JPWO2007083497A1 - 圧電アクチュエータおよび電子機器 - Google Patents

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Abstract

本発明の圧電アクチュエータ５０は、電界の状態に応じて伸縮運動する圧電素子１０と、一方の面に圧電素子１０が貼り付けられる台座２０と、圧電素子１０および台座２０を支持するための支持部材４５とを有し、圧電素子１０の伸縮運動に応じて、圧電素子１０および台座２０が上下に振動する。台座２０は、この台座２０よりも低剛性な振動膜３０を介して支持部材４５に接続されている。

Description

本発明は、圧電素子を用いて振動を発生させる圧電アクチュエータおよびそれを用いた電子機器に関する。
従来、スピーカなどの音響素子の駆動源として、その取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、永久磁石とボイスコイルとを有しており、磁石を用いたステータの磁気回路の作用により振動を生じるものである。また電磁式スピーカは、電磁式アクチュエータの振動部に固定された、有機フィルム等の低剛性な振動板が振動することにより音を発生するものである。
ところで近年、携帯電話機やパーソナルコンピュータの需要が増えており、これに伴って、小型かつ省電力のアクチュエータの需要が高まりつつある。しかしながら、電磁式アクチュエータは、動作時にボイスコイルに多くの電流を流す必要があることから、省電力性に問題があり、また、その構造上、小型薄型化にも不向きであった。加えて、電磁式アクチュエータでは、ボイスコイルからの漏洩磁束による弊害を防止するため、電子機器への適用に際しては電磁シールドを施す必要があり、この点からしても携帯電話機等の小型電子機器への使用には不向きである。さらに言えば、小型化に伴ってボイスコイルが細線化し、その結果、線材の抵抗値が増すことから、ボイスコイルが焼損する可能性もあった。
上述のような問題点に鑑み、電磁式アクチュエータに代わる薄型振動部品として、小型軽量、省電力、無漏洩磁束などの特徴を有する、圧電セラミックスなどの圧電素子を駆動源とした圧電アクチュエータが開発されている。圧電アクチュエータは、圧電素子の運動により機械的振動を発生させるものであり、例えば圧電セラミック素子（単に「圧電素子」ともいう）と台座とが接合された構造となっている。
圧電アクチュエータの基本的な構成について、図１、図２を参照して説明する。図１は、従来の圧電アクチュエータの構成を示す斜視図であり、図２は、図１の圧電アクチュエータの振動の態様を模式的に示す断面図である。
図１に示すように、圧電アクチュエータ５５０は、圧電セラミックスからなる圧電素子５１０と、それが固定される台座５２４と、台座５２４の外周部を支持する枠状の支持部材５２７とを有している。圧電素子５１０に交流電圧を印加すると、圧電素子５１０は伸縮運動を行う。図２に示すように、台座５２４はこの伸縮運動に応じて、凸型のモード（実線にて示す）に変形したり、凹型のモード（破線にて示す）に変形したりする。このようにして台座５２４は、接合部５２４ａを固定端とし、台座中央部を腹として、図示上下方向に振動することとなる。
ところで、圧電アクチュエータは小型薄型化には有利であるが、電磁式アクチュエータと比較して音響素子としての性能に劣るという一面がある。これは、圧電素子自体が高剛性であり、電磁式アクチュエータと比較して十分な平均振動振幅が得られないことに起因する。つまり、アクチュエータの振幅が小さければ、音響素子の音圧も小さくなってしまうためである。これに対して、特開昭６１−１６８９７１号公報および特開２０００−１４０７５９号公報には、アクチュエータの振動振幅を増大させるため、台座の外周部を比較的変形し易い梁で支持するようにした構成が開示されている。
また、特開２００１−１７９１７号公報には、同様の趣旨で、台座の周辺部に円周に沿ってスリットを入れ板バネを構成し、大きな振動振幅を得るようにした技術も開示されている。また、特開２００１−３３９７９１号公報には、湾曲型の支持部材を介して台座外周部と支持部材とを接合し、周波数特性をブロード化した技術が開示されている。
しかしながら、特開昭６１−１６８９７１号公報、特開２０００−１４０７５９号公報および特開２００１−１７９１７号公報に記載の圧電アクチュエータはそもそも、携帯電話機などに搭載されるバイブレータとして主に用いられるものであり、スピーカといった音響素子として音楽などを再生させることには一切考慮されていない。つまり、バイブレータを用途とした場合、単に特定の周波数においてのみ振幅を拡大されればいいが、スピーカとして使用する場合には、その周波数特性までを考える必要がある。すなわち、例えば１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚといった所望の周波数帯域において、所定レベル以上の音圧が得られるように構成する必要がある。
また、特開２００１−３３９７９１号公報は、圧電セラミックスを拘束する台座を、湾曲型の支持部材と接合させた構成で、圧電セラミックスの厚み方向と径方向の双方の方向で変位を発生させることを目的したものである。この湾曲型の支持部材によって、特性箇所の応力分散や減衰率の低減ができ、歪の低減や、周波数特性の帯域を広げることは可能であるが、径方向、厚み方向の双方向に振動が発生するため、音響放射方向への振動が減衰する。このため、所定レベルの音圧レベルを得られるように構成する必要がある。
このように音響素子としての周波数特性までを考えた場合、アクチュエータの振動振幅を単に増大させるだけでは不十分であり、振動の態様を、図６Ｂに示すようなピストン型に近づけることが望ましい（これについては後の説明で再度詳細に説明する）。
本発明の目的は、大きな振動振幅が得られ、かつ広い周波数帯域の音を再生することが可能な、圧電アクチュエータおよび電子機器を提供することにある。
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伸縮運動する圧電素子と、少なくとも一方の面に前記圧電素子が貼り付けられる台座と、前記圧電素子および前記台座を支持するための支持部材とを有し、前記圧電素子の前記伸縮運動に応じて、前記圧電素子および前記台座が前記圧電素子の厚み方向に振動する圧電アクチュエータにおいて、前記台座が、前記台座よりも低剛性な振動膜を介して前記支持部材に接続されていることを特徴とする。
このように構成された本発明の圧電アクチュエータでは、台座よりも低剛性な振動膜を介して台座が支持部材に接続されており、この、台座と支持部材との接続部（振動膜部分）が、台座の部分と比較して変形し易くなっていることから、振動振幅の向上が図られる。また、このように接続部（振動膜部分）が変形しやすいということは、この部分での振動が大きくなることを意味し、ひいては、従来の構成と比較して振動の態様をよりピストン型（電磁式アクチュエータと同様の振動態様）に近づけることが可能となる。さらには、落下時の衝撃が、台座と支持部材との間に介在する振動膜で吸収されるため、落下安定性が良好で、携帯機器などへの応用も可能となる。
なお、本発明の圧電アクチュエータは上述の通り振動膜を備えており、この振動膜を振動させることで音を発生させることができる。つまり、本発明の圧電アクチュエータは、追加の振動フィルム等を用いることなくそのまま音響素子として機能し得るものである。
上述したように、本発明の圧電アクチュエータによれば、圧電素子が貼り付けられる台座と支持部材とが、台座よりも低剛性な振動膜を介して接合していることから、大振幅な振動が得られ、かつ、これを音響素子として用いた場合には広い周波数帯域の音を再生することができるものとなる。
台座の外周部が支持部材に直接接続された、従来の圧電アクチュエータの構成を示す斜視図である。 図１の圧電アクチュエータの振動の態様を模式的に示す縦断面図である。 第１の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す分解斜視図である。 図３の圧電アクチュエータの縦断面図である。 圧電アクチュエータの動作原理を説明するための図である。 圧電アクチュエータの動作原理を説明するための図である。 圧電アクチュエータの屈曲型の振動態様を説明するための模式図である。 圧電アクチュエータの屈曲型のピストン型の振動態様を説明するための模式図である。 第２の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す模式図である。 片持ち梁構造の振動膜介在部を示す模式図である。 片持ち梁構造の振動膜介在部を示す模式図である。 振動膜介在部の撓み量を算出する圧電アクチュエータを示す模式図である。 第３の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す分解斜視図である。 第３の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 第４の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す平面図である。 第５の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す平面図である。 図１３の圧電アクチュエータに用いられる台座単体を示す平面図である。 第５の実施形態の圧電アクチュエータの他の構成例を示す平面図である。 第５の実施形態の圧電アクチュエータのさらに他の構成例を示す平面図である。 第６の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す平面図である。 第７の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 第８の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 単層の圧電素子に代えて利用可能な、多層構造の圧電素子について説明するための分解斜視図である。 平均振動速度振幅の測定点について説明するための図である。 実施例１の圧電アクチュエータの構成を示す平面図である。 実施例１の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 比較例１の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 実施例２の圧電アクチュエータの構成を示す平面図である。 実施例２の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 実施例３の圧電アクチュエータの構成を示す平面図である。 実施例３の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 実施例４の圧電アクチュエータの構成を示す平面図である。 実施例４の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 実施例５の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 実施例６の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 実施例７の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 実施例８の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 実施例１０の圧電アクチュエータの構成を示す平面図である。 実施例１１の圧電アクチュエータの構成を示す平面図である。 比較例２の圧電アクチュエータの構成を示す縦断面図である。 本発明に係る圧電アクチュエータを搭載した携帯電話機の一例を示す正面図である。 比較例４として用意された従来型の音響素子の構成を示す断面図である。 実施例１９の圧電アクチュエータを説明するための縦断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態の構成において、同一の構造部については同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
（第１の実施形態）
図３は、本実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す分解斜視図であり、図４は、図３の圧電アクチュエータの縦断面図である。
図３、図４に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ５０は、振動の駆動源となる圧電素子１０と、該圧電素子１０を支持する台座２０と、該台座２０を支持する振動膜３０とを有し、これらが順に積層された構成となっている。圧電素子１０、台座２０、および振動膜３０の輪郭形状はいずれも円形であり、これら３つの部材は同一中心となるように（同心円状に）配置されている。振動膜３０の外周部は、円形枠状に形成された支持部材４５に接続され、支持されるようになっている。
圧電素子１０は、より詳細には、互いに平行に対向する２つの主面１０ａ、１０ｂを有する圧電板（圧電セラミックス）からなり、圧電板の主面１０ａ、１０ｂのそれぞれに、上部電極層および下部電極層（いずれも不図示）が形成されている。圧電板の分極方向は特に限定されるものではないが、本実施形態では、図示上下方向（圧電素子の厚み方向）上向きとなっている。このように構成された圧電素子１０は、上部電極層および下部電極層に交流電圧が印加され交番的な電界が付与されると、その両主面１０ａ、１０ｂが同時に拡大または縮小するような、半径方向の伸縮運動（径拡がり運動）を行う。換言すれば、圧電素子１０は、主面が拡大するような第１の変形モードと、主面が縮小するような第２の変形モードとを繰り返すような運動を行う。
台座２０は、圧電素子１０の上記伸縮運動を図示上下方向の振動に変換する機能を有する。台座２０は、弾性体（伸縮性のある材料）で構成されその材質としては、金属材料（例えばアルミ合金、リンセイ銅、チタン、またはチタン合金）や、樹脂材料（例えばエポキシ、アクリル、ポリイミド、またはポリカーボネート）など、圧電素子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可能である。
台座２０の上面には、圧電素子１０の主面１０ｂ（下部電極層）が固定されるようになっており、これにより、台座２０が圧電素子１０を拘束することになる。図３では、台座２０のうち圧電素子１０が貼り付けられる領域が拘束部２０ａとして示され、それ以外の領域（拘束部２０ａを包囲する領域）が非拘束部２０ｂとして示されている。
振動膜３０は、圧電アクチュエータの振動振幅を増大させるための膜部材であり、台座２０よりも低剛性となっている。台座２０と振動膜３０の材質の組合せとしては、例えば、台座２０が金属材料で、振動膜３０が樹脂材料（例えばウレタン、ＰＥＴ、ポリエチレンなど）であってもよい。あるいは、台座２０と振動膜３０とを同じ材質とし、振動膜３０の膜厚を相対的に薄くすることにより、振動膜３０が相対的に低剛性化されていてもよい。なお、振動膜３０は、上記の他にも紙やポリエチレンテレフタラート等であってもよい。
振動膜３０の厚みは、樹脂材料の場合で例えば５μｍ以上５００μｍ以下であればよい。特に、振動膜３０が平らなシート材の場合、好ましくは３０μｍ以上１８０μｍ以下であってもよい。
ところで、圧電アクチュエータを音響素子として利用する場合、圧電アクチュエータの振動部（例えば台座２０等）に有機フィルム等を貼り付けて音が出るようにする構成が採られることが多い。これに対し、本実施形態では、振幅を大きくするために設けた振動膜３０が、そのまま振動フィルムとしても機能する。つまり、振動膜３０は、従来の音響素子における振動フィルムとしての機能だけではなく、アクチュエータの振動振幅を増大させる機能も併せ持つ。この点、梁を設けることで振幅の増大を図ろうとした従来の構成（例えば特開昭６１−１６８９７１号公報）と本発明に係る構成とは相違しており、本発明の構成によれば、振動膜が設けられていることからより大きな音圧が得られることとなる。もっとも、音響素子を構成するにあたっては、共振周波数が相互に異なる複数個の圧電アクチュエータに共通の振動フィルムを貼り付け、１つの音響素子としてもよい。これにより、音圧レベルが低かった帯域を互いに補完することが可能となり、より広範囲の周波数にわたり大きな音圧が得られる音響素子が実現される。
台座４５は、例えば、圧電アクチュエータの筐体を構成する部材であり、その材質は特に限定されるものではなく、樹脂材料であってもよいし金属材料であってもよい。なお、圧電素子１０と台座２０との接合、および、台座２０と振動膜３０との接合には、例えば、エポキシ系接着剤を利用可能である。接着剤層の厚みは特に限定されるものではないが、あまりに厚すぎると接着剤層に吸収される振動エネルギーが増大し十分な振動振幅が得られなくなる可能性もあるため、例えば２０μｍ以下であることが好ましい。
圧電アクチュエータ５０は、図４に示すように、圧電素子１０が台座２０の上面に固定されると共に、台座２０が振動膜３０を介して支持部材４５に支持される構成となっている。この点で、台座が支持部材に直接支持される従来の構成（図１参照）と相違している。本実施形態の構成によれば、このように振動膜３０を介して台座２０が支持される構成となっていることから、従来の構成と比較してより大きな振動振幅が得られ、しかも、振動の態様がピストン型（図６Ｂを参照して後述する）に近づくこととなる。以下、これについて、図５Ａ，５Ｂを参照し、圧電アクチュエータの振動の発生メカニズムと併せて説明する。
まず、圧電素子１０に電圧が印加されていない中立の状態（図４参照）から圧電素子に所定の電圧（電界）を印加すると、図５Ａの矢印ｐに示すように、圧電素子１０はその面積が広がる方向に変形する。ここで、圧電素子１０の下面（主面１０ｂ）は台座２０に拘束されているため、この拘束効果により、圧電素子１０の上面と下面との間に変形の量の差が生じ、その結果、図示するような凸型の変形モードとなる。この変形モードでは、圧電素子１０および台座２０、さらには台座２０を支持している振動膜３０が、図示上方に向かって凸となるような湾曲状態となっている。
続いて、圧電素子に上記とは逆の電界を印加すると、図５Ｂの矢印ｑに示すように、今度は圧電素子１０がその面積が減少する方向に変形する。台座２０による拘束効果により、圧電素子１０の上面と下面との間に変形量の差が生じ、その結果、図示するような凹型の変形モードとなる。この変形モードでは、上述とは逆に、圧電素子、台座、および振動膜が、図示下方に向かって凸となるような湾曲状態となっている。
本実施形態の圧電アクチュエータ５０は、上述のような凸型の変形モードと凹型の変形モードを交互に繰り返すことで、圧電素子１０、拘束部材２０、および振動膜３０が上下方向に振動する。本実施形態のアクチュエータと従来のアクチュエータ（図１参照）とを対比すると、圧電素子１０の運動が台座２０に伝達され、上下方向の振動が励起させられている点で両者は共通している。しかしながら、構成について見ると、本実施形態のアクチュエータは振動膜３０を介して台座２０（及び圧電素子１０）が支持されるようになっており、この点で両者は相違しており、この相違により下記のような作用効果が得られることとなる。
すなわち、振動膜３０は、台座２０に比べて相対的に低剛性な部材で構成されていることから、より変形しやすいものとなっている。したがって本実施形態によれば、台座２０の外周部が支持部材４５に直接支持される従来の構成に比べて、より大きな振動振幅が得られるようになる。また、本実施形態の構成において、振動膜３０（図４参照）は、水平方向に延在するように（すなわち圧電素子１０の主面と平行となるように）設けられている。したがって、振動膜３０を追加したことによるアクチュエータ全体の大型化という問題も生じにくい。
また、本実施形態では、円形の圧電素子１０を使用している。円形の圧電素子１０が径拡がり運動する際のエネルギー効率は、矩形素子と比較して高いため、同じ電圧を印加した場合、本構成の方がより大きな駆動力が得られることとなる。そして、このような大きな駆動力が振動膜に伝搬することで、圧電アクチュエータの振動量が増加する。また、円形素子の場合、その中心から周縁部までの距離が均一であることから、梁に振動を伝搬する際に生じる応力が均等に分散され、エネルギー効率が高まり、振幅が増大するという利点もある。また、圧電素子１０、台座２０、および振動膜３０が同心円状の配置となっていることから、振動のうねり等も発生しにくいものとなっている。
次に、圧電アクチュエータの振動の態様と周波数特性との関係について説明する。圧電アクチュエータを音響素子として利用すること自体は、上述した特開昭６１−１６８９７１号公報、特開２０００−１４０７５９号公報および特開２００１−１７９１７号公報等にも開示されているところである。しかしながら、これらの公報における音響素子とは、ブザーやバイブレータを意図している。バイブレータとしてのみ用いるのであれば、単に音圧を向上させるだけでよいが、スピーカとして用いる場合には、その周波数特性までを考慮して圧電アクチュエータの振動の態様を考える必要がある。
図６Ａは、図１、図２に示したような従来の圧電アクチュエータの振動の態様を示したものであり、図６Ｂは、電磁式アクチュエータ（例えば後述する図３５参照）の振動の態様を示したものである。図６Ａに示すように、従来の圧電アクチュエータでは、中央の振幅が最大となるような屈曲型の振動態様となっている。これに対し、電磁式アクチュエータでは、一例として符号Ａ20で示す中央領域がほぼ平坦な状態を保ったまま、この中央領域Ａ20が図示上下方向に往復移動するようなピストン型の振動態様となっている。音響素子としての周波数特性を良好にするためには、振動の態様を少しでもピストン型に近づけることが望ましいことが知られている。
次に、屈曲型運動とピストン型運動の特徴について説明する。従来の圧電アクチュエータで発生する屈曲型運動の振動姿態は、圧電セラミックスの中心部が最大変位屈曲点になる山形であり、中心部では大振幅を得られるものの、固定端部近傍に近づくほど、変位は相対的に減衰していく。これに対して、図６Ｂに示したようにピストン運動の振動姿態は固定端部近傍に最大変曲点６０を有する台形型で、固定端部近傍での振動が大きく立ち上がる特徴を持つ。これらの２つの振動姿態における振動変位量を比較すると、音響放射面内の最大振動量は屈曲型運動の方が、ピストン型運動に比べ優位であるが、音響放射面内の平均振動量は、固定端部での変位量が大きく、ピストン型運動の方が屈曲型運動に比べ優位となる。
なお、通常、音圧は放射面への体積排除量で定義されることから、平均振動量が大きい方が高く、音圧レベル向上には、ピストン型の振動姿態を促進させることが好ましい。なお、ピストン型運動と屈曲型運動は、平均変位量と最大変位量との割合で定義することができ、（平均振動量）／（最大振動量）（詳細は実施例評価５で説明）で示される式で１に近づくほど、ピストン型姿態が促進されたことになる。
本実施形態に構成によれば、図４に示すように、台座２０が貼り付けられた領域がＡ20に対応する領域となっており、その外側が、見かけ上、領域Ａ20よりも低剛性な（すなわちより変形しやすい）接続部領域Ａ30となっている。このため、この接続部領域Ａ30が相対的に大きな変形を示すこととなるため、全体としての振動の態様をピストン型により近づけることが可能となる。さらに、台座が貼り付けられる領域の周辺部である領域Ａ30が低剛性な部材で構成されているということは、台座２０を直に支持部材に接続した従来の構成と比較して、振動板（台座と振動膜との積層体を指す）の共振周波数が低くなることを意味する。そして、共振周波数が下がるということは、下記の通り、音響素子の周波数特性の改善につながる。
音響素子においては、通常、共振周波数ｆ0以下の周波数で、かつ十分な大きさの音を出すのは比較的困難とされており、そのため、共振周波数ｆ0以降の周波数帯のみを再生可能な音として利用する構成が採られることが多い。具体的には、圧電アクチュエータの共振周波数ｆ0が高周波数帯域（例えば２ｋＨｚ）にあるような場合、極単に言えば、音響素子は２ｋＨｚ以上の帯域の音しか発生できないこととなる。
他方、携帯電話機等で音楽を再生する場合に必要な周波数帯域は１ｋ〜１０ｋＨｚであることが好ましい。よって、共振周波数ｆ0が１ｋＨｚ以下である圧電アクチュエータは携帯電話機等に好適であり、特に、本実施形態のような小型化にも有利なアクチュエータであればその利用価値は非常に高いものとなる。ところが、圧電アクチュエータでは、圧電素子として剛性の高いセラミックを使用しているため振動部の共振周波数高くなり、低音を出しにくいという性質があった。なお、素子サイズを大きくすることにより、圧電素子の見かけ上の剛性を低減させ共振周波数を下げることも考えられる。しかし、既述の通り、圧電アクチュエータは例えば携帯電話機など小型の電子機器に搭載されることも多いことから、機器の大型化を防止する観点からしても、素子サイズを変えることなく低音を出やすくするように構成することが好ましい。
以上をまとめると、携帯電話機等において、より広い周波数帯域で音楽を再生するためには、圧電アクチュエータの共振周波数ｆ0をより低いところに設定することが重要であるといえる。そして、共振周波数ｆ0をより低くするためには、振動板の剛性を下げることが有効である。
本実施形態の構成によれば、台座２０と支持部材４５とを接続する部材が、台座よりも低剛性な振動膜３０であることから、従来の構成と比較して共振周波数が低減する。その結果、本実施形態の圧電アクチュエータは、広い周波数帯域で十分な振動振幅を得ることができるものとなり、音響素子として用いた場合、良好な周波数特性を実現することが可能となる。
本実施形態の圧電アクチュエータは、上記の他にも、下記のような利点を持つ。まず、圧電アクチュエータの振動特性は、台座２０の材料特性、形状、および振動膜３０の材料特性、形状を適宜変化させることによって容易に調整可能である。特に、台座の形状や、振動膜厚みの調整は、筐体のサイズ（支持部材のサイズ）を変えることなく行うことができるため、支持部材を共通部品として用いることができ、製造コストの低減にも有利である。
また、従来、圧電アクチュエータの共振周波数を下げるためには、圧電素子を薄くして対応することもあったが、本発明によれば比較的厚い圧電素子を用いたとしても、振動膜の材質および、支持部材と拘束部材との間隔を調整するだけで共振周波数を下げることが可能である。一般に、薄い圧電素子を製造するには焼成時に割れなど生じて比較的コストがかかる。これに対して、本発明によればそのような薄い圧電素子を用意する必要がないため、製造コストを抑えることが可能となる。
本発明に係る圧電アクチュエータは、電子機器（例えば、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、小型ゲーム機器など）の音源としても利用可能である。ところで従来、圧電素子としてセラミックスを用いる圧電アクチュエータにおいては、落下させた際に圧電素子が破損しやすいという一面があった。他方、上述のような携帯型の電子機器は、使用時にユーザが誤って機器を落下させてしまうことも多く、このことから、従来、圧電アクチュエータは携帯型の機器には適していないと考えられてきた。しかしながら、本発明の圧電アクチュエータでは、圧電素子が固定された台座２０と支持部材４５が、剛性の低い振動膜３０を介して支持されているため、仮に落下した場合であっても、その衝撃が振動膜３０の減衰効により吸収され、圧電素子の破損が生じにくいものとなっている。したがって、携帯型の電子機器に対しても好適に利用することが可能である。
（第２実施形態）
本発明の圧電アクチュエータは、台座の外周部と支持部材の内周部との間の振動膜介在部Ａの撓み量δ（ｍ）は下記のように算出できる。なお、台座の外周部と支持部材の内径部との間の振動膜介在部Ａは、図７に示すように、振動膜介在部Ａ(３０ａ)は、台座２０の外周部２０ｃと、支持部材４５の内周部４５ａとの間に位置している振動膜で構成される介在部位であり、この振動膜介在部Ａの撓み量δ（ｍ）は、下記算出式（１）から算出される。
本発明における振動膜介在部Ａの撓み量δの算出方法について以下に説明する。下記算出式（１）は、図８に示すような振動膜介在部Ａを方持ち梁構造とした式であり、ここでの方持ち構造は図８に示すように、振動膜介在部Ａの一方の端は支持部材４５に連結することで固定端８２を形成し、他方の端は自由端８３である構造である。そして、この自由端８３の先端部に、規定された荷重Ｗを加えることで、撓み量δを算出することができる。
また、算出式（１）において、Ｌは圧電素子１０の径方向に対する振動膜介在部Ａの長さ、ｈは振動膜の厚み、Ｅは振動膜の材料の縦弾性係数である（図９参照）。そして、本実施形態では、荷重Ｗを１Ｎ(Ｎ/ｍ２)とし、梁状の振動膜介在部Ａの幅ｂを０．００１ｍとして計算した。
なお、本来、本発明の圧電アクチュエータの形状における振動膜介在部Ａの撓み量δの算出は、図１１Ａ，１１Ｂを参照して後述するような開口部を有するドーナツ状をなす平面形状を考慮して行うが、算出式（１）では、厚み、振動膜の材料の縦弾性係数、振動膜介在部Ａの長さＬの変化が累乗で影響を与えるのに対して、平面面積による影響が小さく、平面形状が矩形形状でも近似が可能であり、本実施形態では幅ｂが０．００１（ｍ）の長方形形状として、撓み量δを算出した。
δ ＝ （Ｗ・Ｌ３）／（３・Ｅ・Ｉ） ・・・（式１）
Ｌ：台座の外周部と支持部材の内周部との間の振動膜介在部の長さ（ｍ）
Ｅ：振動膜の材料の縦弾性係数（Ｎ／ｍ２）
Ｗ：荷重（Ｎ）
Ｉ：慣性モーメント（ｍ４）
Ｉ ＝ （ｂ・ｈ３）／１２ ・・・（式２）
ｂ：振動膜介在部の幅（ｍ）＝０．００１
ｈ：振動膜の厚み（ｍ）
以下に例として、図１０に示す形状における振動膜介在部Ａの撓み量δを算出する。振動膜介在部Ａの長さＬが０．００１ｍ（１ｍｍ）、振動膜の縦弾性係数（材質：ウレタン）が４．０×１０８（Ｎ／ｍ２）、振動膜の厚みｈが８×１０−５（ｍ）（８０μｍ）、規定値である幅ｂが０．００１ｍ（１ｍｍ）、規定値である荷重Ｗが１（Ｎ）をそれぞれ代入して算出すれば、撓み量δは０．０１９５（ｍ）となる。
本実施形態の圧電アクチュエータでは、撓み量δ（ｍ）を０．００１〜５の範囲になるように選択することで、ピストン型の振動姿態を得ることができる。振動の節になる振動膜介在部Ａの撓み量δが所定の範囲内になるように調整することで、振動を発生する際に、バネ外周部と振動膜との接合部（２０ｃ）、もしくはバネ台座部（２０）に応力が集中し、最大変曲点位置となる（図６Ｂ参照）。
このように最大変曲点が固定端部近傍に形成されることで、ピストン型の振動姿態が促進される。一方、撓み量δが０．００１よりも小さい場合は、応力が支持部材４５の外周部、圧電セラミックス中心部に集中するため、セラミックス中心部が最大変曲点になり、屈曲型の振動姿態が発生する。また、撓み量δが５よりも大きい場合は、振動が発生の際に、台座２０周辺部に応力が集中するものの、振動膜の剛性が低いために、振動膜に伝播された発生量が減衰し、充分な振動変位量が得られなく、その振動姿態は圧電セラミック近傍部のみで屈曲運動を生じる自由端型屈曲運動となる。
上述のように、振動膜介在部Ａの撓み量δを所定の範囲に調整することとで、ピストン型の運動姿態が促進され、従来にある山形の運動姿態を有する圧電アクチュエータと比較して、音響放射面内の平均振動量が高いため、音圧レベルが高く、音響素子用圧電アクチュエータとして実現することが可能となる。
（第３の実施形態）
本発明の圧電アクチュエータは、上記実施形態に示したものに限らず、図１１Ａ，１１Ｂに示すような構成であってもよい。図１１Ａは第２の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す分解斜視図であり、図１１Ｂは圧電アクチュエータの縦断面図である。
図１１Ａ，１１Ｂの圧電アクチュエータ５１では、中央に開口部３１ａが形成された振動膜３１が使用されている。その他の構成については第１の実施形態と同様である。開口部３１ａは円形であり、圧電素子１０や台座２０と同一中心となるように形成されている。開口部３１ａが形成されていることにより、台座２０は、その裏面（図示下面）の外周付近のみが振動膜３１により支持されることとなる。別な言い方をすれば、台座２０の裏面は、開口部３１ａに対応する領域が露出した状態となっている。
上述のように構成された本実施形態の圧電アクチュエータ５１であっても、圧電素子１０を駆動源として上記実施形態と同様に振動動作を行う。ここで、台座２０はその外周部のみが支持される構成となっており、開口部３１ａのところでは振動膜３１による拘束を受けないため、台座２０が更に屈曲変形し易くなり、ひいてはアクチュエータの振動振幅が更に増大することとなる。また、このように振動板（台座と振動膜との積層体を指す）の見かけ上の剛性が低下するということは、アクチュエータの共振周波数が低下することを意味し、音響素子の周波数特性が改善される点で好ましい。
上述のような、開口部３１ａによる作用効果に鑑みれば、開口部３１ａの面積が大きくなるにしたがって、台座２０がより屈曲変形し易くなり、ひいてはアクチュエータの共振周波数も低減すると言える。なお、開口部３１ａの形状は、円形に限らず矩形または多角形であってもよい。また、上記実施形態のように１つの開口部だけでなく、複数の開口部が設けられていてもよい。
（第４の実施形態）
本発明の圧電アクチュエータは、上記実施形態に示したものに限らず図１２に示すような構成であってもよい。図１２に示す圧電アクチュエータ５２では、正方形に形成された圧電素子１１が使用されている。その他の構成については第１の実施形態と同様である。圧電素子１１は、第１の実施形態の圧電素子１０の輪郭形状のみを変更したものであり、その材質や基本的構造については第１の実施形態と同様である。例えば、圧電板の上下面にそれぞれ上部電極層と下部電極層とが形成されている点については、上記実施形態と同様である。
このように、本発明では圧電素子の輪郭形状は特に限定されるものではなく、円形であってもよいし（図３参照）、矩形であってもよい(図１２参照)。さらには、楕円形や多角形であってもよい。特に、正方形の素子は、円形の圧電素子と同様に対称性が高いため、伸縮運動（径拡がり運動）する際のエネルギー効率が高く、長方形の素子に比べ大きな駆動力が得られることとなる。そしてこのような大きな駆動力により、十分な振動振幅が得られることとなる。また、矩形素子の場合、円形素子と比較して歩留まりがよく、また、作製するのも容易であることから製造コストの点で有利である。
（第５の実施形態）
本発明の圧電アクチュエータは、さらに、上記実施形態に示したものに限らず図１３、図１４に示すような構成であってもよい。図１３は、第４の実施形態の圧電アクチュエータの構成を示す平面図であり、図１４は、圧電アクチュエータに用いられる台座単体を示す平面図である。
図１３、図１４に示すように、圧電アクチュエータ５３Ａでは、台座２１Ａの外周側に複数の梁２１ａが形成されている。その他の構成については第１の実施形態と同様である。梁２１ａは、円形の輪郭を有する本体部２１ｂの外周縁に複数本形成されている。梁２１ａはいずれも同形状であり、本体部２１ｂの中心から半径方向外側に向かって放射状に延在している。
台座２１Ａは、梁２１ａと本体部２１ｂとが一体となった単一部材であり、また、図示は省略するが、梁２１ａは本体部２１ｂと同一面内にまっすぐに延在している。台座２１Ａの材質は第１の実施形態のものと同一であり、また、本体部２１ｂの輪郭形状は圧電素子１０の輪郭形状と同じである。本体部２１ｂの上面には、圧電素子１０の下部電極層が接合され、これにより、圧電素子１０が台座２１Ａにより拘束されることとなる。
梁２１ａの本数は特に限定されるものではない。図１５に示す圧電アクチュエータ５３Ｂでは４本の梁２１ａが形成され、図１６に示すアクチュエータ５３Ｃでは１２本の梁２１ａが形成されている。いずれの圧電アクチュエータ５３Ａ〜５３Ｃにおいても、梁２１ａは等間隔（周方向に関して梁同士の間隔が同じであることを意図する）で形成されている。また、各梁２１ａは、図１４等に示すように梁幅Ｗ21が一定であってもよいし、あるいは、梁の先端に向かって梁幅Ｗ21が徐々に狭まるような先細り形であってもよい。
再び図１３、図１４を参照する。上述のように梁２１ａが形成された台座２１Ａは、振動膜３０の表面に、第１の実施形態と同様に接着剤を介して接合される。この状態では、梁２１ａの先端が支持部材４５の内周面に接しないようになっている（つまり、梁２１ａの先端と支持部材の内周面との間には所定の間隔があけられている）。
上述したような、梁２１ａを備えた圧電アクチュエータ５３Ａ〜５３Ｃであっても、その動作原理は第１の実施形態と同様である。すなわち、圧電素子１０の上部電極層および下部電極層に交流電界を印加すると圧電素子１０は伸縮運動を行う。電界の向きに応じて圧電素子１０による伸縮運動が交番的に繰り返され、台座２１Ａの拘束効果により、振動が励起される。この際、本体部２１ｂが上下方向に振動し、その動きが複数の梁２１ａに伝達される。梁２１ａは、その先端が支持部材４５に直接接続されるのではなく、振動膜３０を介した状態で接続されているため、第１の実施形態と同じように振動膜３０による振動増幅効果が期待される。
特に、梁２１ａ付近の領域では、破線２１ｂ’に示す円を外径とするような、梁が形成されていない台座と比較して、台座２１Ａの見かけ上の剛性が低下している。よって、台座外周部がより変形し易くなると共に、振動膜の振動をより誘起することができるため、圧電アクチュエータの振動振幅がより増大することとなる。本実施形態のアクチュエータでは、梁の変形が相対的に大きく、圧電体支持部の変形は相対的に小さいため、図６Ａに示したような振動態様ではなく、図６Ｂに示すようなピストン型の振動態様を得やすい。このため、圧電体に大きな変形や歪を与えることなく、圧電素子を上下方向に大きく往復運動させることができる。
なお、上記構成において、梁２１ａと本体部２１ｂとを別部材として設けることも可能であり、さらには、これら２つの部材２１ａ、２１ｂは同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。また、１枚のシート状部材から台座２１Ａを形成する場合、プレス加工による打抜きを行ってもよい。
（第６の実施形態）
本発明の圧電アクチュエータは、さらに、上記実施形態に示したものに限らず図１７に示すような構成であってもよい。なお、図１７では、圧電素子１０の図示は省略されている。図１７に示す圧電アクチュエータ５４では、正方形の支持部材４６が使用され、また、これに合わせて振動膜３２もの輪郭形状も矩形とされている。その他の構成については第１の実施形態と同様である。
このように振動膜３２が矩形であったとしても、台座２０が振動膜３２を介して支持部材４６に接続されていることによる本発明による作用効果は上記と同様にして得ることができる。矩形の振動膜３２を用いることにより、次のような理由から、圧電アクチュエータを配置するため面積を有効に利用できるようになる。例えば、図１７の破線で示すような円形の振動膜３０と、本実施形態の振動膜３２とを考える。振動膜３０、３２のサイズは、振動膜３０の輪郭が振動膜３２の輪郭に内接するような関係にある。
圧電アクチュエータを電子機器等に配置する場合、通常、電子機器側の配置スペースとしては矩形領域が確保されていることが多い。この場合、振動膜３０を有するような輪郭が円形のアクチュエータを利用しようが、あるいは、振動膜３２を有するような輪郭が矩形のアクチュエータを利用しようが、電子機器側に必要な配置スペースはほぼ同じである。
この点に鑑みれば、同じ配置スペースを使用する２つの圧電アクチュエータのうち、振動膜３２の面積をより広くすることが可能な本実施形態の圧電アクチュエータ５４の方が、より高い音圧レベルを実現し得る点で有利である。なお、矩形の振動膜３２と円形の振動膜３０とを比較すると、振動膜３２の方が、網掛け部として示す領域３２ａの４つ分、振動膜の面積が広くなっており、この増分に対応した音圧レベルの向上が期待される。
（第７の実施形態）
本発明の圧電アクチュエータは、上記実施形態に示したものに限らず図１８に示すような構成であってもよい。図１８に示す圧電アクチュエータ５５では、湾曲部３３ｂを備えた振動膜３３が使用されている。その他の構成については第１の実施形態と同様である。
振動膜３３は、台座２０の裏面を支持する平坦な中央部３３ａと、該中央部３３ａの外側に形成された湾曲部３３ｂとを有している。図示は省略するが、上面側から見た中央部３３ａの輪郭形状は円形であり、湾曲部３３ｂの輪郭形状は、該中央部３３ａと同心のドーナツ状となっている。
このように湾曲部３３ｂが形成されていることにより、接続部領域Ａ３０における振動膜のストークが長尺化し、これにより振動膜が低剛性化する。その結果、振動膜が更に変形し易くなり、共振周波数が低減すると共に、更に大きな振動振幅が得られるようになる。
上述した「湾曲部」とは、振動膜の一部を立体的に湾曲させた構造部を意図するものである。したがって、「湾曲部」には、図１８に示すような断面半円状の湾曲部３３ｂの他にも、例えば、波形形状が連続するような断面の構造部も含まれる。
なお、第３〜第６の実施形態では、開口部が形成されていない振動膜３０、３２、３３が使用されていたが、これに限定されるものではない。例えば、振動膜３２、３３（図１７、１８参照）に、第２の実施形態で説明したような開口部が形成されていてもよい。また、当然ながら、各実施形態（下記第７の実施形態も含み）の構成同士を適宜組み合わせることも可能である。
（第８の実施形態）
以上、圧電素子１０が台座の一方の面に固定された構成を例に挙げて説明してきたが、本発明の圧電アクチュエータはそれに限定されるものではない。図１９に示すような、バイモルフ型の圧電素子１１を搭載した構成とすることも可能である。
バイモルフ型圧電素子１１は、第１の実施形態同様の台座２０の両面に、圧電素子１１Ａおよび圧電素子１１Ｂがそれぞれ貼り付けられたものである。このように構成された圧電素子１１は、一方の圧電素子１１Ａが伸びると他方の圧電素子１１Ｂが縮み、他方の圧電素子１１Ｂが伸びると一方の圧電素子が縮むといった動作を交番的に行うものである。このような構成によれば、上述したような１枚型の圧電素子と比較して大きな駆動力を得ることが可能となる。
バイモルフ型の圧電素子１１においては、圧電素子１１Ａ、１１Ｂが、一方が伸び他方が縮むような動作を行うものであれば（要するに、互いに逆の動作を行うような２枚の素子からなるものであれば）、各圧電素子の分極方向は特に限定されるものではない。例えば、両方の圧電素子の分極方向がいずれも同一方向（例えば図示上向き）に揃っていてもよい。
なお、バイモルフ型の素子を利用する場合、図１９に示すように、開口部が形成された振動膜３１’を用いるようにしてもよい。あるいは、開口部がない振動膜３０を用い、振動膜を介在させた状態で、圧電素子１１Ｂを圧電素子１１Ａの反対側に貼り付けるようにしてもよい（これについては後述する〔実施例５〕参照）。
圧電素子についてさらに言えば、圧電素子はそれ自体が積層構造になっているものであってもよい。これについて図２０を参照して説明する。図２０に示す圧電素子１２は、圧電材料からなる圧電板１３ａ〜１３ｅが５層に積層された多層構造である。圧電板同士の間には電極層（導体層）１４ａ〜１４ｄが一層ずつ形成されている。各圧電板１３ａ〜１３ｅの分極方向は一層ごとに逆向きとなっており、また、電界の向きも交互に逆向きとなるように構成されている。このような積層構造の圧電素子１２によれば、電極層間に生じる電界強度が高いため、圧電板の積層数に応じた分だけ、圧電素子全体としての駆動力が向上したものとなっている。図２０に示す圧電素子１２は、例えば図３に示した圧電素子１０の代わりとして利用することができる。
本発明の圧電アクチュエータの特性評価を下記実施例、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Ｖｍａｘ（図６Ａ，６Ｂを参照）を測定した。
（評価３）平均振動速度振幅：図２１に示すように、圧電素子の長手方向に均一に分割された測定点２０点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）振動膜介在部の撓み量δの算出。下記式より、撓み量δを算出した。なお、下記の式中、荷重は１Ｎ(Ｎ/ｍ２)、幅ｂを０．００１ｍ（式２）に規定して計算する（計算方法の詳細は第２の実施形態を参照）。
δ ＝ （Ｗ・Ｌ３）/（３・Ｅ・Ｉ） ・・・（式１）
Ｌ：台座の外周部と支持部材の内周部との間の振動膜介在部の長さ（ｍ）
Ｅ：振動膜の材料の縦弾性係数（Ｎ／ｍ２）
Ｗ：荷重（Ｎ）
Ｉ：慣性モーメント（ｍ４）
慣性モーメント(Ｉ)
Ｉ ＝ （ｂ・ｈ３）／１２ ・・・（式２）
ｂ：振動膜介在部の幅（ｍ）＝０．００１
ｈ：振動膜の厚み（ｍ）
（評価５）振動形態：図６Ａ，６Ｂに示すように、「振動速度比」を平均振動速度振幅Ｖｍ／最大速度振幅Ｖｍａｘと定義し、この振動速度比の値に基いて振動の形態を判別した。すなわち、振動速度比が小さいときには図６Ａに示すような屈曲運動（山型運動）となり、振動速度比が大きいときには図６Ｂに示すような往復運動(ピストン型運動)となることから、本実施例では、そのしきい値を振動速度比＝０．８として、振動速度比が０．８未満のときには屈曲運動、０．８以上のときにはピストン型運動であると判別した。
（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、素子から所定距離だけ離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。なお、この所定距離は、特に明記しない限り１０ｃｍである。
（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。その結果、音圧レベル差
（試験前の音圧レベルと試験後の音圧レベルとの差のことを指す）が３ｄＢ以内を○とし、３ｄＢ以上を×とした。
なお、以下に説明する各実施例に係る圧電アクチュエータの構造（形状・材質等）、および評価結果については表１〜表２に示す。
Figure 2007083497
Figure 2007083497
 （実施例１）
実施例１として、図２２Ａ，２２Ｂに示すような、台座上面に圧電素子１０が貼り付けられた第１の実施形態（図３、図４も参照）の圧電アクチュエータ５０を作製した。本質的な相違ではないが、本実施例では、振動膜３０が支持部材４５の下面に貼付けられた構成となっている。
各部の具体的な構成は以下の通りである。
圧電素子１０ ：外径＝φ１６ｍｍ、厚み＝５０μｍ（０．０５ｍｍ）の圧電板の両面に、それぞれ厚み８μｍの上部電極層および下部電極層を形成した。
台座２０ ：外径＝φ１８ｍｍ、厚み＝３０μｍ（０．０３ｍｍ）のリン青銅を使用した。
振動膜３０ ：外径＝φ２２ｍｍ、厚み＝８０μｍのウレタン製の膜を使用した。
支持部材４５ ：外径＝φ２２ｍｍ、枠抜き取り部内径＝φ２１ｍｍ、厚み＝１．５ｍｍのＳＵＳ３０４を使用した。
圧電素子１０、台座２０、振動膜３０、および支持部材４５は同心円状の配置とした。圧電板には、ジルコン酸チタン酸鉛系セラミックを用い、電極層には銀／パラジウム合金（重量比７０％：３０％）を使用した。この圧電素子の製造はグリーンシート法で行い、大気中で１１００℃−２時間にわたって焼成し、その後、圧電材料層に分極処理を施した。圧電素子１０と台座２０の接着、台座２０と振動膜３０との接着、および支持部材４５と振動膜３０との接着は、いずれもエポキシ系接着剤を用いて行った。
〔結果〕
共振周波数 ：８９８Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：２７５ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８１
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８２ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述の結果から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が１ｋＨｚ以下と低く、さらに、振動振幅が大きく、ピストン型の振動姿態をとることが実証された。また、圧電アクチュエータの厚み（支持部材４５の厚み）は１．５ｍｍ程度であり、十分な薄型化がなされていた。
なお、本実施例では、圧電素子の厚みｔ10＝５０μｍであり、台座の厚みｔ20＝３０μｍであり、その比率はｔ20／ｔ10＝０．６となっている。ただし、これに限定されるものではなく、本発明の圧電アクチュエータにおいて、この比率ｔ20／ｔ10は０．２以上２．０未満（０．２≦ｔ20／ｔ10＜２．０）であってもよい。一例として、厚み５０μｍの圧電素子に対して、台座厚みが１００μｍであってもよい。
（比較例１）
比較例１として、図２３に示すような、台座外周部が支持部材に直接接合された従来の圧電アクチュエータを作製した。この圧電アクチュエータ５５０は図１に示したものと同様の構成を有する。なお、圧電素子５１０、台座５２０、および支持部材５４５は、上記実施例１の圧電素子１０、台座２０、および支持部材４５と同一の材質で構成されている。
各部の具体的な構成は下記の通りである。圧電素子５１０ ：実施例１の圧電素子１０と同じ
台座５２０ ：外径＝φ２１ｍｍ（厚み・材質は、実施例１の台座２０と同じ）
支持部材５４５ ：実施例１の支持部材４５と同じ
圧電素子５１０、台座５２０、および支持部材５３０は同心円状の配置とした。
〔結果〕
共振周波数 ：１４１８Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：４７ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．３１
振動姿態 ：屈曲型
落下衝撃安定 ：×
（実施例２）
実施例２として、図２４Ａ，２４Ｂに示すような、第２の実施形態型（図１１Ａ，１１Ｂも参照）の圧電アクチュエータ５１を作製した。本実施例の圧電アクチュエータ５１は、振動膜３１に開口部３１ａが形成されている。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例１と同じ
台座２０ ：実施例１と同じ
振動膜３１ ：外径＝φ２１ｍｍ、内径（開口部径）＝φ１７ｍｍ（厚み・材質は、実施例１の振動膜３０と同じ）
支持部材４５ ：実施例１と同じ
開口部３１ａは、振動膜３１の中心に形成した。
〔結果〕
共振周波数 ：８４７Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：２９５ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８４
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８４ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が実施例１よりもさらに低減し、また、振動振幅も大きいことが実証された。
（実施例３）
実施例３として、図２５Ａ，２５Ｂに示すような、第４の実施形態型（図１３も参照）の圧電アクチュエータを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ５３Ａは、台座２１Ａに８本の梁２１ａを設けたものである。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例１と同じ
台座２１Ａ ：厚み・材質は、実施例１の台座２０と同じ
梁２１ａ ：放射状かつ等間隔で８本／各梁２１ａは梁幅２ｍｍ（一定幅）、長さ１ｍｍ
本体部２１ｂ：外径＝φ１８ｍｍ
振動膜３０ ：実施例１と同じ
支持部材４５ ：実施例１と同じ
〔結果〕
共振周波数 ：８１２Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：３４８ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８２
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８５ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が実施例１よりもさらに低減し、また、振動振幅も大きいことが実証された。
（実施例４）
実施例４として、図２６Ａ，２６Ｂに示すような圧電アクチュエータを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ５３Ｄは、上記実施例３の変形例として構成したものであり、振動膜３０に代えて、開口部３１ａが形成された振動膜３１を備えている。その他の構成は第３の実施例と同じである。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例１と同じ（実施例３と同じ）
台座２１Ａ ：実施例３と同じ
振動膜３１ ：外径＝φ２２ｍｍ、内径（開口部径）＝φ１５ｍｍ、（厚み・材質は、実施例１の振動膜３０と同じ）
支持部材４５ ：実施例１と同じ
開口部３１ａは、振動膜３１の中心に形成した。
〔結果〕
共振周波数 ：８０９Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：３６７ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８１
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８６ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が実施例３よりもさらに低減し、また、振動振幅も大きいことが実証された。
（実施例５）
実施例５として、図２７に示すようなバイモルフ型の圧電アクチュエータ５６Ｃを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ５６Ｃは、実施例１の圧電アクチュエータ５０（図２２Ａ，２２Ｂ参照）の振動膜３０の裏面に、追加の圧電素子１０Ｂを配すことでバイモルフ型としたものである。つまり、圧電素子１０Ｂは、図示するように振動膜３０を介在させた状態で台座２０の下面側に取り付けられている。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０Ａ ：実施例１の圧電素子１０と同じ
圧電素子１０Ｂ ：基本的な構成は圧電素子１０と同じ（ただし、圧電素子１０Ａとは逆の動作をするように構成されている。）
台座２０ ：実施例１と同じ
振動膜３０ ：実施例１と同じ
支持部材４５ ：実施例１と同じ
〔結果〕
共振周波数 ：９２７Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：４６８ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８７
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８８ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が低く、振動振幅が実施例１よりも大きいことが実証された。
（実施例６）
実施例６として、図２８に示すような、第７の実施形態型（図１９も参照）の圧電アクチュエータを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ５６Ａでは、振動膜に開口部が形成されており、台座２０の両面に圧電素子１１Ａ、１１Ｂが直接貼り付けられている。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１１Ａ ：実施例１の圧電素子１０と同じ
圧電素子１１Ｂ ：基本的な構成は圧電素子１０と同じ（ただし、圧電素子１１Ａとは逆の動作をするように構成されている。）
台座２０ ：実施例１と同じ
振動膜３１ ：実施例２と同じ（開口部が形成されている）
支持部材４５ ：実施例１と同じ
〔結果〕
共振周波数 ：９０１Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：４８７ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８６
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８８ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が低く、振動振幅が実施例１より大きいことが実証された。
（実施例７）
実施例７として、図２９に示すような圧電アクチュエータ５６Ｂを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ５６Ｂは、上記実施例６の圧電アクチュエータ５６Ａの台座を、梁を備えたものに変更したものである。詳細には、実施例４（図２６Ａ，２６Ｂ参照）に示したアクチュエータ５３Ｄの、台座２１Ａ裏面に追加の圧電素子１１Ｂを貼り付けて圧電素子１１’を構成したものである。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１１Ａ ：実施例１の圧電素子１０と同じ
圧電素子１１Ｂ ：基本的な構成は圧電素子１０と同じ（ただし、圧電素子１１Ａとは逆の動作をするように構成されている。）
台座２１Ａ ：実施例４と同じ
振動膜３１ ：実施例４と同じ
支持部材４５ ：実施例１と同じ
〔結果〕
共振周波数 ：９０５Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：５０２ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８３
振動姿態 ：ピストン型運動
音圧レベル ：８９ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が低く、振動振幅が実施例１より大きいことが実証された。
（実施例８）
実施例８として、図３０に示すような第６の実施形態型（図１８も参照）の圧電アクチュエータを作製した。本実施形態の圧電アクチュエータ５５は、実施例１の圧電アクチュエータの振動膜形状を変更したものである。すなわち、台座外周部と支持部材内周部との隙間に湾曲部３３ｂを設けたものである。その他の構成は実施例１の圧電アクチュエータと同一である。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例１と同じ
台座２０ ：実施例１と同じ
振動膜３３ ：外径＝φ２１ｍｍ、枠内抜き取り部内径＝φ１７ｍｍ（厚み・材質は、実施例１の膜３０と同じ）
湾曲部３３ｂ：曲率半径ｒ＝６ｍｍ
支持部材４５ ：実施例１と同じ
〔結果〕
共振周波数 ：８８６Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：５１７ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８１
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：９０ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が実施例１よりもさらに低減し、また、振動振幅も大きいことが実証された。
（実施例９）
実施例９として、次のような圧電アクチュエータを作製した（不図示）。この圧電アクチュエータは、実施例１の圧電アクチュエータ５０の台座２０のサイズを小型化したものである（図示は省略するが、区別のためこれを「台座２０’」と呼ぶ）。その他の構成は実施１の圧電アクチュエータと同一である。台座が小型化したことにより、支持部材と拘束部材との間の隙間距離は実施例１と比較して長くなっている。
各部の具体的な構成は下記の通りである。なお、構成については図２２Ａ，２２Ｂを参照。
圧電素子１０ ：実施例１と同じ
台座２０’ ：外径＝φ１６ｍｍ（２ｍｍ減少）、（厚み・材質は実施例１と同じ）
振動膜３０ ：実施例１と同じ
支持部材４５ ：実施例１と同じ
〔結果〕
共振周波数 ：８５２Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：２９１ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８４
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８３ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例のように、支持部材と拘束部材との間の隙間距離を変化させることで共振周波数の調整が可能であり、また、共振周波数が実施例１よりもさらに低減し、振動振幅も大きいことが実証された。
（実施例１０）
実施例１０として、図３１に示すような圧電アクチュエータを作製した。本実施例の圧電アクチュエータ５３Ｂは、実施例３の台座における梁数を変更（８本→４本）したものである。その他の構成は実施例３の圧電アクチュエータと同一である。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例３と同じ
台座 ：厚み・材質は、実施例３の台座と同じ
梁２１ａ ：放射状かつ等間隔で４本（梁自体の形状は実施例３と同じ）
本体部２１ｂ：実施例３と同じ
振動膜３０ ：実施例1と同じ
支持部材４５ ：実施例１と同じ
〔結果〕
共振周波数 ：７８４Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：３５２ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８２
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８５ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が低く、また、振動振幅も大きいことが実証された。
（実施例１１）
実施例１１として、図３２に示すような圧電アクチュエータを作製した。本実施形態の圧電アクチュエータ５３Ｃは、上記実施例同様、実施例３の台座における梁数を変更（８本→１２本）したものである。その他の構成は実施例３の圧電アクチュエータと同一である。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例３と同じ
台座 ：厚み・材質は、実施例３の台座と同じ
梁２１ａ ：放射状かつ等間隔で１２本（梁自体の形状は実施例３と同じ）
本体部２１ｂ：実施例３と同じ
振動膜３０ ：実施例1と同じ
支持部材４５ ：実施例１と同じ
〔結果〕
共振周波数 ：８５３Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：３２１ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８１
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８４ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、共振周波数が低く、また、振動振幅も大きいことが実証された。
（実施例１２）
実施例１２として、次のような圧電アクチュエータを作製した（不図示）。この圧電アクチュエータは、実施例１の圧電アクチュエータ５０の振動膜の材質を変更（ウレタン→ＰＥＴ）したものである。その他の構成は実施例１の圧電アクチュエータと同一である。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例１と同じ
台座２０ ：実施例１と同じ
振動膜３１ ：形状は実施例１と同じ。厚み＝５０μｍのＰＥＴを使用。
支持部材４５ ：実施例１と同じ
〔結果〕
共振周波数 ：９１２Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：３４１ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８０
振動姿態 ：ピストン型運動
音圧レベル ：８３ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、実施例１と同様に共振周波数が低く、また、振動振幅も大きいことが実証された。
（実施例１３）
実施例１３として、次のような圧電アクチュエータを作製した（不図示）。この圧電アクチュエータは、実施例１の圧電アクチュエータ５０の台座２０の材質を変更し、かつ、振動膜３０にＰＥＴ膜を使用したものである。その他の構成は実施例１の圧電アクチュエータと同一である。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例１と同じ
台座２０ ：形状は実施例１と同じ。厚み＝４０μｍの４２アロイを使用した。
振動膜３０ ：厚み＝５０μｍのＰＥＴを使用した。
支持部材４５ ：実施例１と同じ
〔結果〕
共振周波数 ：８７１Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：２８１ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８２
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８２ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、実施例１と同様に共振周波数が低く、また、振動振幅も大きいことが実証された。
（比較例２）
比較例２として、図３３に示されるような圧電アクチュエータ５５０’を作製した。この圧電アクチュエータは、比較例１（図２３参照）のアクチュエータの台座５２０裏面に振動膜５３０（実施例１の膜３０と同じ）を貼り付けたものである。よって、振動膜５３０以外の構成は比較例１と全く同じである。
〔結果〕
共振周波数 ：１４９８Ｈｚ
音圧レベル ：６５ｄＢ
次に、音響素子を携帯電話機に搭載した例について、実施例１４〜１６および比較例３を参照して説明する。
（実施例１４：携帯電話１）
実施例１４として、図３４に示すような携帯電話機７０を用意し、この筐体内に実施例１（図２２Ａ，２２Ｂ参照）の圧電アクチュエータ５０を搭載した。具体的には、携帯電話機のスピーカ部７１の筐体内側面に、圧電アクチュエータ５０を貼り付ける構成とした。
（評価）：素子から１０ｃｍ離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。また、落下衝撃試験も行なった。
〔結果〕
共振周波数 ：７９５Ｈｚ
音圧レベル ：８２ｄＢ
周波数特性 ：平潤な特性を示した
落下衝撃試験 ：５回落下後においても圧電素子の割れは見られず、試験後、音圧レベルを測定したところ８４ｄＢであった。
（実施例１５：携帯電話２）
実施例１５として、上記実施形態同様、携帯電話機７０内に実施例３（図２５Ａ，２５Ｂ参照）の圧電アクチュエータ５３Ａを搭載した。評価については上記実施形態と同様である。
〔結果〕
共振周波数 ：８５５Ｈｚ
音圧レベル ：８４ｄＢ
周波数特性 ：平潤な特性を示した
落下衝撃試験 ：５回落下後においても圧電素子の割れは見られず、試験後、音圧レベルを測定したところ８４ｄＢであった。
（比較例３：携帯電話３）
比較例３として、上記実施形態と同様に、携帯電話機７０内に比較例２（図３３参照）の圧電アクチュエータ５５０’を搭載した。
（評価）：素子から１０ｃｍ離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。また、落下衝撃試験も行なった。
〔結果〕
共振周波数 ：１５２０Ｈｚ
音圧レベル ：６６ｄＢ
周波数特性 ：凹凸の激しい特性を示した
落下衝撃試験 ：２回落下後において圧電素子の割れが見られ、この時点で音圧レベルを測定したところ５０ｄＢ以下であった。
（比較例４：電磁式アクチュエータ）
比較例４として、図３５に示すような電磁式の音響素子を作製した。図３５に示す音響素子は、永久磁石１９１と、ボイスコイル１９３と、振動板１９２とを有し、電気端子１９４を通じてボイスコイルに電流を流すことで磁力が発生し、発生した磁力により、振動板１９２に吸引と反発とを繰り返させて音を発生するものである。なお、この音響素子の外形形状は、外形＝φ２０ｍｍの円形であり、厚み＝４．０ｍｍである。
（評価）：このように構成された音響素子に対し、素子から３０ｃｍ離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。
〔結果〕
共振周波数＝８１０Ｈｚ
音圧レベル＝８３ｄＢ
（実施例１６：ＰＣ）
実施例１６として、実施例１の圧電アクチュエータを搭載したノート型パーソナルコンピュータ（不図示）を作製した。具体的には、携帯電話の場合と同じように、パーソナルコンピュータの筐体内側面に、圧電アクチュエータ５０を貼り付ける構成とした。
（評価）：素子から３０ｃｍ離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。また、落下衝撃試験も行なった。
〔結果〕
共振周波数 ：８１６Ｈｚ
音圧レベル ：８１ｄＢ
落下衝撃試験 ：５回落下後においても圧電素子の割れは見られず、試験後、音圧レベルを測定したところ８９ｄＢであった。
(実施例１７）
実施例１７として、次に示すような圧電アクチュエータを作製した。この圧電アクチュエータは、実施例１の圧電アクチュエータ５０を小型したものである。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：外径＝φ１２ｍｍ（４ｍｍ減少）、厚み・材質は実施例１と同じ。
台座２０ ：外径＝φ１４ｍｍ（４ｍｍ減少）、厚み・材質は実施例１と同じ。
振動膜３０ ：外径＝φ１８ｍｍ（４ｍｍ減少）、厚み・材質は実施例１と同じ。
支持部材４５ ：外径＝φ１８ｍｍ（４ｍｍ減少）、内径φ１６ｍｍ、厚み・材質は実施例１と同じ。
〔結果〕
共振周波数 ：８４１Ｈｚ
最大振動速度振幅 ：３１２ｍｍ／ｓ
振動速度比 ：０．８２
振動姿態 ：ピストン型
音圧レベル ：８３ｄＢ
落下衝撃安定 ：○
上述から明らかなように、本実施例の圧電アクチュエータによれば、実施例１と同様に共振周波数が低く、また、振動振幅も大きいことが実証された。
（まとめ）
実施例１〜１３の圧電アクチュエータを用いた音響素子は、比較例４（電磁式アクチュエータ）の周波数特性に近い周波数特性を示していた。一方、比較例３の従来型の圧電アクチュエータでは、周波数特性のグラフに激しい凹凸が見られた。この点からしても、本発明によれば音響素子の周波数特性が改善されることが実証された。特に、本実施例では、いずれもその共振周波数ｆ0が比較例の共振周波数ｆ0よりも低くなっており、このことから、本発明に係る音響素子の周波数帯域が拡大したことが実証された。また、携帯電話に実装した実施例１４、１５では、比較例３と比べて、共振周波数が低く、その音圧レベルの向上も図られていた。
（実施例１８：フィルム膜厚依存性の検証）
以上、実施例１〜実施例１７として各部材の形状および材質を変更するなどして、本発明による作用効果を検証してきたが、ここからは、圧電素子１０、台座２０、及び振動膜３０につき、そのうちの１つ部材の形状のみを段階的に変更していった際の結果について説明する。まず、実施例１８として、圧電素子１０および台座２０の厚みを固定したまま、振動膜（フィルム）３０の厚みのみを種々変更した。なお、振動膜３０以外の構造部については実施例１と同じであり、また評価条件も実施例１と同じである。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例１と同じ（厚み＝５０μｍの圧電板の両面に、それぞれ厚み８μｍの上部電極層および下部電極層を形成）
台座２０ ：実施例１と同じ（厚み＝３０μｍ）
振動膜３０ ：実施例１と同様にウレタンを使用し、厚みを３０μｍ〜２００μｍまで種々変更した。
支持部材４５ ：実施例１と同じ
振動膜３０の厚みを変更したときの、共振周波数ｆ0および音圧レベルの結果を表３に示す。
Figure 2007083497
 表３の結果から分かるように、例えば、（ａ）低音域での再生を優先して、共振周波数が約１ｋＨｚ（１０１５Ｈｚを含む）以下のアクチュエータを構成する場合には、表中のＮｏ．Ａ-１〜Ａ-４に示すような条件を利用すればよい。振動膜厚みｔ30と台座厚みｔ20との比率を基準として示すと下記のようになる。
すなわち、３０μｍに固定された台座厚みｔ20に対してフィルムの厚みｔ30が１１０μｍ以下（３０μｍ〜１１０μｍ）であればよく、これを言い換えれば、（振動膜厚みｔ30／（台座厚みｔ20）の値が、１１０μｍ／３０μｍ＝３．６７以下であればよいということになる。
あるいは、（ｂ）音圧を優先して、音圧レベルが８０ｄＢ以上のアクチュエータを構成する場合、Ｎｏ．Ａ-２〜Ａ-５に示すような条件を利用すればよい。振動膜厚みｔ30と台座厚みｔ20との比率を基準として示すならば、（振動膜厚みｔ30）／（台座厚みｔ20）の値が、２．０〜５．３３の範囲内であればよい。
更には、（ｃ）上記ａ、ｂの組合せとして、共振周波数が約１ｋＨｚ以下で、かつ、音圧レベルが音圧レベルが８０ｄＢ以上のアクチュエータを構成する場合、Ｎｏ．Ａ-２〜Ａ-４に示すような条件を利用すればよい。すなわち、（振動膜厚みｔ30）／（台座厚みｔ20）の値が、２．０〜３．６７の範囲内であればよい。
（実施例１９：輪郭形状依存性の検証）
次に、実施例１９として、振動膜３０の輪郭形状を固定したまま、円形の台座２０の外径のみを種々変更した場合について検証する。本実施例では、台座２０の輪郭形状のみを変更し、台座２０以外の構造部については実施例１と同じであり、また評価条件も実施例１と同じである。図３６に示すように、圧電素子１０の外周部と台座２０の外周部との間の距離をＸ２、台座２０の外周部とフィルム３０の外周部（支持部材４５の内周部に同じ）との間の距離をＸ１とする。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例１と同じ（外径＝φ１６ｍｍ）
台座２０ ：距離Ｘ１が０．２５ｍｍ〜２．０ｍｍとなるように、外径を変更した。
振動膜３０ ：実施例１と同じ（外径＝φ２１ｍｍ）
支持部材４５ ：実施例１と同じ
台座２０の輪郭形状を変更していったときの、共振周波数ｆ0および音圧レベルの結果を表４に示す。
Figure 2007083497
 表４の結果から分かるように、例えば、（ａ）低音域での再生を優先して、共振周波数が約１ｋＨｚ（１００１Ｈｚを含む）以下のアクチュエータを構成する場合には、表中のＮｏ．Ｂ−３〜Ｂ−８に示すような条件を利用すればよい。（ｂ）また、音圧レベルを優先し、８０ｄＢ以上のアクチュエータを構成したい場合には、表中のＮｏ．Ｂ−２〜Ｂ−７に示すような条件を利用すればよい。
（実施例２０：振動膜部撓み量の検証実験）
実施例２０として、振動膜介在部Ａの撓み量と音響特性との関係について検証する。下記実施例２０ａ〜２０ｃにおいて、振動膜材質、振動膜介在部Ａの長さ、振動膜厚みを変更し、振動膜介在部Ａの撓み量と運動姿態との関係を検証した。
（実施例２０ａ）
実施例２０ａは、振動膜材質のみを変更し、振動膜材質以外については実施例２と同じであり、評価条件も実施例２と同じである。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例２と同じ（外径＝φ１６ｍｍ）
台座２０ ：実施例２と同じ
振動膜３１ ：４．０ｘ１０８〜１３．０ｘ１０１０（Ｎ／ｍ２）の範囲あるヤング率を有する材質に変更した。
振動膜形状は実施例２と同じ
支持部材４５ ：実施例２と同じ
振動膜時材質を変更したときの撓み量と振動姿態と関係、共振周波数Ｆ0および音圧レベルの結果を表５に示す。
Figure 2007083497
 （実施例２０ｂ）
実施例２０ｂは、支持部材４５、円形の台座２０の外径を変更し、振動膜介在部Ａの長さＬを変更した。本実施例では、振動介在部Ａの長さＬを変更し、台座２０、振動３０以外の構造部については実施例２と同じであり、また評価条件も実施例２と同じである。図３６に示すように、圧電素子１０の外周部と台座２０の外周部との間の距離Ｘ２を調整し、振動膜介在部Ａの長さＬを変更した。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例２と同じ（外径＝φ１６ｍｍ）
台座２０ ：振動膜介在部Ａが０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍとなるように、外径を変更した。
振動膜３１ ：振動膜介在部Ａの長さがが０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍに変更した。
支持部材４５ ：実施例２と同じ
振動膜介在部Ａの長さＬを変更したときの撓み量δと振動姿態、共振周波数ｆ0および音圧レベルの結果を表６に示す。
Figure 2007083497
 （実施例２０ｃ）
本実施例２０ｃでは、振動膜の厚みのみを変更した。本実施例では、振動膜の厚みだけを変更し、振動膜以外の構造部については実施例２と同じであり、また評価条件も実施例２と同じである。
各部の具体的な構成は下記の通りである。
圧電素子１０ ：実施例２と同じ（外径＝φ１６ｍｍ）
台座２０ ：実施例２と同じ（外径＝φ１８ｍｍ）
振動膜３１ ：厚み５μｍ〜１ｍｍとなるように振動膜の厚みを変更した。実施例２と同じ（外径＝φ２１ｍｍ）
支持部材４５ ：実施例２と同じ
振動膜の厚みを変更したときの撓み量と振動姿態、共振周波数ｆ0および音圧レベルの結果を表７に示す。
Figure 2007083497
 表５の結果から分かるように、圧電アクチュエータの振動姿態をピストン運動型にするには、振動膜介在部Ａの撓み量δを０．００１６以下に調整すればよく、例えば、（ａ）低音域での再生を優先して、共振周波数が約１ｋＨｚ（１００１Ｈｚを含む）以下のアクチュエータを構成する場合には、表中のＮｏ．Ｃ−１〜Ｃ−３に示すような条件を利用すればよい。（ｂ）また、音圧レベルを優先し、８０ｄＢ以上のアクチュエータを構成したい場合には、表中のＮｏ．Ｃ−１〜Ｃ−７に示すような条件にすればよい。
上述のように本発明に係る圧電アクチュエータでは、振動膜介在部Ａの撓み量δを調整することで、運動姿態をピストン型に調整することができ、良好な音響特性を実現することが可能である。さらに、撓み量δの調整によって、共振周波数および音圧レベルを所望の値に調整することが可能である。
表６の結果から分かるように、圧電アクチュエータの振動姿態をピストン運動型にするには、振動膜介在部Ａの撓み量δを０．００２５以下に調整すればよく、例えば、（ａ）低音域での再生を優先して、共振周波数が約１ｋＨｚ（１００１Ｈｚを含む）以下のアクチュエータを構成する場合には、表中のＮｏ．Ｄ−５〜Ｄ−６に示すような条件を利用すればよい。（ｂ）また、音圧レベルを優先し、８０ｄＢ以上のアクチュエータを構成したい場合には、表中のＮｏ．Ｄ−３〜Ｄ−６に示すような条件にすればよい。
表７の結果から分かるように、例えば、（ａ）低音域での再生を優先して、共振周波数が約１ｋＨｚ（１００１Ｈｚを含む）以下のアクチュエータを構成する場合には、表中のＮｏ．Ｅ−３〜Ｅ−７に示すような条件を利用すればよい。（ｂ）また、音圧レベルを優先し、８０ｄＢ以上のアクチュエータを構成したい場合には、表中のＮｏ．Ｅ−３〜Ｂ−９に示すような条件を利用すればよい。
上記表５〜７の結果をまとめると、振動膜介在部Ａの撓み量δを所定の値０．００１〜５の範囲に調整することで振動姿態をピストン型にすることができ、音圧レベルが高く良好な音響特性を得ることができる。また、撓み量δの調整によって、共振周波数を調整することができる。このように、振動膜の厚み、振動膜介在部Ａの長さＬ、振動膜の材質によって、撓み量δを制御することで、共振周波数、音圧特性を調整できるということは、音響設計を容易に行うことが可能であることを意味し、利用価値は高い。

Claims (16)

  1. 電界の状態に応じて伸縮運動する圧電素子と、少なくとも一方の面に前記圧電素子が貼り付けられる台座と、前記圧電素子および前記台座を支持するための支持部材とを有し、前記圧電素子の前記伸縮運動に応じて、前記圧電素子および前記台座が前記圧電素子の厚み方向に振動する圧電アクチュエータにおいて、
    前記台座が、前記台座よりも低剛性な振動膜を介して前記支持部材に接続されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 前記台座は、前記圧電素子が貼り付けられる領域である拘束部と、該拘束部を包囲する領域である非拘束部とを備える、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  3. 前記振動膜のうち、前記台座が配置される領域の少なくとも一部に開口部が形成されている、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  4. 前記支持部材の内周部と前記台座外周部との間に振動膜介在部が形成され、
    前記振動膜介在部Ａの、下記式1で算出される撓み量δが０．００１から５の範囲にある、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
    δ＝（Ｗ・Ｌ３）/（３・Ｅ・Ｉ） ・・・（式１）
    但し、Ｌ：前記振動膜介在部の長さ（ｍ）、Ｅ：前記振動膜の材料の縦弾性係数（Ｎ／ｍ２）、Ｗ：荷重（Ｎ）、Ｉ：慣性モーメント（ｍ４）。
    前記慣性モーメントＩは下記式２で算出される。
    Ｉ＝（ｂ・ｈ３）／１２ ・・・（式２）
    但し、ｂ：前記振動膜介在部の幅＝０．００１（ｍ）、ｈ：前記振動膜の厚み（ｍ）。
  5. 前記台座の外周部には、前記圧電素子が貼り付けられる面と平行な面内で外側に向かって延びる梁が複数形成されている、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  6. 前記複数の梁が互いに等間隔に配置されている、請求の範囲４に記載の圧電アクチュエータ。
  7. 前記振動膜の、前記台座が配置される領域の周辺部に、該振動膜を前記厚み方向に立体的に湾曲させた湾曲部が形成されている、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  8. 前記振動膜は樹脂材料であって、ウレタン、ＰＥＴ、およびポリエチレンフィルムのうちのいずれかである、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  9. 前記振動膜は、前記台座よりも弾性率が小さい材質からなる、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  10. バイモルフ型素子を構成するため、前記圧電素子とは別の圧電素子をさらに有する、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  11. 前記圧電素子は、圧電材料層と電極層とが交互に積層された積層型構造である、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  12. 前記圧電素子および前記台座の輪郭形状がいずれも円形である、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  13. 前記圧電素子の輪郭形状が正方形である、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  14. 前記振動膜の輪郭形状が矩形である、請求の範囲１に記載の圧電アクチュエータ。
  15. 前記振動膜の輪郭形状も円形であり、前記圧電素子、前記台座、および前記振動膜が同心円状に配置されている、請求の範囲１２に記載の圧電アクチュエータ。
  16. 請求の範囲１から１５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを音響素子として備えた電子機器。
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