JP2005057555A - 圧電振動板の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クラックのある圧電振動板を明確に選別できると同時に、正常な圧電振動板にクラックを発生させない圧電振動板の検査方法を提供する。
【解決手段】複数の圧電セラミックス層２，３を内部電極４を間にして積層して積層体を形成し、この積層体の表裏主面に外部電極５，６を設け、外部電極と内部電極との間に所定の周波数信号を印加することにより、積層体を屈曲振動させる圧電振動板１において、圧電振動板１の使用周波数域から共振，反共振のレスポンスがない高周波数域まで定格電圧をかけて少なくとも１回スイープし、高周波数域におけるインピーダンスを測定し、測定したインピーダンス値によって圧電振動板１のクラックを検出する。
【選択図】 図６

Description

本発明は圧電受話器や圧電サウンダなどの圧電音響部品に用いられる圧電振動板のクラックを検出する検査方法に関するものである。

従来、圧電音響効果に優れた積層構造のバイモルフ型圧電振動板が知られている。図１はこのような圧電振動板の一例である。この振動板１は、２層以上の圧電セラミックス層２，３を内部電極４を間にして積層するとともに、その表裏主面に外部電極５，６を設けた積層体であって、外部電極５，６同士は側面電極７を介して導通している。内部電極４は側面電極７とは対向する側面に形成された側面電極８を介して表裏面の引出電極９へと引き出されている。２つの圧電セラミックス層２，３は図面に矢印で示すように同一方向に分極されている。振動板１の表裏面には、落下衝撃に対する強度を高めるために樹脂製の保護膜１０，１１がほぼ全面に形成されている。保護膜１０の両端部には、外部電極５および引出電極９の一部が露出する切欠部１０ａ，１０ｂが形成され、この切欠部１０ａ，１０ｂから外部電極５および引出電極９の一部が露出している。切欠部１０ａ，１０ｂから露出した外部電極５および引出電極９に交流信号が印加されると、外部電極５，６と内部電極４との間に電界が印加されるので、積層体を全体として屈曲振動させることができる。厚み方向に順に配置されたセラミックス層２，３を相互に逆方向に振動させることで、ユニモルフ型に比べて大きな音圧を得ることができる。

図２は上記圧電振動板１を用いた圧電音響部品Ａの一例を示す。２０はケース、３０はカバーであり、ケース２０に設けられた支持部２１に圧電振動板１の両端部が支持され、シリコーンゴムなどの封止接着剤２２によって圧電振動板１がケース２０に対して接着されると同時に、全周が封止される。封止接着剤２２で接着する前に、圧電振動板１の切欠部１０ａ，１０ｂから露出した外部電極５および引出電極９は、導電性接着剤２３によってケース２０に設けられた端子２４，２５と接続される。なお、導電性接着剤２３の塗布位置の下にはウレタンゴムなどの弾性体２６が塗布され、導電性接着剤２３による硬化収縮応力が圧電振動板１に作用するのを抑制している。カバー３０は接着剤３１によってケース２０の開口部に接着される。カバー３０には放音孔３２が形成され、振動板１によって発生した音はこの放音孔３２から放出される。

このように積層構造の圧電振動板は優れた特性を有するが、その反面、金属板に圧電セラミックスを貼り付けたユニモルフ構造の圧電振動板に比べて、機械的強度が低いという欠点がある。そのため、積層体を分極処理する際や、圧電振動板１をケース２０の端子２４，２５に導電性接着剤２３で電気接続を行う際などの製造過程において、圧電セラミックスにマイクロクラックが発生することがある。
マイクロクラックは圧電振動板としての性能を低下させるので、マイクロクラックの有無を検査する必要が生じる。従来では、目視による外観選別を実施していたが、目視による曖昧な判断ではクラックの有無を確実に選別できないこと、目視選別により作業時間が増加し、コスト上昇になること、などの問題があった。

特許文献１には、圧電素子のインピーダンスの周波数特性を測定し、その周波数特性を示す曲線パターンと、基準となる素子の曲線パターンとを比較し、両曲線パターンが異なる場合に圧電素子にマイクロクラックが存在すると判定する方法が開示されている。
この方法は圧電素子の電気的特性によりクラックを検出するので、外観選別に比べて確実性が増すという利点がある。ところが、この方法は、連続した周波数特性を測定した後でなければ基準パターンと比較できないので、１回の検査に時間がかかるという欠点がある。また、使用周波数近傍の信号を印加してそのインピーダンス特性を測定しているので、クラックが非常に小さい場合には、必ずしも欠陥として明確に認識できないという問題がある。

特許文献２には、圧電素子に対して低い周波数域から高い周波数域まで連続的にかつ複数回スイープ（周波数掃引）し、それによって圧電素子の欠陥を検出する方法が提案されている。
しかし、この方法はクラックのある圧電素子を破壊させて除去する方法であり、印加電圧が高いために、正常な圧電素子に対するダメージを無視できない。特に、積層構造の圧電振動板の場合、その機械的強度が低いので、高い電圧を印加しながらスイープを行うと、正常な圧電振動板でもクラックが発生する可能性がある。
特開平６−３３０５号公報 特開２００３−８８１３７号公報

そこで、本発明の目的は、クラックのある圧電振動板を明確に選別できると同時に、正常な圧電振動板にクラックを発生させることのない圧電振動板の検査方法を提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載の発明によって達成される。
すなわち、請求項１に係る発明は、複数の圧電セラミックス層を内部電極を間にして積層して積層体を形成し、この積層体の表裏主面に外部電極を設け、上記外部電極と内部電極との間に所定の周波数信号を印加することにより、上記積層体を屈曲振動させるようにした圧電振動板において、上記圧電振動板の使用周波数域から共振，反共振のレスポンスがない高周波数域まで定格電圧をかけて少なくとも１回スイープし、上記高周波数域におけるインピーダンスを測定し、上記測定したインピーダンス値によって圧電振動板のクラックを検出することを特徴とする圧電振動板の検査方法を提供する。

図３は圧電振動板の等価回路である。図において、Ｒｄ１，Ｒｄ２は導電性接着剤２３と振動板１との間の抵抗であり、Ｃ１，Ｒ１およびＣ２，Ｒ２は振動板１の内部の等価回路を構成する容量および内部抵抗である。Ｒｉｎは入力側電極（例えば外部電極５）の抵抗、Ｒｏｕｔは出力側電極（例えば引出電極９）の抵抗である。振動板１にクラックが発生することで、入力側電極または出力側電極に部分的に断線（×印で示す）が生じる。
本発明では、圧電振動板に対して使用周波数域から高周波数域まで少なくとも１回のスイープを経験させ、振動板を共振周波数で大きく変位させてクラックを成長させる。振動板１の等価回路に含まれる容量成分Ｃ１，Ｃ２のインピーダンスは周波数の上昇に伴って低下するため、振動板１としてのインピーダンスは低下する。しかし、スイープによってクラックが成長すると、入力側電極または出力側電極に断線部分が生じるので、直列抵抗Ｒｉｎ，Ｒｏｕｔが増加する。そのため、周波数が上昇しても全体のインピーダンスは低下しなくなる。したがって、高周波数域のインピーダンス値を測定すれば、クラックの発生を簡単に検出することができる。

図４は、クラックのない圧電振動板（良品）のインピーダンスの周波数特性と、クラックのある圧電振動板（不良品）のインピーダンスの周波数特性とを示す。
図から明らかなように、使用周波数域である１０ｋＨｚ付近まではインピーダンスに差はないが、それより高周波数になるに従い、良品のインピーダンスは低下し続けるのに対し、不良品のインピーダンスは低下が鈍くなっている。図４の例では、不良品は１００ｋＨｚを越えると、８０Ω付近でほぼ一定となっている。したがって、共振および反共振のレスポンスのない高周波数域（例えば１ＭＨｚ）で比較すると、良品と不良品のインピーダンス値は明確に異なることがわかる。

本発明は、インピーダンスの周波数特性を示す曲線パターンと、基準となる曲線パターンとを比較する必要はなく、高周波数域における一点のインピーダンス値を測定するだけでよく、測定に時間を必要としない。
また、スイープに際して定格電圧（例えば１Ｖｒｍｓ）を維持しながら印加すればよく、高い電圧を印加する必要がない。そのため、正常な振動板にクラックを発生させる恐れがない。
なお、本発明のスイープは、常温環境で実施するのがよい。高温下でスイープを実施してもよいが、圧電振動板に必要以上のストレスを与えることは、クラックの発生を助長するので、望ましくないからである。
一般に、圧電音響部品における使用周波数域とは数ｋＨｚである。このような圧電振動板の場合、共振・反共振のレスポンスがなくなる高周波数域としては１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚである。

請求項２のように、スイープを複数回繰り返し、測定したインピーダンス値の変動の大きさによって圧電振動板のクラックを検出してもよい。
比較的大きなクラックであれば、１回のスイープでインピーダンス値が基準値より大きくなるので、クラックを容易に判別できる。しかし、非常に微小なクラックの場合、１回のスイープだけでは異常を判別できないことがある。その場合には、スイープを複数回繰り返し、測定したインピーダンス値の変動の大きさによって異常を判別する。すなわち、測定したインピーダンス値の変動が大きい場合には、入力側電極または出力側電極に発生した断線部分が導通・離間を繰り返したことを意味するので、不良品として選別すればよい。

請求項３のように、表裏主面の外部電極は、抵抗率が３０μΩ・ｃｍ以上の金属材料で形成されているものがよい。
圧電振動板の外部電極としては、Ｎｉ−Ｃｕ合金やＡｇなどがあるが、Ａｇのような良導電体の場合、小さなクラックに起因する電極の部分的な断線があっても、抵抗値として殆ど現れないので、判別が困難なことがある。
これに対し、抵抗率が３０μΩ・ｃｍ以上の比較的抵抗値の大きな電極の場合には、小さなクラックに起因する電極の部分的な断線であっても、抵抗値が大きく変化するので、断線を明確に判別できる。
上記のように抵抗率が３０μΩ・ｃｍ以上の材料としては、Ｎｉ−Ｃｕ合金やＮｉ−Ｃｒ合金などがある。Ｎｉ−Ｃｕ合金およびＮｉ−Ｃｒ合金はマイグレーションを防止できるので好適である。

請求項１に記載の発明によれば、圧電振動板に対して使用周波数域から高周波数域まで少なくとも１回のスイープを経験させ、振動板を共振周波数で大きく変位させてクラックを成長させるようにしたので、正常な圧電振動板に比べてクラックのある振動板のインピーダンスは周波数が上昇しても低下しなくなる。したがって、高周波数域のインピーダンス値を測定すれば、クラックの発生を簡単に検出することができる。
また、本発明ではインピーダンスの周波数特性を基準パターンと比較する必要はなく、高周波数域における一点のインピーダンス値を測定するだけでよいので、測定時間を短縮できる。しかも、スイープに際して定格電圧を印加すればよいので、必要以上に高い電圧を印加する必要がなく、正常な振動板にクラックを発生させる恐れがない。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図５は、本発明にかかる圧電振動板の検査方法を実施するための検査装置の第１実施例を示す。
この検査装置は、対象物Ａのインピーダンスを測定するインピーダンスアナライザ４０と、その測定値によって圧電振動板１の良否を判定するコントローラ５０とで構成されている。ここで、対象物Ａとは、圧電振動板１およびケース２０とカバー３０とを含む図２に示す完成状態の圧電音響部品である。
インピーダンスアナライザ４０は、周知のように低周波数から高周波数までスイープ（周波数掃引）しながら圧電振動板１のインピーダンスを測定するものである。ここでは、圧電振動板１の使用周波数域（例えば１００Ｈｚ）から共振，反共振のレスポンスがない高周波数域（例えば１ＭＨｚ）まで定格電圧をかけてスイープを行う。そして、高周波数域におけるインピーダンスを測定し、その測定値をコントローラ５０に送る。コントローラ５０は、予め正常な（クラックのない）圧電振動板１から求めた高周波数域におけるインピーダンス値あるいはその値に許容値を加えた基準値と、測定値とを比較し、クラックの有無を判定する。
さらに、コントローラ５０は、１回のスイープによる測定値の比較だけでなく、複数回（ここでは３回）のスイープを繰り返し、その高周波数域におけるインピーダンス値の変動の大きさからも、クラックの有無を判定している。

上記のように完成品状態の圧電音響部品Ａに対してスイープを実施すれば、圧電振動板単体では発見できない不良、すなわちケース２０への組み込みに伴う圧電振動板１のクラック発生をも発見することができる。例えば、圧電振動板１をケース２０に導電性接着剤２３で電気的に接続する際、導電性接着剤２３の硬化収縮応力により圧電振動板１にクラックが発生することがある。特に、表裏面に保護膜１０，１１（図１参照）を形成した圧電振動板１の場合、その切欠部１０ａ，１０ｂから露出する電極部分は何ら補強されていないので、切欠部１０ａ，１０ｂの周縁部でクラックが発生しやすい。このようなクラックを、完成品状態の圧電音響部品Ａに対してスイープを実施することで検出できる。

図６は上記検査装置を用いて実施する検査方法の一例のフローチャート図である。
まず検査がスタートすると、まず使用周波数域から共振，反共振のレスポンスがない高周波数域まで定格電圧をかけてスイープを実施する（ステップＳ１）。具体的には、１００Ｈｚ付近から１ＭＨｚ付近まで周波数掃引を行う。そして、高周波数域（１ＭＨｚ付近）におけるインピーダンスを測定する（ステップＳ２）。次に、測定したインピーダンス値を基準値と比較する（ステップＳ３）。この基準値としては、クラックのない正常な圧電振動板に対してスイープを実施した時のインピーダンス値を基準として決定される。もし、ステップＳ３で測定インピーダンス値が基準値より高いと判定された場合には、クラックが発生していると判定する（ステップＳ４）。一方、ステップＳ３でインピーダンス値が基準値より低いと判定された場合には、続いてスイープ回数がｎ回（例えば３回）以上実施されたかどうかを判定し（ステップＳ５）、ｎ回未満であれば、ステップＳ１〜Ｓ３を繰り返す。ｎ回以上であれば、次にステップＳ２で測定されたインピーダンス値のばらつきを検出する（ステップＳ６）。例えば、１回目〜ｎ回目の各インピーダンス値の最大値と最小値との差を求める。次に、インピーダンス値のばらつきを設定値と比較し（ステップＳ７）、もしばらつきが設定値以上であれば、クラックが発生していると判定し（ステップＳ４）、設定値未満であれば、クラックのない良品であると判定する（ステップＳ８）。
上記のように、１回のスイープによるインピーダンス値の比較だけでなく、複数回のスイープによるインピーダンス値のばらつきをも考慮してクラックの有無を判定した場合には、クラックがない良品と判定された製品は、信頼性の高い製品ということになる。

なお、図６では１回のスイープによるインピーダンス値の比較だけでなく、複数回のスイープによるインピーダンス値のばらつきをも考慮してクラック発生の有無を判定した例について説明したが、図６の破線で示す制御、つまり複数回のスイープによるクラック検出は、必要に応じて実施すればよい。つまり、測定インピーダンスと基準値とを比較するだけでクラック検出を行ってもよい。

図７はスイープによるインピーダンス値の分布図である。図７の（ａ）はクラックがない良品のインピーダンス分布を示し、（ｂ）はクラックが発生した製品のインピーダンス分布を示す。良品の検査個数は１００個、クラック発生品の検査個数は５３個であり、インピーダンス値は１ＭＨｚにおける値である。
図７から明らかなように、良品の場合にはインピーダンス値は１５Ω以下であるのに対し、クラック品は３０Ω以上である。したがって、この製品の場合には、良否を判定するインピーダンス基準値として２０〜２５Ω付近に設定するのがよい。

図８は３回のスイープによるインピーダンス値のばらつきを比較した図である。図８の（ａ）はクラックがない良品のインピーダンス変動の分布を示し、（ｂ）はクラックが発生した製品のインピーダンス変動の分布を示す。良品の検査個数は１００個、クラック発生品の検査個数は５３個であり、インピーダンス値は１ＭＨｚにおける値である。
図８から明らかなように、良品の場合にはインピーダンス値の変動幅は４Ω以下であるのに対し、クラック品の場合には８Ω以上であることがわかる。したがって、良否を判定するインピーダンス変動幅の基準値としては６Ω付近に設定するのがよい。

本発明が対象とする圧電振動板は、図１に示すように２層構造に限らず、中間層を持つ３層構造であってもよいし、４層以上であってもよい。
また、積層体の表裏面に保護膜を形成したが、この保護膜は必要に応じて省略してもよい。
さらに、圧電振動板を導電性接着剤を用いてケースの端子に接続した例を示したが、はんだやリード線を用いて接続することも可能である。
本発明の検査方法は、少なくとも圧電振動板の使用周波数域から共振，反共振のレスポンスがない高周波数域までスイープすることが必要であるが、上記実施例では使用周波数域（例えば数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ）より低い領域（例えば１００Ｈｚ）からスイープを開始している。その理由は、より広い周波数域で圧電振動板を振動させることにより、微小なクラックの成長を促し、検出感度を高めるためである。
本発明の検査方法は、上記実施例のように完成品状態の圧電音響部品Ａに対して実施する場合に限らず、圧電振動板１単体の状態で実施してもよいことは勿論である。

本発明にかかる圧電振動板の一例の斜視図である。 図１に示した圧電振動板を用いた圧電音響部品の一例の分解斜視図である。 圧電振動板の等価回路図である。 クラックのない圧電振動板とクラックのある圧電振動板のインピーダンスの周波数特性図である。 本発明にかかる検査装置の一例の概略構成図である。 検査装置を用いて実施する検査方法の一例のフローチャート図である。 良品とクラック品とのスイープによるインピーダンス値の分布図である。 良品とクラック品との複数回スイープによるインピーダンス値のばらつきを比較した図である。

符号の説明

Ａ 圧電音響部品
１ 圧電振動板
２，３ 圧電セラミックス層
４ 内部電極
５，６ 外部電極

Claims (3)

1. 複数の圧電セラミックス層を内部電極を間にして積層して積層体を形成し、この積層体の表裏主面に外部電極を設け、上記外部電極と内部電極との間に所定の周波数信号を印加することにより、上記積層体を屈曲振動させるようにした圧電振動板において、
   上記圧電振動板の使用周波数域から共振，反共振のレスポンスがない高周波数域まで定格電圧をかけて少なくとも１回スイープし、上記高周波数域におけるインピーダンスを測定し、上記測定したインピーダンス値によって圧電振動板のクラックを検出することを特徴とする圧電振動板の検査方法。
2. 上記スイープを複数回繰り返し、測定したインピーダンス値の変動の大きさによって圧電振動板のクラックを検出することを特徴とする請求項１に記載の圧電振動板の検査方法。
3. 上記表裏主面の外部電極は、抵抗率が３０μΩ・ｃｍ以上の金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動板の検査方法。

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