JP2019121664A - 圧電素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 低音側への共振点の移行が図られた圧電素子を提供する。【解決手段】 圧電素子1の構成のように、活性領域16の周囲が不活性領域18で囲まれた構成とすることで、圧電素子1の共振点が低音側に移動することを、発明者らは新たに見出した。共振点が低音側に移動された圧電素子1によれば、音響デバイスに適用した場合には実用上十分に高い音圧を実現することができる。【選択図】 図4

Description

本発明は、圧電素子に関する。
従来より、ユニモルフ型よりも大きな変位が得られるバイモルフ型の圧電素子が知られている。下記特許文献1には、バイモルフ型の圧電素子を音響デバイスに適用する技術が開示されている。
特開2002−112391号公報
発明者らは、バイモルフ型の圧電素子を音響デバイスに適用したときの音圧について研究を重ねた結果、圧電素子の共振点を低音側に移すことで高い音圧の音響デバイスを実現できるとの知見を得た。そこで、さらに研究を重ね、圧電素子の共振点を低音側に移す技術を新たに見出した。
本発明は、低音側への共振点の移行が図られた圧電素子を提供することを目的とする。
本発明の一形態に係る圧電素子は、圧電材料で構成され、複数の内部電極が積層配置された素体と、素体の表面に形成され、複数の内部電極と電気的に接続された複数の外部電極とを備え、素体が、複数の内部電極に挟まれた領域であって、複数の外部電極の間に電圧が印加されると伸縮する活性領域と、複数の外部電極の間に電圧が印加されると振動しない不活性領域とを有し、活性領域が、複数の内部電極の積層方向において互いに隣り合い、かつ、複数の外部電極の間に電圧が印加されると互いに逆の方向に伸縮する第1活性領域と第2活性領域とを含み、不活性領域が活性領域の周囲を囲んでいる。
上記圧電素子では、互いに逆の方向に伸縮する第1活性領域と第2活性領域とによりバイモルフ構造が形成されている。第1活性領域と第2活性領域とを含む活性領域は、その周囲が不活性領域で囲まれているため、圧電素子の共振点が低音側に移されている。そのため、上記圧電素子を音響デバイスに適用した場合には実用上十分に高い音圧を得ることができる。
他の形態に係る圧電素子では、複数の内部電極が、積層方向に関して第1活性領域と第2活性領域の間に位置する第1内部電極と、第1内部電極との間において第1活性領域を挟む第2内部電極と、第1内部電極との間において第2活性領域を挟む第3内部電極とを含んでいる。
他の形態に係る圧電素子では、素体が、積層方向において対面する一対の主面と、一対の主面同士をつなぐ側面とを有し、複数の内部電極のそれぞれの端部は、側面において露出して側面に設けられた外部電極と電気的に接続されている。この場合、内部電極は素体の側面から素体外部に引き出され、側面において外部電極に接続される。
他の形態に係る圧電素子では、不活性領域に配置された金属層をさらに備える。この場合、製造時や駆動時におけるクラックの発生を抑制することができる。
他の形態に係る圧電素子では、金属層が外部電極と電気的に接続されている。この場合、圧電素子の補強が図られる。
他の形態に係る圧電素子では、金属層における電極成分の密度が内部電極における電極成分の密度より低い。この場合、金属層が必要以上に圧電素子の変位を阻害する事態が抑制される。
他の形態に係る圧電素子では、素体が、積層方向において対面する一対の主面と、一対の主面同士をつなぐ側面とを有し、複数の内部電極のそれぞれは、積層方向に沿って延びる複数のスルーホール導体を介して主面に引き出されて主面に設けられた外部電極と電気的に接続されている。この場合、内部電極は素体の主面から素体外部に引き出され、主面において外部電極に接続される。
他の形態に係る圧電素子では、複数のスルーホール導体が、側面に近接する領域に偏在しており、積層方向から見て活性領域の最大変位領域が素体の中心からズレている。
他の形態に係る圧電素子では、素体の主面から活性領域までの距離が、素体の側面から活性領域までの距離より短い。
本発明によれば、低音側への共振点の移行が図られた圧電素子が提供される。
図1は、実施形態に係る圧電素子を示す概略斜視図である。 図2は、図1に示す圧電素子の素体の分解斜視図である。 図3は、図2に示す各内部電極の構成を示した平面図である。 図4は、図1に示す圧電素子の断面図である。 図5は、図1とは異なる態様の圧電素子を示す概略斜視図である。 図6は、図1とは異なる態様の圧電素子を示す概略斜視図である。 図7は、図6に示す圧電素子の断面図である。 図8は、図6に示す圧電素子の平面図である。 図9は、圧電素子の分極度のバラツキを示した図である。
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
図1に示すように、実施形態に係る圧電素子1は、圧電材料で構成された素体10と、素体10の表面に形成された外部電極20とを備えて構成されている。
素体10は、矩形平板状の外形を有し、一対の主面10a、10bと、4つの側面10c〜10fとを有する。4つの側面10c〜10fは一対の主面10a、10b同士をつないでおり、側面10c、10dは素体の長辺方向において対面しており、側面10e、10fは素体の短辺方向において対面している。
外部電極20は、3つの外部電極20A、20B、20Cで構成されている。3つの外部電極20A、20B、20Cはいずれも、素体10の側面10cに設けられている。より詳しくは、各外部電極20A、20B、20Cは、側面10cを覆うとともに、側面10cから主面10a、10bまで連続的に延びて主面10a、10bの一部を覆っている。
圧電素子1の素体10は、図2に示すように積層構造を有しており、複数の圧電体層12と複数の電極層30とが交互に積層されている。本実施形態では、素体10は、12層の圧電体層12と11層の電極層30とを含んでいる。素体10の主面10aは最上層の圧電体層12の上面で構成されており、主面10bは最下層の圧電体層12の下面で構成されており、主面10a、10b同士は積層方向において対面している。
圧電体層12は、圧電材料で構成されており、本実施形態では圧電セラミックス材料で構成されている。
電極層30は、AgまたはAg合金で構成されている。電極層30は、そのパターニング形状によって3種類の電極層30A、30B、30Cに分類される。各圧電体層12には、3種類の電極層30A、30B、30Cのいずれかが形成されている。
電極層30Aは、図3(a)に示すように、圧電体層12の略全域を覆う第1内部電極31と、素体10の側面10cに相当する圧電体層12の短辺に沿って配置された2つの金属層32、33とを有する。第1内部電極31は、素体10の側面10cに相当する圧電体層12の短辺まで引き出し部31aが引き出されているが、その他の辺からは所定幅Wだけ離間している。第1内部電極31は、素体10の側面10cに設けられる外部電極20Aが形成される箇所に引き出されており、端部の引き出し部31aにおいて外部電極20Aと電気的に接続される。金属層32は、素体10の側面10cに設けられる外部電極20Bが形成される箇所に引き出されており、外部電極20Bと電気的に接続される。金属層33は、素体10の側面10cに設けられる外部電極20Cが形成される箇所に引き出されており、外部電極20Cと電気的に接続される。
電極層30Bは、図3(b)に示すように、圧電体層12の略全域を覆う第2内部電極34と、素体10の側面10cに相当する圧電体層12の短辺に沿って配置された2つの金属層33、35とを有する。第2内部電極34は、第1内部電極31同様、素体10の側面10cに相当する圧電体層12の短辺まで引き出し部34aが引き出されているが、その他の辺からは所定幅Wだけ離間している。第2内部電極34は、素体10の側面10cに設けられる外部電極20Bが形成される箇所に引き出されており、端部の引き出し部34aにおいて外部電極20Bと電気的に接続される。金属層35は、素体10の側面10cに設けられる外部電極20Aが形成される箇所に引き出されており、外部電極20Aと電気的に接続される。金属層33は、素体10の側面10cに設けられる外部電極20Cが形成される箇所に引き出されており、外部電極20Cと電気的に接続される。
電極層30Cは、図3(c)に示すように、圧電体層12の略全域を覆う第3内部電極36と、素体10の側面10cに相当する圧電体層12の短辺に沿って配置された2つの金属層32、35とを有する。第3内部電極36は、第1内部電極31および第2内部電極34同様、素体10の側面10cに相当する圧電体層12の短辺まで引き出し部36aが引き出されているが、その他の辺からは所定幅Wだけ離間している。第3内部電極36は、素体10の側面10cに設けられる外部電極20Cが形成される箇所に引き出されており、端部の引き出し部36aにおいて外部電極20Cと電気的に接続される。金属層35は、素体10の側面10cに設けられる外部電極20Aが形成される箇所に引き出されており、外部電極20Aと電気的に接続される。金属層32は、素体10の側面10cに設けられる外部電極20Bが形成される箇所に引き出されており、外部電極20Bと電気的に接続される。
なお、圧電素子1の最上層の圧電体層12には、図3(d)に示すように、上述の金属層32、33、35に対応する位置および形状に形成された端子電極38が設けられている。端子電極38の金属層32、33、35は、対応する外部電極20A、20B、20Cと電気的に接続される。なお、最上層の圧電体層12の端子電極38は、適宜省略することができる。
次に、電極層30A、30B、30Cの積層順について、図2を参照しつつ説明する。
素体10の積層方向における中央付近(図2における上から7層目)に、電極層30A(以下、中央電極層とも称す。)が位置しており、中央電極層30Aより下側では電極層30Aと電極層30Bとが交互に並んでおり、中央電極層30Aより上側では電極層30Aと電極層30Cとが交互に並んでいる。より詳しくは、中央電極層30Aの下側に、電極層30B、電極層30A、電極層30B、電極層30Aの順に並んでおり、さらにその下側に電極層30Aが配置されている。また、中央電極層30Aの上側に、電極層30C、電極層30A、電極層30C、電極層30Aの順に並んでおり、さらにその上側に電極層30Aが配置されている。
図4(a)は図1の圧電素子1のA−A線断面、図4(b)はB−B線断面、図4(c)はC−C線断面を示している。
図4(a)に示すように、素体10では、中央電極層30Aの下側において電極層30Aの第1内部電極31と電極層30Bの第2内部電極34とで挟まれた領域が第1活性領域14となっている。また、中央電極層30Aの上側において電極層30Aの第1内部電極31と電極層30Cの第3内部電極36とで挟まれた領域が第2活性領域15となっている。第1活性領域14と第2活性領域15とは、積層方向において中央電極層30Aを挟んで互いに隣り合っている。
すなわち、素体10は、活性領域16として2つの活性領域14、15を備えている。活性領域16においては、外部電極20の間に電圧が印加されると電極層30間に生じた電界により圧電体層12が伸縮する。第1活性領域14では、外部電極20Aと外部電極20Bとの間に電圧が印加されると、電極層30Aの第1内部電極31と電極層30Bの第2内部電極34とで挟まれた部分の圧電体層12が伸縮する。第2活性領域15では、外部電極20Aと外部電極20Cとの間に電圧が印加されると、電極層30Aの第1内部電極31と電極層30Cの第3内部電極36とで挟まれた部分の圧電体層12が伸縮する。
電極層30は、中央電極層30Aの第1内部電極31との間において第1活性領域14を挟む電極層30Bの第2内部電極34と、中央電極層30Aの第1内部電極31との間において第2活性領域15を挟む電極層30Cの第3内部電極36とを含んでいる。
本実施形態では、第1活性領域14に対する電圧の印加および第2活性領域15に対する電圧の印加に共通の外部電極20Aが利用されており、たとえば外部電極20Aがマイナス極である場合には外部電極20B、20Cがプラス極となる。そのため、外部電極20B、20Cに電圧を印加した場合には、第1活性領域14と第2活性領域15とでは積層方向に関して逆向きの電界が生じ、第1活性領域14と第2活性領域15とでは互いに逆の方向に伸縮が生じる。このように圧電素子1は、互いに逆の方向に伸縮を生じさせる第1活性領域14と第2活性領域15とが積層方向に重なるバイモルフ型の素子構造を有している。バイモルフ型は、ユニモルフ型に比べて大きな変位が得られるため、音響デバイスに適用すると十分な音響機能を実現することができる。圧電素子1では、圧電素子1自体に音響機能が備わっているため、音響デバイスに利用する場合に振動板や支持体を必要とはせず、外部取付部材(フレキシブルプリント配線板等)に圧電素子1を直接取り付けるだけでその部材に音響機能を付加することができる。
一方、素体10において、活性領域16以外の部分は、外部電極20の間に電圧が印加されても圧電体層12が伸縮しない非活性領域18となっている。素体10では、非活性領域18が活性領域16の周囲を囲んでいる。より具体的には、素体10の6つの面10a〜10fにおいて非活性領域18が活性領域16を覆っており、非活性領域18内に活性領域16が収容された構成となっている。積層方向における非活性領域18の厚さD(すなわち、素体10の主面10a、10bから活性領域16までの距離)は一例として50μmであり、積層方向に直交する面における非活性領域18の幅W(すなわち、素体10の側面10c〜10fから活性領域16までの距離)は一例として800μmであり、非活性領域18は厚さDが幅Wよりも小さくなっている。
上述した圧電素子1の構成のように、活性領域16の周囲が不活性領域18で囲まれた構成とすることで、圧電素子1の共振点が低音側に移動することを、発明者らは新たに見出した。共振点が低音側に移動された圧電素子1によれば、音響デバイスに適用した場合には実用上十分に高い音圧を実現することができる。
圧電素子1においては、電極層30A〜30Cが金属層32、33、35を備えているため、電極層30A〜30Cが圧電体層12の略全域を覆っている。そのため、電極の有無に起因する歪みや応力集中が生じにくくなっており、製造時や駆動時におけるクラック発生が抑制されている。また、金属層32、33、35は、対応する外部電極20A〜20Cに接続されているため、高い強度を備えており、素体10を補強する機能も有する。それにより、外部取付部材からの外力が圧電素子1の活性領域14に及ぼす影響を低減している。
さらに、金属層32、33、35は、上下に重なる電極層30の内部電極31、34、36の引き出し部31a、34a、36aに重畳する領域に形成されているため、引き出し部31a、34a、36aの電極成分の密度低下が抑制される。すなわち、内部電極31、34、36の引き出し部31a、34a、36aは、素体10の焼成工程において、電極成分の一部が、積層方向の上下に位置する圧電体層12に吸収され得るが、圧電体層12を介して引き出し部31a、34a、36aと重なるように金属層32、33、35を設けることで、引き出し部31a、34a、36aでは圧電体層12に吸収される電極成分の量が低減(たとえば半減)する。このとき、金属層32、33、35の電極成分も積層方向の上下に位置する圧電体層12に吸収されるため、金属層32、33、35の電極成分の密度は、内部電極31、34、36(引き出し部31a、34a、36aを除く)の電極成分の密度より低くなっている。金属層32、33、35の電極成分の密度が、内部電極31、34、36の電極成分の密度より低くなっているため、金属層32、33、35が必要以上に圧電素子1の変位を阻害する事態が抑制される。
本実施形態では、非活性領域18に位置する第1内部電極31(すなわち、最上層に位置する第1内部電極31および最下層に位置する第1内部電極31)は補強層となっており、上述した金属層32、33、35同様、素体10を補強する機能を有する。非活性領域18に位置する第1内部電極31は、金属層32、33、35に比べて形成領域が大きいため、素体10を効果的に補強することができる。
また、本実施形態では、圧電素子1は主面10b側から外部取付部材に取り付けられる。圧電素子1を外部取付部材に取り付けると、取り付け面である主面10bに外部取付部材からの拘束力が加わる。ただし、圧電素子1においては、主面10bと第1活性領域14との間に非活性領域18が介在する構成となっているため、活性領域が直接的に外部取付部材に取り付けられる構成に比べて、上記拘束力が第1活性領域14の伸縮を阻害しにくい。そのため、第1活性領域14において十分な伸縮量が得られ、圧電素子1全体として大きな変位を得ることができる。
なお、圧電素子1の外部電極20B、20Cは同極性であるため、1つの外部電極とすることができる。たとえば、図5に示す圧電素子1Aでは、素体10の側面10cに2つの外部電極20A、20Dが設けられている。外部電極20Dは、上述した外部電極20B、20Cの両方の形成領域を含むように設けられており、側面10cにおいて内部電極34、36および金属層32、33と電気的に接続されている。このような圧電素子1Aにおいても、上述した圧電素子1と同一または同様の効果を奏する。
また、上述した実施形態では、外部電極20が素体の側面10cに設けられた圧電素子1を示したが、外部電極を主面に設けた圧電素子にすることもできる。
以下では、図6、7を参照しつつ、外部電極を主面に設けた圧電素子101について説明する。図7(a)は図6に示す圧電素子101のA−A線断面を示し、図7(b)はB−B線断面を示す。
圧電素子101は、圧電材料で構成された素体110と、素体110の主面に形成された外部電極120とを備えて構成されている。素体110は、上述した圧電素子1の素体10とほぼ同様の外形形状および積層構造を有する。外部電極120は、3つの外部電極120A、120B、120Cで構成されている。3つの外部電極120A、120B、120Cはいずれも、素体10の主面10a上の側面110c側に設けられており、より詳しくは、主面10aの側面110cに相当する短辺に近接するとともに当該短辺に沿って等間隔に並んでいる。
図7に示すように、各外部電極120A、120B、120Cから素体110の積層方向の内側に向かって、スルーホール導体122A、122B、122Cが延びている。スルーホール導体122Aは、素体110に形成された電極層30ACの引き出し部31aおよび電極層30B、30Cの金属層35の形成領域を貫くように延びている。また、スルーホール導体122Bは、素体110に形成された電極層30Bの引き出し部34aおよび電極層30A、30Cの金属層32の形成領域を貫くように延びている。さらに、スルーホール導体122Cは、素体110に形成された電極層30Cの引き出し部36aおよび電極層30A、30Bの金属層33の形成領域を貫くように延びている。すなわち、内部電極31、34、36のそれぞれは、スルーホール導体122A、122B、122Cを介して主面110aに引き出されて主面110aに設けられた外部電極120A、120B、120Bと電気的に接続されている。
上述した圧電素子101も、圧電素子1同様、互いに逆の方向に伸縮を生じさせる第1活性領域14と第2活性領域15とが積層方向に重なるバイモルフ型の素子構造を有している。また、圧電素子101の素体110では、上述した圧電素子1の素体10同様、活性領域16以外の部分は、外部電極120の間に電圧が印加されても圧電体層12が伸縮しない非活性領域18となっている。
そのため、圧電素子101では、圧電素子1同様、共振点の低音側への移行が図られており、音響デバイスに適用した場合には実用上十分に高い音圧を実現することができる。
圧電素子101では、外部電極120A、120B、120Cおよびスルーホール導体122A、122B、122Cが素体110の側面110cに近接する領域に偏在しているため、活性領域16が側面110d側に偏っている。より詳しくは、図8に示すように、積層方向から見て、素体110の外形の中心C1から活性領域16の最大変位領域C2が側面110d側にズレている。
ここで、圧電素子101においては、主面110aに外部電極120が設けられているため、反対側の主面110b側から外部取付部材に取り付けられる。このとき、圧電素子101における第1活性領域14および第2活性領域15は、図9(a)に示すように、分極度が全体に亘って均一であることが望ましい。図9では、分極度をドットの密度で示している。しかしながら、外部取付部材に取り付けた後の圧電素子101には、外部取付部材からの拘束力等の外力が加わるため、第1活性領域14および第2活性領域15における分極度が次第に局所的に低下し得る。
図9(b)に、一例として、圧電素子101において、第1活性領域14および第2活性領域15における分極度が局所的に低下した状態を示す。図9(b)では、第1活性領域14の分極度が第2活性領域15の分極度より低下しており、第2活性領域15では側面110d側の部分の分極度が側面110c側の部分の分極度より低下している。たとえば、第2活性領域15の側面110c側の部分の分極度を100%とすると、第2活性領域15の側面110d側の部分の分極度が90%、第1活性領域14の分極度が80%まで低下している。
圧電素子101では、素体110の外形の中心C1から活性領域16の最大変位領域C2が側面110d側にズレていることで、図9(b)に示したように、活性領域16における分極度のバラツキを抑制することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されず様々な変形態様をとることが可能である。たとえば、圧電体層や電極層の層数は適宜増減することができる。また、各電極層の電極パターンについても適宜変更することができる。
1、101…圧電素子、10、110…素体、12…圧電体層、14…第1活性領域、15…第2活性領域、16…活性領域、18…不活性領域、20、20A、20B、20C、120、120A、120B、120C…外部電極、30…電極層、31、34、36…内部電極、122A、122B、122C…スルーホール導体。

Claims (9)

  1. 圧電材料で構成され、複数の内部電極が積層配置された素体と、
    前記素体の表面に形成され、前記複数の内部電極と電気的に接続された複数の外部電極と
    を備え、
    前記素体が、
    前記複数の内部電極に挟まれた領域であって、前記複数の外部電極の間に電圧が印加されると伸縮する活性領域と、
    前記複数の外部電極の間に電圧が印加されると振動しない不活性領域と
    を有し、
    前記活性領域が、前記複数の内部電極の積層方向において互いに隣り合い、かつ、前記複数の外部電極の間に電圧が印加されると互いに逆の方向に伸縮する第1活性領域と第2活性領域とを含み、
    前記不活性領域が前記活性領域の周囲を囲んでいる、圧電素子。
  2. 前記複数の内部電極が、積層方向に関して前記第1活性領域と前記第2活性領域の間に位置する第1内部電極と、前記第1内部電極との間において前記第1活性領域を挟む第2内部電極と、前記第1内部電極との間において前記第2活性領域を挟む第3内部電極とを含んでいる、請求項1に記載の圧電素子。
  3. 前記素体が、積層方向において対面する一対の主面と、前記一対の主面同士をつなぐ側面とを有し、
    前記複数の内部電極のそれぞれの端部は、前記側面において露出して前記側面に設けられた前記外部電極と電気的に接続されている、請求項1または2に記載の圧電素子。
  4. 前記不活性領域に配置された金属層をさらに備える、請求項3に記載の圧電素子。
  5. 前記金属層が前記外部電極と電気的に接続されている、請求項4に記載の圧電素子。
  6. 前記金属層における電極成分の密度が前記内部電極における電極成分の密度より低い、請求項4または5に記載の圧電素子。
  7. 前記素体が、積層方向において対面する一対の主面と、前記一対の主面同士をつなぐ側面とを有し、
    前記複数の内部電極のそれぞれは、積層方向に沿って延びる複数のスルーホール導体を介して前記主面に引き出されて前記主面に設けられた前記外部電極と電気的に接続されている、請求項1または2に記載の圧電素子。
  8. 前記複数のスルーホール導体が、前記側面に近接する領域に偏在しており、前記積層方向から見て前記活性領域の最大変位領域が前記素体の中心からズレている、請求項7に記載の圧電素子。
  9. 前記素体の前記主面から前記活性領域までの距離が、前記素体の前記側面から前記活性領域までの距離より短い、請求項3〜8のいずれか一項に記載の圧電素子。
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