JP2010103987A - 振動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 落下時において積層型圧電素子の支持板からの剥離を抑制することができる振動体を提供する。
【解決手段】 積層体１７の一対の側面が焼き肌面であるとともに、積層体１７の支持板１４側の主面と支持板１４とを底面側接着剤層１５ａで接合するとともに、内部電極層１２の引出方向側における外部電極１３ｂの露出面と支持板１４とを側面側接着剤層１５ｂで接合してなり、側面側接着剤層１５ｂの支持板１４からの高さｈが、積層体１７の支持板１４側の主面の支持板からの高さｈ_１以上である。これにより、落下試験で着地する瞬間に発生する、積層型圧電素子１０、１６と支持板１４との間の引張応力に耐えることができ、振動体の落下時における積層型圧電素子１０、１６の支持板１４からの剥離を抑制することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動体に関し、特に、コンピュータ、携帯電話機または小型端末機器用の平面スピーカ装置に用いられるバイモルフ型またはユニモルフ型の積層型圧電素子を用いた振動体に関するものである。

従来の積層型圧電素子は、圧電体層と内部電極層とを交互に積層してなり、圧電体層の積層方向に形成された長方形状の一対の主面と内部電極層が長手方向に交互に引き出された一対の側面とを有する板状の積層体と、この積層体の長手方向の両端部に設けられた外部電極とを具備している。

従来の振動体は、図６に示すように、上記のような積層型圧電素子の一方の主面を支持板に接着剤を用いて接合することにより、バイモルフ型およびユニモルフ型の振動体を作製していた（例えば、特許文献１参照）。

従来の振動体は、図６（ａ）に示すように、積層型圧電素子３０、３６を支持板３４の上下面に底面側接着剤層３５だけで接合して構成されている。

すなわち、積層型圧電素子３０、３６は、７層の圧電体３１と６層の内部電極層３２とを交互に積層してなり、上下の主面に表面電極層３３ａを有する積層体と、この積層体の長手方向の両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極３３ｂとを具備している。積層体は板状であり、上下の主面が長方形状とされ、積層体の長手方向には、内部電極層３２が交互に引き出された一対の側面を有し、この一対の側面にはそれぞれ外部電極３３ｂが設けられている。

６層の内部電極層３２と２層の表面電極層３３ａは交互に電極層とされており、一対の外部電極３３ｂには、積層体の側面において３層ずつの内部電極層３２および１層ずつの表面電極層３３ａが電気的に接続されている。

通常、支持板３４に接着剤を塗布し、この接着剤層に積層型圧電素子３０、３６を押し当て、接合されるが、図６（ｂ）に示すように、接着剤層を広く形成し、この接着剤層に積層型圧電素子３０、３６を押し当てて接合したとしても、側面側接着剤層３９の支持板３４からの高さｈは、支持板３４から積層体の支持板３４側の主面までの高さよりも低い。

また、従来、支持板に凹凸を形成し、積層型圧電素子と支持板との接着剤による接合面積を増加させた振動体や、支持板に貫通孔を形成し、接着剤を貫通孔内にも充填し、積層型圧電素子と支持板との接合強度を向上させた振動体が知られている（特許文献２参照）。

特開２００７−３２９４３１号公報 特開平８−２９３６３１号公報

特許文献１の振動体では、積層体の一方の主面が支持板３４に底面側接着剤層３５だけで接合されており、このような振動体では、振動体の落下時に積層型圧電素子３０、３６の支持板３４からの剥離が発生し易いという問題があった。

すなわち、振動体は小型端末機器等に用いられており、ユーザーが誤って落とした場合であっても、破壊されないような十分な強度を有することが必要であるが、振動体が床等に落下した場合には、振動体が着地した瞬間に、支持板３４の下面に位置する積層型圧電素子３０、３６に、積層型圧電素子３０、３６の重量に応じた重力方向の強い力が作用し、この力が底面側接着剤層３５による接合力を超えると、積層型圧電素子３０、３６の支持板３４からの剥離が発生し易いという問題があった。

また、特許文献２では、支持板に凹凸または貫通孔を形成し、積層体の一方の主面だけ、接着剤で凹凸や貫通孔を介して支持板に接合しており、引張試験による接合強度は向上するものの、振動体の落下等の衝撃により、支持板から積層型圧電素子が未だ剥離し易いという問題があった。

本発明は、落下時において積層型圧電素子の支持板からの剥離を抑制することができる振動体を提供することを目的とする。

本発明の振動体は、セラミックスからなる圧電体層と内部電極層とを交互に積層してなり、上下面に形成された一対の長方形状の主面と該主面の長手方向の両端側に設けられた一対の側面とを有する板状の積層体と、該積層体の前記一対の側面にそれぞれ設けられ前記内部電極層と交互に電気的に接続された一対の外部電極とを具備する積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の前記主面が接合された支持板とを具備する振動体であって、前記積層体の前記一対の側面が焼き肌面であるとともに、前記積層体の前記支持板側の主面と前記支持板とを底面側接着剤層で接合し、前記外部電極の露出面と前記支持板とを側面側接着剤層で接合してなり、該側面側接着剤層の前記支持板からの高さが、前記支持板から前記積層体の前記支持板側の主面までの高さ以上であることを特徴とする。

底面側接着剤層だけで積層型圧電素子を支持板に接合すると、落下試験で、着地した瞬間に、支持板の落下方向に位置する積層型圧電素子に、積層型圧電素子の重量に応じた重力方向の強い力が作用し、この力が底面側接着剤層による接合力を超えると、積層型圧電素子の支持板からの剥離が発生し易いが、本発明の振動体では、底面側接着剤層だけでなく、支持板からの高さが支持板から積層体の支持板側の主面までの高さ以上である側面側接着剤層によっても積層型圧電素子を支持板に接合することにより、言い換えれば、支持板からの高さが積層体の主面の高さ以上である側面側接着剤層により、積層型圧電素子の外部電極が支持板に強固に接合され、落下試験時の着地する瞬間に発生する、積層型圧電素子と支持板との間の引張応力に耐えることができ、振動体の落下時における積層型圧電素子の支持板からの剥離を抑制することができる。

また、側面側接着剤層の支持板からの高さが高い場合には、積層型圧電素子が支持板に強固に接合され、落下試験における積層型圧電素子の支持板からの剥離を有効に抑制できるが、側面側接着剤層を構成する有機系接着剤の熱膨張係数が大きいため、積層体の側面と外部電極との間に主面の長手方向の引張応力が発生し、この間で剥離しやすくなる。本発明では、積層体の側面が焼き肌面であり、積層体の側面を平坦にする等の何ら加工も施していないため、積層体の側面は圧電体層を構成するセラミック粒子による形状が反映され、すなわち、セラミック粒子により凹凸が形成されており、このセラミック粒子による凹凸が形成された側面に外部電極ペーストを塗布して外部電極が形成されることになり、外部電極の積層体の側面への接合強度を向上することができる。従って、側面側接着剤層の支持板からの高さを高くして、積層型圧電素子の外部電極を支持板に強固に接合できるとともに、側面側接着剤層の支持板からの高さを高くしても、外部電極が積層体の側面から剥離することを抑制できる。

また、本発明の振動体は、前記積層体の前記側面から前記内部電極層の先端が凹んでおり、前記積層体の前記側面から凹んだ内部電極層先端には、前記積層体の前記側面に設けられた前記外部電極が接合されていることを特徴とする。このような振動体では、積層体の側面から凹んだ部分に外部電極の電極材料が入り込み、内部電極層の先端と接合するため、外部電極の積層体側面への接合強度をさらに向上することができる。

また、本発明の振動体は、前記支持板が金属または合金からなり、前記側面側接着剤層の上面に、前記外部電極と前記支持板とを導通するための導体層が形成されていることを特徴とする。側面側接着剤層の上面に導体層を形成する場合には、側面側接着剤層の接着剤および導体層の金属の熱膨張係数が積層型圧電素子の圧電体層の熱膨張係数よりも大きいため、積層体の側面と外部電極層との間により大きな引張応力がかかるが、本発明では、上記したように、積層体の側面が焼き肌面であり、積層体の側面にセラミック粒子により凹凸が形成されており、このセラミック粒子による凹凸が形成された側面に外部電極が形成され、外部電極の積層体の側面への接合強度を向上することができ、外部電極が積層体の側面から剥離することを抑制できる。

また、本発明の振動体は、前記積層型圧電素子における圧電体層の積層数が７層以上であることを特徴とする。積層型圧電素子を高変位および低電圧駆動させるために、圧電体層の積層数を増やすことが考えられるが、圧電体層の積層数を７層以上と増加させると積層型圧電素子の重量が重くなり、落下試験において、支持板と積層型圧電素子との間が剥離し易くなるため、本発明を特に好適に用いることができる。

また、本発明の振動体は、前記内部電極層の金属成分が銀、もしくは銀とパラジウムからなり、前記内部電極層がパラジウムを含有する場合には、金属成分中のパラジウムの含有比率が５質量％以下であることを特徴とする。このような振動体では、積層型圧電素子における内部電極層の金属成分を銀または銀とパラジウムから構成し、金属成分中のパラジウム含有比率を５質量％以下とすることにより、積層体の焼成温度を低下させることができ、また高価なパラジウム使用量を少なくすることができ、安価な振動体を得ることができる。

本発明の振動体では、底面側接着剤層だけでなく、支持板からの高さが支持板から積層体の支持板側の主面までの高さ以上である側面側接着剤層によっても積層型圧電素子を支持板に接合することにより、積層型圧電素子の外部電極が支持板に強固に接合され、落下試験時の着地する瞬間に発生する、積層型圧電素子と支持板との間の引張応力に耐えることができ、振動体の落下時における積層型圧電素子の支持板からの剥離を抑制することができる。

また、積層体の側面が焼き肌面であり、積層体の側面を平坦にする等の何ら加工も施していないため、積層体の側面は圧電体層を構成するセラミック粒子による形状が反映され、積層体の側面にセラミック粒子により凹凸が形成されており、このセラミック粒子による凹凸が形成された側面に外部電極が形成されることになり、外部電極の積層体の側面への接合強度を向上することができる。従って、側面側接着剤層の支持板からの高さを高くして、積層型圧電素子の外部電極を支持板に強固に接合できるとともに、側面側接着剤層の支持板からの高さを高くしても、外部電極が積層体の側面から剥離することを抑制できる。

本発明のバイモルフ型の振動体の断面図である。 本発明のバイモルフ型の振動体の平面図である。 積層体の側面部を拡大して示す断面図で、（ａ）は本発明品、（ｂ）は従来品を示す。 側面側接着剤層の表面に導体層を有する本発明の振動体の断面図である。 本発明の振動体に用いる積層型圧電体素子の製造方法の一例を示す説明図である。 従来のバイモルフ型の振動体を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は接着剤層を広く形成し、この接着剤層に積層型圧電素子を押し当てて接合した場合の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図１、図２に基づいて説明する。図１は本発明のバイモルフ型の振動体の断面図を、図２は平面図を示す。なお、図２では、理解しやすいように、図１と同一部材には同一の斜線等を記載した。

本発明のバイモルフ型の振動体は、図１、２に示すように、積層型圧電素子１０、１６を支持板１４の上下面に接着剤により接合して構成されている。尚、本発明は、バイモルフ型の積層型圧電素子に限定されるものではなく、支持板の片側に積層型圧電素子が接合されたユニモルフ型であっても本発明の効果は得られる。

積層型圧電素子１０、１６は、７層のセラミックスからなる圧電体層１１と６層の内部電極層１２とを交互に積層してなり、上下面に表面電極層１３ａを有する積層体１７と、この積層体１７の長手方向ｘの両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極１３ｂとを具備している。尚、図１は理解を容易にするため、積層型圧電素子１０、１６の厚みを拡大して記載した。また、積層体１７は、表面電極層１３ａを有しない場合もある。

積層体１７は板状であり、上下の主面が長方形状とされ、積層体１７の主面の長手方向ｘの両端側には、一対の側面を有している。積層体１７の長方形状の主面は、幅が５ｍｍ以下で、長さが１０ｍｍ以上であることが望ましい。このような積層型圧電素子では、特に、主面の長手方向ｘの変位が大きくなり、積層体１７の側面と外部電極１３ｂとの間に主面の長手方向ｘの引張応力が発生し易くなるため、本発明を好適に用いることができる。積層体１７の長方形状の主面は、特に幅が５ｍｍ以下で、長さが１７ｍｍ以上の場合に、本発明を好適に用いることができる。

積層体１７の主面の長さが長くなればなるほど、言い換えれば、積層体１７の長さが長くなればなるほど、内部電極層１２の主面の長手方向ｘの収縮量が大きくなり、積層体１７の側面から内部電極層１２の先端の凹み量が大きくなるため、通常は、焼成した後、カットして内部電極層１２を積層体１７の側面に露出させることが行われているが、本発明では、後述するように、焼成後にカットすることなく、積層体１７の側面が焼き肌面とされていることが特徴である。

また、積層体１７の圧電体層１１の積層数が７層以上である場合には、積層型圧電素子１０、１６の重量が重くなるため、落下試験において、支持板１４と積層型圧電素子１０、１６との間が剥離しやすくなるため、本発明をより好適に用いることができる。圧電体層１１の積層数は、大型化を防止するという点から、３０層以下であることが望ましい。

内部電極層１２は、金属成分が銀、もしくは銀とパラジウムからなり、内部電極層１２がパラジウムを含有する場合には、金属成分中のパラジウムの含有比率が５質量％以下であることが望ましい。内部電極層１２は、金属成分が銀からなる場合がある。内部電極層１２中には、圧電体層１１を構成する材料成分を含有する場合がある。内部電極層１２に圧電体層１１を構成する材料成分を含有することにより、圧電体層１１と内部電極層１２の熱膨張差による応力を低減することができ、積層不良のない積層型圧電素子１０、１６を得ることができる。セラミック成分として、圧電体層１１を構成する材料成分に限定されるものではなく、他のセラミック成分であっても良い。

内部電極層１２は、金属成分として銀を主成分とし、金属成分中のパラジウムの含有比率が５質量％以下の場合には、内部電極層１２の過焼結を抑制するため、積層体の焼成温度は９２０〜９６０℃程度であり、この温度で圧電体層１１が十分に焼結する必要がある。このような低温で焼結できる圧電体層１１については、後述する。

なお、本発明は、内部電極層１２が、金属成分として銀を主成分とし、金属成分中のパラジウムの含有比率が５質量％よりも多いものについて適用できることは勿論である。

内部電極層の金属成分として、銀を主成分とし、金属成分中のパラジウム含有比率を５質量％以下とすることにより、積層体の焼成温度を低下させることができ、また高価なパラジウム使用量を少なくすることができ、安価な振動体を得ることができる。また、内部電極層のヤング率を低減させることができ、柔軟な積層型圧電素子とすることにより、積層型圧電素子の変位量を大きくすることができ、また、落下試験などでも破壊しにくくすることができる。

また、積層体１７における内部電極層１２は圧電体層１１の外周縁よりも内側に形成されている。すなわち、内部電極層１２は、積層体１７の側面に露出しないように、圧電体層１１の外周縁から余白部分を設けて形成されている。ただし、後述する外部電極１３ｂとの接続部においては内部電極層１２と電気的に接続する必要があるため積層体１７の側面まで引き出されているが、この側面に露出した部分は外部電極１３ｂにより覆われている。内部電極層１２と積層体１７の側面までの余白部分の幅は１００μｍ以上とすることが望ましい。このようにすることにより、銀、またはパラジウム含有比率が５質量％以下の銀とパラジウムからなる内部電極層１２の大気中の水分や硫黄成分による腐食を防止することができ、ひいては積層型圧電素子１０、１６における内部電極層１２間のイオンマイグレーションを抑制し、絶縁信頼性の高い積層型圧電素子１０、１６を得ることができる。

表面電極層１３ａと外部電極１３ｂは、銀からなる金属成分にガラス成分を含有することが望ましい。ガラス成分を含有することにより、圧電体層１１や内部電極層１２と、表面電極層１３ａまたは外部電極１３ｂとの間に強固な密着力を得ることができる。

積層体１７の長手方向ｘの両端部には、積層体１７の側面から上下の主面の長手方向ｘ端部まで被覆する外部電極１３ｂがそれぞれ設けられている。積層型圧電素子１０、１６は、６層の内部電極層１２と２層の表面電極層１３ａが電極層とされており、一対の外部電極１３ｂには、積層体１７の対向する側面において３層ずつの内部電極層１２および１層ずつの表面電極層１３ａが交互に電気的に接続されている。

そして、本発明の振動体は、積層体１７の支持板１４側の主面と支持板１４とが底面側接着剤層１５ａで接合され、かつ外部電極１３ｂの露出面の一部と支持板１４とが側面側接着剤層１５ｂで接合されている。言い換えれば、側面側接着剤層１５ｂは、外部電極１３ｂの露出面の一部に付着し、裾が広がるようにして支持板１４の表面にも付着している。この側面側接着剤層１５ｂは、支持板１４からの高さｈが積層体１７の支持板１４側の主面の高さｈ_１以上とされている。

本発明では、底面側接着剤層１５ａだけでなく、支持板１４からの高さｈが、支持板１４から積層体１７の支持板１４側の主面までの高さｈ_１以上の側面側接着剤層１５ｂにより、落下試験の着地時に発生する、積層型圧電素子１０、１６と支持板１４との間に発生する引張応力に対して、外部電極１３ｂの露出面と側面側接着剤層１５ｂとの間に発生する剪断応力が対抗して耐えることができ、積層型圧電素子１０、１６の支持板１４からの剥離を抑制することができる。

なお、側面側接着剤層１５ｂの支持板１４からの高さｈが、支持板１４から積層体１７の支持板１４側の主面までの高さｈ_１であっても、図１に示すように、外部電極１３ｂは積層体１７の支持板１４側の主面よりも支持板側に突出するため、外部電極１３ｂの側面に側面側接着剤層１５ｂが接合することになり、積層型圧電素子１０、１６の支持板１４からの剥離を抑制することができる。

一方、側面側接着剤層１５ｂの高さｈが積層体１７の主面の支持板１４からの高さｈ_１よりも低い場合には、落下試験の着地時に発生する、積層型圧電素子１０、１６と支持板１４との間の引張応力に耐えきれず、積層型圧電素子１０、１６の支持板１４からの剥離を抑制する効果が殆どない。特に側面側接着剤層１５ｂの支持板１４からの高さｈは、積層体１７の支持板１４側の主面の支持板１４からの高さｈ_１よりも高く、特に支持板１４から１０μｍ以上の高さで、支持板１４から積層体１７の厚みｔの１／２以下の高さであることが望ましい。

側面側接着剤層１５ｂは、底面側接着剤層１５ａと連続しており、本発明では、外部電極１３ｂの支持板１４側に突出した部分間の接着剤層を底面側接着剤層１５ａとし、それよりも外側に位置する接着剤層を側面側接着剤層１５ｂと定義した。

また、積層型圧電素子１０、１６と支持板１４との間の底面側接着剤層１５ａの厚みは特に言及しないが、底面側接着剤層１５ａの厚みが１μｍ以上である場合には、接着剤の熱膨張係数が大きいため、特に、積層体１７と外部電極１３ｂとの間に長手方向ｘの引張応力が発生し易いため、本発明をより好適に用いることができる。底面側接着剤層１５ａの厚みは、熱膨張係数の差による応力発生の観点から５μｍ以下であることが望ましい。

底面側接着剤層１５ａ、側面側接着剤層１５ｂを形成するための有機系接着剤としては、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ポリエステル系樹脂等公知のものを使用することができる。接着剤に使用する樹脂の硬化方法としては、熱硬化性、光硬化性、嫌気性硬化等いずれを用いても振動体を作製することができる。

そして、本発明では、積層体１７の一対の側面が焼き肌面とされている。従って、積層体１７の主面の長手方向ｘの側面は圧電体層１１を構成するセラミック粒子による形状が反映され、図３（ａ）に示すように、セラミック粒子により凹凸が形成されており、また、内部電極層１２の焼成収縮により、積層体１７の側面には開口部が形成されており、セラミック粒子による凹凸が形成され、かつ内部電極層１２の焼成収縮による開口部を有する側面に、外部電極ペーストを塗布して外部電極１３ｂを形成することにより、セラミック粒子による凹凸に外部電極材料が噛み込み、また開口部に外部電極材料が入り込み、この状態で焼き付き、積層体１７の側面への外部電極１３ｂの接合強度を向上することができる。

従って、側面側接着剤層１５ｂの支持板１４からの高さｈを高くして、積層型圧電素子１０、１６の外部電極１３ｂを支持板１４に強固に接合できるとともに、側面側接着剤層１５ｂの支持板１４からの高さｈを高くしても、外部電極１３ｂが積層体１７の側面から剥離することを抑制できる。

すなわち、積層型圧電素子１０、１６、支持板１４および側面側接着剤層１５ｂの熱膨張係数の違いにより、温度サイクルや高温高湿放置試験等の信頼性試験において、積層体１７の側面と外部電極１３ｂとの間に主面の長手方向ｘの引張応力が発生し、この引張応力は、側面側接着剤層１５ｂの支持板１４からの高さｈが大きくなればなるほど、特に、支持板１４からの高さｈが積層体１７の厚みｔの１／２を超える高さの場合に前記引張応力が大きくなるが、本発明では、積層体１７の一対の側面を焼き肌面とし、この側面に外部電極１３ｂを形成したので、側面側接着剤層１５ｂの支持板１４からの高さｈを高くしても、外部電極１３ｂが積層体１７の側面から剥離することを抑制できる。尚、図３（ｂ）には、従来の積層体の側面部を示した。

また、焼結後、積層体１７の側面を平坦にする等の加工をしないため、加工費用を削減でき、作製コストを削減できる。

ここで、焼き肌面とは、焼結後、ダイシングやバレルなどの積層体１７の側面を平坦にする等の加工をせず、焼結後そのままの磁器表面を有することをいう。

また、積層型圧電素子１０、１６の幅方向の側面も焼き肌面とされており、図２に示したように、幅方向の側面にも幅方向側面側接着剤層１８が形成され、この幅方向側面側接着剤層１８の支持板１４からの高さも、積層体１７の支持板１４側の主面の支持板１４からの高さｈ_１以上とされている。これにより、積層型圧電素子１０、１６の幅方向の側面も支持板１４に強固に接合されている。

本発明の振動体は、積層型圧電素子１０、１６は、外部電極１３ｂを絶縁性の支持板１４に形成された電極パターン、または導電性の支持板１４そのものに導通せしめ、外部電極１３ｂ間に電圧を印加し、駆動することになる。また、積層型圧電素子１０と積層型圧電素子１６とは、それぞれ同一方向側に変位するように、電圧が印加される。これにより、図１、２に示したようなバイモルフ型の振動体は、大きく振動することになる。

尚、図４に示すように、支持板１４が金属または合金からなり、側面側接着剤層１５ｂの上面に、外部電極１３ｂと支持板１４とを導通するための導体層５５が形成されている場合には、側面側接着剤層１５ｂの接着剤および導体層５５の金属の熱膨張係数が積層型圧電素子１０、１６の熱膨張係数よりも大きいため、積層体１７の側面と外部電極層１３ｂとの間により大きな引張応力がかかるため、本発明をより好適に用いることができる。

次に、本発明の振動体の製造方法を図５に基づき説明する。まず、圧電材料の粉末にバインダー、分散剤、可塑剤、溶剤を混練し、スラリーを作製する。圧電材料としては、鉛系、非鉛系のうちいずれでも使用することができる。

次に、得られたスラリーをシート状に成形し、グリーンシート２１を得ることができ、このグリーンシート２１に内部電極ペーストを印刷して内部電極パターン２２を形成する。内部電極パターン２２の印刷に際しては、前述したように、焼成後の積層型圧電素子１０、１６において余白部分Ｌが１００μｍ以上となるように印刷することが望ましい。次に、図５（a）に示すように、内部電極パターンが形成されたグリーンシート２１を所望の枚数積層し、最上層にはグリーンシートのみ積層して、積層成形体を作製する。この積層成形体を所望の形状に切断し、図５（ｂ）に示すように個片状の素子用積層成形体２４を作製する。切断する際は、内部電極パターンが素子用積層成形体２４の側面に、交互に露出するように切断する。

次に、この素子用積層成形体２４を脱脂、焼成することにより積層体１７を得ることができる。焼成後、積層体１７の外部電極１３ｂが形成される側面２５は、何ら加工されないため、圧電体層１１の側面は、圧電体層１１を構成するセラミック粒子により凹凸が形成されている。また、内部電極層１２は圧電体層１１に比べ焼結収縮が大きいため、外部電極１３ｂと接続されるはずの内部電極層１２の先端は、積層体１７の側面２５から少々凹んで存在しており、言い換えると、積層体１７の側面２５には、内部電極層１２の収縮による開口部が形成されている。

この後、積層体１７の圧電体層１１の積層方向の両主面に表面電極ペーストを印刷し、表面電極パターン２６ａを形成し、引き続き、積層体１７の長手方向ｘの両側面に外部電極ペーストを印刷し、外部電極パターン２６ｂを形成する。このとき外部電極ペーストは、積層型圧電素子２４の側面２５に引き出された内部電極層１２の端面すべて覆うように印刷することが望ましい。所定の温度で電極の焼付けを行うことにより積層型圧電素子１０、１６を得ることができる。表面電極パターン２６ａおよび外部電極パターン２６ｂを焼き付けることにより、上記積層体１７の側面に形成された開口部には外部電極１３ｂのペーストが入り込み、内部電極層１２に外部電極１３ｂが接続されることになる。尚、積層体１７の長さが長く、内部電極層１２の焼成収縮量が大きく、開口部が長い場合には、真空引きすることにより、開口部に外部電極ペーストを入り易くし、内部電極層１２と外部電極１３ｂとの接続を確実に行うことができる。

また、本発明の振動体では、積層体１７の表面電極層１３ａと外部電極１３ｂとを積層体１７の角部で接続するが、積層体１７の側面および表面はセラミック粒子による凹凸が形成されているため、表面電極層１３ａと外部電極１３ｂとの接続を確実に行うことができる。

次に、積層型圧電素子１０、１６に圧電性を付与するために表面電極層１３ａまたは外部電極１３ｂを通じて直流電圧を印加して、積層型圧電素子１０、１６の分極を行う。

次に、支持板１４に接着剤を塗布して、その支持板１４上に積層型圧電素子１０、１６を押し当て、その後、側面側接着剤層１５ｂの高さｈを高くするため、外部電極１３ｂの露出面の側面側接着剤層１５ｂに接着剤を筆等で重ね塗りし、側面側接着剤層１５ｂの高さｈを高くし、この後、接着剤を熱や紫外線を照射することにより硬化させ、本発明の振動体を得ることができる。

９２０〜９６０℃程度の低温で焼結できる圧電体層１１については説明する。圧電体層１１は、ＳｂおよびＮｂのうち少なくとも一種と、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、ＺｎおよびＢｉとを含有するもので、金属成分としてＳｂおよびＮｂのうち少なくとも一種と、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｂｉとを含む複合ペロブスカイト型化合物であって、これらの金属元素のモル比による組成式をＰｂ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙＢｉ_ｚ（Ｚｎ_１／３α_２／３）_ａＺｒ_ｂＴｉ_{１−ａ−ｂ}Ｏ_３と表した時に、ｘ、ｙ、ｚ、ａ、ｂが、０≦ｘ≦０．１４、０≦ｙ≦０．１４、０＜ｚ≦０．０１５、０．０４≦ｘ＋ｙ、０．０１≦ａ≦０．１２、０．４３≦ｂ≦０．５８を満足するものが望ましい。αはＳｂおよびＮｂのうち少なくとも一種である。

ここで、ｘ、ｙ、ｚ、ａ、ｂを上記の範囲に設定した理由について説明する。ＰｂのＳｒによる置換量ｘを０≦ｘ≦０．１４としたのは、Ｐｂの一部をＳｒで置換することによりキュリー温度を高く維持できるからである。また、ＰｂのＢａによる置換量ｙを０≦ｙ≦０．１４としたのは、Ｐｂの一部をＢａで置換することによりキュリー温度を高く維持でき、高い圧電歪定数ｄ_３３を得ることができるからである。

さらに、ＰｂのＢｉによる置換量ｚを０＜ｚ≦０．０１５としたのは、この範囲内ならば、焼成時にＢｉ_２Ｏ_３が液相を形成し、ＰＺＴ系結晶の結晶粒子を濡らし、焼結性を向上できるとともに、焼結後は、ＰＺＴ系結晶内にＢｉ_２Ｏ_３が固溶し、圧電特性を向上できるためである。

また、Ｔｉの（Ｚｎ_１／３α_２／３）による置換量ａを０．０１≦ａ≦０．１２としたのは、大きな圧電歪定数ｄ_３３および圧電出力定数ｇ_３３が得られ、キュリー温度を高く維持し、誘電損失を小さく維持できるからである。この圧電磁器を振動体として用いる場合には、０．０５≦ａ≦０．１２とすることにより大きな圧電歪定数を得ることができる。

ＰＺＴを主成分とした圧電磁器は、ＰｂＺｒＯ_３とＰｂＴｉＯ_３の固溶比率を変化させると圧電歪定数の極大値を示すＭＰＢ（組成相境界）が存在する。振動体の圧電体層１１としては、このＭＰＢおよびその近傍の組成値を用いることになる。このＭＰＢはｘ、ａの量により変化するため、ｂの値はｘ、ａの組成範囲内でＭＰＢを捉えうる組成範囲とした。

圧電磁器の密度は７．７ｇ／ｃｍ^３以上、特には、７．８ｇ／ｃｍ^３以上が望ましい。なお、積層体の嵩密度を圧電磁器の密度とした。

圧電磁器は以下のようにして作製することができる。先ず、ＳｂおよびＮｂのうち少なくとも一種と、Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎとを含有し、かつＣｕｋα線を用いたＸ線回折測定においてチタン酸ジルコン酸鉛系結晶の（１０１）のピーク（２θ≒３０°）のピーク強度をＩ_１とし、（１１１）のピーク（２θ≒３８°）のピーク強度をＩ_２とした時、Ｉ_２／Ｉ_１が０．１３０〜０．１６０となる仮焼粉末を作製する。

具体的には、例えば、原料としてＰｂＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３、ＺｎＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５の各粉末を秤量混合し、次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、８５０〜９５０℃で１〜３時間仮焼する。仮焼後において、Ｉ_２／Ｉ_１が０．１３０〜０．１６０となるようにした。再びボールミル等で粉砕し、例えば、平均粒径Ｄ_５０が０．５〜０．７μｍの範囲になるようにする。

Ｉ_２／Ｉ_１を０．１３０〜０．１６０としたのは、Ｉ_２／Ｉ_１が０．１３０〜０．１６０の範囲内ならば、Ｂｉ_２Ｏ_３添加により焼結性が向上し、チタン酸ジルコン酸鉛系結晶の合成が進行するとともに、Ｂｉ_２Ｏ_３が焼結に伴う粒成長と同時にチタン酸ジルコン酸鉛系結晶に取り込まれ、９２０〜９６０℃の焼結温度範囲においては液相成分が残存せずに焼結するためである。一方、Ｉ_２／Ｉ_１が０．１３０よりも小さい場合には、チタン酸ジルコン酸鉛系結晶の合成が不十分であり、Ｂｉ_２Ｏ_３粉末を添加し焼成したとしても、焼結性を向上できないからである。また、Ｉ_２／Ｉ_１が０．１６０よりも大きい場合には、チタン酸ジルコン酸鉛系結晶の合成が進みすぎ、Ｂｉ_２Ｏ_３粉末を添加し焼成したとしても、結晶内に固溶し難くなるからである。

ここで、チタン酸ジルコン酸鉛系結晶の合成程度を表す指標として、チタン酸ジルコン酸鉛系結晶の（１０１）のピーク（２θ≒３０°）のピーク強度Ｉ_１、（１１１）のピーク（２θ≒３８°）のピーク強度Ｉ_２を用いたのは、他のピークは、仮焼温度により結晶相が変化するに伴い、ピーク位置やパターン形状が変化するからであり、（１０１）のピーク（２θ≒３０°）と、（１１１）のピーク（２θ≒３８°）は、そのようなことがなく、合成度を表すには最適と考えられたからである。

この後、仮焼粉末に対して、例えばＤ_５０が０．５〜０．７μｍのＢｉ_２Ｏ_３粉末、バインダを添加し混合した後、ドクターブレード法でグリーンシートを作製する。Ｂｉ_２Ｏ_３粉末の添加量は、ＡＢＯ_３の化学式で書き表されるチタン酸ジルコン酸鉛系結晶のＡサイトＰｂ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙＢｉ_ｚの組成表記で表したときのＢｉのモル数が０．０１５モルに相当する量以下のＢｉ_２Ｏ_３を添加することが望ましい。

一方、金属成分としてＡｇ主成分とし、金属成分中のＰｄの含有比率が５質量％以下である内部電極ペーストを作製する。内部電極ペースト中には、共材としてセラミック粒子を混合する場合がある。

この内部電極ペーストをグリーンシートに塗布して内部電極パターンを形成する。

この内部電極パターンが形成されたグリーンシートを複数積層し、最後に内部電極パターンが形成されていないグリーンシートを積層して積層成形体を作製し、この積層成形体を、大気中で９２０〜９６０℃で焼成する。これにより、圧電磁器中のチタン酸ジルコン酸鉛系結晶内にＢｉ_２Ｏ_３が固溶する。

このような圧電材料では、９２０〜９６０℃の低温で焼成したとしても、Ｂｉ_２Ｏ_３が液相を形成し、チタン酸ジルコン酸鉛系結晶の結晶粒子を濡らし、焼結性を向上できるとともに、焼結後には、チタン酸ジルコン酸鉛系結晶内にＢｉ_２Ｏ_３がほぼ完全に固溶するため、圧電磁器がチタン酸ジルコン酸鉛系結晶の結晶粒子からなるとともに、チタン酸ジルコン酸鉛系結晶の結晶粒子の粒界には、非晶質相およびチタン酸ジルコン酸鉛系結晶以外の結晶相が実質的に存在せず、圧電特性を向上できる。

従来、低温焼成するため、液相を形成するＬｉやＢ等を添加しており、低温焼成はできるものの、ＰＺＴ系結晶の結晶粒子の粒界には、非晶質相やＰＺＴ系結晶以外の結晶相が存在し、絶縁抵抗が経時的に低下したり、圧電特性が低下していた。本発明では、液相を形成するＢｉ_２Ｏ_３を用い、焼成時には液相を形成して焼結性を向上させ、７．７ｇ／ｃｍ^３以上の密度を得ることができ、焼結後には、ほぼ完全にＰＺＴ系結晶に固溶して、ＰＺＴ系結晶の結晶粒子の粒界には、非晶質相やＰＺＴ系結晶以外の結晶相が存在しないことになり、圧電特性を向上できる。これにより、圧電磁器の絶縁抵抗値が８５℃で１００ＭΩ以上となり、連続駆動時の絶縁劣化を抑制できる。

本発明の振動体は、交流電界中において利用するだけでなく、応力を感知する触感スイッチや、一定の振動を応力として感知し、応力に応じた電荷を発生する発電装置などに用いてもよい。

Ｚｒの一部をＳｂで置換したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含有する圧電粉末（材料Ａ：組成式Ｐｂ_０．９２Ｂａ_０．０８（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）_０．１０Ｚｒ_{０．４４２５}Ｔｉ_{０．４５２５}（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）_{０．００５}Ｏ_３となるように酸化物粉末Ｐｂ_３Ｏ_４，ＴｉＯ_２，ＺｒＯ_２，ＺｎＯ，Ｓｂ_２Ｏ_３，ＮｉＯ，Ｆｅ_２Ｏ_３を秤量し仮焼合成したもの）と、バインダーと、分散剤と、可塑剤と、溶剤とをボールミル混合により２４時間混練してスラリーを作製した。

得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚み約５０μｍのグリーンシートを作製した。このグリーンシートに金属成分として７０質量％のＡｇと３０質量％のＰｄを含有する内部電極ペーストをスクリーン印刷法により所定形状に塗布し、該内部電極ペーストが塗布されたグリーンシートを６層もしくは１２層積層し、最上層には内部電極ペーストが塗布されていないグリーンシートを１層重ね合わせて加圧し、積層数の異なる２種類の積層成形体を作製した。この積層成形体を、長手方向の側面に内部電極層の電極パターンが一層おきに露出するように所定形状に切断して、素子用積層成形体を作製した。

そして、これらの素子用積層成形体を５００℃、１時間、大気中で脱脂し、その後、１１００℃、３時間、大気中で焼成し、積層体１７を得た。

次に、積層体１７の両主面に、厚みが３μｍの表面電極層１３ａを形成すべく、電極材料としてＡｇとガラスを含有する電極ペーストを、積層体１７の主面にスクリーン印刷法により塗布し、その後、長手方向ｘの両端部に、外部電極材料としてＡｇとガラスを含有する電極ペーストをディップ法により塗布し、７００℃、１０分、大気中で焼き付け、図１に示すような、積層型圧電素子１０、１６を作製した。

作製された積層体１７の主面の寸法は幅３．５ｍｍ、長さ２６ｍｍであり、圧電体層１１の厚みは４０μｍ、内部電極層１２の厚みは３μｍであり、積層体の厚みは２９８μｍ（７層品）、５５６μｍ（１３層品）であった。

次に、積層型圧電素子１０、１６の表面電極１３ａを通して内部電極層１２間および内部電極層１２と表面電極１３ａ間に、圧電体層が７層、１３層の積層型圧電素子１０、１６とも、１００Ｖ、２分間電圧を印加し分極を行った。

次に、厚み０．２ｍｍの４２アロイ（合金製）の支持板１４を準備し、支持板１４の両主面に熱硬化型のエポキシ樹脂からなる接着剤を塗布し、接着剤を塗布した支持板１４の部分に積層型圧電素子１０、１６を押し付け、さらに、外部電極１３ｂの露出面の側面側接着剤層１５ｂに接着剤を筆等で重ね塗りし、１２０℃、１時間、空気中で接着剤を硬化させ、この側面側接着剤層１５ｂの表面に導体層５５を形成し外部電極１３ｂと支持板１４とを電気的に接合し、図４に示すようなバイモルフ型の振動体を作製した。導体層５５は、外部電極１３ｂよりも幅広に形成した。

一方、接着剤の支持板への塗布面積を狭くし、この部分に積層型圧電素子１０、１６を押し付け、図６（ａ）に示すように、積層体の主面を底面側接着剤層だけで接合した比較例の試料を作製した。また、比較例として、焼成後の素子長さが２６．６ｍｍとなる積層体を作製し、焼成後、積層体の両端部をダイシングマシンにて長さ２６ｍｍにカットし、内部電極層を交互に側面に露出させた、圧電体層が７層および１３層の積層体を作製し、上記と同様に、表面電極層、外部電極を形成し、分極の後、支持板に接合して振動体を作製した。側面状態はダイシングカット面とした。

各試料の圧電体層の積層数、側面側接着剤層の有無、支持板からの側面側接着剤層の高さ（積層体の厚みｔ比を併記した）、底面側接着剤層の厚み、側面状態について、表１に記載した。尚、支持板からの側面側接着剤層の高さは、例えば、試料Ｎｏ．２では、支持板から積層体の厚みｔ（２９８μｍ）の１／２の高さ（１４９μｍ）を示す。

積層体の側面部を観察したところ、本発明の試料では、図３（ａ）に示すように、圧電体層の側面の形状が圧電材料の粒子形状を反映した凹凸形状であったのに対し、比較例の試料Ｎｏ．２０〜２２では、図３（ｂ）に示すように、加工による一部脱粒したような箇所も観察されるが凡そ平面状であった。また、本発明の試料では、内部電極層が積層体の側面まで到達しておらず、外部電極が内部電極層の開口部に入り込んだ状態であった。一方、比較例試料Ｎｏ．２０〜２２では内部電極が側面まで達していた。

作製されたバイモルフ型振動体について、−４０℃〜８５℃、−４０℃、８５℃での保持時間３０分の温度サイクルを１００サイクル行う温度サイクル試験を行い、静電容量が初期値から５％以上低下したものを不良とし、不良数／試験数を不良率とし、表２に記載した。静電容量の測定は、インピーダンスアナライザ４１９４Ａを用い、１ｋＨｚでの値を測定した。

さらに、作製されたバイモルフ型振動体は、温度が６０℃、室温での湿度が９０％Ｒｈ、１０００時間で高温高湿放置試験を行い、静電容量が初期値から５％以上低下したものを不良とし、不良数／試験数で不良率とし、表２の試料Ｎｏ．１〜１４、１９〜２２に記載した。

また、振動体の支持板と積層型圧電素子との接合強度について、落下試験で確認した。試験条件は、振動体の支持板の一端部を実装部材に固定し、この実装部材を１００ｇの落下試験治具に固定し、落下高さ１００ｃｍから大理石から成る落下地点へ合計３回自由落下させ、振動体を４０倍の顕微鏡で観察し、積層型圧電素子と支持板とが剥離または積層圧電体素子にクラックが発生したものを不良とし、不良数／試験数で不良率とした。

表１、２から、側面側接着剤層１５ｂの高さｈが、支持板１４から積層体１７の厚さｔの１／２を超えた場合で、側面がダイシングカット面の比較例の場合（試料Ｎｏ．２０、２２）には、温度サイクル試験、高温高湿放置試験において不良が発生しているが、側面が焼き肌面の本発明の場合には、側面側接着剤層１５ｂの支持板１４からの高さｈを高くしても、外部電極１３ｂが積層体１７の側面から剥離せず、不良率が０であることがわかる。

原料粉末としてＰｂＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｒＣＯ_３、ＢａＣＯ_３、ＺｎＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５の粉末を用いて、Ｐｂ_０．９２Ｂａ_０．０７（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）_{０．１０５}Ｚｒ_{０．４３４}Ｔｉ_{０．４６１}Ｏ_３となるように秤量し、ボールミルにて２４時間湿式混合した。次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、９３０℃で３時間仮焼し、当該仮焼物を再びボールミルで２４時間湿式粉砕し、Ｄ_５０が０．５〜０．７μｍの仮焼粉末を得た（材料Ｂ）。この仮焼粉末について、Ｃｕｋα線を用いたＸ線回折測定においてチタン酸ジルコン酸鉛系結晶の（１０１）のピーク（２θ≒３０°）のピーク強度をＩ_１とし、（１１１）のピーク（２θ≒３８°）のピーク強度をＩ_２とした時、Ｉ_２／Ｉ_１を求めたところ、０．１４７であった。

その後、Ｄ_５０が０．５〜０．７μｍのＢｉ_２Ｏ_３粉末を０．０１モル添加し、これに有機バインダーと、分散剤と、可塑剤と、溶剤とをボールミル混合により２４時間混練してスラリーを作製した。

上記実施例１と同様にして厚み約５０μｍのグリーンシートを作製し、金属成分として１００質量％のＡｇ、または９５質量％のＡｇと５重量％のＰｄを含有する内部電極ペーストをスクリーン印刷法により所定形状に塗布し、内部電極パターンを形成した。該内部電極パターンが形成されたグリーンシートを６層もしくは１２層積層し、最上層には電極ペーストが塗布されていないグリーンシートを１層重ね合わせて加圧し、積層数の異なる２種類の積層成形体を作製した。この積層成形体を、長手方向の側面に内部電極層の電極パターンが一層おきに露出するように所定形状に切断して、素子用積層成形体を作製した。

そして、これらの素子用積層成形体を５００℃、１時間、大気中で脱脂し、その後、９４０℃で３時間大気中で焼成し、積層体１７を得た。

次に、上記実施例１と同様にして表面電極層１３ａおよび外部電極１３ｂを形成、図１に示すような、積層型圧電素子１０、１６を作製した。

作製された積層体１７の主面の寸法は幅３．５ｍｍ、長さ２６ｍｍであり、圧電体層１１の厚みは４０μｍ、内部電極層１２の厚みは３μｍであった。

次に、上記実施例１と同様にして積層型圧電素子１０、１６の分極を行ない、支持板１４の両主面に熱硬化型のエポキシ樹脂からなる接着剤を塗布し、接着剤を塗布した支持板１４の部分に積層型圧電素子１０、１６を押し付け、さらに、外部電極１３ｂの露出面の側面側接着剤層１５ｂに接着剤を筆等で重ね塗りし、１２０℃、１時間、空気中で接着剤を硬化させ、この側面側接着剤層１５ｂの表面に導体層５５を形成し外部電極１３ｂと支持板１４とを電気的に接合し、図４に示すようなバイモルフ型の振動体を作製した。導体層５５は、外部電極１３ｂよりも幅広に形成した。

各試料の圧電体層の積層数、側面側接着剤層の有無、支持板からの側面側接着剤層の高さ、底面側接着剤層の厚み、側面状態について、表１の試料Ｎｏ．１５〜１８に記載した。

積層体の側面部を観察したところ、図３（ａ）に示すように、圧電体層の側面の形状が圧電材料の粒子形状を反映した凹凸形状であった。また、内部電極層が積層体の側面まで到達しておらず、外部電極が内部電極層の開口部に入り込んだ状態であった。

作製されたバイモルフ型振動体について、上記実施例１と同様にして温度サイクル試験、高温高湿放置試験、落下試験を行い、不良数／試験数を不良率とし、表１、２の試料Ｎｏ．１５〜１８に記載した。また、静電容量についても記載した。

これらの結果から、圧電体層として材料Ｂを用い、金属成分がＡｇを主成分とし、パラジウムが金属成分中５質量％以下の内部電極層を用いた場合についても、実施例１と同様に、側面側接着剤層１５ｂの支持板１４からの高さｈを高くしても、外部電極１３ｂが積層体１７の側面から剥離せず、不良率が０であることがわかる。

１０、１６・・・積層型圧電素子
１１・・・圧電体層
１２・・・内部電極層
１３ａ・・・表面電極層
１３ｂ・・・外部電極
１４・・・支持板
１５ａ・・・底面側接着剤層
１５ｂ・・・側面側接着剤層
１７・・・積層体
ｈ・・・側面側接着剤層の支持板からの高さ
ｈ_１・・・積層体の支持板側の主面の支持板からの高さ
ｔ・・・積層体の厚み
ｘ・・・主面の長手方向

Claims (5)

1. セラミックスからなる圧電体層と内部電極層とを交互に積層してなり、上下面に形成された一対の長方形状の主面と該主面の長手方向の両端側に設けられた一対の側面とを有する板状の積層体と、該積層体の前記一対の側面にそれぞれ設けられ前記内部電極層と交互に電気的に接続された一対の外部電極とを具備する積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の前記主面が接合された支持板とを具備する振動体であって、前記積層体の前記一対の側面が焼き肌面であるとともに、前記積層体の前記支持板側の主面と前記支持板とを底面側接着剤層で接合し、前記外部電極の露出面と前記支持板とを側面側接着剤層で接合してなり、該側面側接着剤層の前記支持板からの高さが、前記支持板から前記積層体の前記支持板側の主面までの高さ以上であることを特徴とする振動体。
2. 前記積層体の前記側面から前記内部電極層の先端が凹んでおり、前記積層体の前記側面から凹んだ内部電極層先端には、前記積層体の前記側面に設けられた前記外部電極が接合されていることを特徴とする請求項１に記載の振動体。
3. 前記支持板が金属または合金からなり、前記側面側接着剤層の上面に、前記外部電極と前記支持板とを導通させるための導体層が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動体。
4. 前記積層型圧電素子における前記圧電体層の積層数が７層以上であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の振動体。
5. 前記内部電極層の金属成分が銀、もしくは銀とパラジウムからなり、前記内部電極層がパラジウムを含有する場合には、金属成分中のパラジウムの含有比率が５質量％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の振動体。

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