JPH01307400A - 発音型エレクトロルミネッセンス素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［利用分野］ 本発明は音波を発するエレクトロルミネッセンス素子に
関する。

［従来技術］ エレクトロルミネッセンス素子（以下ＥＬ素子と記す）
は、平面形固体発光表示装置への応用に対し古くから研
究され、その実用化に対し根強い期待がある。このＥＬ
素子は構造上、基板上に蛍光体の結晶性薄膜を形成させ
ることを特徴とする薄膜形と、蛍光体粉末を有機系誘電
体バインダー中に均一に混合させることを特徴とする有
機分散型および蛍光体粉末をガラス等の無機系バインダ
ーで結着させることを特徴とする無機分散型に分けられ
る。無機分散型ＥＬは、しばしばセラミック形ＥＬと呼
ばれることもあるが、あくまでも蛍光体粉末粒子がこの
無機系バインダー中に分散したものに過ぎない。

一方、セラミックスを用いた圧電素子として、チタン酸
ジルコン酸鉛（Ｐ　ｂ　Ｚ　ｒｘＴ　ｉ　ｌ−ｘ　Ｏｓ
；ＰＺＴ）に代表されるような圧電体セラミックスを用
いた圧電スピーカー、圧電ブザーがよく知られている。

これらの素子は、圧電性を有するセラミックス（例えば
ＰＺＴ）板の表面と裏面にそれぞれ金属電極を付け、コ
ーンまたは共鳴室と組み合わせた簡単な構造である。軽
量かつコンパクト数多くの電子機器や家電製品のアラー
ム用として、あるいは中音域の音響特性のみを活用する
各種家電製品等の音声ガイド用小型薄型スピーカーとし
て多量に利用されている。

［発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上記ＥＬ素子のような表示装置や、圧電
素子のような発音装置は、各々別個に使用される場合は
むしろ少なく、殆どの場合両者が組み合わされて使用さ
れている。その結果、ユーザーはより多くの情報を受は
取ることが出来、迅速かつ正確な判断をするために大き
な助けとなっている。表示装置、発音装置いずれもマン
・マシンインターフェースにおける出力装置として多用
されている。しかし機器類にこれらの装置を各々出力装
置として取り付けていたのではそれだけでかなりのスペ
ースを要し、従って機器類のコストも上昇しユーザーの
負担も大きなものとならざるを得ない。このような背景
から、出力装置の一体化、特に表示装置に、音声による
アラームもしくはアナウンス、あるいはブザーのような
発音装置としての機能を持たせることによる表示装置の
多機能化が強く望まれている。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は前記問題点を解決するための手段として高比誘
電率を有する誘電体焼結セラミックスの片面に少なくと
も１種の硫化物系蛍光体を含む発光層を付けた構造を基
本とし、その上に透明電極を、または絶縁層を介して透
明電極を、他面には金属電極を付けた片絶縁構造あるい
は二重絶縁構造とし、該セラミックスに圧電性を有する
材料を用いることによって、発音装置である圧電スピー
カーや圧電ブザー、また圧力センサーの１種でもあるマ
イクロフォン等のような音響素子機能を有するＥＬ素子
を実現し多機能化を図るようにしたものである。

発光層を得るための蛍光体材料としては、遷移金属塩等
の純枠形あるいはハロゲン化アルカリ土類金属の酸化物
、硫化物、セレン化物、酸素酸塩を母体とし、これに発
光中心や付活剤を添加したものなど公知の任意のものを
使用出来るが、実用上の観点から硫化物系蛍光体を使用
するのが好適である。　該発光層として薄膜を採用する
場合は、公知の製造法であるスパッタ法、蒸着法、化学
気相結晶成長（ＣＶＤ）法あるいはスプレー法等いずれ
の方法においても製造出来る。

また、有機バインダー中に蛍光体粉末を分散したものを
採用する場合は、公知のスクリーン印刷法等によるセラ
ミックス表面上への塗布法あるいは成型法が使用出来る
。該発光層として適当な発光中心を導入した蛍光体を採
用することにより多色発光させることも出来る。あるい
はまた、異なった発光色を持つ発光層を多層化すること
により望む発光色を実現することが出来る。

一方、前記高比誘電率、圧電セラミックス焼結体は公知
のセラミックス製造技術を用いて製造することが出来る
。該セラミックス焼結体は、原料セラミックス粉体を、
−軸加工成型、押し出し加圧成型、静水圧加圧成型等、
または泥漿鋳込成型もしくはドクターブレード法等、い
ずれの場合においても乾式、半乾式あるいは湿式法であ
るか否かを問わず、公知の任意の成型方法によって所定
の形状に成型し、各種雰囲気中で焼成することにより製
造することが出来る。尚、焼結温度は１３５０℃に至る
温度範囲で行われるが、超微粒子原料粉末等を使用する
ことにより、より低温で焼結することが出来る。また成
型と焼結が同時に行いうる高温加圧成型、静水圧高温加
圧成型も適用出来る。具体的には、チタン酸バリウム（
ＢａＴｉＯｓ）　、ＰＺＴ、チタン酸ジルコン酸ランタ
ン鉛（Ｐｂ＋−ｙ　Ｌａｙ　　Ｚｒｙ　Ｔ　１ｔ−ｘＯ
ｓ；ＰＬＺＴ）あるいはマグネシウムニオブ酸鉛　［Ｐ
ｂ（Ｍｇ１／３Ｎ＋）宜／ｓ）　Ｏｓ　；　Ｐ　ＭＮ　
］等の純粋型もしくは不純物を導入した、ペロブスカイ
ト系や複合ペロブスカイト系セラミックスを列挙するこ
とができる。大きな圧電性を実現するためには、セラミ
ックス焼成時もしくは焼成後、該セラミックスに直流電
界を印加して分極化処理を実施するとよい。

ところで、誘電体焼結セラミックスの厚さは１ｍｍ以下
とするのが好ましい。これより厚い場合、ＥＬ素子とし
て発光層に有効な電界を加えるのに不利となる。一方、
この厚さが薄いほど空気とのインピーダンスマツチング
をとるのが容易になる。

この薄さの限界は、誘電体焼結セラミックスがＥＬ素子
の基板を兼ねている場合においては、機械的強度を損な
わない程度であれば良い。

透明電極は、酸化スズ（Ｓｎｏｗ）、アンチモン添加Ｓ
ｎＯ＊（ＮＥＳＡ）、フッ素添加Ｓｎ０ｗ等のＳ　ｎ　
Ｏを系、インジウム−スズ酸化物ＣＩＴＯ）およびＺｎ
Ｏ系等彼等公知電膜が使用出来るが、発光層に対する無
害性の観点並びに特性的な面から、アルミニウム添加酸
化亜鉛（ＺｎＯ：Ａｔ）を使用するのが最も望ましい。

［作用］ 本発明に係る発音形ＥＬ素子は、圧電性を有する誘電体
焼結セラミックスを使用するため、それ自体が音響素子
としての特性を併せ持ち、交流印加電圧の大きさに応じ
て発音し、発光輝度が変化する。また印加電圧の周波数
や波形に応じた音波を発し、発光輝度も変化するという
、従来に無い新しい機能を持つという特徴を有する。こ
れにより初めて、音響素子と発光素子を一体化出来るよ
うになった。しかも、該発音型ＥＬ素子は、その絶縁層
として高比誘電率を有するセラミックスを採用している
ため、駆動電圧を極めて低く出来、数ｖ〜数百Ｖの範囲
で任意に制御することが出来るという特徴を持つ。よっ
て該ＥＬ素子は半導体集積回路（ＩＣ）等で容易に駆動
出来、かつモノリシック構造にすることも可能となる等
広範な応用面を提供する。

高比誘電率、圧電性を有する誘電体焼結セラミックスと
してＢａＴｉＯｓ以外の、ＰＺＴ、ＰＬＺＴあるいはＰ
ＭＮを用いた発音形ＥＬ素子においても同等の効果が得
られることが分かった。また、発光層として、ＺｎＳ系
以外の硫化物系であるＺｎ（Ｓ、Ｓｓ）系、硫化バリウ
ム（Ｈａｓ）系、硫化カルシウム（Ｃ１６）系または硫
化ストロンチウム（ＳｒＳ）系の蛍光体に適当な発光中
心を添加したものを用いて作製した該素子において赤色
から青色に至る発音型ＥＬ素子を実現出来る。

次に、本発明に係る典型的な発音型ＥＬ素子の詳細な構
造を図により説明する。

第１図に本発明に係る発音型ＥＬ素子の基本的構造を示
す。金属振動板ｌ上に、該発音型ＥＬ素子の金属電極２
側が導電性接着剤により強く固定されている。高比誘電
率を有する誘電体焼結セラミックス３の反対側の面には
前記の各種発光層作製法にもとずく硫化物系発光層４が
形成されている。そしてその上に、ＺｎＯ：Ａ１等の透
明電極５が付けられている。振動部分はユニモルフ構造
となっているが、バイモルフ構造とすることは何らさし
つかえない。しかし、発光層４は通常、水分に弱いため
第２図に示すように、水分の遮断を兼ねた薄い絶縁層６
を介してその上に透明電極５を形成するか、あるいはま
た第３図に示すように、第１図に示す素子表面全体を水
分を遮断出来るフィルム（例えばＡＣＬＡＲフィルム）
７等で覆い発光層４を保護することが望ましい。

また、第３図に示した発音型ＢＬ素子８を用いて第４図
のような発光型圧電ブザー、第５図のような発光型圧電
スピーカー、第６図のような発光型コーンスピーカーあ
るいは第７図のような発音型光インジケーターもしくは
発音型ＥＬディスプレイ等の多機能性を有する新しい電
子装置や音響装置を作ることが出来る。

以下、本発明を実施例により説明する。

［実施例　１］ 本発明に係る発音型ＥＬ素子の絶縁層として特別の分極
化処理を施していない比誘電率５１ＱＯの厚さ０．２ｍ
ｍ１直径２０ｍｍのＢ　ａ　Ｔ　ｉ　Ｏｓ焼結セラミッ
クスを採用し、発光層としてＭＯＣＶＤ法により０．６
μｍのマンガン添加硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｍｎ）を、透明
電極としてスパッタ法によりＺｎＯ：Ａ１をそれぞれ形
成し発音型ＥＬ素子を作製した。この素子に正弦波７１
Ｖを印加した時、黄噂色の発光が得られた。該ＥＬ素子
の発光輝度と素子前面１０ｃｍの点における音圧レベル
の周波数依存性を第８図に示す。このＥＬ素子は、特に
共鳴室を設けていないので同図に見るように２ｋＨｚ以
上の周波数帯でフラットな音圧レベルを呈している。よ
って、中高音域スピーカーへの応用に対しても充分な性
能を有することが示された。

［実施例　２］ 本発明に係る発音型ＥＬ素子の絶縁層として分極化処理
を施した比誘電率５１００の厚さ０．４ｍｍのＢａＴｉ
０ａ焼結セラミツクスを、発光層としてＭＯＣＶＤ法に
より厚さ０．９μｍのＺｎＳ：Ｍｎを、透明電極として
ＺｎＯ：Ａｌをそれぞれ採用した第３図のような片絶縁
構造の該ＥＬ素子８を用いて第４図のような発光形圧電
ブザーを作製した。該素子はケースを兼ねるキャビティ
９内にセットされた。尚、発光色は黄橙色であり、この
発光はブザーの全面の透明板１０を通して、音波はブザ
ーの前面パネル１１に設けた穴１２を通して放射される
ようになっている。この素子に１００Ｖ、１ｋＨｚの交
流電圧を印加したところ、発光輝度４０００　ｃ　ｄ／
ｍ”、素子前方１ｍの点で音圧レベル９５ｄＢを得た。

［実施例　３］ 本発明に係る発音形ＥＬ素子の絶縁層として分極化処理
を施した比誘電率４５００、厚さ０．２ｍｍのＢ’ａＴ
ｉＯｓ焼結セラミックス板を、発光層としてＭＯＣＶＤ
法により厚さ０．３μｍのＺｎＳ：Ｍｎを、透明電極と
して高周波マグネトロンスパッタ法によって作製された
ＺｎＯ：Ａｌをそれぞれ採用した第３図のような片絶縁
構造の該素子８を用いて第５図のような発光型圧電スピ
ーカーを作製した。該スピーカーは黄橙色の光と、音の
両方をスピーカー前面から放射する構造となっている。

スピーカーへ７０Ｖ、５ｋＨｚの正弦波入力を加えたと
ころ、発光輝度４８００ｃｄ／ｍ１、素子前方１ｍの点
における音圧レベル８５ｄＢ、同じ電圧で１　ｋＨｚの
場合、発光輝度　３０００ｃｄ／ｍ”、音圧レベル７０
ｄＢ、同１０　ｋ　１−１２では発光輝度４０００　ｃ
　ｄ／ｍ”、音圧レベル８７ｄＢという値が得られた。

これは、高音域専用のスピーカーとして充分な特性と言
える。

［実施例　４］ 実施例３と同じ素子に、第６図のようなスピーカーコー
ン１３を取り付けるため、同図のようにコーン中心と素
子の振動板との間を軽合金製パイプ１４でつなぎ、コー
ン１３をダンパＩ５を介してフレーム１６に固定し発光
型コーンスピーカーを製作した。このスピーカーに、１
００Ｖ、４ｋＨｚの正弦波入力を加えたところ、発光輝
度６０００　ｃ　ｄ　７ｍ”、スピーカー全面１ｍの点
で音圧レベル１００ｄＢ、同１　ｋＨｚでは発光輝度４
５００　ｃ　ｄ　７ｍ”、音圧レベル９０ｄＢ、同４０
０Ｈｚでは発光輝度１４００ｃｄ／ｍ’、音圧レベル７
８ｄＢ、また１０ｋＨｚでは５ｋＨｚの場合と殆ど変わ
らなかった。こ些により中高音域用スピーカーとしても
充分な性能を有することが分かった。さらに、音のレベ
ルに対応した素子の発光状態を視認することが出来ると
いうメリットがある。

［実施例　５］ 本発明に係る発音型ＥＬ素子の絶縁層として分極化処理
を施した比誘電率４０００、厚さ０．１ｍｍ、直径２０
ｍｍのＰＺＴセラミックスを、発光層としてスクリーン
印刷法により有機バインダー中に銅添加硫化亜鉛（Ｚｎ
Ｓ　：　Ｃｕ）蛍光体を均一に分散させたものを、透明
電極として高周波マグネトロンスパッタ法によって作製
されたＺｎＯ：Ａｌをそれぞれ採用した第３図に示すよ
うな片絶縁構造の該素子８を用いて実施例４と同じ構造
の発光型コーンスピーカーを製作した。このスピーカー
に１００Ｖ、４ｋＨｚの正弦波入力を加えたところ、青
緑色発光を呈し、その発光輝度は１５００　ｃ　ｄ／ｍ
”、スピーカー前面１ｍの点での音圧レベル９０ｄＢ、
同１ｋＨｚでは発光輝度９００　ｃ　ｄ／ｍ”、音圧レ
ベル８４ｄＢ、また１ＯｋＨｚでは発光輝度は１０００
　ｃ　ｄ／ｍ”となったが音圧レベルは４ｋＨｚの場合
と変わらなかった。

［実施例　６］ 該ＥＬ素子の発光開始電圧をそれぞれ異なった値に制御
した発音型ＥＬ素子を第７図のように複数個並列に接続
することにより、印加電圧の大きさに等しい発光開始電
圧を有する該素子に至るすべての素子を発光させること
が出来、発音型光インジケーターあるいは透明電極また
は発光層をパターン化することにより発音型ＥＬディス
プレイとしても活用出来ることが分かった。ここで用い
た該ＥＬ素子８の絶縁層は分極化処理した比誘電率５０
００、厚さ０．１５ｒｎｍのＰＺＴセラミックスを、発
光層はスクリーン印刷法によって作製したＺｎＳ：Ｃｕ
を含む有機分散型、透明電極はＺｎＯ：Ａｌであり、該
素子として発光開始電圧がそれぞれ２０．３０．４０．
６０，９０Ｖ（７）ものを使用した。

［発明の効果］ 本発明によれば、従来不可能であった発音型発光素子が
実現出来、ＥＬ素子の高機能化を図ったことにより、各
種家電製品や電子機器の音声アラーム装置、表示器に該
素子をそのまま適用出来、上記機器、装置類の、設計製
作上の効率化、小型化を図れ従って製造コストを大きく
低減出来ることにより広範な利用が期待出来るという効
果をもたらす。

また、本発明に成る発音型ＥＬ素子は単に発光素子と音
響素子を一緒したというものではなく、単体素子で両機
能を有している点に重要さがある。

即ち、該ＥＬ素子は圧電性を有する高比誘電率誘電体焼
結セラミックスを用いているため、圧カーー電気変換機
能をも有し、機械−一電気、電気−光の変換が単体素子
で実現出来ることにより多機能化を実現している。この
上うなＥＬ素子を利用することによって、ＥＬ素子の低
電圧駆動化と低価格化が達成され、玩具や、あるいは透
明タッチスイッチを該ＥＬ素子に実装し、シンセサイザ
ーにより駆動される電子楽器に発光型キーボードと　。

して応用する、といったように全く新しい応用の可能性
をもたらしＢＬ素子の市場開拓に大きな効果が期待出来
る。もちろん該ＥＬ素子は、これまでに示した応用例に
限定されるものではない。

以上の説明から明らかなように、本発明は極めて大なる
効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る発音形ＥＬ素子の断面図、第２図
は発光層の外側に薄い絶縁層を有する該素子の断面図、
第３図は第１図の素子表面をフィルム等で覆った該素子
の断面図、第４図は発光型圧電ブザーの断面図、第５図
は発光型圧電スピーカーの断面図、第６図はコーンを併
用する該スピーカーの断面図、第７図は該素子を用いた
インジケーターの概略図そして第８図は第１図に示す該
ＥＬ素子における発光輝度と音圧レベルの周波数依存性
をそれぞれ示す。 ■・・・金属振動板、２・・・金属電極、３・・・圧電
性焼結セラミックス板、４・・・硫化物系発光層、５・
・・透明電極、６・・・絶縁層、７・・・防湿保護フィ
ルム等、８・・・片絶縁構造発音型ＥＬ素子、９・・・
キャビテ＋、１０−−−透明板、１１・・・前面パネル
、１２・・・穴、１３・・・スピーカーコーン、１４・
・・軽合金製パイプ、１５・・・ダンパ、１６・・・フ
レーム 第１図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電性を有する高比誘電率の誘電体焼結セラミッ
   クス表面に発光層を付けた構造を基本とし、その上に透
   明電極を、または絶縁層を介して透明電極を付け、裏面
   には金属電極を付けた片絶縁構造もしくは二重絶縁構造
   のエレクトロルミネッセンス素子に交流電圧もしくは直
   流パルス電圧を印加することにより印加した電圧および
   周波数と波形に相当する音波と光を同時に発することを
   特徴とする発音型エレクトロルミネッセンス素子。
2. （２）前記誘電体焼結セラミックスが、厚さ１ｍｍ以下
   の強誘電体から成る特許請求の範囲第１項記載の発音型
   エレクトロルミネッセンス素子。
3. （３）前記発光層が少なくとも１種もしくは２種以上の
   硫化物系蛍光体薄膜の単層もしくは多層膜からなる特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の発音型エレクトロ
   ルミネッセンス素子。
4. （４）前記発光層が少なくとも１種もしくは２種以上の
   硫化物系蛍光体粉末を有機バインダー中に分散したもの
   を塗布もしくは成型して成る特許請求の範囲第１項、第
   ２項または第３項記載の発音型エレクトロルミネッセン
   ス素子。
5. （５）前記セラミックス表面と発光層との間に誘電体層
   もしくは抵抗体層を挿入して成る特許請求の範囲第１項
   から第４項のいずれか１項に記載の発音型エレクトロル
   ミネッセンス素子。
6. （６）音響ホーンまたは音響共振器を組み合わせて成る
   発光型圧電スピーカー、発光型圧電スピーカー兼圧力セ
   ンサー、発光型圧電ブザー兼圧力センサー、あるいは圧
   電スピーカーもしくはブザーを兼用するインジケーター
   またはディスプレイを製造するために使用される特許請
   求の範囲第１項から第５項のいずれか１項に記載の発音
   型エレクトロルミネッセンス素子。