JPWO2005067346A1 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

外形寸法の増加を避けつつ、振動振幅が大きく、共振周波数の調整が可能であり、高信頼性を有する圧電アクチュエータを提供する。圧電アクチュエータは、電界の状態に応じて少なくとも対向する２つの面が伸縮運動をする圧電体３ａを有する圧電素子１ａと、圧電素子１ａを２つの面の少なくともいずれかで拘束する拘束部材２１ａと、拘束部材２１ａの周囲に設けられた支持部材４ａと、両端の各々を拘束部材２１ａと支持部材４ａとに固定され、拘束される面と略平行な方向に曲げの中立軸を有する複数のはり部材２２ａとを有する。

Description

本発明は、電子機器に用いられる小型圧電アクチュエータに関する。

一般的に、スピーカなどの音響素子の駆動源として、その取り扱いの容易さから、電磁式アクチュエータが利用されている。電磁式アクチュエータは永久磁石とボイルコイル、振動板から構成されており、磁石を用いたステータの磁気回路の作用を利用してコイルに固着された有機フィルムなどの低剛性な振動板を振動させるものである。このため、その振動姿態は往復運動状で、大振幅の振動量を得られる特徴がある。

ところで、近年携帯電話やパーソナル・コンピューターの需要が増えており、省電力型のアクチュエータの需要が高まっている。しかし、電磁式アクチュエータは、磁力を発生する際にボイスコイルに多くの電流が流れて、消費電力の低減が難しいという課題がある。また、携帯電話やパーソナル・コンピューターへの搭載にあたっては、アクチュエータの小型化が必要となるが、電磁式アクチュエータは、構成部品である永久磁石を薄型化すると磁極の向きの不揃いが生じて安定な磁界が得られないため、振動膜およびボイスコイルの連動を制御することが困難であり、その構成上薄型化が難しい。また、ボイルコイルからの漏洩磁束によって、電子機器を構成する他の電子部品の誤動作を引き起すおそれがあるため、電子機器への適用に対しては電磁シールドなどを施す必要があるが、そのために大きなスペースを要し、この点からも携帯電話などの小型機器への使用は適さない。さらに、ボイスコイルの細線化により抵抗が増大すると、電磁型音響素子の特徴である大電流駆動のため、ボイスコイルが焼損するという問題もある。

このため、小型軽量、低消費電力、無漏洩磁束などの特徴を有する圧電素子を駆動源に用いた圧電アクチュエータが、電磁式に代わる薄型振動部品として期待されている。圧電アクチュエータは、薄板形状の圧電素子の伸縮運動すなわち圧電素子の屈曲運動により振動発生をおこなうもので、特開昭６１−１６８９７１号公報明細書に開示されているように、圧電セラミック素子と恒台座とが接合されて製作される。

従来の圧電アクチュエータの一例を図１Ａ、１Ｂに示す。図１Ａは圧電アクチュエータの分解斜視図を示す。円形の台座２０２の中央に圧電セラミクスよりなる圧電体２０３が固定されて圧電素子２０１が形成され、台座２０２の外周部が円形の支持部材２０４に支持されている。圧電体２０３に所定の交流電圧が印加されると、圧電体２０３は伸縮運動を行い、圧電体２０３と台座２０２との固定部の拘束効果により、台座２０２に面外方向の曲げが励起され振動を発生する。台座２０２は、図１Ｂに示すように、支持部材２０４を固定点（節）として、中央部を腹として面外方向に振動する。

ところで、圧電アクチュエータは、圧電セラミックの剛性が高いため、電磁式アクチュエータと比較して平均振動振幅が小さいという課題があった。特に、周辺固定の圧電アクチュエータは、振動モードが中央部の変形が卓越する山形形状となるため、平均変形量が小さく、十分な振動振幅を得ることが一層難しい。さらに、圧電セラミックの高い剛性のため、共振周波数近傍の振動量の周波数変化が急激であり、振動振幅の平滑な周波数特性を得ることも困難であった。

また、圧電アクチュエータの共振周波数は形状に大きく依存するため、スピーカなどの低周波音響部品に適用する際に共振周波数を低減するためには、圧電セラミック素子の薄板面積の拡大や極度の薄板化が必要となる。しかしながら、セラミック材料は脆性材料であるため、面積の拡大や薄板化は、取り扱い時のヒビ割れや電子機器落下時の破壊などの信頼性の低下をもたらし、実用に適さない場合が多い。

また、圧電セラミックは振動反力が大きいため、圧電アクチュエータを電子機器に適用する際、支持部を介して、圧電アクチュエータ収納する筐体に振動が伝播しやすい。このような振動漏れが生じると、筐体から異音を発するという課題も生じる。

そこで、以上の課題に対処するため、特開２０００−１４０７５９号公報明細書には、圧電セラミックと台座からなる振動体の周辺部をバネで筐体に支持し、バネ構造物の共振周波数を振動体の共振周波数の近傍に設定して、バネ構造物に大きな振動エネルギーを分担させて大きな振動変位を得る技術が開示されている。

また、同様の趣旨で、特開２００１−１７９１７号公報明細書には、台座の周辺部に円周に沿ってスリットを入れて板バネを形成し、同様の機能を持たせる技術も開示されている。

しかしながら、特開２０００−１４０７５９号公報明細書に開示された技術においては、圧電体の振動変位を大きく増加できるものの、振動体の上下運動のために、振動体平面方向に対して垂直方向にバネを配置する必要があり、圧電アクチュエータの厚みが増加し、薄型化には適さない。また、本特許文献の構成では、筐体にバネと振動板をはさみこんでおり、振動板を最適に位置に配置することが非常に困難である。

また、特開２００１−１７９１７号公報明細書に開示された技術においては、台座が略円形でないと板バネの形成が難いため、円形の台座に、円形の圧電セラミックまたは矩形の圧電セラミックを組み合わせることが必要である。前者の場合、圧電セラミックを円形に加工する必要があるため、円形形状への加工が必要となったり、その際に不要な部分が形成され歩留まりが悪化したり等、加工の工数やコストが増加する。一方、後者の場合、台座の外周部に圧電セラミックが有効に配置されないため、台座への振動伝達が効率的に行われず、十分な振動変位を得ることが難しくなる。さらに、いずれの場合においても、円板にスリットを設けて板バネを形成することから、作動時に圧電セラミックの支持部に回転運動が誘起され、振動膜を貼付して音響素子として用いる際に音が歪んでしまう。

本発明は、以上の状況に鑑みて、外形寸法の増加を避けつつ、振動振幅が大きく、共振周波数の調整が可能であり、高信頼性を有する、電子機器に適用可能な小型薄型圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の圧電アクチュエータは、電界の状態に応じて少なくとも対向する２つの面が伸縮運動をする圧電体を有する圧電素子と、圧電素子を２つの面の少なくともいずれかで拘束する拘束部材と、拘束部材の周囲に設けられた支持部材と、両端の各々を拘束部材と支持部材とに固定され、拘束される面と略平行な方向に曲げの中立軸を有する複数のはり部材とを有している。

このように構成された圧電アクチュエータにおいては、拘束部材は、拘束部材と圧電素子との拘束効果で発生した振動がはり部材で増幅されることによって振動する。すなわち、拘束部材の物性、形状、個数や圧電体の重量等で定まる共振周波数で振動を励起されると、変形量に制約のある圧電体の変形量を抑えながら、主として拘束部材が変形して、圧電体全体を支持部材に対して大きく振動させることができる。また、拘束部材の物性（材料）や個数等を調整することで容易に共振周波数の調整も可能である。したがって、本発明の圧電アクチュエータは、薄型小型で、振動振幅が大きく、外径寸法を変えずに共振周波数の調整が可能で、高い信頼性を有することができる。

ここで、はり部材は直線ばりとすることができる。また、拘束部材は圧電素子を拘束する台座と、台座から突き出してはり部材を構成する複数の腕とを有するものであってもよい。

拘束部材は、圧電体と振動方向が異なる第２の圧電素子とすることもできる。

また、圧電素子は、複数の圧電体と、圧電体に電界を印加する複数の電極層とを交互に積層して形成してもよく、圧電素子は２つの面の少なくともいずれかに絶縁層を有していてもよい。

さらに、前記圧電素子は直方体とすることができる。

本発明の音響素子は、上記に記載の圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータと連結され、圧電アクチュエータから伝達された振動によって音を放射する振動膜とを有している。

また、本発明の音響素子は、圧電アクチュエータと振動膜との間に振動伝達材をさらに有していてもよい。

本発明の電子機器は、上記に記載の圧電アクチュエータまたは音響素子を有している。

本発明の音響装置は、互いに異なる共振周波数を有する上記の音響素子を複数個有し、音圧の周波数応答を平準化させることができる。また、本発明の電子機器は、上記音響装置を有している。

以上説明したように、本発明の圧電アクチュエータは、主として拘束部材が変形して、圧電体全体を支持部材に対して大きく振動させることができる。また、拘束部材の物性（材料）や個数等を調整することで容易に共振周波数の調整も可能である。さらに圧電アクチュエータを搭載した電子機器が落下したときも、衝撃エネルギーを弾性体である拘束部材が吸収するため、圧電体への衝撃を緩和することができる。このように本発明は、薄型小型で、振動振幅が大きく、外径寸法を変えずに共振周波数の調整が可能で、高い信頼性を有する圧電アクチュエータを提供することができる。

［図１Ａ］図１Ａは、従来の圧電アクチュエータの分解斜視図である。
［図１Ｂ］図１Ｂは、従来の圧電アクチュエータの振動モードの概念図である。
［図２］図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータの分解斜視図である。
［図３］図３は、圧電アクチュエータの台座の他の実施形態を示す平面図である。
［図４］図４は、図２に示す圧電アクチュエータの振動モードの概念図である。
［図５］図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータの概念的断面図である。
［図６］図６は、図５に示す圧電アクチュエータの振動モードの概念図である。
［図７］図７は、本発明の第３の実施形態に係る圧電素子の概念的断面図である。
［図８］図８は、本発明の第４の実施形態に係る圧電素子の概念的断面図である。
［図９］図９は、本発明の第５の実施形態に係る圧電アクチュエータの概念的断面図である
［図１０］図１０は、平均振動速度振幅の測定点の説明図である。
［図１１Ａ］図１１Ａは、振動形態と振動速度比の説明図である。
［図１１Ｂ］図１１Ｂは、振動形態と振動速度比の説明図である。
［図１２Ａ］図１２Ａは、実施例１に係る圧電アクチュエータの平面図である。
［図１２Ｂ］図１２Ｂは、実施例１に係る圧電アクチュエータの分解斜視図である。
［図１３］図１３は、比較例１に係る圧電アクチュエータの概念的断面図である。
［図１４］図１４は、実施例２に係る圧電アクチュエータの平面図である。
［図１５］図１５は、実施例４に係る圧電素子の概念的断面図である。
［図１６］図１６は、実施例５に係る圧電素子の分解斜視図である。
［図１７］図１７は、実施例６に係る圧電素子の概念的断面図である。
［図１８］図１８は、実施例７に係る音響素子の概念的断面図である。
［図１９］図１９は、比較例２に係る音響素子の概念的断面図である。
［図２０Ａ］図２０Ａは、実施例８に係る音響素子の概念的断面図である。
［図２０Ｂ］図２０Ｂは、実施例８に係る音響素子のコイルバネの概念図である。
［図２１］図２１は、実施例８に係る音響素子の携帯電話への取付け状況図である。
［図２２］図２２は、比較例４に係る音響素子の概念的断面図である。。

符号の説明

１ａ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ 圧電素子
３ａ、３ｄ、３ｅ 圧電体
３ｃ 上部圧電体
３ｃ’ 下部圧電体
２１ａ、２１ｂ、２１ｆ 台座
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ はり部材
４ａ、４ｂ、４ｃ 支持部材
３１ａ、３１ｃ、３１ｃ’、３１ｄ、３１ｅ、３１ｅ’ 上部電極層
３２ａ、３２ｃ、３２ｃ’、３２ｅ、３２ｅ’ 下部電極層
３３ｅ 上部絶縁層
３３ｅ’ 下部絶縁層
３４ 振動膜
３５ 中間絶縁層
３６ 絶縁層

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータの分解斜視図である。圧電素子１ａは、セラミックからなる圧電体３ａの互いに向きあう面に、上部電極層３１ａ、下部電極層３２ａが接着固定されて構成されている。接着剤としては、例えばエポキシ系接着剤が使用される。圧電体３ａは略直方体形状をしており、図中白抜き矢印に示す厚さ方向に分極されている。圧電体３ａは下部電極層３２ａを介して矩形の台座２１ａに固定されている。すなわち、台座２１ａは電界の状態に応じて少なくとも対向する２つの面が伸縮運動をする圧電体を有する圧電素子を２つの面の少なくともいずれかで拘束する拘束部材である。台座２１ａの材料には、アルミ合金、リンセイ銅、チタン、チタン合金などの金属や、エポキシ、アクリル、ポリイミド、ポリカーボネートなどの樹脂等、圧電体３ａを構成するセラミック材料より低剛性の材料を広く用いることができる。なお、圧電体３ａは直方体である必要はなく、例えば設置スペースとの関係で円筒形その他の形状にすることも可能である。

台座２１ａの周辺には矩形の中空部を有する支持部材４ａが設けられ、はり部材２２ａが支持部材４ａと台座２１ａとの間を連結している。はり部材２２ａは台座２１ａの各辺から対向する支持部材４ａの各辺に向かって延びており、両端部は台座２１ａ、支持部材４の接合部で各々固定支持されている。はり部材２２ａは台座２１ａと同様の材料で製作することができる。

なお、支持部材４ａは特定の形状に限定されるものではなく、穴あき矩形以外に、例えば環状部材（図１２参照）としてもよい。また、はり部材２２ａと台座２１ａは別々の部材で製作せずに一体構造とすることもできる。一例として、図３のように十字型の台座２１ｂを用いて十字の交差する領域に圧電素子１ａを設置し、その領域を囲む各辺から延びる直線状の４本の腕（はり部材２２ｂ）を周囲の支持部材４ｂに固定することで、各腕をはり部材２２ｂとして機能させることができ、同様の効果が得られる。このような構成にすれば、矩形の素材の４隅を切り欠くだけで、台座２１ｂの一部をはり部材２２ｂとして一体で形成することができ、製作性に優れるとともに、圧電素子１ａの設置領域とはり部材２２ｂとの接合部の経年劣化のおそれも少なく、信頼性も向上する。

はり部材２２ａは圧電素子１ａ全体を台座２１ａの面外方向に振動させるように曲げ変形する。圧電素子１ａとはり部材２２ａとからなる振動系は、台座２１ａの面外方向の曲げ振動に対して一定の固有振動数を有しており、その固有振動数で共振を生じて大きく上下に振動する。固有振動数は、はり部材２２ａの物性（主としてヤング率）、断面形状、長さ、個数、台座および圧電体３ａの重量等によって決まる。以下に振動の発生メカニズムを詳細に説明する。

まず、圧電素子１ａの上部電極層３１ａ、下部電極層３２ａに交流電界を印加すると圧電素子１ａは伸縮運動を行う。具体的には、圧電素子１ａは、圧電体３ａが押しつぶされる変形モード（上部電極層３１ａ、下部電極層３２ａの固定されている面が広がり、圧電体３ａの高さ（上部電極層３１ａと下部電極層３２ａとの間隔）が縮小する変形モード）と、圧電体３ａが高さ方向に細長く延びる変形モード（上部電極層３１ａ、下部電極層３２ａの固定されている面が縮小し、圧電体３ａの高さが伸びる変形モード）とを、電界の向きに従って交番的に繰り返す。この結果、固定面が広がると、台座２１ａの表面は、台座部２１ａと圧電体３ａとの拘束によって、圧電体３ａの反対方向に反るように変形する。逆に固定面が縮むと、台座２１ａの表面は圧電体３ａのある方向に反るように変形する。これらの運動によって、台座２１ａの周縁部は上下方向に振動し、その動きが台座２１ａに設けられた複数のはり部材２２ａに伝達される。はり部材２２ａは支持部材４に固定されているため、固定された支持部材４ａを中心にはり部材２２ａおよびはり部材２２ａに支持された圧電素子１ａが上下に大きく振動する。

図４には圧電アクチュエータの振動モードを概念的に示す。はり部材２２ａの変形が相対的に大きく、圧電体３ａの変形は相対的に小さいため、図１Ｂに示したような山形の振動モードではなく、ピストン型の振動モードとなる。このため、圧電体３ａに大きな変形や歪を与えることなく、圧電素子１ａを上下方向に大きく往復運動させることができる。

本発明の圧電アクチュエータはさらに以下の利点を有する。

まず、本発明の圧電アクチュエータの振動特性は、はり部材２２ａの材料特性、個数、幅、長さ等を変化させることによって容易に変えることができる。したがって、振動特性の異なる圧電アクチュエータを製作する場合にも、はり部材２２ａだけを変更すればよく、外形寸法を変えることなく、容易に共振周波数を変更することができる。さらに、部材の標準化、共通化の範囲が拡大するため、コストの低減にも寄与する。

また、圧電素子３ａや支持部材４ａは形状の制約がないため、搭載機器の設置スペースへの適合性が優れている。特に、本発明の圧電アクチュエータは圧電素子３ａを矩形形状とすることができ、台座２１ａおよびはり部材２２ａの形状も単純なものとすることができるため、円形の圧電素子と比べ製作性に優れる。

また、高価な圧電素子を極端に薄型化せずに圧電アクチュエータの共振周波数の低減が可能であるため、圧電素子の強度の確保が容易である。さらに、従来の圧電アクチュエータは、搭載されている電子機器の落下時に、セラミック部が衝撃歪みを受けて、割れなどの破壊が生じやすかったが、本発明では、衝撃歪は主にはり部材２２ａに吸収されるため、セラミック部への衝撃歪を回避することができ、機械的な信頼性が向上する。これらの点から、低周波音響素子の実現も安価かつ容易に行える。

また、支持部材４とはり部材２２ａは完全に接合固定されているため、接合部は圧電アクチュエータ振動時に振動の節になる。このため、振動が圧電アクチュエータから接合部を介して電子機器側に伝播しにくく、接合部の振動による疲労破壊や異音発生のおそれが低下し、信頼性が向上する。

以上のように、本発明の圧電アクチュエータは簡易な構造で、信頼性が高く、製作性にも優れ、大振幅振動を容易に得ることができる。

なお、本圧電アクチュエータは携帯電話に適用されるにとどまらず、例えば、変位量または振動量を圧電アクチュエータの印加電気量により調整することによって、カメラモジュールなどの機能部品に高精度なズーム機能や、手ぶれ調整機能を付与することができる。したがって、本圧電アクチュエータを搭載した電子機器の工業的価値も高まる。

図５には本発明の第２の実施形態の圧電アクチュエータの概念的断面図を示す。図６には本実施形態の圧電アクチュエータの振動モードを示す。一般に圧電体の厚み方向に分極された２枚の圧電体を貼り合わせて形成した圧電アクチュエータをバイモルフというが、本実施形態は本発明の趣旨をバイモルフに適用したものである。図５に示すように、圧電素子１ｃは、上部圧電体３ｃと下部圧電体３ｃ’とが接合され、その中間に絶縁層３６を挟んだ積層構造となっている。より詳細には、上部圧電体３ｃは上部電極層３１ｃと下部電極層３２ｃとに挟まれ、下部圧電体３ｃ’は上部電極層３１ｃ’と下部電極層３２ｃ’とに挟まれ、下部電極層３２ｃと上部電極層３１ｃ’との間に絶縁層３６が配置されている。すなわち、本圧電アクチュエータは、下部圧電体３ｃ’と上部電極層３１ｃ’と下部電極層３２ｃ’とを有する第２の圧電体を有する。また、上部圧電体３ｃと下部圧電体３ｃ’の分極方向は、図中白抜き矢印に示すように、相互に逆方向を向いている。なお、絶縁層３６は台座２１ａでもよい。すなわち、実施形態１において、台座２１ａの下側に上部電極層３１ａ、圧電体３ａ、下部電極層３２ａを鏡対称に設けたような構造でもよい。

圧電素子１ｃに交流電界を印加すると、上部圧電体３ｃと下部圧電体３ｃ’の一方が伸びて他方が縮むため、圧電素子１ｃは、図６に示すように、上部圧電体３ｃと下部圧電体３ｃ’との相互拘束効果によって、自己屈曲振動を行うことができる。したがって本実施形態の圧電素子１ｃでは、台座部を設ける必要がない。さらに、各電極に第１の実施形態と同じ交流電圧を印加した場合、電界強度は２倍、駆動力は２倍になり振動振幅量は４倍になる。

図７には本発明の第３の実施形態の圧電アクチュエータの概念的断面図を示す。図面では圧電素子のみを記載しているが、はり部材や支持部材は、例えば第１の実施形態と同様に構成できる。圧電素子１ｄは、圧電体３ｄと電極層３１ｄとを交互に積層した積層構造で形成されている。各圧電体３ｄは分極方向が交互に逆向きになっており、また、電界の向きも交互に逆向きとなるよう配線されている。このため、電界を付加すると、すべての圧電体３ｄが同じように変形するため、振動変位量は圧電体の層数に比例して増大する。

図８には本発明の第４の実施形態の圧電アクチュエータの概念的断面図を示す。本実施形態は、第２の実施形態において各圧電体の上下および中央部に絶縁層を設けたものである。すなわち、上部圧電体３ｅは上部電極層３１ｅ、下部電極層３２ｅに挟まれており、下部圧電体３ｅ’は上部電極層３１ｅ’、下部電極層３２ｅ’に挟まれている。また、上部電極層３１ｅの上部には上部絶縁層３３ｅが、下部電極層３２ｅ’の下部には下部絶縁層３３ｅ’が設けられている。さらに、下部電極層３２ｅと上部電極層３１ｅ’の間には中間絶縁層３５ｅが設けられている。このような層構成とすることによって、金属の台座を用いて接合しても台座に電気漏洩が生じないため、安全な取り扱いが可能になる。

図９には本発明の第５の実施形態の圧電アクチュエータの概念的断面図を示す。本実施形態の圧電素子１ｆは、台座２１ｆの下方に振動膜３４を接合したものである。振動膜３４の基材としては、紙や、ポリエチレンテレフタレートなどの有機フィルムを用いることができる。振動膜３４によって、共振周波数近傍の急峻な振動の変化が抑制でき、平潤な音圧・周波数特性を有するスピーカ、レシーバなどの音響素子を実現できる。また、振動膜３４の基材として絶縁材料である有機フィルムを用いると、基材上にメッキ技術などにより圧電素子２１ｆへの金属配線を施すことができ、金属配線を電気端子リードとして利用できる。そして、電極材料の導通などを回避することができるため、信頼性が向上する。なお、振動膜３４は圧電素子１ｆと台座２１ｆの間に設けてもよい。

さらに、振動膜と台座２１ｆの接合の際に、ゴム、発砲ゴムなどの振動伝達材を介して接合するとより高い平潤効果が得られる。また、共振周波数の異なる複数個の圧電アクチュエータに振動膜を接合し、電子機器に適用すると、広範囲の周波数にわたり音圧が平潤な音響装置ができる。

本発明の圧電アクチュエータの特性評価を下記実施例１〜９、比較例１〜４によって行い、本発明の効果を評価した。以下に評価項目を示す。
（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を測定した。
（評価３）平均振動速度振幅：図１０に示すように、圧電素子１の長手方向に均一に分割された測定点２０点（図中１〜２０で表示）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）振動形態：図１１Ａ、１１Ｂで示すように、振動速度比を平均振動速度振幅Ｖｍａｘ／最大振動速度振幅Ｖｍと定義して振動形態を判断した。図中の曲線は振動速度振幅分布を示す。振動速度比が小さいときは、図１１Ａのような屈曲（山形）運動を示す。振動速度比が大きいときは、図１１Ｂのような往復（ピストン型）運動を示す。ここでは、振動速度率が８０％以上の場合は往復運動、振動速度率が８０％未満の場合は屈曲運動とした。
（評価５）Ｑ値：交流電圧１Ｖ印加、共振時のＱ値を測定した。Ｑ値が低いほど、音圧周波数特性が平潤である。
（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測定した。
（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。

［実施例１］
図１２Ａ、１２Ｂに示す圧電アクチュエータを作製した。図１２Ａには台座、はり部材、および支持部材の上面図を示す。図中の数値の単位はｍｍである。また、図１２Ｂには圧電素子の分解斜視図を示す。実施例１の圧電アクチュエータは、圧電素子１０１ａと、台座１２１ａと、支持部材１０４ａと、はり部材１２２ａとを有している。圧電素子１０１ａは台座１２１ａにエポキシ系接着剤で接合されており、台座１２１ａは４つのはり部材１２２ａを介して、支持部材１０４ａに接続されている。

圧電素子１０１ａは、図１２Ｂのように、上部絶縁層１３３ａ、上部電極層１３１ａ、圧電体１０３ａ、下部電極層１３２ａ、下部絶縁層１３３ａ’から構成される単層型圧電素子である。上部絶縁層１３３ａおよび下部絶縁層１３３ａ’は、長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ５０μｍである。圧電体１０３ａは、長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ３００μｍである。上部電極層１３１ａ、下部電極層１３２ａは厚さ３μｍである。従って、圧電素子１０１ａの形状は一辺１０ｍｍの正方形で、厚さ約０．４ｍｍである。

圧電体１０３ａ、上部絶縁層１３３ａ、下部絶縁層１３３ａ’はジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用い、上部電極層１３１ａ、下部電極層１３２ａは銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を用いた。圧電素子の製造はグリーンシート法により行い、大気中で１１００℃、２時間焼成させた。そして、電極層を結線する外部電極として厚さ８μｍの銀電極を形成して、圧電体１０３ａに分極処理を施し、上部絶縁層１３３ａの表面に設けた電極パット１３６ａを８μｍの銅箔で接合し結線した後、φ１ｍｍ、高さ０．５ｍｍのはんだ部（図示せず）を介して、２本のφ０．２ｍｍの電極端子リード線１１５を接合した。

台座１２１ａはリン青銅製で、厚さ０．０５ｍｍである。台座１２１ａは、切断加工により図１２Ａの形状に調整した。また、台座１２１ａに取り付く４つのはり部材１２２ａはＳＵＳ３０４製で、すべて幅４ｍｍ、長さ４ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの同一形状を有し、環状の支持部材１０４ａに接続している。

以上のようにして作製された本実施例の圧電アクチュエータは、直径１６ｍｍ、厚さ０．４５ｍｍの円形、小型薄型の圧電アクチュエータである。振動姿態は図１１Ｂに示す往復運動であり、共振周波数は５２９ＨＺ、最大振動速度振幅は１８０ｍｍ／ｓ、最大振幅量変化は０．８３であった。

（比較例１）
実施例１の効果を説明するために、図１３で示す従来型の圧電アクチュエータを作製した。長さ１６ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの圧電素子１１０１ａを実施例１と同様な方法で作製し、金属板１１０５（リン青銅、厚さ０．１ｍｍ）を接合して圧電アクチュエータを作製し、両端を支持部材１１０４ａに支持させた。

作製した圧電アクチュエータの振動姿態は図１１Ａに示す屈曲運動で、共振周波数は９２９ＨＺ、最大振動速度振幅は１４８０ｍｍ／ｓ、最大振幅量変化は０．４７であった。

実施例１と比較例１とを比較することにより、低い共振周波数を有し、振動振幅が大きく、平滑な振動振幅を有する圧電アクチュエータが実現できることが確認された。

［実施例２］
実施例２では、台座に取り付くはり部材の数を、実施例１の４個から２個に変更し、共振周波数がどの程度低減するかを確認した。図１４に示すように、はり部材の個数以外の条件は実施例１と同様で、圧電アクチュエータの形状は厚さ０．４５ｍｍ、１６ｍｍの円形である。図中の数値の単位はｍｍである。圧電アクチュエータの振動姿態は往復運動であり、共振周波数は４９８ＨＺ、最大振動速度振幅１７２ｍｍ／ｓ、最大振動量変化は０．８６であった。

実施例１と２とを比較することにより、はり部材の個数を変更することで、振動形態や振動速度振幅を大きく変化させることなく、共振周波数を低減できることが確認された。

［実施例３］
実施例３では、実施例２の構成において、台座の材質をリン青銅製からＳＵＳ３０４に変更した。その他の条件は実施例２と同じである。圧電アクチュエータの振動姿態は往復運動であり、共振周波数は５７２ＨＺ、最大振動速度振幅１８９ｍｍ／ｓであった。

実施例２と３とを比較することにより、台座の材質を変更することで、アクチュエータの形状、振動形態、および最大振動速度振幅を大きく変えることなく、共振周波数を調整できることが確認された。

［実施例４］
実施例４では、振動方向が異なる２枚の圧電素子を用いて、バイモルフ型圧電アクチュエータを作製した。図１５に示すように、圧電素子１０１ｃは同一形状の圧電体１０３ｃ、１０３ｃ’を振動方向が異なるように接合したものである。圧電体１０３ｃ、１０３ｃ’は１０ｍｍの正方形、厚さ０．２ｍｍである。したがって、圧電素子１０１ｃの形状は、実施例２と同じである。また、圧電素子以外の構成はすべて実施例２と同じである。

圧電アクチュエータの振動姿態は往復運動であり、共振周波数は４８７ＨＺで、最大振動速度振幅は３５２ｍｍ／ｓであった。

実施例２と４とを比較することにより、振動方向が異なる２枚の圧電板を接合させたバイモルフ型圧電素子を用いることで、最大振動変位量を大きく増加できることが確認された。

［実施例５］
実施例５では、実施例２に対して、圧電素子を単層型から積層型に変更した。本実施例の積層型の圧電素子１０１ｄは３層型の積層型圧電素子で、図１６で示されるように、上部絶縁層１３３ｄと、４枚の電極層１３１ｄと、３枚の圧電体１０３ｄと、下部絶縁層１３３ｄ’とが積層されて構成されている。上部絶縁層１３３ｄと下部絶縁層１３３ｄ’は一辺１０ｍｍの正方形で、厚さ８０μｍである。圧電体１０３ｄは一辺１０ｍｍの正方形で、厚さ８０μｍである。電極層１３１ｄは一辺１０ｍｍの正方形で、厚さ３μｍである。従って、圧電素子１０１ｄは一辺１０ｍｍの正方形で、厚さ約０．４ｍｍである。また、圧電アクチュエータの形状は、実施例２と同じく、厚さ０．４５ｍｍ、１６ｍｍの円形である。

上部絶縁層１３３ｄ、下部絶縁層１３３ｄ’、圧電体１０３ｄは、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックスを用いた。電極層１３１ｄは銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を用いた。圧電素子１０１ｄの製造はグリーンシート法により行い、大気中で１１００℃、２時間焼成させた。そして、図１２と同様に、各電極層１３１ｄを結線する銀電極を形成した後、圧電体１０３ｄの分極の向きを揃える分極処理を施し、上部絶縁層１３３ｄの表面に設けた電極パット（図示せず）を銅箔で接合し、結線した。

圧電アクチュエータの振動姿態は往復運動であり、共振周波数は４９５ＨＺ、最大振動速度振幅５１８ｍｍ／ｓであった。

実施例２と５とを比較することにより、圧電素子を積層構造にすることで、共振周波数を変化させずに、最大振動速度振幅を大きく増加できることが確認された。

［実施例６］
本実施例では、図１７に示すように、実施例４のバイモルフ圧電素子において、２枚の圧電板の間に絶縁層１３５ｅを設けた。絶縁層１３５ｅには、０．１ｍｍ厚のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを用いた。実施例６の構成は、実施例４に対して絶縁層１３５ｅを追加した点のみが異なり、その他の構成は実施例４と同一である。本実施例の圧電アクチュエータ厚さは、実施例２に対して絶縁層１３５ｅの分だけ０．１ｍｍ増え、０．５５ｍｍである。

圧電アクチュエータの振動姿態は往復運動であり、共振周波数は４４２ＨＺ、最大振動速度振幅１８６ｍｍ／ｓであった。また、同条件で素子を５０個製造したところ、すべての素子で電気漏洩が確認されず、安全な取り扱いが可能な素子であることが確認された。

実施例４と６とを比較することにより、圧電素子に絶縁層を設けることで、台座に金属を用いた場合でも電気漏洩が抑制され、安全な取り扱いが可能で、振動変位量が大きい圧電アクチュエータが実現できることが確認された。

［実施例７］
本実施例では、図１８に示すように、実施例２の圧電アクチュエータに振動膜１３４ｆを接合して音響素子３９を作成し、振動膜１３４ｆに伝達された振動により音を放射させた。具体的には、台座１２１ｆの裏側に、０．０５ｍｍ厚のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムからなる振動膜１３４ｆを貼付した。

音響素子の共振周波数は４８３ＨＺ、Ｑ値は８．７６、音圧レベルは９８ｄＢであった。

（比較例２）
実施例７の圧電アクチュエータの効果を比較するために、図１９に示すように、従来型の圧電音響素子を作製した。この音響素子は比較例１の圧電アクチュエータ（図１３参照）に実施例７と同様の振動膜１３４ｆ’を貼り付けたものである。作製した音響素子の共振周波数は７９６ＨＺ、Ｑ値は３７、音圧レベルは７９ｄＢであった。

実施例７と比較例２とを比較することにより、周波数帯域が広く、平潤な音圧周波数特性を有し、高い音圧レベルを有する音響素子が実現できることが確認された。

［実施例８］
本実施例では、実施例７の音響素子３９において、図２０Ａに示すように、圧電素子１０１ｇと振動膜３４ｇとの間に円錐形のコイルバネ３８を振動伝達部材として介在させた。コイルバネ３８は、図２０Ｂに示すように、厚さ０．２ｍｍ、最小コイル半径２ｍｍ、最大コイル半径４ｍｍで、ステレンス鋼線により形成されている。最小コイル半径面は台座１２１ｇに、最大コイル半径面は振動膜３４ｇにエポキシ系接着剤によって接合されている。コイルバネ３８を設けた点を除き他の構成は実施例７と同様である。実施例７の音響素子の厚さは実施例２の素子の厚さにコイルバネ３８の厚さ０．２ｍｍが加わり、０．７ｍｍである。

作製した音響素子の共振周波数は４５７ＨＺ、Ｑ値は９．８、音圧レベルは１０８ｄＢであった。

実施例７と８とを比較することにより、振動膜と圧電アクチュエータとの間に振動伝達部材を介在させることで、共振周波数を低減でき、さらに音圧レベルを向上できることが確認された。

［実施例９］
図２１に示すように、実施例７の音響素子３９を携帯電話５１に搭載し、音響素子３９の３０ｃｍ距離の音圧レベルと音圧周波数特性を測定した。共振周波数は５０１ＨＺ、音圧周波数特性は平潤な特性であり、Ｑ値は８．１２、音圧レベルは９５ｄＢであった。また、落下衝撃試験を行った結果、５回落下後においても圧電素子の割れが確認できず、５回落下後に音圧レベル測定をしたところ、９４ｄＢを示した。

（比較例３）
比較例２の圧電音響素子を携帯電話５１に搭載した。実施例９と同様に、音響素子３０ｃｍ距離の音圧レベルと音圧周波数特性を測定したところ、共振周波数は８２１ＨＺ、音圧周波数特性は凹凸が激しい特性になり、音圧レベルは７５ｄＢであった。また、落下衝撃試験を行ったところ、２回落下後に圧電素子の割れが確認され、この時点での音圧を測定したところ、６０ｄＢ以下になった。

実施例９と比較例３とを比較することにより、実施例９の音響素子を携帯電話に搭載することで、周波数帯域が広く、高い音圧を有し、平潤な音圧周波数特性で音を再生できることが確認された。また、本発明の音響素子は、落下衝撃安定性が高いことが確認された。

（比較例４）
図２２に示すように、比較例４の電磁式音響素子６１を携帯電話に搭載した。本比較例の音響素子は、永久磁石６２、ボイスコイル６３、振動板６４から構成され、ボイスコイル６３に電気端子６５から電流を流して磁力を発生させ、発生した磁力により振動板６４に吸引と反発を繰り返させて、音を発生させた。振動板６４の周囲は連結部材６６によって筐体６７に接続している。比較例４の音響素子は、直径２０ｍｍの円形で、厚さ２．５ｍｍである。実施例９と同様に、音響素子の３０ｃｍ距離の音圧レベルと音圧周波数特性を測定したところ、共振周波数は７３０ＨＺ、音圧レベルは７３ｄＢであった。

実施例９と比較例４とを比較することにより、本発明の音響素子を携帯電話に搭載することで、従来の電磁式型音響素子に比べ、周波数帯域が広く、高い音圧で音の再生が可能であることが確認された。

以上、発明を実施するための最良の形態、および実施例１〜９、比較例１〜４の結果で詳細に説明したように、本発明の圧電アクチュエータは、薄型小型で、振動振幅が大きく、外径寸法を変えずに共振周波数の調整が可能で、しかも高い信頼性を有しており、電子機器等への幅広い応用が可能である。

Claims (13)

1. 電界の状態に応じて少なくとも対向する２つの面が伸縮運動をする圧電体を有する圧電素子と、
   該圧電素子を前記２つの面の少なくともいずれかで拘束する拘束部材と、
   該拘束部材の周囲に設けられた支持部材と、
   両端の各々を該拘束部材と該支持部材とに固定され、前記の拘束される面と略平行な方向に曲げの中立軸を有する複数のはり部材とを有し、
   前記拘束部材は、該拘束部材と前記圧電素子との拘束効果で発生した振動が前記はり部材で増幅されることによって振動する、圧電アクチュエータ。
2. 前記はり部材は直線ばりである、請求項１に記載の圧電アクチュエータ
3. 前記拘束部材は前記圧電素子を拘束する台座と、該台座から突き出して前記はり部材を構成する複数の腕とを有する、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記拘束部材は、前記圧電体と振動方向が異なる第２の圧電素子である、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。
5. 前記圧電素子は、複数の前記圧電体と、該圧電体に電界を印加する複数の電極層とが交互に積層して形成されている、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。
6. 前記圧電素子は前記２つの面の少なくともいずれかに絶縁層を有する、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。
7. 前記圧電素子は直方体である、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。
8. 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と、
   該圧電アクチュエータと連結され、該圧電アクチュエータから伝達された振動によって音を放射する振動膜とを有する音響素子。
9. 前記圧電アクチュエータと前記振動膜との間に振動伝達材をさらに有する、請求項８に記載の音響素子。
10. 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を有する電子機器。
11. 請求項８または９に記載の音響素子を有する電子機器。
12. 互いに異なる共振周波数を有する請求項８または９に記載の音響素子を複数個有し、音圧の周波数応答を平準化させる音響装置。
13. 請求項１２に記載の音響装置を有する電子機器。

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