圧電振動装置
【課題】 小型化に対応でき、薄型化を図った場合でも、大きな振幅を得ることができ、かつ使用時及び取り扱いに際しての変形が生じ難く、音圧ばらつきや音質の劣化が生じ難い、圧電振動装置を提供することができる。
【解決手段】 金属板２の第１の面２ａに圧電振動板３が接着剤７を介して貼り合わされており、金属板２の第１の面２ａに、少なくとも１つの凹部２ｃ〜２ｅが形成されており、凹部２ｃ〜２ｅ内に金属板２よりもヤング率が低い材料が充填されている、圧電振動装置１。
【解決手段】 金属板２の第１の面２ａに圧電振動板３が接着剤７を介して貼り合わされており、金属板２の第１の面２ａに、少なくとも１つの凹部２ｃ〜２ｅが形成されており、凹部２ｃ〜２ｅ内に金属板２よりもヤング率が低い材料が充填されている、圧電振動装置１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電ブザーや圧電スピーカーなどに用いられる圧電振動装置に関し、より詳細には、圧電振動板が金属板に貼り合わされている構造を有する圧電振動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スピーカーやブザーなどに、圧電振動板を金属板に貼り付けてなる圧電振動装置が広く用いられている。また、ＯＡ機器や携帯電話機器等に用いるために、この種の圧電振動装置の小型化が強く求められている。そのため、小型でありながら、大きな音圧を得ることができる圧電振動装置が求められている。
【０００３】
下記の特許文献１には、図１３に略図的正面断面図で示す圧電振動装置が開示されている。圧電振動装置１０１では、金属板１０２に、圧電セラミック板の両面に電極が形成されている圧電振動板１０３が貼り合わされている。金属板１０２は、その外周縁部分が固定板１０４，１０５に挟持され、支持されている。
【０００４】
金属板１０２の圧電振動板１０３と貼り合わされている部分の外側においては、金属板１０２の表面に凹部１０２ａが、裏面に凹部１０２ｂが設けられている。凹部１０２ａ，１０２ｂを設けることにより、振動し易くなり、低周波化が果たされている。
【０００５】
加えて、圧電振動装置１０１では、金属板１０２が圧電振動板１０３に貼り合わされている部分にも、溝１０２ｃが設けられている。この溝１０２ｃが設けられている部分では、金属板１０２は圧電振動板１０３に接着されていない。すなわち、溝１０２ｃよりも内側の中心部１０２ｄと、溝１０２ｃの外側の外周部１０２ｅとにおいて、接着剤により、金属板１０２が圧電振動板１０３に接着されている。このような部分接着を利用することにより、圧電振動板１０３及び金属板１０２の厚みを薄くし、低周波化を果たした場合であっても、音圧レベルの低下を防止することができるとされている。
【０００６】
他方、下記の特許文献２には、図１４に略図的分解平面図で示す圧電振動装置１１１が開示されている。圧電振動装置１１１では、金属板１１２に、圧電振動板１１３が貼り合わされる。金属板１１２には、打ち抜きにより、金属板１１２の中心を中心とする複数の同心円を構成するように複数の円弧状の空溝１１２ａが形成されている。空溝１１２ａを形成することにより、低周波における音圧を高くすることができるとされている。
【０００７】
また、下記の特許文献３には、金属板に圧電振動板を貼り合わせてなる圧電振動装置において、金属板に周方向への伸縮を可能とする溝や長孔を設けた構成が開示されている。ここでも、特許文献１の場合と同様に、溝以外の部分で圧電振動板を接着し、すなわち部分接着を利用することにより、金属板の振動に際しての変位が容易とされている。
【特許文献１】特開平２−８４９００号公報
【特許文献２】特開昭６３−３１６９９９号公報
【特許文献３】特開平２−２６６７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、従来、圧電振動板に金属板を貼り合わせてなる圧電振動装置においては、小型化を図った場合であっても、音圧レベルを低下させることなく、低周波化を図るために、金属板に溝、打ち抜きにより形成された貫通孔からなる空溝または長孔などを形成した構造が知られていた。
【０００９】
しかしながら、上記のような圧電振動装置を駆動させた際の変位に基づく応力は、上記金属板の溝等に集中する。そして、溝等に集中した応力が圧電振動板を構成している圧電セラミック板に作用し、圧電セラミック板においてクラックが生じることがあった。特に、小型化及び低周波化を図るために、圧電振動板の厚みを薄くした場合、上記クラックがより一層生じがちであった。
【００１０】
加えて、小型化を図るために、圧電振動板及び金属板の大きさを小さくしかつ厚みを薄くした場合、金属板に微細な溝を形成し、しかもこの微細な溝を設計通りの形状に保つことは、非常に困難であった。すなわち、薄い金属板に微細な溝を高精度に加工し、かつ組み立ての間及び組み立て後に設計通りの形状を保つことは非常に困難であった。そのため、得られた圧電振動装置において、音圧のばらつきが生じたり、音質が劣化したりするおそれがあった。
【００１１】
また、金属板や圧電板が薄くなると、ハンドリング及び加工に際して変形や割れが生じやすくなる。従って、製造工程において、多大の注意をはらわねばならず、生産性が低下しがちであった。
【００１２】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、小型化を進め、圧電振動板や金属板の厚みを薄くした場合であっても、十分な振幅すなわち音圧を得ることができ、しかも取り扱いに際しての金属板や圧電振動板の変形が生じ難く、駆動時に圧電振動板にクラックが生じ難い、圧電振動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る圧電振動装置は、対向し合う第１，第２の面を有する金属板と、前記金属板の第１の面に接着剤により貼り合わされており、圧電セラミック板を用いて構成されている圧電振動板とを備え、前記金属板の第１の面において前記圧電振動板が貼り合わされている領域に少なくとも１つの凹部が形成されており、該凹部に金属板よりも低いヤング率の材料が充填されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る圧電振動装置のある特定の局面においては、前記金属板及び圧電振動板からなる積層体を支持するために前記金属板に固定されているケース材がさらに備えられている。
【００１５】
本発明に係る圧電振動装置の他の特定の局面では、前記凹部が、前記圧電振動装置の圧電振動板を振動させた際に変位量等高線に平行な位置に設けられている。
【００１６】
本発明に係る圧電振動装置のさらに特定の局面では、前記凹部に充填されている材料が接着剤である。
【００１７】
本発明に係る圧電振動装置のさらに他の特定の局面では、前記接着剤が、前記圧電振動板を前記金属板に貼り合わせるのに用いられている接着剤と同じ材料である。
【００１８】
本発明に係る圧電振動装置のさらに別の特定の局面では、前記凹部が、前記金属板の第２の面にも形成されている。
【００１９】
本発明に係る圧電振動装置においては、上記凹部の形態は種々変形することができるが、本発明のある特定の局面では、上記凹部は溝により構成されている。
【００２０】
本発明に係る圧電振動装置の特定の局面では、上記凹部は溝により構成されている。
【００２１】
本発明に係る圧電振動装置の他の特定の局面では、前記凹部として、複数のドット状凹部が設けられている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る圧電振動装置では、金属板の第１の面に圧電セラミック板を用いて構成されている圧電振動板が接着剤を用いて貼り合わされており、金属板の第１の面において、圧電振動板が貼り合わされている領域に少なくとも１つの凹部が形成されており、該凹部に金属板よりも低いヤング率の材料が充填されている。従って、金属板に凹部が設けられており、該凹部に金属板よりも低ヤング率の材料が充填されているので、金属板に凹部が設けられていない相当の金属板を用いた場合に比べて、金属板が撓みやすくなっている。よって、十分大きな振幅すなわち音圧を得ることができる。
【００２３】
しかも、小型化及び低周波化を図るために、圧電振動板や金属板の厚みを薄くした場合であっても、金属板の凹部には、上記低ヤング率の材料が充填されているので、凹部に応力が集中したとしても、応力が緩和される。従って、圧電振動板を構成している圧電セラミック板に応力が加わり難く、従って圧電セラミック板のクラックが生じ難い。また、製造工程においても、凹部に低ヤング率の材料が充填されているので、金属板の変形が生じ難く、また低ヤング率の材料を凹部に充填した後においては、金属板の取り扱いにさほど気を払うことなく金属板を取り扱うことができる。従って、生産性を高めることが可能となる。
【００２４】
また、凹部に低ヤング率の材料が充填されていることにより、凹部の変形も生じ難い。従って、音圧のばらつきや音質のばらつきも抑制することができる。
【００２５】
金属板及び圧電振動板からなる積層体を支持するために金属板に固定されているケース材がさらに備えられている場合には、ケース材を用いてＯＡ機器や携帯電話機器などに本発明の圧電振動装置を容易に取り付けることができる。
【００２６】
また、圧電振動装置の圧電振動板を振動させた場合に変位量等高線に平行な位置に、上記凹部が設けられている場合には、振幅をより一層大きくすることが可能となる。
【００２７】
凹部に充填されている材料は、金属板よりも低いヤング率の材料であれば、凹部が設けられている部分における変形を容易とすることができるが、好ましくは、接着剤が充填される。この場合には、接着剤が硬化することにより、凹部においても、圧電振動板に金属板を確実に貼り合わせることができ、接合強度を高めることができる。また、変形に際し、凹部から凹部に充填されている接着剤硬化物が分離し難いため、音圧や音質のばらつきも抑制することができる。
【００２８】
凹部に充填されている接着剤が、圧電振動板を金属板に貼り合わせるのに用いられている接着剤を同じ材料である場合には、単一の接着剤を用い、金属板を圧電振動板に貼り合わせるとともに、金属板の凹部へ充填される材料を構成することができ、作業工程及び製造コストを低減することができる。
【００２９】
また、凹部に充填されている接着剤による接合強度と、凹部外の金属板と圧電振動板とを接着している部分の接着剤による接合強度とがほぼ等しくなるため、圧電振動板の全領域に渡り、金属板に対し同じ程度の接合強度で均一に接着することができる。
【００３０】
凹部が金属板の第２の面にも形成されている場合には、それによって金属板がより一層変位しやすくなり、より大きな振幅を得ることができる。
【００３１】
凹部は溝であってもよく、ドット状の凹部であってもよく、その形状は特に限定されない。もっとも、凹部が溝である場合には、円弧状または直線状の溝とすることにより、円弧状、円形もしくは直線状の凹部を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００３３】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電振動装置の要部を示す斜視図であり、（ｂ）はその正面断面図であり、（ｃ）はその主要部分を拡大して示す部分切欠正面断面図である。
【００３４】
圧電振動装置１は、金属板２と圧電振動板３とを有する。圧電振動板３は、図１（ａ）及び（ｂ）では、１枚の板状部材として図示されているが、図１（ｃ）に拡大して示すように、実際には圧電セラミック板４の両主面に電極５，６を積層した構造を有する。圧電セラミック板４は、本実施形態では、厚み方向に分極処理されている。従って、電極５，６間に交流電圧が印加されると、図２に略図的に示すように、一点鎖線Ａで示す振動姿態と、Ｂで示す振動姿態との間で変位するように振動する。この振動に基づく音圧が取り出され、例えば圧電ブザーや圧電スピーカーとして用いられる。
【００３５】
上記圧電セラミック板４を構成するセラミック材料は特に限定されず、チタン酸鉛系セラミックス、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスなどを挙げることができる。また、金属板２は、圧電振動板３に接着剤７を用いて貼り合わされているが、該金属板２を構成する材料については、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ合金または銅、銅合金などの適宜の金属を用いることができる。
【００３６】
接着剤７は、圧電振動板３を金属板２に接着し得る限り、適宜の接着剤を用いて構成され得る。これらの接着剤として、本実施形態では、エポキシ樹脂系接着剤が用いられているが、シリコン系などの絶縁性接着剤を用いてもよい。
【００３７】
本実施形態では、金属板２がＮｉ合金からなり、圧電セラミック板４は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。また、圧電振動板３においては、下面の電極６は設けられずともよく、その場合には接着剤６を導電性接着剤とすることにより、金属板２を下面の電極６の代わりに用いてもよい。
【００３８】
金属板２の第１の面としての上面２ａと、金属板２の第１の面２ａとは反対側の第２の面である下面２ｂには、それぞれ、複数本の溝２ｃ〜２ｅ，２ｇ，２ｈが形成されている。また、下面２ｂの中心には、円形のドット状凹部２ｆが形成されている。
【００３９】
図３は、金属板２の平面図であり、溝２ｃ〜２ｅが図示されている。溝２ｃ〜２ｅは、それぞれ、円板状の金属板２において、金属板２と同心となるように配置された円形の溝である。溝２ｇ，２ｈもまた、金属板２と同心に配置された同心円状の円形の溝である。
【００４０】
もっとも、溝２ｃ〜２ｅと、溝２ｇ，２ｈとは、金属板２を介して重なり合わないように、すなわちずらされて配置されている。
【００４１】
本実施形態では、溝２ｃ〜２ｅ内に、金属板２よりも低ヤング率の材料として、接着剤７と同じエポキシ系接着剤で構成された接着剤８が充填されている。ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈ内にも、同じエポキシ系接着剤により構成された接着剤９が充填されている。
【００４２】
また、圧電振動装置１は、図４（ａ）に示すケース材１０を有する。ケース材１０は、略円筒状の形状を有し、円筒部１０ａと、円筒部１０ａの一端に設けられた天板部１０ｂとを有する。天板部１０ｂの中央には、貫通孔１０ｃが設けられている。また、円筒部１０ａの天板部１０ｂとは反対側には、開口１０ｄが設けられている。円筒部１０ａの中間高さ位置においては、内周面に段差部１０ｅが設けられている。段差部１０ｅに、接着剤（図示せず）により、圧電振動装置１の金属板２が第２の面２ｂ側から接着剤により固定され、支持されている。ケース材１０に支持されている場合、金属板２と圧電振動板３とからなる積層体を積層した場合、振動の変位量等高線は、金属板２及び圧電振動板３の中心と同じ中心を有する同心円状に現れる。
【００４３】
なお、変位量等高線とは、金属板２及び圧電振動板３が振動した際に、振動時の変位量が同じ位置を結んだ際に描かれる線を示す。また、本発明において、変位量等高線に平行とは、変位量等高線が直線状の場合に限定されるものではない。すなわち、変位量等高線が直線である場合には、変位量等高線に平行とは、該変位量等高線上及び該変位量等高線に平行な直線上を広く含むものとする。また、本実施形態のように、変位量等高線は円のように曲線であってもよく、その場合には、変位量等高線に平行とは、変位量等高線と一定の幅を保ちつつ変位量等高線と並進する曲線及び該変位量等高線上の双方を広く含むものとする。すなわち、本発明において、変位量等高線に平行とは、変位量等高線上を含み、さらに変位量等高線と一定の幅を保つ直線または曲線上を広く含むものとする。
【００４４】
図４（ｂ）に、ケース材１０に支持されている金属板２を略図的平面図で示し、該金属板２に現れる振動の変位量等高線の位置を矢印Ｃ〜Ｅで模式的に示す。図４（ｂ）から明らかなように、金属板２には、異なる径の同心円領域に変位量等高線Ｃ〜Ｅが現れることになる。
【００４５】
そして、上記円形の溝２ｃ〜２ｅは、変位量等高線Ｃ〜Ｅが現れる位置に設けられている。
【００４６】
本実施形態の圧電振動装置１では、上記のように、金属板２に溝２ｃ〜２ｅが設けられており、該溝２ｃ〜２ｅに、金属板２よりも低ヤング率の材料であるエポキシ系接着剤８が充填されているため、駆動に際し、金属板２が設けられていない構造に比べて撓みやすくなっている。そのため、大きな変位を得ることができ、振幅ひいては音圧を高めることができる。
【００４７】
加えて、上記接着剤８が充填されていることにより、振動に際し、応力が溝２ｃ〜２ｅが設けられている部分に集中したとしても、該応力が緩和される。従って、圧電振動板３を構成している圧電セラミック板４への応力が伝達され難く、それによって圧電セラミック板４のクラックが生じ難い。
【００４８】
また、製造時の取り扱いに際しても、予め、接着剤８が溝２ｃ〜２ｅに充填され、硬化されている場合、溝２ｃ〜２ｅに何も充填されない場合に比べ金属板２の変形が生じ難い。また、金属板２に接着剤８を介して圧電振動板３を接着し硬化させた場合であっても、硬化後には、溝２ｃ〜２ｅの形状が接着剤８の硬化物により維持されることになるため、溝２ｃ〜２ｅの変形が生じ難い。従って、音圧ばらつきや音質のばらつきが生じ難い。
【００４９】
また、本実施形態では後述の実験例からも明らかなように、変位量等高線Ｃ〜Ｅとなる位置に、溝２ｃ〜２ｅが位置しているため、言い換えれば、変位量等高線に平行な部分が拘束され難いため、振幅の低下すなわち音圧の低下をより一層抑制することができ、より一層音圧を高くすることが可能となる。
【００５０】
さらに、本実施形態では、ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈが、金属板２の下面２ｂに設けられているため、それによっても金属板２が変形しやすくなり、大きな音圧を得ることができる。加えて、ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈにも、接着剤９が充填されていることにより、金属板２の変形が抑制されている。
【００５１】
また、溝２ｃ〜２ｅと、ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈとがずらされて配置されているので、溝２ｃ〜２ｅと、ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈとが重なり合って配置されている構造に比べて、金属板２の所望でない変形を抑制することが可能とされている。
【００５２】
もっとも、本発明においては、第２の面である下面２ｂにドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈを必ずしも設ける必要はない。また、ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈに接着剤９を充填する必要も必ずしもない。
【００５３】
次に、本実施形態では、溝２ｃ〜２ｅに、接着剤７と同じエポキシ系の接着剤８を充填したが、溝２ｃ〜２ｅに他の接着剤を用いてもよく、金属板２よりも低ヤング率の接着剤以外の材料を溝２ｃ〜２ｅに充填してもよい。
【００５４】
もっとも、好ましくは、上記のように、接着剤を溝２ｃ〜２ｅに充填することにより、接着剤の硬化により、溝２ｃ〜２ｅの変形を抑制することができる。また、接着剤７と同じ接着剤により接着剤８を構成することにより、接着剤の種類を低減することができ、同じ接着剤を用いることにより、圧電振動板３の全領域に渡り、金属板２に均一な接合強度で圧電振動板３を接合することができる。
【００５５】
図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る圧電振動装置の斜視図及び第２の実施形態に用いられている金属板を示す斜視図である。圧電振動装置２１は、矩形の金属板２２と、圧電振動板２３とを有する。金属板２２及び圧電振動板２３は、それぞれ、平面形状が矩形とされていることを除いては、第１の実施形態の金属板２及び圧電振動板３と同様に構成されている。従って、異なる部分のみを説明することとする。
【００５６】
図５（ｂ）に示すように、矩形の金属板２２の第１の面としての上面２２ａ上には、複数本の溝２２ｃ〜２２ｈが形成されている。また、第２の面としての下面２２ｂには、複数本の溝２２ｉ〜２２ｍが形成されている。これらの溝２２ｃ〜２２ｈ，２２ｉ〜２２ｍに、それぞれ、接着剤８，９が充填されている。
【００５７】
接着剤８，９は、圧電振動板２３を金属板２２に接合している接着剤７と同じエポキシ系接着剤により構成されている。
【００５８】
図６（ａ）に示すように、圧電振動装置２１は、ケース材３０を備えている。このケース材３０内に、上記金属板２２に圧電振動板２３を接合してなる積層体が収納されている。ケース材３０は、角筒状の形状を有することを除いては、図４（ａ）に示したケース材１０と同様に構成されている。すなわち、筒状部３０ａの一端に天板部３０ｂが設けられており、天板部３０ｂの中央に貫通孔３０ｃが設けられている。筒状部３０ａの天板部３０ｂとは反対側の端部には開口３０ｄが設けられている。また、筒状部３０ａの内側面には、段差部３０ｅが設けられており、段差部３０ｅにおいて、金属板２２が、第２の面２２ｂから接着剤（図示せず）を用いて接合され、支持されている。
【００５９】
圧電振動装置２１において、圧電振動板２３の両面に交流電圧を印加すると、ベンディングモードの振動が生じ、その振動の変位量等高線は、支持部分と平行な複数の直線状の領域に現れる。すなわち、図６（ｂ）に底面図で示すように、金属板２２は、一対の対向し合っている辺と他の一対の対向し合っている辺とを有する矩形板状の形状を有するが、一対の辺２２ｎ，２２ｏ側において、ケース材３０に固定され、支持されている。そして、駆動時には、この辺２２ｎ，２２ｏと平行な複数の領域に振動の変位量等高線が現れることになる。本実施形態では、上記金属板２２の第１の面の上面２２ａに設けられた複数本の溝２２ｃ〜２２ｈが、振動の変位量等高線に平行な位置になるように設けられている。
【００６０】
また、本実施形態においても、上面に設けられた溝２２ｃ〜２２ｈと、下面に設けられた溝２２ｉ〜２２ｍとは、金属板２２を介して重なり合わない位置に設けられている。従って、金属板２２の所望でない変形や歪みを防止することが可能とされている。
【００６１】
本実施形態においても、上記溝２２ｃ〜２２ｈ内に、接着剤９が充填されているため、また、溝２２ｃ〜２２ｈが振動の変位量等高線に平行な位置になるように設けられているので、振動が抑制されず、従って、大きな音圧を得ることができる。従って、接着剤８が充填されていることにより、溝に応力が加わったとしても、圧電セラミック板側への応力集中が緩和され、圧電セラミック板のクラックを抑制することができる。これを、具体的な実験例により明らかにする。
【００６２】
金属板２２として、９．９ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．０５ｍｍの４２Ｎｉ−Ｆｅ合金からなる金属板を用意し、長さ方向１０ｍｍとなる一方の辺２２ｎ側において、図７に示すように、クランプ装置３１，３１により挟持した。なお、この金属板２２の片面には、圧電振動板２３を貼り合わせておいた。この圧電振動板２３としては、１０ｍｍ×８ｍｍ×厚さ０．０５５ｍｍの圧電セラミック板の両主面に電極が形成されているものを用意した。両主面の電極はＮｉ−Ｃｕ合金からなり、その厚みは０．２μｍである。また、両主面の電極は、圧電セラミック板の全面に形成されている。上記圧電振動板２３の１０ｍｍの寸法の辺を金属板２２の１０ｍｍの寸法の辺と対応させるようにして、圧電セラミック板２３の中心と金属板２２の中心を一致させるようにしてエポキシ系接着剤により貼り合わせた。また、金属板２２には、複数本の溝を、それぞれ、幅０．０４ｍｍ×深さ０．０２ｍｍの断面が半円形の溝として形成した。そして、溝内に、ヤング率が１×１０8Ｐａのエポキシ系接着剤を充填し硬化させておいた。なお、上記４２Ｎｉ−Ｆｅ合金からなる金属板２２のヤング率は１×１０11Ｐａである。
【００６３】
他方、金属板２２の下面側にも、複数本の溝を同様にして形成し、エポキシ系接着剤を充填し、硬化させておいた。
【００６４】
なお、図８に示すように、上面及び下面の複数本の溝のピッチＰ１，Ｐ２はいずれも０．２ｍｍとし、金属板２２の上面には３２本の溝、下面には３８本の溝を設け、表裏の溝は溝と直交する方向においてＤ＝０．１ｍｍずらして配置した。
【００６５】
このようにして用意した圧電振動装置の金属板２２及び圧電振動板２３からなる積層体を図７に示すようにクランプ３１，３１で一端側において、１．０ｍｍの長さ部分Ｓに渡って挟み込み、交流電圧を印加し、振動させた。そして、支持されている側とは反対側の端部が図７に実線及び二点鎖線で示すように、振動した際の振幅Ｔを測定した。振幅Ｔとは、実線で示す振動姿態と、二点鎖線で示す振動姿態でかつ最大変位状態における各先端の位置の間の金属板２２の第１の面と直交する方向に沿う寸法をいうものとする。駆動電圧は３Ｖとした。その結果、振幅は１．５６ｍｍであり、周波数は６３０Ｈｚであった。
【００６６】
他方、金属板２２の下面に溝を設けなかったことを除いては、上記実験例と同様にして、振幅を測定したところ、１．５ｍｍであり、周波数は６７０Ｈｚであった。
【００６７】
さらに、比較のために、金属板の両面の双方に溝を設けなかったことを除いては上記と同様にして、振幅を測定したところ、振幅は０．６５ｍｍに留まり、周波数は６３０Ｈｚであった。
【００６８】
従って、上記実験例から明らかなように、第２の実施形態に相当する圧電振動装置では、溝がない比較例に比べ、振幅を０．６５ｍｍから１．６５ｍｍに大幅に大きくすることができ、よって、音圧を大幅に高め得ることがわかる。
【００６９】
また、溝が片面に設けられている実験例に比べ、両面に溝を設けることにより、周波数を高めることができ、しかも音圧をより一層高め得ることがわかる。
【００７０】
次に、上記実験例において、溝のピッチを０．２ｍｍから０．４ｍｍとし、金属板２２の上面及び下面にそれぞれ１９本の溝を形成したことを除いては、上記実験例と同様にして変形例の圧電振動装置を作製した。この変形例の圧電振動装置で、同様にして振幅を測定したところ、１．２７ｍｍであった。従って、上記金属板の圧電振動板の貼り合わせる面に設けられる溝の位置を変更することにより、振幅を変化させることができ、上記実験例のように、溝のピッチを狭くし、多くの溝を形成した場合に、金属板の断面積が減少するため、より大きな振幅が得られることがわかる。
【００７１】
もっとも、溝の本数が増加しすぎると、金属板の強度が低下するおそれがある。従って、金属板の強度や、所望でない変形が生じ難い範囲で、上記溝の数を増加させることが望ましい。
【００７２】
上記第２の実施形態の変形例の実験例から明らかなように、本発明では金属板に設けられる溝の本数及びピッチを変更することにより、振幅を変化させ得ることがわかる。
【００７３】
また、上記金属板の厚みをＴ１、圧電振動板の厚みをＴ２としたとき、積層構造の全体の厚みＴ＝Ｔ１＋Ｔ２は、金属板の厚みＴ１を変化させることにより変化することとなる。これに対して、本発明では、上記圧電振動板の貼り合わされる金属板の第１の面に複数本の溝を設けることにより、金属板の実質的な厚みを薄くすることができ、それによって振幅を大きくし得ることがわかる。
【００７４】
この種の圧電振動装置では、圧電セラミック層の数を増加することにより、音圧を高め得ることが知られている。例えば、第１の実施形態や第２の実施形態において、１枚の圧電セラミック板が用いられているが、さらに１枚の圧電セラミック板を積層した場合には、圧電セラミック板１枚を増加させることにより、音圧を６ｄＢ程度高めることができる。本発明では、このような圧電セラミック層を増加させた場合ほどは音圧を高めることはできないが、その１／２程度の３ｄＢ程度、圧電セラミック層を増加させることなく高めることができる。
【００７５】
また、本発明における金属板に設けられる溝部の形状は、第１，第２の実施形態に示した形状に限定されるものではない。例えば、図９に示す矩形の金属板４１では、金属板４の周囲四辺が支持固定される場合であって、第１の面４１ａに、複数の同心円上に配置された径の異なる円形の溝４１ｂ〜４１ｄが形成されている。このように、矩形の金属板４１に、円形の溝４１ｂ〜４１ｄを形成してもよい。
【００７６】
すなわち、溝や後述のドット状凹部などの本発明における凹部の形状は、圧電振動装置を駆動した際の振動のノード位置や形状等に応じて適宜変更することができる。また、振動のノード位置は圧電振動板及び金属板からなる積層体を支持した際の支持構造によっても変化し、変位量等高線の位置も変化する。従って、金属板の特定の位置に現れる変位量等高線に平行に凹部を設けることが望ましい。この場合、複数の凹部の内少なくとも一部の凹部が変位量等高線に平行に設けられていてもよく、その場合には、本発明に従って、より一層効果的に振幅を高めることができる。もっとも好ましくは、全ての凹部が変位量等高線に平行に配置されていることが望ましい。
【００７７】
また、図１０（ａ）及び（ｂ）に示す変形例では、矩形の金属板４２の第１の面４２ａ上に、互いに平行に複数本の溝４２ｃ〜４２ｋが形成されている。他方、下面４２ｂにも、複数本の直線状の溝４２ｌ〜４２ｔが形成されている。もっとも、４２ｃ〜４２ｋと、下面の溝４２ｌ〜４２ｔとは、互いに直交する方向に延ばされている。すなわち、第１の面に形成された溝４２ｃ〜４２ｋと、第２の面に形成された溝４２ｌ〜４２ｔは、交差するように配置されていてもよい。
【００７８】
図１０（ａ）及び（ｂ）では、上記溝４２ｃ〜４２ｋに接着剤８が充填されており、溝４２ｌ〜４２ｔには接着剤９が充填されている状態が示されている。
【００７９】
図１１（ａ）及び（ｂ）に示す金属板４３では、上面４３ａに、格子状の溝４３ｃが設けられており、下面４３ｂには溝は設けられていない。このように、第１の面４３ａに設けられている溝は、格子状の溝４３ｃであってもよい。
【００８０】
図１２（ａ）及び（ｂ）に示す金属板４４では、第１の面４４ａ上に、複数のドット状凹部４４ｃ、複数の第２のドット状凹部４４ｄ及び複数の第３のドット状凹部４４ｅが形成されている。複数の第１のドット状凹部４４ｃは、円を構成するように円周方向に沿って配置されている。また、複数の第２のドット状凹部４４ｄもまた、円を形作るように円周方向に配置されている。複数の第３のドット状凹部４４ｅもまた、同様に、１つの円を形作るように円周方向に配置されている。そして、これらで構成される複数の円は、径の異なる同心円とされている。このように、本発明では、凹部は、溝である必要はなく、複数のドット状凹部であってもよい。なお、金属板４４では、下面４４ｂにも、複数のドット状凹部４４ｆが設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る圧電振動装置の主要部分示す斜視図、（ｂ）はその正面断面図、（ｃ）は第１の実施形態の圧電振動装置の主要部分を拡大して示す部分切欠正面断面図。
【図２】図１に示した圧電振動装置の振動姿態を説明するための模式的正面図。
【図３】第１の実施形態で用いられている金属板の平面図。
【図４】（ａ）はケース材が備えられている第１の実施形態の圧電振動装置の正面断面図、（ｂ）は金属板における変位量等高線を示す模式的平面図。
【図５】（ａ）は第２の圧電振動装置の主要部分を示す斜視図であり、（ｂ）は第２の実施形態で用いられている金属板を示す斜視図。
【図６】（ａ）は第２の実施形態の圧電振動装置の正面断面図であり、（ｂ）は底面図。
【図７】第２の実施形態の圧電振動装置において、振幅を測定する方法を説明するための模式的正面図。
【図８】第２の実施形態の圧電振動装置における溝のピッチ配置を説明するための部分切欠正面断面図。
【図９】本発明の変形例に係る圧電振動装置の金属板の模式的平面図。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の他の変形例に係る圧電振動装置に用いられる金属板を示す平面図及び（ａ）におけるＸ−Ｘ線に沿う断面図。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明のさらに他の変形例に係る圧電振動装置で用いられている金属板の平面図、及び（ａ）におけるＹ−Ｙ線に沿う断面図。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、本発明のさらに別の変形例に係る圧電振動装置に用いられる金属板の平面図及び正面断面図。
【図１３】従来の圧電振動装置の一例を説明するための模式的正面断面図。
【図１４】従来の圧電振動装置の他の例を説明するための分解平面図。
【符号の説明】
【００８２】
１…圧電振動装置
２…金属板
２ａ…上面（第１の面）
２ｂ…下面（第２の面）
２ｃ〜２ｅ…溝
２ｆ〜２ｈ…溝
３…圧電振動板
４…圧電セラミック板
５，６…電極
７…接着剤
８…接着剤
９…接着剤
１０…ケース材
１０ａ…円筒部
１０ｂ…天板部
１０ｃ…貫通孔
１０ｄ…開口
１０ｅ…段差部
２１…圧電振動装置
２２…金属板
２２ａ…上面（第１の面）
２２ｂ…下面（第２の面）
２２ｃ〜２２ｈ…溝
２２ｉ〜２２ｍ…溝
２３…圧電振動板
３０…ケース材
３０ａ…筒状部
３０ｂ…天板部
３０ｃ…貫通孔
３０ｄ…開口
３０ｅ…段差部
３１…クランプ装置
４１…金属板
４１ａ…第１の面
４１ｂ〜４１ｄ…溝
４２…金属板
４２ａ…第１の面
４２ｂ…第２の面
４２ｃ〜４２ｋ…溝
４２ｌ〜４２ｔ…溝
４３…金属板
４３ａ…第１の面
４３ｂ…第２の面
４３ｃ…溝
４４…金属板
４４ａ…第１の面
４４ｂ…第２の面
４４ｃ〜４４ｅ…ドット状凹部
４４ｆ…ドット状凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電ブザーや圧電スピーカーなどに用いられる圧電振動装置に関し、より詳細には、圧電振動板が金属板に貼り合わされている構造を有する圧電振動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スピーカーやブザーなどに、圧電振動板を金属板に貼り付けてなる圧電振動装置が広く用いられている。また、ＯＡ機器や携帯電話機器等に用いるために、この種の圧電振動装置の小型化が強く求められている。そのため、小型でありながら、大きな音圧を得ることができる圧電振動装置が求められている。
【０００３】
下記の特許文献１には、図１３に略図的正面断面図で示す圧電振動装置が開示されている。圧電振動装置１０１では、金属板１０２に、圧電セラミック板の両面に電極が形成されている圧電振動板１０３が貼り合わされている。金属板１０２は、その外周縁部分が固定板１０４，１０５に挟持され、支持されている。
【０００４】
金属板１０２の圧電振動板１０３と貼り合わされている部分の外側においては、金属板１０２の表面に凹部１０２ａが、裏面に凹部１０２ｂが設けられている。凹部１０２ａ，１０２ｂを設けることにより、振動し易くなり、低周波化が果たされている。
【０００５】
加えて、圧電振動装置１０１では、金属板１０２が圧電振動板１０３に貼り合わされている部分にも、溝１０２ｃが設けられている。この溝１０２ｃが設けられている部分では、金属板１０２は圧電振動板１０３に接着されていない。すなわち、溝１０２ｃよりも内側の中心部１０２ｄと、溝１０２ｃの外側の外周部１０２ｅとにおいて、接着剤により、金属板１０２が圧電振動板１０３に接着されている。このような部分接着を利用することにより、圧電振動板１０３及び金属板１０２の厚みを薄くし、低周波化を果たした場合であっても、音圧レベルの低下を防止することができるとされている。
【０００６】
他方、下記の特許文献２には、図１４に略図的分解平面図で示す圧電振動装置１１１が開示されている。圧電振動装置１１１では、金属板１１２に、圧電振動板１１３が貼り合わされる。金属板１１２には、打ち抜きにより、金属板１１２の中心を中心とする複数の同心円を構成するように複数の円弧状の空溝１１２ａが形成されている。空溝１１２ａを形成することにより、低周波における音圧を高くすることができるとされている。
【０００７】
また、下記の特許文献３には、金属板に圧電振動板を貼り合わせてなる圧電振動装置において、金属板に周方向への伸縮を可能とする溝や長孔を設けた構成が開示されている。ここでも、特許文献１の場合と同様に、溝以外の部分で圧電振動板を接着し、すなわち部分接着を利用することにより、金属板の振動に際しての変位が容易とされている。
【特許文献１】特開平２−８４９００号公報
【特許文献２】特開昭６３−３１６９９９号公報
【特許文献３】特開平２−２６６７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、従来、圧電振動板に金属板を貼り合わせてなる圧電振動装置においては、小型化を図った場合であっても、音圧レベルを低下させることなく、低周波化を図るために、金属板に溝、打ち抜きにより形成された貫通孔からなる空溝または長孔などを形成した構造が知られていた。
【０００９】
しかしながら、上記のような圧電振動装置を駆動させた際の変位に基づく応力は、上記金属板の溝等に集中する。そして、溝等に集中した応力が圧電振動板を構成している圧電セラミック板に作用し、圧電セラミック板においてクラックが生じることがあった。特に、小型化及び低周波化を図るために、圧電振動板の厚みを薄くした場合、上記クラックがより一層生じがちであった。
【００１０】
加えて、小型化を図るために、圧電振動板及び金属板の大きさを小さくしかつ厚みを薄くした場合、金属板に微細な溝を形成し、しかもこの微細な溝を設計通りの形状に保つことは、非常に困難であった。すなわち、薄い金属板に微細な溝を高精度に加工し、かつ組み立ての間及び組み立て後に設計通りの形状を保つことは非常に困難であった。そのため、得られた圧電振動装置において、音圧のばらつきが生じたり、音質が劣化したりするおそれがあった。
【００１１】
また、金属板や圧電板が薄くなると、ハンドリング及び加工に際して変形や割れが生じやすくなる。従って、製造工程において、多大の注意をはらわねばならず、生産性が低下しがちであった。
【００１２】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、小型化を進め、圧電振動板や金属板の厚みを薄くした場合であっても、十分な振幅すなわち音圧を得ることができ、しかも取り扱いに際しての金属板や圧電振動板の変形が生じ難く、駆動時に圧電振動板にクラックが生じ難い、圧電振動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る圧電振動装置は、対向し合う第１，第２の面を有する金属板と、前記金属板の第１の面に接着剤により貼り合わされており、圧電セラミック板を用いて構成されている圧電振動板とを備え、前記金属板の第１の面において前記圧電振動板が貼り合わされている領域に少なくとも１つの凹部が形成されており、該凹部に金属板よりも低いヤング率の材料が充填されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る圧電振動装置のある特定の局面においては、前記金属板及び圧電振動板からなる積層体を支持するために前記金属板に固定されているケース材がさらに備えられている。
【００１５】
本発明に係る圧電振動装置の他の特定の局面では、前記凹部が、前記圧電振動装置の圧電振動板を振動させた際に変位量等高線に平行な位置に設けられている。
【００１６】
本発明に係る圧電振動装置のさらに特定の局面では、前記凹部に充填されている材料が接着剤である。
【００１７】
本発明に係る圧電振動装置のさらに他の特定の局面では、前記接着剤が、前記圧電振動板を前記金属板に貼り合わせるのに用いられている接着剤と同じ材料である。
【００１８】
本発明に係る圧電振動装置のさらに別の特定の局面では、前記凹部が、前記金属板の第２の面にも形成されている。
【００１９】
本発明に係る圧電振動装置においては、上記凹部の形態は種々変形することができるが、本発明のある特定の局面では、上記凹部は溝により構成されている。
【００２０】
本発明に係る圧電振動装置の特定の局面では、上記凹部は溝により構成されている。
【００２１】
本発明に係る圧電振動装置の他の特定の局面では、前記凹部として、複数のドット状凹部が設けられている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る圧電振動装置では、金属板の第１の面に圧電セラミック板を用いて構成されている圧電振動板が接着剤を用いて貼り合わされており、金属板の第１の面において、圧電振動板が貼り合わされている領域に少なくとも１つの凹部が形成されており、該凹部に金属板よりも低いヤング率の材料が充填されている。従って、金属板に凹部が設けられており、該凹部に金属板よりも低ヤング率の材料が充填されているので、金属板に凹部が設けられていない相当の金属板を用いた場合に比べて、金属板が撓みやすくなっている。よって、十分大きな振幅すなわち音圧を得ることができる。
【００２３】
しかも、小型化及び低周波化を図るために、圧電振動板や金属板の厚みを薄くした場合であっても、金属板の凹部には、上記低ヤング率の材料が充填されているので、凹部に応力が集中したとしても、応力が緩和される。従って、圧電振動板を構成している圧電セラミック板に応力が加わり難く、従って圧電セラミック板のクラックが生じ難い。また、製造工程においても、凹部に低ヤング率の材料が充填されているので、金属板の変形が生じ難く、また低ヤング率の材料を凹部に充填した後においては、金属板の取り扱いにさほど気を払うことなく金属板を取り扱うことができる。従って、生産性を高めることが可能となる。
【００２４】
また、凹部に低ヤング率の材料が充填されていることにより、凹部の変形も生じ難い。従って、音圧のばらつきや音質のばらつきも抑制することができる。
【００２５】
金属板及び圧電振動板からなる積層体を支持するために金属板に固定されているケース材がさらに備えられている場合には、ケース材を用いてＯＡ機器や携帯電話機器などに本発明の圧電振動装置を容易に取り付けることができる。
【００２６】
また、圧電振動装置の圧電振動板を振動させた場合に変位量等高線に平行な位置に、上記凹部が設けられている場合には、振幅をより一層大きくすることが可能となる。
【００２７】
凹部に充填されている材料は、金属板よりも低いヤング率の材料であれば、凹部が設けられている部分における変形を容易とすることができるが、好ましくは、接着剤が充填される。この場合には、接着剤が硬化することにより、凹部においても、圧電振動板に金属板を確実に貼り合わせることができ、接合強度を高めることができる。また、変形に際し、凹部から凹部に充填されている接着剤硬化物が分離し難いため、音圧や音質のばらつきも抑制することができる。
【００２８】
凹部に充填されている接着剤が、圧電振動板を金属板に貼り合わせるのに用いられている接着剤を同じ材料である場合には、単一の接着剤を用い、金属板を圧電振動板に貼り合わせるとともに、金属板の凹部へ充填される材料を構成することができ、作業工程及び製造コストを低減することができる。
【００２９】
また、凹部に充填されている接着剤による接合強度と、凹部外の金属板と圧電振動板とを接着している部分の接着剤による接合強度とがほぼ等しくなるため、圧電振動板の全領域に渡り、金属板に対し同じ程度の接合強度で均一に接着することができる。
【００３０】
凹部が金属板の第２の面にも形成されている場合には、それによって金属板がより一層変位しやすくなり、より大きな振幅を得ることができる。
【００３１】
凹部は溝であってもよく、ドット状の凹部であってもよく、その形状は特に限定されない。もっとも、凹部が溝である場合には、円弧状または直線状の溝とすることにより、円弧状、円形もしくは直線状の凹部を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００３３】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電振動装置の要部を示す斜視図であり、（ｂ）はその正面断面図であり、（ｃ）はその主要部分を拡大して示す部分切欠正面断面図である。
【００３４】
圧電振動装置１は、金属板２と圧電振動板３とを有する。圧電振動板３は、図１（ａ）及び（ｂ）では、１枚の板状部材として図示されているが、図１（ｃ）に拡大して示すように、実際には圧電セラミック板４の両主面に電極５，６を積層した構造を有する。圧電セラミック板４は、本実施形態では、厚み方向に分極処理されている。従って、電極５，６間に交流電圧が印加されると、図２に略図的に示すように、一点鎖線Ａで示す振動姿態と、Ｂで示す振動姿態との間で変位するように振動する。この振動に基づく音圧が取り出され、例えば圧電ブザーや圧電スピーカーとして用いられる。
【００３５】
上記圧電セラミック板４を構成するセラミック材料は特に限定されず、チタン酸鉛系セラミックス、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスなどを挙げることができる。また、金属板２は、圧電振動板３に接着剤７を用いて貼り合わされているが、該金属板２を構成する材料については、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ合金または銅、銅合金などの適宜の金属を用いることができる。
【００３６】
接着剤７は、圧電振動板３を金属板２に接着し得る限り、適宜の接着剤を用いて構成され得る。これらの接着剤として、本実施形態では、エポキシ樹脂系接着剤が用いられているが、シリコン系などの絶縁性接着剤を用いてもよい。
【００３７】
本実施形態では、金属板２がＮｉ合金からなり、圧電セラミック板４は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる。また、圧電振動板３においては、下面の電極６は設けられずともよく、その場合には接着剤６を導電性接着剤とすることにより、金属板２を下面の電極６の代わりに用いてもよい。
【００３８】
金属板２の第１の面としての上面２ａと、金属板２の第１の面２ａとは反対側の第２の面である下面２ｂには、それぞれ、複数本の溝２ｃ〜２ｅ，２ｇ，２ｈが形成されている。また、下面２ｂの中心には、円形のドット状凹部２ｆが形成されている。
【００３９】
図３は、金属板２の平面図であり、溝２ｃ〜２ｅが図示されている。溝２ｃ〜２ｅは、それぞれ、円板状の金属板２において、金属板２と同心となるように配置された円形の溝である。溝２ｇ，２ｈもまた、金属板２と同心に配置された同心円状の円形の溝である。
【００４０】
もっとも、溝２ｃ〜２ｅと、溝２ｇ，２ｈとは、金属板２を介して重なり合わないように、すなわちずらされて配置されている。
【００４１】
本実施形態では、溝２ｃ〜２ｅ内に、金属板２よりも低ヤング率の材料として、接着剤７と同じエポキシ系接着剤で構成された接着剤８が充填されている。ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈ内にも、同じエポキシ系接着剤により構成された接着剤９が充填されている。
【００４２】
また、圧電振動装置１は、図４（ａ）に示すケース材１０を有する。ケース材１０は、略円筒状の形状を有し、円筒部１０ａと、円筒部１０ａの一端に設けられた天板部１０ｂとを有する。天板部１０ｂの中央には、貫通孔１０ｃが設けられている。また、円筒部１０ａの天板部１０ｂとは反対側には、開口１０ｄが設けられている。円筒部１０ａの中間高さ位置においては、内周面に段差部１０ｅが設けられている。段差部１０ｅに、接着剤（図示せず）により、圧電振動装置１の金属板２が第２の面２ｂ側から接着剤により固定され、支持されている。ケース材１０に支持されている場合、金属板２と圧電振動板３とからなる積層体を積層した場合、振動の変位量等高線は、金属板２及び圧電振動板３の中心と同じ中心を有する同心円状に現れる。
【００４３】
なお、変位量等高線とは、金属板２及び圧電振動板３が振動した際に、振動時の変位量が同じ位置を結んだ際に描かれる線を示す。また、本発明において、変位量等高線に平行とは、変位量等高線が直線状の場合に限定されるものではない。すなわち、変位量等高線が直線である場合には、変位量等高線に平行とは、該変位量等高線上及び該変位量等高線に平行な直線上を広く含むものとする。また、本実施形態のように、変位量等高線は円のように曲線であってもよく、その場合には、変位量等高線に平行とは、変位量等高線と一定の幅を保ちつつ変位量等高線と並進する曲線及び該変位量等高線上の双方を広く含むものとする。すなわち、本発明において、変位量等高線に平行とは、変位量等高線上を含み、さらに変位量等高線と一定の幅を保つ直線または曲線上を広く含むものとする。
【００４４】
図４（ｂ）に、ケース材１０に支持されている金属板２を略図的平面図で示し、該金属板２に現れる振動の変位量等高線の位置を矢印Ｃ〜Ｅで模式的に示す。図４（ｂ）から明らかなように、金属板２には、異なる径の同心円領域に変位量等高線Ｃ〜Ｅが現れることになる。
【００４５】
そして、上記円形の溝２ｃ〜２ｅは、変位量等高線Ｃ〜Ｅが現れる位置に設けられている。
【００４６】
本実施形態の圧電振動装置１では、上記のように、金属板２に溝２ｃ〜２ｅが設けられており、該溝２ｃ〜２ｅに、金属板２よりも低ヤング率の材料であるエポキシ系接着剤８が充填されているため、駆動に際し、金属板２が設けられていない構造に比べて撓みやすくなっている。そのため、大きな変位を得ることができ、振幅ひいては音圧を高めることができる。
【００４７】
加えて、上記接着剤８が充填されていることにより、振動に際し、応力が溝２ｃ〜２ｅが設けられている部分に集中したとしても、該応力が緩和される。従って、圧電振動板３を構成している圧電セラミック板４への応力が伝達され難く、それによって圧電セラミック板４のクラックが生じ難い。
【００４８】
また、製造時の取り扱いに際しても、予め、接着剤８が溝２ｃ〜２ｅに充填され、硬化されている場合、溝２ｃ〜２ｅに何も充填されない場合に比べ金属板２の変形が生じ難い。また、金属板２に接着剤８を介して圧電振動板３を接着し硬化させた場合であっても、硬化後には、溝２ｃ〜２ｅの形状が接着剤８の硬化物により維持されることになるため、溝２ｃ〜２ｅの変形が生じ難い。従って、音圧ばらつきや音質のばらつきが生じ難い。
【００４９】
また、本実施形態では後述の実験例からも明らかなように、変位量等高線Ｃ〜Ｅとなる位置に、溝２ｃ〜２ｅが位置しているため、言い換えれば、変位量等高線に平行な部分が拘束され難いため、振幅の低下すなわち音圧の低下をより一層抑制することができ、より一層音圧を高くすることが可能となる。
【００５０】
さらに、本実施形態では、ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈが、金属板２の下面２ｂに設けられているため、それによっても金属板２が変形しやすくなり、大きな音圧を得ることができる。加えて、ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈにも、接着剤９が充填されていることにより、金属板２の変形が抑制されている。
【００５１】
また、溝２ｃ〜２ｅと、ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈとがずらされて配置されているので、溝２ｃ〜２ｅと、ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈとが重なり合って配置されている構造に比べて、金属板２の所望でない変形を抑制することが可能とされている。
【００５２】
もっとも、本発明においては、第２の面である下面２ｂにドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈを必ずしも設ける必要はない。また、ドット状凹部２ｆ及び溝２ｇ，２ｈに接着剤９を充填する必要も必ずしもない。
【００５３】
次に、本実施形態では、溝２ｃ〜２ｅに、接着剤７と同じエポキシ系の接着剤８を充填したが、溝２ｃ〜２ｅに他の接着剤を用いてもよく、金属板２よりも低ヤング率の接着剤以外の材料を溝２ｃ〜２ｅに充填してもよい。
【００５４】
もっとも、好ましくは、上記のように、接着剤を溝２ｃ〜２ｅに充填することにより、接着剤の硬化により、溝２ｃ〜２ｅの変形を抑制することができる。また、接着剤７と同じ接着剤により接着剤８を構成することにより、接着剤の種類を低減することができ、同じ接着剤を用いることにより、圧電振動板３の全領域に渡り、金属板２に均一な接合強度で圧電振動板３を接合することができる。
【００５５】
図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る圧電振動装置の斜視図及び第２の実施形態に用いられている金属板を示す斜視図である。圧電振動装置２１は、矩形の金属板２２と、圧電振動板２３とを有する。金属板２２及び圧電振動板２３は、それぞれ、平面形状が矩形とされていることを除いては、第１の実施形態の金属板２及び圧電振動板３と同様に構成されている。従って、異なる部分のみを説明することとする。
【００５６】
図５（ｂ）に示すように、矩形の金属板２２の第１の面としての上面２２ａ上には、複数本の溝２２ｃ〜２２ｈが形成されている。また、第２の面としての下面２２ｂには、複数本の溝２２ｉ〜２２ｍが形成されている。これらの溝２２ｃ〜２２ｈ，２２ｉ〜２２ｍに、それぞれ、接着剤８，９が充填されている。
【００５７】
接着剤８，９は、圧電振動板２３を金属板２２に接合している接着剤７と同じエポキシ系接着剤により構成されている。
【００５８】
図６（ａ）に示すように、圧電振動装置２１は、ケース材３０を備えている。このケース材３０内に、上記金属板２２に圧電振動板２３を接合してなる積層体が収納されている。ケース材３０は、角筒状の形状を有することを除いては、図４（ａ）に示したケース材１０と同様に構成されている。すなわち、筒状部３０ａの一端に天板部３０ｂが設けられており、天板部３０ｂの中央に貫通孔３０ｃが設けられている。筒状部３０ａの天板部３０ｂとは反対側の端部には開口３０ｄが設けられている。また、筒状部３０ａの内側面には、段差部３０ｅが設けられており、段差部３０ｅにおいて、金属板２２が、第２の面２２ｂから接着剤（図示せず）を用いて接合され、支持されている。
【００５９】
圧電振動装置２１において、圧電振動板２３の両面に交流電圧を印加すると、ベンディングモードの振動が生じ、その振動の変位量等高線は、支持部分と平行な複数の直線状の領域に現れる。すなわち、図６（ｂ）に底面図で示すように、金属板２２は、一対の対向し合っている辺と他の一対の対向し合っている辺とを有する矩形板状の形状を有するが、一対の辺２２ｎ，２２ｏ側において、ケース材３０に固定され、支持されている。そして、駆動時には、この辺２２ｎ，２２ｏと平行な複数の領域に振動の変位量等高線が現れることになる。本実施形態では、上記金属板２２の第１の面の上面２２ａに設けられた複数本の溝２２ｃ〜２２ｈが、振動の変位量等高線に平行な位置になるように設けられている。
【００６０】
また、本実施形態においても、上面に設けられた溝２２ｃ〜２２ｈと、下面に設けられた溝２２ｉ〜２２ｍとは、金属板２２を介して重なり合わない位置に設けられている。従って、金属板２２の所望でない変形や歪みを防止することが可能とされている。
【００６１】
本実施形態においても、上記溝２２ｃ〜２２ｈ内に、接着剤９が充填されているため、また、溝２２ｃ〜２２ｈが振動の変位量等高線に平行な位置になるように設けられているので、振動が抑制されず、従って、大きな音圧を得ることができる。従って、接着剤８が充填されていることにより、溝に応力が加わったとしても、圧電セラミック板側への応力集中が緩和され、圧電セラミック板のクラックを抑制することができる。これを、具体的な実験例により明らかにする。
【００６２】
金属板２２として、９．９ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．０５ｍｍの４２Ｎｉ−Ｆｅ合金からなる金属板を用意し、長さ方向１０ｍｍとなる一方の辺２２ｎ側において、図７に示すように、クランプ装置３１，３１により挟持した。なお、この金属板２２の片面には、圧電振動板２３を貼り合わせておいた。この圧電振動板２３としては、１０ｍｍ×８ｍｍ×厚さ０．０５５ｍｍの圧電セラミック板の両主面に電極が形成されているものを用意した。両主面の電極はＮｉ−Ｃｕ合金からなり、その厚みは０．２μｍである。また、両主面の電極は、圧電セラミック板の全面に形成されている。上記圧電振動板２３の１０ｍｍの寸法の辺を金属板２２の１０ｍｍの寸法の辺と対応させるようにして、圧電セラミック板２３の中心と金属板２２の中心を一致させるようにしてエポキシ系接着剤により貼り合わせた。また、金属板２２には、複数本の溝を、それぞれ、幅０．０４ｍｍ×深さ０．０２ｍｍの断面が半円形の溝として形成した。そして、溝内に、ヤング率が１×１０8Ｐａのエポキシ系接着剤を充填し硬化させておいた。なお、上記４２Ｎｉ−Ｆｅ合金からなる金属板２２のヤング率は１×１０11Ｐａである。
【００６３】
他方、金属板２２の下面側にも、複数本の溝を同様にして形成し、エポキシ系接着剤を充填し、硬化させておいた。
【００６４】
なお、図８に示すように、上面及び下面の複数本の溝のピッチＰ１，Ｐ２はいずれも０．２ｍｍとし、金属板２２の上面には３２本の溝、下面には３８本の溝を設け、表裏の溝は溝と直交する方向においてＤ＝０．１ｍｍずらして配置した。
【００６５】
このようにして用意した圧電振動装置の金属板２２及び圧電振動板２３からなる積層体を図７に示すようにクランプ３１，３１で一端側において、１．０ｍｍの長さ部分Ｓに渡って挟み込み、交流電圧を印加し、振動させた。そして、支持されている側とは反対側の端部が図７に実線及び二点鎖線で示すように、振動した際の振幅Ｔを測定した。振幅Ｔとは、実線で示す振動姿態と、二点鎖線で示す振動姿態でかつ最大変位状態における各先端の位置の間の金属板２２の第１の面と直交する方向に沿う寸法をいうものとする。駆動電圧は３Ｖとした。その結果、振幅は１．５６ｍｍであり、周波数は６３０Ｈｚであった。
【００６６】
他方、金属板２２の下面に溝を設けなかったことを除いては、上記実験例と同様にして、振幅を測定したところ、１．５ｍｍであり、周波数は６７０Ｈｚであった。
【００６７】
さらに、比較のために、金属板の両面の双方に溝を設けなかったことを除いては上記と同様にして、振幅を測定したところ、振幅は０．６５ｍｍに留まり、周波数は６３０Ｈｚであった。
【００６８】
従って、上記実験例から明らかなように、第２の実施形態に相当する圧電振動装置では、溝がない比較例に比べ、振幅を０．６５ｍｍから１．６５ｍｍに大幅に大きくすることができ、よって、音圧を大幅に高め得ることがわかる。
【００６９】
また、溝が片面に設けられている実験例に比べ、両面に溝を設けることにより、周波数を高めることができ、しかも音圧をより一層高め得ることがわかる。
【００７０】
次に、上記実験例において、溝のピッチを０．２ｍｍから０．４ｍｍとし、金属板２２の上面及び下面にそれぞれ１９本の溝を形成したことを除いては、上記実験例と同様にして変形例の圧電振動装置を作製した。この変形例の圧電振動装置で、同様にして振幅を測定したところ、１．２７ｍｍであった。従って、上記金属板の圧電振動板の貼り合わせる面に設けられる溝の位置を変更することにより、振幅を変化させることができ、上記実験例のように、溝のピッチを狭くし、多くの溝を形成した場合に、金属板の断面積が減少するため、より大きな振幅が得られることがわかる。
【００７１】
もっとも、溝の本数が増加しすぎると、金属板の強度が低下するおそれがある。従って、金属板の強度や、所望でない変形が生じ難い範囲で、上記溝の数を増加させることが望ましい。
【００７２】
上記第２の実施形態の変形例の実験例から明らかなように、本発明では金属板に設けられる溝の本数及びピッチを変更することにより、振幅を変化させ得ることがわかる。
【００７３】
また、上記金属板の厚みをＴ１、圧電振動板の厚みをＴ２としたとき、積層構造の全体の厚みＴ＝Ｔ１＋Ｔ２は、金属板の厚みＴ１を変化させることにより変化することとなる。これに対して、本発明では、上記圧電振動板の貼り合わされる金属板の第１の面に複数本の溝を設けることにより、金属板の実質的な厚みを薄くすることができ、それによって振幅を大きくし得ることがわかる。
【００７４】
この種の圧電振動装置では、圧電セラミック層の数を増加することにより、音圧を高め得ることが知られている。例えば、第１の実施形態や第２の実施形態において、１枚の圧電セラミック板が用いられているが、さらに１枚の圧電セラミック板を積層した場合には、圧電セラミック板１枚を増加させることにより、音圧を６ｄＢ程度高めることができる。本発明では、このような圧電セラミック層を増加させた場合ほどは音圧を高めることはできないが、その１／２程度の３ｄＢ程度、圧電セラミック層を増加させることなく高めることができる。
【００７５】
また、本発明における金属板に設けられる溝部の形状は、第１，第２の実施形態に示した形状に限定されるものではない。例えば、図９に示す矩形の金属板４１では、金属板４の周囲四辺が支持固定される場合であって、第１の面４１ａに、複数の同心円上に配置された径の異なる円形の溝４１ｂ〜４１ｄが形成されている。このように、矩形の金属板４１に、円形の溝４１ｂ〜４１ｄを形成してもよい。
【００７６】
すなわち、溝や後述のドット状凹部などの本発明における凹部の形状は、圧電振動装置を駆動した際の振動のノード位置や形状等に応じて適宜変更することができる。また、振動のノード位置は圧電振動板及び金属板からなる積層体を支持した際の支持構造によっても変化し、変位量等高線の位置も変化する。従って、金属板の特定の位置に現れる変位量等高線に平行に凹部を設けることが望ましい。この場合、複数の凹部の内少なくとも一部の凹部が変位量等高線に平行に設けられていてもよく、その場合には、本発明に従って、より一層効果的に振幅を高めることができる。もっとも好ましくは、全ての凹部が変位量等高線に平行に配置されていることが望ましい。
【００７７】
また、図１０（ａ）及び（ｂ）に示す変形例では、矩形の金属板４２の第１の面４２ａ上に、互いに平行に複数本の溝４２ｃ〜４２ｋが形成されている。他方、下面４２ｂにも、複数本の直線状の溝４２ｌ〜４２ｔが形成されている。もっとも、４２ｃ〜４２ｋと、下面の溝４２ｌ〜４２ｔとは、互いに直交する方向に延ばされている。すなわち、第１の面に形成された溝４２ｃ〜４２ｋと、第２の面に形成された溝４２ｌ〜４２ｔは、交差するように配置されていてもよい。
【００７８】
図１０（ａ）及び（ｂ）では、上記溝４２ｃ〜４２ｋに接着剤８が充填されており、溝４２ｌ〜４２ｔには接着剤９が充填されている状態が示されている。
【００７９】
図１１（ａ）及び（ｂ）に示す金属板４３では、上面４３ａに、格子状の溝４３ｃが設けられており、下面４３ｂには溝は設けられていない。このように、第１の面４３ａに設けられている溝は、格子状の溝４３ｃであってもよい。
【００８０】
図１２（ａ）及び（ｂ）に示す金属板４４では、第１の面４４ａ上に、複数のドット状凹部４４ｃ、複数の第２のドット状凹部４４ｄ及び複数の第３のドット状凹部４４ｅが形成されている。複数の第１のドット状凹部４４ｃは、円を構成するように円周方向に沿って配置されている。また、複数の第２のドット状凹部４４ｄもまた、円を形作るように円周方向に配置されている。複数の第３のドット状凹部４４ｅもまた、同様に、１つの円を形作るように円周方向に配置されている。そして、これらで構成される複数の円は、径の異なる同心円とされている。このように、本発明では、凹部は、溝である必要はなく、複数のドット状凹部であってもよい。なお、金属板４４では、下面４４ｂにも、複数のドット状凹部４４ｆが設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る圧電振動装置の主要部分示す斜視図、（ｂ）はその正面断面図、（ｃ）は第１の実施形態の圧電振動装置の主要部分を拡大して示す部分切欠正面断面図。
【図２】図１に示した圧電振動装置の振動姿態を説明するための模式的正面図。
【図３】第１の実施形態で用いられている金属板の平面図。
【図４】（ａ）はケース材が備えられている第１の実施形態の圧電振動装置の正面断面図、（ｂ）は金属板における変位量等高線を示す模式的平面図。
【図５】（ａ）は第２の圧電振動装置の主要部分を示す斜視図であり、（ｂ）は第２の実施形態で用いられている金属板を示す斜視図。
【図６】（ａ）は第２の実施形態の圧電振動装置の正面断面図であり、（ｂ）は底面図。
【図７】第２の実施形態の圧電振動装置において、振幅を測定する方法を説明するための模式的正面図。
【図８】第２の実施形態の圧電振動装置における溝のピッチ配置を説明するための部分切欠正面断面図。
【図９】本発明の変形例に係る圧電振動装置の金属板の模式的平面図。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の他の変形例に係る圧電振動装置に用いられる金属板を示す平面図及び（ａ）におけるＸ−Ｘ線に沿う断面図。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明のさらに他の変形例に係る圧電振動装置で用いられている金属板の平面図、及び（ａ）におけるＹ−Ｙ線に沿う断面図。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、本発明のさらに別の変形例に係る圧電振動装置に用いられる金属板の平面図及び正面断面図。
【図１３】従来の圧電振動装置の一例を説明するための模式的正面断面図。
【図１４】従来の圧電振動装置の他の例を説明するための分解平面図。
【符号の説明】
【００８２】
１…圧電振動装置
２…金属板
２ａ…上面（第１の面）
２ｂ…下面（第２の面）
２ｃ〜２ｅ…溝
２ｆ〜２ｈ…溝
３…圧電振動板
４…圧電セラミック板
５，６…電極
７…接着剤
８…接着剤
９…接着剤
１０…ケース材
１０ａ…円筒部
１０ｂ…天板部
１０ｃ…貫通孔
１０ｄ…開口
１０ｅ…段差部
２１…圧電振動装置
２２…金属板
２２ａ…上面（第１の面）
２２ｂ…下面（第２の面）
２２ｃ〜２２ｈ…溝
２２ｉ〜２２ｍ…溝
２３…圧電振動板
３０…ケース材
３０ａ…筒状部
３０ｂ…天板部
３０ｃ…貫通孔
３０ｄ…開口
３０ｅ…段差部
３１…クランプ装置
４１…金属板
４１ａ…第１の面
４１ｂ〜４１ｄ…溝
４２…金属板
４２ａ…第１の面
４２ｂ…第２の面
４２ｃ〜４２ｋ…溝
４２ｌ〜４２ｔ…溝
４３…金属板
４３ａ…第１の面
４３ｂ…第２の面
４３ｃ…溝
４４…金属板
４４ａ…第１の面
４４ｂ…第２の面
４４ｃ〜４４ｅ…ドット状凹部
４４ｆ…ドット状凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向し合う第１，第２の面を有する金属板と、
前記金属板の第１の面に接着剤により貼り合わされており、圧電セラミック板を用いて構成されている圧電振動板とを備え、
前記金属板の第１の面において前記圧電振動板が貼り合わされている領域に少なくとも１つの凹部が形成されており、該凹部に金属板よりも低いヤング率の材料が充填されていることを特徴とする、圧電振動装置。
【請求項２】
前記金属板及び圧電振動板からなる積層体を支持するために前記金属板に固定されているケース材をさらに備える、請求項１に記載の圧電振動装置。
【請求項３】
前記凹部が、前記圧電振動装置の圧電振動板を振動させた際に変位量等高線に平行な位置に設けられている、請求項１または２に記載の圧電振動装置。
【請求項４】
前記凹部に充填されている材料が接着剤である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項５】
前記接着剤が、前記圧電振動板を前記金属板に貼り合わせるのに用いられている接着剤と同じ材料である、請求項４に記載の圧電振動装置。
【請求項６】
前記凹部が、前記金属板の第２の面にも形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項７】
前記凹部が溝である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項８】
前記凹部として、複数のドット状凹部が設けられている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項１】
対向し合う第１，第２の面を有する金属板と、
前記金属板の第１の面に接着剤により貼り合わされており、圧電セラミック板を用いて構成されている圧電振動板とを備え、
前記金属板の第１の面において前記圧電振動板が貼り合わされている領域に少なくとも１つの凹部が形成されており、該凹部に金属板よりも低いヤング率の材料が充填されていることを特徴とする、圧電振動装置。
【請求項２】
前記金属板及び圧電振動板からなる積層体を支持するために前記金属板に固定されているケース材をさらに備える、請求項１に記載の圧電振動装置。
【請求項３】
前記凹部が、前記圧電振動装置の圧電振動板を振動させた際に変位量等高線に平行な位置に設けられている、請求項１または２に記載の圧電振動装置。
【請求項４】
前記凹部に充填されている材料が接着剤である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項５】
前記接着剤が、前記圧電振動板を前記金属板に貼り合わせるのに用いられている接着剤と同じ材料である、請求項４に記載の圧電振動装置。
【請求項６】
前記凹部が、前記金属板の第２の面にも形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項７】
前記凹部が溝である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項８】
前記凹部として、複数のドット状凹部が設けられている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００７−４９４７３（Ｐ２００７−４９４７３Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３２２１６（Ｐ２００５−２３２２１６）
【出願日】平成１７年８月１０日（２００５．８．１０）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１０日（２００５．８．１０）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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