JP6367693B2 - 圧電素子、圧電振動装置、音響発生器、音響発生装置および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、特に音響部品に好適な圧電素子およびこれを備えた圧電振動装置、音響発生器、音響発生装置および電子機器に関するものである。

圧電素子自体が屈曲変位するバイモルフ型の圧電素子、振動板に貼り付けられることで屈曲変位するユニモルフ型の圧電素子が知られている。そして、この圧電素子として、圧電体（単層）の主面に表面電極が設けられるとともに端面に端面電極が設けられた構成のもの、あるいは圧電体層および内部電極層が積層された積層体と、積層体の端面に設けられた端面電極とを備えた構成のものが知られている。（特許文献１を参照）。

特開２００７−１０９７５４号公報

このような圧電素子は、圧電振動装置や音響発生器などに用いられている。この装置に用いられる圧電素子は、圧電振動装置の高変位化および高発生力化や音響発生器の高音圧化の要求に伴い、圧電活性領域を可能な限り広げるため、内部電極層や表面電極の面積を大きくしたり、かつ高電圧による駆動としたりすることなどの対応が求められている。

ところが、従来の圧電素子を高電圧で駆動すると端面に大きな負荷がかかる。例えば、積層型の圧電素子の場合、内部電極層における圧電活性領域（積層方向に隣り合う内部電極層が対向する領域）の外側に位置する端部、言い換えると端面電極と接続される側の端部（電極引出部）にも、縁端効果により電界が印加されて積層体が伸縮するため、積層体の端面に大きな応力が発生する。

このとき、端面電極の幅が厚み方向（積層方向）に一定な矩形形状の場合には、この応力が端面電極の幅方向の端部と端面電極以外の領域との境界が短いため、この境界における単位長さ当たりの応力が大きくなり、境界にクラックが発生するおそれがあるという問題があった。

また、このような圧電素子を備えた圧電振動装置、音響発生器、音響発生装置および電子機器では、上記事情により高い電圧で駆動させることが困難であるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高い電圧で駆動しても端面電極と端面電極以外の領域との境界にクラックが発生するのを抑制できる圧電素子、圧電振動装置、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を目的とする。

本発明の圧電素子は、板状の圧電体と、該圧電体の第１の主面および第２の主面にそれぞれ設けられた表面電極と、前記圧電体の端面に設けられた端面電極とを備え、該端面電極は、前記圧電体の厚み方向に沿って幅が変化していて、厚み方向の両端部に幅の広くなっている部位を有しているいわゆる鼓形状、正面から見て幅方向の端部がうねった形状、および厚み方向の両端部よりも内側に両端部における幅よりも幅の広くなっている部位を有している形状のうちのいずれかの形態になっている。

また本発明の圧電素子は、圧電体層および内部電極層が積層された板状の積層体と、該積層体の第１の主面および第２の主面にそれぞれ設けられた表面電極と、前記積層体の端面に設けられた端面電極とを備え、該端面電極は、前記積層体の厚み方向に沿って幅が変化していて、厚み方向の両端部に幅の広くなっている部位を有しているいわゆる鼓形状、正面から見て幅方向の端部がうねった形状、および厚み方向の両端部よりも内側に両端部における幅よりも幅の広くなっている部位を有している形状のうちのいずれかの形態になっている。

また本発明の圧電振動装置は上記構成の圧電素子と、圧電素子に接合された振動板とを含んでいる。

また本発明の音響発生器は上記構成の圧電素子と、圧電素子が取り付けられており、圧電素子の振動によって振動する振動板と、振動板を支持する枠体とを備えている。

また本発明の音響発生装置は上記構成の音響発生器と、音響発生器を収容する筐体とを備えている。

また本発明の電子機器は上記構成の音響発生器と、音響発生器に接続された電子回路と、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、音響発生器から音響を発生させる機能を有する。

本発明の圧電素子によれば、高い電圧で駆動しても、端面電極と端面電極以外の領域との境界にクラックが発生するのを抑制できる。

また、本発明の圧電振動装置によれば、高い電圧で駆動できるため、大きな変位量や高い発生力を得ることができる。

また、本発明の音響発生器によれば、高い電圧で駆動できるため、高音圧を得ることができ、また音圧特性が平坦化した高品質な音質とすることができる。

また、本発明の音響発生装置によれば、高音質の音響発生器を備えることから、高音質の音響発生装置とすることができる。

また、本発明の電子機器によれば、高音質の音響発生器を備えることから、高音質の電子機器とすることができる。

本実施形態の圧電素子の一例を示す概略斜視図である。 本実施形態の圧電素子における端面電極のバリエーションを示す図である。 本実施形態の圧電素子の他の例を示す概略斜視図である。 図３に示す圧電素子の分解斜視図である。 本実施形態の圧電素子の他の例を示す分解斜視図である。 本実施形態の圧電振動装置の一例を示す概略断面図である。 （ａ）は本実施形態の音響発生器の一例の概略平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した一例の概略断面図、（ｃ）は（ａ）に示す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一例の構成を示すブロック図である。 本実施形態の電子機器の一例の構成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は本実施形態の圧電素子の一例を示す概略斜視図である。図１に示す圧電素子１は、板状の圧電体１１と圧電体１１の第１の主面に設けられた第１の表面電極１２ａおよび第２の表面電極１２ｂと、圧電体１１の第２の主面に設けられた第３の表面電極１２ｃと、圧電体１１の端面（第１の端面）に設けられて第２の表面電極１２ｂと第３の表面電極１２ｃとを電気的に接続する端面電極１３とを備え、端面電極１３は圧電体１１の厚み方向に沿って幅が変化するように設けられている。なお、以下の説明において、各表面電極に共通する特徴について説明する場合に単に表面電極という場合がある。

圧電体１１は、例えば平面視したときの形状（上面から見た第１の主面の形状）が矩形状の板状体であり、圧電特性を有するセラミックスや単結晶で構成されたものである。このような材料として、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１１の寸法は用途により好適に設定できる。なお、大きな変位量や発生力を得るために、２００ｐｍ／Ｖ以上の圧電定数ｄ３１を有するのがよい。

圧電体１１の第１の主面および第２の主面（第１の主面と対向する主面）には、それぞれ表面電極が設けられている。具体的には、圧電体１１の第１の主面に第１の表面電極１２ａおよび第２の表面電極１２ｂが設けられ、圧電体１１の第２の主面に第３の表面電極１２ｃが設けられている。ここで、第１の主面に設けられた第１の表面電極１２ａと第２の主面に設けられた第３の表面電極１２ｃとは、互いに対向する領域を有するようにそれぞれ大きな電極パターンに形成されたものである。第１の表面電極１２ａ、第２の表面電極１２ｂおよび第３の表面電極１２ｃの形成材料としては、銀、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、圧電体１１の端面（第１の端面）には端面電極１３が設けられている。具体的には、圧電体１１の第１の端面に、第２の表面電極１２ｂと第３の表面電極１２ｃとを電気的に接続する端面電極１３が設けられている。端面電極１３の形成材料としては、第１の表面電極１２ａ、第２の表面電極１２ｂおよび第３の表面電極１２ｃと同様の、銀、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、必要により、第１の端面と対向する第２の端面にも端面電極が設けられてもよい。

そして、本実施形態の圧電素子１は、端面電極１３が圧電体１１の厚み方向に沿って幅が変化している。ここで、端面電極１３が圧電体１１の厚み方向に沿って幅が変化している例としては、図２（ａ）に示すような台形形状（第１の主面側から第２の主面側に向かって幅が徐々に広くなっていく形状）、図２（ｂ）に示すように正面から見て幅方向の端部が異なる角度で傾斜している形状、図２（ｃ）に示すような厚み方向の両端部に幅の広くなっている部位を有している形状（いわゆる鼓状）、図２（ｄ）に示すように端面電極１３の幅方向の端部がうねった形状（凹凸が形成された形状）、図２（ｅ）に示すように厚み方向の両端部よりも内側であって一方の端部寄りに幅の広くなっている部位を有している形状、図２（ｆ）に示すように厚み方向の両端部よりも内側であって両方の端部寄りに幅の広くなっている部位を有している形状、図２（ｇ）に示すように厚み方向の中央部で最も幅が広くなっている形状などが挙げられる。例えば、最も幅の狭い部位における幅は、最も幅の広い部位における幅の５０〜９５％に設定される。具体的には、端面電極１３の最も幅の広い部位における幅が１０００μｍの場合に、最も広い部位と最も狭い部位との幅の差は５０〜５００μｍに設定される。

このような構成とすることで、圧電素子１を高い電圧で駆動して圧電素子１の端面（第１の端面）に応力が生じても、端面電極１３の幅方向の端部と端面電極１３以外の領域（
圧電体１１）との境界位置を厚み方向で変化させることで、当該境界位置における応力を分散させることができるとともに単位長さあたりの応力を緩和することができる。したがって、端面電極１３と端面電極１３以外の領域との境界にクラックが発生するのを抑制することができる。

一方、図３および図４に示す圧電素子２は、積層型の圧電素子であって、圧電体層２１および内部電極層２２が積層された板状の積層体２３と、積層体２３の第１の主面および第２の主面にそれぞれ設けられた表面電極として、積層体２３の第１の主面に設けられた第１の表面電極２４ａおよび第２の表面電極２４ｂと、積層体２３の第２の主面に設けられた第３の表面電極２４ｃと、積層体２３の第１の端面に設けられた端面電極２５ａと、積層体２３の第２の端面に設けられた端面電極２５ｂとを備え、端面電極２５ａ、２５ｂは積層体２３の厚み方向に沿って幅が変化している。

積層体２３は、例えば平面視したときの形状（上面から見た第１の主面の形状）が矩形状の板状体である。

積層体２３を構成する複数の圧電体層２１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）を主成分とするペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）など主成分とする酸化物を用いることができる。圧電体層２１の１層の厚みは、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。

積層体２３を構成する複数の内部電極層２２は、複数の圧電体層２１と交互に積層されて圧電体層２１を上下から挟んでおり、それらの間に挟まれた圧電体層２１に駆動電圧を印加するものである。図に示す内部電極層２２は、第１の端面に導出された第１の内部電極層２２ａと、第１の端面に対向する第２の端面に導出された第２の内部電極層２２ｂとを含んでいる。これらの材料として、例えば圧電セラミックスとの反応性が低い銀や銀−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。

また、積層体２３の第１の主面および第２の主面（第１の主面と対向する主面）には、それぞれ表面電極が設けられている。具体的には、積層体２３の第１の主面に第１の表面電極２４ａおよび第２の表面電極２４ｂが設けられ、積層体２３の第２の主面に第３の表面電極２４ｃが設けられている。ここで、第１の主面に設けられた第１の表面電極２４ａと第２の主面に設けられた第３の表面電極２４ｃとは、互いに対向する領域を有するようにそれぞれ大きな電極パターンに形成されたものである。表面電極（第１の表面電極２４ａ、第２の表面電極２４ｂおよび第３の表面電極２４ｃ）の形成材料としては、銀、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２３には、複数の内部電極層２２の一方の端部を一層おきに接続する端面電極が設けられている。具体的には、積層体２３の第１の端面に、第１の内部電極層２２ａと第２の表面電極２４ｂとを電気的に接続する第１の端面電極２５ａが設けられている。また、積層体２３の第２の端面に、第２の内部電極層２２ｂ、第１の表面電極２４ａおよび第３の表面電極２４ｃを電気的に接続する第２の端面電極２５ｂが設けられている。端面電極２５ａ、２５ｂの形成材料としては、表面電極（第１の表面電極２４ａ、第２の表面電極２４ｂおよび第３の表面電極２４ｃ）と同様の、銀、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。

そして、図に示す圧電素子２において、端面電極２５ａ、２５ｂは、積層体２３の厚み方向に沿って幅が変化している。

このような構成とすることで、圧電素子２の変位量や発生力を向上でき、また、高い電圧で駆動して圧電素子２の端面（第１の端面および第２の端面）に応力が生じても、端面電極２５ａ、２５ｂの幅方向の端部と端面電極２５ａ、２５ｂ以外の領域（積層体２３）との境界位置を厚み方向で変化させることで、当該境界位置に発生する応力を分散させることができるとともに単位長さあたりの応力を緩和することができる。したがって、端面電極２５ａ、２５ｂと端面電極２５ａ、２５ｂ以外の領域との境界にクラックが発生するのを抑制することができる。

ここで、図５に示すように、上記構成の積層体２３がバイモルフ構造になっている圧電素子３であってもよい。バイモルフ構造とは、ある瞬間に加えられる電界の向きに対する分極の向きが厚み方向における第１の主面側と第２の主面側とで逆転するように分極されている構造である。図に示す例では、圧電体層３１、第１の主面側に位置する第１の内部電極層２２ａ１、第２の主面側に位置する第１の内部電極層２２ａ２および第２の内部電極層２２ｂを備え、第１の主面側に位置する第１の内部電極層２２ａ１と第２の主面側に位置する第１の内部電極層２２ａ２とが異なる電極パターンとされ、幅の狭くなっている電極引出部を介してそれぞれ第１の端面に導出され、異なる端面電極（図示せず）と電気的に接続されるように構成されている。

このような構成とすることで、特に圧電素子２と振動板を接合した圧電振動装置や音響発生器として用いる場合に、圧電素子２自体が屈曲変位するため、振動板との接合面での力の損失を低減でき、更に変位量や発生力を向上させることができる。

また、図２（ｅ）〜図２（ｇ）に示すように、端面電極１３（２５ａ、２５ｂ）は厚み方向の両端部よりも内側に、両端部における幅よりも幅の広くなっている部位を有していることが好ましい。このような構成とすることで、最も変位する厚み方向の端部（圧電素子１、２の第１の主面側の端部、第２の主面側の端部）の幅が狭くなり、変位を拘束する力を低減できるため更に変位量を向上できる。

さらに、図２（ｇ）に示すように、端面電極１３（２５ａ、２５ｂ）は、厚み方向の中央部で最も幅が広くなっていることが好ましい。圧電素子２の変位の中立面となる厚み方向の中心付近から、厚み方向の両端部へ向かって端面電極１３（２５ａ、２５ｂ）の幅を狭くすることで、変位を拘束する力を最も低減でき、更に変位量を向上できる。特に、積層型であってバイモルフ構造の圧電素子２の場合に効果的である。なお、端面電極の端部における幅は、一つの端面に端面電極が一つの場合には、例えば圧電素子１、２の端面の幅が３．３ｍｍのとき、圧電素子１、２の幅に対して５０〜９５％の幅とするのがよい。また、一つの端面に端面電極が複数の場合には、例えば圧電素子１、２の端面の幅が３．３ｍｍのとき、圧電素子３の幅に対してそれぞれの端部における幅の合計が３０〜９０％であって、一つの幅がその合計を幅の数で割った値±２０％の範囲となるのがよい。

次に、上述した圧電素子１，２の製造方法について説明する。

まず、圧電体１１または圧電体層２１となるセラミック成形体を作製する。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。なお、セラミック成形体の製法としては、その他にプレス成形や押し出し成形等、好適な製法を用いることができる。

圧電素子２の場合は、次に内部電極層２２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２２のパターンで塗布し、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する。

そして、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、単層の圧電体１１または交互に積層された圧電体層２１および内部電極層２２を備えた積層体２３を作製する。

なお、単層の圧電体１１、または、圧電体層２１と内部電極層２２とを複数積層してなる積層体２３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、圧電体１１または積層体２３の主面に、スクリーン印刷法等によって印刷して乾燥させて、表面電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃを形成する。

次に、同様に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、圧電体１１または積層体２３の側面に所定のパターンにて、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、目的とする形状の端面電極１３、２５ａ、２５ｂを形成する。

その後、圧電体１１または積層体２３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、図１に示すような圧電素子１の場合は、第１の表面電極１２ａを負極に、第２の表面電極１２ｂ（および第３の表面電極１２ｃ）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。図３および図４に示すような圧電素子２の場合は、第１の表面電極２４ａを負極に、第２の表面電極２４ｂ（および第３の表面電極２４ｃ）を正極にそれぞれ接続し、上記と同様の電位差を印加すればよい。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。

以上の製造方法により、本実施形態の圧電素子１、２を作製することができる。

次に、本実施形態の圧電振動装置４の一例について説明する。

本実施形態の圧電振動装置４は、図６に示すように、上述の圧電素子２と、圧電素子２に接合された振動板２０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、３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の例えば第２の主面（振動板２０側の主面）と振動板２０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が変位（振動板２０の面内方向に伸縮）することにより、圧電素子２が振動板２０を屈曲振動させることができる。

振動板２０は、圧電素子２の変位によって圧電素子２とともに変位して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１０〜５００μｍの金属板、樹脂版、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。

本実施形態の圧電振動装置４は、高電圧で駆動しても端面電極と端面電極以外の領域との境界にクラックが発生するのを抑制した圧電素子を用いて構成されていることから、小型で高変位、高発生力、高信頼性を有する圧電振動装置とすることができる。

次に、本発明の音響発生器１０の実施形態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、３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、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。特に振動板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の一方の主面または他方の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７（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７（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。

本例の音響発生器１０においては、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、圧電素子２から振動板２０の表面の少なくとも一部（例えば圧電素子２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に圧電素子２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７（ｂ）および図７（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、高電圧で駆動しても端面電極の幅方向の端部と端面電極以外の領域との境界にクラックが発生するのを抑制された圧電素子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、本発明の音響発生装置の実施の形態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８に示すように、本例の音響発生装置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、２）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。

本実施形態の音響発生装置８０は、高電圧で駆動しても端面電極の幅方向の端部と端面電極以外の領域との境界にクラックが発生するのを抑制された圧電素子を備えた音響発生器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、本発明の電子機器の実施の形態の一例について説明する。

図９に示すように、本例の電子機器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９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９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。

本実施形態の電子機器５０は、高電圧で駆動しても端面電極の幅方向の端部と端面電極以外の領域との境界にクラックが発生するのを抑制された圧電素子を備えた音響発生器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、本発明の音響発生器の具体例について説明する。

実施例１として、単層の圧電体層（圧電体）を備えた圧電素子を作製した。具体的には、Ｂサイトの一部をＮｂ等で置換したチタン酸ジルコン酸鉛で、長さが２３．５ｍｍ、幅が３．３ｍｍ、厚みが０．１ｍｍの長尺板状に形成した単層の圧電体を用意し、当該圧電体の第１の主面および第２の主面に銀ガラスで表面電極を形成するとともに、圧電体の一
方の端面（第１の端面）に銀ガラスで端面電極を形成し、図１に示すような圧電素子を作製した。ここで、端面電極は、最大幅が２ｍｍ、最小幅が１ｍｍで、最大幅位置が厚み方向の中心付近となるように幅方向の端部が曲線状（図２（ｇ）の形状）になっているものを作製した。

また、実施例２として、実施例１の圧電体と同じ寸法の積層体を備えた積層型の圧電素子を作製した。具体的には、長さが２３．５ｍｍ、幅が３．３ｍｍ、厚みが０．９ｍｍの長尺板状の積層体とし、厚みが３０μｍの圧電体層と内部電極層とが交互に積層された構造として、圧電体層の総数は２８層とした。圧電体層はＢサイトの一部をＮｂ等で置換したチタン酸ジルコン酸鉛で形成し、内部電極は銀パラジウムの合金で形成した。そして、当該積層体の第１の主面および第２の主面に銀ガラスで表面電極を形成するとともに、積層体の一方の端面（第１の端面）および他方の端面（第２の端面）に銀ガラスで端面電極を形成し、図３に示すような圧電素子を作製した。ここで、端面電極は、最大幅が２ｍｍ、最小幅が１ｍｍで、最大幅位置が厚み方向の中心付近となるように幅方向の端部が曲線状（図２（ｇ）の形状）になっているものを作製した。

一方、比較例として、幅が２ｍｍで一定となる端面電極を形成した点以外は、上記圧電素子と同一の圧電素子（比較例１として単層の圧電体層（圧電体）を備えた圧電素子、比較例２として積層型の圧電素子）を作製した。

これらの圧電素子を長さ１１０ｍｍ、幅６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのアクリル板（振動板）の長さ方向の一端部側へ接着した後、絶縁被覆を施したリード線をはんだで表面電極へ接合し、音響発生器を作製した。

上記のようにして作製した音響発生器の振動板の両主面の外周を、ポリブチレンテレフタレートで作製した枠体治具で挟み込むように固定し、単位厚みあたりの印加電圧を１５０Ｖｐ−ｐ／ｍｍとして周波数１ｋＨｚの交流信号を、室温にて１００時間連続印加する試験を実施した。

その結果、実施例１および実施例２の圧電素子において、端面電極の幅方向の端部と端面電極以外の領域との境界にクラックは認められなかった。これに対し、比較例１および比較例２の圧電素子において、端面電極の幅方向の端部と端面電極以外の領域との境界にクラックが認められた。

上記の結果より、本実施例の圧電素子では高い電圧で駆動しても圧電素子の破壊を抑制できることが確認できた。

１、２、３ 圧電素子
１１ 圧電体
１２ａ、２４ａ 第１の表面電極
１２ｂ、２４ｂ 第２の表面電極
１２ｃ、２４ｃ 第３の表面電極
１３ 端面電極
２１ 圧電体層
２２ 内部電極層
２２ａ 第１の内部電極層
２２ｂ 第２の内部電極層
２２ａ１ 第１の主面側に位置する第１の内部電極層
２２ａ２ 第２の主面側に位置する第１の内部電極層
２３ 積層体
２５ａ 第１の端面電極
２５ｂ 第２の端面電極
１０ 音響発生器
２０ 振動板
４ 圧電振動装置
３０ 枠体
３０１ 上枠部材
３０２ 下枠部材
４０ 樹脂層
５０ 電子機器
６０ 電子回路
７０ 筐体
８０ 音響発生装置

Claims (8)

1. 板状の圧電体と、該圧電体の第１の主面および第２の主面にそれぞれ設けられた表面電極と、前記圧電体の端面に設けられた端面電極とを備え、
   該端面電極は、前記圧電体の厚み方向に沿って幅が変化していて、
   厚み方向の両端部に幅の広くなっている部位を有しているいわゆる鼓形状、正面から見て幅方向の端部がうねった形状、および厚み方向の両端部よりも内側に両端部における幅よりも幅の広くなっている部位を有している形状のうちのいずれかの形態になっていることを特徴とする圧電素子。
2. 圧電体層および内部電極層が積層された板状の積層体と、該積層体の第１の主面および第２の主面にそれぞれ設けられた表面電極と、前記積層体の端面に設けられた端面電極とを備え、
   該端面電極は、前記積層体の厚み方向に沿って幅が変化していて、
   厚み方向の両端部に幅の広くなっている部位を有しているいわゆる鼓形状、正面から見て幅方向の端部がうねった形状、および厚み方向の両端部よりも内側に両端部における幅よりも幅の広くなっている部位を有している形状のうちのいずれかの形態になっていることを特徴とする圧電素子。
3. 前記積層体がバイモルフ構造になっていることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
4. 前記端面電極は、前記厚み方向の中央部で最も幅が広くなっ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. 請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の圧電素子と、該圧電素子に接合された振動板とを含むことを特徴とする圧電振動装置。
6. 請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の圧電素子と、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、該振動板を支持する枠体とを備えてい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備えてい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、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、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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