JP2004266643A - 圧電発音素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧特性及び音圧特性が改善され低コストである、圧電発音素子及びその製造方法を提供するものである
【解決手段】本発明に係る圧電発音素子は、圧電素子３３とこの圧電素子３３を貼り付けた振動板３２とからなる圧電振動板３４を少なくとも有する振動体３６を有し、振動板３２が、比剛性値（＝弾性率／比重）５０［ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ］以上の材料から成る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器に組み込まれる圧電発音素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の小型高性能化、通信技術の進歩により、発音素子自体も小型化・薄型化が進んでいる。圧電発音素子は原理的に構造が簡単で特に薄型化に適しており、各種電子機器に広く使われている。圧電発音素子の代表的な例としては圧電ブザーがある。図２７Ａ，Ｂは圧電ブザーの一例を示す。この圧電ブザー１は、円形の圧電素子２と金属薄板による振動板３とを接着して成る圧電振動板４が設けられ、この圧電振動板４の外周部が、機器の筐体５に形成された突起部６に接着され、圧電素子２の両面、即ち金属の振動板３と圧電素子２の表面の電極間、に信号電圧７を印加する事により音を出すというものである。
【０００３】
従来、圧電発音素子は、周波数による発生音圧の変動が著しく大きく、高品位な音を発音することが難しく、電子音（ブザー音）等の用途に限定されていた。一方、圧電素子を用いた高音質な小型スピーカーも検討されてきている。
特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４には、圧電素子を用いた圧電型スピーカーが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２２６９９９号公報
【特許文献２】
特開２００２−１９９４９３号公報
【特許文献３】
特許第２５５１８１３号
【特許文献４】
特願平１１−１６４３９６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧電発音素子は、一般的に、厚さ数１０μｍ〜１００μｍ程度の薄型の素子を振動板となる厚さ数１０μｍ〜１００μｍ程度の金属板（ステンレス合金、ニッケル鉄合金、銅合金、チタン合金、アルミ合金等）に接着する構造が用いられている。この内、図２８Ａに示すように金属板８の一方にのみ圧電素子２を接着する構造と、図２８Ｂに示すように金属板８を挟んで２枚の圧電素子を接着する構造とが有る。
【０００６】
ところで、圧電発音素子を携帯機器に用いる場合の問題の一つに、低電圧信号に対する感度が低いという事が有る。圧電素子は電圧駆動型素子であり、マグネットスピーカーのような電流駆動型と異なる。つまり音声信号周波数領域において、圧電発音素子は消費電流を少なく抑えられる一方で高い電圧を印加する必要が有る。圧電発音素子は、電力消費量で比べた場合マグネットスピーカーに対して低消費電力化が可能であるが、高い電圧を必要とするという点で扱いが難しい。一般的なリチウムイオンバッテリーの場合、電源電圧は３．７Ｖ程度であるが、ＢＴＬ（Ｂｒｉｄｇｅｄ Ｔｒａｎｓｌｅｓｓ）駆動型アンプを用いる事で圧電発音素子に６Ｖｐｐ程度の信号を印加できる。しかし、１０Ｖｐｐ程度が必要となった場合、電源電圧が足りずＤＣ−ＤＣコンバーターによる昇圧回路を新たに追加する必要が有る。このように、圧電発音素子から出来るだけ大きな音圧を出す場合は、どうしても高い電圧が必要となる事が問題となっている。
【０００７】
圧電発音素子の電圧感度を高める手法としては、積層圧電素子を用いる事が
有効である。この積層圧電素子では、例えば図２９に示すように、数１０μｍの薄い圧電層９と電極１０を積層させた構造の圧電素子２_１を用いている。各圧電層９を挟んで積層された対の電極１０は、夫々互いに並列接続されて信号源ＳＧに接続される。積層圧電素子２_１の製法は、一般的な積層セラミックコンデンサの製法とほぼ同じで、焼成温度や内部電極の材料などが異なっていることが多い。
【０００８】
図３０は一般的な圧電素子２と積層圧電素子２_１の比較を示している。積層圧電素子２_１の各層の電界Ｅは、印加電圧Ｖ，層厚ｄとした場合、Ｅ＝Ｖ／ｄで与えられる。すなわち、電界Ｅは電圧に比例し、層厚ｄに反比例する。図３０Ａに示す一般的な圧電素子、即ち非積層の圧電素子２の電界は、Ｅ＝Ｖ／２ｄとなる。一方、図３０Ｂに示す積層圧電素子２_１の電界では、Ｅ”＝Ｖ／ｄとなる。非積層圧電素子２と積層圧電素子２_１の電界の関係は、Ｅ”＝２Ｅとなり、つまり積層圧電素子２_１の電界は、非積層圧電素子２の電界の２倍となる。圧電素子の歪み量は電界に比例するので、この例によれば、同じ電圧印加に対して発生歪みが２倍になる。このように、電圧に対して発生歪み（発音素子の場合、最終的には音圧）を大きくする為には、積層圧電素子２_１を用いるのが有効であるが、その一方で、積層圧電素子２_１を用いることによるコストアップを生じる。また、圧電素子部分の信頼性の確保等の問題を含んでいる。以上のように、低価格を維持しながら圧電発音素子の電圧感度を改善する事は難しい。
【０００９】
本発明は、上述の点に鑑み、電圧特性及び音圧特性が改善され低コストである、圧電発音素子及びその製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電発音素子は、圧電素子とこの圧電素子を貼り付けた振動板とからなる圧電振動板を少なくとも有する振動体を有し、振動板を比剛性値（＝弾性率／比重）が５０［ ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ］ 以上の材料で形成した構成とする。
【００１１】
本発明に係る圧電発音素子によれば、振動板を比剛性値が５０［ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ］ 以上の軽くて強い材料で形成されるので、金属振動板に比べて出力を上げることが可能になり、音圧及び電圧の性能を改善することが出来る。
【００１２】
本発明に係る圧電発音素子の製造方法は、少なくとも圧電素子と比剛性値が
５０〜２００〔ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ〕の範囲を満たす材料からなる振動板とを突合わせ加圧して仮接合を行う工程と、仮接合された仮接合体を、所要の加熱・加圧条件下で前記振動板の自己融着作用により、前記圧電素子と前記振動板との接合を行い圧電振動板を形成する工程とを有する。
【００１３】
本発明に係る圧電発音素子の製造方法によれば、圧電素子と振動板を突合わせ加圧して仮接合し、この仮接合体を所要の加熱・加圧を加えることで振動板の自己融着作用により、圧電素子と振動板とが接合一体化されて圧電振動板が形成される。これによって、振動領域が拡大され音響特性の改善され、音圧特性及び電圧特性に優れた圧電発音素子の製造が可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電発音素子は、圧電素子を接着する振動板を従来の金属板から繊維強化プラスティック材等の比剛性の高い材料に変更して構成する。繊維強化型プラスティックは、一般的な金属材料に比べて弾性率／比重＝比剛性が高い特徴を持っている。すなわち「軽くて強い」材料である。この材料を振動板に用いることにより、金属振動板比で５ｄＢ程度出力を上げる事が可能である事を確認した。繊維強化プラスティックには幾つかの種類があるが、例えばカーボン繊維と熱硬化型樹脂を組み合わせた複合材を用いることがきる。このカーボン繊維と熱硬化性樹脂とによる複合材料は所定の温度（例えば１００℃〜１４０℃程度、熱硬化型樹脂の硬化条件による温度）を加えることにより硬化し、またこのとき所定の圧力で他部材を押しつければ強固に接着する事も可能である。この特徴を生かせば、圧電素子と振動板の接着を繊維強化型プラスティックの接着機能により行う事も可能で、従来の金属板との接着のように新たな接着剤の塗布も必要無い。このように、繊維強化型プラスティック振動板を用いるときは、圧電発音素子の音圧及び電圧の性能を改善することが可能になる。これは非積層圧電素子は勿論、積層圧電素子を用いた場合にも有効である。
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る圧電発音素子の一実施の形態を示す。本実施の形態に係る圧電発音素子３１は、弾性率／比重＝比剛性値で定義される比剛性値の高い材料、例えば繊維強化型プラスティック材を振動板３２として用い、この振動板３２の一方の面あるいは両面、本例では両面に２枚の圧電素子３３〔３３Ａ，３３Ｂ〕を接合して一体化した圧電振動板３４を設け、この圧電振動板３４の面、本例では両面を柔軟な樹脂シート３５〔３５Ａ，３５Ｂ〕で被覆して振動体３６を形成し、さらにこの振動体３６の外周部の一面に振動体３６の振動に追従して変形するフレーム部材３７を固着して構成される。振動板３２の面積は、圧電素子３３の面積より大きく形成される。柔軟な樹脂シート３５は、圧電振動板３４より大きな面積を有し、フレーム部材３７の外形と略等しい大きさである。樹脂シート３５は、フレーム部材３７の一方の粘着面に貼り付けられる。また、圧電振動板３４の外形は、フレーム部材３７の内形寸法よりも小さくなっており、圧電振動板３４の外周部には２枚の柔軟な樹脂シート３５〔３５Ａ，３５Ｂ〕のみの領域（いわゆる柔軟部）が形成されている。この圧電発音素子３１は、圧電素子３３を含む振動体３６が、樹脂シート３５のみの柔軟部を経て弾力性を有したフレーム部材３７により直接、固定部例えば機器の放音孔２７を有する筐体２６に支持される。
【００１７】
圧電発音素子３１では、圧電素子３３を含む振動発生部位と、両面が柔軟な樹脂シート３５で被覆された部位、柔軟な樹脂シート３５のみの部位、さらに弾力性を有したフレーム部材３７の部位というように、振動発生部位から振動体３６の筐体２６への支持部へと剛性が段階的に低くなるような構造となり、振動体の振動領域を柔軟に支持するように構成される。
【００１８】
繊維強化型樹脂（プラスティック）は、用いる繊維材料や樹脂の組み合わせにより性能が変わる。繊維材としては、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ボリアリレート繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が有る。一方この繊維材と組み合わせる樹脂は、熱硬化型樹脂や熱可塑性樹脂が用いられる。材料の性能（弾性率や比重）は、これら構成材料の特性や、繊維と樹脂の配合率や繊維の配向性などによってコントロールする事が出来る。図３Ａ，Ｂ（三面図）は、繊維強化型プラスティックの構成例を示す。図３Ａは、互いに直交する２方向Ｘ，Ｙに夫々配向された繊維４２と、樹脂４１とが組み合わされた構造である。図３Ｂは、一方向、例えばＸ方向にのみ配向された繊維４２と、樹脂４１とが組み合わされた構造である。これら繊維強化型プラスティックは、特に高い比剛性が要求される分野、例えば航空機や車、建築物などの分野に広く使われている。本実施の形態では、この比剛性が高い繊維強化型プラスティックを振動板に積極的に用いる。
【００１９】
本実施の形態で用いる繊維強化型プラスティックは、その比剛性値が５０〔ＧＰａ／ｃｍ^３／ｇ〕以上の材料であり、好ましくは５０〜２００〔ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ〕の範囲を満たす材料である。比剛性値は高いほど良い。５０〔ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ〕より小さいと金属の比剛性値に近づくので音圧、電圧特性を向上する効果が小さくなる。２００〔ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ〕とした理由は、２００〔ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ〕を越える材料が入手困難なこと、高価なことあり、非現実的であることによる。表１は、本実施の形態に適用し得る代表的な繊維強化型プラスティックと比較のための金属について、引張り弾性率と比重、及び比剛性＝引張り弾性率／比重の値を示したものである。
【００２０】
【表１】

【００２１】
比剛性が大きいほど、軽くて強い材料であると言える。表１から分かる様に、一般的な金属の比剛性は２５前後である。それに対して、繊維強化型プラスティックの比剛性は６０〜２００［ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ］程度となり、金属に対して２倍〜８倍程度と非常に大きい事が分かる。比剛性が高いことは圧電スピーカーの振動板に対して非常に有効である。それは以下の理由による。
【００２２】
一般的に、スピーカーの効率は、振動系の質量Ｍ０が大きくなるほど低下する。この為、振動系の質量Ｍ０は低い事が望ましい。振動系のＭ０は、圧電素子の重量、振動板の重量、その他ラミネートフィルムの重量等の合計でほぼ決まるが、振動板の重量を減らし、かつ必要な強度を確保する上で、比剛性の高い材料を用いるのが有効である。従って、比剛性の高い繊維強化型プラスティックを振動板に用いる事で、スピーカーの効率を上げることが可能になる。
【００２３】
比剛性については、繊維材料や含有比率、等によって異なるが、表１より勘案して、５０〜２００［ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ］程度の比剛性の材料を用いる事が出来る。また、実際には、圧電スピーカーの大きさなどによって適宜に組み合わせて使う事が望ましい。
比剛性が小さい場合は、振動系の質量Ｍ０が増える為に、効率が下がる。つまり、重いものを動かす為にはその分力を増やす必要が有るためである。
基本的には比剛性が大きいほど望ましい。使用にあたっては、必要な板厚や、部品材料費などを考慮して選定することが望ましい。また、一般的に繊維強化形プラスティックは、金属に比べ振動減衰が早いという特徴を持っており、これはスピーカー材料に適している。
【００２４】
圧電素子３３は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料で形成され、出来るだけ厚さの薄いものが望ましい。圧電素子３３の厚みは、素子面積にもよるが、１００μｍ以下のものを用いることが良い。圧電素子３３の両面に形成する電極３８は、例えばＡｇ，Ｎｉ，Ａｕ等のメタライズ電極膜、例えば導電性ペーストによる電極膜で形成することができる（図２参照）。圧電素子３３は各種の形状のものを用いることができる。例えば、図４Ａ，Ｂに示すような円形素子３３_１、正方形素子３３_２、図５Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤに示すような楕円形素子３３_３、長方形素子３３_４、円形の２ヵ所をその直径に対して平行かつ線対称となる直線でカットした小判形素子３３_５、同様に円形を２分割するように直線でカットした半円形素子３３_６等を用いることができる。好ましくは、図４Ａ〜Ｄの縦横比が１でない形状がよい。
【００２５】
柔軟な樹脂シート３５〔３５Ａ，３５Ｂ〕は、一般的なプラスティックフィルムである、ポリプロピレン樹脂フィルムやポリエチレン樹脂フィルム、ポリエステル樹脂フィルム、ポリイミド樹脂フィルム、その他熱可塑性樹脂フィルム等などを選択して用いることができる。本例では、フィルムの材質や厚みにより特に音質が変化する為、選定には注意が必要である。例えば５０ｍ厚のポリエステル樹脂シートを用いることができる。樹脂シート３５Ａと３５Ｂに同じ樹脂シートを用いてもよく、あるいは樹脂シート３５Ａと３５Ｂとに互いに異なる樹脂シートを用いてもよい。
【００２６】
フレーム部材３７としては、ある必要な厚みを有する事と弾力性を有する事が望ましく、かつ両面粘着性を持つ事が必要である。このフレーム部材３７は、いわゆるスポンジ両面接着テープを用いることができる。例えば、日東電工社製の特殊発泡ポリエチレン両面粘着テープ（Ｎｏ５７１３：厚み０．３３ｍｍ）等がフレーム部材３７として適している。その他、住友３Ｍ社製のポリエチレンフォーム材等も適している。フレーム部材３７の選定は、必要厚み、耐熱性その他により選定する事が必要となる。
【００２７】
次に、本実施の形態の圧電発音素子３１の音圧ー周波数特性について、参考例と比較して説明する。なお、圧電スピーカについて評価した。
【００２８】
圧電素子としては、直径φ２５ｍｍ、厚さ５０μｍの圧電素子を用いるが、小型化と低コスト化を達成する為に、焼成後の円形圧電素子３３_１（図６Ａ参照）を２分割して半円形状とした圧電素子３３_７とする（図６Ｂ参照）。この半円形圧電素子３３_７を振動板３２′を挟んで２枚接着することにより、１枚の円形圧電素子３３_１から、２枚の半円形状のバイモルフ圧電振動板３４′を作る（図６Ｃ参照）。この圧電振動板３４′をポリエステル樹脂シートにて被覆し、外周に両面接着テープによるフレーム部材３７を接着し、圧電発音素子の試料とする。
【００２９】
図７は、上記半円形圧電素子３３_７を有するバイモルフ圧電振動板３４′を用いた比較例１に係る圧電発音素子３１２を示す。この圧電発音素子３１２では、半円形圧電素子３３_７に相似の半円形状で厚さ５０μｍの４２アロイ材（ＮｉＦｅ合金）からなる金属振動板３２２′を用いている。圧電発音素子３１２の振動領域（音圧発生部）は略半円形状になっており、圧電発音素子外形は略長方形状になる。このときの圧電発音素子３１２の音圧ー周波数特性を図８に示す。この圧電発音素子３１２は、８００Ｈｚ以上の帯域について非常に周波数平坦性が優れており、８００Ｈｚ以上で７０ｄＢ以上の音圧を確保している。
【００３０】
図９は、半円形圧電素子３３_７を用いてさらに低音側の音圧を改善した比較例２に係る圧電発音素子３１３を示す。この圧電発音素子３１３は、金属振動板の形状のみを拡大した場合である。圧電発音素子３１３は、半円形圧電素子３３_７を略長方形状の金属振動板（４２アロイ材）３２３′の両面に接着して構成される。略長方形状の金属振動板３２３′は、図７の金属振動板３２２′と比べて外形が大きくなっている。このときの圧電発音素子３１３の音圧−周波数特性を図１０に示す。この圧電発音素子３１３では、低音側の音圧が改善されている。
【００３１】
図１１は、比較例１（図８）と比較例２（図１０）の２つの音圧ー周波数特性を重ねたグラフを示す。曲線ａは比較例１、曲線ｂは比較例２を示す。このグラフから分かるように、金属振動板サイズを増やすことにより出力帯域を低域側にずらすことが可能である。一方で、７００Ｈｚ〜１ｋＨｚ近傍では逆に出力が下がっている。そして、１ｋＨｚ以上の帯域ではやはり７０ｄＢ以上を確保するに留まっている。このように、金属振動板を用いた場合は、振動板サイズの拡大による低域シフトはある程度可能であるが、全体的な出力の底上げを図るのは非常に難しいことが判る。
【００３２】
これに対し、図１２及び図１３は本実施の形態に係る圧電発音素子３１１の構成及びその音圧ー周波数特性を示す。本実施の形態の圧電発音素子３１１は、半円形圧電素子３３_７を用いると共に、振動板として繊維強化型プラスティック振動板３２１′を用い且つ振動板３２１′のサイズを比較例２の振動板３２３′と同じサイズの略長方形にして構成した。このときの圧電発音素子３１１の音圧−周波数特性は、図１３に示すように低域側及び高域側にわたり音圧が高くなっている。
図１４は、本実施の形態（図１３）と比較例１（図８）と比較例２（図１０）の３つの音圧ー周波数特性を重ねて比較したグラフを示す。曲線Ｃは本実施の形態を示す。特に図９の比較例２の圧電発音素子３１３と図１２の本実施の形態の圧電発音素子３１１は外形寸法がほぼ等しい。しかし、振動板３２３′に金属板を用いた比較例２に対して、振動板３２１′に繊維強化型プラスティックを用いた本実施の形態（曲線Ｃ参照）は、殆ど全ての帯域で出力が大きくなっていることが分かる。その改善量は周波数によって異なるが５ｄＢ〜１５ｄＢ程度と大きい。
【００３３】
図１３の音圧ー周波数特性に示すように、本実施の形態に係る圧電発音素子
３１１は、大凡６００Ｈｚ以上で７５ｄＢ以上を確保している。このように、全く同じ圧電素子３３_７を用いた場合に、振動板を金属から繊維強化型プラスティックに変更することにより、音圧出力の底上げが可能となり、音圧及び電圧の特性を改善することができる。すなわち、同じ駆動電圧であれば音圧特性を改善し、同じ音圧にすれば駆動電圧を下げることができる。
【００３４】
次に、前述の図１に示す本実施の形態の圧電発音素子３１の製造方法の一実施の形態を説明する。
繊維強化型プラスティック材として、本例では炭素繊維を配向した繊維強化型プラスティック材を用いる。この繊維強化型プラスティックは、例えば前述の図３Ｂに示すように、一方向にのみ炭素繊維が配向され、樹脂含有率が大凡５０％程度のもので、１３０℃で加熱硬化するタイプ材を用いる。なお、繊維強化型プラスティック材の厚みは、所定熱圧着条件下で１２０μｍとなるタイプを用いている。繊維強化型プラスティック材の加熱硬化前の状態（以下プリプレグという）では、樹脂が柔らかく且つタック性（粘着性）を有しており、通常、両面に剥離紙が付いている。
【００３５】
先ず図１５に示すように、この両面に剥離紙５１が被着した繊維強化型プラスティック材のプリプレグ３２′を振動板となる所定の大きさ、本例では１９ｍｍ×２６ｍｍの長方形状にカットする。このカット方法は、例えばロータリーカッターや切断機を用いても良いし、ビク型による打ち抜きも可能である。
【００３６】
次に、図１６に示すように、カットされたプリプレグ３２′の一方の剥離紙５１を剥がし、プリプレグ３２′の露出した一方の面上の所定の位置に一方の半円形状の圧電素子３３Ａ（両面には対の電極３８が形成されている）を乗せ軽く加圧を加える。これにより、プリプレグ３２′のタック性（粘着性）により圧電素子３３Ａは半接着、いわゆる仮接着の状態となる（図１６Ａ参照）。次に反対側の剥離紙５１を剥がしてプリプレグ３２′の露出した他方の面上の所定の位置に同じように他方の半円形状の圧電素子３３Ｂ（両面には対の電極３８が形成されている）を乗せて軽く加圧し、圧電素子３３Ｂをプリプレグ３２′に仮接合する（図１６Ｂ参照）。プリプレグ３２′の面積は、圧電素子３３〔３３Ａ，３３Ｂ〕の面積より大きい。
【００３７】
このとき、図１７に示すように、プリプレグ３２′の両面に夫々電極接続用の金属箔３９を貼りつけても良い。炭素繊維を配向した繊維強化型プラスティック材は、導電性を有しているも金属のように半田付け等による電極接続を行うことができない。従って、プリプレグ３２′の一部に銅テープのような金属箔３９を貼り、後述するプリプレグ３２′の硬化時に金属箔３９とプリプレグ３２′を接着すれば、圧電素子３３Ａ，３３Ｂの夫々の一方の電極３８の引き出しをこの銅テープによる金属箔３９の部分で行うことができる。
【００３８】
次に、図１８Ａに示すように、圧電素子３３と金属箔３９がプリプレグ３２′に仮接合された仮接合体５２を圧着治具５３にセットし、この仮接合体５２の状態で熱圧着を行い加熱硬化させる。この場合、プリプレグ３２′の硬化・接着条件に合わせた温度・圧力を加えるようにするが、圧着冶具５３とプリプレグ３２′の固着（いわゆる加熱硬化時の冶具への貼り付き）を防ぐ為に、所定の厚みのシリコンゴムシートやテフロンシート等の固着阻止シート５４でプリプレグ３２′を挟むようにすることが望ましい。
【００３９】
図１８Ｂは、圧着冶具装置５５を示す。実際は、圧着冶具装置５５に上記の仮接合体５２を多数個を並べ、且つ圧着用金属板５６を介して多数層に積層してセットする。このように加圧した状態で所要の硬化条件温度で熱硬化させる。これにより、プリプレグ３２′の樹脂部分が硬化すると同時に圧電素子３３［３３Ａ，３３Ｂ］と強固に接着される。同時に金属箔３９も接着される。このようにして、圧電素子３３〔３３Ａ，３３Ｂ〕が本接合されプリプレグ３２′が硬化されて圧電振動板３４が形成される（図１９参照）。
【００４０】
図１９は、圧着後の圧電素子３３と振動板３２が一体化された圧電振動板３４を示す。硬化後の圧電振動板３４の状態は加圧に用いるシリコンゴムの厚みや硬度によって異なるが、硬化後の圧電振動板３４の状態は大凡図１９のようになる。加圧前の状態では、圧電素子３３が接着されている部分は他のプリプレグ３２′のみの部分に対して厚く、加圧時にはその分だけ加圧量も大きくなる。このため、圧電素子３３の接着部分のプリプレグ３２′が薄くなり、プリプレグ３２′のみの外周部分が厚くなる。換言すれば、圧電素子３３の接着部分のプリプレグ３２′の厚みが、本来のプリプレグ硬化後の厚みＡに近くなる。プリプレグ３２′全面に対して必要加圧を加えると、硬化時に樹脂がはみ出すが、本実施の形態では、圧電素子３３の接着部以外の加圧量を小さくして、はみ出しを抑えるようにしている。従って、圧電素子３３部からはみ出す樹脂はプリプレグ３２′のみの外周部分に残留することになる。これら残留樹脂と元々持っている樹脂により、プリプレグ３２′のみの外周部分は厚みＢのように厚くなる。プリプレグ３２′の厚みＢについては、絶縁性の確保の観点から、圧電素子３３の厚みをｄとした場合、Ｂ＜２ｄ＋Ａの範囲になるようにする。
【００４１】
圧電発音素子として、例えば、圧電素子３３の厚みｄを５０μｍ、プリプレグ硬化後厚みＡを１２０μｍとするときは、プリプレグのみの部分の厚みＢは５０×２＋１２０＝２２０μｍ以下にしなくてはならない。本例の場合は大凡１５０μｍ前後となるようにしている。
【００４２】
次に、図２０に示すように、各圧電素子３３Ａ，３３Ｂにおいて、夫々金属箔３９と圧電素子の一方の電極３８に対をなす被覆リード線５６及び５７を半田等により電気的に接続する。これにより、圧電素子３３の一方の電極３８はリード線５６を通して導出され、他方の電極３８は、炭素繊維が配向された導電性を有する繊維強化型プラスティック振動板３２から金属箔３９を通して導出される。
【００４３】
次に、図２１に示すように、圧電振動板３４を圧電振動板３４より面積の大きい樹脂シート、例えばポリエステル樹脂テープ３５〔３５Ａ，３５Ｂ〕でラミネートし、振動体３６を形成する。
【００４４】
次に、図２２に示すように、所定の厚みを有して枠状に打ち抜かれたフレーム部材、本例ではスポンジ両面接着テープ３７を、振動体３６の圧電振動板３４を被覆した一方のポリエステル樹脂テープ３５Ｂの外周部（つまりポリエステル樹脂テープのみの部分）に合わせて接合する。このようにして、目的の圧電発音素子３１を製造する。
【００４５】
この圧電発音素子３１は、フレーム部材であるスポンジ両面接着テープ３７の他方の面の剥離紙５１を剥がすことで、図１に示すように、筐体２６等の部材に貼りつけることが可能になる。これにより、圧電発音素子３１の動作時に筐体２６側の放音孔２７より音圧を発生させることができる。
【００４６】
上例では、半円形状の圧電素子３３_７を用いたが、この形状に限定されるものでなく、例えば前述した図４及び図５の各形状の圧電素子３３_１〜３３_６等を用いることができる。基本的に振動板に繊維強化型プラスティック材を用いることにより、出力向上効果を得ることができる。但し、これは圧電発音素子のサイズ、必要再生周波数帯域等によって選択すべきである。
【００４７】
なお、上例では、フレーム部材３７を設けた構成としたが、フレーム部材３７を設けず、樹脂シート３５の外周部を直接に筐体２６等の支持部に取り付けるように構成することもできる。また、樹脂シート３５を用いずに、圧電振動板３４の外周部に直接フレーム部材３７を設けて筐体２６等の支持部に取り付けるように構成することもできる。
【００４８】
圧電振動板３４の両面を被覆する樹脂シート３５のうち、一方の樹脂シート３５Ａにポリプロピレン粘着シートを使用し、他方の樹脂シート３５Ｂに熱可塑性樹脂シートを使用することもできる。この場合ポリプロピレン粘着シート３５Ａは、ポリプロピレン樹脂シートをベースとし、圧電素子３３側の面に粘着層を有した粘着テープで形成される。厚みに関しては、ベースとなるポリプロピレン樹脂シートの厚さが例えば２０〜４０μｍ程度で、粘着層を含む総厚は例えば６０〜８０μｍ程度である。ポリプロピレンは汎用的なテープとしては、材料固有の機械的共振鋭度（Ｑ値）が低く、音響材料に適している。このポリプロピレン粘着シート３５Ａを圧電振動板３４の一方の面に貼り付け、音響特性の改善と、電極３８の絶縁性及び圧電素子３３の保護を確保している。熱可塑性樹脂シート３５Ｂは、厚みが５０μｍ〜１００μｍ程度であり、振動板１２の他方の面に熱圧着により貼り付けられる。熱可塑性樹脂シート３５Ｂ自体のヤング率が小さく、前述のポリプロピレン樹脂シート３５Ａとの組み合わせにより、樹脂シート部に適度な強度を持たせることが可能である。
【００４９】
上述した本実施の形態に係る圧電発音素子３１によれば、振動板３２として繊維強化型プラスティック材を用いることにより、同じ大きさの金属振動板を用いた圧電発音素子に比べて、殆ど全ての帯域で出力を大きくすることができる。従って、駆動電圧を同じにすれば出力を向上することができる。また同じ音圧特性とすれば駆動電圧小さくすることができる。
振動板３２が圧電素子３より大きくするときは、圧電振動板３４の外周部では繊維強化型プラスティック材のみの領域が存在するので、低域での音圧レベルを高くすることができる。
【００５０】
圧電振動板３４を樹脂シート３５で被覆し、圧電発音素子を樹脂シート３５の最外周部に対応する部分において機器の筐体に支持する構成とすることにより、次のような効果を奏する。
（１） 圧電振動板を構成する金属材料やプラスティック材料の持つ材料固有の減衰比に対して、樹脂シート３５そのものの減衰比は大きく、この樹脂シート３５の減衰効果によって、圧電振動板そのものの減衰効果を高めることが可能になる。この効果により、共振点近傍の山・谷の音圧差を抑制することができる。これにより、音圧周波数特性のより平坦性が得られる。
（２） 圧電振動板の全ての電極面が樹脂シート３５で被覆することにより、端子部以外の全ての電極面が樹脂シート３５で絶縁被覆され、電極面の絶縁性を確保できる。同時に外力による圧電素子部分の割れやひびの発生を抑制する効果も有る。
（３） フレーム部材３７を有しない場合に、樹脂シート３５の接着機能を利用して樹脂シート３５の外周部分を指示部材、例えば機器の筐体内の支持部に直接に実装することができる。
（４） 樹脂シート３５は、圧電振動板を支えるエッジも兼ね備えており、ある程度の強度を持っている必要がある。例えば何らかの外力により樹脂部に亀裂が入ったりすると振動前後の機密性が確保出来なくなり、音響特性の劣化が生じる。本実施の形態では、熱可塑性樹脂シート、ポリプロピレン粘着テープ、ポリエチレン粘着テープ等、ある程度の強度を持った樹脂シートを組み合わせることにより、樹脂部の強度を確保し、圧電発音素子の信頼性を確保することができる。圧電振動板を支える部分が樹脂シートであり、適度の柔軟性を有するので、大振動にも対応でき低音再生が改善される。
【００５１】
圧電発音素子３１では、所要の弾力性を有するフレーム部材３７を一体に有し、このフレーム部材３７を直接に機器の固定部に接合する構成であるので、寸法などの最適化により、小型且つ高音質化することができる。例えば機器内への実装前の状態において、フレーム部材３７の取付け面に剥離紙５１を被着して置くことにより、この剥離紙５１によりフレーム部材３７の取付け面は保護された状態になる。圧電発音素子３１を機器内に実装する場合は、この剥離紙５１を剥がして、所定の場所に貼り付け、僅かな加圧を加えることで実装することができる。フレーム部材３７自体がビビリ音防止の機能を有しており、従来良く行われているようなビビリ音防止の為のクッション材を用いる必要もない。基本的に−４０℃〜＋８５℃の熱衝撃に対して耐久性を有している。また、その他の落下衝撃等の試験についても、重量２５０ｇダミー機実装で、１ｍ程度の落下試験で破壊することは無かった。圧電発音素子３１の重量は、０．７ｇ程度と軽量である。
【００５２】
図２３Ａ，Ｂは、従来の支持方式による圧電発音素子、即ち振動体１４を支持部１７に直接取り付けた圧電発音素子１１と、本発明のフレーム部材３７を介した支持方式による圧電発音素子３１との圧電振動板の変形時の比較を示す。従来構造では、振動体１４の変形領域が、図２３Ａに示すように支持部１７の内側間の距離Ｓとなる。一方、本発明の構造の場合、図２３Ｂに示すように、弾力性を有するフレーム部材３７が容易に変形し易いために、振動体３６の変形領域はＳ’となる。本発明によれば、振動領域Ｓ’を発音素子外形Ｈに近づける事が可能であり、従来構造に対して、同形状であれば、音圧の改善が可能となる。また、本発明では、同音圧を得る為には形状を小さくする事が可能である。また、フレーム部材３７は他部材への固着の働きも有しており、接着剤やネジ止めなどの手段を用いなくても、容易に他部材に固着する事が可能である。フレーム部材３７の粘着面は柔らかいので、取り付け面の凹凸にもなじみ易く、仮に僅かな隙間が生じてもビビリ音の発生が殆ど生じない。また、フレーム部材２５は、衝撃吸収の機能もあり、圧電発音素子２１の耐衝撃信頼性の改善も可能である。同時に熱変化などの歪みに対してもフレーム部材２５が歪みを吸収する為に、熱衝撃などに対する信頼性の改善も可能となる。
圧電スピーカーは、圧電素子の面内の伸縮歪みを面に対して垂直な方向の曲げに変換し、この面の曲げ振動によって音波を発生させるものである。一般的な音響信号は２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度の帯域であるが、圧電発音素子の振動モードは、この帯域内でいくつもの面共振モードが発生する。この面共振の影響により、信号周波数の違いによる音圧の著しい差が生じると、音質が著しく劣化する。よって、高音質を達成する為には、周波数による音圧の変化を出来るだけ少なくする必要が有る。
【００５３】
圧電発音素子において、圧電素子３３を例えば図４Ａ及びＢに示すように、円形や正方形のような形状の素子３３_１，３３_２にすると、周波数による音圧最大点と音圧最小点の差が大きくなる。これは縦横の寸法が等しい為に特定の周波数での共振が起き易くなっている為である。
これを防ぐ為に、圧電素子３３を、図５Ａ，Ｂ及びＣに示すように楕円形、長方形、或いは小判形の形状の素子３３_３，３３_４，３３_５にすると縦横の寸法の違いにより共振モードを分散する事が出来るため、音質が改善する。
【００５４】
圧電振動板を樹脂シートで被覆して振動体とし、且つ振動体に振動に追従して変形する部材を設けるときには、さらに音響特性の改善と、音圧周波数特性の平坦化とを併せて図ることができる。
【００５５】
図２４〜図２６は、本発明の圧電発音素子の他の実施の形態を示す。
図２４に示す圧電発音素子４２は、繊維強化型プラスティック材による振動版３２の片面に圧電素子３３を接着し、圧電素子３３の表面に電極３８を設けた圧電振動板５５１を形成し、この圧電振動板５５１を樹脂シート３５［３５Ａ，３５Ｂ］で被覆し、樹脂シート３５の外周部にフレーム部材３７を固着して構成される。この圧電発音素子はモノモルフ型である。
【００５６】
図２５に示す圧電発音素子４３は、繊維強化型プラスティック材による振動板３２の両面に圧電素子３３Ａ，３３Ｂを接着し、圧電素子３３Ａ，３３Ｂの表面に電極３８を形成したバイモルフ型の圧電振動板３４を用い、圧電振動板３４の一方の面に圧電振動板３４より一回り大きい樹脂シート３５Ａを被覆し、圧電振動板３４の他方の面に圧電振動板３４と同じ大きさの樹脂シート３５Ｂを被覆し、樹脂シート３５Ａの外周部にフレーム部材３７を固着して構成される。
【００５７】
図２６に示す圧電発音素子４４は、繊維強化型プラスティック材による振動板３２の両面に圧電素子３３Ａ，３３Ｂを接着し、圧電素子３３Ａ，３３Ｂの表面に電極３８を形成したバイモルフ型の圧電振動板３４を用い、圧電振動板３４の一方の面に圧電振動板３４より一回り大きい樹脂シート３５Ａを被覆し、樹脂シート３５Ａの外周部にフレーム部材３７を固着して構成される。その他に、図示せざるも圧電振動板を樹脂シートで被覆せず、直接振動板の外周部にフレーム部材３７を固着した構成とすることもできる。
これらの圧電発音素子４２〜４４においても、上述した実施の形態と同様の効果を奏する。
【００５８】
本発明に係る圧電発音素子は、振動板の片面に圧電素子を接着した構造（通常モノモルフ型）、振動板の両面に圧電素子を接着した構造（通常バイモルフ型という）に適用することができる。
本発明の圧電発音素子は、スピーカー、レシーバー、その他の発音素子等に適用される。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の圧電発音素子によれば、繊維強化型プラスティック振動板を用いることにより、全帯域にわたり音圧レベルが向上し音圧及び電圧の性能を改善する事が出来る。すなわち、駆動電圧を同じにすれば音圧特性を向上し、音圧特性を同じにすれば駆動電圧を小さくできる。
振動板を比剛性値が５０〔ＧＰａ／ｃｍ^３／ｇ〕以上、実用上は５０〜２００〔ＧＰａ／ｃｍ^３／ｇ〕の範囲を満たす繊維強化型プラスティック材料で形成することにより、金属振動板を用いた圧電発音素子に比べて音圧及び電圧特性に優れた圧電発音素子を提供することができる。
振動板が圧電素子より大きくするときは、圧電振動板の外周部では繊維強化型プラスティック材のみの領域が存在するので、低域での音圧レベルを高くすることができる。
【００６０】
圧電素子を円形の一部を直線でカットした形状にするときは、共振モードが分散し音質を改善することができる。
【００６１】
振動体に、振動板の振動に追従して変形する部材を介して固定部に接合するときは、振動体の振動領域を圧電発音素子の外形に近づけることができ、振動体の振動領域が拡大し音響特性を改善することができる。同じ音響特性を得るのであれば形状を小型化することができる。振動に追従して変形する部材は、衝撃吸収の機能もあり、圧電発音素子の耐衝撃信頼性を改善することもできる。熱変化等の歪みに対しても上記変形する部材が歪みを吸収するため、熱衝撃等に対する信頼性を改善することができる。変形する部材を両面接着テープで形成するときは、取付け面の凹凸にもなじみ易く、仮に僅かな隙間が生じてもビビリ音の発生が殆どない。圧電発音素子と固定部との取付けを、音響特性を損なうことなく容易に行える。変形する部材のみが振動体と固定部間に介在するので、上記効果を達成することができる。
【００６２】
圧電振動板を、圧電振動板より大きい面積の樹脂シートで被覆して振動体を形成するときは、圧電振動板の外周部に樹脂シートのみの領域が形成され、共振点近傍の山・谷の音圧差を抑制し、音圧周波数特性を平坦化することができる。
圧電振動板を樹脂シートで被覆して振動体とし、且つ振動体に振動に追従して変形する部材を設けるときには、さらに音響特性の改善と、音圧周波数特性の平坦化とを併せて図ることができる。
【００６３】
繊維強化型プラスティックの振動板に、電極接続用の金属箔を貼り付けるときは、圧電素子の一方の電極が繊維強化型プラスティックの振動板を介して金属箔に電気的に接続され、圧電素子の電極の外部導出を容易にすることができる。
【００６４】
本発明の圧電発音素子の製造方法によれば、上述した音圧及び電圧特性に優れた圧電発音素子を精度良く且つ容易に製造することができる。
振動板の両面に圧電素子を接合する工程を有するときは、いわゆるバイモルフ型圧電発音素子を製造することはできる。
振動板に圧電素子と電極接続用の金属箔を同時に接合するときは、圧電素子の電極の外部導出を容易にしたこの種の圧電発音素子を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電発音素子の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１の振動板の拡大断面図である。
【図３】Ａ，Ｂ 夫々本発明に係る圧電発音素子の振動板に用いる繊維強化プラスティックの例を示す三面図である。
【図４】Ａ、Ｂ 圧電素子の実施の形態を示す平面図である。
【図５】Ａ〜Ｄ 圧電素子の実施の形態を示す平面図である。
【図６】Ａ 本発明に適用される圧電素子の製造最初の状態を示す平面図である。
Ｂ 本発明に適用される完成された圧電素子の例を示す平面図である。
Ｃ 図６Ａの圧電素子の断面図である。
【図７】特性測定に用いた比較例１に係る圧電発音素子の構成図である。
【図８】
比較例１に係る圧電発音素子の音圧ー周波数特性図である。
【図９】特性測定に用いた比較例２に係る圧電発音素子の構成図である。
【図１０】比較例２に係る圧電発音素子の音圧ー周波数特性図である。
【図１１】比較例１と比較例２の音圧ー周波数特性を重ねたグラフである。
【図１２】特性測定に用いた本実施の形態に係る圧電発音素子の構成図である。
【図１３】図１２の本実施の形態に係る圧電発音素子の音圧ー周波数特性図である。
【図１４】比較例１と比較例２と本実施の形態の音圧ー周波数特性を重ねたグラフである。
【図１５】本発明の圧電発音素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その１）である。
【図１６】Ａ，Ｂ 本発明の圧電発音素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その２）である。
【図１７】本発明の圧電発音素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その３）である。
【図１８】Ａ，Ｂ 本発明の圧電発音素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その４）である。
【図１９】本発明の圧電発音素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その５）である。
【図２０】本発明の圧電発音素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その６）である。
【図２１】本発明の圧電発音素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その７）である。
【図２２】本発明の圧電発音素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図（その８）である。
【図２３】Ａ，Ｂ 本発明に係る弾性を有するフレーム部材を有する圧電発音素子と従来の圧電発音素子の動作の説明に供する説明図である。
【図２４】本発明に係る圧電発音素子の他の実施の形態を示す断面図である。
【図２５】本発明に係る圧電発音素子の他の実施の形態を示す断面図である。
【図２６】本発明に係る圧電発音素子の他の実施の形態を示す断面図である。
【図２７】Ａ，Ｂ 従来の圧電ブザーの構成図である。
【図２８】Ａ，Ｂ 従来の圧電素子の断面図である。
【図２９】従来の積層圧電素子の構成図である。
【図３０】Ａ 非積層圧電素子の断面図である。
Ｂ 積層圧電素子の断面図である。
【符号の説明】
３１・・圧電発音素子、３２・・振動板、３３〔３３Ａ，３３Ｂ〕、３３_１、３３_２、３３_３、３３_４、３３_５・・圧電素子、３４・・圧電振動板、３７・・フレーム部材、２６・・筐体、２７・・放音孔、３４・・・圧電振動板、３５〔３５Ａ，３５Ｂ〕・・樹脂シート、３６・・振動体、３７・・・フレーム部材、３８・・電極

Claims (13)

1. 圧電素子と該圧電素子を貼り付けた振動板とからなる圧電振動板を少なくとも有する振動体を有し、
   前記振動板は、比剛性値が５０［ ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ］ 以上の材料から成る
   ことを特徴とする圧電発音素子。
2. 前記振動板は、比剛性値が５０〜２００［ ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ］ の範囲を満たす材料から成る
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電発音素子。
3. 前記振動板が、繊維強化型プラスティックの材料から成る
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電発音素子。
4. 前記圧電素子が円形の一部を直線でカットした形状である
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電発音素子。
5. 前記振動体が、振動体の振動に追従して変形する部材を介して固定部に接合されるようにして成る
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電発音素子。
6. 前記圧電振動板の少なくとも一方の面の全面が、該圧電振動板より大きい面積の樹脂シートで被覆されて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電発音素子。
7. 前記圧電振動板の少なくとも一方の面の全面が、該圧電振動板より大きい面積の樹脂シートで被覆されて、前記振動体が構成され、
   前記樹脂シートに振動体の振動に追従して変形する部材が固着されて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電発音素子。
8. 前記振動板の両面に前記圧電素子を貼り付けて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電発音素子。
9. 前記振動板が前記圧電素子より大きく形成されて成る
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電発音素子。
10. 前記振動板に電極接続用の金属箔を貼り付けて成る
    ことを特徴とする請求項１記載の圧電発音素子。
11. 少なくとも圧電素子と比剛性値が５０〜２００〔ＧＰａ・ｃｍ^３／ｇ〕の範囲を満たす材料からなる振動板とを突合わせ加圧して仮接合を行う工程と、
    前記仮接合された仮接合体を、所要の加熱・加圧条件下で前記振動板の自己融着作用により、前記圧電素子と前記振動板との接合を行い圧電振動板を形成する工程とを有する
    ことを特徴とする圧電発音素子の製造方法。
12. 前記振動板の両面に夫々前記圧電素子を仮接合する工程を有し、前記振動板の両面に圧電素子を接合した圧電振動板を形成する
    ことを特徴とする請求項１１記載の圧電発音素子の製造方法。
13. 前記振動板に前記圧電素子と電極接続用の金属箔とを仮接合する工程を有し、前記振動板に前記圧電素子と前記金属箔を接合した圧電振動板を形成する
    ことを特徴とする請求項１１記載の圧電発音素子の製造方法。

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