JP6923476B2 - 圧電振動装置およびこれを備えた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動装置およびこれを備えた電子機器に関するものである。

従来から、圧電素子を励振器に用いた小型、低電流駆動の圧電振動装置が知られている。このような圧電振動装置は、例えばパネルスピーカ等の音響発生器に応用されている（例えば、特許文献１を参照。）。

国際公開第２０１３−１７１９１８号公報

近年、音響発生器では新規規格制定等の動きにあわせ、更なる音圧の向上が要求されている。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、振動の振幅を向上させた圧電振動装置および音圧を向上させた電子機器を提供することを目的とする。

本開示の圧電振動装置は、振動板と、該振動板に一方主面が貼り付けられ、他方主面に複数の表面電極を有する長尺板状の圧電素子と、該圧電素子に接続された一対のリード線とを備えている。そして、一対のリード線のうちの一方のリード線が、前記圧電素子の他方主面のうちの長手方向の一端部にはんだで接合され、当該一端部から長手方向の外側に向かって延びている。また、前記一対のリード線のうちの他方のリード線が、前記圧電素子の他方主面のうちの長手方向の他端部にはんだで接合され、当該他端部から長手方向の外側に向かって延びている。

本開示によれば、圧電振動装置の振動の振幅を向上させることができる。特に、圧電振動装置を音響発生器として用いた場合には、その音圧を向上させることができる。

圧電振動装置の実施形態の一例を示す概略平面図である。 図１に示す圧電振動装置の概略斜視図である。 図１に示す圧電振動装置のIII−III線で切断した概略断面図である。 図１に示す圧電振動装置のIV−IV線で切断した概略断面図である。 圧電振動装置の実施形態の他の例を示す概略断面図である。 圧電振動装置の実施形態の他の例を示す概略平面図である。 電子機器の実施形態の一例を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して、圧電振動装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１〜図４に示す圧電振動装置１は、振動板１１と、振動板１１に一方主面が貼り付け
られ、他方主面に複数の表面電極１２３を有する長尺板状の圧電素子１２と、圧電素子１２に接続された一対のリード線１３とを備えている。

圧電振動装置１を構成する振動板１１は、例えば矩形状の薄板である。振動板１１は、例えばアクリル樹脂やガラス等の剛性および弾性が大きい材料を用いることができる。また、振動板１１の厚みは、例えば０．３ｍｍ〜１．５ｍｍに設定される。

振動板１１には、圧電素子１２の一方主面（下面）が貼り付けられている。圧電素子１２は、長手方向を有する長尺板状である。

圧電素子１２は、図３および図４に示すような、圧電体層１２１および内部電極層１２２が積層された積層体１２０と、積層体１２０の上面に設けられた表面電極１２３と、積層体１２０の側面に設けられた側面電極１２４とを備えるいわゆる積層型のものを用いることができる。

積層体１２０は、圧電体層１２１および内部電極層１２２が例えば振動板１１に垂直な方向にそれぞれ複数積層された積層構造を有している。振動板１１の上に搭載された圧電素子１２に電気信号を加えることによって、圧電素子１２を屈曲振動させて振動板１１を振動させる。

例えば、携帯端末の筐体の一部またはディスプレイに取り付けて使用される積層型の圧電素子１２の場合には、積層体１２０の長手方向の長さは、例えば１８ｍｍ〜２８ｍｍとされる。積層体１２０の幅は、例えば１ｍｍ〜６ｍｍとされる。積層体１２０の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜２．０ｍｍとされる。

積層体１２０を構成する圧電体層１２１は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。圧電体層３１の１層の厚みは、低電圧で駆動させるために、例えば０．０１〜０．１ｍｍに設定される。また、大きな屈曲振動を得るために、２００ｐｍ／Ｖ以上の圧電ｄ３１定数を有することができる。

積層体１２０を構成する内部電極層１２２は、例えば圧電体層１２１を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたものである。内部電極層１２２は、対向する一対の側面に互い違いに引き出されている。この形成材料として、例えば銀または銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができるが、これらにセラミック成分やガラス成分を含有させてもよい。

圧電素子１２の他方主面（上面）には少なくとも２つの表面電極１２３が設けられている。また、積層体１２０の側面には側面電極１２４が設けられている。側面電極１２４は、内部電極層１２２と表面電極１２３とを電気的に接続している。

表面電極１２３および側面電極１２４は、例えば銀ガラス含有導電性ペーストを塗布し、焼き付けることで、形成することができる。

なお、圧電素子１２は、積層型に限られず、単層の圧電体と、圧電体の表面に設けられた表面電極とを備えるいわゆる単板型のものであってもよい。

そして、複数の表面電極１２３のうちの一つに一対のリード線１３のうちの一方が接続
され、複数の表面電極１２３のうちの他の一つに一対のリード線１３のうちの一方が接続されて、外部回路（外部電源）と電気的に接続される。

ここで、一対のリード線１３のうちの一方のリード線１３１が、圧電素子１２の他方主面のうちの長手方向の一端部にはんだで接合され、当該一端部から長手方向の外側に向かって延びている。一方、一対のリード線１３のうちの他方のリード線１３２が、圧電素子１２の他方主面のうちの長手方向の他端部にはんだで接合され、当該他端部から長手方向の外側に向かって延びている。すなわち、一方のリード線１３１と他方のリード線１３２とは、圧電素子１２の他方主面の互いに異なる端部から反対側に向かって延びている。

リード線１３の接合部を圧電素子１２の一端部および他端部に設けることで、屈曲振動をダンピングしてしまうリード線１３の接合部を一ヶ所に大きな面積で設けるよりも小さくして分散させることとなり、振動エネルギーの損失を抑制することができる。

また、リード線１３が導電性樹脂ではなくはんだで接合されていることで、圧電素子１２の両端部の剛性が上がり、圧電素子１２の屈曲振動が振動板１１により伝わるようになる。

さらに、一対のリード線１３は、両端部からそれぞれ反対側の長手方向の外側に向かって延びているので、圧電素子１２の屈曲振動を妨げないように配置されている。したがって、圧電振動装置１の振動の振幅を向上させることができる。特に、圧電振動装置１を音響発生器として用いた場合には、その音圧を向上させることができる。

なお、圧電素子１２の他方主面（上面）の両端部とは、長手方向に沿って５等分以上に分割したときの最も端にある領域のことを意味している。

ここで、図３および図４に示すように、圧電素子１２は、具体的には、圧電体層１２１と、長手方向の一端部の端面に引き出され、当該一端部の端面から他端部に向かって延びる第１の内部電極層１２２１と、長手方向の他端部の端面に引き出され、当該他端部の端面から一端部に向かって延びる第２の内部電極層１２２２とを有し、圧電体層１２１を介して第１の内部電極層１２２１と第２の内部電極層１２２２とが交互に積層された積層体１２０を含んでいる。

このとき、圧電素子１２の他方主面のうちの長手方向の一端部にある第１はんだ接合部１４１は、積層方向から平面透視したときに第２の内部電極層１２２２と重ならない位置と重なる位置とにまたがっているとともに、圧電素子１２の他方主面のうちの長手方向の他端部にある第２はんだ接合部１４２は、積層方向から平面透視したときに第１の内部電極層１２２１と重ならない位置と重なる位置とにまたがっていてもよい。

この構成によれば、第１はんだ接合部１４１および第２はんだ接合部１４２を、第１の内部電極層１２２１と第２の内部電極層１２２２とが積層方向に重なる活性領域の端部を押さえ込むような位置に設けることとなり、部分的な質量負荷効果で振動エネルギーが伝達しやすくなり、圧電素子１２の屈曲振動が振動板１１により伝わるようになる。したがって、圧電振動装置１を音響発生器として用いた場合には、その音圧をより向上させることができる。

また、第１はんだ接合部１４１および第２はんだ接合部１４２の一部を、第１の内部電極層１２２１および第２の内部電極層１２２２の両方と重ならない位置（不活性領域）に設けることで、はんだと表面電極１３、はんだとリード線１３との接合強度を確保することができ、リード線１３または第１はんだ接合部１４１、第２はんだ接合部１４２の剥が
れを抑制できる。

また、図５に示すように、積層方向から平面視したときに、第１はんだ接合部１４１の長手方向に沿った長さと第２はんだ接合部１４２の長手方向に沿った長さとが異なっていてもよい。例えば、第１はんだ接合部１４１の長手方向に沿った長さが０．５〜２ｍｍのとき、第１はんだ接合部１４１の長手方向に沿った長さと第２はんだ接合部１４２の長手方向に沿った長さとの差は例えば０．５〜１．５ｍｍとすることができる。図５においては、第１はんだ接合部１４１の長手方向に沿った長さを第２はんだ接合部１４２の長手方向に沿った長さよりも長くしている。

この構成によれば、はんだによる振動拘束領域を圧電素子１２の一端部側と他端部側とで異ならせ、振動の対称性を低下させることができる。これにより、共振領域にスプリアスを発生させ、周波数−音圧特性におけるピークディップ領域の分割を誘発させ、ピークディップ差を低減できる。したがって、圧電振動装置１を音響発生器として用いた場合には、音圧を向上でき、加えて音質を向上できる。

ここで、図６に示すように、第１はんだ接合部１４１の長手方向に沿った長さが第２はんだ接合部１４２の長手方向に沿った長さよりも長く、長手方向に沿った方向における圧電素子１２の一端部の端面から振動板１１の外周までの距離が圧電素子１２の他端部の端面から振動板１１の外周までの距離よりも長くてもよい。例えば、長手方向に沿った方向における圧電素子１２の一端部の端面から振動板１１の外周までの距離が０．５〜２ｍｍのとき、長手方向に沿った圧電素子１２の他端部の端面から振動板１１の外周までの距離は例えば０．５〜５ｍｍ短くすることができる。

この構成によれば、圧電素子１２と振動板１１とからなる複合振動体の対称性を低下させることができる。これにより、複合振動体の共振領域にスプリアスを発生させ、周波数−音圧特性におけるピークディップ領域の分割を誘発させ、ピークディップ差をさらに低減できる。また、長さの長い第１はんだ接合部１４１が、長さの短い第２はんだ接合部１４２よりも、圧電素子１２の長手方向に沿って振動板１１の一端から他端までの長さの中央寄りに位置することで、振動エネルギーが振動板１１の中央寄りに伝わり、音圧向上に寄与する。したがって、圧電振動装置１を音響発生器として用いた場合には、音圧を向上でき、加えて音質を向上できる。

振動板１１は例えば携帯端末などの筐体（ケース）の一部またはディスプレイであってもよい。また、振動板１１の周縁部は、例えばステンレスなどの金属、樹脂などからなる枠状の支持体で固定されていてもよい。

次に、圧電振動装置１の製造方法について説明する。
まず、圧電体層１２１となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。

次に、内部電極層１２２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法
を用いて内部電極層１２２のパターンで塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００〜１２００℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって、交互に積層された圧電体層１２１および内部電極層１２２を備えた積層体１２０を作製する。

積層体１２０は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、圧電体層１２１と内部電極層１２２とを複数積層してなる積層体１２０を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。

その後、銀を主成分とする導電粒子とガラスとを混合したものに、バインダー，可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを、表面電極１２３のパターンで積層体の主面にスクリーン印刷法等によって印刷するとともに、側面電極１２４のパターンで積層体１２０の側面に印刷して乾燥させた後、６５０〜７５０℃の温度で焼き付け処理を行ない、表面電極１２３および側面電極１２４を形成して、圧電素子１２を作製する。

次に、薄板状の振動板１１を用意する。そして、振動板１１の上に接着剤や接着テープを用いて圧電素子１２を接合する。

そして、リード線１３を圧電素子１２の表面電極１２３に当接させ、はんだこてを用いてリード線１３を表面電極１２３にはんだ付けすることで、表面電極１２３にリード線１３を接合できる。このとき、第１はんだ接合部１４１および第２はんだ接合部１４２の長手方向に沿った長さを調整するには、はんだの量を異ならせればよい。

以上の方法により、圧電振動装置１を作製することができる。

次に、電子機器の実施形態について説明する。

本開示の電子機器１０は、図７に示すように、上述の圧電振動装置と、圧電振動装置に接続された電子回路５と、圧電振動装置および電子回路５を収容する筐体６とを備え、圧電振動装置が音響を発生させることを特徴とするものである。なお、図７には説明に必要となる構成要素のみを示しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。また、図７には圧電振動装置は示していないが、筐体６の一部またはディスプレイが振動板１１となり、これと圧電素子１２との組み合わせで圧電振動装置（音響発生器）となる。

電子機器１０は、電子回路５を備える。電子回路５は、たとえば、コントローラ５１と、送受信部５２と、キー入力部５３と、マイク入力部５４とから構成される。電子回路５は、圧電素子１２に接続されており、圧電素子１２へ音声信号を出力する機能を有している。

コントローラ５１は、電子機器１０の制御部である。送受信部５２は、コントローラ５１の制御に基づき、アンテナ６２を介してデータの送受信などを行う。キー入力部５３は、電子機器１０の入力デバイスであり、操作者によるキー入力操作を受け付ける。マイク入力部５４は、同じく電子機器１０の入力デバイスであり、操作者による音声入力操作などを受け付ける。表示部は、電子機器１０の表示出力デバイスであり、コントローラの制御に基づき、表示情報の出力を行う。

圧電素子１２は、電子機器１０における音響出力デバイスとして動作する。なお、圧電素子１２は、電子回路５のコントローラ５１に接続されており、コントローラ５１によっ
て制御された電圧の印加を受けて振動し、音響を発することとなる。

また、電子機器１０は、表示部６１と、アンテナ６２とを備える。表示部６１は、画像情報を表示する機能を有するディスプレイを有している。例えば、液晶ディスプレイ，プラズマディスプレイ，および有機ＥＬディスプレイ等の既知のディスプレイを好適に用いることができる。なお、ディスプレイは、タッチパネルのような入力装置を有するものであってよい。また、ディスプレイのカバーが振動板１１となって、これがタッチパネルのような入力装置を有するものであっても構わない。さらに、ディスプレイ全体や、ディスプレイの一部が振動板１１として機能するようにしても構わない。

電子機器１０は、これら各デバイスを収容または構成部品とする筐体６を備えており、図では、１つの筐体６にコントローラ５１をはじめとする各デバイスがすべて収容または構成部品とされている状態をあらわしているが、この形態を限定するものではない。

なお、ここでは、電子機器１０が携帯端末であるものとして説明を行ったが、電子機器１０の種別を問うものではなく、音響を発する機能を有する様々な民生機器に適用されてよい。たとえば、薄型テレビやカーオーディオ機器は無論のこと、音響を発する機能を有する製品、例を挙げれば、掃除機や洗濯機、冷蔵庫、電子レンジなどといった種々の製品に用いられてよい。

このような電子機器１０は、振動の振幅の向上した圧電振動装置を備えるので、高音圧かつ高音質の電子機器を実現できる。

１ 圧電振動装置
１１ 振動板
１２ 圧電素子
１２１ 圧電体層
１２２ 内部電極層
１２２１ 第１の内部電極層
１２２２ 第２の内部電極層
１２３ 表面電極
１２４ 側面電極
１３ リード線
１４１ 第１はんだ接合部
１４２ 第２はんだ接合部
１０ 電子機器
５ 電子回路
５１ コントローラ
５２ 送受信部
５３ キー入力部
５４ マイク入力部
６ 筐体
６１ 表示部
６２ アンテナ

Claims (5)

1. 振動板と、該振動板に一方主面が貼り付けられ、他方主面に複数の表面電極を有する長尺板状の圧電素子と、該圧電素子に接続された一対のリード線とを備え、該一対のリード線のうちの一方のリード線が、前記圧電素子の他方主面のうちの長手方向の一端部にはんだで接合され、当該一端部から長手方向の外側に向かって延びているとともに、前記一対のリード線のうちの他方のリード線が、前記圧電素子の他方主面のうちの長手方向の他端部にはんだで接合され、当該他端部から長手方向の外側に向かって延びていることを特徴とする圧電振動装置。
2. 前記圧電素子は、圧電体層と、前記長手方向の一端部の端面に引き出され、当該一端部の端面から他端部に向かって延びる第１の内部電極層と、前記長手方向の他端部の端面に引き出され、当該他端部の端面から一端部に向かって延びる第２の内部電極層とを有し、前記圧電体層を介して前記第１の内部電極層と前記第２の内部電極層とが交互に積層された積層体を含んでおり、前記圧電素子の他方主面のうちの長手方向の一端部にある第１はんだ接合部は、積層方向から平面透視したときに第２の内部電極層と重ならない位置と重なる位置とにまたがっているとともに、前記圧電素子の他方主面のうちの長手方向の他端部にある第２はんだ接合部は、積層方向から平面透視したときに第１の内部電極層と重ならない位置と重なる位置とにまたがっていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動装置。
3. 積層方向から平面視したときに、前記圧電素子の他方主面のうちの長手方向の一端部にある第１はんだ接合部の前記長手方向に沿った長さと前記圧電素子の他方主面のうちの長手方向の他端部にある第２はんだ接合部の前記長手方向に沿った長さとが異なっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電振動装置。
4. 前記第１はんだ接合部の前記長手方向に沿った長さが前記第２はんだ接合部の前記長手方向に沿った長さよりも長く、前記長手方向に沿った方向における前記圧電素子の前記一端部の端面から前記振動板の外周までの距離が前記圧電素子の前記他端部の端面から前記振動板の外周までの距離よりも長いことを特徴とする請求項３に記載の圧電振動装置。
5. 請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の圧電振動装置と、該圧電振動装置に接続された電子回路と、前記圧電振動装置および前記電子回路を収容する筐体とを備え、前記圧電振動装置が音響を発生させることを特徴とする電子機器。
   

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