WO2011093028A1 - 圧電型エキサイタ - Google Patents

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WO2011093028A1
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piezoelectric element
substrate
piezoelectric
holding
guide
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PCT/JP2011/000208
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充宏 増田
直宏 藤浪
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スター精密株式会社
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    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
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    • H10N30/2042Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H04R7/02Diaphragms for electromechanical transducers; Cones characterised by the construction
    • H04R7/04Plane diaphragms
    • H04R7/045Plane diaphragms using the distributed mode principle, i.e. whereby the acoustic radiation is emanated from uniformly distributed free bending wave vibration induced in a stiff panel and not from pistonic motion

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric exciter suitable as an audio / vibration generating device such as a panel speaker.
  • a piezoelectric element is attached to one or both sides of a substrate made of a metal plate (also referred to as a shim) to form a beam, and this beam is held by a resin-made holding portion (also referred to as a stub).
  • a piezoelectric exciter is known in which a beam bends and vibrates when supplied with power. This piezoelectric exciter is used with its holding portion fixed to a device such as a panel speaker. Sound is generated when the vibration of the beam is transmitted to the device through the holding portion.
  • Some of these piezoelectric exciters have a piezoelectric element attached to one side or both sides of a substrate in close contact with an adhesive or the like. Power is supplied from the input terminal to the surface electrode of the piezoelectric element.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a piezoelectric exciter that can suppress fluctuations in resonance frequency and vibration force and can prevent damage to the piezoelectric element. With the goal.
  • a piezoelectric exciter includes a plate-shaped substrate, a holding portion that holds one end of the substrate, a piezoelectric element that is provided on one or both surfaces of the substrate, and the piezoelectric element. And an input terminal that is connected to the electrode unit and supplies electric power from the outside to the piezoelectric element, and is provided in the holding unit, from both sides of the holding unit in the longitudinal direction of the substrate.
  • a guide portion is formed so as to extend a predetermined length and to hold both end portions of the substrate.
  • a space corresponding to the guide length is formed between the end surface of the holding portion and the tip of the guide portion, and the piezoelectric element end portion is attached so as to be positioned in the space, thereby serving as a fulcrum of the beam.
  • a piezoelectric element is always attached to the tip of the guide portion. For this reason, the rigidity at the tip end position of the guide portion is always stable, and fluctuations in the resonance frequency and vibration force can be suppressed even if the attachment position of the piezoelectric element varies somewhat.
  • the fulcrum of the substrate by the holding portion is divided into the holding portion end surface and the tip of the guide portion, so that stress is generated in the space between the holding portion end surface and the guide tip portion. Distributed. Therefore, since mechanical vibration is suppressed in the space, damage to the joint portion can be prevented by providing the terminal connection portion here. Moreover, it can suppress that a crack generate
  • the guide portion is provided in the holding portion, the substrate holding area of the holding portion can be increased, thereby improving the vibration transmission characteristics from the beam to the holding portion.
  • the fixed end of the piezoelectric element can be fixed within a range surrounded by the holding portion of the substrate and the guide portions on both sides.
  • the input terminal can be connected within the range.
  • a metal thin film is provided on the surface of the piezoelectric element, and the input terminal can be connected on the surface of the metal thin film.
  • the metal thin film can be fixed to the holding portion.
  • the guide portion may be formed lower on the substrate side than the front surface and / or the back surface of the holding portion. According to the structure of this invention, the rigidity of a guide part can be improved, avoiding the contact with the external apparatus which fixes a holding
  • the guide portion can be formed one step lower on the substrate side than the front and back surfaces of the holding portion, or can be formed in a tapered shape.
  • the guide part can be integrally formed with the holding part. As a result, the size can be reduced.
  • the present invention it is possible to provide a piezoelectric exciter that can suppress fluctuations in resonance frequency and vibration force and can prevent damage to the piezoelectric element.
  • (A) is a top view which shows the piezoelectric exciter which concerns on 1st Embodiment
  • (b) is a side view
  • (c) is an end elevation. It is a perspective view from the diagonal upper side which shows a piezoelectric type exciter. It is the perspective view seen from diagonally below which shows a piezoelectric exciter
  • (A) is an AA cross-sectional view of FIG. 1 (b)
  • (b) is a view showing another guide portion.
  • (A) is a characteristic diagram showing the relationship between the gap and the resonance frequency with and without the guide portion
  • (b) is a characteristic diagram showing the relationship between the gap and the vibration force
  • (c) is a holding on the gap and the substrate.
  • (A) is a top view which shows the piezoelectric exciter of 2nd Embodiment
  • (b) is a side view
  • (c) is an end elevation. It is a disassembled perspective view of the piezoelectric exciter of 2nd Embodiment.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows the piezoelectric exciter which fixed the metal thin film to the holding part with the adhesive agent.
  • (A) is a top view which shows the piezoelectric exciter of 3rd Embodiment,
  • (b) is a side view,
  • (c) is an end elevation.
  • FIGS. 1 to 3 show a piezoelectric exciter 1 according to a first embodiment.
  • the piezoelectric exciter 1 is a single exciter having one beam.
  • Reference numeral 10 in FIGS. 1 to 3 denotes a thin substrate made of a thin metal plate having a rectangular shape.
  • the substrate 10 is also called a shim, and is made of a metal material such as stainless steel or copper alloy.
  • a relatively thin and rectangular piezoelectric element 20 is attached to the front and back surfaces of the substrate 10 by means such as a conductive adhesive.
  • a rectangular first terminal 11 protruding in the longitudinal direction is integrally formed at one longitudinal end of the substrate 10. The first terminal 11 is formed near one end in the width direction of the substrate 10.
  • the piezoelectric element 20 substantially covers both surfaces of a portion other than the predetermined region on the one end side of the substrate 10 on which the first terminal 11 is formed, leaving a predetermined region.
  • the piezoelectric element 20 has a width that is slightly smaller than the width of the substrate 10, and the free end 20 a on the opposite side of the holding portion 30 has an end portion on the opposite side of the holding portion 30 in the substrate 10 (hereinafter referred to as “the end”). , Called a free end.) It is arranged slightly inside 10a.
  • a structure in which the piezoelectric elements 20 are attached to both surfaces of the substrate 10 is referred to as a beam.
  • the beam 25 of this embodiment is a bimorph type in which the piezoelectric elements 20 are bonded to both surfaces of the substrate 10.
  • a structure in which a piezoelectric element is attached to only one surface of a substrate is called a monomorph type, and the present invention can also be applied to this monomorph type.
  • the region on one end side of the substrate 10 that is not covered with the piezoelectric element 20 is covered with the holding portion 30 leaving the tip of the first terminal 11.
  • the holding unit 30 is formed in a thin rectangular parallelepiped shape, and the surface 30 a and the back surface 30 b parallel to each other are flat and parallel to the front and back surfaces of the beam 25.
  • FIG. 1 This welding convex part fulfill
  • the thickness of the holding portion 30 is about several times the thickness of the substrate 10, and one end side of the substrate 10 is fixed to the holding portion 30 in a state of being embedded in the center of the holding portion 30 in the thickness direction. .
  • the first terminal 11 penetrates the holding part 30 and the tip is exposed from the holding part 30.
  • the second terminal 12 is embedded in the holding unit 30 adjacent to the first terminal 11.
  • the second terminal 12 is made of the same material as the substrate 10.
  • the second terminal 12 is separated from the substrate 10 and the first terminal 11, and a short circuit is prevented by the meat of the holding portion 30 between them.
  • the cores at the ends of the power supply lead wires are connected to the surface sides of the tip exposed portions 11a and 12a of the first terminal 11 and the second terminal 12 by solder (none of which is shown).
  • the holding part 30 is made of resin.
  • the holding part 30 is formed by insert molding and simultaneously integrated with the substrate 10, the first terminal 11 and the second terminal 12.
  • the insert molding is performed by molding the first terminal 11 side end of the substrate 10 arranged and loaded in the mold and the second terminal 12 with the molten resin injected into the mold, and solidifying the resin. It is made by letting.
  • a pin (input terminal) 50 made of a conductive material is connected to the second terminal 12.
  • the pin 50 is formed by bending a metal bar having elasticity.
  • the pin 50 is appropriately bent and extends to an electrode portion provided on each piezoelectric element 20 at a position not in contact with the guide portion 60, and a tip portion thereof is a conductive joining member to the electrode portion of the piezoelectric element 20. They are connected by solder (or conductive adhesive) 43.
  • the electrode part of the piezoelectric element 20 is formed on almost the entire front and back surfaces of the piezoelectric element 20 by a conductive member such as silver paste.
  • the pin 50 and the 2nd terminal 12 are connected with the solder on the back surface 30b side of the holding
  • the holding portion 30 is provided with guide portions 60, 60 extending from the side portions 30c on both sides thereof by a predetermined length. As shown in FIG. 1, these guide portions 60 and 60 hold both side portions 10 c and 10 c of the end portion of the substrate 10 on the holding portion 30 side. It is preferable that both guide portions 60, 60 have the same extension length L from the holding portion 30. In addition, the extension length L of the guide parts 60 and 60 can be adjusted suitably.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • the guide portion 60 has a substantially rectangular cross section, and has a recess 61 that is recessed toward the opposite guide portion 60 on the inner surface.
  • the side portion 10c of the substrate 10 is fitted. Thereby, when the beam 25 vibrates, the displacement amount of the portion of the beam 25 on the holding unit 30 side is suppressed.
  • FIG. 4B shows a guide portion 62 according to another embodiment.
  • the guide portions 62 and 62 are formed in a substantially L-shaped cross section.
  • the guide portions 62 and 62 are arranged in opposite directions, and the displacement amount on the front surface side of the beam 25 is suppressed by one guide portion 62, and the displacement amount on the back surface side of the beam 25 is suppressed by the other guide portion 62. Can be done. Also in this case, the same effects as described above can be obtained.
  • the upper and lower surfaces 60a and 60b of the guide part 60 are formed in a step shape lower than the surfaces 30a and 30b of the holding part 30.
  • the piezoelectric exciter 1 is used so that the front surface 30a or the back surface 30b of the holding unit 30 is fixed in close contact with a flat surface of an external device such as a liquid crystal panel and the panel is vibrated to generate sound.
  • an external device such as a liquid crystal panel
  • the panel is vibrated to generate sound.
  • an end portion (hereinafter referred to as a fixed end) 20b of the piezoelectric element 20 on the holding portion 30 side includes a holding portion 30 on the substrate 10 and guide portions 60 and 60 on both sides. They are arranged within a range W surrounded by a straight line T connecting the tips of the guides 60 on both sides. Further, the joint portion of the pin 50 by the solder 43 is also provided in the range W.
  • the extension length L of the guide portion 60 from the holding portion 30 is set to be relatively long so that the joint portion of the pin 50 falls within the range W. If not, the extension length L may be further shortened.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the piezoelectric exciter.
  • substrate 10 are insert-molded.
  • the piezoelectric elements 20 are attached to the front and back surfaces of the substrate 10.
  • the end portion 20 b side (see FIG. 1) of the piezoelectric element 20 is inserted between the guide portions 60 and 60 of the holding portion 30.
  • the positions of both side portions of the piezoelectric element 20 are regulated by the guide portions 60, 60, and the pasting position accuracy of the piezoelectric element 20 is improved.
  • FIG. 6 is a diagram showing a fulcrum of the substrate according to the present embodiment.
  • the substrate 25 of the beam 25 held by the holding unit 30 is connected to the substrate 10 from the first terminal 11, and the piezoelectric element 20 is connected from the second terminal 12 to the pin 50 via the pin 50.
  • An AC signal by voltage is applied.
  • the piezoelectric element 20 expands and contracts in the longitudinal direction, and the entire beam 25 is bent and vibrates.
  • the beam 25 vibrates at a frequency corresponding to the supplied AC signal.
  • This vibration vibrates the panel of the device to which the piezoelectric exciter 1 is fixed and generates sound.
  • an adhesive a book face adhesive tape, or the like is preferably employed as a means for fixing the piezoelectric exciter 1 to an apparatus.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a fulcrum when there is no guide portion.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a crack occurrence state when there is no guide portion.
  • the supporting point for supporting the beam 25 of the holding part 30 is only one place on the end surface S ⁇ b> 1 of the holding part 30.
  • the stress concentrates on the piezoelectric element 20 in the vicinity of the holding portion end surface S1, and as shown in FIG. 8, there is a crack C in the vicinity of the holding portion end surface S1 of the piezoelectric element 20. There was a risk of occurrence.
  • the fulcrum supporting the beam 25 is dispersed to the holding portion end surface S1 and the tip end position S2 of the guide portion. Accordingly, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the vicinity of the holding portion end surface S1 of the piezoelectric element 20 due to the drop impact, and thereby it is possible to suppress the piezoelectric element 20 from being damaged.
  • a clearance (gap g) is generated between the holding part end surface S1 and the piezoelectric element end part 20b. End up. If this clearance is wide, the rigidity in the vicinity of the fulcrum is lowered, and the resonance frequency and vibration force are significantly reduced. Further, if the attachment position of the piezoelectric element 20 varies, the clearance varies, and the rigidity near the fulcrum also varies, resulting in variations in resonance frequency and vibration force.
  • a space (range W) corresponding to the length of the guide part 60 is formed between the holding part end surface S1 and the guide part tip position S2. .
  • the piezoelectric element 20 is always attached to the guide portion tip position S2 serving as a fulcrum of the beam. Therefore, the rigidity of the guide tip position S2 is always stable, and even if the attaching position of the piezoelectric element 20 varies somewhat, fluctuations in the resonance frequency F 0 and the vibration force can be suppressed to a small extent (FIG. 9A).
  • the fulcrum is divided into the holding part end face S1 and the guide part tip position S2 by the guide part 60, whereby the stress is dispersed in the space. Therefore, since mechanical vibration is suppressed in the space, damage to the joint portion can be prevented by providing the terminal connection portion here.
  • FIGS. 9A to 9C it can be seen that when the guide portion 60 is provided, the variation in each characteristic is reduced and stable compared to the case where the guide portion 60 is not provided. Further, as shown in FIG. 9 (c), even in the same gap g, compared to the case where the guide portion 60 is not present, the space between the holding portion end surface S1 and the guide portion tip position S2 in the piezoelectric element 20 is smaller. It can be seen that the generated stress is reduced and the stress is dispersed by providing the guide portion.
  • the guide portions 60 and 60 are provided integrally with the holding portion 30.
  • a member corresponding to the guide unit 60 is provided integrally with the substrate 10, and according to the present embodiment, the holding area of the substrate 10 by the holding unit 30 is increased. Therefore, the vibration transmission characteristics from the substrate 10 to the holding unit 30 can be improved as compared with the case where the substrate 10 itself is processed.
  • the piezoelectric exciter 1 according to the present embodiment since it is not necessary to perform any processing on the substrate 10 itself, the flatness in the substrate 10 can be easily ensured. As a result, the substrate 10 and the piezoelectric element 20 can be secured. Bonding strength can be increased.
  • the end of the piezoelectric element 20 is inserted between the guide units 60 and 60.
  • the piezoelectric exciter 1 can improve the accuracy of the attaching position of the piezoelectric element 20 with a very simple operation.
  • the resin holding portion 30 is insert-molded together with the substrate 10 as described above, and the piezoelectric element 20 is adhered to the substrate 10 after the insert molding to constitute the beam 25. Then, it is preferable for the following reason. That is, since the forming process of the holding part 30 and the process of integrating the holding part 30 and the substrate 10 can be performed in a single process, the productivity is improved and the substrate 10 is strengthened against the holding part 30. It is because it can fix to. Further, there is an advantage that the positioning accuracy of the holding unit 30 with respect to the substrate 10 can be increased.
  • the resin is heated and melted at the time of insert molding.
  • the insert molding is performed without considering the thermal effect on the piezoelectric element 20. Can do. Therefore, it is not necessary to limit the type of resin forming the holding portion 30 to a relatively low temperature, and the degree of freedom in selecting a resin material is expanded. For example, an inexpensive resin can be used, and the cost is reduced accordingly. Further, by forming a thin wall using a high fluidity material, it becomes possible to reduce the size and the wall thickness.
  • the guide part 60 which has the recessed part 61 is only provided in the holding
  • Second Embodiment 10 to 12 show the piezoelectric exciter 100 of the second embodiment.
  • This piezoelectric exciter 100 is obtained by attaching a metal thin film 101 to the surface of the piezoelectric element 20 in the piezoelectric exciter 1 of the first embodiment. Since the other configuration is the same as that of the piezoelectric exciter 1, detailed description thereof is omitted.
  • the piezoelectric exciter 100 is provided in such a manner that the metal thin films 101 and 101 are adhered to each other on the surface of the piezoelectric element 20 with an adhesive, for example.
  • the metal thin film 101 is made of a metal material having a shear strength and rigidity equal to or higher than a predetermined value, in this embodiment, higher than that of the piezoelectric element 20, such as permalloy, 42% Ni alloy.
  • the metal thin film 101 has substantially the same width as the substrate 10, and the free end 101a opposite to the holding portion 30 is disposed slightly inside the free end 10a of the substrate 10 (FIG. 10B). reference). Further, the fixed end 101 b of the metal thin film 101 on the holding unit 30 side is fixed to the end surface of the holding unit 30 with an adhesive 103.
  • the pin 50 is joined to the metal thin film 101 by the solder 43.
  • the holding portion 30 and the substrate 10 are insert-molded, and then the piezoelectric elements 20 and 20 are attached to the front and back surfaces of the substrate 10.
  • the metal thin film 101 is adhered to the surface of the piezoelectric elements 20 on the front and back sides and attached.
  • the pin 50 is joined onto the metal thin film 101 with solder.
  • the metal thin film 101 is formed of a metal material having higher shear strength and rigidity than the piezoelectric element 20, and the metal thin film 101 is adhered to the entire surface of the piezoelectric element 20 so as to be dropped, and so on.
  • the shear stress generated on the surface of the piezoelectric element 20 when the beam 102 vibrates excessively can be reduced, so that the generation of cracks in the piezoelectric element 20 can be suppressed, thereby preventing the piezoelectric element 20 from being damaged.
  • permalloy has substantially the same linear expansion coefficient as that of the piezoelectric element 20
  • the piezoelectric exciter 1 is heated by forming the metal thin film 101 with permalloy
  • the metal thin film 101 and the piezoelectric element 20 are not affected. Elongation amount becomes substantially the same. Accordingly, since the thermal expansion of the piezoelectric element 20 is not limited by the metal thin film 101, it is possible to suppress the generation of stress in the piezoelectric element 20.
  • the pin 50 is joined to the metal thin film 101 by the solder 43 and the pin 50 is not directly soldered to the electrode (silver) of the piezoelectric element 20, cracks due to residual stress generated at the interface between the solder 43 and the piezoelectric element 20. Can be prevented. Further, it is possible to suppress the phenomenon (also referred to as silver erosion) that the silver component of the electrode of the piezoelectric element 20 is absorbed by the solder 43 due to the heat of the solder 43 and the silver electrode disappears.
  • the piezoelectric exciter 100 of this embodiment can suppress the occurrence of migration because the electrodes of the piezoelectric element 20 are covered with the metal thin film 101 and are not exposed to the air.
  • the metal thin film 101 is attached in close contact with the entire surface of the piezoelectric element 20, but the metal thin film 101 can be attached only in an appropriate range including a portion where the crack of the piezoelectric element 20 occurs. . Also in this case, there is an effect that the occurrence of cracks in the piezoelectric element 20 due to a drop impact or the like can be suppressed.
  • the rigidity of the piezoelectric element 20 can be improved by the metal thin film 101 as described above, even when the piezoelectric exciter 100 is dropped, a crack is generated in the piezoelectric element 20 due to a drop impact. This can suppress the breakage of the piezoelectric element 20.
  • the metal thin film 101 attached to the piezoelectric element 20 is fixed to the holding unit 30, excessive deformation of the piezoelectric element 20 due to a drop impact can be suppressed. Thereby, it is possible to reduce the stress generated on the surface of the piezoelectric element 20 and to prevent the piezoelectric element 20 from being damaged. Furthermore, since the piezoelectric elements 20 attached to the front and back surfaces of the substrate 10 with an adhesive or the like can be prevented from peeling off from the substrate 10 due to a drop impact or the like, the reliability as a product can be improved.
  • the pin 50 is joined to the metal thin film 101 by the solder 43 and the pin 50 is not directly soldered to the electrode (silver) of the piezoelectric element 20, silver diffuses into tin which is the main component of the solder 43. Eventually, the phenomenon that the silver electrode on the component side disappears (also referred to as silver erosion) can be suppressed.
  • the metal thin film 101 is fixed to the holding portion 103 using an adhesive 103.
  • the adhesive 103 is an example of a unit that fixes the metal thin film 101 to the holding unit 103.
  • FIG. 13A is a plan view showing a piezoelectric exciter according to the third embodiment
  • FIG. 13B is a side view
  • FIG. 13C is an end view.
  • a guide portion provided in a holding portion in the piezoelectric exciter of the first embodiment is tapered.
  • a guide portion 260 is integrally formed with the holding portion 230, and the guide portion 260 has a tapered shape that tapers toward the tip. The amplitude of the piezoelectric exciter 201 increases toward the tip.
  • the guide portion 260 is tapered so as to follow the amplitude change, and the guide portion 260 is lowered to the substrate 10 side from the front surface and the back surface of the holding portion 230, thereby avoiding contact with the panel and the guide portion 260.
  • the rigidity of can be further increased.
  • the guide part 260 is integrally formed with the holding part 230, the piezoelectric exciter can be reduced in size and thickness.
  • Piezoelectric exciter 10 Substrate 10a, 20a, 101a Free end (end opposite to the holding portion) 10b, 20b, 101b Fixed end (end on the holding part side) 10c side portion 11 first terminal 11a tip exposed portion 12 second terminal 12a tip exposed portion 20 piezoelectric element 25, 102 beam 30 holding portion 30a surface 30b back surface 30c side portion 43 solder 50 pin (input terminal) 60 Guide part 60a Upper surface 60b Lower surface 61 Recessed part 101 Metal thin film

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Abstract

共振周波数と振動力の変動を抑えることができ、かつ圧電素子の破損を防止することができる圧電型エキサイタを提供することを目的とする。 板状の基板10と、基板10の一端部を保持する保持部30と、基板10の片面又は両面に設けられる圧電素子20と、圧電素子20に設けられる電極と、外部からの電力を圧電素子20に供給する入力端子50とを備えている。保持部30は、その両側部から基板10の長手方向に所定長だけ延出したガイド部60を有し、このガイド部60は、基板10の両側端部10cを保持する。

Description

圧電型エキサイタ
 本発明は、パネルスピーカ等の音声/振動発生デバイスとして好適な圧電型エキサイタに関する。 
 従来、金属板からなる基板(シムとも呼ぶ。)の片面あるいは両面に圧電素子を貼り付けてビームを形成し、このビームを樹脂製の保持部(スタブとも呼ぶ。)で保持し、圧電素子に給電することによりビームが撓み振動する圧電型エキサイタが知られている。この圧電型エキサイタは、その保持部が例えばパネルスピーカ等の機器に固定して使用される。ビームの振動が保持部を介して機器に伝達されることにより音が発生する。
 この圧電型エキサイタには、基板の片面又は両面に圧電素子が、接着剤等で密着されて貼り付け固定されるものがある。圧電素子の表面電極には、入力端子から給電される。
 このような圧電型エキサイタにおいて、圧電素子の全面に展延性に富む金属薄膜を設ける圧電型エキサイタが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1の圧電型エキサイタでは、圧電素子の表面電極が衝撃等によって断線した場合に、金属薄膜が断線した電極間の導通を確保するバイパス回路として機能し、金属薄膜には銅或いはアルミニウム等の展延性に富む金属導電板が用いられている。
特開2006-33005号公報
 しかしながら、従来の圧電型エキサイタでは、圧電素子を基板に貼り付ける際に、保持部端面と圧電素子端部の間にクリアランスが生じてしまうことがある。そして、クリアランスが存在すると、ビームが振動する時には保持部端面がビームの支点となるため、支点付近の剛性が低下して共振周波数や振動力は著しく低下してしまうという問題がある。また、基板への圧電素子の貼付位置がばらつくとクリアランスがばらつき、支点付近の剛性もばらついてしまうことになるため、結果的に共振周波数、振動力がばらついてしまうという問題がある。
 また、特許文献1の圧電型エキサイタでは、圧電素子の全面に展延性に富む金属薄膜を貼り付けることで、圧電素子の電極が破損した場合でも金属薄膜が電気的なバイパス回路として機能させるようにしているが、落下衝撃等による圧電素子自体の破損を防止することはできないという問題がある。
 そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、共振周波数と振動力の変動を抑えることができ、かつ圧電素子の破損を防止することができる圧電型エキサイタを提供することを目的とする。
 上記課題を解決するために、本発明の圧電型エキサイタは、板状の基板と、前記基板の一端部を保持する保持部と、前記基板の片面又は両面に設けられる圧電素子と、前記圧電素子に設けられる電極部と、該電極部に接続され外部からの電力を前記圧電素子に供給する入力端子とを備え、前記保持部に設けられ、前記保持部の両側部から前記基板の長手方向に所定長だけ延出し、前記基板の両端部を保持するよう形成されたガイド部を有する。
 本発明によれば、保持部端面とガイド部先端の間にはガイド長に応じたスペースが形成され、圧電素子端部をそのスペース内に位置するように貼り付けることにより、ビームの支点となるガイド部先端位置には必ず圧電素子が貼り付けられている状態になる。そのため、ガイド部先端位置の剛性は常に安定し、圧電素子の貼付位置が多少ばらついても、共振周波数および振動力の変動を抑えることができる。また、ガイド部によって基板の両端部を保持することで、保持部による基板の支点が保持部端面とガイド部の先端に分かれ、それにより保持部端面からガイド先端部分の間のスペース内で応力は分散される。従って、そのスペース内は機械的な振動が抑制されるので、ここに端末接続部を設けることにより、接合部の破損を防止できる。また、この範囲内に貼り付けられた圧電素子にクラックが発生することを抑制でき、圧電素子が破損するのを防止できる。また、保持部にガイド部を設けるようにしたので、保持部の基板保持面積を広げることができ、これによってビームから保持部に対しての振動伝達特性を向上できる。
 ここで、前記圧電素子の固定端は、前記基板の前記保持部と両側の前記ガイド部によって囲まれる範囲内に固定できる。また、前記入力端子は、前記範囲内に接続できる。また、前記圧電素子の表面上には金属薄膜を設け、前記入力端子は前記金属薄膜の表面上に接続できる。
 また、前記金属薄膜は、前記保持部に固定できる。また、前記ガイド部は、前記保持部の表面および/または裏面より前記基板側に低く形成できる。本発明の構成によれば、保持部を固定する外部機器とガイド部との接触を回避しつつ、ガイド部の剛性を高めることができる。例えば、ガイド部を保持部の表面および裏面より基板側に一段低く形成することもでき、また、テーパ状に形成することもできる。更に、前記ガイド部は、前記保持部に一体成形することができる。これにより小型化が可能となる。
 本発明によれば、共振周波数と振動力の変動を抑えることができ、かつ圧電素子の破損を防止することができる圧電型エキサイタを提供することができる。
(a)は第1実施形態に係る圧電型エキサイタを示す平面図、(b)は側面図、(c)は端面図である。 圧電型エキサイタを示す斜め上から斜視図である。 圧電型エキサイタを示す斜め下からみた斜視図である (a)は図1(b)のA-A断面図、(b)は別のガイド部を示す図である。 圧電型エキサイタの分解斜視図である。 本実施形態の基板の支点を示す図である。 ガイド部が無い場合の支点を示す断面図である。 ガイド部がない場合のクラック発生状況を示す斜視図である。 (a)はガイド部がある場合と無い場合のギャップと共振周波数との関係を示す特性図、(b)はギャップと振動力との関係を示す特性図、(c)はギャップと基板における保持部側に発生する応力との関係を示す特性図である。 (a)は第2実施形態の圧電型エキサイタを示す平面図、(b)は側面図、(c)は端面図である。 第2実施形態の圧電型エキサイタの分解斜視図である。 金属薄膜を保持部に接着剤で固定した圧電型エキサイタを示す斜視図である。 (a)は第3実施形態の圧電型エキサイタを示す平面図、(b)は側面図、(c)は端面図である。
<第1実施形態>
 以下、本発明に係る第1実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図1~図3は、第1実施形態の圧電型エキサイタ1を示す。この圧電型エキサイタ1は、ビームを1つ備えたシングル型エキサイタである。図1~図3中の符号10は、薄肉で長方形状の金属薄板からなる基板である。この基板10はシムとも呼ばれるものであって、ステンレスや銅合金等の金属材料によるものである。基板10の表裏面には、比較的薄肉で長方形状の圧電素子20が、導電性接着剤等の手段によって貼着されている。基板10の長手方向一端部には、長手方向に突出する長方形状の第1端子11が一体に形成されている。この第1端子11は、基板10の幅方向の一端寄りに形成されている。
 圧電素子20は、第1端子11が形成されている基板10の一端側の所定の領域を残して、該領域以外の部分の両面をほぼ覆っている。本実施形態では、圧電素子20は、その幅が基板10の幅より僅かに小さく、且つその保持部30の反対側の自由端20aが、基板10における保持部30の反対側の端部(以下、自由端と呼ぶ。)10aより僅かに内側に配置されている。基板10の両面に圧電素子20が貼着されたものを、ビームと称する。なお本実施形態のビーム25は、基板10の両面に圧電素子20が貼着されたバイモルフ型である。ちなみに、基板の片面のみに圧電素子が貼着されたものはモノモルフ型と呼ばれ、本発明はこのモノモルフ型に適用することもできる。
 基板10の、圧電素子20で覆われていない一端側の領域は、第1端子11の先端を残して保持部30により覆われている。保持部30は、薄い直方体状に形成されたもので、互いに平行な表面30a及び裏面30bは賂平坦であって、ビーム25の表裏の面とも平行である。
 なお、保持部30における表面30aおよび裏面30bには、保持部30同士を超音波溶着で接合するための溶着用凸部(エネルギダイレクタ)を形成してもよい。この溶着用凸部は、超音波溶着する際に、接触している樹脂同士が摩擦熱により部分的に溶融して接合面どうしを接合させる機能を果たす。保持部30の厚さは基板10の厚さの数倍程度であり、基板10の一端側は保持部30の厚さ方向の中央に埋設された状態で、該保持部30に固着されている。第1端子11は保持部30を貫通し、先端が保持部30から露出している。
 保持部30内には第1端子11に隣接して第2端子12が埋設されている。第2端子12は、基板10と同じ材料によって形成されている。第2端子12は、基板10および第1端子11と離間しており、間にある保持部30の肉によって短絡が防止されている。これら第1端子11,第2端子12の先端露出部11a,12aの表面側には、それぞれ給電用のリード線における端部の心線が半田(何れも図示せず)で接続されている。
 保持部30は樹脂によって形成されている。インサート成形によって保持部30を成形すると同時に基板10、第1端子11および第2端子12と一体化させる。この場合のインサート成形は、金型内に配列して装填した基板10の第1端子11側の端部と第2端子12を、金型内に注入した溶融樹脂でモールドし、その樹脂を固化させることによりなされる。
 第2端子12には、導通材料で形成されたピン(入力端子)50が接続されている。このピン50は、弾性を有する金属棒を折り曲げ加工されている。このピン50は、適宜折り曲げられて、ガイド部60に接触しない位置で各圧電素子20上に設けられた電極部まで延びており、その先端部が圧電素子20の電極部に導通接合部材である半田(又は導通接着剤)43で接続されている。
 なお、圧電素子20の電極部は、銀ペースト等の導電部材により圧電素子20の表裏面のほぼ全面に形成されている。また、保持部30の裏面30b側でピン50と第2端子12とが、半田で接続されている。
 図2に示すように、保持部30には、その両側の側部30cから所定長だけ延出したガイド部60,60が設けられている。これらのガイド部60,60は、図1に示すように、基板10における保持部30側の端部の両側部10c,10cを保持する。両方のガイド部60,60は、保持部30からの延出長さLを同一にするのが好ましい。なお、ガイド部60,60の延出長さLは、適宜調整できる。
 図4(a)は図1(b)のA-A断面図である。図4(a)に示すように、ガイド部60は、その断面が略長方形状に形成され、その内面に反対側のガイド部60に向かって凹となる凹部61を有している。この凹部61には、基板10の側部10cが嵌め入れられる。これによって、ビーム25が振動した際に、ビーム25における保持部30側の部分の変位量が抑制される。なお、図4(b)は別の実施形態のガイド部62を示す。このガイド部62,62は、断面略L字状に形成されている。これらのガイド部62,62は、互いに反対向きに配置され、一方のガイド部62によってビーム25の表面側の変位量が抑制され、他方のガイド部62によってビーム25の裏面側の変位量が抑制されるようにできる。この場合も、上記と同様の作用効果を奏する。
 図1(b)に戻り、ガイド部60の上下面60a,60bは、保持部30の表面30a,30bより低い段状に形成されている。圧電型エキサイタ1は、保持部30の表面30a、あるいは裏面30bが、外部機器、例えば液晶パネル等のフラット面に密着して固定され、パネルを振動させて音を発生させるように用いられるが、このような構成とすることで、ビーム25の上下振動に伴ってガイド部60,60が上下に微少変位した際に、ガイド部60,60とパネルが接触することを回避できるので、パネルとガイド部60,60の接触による異音等の発生を抑制できる。さらに、圧電型エキサイタ1の機器への設置スペースも小さくできるため、機器の小型化、薄型化にも寄与する。
 また、図1(a)に示すように、圧電素子20の保持部30側の端部(以下、固定端と呼ぶ。)20bは、基板10における保持部30と両側のガイド部60,60と両側のガイド60,60の先端を結ぶ直線Tによって囲まれる範囲W内に配置されている。更に、半田43によるピン50の接合部も範囲W内に設けられている。なお、本実施形態では、ピン50の接合部が範囲W内に入るようにするため、ガイド部60の保持部30からの延出長さLを比較的長くしたが、このような接合部がない場合などには延出長さLを更に短くしてもよい。
 図5は圧電型エキサイタの分解斜視図である。図5に示すように、この圧電型エキサイタ1を製造する場合は、保持部30と基板10とをインサート成形する。次に、基板10の表裏面に圧電素子20を貼り付ける。このときには、圧電素子20の端部20b側(図1参照)を保持部30のガイド部60,60間に挿入する。これによって、圧電素子20の両側部がガイド部60,60によって位置規制され、圧電素子20の貼付位置精度が向上する。
  次に、この圧電型エキサイタ1の作用について説明する。図6は、本実施形態の基板の支点を示す図である。本実施形態の圧電型エキサイタ1では、保持部30によって保持されたビーム25の基板10には第1端子11から、また、圧電素子20には第2端子12からピン50を介して、それぞれ交流電圧による交流信号が流される。このように交流信号が流されると、圧電素子20が長手方向に伸縮し、ビーム25全体が撓んで振動する。ビーム25は、供給される交流信号に応じた周波数で振動する。この振動が、圧電型エキサイタ1が固定された機器のパネルを振動させて音を発生させる。なお、圧電エキサイタ1の機器への固定手段は、接着剤や帳面粘着テープ等が好適に採用される。
 図7はガイド部が無い場合の支点を示す断面図である。図8はガイド部がない場合のクラック発生状況を示す斜視図である。図7に示すように、ガイド部60,60がない圧電型エキサイタ80では、保持部30のビーム25を支持する支点が、保持部30の端面S1の一カ所のみになる。この場合は、圧電型エキサイタ80が落下した場合、保持部端面S1近傍の圧電素子20に応力が集中して、図8に示すように、圧電素子20の保持部端面S1の近傍にクラックCが発生するおそれがあった。
 これに対して、本実施形態では、図6に示すように、ガイド部60を設けることで、ビーム25を支持する支点は保持部端面S1とガイド部の先端位置S2とに分散される。従って、落下衝撃によって圧電素子20の保持部端面S1の近傍にクラックが発生するのを抑制でき、これにより圧電素子20が破損するのを抑制できる。
 また、図7に示すように、従来の圧電型エキサイタ80では、圧電素子20を基板10に貼り付ける際に、保持部端面S1と圧電素子端部20bの間にはクリアランス(ギャップg)が生じてしまう。このクリアランスが広いと、支点付近の剛性が低下して共振周波数や振動力は著しく低下してしまう。また、圧電素子20の貼付位置がばらつくとクリアランスがばらつき、支点付近の剛性もばらついてしまうことになるため、結果的に共振周波数、振動力のバラツキに繋がる。
 本実施形態では、ガイド部60、60は所定の長さがあるため、保持部端面S1とガイド部先端位置S2の間にはガイド部60の長さ応じたスペース(範囲W)が形成される。圧電素子端部20bがそのスペース内に位置するように貼り付けることにより、ビームの支点となるガイド部先端位置S2には必ず圧電素子20が貼り付けられている状態になる。そのため、ガイド部先端位置S2の剛性は常に安定し、圧電素子20の貼付位置が多少ばらついても、共振周波数F、振動力の変動は少なく抑えられる(図9(a))。また、ガイド部60によって支点が保持部端面S1とガイド部先端位置S2に分かれ、それにより応力はスペース内で分散される。従って、そのスペース内は機械的な振動が抑制されるので、ここに端末接続部を設けることで、接合部の破損を防止できる。
 図9(a)~(c)に示すように、ガイド部60が有る場合は、ガイド部が無い場合に比べて各特性のバラツキが低減されて安定していることが分かる。さらに図9(c)に示すように、同一のギャップgでも、ガイド部60が有る場合は無い場合に比べて、圧電素子20における保持部端面S1とガイド部先端位置S2の間のスペース内に発生する応力が低減しており、ガイド部を設けたことにより応力が分散されていることが分かる。
 また、本実施形態における圧電エキサイタ1では、ガイド部60,60を保持部30に一体的に設けている。例えば、基板10自体に加工を施すことにより、ガイド部60に相当する部材を基板10と一体的に設けた場合に対し、本実施形態によれば、保持部30による基板10の保持面積が広がるため、基板10自体に加工を施した場合と比較して、基板10から保持部30への振動伝達特性を向上させることができる。さらに、本実施形態における圧電エキサイタ1では、基板10自体には何ら加工を施す必要がないため、基板10における平面度を容易に確保することができ、その結果、基板10と圧電素子20との接合強度を高めることができる。
 また、本実施形態では、保持部30と基板10とが一体成形後、基板10に圧電素子20を貼り付ける際に、ガイド部60,60の間に圧電素子20の端部を挿入する。これにより、圧電素子20の幅方向の位置がガイド部60,60によって自動的に規制されるので、非常に簡単な作業で圧電素子20の貼付位置精度を向上させることができる。これにより、ビーム25の振動特性のバラツキを低減して安定させることができる。従来は、圧電素子20を貼り付ける際に、圧電素子20の貼付位置を規制する手段がなく貼付位置精度が悪い、又は規制手段があったとしても作業が面倒になるなどの問題があったが、この圧電型エキサイタ1では、非常に簡単な作業で圧電素子20の貼付位置精度を向上させることができる。
 また、本実施形態の圧電型エキサイタ1においては、上記のように樹脂製の保持部30を基板10とともにインサート成形し、該インサート成形後に圧電素子20を基板10に貼着してビーム25を構成すると、次の理由から好ましい。すなわち、保持部30の成形と、保持部30と基板10との一体化の工程を1回の工程で行うことができるため、生産性が向上するとともに、保持部30に対して基板10を強固に固定させることができるからである。また、基板10に対する保持部30の位置決め精度を高くすることができるという利点もある。
 さらに、インサート成形の際には、樹脂を加熱溶融させるが、この時点では基板10には圧電素子20が貼着されていないため、圧電素子20への熱影響を考慮する必要なくインサート成形することができる。したがって、保持部30を形成する樹脂の種類を比較的低温用に限定する必要がなく、樹脂材料の選定の自由度が広がる。例えば廉価な樹脂を使用することが可能となり、これに伴ってコストダウンが図られる。また、高流動性の材料を用いて薄肉成形することにより、小型化、薄肉化が可能になる。また、本実施形態では、保持部30に凹部61を有するガイド部60を設けるだけであり、基板10及び圧電素子20は単純な形状にできる。従って、インサート成形に好適である。
<第2実施形態>
 図10~12は、第2実施形態の圧電型エキサイタ100を示す。この圧電型エキサイタ100は、第1実施形態の圧電型エキサイタ1における圧電素子20の表面に金属薄膜101を貼り付けたものである。それ以外の構成は圧電型エキサイタ1と同様なので、その詳細な説明を省略する。
 この圧電型エキサイタ100は、圧電素子20の表面上に全面的に密着させて金属薄膜101,101が例えば接着剤で貼り付けることにより設けられている。この金属薄膜101は、所定値以上の剪断強度及び剛性、本実施形態では圧電素子20より高い剪断強度及び剛性を有する金属材料、例えばパーマロイ、42%Ni合金等によって形成されている。この金属薄膜101は基板10とほぼ同一の幅を有し、その保持部30の反対側の自由端101aは、基板10の自由端10aより僅かに内側に配置されている(図10(b)参照)。また、金属薄膜101の保持部30側の固定端101bは、接着剤103を介して保持部30の端面に固定されている。ピン50は、金属薄膜101上に半田43によって接合されている。
 この圧電型エキサイタ100を製造する際には、図11に示すように、保持部30と基板10とをインサート成形し、次に、基板10の表裏面に圧電素子20,20を貼り付ける。次に、表裏の圧電素子20の表面に金属薄膜101を密着させて貼り付ける。次に、ピン50を半田で金属薄膜101上に接合する。
 このように、圧電素子20より剪断強度及び剛性の高い金属材料によって金属薄膜101を形成し、この金属薄膜101を圧電素子20の表面上に全面的に密着させて貼り付けることにより、落下衝撃等によりビーム102が過大に振動した際に圧電素子20表面に発生する剪断応力を低減できるので、圧電素子20にクラックが発生するのを抑制でき、これにより圧電素子20が破損するのを抑制できる。また、パーマロイは圧電素子20と略同一の線膨張係数を有しているので、パーマロイで金属薄膜101を形成することにより圧電型エキサイタ1が加熱されたときに金属薄膜101と圧電素子20との伸び量が略同一になる。従って、圧電素子20の熱膨張が金属薄膜101によって制限されることがないので、圧電素子20に応力が発生するのを抑制できる。
 また、ピン50が金属薄膜101に半田43で接合され、ピン50は圧電素子20の電極(銀)に直接半田付けされていないので、半田43と圧電素子20の界面に発生する残留応力によるクラックの発生を防止できる。また、半田43の熱により圧電素子20の電極の銀成分が半田43に吸収され、銀電極が消失するという現象(銀食われとも呼ぶ。)が発生するのを抑制できる。
 更に、従来の圧電型エキサイタでは、圧電素子20が高温、高湿下に置かれると、圧電素子20の表面に設けられた電極の銀成分が成長して圧電素子20の内部に侵入し、最終的には銀成分が圧電素子20を貫通して反対側の電極にショートするという現象(マイグレーション)が発生するおそれがあった。この現象は、電極の銀成分が空気中に露出されている場合に発生しやすい。これに対して、本実施形態の圧電型エキサイタ100は、圧電素子20の電極が金属薄膜101によって被覆され空気中に露出されていないので、マイグレーションの発生を抑制できる。
 なお、本実施形態では、金属薄膜101を圧電素子20の全面に密着させて貼り付けたが、金属薄膜101は圧電素子20のクラックが発生する部位を含む適宜な範囲にのみ貼り付けることができる。この場合も、落下衝撃等によって圧電素子20にクラックが発生するのを抑制できる等の効果がある。
  更に、本実施形態では、上記のように金属薄膜101によって圧電素子20の剛性を向上させることができるので、圧電型エキサイタ100が落下した場合でも、落下衝撃によって圧電素子20にクラックが発生するのを抑制でき、これにより圧電素子20が破損するのを抑制できる。
 また、圧電素子20に貼り付けられた金属薄膜101を保持部30に固定したので、落下衝撃による圧電素子20の過大な変形を抑制できる。これにより、圧電素子20の表面に発生する応力を低減して圧電素子20が破損するのを抑制できる。さらに、接着剤等により基板10の表裏面に貼着された圧電素子20が、落下衝撃等により基板10から剥離してしまうことを防止できるので、製品としての信頼性を高めることができる。
 また、ピン50が金属薄膜101に半田43で接合され、ピン50は圧電素子20の電極(銀)に直接半田付けされていないので、半田43の主成分であるスズに銀が拡散していき、最終的には部品側の銀電極が消失するという現象(銀食われとも呼ぶ。)が発生するのを抑制できる。図12に示すように、金属薄膜101は、接着剤103を用いて保持部103に固定されている。接着剤103は、金属薄膜101を保持部103に固定する手段の一例である。
<第3実施形態>
 図13(a)は第3実施形態の圧電型エキサイタを示す平面図、(b)は側面図、(c)は端面図である。この圧電型エキサイタ201は、第1実施形態の圧電型エキサイタにおける保持部に設けられたガイド部をテーパ形状にしたものである。図13に示すように、保持部230にはガイド部260が一体形成されており、ガイド部260は、先端に向かって先細りのテーパ形状を有する。圧電型エキサイタ201は先端に向かうにつれて振幅が大きくなる。そのため、その振幅変化に追従するようガイド部260をテーパ状として、ガイド部260を保持部230の表面および裏面より基板10側に低くすることにより、パネルとの接触を回避しつつ、ガイド部260の剛性をより高めることができる。また、ガイド部260は保持部230に一体成形されているため、圧電型エキサイタを小型化及び薄型化できる。
 以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。例えば、本実施形態では本発明をシングル型エキサイタに適用した場合について説明したが、本発明は、シングル型エキサイタを2つ重ね合わせる積層型エキサイタにも適用することができる。
 1,80,100 圧電型エキサイタ
 10 基板
 10a,20a,101a 自由端(保持部の反対側の端部)
 10b,20b,101b 固定端(保持部側の端部)
 10c 側部
 11 第1端子
 11a 先端露出部
 12 第2端子
 12a 先端露出部
 20 圧電素子
 25,102 ビーム
 30 保持部
 30a 表面
 30b 裏面
 30c 側部
 43 半田
 50 ピン(入力端子)
 60 ガイド部
 60a 上面
 60b 下面
 61 凹部
 101 金属薄膜

Claims (7)

  1.  板状の基板と、
      前記基板の一端部を保持する保持部と、
      前記基板の片面又は両面に設けられる圧電素子と、
      前記圧電素子に設けられる電極と、
      該電極に接続され外部からの電力を前記圧電素子に供給する入力端子と、
     前記保持部に設けられ、前記保持部の両側部から前記基板の長手方向に所定長だけ延出し、前記基板の両端部を保持するよう形成されたガイド部とを有する圧電型エキサイタ。
  2.  前記圧電素子の固定端は、前記保持部と両側の前記ガイド部によって囲まれる範囲内に固定されることを特徴とする請求項1に記載の圧電型エキサイタ。
  3.  前記入力端子は、前記圧電素子における前記範囲内に接続されることを特徴とする請求項2に記載の圧電型エキサイタ。
  4.  前記圧電素子の表面上には金属薄膜が設けられ、前記入力端子は前記金属薄膜の表面上に接続されることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の圧電型エキサイタ。
  5.  前記金属薄膜は、前記保持部に固定されることを特徴とする請求項4に記載の圧電型エキサイタ。
  6.  前記ガイド部は、前記保持部の表面および/または裏面より前記基板側に低く形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の圧電型エキサイタ。
  7.  前記ガイド部は、前記保持部に一体成形されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の圧電型エキサイタ。
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