JP5534938B2

JP5534938B2 - 圧電スピーカ

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Publication number: JP5534938B2
Application number: JP2010119342A
Authority: JP
Inventors: 健二山川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2030-05-25
Also published as: JP2011249990A

Description

本発明は、圧電スピーカに関し、特に、コンピュータ、携帯電話機または小型端末機器、音響機器等に用いられる圧電スピーカに関するものである。

従来、圧電スピーカとしては、圧電体を電気音響変換素子に用いて小型低電流駆動の音響機器として知られており、小型機器の音響出力機器として使用されている。一般的に、圧電スピーカは、金属振動板に銀薄膜等の電極を有する圧電素子を設けた構造を有している。圧電スピーカの発音機構は、圧電素子の両面に交流電流をかけることで圧電素子に形状歪みを発生させ、金属振動板を振動させることにより発生させている。

従来の圧電スピーカは、金属振動板の上下面に圧電素子を設けることによりバイモルフ型振動体を構成し、金属振動板の外周を固定枠部材で固定したものが知られている（特許文献１参照）。

この特許文献１に記載された圧電スピーカでは、不要振動を抑制するため、バイモルフ型振動体を、その上下面からダンパ材としての高分子フィルムで挟み込み、ラミネートすることが記載されている。

このバイモルフ型振動体は、金属振動体の両側の圧電素子に、一方が延びる時には他方は縮むように電流をかけることにより、金属振動板が圧電素子の形成側に突出したり凹んだりする振動を繰り返すことになる。

特開２００１−２８５９９４号公報

しかしながら、従来の特許文献１記載の圧電スピーカでは、金属振動板の上下面に、薄い圧電体層を用いた圧電素子を接着していたため、圧電素子が剛性の高い金属振動体を十分に振動させることができず、高い音圧が得られにくいという問題があった。

本発明は、高い音圧を得ることができる圧電スピーカを提供することを目的とする。

本発明の第１の圧電スピーカは、圧電体層を電極層で挟んで構成された一対の圧電素子を、樹脂製の支持フィルムの両面に対向するようにそれぞれ接合し、前記一対の圧電素子をそれぞれ被覆する樹脂製の被覆フィルムを前記支持フィルムにそれぞれ積層し、前記圧電素子の周囲の前記支持フィルムおよび前記被覆フィルムを、固定枠部材に固定してなり、前記被覆フィルムが凹部を有しており、該凹部に前記圧電素子が収容されていることを特徴とする。

本発明の第１の圧電スピーカでは、圧電素子が接合される支持フィルムと、圧電素子を
被覆する被覆フィルムとが、固定枠部材に固定されており、支持フィルムおよび被覆フィルムが振動板となり、金属製の振動板に圧電素子を接合し、金属製の振動板を固定枠部材で固定した従来の圧電スピーカと比較して、振幅が大きく、高い音圧を得ることができる。

また、本発明の第１の圧電スピーカでは、被覆フィルムが圧電素子と一体化でき、これにより、支持フィルムの振幅を大きくでき、圧電スピーカの音圧を向上することができる。

さらに、本発明の第２の圧電スピーカは、圧電体層を電極層で挟んで構成された一対の圧電素子を、樹脂製の支持フィルムの両面に対向するようにそれぞれ接合し、前記一対の圧電素子をそれぞれ被覆する樹脂製の被覆フィルムを前記支持フィルムにそれぞれ積層し、前記圧電素子の周囲の前記支持フィルムおよび前記被覆フィルムを、固定枠部材に固定してなり、前記支持フィルムと前記被覆フィルムとの間には、樹脂が充填されていることを特徴とする。本発明の第２の圧電スピーカは、被覆フィルム、圧電素子および支持フィルムを一体化でき、これにより、支持フィルムの振幅を大きくでき、圧電スピーカの音圧を向上することができる。

本発明の圧電スピーカでは、金属製の振動板に圧電素子を接合し、金属製の振動板を固定枠で固定した従来の圧電スピーカと比較して、支持フィルムの振幅が大きく、高い音圧を得ることができる。

本形態の圧電スピーカを示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のC‐C線に沿った断面図である。図１の圧電スピーカを作製する工程の一部を説明するための縦断面図である。被覆シートの凹部に圧電素子を収容した圧電スピーカの形態を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は被覆フィルムの縦断面図である。図１の圧電スピーカの被覆フィルムと支持フィルムとの間に樹脂ｐを充填した状態を示す縦断面図である。図３の圧電スピーカの被覆フィルムと支持フィルムとの間に樹脂ｐを充填した状態を示す縦断面図である。被覆フィルム間を締め付け部材で締め付けた圧電スピーカの形態を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。（ａ）〜（ｄ）は、支持フィルムおよび被覆フィルムの固定枠への固定を説明するための断面図である。

以下、圧電スピーカの一実施形態を図１に基づいて説明する。図１は圧電スピーカを示すもので、理解を容易にするため、積層型圧電素子の厚み方向ｙを拡大して示した。尚、図２〜７についても同様である。

圧電スピーカは、図１に示すように、圧電素子１、２を、樹脂製の支持フィルム３の両面に対向するようにそれぞれ接合し、各圧電素子１、２をそれぞれ被覆する樹脂製の被覆フィルム４、５を支持フィルム３の両側にそれぞれ積層し、圧電素子１、２の周囲の支持フィルム３および被覆フィルム４、５を固定枠部材６に固定して構成されている。

圧電素子１は、２層のセラミックスからなる圧電体層７ａ、７ｂと１層の内部電極層９ａとを交互に積層してなる積層体１３と、この積層体１３の上下両面に形成された表面電極層１５ａ、１５ｂと、積層体１３の長手方向ｘの両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極１７、１９とを具備している。

外部電極層１７は、表面電極層１５ａ、１５ｂに接続され、外部電極層１９は、1層の
内部電極層９ａに接続されている。

圧電素子２は、２層のセラミックスからなる圧電体層７ｃ、７ｄと１層の内部電極層９ｂとを交互に積層してなる積層体１４と、この積層体１４の上下両面に形成された表面電極層１５ｃ、１５ｄと、積層体１４の長手方向ｘの両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極１８、２０とを具備している。

外部電極層１８は、表面電極層１５ｃ、１５ｄに接続され、外部電極層２０は、1層の
内部電極層９ｂに接続されている。

圧電素子１、２の圧電体層７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ（以下、圧電体層７という場合がある）は、図１に矢印で示すように、交互に分極されており、圧電体層７ａ、７ｂが縮む場合には圧電体層７ｃ、７ｄが延びるように、外部電極層１７、１８、１９、２０に電圧が印加されるように構成されている。

圧電体層７としては、ＰＺ、ＰＺＴ、Ｂｉ層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等、従来用いられている圧電セラミックスを用いることができる。圧電体層７の厚みは、低電圧駆動という観点から、１０〜１００μｍとされている。

内部電極層９ａ、９ｂ（以下、内部電極層９という場合がある）としては、銀とパラジウムからなる金属成分と圧電体層７を構成する材料成分とを含有することが望ましい。内部電極層９に圧電体層７を構成するセラミック成分を含有することにより、圧電体層７と内部電極層９との熱膨張差による応力を低減することができ、積層不良の殆どない圧電素子１、２を得ることができる。内部電極層９は、特に、銀とパラジウムからなる金属成分に限定されるものではなく、また、セラミック成分として、圧電体層７を構成する材料成分に限定されるものではなく、他のセラミック成分であっても良い。

表面電極層１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ（以下、表面電極層１５ということがある）と外部電極１７、１８、１９、２０は、銀からなる金属成分にガラス成分を含有することが望ましい。ガラス成分を含有することにより、圧電体層７や内部電極層９と、表面電極層１５または外部電極１７、１８、１９、２０との間に強固な密着力を得ることができる。

固定枠部材６は、図１（ｂ）に示すように、矩形状をなしており、２枚の矩形枠状の固定枠部材６ａ、６ｂを貼り合わせて構成されており、固定枠部材６ａ、６ｂ間には樹脂フィルム３、４、５の外周部が挟み込まれ、接着剤により接合固定されている。なお、図１では、接着剤の記載は省略した。固定枠部材６ａ、６ｂは、例えば、厚みが１００〜１０００μｍのステンレス製とされている。本発明では、固定枠部材６ａ、６ｂの厚み、材質等は特に限定されるものではない。

支持フィルム３は、図１（ａ）に示すように、被覆フィルム４、５よりも厚く形成されており、固定枠部材６ａ、６ｂ間に支持フィルム３の外周部を挟み込むことにより、支持フィルム３が面方向に張力をかけられた状態で、固定枠部材６ａ、６ｂに固定され、支持フィルム３および被覆フィルム４、５が振動板の役割を果たしている。支持フィルム３の厚みは、例えば、１０〜１００μｍとされ、被覆フィルム４、５の厚みは、例えば、５〜５０μｍとされ、支持フィルム３の厚みが被覆フィルム４、５よりも厚く形成されている。

支持フィルム３、被覆フィルム４、５は、例えば、ポリエチレン、ポリイミド等の樹脂から構成されている。本形態では、支持フィルム３、被覆フィルム４、５の厚み、材質等は特に限定されるものではない。

被覆フィルム４、５は、図１（ａ）に示すように、支持フィルム３よりも薄く、変形がある程度容易なものから構成され、被覆フィルム４、５は、支持フィルム３の上下に配置された圧電素子１、２を覆い、フィルム３、４、５とで、圧電素子１、２をラミネートしている。なお、本形態の圧電スピーカでは、少なくとも支持フィルム３に張力がかけられた状態で固定枠部材６ａ、６ｂに固定されている。

外部電極１７、１８、１９、２０には、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、それぞれ引出配線２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが接続され、外部に引き出されている。これらの引出配線２１ａ、２１ｂは、支持フィルム３と被覆フィルム４との間に挟まれ、さらに固定枠部材６ａ、６ｂとの間に挟まれており、また、引出配線２１ｃ、２１ｄは、支持フィルム３と被覆フィルム５との間に挟まれ、さらに固定枠部材６ａ、６ｂとの間に挟まれている。

圧電スピーカの製法について説明する。先ず、積層型の圧電素子１、２を準備する。圧電素子１は、先ず、圧電材料の粉末にバインダー、分散剤、可塑剤、溶剤を混練し、スラリーを作製する。圧電材料としては、鉛系、非鉛系のうちいずれでも使用することができる。

次に、得られたスラリーをシート状に成形し、グリーンシートを得ることができ、このグリーンシートに内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンを形成し、この内部電極パターンが形成されたグリーンシートの上面にはグリーンシートのみ積層して、積層成形体を作製する。

次に、この積層成形体を脱脂、焼成し、所定寸法にカットすることにより積層体１３を得ることができる。積層体１３は、必要に応じて外周部を加工し、積層体１３の圧電体層７ａ、７ｂの積層方向の主面に表面電極層１５ａ、１５ｂのペーストを印刷し、引き続き、積層体１３の長手方向ｘの両側面に外部電極１７、１９のペーストを印刷し、所定の温度で電極の焼付けを行うことにより、図１に示す圧電素子１を得ることができる。同様にして圧電素子２も得ることができる。

次に、圧電素子１に圧電性を付与するために、表面電極層１５ａ、１５ｂ又は外部電極１７、１９を通じて直流電圧を印加して、圧電素子１の圧電体層７a、７ｂの分極を行う
。同様にして圧電素子２の分極を行う。分極は、図１に矢印で示す方向とする。

次に、支持フィルム３を準備し、この支持フィルム３の外周部を、図２に示すように仮固定枠部材２６ａ、２６ｂ間に挟み、支持フィルム３に張力をかけた状態で固定する。この後、支持フィルム３に接着剤を塗布して、その支持フィルム３上に圧電素子１の表面電極１５ｂ側を押し当て、この後、接着剤を熱や紫外線を照射することにより硬化させる。そして、被覆フィルム４を、圧電素子１および仮固定枠部材２６ａの上面まで被覆し、支持フィルム３と被覆フィルム４との間の空気を、支持フィルム３と被覆フィルム４とを熱融着することにより抜き、支持フィルム３を圧電素子１および被覆フィルム４に密着させる。

次に、支持フィルム３に接着剤を塗布して、その支持フィルム３上に圧電素子２の表面電極１５ｃ側を押し当て、この後、接着剤を熱や紫外線を照射することにより硬化させる。そして、被覆フィルム５を、圧電素子２および仮固定枠部材２６ｂの上面まで被覆し、支持フィルム３と被覆フィルム５との間の空気を、支持フィルム３と被覆フィルム５とを熱融着することにより抜き、被覆フィルム５を圧電素子２および支持フィルム３に密着させる。

この後、仮固定枠部材２６ａ、２６ｂの内側部分、言い換えると、支持フィルム３の外周部であって、被覆フィルム４、５が積層された部分を、固定枠部材６ａ、６ｂで挟み、接着剤で接合固定し、仮固定枠部材２６ａ、２６ｂを除去することにより、本形態の圧電スピーカを得ることができる。

以上のように構成された圧電スピーカでは、圧電体層７と内部電極層９とを交互に積層した圧電素子１、２を支持フィルム３に接合し、圧電素子１、２の表面を被覆フィルム４、５で被覆し、支持フィルム３、被覆フィルム４、５の外周部を固定枠部材６で固定したため、支持フィルム３と被覆フィルム４、５との間に圧電素子１、２を収容して一体化でき、また樹脂製の支持フィルム３、被覆フィルム４、５が振動板となり、樹脂製のフィルム３、４、５の振幅を大きくできるため、高い音圧を得ることができる。

また、圧電体層７の厚みが薄くても全体としての被覆フィルム４、５でラミネートされ、割れ等が生じにくくなり、信頼性が向上する。また、圧電素子１、２の支持フィルム３からの剥離を被覆フィルム４、５で防止することができる。

尚、図１の圧電スピーカでは、圧電素子１、２における圧電体層７の積層数を２層としたが、本形態の圧電スピーカでは、圧電素子１、２における圧電体層７の積層数は特に限定されるものではなく、例えば、１層であっても良く、３層以上であっても良い。圧電体層が１層の場合には、その表面に表面電極層が形成されることになる。

図３は、圧電スピーカのさらに他の形態を示すもので、この形態では、図３（ｂ）に示すように、被覆フィルム４、５には予め凹部３３がそれぞれ形成されており、この凹部３３内に圧電素子１、２が収容されている。被覆フィルム４、５の凹部３３の深さは、圧電素子１、２の厚さと同等とされている。

このような圧電スピーカでは、被覆フィルム４、５が圧電素子１、２と一体化でき、これにより、振幅を大きくでき、圧電スピーカの音圧を向上することができる。

図４は、圧電スピーカの他の形態を示すもので、図１の支持フィルム３と被覆フィルム４、５との間であって、圧電素子１、２の周囲が樹脂ｐにより充填され、圧電素子１、２が支持フィルム３と被覆フィルム４、５との間に接合固定されている。

支持フィルム３と被覆フィルム４、５との間であって、圧電素子１、２の周囲に樹脂ｐを充填した圧電スピーカは、圧電素子１、２の上面およびその近傍の支持フィルム３の上面に樹脂ｐを塗布し、その上を被覆フィルム４、５で被覆し、支持フィルム３と被覆フィルム４、５との間の空気を抜くことにより、作製することができる。

このような圧電スピーカでは、支持フィルム３のみならず被覆フィルム４、５も振動板となることができるとともに、圧電素子１、２を支持フィルム３と被覆フィルム４、５との間に確実に接合固定でき、振動板として機能するフィルム３、４、５の振幅をさらに向上することができる。

なお、支持フィルム３と、圧電素子１、２を収容する凹部３３を有する被覆フィルム４、５との間であって、圧電素子１、２の周囲に、図５に示すように、樹脂ｐを充填しても良いことは勿論である。この場合にも、上記と同様の効果を得ることができる。このような圧電スピーカも、上記図４の圧電スピーカと同様にして作製することができる。

図６は、圧電スピーカのさらに他の形態を示すもので、図１の被覆フィルム４、５が締め付け部材３５により支持フィルム３側に締め付けられ、支持フィルム３、被覆フィルム
４、５が締め付け部材３５による締め付け部で一体となっている。この締め付け部材３５は、矩形状の圧電素子１、２の周囲に、圧電素子１、２の各辺に対応するように、各辺に対して所定間隔をおいて４個配置されており、被覆フィルム４、５側に設けられたそれぞれの部材を、例えばネジ等で締め付けることにより、締め付け部材３５で被覆フィルム４、５が支持フィルム３側に締め付けられ、一体となっている。

このような圧電スピーカでは、圧電素子１、２と、支持フィルム３、被覆フィルム４、５の一体化をさらに促進でき、振動板として機能するフィルム３、４、５の振幅をさらに向上することができる。

なお、支持板として樹脂フィルムを用いる場合には、従来の金属板を支持板とする場合と異なり、張力をかけた状態で、固定枠部材６に接合固定する必要があるため、支持フィルム３、被覆フィルム４、５の固定枠への固定を考慮する必要がある。

図７（ａ）は、樹脂からなる支持フィルム３、被覆フィルム４、５が一体となった部分を接着剤５１で接合した従来の場合であり、（ｂ）は支持フィルム３、被覆フィルム４、５の積層体を貫通する貫通孔５３を所定間隔で形成し、被覆フィルム４、５の固定枠部材６側面と固定枠部材６とを接着剤５１で接合するともに、貫通孔５３内に接着剤５１を充填して、固定枠部材６に支持フィルム３、被覆フィルム４、５を固定した場合である。この図７（ｂ）の場合には、固定枠部材６に対して、支持フィルム３、被覆フィルム４、５に張力をかけた場合でも、安定して固定することができる。なお、固定枠部材６にも貫通孔を形成し、この固定枠部材６の貫通孔と積層体の貫通孔５３にボルトを挿入し、固定することにより、固定枠部材６に支持フィルム３、被覆フィルム４、５をさらに確実に固定することができる。

また、図７（ｃ）は、固定枠部材６の外側の、支持フィルム３、被覆フィルム４、５が積層された部分に貫通孔が形成されており、この貫通孔内を楔５５が貫通している。この図７（ｃ）の場合には、固定枠部材６に対して、支持フィルム３、被覆フィルム４、５に強い張力をかけた場合でも、安定して固定することができる。

さらに、図７（ｄ）は、固定枠部材６の内側部分が拡幅された拡幅部５７とされており、拡幅部５７に充填された接着剤５９は、固定枠部材６の外側部分における接着剤６１よりも、弾性変形可能とされている。この図７（ｄ）の場合には、固定枠部材６の外側部分における接着剤６１で支持フィルム３、被覆フィルム４、５を固定し、拡幅部５７で支持フィルム３、被覆フィルム４、５の大きな変形を許容することができる。なお、接着剤６１による固定が弱い場合には、図７（ｂ）に示す構造、図７（ｃ）に示す構造を採用することもできる。

１、２・・・圧電素子
３・・・支持フィルム
４、５・・・被覆フィルム
６、６ａ、６ｂ・・・固定枠部材
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ・・・圧電体層
９、９ａ、９ｂ・・・内部電極層
１３、１４・・・積層体
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ・・・表面電極層
１７、１８、１９、２０・・・外部電極層
２１a、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ・・・引出配線
３３・・・凹部
ｘ・・・圧電素子の長手方向
ｙ・・・圧電素子の厚み方向
ｐ・・・樹脂

Claims

圧電体層を電極層で挟んで構成された一対の圧電素子を、樹脂製の支持フィルムの両面に対向するようにそれぞれ接合し、前記一対の圧電素子をそれぞれ被覆する樹脂製の被覆フィルムを前記支持フィルムにそれぞれ積層し、前記圧電素子の周囲の前記支持フィルムおよび前記被覆フィルムを、固定枠部材に固定してなり、前記被覆フィルムが凹部を有しており、該凹部に前記圧電素子が収容されていることを特徴とする圧電スピーカ。
圧電体層を電極層で挟んで構成された一対の圧電素子を、樹脂製の支持フィルムの両面に対向するようにそれぞれ接合し、前記一対の圧電素子をそれぞれ被覆する樹脂製の被覆フィルムを前記支持フィルムにそれぞれ積層し、前記圧電素子の周囲の前記支持フィルムおよび前記被覆フィルムを、固定枠部材に固定してなり、前記支持フィルムと前記被覆フィルムとの間には、樹脂が充填されていることを特徴とする圧電スピーカ。