(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電素子相互間に発生するひずみ応力が小さく、大きな屈曲変位の自然に発生する積層圧電素子を提供する。【解決手段】積層圧電素子３０は、複数の圧電素子３２、３４、３６、３８が一軸方向に積層された積層圧電素子であり、圧電素子間の電極の、圧電素子との接触面積が中央側に配される電極３５より外側に配される電極３３、３７の方が大きい。電極のそれぞれに絶対値の等しい電位を印加することで、中央側の圧電素子３４、３６より外側の圧電素子３２、３８の変位の大きい自然な屈曲変位を発生する。【選択図】図１
2016225481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎの圧電素子が積層された積層圧電素子であって、
前記Ｎの圧電素子の厚みが等しく、
前記Ｎの圧電素子の間に挟置されて前記Ｎの圧電素子に電圧を付与する電極を備え、
前記電極は前記Ｎの圧電素子の全てに同一の電圧を付与し、
前記Ｎは偶数であり、
前記Ｎの圧電素子のうちのｎ番目の圧電素子の前記電極と接触面積Ｓｎは、Ｓ１＞Ｓ２＞．．．＞ＳＮ／２、かつ、ＳＮ＞ＳＮ−１＞．．．＞ＳＮ／２＋１であり、
１〜（Ｎ／２）番目の圧電素子と、（Ｎ／２＋１）〜Ｎ番目の圧電素子とが逆向きに変位するように、前記電圧が付与される又は前記Ｎの圧電素子の極性が設定されることを特徴とする積層圧電素子。
【請求項２】
Ｎの圧電素子が積層された積層圧電素子であって、
前記Ｎの圧電素子の厚みが等しく、
前記Ｎの圧電素子の間に挟置されて前記Ｎの圧電素子に電圧を付与する電極を備え、
前記電極は前記Ｎの圧電素子の全てに同一の電圧を付与し、
前記Ｎは奇数であり、
前記Ｎの圧電素子のうちのｎ番目の圧電素子の前記電極と接触面積Ｓｎは、Ｓ１＞Ｓ２＞．．．＞Ｓ（Ｎー１）／２、かつ、ＳＮ＞ＳＮ−１＞．．．＞Ｓ（Ｎ＋１）／２であり、
１〜（（Ｎ−１）／２）番目の圧電素子と、（（Ｎ＋１）／２）〜Ｎ番目の圧電素子とが逆向きに変位するように、前記電圧が付与される又は前記Ｎの圧電素子の極性が設定されることを特徴とする積層圧電素子。
【請求項３】
Δｎをｎ番目の圧電素子の変位量とするとき、Δｎ−Δｎ＋１が定数であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の積層圧電素子。
【請求項４】
前記電極のうち、前記Ｎの圧電素子の最外に配される２つの電極を除くものは、１以上の開口を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層圧電素子。
【請求項５】
前記開口を有する少なくとも電極のそれぞれが有する開口は、大きさ及び数の少なくとも一方が調整されることを特徴とする、請求項４に記載の積層圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の圧電素子が積層された積層圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型のスピーカユニットにおいて、振動装置として圧電素子が採用されるようになった。しかし、振動量が小さく、大きな音量で音を発生することが困難である。そこで、特許文献１に開示されるような複数の圧電素子を積層してなる積層圧電素子を用いることが行われている。
【０００３】
従来の積層圧電素子は、積層された圧電素子の全てに同一の電界を加え、積層された圧電素子の全てが同一方向に変位する極性を有していた。変位結果の湾曲の外側に大きな屈曲変位を、内側に小さな屈曲変位を与えるものではなく、積層された圧電素子相互間にひずみ応力が発生してしまうものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１３３３２０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、圧電素子相互間に発生するひずみ応力が小さく、大きな屈曲変位の自然に発生する積層圧電素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の積層圧電素子は、
Ｎの圧電素子が積層された積層圧電素子であって、
前記Ｎの圧電素子の厚みが等しく、
前記Ｎの圧電素子の間に挟置されて前記Ｎの圧電素子に電圧を付与する電極を備え、
前記電極は前記Ｎの圧電素子の全てに同一の電圧を付与し、
前記Ｎは偶数であり、
前記Ｎの圧電素子のうちのｎ番目の圧電素子の前記電極と接触面積Ｓｎは、Ｓ１＞Ｓ２＞．．．＞ＳＮ／２、かつ、ＳＮ＞ＳＮ−１＞．．．＞ＳＮ／２＋１であり、
１〜（Ｎ／２）番目の圧電素子と、（Ｎ／２＋１）〜Ｎ番目の圧電素子とが逆向きに変位するように、前記電圧が付与される又は前記Ｎの圧電素子の極性が設定されることを特徴とする。
【０００７】
この特徴によれば、厚みの等しいＮの圧電素子の変位が、その順に従って大きくなる又は小さくなるように変位する。また、積層された一側が伸長するときには他側が収縮し、一側が収縮するときには他側が伸長する。自然な屈曲変位を発生させることができる。また、厚みの等しい（同一の）圧電素子を用いて自然な屈曲変位の積層圧電素子を生産することができる。
【０００８】
本発明の積層圧電素子は、
Ｎの圧電素子が積層された積層圧電素子であって、
前記Ｎの圧電素子の厚みが等しく、
前記Ｎの圧電素子の間に挟置されて前記Ｎの圧電素子に電圧を付与する電極を備え、
前記電極は前記Ｎの圧電素子の全てに同一の電圧を付与し、
前記Ｎは奇数であり、
前記Ｎの圧電素子のうちのｎ番目の圧電素子の前記電極と接触面積Ｓｎは、Ｓ１＞Ｓ２＞．．．＞Ｓ（Ｎー１）／２、かつ、ＳＮ＞ＳＮ−１＞．．．＞Ｓ（Ｎ＋１）／２であり、
１〜（（Ｎ−１）／２）番目の圧電素子と、（（Ｎ＋１）／２）〜Ｎ番目の圧電素子とが逆向きに変位するように、前記電圧が付与される又は前記Ｎの圧電素子の極性が設定されることを特徴とする。
【０００９】
Ｎが奇数の場合に中央の圧電素子を処理するものである。
【００１０】
本発明の積層圧電素子は、
Δｎをｎ番目の圧電素子の変位量とするとき、Δｎ−Δｎ＋１が定数であることを特徴とする。
【００１１】
この特徴によれば、隣接する圧電素子の変位が一定になる。屈曲変位がより自然になる。
【００１２】
本発明の積層圧電素子は、
前記電極のうち、前記Ｎの圧電素子の最外に配される２つの電極を除くものは、１以上の開口を有することを特徴とする。
【００１３】
この特徴によれば、開口によって、電極のそれぞれの圧電素子との接触面積が定められる。
【００１４】
本発明の積層圧電素子は、
前記開口を有する少なくとも電極のそれぞれが有する開口は、大きさ及び数の少なくとも一方が調整されることを特徴とする。
【００１５】
具体的な接触面積処理の調整を定めるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、圧電素子相互間に発生するひずみ応力が小さく、自然に屈曲変位の発生する積層圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、積層圧電素子の構成を示す図である。
【図２】図２は、積層圧電素子の伸縮を示す図である。
【図３】図３は、積層圧電素子の構成を示す図である。
【図４】図４は、スピーカユニットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１に、積層圧電素子３０の構成を示す。なお、説明のため、積層圧電素子を構成する圧電素子３２，３４，３６，３８及び電極３１，３３，３５，３７，３９を分解して斜視図にて示している。圧電素子３２，３４，３６，３８は、一例として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミックスから構成される。なお、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）による薄膜圧電素子であってもよい。電極３１，３３，３５，３７，３９は、Ｃｕ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ等の金属から構成される。
【００２０】
積層圧電素子は、複数（本実施例では、一例としてＮ＝４）の等厚の圧電素子３２，３４，３６，３８及び電極３１，３３，３５，３７，３９が積層されてなる素子である。圧電素子３２，３４，３６，３８のうちの２つの間には、１つのみの電極があり、５つの電極３１，３３，３５，３７，３９は極が交互に替わる。このため、圧電素子３２，３４，３６，３８に印加される電圧の向きも交互に替わる。圧電素子３２，３４，３６，３８の極性（電圧方向に対して伸長するか収縮するかの変位特性）を電圧の向きに合わせる。具体的には、圧電素子３２，３８と圧電素子３４，３６との分極の向きを逆にして。逆の極性を有するようにする。
【００２１】
５つの電極のうち、最外に配される２つの電極３１、３９を除く３つの電極３３，３５，３７には、複数の開口が設けられている。複数の開口は一例として円形状とするが、これに限らず任意の形状としてもよい。また、開口の数は１つでもよい。３つの電極３３，３５，３７に開口を設けることで、それぞれの圧電素子３２，３４，３６，３８との接触面積が定められる。
【００２２】
複数の開口は、電極上に格子状に配列されている。それにより、それぞれの電極に電位を印加することで、圧電素子３２，３４，３６，３８に一様な電界を印加することができる。なお、圧電素子３２，３４，３６，３８に一様の電界を加えることができれば、その配置は格子状に限らず、例えば六角格子状などに配置してもよい。
【００２３】
本実施例では、電極３３，３５，３７のそれぞれに設けられる開口の数は等しく、大きさが外側に配される電極３３，３７より内側に配される電極３５が大きく調整されている。なお、それぞれの電極について、開口の大きさは等しく、数が異なるものとしてもよいし、大きさ及び数の両方が異なるものとしてもよい。
【００２４】
５つの電極３１，３３，３５，３７，３９の圧電素子３２，３４，３６，３８との接触面積は、中央側に配される電極より外側に配される電極に対して大きく、最外に配される電極に対して最大である。それにより、圧電素子３２，３４，３６，３８のそれぞれに絶対値の等しい電位を印加することにより、４つの圧電素子３２，３４，３６，３８について中央側の圧電素子３４，３６より外側の圧電素子３２，３８に大きな電界を加えることができる。
【００２５】
より詳細には、４つの圧電素子３２，３４，３６，３８をそれぞれ１〜４番目の圧電素子と呼ぶと、ｉ（＝１〜４）番目の圧電素子が図面上面及び下面にそれぞれ有する２つの電極の本体との接触面積Ｓｉは、Ｓ１＝ｓ０＋ｓ１、Ｓ２＝ｓ１＋ｓ２、Ｓ３＝ｓ１＋ｓ２、Ｓ４＝ｓ０＋ｓ１、となる。ここで、ｓ０は電極３１及び３９の面積、ｓ１は電極３３及び３７の面積、ｓ２は電極３５の面積である。Ｓ１＞Ｓ２、Ｓ２＝Ｓ３、Ｓ３＜Ｓ４となる。
【００２６】
制御部４０（増幅器４６）からの回線は、一方が電極３１，３５，３９に、他方が電極３３及び３７に接続されており、圧電素子３２と３６には、図面上で同一方向の電圧が印加される。また、圧電素子３４と３８には、これとは逆方向の電圧が印加される。
【００２７】
ここで、圧電素子３２に対して圧電素子３４を逆の極性とし、圧電素子３４に対して圧電素子３６を同じ極性とし，圧電素子３６に対して圧電素子３８を逆の極性としてあるので、上記の電圧に対して、圧電素子３２、３４と圧電素子３６，３８とが逆向きに伸長する。
【００２８】
圧電素子３２，３４，３６，３８の図面横方向への伸長Δ（収縮の場合には負値）は、材料定数ｄ、素子長Ｌ、電界強度Ｅ、素子厚ｔを用いて、Δ＝ｄＬＥ／ｔと与えられる。圧電素子３２，３４，３６，３８の材料定数ｄ、素子長Ｌ及び素子厚ｔは等しい。電極が略一様な電界を印加する（例えば圧電素子の狭い領域のみに当接しその領域のみに電圧を印加するようなものではない）限り、ｉ番目の圧電素子に発生する電界強度ＥはＳｉに比例する。Ｓｉに基づき、ｉ番目の圧電素子の伸縮Δｉは、関係Δ１＝−Δ４、Δ２＝−Δ３、｜Δ１｜＞｜Δ２｜、｜Δ３｜＜｜Δ４｜となる。すなわち、最外の圧電素子３２，３８の伸縮が最も大きく（ただし、互いに逆向き）、内側の圧電素子３４，３６の伸縮が小さい（ただし、互いに逆向き）。
【００２９】
図２に、伸縮の状態を示す。圧電素子３２，３４，３６，３８が滑らかに連続して収縮し、圧電素子間のひずみ応力が小さい。
【００３０】
Δ１，Δ２，Δ３，Δ４が等差数列となることが理想的である。そのためには、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が等差数列となるように、ｓ０、ｓ１、ｓ２を設計すればよい。
【００３１】
以上、圧電素子の数Ｎが４の場合の例を説明した。Ｎが他の値であってもＳｉ及びΔｉは同様に設計でき、圧電素子を滑らかに連続して収縮させることができる。圧電素子の間に発生するひずみ応力が小さくなり、大きな振動を発生することができる。
【００３２】
積層圧電素子３０は、圧電素子３２，３４，３６，３８及び電極３１，３３，３５，３７，３９を、接着剤を用いて、或いは真空接合により接合することで構成される。
【００３３】
以上詳細に説明したように、本実施例に係る積層圧電素子３０は、４つの圧電素子３２，３４，３６，３８の５つの電極３１，３３，３５，３７，３９との接触面積が中央側に配される圧電素子よりも外側に配される圧電素子のほうが大きい。４つの圧電素子３２，３４，３６，３８について中央側の圧電素子３４，３６より外側の圧電素子３２，３８に対して大きな電界を加えることができる。この結果、大きな振動を発生することができる。
【実施例２】
【００３４】
本実施例は、圧電素子の枚数が奇数の場合について示すものである。一例としてＮ＝５とし、実施例１との相違点に絞って説明する。実施例１と同様の点は、詳細な説明を省略する。
【００３５】
図３に、積層圧電素子３０の構成を示す。５つの圧電素子３２，３４、３ｘ、３６、３８が設けられている。実施例１における圧電素子３４と３との間に圧電素子３ｘを追加したものである。圧電素子３２，３４、３６、３８の極性は実施例１と同一である。
【００３６】
６つの電極３１，３３，３５ａ，３５ｂ、３７，３９が設けられている。実施例１における電極３５を２枚（３５ａ及び３５ｂ）設けたものである。
【００３７】
電極３１，３３，３７，３９は、実施例１と同一の極に接続される。電極３５ａ及び３５ｂは、実施例１における電極３５と同一の極に接続される。この結果、圧電素子３２，３４，３６，３８は実施例１と同様に変位する。圧電素子３ｘには電圧が印加されないので、圧電素子３ｘは変位しない。したがって、３ｘは、圧電素子３２，３４，３６，３８の伸縮による積層圧電素子３０の変形を妨げない程度の柔軟性を有するものであれば、必ずしも圧電素子でなくともよい。
【００３８】
ｉ番目の圧電素子の伸縮Δｉは、Δ１＝−Δ５、Δ２＝−Δ４、Δ３＝０、｜Δ１｜＞｜Δ２｜、｜Δ４｜＜｜Δ５｜となる。Δ１，Δ２，Δ３，Δ４，Δ５が等差数列となることが理想的である。実施例１に対して、Δ３（＝０）が挿入されたので、ｓ０、ｓ１、ｓ２の値が実施例１と異なるが、計算は同様であり、容易である。
【００３９】
本実施例の積層圧電素子３０は、奇数枚の圧電素子から構成され、実施例１の圧電素子と同様の効果を有する。
【実施例３】
【００４０】
本実施例は、実施例１及び２に示した圧電素子を用いたスピーカを示すものである。圧電素子３０は実施例１及び２に示したものであり、詳細な説明を省略する。
【００４１】
図４に、スピーカを示す。スピーカ１は、電気信号を物理振動に変換して音を発生する装置であり、フレーム１０、積層圧電素子３０を含んで構成される。
【００４２】
フレーム１０は、後述する振動体２０を支持する支持部材である。フレーム１０は、例えば金属、樹脂等を用いて一定の肉厚を有する筒状に成形されている。
【００４３】
積層圧電素子３０が、振動板を介さずにフレーム１０に支持されている。積層圧電素子３０は、図２に示したように自律的に振動して音圧を発生する（振動を空気に伝達する）ことができる。振動体２０を用いることなく、スピーカ１を構成することができる。
【００４４】
以上詳細に説明したように、本実施例に係るスピーカ１は、自律的に振動する積層圧電素子３０の効果により、振動板を用いることなく構成されることができる。振動板の周波数特性による音質劣化や、指向性の問題がない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
圧電素子相互間に発生するひずみ応力が小さく、自然に屈曲変位の発生する積層圧電素子であり、スピーカ等における利用が考えられる。
【符号の説明】
【００４６】
１  スピーカ
１０  フレーム
３０  積層圧電素子
３１  電極
３２  圧電素子
３３  電極
３４  圧電素子
３５  電極
３６  圧電素子
３７  電極
３８  圧電素子
３９  電極
３ｘ  圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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