JP2017118023A - 圧電素子およびこれを備えた音響発生器、音響発生装置、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高積層化しても消費電流を抑制でき、高電圧での連続駆動においても圧電体層と内部電極層との接合界面でのデラミネーションの発生を抑制できる圧電素子並びにこれを備えた音響発生器、音響発生装置及び電子機器を提供する。【解決手段】圧電素子１は、複数の圧電体層１１と複数の内部電極層１２１，１２２とが積層された直方体状の積層体１３を備え、複数の内部電極層のうちの少なくとも一層が孔１２０を有している。これにより、高積層化しても消費電流を抑制でき、高電圧での連続駆動においても圧電体層と内部電極層との接合界面でのデラミネーションの発生を抑制できる。【選択図】図１

Description

本発明は、音響発生器として好適に利用できる圧電素子およびこれを備えた音響発生器、音響発生装置、電子機器に関するものである。

従来から、振動装置や音響発生器の駆動源として、複数の圧電体層と複数の内部電極層とが交互に積層された積層型圧電素子が用いられている。（例えば、特許文献１を参照。）

特開２００７−１０９７５４号公報

近年このような用途では、圧電素子への高変位化、高発生力化の要求に対応して高積層化が検討されている。しかしながら、高積層化すると圧電素子の静電容量の増加に伴い消費電流も増加し、圧電素子を駆動するドライバーＩＣの能力を超えてしまう。したがって、積層数が制限され、結果的に要求される変位量や発生力が得られないおそれがあった。

また、圧電素子への高変位化、高発生力化の要求に対応して高電圧化も検討されている。しかしながら、高電圧にて連続駆動した場合、圧電体層と内部電極層との接合界面でデラミネーションが発生するおそれもあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高積層化しても消費電流を抑制でき、高電圧での連続駆動においても圧電体層と内部電極層との接合界面でのデラミネーションの発生を抑制できる圧電素子およびこれを備えた音響発生器、音響発生装置、電子機器を提供することを目的とする。

本発明の圧電素子は、複数の圧電体層と複数の内部電極層とが積層された直方体状の積層体を備え、前記複数の内部電極層のうちの少なくとも一層が孔を有していることを特徴とする。

また本発明の音響発生器は、上記の圧電素子と、該圧電素子の主面に取り付けられた振動板とを備えていることを特徴とする。

また本発明の音響発生装置は、上記の音響発生器と、該音響発生器を収容する筐体とを備えていることを特徴とする。

また本発明の電子機器は、上記の音響発生器と、該音響発生器を構成する前記圧電素子に接続された電子回路と、前記音響発生器および前記電子回路を収容する筐体とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、圧電素子の変位量、発生力を低下させることなく、内部電極層の面積を減少させて圧電素子の静電容量を低減でき、駆動に必要な消費電流を低減できる。した
がって、高積層化が可能となり、結果的に圧電素子の高変位化、高発生力化が可能となる。また、内部電極層の孔で上下の圧電体層同士を結合させ、圧電体層間の接合強度を向上させることで、高電圧での連続駆動においてもデラミネーションの発生を抑制できる。

（ａ）は本実施形態の圧電素子の一例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電素子の内部電極層に設けられた孔のパターンの説明図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、内部電極層に設けられた孔のパターンのバリエーションを示す平面図である。 （ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電素子の内部電極層に設けられた孔のパターンの説明図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。 （ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電素子の内部電極層に設けられた孔のパターンの説明図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。 （ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電素子の内部電極層に設けられた孔のパターンの説明図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。 （ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電素子の内部電極層に設けられた孔のパターンの説明図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。 （ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電素子の内部電極層に設けられた孔のパターンの説明図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。 （ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例の内部電極層に設けられた孔のパターンの説明図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した内部電極層および圧電体層の概略断面図である。 （ａ）は、本実施形態の音響発生器の概略構成を示す模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で切断した一例の概略断面図、（ｃ）は、（ａ）のＡ−Ａ線で切断した他の例の概略断面図である。 本実施形態の音響発生装置の実施形態の一例を示すブロック図である。 本実施形態の電子機器の実施形態の一例を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の圧電素子の実施形態の一例を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１（ａ）は本実施形態の圧電素子の一例を示す概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す圧電素子の内部電極層に設けられた孔のパターンの説明図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。図１に示す圧電素子１は、複数の圧電体層１１と複数の内部電極層１２とが積層された直方体状の積層体１３を備え、複数の内部電極層１２のうちの少なくとも一層が孔１２０を有している。

積層体１３は、複数の圧電体層１１と複数の内部電極層１２とが積層されたもので、具体的には異なる極性とされる第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が圧電体層１１を介して互いに対向するように交互に積層されたものである。より具体的には、積層体１３は、第１の内部電極層１２１、第２の内部電極層１２２および圧電体層１１が、圧電体層１１、第１の内部電極層１２１、圧電体層１１、第２の内部電極層１２２、圧電体層１１の順に積層されたものである。この積層体１３は、平面（上面）から見た主
面の形状が長方形状の板状体、すなわち直方体状のものである。

積層体１３を構成する第１の内部電極層１２１、第２の内部電極層１２２は、積層体１３の長手方向の一方の端面から他方側に向かって延びるような長手方向を有する形状であって、圧電体層１１を介して互いに対向するように配置されて圧電体層１１を上下から挟んでおり、それらの間に挟まれた圧電体層１１に駆動電圧を印加するものである。これらの材料として、例えば低温焼成が可能な銀や銀−パラジウムを主成分とする導体、あるいは銅、白金などを含む導体を用いることができるが、これらにセラミック成分やガラス成分を含有させてもよい。

積層体１３を構成する複数の圧電体層１１は、圧電特性を有するセラミックスで形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。圧電体層の１層の厚みは、低電圧で駆動させるために、例えば０．０１〜０．１ｍｍに設定される。また、大きな屈曲振動を得るために、例えば２００ｐｍ／Ｖ以上の圧電定数ｄ３１を有するように設定される。

また、図に示す積層体１３は、表面電極１４を備えている。具体的には、表面電極１４は、第１の内部電極層１２１と電気的に接続された第１の表面電極１４１と、第２の内部電極層１２２と電気的に接続された第２の表面電極１４２とを備えている。表面電極１４は、積層体１３の少なくとも一方主面に設けられている。表面電極１４の形成材料としては、銀や銀にシリカを主成分としたガラス等を含有させた銀化合物、ニッケルなどを用いることができる。

また、積層体１３の長手方向の対向する側面（端面）には、第１の内部電極層１２１と第１の表面電極１４１とを電気的に接続する第１の側面電極１５１と、第２の内部電極層１２２と第２の表面電極１４２とを電気的に接続する第２の側面電極１５２とが設けられている。第１の側面電極１５１および第２の側面電極１５２の形成材料としては、表面電極１４と同様の、銀や銀にシリカを主成分としたガラス等を含有させた銀化合物、ニッケルなどを用いることができる。

なお、図１では、表面電極１４と内部電極層１２（第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２）とを接続するのに積層体１３の側面（端面）に形成された第１の側面電極１５１および第２の側面電極１５２が用いられているが、この側面電極にかえて、第１の内部電極層１２１の一方の端部および圧電体層１１を貫通する貫通導体、第２の内部電極層１２２の一方の端部および圧電体層１１を貫通する貫通導体が用いられてもよい。このとき、第１の内部電極層１２１と電気的に接続された貫通導体が第２の内部電極層１２２と電気的に接続されないように、第２の内部電極層１２２の他方の端部と積層体１３の端面との間に所望の間隙があればよい。また、第２の内部電極層１２２と電気的に接続された貫通導体が第１の内部電極層１２１と電気的に接続されないように、第１の内部電極層１２１の他方の端部と積層体１３の端面との間に所望の間隙があればよい。

また、圧電素子１に給電するための給電部材（配線部材）としては、フレキシブル配線基板、絶縁被覆したリード線などを用い、これを導電性接着剤やはんだを介して表面電極１４に接合すればよい。

そして、複数の内部電極層１２のうちの少なくとも一層が孔１２０を有している。ここで、孔１２０とは内部電極層１２の内部（外周よりも内側）に設けられたものであり、細長い孔（スリット）、小さな孔が直線上に配置された構成などが好ましく用いられる。

このような構成とすることで、圧電素子１の変位量、発生力を低下させないようにしつつ、内部電極層１２の面積を減少させて圧電素子１の静電容量を低減でき、駆動に必要な消費電流を低減できる。なお、内部電極層１２の面積を減少させて消費電流を低減させても、孔１２０において縁端効果が発現するため、十分な変位量や発生力を得ることができる。したがって、高積層化が可能となり、結果的に圧電素子１の高変位化、高発生力化が可能となる。

また、内部電極層１２の孔１２０で上下の圧電体層１１同士を結合させ、圧電体層１１間の接合強度を向上させることで、高電圧での連続駆動においてもデラミネーションの発生を抑制できる。

内部電極層１２の外周の寸法を小さくしたり、内部電極層１２の外周から切り込みを設けたりするのではなく、内部電極層１２の内部に細長い孔（スリット）または小さな孔として設けられることで、孔１２０の周囲から縁端効果が働き、不活性領域を小さくすることができる。したがって、孔１２０を設けることによる圧電素子１の変位量の低下や発生力の低下を抑制できる。ここで、縁端効果とは、隣り合う内部電極層が積層方向から見て重なる領域の外側まで電界が広がり、隣り合う内部電極層が重ならない領域よりも不活性領域が小さくなることをいう。

なお、内部電極層１２の一層の面積に対し、この層に設けられる孔１２０の面積比（孔の面積／（孔の面積＋孔を除く内部電極層の面積）は、例えば３〜３０％の範囲内に設定される。

図１に示すように、内部電極層１２が積層体１３の長手方向の一方の端面から他方側に向かって延びる形状であって、孔１２０が複数の内部電極層１２のうちの一層に長手方向に延びて設けられたスリットの場合において、例えば積層体１３の幅が３．３ｍｍ、積層体１３の長さが２３ｍｍで、内部電極層１２の幅が２．７ｍｍ、長さが２０ｍｍのときに孔１２０の幅が０．２７ｍｍ、長さが１８ｍｍに設定される。なお、孔１２０の幅は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍであるのが好ましい。これにより、十分な縁端効果が期待できる。

孔１２０が内部電極層１２（第１の内部電極層１２１）の長手方向に沿って延びて設けられる場合の平面視形状のバリエーションとして、図１に示すような内部電極層１２の長手方向に沿って延びる矩形長尺状のパターンの他、図２（ａ）に示すような内部電極層１２の長手方向に平行ではなく若干傾いて形成された矩形長尺状のパターン、図２（ｂ）に示すような内部電極層１２の長手方向に沿って一列に配列された２本の長方形状のパターン、図２（ｃ）に示すような内部電極層１２の長手方向に沿って延びる楕円状のパターンなども挙げられる。

ここで、図３に示すように、複数の内部電極層１２は異なる極性の第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２とからなり、当該第１の内部電極層１２１および第２の内部電極層１２２が圧電体層１１を介して交互に積層されており、全ての第１の内部電極層１２１は孔１２０を有しているのがよい。

全ての第１の内部電極層１２１が孔１２０を有している構成とすることで、内部電極層１２の面積のさらなる減少によって静電容量を低減でき、消費電流を低減できる。また、圧電素子１を音響発生器の励振器として用いた場合、圧電活性領域の欠けとなる不活性領域が積層方向に散在することで、スプリアス振動が発生して主振動のダンピングや分割が起こるため、音圧特性において共振周波数付近でのピークやディップを平坦化できる。

また、図４に示すように、全ての第１の内部電極層１２１が孔１２０を有していることに加えて、全ての第２の内部電極層１２２も孔１２０を有していてもよい。言い換えると、第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２のうちのどちらか一方の内部電極層だけが孔１２０を有している構成でもよいが、第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２との両方の内部電極層が孔１２０を有している構成でもよい。このような構成とすることで、内部電極層１２の面積のさらなる減少によって静電容量を低減でき、消費電流をさらに低減できる。

また、図５に示すように、内部電極層１２は、積層体１３の長手方向の一方の端面から他方側に向かって延びる形状であって、孔１２０は長手方向に延びるスリットであり、長手方向に垂直な短手方向に複数本並べて設けられているのがよい。ここで、複数本の孔１２０のそれぞれの幅は、合計の幅が内部電極層１２の幅に対して例えば５〜３０％の範囲内になるように、より細く設定される。例えば、積層体１３の幅が３．３ｍｍ、積層体１３の長さが２３ｍｍで、内部電極層１２の幅が２．７ｍｍ、長さが２０ｍｍのときに、４本の孔１２０（スリット）を設ける場合、一本の孔１２０の幅が０．２ｍｍ、長さが１８ｍｍに設定され、８本の孔１２０（スリット）を設ける場合、一本の孔１２０の幅が０．１ｍｍ、長さが１８ｍｍに設定される。なお、孔１２０の幅は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍであるのが好ましい。これにより、十分な縁端効果が期待できる。

このように、長手方向に延びる孔１２０を短手方向に複数本並べた構成とすることで、圧電素子１の変位量の低下や発生力の低下をより抑制しつつ、内部電極層１２の面積を減少させて圧電素子１の静電容量を低減でき、駆動に必要な消費電流を低減できる。また、圧電活性領域の欠けとなる不活性領域が積層方向に垂直な平面方向に散在することで、短手方向の細かいスプリアス振動を誘発させて主振動のダンピングや分割を発生でき、特に音響発生器として用いた場合、音圧特性において共振周波数付近でのピークやディップをさらに平坦化できる。

ここで、図６に示すように、内部電極層１２は、積層体１３の長手方向の一方の端面から他方側に向かって延びる形状であって、孔１２０は短手方向に延びるスリットであり、長手方向に複数本並べて設けられていてもよい。複数本の孔１２０のそれぞれの幅は、合計の幅が内部電極層１２の幅に対して例えば１０〜３０％の範囲内になるように、より細く設定される。例えば、積層体１３の幅が３．３ｍｍ、積層体１３の長さが２３ｍｍで、内部電極層１２の幅が２．７ｍｍ、長さが２０ｍｍのときに、３２本の孔１２０（スリット）を設ける場合、一本の孔１２０の幅が０．２ｍｍ、長さが２．５ｍｍに設定され、６４本の孔１２０（スリット）を設ける場合、一本の孔１２０の幅が０．１ｍｍ、長さが２．５ｍｍに設定される。なお、孔１２０の幅は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍであるのが好ましい。これにより、十分な縁端効果が期待できる。

このように、短手方向に延びる孔１２０を長手方向に複数本並べた構成とすることで、圧電素子１の変位量の低下や発生力の低下をより抑制しつつ、内部電極層１２の面積を減少させて圧電素子１の静電容量を低減でき、駆動に必要な消費電流を低減できる。また、圧電活性領域の欠けとなる不活性領域が積層方向に垂直な平面方向に散在することで、長手方向の細かいスプリアス振動を誘発させて主振動のダンピングや分割を発生でき、特に音響発生器として用いた場合、音圧特性において共振周波数付近でのピークやディップをさらに平坦化できる。

ここで、図７に示すように、第１の内部電極層１２１に設けられた孔１２０と、第２の内部電極層１２２に設けられた孔１２０とが積層方向から見て重ならない位置に設けられていることがより好ましい。なお、図７に示す例では、第１の内部電極層１２１に長手方向に延びる４本の孔１２０が設けられ、第２の内部電極層１２２に長手方向に延びる３本
の孔１２０が設けられていて、積層方向から見たときにこれらは互いに重ならないような位置に形成されている。このような構成とすることで、圧電体層１１を挟んで隣り合う第１の内部電極層１２１と第２の内部電極層１２２との対向領域が減少するので、圧電素子１の静電容量をさらに低減でき、駆動に必要な消費電流をさらに低減できる。

ここで、図８に示すように、孔１２０を有する内部電極層１２の厚みが孔１２０の外縁に向かって次第に薄くなっていることがより好ましい。このような構成とすることで、内部電極層１２と圧電体層１１との境界部に発生する空隙の抑制につながり、上下の圧電体層１１間の接合強度を向上させ、高電圧での連続駆動においてもデラミネーションによる破壊をさらに抑制できる。

次に、本実施の形態の圧電素子の製造方法について説明する。

まず、圧電体層１１となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系，ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、ドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーを用いてセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ），フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）等を用いることができる。

次に、内部電極層１２となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウムの金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法を用いて所望の内部電極層のパターンで塗布する。所望の孔の形状が得られるよう加工した印刷用スクリーンを用いて導電性ペーストを塗布することで、内部電極層１２に孔を形成することができる。

そして、この導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００℃〜１２００℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施すことによって、交互に積層された内部電極層１２および圧電体層１１を備えた積層体１３を作製する。なお、異なる孔を備えた内部電極層１２、孔の無い内部電極層１２を組み合わせること、積層する順番を変更することにより、特性の合わせこみを容易に実施することが可能である。

積層体１３は上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、内部電極層１２と圧電体層１１とを複数積層してなる積層体１３を作製できれば、どのような製造方法によって作製されてもよい。

その後、銀を主成分とする導電粒子とガラスとを混合したものに、バインダー，可塑剤および溶剤を加えて作製した銀ガラス含有導電性ペーストを、積層体１４の主面および側面にスクリーン印刷法等によって印刷して乾燥させた後、６００℃〜８００℃の温度で焼き付け処理を行ない、表面電極１４および側面電極１５１、１５２を形成する。

なお、表面電極１４と内部電極１２とを電気的に接続するためには、上記のように積層体１３の側面に形成された側面電極１５１、１５２にかえて、圧電体層１１を貫通するように形成された貫通導体を用いてもよい。

その後、積層体１３を分極処理して圧電活性を付与する。分極処理には直流電源装置を
用いて、例えば図１〜図７に示すようなユニモルフ構造の圧電素子１の場合は、第１の表面電極を負極に、第２の表面電極を正極にそれぞれ接続し、例えば２ｋＶ／ｍｍ〜３ｋＶ／ｍｍの電位差を、１５℃〜３５℃の雰囲気温度にて、印加時間として数秒印加すればよい。圧電材料の性質により、電圧、雰囲気温度、印加時間は好適に選定される。

上述のようにして所望の圧電素子１を得ることができるが、給電部材（配線部材）が必要な場合は以下の方法で、圧電素子に給電部材（配線部材）を接続すればよい。例えば導電性接着剤を用いて、フレキシブル配線基板を圧電素子に接続固定（接合）する場合、圧電素子の所定の位置に導電性接着剤用ペーストをスクリーン印刷等の手法を用いて塗布形成する。その後、フレキシブル配線基板を当接させた状態で導電性接着剤用ペーストを硬化させることにより、フレキシブル配線基板を圧電素子に接続固定する。なお、導電性接着剤用ペーストは、フレキシブル配線基板側に塗布形成しておいてもよい。

次に、本実施形態の音響発生器の一例について説明する。

本実施形態の音響発生器１０は、図９に示すように、上述の圧電素子１と、圧電素子１の主面に取り付けられ、圧電素子１の振動によって振動する振動板２とを備えている。さらに、図に示す音響発生器１０は、振動板２の外周部の少なくとも一部に設けられ、振動板２を支持する支持体としての枠体３とを備えている。

圧電素子１は、電圧の印加を受けて振動することによって振動板２を励振する励振器である。圧電素子１の主面と振動板の主面とがエポキシ系樹脂等の接着剤により接合され、圧電素子１が屈曲振動することにより、圧電素子１が振動板２に一定の振動を与えて音を発生させることができる。

振動板２は、その周縁部が枠体３に固定されていて、圧電素子１の振動によって圧電素子１とともに振動するようになっている。この振動板２は樹脂や金属等の種々の材料を用いて形成することができ、例えば厚さ１０〜２００μｍのポリエチレン、ポリイミド、ポリプロピレン等の樹脂フィルムで構成することができる。また、振動板２の形状は特に制限はなく、長方形板状などの多角形板状のもの以外に、円形板状や楕円形板状のものであってもよい。なお、樹脂フィルムで振動板２を構成する場合は、振動板２に張力がかかっている状態でその周縁部が枠体３に固定されていることが好ましい。振動板２を樹脂フィルムにより構成することで、振動板２を大きな振幅で屈曲振動させ、音圧の周波数特性における共振ピークの幅を広く、高さを低くして共振ピークとディップとの差を低減することができる。ただし、振動板２としては樹脂フィルムに限定されず、樹脂板、金属板、ガラス板などでもよく、例えば携帯端末等の電子機器の筐体の一部またはディスプレイの一部が振動板２として機能していてもよい。

枠体３は、振動板２の主面の外周部を支持する支持体として機能する。枠体３で振動板２の外周部を支持することによって振動空間を設けることで、振動板２の振幅が大きくなり、音圧を向上させることができる。枠体３としては、例えばステンレスなどの金属、ガラス、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂など種々の材料を用いて形成することができる。

枠体３は振動板２の一方主面または他方主面へ接合材を介して接合される。接合材は、樹脂系接着剤や、粘弾性体をシート状に成型したものや、基材層と粘弾性体からなる層とを積層した構成のものなどを用いることができ、これらの材料としてアクリル系、エポキシ系等の接着剤やゴム系、アクリル系、シリコーン系、ウレタン系等の粘着剤が用いられる。また、基材層としては、アセテートフォーム、アクリルフォーム、セロハン、ポリエチレンフォーム、紙、不織布が用いられる。

音響発生器１０としては、枠体３を備えない構成とすることもできるが、図９に示す例のように、振動板２の圧電素子１が接合された主面に枠体３を接合すると、特に枠体３と接合材とを合わせた厚みが圧電素子１の厚みより大きい場合には、枠体３により圧電素子１を保護することができる。また、振動板２が支持され、電子機器の筐体等への固定も容易になる。

この枠体３は、図９（ｂ）に示すように一つの枠部材（上枠部材３１）からなるものでもよく、図９（ｃ）に示すように二つの枠部材（上枠部材３１および下枠部材３２）からなるものでもよい。この場合、二つの枠部材で振動板を挟むことで、振動板２の張りを安定させることができる。なお、上枠部材３１および下枠部材３２は、それぞれの厚みが例えば１００〜５０００μｍとされる。

本実施形態の音響発生器においては、図９（ｂ）および図９（ｃ）に示すように、圧電素子１から振動板２の表面の少なくとも一部（例えば圧電素子１の周辺部）までを覆うように設けられた樹脂層４をさらに有していてもよい。樹脂層４としては、例えばヤング率が例えば１ＭＰａ〜１ＧＰａの範囲となるように形成され、例えばアクリル系樹脂を用いることができる。かかる樹脂層４に圧電を埋設することで適度なダンパー効果を誘発させることができるので、共振現象を抑制して、音圧の周波数特性におけるピークやディップを小さく抑えることができる。なお、図９（ｂ）および図９（ｃ）に示すように、樹脂層４は上枠部材３１と同じ高さとなるように形成されていてもよい。

本実施形態の音響発生器は、変位量および発生力が高く、耐久性に優れた圧電素子を用いて構成されていることから、長期間安定して高音質な状態を維持することができる。このような音響発生器は、例えば、電子機器の筺体等に設けられた支持部へ振動板２を機械的に固定または、接合材を介して固定された状態、あるいは、小さい筐体を備えた音響発生装置を電子機器の筐体内に組み込んだ状態で、電子機器の音響発生源として用いることができる。

次に、本実施形態の音響発生装置の一例について説明する。

音響発生装置１００はいわゆるスピーカのような発音装置であり、図１０に示すように、本例の音響発生装置１００は、音響発生器１０と、音響発生器１０を収容する筐体２０を備える。なお、筐体２０の一部が音響発生器１０を構成する振動板２になっていてもよく、筐体２０が音響発生器１０を収容するとは、音響発生器１０の一部（圧電素子１）を収容している状態も含むことを意味している。

筐体２０は、音響発生器１０の発する音響を内部で共鳴させるとともに、筐体２０に形成された図示せぬ開口から音響を外部へ放射する。この筐体２０は、例えば、アルミニウムやマグネシウム合金などの金属、ポリカーボネートなどの樹脂、木材など、種々の材料を用いて形成することができる。このような筐体２０を有することにより、たとえば低周波数帯域における音圧を高めることができる。

かかる音響発生装置１００は、スピーカとして単独で用いることができる他、後述するように、携帯端末や薄型テレビ、あるいはタブレット端末などへ好適に組み込むことが可能である。また、冷蔵庫、電子レンジ、掃除機、洗濯機などのように、従来、音質については重視されなかった家電製品に組み込むこともできる。

上述した本実施形態の音響発生装置は、変位量および発生力が高く、耐久性に優れた圧電素子を用いて構成されていることから、長期間安定して高音質な状態を維持することが
できる。

次に、本実施形態の電子機器の一例について説明する。

図１１に示すように、本実施形態の電子機器５０は、音響発生器１０と、音響発生器１０に接続された電子回路６０と、電子回路６０および音響発生器１０を収容する筐体７０とを備え、音響発生器１０から音響を発生させる機能を有する。なお、電子機器５０としては、音響発生器１０を筐体７０にそのまま収容するもののみならず、音響発生器１０を収容した音響発生装置１００（音響発生器１０と筐体５とからなるもの）を筐体７０に収容するものも含むことを意味している。また、筐体７０の一部が音響発生器１０を構成する振動板２となっていてもよい。

電子機器５０は、電子回路６０を備える。電子回路６０としては、ディスプレイに表示させる画像情報や携帯端末によって伝達する音声情報を処理する回路、通信回路等が例示できる。これらの回路の少なくとも１つであってもよいし、全ての回路が含まれていても構わない。また、他の機能を有する回路であってもよい。さらに、複数の電子回路を有していても構わない。図に示す電子回路６０は、コントローラ６０ａと、送受信部６０ｂと、キー入力部６０ｃと、マイク入力部６０ｄとから構成される。電子回路６０は、音響発生器１０に接続されており、音響発生器１０へ音声信号を出力する機能を有している。音響発生器１０は電子回路６０から入力された音声信号に基づいて音響を発生させる。

また、電子機器５０は、表示部５０ａと、アンテナ５０ｂと、音響発生器１０とを備え、これら各デバイスを収容する筐体７０を備える。なお、図１１では、１つの筐体にコントローラ６０ａをはじめとする各デバイスがすべて収容されている状態をあらわしているが、各デバイスの収容形態を限定するものではない。本実施形態では、少なくとも電子回路６０と音響発生器１０とが、１つの筐体７０に収容されていればよい。

コントローラ６０ａは、電子機器５０の制御部である。送受信部６０ｂは、コントローラ６０ａの制御に基づき、アンテナ５０ｂを介してデータの送受信などを行う。キー入力部６０ｃは、電子機器５０の入力デバイスであり、操作者によるキー入力操作を受け付ける。キー入力部６０ｃは、ボタン状のキーであってもよいし、表示部５０と一体となっているタッチパネルであってもよい。マイク入力部６０ｄは、同じく電子機器５０の入力デバイスであり、操作者による音声入力操作などを受け付ける。表示部５０ａは、電子機器５０の表示出力デバイスであり、コントローラ６０ａの制御に基づき、表示情報の出力を行う。

そして、音響発生器１０は、電子機器６０における音響出力デバイスとして動作する。なお、音響発生器１０は、電子回路６０のコントローラ６０ａに接続されており、コントローラ６０ａによって制御された電圧の印加を受けて音響を発することとなる。

なお、図１１では、電子機器が携帯用端末装置であるものとして説明を行ったが、電子機器の種別を問うものではなく、音響を発する機能を有する様々な民生機器に適用されてよい。たとえば、薄型テレビやカーオーディオ機器は無論のこと、音響を発する機能を有する製品、例を挙げれば、掃除機や洗濯機、冷蔵庫、電子レンジなどといった種々の製品に用いられてよい。

上述した本実施形態の電子機器は、変位量および発生力が高く、耐久性に優れた圧電素子を用いて構成されていることから、長期間安定して高音質な状態を維持することができる。

次に、本実施形態の圧電素子の具体例について説明する。

圧電素子は、長さが２３．２ｍｍ、幅が４．５ｍｍ、厚みが０．８ｍｍの長尺板状とした。また、圧電素子は、厚みが１９μｍの圧電体層と内部電極とが交互に積層された構造とし、圧電体層の総数は４２層とした。圧電体層は、Ｚｒの一部をＮｂ等で置換したチタン酸ジルコン酸鉛で形成し、内部電極層は、銀パラジウムを用いた。

まず、銀パラジウムからなる導電性ペーストを孔が形成されるよう加工した印刷用スクリーンを用いて、セラミックグリーンシートに印刷し、第１の内部電極層用のセラミックグリーンシートを準備した。異なる孔が形成されるように加工した印刷用スクリーンを用いて、セラミックグリーンシートに印刷し、第２の内部電極層用セラミックグリーンシートを準備した。これらのセラミックグリーンシートを交互に積層した後、加圧密着させ所定の寸法にカットし成形体を作製した。ここで、作製したものは、内部電極層のパターンとして図７に示すパターンのものである。具体的には、第１の内部電極層の幅は２．７ｍｍ、長さは２０ｍｍあり、孔の幅は０．２ｍｍ、長さは１８ｍｍの長尺矩形状とし、孔の本数を４本とした。第２の内部電極層の幅は３．３ｍｍ（全面電極）、長さは２０ｍｍであり、孔の幅は０．２ｍｍ、長さは１８ｍｍの長尺矩形状として、孔の本数を３本とした。第１の内部電極層に設けられた孔の位置と、第２の内部電極層に設けられた孔とは、積層方向から見て互いに重ならないように配置されている。

その後、所定の温度で脱脂を行った後、１０００℃で焼成して積層焼結体を得た。

この積層焼結体の表面と側面に、銀からなる導電性ペーストを印刷し乾燥した後、７００℃で焼成して表面電極と側面電極を形成した。次に、表面電極を介して各々の内部電極間に、室温にて２ｋＶ／ｍｍの電位差の電圧を印加し、分極処理を施して圧電素子を作製した。給電部材（配線部材）にはフレキシブル配線基板を用い、接合材としては異方性導電性接着剤を用いた。

一方、比較例として以下の方法で作製した圧電素子を準備した。

銀パラジウムからなる導電性ペーストを孔が形成されないように加工した印刷用スクリーンを用いて、セラミックグリーンシートに印刷し、第１および、第２内部電極層用のセラミックグリーンシートを準備した。その他の製造方法は上記実施例と同一として圧電素子を作製した。

上記の様に作製した本発明の実施例となる圧電素子と、比較例として作製した圧電素子の静電容量の測定を行った結果、比較例の圧電素子は、平均４．２μＦであったが、実施例の圧電素子では３．２μＦと約３０％静電容量を低下させることができた。

次に、これらの圧電素子をエポキシ系の接着剤ペーストを用いて、内径３０ｍｍ、外径６０ｍｍのアルミニウム製治具に両面テープにて貼りつけた厚さ０．８ｍｍの強化ガラス（振動板）に接着した後、印加電圧３０Ｖｐ−ｐ、測定距離１ｍｍの条件で、周波数‐音圧特性を測定した。その結果、実施例の圧電素子の音圧は、４００Ｈｚで９０ｄＢであったが、比較例の圧電素子の音圧は、８７ｄＢであった。比較例の圧電素子は静電容量が大きく、ドライバーＩＣの能力を超えるため、静電容量に見合った音圧が得られていないが、実施例の圧電素子は、静電容量が抑えられているため、大きな音圧が得られていた。

次に、この状態のまま、実施例、比較例の圧電素子を各５個、印加電圧３０Ｖｐ−ｐで１６８時間の連続駆動試験を実施した。比較例の圧電素子では２／５個層間剥離による破
壊が発生したが、実施例の圧電素子では破壊は発生しなかった。

以上のことから、圧電素子において、第１の内部電極層および第２の内部電極層に孔を設けることにより、低静電容量化、音圧および信頼性の向上が図れることが確認できた。

１ 圧電素子
１１ 圧電体層
１２ 内部電極層
１２１ 第１の内部電極層
１２２ 第２の内部電極層
１２０ 孔
１３ 積層体
１４ 表面電極
１４１ 第１の表面電極
１４２ 第２の表面電極
１５１、１５２ 側面電極
１０ 音響発生器
２ 振動板
３ 枠体
３１ 上枠部材
３２ 下枠部材
４ 樹脂層
１００ 音響発生装置
５０ 電子機器
６０ 電子回路
２０、７０ 筺体

Claims (10)

1. 複数の圧電体層と複数の内部電極層とが積層された直方体状の積層体を備え、前記複数の内部電極層のうちの少なくとも一層が孔を有していることを特徴とする圧電素子。
2. 前記複数の内部電極層は異なる極性の第１の内部電極層と第２の内部電極層とからなり、当該第１の内部電極層および第２の内部電極層が前記圧電体層を介して交互に積層されており、全ての前記第１の内部電極層は前記孔を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 全ての前記第２の内部電極層も前記孔を有していることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
4. 前記内部電極層は、前記積層体の長手方向の一方の端面から他方側に向かって延びる形状であって、前記孔は長手方向に延びるスリットであり、前記長手方向に垂直な短手方向に複数本並べて設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電素子。
5. 前記内部電極層は、前記積層体の長手方向の一方の端面から他方側に向かって延びる形状であって、前記孔は短手方向に延びるスリットであり、前記長手方向に複数本並べて設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電素子。
6. 前記第１の内部電極層に設けられた前記孔と、前記第２の内部電極層に設けられた前記孔とが積層方向から見て重ならない位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
7. 前記孔を有する前記内部電極層の厚みが前記孔の外縁に向かって次第に薄くなっていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに記載の圧電素子。
8. 請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の圧電素子と、該圧電素子の主面に取り付けられた振動板とを備えていることを特徴とする音響発生器。
9. 請求項８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備えていることを特徴とする音響発生装置。
10. 請求項８に記載の音響発生器と、該音響発生器を構成する前記圧電素子に接続された電子回路と、前記音響発生器および前記電子回路を収容する筐体とを備えていることを特徴とする電子機器。
    

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