JP5883202B1 - 圧電素子及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】 高電圧で長期間駆動しても絶縁破壊や破損のし難い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。【解決手段】 本発明は、内部電極１１及び圧電体層１２が複数積層された平面視矩形状の積層体１３と、複数の内部電極１１の一方の端部と接続される複数の接続電極１４とを備え、複数の内部電極１１は、他方の端部における角部１１０が隅切り状とされている。【選択図】 図１

Description

本発明は、特に音響を発生させるのに好適な圧電素子と、この圧電素子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。

音響発生器として、矩形板状の圧電素子を用い、小型化を実現した音響発生器が知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１３−１６２１４１号公報

しかしながら、音響発生器の小型化に伴い音圧の低下、特に２ｋＨｚ以下の低周波数領域の音圧低下が著しくなる。

この周波数領域での音圧を向上させるためには、音響発生器に印加する電圧を高くすればよいが、印加電圧を高くして長期間使用すると、特に電荷の集中する圧電素子の内部電極の角部に位置する圧電体層が絶縁破壊を生じるおそれがある。また、電荷の集中する圧電素子の内部電極の角部にクラックが発生して、圧電素子が破損するおそれがあるという問題がある。

本発明はこのような問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、高電圧を印加して長期間使用しても絶縁破壊や破損のし難い圧電素子ならびにこれを備えた音響発生器、音響発生装置および電子機器を提供することにある。

本発明の圧電素子は、内部電極及び圧電体層が複数積層された平面視矩形状の積層体と、前記複数の内部電極の一方の端部と接続される複数の接続電極とを備え、複数の前記内部電極は、他方の端部における角部が隅切り状とされていることを特徴とするものである。

また、本発明の音響発生器は、上記構成の圧電素子と、該圧電素子が取り付けられており、該圧電素子の振動によって振動する振動板と、該振動板の外周部の少なくとも一部に設けられ、前記振動板を支持する支持体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、上記構成の音響発生器と、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、上記構成の音響発生器と、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備え、前記音響発生器から音響を発生させる機能を有していることを特徴とする。

本発明によれば、高電圧を印加して長期間使用しても絶縁破壊や破損のし難い圧電素子を得ることができ、また、この圧電素子を用いれば、小型で高信頼性を有する音響発生器、音響発生装置および電子機器を得ることができる。

（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Ａ−Ａ線で切断した断面図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電素子のそれぞれの内部電極を含む面で切断した一部省略分解断面図である。 本実施形態の圧電素子の他の例のそれぞれの内部電極を含む面で切断した分解断面図である。 本実施形態の圧電素子のさらに他の例のそれぞれの内部電極を含む面で切断した一部省略分解断面図である。 本実施形態の圧電素子のさらに他の例のそれぞれの内部電極を含む面で切断した一部省略分解断面図である。 本実施形態の圧電素子のさらに他の例のそれぞれの内部電極を含む面で切断した分解断面図である。 （ａ）は本実施形態の圧電素子のさらに他の例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電素子のそれぞれの内部電極を含む面で切断した一部省略断面図である。 本実施形態の音響発生器の一例を示す概略斜視図である。 （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に係る構成を示す図である。 本実施形態の電子機器に係る構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本実施形態の圧電素子の一例について詳細に説明する。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実施の形態の一例を示す概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示す圧電素子の内部電極パターンを示す平面透視図である。

図１に示す本実施形態の圧電素子１は、内部電極１１及び圧電体層１２が複数積層された平面視矩形状の積層体１３と、複数の内部電極１１の一方の端部と接続される複数の接続電極１４ａ、１４ｂと、接続電極１４ａ、１４ｂによって複数の内部電極１１と電気的に接続された表面電極１５とを備え、複数の内部電極１１の他方の端部における角部１１０が隅切り状とされている。なお、ここでいう隅切り状とは、内部電極１１の他方の端部を隅切りしたものであってもよく、また内部電極１１を隅切りされた形状に形成したものであってもよい。

積層体１３は、平面（上面）から見た主面の形状が矩形状の板状体である。積層体１３を構成する複数の内部電極１１は、複数の圧電体層１２と交互に積層されている。また、図１に示す内部電極１１は、交互に設けられた第１の内部電極１１ａと第２の内部電極１１ｂとを含んでいて、この第１の内部電極１１ａと第２の内部電極１１ｂとは、積層体１３のそれぞれ異なる側面に導出されている。図１に示す第１の内部電極１１ａおよび第２の内部電極１１ｂは、後述する角部１１０の形状を除いて矩形状に形成されたものである。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程度に設定することが好ましい。また、大きな屈曲振動を得るために、２００ｐｍ／Ｖ以上の圧電定数ｄ３１を有することが好ましい。

また、図１に示す積層体１３は、第１の内部電極１１ａと電気的に接続された第１の表面電極１５ａと、第２の内部電極１１ｂと電気的に接続された第２の表面電極１５ｂとを備えている。表面電極１５は、積層体１３の少なくとも一方主面に設けられていて、図１に示す例では、第１の表面電極１５ａは積層体１３の両主面に設けられ、第２の表面電極１５ｂは積層体１３の一方主面（上側の主面）だけに設けられている。第１の表面電極１５ａを主面に設けることで、積層体１３の最外の圧電体層１２を内部電極１１ｂと第１の表面電極１５ａとで挟むことになり、最外の圧電体層１２に駆動電圧を印加して圧電素子の振動に寄与させることができる。表面電極１５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には、複数の内部電極１１の一方の端部を一層おきに接続する接続電極１４ａ、１４ｂが設けられている。具体的には、第１の内部電極１１ａおよび第１の表面電極１５ａを電気的に接続する第１の接続電極１４ａと、第２の内部電極１１ｂおよび第２の表面電極１５ｂを電気的に接続する第２の接続電極１４ｂとを備えている。なお、以下の説明において、それぞれの接続電極１４ａ、１４ｂに共通する説明については、単に接続電極１４という場合がある。図１では、積層体１３の側面、より具体的には矩形板状の積層体１３の対向する端面にそれぞれ接続電極１４（第１の接続電極１４ａ、第２の接続電極１４ｂ）が設けられている。接続電極１４の形成材料としては、表面電極１５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１５と内部電極１１とを電気的に接続する接続電極１４は、積層体１３の側面（端面）に形成された側面電極であるが、この側面電極にかえて、内部電極層１１の一方の端部および圧電体層１２を貫通する貫通導体であってもよい。このとき、第１の内部電極１１ａと電気的に接続された貫通導体が第２の内部電極１１ｂと電気的に接続されないように、第２の内部電極１１ｂ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。

そして、複数の内部電極１１（複数の第１の内部電極１１ａ、複数の第２の内部電極１１ｂ）の他方の端部における角部１１０が隅切り状とされている。ここで、第１の内部電極１１ａと第２の内部電極１１ｂとは交互に積層されて、それぞれ対向する異なる側面に導出されており、この導出される側の端部を第１の内部電極１１ａおよび第２の内部電極１１ｂの一方の端部としている。すなわち、複数の内部電極１１の他方の端部とは、それぞれの内部電極１１の導出される側とは反対側の端部のことを意味している。また、角部１１０が隅切り状とは、角部１１０が傾斜した形状または丸みを帯びた形状になっていることを意味している。なお、この角部１１０は角がとれてはいるものの、以下の説明において、便宜上角部として説明する。

複数の内部電極１１の他方の端部における角部１１０が隅切り状とされていることで、高電圧印加時における内部電極１１の角部への電荷の集中を分散させることができ、圧電体層１２の絶縁破壊を抑制することができる。また、高電圧印加に伴う圧電体層１２の変形により、この圧電体層１２には大きな応力が集中するが、内部電極１１の角部１１０を隅切り状とすることで応力を分散できるため、クラックの発生による圧電体層１２の破損を抑制できる。

隅切り状の距離（隅切り状とされる前の仮想的な角から隅切り状の起点までの距離）は、例えば３００〜３０００μｍとされる。

ここで、複数の内部電極１１のうちの少なくとも一つの内部電極１１において、他の内部電極１１とは隅切り状の角部１１０の大きさが異なるのが好ましい。図２に示す例では、複数の第２の内部電極１１ｂのうち、一つの第２の内部電極１１ｂ２の隅切り状の角部１１０２の大きさが、他の第２の内部電極１１ｂ１の隅切り状の角部１１０１の大きさよりも大きくなっている。なお、他の角部１１０１とは大きさを異ならせた角部１１０２の隅切り状の距離（隅切り状とされる前の仮想的な角から隅切り状の起点までの距離）は、例えば他の角部１１０１の距離の１．１〜１．５倍とされる。

このような構成とすることで、圧電共振のバランスが崩れ、主振動に加えスプリアス振動が発生する。これにより、主振動のダンピングや分散が生じ、当該圧電素子を音響発生器に用いた場合、周波数−音圧特性においてピーク／ディップが低減できて平坦化され、音質を向上させることができる。

ここで、図３に示すように、本例の圧電素子１においては、内部電極１１の隅切り状とされた角部１１０に近接する積層体１３の稜部１３０が面取り状とされていることが好ましい。なお、面取り状とは、稜部１３０が曲面（Ｒ面）または傾斜面（Ｃ面）に形成されていることを意味し、面取り加工を施すほか、積層体を面取りされた形状に形成したものであってもよい。ちなみに、例えば、この稜部１３０が曲面（Ｒ面）の場合の曲率半径は１００〜１０００μｍ、傾斜面（Ｃ面）の場合の面取りの距離（面取りされる前の仮想的な角から面取り状の起点までの距離）は１００〜１０００μｍとされる。

内部電極１１の角部１１０が隅切り状とされていることで、積層体１３の積層方向の稜部１３０を面取り状としても、内部電極１１の角部１１０と積層体１３の稜部１３０との間に十分に距離を確保することができる。また、内部電極１１の隅切り状とされた角部１１０に近接する積層体１３の積層方向の稜部１３０が面取り状とされていることで、加工や取扱いで圧電素子１の稜部１３０が受ける衝撃や応力を分散することができ、圧電素子１の破損を抑制できる。

また、図４に示すように、本例の圧電素子１においては、隅切り状の角部１１０を備える内部電極１１が設けられた圧電体層１２間のそれぞれにおいて、内部電極１１の隅切り状とされた角部１１０と、角部１１０に近接する積層体１３の積層方向の稜部１３０との間に導体層１６が設けられていることが好ましい。

高電圧印加に伴う圧電体層１２（活性部）の変形により圧電体層１２の角部には大きな応力が発生し、この応力により圧電体層１２の粒界に空間電荷分極が発生することで圧電特性が変動する傾向がある。これに対し、隅切り状とされた角部１１０と、角部１１０に近接する積層体１３の積層方向の稜部１３０との間に導体層１６を設けることで、内部電極１１の隅切り状とされた角部１１０と導体層１６との間の電位差によって電荷が粒界に沿って移動しやすくなることから、圧電体層１２の角部の粒界に発生する電荷を外部に逃がすことができるため、粒界に発生する空間電荷分極が抑制され、高電圧印加による分極変動が低減されることで圧電特性の変動を抑制できる。

ここで、内部電極１１と導体層１６との間隙は、例えば２００〜１０００μｍとされる。導体層１６の形状としては、図に示すような平面視で三角形のものの他、矩形状、楕円状などどのような形状でもよいが、内部電極１１の隅切り状とに平行となる部分を有する形状が効果的であり、また積層体１３の稜部１３０まで達するような形状が効果的である。

なお、図示していないが、稜部１３０が面取り状の場合であって導体層１６が設けられた構成とすることもできる。

ここで、複数の導体層１６のうちの少なくとも一つの導体層１６は、他の導体層１６よりも面積が大きくなっていてもよい。図５に示す例では、複数の導体層１６のうち、一つの導体層１６２の面積が、他の導体層１６１の面積よりも大きくなっている。なお、他の導体層１６とは大きさを異ならせた導体層１６２の稜部１３０からの距離は、例えば他の導体層１６の距離の１．１〜１．５倍とされる。

この構成によれば、上述の複数の内部電極１１のうちの少なくとも一つの内部電極１１において、他の内部電極１１とは隅切り状の角部１１０の大きさが異なることによる音質向上効果に加えて、圧電特性の変動も抑制できる。

また、図１に示すものは、いわゆるユニモルフ構造の圧電素子であるが、図６に示すようないわゆるバイモルフ構造の圧電素子２であってもよい。

図６に示す圧電素子２は、内部電極１１として、一層おきに設けられた第１の内部電極１１ａと、積層体１３の一方主面側の領域に配置され、圧電体層１２を間に挟んで第１の内部電極１１ａと対向するように一層おきに設けられた第２の内部電極１１ｂと、積層体１３の他方主面側の領域に配置され、圧電体層１２を間に挟んで第１の内部電極１１ａと対向するように一層おきに設けられた第３の内部電極１１ｃとを含んでいる。なお、積層体１３における一方主面側の領域と他方主面側の領域とは、例えばこれらの領域に含まれる圧電体層１２の分極の向きが対称になっていて駆動時の伸縮状態が異なる挙動を示すものである。通常、厚み方向の中央部分に一方主面側の領域と他方主面側の領域との境界が位置している。

複数の表面電極１５は、第１の内部電極１１ａと電気的に接続された第１の表面電極１５ａと、第２の内部電極１１ｂと電気的に接続された第２の表面電極１５ｂと、第３の内部電極１１ｃと電気的に接続された第３の表面電極１５ｃとを含んでいる。表面電極１５は、積層体１３の少なくとも一方主面に設けられている。

また、複数の接続電極１４は、積層体１３の少なくとも一つの側面に設けられており、第１の内部電極１１ａおよび第１の表面電極１５ａを電気的に接続する第１の接続電極１４ａと、第２の内部電極１１ｂおよび第２の表面電極１５ｂを電気的に接続する第２の接続電極１４ｂと、第３の内部電極１１ｃおよび第３の表面電極１５ｃを電気的に接続する第３の接続電極１４ｃとを含んでいる。

なお、表面電極１５と内部電極１１とを電気的に接続する接続電極１４としては、側面電極にかえて、圧電体層１２を貫通する貫通導体であってもよい。

このように、バイモルフ構造の圧電素子２とすることで、圧電素子２自体を屈曲変位させることができる。このため、例えば、機械的強度を向上させるために圧電素子と金属板とを接合させた音響発生素子においては、ユニモルフ構造に比べて接合面での機械的損失による変位量の低下が少なくなることから、変位量を向上できる。従って、例えば屈曲変位を利用した音響発生素子として用いた場合には、音圧を向上することができる。

ここで、図示しないが、第１の内部電極１１ａの面積が第２の内部電極１１ｂの面積よりも大きくてもよい。なお、第１の内部電極１１ａと第２の内部電極１１ｂとは、積層体１３のそれぞれ異なる側面に導出されていて、一方の側面に導出された第１の内部電極１１ａのみの面積を大きくすることを意味している。この構成によれば、縁端効果により圧電活性領域を増加でき、音響発生器とした場合に高い音圧を確保できる。

また、この場合において、複数の第１の内部電極１１ａのうちの少なくとも一つの第１の内部電極１１ａにおいて、他の第１の内部電極１１ａとは隅切り状の角部の大きさが異なるのがよい。ここで、他の角部１１０１とは大きさを異ならせた角部１１０２の隅切り状の距離（隅切り状とされる前の仮想的な角から隅切り状の起点までの距離）は、例えば他の角部１１０１の距離の１．１〜１．５倍とされるのがよい。活性領域の大きい側の内部電極１１ａにおいて、隅切りの大きさを異ならせることで、スプリアス振動を発生し易くなり、ピーク／ディップの抑制効果が高まる。

また、第１の内部電極１１ａの隅切り状の角部と該角部に近接する積層体１３の積層方向の稜部１３０との間にそれぞれ導体層１６が設けられており、複数の導体層１６のうちの少なくとも一つの導体層１６２の面積が他の導体層１６１の面積よりも大きいのがよい。ここで、他の導体層１６とは大きさを異ならせた導体層１６２の稜部１３０からの距離は、例えば他の導体層１６１の距離の１．１〜１．５倍とされる。活性領域の大きい側の内部電極１１ａにおいて、隅切りの大きさを異ならせることで、スプリアス振動を発生し易くなり、ピーク／ディップの抑制効果が高まるとともに、圧電特性変動の抑制効果も高まる。

次に、上述した圧電素子１，２の実施の形態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（ｂＺｒＯ_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１１および導体層１６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１１および導体層１６のパターンで塗布する。

このとき、内部電極１１となる導電性ペーストのスクリーン印刷法による塗布パターンとして隅切り状のパターンで塗布することで、内部電極１１の他方の端部に位置する角部１１０を隅切り状とすることができる。

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１１および圧電体層１２を備えた積層体１３を作製する。

ここで、積層体１３の稜部１３０を面取りする場合は、研削機を用い角部に傾斜面（Ｃ面）や曲面（Ｒ面）を設ければよい。また、ボールミルにメディア、砥粒、溶媒と共に積層体を入れ回転研摩により形成してもかまわない。

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１１と圧電体層１２とを複数積層してなる積層体を作製できれば、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１３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１５および接続電極１４（側面電極）を形成する。

なお、表面電極１５と内部電極１１とを電気的に接続する接続電極１４としては、上記のように積層体１３の側面に形成された側面電極以外に、圧電体層１２を貫通するように形成された貫通導体でもよい。

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に示すようにユニモルフ構造の圧電素子１の場合は、第１の表面電極１５ａを負極に、第２の表面電極１５ｂ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。

一方、図６に示すようにバイモルフ構造の圧電素子２の場合も同様に直流電源装置を用いて、例えば、第１の表面電極１５ａをグランド極に、第２の表面電極１５ｂを正極に、第３の表面電極１５ｃを負極にそれぞれ接続して、分極処理すればよい。

上述のようにして所望の圧電素子を得ることができるが、給電部材が必要な場合は以下の方法で、圧電素子１，２に配設すればよい。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１，２に接続固定（接合）する場合、圧電素子１，２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１，２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。

なお、給電部材としては絶縁被覆したリード線を用い、接合部材としてはんだを用いてもよく、同様の機能を有する部材を好適に選択できる。

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７および図８に示すように、上述の圧電素子２と、圧電素子２が取り付けられており、圧電素子２の振動によって振動する振動板２０と、振動板２０の外周部の少なくとも一部に設けられ、振動板２０を支持する支持体としての枠体３０とを備えている。なお、本例では、圧電素子２を用いて説明しているが、圧電素子１であってもよい。

圧電素子２は、電圧の印加を受けて振動することによって振動板２０を励振する励振器である。圧電素子２の主面と振動板２０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２が屈曲振動することにより、圧電素子２が振動板２０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２０は、張力がかかっている状態でその周縁部が枠体３０に固定されていて、圧電素子２の振動によって圧電素子２とともに振動するようになっている。この振動板２０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振動板２０を構成することができる。振動板２０を樹脂フィルムにより構成することで、振動板２０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２０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２０として機能していてもよい。

枠体３０は、振動板２０の主面の外周部を支持する支持体として機能する。枠体３０で振動板２０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２０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３０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３０は振動板２０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。

図７および図８に示す例のように、振動板２０の圧電素子２が接合された主面に枠体３０を接合すると、特に枠体３０と接合材とを合わせた厚みが圧電素子２の厚みより大きい場合には、枠体３０により圧電素子２を保護することができる。

この枠体３０は、図８（ｂ）に示すように一つの枠部材（上枠部材３０１）からなるものでもよく、図８（ｃ）に示すように二つの枠部材（上枠部材３０１および下枠部材３０２）からなるものでもよい。この場合、二つの枠部材で振動板２０を挟むことで、振動板２０の張りを安定させることができる。なお、上枠部材３０１および下枠部材３０２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１０においては、図８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように、圧電アクチュエータ１から振動板２０の表面の少なくとも一部（例えば圧電アクチュエータ１の周辺部）までを覆うように設けられた樹脂層４０をさらに有していてもよい。樹脂層４０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４０に圧電アクチュエータ１（圧電素子１１）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８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように、樹脂層４０は上枠部材３０１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１０は、高電圧で長期間使用しても絶縁破壊や破損のし難い、電気特性の変動が抑制された圧電素子２を用いて構成されていることから、小型で高音圧、高信頼性を有するものとなる。

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。

音響発生装置はいわゆるスピーカのような発音装置であり、図９に示すように、本実施形態の音響発生装置８０は、音響発生器１０と、音響発生器１０を収容する筐体７０を備える。なお、筐体７０の一部が音響発生器１０を構成する振動板２０になっていてもよく、筐体７０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７０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７０に形成された図示せぬ開口から音響を外部へ放射する。このような筐体７０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８０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８０は、高電圧で長期間使用しても絶縁破壊や破損のし難い、電気特性の変動が抑制された圧電素子２を備えた音響発生器１０を用いて構成されていることから、小型で高音圧、高信頼性を有するものとなる。

次に、本実施形態の電子機器の一例について説明する。

図１０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。

電子機器５０は、電子回路６０を備える。電子回路６０は、たとえば、コントローラ５０ａと、送受信部５０ｂと、キー入力部５０ｃと、マイク入力部５０ｄ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５０ｅと、アンテナ５０ｆ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１０では、１つの筐体７０にコントローラ５０ａ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５０ａは、電子機器５０の制御部である。送受信部５０ｂは、コントローラ５０ａの制御に基づき、アンテナ５０ｆを介してデータの送受信などを行う。キー入力部５０ｃ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。マイク入力部５０ｄ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５０ｅは、電子機器５０の表示出力デバイスであり、コントローラ５０ａ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５０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５０ａに接続されており、コントローラ５０ａ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１０では、電子機器５０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５０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、高電圧で長期間使用しても絶縁破壊や破損のし難い、電気特性の変動が抑制された圧電素子２を備えた音響発生器１０を用いて構成されていることから、小型で高音圧、高信頼性を有するものとなる。

本発明の圧電素子および音響発生器の具体例について説明する。具体的には、図１、図４に示す形態および比較例の圧電素子および音響発生器を以下に示すように作製した。

圧電素子は、長さが３５ｍｍで、幅が１５ｍｍで、厚みが０．２２ｍｍの直方体状とした。また、圧電素子は、厚みが２０μｍ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８層とした。圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛で形成した。内部電極は、銀−パラジウムを用いた。

ここで、図１に示す形態の圧電素子における内部電極は、長さを３４ｍｍ、幅を１４ｍｍ、隅切りの距離（Ｃ面の面取り距離）を３ｍｍ，３ｍｍで構成した。また、図４に示す形態の圧電素子における内部電極は、長さを３４ｍｍ、幅を１４ｍｍ、隅切りの距離（Ｃ面の面取り距離）を３ｍｍ，３ｍｍとし、隅切り面（Ｃ面）から平行に０．５ｍｍの間隔をとり、積層体の角部に内部電極と同じ材質の導体で導体層を構成した。また比較例としての圧電素子における内部電極は、長さを３４ｍｍ、幅を１４ｍｍとし、角部を隅切り状としない構成とした。

上記構成の内部電極を銀パラジウムからなる導電性ペーストでセラミックグリーンシートに印刷し、このセラミックグリーンシートを積層した後、加圧密着させ、所定の温度で脱脂を行った後、１０００℃で焼成を行い、積層焼結体を得た。

次に、銀ペーストを用いて表面電極と端面電極を印刷形成し、７５０℃にて焼付け処理を行った。

この後、２ｋＶ／ｍｍの電界強度の電圧を印加し、これらの圧電素子に分極を施した。

そして、外寸長さ５０ｍｍ、外寸幅２５ｍｍ、内寸長さ４６ｍｍ、内寸幅２１ｍｍのＳＵＳ製支持体に長さ５０ｍｍ、幅２５ｍｍのポリエチレンテレフタレートフィルムを接着剤で接合した振動板付きの支持体を準備し、振動板の主面に上記圧電素子をアクリル系接着剤で接着した。

そして、フレキシブル配線基板と接合する圧電素子の表面に、導電粒子として金メッキした樹脂ボールを含んだ導電性接着剤を塗布形成し、フレキシブル配線基板を当接させた状態で加熱加圧することで、フレキシブル配線基板を圧電素子に導通、固定し、本発明の実施例と比較例の圧電素子を用いた音響発生器Ｎｏ．１とＮｏ．２及びＮｏ３を作製した。なお、音響発生器Ｎｏ．１が本発明の図１の圧電素子を、音響発生器Ｎｏ．２が本発明の図４の圧電素子を、音響発生器Ｎｏ．３が比較例の圧電素子をそれぞれ用いている。

それぞれの音響発生器について、フレキシブル配線基板を介して、圧電素子に１ｋＨｚの周波数で、０Ｖ〜２０Ｖの矩形波信号を印加し、駆動試験を行ったところ、試料Ｎｏ．１、２では、試験前後での１ｋＨｚでの音圧変化が認められなかった。これに対し、試料Ｎｏ．３は音圧の異常低下が認められ、圧電素子を確認したところクラックが発生していた。

本実施形態の圧電素子では、高電圧で長期間駆動しても破損しにくく、また電気特性の変動が抑制されることを確認できた。

１、２・・・圧電素子
１１・・・内部電極
１１ａ・・・第１の内部電極
１１ｂ、１１ｂ１、１１ｂ２・・・第２の内部電極
１１ｃ・・・第３の内部電極
１１０、１１０１、１１０２・・・角部
１２・・・圧電体層
１３・・・積層体
１３０・・・稜部
１４・・・接続電極
１４ａ・・・第１の接続電極
１４ｂ・・・第２の接続電極
１４ｃ・・・第３の接続電極
１５・・・表面電極
１５ａ・・・第１の表面電極
１５ｂ・・・第２の表面電極
１５ｃ・・・第３の表面電極
１６、１６１、１６２・・・導体層
１０・・・音響発生器
２０・・・振動板
３０・・・枠体
３０１・・・上枠部材
３０２・・・下枠部材
５０・・・電子機器
５０ａ・・・コントローラ
５０ｂ・・・送受信部
５０ｃ・・・キー入力部
５０ｄ・・・マイク入力部
５０ｅ・・・表示部
５０ｆ・・・アンテナ
６０・・・電子回路
７０・・・筐体
８０・・・音響発生装置

Claims (11)

1. 内部電極及び圧電体層が複数積層された平面視矩形状の積層体と、複数の前記内部電極の一方の端部と接続される複数の接続電極とを備え、複数の前記内部電極は、他方の端部における角部が隅切り状とされていることを特徴とする圧電素子。
2. 複数の前記内部電極のうちの少なくとも一つの前記内部電極が、他の前記内部電極とは隅切り状の角部の大きさが異なることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 隅切り状の前記角部に近接する前記積層体の稜部が面取り状とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電素子。
4. 隅切り状の前記角部を備える前記内部電極が設けられた圧電体層間のそれぞれにおいて、隅切り状の前記角部と該角部に近接する前記積層体の稜部との間に導体層が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. 複数の前記導体層のうちの少なくとも一つの前記導体層が、他の前記導体層よりも面積が大きいことを特徴とする請求項４に記載の圧電素子。
6. 複数の前記内部電極は、積層方向に沿って交互に配置された第１の内部電極と第２の内部電極とを含み、前記第１の内部電極の面積が前記第２の内部電極の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の圧電素子。
7. 複数の前記第１の内部電極のうちの少なくとも一つの前記第１の内部電極が、他の前記第１の内部電極とは隅切り状の角部の大きさが異なることを特徴とする請求項６に記載の圧電素子。
8. 前記第１の内部電極の隅切り状の前記角部と該角部に近接する前記積層体の稜部との間にそれぞれ前記導体層が設けられており、複数の前記導体層のうちの少なくとも一つの前記導体層の面積が、他の前記導体層の面積よりも大きいことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の圧電素子。
9. 請求項１乃至請求項８のうちのいずれかに記載の圧電素子と、前記圧電素子が取り付けられており、該圧電素子の振動によって振動する振動板と、該振動板の外周部の少なくとも一部に設けられ、前記振動板を支持する支持体とを備えていることを特徴とする音響発生器。
10. 請求項９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。
11. 請求項９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備え、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。
    

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