JP2017212614A - 圧電振動デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】ケース等による振動エネルギーの吸収やケースの寄生振動を抑制できる圧電振動デバイスを得る。【解決手段】圧電トランス101は、圧電振動子1と、ケース2と、導電性端子41,42とを備える。導電性端子41,42は、弾性を有し、ケース固定部41s,42sがケース2に固定され、内部引出部41i,42iがケース2内に引き出される。内部引出部41i,42iは、圧電振動子1の表面電極11,12に接する。導電性端子41,42の内部引出部41i,42iとケース2の内面との間には、両者を繋ぐダンピング部材51,52が設けられている。【選択図】図1

Description

本発明は、圧電振動子を備えるデバイスに関し、特に、圧電振動子がケース内に収納された圧電振動デバイスに関する。
圧電トランス等の圧電振動デバイスにおいては、圧電振動子の機械的振動阻害の抑制、小型化、製造の容易性等を考慮して圧電振動子の支持構造が設計される。例えば特許文献1には、樹脂ケースに固定されたリード端子を介して圧電トランス素子を支持する構造が示されている。
特開平9−260738号公報
一般に、圧電振動子は、スプリアス振動を抑制するために、振動のノード点で支持することが好ましいが、そのノード点においても、リード端子の押圧方向の振動はゼロではない。また、圧電振動子の支持部は、その支持強度を確保するためや、電気的な接触抵抗を低減するために、点接触ではなく、ある程度の面積が必要となる。
上述の事情により、特許文献1に示される構造においても、リード端子は圧電振動子の振動を受け、その振動がケースに伝搬される。リード端子、ケース、および実装先である基板は、圧電振動デバイスの駆動周波数帯域では多数の高次共振モードがあり、共振周波数付近で振動源のエネルギーを吸収する作用がある。圧電振動子の振動エネルギーがリード端子やケース等に吸収されると、圧電デバイスの効率が低下してしまう。また、ケースの寄生振動によって、可聴音(所謂「音鳴り」)が発生する問題もある。
本発明の目的は、ケース等による振動エネルギーの吸収やケースの寄生振動を抑制できる圧電振動デバイスを提供することにある。
(1)本発明の圧電振動デバイスは、
外面に表面電極が形成された圧電振動子と、
前記圧電振動子を収納するキャビティを内部に形成するケースと、
弾性を有し、ケース固定部が前記ケースに固定され、前記ケース内に引き出され、前記圧電振動子の前記表面電極に接する内部引出部を含む導電性端子と、
前記導電性端子の前記内部引出部と前記ケースの内面との間に設けられ、前記導電性端子の前記内部引出部と前記ケースの内面とを繋ぐ、前記導電性端子より損失係数の高いダンピング部材と、
を備える。
上記構成により、ケースへの振動の伝搬が抑制され、ケースによる振動エネルギーの吸収や音鳴りが緩和される。
(2)前記導電性端子のうち、前記ダンピング部材が接合される位置から前記圧電振動子の前記表面電極に接する位置までの部分の最低次の共振周波数は、前記圧電振動子の共振周波数よりも高いことが好ましい。このことにより、圧電振動子の表面電極と導電性端子との電気的接続状態が安定化される。
(3)例えば、前記導電性端子は、前記ケースの外側に露出する外部引出部を含み、当該外部引出部の端部は回路基板への実装用端子である。このことにより、ケースの外部に露出する実装用端子を個別に設ける必要がなく、少ない部品点数で圧電振動デバイスが構成される。
(4)前記ダンピング部材は、前記導電性端子のうち、前記圧電振動子の前記表面電極に接する位置から離れた位置に配置されることが好ましい。このことにより、圧電振動子の表面電極と導電性端子との電気的接触に対してダンピング部材が干渉せず、安定な電気的導通状態を確保できる。また、導電性端子の弾性が確保できる。
(5)例えば、前記導電性端子の前記内部引出部は、前記圧電振動子の前記表面電極側へ折り返された折り返し部を有し、前記ダンピング部材は、前記折り返し部の背面と前記ケースの内面との間に配置される。このことにより、ケース内の限られた空間で導電性端子の弾性を確保できる。
(6)上記(5)において、前記圧電振動子の前記表面電極と前記ダンピング部材とは、例えば前記折り返し部を挟んで対向する。このことにより、導電性端子の弾性が確保できる。
(7)例えば、前記導電性端子は、前記ダンピング部材が接合される位置から前記ケース固定部までの間に曲部を有する。このことにより、ケース内の限られた空間で導電性端子の弾性を確保できる。
本発明によれば、ケース等による振動エネルギーの吸収やケースの寄生振動を抑制できる圧電振動デバイスが得られる。
図1は第1の実施形態に係る圧電トランス101の断面図である。 図2は圧電振動子1の第1面S1を上面にした斜視図である。 図3は、圧電振動子1の平面図である。 図4は、入力振動部10Aおよび出力振動部10Bの振動方向を説明するための図である。 図5は第2の実施形態に係る圧電トランス102の断面図である。 図6は第3の実施形態に係る圧電トランス103の断面図である。
以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。第2の実施形態以降では第1の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
《第1の実施形態》
図1は第1の実施形態に係る圧電トランス101の断面図である。圧電トランス101は、本発明の圧電振動デバイスの一例である。圧電トランス101は、圧電振動子1、ケース2、カバー3、導電性端子41,42、ダンピング部材51,52、および柔軟性固定部材61,62を備える。
図2は圧電振動子1の第1面S1を上面にした斜視図である。圧電振動子1は、直方体形状の圧電素子10と、この圧電素子10の第1面S1の、互いに対向する2辺に沿って形成された外部電極11,12,13,14を備える。外部電極11,12は入力振動部の外部電極、外部電極13,14は出力振動部の外部電極である。これら外部電極11,12,13,14は本発明に係る「表面電極」の一例である。
図3は、圧電振動子1の平面図である。圧電素子10の第1面S1には、入力側第1外部電極11、入力側第2外部電極12、出力側第1外部電極13および出力側第2外部電極14が設けられている。いずれの外部電極11,12,13,14も、短辺および長辺からなる面を有する矩形状である。そして、外部電極11,12,13,14は、長辺がX軸方向、短辺がZ軸方向に一致するように、圧電素子10の側面に設けられている。
入力振動部10Aには、複数の入力側第1内部電極111と、複数の入力側第2内部電極121とが設けられている。入力側第1内部電極111は、円板状であり、入力側第1外部電極11に導通している。入力側第2内部電極121は、円板状であり、入力側第2外部電極12に導通している。
入力側第1内部電極111と入力側第2内部電極121とは、上記円板の法線方向がX軸方向となるように、X軸方向に沿って交互に設けられている。
出力振動部10Bには、複数の出力側第1内部電極131と,複数の出力側第2内部電極141とが設けられている。出力側第1内部電極131は、円板状であり、出力側第1外部電極13に導通している。出力側第2内部電極141は、円板状であり、出力側第2外部電極14に導通している。
出力側第1内部電極131と出力側第2内部電極141とは、上記円板の法線方向がX軸方向となるように、X軸方向に沿って交互に設けられている。
図4は、入力振動部10Aおよび出力振動部10Bの振動方向を説明するための図である。図4に示す矢印は、入力振動部10Aおよび出力振動部10Bにおける圧電素子10の伸縮方向である。破線は、圧電素子10の応力分布を示す。また、図4の下部に示す実線の波形は、振動する圧電素子10のX軸方向の変位分布を示す。
入力側第1外部電極11と入力側第2外部電極12とに交流電圧が印加されると、入力側第1内部電極111と入力側第2内部電極121との間に電界が生じる。すなわち、入力振動部10Aには分極方向に電界が加えられる。このとき、例えば、入力側第1内部電極111を挟んで、X軸方向のプラス方向側とマイナス方向側とは互いに反対方向に電界が印加される。そして、逆圧電効果により分極方向、すなわち、圧電素子10のX軸方向を厚みとする厚み縦振動が励振され、図4の矢印に示すように、入力振動部10AはX軸方向に伸縮する。
上記縦振動が励振されると、出力振動部10BではX軸方向(分極方向)に機械的歪みが生じ、図4の矢印に示すように、出力振動部10BはX軸方向に伸縮する。この圧電素子10は2λ/2振動モードで振動するので、入力振動部10Aと出力振動部10Bの伸縮方向は逆である。そして、圧電縦効果により、出力側第1内部電極131と出力側第2内部電極141との間に電位差が生じ、出力側第1外部電極13および出力側第2外部電極14から交流電圧が出力される。
入力振動部10Aにおける振動変位が最も小さい第1ノードN1は入力側第1外部電極11および入力側第2外部電極12の形成範囲内にある。また、出力振動部10Bにおける振動変位が最も小さい第2ノードN2は出力側第1外部電極13および出力側第2外部電極14の形成範囲内にある。圧電振動子1は、振動変位が最も小さい位置(ノードN1,N2)で支持されることで、圧電振動子1の振動阻害が抑制される。
図1に示したように、ケース2は、圧電振動子1を収納するキャビティCAを内部に形成する。ケース2およびカバー3は例えばABS(アクリルニトリルブタジエンスチレン)、PC(ポリカーボネート)、LCP(液晶ポリマー)等の樹脂成型体である。外部電極11、導電性端子41およびダンピング部材51による圧電振動子1の支持構造と、外部電極12、導電性端子42およびダンピング部材52による圧電振動子1の支持構造とは同じである。ここでは、外部電極11、導電性端子41およびダンピング部材51による圧電振動子1の支持構造について説明する。
導電性端子41は、弾性を有し、ケース固定部41s、内部引出部41i、外部引出部41eを含む。ケース固定部41sはケース2に固定される。導電性端子41は例えば燐青銅板や黄銅板を打ち抜き加工し、フォーミングしたものである。内部引出部41iはケース2内に引き出され、圧電振動子1の外部電極11に接する。この外部電極11に対する内部引出部41iの当接位置は図4に示したノードN1である。外部引出部41eはケース2の外側に露出する。この外部引出部41eの端部は回路基板への実装用端子41tである。
内部引出部41iは、折り返し部41fおよび屈曲部41bを有する。折り返し部41fは圧電振動子1の外部電極11側へ折り返されている。屈曲部41bは折り返し部41fとケース固定部41sとの間に形成されている。
ダンピング部材51は、導電性端子41の内部引出部41iとケース2の内面との間に設けられ、導電性端子41の内部引出部41iとケース2の内面とを繋ぐ。すなわち、ダンピング部材51は、導電性端子41のうち、圧電振動子1の外部電極11に接する位置から離れた位置に配置されている。特に、本実施形態では、ダンピング部材51は、折り返し部41fの背面とケース2の内面との間に配置されている。また、圧電振動子1の外部電極11とダンピング部材51とは、折り返し部41fを挟んで対向する。このダンピング部材51は例えばシリコーンゴムである。
上記ダンピング部材51は導電性端子41に比べて損失係数が高い。上記導電性端子41もダンピング部材51も弾性体であるが、ダンピング部材51は、導電性端子41に比べて、貯蔵弾性率(実部弾性率)に対する損失弾性率(虚部弾性率)の比が高い。すなわち損失係数が高い。この損失係数は制振材料の制振特性の評価指標の一つであり、損失係数が高い程、制振特性に優れる。
以上、外部電極11、導電性端子41およびダンピング部材51による圧電振動子1の支持構造について述べたが、外部電極12、導電性端子42およびダンピング部材52による圧電振動子1の支持構造についても同様である。
導電性端子41,42のうち、ダンピング部材51,52が接合される位置から圧電振動子1の外部電極11,12に接する位置までの部分の最低次の(基本波の)共振周波数ftは、圧電振動子1の共振周波数(圧電振動子の駆動周波数)fpよりも高い。このことにより、圧電振動子1の外部電極11,12と導電性端子41,42との電気的接続状態が安定化される。仮に、上記2つの共振周波数がft<fpの関係にあると、圧電振動子1の外部電極11,12に対する導電性端子41,42の内部引出部41i,42iの接触追従が遅れて、両者間の電気的接続が断続するおそれがある。本実施形態によれば、上記2つの共振周波数がft>fpの関係にあるので、圧電振動子1の外部電極11,12と導電性端子41,42との電気的接続状態が安定化される。
以上、外部電極11,12に係わる構造に関して述べたが、図4に示した外部電極13,14に係わる圧電振動子1の支持構造についても同様である。
圧電トランス101は例えば次の工程で製造される。
(1)導電性端子41,42とケース2とをインサート成形により形成する。
(2)圧電振動子1の下面に、両面粘着シート等の柔軟性固定部材61を貼付する。
(3)圧電振動子1を、柔軟性固定部材61を介して、圧電振動子1をケース2の内底面に載置する。この状態で、導電性端子41,42の内部引出部41i,42iの折り返し部41f,42fが圧電振動子1の外部電極11,12に当接する。
(4)導電性端子41,42の内部引出部41i,42iとケース2の内壁面との間に、液状シリコーンゴムをディスペンサーで吐出した後に重合反応により硬化させる。または、予め成型したシリコーンゴムを、導電性端子の内部引出部41i,42iとケース2の内壁面との間に挿入することで設ける。
(5)カバー3の内面に両面粘着シート等の柔軟性固定部材62を貼付する。
(6)カバー3をケース2の開口部を覆うように載置し、カバー3をケース2に溶着する。
本実施形態によれば、導電性端子41,42の振動伝達経路の途中に、導電性端子41,42とケース2とを繋ぐダンピング部材51,52が存在することにより、振動漏れのエネルギーはダンピング部材51,52で吸収される。そのため、導電性端子41,42のうち、ダンピング部材51,52の形成位置より外側の部分やケース2への振動伝達が軽減される。これにより、特に導電性端子41,42やケース2が共振状態になることを防止でき、圧電振動子の振動エネルギーの吸収作用が抑えられ、顕著な効率低下や「音鳴り」現象が抑制される。また、圧電振動子1は安定して振動する。
なお、導電性端子41,42の途中で導電性端子41,42を包み込むようにダンピング部材51,52を形成しても、ある程度の効果はある。しかし、導電性端子41,42とダンピング部材51,52とが一体となって振動すると、ダンピング部材51,52は殆ど変形しないので、ダンピング効果は得られない。本実施形態によれば、導電性端子41,42の内部引出部41i,42iとケース2の内面との間を繋ぐようにダンピング部材51,52が形成されることにより、ダンピング部材51,52の変形が大きくなって、効果的なダンピング特性が得られる。
また、導電性端子41,42のうち、ダンピング部材51,52が接合される位置から圧電振動子1の外部電極11,12に接する位置までの部分(振動部分)の最低次の共振周波数が圧電振動子1の共振周波数よりも高いことにより、圧電振動子1の外部電極11,12と導電性端子41,42との電気的接続状態が安定化される。すなわち、導電性端子41,42の弾性力が付勢されているにもかかわらず、導電性端子41,42が外部電極11,12から離間する瞬間が発生する、といったことがない。
上記離間を回避するためのはんだ付けなど機械的固定手段を用いると、導電性端子または外部電極は常に振動ストレスに晒されることになるため、半田クラックや電極剥がれなどの問題を生じるおそれがあるが、本実施形態によれば、その問題は生じない。
なお、導電性端子41,42のうち、ダンピング部材51,52が接合される位置から圧電振動子1の外部電極11,12に接する位置までの振動部分の最低次の共振周波数を高めるために、上記振動部分の長さを短くすることが有効である。上記ダンピング部材51,52を設けることで上記振動部分の長さは短くなるので、ダンピング部材51,52を設けることは、上記共振周波数の設定のためにも効果的である。
また、本実施形態によれば、圧電振動子1の外部電極11,12と導電性端子41,42とが固定されていないため、圧電振動子1とケース2との間に発生する熱膨張ストレスを緩和できる。これにより、接続信頼性が向上するとともに、組み立て部材や工数を低減できる。
また、本実施形態によれば、ダンピング部材51,52は、導電性端子41,42のうち、圧電振動子1の外部電極11,12に接する位置から離れた位置に配置されることにより、圧電振動子1の外部電極11,12と導電性端子41,42との電気的接触に対してダンピング部材が干渉せず、安定な電気的導通状態を確保できる。また、導電性端子41,42の弾性が確保できる。
また、ダンピング部材51,52は、折り返し部41f,42fの背面とケース2の内面との間に配置されることにより、更には、圧電振動子1の外部電極11,12とダンピング部材51,52とは、折り返し部41f,42fを挟んで対向することにより、ケース2内の限られた空間で導電性端子41,42の弾性を確保できる。
また、導電性端子41,42は、ダンピング部材51,52が接合される位置からケース固定部41s,42sまでの間に屈曲部41b,42bを有することにより、ケース2内の限られた空間で導電性端子41,42の内部引出部41i,42iの弾性を確保できる。
また、本実施形態によれば、導電性端子41,42の外部引出部41e,42eは、ケース2の外部に露出していて、弾性を有するので、圧電トランス101を実装先の回路基板等に搭載した場合に、圧電トランス101のケース2と回路基板との熱膨張ストレスが抑制される。特に、圧電トランス等の圧電振動デバイスは一般的な表面実装部品に比べて大型で重量のある部品であり、回路基板に搭載した場合に、回路基板と、ケースとの線膨張係数の違いによる熱膨張ストレスが無視できず、半田クラック等の原因となるが、本実施形態によれば、このストレスを緩和できる。
《第2の実施形態》
第2の実施形態では、第1の実施形態で示したものとは異なる形状の部材で構成される圧電トランスについて示す。
図5は第2の実施形態に係る圧電トランス102の断面図である。圧電トランス102は、本発明の圧電振動デバイスの一例である。圧電トランス102は、圧電振動子1、ケース2、導電性端子41,42、およびダンピング部材51,52を備える。
ケース2は、圧電振動子1を収納するキャビティCAを内部に形成する。外部電極11、導電性端子41およびダンピング部材51による圧電振動子1の支持構造と、外部電極12、導電性端子42およびダンピング部材52による圧電振動子1の支持構造とは同じである。ここでは、外部電極11、導電性端子41およびダンピング部材51による圧電振動子1の支持構造について説明する。
導電性端子41は、弾性を有し、ケース固定部41s、内部引出部41i、外部引出部41eを含む。ケース固定部41sはケース2に固定される。内部引出部41iはケース2内に引き出され、圧電振動子1の外部電極11に接する。外部引出部41eはケース2の外側に露出する。この外部引出部41eの端部は回路基板への実装用端子41tである。
ダンピング部材51は、導電性端子41の内部引出部41iとケース2の内面との間に設けられ、導電性端子41の内部引出部41iとケース2の内面とを繋ぐ。
各部材の材質等については第1の実施形態で示したものと同じである。
本実施形態によれば、ケースへの振動の伝搬が抑制され、ケースによる振動エネルギーの吸収や音鳴りが緩和される。
《第3の実施形態》
第3の実施形態では、第1・第2の実施形態で示したものとは異なる形状の部材で構成される圧電トランスについて示す。
図6は第3の実施形態に係る圧電トランス103の断面図である。圧電トランス103は、本発明の圧電振動デバイスの一例である。圧電トランス103は、圧電振動子1、ケース2、導電性端子41,42、ダンピング部材51,52および柔軟性固定部材61を備える。本実施形態では、圧電振動子1の同一面に外部電極11,12が形成されている。各部材の材質等については第1の実施形態で示したものと同じである。
ケース2は、圧電振動子1を収納するキャビティCAを内部に形成する。導電性端子41は、ケース固定部41s、内部引出部41i、外部引出部41eを含み、導電性端子42は、ケース固定部42s、内部引出部42i、外部引出部42eを含む。ケース固定部41s,42sはケース2に固定される。内部引出部41i,42iはケース2内に引き出され、圧電振動子1の外部電極11,12に接する。外部引出部41e,42eはケース2の外側に露出する。この外部引出部41e,42eの端部は回路基板への実装用端子41t,42tである。
ダンピング部材51、52は、導電性端子41,42の内部引出部41i,42iとケース2の内面との間に設けられ、導電性端子41,42の内部引出部41i,42iとケース2の内面とを繋ぐ。
内部引出部41i,42iは、ダンピング部材51,52が接合される位置からケース固定部41s,42sまでの間に屈曲部41b,42bを有する。
本実施形態によれば、ケース2への振動の伝搬が抑制され、ケースによる振動エネルギーの吸収や音鳴りが緩和される。
なお、以上に示した各実施形態では、圧電トランスを例示したが、ケースとこのケースに収容される圧電振動子とを備える圧電振動子デバイスについて同様に適用できる。
また、第1・第3の実施形態では、導電性端子41,42に屈曲部41b,42bを有する例を示したが、この屈曲部41b,42bは、「屈曲部」に限らず「湾曲部」であってもよく、一般的には「曲部」であればよい。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
CA…キャビティ
N1…第1ノード
N2…第2ノード
S1…第1面
1…圧電振動子
2…ケース
3…カバー
10…圧電素子
10A…入力振動部
10B…出力振動部
11…入力側第1外部電極(表面電極)
12…入力側第2外部電極(表面電極)
13…出力側第1外部電極(表面電極)
14…出力側第2外部電極(表面電極)
41,42…導電性端子
41b,42b…屈曲部
41e,42e…外部引出部
41f,42f…折り返し部
41i,42i…内部引出部
41s,42s…ケース固定部
41t,42t…実装用端子
51,52…ダンピング部材
61,62…柔軟性固定部材
101,102,103…圧電トランス(圧電振動デバイス)
111…入力側第1内部電極
121…入力側第2内部電極
131…出力側第1内部電極
141…出力側第2内部電極

Claims (7)

  1. 外面に表面電極が形成された圧電振動子と、
    前記圧電振動子を収納するキャビティを内部に形成するケースと、
    弾性を有し、ケース固定部が前記ケースに固定され、前記ケース内に引き出され、前記圧電振動子の前記表面電極に接する内部引出部を含む導電性端子と、
    前記導電性端子の前記内部引出部と前記ケースの内面との間に設けられ、前記導電性端子の前記内部引出部と前記ケースの内面とを繋ぐ、前記導電性端子より損失係数の高いダンピング部材と、
    を備える圧電振動デバイス。
  2. 前記導電性端子のうち、前記ダンピング部材が接合される位置から前記圧電振動子の前記表面電極に接する位置までの部分の最低次の共振周波数は、前記圧電振動子の共振周波数よりも高い、請求項1に記載の圧電振動デバイス。
  3. 前記導電性端子は、前記ケースの外側に露出する外部引出部を含み、当該外部引出部の端部は回路基板への実装用端子である、請求項1または2に記載の圧電振動デバイス。
  4. 前記ダンピング部材は、前記導電性端子のうち、前記圧電振動子の前記表面電極に接する位置から離れた位置に配置される、請求項1から3のいずれかに記載の圧電振動デバイス。
  5. 前記導電性端子の前記内部引出部は、前記圧電振動子の前記表面電極側へ折り返された折り返し部を有し、
    前記ダンピング部材は、前記折り返し部の背面と前記ケースの内面との間に配置される、請求項1から4のいずれかに記載の圧電振動デバイス。
  6. 前記圧電振動子の前記表面電極と前記ダンピング部材とは前記折り返し部を挟んで対向する、請求項5に記載の圧電振動デバイス。
  7. 前記導電性端子は、前記ダンピング部材が接合される位置から前記ケース固定部までの間に曲部を有する、請求項1から6のいずれかに記載の圧電振動デバイス。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114674875A (zh) * 2022-03-14 2022-06-28 电子科技大学 一种压电薄膜纵向有效压电系数的测量方法

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