(57)【要約】【課題】圧電発音体の素子としての変位量を損なうことなく、流れる電流値を低く抑えることで、特性劣化の防止と小型化を可能とする。【解決手段】圧電駆動素子１０は、圧電体層２０，２２，２４，３０，３２，３４と、圧電体層間の電極層４０，４２，４４，５２，５４と、積層体表面の電極層４６，５６により構成されている。厚み方向中央の電極層４０を境に、上側に圧電体層２０，２２，２４，下側に圧電体層３０，３２，３４が配置される。上側の圧電体層と下側の圧電体層は、逆方向に分極されている。変位量が最も少ない中央部分の圧電体層２０，３０の厚みを最も厚くし、外側にいくにつれて圧電体層の厚みを所定の比率で薄くする。圧電体層２２，３２の厚みは同じであり、圧電体層２４，３４の厚みは同じである。圧電駆動素子１０を、支持板７０に貼り付けて枠８０で支持することにより圧電発音体が構成される。【選択図】図１
2015046947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変位に寄与する圧電体層が、４層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、
前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、
積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、
積層方向の中央部は分極しない層であり、
前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、
前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有するとともに、
変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとしたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からｎ層（ｎは自然数）までの厚みが、
ｔｄｍｏｓｔ×（√n）
を満たすことを特徴とする圧電発音体。
【請求項２】
変位に寄与する圧電体層が、４層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、
前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、
積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、
積層方向の中央部はシム板からなり、
前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、
前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有するとともに、
変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとしたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からｎ層（ｎは自然数）までの厚みが、
ｔｄｍｏｓｔ×（√n）
を満たすことを特徴とする圧電発音体。
【請求項３】
変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとし、変位に寄与する圧電体層の層数を２ｎとしたときに、
全層厚が、
２×ｔｄｍｏｓｔ×（√n）
であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電発音体。
【請求項４】
変位に寄与する圧電体層が、４層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、
前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、
積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、
積層方向の中央部は分極しない層であり、
前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、
前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有しており、
変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとし、前記中央の境からｎ層目（ｎは自然数）の前記電極層の厚みをｔｉｅ(n)としたときに、
前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からｎ層までの厚みが、
ｔｄｍｏｓｔ×（√n）＋Σｉｅ（n-1）
であることを特徴とする圧電発音体。
【請求項５】
変位に寄与する圧電体層が、４層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、
前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、
積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、
積層方向の中央部はシム板からなり、
前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、
前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有しており、
変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとし、前記中央の境からｎ層目（ｎは自然数）の前記電極層の厚みをｔｉｅ(n)としたときに、
前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からｎ層までの厚みが、
ｔｄｍｏｓｔ×（√n）＋Σｉｅ（n-1）
であることを特徴とする圧電発音体。
【請求項６】
前記圧電体層の各層の厚みは、前記比率に対して±１０％の誤差が許容されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電発音体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電発音体を利用したことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電発音体及びそれを利用した電子機器に関し、更に具体的には、小型機器等への搭載に適した圧電発音体の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やスマートフォンなどは、通話機能のみならず、携帯型個人情報端末としての機能が充実してきている。その中で、機器そのものの大きさに関しては、小型化・薄型化・軽量化の要望が強く、それに伴って、用いる部品に対する小型化・薄型化・軽量化への要求が高まっている。スピーカに関しても同じ要求があるが、圧電素子の３１方向への伸縮変位を利用し、屈曲変位を用いて変位拡大を行う圧電スピーカは、構造的にも薄型化が容易であり、高い音圧を確保できることから、携帯機器に用いられてきている。また、圧電スピーカは、電圧駆動型であることから、ダイナミックスピーカと比べて消費電力が少ないという利点もあり、電池の寿命が重要視される携帯機器に用いる部品として適している。
【０００３】
これらの圧電スピーカは、特に駆動電圧の低減という観点から、８層程度までの積層体で形成されており、金属板などのシム板に貼り付けて用いられる。この際、金属板に積層圧電体を１枚だけ貼り付けたものをユニモルフ型，金属板の両面に各々逆方向に分極した積層圧電体を貼り付けたものをバイモルフ型と呼ぶ。このようなユニモルフ型，バイモルフ型の圧電スピーカとしては、例えば、下記特許文献１に記載の技術がある。バイモルフ型の場合、金属板を用いずに、積層圧電素子の上半分と下半分で分極方向を逆にすることで、１枚の素子でバイモルフ型を実現する方法もある。この一体型バイモルフ素子においては、金属板のような余計な構造体を含まないため、比較的屈曲変位の効率が高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２５９４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
圧電スピーカは容量性の素子であり、実効消費電力の観点からすると、前述した通り、ダイナミック型のスピーカに比べ、遙かに消費電力が少なくて済み、電池の持続時間を延ばすことが可能である。しかしながら、特に可聴音域の上限近傍である１０〜２０ｋＨｚにおいては、インピーダンスが低下することから、流れる電流値は大きくなる。このように電流値が大きくなると、実効消費電力としては小さいものの、スピーカを構成する導線の接続部分のように他と比べて抵抗値の高い場所で発熱するという課題が生じる。そして、発熱により圧電素子の劣化が加速されるため、設計以下の時間で特性劣化を引き起こすおそれがある。また、スピーカを駆動するための回路にも大きな電流が流れることを考慮しなければならないため、太い導線等を用いる必要があり、携帯機器等の小型化を妨げる要因になるという課題があった。
【０００６】
本発明は、以上のような点に着目したもので、素子としての変位量を損なうことなく、流れる電流値を低く抑えることで、特性劣化の防止と小型化を実現可能な圧電発音体を提供することを、その目的とする。他の目的は、前記圧電発音体を利用した電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電発音体は、変位に寄与する圧電体層が、４層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、積層方向の中央部は分極しない層であり、前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有するとともに、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとしたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からｎ層（ｎは自然数）までの厚みが、ｔｄｍｏｓｔ×（√n）を満たすことを特徴とする
【０００８】
他の発明の圧電発音体は、変位に寄与する圧電体層が、４層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、積層方向の中央部はシム板からなり、前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有するとともに、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとしたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からｎ層（ｎは自然数）までの厚みが、ｔｄｍｏｓｔ×（√n）を満たすことを特徴とする。主要な形態の一つは、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとし、変位に寄与する圧電体層の層数を２ｎとしたときに、全層厚が、２×ｔｄｍｏｓｔ×（√n）であることを特徴とする。
【０００９】
更に他の圧電発音体は、変位に寄与する圧電体層が、４層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、積層方向の中央部は分極しない層であり、前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有しており、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとし、前記中央の境からｎ層目（ｎは自然数）の前記電極層の厚みをｔｉｅ(n)としたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からｎ層までの厚みが、ｔｄｍｏｓｔ×（√n）＋Σｉｅ（n-1）であることを特徴とする。
【００１０】
更に他の圧電発音体は、変位に寄与する圧電体層が、４層以上かつ偶数層積層されたバイモルフ型の圧電駆動素子を支持板によって支持した圧電発音体であって、前記複数の圧電体層の間に電極層が形成されており、積層方向の中央を境に、上下同数の圧電体層が逆方向に分極され、積層方向の中央部はシム板からなり、前記中央から積層方向上下へ向けて圧電体層の厚みが順次薄くなっており、かつ、前記圧電体層の厚みは、前記中央の境を基点として上下の積層位置が同じものは同じ厚みを有しており、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとし、前記中央の境からｎ層目（ｎは自然数）の前記電極層の厚みをｔｉｅ(n)としたときに、前記最も厚い圧電体層の前記中央の境側の面を基点として、該基点からｎ層までの厚みが、ｔｄｍｏｓｔ×（√n）＋Σｉｅ（n-1）であることを特徴とする。主要な形態の一つは、前記圧電体層の各層の厚みは、前記比率に対して±１０％の誤差が許容されることを特徴とする。本発明の電子機器は、前記いずれかに記載の圧電発音体を利用したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧電体層を複数積層した圧電駆動素子を使用した圧電発音体において、変位量が最も少ない部分の圧電体層の厚みを最も厚くし、外側へ向けて順次圧電体層を薄く形成することとした。これにより、素子としての変位量を損なうことなく、容量を低減し、流れる電流値を低く抑えることができる。その結果、発熱による故障の発生を防止できるとともに、駆動回路に太い導線を用いる必要がなくなるため小型化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１を示す図であり、(A)は圧電駆動素子の積層構造を示す断面図，(B)及び(C)は圧電駆動素子が屈曲した状態を示す断面図，(D)及び(E)は圧電駆動素子を支持する枠の一例を示す図である。
【図２】本発明の４〜８層積層のバイモルフ型の圧電駆動素子の電極層の構成を示す断面図であり、(A-1)〜(A-3)は分極操作時の電極構成を示し、(B-1)〜(B-3)は駆動時の電極構成を示す。
【図３】本発明の圧電駆動素子の内部電極パターンを示す平面図である。
【図４】内部電極層の厚みを考慮した圧電駆動素子の厚みの定義を示す説明図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。図１(A)は圧電駆動素子の積層構造を示す断面図，(B)及び(C)は圧電駆動素子が屈曲した状態を示す断面図，(D)及び(E)は圧電駆動素子を支持する枠の一例を示す図である。図２は、本発明の４〜８層積層のバイモルフ型の圧電駆動素子の電極層の構成を示す断面図であり、(A-1)〜(A-3)は分極操作時の電極構成を示し、(B-1)〜(B-3)は駆動時の電極構成を示す。図３は、本発明の圧電駆動素子の内部電極パターンを示す平面図である。図４は、内部電極層の厚みを考慮した場合の圧電駆動素子の厚みの定義を示す説明図である。本実施例の圧電発音体１０は、例えば、携帯電話やスマートフォンに代表される携帯通信端末のスピーカとして利用されるものである。
【００１４】
図１(A)及び(D)に示すように、本実施例の圧電発音体に用いられる圧電駆動素子１０は、バイモルフ型であって、全体が略長方形である。前記圧電駆動素子１０は、６層の圧電体層２０，２２，２４，３０，３２，３４と、これらの圧電体層の間に設けられた電極層４０，４２，４４，５２，５４と、積層体表面に形成された電極層４６，５６により構成されている。本実施例は、厚み方向の中央部の電極層４０を境に、上下に３層ずつの圧電体層が形成されている。圧電体層２０，２２，２４により、上側の積層圧電体１２が形成され、圧電体層３０，３２，３４により、下側の積層圧電体１４が形成されている。
【００１５】
本実施例では、圧電駆動素子１０の変位が最も少ない部分（横方向への伸縮が最も少ない部分）の圧電体層２０，３０の厚みが最も厚く形成されている。そして、圧電体層２０，２２，２４の順に厚みが薄くなり、圧電体層３０，３２，３４の順に厚みが薄く形成されている。圧電体層２０，３０の厚みは同じであり、圧電体層２２，３２の厚みは同じであり、圧電体層２４，３４の厚みは同じである。すなわち、電極層４０を対称面として上下対称な層構造及び厚みとなるように各圧電体層の厚みが設定されている。従って、本実施例のようにバイモルフ構造を採用する場合、圧電駆動素子を構成する圧電体層（変位に寄与する圧電体層）は、必ず４層以上の偶数層となる。なお、圧電体層同士の厚みの比率については、後に詳述する。
【００１６】
前記圧電駆動素子１０は、ＰＺＴなどの圧電体をシート成形し、電極を含むペーストをシートに印刷して積層・圧着後、所定の温度で焼成するという通常の手法を用いて作製することができる。素子の面方向の寸法に関しては特に規定はないが、通常の携帯機器に用いることを想定すると、直径２０〜２５ｍｍ程度の円形もしくは１辺が１５〜２０ｍｍ程度の長方形が好ましい。本実施例では、長方形としている。図１(A)の例では、下から圧電体層３４，電極層５４，圧電体層３２，電極層５２，圧電体層３０，電極層４０，圧電体層２０，電極層４２，圧電体層２２，電極層４４，圧電体層２４の順に積層される。最外層の電極層４６，５６は、内部の電極層と同じくペーストを印刷して積層体と同時に焼成してもよいし、積層体の焼成後にペーストを塗布して焼き付けてもよい。あるいは、蒸着やスパッタ，メッキ等の低温プロセスで形成してもよい。
【００１７】
次に、このようにして形成した積層体の圧電体層２０〜２４，３０〜３４に、電極層４０〜４６，５２〜５６を利用して分極用の電圧を印加し、所定の分極が施される。例えば、図２(A-2)に示す例では、電極層４２と電極層４６を正極用パターンとして側面電極６２で接続し、電極層５２と電極層５６を負極用パターンとして側面電極６４で接続する。また、電極層４０，４４，５４はコモンパターンとして側面電極６０で接続する。これら正極パターン，負極パターン，コモンパターンの一例が、図３(A)〜(C)に示されている。なお、前記側面電極６０，６２，６４は、例えば、積層体の側面にペーストを塗布する方法や、蒸着，スパッタ，メッキ等の低温プロセスを用いる方法などにより形成される。あるいは、外部側面で接続せずに、圧電体シートにホールを開けてペースト印刷時に電極層同士を接続するスルーホールを用いる方法など、従来から使用されている手法での接続が可能である。
【００１８】
また、圧電駆動素子１０を４層構造とする場合には、図２(A-1)に示すように、電極層４２を正極パターンとし、電極層５２を負極パターンとする。また、電極層４０，４４，５４はコモンパターンとして、側面電極６０で接続する。圧電駆動素子１０を８層構造とする場合には、図２(A-3)に示すように、電極層４２と電極層４６を正極用パターンとして側面電極６２で接続し、電極層５２と電極層５６を負極用パターンとして側面電極６４で接続する。また、電極層４０，４４，４８，５４，５８をコモンパターンとして、側面電極６８で接続する。
【００１９】
積層体の焼成，電極の形成後に分極を行う。分極電圧は、材料の抗電界以上の電圧をかけるが、その際、最も厚い層厚に合わせた電圧を加える必要がある。また、分極時に高温にして電圧を下げても良い。分極時には、図２(A-1)〜(A-3)に示す通り、正極パターン，負極パターン，コモンパターンを用いて、正負の電圧と０Ｖとなるコモンの３極で分極を行う。この際、正負の電圧は同じである必要があり、また同時に加える必要がある。電圧が異なったり、同時に加えなかったりすると、素子が異常な変形を起こし、応力によるクラック発生の原因となる。分極終了後、図２(B-1)〜(B-3)に示すように、正負の電極を接続し、一つの電極とする。図２(B-1)に示す４層構造の例では、電極層４２と５２を側面電極６６で接続する。図２(B-2)に示す６層構造と図２(B-3)に示す８層構造の例では、電極層４２，４６，５２，５６を側面電極５０で接続する。
【００２０】
そして、これら接続した電極とコモン電極に信号を入力することで、圧電駆動素子１０の上半分と下半分で逆方向に伸縮し、結果として屈曲変位となる。図１(A)の６層構造の例では、下側の積層圧電体１４の圧電体層３０，３２，３４の分極方向は、上側の積層圧電体１２の圧電体層２０，２２，２４の分極方向と逆となっている。一方、音声信号などの駆動電圧は、電極層４２，４６，５２，５６に印加され、他の電極層４０，４４，５４はアースされている。このため、積層圧電体１２の矢印ＦＡ方向の伸縮と、積層圧電体１４の矢印ＦＣ方向の伸縮は互いに逆方向となる。すなわち、図１(B)に示すように積層圧電体１２が矢印ＦＡ方向に伸びたときは、積層圧電体１４は矢印ＦＣ方向に縮む。逆に、図１(C)に示すように積層圧電体１２が矢印ＦＡ方向に縮んだときは積層圧電体１４は矢印ＦＣ方向に伸びる。このため、全体として矢印ＦＢ方向に振動するようになる。
【００２１】
前記圧電駆動素子１０の全体の厚みは５０〜２００μｍとする。これ以下の厚みでは十分な力が出ないため、空気や後述する支持板７０の剛性に負けてしまい、十分に変位することができない。また、これ以上厚い場合は、圧電駆動素子１０自体の剛性が高すぎるため、やはり十分に変位することができなくなる。図１(A)の例では、圧電体層は６層であるが、４層以上の偶数層であればよく、図２(A-1)及び(B-1)に示す４層構造としてもよいし、図２(A-3)及び(B-3)に示す８層構造としてもよい。いずれにしても、厚み方向の中心（本実施例の場合は電極層４０）を境に、上下が対称となるように積層する。
【００２２】
複数の圧電体層の厚みの比は、屈曲変位を起こすと考えた場合、曲率半径から計算される各層の必要な伸縮量から、全層数を２ｎ（ｎは自然数）層として計算すると、以下の数式１で表すことができる。
【数１】
2015046947.tif 000003
【００２３】
前記数式１を用いると、圧電体層の積層数が、
４層（n＝２）の場合は、圧電体の厚み比は、下層から順に、
√2-1：1：1：√2-1
となる。
６層（n＝３）の場合は、
√3-√2：√2-1：1：1：√2-1：√3-√2
となり、
８層（n＝４）の場合は、
2-√3：√3-√2：√2-1：1：1：√2-1：√3-√2：2-√3
となる。そして、各層の厚みは、上記比率に対して±１０％の誤差までが許容される。このような理想的な厚み比率を有する各層の厚みを合計したときの全層厚は、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとし、変位に寄与する圧電体層の層数を２nとしたときに、
２×ｔｄｍｏｓｔ×（√n）
の関係で示されることが見出されている。いいかえれば、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとしたときに、該最も厚い圧電体層と中央の電極層との境界面を基点として、該基点からｎ層（ｎは自然数）までの厚みが、
ｔｄｍｏｓｔ×（√n）
を満たすことになる。本実施例の圧電駆動素子はバイモルフ構造のため、素子全体としての圧電体層の厚みは、その２倍となり、上記のとおり、２×ｔｄｍｏｓｔ×（√n）となる。
【００２４】
しかしながら、実際の積層体には、各層間に電極層を形成しなければならない。この電極はセラミックス（圧電体層）の焼結と同時に形成する必要があるため、セラミックスの焼結温度で溶融せず焼結のみを起こすような、銀，白金，パラジウムやその合金などを用いる。電極層は、圧電体層と異なり、電圧によって変形を起こすことはないため、上記の数式１は電極層の存在により修正を受ける。このように、電極層の存在により圧電駆動素子１０の変位量は抑制を受けるため、電極層の厚みは可能な限り薄い方がよく、例えば、印刷法によれば１〜２μｍとなる。また、層数が多くなると電極比率が増えるため、実質的な圧電体層の積層数は８層までである。また、２層では層厚に傾斜ないし差を設けられないため、最低層数は４層となる。
【００２５】
ここで、前記電極層の厚みをｔｉｅ，最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとし、最も厚い圧電体層の厚みに対する電極層の厚みの比Ａを、Ａ＝（ｔｉｅ／ｔｄｍｏｓｔ）と表すことで、全体の厚みが厚くなり、曲げ剛性が増加することを考慮にいれて前記数式１を修正することができるが、解は解析的に導くことはできない。しかし、電極材料のヤング率を５０〜１５０ＧＰａとし、圧電駆動素子１０の全体厚みを５０〜２００μｍとし、電極厚みを最大５μｍとすると、近似的に計算ができる。圧電体層の積層数を４層とした場合の圧電体層３２，３０，２０，２２の厚みを以下の数式２の比率にすると、最適な特性が得られる。
【数２】
2015046947.tif 000004
【００２６】
同様に、圧電体層の積層数が６層の場合に最適な特性が得られる圧電体層３４，３２，３０，２０，２２，２４の厚み比率は、以下の数式３に示される。
【数３】
2015046947.tif 000005
【００２７】
更に、圧電体層の積層数が８の場合に最適な特性が得られる圧電体層３６，３４，３２，３０，２０，２２，２４，２６の厚み比率は、以下の数式４に示される。
【数４】
2015046947.tif 000006
【００２８】
なお、誤差は各圧電体層について±１０％までであれば、本発明における効果が発揮できる。ただし、本実施例はバイモルフ型であるので、外側の層の厚みは、内側の層の厚みよりも薄くなければいけない。その範囲をはずれると、素子容量が大きくなり、駆動時の電流値が高くなってしまい、所望の効果を得ることが出来ない。
【００２９】
このように電極層の厚みも考慮した場合、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとし、最も厚い圧電体層と中央の電極層の境界面を基点として、該基点からｎ層までの厚みを表すと、
ｔｄｍｏｓｔ×(√n)＋Σｔｉｅ(n-1)
の関係で示されることが見いだされている。
【００３０】
図４を参照して具体的に説明する。図４には、圧電駆動素子１０の上部の積層圧電体１２側が示されている。変位に最も寄与するのは、中央の電極層４０と接する圧電体層２０である。この例において、基点（圧電体層２０と電極層４０の境界面）から１層目の圧電体層の厚みは、上記のｔｄｍｏｓｔ×（√n）の式に当てはめると、ｔｄｍｏｓｔである。次に、２層目（n=２）までの厚みは、ｔｄｍｏｓｔ×（√2）に電極層４２の厚みｔｉｅ(1)を加えて、ｔｄｍｏｓｔ×（√2）＋ｔｉｅ(1)となる。更に、３層目（n＝３）までの厚みは、２層目の電極層４４の厚みを加えて、ｔｄｍｏｓｔ×（√3）＋ｔｉｅ(1)＋ｔｉｅ(2)となる。すなわち、ｎ層の圧電体層の間には、(n-1)層の電極層が存在するので、その分の厚みを足していくことで、前記基点からｎ層までの厚みをｔｄｍｏｓｔ×(√n)＋Σｔｉｅ(n-1)と表すことができる。
【００３１】
前記圧電駆動素子１０は、図１(D)に示すように、支持板７０に貼り付ける。支持板７０は可能な限り柔らかい材質のものを用いる。例えばゴムやウレタン等が好適である。支持板７０の厚さは、圧電駆動素子１０と同程度の５０〜２００μｍとする。これ以下では素子を十分支えることが出来ず、振動時に素子にダメージを与える可能性があり、これ以上では、素子の振動を阻害して、音圧を下げてしまう。そして、前記圧電駆動素子１０を貼り付けた支持板７０を、金属やプラスチックなどの枠に貼り、端子板などへ電極を接続して圧電発音体を得る。この際、リード等を用いても良いし、加熱硬化する導電ペースト等を用いても構わない。
【００３２】
前記枠としては、図１(D)に示す枠８０のような開口部８２を有する単純な枠形状のほか、蓋のような形状のものでも構わない。ただし、蓋の上部分と素子及び振動板の間には、振動によって接触しないように十分な隙間を空ける必要がある。例えば、図１(E)に示す枠９０は、上述した蓋タイプであって、素子の振動を阻害しない十分な空間９２を有し、更に蓋部分の底面９４には、複数の放音孔９６が設けられている。このようにして得られた圧電発音体は、単純に同一厚みの圧電体を積層したものと比べ、音圧は変わらないにもかかわらず、流れる電流値は５０〜６０％低下しており、接続部での発熱を抑制できると共に、駆動回路の部品として小型で低コストの部品を用いることが可能となる。
【００３３】
このような方法で作製したスピーカについて、音圧（８００，１０００，１５００，２０００Ｈｚの平均音圧）と、駆動時の電流値を下記表１に示す。試験に用いる素子は、１４×１８ｍｍの大きさとし、支持板７０には１００μｍ厚さのエラストマーを用い、図１(E)に示すような蓋形状で金属製の枠９０に貼り付けてある。そして、層数と層構成を変えた実験例１〜４を作製し、試験を行った。また比較例１〜６として、層厚構成が本発明の範囲外にある素子を用いて、同じように作製したスピーカについても、同様の試験を行い、結果を表１に示した。
【表１】
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表１の実験例１〜４，比較例１〜６の結果から分かる通り、本発明の範囲内であれば、十分流れる電流は小さいが、範囲外の素子では電流値が大きく、所望の効果を得ることが出来ないことが確認された。
【００３４】
このように、実施例１によれば、圧電体層を複数積層したバイモルフ型の圧電駆動素子１０を使用した圧電発音体において、変位量が最も少ない中央部分の圧電体層の厚みを最も厚くする。そして、厚み方向中央を境にして、上下同数の積層数及び上下対称の層構造とし、かつ、中央から外側へ向けて圧電体層の厚みを薄くすることとした。このため、素子としての変位量を損なうことなく、容量を低減し、高周波信号入力時でも流れる電流値を低く抑えることができる。その結果、発熱による故障の発生を防止できるとともに、駆動回路に太い導線を用いる必要がなくなるため小型化も可能となる。
【００３５】
＜変形例１＞・・・次に、図５(A)を参照して、本実施例の変形例１について説明する。図１(A)に示した圧電駆動素子１０では、上側の積層圧電体１２と下側の積層圧電体１４が、電極層４０を挟んで形成されているが、図５(A)に示す圧電駆動素子１００では、積層圧電体１２と積層圧電体１４は、電極層以外の不活性層（分極しない層）１０２を挟んで対称に形成されている。このような場合にも、上述した実施例と同様の効果が得られる。
【００３６】
＜変形例２＞・・・次に、図５(B)を参照して、本実施例の変形例２について説明する。図１(A)に示した圧電駆動素子１０では、シム板を使用しないバイモルフ型にすることとしたが、図５(B)に示す圧電駆動素子１１０のように、金属板などのシム板１１２の上下に、積層圧電体１２と積層圧電体１４を貼り付ける構成としてもよい。この場合、シム板１１２を図１(D)又は図１(E)に示した枠８０や９０によって支持することで圧電発音体を構成でき、上述した実施例１と同様の効果が得られる。
【実施例２】
【００３７】
次に、図５(C)を参照して本発明の実施例２を説明する。前記実施例１は、圧電駆動素子をバイモルフ型としたが、本発明はユニモルフ型にも適用可能である。図５(C)に示す圧電駆動素子１２０は、４層構造の積層圧電体１２が金属材料からなる振動板１２２の一方の主面に貼り付けられた構成となっている。そして、これが前記枠８０又は９０に取り付けられることで圧電発音体を構成する。本実施例のようにユニモルフ型においては、変位が最も少ない圧電体層（横方向への伸縮が最も少ない部分），すなわち、振動板１２２側の圧電体層２０の厚みが最も厚く、積層方向上方へいくにつれて、圧電体層２２，２４，２６の順に厚みが薄くなっている。
【００３８】
前記圧電体層は、２層以上であればよいが、例えば、積層数をｎ層（ｎは自然数）とした場合には、振動板１２２側から上層へ向けての圧電体層の厚み比が、下記数式５で示す比率になるようにすると理想的である。むろん、各圧電体層の比率は、前記実施例１と同様に、各々±１０％まで許容される。なお、下記数式５を適用するためには、前記振動板１２２として、ヤング率５０〜２００ＧＰａで、厚みが積層圧電体１２の半分以下のものを使用する。
【数５】
2015046947.tif 000008
更に、変位に寄与する圧電体層のうち、最も厚い圧電体層の厚みをｔｄｍｏｓｔとし、変位に寄与する圧電体層の層数をｎとしたときに、
全層厚が、
ｔｄｍｏｓｔ×（√n）
となるように規定するとよい。
【００３９】
また、前記実施例１と同様に、最も厚い圧電体層の厚み（ｔｄｍｏｓｔ）に対する電極層の厚み（ｔｉｅ）の比Ａを、Ａ＝（ｔｉｅ／ｔｄｍｏｓｔ）と定義することで、圧電体層間の電極層の存在による前記数式５の修正を行うことができる。例えば、電極材料のヤング率を５０〜１５０ＧＰａとし、圧電駆動素子１２０の全体厚みを５０〜２００μｍとし、電極厚みを最大５μｍとすると、近似的に計算ができる。圧電体層の積層数を２層とした場合の圧電体層２０，２２の厚みを以下の数式６の比率にすると、最適な特性が得られる。
【数６】
2015046947.tif 000009
【００４０】
同様に、圧電体層の積層数が３層の場合に最適な特性が得られる圧電体層２０，２２，２４の厚み比率は、以下の数式７に示される。
【数７】
2015046947.tif 000010
【００４１】
更に、圧電体層の積層数が４の場合に最適な特性が得られる絶縁体層２０，２２，２４，２６の厚み比率は、以下の数式８に示される。
【数８】
2015046947.tif 000011
【００４２】
なお、各々の圧電体層の厚み誤差は±１０％までであれば、本発明における効果が発揮できる。ただし、本実施例はユニモルフ型であるので、外側の層の厚みは、振動板１２２側の圧電体層２０の厚みよりも薄くなければいけない。その範囲をはずれると、素子容量が大きくなり、駆動時の電流値が高くなってしまい、所望の効果を得ることが出来ない。これらの点を満たすことができれは、本実施例のようにユニモルフ型を用いた場合であっても、上述した実施例１と同様の効果を得ることができる。なお、電極層の厚みを考慮した基点（本実施例の場合は、振動板１２２と圧電体層２０の境界面）からｎ層目までの厚みは、上述した実施例１と同様に、ｔｄｍｏｓｔ×(√n)＋Σｔｉｅ(n-1)で表される。
【００４３】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のようなものも含まれる。
(1)前記実施例で示した圧電駆動素子の形状も一例であり、円形とするなど、必要に応じて適宜変更してよい。
(2)前記実施例で示した圧電駆動素子の面方向の寸法についても一例であり、必要に応じて適宜設計変更可能である。
(3)前記実施例で示した材料も一例であり、公知の各種の材料を使用してよい。
(4)前記実施例１で示した支持板７０と枠８０又は９０による圧電駆動素子の支持機構も一例であり、同様の効果を奏する範囲内で適宜設計変更可能である。
(5)前記実施例１で示した圧電駆動素子の積層方法も一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。図５(D)に示すように、４層構造のバイモルフ型であって、中央側の圧電体層２０，３０の厚さが、外側の圧電体層２２，３２の厚みのほぼ倍である場合、圧電体層２２，３２として用いる圧電体シートを２枚重ねて圧電体層２０，３０を形成するようにする。このようにシートの積層数を調整することで圧電体層の厚みを合わせることができれば、製造が容易となる。
(6)前記実施例では、携帯電話等に搭載するスピーカを例に挙げて説明したが、本発明は、携帯電話のレシーバなど、他の公知の各種の電子機器に利用する圧電発音体として適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によれば、圧電体層を複数積層した圧電駆動素子を使用した圧電発音体において、変位量が最も少ない部分の圧電体層の厚みを最も厚くし、外側へ向けて順次圧電体層を薄く形成することとした。これにより、素子としての変位量を損なうことなく、容量を低減し、流れる電流値を低く抑え、故障の発生の防止や小型化が可能となるため、電子機器等に搭載する圧電発音体の用途に適用できる。特に、携帯電話やスマートフォンに代表される携帯型電子機器等への利用に好適である。
【符号の説明】
【００４５】
１０：圧電駆動素子
１２，１４：積層圧電体
２０〜２６，３０〜３６：圧電体層
４０〜４６，５２〜５８：電極層
５０，６０〜６８：側面電極
７０：支持板
８０，９０：枠
８２：開口部
９２：空間
９４：底面
９６：放音孔
１００：圧電駆動素子
１０２：不活性層
１１０：圧電駆動素子
１１２：シム板（支持板）
１２０：圧電駆動素子
１２２：振動板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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