最大5μmとすると、近似的に計算ができる。圧電体層の積層数を4層とした場合の圧電体層32,30,20,22の厚みを以下の数式2の比率にすると、最適な特性が得られる。
同様に、圧電体層の積層数が6層の場合に最適な特性が得られる圧電体層34,32,30,20,22,24の厚み比率は、以下の数式3に示される。
更に、圧電体層の積層数が8の場合に最適な特性が得られる圧電体層36,34,32,30,20,22,24,26の厚み比率は、以下の数式4に示される。
なお、誤差は各圧電体層について±10%までであれば、本発明における効果が発揮できる。ただし、本実施例はバイモルフ型であるので、外側の層の厚みは、内側の層の厚みよりも薄くなければいけない。その範囲をはずれると、素子容量が大きくなり、駆動時の電流値が高くなってしまい、所望の効果を得ることが出来ない。 If the error is up to ± 10% for each piezoelectric layer, the effect of the present invention can be exhibited. However, since the present embodiment is a bimorph type, the thickness of the outer layer must be smaller than the thickness of the inner layer. If it is out of the range, the element capacitance increases, the current value at the time of driving increases, and the desired effect cannot be obtained.
このように電極層の厚みも考慮した場合、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとし、最も厚い圧電体層と中央の電極層の境界面を基点として、該基点からn層までの厚みを表すと、
tdmost×(√n)+Σtie(n-1)
の関係で示されることが見いだされている。
When the thickness of the electrode layer is also taken into consideration in this way, among the piezoelectric layers contributing to displacement, the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost, and the boundary surface between the thickest piezoelectric layer and the center electrode layer is the base point. , Expressing the thickness from the base point to the n layer,
t dmost × (√n) + Σt ie (n-1)
It has been found to be shown in the relationship.
図4を参照して具体的に説明する。図4には、圧電駆動素子10の上部の積層圧電体12側が示されている。変位に最も寄与するのは、中央の電極層40と接する圧電体層20である。この例において、基点(圧電体層20と電極層40の境界面)から1層目の圧電体層の厚みは、上記のtdmost×(√n)の式に当てはめると、tdmostである。次に、2層目(n=2)までの厚みは、tdmost×(√2)に電極層42の厚みtie(1)を加えて、tdmost×(√2)+tie(1)となる。更に、3層目(n=3)までの厚みは、2層目の電極層44の厚みを加えて、tdmost×(√3)+tie(1)+tie(2)となる。すなわち、n層の圧電体層の間には、(n-1)層の電極層が存在するので、その分の厚みを足していくことで、前記基点からn層までの厚みをtdmost×(√n)+Σtie(n-1)と表すことができる。
This will be specifically described with reference to FIG. FIG. 4 shows the multilayer
前記圧電駆動素子10は、図1(D)に示すように、支持板70に貼り付ける。支持板70は可能な限り柔らかい材質のものを用いる。例えばゴムやウレタン等が好適である。支持板70の厚さは、圧電駆動素子10と同程度の50〜200μmとする。これ以下では素子を十分支えることが出来ず、振動時に素子にダメージを与える可能性があり、これ以上では、素子の振動を阻害して、音圧を下げてしまう。そして、前記圧電駆動素子10を貼り付けた支持板70を、金属やプラスチックなどの枠に貼り、端子板などへ電極を接続して圧電発音体を得る。この際、リード等を用いても良いし、加熱硬化する導電ペースト等を用いても構わない。
The
前記枠としては、図1(D)に示す枠80のような開口部82を有する単純な枠形状のほか、蓋のような形状のものでも構わない。ただし、蓋の上部分と素子及び振動板の間には、振動によって接触しないように十分な隙間を空ける必要がある。例えば、図1(E)に示す枠90は、上述した蓋タイプであって、素子の振動を阻害しない十分な空間92を有し、更に蓋部分の底面94には、複数の放音孔96が設けられている。このようにして得られた圧電発音体は、単純に同一厚みの圧電体を積層したものと比べ、音圧は変わらないにもかかわらず、流れる電流値は50〜60%低下しており、接続部での発熱を抑制できると共に、駆動回路の部品として小型で低コストの部品を用いることが可能となる。
The frame may have a shape like a lid in addition to a simple frame shape having an
このような方法で作製したスピーカについて、音圧(800,1000,1500,2000Hzの平均音圧)と、駆動時の電流値を下記表1に示す。試験に用いる素子は、14×18mmの大きさとし、支持板70には100μm厚さのエラストマーを用い、図1(E)に示すような蓋形状で金属製の枠90に貼り付けてある。そして、層数と層構成を変えた実験例1〜4を作製し、試験を行った。また比較例1〜6として、層厚構成が本発明の範囲外にある素子を用いて、同じように作製したスピーカについても、同様の試験を行い、結果を表1に示した。
このように、実施例1によれば、圧電体層を複数積層したバイモルフ型の圧電駆動素子10を使用した圧電発音体において、変位量が最も少ない中央部分の圧電体層の厚みを最も厚くする。そして、厚み方向中央を境にして、上下同数の積層数及び上下対称の層構造とし、かつ、中央から外側へ向けて圧電体層の厚みを薄くすることとした。このため、素子としての変位量を損なうことなく、容量を低減し、高周波信号入力時でも流れる電流値を低く抑えることができる。その結果、発熱による故障の発生を防止できるとともに、駆動回路に太い導線を用いる必要がなくなるため小型化も可能となる。
As described above, according to the first embodiment, in the piezoelectric sounding body using the bimorph type
<変形例1>・・・次に、図5(A)を参照して、本実施例の変形例1について説明する。図1(A)に示した圧電駆動素子10では、上側の積層圧電体12と下側の積層圧電体14が、電極層40を挟んで形成されているが、図5(A)に示す圧電駆動素子100では、積層圧電体12と積層圧電体14は、電極層以外の不活性層(分極しない層)102を挟んで対称に形成されている。このような場合にも、上述した実施例と同様の効果が得られる。
<
<変形例2>・・・次に、図5(B)を参照して、本実施例の変形例2について説明する。図1(A)に示した圧電駆動素子10では、シム板を使用しないバイモルフ型にすることとしたが、図5(B)に示す圧電駆動素子110のように、金属板などのシム板112の上下に、積層圧電体12と積層圧電体14を貼り付ける構成としてもよい。この場合、シム板112を図1(D)又は図1(E)に示した枠80や90によって支持することで圧電発音体を構成でき、上述した実施例1と同様の効果が得られる。
<
次に、図5(C)を参照して本発明の実施例2を説明する。前記実施例1は、圧電駆動素子をバイモルフ型としたが、本発明はユニモルフ型にも適用可能である。図5(C)に示す圧電駆動素子120は、4層構造の積層圧電体12が金属材料からなる振動板122の一方の主面に貼り付けられた構成となっている。そして、これが前記枠80又は90に取り付けられることで圧電発音体を構成する。本実施例のようにユニモルフ型においては、変位が最も少ない圧電体層(横方向への伸縮が最も少ない部分),すなわち、振動板122側の圧電体層20の厚みが最も厚く、積層方向上方へいくにつれて、圧電体層22,24,26の順に厚みが薄くなっている。
Next,
前記圧電体層は、2層以上であればよいが、例えば、積層数をn層(nは自然数)とした場合には、振動板122側から上層へ向けての圧電体層の厚み比が、下記数式5で示す比率になるようにすると理想的である。むろん、各圧電体層の比率は、前記実施例1と同様に、各々±10%まで許容される。なお、下記数式5を適用するためには、前記振動板122として、ヤング率50〜200GPaで、厚みが積層圧電体12の半分以下のものを使用する。
全層厚が、
tdmost×(√n)
となるように規定するとよい。
The number of piezoelectric layers may be two or more. For example, when the number of stacked layers is n (n is a natural number), the thickness ratio of the piezoelectric layers from the
The total thickness is
t dmost × (√n)
It is good to stipulate that
また、前記実施例1と同様に、最も厚い圧電体層の厚み(tdmost)に対する電極層の厚み(tie)の比Aを、A=(tie/tdmost)と定義することで、圧電体層間の電極層の存在による前記数式5の修正を行うことができる。例えば、電極材料のヤング率を50〜150GPaとし、圧電駆動素子120の全体厚みを50〜200μmとし、電極厚みを最大5μmとすると、近似的に計算ができる。圧電体層の積層数を2層とした場合の圧電体層20,22の厚みを以下の数式6の比率にすると、最適な特性が得られる。
同様に、圧電体層の積層数が3層の場合に最適な特性が得られる圧電体層20,22,24の厚み比率は、以下の数式7に示される。
更に、圧電体層の積層数が4の場合に最適な特性が得られる絶縁体層20,22,24,26の厚み比率は、以下の数式8に示される。
なお、各々の圧電体層の厚み誤差は±10%までであれば、本発明における効果が発揮できる。ただし、本実施例はユニモルフ型であるので、外側の層の厚みは、振動板122側の圧電体層20の厚みよりも薄くなければいけない。その範囲をはずれると、素子容量が大きくなり、駆動時の電流値が高くなってしまい、所望の効果を得ることが出来ない。これらの点を満たすことができれは、本実施例のようにユニモルフ型を用いた場合であっても、上述した実施例1と同様の効果を得ることができる。なお、電極層の厚みを考慮した基点(本実施例の場合は、振動板122と圧電体層20の境界面)からn層目までの厚みは、上述した実施例1と同様に、tdmost×(√n)+Σtie(n-1)で表される。
If the thickness error of each piezoelectric layer is up to ± 10%, the effect of the present invention can be exhibited. However, since this embodiment is a unimorph type, the thickness of the outer layer must be smaller than the thickness of the
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のようなものも含まれる。
(1)前記実施例で示した圧電駆動素子の形状も一例であり、円形とするなど、必要に応じて適宜変更してよい。
(2)前記実施例で示した圧電駆動素子の面方向の寸法についても一例であり、必要に応じて適宜設計変更可能である。
(3)前記実施例で示した材料も一例であり、公知の各種の材料を使用してよい。
(4)前記実施例1で示した支持板70と枠80又は90による圧電駆動素子の支持機構も一例であり、同様の効果を奏する範囲内で適宜設計変更可能である。
(5)前記実施例1で示した圧電駆動素子の積層方法も一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。図5(D)に示すように、4層構造のバイモルフ型であって、中央側の圧電体層20,30の厚さが、外側の圧電体層22,32の厚みのほぼ倍である場合、圧電体層22,32として用いる圧電体シートを2枚重ねて圧電体層20,30を形成するようにする。このようにシートの積層数を調整することで圧電体層の厚みを合わせることができれば、製造が容易となる。
(6)前記実施例では、携帯電話等に搭載するスピーカを例に挙げて説明したが、本発明は、携帯電話のレシーバなど、他の公知の各種の電子機器に利用する圧電発音体として適用可能である。
In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, A various change can be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, the following are included.
(1) The shape of the piezoelectric driving element shown in the above embodiment is also an example, and may be appropriately changed as necessary, such as a circular shape.
(2) The dimension in the surface direction of the piezoelectric drive element shown in the above embodiment is also an example, and the design can be appropriately changed as necessary.
(3) The materials shown in the above embodiments are also examples, and various known materials may be used.
(4) The support mechanism of the piezoelectric drive element by the
(5) The method for laminating the piezoelectric driving elements shown in the first embodiment is also an example, and may be changed as appropriate. As shown in FIG. 5D, when the bimorph type has a four-layer structure, the thickness of the
(6) In the above embodiment, the speaker mounted on a mobile phone or the like has been described as an example, but the present invention is applied as a piezoelectric sounding body used in various other known electronic devices such as a receiver of a mobile phone. Is possible.
本発明によれば、圧電体層を複数積層した圧電駆動素子を使用した圧電発音体において、変位量が最も少ない部分の圧電体層の厚みを最も厚くし、外側へ向けて順次圧電体層を薄く形成することとした。これにより、素子としての変位量を損なうことなく、容量を低減し、流れる電流値を低く抑え、故障の発生の防止や小型化が可能となるため、電子機器等に搭載する圧電発音体の用途に適用できる。特に、携帯電話やスマートフォンに代表される携帯型電子機器等への利用に好適である。 According to the present invention, in a piezoelectric sounding body using a piezoelectric driving element in which a plurality of piezoelectric layers are stacked, the thickness of the piezoelectric layer with the smallest amount of displacement is maximized, and the piezoelectric layers are sequentially formed outward. It was decided to form thinly. As a result, the capacity of the piezoelectric sounding body can be reduced without sacrificing the amount of displacement as an element, and the current value can be kept low, preventing the occurrence of failure and downsizing. Applicable to. In particular, it is suitable for use in portable electronic devices such as mobile phones and smartphones.
10:圧電駆動素子
12,14:積層圧電体
20〜26,30〜36:圧電体層
40〜46,52〜58:電極層
50,60〜68:側面電極
70:支持板
80,90:枠
82:開口部
92:空間
94:底面
96:放音孔
100:圧電駆動素子
102:不活性層
110:圧電駆動素子
112:シム板(支持板)
120:圧電駆動素子
122:振動板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10:
120: Piezoelectric drive element 122: Diaphragm
Claims (7)
前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、
積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、
積層方向の中央部は分極しない層であり、
前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、
前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有するとともに、
変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとしたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からn層(nは自然数)までの厚みが、
tdmost×(√n)
を満たすことを特徴とする圧電発音体。 A piezoelectric sounding body in which a piezoelectric layer that contributes to displacement is supported by a support plate with a bimorph type piezoelectric driving element in which four or more layers and even layers are laminated,
An electrode layer is formed between the plurality of piezoelectric layers,
With the center in the stacking direction as a boundary, the same number of piezoelectric layers are polarized in the opposite direction,
The central part in the stacking direction is a non-polarized layer,
The thickness of the piezoelectric layer is gradually reduced from the center upward and downward in the stacking direction, and
The thickness of the piezoelectric layer has the same thickness when the upper and lower lamination positions are the same from the central boundary,
Among the piezoelectric layers contributing to displacement, when the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost , the nth layer (n Is a natural number)
t dmost × (√n)
A piezoelectric sounding body characterized by satisfying
前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、
積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、
積層方向の中央部はシム板からなり、
前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、
前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有するとともに、
変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとしたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からn層(nは自然数)までの厚みが、
tdmost×(√n)
を満たすことを特徴とする圧電発音体。 A piezoelectric sounding body in which a piezoelectric layer that contributes to displacement is supported by a support plate with a bimorph type piezoelectric driving element in which four or more layers and even layers are laminated,
An electrode layer is formed between the plurality of piezoelectric layers,
With the center in the stacking direction as a boundary, the same number of piezoelectric layers are polarized in the opposite direction,
The central part in the stacking direction consists of shim plates,
The thickness of the piezoelectric layer is gradually reduced from the center upward and downward in the stacking direction, and
The thickness of the piezoelectric layer has the same thickness when the upper and lower lamination positions are the same from the central boundary,
Among the piezoelectric layers contributing to displacement, when the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost , the nth layer (n Is a natural number)
t dmost × (√n)
A piezoelectric sounding body characterized by satisfying
全層厚が、
2×tdmost×(√n)
であることを特徴とする請求項1又は2記載の圧電発音体。 Of the piezoelectric layers contributing to displacement, when the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost and the number of piezoelectric layers contributing to displacement is 2n,
The total thickness is
2 x t dmost x (√n)
The piezoelectric sounding body according to claim 1 or 2, wherein
前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、
積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、
積層方向の中央部は分極しない層であり、
前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、
前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有しており、
変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとし、前記中央の境からn層目(nは自然数)の前記電極層の厚みをtie(n)としたときに、
前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からn層までの厚みが、
tdmost×(√n)+Σt ie(n-1)
であることを特徴とする圧電発音体。 A piezoelectric sounding body in which a piezoelectric layer that contributes to displacement is supported by a support plate with a bimorph type piezoelectric driving element in which four or more layers and even layers are laminated,
An electrode layer is formed between the plurality of piezoelectric layers,
With the center in the stacking direction as a boundary, the same number of piezoelectric layers are polarized in the opposite direction,
The central part in the stacking direction is a non-polarized layer,
The thickness of the piezoelectric layer is gradually reduced from the center upward and downward in the stacking direction, and
The thickness of the piezoelectric layer has the same thickness when the upper and lower lamination positions are the same from the central boundary,
Of the piezoelectric layers contributing to displacement, the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost, and the thickness of the electrode layer of the nth layer (n is a natural number) from the central boundary is t ie (n) In addition,
Starting from the central boundary side surface of the thickest piezoelectric layer, the thickness from the base point to the n layer is as follows:
t dmost × (√n) + Σ t ie (n−1)
A piezoelectric sounding body characterized by being.
前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、
積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、
積層方向の中央部はシム板からなり、
前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、
前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有しており、
変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをtdmostとし、前記中央の境からn層目(nは自然数)の前記電極層の厚みをtie(n)としたときに、
前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からn層までの厚みが、
tdmost×(√n)+Σt ie(n-1)
であることを特徴とする圧電発音体。 A piezoelectric sounding body in which a piezoelectric layer that contributes to displacement is supported by a support plate with a bimorph type piezoelectric driving element in which four or more layers and even layers are laminated,
An electrode layer is formed between the plurality of piezoelectric layers,
With the center in the stacking direction as a boundary, the same number of piezoelectric layers are polarized in the opposite direction,
The central part in the stacking direction consists of shim plates,
The thickness of the piezoelectric layer is gradually reduced from the center upward and downward in the stacking direction, and
The thickness of the piezoelectric layer has the same thickness when the upper and lower lamination positions are the same from the central boundary,
Of the piezoelectric layers contributing to displacement, the thickness of the thickest piezoelectric layer is t dmost, and the thickness of the electrode layer of the nth layer (n is a natural number) from the central boundary is t ie (n) In addition,
Starting from the central boundary side surface of the thickest piezoelectric layer, the thickness from the base point to the n layer is as follows:
t dmost × (√n) + Σ t ie (n−1)
A piezoelectric sounding body characterized by being.
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