JPWO2006070595A1 - 圧電セラミックアクチュエータ及び携帯機器 - Google Patents

Abstract

電圧の印加により振動する圧電セラミック素子の全面に補強板を重ね、圧電セラミック素子と補強板とを１又は複数個の局部的な部位で接合する。補強板における接合部位に整合する位置には、固定子が接合され、圧電セラミック素子の振動を外部に伝達する。これにより、落下衝撃力を受けても、圧電セラミック素子の割れ及び欠け等の構造的欠陥が発生せず、しかも、圧電セラミック素子の振動量として、大きな振動量を確保することができる。

Description

本発明は、携帯機器に用いられる薄型・高信頼性を有する機械的振動源として好適の圧電セラミックアクチュエータ及びそれを搭載した携帯機器に関する。

昨今、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、及びＰＤＡ（Personal Data Assistance携帯情報端末)等の小型携帯電子機器が盛んに利用されるようになった。これらの装置は、ネットワークシステム及びソフトウエアの進展とともに、その応用に広がりを見せ、利用者の利便性が高まっている。これにともない搭載される機能部品の数量は増大傾向にある。例えば、スピーカ、マイクロホン、レシーバ、バイブレータ、カメラ、液晶ディスプレイ、電池、カードメモリー、ＬＳＩ、赤外通信モジュールなどがその一例である。

携帯性及び利便性を高めるため、装置の小型・薄型が求められる一方で、搭載される機能部品の増加により、装置の小型化に対して障害が生じている。また、装置落下時における部品と他の部品又は筐体との接触による部品破壊防止を考慮した実装配置、空間設計の重要性が高まっている。更に一層の携帯機器の普及のために、安価に部品を製作・実装する技術の開発も、欠かすことができない状況にある。

携帯機器には様々な可動部品が用いられる。音響素子、バイブレータ、カメラズーム機構、液冷ポンプ等が挙げられる。携帯機器には、そのエネルギー供給源として電池が使用されており、３〜５Ｖ程度の低電圧駆動が可能で安価であることから機械的駆動源として、電磁型と呼ばれるＤＣモータ及び磁力・機械変換機構が用いられている．電磁コイル及び永久磁石などが使用されているため、駆動性能を維持し、小型化を図るために技術的な障壁は高い。電磁型駆動源から発する電磁ノイズも機器の誤動作を生じる。そこで、電磁作用を利用せず、高い電気・機械エネルギー変換効率を有し、薄型及び小型化に有利な圧電セラミックを利用した駆動源が注目されている。

これは、小型ながら、直流電圧を印加すると、圧電セラミック素子が変位し、対象物を可動する力が強いためである。また、所望の周波数の交流電圧を印加すると、その周波数で振動し、対象物を振動させることが可能な素子である。

このように機械的駆動源として、薄型化が可能な圧電セラミック素子には、数々の形態が提案され実用化がなされている。例えば、非特許文献１及び非特許文献２に圧電横効果を利用した屈曲素子及びその動作の詳細が記載されている。

また、携帯機器には、エネルギー供給源として３〜５Ｖ出力の電池が用いられる。一般的に圧電セラミック素子は、電磁型と比較してその動作電圧が高いことが知られている。これを解決する手段として圧電セラミック薄板と電極を交互に積層して、セラミック板に印加する電界強度を高めることで低電圧駆動を可能にした積層圧電セラミック振動子が提案されている。この積層圧電セラミック振動子は、例えば、非特許文献３にその構造が示されている。

図２１、図２２及び図２４を使用して、従来の圧電セラミックアクチュエータについて説明する。図２１は従来の圧電セラミック素子１１０（圧電振動子）を示す。この従来の圧電セラミック素子１１０は、分極処理が施された１対の圧電セラミック板１１１，１１２が、その間に恒弾性体１１３を配置して接合されており、この圧電セラミック板１１１，１１２には電極が形成されている。恒弾性体１１３の上下に配置された電気端子に対し所定の結線を施すと、圧電セラミック板１１１，１１２に電圧を印加したときに、上に配置された圧電セラミック板１１１は長さ方向に縮み、下に配置された圧電セラミック板１１２は長さ方向に伸び、結果として、図２２に示すように圧電セラミック板１１１，１１２の厚さ方向（圧電セラミック素子１１０の厚さ方向）に屈曲運動をする。電圧の印加方向を変えると、逆向きに屈曲運動をする。従って、正弦波交流電圧を印加すれば、圧電セラミック素子１１０は、厚さ方向に屈曲振動を起こす。

この圧電セラミック素子１１０の振動を、弾性体１１５に伝えるためには、図２３に示すように、圧電セラミック素子１１０と弾性体１１５との間に固定子１１４を設け、この固定子１１４を介して、圧電セラミック素子１１０と、弾性体１１５とを機械的に接合すれば良い。

「超音波エレクトロニクス振動論」、ｐｐ．１０４、富川義朗 編著、朝倉書店、１９９８年 「電気回路素子としての電気機械振動子とその応用」、ｐｐ．１９２、ｐｐ．２１２、永井健三、近野正 共著、コロナ社、１９７４年 "Mechanical quality factor of multilayer piezoelectric ceramic transducers"（Jpn. J. Appl. Phys.,Vol.40, Part 1, No.5B, pp.3549-3551, May2001） 特開２００４−２５４４１７ 特開２０００−３３３４８０

しかしながら、屈曲変位動作をする圧電横効果を利用した圧電セラミック素子を、携帯機器に利用する際、以下に示す実用上の課題がある。

昨今の携帯機器は運搬性を考慮し、運搬時の人的な失敗により発生する機器落下時の破壊防止のための対策をおこなわなければならない。小型である圧電セラミック素子は、携帯機器の小型振動源として、バイブレータ及び音響素子など、その応用性は広いが、セラミックの脆性のため、落下時の衝撃力による破壊が起こりやすいという欠点があった。図２３の構成において、携帯機器落下時に発生する衝撃応力は固定子１１４の近傍に集中し、セラミックの割れ及び欠けなどの構造的欠陥が発生し、圧電セラミック素子の振動量は大幅に低下し、振動源として機能しなくなるという問題点があった。

この問題点の解決のために、図２４に示すように、金属板等の剛性が高く、衝撃力に強い補強板１１６を圧電セラミック素子１１０の表面全面に接合することが考えられる。

しかしながら、補強板１１６の接合により、圧電セラミック素子１１０が機械的に拘束されて、その伸縮運動が抑制されるため、振動量が小さなものになってしまい、実用に供し得ないという問題点がある。

同様に、特許文献１及び２には、圧電素子に補強板を積層させた圧電アクチュエータが開示されているが、圧電素子の衝撃破損防止及び大きな振動量の確保という相反する要求を満足できるものではない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、落下衝撃力を受けても、圧電セラミック素子の割れ及び欠け等の構造的欠陥が発生せず、しかも、圧電セラミック素子の振動量として、大きな振動量を確保することができる圧電セラミックアクチュエータ及びそれを組み込んだ携帯機器を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電セラミックアクチュエータは、電圧の印加により振動する圧電セラミック素子と、この圧電セラミック素子の全面に重ねられる補強材と、前記補強材に固定され前記圧電セラミック素子の振動を外部に伝達する固定子と、を有し、前記圧電セラミック素子と前記補強材とは１又は複数個の局部的な部位で接合されていることを特徴とする。

この圧電セラミックアクチュエータにおいて、前記圧電セラミック素子は、例えば、１対の圧電セラミック板と、この圧電セラミック板に挟まれた恒弾性体とを有するものである。この場合に、前記補強材は、例えば、一方の圧電セラミック板の全面に重ねられ、この圧電セラミック板と同一又はそれより大きな形状を有する。

また、前記固定子は、前記圧電セラミック素子と前記補強材との接合部位に配置されていることが好ましい。更に、前記圧電セラミック素子と前記補強材とは接着剤により接合されていることが好ましい。更にまた、前記圧電セラミック素子と前記補強材との間に、接合材が塗布された有機樹脂基材を設けることにより、前記圧電セラミック素子と前記補強材とを接合することができる。

本発明に係る他の圧電セラミックアクチュエータは、電圧の印加により振動する１対の圧電セラミック素子と、これらの１対の圧電セラミック素子間に配置されその全面に重ねられる補強材と、一方の前記圧電セラミック素子に固定され前記圧電セラミック素子の信号を外部に伝達する固定子と、を有し、前記各圧電セラミック素子と前記補強材とは夫々１又は複数個の局部的な部位で接合されていることを特徴とする。

この圧電セラミックアクチュエータにおいて、前記各圧電セラミック素子は、例えば、１対の圧電セラミック板と、この圧電セラミック板に挟まれた恒弾性体とを有するものである。この場合に、前記補強材は、例えば、両圧電セラミック素子の各一方の圧電セラミック板の全面に重ねられ、この圧電セラミック板と同一又はそれより大きな形状を有する。

また、前記固定子は、それが固定された圧電セラミック素子と前記補強材との接合部位に配置されていることが好ましい。更に、前記圧電セラミック素子と前記補強材とは接着剤により接合されていることが好ましい。更にまた、前記圧電セラミック素子と前記補強材との間に、接合材が塗布された有機樹脂基材を設けることにより、前記圧電セラミック素子と前記補強材とを接合することができる。

本発明に係る携帯機器は、上述の圧電セラミックアクチュエータを振動源にしたことを特徴とする。この場合に、上述の圧電セラミックアクチュエータを振動源にして、筐体の一部を振動させることにより発音させるように構成することもできる。

本発明によれば、圧電セラミック素子を、１又は複数箇所の局部的な部位で補強材に接合したので、この圧電セラミック素子を振動源として携帯機器に組み込んだ場合に、携帯機器を落下させたときに衝撃応力が作用しても、圧電セラミック素子が破壊することが防止される。この場合に、圧電セラミック素子と補強材とは、局部的な部位で接合されているので、補強材を設けても十分に大きな振動量を得ることができ、振動量が大きな機械的振動源を得ることができる。また、補強材は、圧電セラミック素子の全面に重ねられるものであるから、圧電セラミック素子に対する衝撃力を確実に抑制することができ、その衝撃応力による破壊を防止し、高信頼性を得ることができる。特に、補強材を圧電セラミック素子と同一の大きさにすれば、圧電セラミック素子の一つの面を補強板で覆うことによる破損防止効果に加えて、圧電セラミック素子からはみ出た無駄な突起等がなく、装置の小型化が可能である。

本発明の第１実施形態に係る圧電セラミックアクチュエータの組立方法を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る圧電セラミックアクチュエータの組立方法を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る圧電セラミックアクチュエータの組立方法を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る圧電セラミックアクチュエータの組立方法を示す斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る圧電セラミックアクチュエータの組立方法を示す斜視図である。 本発明の第６実施形態に係る圧電セラミックアクチュエータの組立方法を示す斜視図である。 本発明の第７実施形態に係る圧電セラミックアクチュエータの組立方法を示す斜視図である。 本発明の圧電セラミック素子の変形例を示す斜視図である。 本発明の第８実施形態に係る圧電セラミックアクチュエータの組立方法を示す斜視図である。 本発明の第９実施形態に係る圧電セラミックアクチュエータの組立方法を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態のアクチュエータを携帯機器に組み込んだ状態を示す図である。 本発明の実施例１の圧電セラミック素子を示す斜視図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、本発明の実施例１の補強板及び補強板接合用基材を示す図である。 本発明の実施例１の圧電セラミックアクチュエータの組立方法を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施例１のアクチュエータを筐体に取り付ける方法を示す図である。 本発明の実施例２の圧電セラミックアクチュエータを示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施例２のアクチュエータを筐体に取り付ける方法を示す図である。 本発明の実施例３の圧電セラミックアクチュエータを示す斜視図である。 同じく本発明の実施例３の圧電セラミックアクチュエータを示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例４の圧電セラミックアクチュエータを携帯機器内に収納した状態を示す図である。 従来の圧電セラミック素子を示す斜視図である。 その動作を示す図である。 従来の圧電セラミックアクチュエータを示す斜視図である。 従来の圧電セラミックアクチュエータを示す斜視図である。

符号の説明

１、１１、２１、３１、４１ａ、４１ｂ、６１、８１：圧電セラミック素子
２、４、８２，８３：圧電セラミック板
３、８４：恒弾性体
５、１５、２５、３５ａ、３５ｂ、４５、６２、８６：補強板
６、４９、６４、７４、８８：固定子
７ａ、７ｂ、７ｃ：接合部位
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、８７ｂ、８７ｃ、８７ｄ：補強板接合用基材
５１：上部絶縁層
５２、５４：圧電活性層
５３：中間絶縁層
５５：下部絶縁層
７０：疑似筐体
１０１：携帯電話上部筐体
１０２：アンテナ
１０３：携帯電話下部筐体
１０４：電池パック
１０５：折りたたみヒンジ
１０６、１０７：回路基板
１０８：液晶ディスプレイ
１０９：圧電セラミック素子

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る圧電セラミックアクチュエータの組み立て方法を示す斜視図である。圧電セラミック素子１は、１対の圧電セラミック板２、４の間に、恒弾性体３を挟むようにして構成されており、圧電セラミック板２，４に形成した電極（図示せず）に電圧を印加することにより、その電圧の向きにより圧電セラミック板２側又は圧電セラミック板４側のいずれかが内側になるように、圧電セラミック板２，４が変形する。従って、交流電圧を印加することにより、圧電セラミック板２，４が交互に内側になるように変形し（屈曲運動）、圧電セラミック素子１が振動する。

補強板５は、金属板又は樹脂板等、種々の素材を使用することができる。そして、この補強板５は、圧電セラミック素子１の圧電セラミック板４の全面に重ねられ、圧電セラミック板４と同一か、又はそれ以上の大きさを有する。この補強板５と圧電セラミック板４とは、補強板５における局部的な３箇所の部位７ａ，７ｂ、７ｃに有機接着剤等の接着剤を塗布して両者を密着させることにより、この部位７ａ〜７ｃにて、接合される。つまり、本実施形態は、圧電セラミック板４の全面で補強板５を固定せず、１又は複数個の局部的な且つ相互に独立した部位で補強板５と圧電セラミック板４とを固定する。この接合部位の大きさ及び数は任意である。

そして、補強板５における圧電セラミック板４が接合されていない側の面（裏面）に、固定子６が接合されている。この固定子６の接合部位は、補強板５の裏面におけるいずれかの接合部位７ａ〜７ｃに整合する位置である。つまり、補強板５における固定子６の取り付け位置は、補強板５を圧電セラミック板４に接合する部位（図示例は、部位７ｂ）に対応する位置である。この固定子６は圧電セラミック素子１の振動を外部に伝達するためのものであり、例えば、この固定子６が携帯機器の筐体に接触するように圧電セラミック素子１が配置される。

次に、上述の如く構成された圧電セラミックアクチュエータの動作について説明する。本実施形態においては、補強板５が圧電セラミック素子１の全面に重なっているので、携帯機器を落下させても、この補強板５が圧電セラミック素子１を保護し、衝撃荷重が圧電セラミック素子１に印加することを防止することができ、圧電セラミック素子１の破壊を防止することができる。そして、補強板５は、圧電セラミック素子１（圧電セラミック板４）に局部的な３箇所の部位７ａ〜７ｃで接着により接合されており、補強板が圧電セラミック素子の全面で接合されて一体的になっているものではないので、圧電セラミック素子１は、補強板５が接合されていない部位は、自由に変形することができる。よって、圧電セラミック素子１は大きな振動をすることができ、振動量が大きな振動源となる。

この場合に、圧電セラミック素子１と補強板５との接合に接着材を使用することにより、接合部位に柔軟性を持たせることができるため、圧電セラミック素子１の振動時に圧電セラミック素子１は容易に変形することができる。また、局部的に設けられた接合部位間には非接合の部位があり、この非接合部位において圧電セラミック素子１と補強板５との間には間隙が存在するので、圧電セラミック素子１と補強板５との間の摩擦又は拘束力を低減できるため、これによっても、圧電セラミック素子１の振動時における圧電セラミック素子１の変形を容易にすることができる。これらの理由により、本実施形態は、圧電セラミックアクチュエータとして、大きな屈曲振動を得ることができる。

固定子６が固定される圧電セラミック素子１の位置に、圧電セラミック素子１と補強板５との接合部位７ｂがあるので、圧電セラミック素子１の振動を、固定子６を介して、外部の弾性体に高効率で伝播させることができる。これに対し、圧電セラミック素子１と補強板５との接合部位がない部分に固定子６を設けると、補強板５にて機械的な結合経路が遮断され、振動エネルギーの伝播損失が生じる。携帯機器の落下時に発生する衝撃振動は、固定子６を介して圧電セラミック素子１に伝播し、未接合部における補強板５と圧電セラミック素子１との衝突により、圧電セラミック素子１の破壊が生じやすい。圧電セラミック素子１と補強板５との接合がある部分に固定子６を設けると、衝撃時の上述の問題点を防止することができる。

なお、図１においては、圧電セラミック素子１と補強板５との接合部位は３箇所（部位７ａ〜７ｃ）設けられているが、接合部位は１箇所又は２箇所以上の多数箇所としてもよい。これは、前述の如く、電子機器落下時の圧電セラミック素子１の衝撃破壊が、固定子６の接合部の近傍で発生するためであり、この固定子６の接合部分が、補強板５により補強されていれば、圧電セラミック素子１と補強板５との接合部位の数によらず、同様の効果が得られる。

次に、図２を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。但し、図２において、固定子は図示を省略する。本実施形態においては、圧電セラミック素子１１と補強板１７との間に、ポリエチレンテレフタレート、アクリル、ポリイミド、又はシリコンゴム等の有機樹脂製の３個の基材１７ａ、１７ｂ、１７ｃが相互間に間隔をおいて配置されている。この基材１７ａ〜１７ｃは薄板状であり、その表面及び裏面には接着剤又は粘着剤が塗布されていて、この接着剤又は粘着剤により基材１７ａ〜１７ｃが夫々圧電セラミック素子１１と補強板１７とに接合されている。これにより、圧電セラミック素子１１と補強板１５とが３個の基材１７ａ〜１７ｃを介して接合されている。

本実施形態においては、有機樹脂製の基材１７ａ〜１７ｃが柔軟性を有しているため、圧電セラミック素子１１の屈曲振動に応じて基材１７ａ〜１７ｃが容易に変形する。これにより、圧電セラミック素子１１と補強板１５との間の機械的拘束力が大幅に緩和され、圧電セラミックアクチュエータは大きな屈曲振動をすることができる。また、有機樹脂製基材１７ａ〜１７ｃにより圧電セラミック素子１１と補強板１５とを接合することにより、圧電セラミックアクチュエータを工業的に製造しやすくなる。

図３は、本発明の第３実施形態を示す斜視図である。但し、図３において、固定子は図示を省略する。本実施形態は、圧電セラミック素子２１と補強板２５との間に、５個の補強板接合用樹脂製基材２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ、２７ｅが相互間に間隔をおいて配置されており、接着剤又は粘着剤により、基材２７ａ〜２７ｅと、圧電セラミック素子２１及び補強板２５とが接合されている。

本実施形態においては、第２実施形態よりも、多数の幅が細い基材２７ａ〜２７ｅを設けているので、圧電セラミック素子２１の屈曲振動に補強板２５がより柔軟に追従することができ、補強板２５の接合による圧電セラミック素子２１の振動抑制が生じにくい。また、基材２７ａ〜２７ｅの接合部の経年変化により、一部の基材２７ａ〜２７ｅに接合剥離が起きても、他の基材２７ａ〜２７ｅの接合部により、接合力が保持されるため、本実施形態は、第２実施形態と同様に実用的な形態を有する。

図４は、本発明の第４実施形態を示す斜視図である。但し、図４において、固定子は図示を省略する。本実施形態においては、圧電セラミック素子３１の表面及び裏面に、夫々補強板３５ａ及び３５ｂが、夫々補強板接合用樹脂基材３７ａ〜３７ｃ及び３８ａ〜３８ｃを介して接合されている。

本発明においては、圧電セラミック素子と補強板とを局部的な部位で接合しているので、圧電セラミック素子の補強板による振動拘束が小さいため、本実施形態のように、補強板３５ａ、３５ｂを、圧電セラミック素子３１の表裏両面に設けても、圧電セラミック素子３１の振動に与える影響は少ない。

携帯機器において、落下衝撃時に発生する振動は、筐体などの弾性体から固定子を介して圧電セラミック素子に伝播するが、携帯機器の筐体内の空間は狭いため、筐体などの弾性体と他方の側に電子回路基板などの部品が配置されていることがあり、これらの部品と圧電セラミック素子との間の間隙が小さいと、これらの部品と圧電セラミック素子とが直接衝突し、圧電セラミック素子の破壊を引き起こしてしまう。このような場合に、本実施形態のように、圧電セラミック素子３１の上下両面に、補強板３５ａ、３５ｂを設けることにより、この問題点を解消することができる。

図５及び図６は本発明の第５実施形態を示す斜視図である。本実施形態においては、２個の圧電セラミック素子４１ａ、４１ｂ間に、１枚の補強板４５が接合されている。補強板４５にはその表裏両面に夫々３個の補強板接合用基材４７ａ、４７ｂ、４７ｃ及び４８ａ、４８ｂ、４８ｃが配置され、この基材４７ａ等の表裏両面に塗布された接着剤により圧電セラミック素子４１ａ、４１ｂが基材４７ａ等を介して補強板４５に接合されている。そして、図６に示すように、この圧電セラミック素子４１ｂの裏面の中央に、即ち、中央の基材４７ｂ、４８ｂに整合する位置に、固定子４９が固定されている。

本実施形態においては、２個の圧電セラミック素子４１ａ、４１ｂを有するので、圧電セラミック素子の加振力は２倍になる。このため、固定子４９を介して振動伝播させる弾性体の振動量を２倍にすることができる。この際、各圧電セラミック素子の電気結線を考慮し、同一方向に屈曲振動するようにすること、即ち同一位相で振動させることが必要である。圧電セラミック素子４１ａ、４１ｂの屈曲振動方向が相互に異なると、固定子４９において各圧電セラミック素子４１ａ、４１ｂの振動は、打ち消しあい、電子機器筐体などの弾性体に振動を伝播させることができない。また、圧電セラミック素子４１ａ、４１ｂと補強板４５との接合部には、振動時に過大なせん断力が発生し、接合部剥離等の欠陥が生じ、信頼性の低下が起こる。

なお、固定子４９の接合位置は、圧電セラミック素子の中央に限らず、図７に示すように、端部の基材４７ａ、４８ａに整合する位置に固定子４９を接合してもよい。この場合も、図６と同様の効果を奏する。

本発明においては、屈曲振動をする圧電セラミック素子を構成する部材は、特定のものに限定されるものではない。例えば、図１において、圧電セラミック素子は、圧電セラミック板２，４及び恒弾性体３により構成されている。しかし、図８に示すように、湿度によるセラミックの経年変化を防止するため、上部絶縁保護層５１と下部絶縁保護層５５との間に、圧電活性層５２，５４を配置し、更に、圧電活性層５２，５４間に、中間絶縁層５３を配置した構造の圧電セラミック素子を使用することもできる。この場合に、圧電活性層５２，５４は、分極処理を施されたものであり、電圧印加により伸縮して、素子屈曲振動の駆動部となるものである。また、中間絶縁層５３は、その上下に配置された圧電活性層５２，５４を電気的に分離するものである。この圧電セラミック素子は、全体を焼成して一体構造としたものである。この圧電セラミック素子も、上述のようにして、補強板を接合することにより、同様の効果を奏する。

また、図９に示すように、圧電セラミック素子６１と補強板６４とを接合するために、複数の部位で接着剤又は接合用基材６３ａ、６３ｂ、６３ｃを使用して接合する場合に、その接合部位の大きさ又は接合用基材６３ａ、６３ｂ、６３ｃの大きさ（特に、屈曲方向の幅）は、相互に異なるものとしてもよい。特に、固定子６４を圧電セラミック素子６１の中央に接合する場合には、この固定子６４の接合位置においては、圧電セラミック素子６１の屈曲振動量は小さいため、接合部位の幅又は接合用機材６３ｂの幅は、屈曲振動に与える影響が少ない。

また、図１０に示すように、圧電セラミック素子７１と補強板７２とを接合するために、固定子７４の近傍の１箇所にのみ、補強板接合用基材７３を設けることとしてもよい。この場合においても、機器落下時の衝撃応力は固定子７４の近傍に集中するため、補強板７２による圧電セラミック素子７１の破壊防止機能は、複数箇所による接合と同様の補強効果がある。

図１１（ａ）は携帯機器筐体７０の外観を示す斜視図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ線による断面図である。この携帯機器筐体７０内に、圧電セラミック素子７１と補強板７２とを補強板接合用基材７３ａ、７３ｂ、７３ｃにより接合して一体化した圧電セラミックアクチュエータが収納されており、この圧電セラミックアクチュエータの固定子７４が筐体７０の内面に接触するように設けられている。なお、筐体７０とは、携帯機器を構成する電子回路基板及び液晶ディスプレイ等の電子部品を保持するために設けられたものであり、液晶ディスプレイの保護のために設けられた透明プラスチック等のように、機器外観に現れる箱状構造物に対して機械的に接合された内部構成物も含む。

このように、本発明の圧電セラミックアクチュエータを振動源として具備する場合は、この圧電アクチュエータに交流電界を印加すると、圧電アクチュエータは屈曲振動をおこして、固定子７４を介して筐体７０に振動が伝播する。筐体７０の全体に、機械振動が励振され、筐体７０に接する空気を揺動させることにより、音響放射され、発音体として利用することができる。

次に、本発明の効果を実証するために行った試験結果について説明する。本発明の圧電セラミックアクチュエータの効果を説明するために、図１２に示す圧電セラミック素子８１を作製した。圧電セラミック板８２，８３用の材料として、ジルコン酸チタン酸鉛系ペロブスカイト化合物を用いた。圧電セラミック板８２，８３の作製にはセラミックコンデンサーなどの作製に用いられるグリーンシート法を適用した。

圧電セラミック板８２，８３は、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの寸法であり、１１００℃で、２時間、大気中で焼成をおこなった。圧電セラミック板の両主面にＡｇ電極を形成し、その後、分極処理を施した。恒弾性体８４として、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．１２ｍｍの寸法のリン青銅板を用意し、圧電セラミック板８２，８３にエポキシ系接着剤で接合した。この恒弾性体８４は、電極として使用され、振動に影響を及ぼさないため、電気結線を工夫すれば必ずしも必要ではない。更に、圧電セラミック板８２，８３及びリン青銅板からなる恒弾性体８４に、３本の電気リード端子８５ａ、８５ｂ、８５ｃを接続した。

次に、図１３（ａ）に示すように、従来例として、補強板８６の全面８７ａに接着剤を塗布したものを用意した。また、本発明の実施例として、図１３（ｂ）に示すように、補強板８６上の３箇所の独立した幅６ｍｍの部位８７ｂに、エポキシ接着剤を塗布したものと、図１３（ｃ）に示すように、幅６ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの補強板接合用基材８７ｃを、その両面にエポキシ接着剤を塗布して、補強板８６上の３箇所の部位に接合したものと、図１３（ｄ）に示すように、幅４ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの補強板接合用基材８７ｄを、その両面にエポキシ接着剤を塗布して、補強板８６上の５箇所の部位に接合したものとを用意した。この際、固定子の接合位置には、接合用基材を１個配置している。本実施例では、使用した接合用基材の厚さを０．１ｍｍとしたが、本発明は基材の厚さを限定するものでなく、携帯機器に搭載する際、圧電セラミックアクチュエータの所望の振動特性をもつ厚さ寸法に合わせ、適宜選択すれば良い。

次に、図１４に示すように、ＡＢＳ樹脂を用いて、長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１ｍｍの固定子８８を作製して、補強板８６の中央に配置し、圧電セラミック素子８１と、接合用基材８７ｃ等と、補強板８６と、固定子８８とを接合した。固定子８８の役割は圧電セラミック素子の振動を弾性体に伝播させるものである。本実施例では、固定子材料としてＡＢＳ樹脂を用いたが、固定子としては、その材料が限定されるものではない。

次に、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、電子機器の筐体をシミュレートする長さ９０ｍｍ、幅４５ｍｍ、厚さ２０ｍｍの擬似筐体９０を、肉厚２ｍｍのアクリル材料で作製した。その後、図１３（ａ）〜（ｄ）に示す４種類の補強板と、圧電セラミック素子及び固定子を設けた圧電セラミックアクチュエータを、固定子の底面中心位置を、擬似筐体９０の内面における長手方向一方の端部から２０ｍｍ、幅方向左端から２２ｍｍの位置に接合した。図１５（ａ）において、破線は圧電セラミックアクチュエータの配置位置を示す。

そして、各圧電セラミック素子に１Ｖｒｍｓ、５００Ｈｚの交流正弦波電圧を印加して、セラミック素子を振動させ、伝達される擬似筐体９０の表面中心部の実効的振動速度量を、レーザ振動系を用いて計測した。従来の圧電セラミック素子（図１３（ａ））を用いた際の擬似筐体の振動量を基準１として、その測定値の比を規格化振動速度とした。また、擬似筐体９０を２００ｃｍの高さから床面コンクリート上に落下させて、擬似筐体９０内の圧電セラミック素子の接合側外面に、衝撃力を与える落下試験を行った。その後、圧電セラミック素子に１Ｖｒｍｓ、５００Ｈｚの交流正弦波電圧を印加して、各圧電セラミック素子を振動させ、伝達されるアクリル板の中心部の実効的振動速度量を、レーザ振動系を用いて計測し、落下前の従来素子を用いた際の振動量を基準１として、その測定値比を規格化振動速度として、本発明の効果を評価した。その結果を下記表１に示す。

この表１に示すように、従来例である図１３（ａ）の場合と比較して、本発明の実施形態の圧電セラミックアクチュエータは、振動量が２．５倍以上に向上している。また、本実施形態の圧電セラミックアクチュエータは落下試験の前後での特性変化はない。落下試験後の外観検査においても、圧電セラミック素子の欠け、割れ及び接合部剥離等は観察されなかった。よって、本実施例により、本発明は、衝撃破壊を防止でき、振動量を大幅に向上できることが実証された。

本実施例では、補強板としてステンレス板を使用し、固定子をこの補強板の端部に固定したこと以外は、実施例１記載の圧電セラミック素子と同様の圧電セラミック素子を用いた。即ち、図１３の補強板８６として、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのステンレス板を用意した。従来例として、エポキシ接着剤を補強板全面に塗布したもの（図１３（ａ））と、幅６ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの基材の両面にエポキシ接着剤を塗布して、基材を補強板上面の３箇所に接合したもの（図１３（ｃ））との２種類の圧電セラミック素子を作製した。

次に、ＡＢＳ樹脂材料を用いて長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１ｍｍの固定子を作製して、圧電セラミック素子の端部に配置し、図１６に示すように各部品を接合した。

次に、図１７に示すように、長さ９０ｍｍ、幅４５ｍｍ、厚さ２０ｍｍの電子機器の擬似筐体９０を、肉厚２ｍｍのアクリル材料で作製した。その後、２種類の圧電セラミック素子を、固定子を介して、擬似筐体９０の内面における長手方向（屈曲方向）の一端部から２０ｍｍ、幅方向の左端から１０ｍｍの位置に接合した。

本発明の効果を定量化するため、各圧電セラミック素子に１Ｖｒｍｓ、５００Ｈｚの交流正弦波電圧を印加して、セラミック素子を振動させ、伝達されるアクリル板の中心部の実効的振動速度量を、レーザ振動系を用いて計測した。従来の図１３（ａ）の圧電素子を用いた際の振動量を基準として１として、その測定値比を規格振動速度とした。また、擬似筐体９０を２００ｃｍの高さから床面コンクリート上に落下させ、擬似筐体内面の圧電セラミック素子を接合した筐体外面に、衝撃力を与えた。その後、圧電セラミック素子に１Ｖｒｍｓ、５００Ｈｚの交流正弦波電圧を印加して、セラミック素子を振動させ、伝達されるアクリル板の中心部の実効的振動速度量を、レーザ振動系を用いて再度計測し、落下前の図１３（ａ）の圧電素子を用いた際の振動量を基準１として、その測定値比を規格化振動速度として、本発明の圧電セラミック素子の評価を行った。その結果を下記表２に示す。

その結果、従来例である図１３（ａ）のアクチュエータと比較し、本発明の圧電セラミックアクチュエータは、３．３倍に振動量が向上している。また、本発明のアクチュエータは落下試験前後での特性変化はない。落下試験後の外観検査をおこなったが、圧電セラミックの欠け、割れ、及び接合部剥離等は観察されなかった。本実施例により、本発明により、衝撃破壊を防止でき、振動量を大幅に向上できることが実証された。

次に、図１８及び図１９を参照して本発明の実施例３について説明する。本実施例では、図１２に示す実施例１の圧電セラミック素子を使用した。次に、補強板８６として、長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのステンレス板を用意した。図１８の場合（従来例）は、この補強板８６の表裏両面の全面８７ａにエポキシ樹脂を塗布して、１対の圧電セラミック素子８１を補強板８６の表裏両面に接合した。また、固定子８８を下方の圧電セラミック素子８１の下面に接合した。図１９の場合（本発明の実施例）は、補強板８６の表裏両面に夫々３個の接合用基材８７ｃ、８７ｃを接合した。この基材８７ｃの幅は６ｍｍ、厚さは０．１ｍｍである。この基材８７ｃの両面にエポキシ接着剤を塗布して、補強板８６に接合した。なお、図１４に示す圧電セラミック素子が１個のものも用意した。

固定子８８は、ＡＢＳ樹脂材料を用いて長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１ｍｍになるように作製した。この固定子８８を、圧電セラミック素子８１の下面中央に配置し、各部品を接合した。

次に、図１５に示すように、電子機器の擬似筐体９０（長さ９０ｍｍ、幅４５ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、肉厚２ｍｍのアクリル材料製）の内部に、上記３種類の圧電セラミック素子を、固定子８６を介して固定した。擬似筐体９０の内面における固定子８６の接合位置は、擬似筐体９０の一方の端部から２０ｍｍ、幅方向の左端から２２ｍｍの位置である。

そして、各圧電セラミック素子に１Ｖｒｍｓ、５００Ｈｚの交流正弦波電圧を印加して、セラミック素子を振動させ、伝達されるアクリル板の中心部の実効的振動速度量を、レーザ振動系を用いて計測した。この際、図１８及び図１９の２個の圧電セラミック素子が設けられているアクチュエータにおいては、各圧電セラミック素子に対し、互いに振動が同方向（同相）になるように電圧を印加した。そして、図１４の圧電セラミックアクチュエータを使用した場合の振動量を基準として１とし、その変化量を規格振動速度とした。また、擬似筐体を２００ｃｍの高さから床面コンクリート上に落下させ、擬似筐体の圧電セラミック素子を接合した接合面に、衝撃力を与えた。その後、圧電セラミック素子に１Ｖｒｍｓ、５００Ｈｚの交流正弦波電圧を印加して、セラミック素子を振動させ、伝達されるアクリル板の中心部の実効的振動速度量を、レーザ振動系を用いて計測し、落下前の図１４の圧電セラミック素子を使用した場合の振動量を基準１として、その測定値比を規格化振動速度として、本発明の圧電素子を評価した。その結果を下記表３に示す。

この表３に示すように、図１９のように２個の圧電セラミック素子を使用した場合は、図１４に示す１個の圧電セラミック素子を使用した場合に比して、２．２倍の振動量が得られる。これは、圧電セラミック素子を２個使用したため、加振力が２倍になったためである。しかし、圧電セラミック素子を２個使用しても、図１８のように、その全面に補強板を接合した場合は、図１４の場合に比して振動量が０．１に低下している。このことは、本発明の構成により、使用する圧電セラミック素子の数量に応じて、加振動力を十分発揮できることを示している。また、落下試験の前後での特性変化はない。落下試験後の外観検査をおこなったが、圧電セラミックの欠け、割れ、接合部剥離などは観察されなかった。よって、本実施例により、本発明は、衝撃破壊を防止でき、かつ、振動量を大幅に向上できることが実証された。

実施例１乃至実施例３においては、電子機器を模した擬似筐体により、本発明の効果を試験している。これに対し、本実施例では、携帯電子機器として携帯電話の実機を作製し、本発明の効果を試験した。

図２０は本発明の電子機器の例としての携帯電話の構造を示す。携帯電話の上部筐体１０１が長さ９０ｍｍ、幅４５ｍｍ、厚さ１５ｍｍ、下部筐体１０３が長さ９０ｍｍ、幅４５ｍｍ、厚さ１５ｍｍであり、上部筐体１０１と下部筐体１０３とを、肉厚２ｍｍのアクリル材料で作製した。上部筐体１０１と下部筐体１０３とは、ヒンジ機構１０５により折り畳み可能に連結されている。また、上部筐体１０１にはアンテナ１０２が取り付けられている。上部筐体１０１内には、液晶ディスプレイ１０８と、回路基板１０６と、圧電セラミック素子１０９とが収納されている。一方、下部筐体１０３内には、回路基板１０７と電池パック１０４とが収納されている。

この電子機器筐体に対し、実施例１に記載の図１３（ａ）〜（ｄ）の補強板を備えた圧電セラミック素子を使用し、ＡＢＳ樹脂による長さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１ｍｍの固定子を圧電セラミック素子の中央に配置し、図１４に示すように、各部品を接合した。

次に、固定子の中心位置を筐体の長さ方向の下側端面から２０ｍｍの位置に合わせ、圧電セラミック素子の長手方向が、筐体の幅方向と平行になるように、エポキシ接着剤で、筐体に接合した。なお、本発明の圧電セラミック素子の接続箇所は、電子機器筐体の特定の位置に限定されるものではなく、例えば、液晶ディスプレイ上又はディスプレイ保護材上等に設けても良い。

次に、本発明の効果を定量化するため、各圧電セラミック素子に１Ｖｒｍｓ、５００Ｈｚの交流正弦波電圧を印加して、セラミック素子を振動させ、伝達されるアクリル板の中心部の実効的振動速度量を、レーザ振動系を用いて計測した。図１３（ａ）の従来の圧電セラミック素子を使用した場合の振動量を基準として１とし、各圧電セラミック素子による弾性体の振動速度比を規格振動速度とした。

また、筐体を２００ｃｍの高さから床面コンクリート上に落下させ、筐体の圧電セラミック素子を接合した接合面に、衝撃力を与えた。その後、圧電セラミック素子に１Ｖｒｍｓ、５００Ｈｚの交流正弦波電圧を印加して、セラミック素子を振動させ、伝達されるアクリル板の中心部の実効的振動速度量を、レーザ振動系を用いて計測し、落下前の図１３（ａ）の従来の圧電セラミック素子を使用した場合の振動量を基準１とし、測定値比を規格化振動速度として、本発明の圧電セラミック素子を評価した。更に、落下試験後に、圧電素子の配置面筐体外側から１０ｃｍの距離にマイクロホンを配置し、上記の振動速度計測と同様に各圧電セラミック素子に１Ｖｒｍｓ、５００Ｈｚの交流正弦波電圧を印加して、音圧測定をおこなった。そして、図１３（ａ）の従来の圧電セラミック素子を使用した場合の音圧を１として、その測定値比を規格化音圧として表した。その結果を下記表４に示す。

表４に示すように、図１３（ａ）の従来例の場合と比較し、本発明の圧電セラミック素子は、２．３倍以上に振動量が向上している。また、落下試験の前後での特性変化はない。落下試験後の外観検査においては、圧電セラミックの欠け、割れ、接合部剥離等は観察されなかった。本実施例により、本発明は、衝撃破壊を防止でき、かつ、振動量を大幅に向上できることが実証された。また、振動量と同様の効果が音圧にも認められ、本発明の効果は振動源のみならず発音素子としても有効であり、本発明はその利用方法が格段に拡大する。従って、その工業的価値は多大である。

本発明は、携帯機器用の薄型及び高信頼性を有する機械的振動源として有益である。

Claims (14)

1. 電圧の印加により振動する圧電セラミック素子と、この圧電セラミック素子の全面に重ねられる補強材と、前記補強材に固定され前記圧電セラミック素子の振動を外部に伝達する固定子と、を有し、前記圧電セラミック素子と前記補強材とは１又は複数個の局部的な部位で接合されていることを特徴とする圧電セラミックアクチュエータ。
2. 前記圧電セラミック素子は、１対の圧電セラミック板と、この圧電セラミック板に挟まれた恒弾性体とを有することを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミックアクチュエータ。
3. 前記補強材は、一方の圧電セラミック板の全面に重ねられ、この圧電セラミック板と同一又はそれより大きな形状を有することを特徴とする請求項２に記載の圧電セラミックアクチュエータ。
4. 前記固定子は、前記圧電セラミック素子と前記補強材との接合部位に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電セラミックアクチュエータ。
5. 前記圧電セラミック素子と前記補強材とは接着剤により接合されていることを特徴する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電セラミックアクチュエータ。
6. 前記圧電セラミック素子と前記補強材との間に、接合材が塗布された有機樹脂基材を設けることにより、前記圧電セラミック素子と前記補強材とを接合することを特徴する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電セラミックアクチュエータ。
7. 電圧の印加により振動する１対の圧電セラミック素子と、これらの１対の圧電セラミック素子間に配置されその全面に重ねられる補強材と、一方の前記圧電セラミック素子に固定され前記圧電セラミック素子の信号を外部に伝達する固定子と、を有し、前記各圧電セラミック素子と前記補強材とは夫々１又は複数個の局部的な部位で接合されていることを特徴とする圧電セラミックアクチュエータ。
8. 前記各圧電セラミック素子は、１対の圧電セラミック板と、この圧電セラミック板に挟まれた恒弾性体とを有することを特徴とする請求項７に記載の圧電セラミックアクチュエータ。
9. 前記補強材は、両圧電セラミック素子の各一方の圧電セラミック板の全面に重ねられ、この圧電セラミック板と同一又はそれより大きな形状を有することを特徴とする請求項８に記載の圧電セラミックアクチュエータ。
10. 前記固定子は、それが固定された圧電セラミック素子と前記補強材との接合部位に配置されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の圧電セラミックアクチュエータ。
11. 前記圧電セラミック素子と前記補強材とは接着剤により接合されていることを特徴する請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の圧電セラミックアクチュエータ。
12. 前記圧電セラミック素子と前記補強材との間に、接合材が塗布された有機樹脂基材を設けることにより、前記圧電セラミック素子と前記補強材とを接合することを特徴する請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の圧電セラミックアクチュエータ。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の圧電セラミックアクチュエータを振動源にしたことを特徴とする携帯機器。
14. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の圧電セラミックアクチュエータを振動源にして、筐体の一部を振動させることにより発音させることを特徴とする携帯機器

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