JP7550066B2

JP7550066B2 - 振動デバイス

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Publication number: JP7550066B2
Application number: JP2021011496A
Authority: JP
Inventors: 敦江澤; 慧大永井; 辰哉滝; 俊樹丸山
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2024-09-12
Anticipated expiration: 2041-01-27
Also published as: JP2022114978A

Description

本開示は、振動デバイスに関する。

従来の振動デバイスとして、例えば特許文献１に記載の透明スピーカがある。この従来の振動デバイスは、圧電素子を振動部に固定することによって構成されている。この振動デバイスでは、圧電素子の振動を振動部によって増幅し、振動部にベンディング振動を生じさせることによって、所望の音響出力が得られるようになっている。

特開平４－７０１００号公報

上述した特許文献１の振動デバイスのように、振動部のベンディング振動を利用した構成は、圧電素子から振動部への振動伝達性に優れる。その反面、振動部の共振に起因する音圧の低下や周波数に対する歪みが生じ易く、これらの課題の解決が求められている。

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、音圧の向上や周波数に対する歪みの改善が図られる振動デバイスを提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る振動デバイスは、圧電素子と、圧電素子が固定され、圧電素子の駆動によってベンディング振動を生じさせる振動部と、を備え、振動部には、振動部の平面視において、圧電素子を囲むように減肉部が配置されている。

この振動デバイスでは、振動部において圧電素子を囲むように減肉部が配置されている。減肉部では、振動部の他の部位に比べて振動による曲げ変形が生じ易い。このため、圧電素子によって振動部にベンディング振動が生じた場合に、圧電素子の周囲で振動部に垂直な方向の均一な振動（直動振動）への変換が促進される。この振動デバイスでは、ベンディング振動が直動振動に効率的に変換されることで、振動部の共振の影響を軽減でき、音圧の向上や周波数に対する歪みの改善が図られる。

減肉部は、振動部の平面視において、圧電素子と重ならないように配置されていてもよい。これにより、圧電素子の周囲でより広範囲にベンディング振動から直動振動への変換を促進できる。

振動部は、一方面及び当該一方面の反対側に位置する他方面を有し、圧電素子は、振動部の一方面側に配置され、減肉部は、振動部の他方面側に配置されていてもよい。この場合、減肉部の配置が圧電素子の配置を阻害してしまうことを防止できる。

振動部は、一の方向に延在しており、振動デバイスは、振動部における一の方向の両端部を固定する固定部を更に備え、減肉部は、固定部から離間して配置されていてもよい。振動部の両端部が固定部によって振動の固定端となることで、ベンディング振動を好適に生じさせることができる。ベンディング振動が好適に生じることで、直動振動を出力として十分に取り出すことが可能となり、音圧の一層の向上が図られる。

減肉部は、溝部又はスリットによって構成されていてもよい。この場合、簡単な構成で振動部に減肉部を設けることができる。

振動部は、平坦な第１の層と、減肉部に対応するスリット又は凹部を有する第２の層とによって構成されていてもよい。この場合、第１の層及び第２の層の構成材料の組み合わせにより、振動部の構成の自由度を高めることができる。

本開示によれば、音圧の向上や周波数に対する歪みの改善が図られる。

本開示の一実施形態に係る振動デバイスの構成を示す概略的な平面図である。図１におけるＩＩ－ＩＩ線断面図である。減肉部の作用を示す概略的な断面図である。（ａ）は、ベンディング振動による音響出力の周波数と音圧との関係を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ベンディング振動による音響出力の周波数と歪みとの関係を示す模式的な図である。（ａ）は、直動振動による音響出力の周波数と音圧との関係を示す模式的な図であり、（ｂ）は、ベンディング振動による音響出力の周波数と歪みとの関係を示す模式的な図である。（ａ）～（ｃ）は、減肉部の変形例を示す概略的な断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、振動部の変形例を示す概略的な断面図である。減肉部の他の変形例を示す概略的な平面図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る振動デバイスの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係る振動デバイスの構成を示す概略的な平面図である。図２は、図１におけるＩＩ－ＩＩ線断面図である。図１及び図２に示す振動デバイス１は、例えばスピーカ等の音響デバイスとして用いられるデバイスであり、テレビやスマートフォンといった音を発する電子機器に搭載され得る。図１及び図２に示すように、振動デバイス１は、圧電振動子２と、固定部３とを備えて構成されている。

圧電振動子２は、圧電素子４と、振動部５とを含んで構成されている。圧電素子４は、例えば圧電素体と、一対の外部電極（不図示）とを有している。圧電素体は、複数の圧電体層の積層によって構成されている。図１及び図２の例では、圧電素体は、平面視において長方形状をなしている。各圧電体層は、圧電材料によって形成されている。本実施形態では、各圧電体層は、圧電セラミック材料からなる。圧電セラミック材料としては、例えばＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）が挙げられる。

各圧電体層は、例えば上述した圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体によって構成されている。実際の圧電素体では、各圧電体層は、各圧電体層の間の境界が認識できない程度に一体化されている。圧電素体内には、複数の内部電極（不図示）が配置されている。各内部電極は、導電性材料によって形成されている。導電性材料としては、例えばＡｇ、Ｐｄ、Ａｇ－Ｐｄ合金が挙げられる。

圧電素子４の一対の外部電極には、例えばフレキシブルプリント基板といった配線部材（不図示）が電気的に接続されている。配線部材の一端側は、圧電素子４の一対の外部電極に電気的かつ物理的に接続され、配線部材の他端側は、振動デバイス１が搭載される電子機器に対して電気的かつ物理的に接続される。

振動部５は、圧電素子４の駆動によってベンディング振動を生じさせる部分である。振動部５は、例えば金属材料によって薄板状に形成され、一定の幅で一の方向に延在している。以下、振動部５が延在する一の方向を延在方向Ｄと称する。また、一の方向に直交する方向を幅方向Ｗと称する。金属材料としては、例えばＮｉ－Ｆｅ合金、Ｎｉ、黄銅、ステンレス鋼などが挙げられる。振動部５は、樹脂材料によって構成されていてもよい。樹脂材料としては、例えばポリカーボネート（ＰＣ）、ポニフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）などが挙げられる。ここでは、振動部５は、平面視において長方形状をなしており、延在方向Ｄに沿う長辺と、延在方向Ｄに直交する短辺とを有している。長方形状には、例えば、各角部が面取りされた形状及び各角が丸められた形状も含まれ得る。

振動部５は、一方面５ａと、当該一方面５ａの反対側の面である他方面５ｂとを有している。振動部５の一方面５ａの中央部分Ｃには、上述した圧電素子４の固定領域が設けられている。振動部５の一方面５ａと圧電素子４との固定には、例えば接着剤が用いられている。図１及び図２の例では、平面視における圧電素子４の長辺及び短辺は、平面視における振動部５の長辺及び短辺よりも小さくなっている。振動部５の平面視において、圧電素子４の長辺は、振動部５の長辺に沿い、圧電素子４の短辺は、振動部５の短辺に沿っている。また、振動部５の平面視において、圧電素子４の中心位置は、振動部５の中心位置と一致している。これにより、振動部５の平面視において、圧電素子４の全体が振動部５に重なり、且つ圧電素子４が振動部５の縁から張り出さない状態となっている（図１参照）。

振動部５における延在方向Ｄの両端部５ｃ，５ｃは、固定部３によって固定されている。具体的には、振動部５における延在方向Ｄの両端部５ｃ，５ｃは、固定部３に埋没した状態となっている。これにより、振動部５における延在方向Ｄの両端部５ｃ，５ｃは、圧電素子４によって振動部５に生じるベンディング振動の固定端となっている。図１及び図２の例では、振動部５の短辺側の縁部の全体が固定部３に埋没している。振動部５の平面視において、圧電素子４と固定部３との間には、延在方向Ｄについて一定の間隔が設けられている。両端部５ｃ，５ｃは、必ずしも振動部５の延在方向Ｄの縁を含んでいなくてもよく、振動部５に生じるベンディング振動の固定端は、振動部５の延在方向Ｄの縁よりも僅かに延在方向Ｄの中央よりに位置していてもよい。

振動部５には、振動部５の平面視において、長方形の枠状をなし、圧電素子４を囲むように減肉部１１が配置されている。本実施形態では、減肉部１１は、断面矩形の溝部１２によって構成されている。溝部１２は、振動部５において圧電素子４が固定される面の反対側の面、すなわち、他方面５ｂに設けられている。溝部１２の深さは、例えば振動部５の厚さの半分程度となっている。溝部１２の形成部分においては、振動部５の厚さが他の部分の半分程度に減肉されている。これにより、溝部１２の形成部分においては、振動部５の曲げ剛性が他の部分の半分程度に低減されている。溝部１２は、機械加工により形成されたものであってもよく、エッチングにより形成されたものであってもよい。

溝部１２の幅は、例えば２ｍｍ～５０ｍｍとなっている。溝部１２の幅は、延在方向Ｄと幅方向とで等しくてもよく、異なっていてもよい。溝部１２の内縁１２ａは、圧電素子４の縁部４ａに対して所定の間隔をもって離間している。溝部１２の内縁１２ａと圧電素子４の縁部４ａとの離間幅は、例えば２０ｍｍ以下となっている。当該離間幅は、延在方向Ｄと幅方向Ｗとで等しくてもよく、異なっていてもよい。溝部１２の内縁１２ａは、圧電素子４の縁部４ａと重複していてもよい。

溝部１２の外縁１２ｂは、振動部５の長辺側の縁部５ｄ及び固定部３に対して所定の間隔をもって離間している。溝部１２の外縁１２ｂと振動部５の長辺側の縁部５ｄとの離間幅は、例えば５ｍｍ～５０ｍｍとなっている。溝部１２の外縁１２ｂと固定部３との離間幅は、例えば２ｍｍ～５０ｍｍとなっている。本実施形態では、溝部１２の外縁１２ｂと固定部３との離間幅は、溝部１２の外縁１２ｂと振動部５の長辺側の縁部５ｄとの離間幅よりも大きくなっている。

図３は、減肉部の作用を示す概略的な断面図である。上述したように、振動部５における延在方向Ｄの両端部５ｃ，５ｃは、固定部３（図１及び図２参照）に固定されることによって、圧電素子４によるベンディング振動の固定端となっている。このため、振動部５において延在方向Ｄに生じるベンディング振動は、幅方向Ｗから見て円弧状をなし、振動量は、振動部５の延在方向Ｄの両端部５ｃ，５ｃから中央部分Ｃに向かうについて徐々に大きくなる。

ここで、振動部５には、溝部１２によって減肉部１１が構成され、溝部１２の形成部分において、振動部５の曲げ剛性が他の部分の半分程度に低減されている。このため、振動部５にベンディング振動が生じると、減肉部１１が振動に伴って湾曲し、振動部５において減肉部１１で囲まれた領域Ｒの全体が振動部５に垂直な方向に均一に振動する。したがって、振動部５において減肉部１１で囲まれた領域Ｒでは、ベンディング振動が直動振動に変換され、直動振動成分が出力として取り出される。

振動部５のベンディング振動を利用した構成は、圧電素子４から振動部５への振動伝達性に優れる。その反面、ベンディング振動では、振動部５の共振に起因して、振動振幅の強弱が生じたり、音圧を打ち消しあう現象が生じ得る。このため、図４（ａ）に示すように、特定の周波数で音圧のピーク及びディップが生じることがある。また、図４（ｂ）に示すように、振動部５の共振に起因して特定の周波数において歪みが大きくなる現象が生じ得る。

これに対し、振動部５に減肉部１１を設けることでベンディング振動を直動振動に変換する場合、振動部５での共振の影響を軽減できる。このため、図５（ａ）に示すように、振動部５の共振に起因する特定の周波数での音圧のピーク及びディップの発生を抑制できる。振動部５において圧電素子４を減肉部１１で囲むことにより、ベンディング振動が直動振動に変換される領域（すなわち、減肉部１１で囲まれた領域Ｒ）の面積が十分に確保され、音圧の向上も図られる。また、図５（ｂ）に示すように、振動部５の共振に起因して特定の周波数において歪みが大きくなる現象も低減できる。

以上説明したように、振動デバイス１では、振動部５において圧電素子４を囲むように減肉部１１が配置されている。減肉部１１では、振動部５の他の部位に比べて振動による曲げ変形が生じ易い。このため、圧電素子４によって振動部５にベンディング振動が生じた場合に、圧電素子４の周囲の減肉部１１で囲まれた領域Ｒにおいて、ベンディング振動から直動振動への変換が促進される。ベンディング振動が直動振動に効率的に変換されることで、振動部５の共振の影響を軽減でき、音圧の向上や周波数に対する歪みの改善が図られる。

本実施形態では、減肉部１１は、振動部５の平面視において、圧電素子４と重ならないように配置されている。これにより、減肉部１１で囲まれた領域Ｒの面積の確保が容易となり、圧電素子４の周囲でより広範囲にベンディング振動から直動振動への変換を促進できる。

本実施形態では、振動部５は、一方面５ａ及び当該一方面５ａの反対側に位置する他方面５ｂを有し、圧電素子４は、振動部５の一方面５ａ側に配置され、減肉部１１である溝部１２は、振動部５の他方面５ｂ側に配置されている。この場合、圧電素子４が配置される一方面５ａの平坦性が保たれるため、減肉部１１の配置が圧電素子４の配置を阻害してしまうことを防止できる。

本実施形態では、振動部５における延在方向Ｄの両端部５ｃ，５ｃを固定する固定部３が設けられており、減肉部１１は、固定部３から離間して配置されている。これにより、振動部５の両端部５ｃ，５ｃが固定部３によって振動の固定端となるため、振動部５にベンディング振動を好適に生じさせることができる。ベンディング振動が好適に生じることで、直動振動を出力として十分に取り出すことが可能となり、音圧の一層の向上が図られる。

本実施形態では、減肉部１１が溝部１２によって構成されている。これにより、簡単な構成で振動部５に減肉部１１を設けることができる。

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば図６（ａ）に示すように、圧電素子４と減肉部１１とが振動部５の同一面に配置されていてもよい。図６（ａ）の例では、圧電素子４と減肉部１１である溝部１２とがいずれも振動部５の一方面５ａに配置されている。圧電素子４と減肉部１１とがいずれも振動部５の他方面５ｂに配置されていてもよい。

上記実施形態では、振動部５の平面視において、減肉部１１が圧電素子４と重ならないように配置されているが、図６（ｂ）に示すように、減肉部１１の一部が圧電素子４と重なっていてもよい。図６（ｂ）の例では、減肉部１１である溝部１２は、振動部５の他方面５ｂ側に配置され、溝部１２の内縁１２ａ側が振動部５の平面視において圧電素子４と重なっている。溝部１２の内縁１２ａ側と圧電素子４との重なり幅は、溝部１２の幅の半分以下であることが好ましい。これにより、減肉部１１で囲まれた領域Ｒの面積を維持できる。

振動部５の平面視において減肉部１１の一部が圧電素子４と重なる場合でも、図６（ｃ）に示すように、圧電素子４と減肉部１１とが振動部５の同一面に配置されていてもよい。図６（ｃ）の例では、圧電素子４と減肉部１１である溝部１２とがいずれも振動部５の一方面５ａに配置され、溝部１２の内縁１２ａ側が振動部５の平面視において圧電素子４と重なっている。この場合も図６（ｂ）と同様に、溝部１２の内縁１２ａ側と圧電素子４との重なり幅は、溝部１２の幅の半分以下であることが好ましい。これにより、減肉部１１で囲まれた領域Ｒの面積を維持できる。なお、図２及び図６（ａ）～（ｃ）の各態様において、溝部１２が振動部５における一方面５ａ及び他方面５ｂの両面に対称的に設けられていてもよい。

上記実施形態では、振動部５が単層で構成されているが、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、振動部５が複数層で構成されていてもよい。図７（ａ）の例では、振動部５は、平坦な第１の層２１と、減肉部１１に対応するスリット２３を有する第２の層２２とによって構成されている。第１の層２１に第２の層２２を固定することで、スリット２３の形成位置に減肉部１１である溝部１２が形成されている。図７（ｂ）の例では、振動部５は、平坦な第１の層２１と、減肉部１１に対応する凹部２４を有する第２の層２２とによって構成されている。第１の層２１に第２の層２２を固定することで、凹部２４の形成位置に減肉部１１である溝部１２が形成されている。第１の層２１と第２の層２２との固定には、例えば接着剤を用いることができる。

振動部５を複数層で構成する場合、第１の層２１及び第２の層２２の構成材料の組み合わせにより、振動部５の構成の自由度を高めることができる。例えば第１の層２１を樹脂材料によって構成し、第２の層２２を金属材料によって構成する場合、減肉部１１の曲げ剛性を十分に低減させる一方で、振動部５の他の部分の曲げ剛性を確保できる。この場合、十分な振幅量のベンディング振動から直動振動を効果的に取り出すことが可能となり、音圧の一層の向上が図られる。

上記実施形態では、減肉部１１が溝部１２によって構成されているが、図８に示すように、減肉部１１がスリット３１によって構成されていてもよい。図８の例では、振動部５の平面視において、圧電素子４を延在方向Ｄに挟むように４つずつのスリット３１が配置され、圧電素子４を幅方向Ｗに挟むように４つずつのスリット３１が配置されている。各スリット３１は、振動部５の一方面５ａから他方面５ｂ（図２参照）まで貫通するように設けられている。ここでは、各スリット３１の平面形状は、いずれも長方形状となっている。圧電素子４を延在方向Ｄに挟むスリット３１では、長辺が延在方向Ｄに沿い、短辺が幅方向Ｗに沿っている。圧電素子４を幅方向Ｗに挟むスリット３１では、長辺が幅方向Ｗに沿い、短辺が延在方向Ｄに沿っている。

このように、減肉部１１をスリット３１によって構成する場合であっても、減肉部１１において振動による曲げ変形を容易に生じさせることができる。このため、減肉部１１を溝部１２によって構成する場合と同様、圧電素子４によって振動部５にベンディング振動が生じた場合に、圧電素子４の周囲の減肉部１１で囲まれた領域Ｒにおいて、ベンディング振動から直動振動への変換が促進される。ベンディング振動が直動振動に効率的に変換されることで、振動部５の共振の影響を軽減でき、音圧の向上や周波数に対する歪みの改善が図られる。なお、スリット３１の配置や形状は、図８の態様に限られず、種々の変形を適用し得る。例えば振動部５の平面視において、スリット３１の一部が圧電素子４と重なっていてもよい。また、スリット３１の平面形状は、長方形状に限られず、正方形、円形、楕円形といった他の形状であってもよい。

１…振動デバイス、３…固定部、４…圧電素子、５…振動部、５ａ…一方面、５ｂ…他方面、５ｃ…端部、１１…減肉部、１２…溝部、２１…第１の層、２２…第２の層、２３…スリット、２４…凹部、３１…スリット、Ｄ…延在方向（一の方向）。

Claims

圧電素子と、
一の方向に延在し、前記圧電素子が固定され、前記圧電素子の駆動によってベンディング振動を生じさせる振動部と、
前記振動部における前記一の方向の両端部を固定端とする固定部と、を備え、
前記振動部には、前記振動部の平面視において、前記圧電素子を囲むように減肉部が配置され、
前記振動部における前記一の方向に交差する方向の両端部は、前記固定部によって固定されずに自由端となっている、振動デバイス。
前記減肉部は、前記振動部の平面視において、前記圧電素子と重ならないように配置されている請求項１記載の振動デバイス。
前記振動部は、一方面及び当該一方面の反対側に位置する他方面を有し、
前記圧電素子は、前記振動部の前記一方面側に配置され、前記減肉部は、前記振動部の前記他方面側に配置されている請求項１又は２記載の振動デバイス。
前記減肉部は、前記固定部から離間して配置されている請求項１～３のいずれか一項記載の振動デバイス。
前記減肉部は、溝部又はスリットによって構成されている請求項１～４のいずれか一項記載の振動デバイス。
前記振動部は、平坦な第１の層と、前記減肉部に対応するスリット又は凹部を有する第２の層とによって構成されている請求項１～５のいずれか一項記載の振動デバイス。
前記減肉部は、有底の溝部によって構成され、前記振動部の平面視において、前記圧電素子の全縁を囲むように連続した枠状に設けられている、請求項１～６のいずれか一項記載の振動デバイス。