(57)【要約】【課題】小さな消費電力で、長時間、高音質且つ大音量を実現し得る音響素子を提供すること。【解決手段】シム板２と、そのシム板２の一方の面に形成された圧電駆動部３１と、を備えた圧電音響素子１０である。この圧電音響素子１０は、圧電駆動部３１が電極層１８，１９及び圧電層１４が交互に積層されてなり、シム板２がセラミック材料で形成されるとともに、圧電駆動部３１とシム板２とが焼成一体化されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シム板と、そのシム板の少なくとも一方の面に形成された圧電駆動部と、を備えた圧電音響素子であって、
前記圧電駆動部は、複数の電極層及び圧電層が交互に積層されてなり、前記シム板がセラミック材料で形成されるとともに、前記圧電駆動部と前記シム板とが焼成一体化されている圧電音響素子。
【請求項２】
形状が短冊状を呈し、その形状のアスペクト比（長さ／幅）が５〜５０である請求項１に記載の圧電音響素子。
【請求項３】
前記シム板に、前記圧電駆動部が形成されずシム板自体を露わにした複数の露出部が設けられる請求項１又は２に記載の圧電音響素子。
【請求項４】
前記複数の露出部が、シム板の端部近傍乃至中央近傍に設けられる請求項３に記載の圧電音響素子。
【請求項５】
前記複数の露出部の何れかに、前記シム板を形成するセラミック材料と同じ比重又はより大きな比重の材料で形成された物体が付与されている請求項３又は４に記載の圧電音響素子。
【請求項６】
前記物体は、前記シム板と同一のセラミック材料からなり、前記物体と前記シム板とが焼成一体化されている請求項５に記載の圧電音響素子。
【請求項７】
請求項３〜６の何れか一項に記載の圧電音響素子と、その圧電音響素子の前記露出部に支持部材を介して結合されたパネルと、を具備し、前記圧電音響素子の圧電駆動部を駆動させることにより、前記シム板が振動して前記パネルを励振し、パネルから音響を発生する圧電音響発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シム板と圧電駆動部とが焼成一体化された圧電音響素子と、その圧電音響素子で発生・増幅させた振動をパネルに伝えそのパネルを音響発生源として利用する圧電音響発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡ（携帯情報端末）等の携帯電子機器において、小型化、軽量化が加速度的に進行しており、それらのエキサイタ（励振素子）として、圧電駆動体を備えたパネル型スピーカが、好適に使用されている。
【０００３】
通常、そのようなパネル型スピーカに音響素子として備わる圧電駆動体は、圧電層と電極層とからなる圧電素子を備えており、その圧電素子が金属のシム板の片面又は両面に接着剤等によって接着されて、圧電駆動体として構成される。この圧電駆動体は、電圧を印加して圧電素子（圧電層）を伸縮させることにより、全体が湾曲するように変形して音を発する仕組みを有している。例えば、特許文献１の記載によれば、圧電層と電極層を交互に複数積層して同時焼成した圧電素子をシム板に貼り合わせたことを特徴とする圧電駆動体が提案されている。又、特許文献２には、圧電バイモルフに弾性体板を並行に配列し保護パネルを振動させる音響発生装置が開示されている。その他に、特許文献３，４には、振動発生源を圧電素子に限定しないものであるが、平板状の振動板に振動を励振するエキサイタを備えた薄型のスピーカが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２６１３４１号公報
【特許文献２】特開２００５−２６７５４号公報
【特許文献３】特開２００４−３３６４０３号公報
【特許文献４】国際公開第０１／５４４５０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パネル型スピーカの音響素子として圧電駆動体を用いる場合であって、特に携帯電子機器用のパネル型スピーカに使用される音響素子には、小さな消費電力で駆動可能なように、電気エネルギーから音響エネルギーへの変換効率が高いことが要求される。又、広い再生帯域や高いダイナミックレンジ等の優れた音質も重要である。更には、長時間連続して使用しても音質の劣化が生じない等の耐久性も重要である。
【０００５】
ところが、従来の音響素子は、必ずしもこれらの条件を具備しているとはいえず、上記した変換効率、音質、耐久性の観点から、より優れた音響素子が求められていた。本発明は、このような要求に応えるべくなされたものであり、本発明の目的とするところは、小さな消費電力で、長時間、高音質且つ大音量を実現し得る音響素子を提供することにある。
【０００６】
従来の音響素子（圧電駆動体）について検討が重ねられた結果、問題点の１つは、圧電素子をシム板に接着剤等によって貼り合わせた構造にあることが判明した。即ち、圧電層の伸縮によって発生した振動エネルギーの一部が、接着剤等による接着層によって吸収されることにより、振動エネルギーのロスが発生して音響エネルギーへの変換効率が低下し、更には、高音質化が困難になっていた。又、長時間の駆動により、特に接着層部分が劣化し、音質低下が生じ、更には、効率低下を招来していた。
【０００７】
研究が重ねられた結果、パネル型スピーカに用いられる音響素子において、シム材と圧電素子とを接着層を介することなく一体化する手段を着想し、シム板にセラミック材料を採用して、そのシム板と圧電層を有する圧電駆動部（圧電素子に相当）とを焼成し一体化した構造を採用することにより、高変換効率、高音質、高耐久性を具備する音響素子が得られることを見出し、本発明が完成した。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
即ち、先ず、本発明によれば、シム板と、そのシム板の少なくとも一方の面に形成された圧電駆動部と、を備えた圧電音響素子であって、圧電駆動部は、複数の電極層及び圧電層が交互に積層されてなり、シム板がセラミック材料で形成されるとともに、圧電駆動部とシム板とが焼成一体化されている圧電音響素子が提供される。
【０００９】
本発明に係る圧電音響素子は、共振周波数が２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの範囲であることが好ましい。１００Ｈｚ〜１ｋＨｚであることが、更に好ましい。
【００１０】
又、形状が短冊状を呈し、その形状のアスペクト比（長さ／幅）が５〜５０であることが好ましい。アスペクト比が１０〜２０であることが、更に好ましい。通常、形状とはシム板の形状を指す。長さとは平面の長手方向の両端距離を指し、幅は平面の短手方向の両端距離を指す。即ち、ここでいう形状は平面の形状でありアスペクト比はその平面形状の縦横比に相当する。
【００１１】
更に、シム板に、圧電駆動部が形成されずシム板自体を露わにした複数の露出部が設けられることが好ましい。この場合において、複数の露出部、即ち圧電駆動部の非形成部分が、シム板の端部近傍乃至（及び／又は）中央近傍に設けられることが好ましい。シム板の端部近傍とは、ある方向において３分割したときに、最も大きくても（長くても）端から１／３までの部分を指し、中央近傍とは、３分割した中央部分を指す。ある方向とは長手方向及び短手方向の何れでもよいが、（シム板の）形状が短冊状を呈する場合には、端部近傍乃至中央近傍とは、長手方向の端部近傍乃至中央近傍を指す。
【００１２】
本発明に係る圧電音響素子は、これのみでスピーカ、サウンダ、バイブレータ等も含む音響発生源になり得る。限定されるものではないが、本発明に係る圧電音響素子自体を、例えば電子機器に使用されるスピーカ、サウンダ等として使用する場合には、上記露出部（シム板（セラミック材料）が露出した部分）のうち両方の端部近傍の露出部で支持部材を介して、例えば電子機器の筐体に固定して、振動させることが望ましい。
【００１３】
尚更に、圧電駆動部は、その少なくとも一方の端部近傍の厚さが、その中央近傍の厚さと異なることが好ましい。そして、その厚さの差異が、圧電層の厚さの差異に基づくことが望ましい。圧電駆動部の端部近傍とは、ある方向において３分割したときに、最も大きくても（長くても）端から１／３までの部分を指し、中央近傍とは、３分割した中央部分を指す。ある方向とは長手方向及び短手方向の何れでもよい。
【００１４】
本発明に係る圧電音響素子は、圧電駆動部にかかる複数の圧電層のそれぞれの厚さが、５〜１００μｍであり、且つ、その複数の圧電層のそれぞれの厚さが、シム板からの積層順に従って異なることが好ましい。圧電層の厚さを変えることによって、焼成一体化によって得られる圧電音響素子を、効果的に作動出来るからである。
【００１５】
具体的に、各圧電層を如何なる厚さに設定するかは、圧電駆動部の形成方法による。例えば、複数の圧電層と電極層とを、同時に、一括して、シム板と焼成一体化する場合には、シム板に近い（シム板からの積層順が早い）側の圧電層の厚さを、シム板から遠い（シム板からの積層順が遅い）側に比較して、相対的に小さくすることが好ましい。一方、複数の圧電層と電極層とを、それぞれ層形成の都度、焼成して、シム板と一体化する場合には、上記とは反対に、シム板から遠い側の圧電層ほど、その厚さを小さく（薄く）することが好ましい。
【００１６】
本発明に係る圧電音響素子は、圧電駆動部にかかる複数の圧電層の層数が、２〜１０層であることが好ましい。より好ましい層数は２〜６層である。
【００１７】
本発明に係る圧電音響素子において、圧電駆動部にかかる複数の電極層の厚さは、限定されるものではなく、用途に応じて適宜の厚さとされることとなるが、１０μｍ以下とすることが好ましく、５μｍ以下の厚さで形成することが、より好ましい。
【００１８】
本発明に係る圧電音響素子において、シム板の厚さは、限定されるものではないが、１００μｍ以下が好ましい。より好ましくは５０μｍ以下、更に好ましくは３０μｍ以下である。高速応答性と大きな屈曲振動・振幅が得られるからである。又、シム板の構造体としてのヤング率は、１５０ＧＰａ以上４５０ＧＰａ以下であることが好ましい。２００ＧＰａ以上４００ＧＰａ以下であることがより好ましい。更に、シム板の構造体としての曲げ強度は、１２０ＭＰａ以上が好ましく、特に１５０ＭＰａ以上であることが望ましい。
【００１９】
本発明に係る圧電音響素子においては、複数の露出部の何れかに、シム板を形成するセラミック材料と同じ比重又はより大きな比重の材料で形成された物体が付与されていることが好ましい。そして、この物体は、シム板と同一のセラミック材料からなり、物体とシム板とが焼成一体化されていることが、より好ましい。この物体は、振動にかかる慣性質量を増加させるための錘のような役割を担うものであるが、形状、構造等を限定しないため、本明細書において物体と称する。
【００２０】
次に、本発明によれば、上記した何れかの圧電音響素子と、その圧電音響素子の露出部に支持部材を介して結合されたパネルと、を具備し、圧電音響素子の圧電駆動部を駆動させ、圧電音響素子を振動させることにより、パネルを励振し、パネルから音響を発生する圧電音響発生装置が提供される。この圧電音響発生装置では、パネルが音響を発生する振動板となり、圧電音響素子はパネルを振動させる励振素子になる。パネルは、支持部材を介して、圧電音響素子の両方の端部近傍の露出部に結合させてもよく、片方の端部近傍の露出部に圧電音響素子を片持ちするように結合させてもよく、中央近傍の露出部に結合させることも可能である。
【００２１】
本発明に係る圧電音響発生装置においては、圧電音響素子に上記物体が付与されていることが好ましい。慣性質量が増加し、支持部材を介してパネルに伝達される振動エネルギーを増大させることが出来るからである。この場合、物体は、パネルと結合させるための支持部材から最も遠い位置、換言すれば圧電音響素子が振動するときに最も振幅が大きくなる位置、に配設させることが望ましい。その理由は、振動板（パネル）を振動させる励振素子として圧電音響素子を用いる場合に、支持部材を介してパネルに伝達される振動エネルギーを増大させるためには、最も振幅が大きい部分の慣性質量を増加させることが有効だからである。
【００２２】
又、付与する物体の質量を変えて慣性質量を調節することにより、圧電音響素子の共振周波数やＱ値を調整することが出来、それによって、再生音域、音圧、周波数特性等の所望の音響特性を実現することが可能である。尚、所望の音響特性を得るための他の手段としては、シム板における支持部材が固定される部分と物体が付与される部分との間、即ち、圧電音響素子の振動部分に、振動特性を制御するための構造を形成する手段を採用することが出来る。例えば、シム板の一部に切り欠きや穴を開けたり、圧電駆動部を適当なパターンに形成して駆動力の分布を調整する等の具体的手段を用いることが出来る。
【００２３】
本発明に係る圧電音響発生装置として、例えば、パネル型スピーカ、セラミックスピーカ、サウンダ、ブザー、バイブレータ等が挙げられる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る圧電音響素子は、圧電層を有する圧電駆動部とセラミック材料で形成されるシム板とを焼成一体化してなるものであり、圧電駆動部とシム板との間に接着剤等による接着層が介在しないので、圧電層の伸縮によって発生した振動エネルギーが、ロスなく音響エネルギーへ変換され、高変換効率を実現する。又、接着層が存在しないので、長時間の圧電駆動部の駆動によって、剥離等が生じず、高耐久性を実現する。更には、接着層の劣化に基づく音質低下が生じず、高音質を維持出来る。
【００２５】
本発明に係る圧電音響素子は、シム板に金属材料ではなくセラミック材料を採用しているので、電気電子回路としてノイズを拾い難く、より高音質を実現出来る。又、金属のように錆を招来するおそれがないので、長時間の品質信頼性に優れている。更に、金属材料ではシム板のように薄板状にすると延展性を備えることから、長時間の振動によって塑性変形し、音質変化を招来し易く、尚更には、金属の場合にはいわゆる金属疲労により材料自体の劣化が進むが、本発明に係る圧電音響素子では、そのような問題は生じず、より耐久性が高い。加えて、より軽量化が図れる。
【００２６】
本発明に係る圧電音響素子は、その好ましい態様において、圧電駆動部にかかる複数の圧電層のそれぞれの厚さが、５〜１００μｍであり、且つ、その複数の圧電層のそれぞれの厚さが、シム板からの積層順に従って異なっているので、より高い変位効率を実現し得る。
【００２７】
複数の圧電層と電極層とを、同時に、一括して、シム板と焼成一体化する場合に、シム板に近い（シム板からの積層順が早い）側の圧電層の厚さを、シム板から遠い（シム板からの積層順が遅い）側に比較して、相対的に小さくすると、以下の効果が得られる。焼成によって圧電層がシム板に一体化される際には何らかの応力を内在させることになるが、この焼成応力はシム板に近い側の圧電層ほど大きくなるので、その圧電層の材料特性は遠い層の材料特性と比較して劣ることになる。換言すれば、同じ電界では同じ電界誘起歪みが得られず変位効率の低下要因となる。従って、シム板に近い側の圧電層の厚さを相対的に小さく（薄く）すると、その圧電層に作用する実効電界が上がり、圧電音響素子（圧電駆動部）としての変位効率が向上するのである。又、一部の圧電層のみの厚さを変えるため、圧電音響素子全体の剛性を犠牲にすることがなく、剛性と変位とを両立出来る。
【００２８】
複数の圧電層と電極層とを、それぞれ層形成の都度、焼成して、シム板と一体化する場合に、シム板から遠い側の圧電層ほど、その厚さを小さく（薄く）すると、以下の効果が得られる。この場合には、焼成対象の層からすれば、（既に焼成した）その下地はシム板と同様にリジッドであり、且つ、その焼成済みの層が多くなれば、その分の下地の厚さが厚くなるので、剛性が大きくなり、新たに焼成する際の応力も大きくなる。従って、シム板から遠い側の圧電層ほど、その厚さを薄くすることによって、実効電界を上げて変位効率を上げることが出来る。
【００２９】
特許文献１に示される従来の圧電駆動体においてはシム板として金属材料が使われているが、本発明に係る圧電音響発生装置は、音響を発生させるためにパネルを振動させる励振素子として、シム板にセラミック材料を用いた（本発明に係る）圧電音響素子を採用している。そして、好ましい態様では、シム板を形成するセラミック材料より大きな比重の材料で形成された物体が、シム板の（露出部である）端部近傍乃至中央近傍に付与されている。従って、例えば、振動板であるパネルをシム板の（露出部である）一方の端部近傍に支持部材を介して結合し、物体をシム板の（露出部である）他方の端部近傍に付与する態様を採ることにより、本発明に係る圧電音響発生装置は、従来より高い励振効率を得ることが可能である。これは、一般的にセラミック材料は金属材料に比べ比重が軽いので、同じ重量であれば、金属材料のシム板の場合に比べてセラミック材料のシム板の方が、振動するときに最も振幅が大きくなる部分（圧電音響素子の励振部ともいう）への質量の配分を大きくすることが出来、慣性力をより増大することが可能だからである。又、本発明に係る圧電音響発生装置は、圧電駆動部とシム板とが焼成一体化されているので接着剤等を使用しない分だけ、尚更に、付与する物体以外の質量を軽くすることが出来る。
【００３０】
本発明に係る圧電音響発生装置は、圧電駆動部とシム板とが焼成一体化されており、物体の材料としてシム板と同一の（即ち同じ比重の）セラミック材料を採用すると、シム板、圧電駆動部、及び物体の全てを焼成一体化することが出来る。従って、長時間の使用によって、剥離等が生じ得ず、高耐久性を実現する。更には、接着層の劣化に基づく音質低下が生じず、高音質を維持出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明の要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。
【００３２】
本発明に係る圧電音響素子は、圧電と表現されているが、電界によって誘起される歪みを利用して音響を発生させ得る素子であって、狭義の意味での、印加電界に概ね比例した歪み量を発生する圧電効果を利用する音響素子に限定されず、印加電界の二乗に概ね比例した歪み量を発生する電歪効果、強誘電体材料全般にみられる分極反転、反強誘電体材料にみられる反強誘電相−強誘電相間の相転移、等の現象を利用する音響素子も含まれる。分極処理が行われるか否かについても、圧電音響素子の主構成要素である圧電層にかかる材料の性質に基づいて適宜決定される。尚、圧電層とは圧電材料（同様に狭義ではない）が層状をしたものをいう。
【００３３】
先ず、本発明に係る圧電音響素子について説明する。図１は、本発明に係る圧電音響素子の一の実施形態を示す断面図である。図１で明示される圧電音響素子１０は、シム板２とそのシム板２の（図中において）上面に形成された圧電駆動部３１とを備えている。圧電駆動部３１は、３つの電極層１８，１９と、２つの圧電層１４が交互に積層されてなる。シム板２の材料はセラミックであり、圧電駆動部３１とシム板２とは焼成によって一体化されている。
【００３４】
圧電音響素子１０の形状は、平面図を示さないが、平面的に短冊状（長方形）を呈し、その形状のアスペクト比（長さ／幅）は、３０ｍｍ／３ｍｍ＝１０になっている。又、図示されるように、シム板２の、圧電駆動部３１が形成された上面において、両方の端部近傍に、圧電駆動部３１が形成されておらず、シム板２が上面に露出した露出部７が設けられている。圧電音響素子１０を例えばセラミックスピーカそのものとして使用し音響発生源にする場合に、この露出部７で支持し、振動させることが出来る。
【００３５】
圧電音響素子１０は、圧電駆動部３１の両方の端部近傍（端近傍部１７）の厚さが、圧電層１４の厚さの差異に基づいて、その中央近傍（中央近傍部１６）の厚さと異なっている。又、圧電音響素子１０は、シム板２と圧電駆動部３１（２つの圧電層１４と３つの電極層１８，１９）とを同時に一括して焼成一体化したものであり、圧電層１４の厚さはシム板２に近い方が４０μｍであり遠い方が５０μｍである。
【００３６】
図２は、本発明に係る圧電音響素子の他の実施形態を示す断面図である。図２で明示される圧電音響素子２０は、シム板２とそのシム板２の両面（図中において上面及び下面）に形成された２つの圧電駆動部３１とを備えている。２つの圧電駆動部３１は、それぞれに、３つの電極層１８，１９と、２つの圧電層１４が交互に積層されてなる。圧電音響素子１０と同様に、シム板２の材料はセラミックであり、圧電駆動部３１とシム板２とは焼成によって一体化されている。
【００３７】
圧電音響素子２０の形状は、平面図を示さないが、平面的に短冊状（長方形）を呈し、その形状のアスペクト比（長さ／幅）は、３２ｍｍ／４ｍｍ＝８になっている。又、図示されるように、シム板２の、圧電駆動部３１が形成された両面において、ともに、シム板２の両方の端部近傍に、圧電駆動部３１が形成されておらず、シム板２が両面ともに露出した露出部７が設けられている。圧電音響素子１０と同様に、セラミックスピーカそのものとして使用し音響発生源にする場合に、この露出部７で支持し、振動させることが出来る。
【００３８】
圧電音響素子２０は、２つの圧電駆動部３１の両方の端部近傍（端近傍部１７）の厚さが、圧電音響素子１０と同様に、圧電層１４の厚さの差異に基づいて、その中央近傍（中央近傍部１６）の厚さと異なっている。又、圧電音響素子２０は、圧電音響素子１０とは異なり、シム板２に対して、両面それぞれに、電極層１９、圧電層１４、電極層１８、圧電層１４、電極層１９を積層し、その都度、焼成して一体化したものであり、圧電層１４の厚さはシム板に近い方が６０μｍであり遠い方が５０μｍである。
【００３９】
次に、本発明に係る圧電音響発生装置について説明する。図４は、本発明に係る圧電音響素子を具備する本発明に係る圧電音響発生装置の一の実施形態を模式的に示す側面図であり、図３は、それを構成する本発明に係る圧電音響素子を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。尚、図４において圧電駆動部は省略され（以下、図６及び図８において同じ）、図３における圧電駆動部は圧電層と電極層を明示していない（以下、図５及び図７において同じ）。図４に示される圧電音響発生装置４０は、図３に示される圧電音響素子３０を主構成要素とし、更に、その圧電音響素子３０のシム板２の端部近傍に設けられた片方の露出部３３ａに、支持部材４２を介して結合されたパネル４１を具備し、圧電音響素子３０の圧電駆動部３１を駆動させることにより（シム板２が）振動してパネル４１を励振し、パネル４１から音響８を発生する装置である。
【００４０】
圧電音響素子３０において、シム板２には、支持部材４２に固定される上記露出部３３ａの他に、同じくシム板２の端部近傍に設けられた露出部３３ｂが存在し、ここに、シム板２を形成するセラミック材料より大きな比重の例えば金属材料で形成された物体３２が、接着により付与されている。この物体３２は、支持部材４２から最も遠く、圧電音響素子３０（シム板２）が振動するときに最も振幅が大きくなる位置（圧電音響素子３０の励振部）に配設されており、圧電音響素子３０が発生した振動エネルギーを増大させる。
【００４１】
尚、圧電音響素子３０では、物体３２はシム板２の両面に付与されているが、片面であってもよく、又は大きさを変えたり、比重の異なる材料で構成することが出来、それにより、慣性質量を調節することが可能であり、又、圧電音響素子３０において、露出部３３ａ，３３ｂは、何れも圧電駆動部３１が形成されずシム板２自体を露わにした部分である（以下、後述する他の態様の圧電音響素子及び圧電音響発生装置において同じ）。
【００４２】
図６は、本発明に係る圧電音響素子を具備する本発明に係る圧電音響発生装置の他の実施形態を模式的に示す側面図であり、図５は、それを構成する本発明に係る圧電音響素子を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。図６に示される圧電音響発生装置６０は、図５に示される圧電音響素子５０を主構成要素とし、更に、その圧電音響素子５０のシム板２の端部近傍に設けられた両方の露出部５３ａにそれぞれ支持部材４２を介して結合されたパネル４１を具備し、圧電音響素子５０の圧電駆動部５１を駆動させることにより（シム板２が）振動してパネル４１を励振し、パネル４１から音響８を発生する装置である。尚、圧電駆動部５１は、圧電駆動部３１と同様に、３つの電極層と２つの圧電層が交互に積層されてなるものである。
【００４３】
圧電音響素子５０において、シム板２には、支持部材４２に固定される上記露出部５３ａの他に、シム板２の中央近傍に設けられた露出部５３ｂが存在し、ここに、シム板２を形成するセラミック材料と同じセラミック材料（従って比重も同じ）で形成された物体５２が付与され、焼成によりシム板２と一体化されている。この物体５２は、２つの支持部材４２から最も遠く、圧電音響素子５０（シム板２）が振動するときに最も振幅が大きくなる位置（圧電音響素子５０の励振部）に配設されており、圧電音響素子５０が発生した振動エネルギーを増大させる。
【００４４】
図８は、本発明に係る圧電音響素子を具備する本発明に係る圧電音響発生装置の更に他の実施形態を模式的に示す側面図であり、図７は、それを構成する本発明に係る圧電音響素子を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。図８に示される圧電音響発生装置８０は、図７に示される圧電音響素子７０を主構成要素とし、更に、その圧電音響素子７０のシム板２の中央近傍に設けられた露出部７３ｂに支持部材４２を介して結合されたパネル４１を具備し、圧電音響素子７０の圧電駆動部５１を駆動させることにより（シム板２が）振動してパネル４１を励振し、パネル４１から音響８を発生する装置である。
【００４５】
圧電音響素子７０において、シム板２には、支持部材４２に固定される上記露出部７３ｂの他に、シム板２の両方の端部近傍に設けられた２つの露出部７３ａが存在し、それぞれに、シム板２を形成するセラミック材料より大きな比重の例えば金属材料で形成された物体３２が、接着により付与されている。この物体３２は、支持部材４２から最も遠く、圧電音響素子７０（シム板２）が振動するときに最も振幅が大きくなる位置（圧電音響素子７０の励振部）に配設されており、圧電音響素子７０が発生した振動エネルギーを増大させる。
【００４６】
次に、本発明に係る圧電音響素子を製造する方法について説明する。先ず、シム板の製造方法について説明する。シム板は、その製造方法を限定せず、粉末プレス法等で作製することが出来る。しかし、生産性がより高いグリーンシート法で製造することが好ましく、以下、この方法に基づいて説明する。
【００４７】
最初に、酸化ジルコニウム等のセラミック粉末にバインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を添加混合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、リバースロールコーター法、ドクターブレード法等の方法により、所定の厚さを有するセラミックグリーンシートを作製する。
【００４８】
そして、金型を用いた打抜加工やレーザ加工等の方法により、セラミックグリーンシートを所定の形状に加工し、シム板前駆体を得る。ここでシム板前駆体とは、焼成を施すことによってシム板を構成する機能部材となるものを指し、グリーン成形体を意味する。尚、より厚いシム板の場合には、一枚の所望の厚さのグリーンシートで対応する他、薄いグリーンシートを複数枚積層して対応してもよい。その後、所定形状に加工されたシム板前駆体を、脱脂してから焼成すると、所定のシム板が得られる。
【００４９】
次に、圧電駆動部の製造方法について説明する。先に得られたシム板の上に、電極層及び圧電層を設けて圧電駆動部を形成するには、公知の各種の膜形成法が適宜に採用される。例えば、スクリーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布、電気泳動等の厚膜形成手法、イオンビーム、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング、ＣＶＤ、メッキ等の薄膜形成手法が適宜に選択される。
【００５０】
特に、圧電層を形成するには、スクリーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布等による厚膜形成手法が好適に採用される。これらの厚膜形成法を用いれば、平均粒径０．０１〜５μｍ、好ましくは０．０５〜３μｍの圧電材料の粒子、粉末を主成分とするペーストやスラリー、又はサスペンションやエマルジョン、ゾル、エーロゾル等を用いて膜化することが可能であり、それを焼成することによって、良好な圧電特性を得ることが出来るからである。
【００５１】
圧電層を所定の形状とするためには、スクリーン印刷法やフォトリソグラフィ法等を用いて、所定形状にパターン形成する他、レーザー加工法や、スライシング、超音波加工等の機械加工法を用いて、不必要な部分を除去して、パターン形成してもよい。
【００５２】
シム板の上に、上記方法で形成された電極層及び圧電層は、それぞれの層の形成の都度、焼成（熱処理）を施して、シム板と一体化してもよく、又、全ての層を形成した後に、同時に焼成して、各層が同時にシム板に一体化するようにしてもよい。尚、上記膜形成手法により電極層を形成する場合には、シム板と一体化するために、必ずしも焼成（熱処理）を必要としない場合がある。
【００５３】
このように形成された電極層及び圧電層とシム板とを一体化するための焼成（熱処理）温度は、一般に９００℃〜１４００℃程度の温度が採用され、好ましくは１０００℃〜１４００℃の範囲の温度が有利に選択される。又、圧電層を焼成する場合には、高温時に圧電層の組成が不安定とならないように、圧電層を形成する圧電材料の蒸発源とともに雰囲気制御を行ないながら、焼成することが好ましい。尚、慣性質量調節用の物体の材料として、シム板のセラミック材料と同一のセラミック材料を採用し、物体とシム板とを焼成一体化する場合には、焼成前にシム板の上に物体を形成しておく必要がある。例えば、シム板と同じセラミックグリーンシートを用いて、シム板の形成と同時に物体をシム板上に圧着するか、又は、シム板に圧電駆動部を形成する工程の前後に、別途用意した物体を当該セラミック材料のペーストを用いてシム板の上に仮に固定しておけばよい。
【００５４】
次に、本発明に係る圧電音響発生装置を製造する方法について説明する。本発明に係る圧電音響発生装置は、上述の手段により圧電音響素子を得て、これと支持部材とパネルとを接着すれば得られる。接着に用いる接着剤は、熱可塑性、熱硬化性、合成ゴム系の何れでもよく使用雰囲気等に基づき選択出来る。例えば、エポキシ樹脂系等の熱硬化性樹脂を採用することが好ましい。
【００５５】
パネルは、その製造方法を限定せず、例えば市販の所望の厚さのガラス板、又はアクリル等の樹脂系材料からなる薄板、等を成形、打抜、切断加工により所定形状に加工することで作製することが出来る。支持部材も、その製造方法を限定せず、例えば市販の樹脂系材料からなる厚板等を成形、打抜、切断加工により所定形状に加工することで作製することが出来る。
【００５６】
尚、圧電音響発生装置において、圧電音響素子の圧電駆動体の電極層は一層毎に正極又は負極を構成するが、正極、負極間に電圧を印加するための配線は、支持部材に沿って固定したり、支持部材自体に配線パターンを形成することが好ましい。配線が振動を阻害する要因になることを防止するためである。
【００５７】
以上、本発明に係る圧電音響素子及びそれを製造する方法、並びに圧電音響発生装置及びそれを製造する方法について説明したが、続いて、以下に、本発明に係る圧電音響素子及び圧電音響発生装置に用いられる材料について説明する。先ず、シム板を形成するセラミック材料について説明する。シム板のセラミック材料としては、機械的強度が大きく、上記した圧電駆動部と焼成による一体化が可能なものであれば、酸化物系であっても、非酸化物系であってもよいが、その中でも、少なくとも、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素の何れかを主成分としたセラミック材料を用いることが好ましい。特に、酸化ジルコニウムを主成分とするシム板は、板厚が薄くても優れた振動特性が得られるとともに、圧電駆動部と焼成（熱処理）する際の反応性が低いことから、有利に用いられる。
【００５８】
シム板のセラミック材料の中に含有される酸化珪素（ＳｉＯ，ＳｉＯ2）の量は、５質量％以下が望ましく、特に１質量％以下とすることが望ましい。このような酸化珪素含有量の規制は、焼成時に、後述する圧電層を形成する圧電材料との反応を避け、良好な素子特性を得る上において、重要である。
【００５９】
次に、圧電駆動部を構成する電極層及び圧電層の材料について説明する。先ず、圧電層を形成する圧電材料としては、高い圧電定数、高い電気機械結合係数を有する材料が好ましく、具体的には、ジルコン酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、チタン酸ナトリウムビスマス、鉄酸ビスマス、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、銅タングステン酸バリウム、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、あるいはこれらのうちの２種以上からなる複合酸化物を挙げることが出来る。
【００６０】
又、これらの圧電材料には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズ、銅等の酸化物が固溶されていてもよい。
【００６１】
又、上記した材料に、ビスマス酸リチウム、ゲルマン酸鉛等を添加した材料、例えばジルコン酸鉛、チタン酸鉛、及びマグネシウムニオブ酸鉛の複合酸化物に、ビスマス酸リチウム乃至ゲルマン酸鉛を添加した材料を採用出来る。これらの材料は、その圧電層の低温焼成を実現しつつ高い材料特性を発現出来る。
【００６２】
上記した圧電材料の中で、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料若しくはニッケルニオブ酸鉛とマグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料が好ましく、更にその中でも、マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材料が、特に好ましく、スクリーン印刷、スプレー、ディッピング、塗布等の厚膜形成手法で圧電膜を形成する場合の材料として推奨される。その理由は、焼成（熱処理）中におけるシム板を形成するセラミック材料との反応が少なく、その結果、成分の偏析が起き難く、組成を保つための処理が好適に行われ得るからである。又、目的とする組成及び結晶構造が得られ易く、更に、高い圧電定数、電気機械結合係数、低い機械的品質係数を有するからである。
【００６３】
次に、電極層を形成する材料は、室温で固体であり、導電性に優れた金属で構成されていることが好ましく、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、鉛等の金属単体、若しくはこれらの合金が用いられる。又、これらに圧電層あるいはシム板と同じ材料を分散させたサーメット材料を用いてもよく、この場合は、５〜３０体積％程度の割合で分散させることが好ましい。
【００６４】
次に、パネル、支持部材、及び慣性質量調節用の物体を形成する材料について説明する。パネルの材料は、音響を発生し得るものであれば限定されるものではない。例えば、アクリル、ＡＢＳ、ポリカーボネート等の樹脂材料、燐酸−珪酸ガラス等のガラス材料、カーボン繊維材料、アルミニウム、ステンレス等の金属材料、等が用いられる。支持部材の材料は、限定されず、パネルの材料に準じて採用出来る。物体については、上記パネルの材料及びシム板のセラミック材料の中から、シム板のセラミック材料と比重が同じかより大きいものを選定して採用することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の圧電音響素子及びそれを用いた圧電音響発生装置は、ノート型パソコンや、電話・カメラ・ＧＰＳ・ラジオ・テレビ等の機能を選択的に備えた携帯電子機器に組み込まれ、一般的なスピーカの代わりに使用される。例えば、携帯電子機器の液晶保護パネルを本発明に係る圧電音響発生装置におけるパネルとして採用し、本発明に係る圧電音響発生装置を携帯電子機器に組み込むことにより、液晶画面を保護するパネル自体から良質の音響を発生させることが出来る。又、本発明の圧電音響素子及びそれを用いた圧電音響発生装置は、ブザー、サウンダ、バイブレータ等としても、好適に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係る圧電音響素子の一の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る圧電音響素子の他の実施形態を示す断面図である。
【図３】図４に示される圧電音響発生装置を構成する本発明に係る圧電音響素子を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図４】本発明に係る圧電音響発生装置の一の実施形態を模式的に示す側面図である。
【図５】図６に示される圧電音響発生装置を構成する本発明に係る圧電音響素子を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図６】本発明に係る圧電音響発生装置の他の実施形態を模式的に示す側面図である。
【図７】図８に示される圧電音響発生装置を構成する本発明に係る圧電音響素子を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図８】本発明に係る圧電音響発生装置の更に他の実施形態を模式的に示す側面図である。
【符号の説明】
【００６７】
２…シム板、８…音響、１０，２０，３０，５０，７０…圧電音響素子、１４…圧電層、１６…中央近傍部、１７…端近傍部、１８，１９…電極層、３１，５１…圧電駆動部、３２，５２…物体、７，３３ａ，３３ｂ，５３ａ，５３ｂ，７３ａ，７３ｂ…露出部、４０，６０，８０…圧電音響発生装置、４１…パネル、４２…支持部材。
【図１】
2006121648.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006121648.tif 000008
【図７】
2006121648.tif 000009
【図８】
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