JP5245409B2 - 圧電アクチュエータ、音響素子、及び電子機器 - Google Patents
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Description
11、11A、11B、11C 上部電極層
12 圧電板
13 下部電極層
14 電極層
24、24A 台座
27、27A 支持部材
27a 外周壁
30、30A 梁部
35、35A 延長部
35b 引出し部
36 立上がり部
36a 固定端
37 湾曲部
38 延長部
38a 固定端
50〜57 圧電アクチュエータ
61 振動膜
70 音響素子
図1は、本実施形態に係る圧電アクチュエータの構成を示す斜視図である。図1に示すように本実施形態の圧電アクチュエータ50は、互いに対向する2つの主面(図示上下面)を有する圧電素子10と、その圧電素子10を支持する台座24と、台座24の外周部に設けられた4本の梁部30と、その梁部30を介して、台座24及びそれに固定された圧電素子10を支持する支持部材27とを有している。なお、圧電アクチュエータ50の使用時の姿勢は特に限定されるものではないが、説明の都合上、図1に示す姿勢を基準として、以下の説明を行う。すなわち、図示横方向を水平方向とし、図示縦方向を高さ方向とする。台座24及び後述する延長部35は水平面となっている。
本発明の圧電アクチュエータは、上記実施形態に示したものに限らず、図4に示すような構成であってもよい。
本発明の圧電アクチュエータは、また、上記実施形態に示したものに限らず、図5に示すような構成であってもよい。
本発明の圧電アクチュエータは、更に、上記実施形態に示したものに限らず、図6に示すような構成であってもよい。
本発明の圧電アクチュエータは、他にも、上記実施形態に示したものに限らず、図7に示すような構成であってもよい。
本発明において、振動部の振幅を大きくするため、及び、振動の態様を制御するためには、梁部の構造が重要となるが、梁部は上記実施形態に示したものに限らず、図8に示すような構造であってもよい。
本発明の圧電アクチュエータは、更に、図9に示すような構成であってもよい。図9に示す圧電アクチュエータ56では、立上がり部36の下端に連なり、立上がり部36に対して直交する延長部38が形成されている。例えば、立上がり部36の下部側を外側に向かって折り曲げることで延長部38を形成してもよい。延長部38の端部は、支持部材に固定される固定端38aとなっている。
以上、圧電素子が台座の一方の面に固定された形態を例に挙げて説明してきたが、本発明の圧電アクチュエータは、図10に示すようにバイモルフ型の圧電素子を利用することも可能である。
本発明の音響素子の一例を図12を参照して説明する。図12の音響素子70は、図4に示した圧電アクチュエータ51の上面部に振動膜61を貼り付けたものである。具体的には、振動膜61は、その中央部が台座24上面で支持されると共に、周縁部は支持部材の外周壁27aの上端部に固定されている。このように振動膜61を設けることにより、共振周波数近傍の急峻な振動の変化が抑制され、平潤な音圧・周波数特性を有する、スピーカ、レシーバ等の音響素子を実現できる。
(評価1)共振周波数の測定:交流電圧1Vを入力したときの共振周波数を測定した。
(評価2)最大振動速度振幅:交流電圧1Vを入力したときの最大振動速度振幅Vmax(図13参照)を測定した。
(評価3)平均振動速度振幅:図14に示すように、圧電素子10の上面横方向に均一に分割された20箇所の測定点において振動速度振幅を測定し、これらの平均値を算出した。
(評価4)振動形態:図13に示すように、「振動速度比」を平均振動速度振幅/最大速度振幅と定義し、この振動速度比の値に基き振動の形態を判別した。すなわち、振動速度比が小さいときには図13(a)に示すような屈曲運動(山型運動)となり、振動速度比が大きいときには図13(b)に示すような往復運動(ピストン型運動)となることから、本実施例では、そのしきい値を振動速度比=0.8として、振動速度比が0.8未満のときには屈曲運動、0.8以上のときにはピストン型運動であると判別した。
(評価5)音圧レベルの測定:交流電圧1Vrms入力時、1kHzでの音圧レベルを、素子から10cm離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。
(評価6)落下衝撃試験:圧電アクチュエータを搭載した携帯電話機を、50cmの高さから5回自然落下させ、落下衝撃安定性試験を行った。試験後の破損状態(割れ等)を目視で確認すると共に、試験後の音圧レベルの測定も行なった。
実施例1として、図15A、図15Bに示すような、台座24の下面に圧電素子10が貼り付けられた圧電アクチュエータを作製した。
圧電素子:外形=□10mm、厚み=0.5mmの圧電板(圧電材料層、図1参照)の両面に、それぞれ厚み8μmの上部電極層及び下部電極層を形成した。
弾性体:厚み=0.05mmのリン青銅とした。なお、「弾性体」とは、台座、延長部、及び立上がり部が一体に形成された構造体を指す。
梁部:立上がり部高さ=1.0mm、延長部長さ=2.0mm、梁部幅寸法=4.0mm、梁部の折曲り角度=90°
支持部材:外形=φ17mm、厚み=1.55mm、クリアランスL1 =1.0mm、材質=SUS304
〔結果〕
共振周波数=635Hz
最大振動速度振幅=260mm/s
振動速度比=0.84
振動の態様=ピストン型運動
比較例1として、図16A、図16Bに示すような、梁部を有さない従来の圧電アクチュエータを作製した。比較例1の構成では、台座524の両面にそれぞれ圧電素子510A、510Bが貼り付けられており、バイモルフ構造となっている。なお、両圧電素子は外形形状を同じくして構成されているが、分極方向は逆向きになっている。
圧電素子:外形=φ16mm、厚み=1.0mmであり、圧電素子の外周部は支持部材に接合されている。
台座:厚み=0.3mmのリン青銅(金属板)とした。
梁部:ナシ
支持部材:外形=φ17mm、厚み=2.3mm
〔結果〕
共振周波数=1498Hz
最大振動速度振幅=42mm/s
振動速度比=0.37
振動の態様=屈曲運動
実施例2として、図17A、図17Bに示すような圧電アクチュエータを作製した。この圧電アクチュエータは、実施例1の圧電アクチュエータの梁部30の構成を変更したものである。梁部には、図8に示したような湾曲部37が形成されており、その他の構成は実施例1の圧電アクチュエータと同一である。
圧電素子:実施例1と同じ
弾性体:実施例1と同じ
梁部:立上がり部高さ=1.0mm、延長部長さ(湾曲部を一部に含み)=2.0mm、梁部幅寸法4.0mm、湾曲部曲率=R2.0
支持部材:実施例1と同じ
〔結果〕
共振周波数=472Hz
最大振動速度振幅=345mm/s
振動速度比=0.91
振動の態様=ピストン型運動
実施例3として、図18に示すような圧電アクチュエータを作製した。この圧電アクチュエータは、実施例1の圧電アクチュエータの台座両面に圧電素子を配し、バイモルフ型としたものであり、その他の構成は基本的には実施例1の圧電アクチュエータと同一である。
圧電素子:外形=□10mm、厚み=0.4mmのものを使用した。なお、各圧電素子における上部電極層及び下部電極層はいずれも、実施例1と同様であり、その厚みは8μmとした。
弾性体:実施例1と同じ
梁部:実施例1と同じ
支持部材:外形φ17mm、厚み=1.95mm、クリアランスL1 =1.0mm
〔結果〕
共振周波数=662Hz
最大振動速度振幅=298mm/s
振動速度比=0.87
振動の態様=ピストン型運動
実施例4として、次のような圧電アクチュエータを作製した。すなわち、実施例1の圧電アクチュエータの単層型圧電素子に代え、多層型の圧電素子を備えた圧電アクチュエータを作製した。その他の構成は、実施例1の圧電アクチュエータと同一であるため、ここでは、多層型の圧電素子の構成のみ図19に示す。圧電素子自体は、基本的には図11に示した圧電素子10Cと同様の構成をなしている。すなわち5層の圧電材料層のそれぞれの間に電極層が配置された構成となっている。
圧電板(圧電材料層):外形=□10mm、厚み=80μm×5層
電極層:厚み=3μm×4層
最終的な圧電素子:外形=□10mm、厚み=約0.5mm
支持部材:外形=φ17mm、厚み=1.55mm、クリアランスL1 =1.0mm
〔結果〕
共振周波数=652Hz
最大振動速度振幅=649mm/s
振動速度比=0.91
振動の態様=ピストン型運動
実施例5として、図20A、図20Bに示すような圧電アクチュエータを作製した。この圧電アクチュエータは、円形の圧電素子10Aを備えるものであり、またそれに対応して台座24Aの形状も円形とされている。その他の構成は、実施例1の圧電アクチュエータと同一である。
圧電素子:外形=φ12mm、厚み=0.5mm
支持部材:外形=φ17mm、厚み=1.55mm
〔結果〕
共振周波数=532Hz
最大振動速度振幅=296mm/s
振動速度比=0.92
振動の態様=ピストン型運動
次に、圧電素子の厚みd1と弾性体(台座)の厚みd2の比率であるd1/d2が圧電アクチュエータの特性に及ぼす影響について検討した結果を実施例6Aとして説明する。なお、本実施例で用いる圧電アクチュエータは実施例1と同じ構成であり、圧電素子の厚みのみを変更することで比率d1/d2の変更を行った。この結果を表1、及び図21のグラフに示す。
実施例6Aとは別に、圧電素子の厚みを0.5mmに固定し、台座の厚みd2のみを変更して実験を行った結果を表2に示す。
次に、本発明を適用した音響素子について検討した結果を示す。
〔結果〕
共振周波数=633Hz
音圧レベル=95dB
実施例8として、図23に示すような音響素子を作製した。音響素子71は、実施例2の圧電アクチュエータ55Aに振動膜61を貼り付けたものである。振動膜61は、上記実施例7と同じものとした。
〔結果〕
共振周波数=503Hz
音圧レベル=99dB
実施例7、8の音響素子の効果を比較するため、比較例1の圧電アクチュエータに振動膜を貼り付けた従来型の音響素子を作製した。
〔結果〕
共振周波数=1498Hz
音圧レベル=65dB
次に、音響素子を携帯電話機に搭載した例について、実施例9〜11及び比較例3を参照して説明する。
〔結果〕
共振周波数=643Hz
音圧レベル=93dB
周波数特性:平順な特性を示した(図26参照)
落下衝撃試験:5回落下後においても圧電素子の割れは見られず、試験後、音圧レベルを測定したところ92dBであった。
実施例10として、上記同様図24に示すような携帯電話機を用意し、これに実施例8(図23参照)の音響素子71を搭載した。素子から30cm離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。また、落下衝撃試験も行なった。
〔結果〕
共振周波数=497Hz
音圧レベル=98dB
周波数特性:平準な特性を示した(図26参照)
落下衝撃試験:5回落下後においても圧電素子の割れは見られず、試験後、音圧レベルを測定したところ98dBであった。
比較例3として、上記同様図24に示すような携帯電話機を用意し、これに比較例2の音響素子を搭載した。素子から30cm離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。また、落下衝撃試験も行なった。
〔結果〕
共振周波数=1520Hz
音圧レベル=66dB
周波数特性:凹凸の激しい特性を示した(図26参照)
落下衝撃試験:2回落下後において圧電素子の割れが見られ、この時点で音圧レベルを測定したところ50dB以下であった。
比較例4として、図25に示すような従来型の音響素子を作製した。図25に示す音響素子は、永久磁石191と、ボイスコイル193と、振動板192とを有し、電気端子94を通じてボイスコイルに電流を流すことで磁力が発生し、発生した磁力により、振動板192に吸引と反発とを繰り返させて音を発生するものである。なお、この音響素子の外形形状は、外形=φ20mmの円形であり、厚み=4.0mmである。
〔結果〕
共振周波数=810Hz
音圧レベル=83dB
実施例11として、実施例7の音響素子を搭載したノート型パーソナルコンピュータを作製した。素子から30cm離れた位置に配置したマイクロホンにより、音圧レベルと周波数特性とを測定した。また、落下衝撃試験も行なった。
〔結果〕
共振周波数=623Hz
音圧レベル=91dB
落下衝撃試験:5回落下後においても圧電素子の割れは見られず、試験後、音圧レベルを測定したところ89dBであった。
次に、立上がり部36(図2参照)の長さと圧電アクチュエータの特性との相関を検証した結果について説明する。図27に示すように、実施例1のアクチュエータをベースとして、厚み0.05mmのリン青銅バネを折り曲げて作製した弾性体を用い、立上がり部36の長さXを0.1mmから5.0mmまで変更して共振周波数及び最大振動速度振幅を測定した。弾性体の上面横方向の長さ(台座及び2つの延長部を含む長さ)は14mmとした。この結果を表3に示し、また、図28にグラフ化して示す。なお、図28では、横軸が立上がり部の長さXであり、図示左方の縦軸が共振周波数を示し、図示右方の縦軸が最大振動速度振幅を示している。
次に、立上がり部36がなす角度α(図29参照)と圧電アクチュエータの特性との相関を検証した結果について説明する。図29に示すように、実施例1のアクチュエータをベースとして、厚み0.05mmのリン青銅バネを折り曲げて作製した弾性体を用い、立上がり部が延長部に対してなす角度αを90°〜180°まで変更して、共振周波数及び最大振動速度振幅を測定した。この結果を表4に示す。なお、角度αが180°のときには、立上がり部が、延長部からまっすぐに外側に向かって延び、フラットな状態となっている。
次に、2回曲げの構成において、延長部38の長さL(図30参照)と圧電アクチュエータの特性との相関を検証した結果について説明する。図30に示すように、図9と同じ構成を有する圧電アクチュエータにおいて、延長部38の長さLを0〜2.0mmまで変更して、共振周波数及び最大振動速度振幅を測定した。この結果を表5に示す。なお、弾性体の構成は、上記実施例同様、厚み0.05mmのリン青銅バネを折り曲げたものである。また、立上がり部の寸法はすべて1.0mmとした。また、図30には詳細に図示していないが、圧電素子や支持部材は実施例1と同様のものを使用した。
Claims (16)
- 互いに対向する2つの主面を有する圧電素子と、
伸縮性のある部材からなり、前記主面の一方が貼り付けられる水平面を備えた台座と、
前記台座の端部から互いに異なる方向に延びる4本の梁部材と、
前記梁部材が接続され、前記圧電素子と前記台座とを支持する支持部材と、を備え、
前記各梁部材は、前記台座に接続され前記台座の前記水平面と平行に延びる延長部と、前記延長部に連なり、前記延長部と交差する方向に延在する立上がり部と、を有し、前記立上がり部と前記延長部とが成す角度が、120°〜150°の範囲内である、圧電アクチュエータ。 - 前記梁部材の前記台座に接続された端部と、前記支持部材に接続された端部とが、前記台座の表面と平行をなす一平面内に位置しないように構成されている、請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記台座及び前記4本の梁部材が一体部材として構成されている、請求項1または2に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電素子の形状が円形である、請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電素子の形状が正方形である、請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 2つの前記圧電素子が、前記台座の両面に配置されている、請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電素子は、圧電材料層と電極層とが交互に積層された積層型構造である、請求項1から6のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記延長部又は前記立上がり部の一部に湾曲部が形成されている、請求項1から7のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記湾曲部は、その一端を前記延長部の端部に一致させた状態で、前記立上がり部の一部に形成されている、請求項8に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記立上がり部に連なると共に、前記立上がり部に対し交差する方向に延在し、その端部が前記支持部材に接続されている他の延長部を更に有する、請求項1から9のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記他の延長部は、前記支持部材に固定される固定端を有し、前記固定端の周りを振動可能である、請求項10に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電素子の主面は、電界の状態に応じて拡大又は縮小するような伸縮運動を行う、請求項1から11のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 2つの前記梁部材の前記立上がり部が前記台座を挟んで向かい合うように配置されている組が、2組設けられている、請求項1から12のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータ。
- 請求項1から13のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータと、該圧電アクチュエータにおける前記圧電素子、前記台座、又は前記延長部の少なくとも一部に接合された振動膜とを有し、前記圧電アクチュエータを駆動源として前記振動膜が振動することで音を発生する音響素子。
- 請求項14に記載の音響素子を搭載した電子機器。
- 請求項1から13のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータを搭載した電子機器。
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