JP2002261341A - 圧電素子，それを利用した圧電駆動体及び電子機器 - Google Patents

圧電素子，それを利用した圧電駆動体及び電子機器

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康之 猪又
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分な駆動力を得ることができるとともに、
強度も十分で、薄型化，軽量化の要求にも応え得る量産
性に優れた圧電素子を提供する。 【解決手段】 圧電層１２Ａ〜１２Ｃの各層の厚みＷＬ
と、結晶粒１６の平均粒径ＷＰとの比ＷＬ／ＷＰが１〜
４，すなわち電極間に存在する結晶粒が１〜４個のとき
は、絶縁破壊不良率が非常に高い。これに対し、ＷＬ／
ＷＰが５以上，すなわち電極間に存在する結晶粒が５個
以上で絶縁破壊不良率が低下し、ＷＬ／ＷＰが６，すな
わち電極間に存在する結晶粒が６個以上のときは、絶縁
破壊不良率はほとんどゼロとなっている。このような条
件となるように圧電層を形成することで、低い駆動電圧
でも十分な駆動力を得ることができるとともに、強度も
十分で、薄型化，軽量化の要求にも応えることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子，それを
利用した圧電駆動体及び電子機器に関するものである。
【０００２】
【背景技術】圧電駆動体は、簡易な電気音響変換器やア
クチュエータとして広く利用されている。特に最近は、
携帯電話や携帯情報端末などへの応用が期待されてい
る。圧電駆動体は、基本的には、図４（Ａ）に断面を示
すようなユニモルフ構造と、同図（Ｂ）に断面を示すよ
うなバイモルフ構造がある。まず、ユニモルフ構造の圧
電駆動体は、圧電素子９００をシム板９１０に貼り合わ
せた構成となっている。圧電素子９００は、圧電性セラ
ミックス｛ジルコン酸チタン酸鉛（略してＰＺＴ），チ
タン酸バリウム，ジルコン酸鉛，チタン酸鉛などを主成
分とするセラミックス｝などによる圧電層９０２の表面
に電極９０４，９０６を形成した積層構造となってい
る。圧電層９０２に対しては、電極９０４，９０６を利
用して電圧を印加し、所定の分極が施される。一方、シ
ム板９１０は、金属などによって構成されている。圧電
素子９００は、例えば接着剤によってシム板９１０に接
合される。
【０００３】このようにして得られた圧電素子９００の
電極９０４と電極９０６（あるいはシム板９１０）との
間に、別言すれば圧電層９０２の表裏面に駆動信号が印
加される。なお、シム板９１０側は通常コモン端子に接
続されている。すると、圧電素子９００は、矢印ＦＡで
示す方向に伸縮する。ところが、シム板９１０があるた
めに全体が湾曲するようになり、結果として矢印ＦＢで
示す方向に駆動されるようになる。
【０００４】一方、図４（Ｂ）に示すバイモルフ構造の
圧電駆動体は、同図（Ａ）のシム板９１０の裏面側に圧
電素子９２０を設けた構造となっている。圧電素子９２
０は、圧電層９２２の表面に電極９２４，９２６を形成
した積層構造となっている。圧電層９２２に対しては、
電極９２４，９２６を利用して電圧を印加し、所定の分
極が施される。なお、電極９２６は、電極９０６と同電
位であり、アースされている。
【０００５】このバイモフル構造の場合、圧電素子９０
０と圧電素子９２０は、圧電層９０２，９２２の分極方
向が逆方向となっているため、矢印ＦＡ，ＦＣで示す伸
縮が互いに逆となる。すなわち、圧電素子９００が矢印
ＦＡ方向に伸びたときは圧電素子９２０が矢印ＦＣ方向
に縮み、逆に、圧電素子９００が矢印ＦＡ方向に縮んだ
ときは圧電素子９２０が矢印ＦＣ方向に伸びる。すなわ
ち、シム板９１０の一方の面が縮んだときは他方の面が
伸びる関係となり、全体として矢印ＦＢ方向に駆動され
るようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、携帯電話に
圧電駆動体をスピーカとして使用する場合などを考える
と、駆動電圧は低いほうが好都合である。駆動体の変位
の大きさは音の大きさに依存するため、駆動エネルギを
増大させればよいということになる。本発明に関してユ
ニモルフ，バイモルフなどの振動体の駆動エネルギに関
する式を導いたところ、圧電材料の圧電横効果定数をｄ
３１，横方向のコンプライアンスをＳ３１，圧電素子の
直径をＤ，印加電圧をＶとしたときの駆動エネルギＥ
は、数１式で表される。
【０００７】
【数１】
【０００８】よって、材料の変更を除外すると、直径Ｄ
を大きくすること、印加電圧Ｖを大きくすることで駆動
エネルギＥが増大し音も大きくなる。ここでｎ／ｔの項
目が今回の形状で新たに付加されたパラメータである。
ｔはセラミックスの厚み，ｎはその積層枚数を意味す
る。よってより薄いセラミックシートを積層することで
駆動エネルギＥが増大する。
【０００９】このような観点からは、圧電素子を積層構
造とするのが好ましく、圧電層の積層数が多いほど低い
駆動電圧で大きな駆動力を得ることができるが、あまり
厚いセラミックスのシートを多層化すると、全体の厚み
が増し、発音体の屈曲振動が自己の持つ剛性により抑制
される結果になる。従って、これらの点、かつ、電子機
器に対する薄型化，軽量化の観点も考慮しつつ、圧電層
の積層数を増大しようとすると、一つの圧電層の厚さを
薄くせざるを得ない。しかし、圧電層の１層当たりの厚
さをあまり薄くしてしまうと、今度は強度が低下し、十
分な強度を得ることができなくなってしまう。また、焼
成時に圧電素子の反りや割れなどが生ずるようになり、
量産性に劣るという不都合もある。
【００１０】本発明は、以上の点に着目したもので、十
分な駆動力を得ることができるとともに、強度も十分
で、薄型化，軽量化の要求にも応え得る量産性に優れた
圧電素子を得るとともに、それを利用した圧電駆動体及
び電子機器を提供することを、その目的とするものであ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、セラミックスによって形成された圧電層
と電極層を、交互に複数積層して同時焼成した圧電素子
における前記圧電層の厚みをＷＬ，前記セラミックスの
結晶の平均粒径をＷＰとしたとき、ＷＬ／ＷＰ≧５，好
ましくはＷＬ／ＷＰ≧６と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。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。図２（Ａ）には、本実施形態の圧電
駆動体の断面が示されている。同図に示すように、本実
施形態では、圧電素子が積層構造となっている。ユニモ
ルフ構造であって全体がディスク状の圧電駆動体は、圧
電素子１０をシム板２０に貼り合わせた構成となってい
る。圧電素子１０は、ＰＺＴなどによる圧電層１２Ａ〜
１２Ｃと、電極層１４Ａ〜１４Ｄを交互に積層した構造
となっている。これら圧電層１２Ａ〜１２Ｃと電極層１
４Ａ〜１４Ｄは、所定数の積層の後、全体が同時に焼成
され、その後接着剤によってシム板２０の略中央に接着
される。
【００１３】そして更に、圧電層１２Ａ〜１２Ｃに対し
ては、電極層１４Ａ〜１４Ｄ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。分極は、隣接する圧電
層間で互いに逆となる方向に施される。例えば、圧電層
１２Ａと圧電層１２Ｃが矢印Ｆ１方向に分極されるとす
ると、圧電層１２Ｂは矢印Ｆ１と逆の矢印Ｆ２方向に分
極されるという具合である。例えば、電極層１４Ａ，１
４Ｃはマイナス，電極層１４Ｂ，１４Ｄはプラスという
具合に電圧を印加すると、前記矢印Ｆ１及び矢印Ｆ２方
向に分極が行われる。一方、シム板２０は、金属などに
よって構成されている。圧電素子１０は、例えば接着剤
によってシム板２０に接合される。シム板２０の周囲
は、適宜の手段で固定支持される。
【００１４】次に、以上のような構成の圧電駆動体の基
本的な動作を説明する。音声信号などの駆動電圧は、例
えば電極層１４Ｂ，１４Ｄに印加され、電極層１４Ａ，
１４Ｃはアースされる。すると、圧電層１２Ａ〜１２Ｃ
は、電圧方向と分極方向が一致するため、矢印ＦＡ方向
に同時に伸縮する。ところが、シム板２０があるために
全体が湾曲するようになり、結果として矢印ＦＢで示す
方向に駆動されるようになる。この場合において、圧電
層の厚さを上述した背景技術と比較すると、本実施形態
のほうが薄く、かつ積層構造となっているため、低い駆
動電圧で駆動可能となる。
【００１５】ここで、圧電層１２Ａ〜１２Ｃの積層部分
を拡大すると、図１に示すようになる。同図に示すよう
に、圧電層１２Ａ〜１２Ｃは、ＰＺＴの結晶粒１６が積
み重なった構造となっている。ここで、圧電層１２Ａ〜
１２Ｃの厚みに対する結晶粒１６の粒径が大きく、電極
間に数個程度しか存在しないと、駆動電圧の印加に対す
る強度が低下してしまう。従って、電極間には、ある程
度の個数の結晶粒１６が存在することが好ましい。
【００１６】図３は、圧電層１２Ａ〜１２Ｃの各層の厚
みＷＬと、結晶粒１６の平均粒径ＷＰとの比（ＷＬ／Ｗ
Ｐ）と、絶縁破壊不良率（％）との関係を、圧電層１２
Ａ〜１２Ｃの厚さをパラメータとして示したものであ
る。なお、結晶粒１６の平均粒径ＷＰは、例えば、焼成
体を破断して破断面を研磨後、ケミカルもしくは熱的な
エッチングを施し、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）などで
観察した際に結晶粒が観察できる状況にする。その後、
直径法，インターセプト法などの手法（社団法人窯業協
会版「セラミックスのキャラクタリゼーション技術」昭
和６２年出版，発行者：大場立夫，Ｐ７参照）で得るこ
とができる。
【００１７】図３に示すように、ＷＬ／ＷＰが１〜４，
すなわち電極間に存在する結晶粒が１〜４個のときは、
絶縁破壊不良率が非常に高い。これに対し、ＷＬ／ＷＰ
が５以上，すなわち電極間に存在する結晶粒が５個以上
で、絶縁破壊不良率が低下し、ＷＬ／ＷＰが６，すなわ
ち電極間に存在する結晶粒が６個以上のときは、絶縁破
壊不良率はほとんどゼロとなっている。このような条件
で圧電層を積層することで、低い駆動電圧でも十分な駆
動力を得ることができるとともに、強度も十分で、薄型
化，軽量化の要求にも応えることができる。
【００１８】本発明には数多くの実施形態があり、以上
の開示に基づいて多様に改変することが可能である。 （１）前記実施形態に示した材料や形状・寸法は一例で
あり、同一の作用を奏するように適宜変更可能である。
【００１９】（２）前記実施形態は、本発明をユニモル
フ構造の圧電駆動体に適用したものであるが、バイモル
フ構造の圧電駆動体にも同様に適用可能である。図２
（Ｂ）には、バイモルフ型の圧電駆動体の一例が示され
ており、シム板２０の一方の面に圧電素子１０が設けら
れており、他方の面に圧電素子３０が設けられている。
圧電素子３０は、圧電層３２Ａ〜３２Ｃと電極層３４Ａ
〜３４Ｄを交互に積層した構造となっており、接着剤に
よってシム板２０に接合されている。圧電層３２Ａ〜３
２Ｃの分極方向は、圧電層１２Ａ〜１２Ｃと逆の方向と
なっている。
【００２０】一方、音声信号などの駆動電圧は、電極層
１４Ｂ，１４Ｄ，３４Ｂ，３４Ｄに印加され、他の電極
層１４Ａ，１４Ｃ，３４Ａ，３４Ｃはアースされてい
る。このため、圧電素子１０の矢印ＦＡ方向の伸縮と圧
電素子３０の矢印ＦＣ方向の伸縮は互いに逆方向とな
る。すなわち、圧電素子１０が矢印ＦＡ方向に伸びたと
きは圧電素子３０は矢印ＦＣ方向に縮む。逆に、圧電素
子１０が矢印ＦＡ方向に縮んだときは圧電素子３０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】（３）本発明の好適な応用例としては、携
帯電話，携帯情報端末（ＰＤＡ），ボイスレコーダ，Ｐ
Ｃ（パソコン）などの各種電子機器のスピーカがある。
他にアクチュエータなど、各種の用途に適用してよい。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
圧電素子を積層構造とするとともに、圧電層の厚みをＷ
Ｌ，圧電層を形成するセラミックスの結晶の平均粒径を
ＷＰとしたとき、ＷＬ／ＷＰ≧５となるようにしたの
で、圧電層の不良発生が低減されるようになり、低い駆
動電圧でも十分な駆動力を得ることができるとともに、
強度も十分で、薄型化，軽量化の要求にも応えることが
できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の主要部を示す拡大図であ
る。
【図２】本発明の実施形態にかかる圧電駆動体の積層構
造を示す主要断面図である。
【図３】前記実施形態における層間厚み／結晶粒径と絶
縁破壊不良率との関係を示すグラフである。
【図４】従来の圧電駆動体の構造を示す主要断面図であ
る。
【符号の説明】
１０…圧電素子 １２Ａ〜１２Ｃ…圧電層 １４Ａ〜１４Ｄ…電極層 １６…結晶粒 ２０…シム板 ３０…圧電素子 ３２Ａ〜３２Ｃ…圧電層 ３４Ａ〜３４Ｄ…電極層 ＷＬ…圧電層の厚み ＷＰ…結晶の平均粒径
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１Ｄ (72)発明者 岸 弘志 東京都台東区上野６丁目16番20号 太陽誘 電株式会社内 Ｆターム(参考） 5D004 AA01 AA09 BB01 CC03

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックスによって形成された圧電層
    と電極層を、交互に複数積層して同時焼成した圧電素子
    であって、 前記圧電層の厚みをＷＬ，前記セラミックスの結晶の平
    均粒径をＷＰとしたとき、ＷＬ／ＷＰ≧５としたことを
    特徴とする圧電素子。
  2. 【請求項２】 セラミックスによって形成された圧電層
    と電極層を、交互に複数積層して同時焼成した圧電素子
    であって、 前記圧電層の厚みをＷＬ，前記セラミックスの結晶の平
    均粒径をＷＰとしたとき、ＷＬ／ＷＰ≧６としたことを
    特徴とする圧電素子。
  3. 【請求項３】 前記セラミックスとしてＰＺＴを使用し
    たことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の圧電素
    子をシム板の少なくとも一方の面に貼り合せたことを特
    徴とする圧電駆動体。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の圧電駆動体を使用したこ
    とを特徴とする電子機器。
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