JP2014049906A - 圧電素子、音響発生器、音響発生装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】音圧の周波数特性における音圧のばらつきを低減させることを課題とする。
【解決手段】圧電素子１は、対向する外部電極１７、又は１９のいずれか一方に対して一層おきに接続する複数の内部電極層９ａ〜９ｃと、複数の圧電体層７ａ〜７ｄを有する。そして、外部電極１９と接続する内部電極層９ａ、９ｃは、非接触端から外部電極１７までの距離がそれぞれことなるように形成されている。かかる構成によって、応力がかかる位置を分散させ、圧電素子１におけるクラックの発生を抑制することができる。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、圧電素子、音響発生器、音響発生装置及び電子機器に関する。

従来、圧電スピーカに代表される音響発生器は、圧電体を電気音響変換素子に用いた小型、低電流駆動の音響機器として知られており、例えば、モバイルコンピューティング機器等、小型の電子機器に組み込まれる音響発生装置として使用されている。

例えば、圧電体を電気音響変換素子に用いた音響発生器は、金属や樹脂フィルム等の振動板に銀薄膜等による電極が形成された圧電素子を貼り付けた構造となっている。圧電体を電気音響変換素子に用いた音響発生器の発音機構は、圧電素子の両面に交流電圧を印加することで圧電素子に形状歪を発生させ、圧電素子の形状歪を振動板に伝えて振動させることにより音を発生させるというものである。

詳細には、圧電素子は、２つの外部電極のいずれか１方に対して交互に接続する複数の内部電極層と、圧電素子の厚み方向に分極された複数の圧電体層とを積層した構造を有する。ここで、各内部電極層は、それぞれ同じ大きさを有し、外部電極と接続されていない非接触端の位置が重なるように積層されている。また、各圧電体層は、所定の方向に分極されており、分極方向と印加される電界方向とが同一方向であれば平面方向に縮む性質を有し、分極方向と印加される電界方向とが同一方向であれば、平面方向に伸びる性質を有する。

このような圧電素子は、各外部電極に接続した内部電極層に交番信号が印加された場合には、一方の圧電体層が延び、他方の圧電体層が縮むので、全体として屈曲振動する。このような屈曲振動を振動板に伝えることで、圧電素子は、音を発生させることができる。

特開２０１０−１７７８６７号公報

しかしながら、上記の圧電素子は、各内部電極層の非接触端の位置が重なるように積層されており、屈曲振動の際に内部電極層の非接触端が存在する面上に応力が集中すると、クラックが生じる場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、クラックの発生を抑制することができる圧電素子、音響発生器、音響発生装置及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電素子は、対向する２つの外部電極と、前記外部電極のいずれか一方に対して一層おきに接続する複数の内部電極層と、複数の圧電体層とが積層され、同一の外部電極に接続する複数の内部電極層は、外部電極と接触していない非接触端から他方の外部電極までの距離が、それぞれ異なるように形成されていることを特徴とする。

本発明に係る音響発生器の一つの態様によれば、クラックの発生を抑制することができるという効果を奏する。

図１Ａは、第１形態の音響発生器を示す平面図である。 図１Ｂは、第１形態の音響発生器を示す断面図である。 図２は、第１形態の圧電素子が有する内部電極層の形成位置を説明するための図である。 図３は、応力が発生する位置を説明するための図である。 図４は、第２形態に係る圧電素子を説明するための図である。 図５は、第３形態に係る圧電素子を説明するための図である。 図６は、第４形態に係る圧電素子を説明するための図である。 図７は、第４形態に係る圧電素子のバリエーションを説明するための図である。 図８は、非接触端のズレ量が小さい場合にクラックが入る位置の一例を説明するための図である。 図９は、非接触端のズレ量が大きい場合にクラックが入る位置の一例を説明するための図である。 図１０は、実施例１において作成した圧電素子に生じたクラックの数を説明するための表である。

以下に、本発明に係る圧電素子、音響発生器、音響発生装置及び電子機器の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態は本発明を限定するものではない。そして、実施形態として下記に例示する各形態は、音響発生器を構成する各部材の形状や寸法を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。

（第１形態）
［音響発生器の構造］
まず、音響発生器の第１形態を図１Ａ及び図１Ｂに基づいて説明する。図１Ａは、第１形態の音響発生器を示す平面図であり、また、図１Ｂは、第１形態の音響発生器を示す断面図である。なお、図１Ｂには、図１Ａに示すＡ−Ａ線に沿った断面図が示されている。また、図１Ｂでは、理解を容易にするために、積層型の圧電素子１の厚み方向（ｙ軸方向）を拡大して示している。また、以下の説明では、圧電素子１の長手方向をｘ軸方向とし、圧電素子１の短手方向をｚ軸方向と記載する。

図１Ａ及び図１Ｂに示す第１形態の音響発生器は、一対の枠状の枠部材５によって挟持された支持板となるフィルム３の上面に、積層型の圧電素子１を含んで構成されている。すなわち、第１形態の音響発生器は、図１Ｂに示すように、張力がかけられた状態でフィルム３を第１および第２の枠部材５ａ、５ｂで挟持することによってフィルム３が第１および第２の枠部材５ａ、５ｂに固定されており、このフィルム３の上面に積層型の圧電素子１が配置されている。

このうち、圧電素子１は、板状に形成されるとともに上下の主面が正方形状、長方形状あるいは多角形状に形成される。かかる圧電素子１は、４層のセラミックスからなる圧電体層７と３層の内部電極層９とを交互に積層してなる積層体１３と、この積層体１３の上下両面に形成された表面電極層１５ａ、１５ｂと、積層体１３のｘ軸方向の両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極１７、１９とを含んでいる。

外部電極１７は、表面電極層１５ａ、１５ｂと、１層の内部電極層９ｂとに接続される。また、外部電極１９は、２層の内部電極層９ａ、９ｃに接続される。すなわち、各内部電極層９ａ〜９ｃ、および表面電極層１５ａ、１５ｂは、交互に外部電極１７、１９のいずれか一方と接続されている。

また、外部電極１９の上下端部は、積層体１３の上下面まで延設されてそれぞれ折返外部電極１９ａが形成されており、これらの折返外部電極１９ａは、積層体１３の表面に形成された表面電極層１５ａ、１５ｂに接触しないように、表面電極層１５ａ、１５ｂとの間で所定の距離を隔てて延設されている。

また、各圧電体層７ａ〜７ｄは、図１Ｂに矢印で示すように、電圧を印加しない状態で（電圧０ボルトの状態で）既に分極された状態にある。詳細には、圧電体層７ａ及び圧電体層７ｄとがｙ軸方向の上向きに分極され、圧電体層７ｂと圧電体層７ｃとが、ｙ軸方向の下向きに分極されている。すなわち、各圧電体層７ａ〜７ｄは、圧電体層７ａ、７ｄの組と、圧電体層７ｂ、７ｃの組とで逆向きに分極している。

ここで、各圧電体層７ａ〜７ｄは、分極方向と同じ向きの電界が印加された場合には、平面方向に縮み、分極方向と異なる向きの電界が印加された場合には、平面方向に伸びる性質を有する。このため、外部電極１７、１９に電圧が印加され、表面電極層１５ａ、表面電極層１５ｂ、及び内部電極層９ｂに＋極の電界が、一方、外部電極１９、折返外部電極１９ａ、内部電極層９ａ、９ｃに−極の電界がそれぞれ印加された場合には、電界の向きは、内部電極層９ａ、９ｃに向くものとなり、圧電体層７ａ、７ｂには、分極方向と同じ向きの電界が印加されることから、圧電体層７ａ、７ｂは平面方向に縮む。一方、圧電体層７ｃ、７ｄでは、分極方向と逆向きの電界が印加されることとなるため、圧電体層７ｃ、７ｄは、平面方向に伸びる。次に、電界の極性が逆向きになった場合には、圧電体層７ａ、７ｄと圧電体層７ｃ、７ｄとには、逆の変形が生じることとなる。

上記の４層の圧電体層７と上記の３層の内部電極層９とは、積層された状態で同時に焼成されて構成されており、表面電極層１５ａ、１５ｂは、積層体１３を作製した後、ペーストを塗布し焼き付けて形成されている。

また、圧電素子１は、フィルム３側の主面とフィルム３とが接着剤層２１で接合されている。これら圧電素子１とフィルム３との間の接着剤層２１の厚みは、２０μｍ以下とされている。特には、接着剤層２１の厚みは、１０μｍ以外であることが望ましい。このように、接着剤層２１の厚みが２０μｍ以下である場合には、積層体１３の振動をフィルム３に伝えやすくなる。

接着剤層２１を形成するための接着剤としては、エポキシ系樹脂、シリコン樹脂、ポリエステル系樹脂などの公知のものを使用できる。接着剤に使用する樹脂の硬化方法としては、熱硬化、光硬化や嫌気性硬化等のいずれの方法を用いても振動体を作製できる。

さらに、第１形態の音響発生器は、圧電素子１を埋設するように、枠部材５ａの内側に樹脂が充填されて樹脂層２０が形成されている。なお、図１Ａでは、理解を容易にするため、樹脂層の図示を省略した。

樹脂層２０には、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂やゴムなどを採用できる。また、樹脂層２０は、スプリアスを抑制する観点から、圧電素子１を完全に覆う状態で塗布されるのが好ましい。さらに、支持板となるフィルム３も圧電素子１と一体となって振動することから、圧電素子１で覆われないフィルム３の領域も同様に樹脂層２０によって被覆されている。

このように、第１形態の音響発生器では、圧電素子１を樹脂層２０で埋設することによって、圧電素子１の共振現象に伴うピークディップに対し、適度なダンピング効果を誘発させることができる。かかるダンピング効果によって、共振現象を抑制するとともにピークディップを小さく抑制することができる。この結果、音圧の周波数依存性を小さくすることが可能になる。

ここで、圧電体層７としては、ジルコン酸鉛（ＰＺ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、Ｂｉ層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等、既存の圧電セラミックスを用いることができる。圧電体層７の厚みは、低電圧駆動という観点から、１０〜１００μｍとされている。

また、内部電極層９としては、銀とパラジウムからなる金属成分と圧電体層７を構成する材料成分を包含することが望ましい。内部電極層９に圧電体層７を構成するセラミック成分を含有させることによって、圧電体層７と内部電極層９との熱膨張差による応力を低減でき、積層不良のない圧電素子１を得ることができる。なお、内部電極層９は、特に、銀とパラジウムからなる金属成分に限定されるものではなく、他の金属成分であってよく、また、セラミック成分として、圧電体層７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よい。

また、表面電極層１５ａ、１５ｂと外部電極１７、１９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。このようにガラス成分を含有させることによって、圧電体層７や内部電極層９と、表面電極層１５または外部電極１７、１９との間に強固な密着力を得ることができる。

枠部材５は、矩形状をなしており、図１Ｂに示すように、２枚の矩形枠状の枠部材５ａ、５ｂを貼り合わせて構成されている。これら枠部材５ａ及び枠部材５ｂ間には、フィルム３の外周部が挟み込まれ、張力を印加した状態で固定されている。枠部材５ａ、５ｂは、例えば、厚み１００〜１０００μｍのステンレス製とされている。なお、枠部材５ａ、５ｂの材質は、ステンレス製に限らず、樹脂層２０よりも変形し難いものであればよく、例えば、硬質樹脂、プラスチック、エンジニアリングプラスチック、セラミックス等を用いることができ、本形態では、枠部材５ａ、５ｂの材質、厚み等は特に限定されるものでない。更に枠形状も矩形状に限定されるものではなく、内周部または外周部の一部または全部を円形、楕円形としてもよいし、内周部または外周部を菱形としてもよい。

フィルム３は、枠部材５ａ、５ｂ間にフィルム３の外周部を挟み込むことによってフィルム３が面方向に張力をかけられた状態で、枠部材５ａ、５ｂに固定され、フィルム３が振動板の役割を果たしている。フィルム３の厚みは、例えば、１０〜２００μｍとされ、フィルム３は、例えば、ポリエチレン、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリスチレン、テン等の樹脂、あるいはパルプや繊維等からなる紙から構成されている。これらの材料を用いることでピークディップを抑えることができる。

［各電極層の形成位置］
続いて、図２を用いて、本実施形態の第１形態の音響発生器が有する内部電極層９ａ〜９ｃの形成位置について説明する。図２は、第１形態の圧電素子が有する内部電極層の形成位置を説明するための図である。

図２中（Ａ）に示す内部電極層９ａの非接触端と、図２中（Ｂ）に示す内部電極層９ｃの非接触端とは、それぞれ異なる位置に形成されている。詳細には、内部電極層９ａの非接触端から、内部電極層９ａが接続されていない外部電極１７までの距離Ｌ１と、内部電極層９ｃの非接触端から、内部電極層９ｃが接続されていない外部電極１７までの距離Ｌ２とがそれぞれ異なる距離になるように、各内部電極層９ａ、９ｃが形成されている。

このように、各内部電極層９ａ、９ｃの非接触端から、外部電極１７までの距離Ｌ１、およびＬ２が異なる構成であると、圧電素子１が屈曲振動する際に、応力が発生する位置をずらすことができるので、圧電体層７におけるクラックの発生を抑制することができる。以下、図３を用いて、圧電素子１が屈曲振動する際に応力が発生する位置と、応力が発生する位置をずらすことで、クラックの発生を抑制することができる点について説明する。

図３は、応力が発生する位置を説明するための図である。なお、図３には、図１Ａに示すＡ−Ａ線に沿った断面において、圧電体層７に電界を印加した際に、圧電素子１がどのように変形するかを示した。詳細には、電界を印加していない際における圧電素子１の断面図を図３中（Ｃ）に示し、電界の印加によってｙ軸方向に脹らんだ場合における圧電素子１の断面図を図３中（Ｄ）に示し、電圧の印加によってｙ軸方向にへこんだ場合における圧電素子１の断面図を図３中（Ｅ）に示した。また、図３に示す例では、圧電素子１が屈曲振動する際にどのように変形するかを理解し易くするため、内部電極層９ａ、９ｃの非接触端から外部電極１７までの距離が同じ場合について示した。

例えば、図３中（Ｆ）に示すように、内部電極層９ａ、９ｃよりも外部電極１７に近い領域は、ｙ軸方向の厚みがそれほど変化しない。一方、図３中（Ｇ）〜（Ｈ）に含まれる領域は、電界の印加によってｙ軸方向に脹らんだりへこんだりする変形領域である。このように、圧電素子１は、全ての内部電極層９ａ〜９ｃが重なる領域において大きく変形し、いずれかの内部電極層が重ならない領域においては、あまり変形しないので、図３中（Ｉ）に示すように、各内部電極層９ａ〜９ｃの非接触端において大きな応力が発生する。この結果、図３中（Ｉ）に示すように、圧電体層７のうち、内部電極層９ａ、９ｃの非接触端が存在する面上に大きな応力が発生し、クラックが生じ易くなってしまう。

そこで、実施例１に係る圧電素子１は、内部電極層９ａ、９ｃの非接触端と、外部電極１７との距離をずらすように形成される。この結果、圧電素子１は、屈曲振動の際に応力が発生する位置を分散させることができるので、圧電体層７におけるクラックの発生を防止することができる。

また、内部電極層９ａ、９ｃの非接触端と、外部電極１７との距離をずらすように圧電素子１を形成した場合には、非接触端付近の圧電体層に対して歪みが発生する位置をばらつかせることができる。この結果、圧電素子１の内部における振動損失が大きくなるので、圧電素子１を有する音響発生器は、音圧の周波数特性におけるピークディップを低減することができ、音圧のバラつきを小さくすることができる。

［製法］
本発明の音響発生器の製法について説明する。

最初に、バイモルフ型の圧電素子１を準備する。かかる圧電素子１は、圧電材料の粉末にバインダー、分散剤、可塑材、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、上記のスラリーをシート状に成形し、グリーンシートを得ることができ、このグリーンシートに内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンを形成し、この電極パターンが形成されたグリーンシートを３枚積層し、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。ここで、積層するグリーンシート状に形成される内部電極パターンのうち、内部電極層９ａとなる内部電極パターンと、内部電極層９ｃとなる内部電極パターンとは、非接触端と外部電極１７との距離がそれぞれ異なるように形成される。

次に、上記の積層成形体を脱脂、焼成し、所定寸法にカットすることによって積層体１３を得ることができる。積層体１３は、必要に応じて外周部を加工し、積層体１３の圧電体層７の積層方向の主面に表面電極層１５ａ、１５ｂのペーストを印刷し、引き続き、積層体１３の長手方向ｘの両端面に外部電極１７、１９を印刷し、所定の温度で電極の焼付けを行うことによって図１Ａ及び図１Ｂに示すバイモルフ型の圧電素子１を得ることができる。

次に、バイモルフ型の圧電素子１に圧電性を付与するために、表面電極層１５ａ、１５ｂ又は外部電極１７、１９を通じて直流電圧を印加して、バイモルフ型の圧電素子１の圧電体層７の分極を行う。かかる分極は、図１Ｂに矢印で示す方向となるように、ＤＣ電圧を印加して行う。

次に、支持体となるフィルム３を準備し、このフィルム３の外周部を枠部材５ａ、５ｂ間に挟み、フィルム３に張力をかけた状態で固定する。この後、フィルム３に接着剤を塗布して、そのフィルム３上にバイモルフ型の圧電素子１の表面電極１５ａ側を押し当て、この後、接着剤を熱や紫外線を照射することによって硬化させる。そして、樹脂を枠部材５ａの内側に流し込む。その上で、バイモルフ型の圧電素子１を完全に埋設させ、樹脂層２０を硬化させることによって第１形態の音響発生器を得ることができる。

以上のように構成された音響発生器には、非接触端から外部電極１７までの距離が異なる内部電極層９ａと９ｃとが形成される。このため、第１形態の音響発生器は、圧電素子１が屈曲振動する際に応力が発生する位置を分散させることができるので、圧電体層７におけるクラックの発生を防止することができる。また、第１形態の音響発生器は、非接触端付近の圧電体層７に対して歪みが発生する位置をばらつかせることができるので、圧電素子１の内部における振動損失が大きくし、音圧の周波数特性におけるピークディップを低減することができ、音圧のバラつきを小さくすることができる。

なお、上述した第１形態では、内部電極層９ａの非接触端と外部電極１７との距離を、他の内部電極層９ｃの非接触端と外部電極１７との距離とを異なる距離にする形態について記載した。しかしながら、本実施形態は、上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。

すなわち、圧電素子１は、外部電極１９に接続された内部電極層が３つ以上存在する場合には、いずれか１つの内部電極層における非接触端と外部電極１７との距離を、他の内部電極層における非接触端と外部電極１７との距離からずらせばよい。また、圧電体層は、外部電極１７に接続された内部電極層が複数存在する場合には、いずれか１つの内部電極層における非接触端と外部電極１９との距離を、他の内部電極層における非接触端と外部電極１９との距離からずらせばよい。このように、いずれか１つの内部電極層における非接触端と外部電極との距離をずらした場合には、応力が発生する位置を分散させることができるので、圧電体層７におけるクラックの発生を防止することができる。

（第２形態）
これまで第１形態について説明したが、本実施形態は上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、各外部電極１７、１９に３つ以上の内部電極層を接続し、各内部電極層の非接続端と、接続されていない外部電極層との距離がそれぞれ異なるように形成した圧電素子１ａを有する音響発生器について説明する。

なお、第２形態の音響発生器は、図１Ａ、および図１Ｂに示した第１の形態の音響発生器と同様の構成を有するものとし、以下の説明では、第２形態の音響発生器が有する圧電素子１ａについて説明する。

図４は、第２形態に係る圧電素子を説明するための図である。図４に示すように、圧電素子１ａは、セラミックスからなる８層の圧電体層７ａ〜７ｈと７層の内部電極層９ａ〜９ｇとを交互に積層してなる積層体と、この積層体１３の上下両面に形成された表面電極層１５ａ、１５ｂと、積層体のｘ軸方向の両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極１７、１９とを含んでいる。

ここで、内部電極層９ａ、９ｃ、９ｅ、９ｇは、外部電極１９と接続され、内部電極層９ｂ、９ｄ、９ｆは、外部電極層１７と接続されている。すなわち、各外部電極層１７、１９は、それぞれ３層以上の外部電極層と接続されている。

ここで、各内部電極層９ａ、９ｃ、９ｅ、９ｇは、非接触端と外部電極層１７との距離がそれぞれ異なるよう形成されている。また、各内部電極層９ｂ、９ｄ、９ｆは、非接触端と外部電極層１９との距離がそれぞれ異なるよう形成されている。すなわち、圧電素子１ａの各内部電極層９ａ〜９ｇは、接続されていない外部電極層と、非接触端との距離がそれぞれ異なる距離になるよう形成されている。

この結果、圧電素子１ａは、屈曲振動する際に応力が発生する位置を圧電素子１よりも分散させることができる。このため、第２形態の音響発生器は、圧電体層７におけるクラックの発生をより防止することができる。また、第２形態の音響発生器は、非接触端付近の圧電体層７に対して歪みが発生する位置を第１形態の音響発生器よりもばらつかせることができるので、圧電素子１ａの内部における振動損失をさらに大きくし、音圧の周波数特性におけるピークディップをさらに低減することができ、音圧のバラつきをさらに小さくすることができる。

（第３形態）
上述した第１形態、および第２形態では、各内部電極層９の非接触端と外部電極１７、１９との距離をばらつかせた圧電素子１、１ａについて説明した。しかし本実施形態は上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、次第に面積が広くなる複数の内部電極層からなる組を繰り返し配置した圧電素子１ｂを有する音響発生器を第３形態として説明する。

なお、第３形態の音響発生器は、図１Ａ、および図１Ｂに示した第１の形態の音響発生器と同様の構成を有するものとし、以下の説明では、第３形態の音響発生器が有する圧電素子１ｂについて説明する。

図５は、第３形態に係る圧電素子を説明するための図である。なお、図５には、図１Ａに示すＢ−Ｂ線に沿った圧電素子１ｂの断面図を示した。なお、図５では、理解を容易にするため記載を省略したが、圧電素子１ｂは、圧電素子１と同様に、外部電極層１５ａ、１５ｂを有するものとする。

図５に示すように、圧電素子１ｂは、８層の内部電極層９ａ〜９ｈをセラミックスからなる圧電体層とを交互に積層してなる積層体を有する。ここで、各内部電極層９ａ〜９ｄは、ｙ軸方向で下向きに、面積が次第に大きくなるように積層されている。つまり、各内部電極９ａ〜９ｄは、ｘ軸方向の長さが同じ場合に、ｚ軸方向の長さがそれぞれ異なる長さになるよう形成されている。また、各内部電極層９ａ〜９ｄのｚ軸方向における非接触端の位置は、積層した際に重ならないようそれぞれ異なる位置に形成されている。

また、各内部電極層９ｅ〜９ｈは、各内部電極層９ａ〜９ｄと同様に、ｙ軸方向で下向きに、面積が次第に大きくなるように積層されている。つまり、各内部電極層９ｅ〜９ｈは、ｘ軸方向の長さが同じ場合に、ｚ軸方向の長さがそれぞれ異なる長さになるよう形成されている。また、内部電極層９ｅ〜９ｈのｚ軸方向における非接触端の位置も同様に、積層した際に重ならないようそれぞれ異なる位置に形成されている。

このように、圧電素子１ｂは、面積が次第に大きくなるよう積層した内部電極層９ａ〜９ｄの組と、面積が次第に大きくなるよう積層した内部電極層９ｅ〜９ｈの組とを積層することで、内部電極層９ａ〜９ｈのｚ軸方向における非接触端の位置を分散させているので、ｙｚ平面上で応力が発生する位置を分散させることができる。このため、圧電素子１ｂを有する第３形態の音響発生器は、圧電体層７におけるｙｚ平面上のクラックの発生を防止することができる。また、第３形態の音響発生器は、非接触端付近の圧電体層７に対して歪みが発生する位置をばらつかせることができるので、圧電素子１ｂの内部における振動損失をさらに大きくし、音圧の周波数特性におけるピークディップをさらに低減することができ、音圧のバラつきをさらに小さくすることができる。

なお、圧電素子１ｂは、各内部電極層９ａ〜９ｈのｚ軸方向における非接触端の位置を分散させるだけではなく、圧電素子１、１ａと同様に、各内部電極層９ａ〜９ｈのｘ軸方向における非接触端の位置をずらしてもよい。このように、圧電素子１ｂは、各内部電極層９ａ〜９ｈの非接触端の位置を分散させることで、応力が発生する位置を分散させ、クラックの発生を防止することができる。

また、圧電素子１ｂは、面積が次第に大きくなるよう積層した内部電極層の組を２組積層したが、より好ましくは、各内部電極層の組が４層以上の内部電極層を含み、さらにその組を４ユニット以上積層した構成が望ましい。

（第４形態）
上述した第１形態〜第３形態では、各内部電極層９の非接触端の位置をずらすことで、応力が発生する位置を分散させ、クラックの発生を防止する圧電素子１、１ａ、１ｂについて説明した。しかし本実施形態は上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、積層方向からみて、内部電極層をずらした位置に形成した圧電素子１ｃを有する音響発生器を第４形態として説明する。

なお、第４形態の音響発生器は、図１Ａ、および図１Ｂに示した第１の形態の音響発生器と同様の構成を有するものとし、以下の説明では、第４形態の音響発生器が有する圧電素子１ｃについて説明する。また、以下の説明では、圧電素子１ｃは、圧電素子１と同様の構成を有するものとする。

図６は、第４形態に係る圧電素子を説明するための図である。なお、図６には、ｙ軸方向の上面から見た圧電素子１ｃの平面図を示した。また、図６中では、外部電極１７、及び外部電極１７に接続する表面電極層１５ａ、１５ｂ、内部電極９ｂからなる内部電極２２を点線で示し、外部電極１９、および外部電極１９に接続する折返外部電極１９ａ、内部電極層９ａ、９ｃからなる内部電極２３を実線で示した。

図６に示すように、内部電極２３は、内部電極２２に対し、積層方向を中心軸として所定の角度（図６中θ）だけ回転させた位置に形成されている。この結果、内部電極２２が有する内部電極層９ｂの長手方向における非接触端と、内部電極２３が有する内部電極層９ａ、９ｃの長手方向における非接触端とが、ｘｚ平面上において異なる位置に形成されることとなる。このため、圧電素子１ｃは、ｘｚ平面上で応力が発生する位置を分散させることができる。なお、内部電極２２に対する内部電極２３の回転角度（θ）としては、内部電極２２、２３同士の重なり面積をより大きく維持できるという点で１０°以下、特に１°〜７°が好ましい。

この結果、圧電素子１ｃを有する第４形態の音響発生器は、圧電体層７におけるクラックの発生を防止することができる。また、第４形態の音響発生器は、非接触端付近の圧電体層７に対して歪みが発生する位置をばらつかせることができるので、圧電素子１ｃの内部における振動損失をさらに大きくし、音圧の周波数特性におけるピークディップをさらに低減することができ、音圧のバラつきをさらに小さくすることができる。

なお、内部電極２３を回転させる中心軸や、内部電極２３を回転させる角度は、圧電素子１ｃに要求される性能や、圧電素子１ｃが許容する応力の大きさ等に応じて、任意のパラメータを適用することができる。また、圧電素子１ｃは、内部電極２３を積層方向を中心軸として回転させることで、内部電極層９の非接触端の位置をずらした。しかし、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、圧電素子１ｃは、内部電極２２に対し、内部電極２３をｘｚ平面上で並行移動させた位置に形成することで、内部電極層９の非接触端の位置をずらしても良い。

図７は、第４形態に係る圧電素子のバリエーションを説明するための図である。なお、図７には、図６と同様に、ｙ軸方向の上面から見た圧電素子１ｃの平面図を示した。図７に示すように、内部電極２３は、内部電極２２に対して、ｘｚ平面上で所定の距離だけ並行移動させた位置に形成されている。このように、圧電素子１ｃは、内部電極２２に対して、内部電極２３をｘｚ平面上で並行させた場合には、内部電極層９の各非接触端の位置をずらすことができるので、ｚ平面上で応力が発生する位置を分散させる結果、圧電体層７におけるクラックの発生を防止することができる。なお、移動量としては、内部電極２３の幅（短辺の長さ）の１／２０〜１／１０が好ましい。

（第５形態）
さて、これまで実施形態の各形態について説明したが、本実施形態は上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、本実施形態に含まれる他の形態を説明する。

［適用範囲］
例えば、上記の第１形態〜第４形態では、バイモルフ型の圧電素子を例示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、圧電素子がバイモルフ型である場合に限定されず、ユニモルフ型であっても上記の第１形態〜第４形態と同様に、内部電極層の各軸方向における非接触端の位置をずらすことで同様の効果を得ることができる。

［スピーカ装置］
また、上記の第１形態〜第４形態で説明した音響発生器は、当該音響発生器を収納する筐体、いわゆる共鳴ボックスへ収納することによって音響発生装置、いわゆる「スピーカ装置」として構成することもできる。例えば、テレビやパーソナルコンピュータ等に用いられる大型のスピーカ装置として構成することもできれば、スマートフォン、携帯電話機、ＰＨＳ（Personal Handyphone System）、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）などのモバイル端末に搭載される中型または小型のスピーカ装置として構成することもできる。なお、スピーカ装置は、上記の用途に限定されず、掃除機、洗濯機や冷蔵庫などの任意の電子機器に搭載するスピーカ装置として構成することができる。

［電子機器］
さらに、上記の第１形態〜第４形態で説明した音響発生器は、当該音響発生器に接続された電子回路と、該電子回路および音響発生器を収容する筐体とを少なくとも有しており、音響発生器から音響を発生させる機能を有する電子機器として構成することもできる。かかる電子機器の一例としては、テレビやパーソナルコンピュータ、各種のモバイル端末の他、掃除機、洗濯機や冷蔵庫などが挙げられる。

さて、本実施例では、内部電極層の非接触端をずらす量の最適範囲について説明する。まず、図８、および図９を用いて、内部電極層の非接触端をずらす量を最適範囲にすることで、圧電素子におけるクラックを効果的に防ぐことができる点について説明する。

図８は、非接触端のズレ量が小さい場合にクラックが入る位置の一例を説明するための図である。なお、図８には、隣り合う２つの内部電極層の非接触端部分を記載した。圧電素子において発生するクラックは、図８中の一点破線で示すように、隣り合う内部電極層の非接触端を結ぶ線上に発生しやすい。ここで、図８中（Ｊ）に示す距離に対して図８中（Ｋ）に示す距離が小さい場合、すなわち、隣り合う内部電極の非接続端をずらした距離が電極間距離に対して小さい場合には、一点破線が垂直に近くなるため、応力が集中し、クラックが発生しやすくなる。このため、隣り合う内部電極の非接触端をずらす距離は、電極間距離と比較してある程度大きい方が望ましい。

一方、図９は、非接触端のズレ量が大きい場合にクラックが入る位置の一例を説明するための図である。なお、図９には、図８と同様に、隣り合う２つの内部電極層の非接触端部分を記載した。図９中（Ｌ）に示すように、非接触端のズレ量が電極間距離と比較して大き過ぎる場合には、内部電極層の一方に曲げモーメントが発生してしまう。すると、圧電素子の中心部分に応力が集中してしまうので、圧電素子の中心部分にクラックが発生しやすくなる。

そこで、本実施例では、内部電極層のズレ量を変更した圧電素子を作成し、作成した圧電素子を動作させてクラックの有無を評価した。具体的には、上述した製法において、１０×１０リメートルの内部電極層を１０μｍ以内の精度で印刷し、内部電極層の中央において積層精度が１０μｍ以内の精度で重なるように４層積層した積層体を３２個作成し、積層体を焼成台板上に８個づつ並べて台板を４個積層して焼成することで、積層数１６層の圧電素子を作成した。そして、作成した圧電素子でスピーカーを作成し、圧電素子に規定の電圧の２倍でのこぎり波を印加し、摂氏８０度の環境で１４日間作動させ、その後、圧電素子に生じたクラックの有無を評価した。

ここで、本実施例では、電極間距離を２５μｍとし、ズレ量を変化させた複数の圧電素子を上記した製法により複数作成した。詳細には、非接触端のズレ量を７５μｍとした実施例１、非接触端のズレ量を１００μｍとした実施例２、非接触端のズレ量を１５０μｍとした実施例３、非接触端のズレ量を２００μｍとした実施例４を作成した。また、比較対象として、非接触端のズレ量を０μｍとした比較例１、ズレ量を５０μｍとした比較例２、ズレ量を２５０μｍとした比較例３を作成した。

図１０は、実施例において作成した圧電素子に発じたクラックの数を説明するための表である。図１０に示すように、非接触端のズレ量を０μｍとした比較例１では、内部電極の端部において、１２個のクラックが発生し、非接触端のズレ量を５０μｍとした比較例２では、４個のクラックが発生した。一方、非接触端のズレ量を７５μｍとした実施例１、非接触端のズレ量を１００μｍとした実施例２、非接触端のズレ量を１５０μｍとした実施例３、非接触端のズレ量を２００μｍとした実施例４では、クラックが発生しなかった。また、非接触端のズレ量を２５０とした比較例３では、電極の中央部分において２つのクラックが発生した。

以上のように、非接触端のズレ量を電極間距離の３倍から１０倍の範囲とした圧電素子は、非接触端のズレ量を電極間距離の３倍未満、若しくは１０倍以上とした圧電素子に比べて、クラックの発生を抑えることができる。また、非接触端のズレ量を電極間距離の３倍から１０倍の範囲とした圧電素子においては、非接触端付近の圧電体層に対して発生する歪みのかかり方を適切にばらつかせていると考えられるので、圧電素子の内部における振動損失を大きくし、音圧の周波数特性におけるピークディップを低減することができる。この結果、音圧のばらつきが小さい音響発生器を得ることができる。

１ 圧電素子
３ フィルム
５、５ａ、５ｂ 枠部材
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、７ｇ、７ｈ 圧電体層
９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ 内部電極層
１３ 積層体
１５ａ、１５ｂ 表面電極層
１７、１９ 外部電極
２０ 樹脂層
２２、２３ 内部電極
ｘ 圧電素子の長手方向
ｙ 圧電素子の厚み方向
ｚ 圧電素子の短手方向

Claims (8)

1. 対向する２つの外部電極と
   前記外部電極のいずれか一方に対して一層おきに接続する複数の内部電極層と、
   複数の圧電体層とが積層され、
   同一の外部電極に接続する複数の内部電極層は、外部電極と接触していない非接触端から他方の外部電極までの距離が、それぞれ異なるように形成されていることを特徴とする圧電素子。
2. 次第に面積が広くなる複数の内部電極層の組を、前記圧電素子の積層方向に繰り返し配置したことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 同一の外部電極に接続された隣り合う内部電極層の非接触端と、他方の外部電極との距離の差が、当該内部電極層同士の距離の３倍から１０倍の範囲に収まるように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電素子。
4. 一方の外部電極に接続する内部電極層は、他方の外部電極に接続する内部電極層に対し、積層方向を中心軸として所定の角度だけ回転させた位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の圧電素子。
5. 一方の外部電極に接続する内部電極層は、他方の外部電極に接続する内部電極層に対してずらした位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の圧電素子。
6. フィルムと、
   該フィルムの外周部に設けられた枠部材と、
   該枠部材の枠内の前記フィルムに設けられた請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の圧電素子と、
   該圧電素子を埋設するように前記枠部材の枠内に充填された樹脂層とを有することを特徴とする音響発生器。
7. 請求項６に記載の音響発生器と、
   該音響発生器を収容する筐体と
   を少なくとも有することを特徴とする音響発生装置。
8. 請求項６に記載の音響発生器と、
   該音響発生器に接続された電子回路と、
   該電子回路および前記音響発生器を収容する筐体と
   を少なくとも有しており、
   前記音響発生器から音響を発生させる機能を有することを特徴とする電子機器。

Images