JP2019114959A

JP2019114959A - 圧電素子、音響発生器および電子機器

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Publication number: JP2019114959A
Application number: JP2017247893A
Authority: JP
Inventors: 完臣熊澤; Sadaomi Kumazawa
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: JP6920188B2

Abstract

【課題】共振・反共振周波数付近での振動を抑制できる圧電素子、および音質の向上した音響発生器、電子機器を提供する。【解決手段】圧電素子１は、複数の第１内部電極１１１、複数の第２内部電極１１２、複数の第３内部電極１１３、複数の圧電体層１２が積層されている。また、複数の第１内部電極１１１は積層体１３の積層方向の上側領域に配置され、複数の第２内部電極１１２は積層体１３の積層方向の下側領域に配置され、複数の第３内部電極１１３は、上側領域および下側領域に配置され、複数の第１内部電極１１１または複数の第２内部電極１１２と互い違いに配置されている。また、複数の第１内部電極１１１および複数の第２内部電極１１２は、それぞれ相対的に幅の広い長方形状の主電極領域および相対的に幅の狭い引出領域を有していて、複数の第１内部電極１１１の引出領域１１１２と複数の第２内部電極１１２の引出領域１１２２とは幅が異なっている。【選択図】図２

Description

本開示は、例えば圧電振動装置や音響発生器として用いることのできる圧電素子およびこれを備えた音響発生器、電子機器に関するものである。

圧電素子は、アクチュエータ、超音波モータ、センサなどに用いられることが知られている（例えば特許文献１を参照）。また、圧電素子を駆動源とした音響発生器も知られている。

特許第６１８５９９１号

圧電素子を駆動源とした音響発生器では、圧電素子の共振・反共振の影響により、振動が変化し、音質が悪化する傾向がある。そのため、音響発生器にはさらなる音質の向上が求められている。

本開示は上記の事情に鑑みてなされたもので、共振・反共振周波数付近での振動を抑制できる圧電素子、および音質の向上した音響発生器、電子機器を提供することを目的とする。

本開示の圧電素子は、複数の第１内部電極、複数の第２内部電極、複数の第３内部電極および複数の圧電体層が積層され、長方形状の上面、長手方向の一方端に位置する第１側面および長手方向の他方端に位置する第２側面を有していて、前記複数の第１内部電極および前記複数の第２内部電極が前記第１側面に引き出され、前記複数の第３内部電極が前記第２側面に引き出されている板状の積層体と、前記上面に設けられた第１表面電極、第２表面電極および第３表面電極と、前記第１側面の左側領域に設けられ、前記第１表面電極と前記複数の第１内部電極とを電気的に接続している第１側面電極と、前記第１側面の右側領域に設けられ、前記第２表面電極と前記複数の第２内部電極とを電気的に接続している第２側面電極と、前記第２側面に設けられ、前記第３表面電極と前記複数の第３内部電極とを電気的に接続している第３側面電極とを備え、前記複数の第１内部電極は前記積層体の積層方向の上側領域に配置され、前記複数の第２内部電極は前記積層体の積層方向の下側領域に配置され、前記複数の第３内部電極は前記上側領域および前記下側領域に前記複数の第１内部電極または前記複数の第２内部電極と互い違いに配置されており、前記複数の第１内部電極および前記複数の第２内部電極は、それぞれ相対的に幅の広い長方形状の活性領域および相対的に幅の狭い引出領域を有し、前記複数の第１内部電極の引出領域と前記複数の第２内部電極の引出領域とは幅が異なっている。

また、本開示の音響発生器は、上記の圧電素子と、前記積層体の下面が接合された振動板とを備えている。

また、本開示の電子機器は、上記の圧電素子と、該圧電素子に接続された電子回路と、該電子回路および前記圧電素子を収容する筐体とを備えている。

本開示の圧電素子によれば、共振の対称性が崩れ、共振周波数付近にリップルを発生させることができる。このリップル発生により波形が分割するため、ピークディップの差が小さくなる。したがって、例えば音響発生器用の圧電素子として使用した場合に、音響発生器の音質を向上させることができる。

圧電素子の実施形態の一例を示す概略斜視図である。圧電素子の一例の分解斜視図である。圧電素子の他の例の分解斜視図である。音響発生器の実施形態の一例を示す概略斜視図である。音響発生器の実施形態の他の例を示す概略断面図である。電子機器の実施形態の一例の構成を示す図である。

圧電素子の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１および図２に示す例の圧電素子１は、複数の第１内部電極１１１、複数の第２内部電極１１２、複数の第３内部電極１１３および複数の圧電体層１２が積層され、長方形状の上面、長手方向の一方端に位置する第１側面および長手方向の他方端に位置する第２側面を有している板状体からなる積層体１３を備えている。

例えば、携帯端末のディスプレイまたは筐体に取り付けて使用される圧電素子１の場合には、積層体１３の長手方向の長さは、例えば１８ｍｍ〜２８ｍｍとされる。積層体１３の幅は、例えば１ｍｍ〜６ｍｍとされる。積層体１３の厚みは、例えば０．２ｍｍ〜２．０ｍｍとされる。

積層体１３は、第１内部電極１１１、第２内部電極１１２および第３内部電極１１３のいずれかと圧電体層１２とが交互に積層された構造を含んでいる。

積層体１３を構成する第１の内部電極１１１、第２の内部電極１１２および第３の内部電極１１３は、圧電体層１２を形成するセラミックスと同時焼成により形成されたものである。この形成材料として、例えば銀または銀−パラジウム合金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は、平面視で長方形状の上面、長手方向の一方端に位置する第１側面１３１および長手方向の他方端に位置する第２側面１３２を有している。

複数の第１内部電極１１１および複数の第２内部電極１１２は積層体１３の第１側面１３１に引き出され、複数の第３内部電極１１３は積層体１３の第２側面１３２に引き出されている。携帯端末のディスプレイまたは筐体に取り付けて使用される圧電素子の場合には、それぞれの内部電極の主電極領域および引出領域を含んだ最大長さは、例えば１７ｍｍ〜２５ｍｍとされる。それぞれの内部電極の最大幅は、例えば１ｍｍ〜５ｍｍとされる。それぞれの内部電極の厚みは、例えば０．１μｍ〜５．０μｍとされる。

積層体１３を構成する圧電体層１２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１２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、２００ｐｍ／Ｖ以上の圧電ｄ３１定数を有することができる。

積層体１３の上面には、第１表面電極１４１、第２表面電極１４２および第３表面電極１４３が設けられている。第１表面電極１４１および第２表面電極１４２は、第３表面電極１４３と比べて小さい面積とされていて、最終的にこれらは例えば一つのリード部材で電気的に接続されるようになっている。また、相対的に大きな第３表面電極１４３には、他の一つのリード部材が電気的に接続されるようになっている。

第１側面１３１の左側領域には第１側面電極１５１が設けられ、当該第１側面電極１５１が第１表面電極１４１と複数の第１内部電極１１１とを電気的に接続している。積層体１３の第１側面１３１の右側領域には第２側面電極１５２が設けられ、第２表面電極１４２と複数の第２内部電極１１２とを電気的に接続している。

ここで、第１側面１３１の左側領域とは、第１側面１３１を正面に見たときの左半分の領域のことである。また、第１側面１３１の左側領域に第１側面電極１５１が設けられているとは、左側領域の中に第１側面電極１５１があることを意味している。一方、第１側面１３１の右側領域とは、第１側面１３１を正面に見たときの右半分の領域のことである。また、第１側面１３１の右側領域に第２側面電極１５２が設けられているとは、右側領域の中に第２側面電極１５２があることを意味している。

また、積層体１３の第２側面１３２には第３側面電極１５３が設けられ、第３表面電極１４３と複数の第３内部電極１１３とを電気的に接続している。第３側面電極１５３は第２側面１３２の左側や右側に偏らずに設けられている。

そして、複数の第１内部電極１１１は積層体１３の積層方向の上側領域に配置され、複数の第２内部電極１１２は積層体１３の積層方向の下側領域に配置されている。ここで、積層体１３の積層方向の上側領域とは積層体の上半分の領域のことであり、積層体１３の積層方向の下側領域とは積層体の下半分の領域のことである。

複数の第３内部電極１１３は、上側領域および下側領域に配置されていて、複数の第１内部電極１１１または複数の第２内部電極１１２と互い違いに配置されている。

複数の第１内部電極１１１および複数の第２内部電極１１２は、それぞれ相対的に幅の広い長方形状の主電極領域および相対的に幅の狭い引出領域を有している。第１内部電極１１１は、相対的に幅の広い長方形状の主電極領域１１１１と相対的に幅の狭い引出領域１１１２とを有している。一方、第２内部電極１１２は、相対的に幅の広い長方形状の主電極領域１１２１と相対的に幅の狭い引出領域１１２２とを有している。なお、第３内部電極１１３は特に幅の狭い引出領域を有する必要はなく、長方形状の主電極領域と同じ幅の引出領域を有している。

ここで、第１内部電極１１１および複数の第２内部電極１１２の主電極領域とは、積層方向に隣り合う第３内部電極１１３と対向する面積を大きくとれるように幅広とされた領域のことである。また、第１内部電極１１１および複数の第２内部電極１１２の引出領域とは、主として第１側面１３１に設けられた第１側面電極１４１または第２側面電極１４２との接続のために設けられた領域であり、相対的に主電極領域よりも幅を狭くされた領域のことをいう。

複数の第１内部電極１１１の主電極領域１１１１と複数の第２内部電極１１２の主電極
領域１１２１の幅は例えば２．７〜５．４ｍｍとされ、複数の第１内部電極１１１の引出領域１１１２と複数の第２内部電極１１２の引出領域１１２２の幅はそれぞれ主電極領域１１１１、主電極領域１１２１の例えば０．１〜０．４倍とされる。

そして、複数の第１内部電極１１１の引出領域１１１２と複数の第２内部電極１１２の引出領域１１２２とは幅が異なっている。図２においては、複数の第１内部電極１１１の引出領域１１１２の幅が、複数の第２内部電極１１２の引出領域１１２２の幅よりも狭くなっている。

従来、複数の第１内部電極１１１の引出領域１１１２と複数の第２内部電極１１２の引出領域１１２２とは、同じ幅で設計されていた。これに対し、積層体１３の積層方向の上側領域に配置された複数の第１内部電極１１１の引出領域と、積層体１３の積層方向の下側領域に配置された複数の第２内部電極１１２の引出領域との幅を異ならせることで、共振の対称性が崩れ、共振周波数付近にリップルを発生させることができる。このリップル発生により波形が分割するため、ピークディップの差が小さくなる。したがって、例えば音響発生器に使用した場合に、当該音響発生器の音質を向上させることができる。

なお、第１内部電極１１１の引出領域１１１２の幅に対して第２内部電極１１２の引出領域１１２２の幅が広い場合の比率（引出領域１１２２／引出領域１１１２）は、例えば１．１〜２．０とされる。逆に、第２内部電極１１２の引出領域１１２２の幅に対して第１内部電極１１１の引出領域１１１２の幅が広い場合の比率（引出領域１１１２／引出領域１１２２）も、例えば１．１〜２．０とされる。

ここで、図３に示すように、複数の第１内部電極１１１の引出領域１１１２のそれぞれの幅が異なっているとともに、複数の第２内部電極１１２の引出領域１１２２のそれぞれの幅が異なっていてもよい。なお、複数の第１内部電極１１１の引出領域１１１２の幅が複数の第２内部電極１１２の引出領域１１２２の幅よりも小さい場合においては、この小さい範囲内においてそれぞれの引出領域１１１２の幅を異ならせる。複数の第１内部電極１１１の引出領域１１１２の幅が複数の第２内部電極１１２の引出領域１１２２の幅よりも小さい場合においては、この小さい範囲内においてそれぞれの引出領域１１１２の幅を異ならせる。この構成によれば、さらに共振の対称性が崩れ、共振周波数付近にリップルを発生させ、音響発生器に使用した場合に、当該音響発生器の音質を向上させることができる。

次に、本実施形態の圧電素子１の製造方法について説明する。

まず、圧電体層１２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、第１内部電極１１１、第２内部電極１１２および第３内部電極１１３となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金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第１内部電極１１１、第２内部電極１１２および第３内部電極１１３のパターンで塗布する。ここで、第１内部電
極１１１および第２内部電極１１２のパターンにおいては、それぞれの引出領域の幅を互いに異ならせるように塗布する。

さらに、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、第１内部電極１１１、第２内部電極１１２および第３内部電極１１３と圧電体層１２とを備えた積層体１３を作製する。

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、第１内部電極１１１、第２内部電極１１２および第３内部電極１１３と圧電体層１２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、第１表面電極１４１、第２表面電極１４２および第３表面電極１４３のパターンで積層体１３の上面にスクリーン印刷法等によって印刷して乾燥させる。また、同様に作製された銀ガラス含有導電性ペーストを、第１側面電極１５１、第２側面電極１５２および第３側面電極１５３のパターンで積層体１３の側面にスクリーン印刷法等によって印刷して乾燥させる。その後、６５０〜７５０℃の温度で焼き付け処理を行ない、第１表面電極１４１、第２表面電極１４２および第３表面電極１４３と、第１側面電極１５１、第２側面電極１５２および第３側面電極１５３とを形成する。

以上の方法により、本実施形態の圧電素子１を作製することができる。

次に、本実施形態の音響発生器について説明する。本実施形態の音響発生器１０は、図４に示すように、上述の圧電素子１と、圧電素子１が取り付けられた振動板２とを備えているものである。

振動板２は、例えば矩形状の薄板である。振動板２は、アクリル樹脂やガラス等の剛性および弾性が大きい材料を用いることができる。また、振動板２の厚みは、例えば０．４ｍｍ〜１．５ｍｍに設定される。

圧電素子１の下面が接合材３を介して振動板２に接合されている。接合材３の上面（図の＋ｚ方向側の主面）には圧電素子１の下面（図の−ｚ方向側の主面）が全体的に固着され、接合材３の下面（図の−ｚ方向側の主面）には振動板２の上面（図の＋ｚ方向側の主面）の一部が固着されている。接合材３を介して、振動板２に圧電素子１の下面の全面が接合されていてもよく、ほぼ全面が接合されていてもよい。

接合材３は、例えばフィルム状の形状を有している。また、接合材３は、振動板２よりも柔らかく変形しやすいもので形成されており、振動板２よりもヤング率，剛性率，体積弾性率等の弾性率や剛性が小さい。変形可能な接合材３で圧電素子１と振動板２とを接合することで、圧電素子１から振動が伝達されたとき、変形可能な接合材３が振動板２よりも大きく変形する。このとき、振動板２から反射される逆位相の振動を変形可能な接合材３で緩和することができるので、圧電素子１が周囲の振動の影響を受けずに振動板２へ強い振動を伝達させることができる。

接合材３としては、例えば、不織布等からなる基材の両面に粘着剤が付着された両面テープや、弾性を有する接着剤を含むものを用いることができる。これらの厚みは、例えば
１０μｍ〜２０００μｍとされる。

接合材３は、単一のものであっても、いくつかの部材からなる複合体であってもよい。このような接合材３としては、例えば、不織布等からなる基材の両面に粘着剤が付着された両面テープや、弾性を有する接着剤である各種弾性接着剤等を好適に用いることができる。また、接合材３の厚みは、例えば０．１ｍｍ〜０．６ｍｍに設定される。

なお、振動板２の周縁部は、例えばステンレスなどの金属、樹脂などからなる枠状の支持体で固定されていてもよい。この場合、振動板２として、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を用いることもできる。

また、音響発生器１０は、図５に示すように、上述の圧電素子１と、圧電素子１を収容する筐体４とを備えているものでもよい。このとき、筐体４の一部が振動板として機能する。筐体４は、音響発生器の発する音響を内部で共鳴させるとともに、筐体４に形成された開口から音響を外部へ放射する。このような筐体４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。

このような構成の音響発生器１０は、電気信号を加えることによって圧電素子１を屈曲振動させ、それによって、振動板２を振動させる。本開示の音響発生器１０によれば、リップル発生により波形が分割され、ピークディップの差が小さくなった圧電素子１を用いていることから、音質に優れたものとすることができる。

次に、本実施形態の電子機器について、説明する。本実施形態の電子機器１００は、図６に示すように、上述の圧電素子１と、圧電素子１に接続された電子回路５と、圧電素子１および電子回路５を収容する筐体４とを備えている。なお、図６には、説明に必要となる構成要素のみを示しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。

電子機器１００は、電子回路５を備える。電子回路５は、たとえば、コントローラ５１と、送受信部５２と、キー入力部５３と、マイク入力部５４とから構成される。電子回路５は、圧電素子１に接続されており、圧電素子１へ音声信号を出力する機能を有している。圧電素子１は電子回路５から入力された音声信号に基づいて振動し、音響を発生させる。

また、電子機器１００は、表示部６１と、アンテナ６２とを備える。電子機器１００は、これら各デバイスを収容する筐体４を備えており、図では、１つの筐体にコントローラ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５と圧電素子１とが、１つの筐体４に収容されていればよい。

コントローラ５１は、電子機器１００の制御部である。送受信部５２は、コントローラ５１の制御に基づき、アンテナ６２を介してデータの送受信などを行う。キー入力部５３は、電子機器１００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。マイク入力部５４は、同じく電子機器１００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。表示部は、電子機器１００の表示出力デバイスであり、コントローラの制御に基づき、表示情報の出力を行う。

そして、圧電素子１は、電子機器における音響出力デバイスとして動作する。なお、圧電素子１は、電子回路５のコントローラ５１に接続されており、コントローラ５１によって制御された電圧の印加を受けて振動し、音響を発することとなる。

なお、ここでは、電子機器１００が携帯端末であるものとして説明を行ったが、電子機器１００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。

このような電子機器１００は、リップル発生により波形が分割され、ピークディップの差が小さくなった圧電素子１を用いていることから、音質に優れたものとすることができる。また、筐体４を備えることで、低周波数の音圧を上昇させることができる。

１圧電素子
１１１第１内部電極
１１１１主電極領域
１１１２引出領域
１１２第２内部電極
１１２１主電極領域
１１２２引出領域
１２圧電体層
１３積層体
１３１第１側面
１３２第２側面
１４１第１表面電極
１４２第２表面電極
１４３第３表面電極
１５１第１側面電極
１５２第２側面電極
１５３第３側面電極
１０音響発生器
２振動板
３接合材
４筐体
１００電子機器
５電子回路
５１コントローラ
５２送受信部
５３キー入力部
５４マイク入力部
６１表示部
６２アンテナ

Claims

複数の第１内部電極、複数の第２内部電極、複数の第３内部電極および複数の圧電体層が積層され、長方形状の上面、長手方向の一方端に位置する第１側面および長手方向の他方端に位置する第２側面を有していて、前記複数の第１内部電極および前記複数の第２内部電極が前記第１側面に引き出され、前記複数の第３内部電極が前記第２側面に引き出されている板状の積層体と、
前記上面に設けられた第１表面電極、第２表面電極および第３表面電極と、
前記第１側面の左側領域に設けられ、前記第１表面電極と前記複数の第１内部電極とを電気的に接続している第１側面電極と、
前記第１側面の右側領域に設けられ、前記第２表面電極と前記複数の第２内部電極とを電気的に接続している第２側面電極と、
前記第２側面に設けられ、前記第３表面電極と前記複数の第３内部電極とを電気的に接続している第３側面電極とを備え、
前記複数の第１内部電極は前記積層体の積層方向の上側領域に配置され、前記複数の第２内部電極は前記積層体の積層方向の下側領域に配置され、前記複数の第３内部電極は前記上側領域および前記下側領域に前記複数の第１内部電極または前記複数の第２内部電極と互い違いに配置されており、
前記複数の第１内部電極および前記複数の第２内部電極は、それぞれ相対的に幅の広い長方形状の主電極領域および相対的に幅の狭い引出領域を有し、
前記複数の第１内部電極の引出領域と前記複数の第２内部電極の引出領域とは幅が異なっていることを特徴とする圧電素子。
複数の第１内部電極の引出領域のそれぞれの幅が異なっているとともに、複数の第２内部電極の引出領域のそれぞれの幅が異なっていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
請求項１または請求項２に記載の圧電素子と、該圧電素子が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。
請求項１または請求項２に記載の圧電素子と、該圧電素子に接続された電子回路と、前記圧電素子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。