(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体と、
前記圧電体を支持する支持部材と、
を有する圧電素子の製造方法であって、
開口を有する前記支持部材の前記開口内に、圧電効果を有する樹脂材料を配置する工程と、
前記樹脂材料を溶融し、その後固化させることにより、前記開口の内周面に密着していて樹脂材料からなる前記圧電体を形成する工程と、
を備える圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振装置及び圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スピーカなどの音響素子の駆動源として、その取扱いの容易さから電磁式アクチュエータが利用される場合が多い。電磁式アクチュエータは、永久磁石とボイスコイルから構成されており、磁石を用いたステータの磁気回路の作用により振動を生じるものである。また、電磁式アクチュエータを駆動源として用いる電磁式スピーカは、電磁式アクチュエータの振動部に固定された、有機フィルム等の低剛性な振動板が振動することにより音を発生するものである。
【０００３】
近年、携帯電話機やノート型パーソナルコンピュータの需要が増えており、これに伴って、小型かつ省電力のアクチュエータの需要が高まりつつある。しかしながら、電磁式アクチュエータは、動作時にボイスコイルへ多量の電流を流す必要があることから、省電力性には問題がある。また電磁式アクチュエータは、その構造上、小型薄型化にも不向きである。
【０００４】
一方、近年は、電磁式アクチュエータに代わる薄型振動部品として、圧電セラミックスなどの圧電素子を駆動源とした圧電アクチュエータが開発されている（例えば特許文献１〜５）。圧電アクチュエータは、圧電素子を用いて機械的振動を発生させるものであり、例えば圧電セラミック素子（単に「圧電素子」ともいう）と支持部材とが接合された構造を有している。圧電アクチュエータは、小型軽量、省電力、無漏洩磁束などの特徴を有している。
【０００５】
ところで、圧電アクチュエータは薄型化には有利であるが、電磁式アクチュエータと比較して音響素子（例えばスピーカー）としての音響性能に劣るという一面がある。具体的には、圧電素子自体が高剛性で、機械Ｑ値が高いため、電磁型アクチュエータに比べて、共振周波数近傍では大振幅を得ることができるが、共振周波数以外の帯域では振幅が小さくなってしまう。
【０００６】
特許文献１、２には、アクチュエータの振動振幅を増大させるため、支持部材の外周部を比較的変形し易い梁で支持するようにした構成が開示されている。また、特許文献３には、同様の趣旨で、支持部材の周辺部に円周に沿ってスリットを入れた板バネを構成し、大きな振動振幅を得るようにした技術も開示されている。また、特許文献４には、湾曲型の支持体を介して支持部材の外周部と支持体を接合し、周波数特性をブロード化する技術が開示されている。なお、特許文献１〜３に記載の技術は、圧電アクチュエータをバイブレータとして使用するときの技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６１−１６８９７１号公報
【特許文献２】特開２０００−１４０７５９号公報
【特許文献３】特開２００１−１７９１７号公報
【特許文献４】特開２００１−３３９７９１号公報
【特許文献５】国際公開第２００７／０６０７６８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、例えば圧電素子をスピーカの発振源として用いる場合など、発振特性に周波数依存性を持たせないほうが好ましい場合がある。しかし、発振特性の周波数依存性を低くし、かつ発振出力を大きくすることは難しかった。発振特性の周波数依存性を低くし、かつ発振出力を大きくするためには、新規の構造を有する発振装置を作製することが好ましい。
【０００９】
本発明の目的は、圧電素子を利用し、かつ新規の構造を有する発振装置及び圧電素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、圧電体と、
前記圧電体を支持する支持部材と、
を有する圧電素子の製造方法であって、
開口を有する前記支持部材の前記開口内に、圧電効果を有する樹脂材料を配置する工程と、
前記樹脂材料を溶融し、その後固化させることにより、前記開口の内周面に密着していて樹脂材料からなる前記圧電体を形成する工程と、
を備える圧電素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電素子を利用し、かつ新規の構造を有する発振装置及び圧電素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ´断面図である。
【図３】ポリフッ化ビニリデンの化学式を示す図である。
【図４】図１の変形例を示す平面図である。
【図５】図１に示した発振装置の製造方法を示す断面図である。
【図６】図１に示した発振装置の製造方法を示す断面図である。
【図７】図６の変形例を示す断面図である。
【図８】第２の実施形態に係る発振装置の構成を示す断面図である。
【図９】第３の実施形態に係る発振装置の構成を示す断面図である。
【図１０】携帯通信端末の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る発振装置の構成を示す平面図である。図２は図１のＡ−Ａ´断面図である。この発振装置は、支持部材４０、圧電フィルム（圧電体）２２、第１電極２４、及び第２電極２６（図２に図示）を備えている。支持部材４０は開口４２を有している。圧電フィルム２２は開口４２の内周面に密着しており、圧電効果を有する樹脂材料から構成されている。第１電極２４は圧電フィルム２２の一面に接しており、第２電極２６は圧電フィルム２２の他面に接している。この発振装置は、例えばパラメトリックスピーカの発振源や、音波センサの発振源として使用される。ここでのパラメトリックスピーカは、例えば電子機器（例えば、携帯電話機、ラップトップ型パーソナルコンピュータ、小型ゲーム機器など）の音源として使用される。以下、詳細に説明する。
【００１６】
本実施形態において開口４２は、支持部材４０に複数マトリクス状に形成されている。そして圧電フィルム２２は複数の開口４２それぞれの中に形成されている。圧電フィルム２２は、開口４２の内壁に溶着することにより、開口４２の内周面に全周にわたって密着している。
【００１７】
図１に示す例において、開口４２及び圧電フィルム２２の平面形状は矩形であるが、開口４２及び圧電フィルム２２の平面形状はこれに限定されず、例えば図４に示すように円形であってもよい。
【００１８】
圧電フィルム２２は、上記したように圧電効果を有する樹脂材料から構成されており、また厚さ方向に分極している。この樹脂材料は、圧電効果を有していれば特に限定されないが、機械変換効率が高い材料、例えば、図３に化学式を示すポリフッ化ビニリデンや、ポリ塩化ビニルなどを使用できる。圧電フィルム２２の厚みは特に限定されないが、５μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。圧電フィルム２２の厚みが５μｍ未満の場合、製造工程に起因して厚みのバラツキが生じやすくなる。また、圧電フィルム２２の厚みが１ｍｍを超える場合、発振装置の厚みが増大してしまう。
【００１９】
そして、圧電フィルム２２の一面に第１電極２４が形成されており、圧電フィルム２２の他面に第２電極２６が形成されている。圧電フィルム２２、第１電極２４、及び第２電極２６により、圧電素子２０が形成されている。第１電極２４及び第２電極２６を構成する材料は特に限定されないが、例えば、銀や銀／パラジウムを使用することができる。銀は低抵抗な汎用的な電極材料して使用されているため、製造プロセスやコストなどに利点がある。銀／パラジウムは耐酸化に優れた低抵抗材料であるため、信頼性の観点から利点がある。また、第１電極２４及び第２電極２６の厚さｈ２は特に限定されないが、その厚さが１μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましい。厚さが１μｍ未満では、第１電極２４及び第２電極２６を均一に成形することが難しくなり、その結果、電気機械変換効率が低下する可能性がある。また、第１電極２４及び第２電極２６の膜厚が１００μｍを超える場合は、第１電極２４及び第２電極２６が圧電フィルム２２に対して拘束面となり、エネルギー変換効率を低下させてしまう可能性が出てくる。
【００２０】
また発振装置は、発振回路として制御部５０及び信号生成部５２を有している。信号生成部５２は、圧電素子２０の第１電極２４及び第２電極２６に入力する電気信号、例えばパラメトリックスピーカにおける変調信号を生成する。変調信号の輸送波は、周波数が２０ｋＨｚ以上の超音波、例えば１００ｋＨｚの超音波である。制御部５０は、外部から入力された情報に基づいて、信号生成部５２を制御する。発振装置をスピーカとして使用する場合、制御部５０に入力される情報は音声信号である。
【００２１】
次に、本実施形態に係る発振装置をパラメトリックスピーカとして用いる場合について説明する。
【００２２】
まず、一般的なパラメトリックスピーカの原理を説明する。パラメトリックスピーカは、複数の発振源それぞれからＡＭ変調やＤＳＢ変調、ＳＳＢ変調、ＦＭ変調をかけた超音波（輸送波）を空気中に放射し、超音波が空気中に伝播する際の非線形特性により、可聴音を出現させるものである。ここでの非線形とは、流れの慣性作用と粘性作用の比で示されるレイノルズ数が大きくなると、層流から乱流に推移することを示す。音波は流体内で微少にじょう乱しているため、音波は非線形で伝播している。特に超音波周波数帯では音波の非線形性が容易に観察できる。そして超音波を空気中に放射した場合、音波の非線形性に伴う高調波が顕著に発生する。また音波は、空気中において分子密度に濃淡が生じる疎密状態である。そして空気分子が圧縮よりも復元するのに時間が生じた場合、圧縮後に復元できない空気が、連続的に伝播する空気分子と衝突し、衝撃波が生じる。この衝撃波により可聴音が発生する。
【００２３】
図５及び図６は、図１に示した発振装置の製造方法を示す断面図である。これらの図が示す断面は、図１のＡ−Ａ´断面に相当している。
【００２４】
まず図５（ａ）に示すように、ステージ１００上に支持部材４０を載置する。次いで図５（ｂ）に示すように、支持部材４０が有する複数の開口４２それぞれの中に、圧電効果を有する樹脂材料２００を配置する。
【００２５】
次いで図６に示すように、樹脂材料２００の上面を押圧部材１１０を用いてステージ１００に向けて押しつつ、樹脂材料２００を溶融する。これにより、樹脂材料２００は開口４２の中に充填される。樹脂材料２００は、例えばステージ１００及び押圧部材１１０の少なくとも一方に設けられたヒータからの熱により、溶融する。その後、溶融した樹脂材料２００を冷却して固化させる。これにより複数の圧電フィルム２２は、開口４２の内周面の全周にわたって溶着した状態で一括形成される。
【００２６】
その後、圧電フィルム２２の一面に第１電極２４を形成するとともに、圧電フィルム２２の他面に第２電極２６を形成する。
【００２７】
なお、図６に示す工程において、図７に示すように、押圧部材１１０のうち開口４２に対向する部分に凸部１１２を設けてもよい。この場合、凸部１１２にヒータを持たせることにより、効率的に樹脂材料２００を溶融させて圧電フィルム２２を形成することができる。
【００２８】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。本実施形態によれば、圧電素子を利用し、かつ新規の構造を有する発振装置及び圧電素子の製造方法を提供することができる。そして本実施形態に係る構造では、圧電素子２０の圧電体は、樹脂材料からなる圧電フィルム２２である。このため、圧電体がセラミックスの場合と比較して、耐衝撃性が向上し、また、圧電素子２０の機械品質係数Ｑも低下する。
【００２９】
また、圧電素子２０の基本共振周端数を所望の値に維持しつつ出力を増大させるためには、基本共振周端数が所望の値となるように開口４２及び圧電フィルム２２の大きさを設定し、かつ、開口４２及び圧電フィルム２２を複数設ける必要がある。しかし本実施形態では、支持部材４０が有する複数の開口４２の中に同時に圧電フィルム２２を形成することができるため、開口４２及び圧電フィルム２２を複数設けても、製造コストが増大することを抑制できる。
【００３０】
また、複数の開口４２の大きさを変えることのみで、圧電フィルム２２の大きさを変えることができる。そして一つの支持部材４０に対して複数の大きさの開口４２及び圧電フィルム２２を設けることができるため、発振装置に複数の基本共振周端数を持たせることを容易に行える。
【００３１】
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る発振装置の構成を示す断面図であり、第１の実施形態における図２に相当している。本実施形態に係る発振装置は、以下の点を除いて第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。
【００３２】
まず、支持部材４０が有する開口４２の内周面には凹凸４４が形成されている。そして圧電フィルム２２は、樹脂材料２００を溶融したときに凹凸４４に入り込んでおり、凹凸４４の表面に密着している。
【００３３】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、開口４２の内周面に凹凸４４を形成したため、圧電フィルム２２と開口４２の内周面の密着性が向上する。
【００３４】
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る発振装置の構成を示す断面図であり、第１の実施形態における図２に相当している。本実施形態に係る発振装置は、以下の点を除いて第１の実施形態に係る発振装置と同様の構成である。
【００３５】
まず、複数の圧電フィルム２２の上方には被覆部４６が配置されている。被覆部４６は支持部材４０と一体に形成されている。具体的には、支持部材４０が上方に突出しており、被覆部４６の下面につながっている。
【００３６】
また被覆部４６には貫通孔４８が形成されている。貫通孔４８は、複数の圧電フィルム２２それぞれに対向して設けられている。
【００３７】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、貫通孔４８によって各圧電素子２０から放射された超音波の指向性がさらに向上する。また、各圧電素子２０は支持部材４０によって互いに仕切られることになるため、隣り合う圧電素子２０が発振する音波が互いに干渉することも抑制される。
【００３８】
なお、第２の実施形態に示した発振装置において、本実施形態に示した被覆部４６及び貫通孔４８を設けてもよい。
【００３９】
（実施例）
図２、図４、図８、及び図９に示した発振装置を作成し、各発振装置の特性を調べた（実施例１〜４）。本実施例では、発振装置をパラメトリックスピーカとして機能させた。また比較例として、実施例１〜４と同一の平面積を有する動電型の発振装置を作成し、特性を調べた。評価項目は以下の通りである。
【００４０】
（評価１：音圧レベル周波数特性の測定）
交流電圧１Ｖ入力時の音圧レベルを、素子から所定距離だけ離れた位置に配置したマイクロホンにより測定した。なお、この所定距離は、特に明記しない限り１０ｃｍであり、周波数の測定範囲は１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚとした。
【００４１】
（評価２：落下衝撃試験）
発振装置を搭載した携帯電話を ５０ｃｍ直上から、５回自然落下させ、落下衝撃安定性試験を行った。具体的には、落下衝撃試験後の割れ等の破壊の有無を目視で確認し、さらに、試験後の音圧特性を測定した。その結果、音圧レベル差（試験前の音圧レベルと試験後の音圧レベルとの差のことを指す）が３ｄＢ未満を○とし、３ｄＢ以上を×とした。
【００４２】
評価結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
0005923849.tif 000002
【００４４】
この表から、各実施例に係る発振装置は、比較例にかかる発振装置と比較して、出力が大きく、周波数特性が平坦であり、かつ落下時の衝撃に対して強いことが示された。
【００４５】
また、図１０に示すように、携帯通信端末３００のスピーカ３０２として、実施例１〜４に係る発振装置を使用した。スピーカ３０２は、携帯通信端末３００の筐体の内面に取り付けた。各実施例を用いた場合のスピーカ３０２の特性を表２に示す。
【００４６】
【表２】
0005923849.tif 000003
【００４７】
この表から、各実施例に係るスピーカ３０２は、周波数特性が平坦であり、かつ落下時の衝撃に対して強いことが示された。
【００４８】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００４９】
２０ 圧電素子
２２ 圧電フィルム
２４ 第１電極
２６ 第２電極
４０ 支持部材
４２ 開口
４４ 凹凸
４６ 被覆部
４８ 貫通孔
５０ 制御部
５２ 信号生成部
１００ ステージ
１１０ 押圧部材
１１２ 凸部
２００ 樹脂材料
３００ 携帯通信端末
３０２ スピーカ
【図１】
0005923849.tif 000004
【図２】
0005923849.tif 000005
【図３】
0005923849.tif 000006
【図４】
0005923849.tif 000007
【図５】
0005923849.tif 000008
【図６】
0005923849.tif 000009
【図７】
0005923849.tif 000010
【図８】
0005923849.tif 000011
【図９】
0005923849.tif 000012
【図１０】
0005923849.tif 000013