JP6567955B2 - 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

Description

本発明は、音響発生器として好適に使用できる圧電素子、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。

従来から、振動装置や音響発生器の駆動源として圧電素子が用いられている。このような用途においては、電気信号を印加する表面電極が圧電素子の両主面に設けられるが、配線部材を一方主面側のみに配置するために他方主面の電極を一方主面側に導出すること、また複数の内部電極と圧電体層からなる積層型の圧電素子の場合には各々の内部電極と表面電極を接続することを目的として、圧電素子の側面に外部電極が設けられた構成のものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００７−１０９７５４号公報

ここで、このような圧電素子を音響発生器に用いた場合、圧電素子の振動の波が当該圧電素子の側面で反射し、その反射波がスプリアス振動として強く発現するため、音圧特性において当該スプリアス振動に起因するピークやディップが発生して音質が悪くな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、上記事情により音質が悪くなるおそれがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、スプリアス振動が強く発現するのを抑制し、特に音響発生器に用いた場合、音質の向上に寄与す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、板状の圧電素子本体部と、該圧電素子本体部の主面に設けられた表面電極と、前記圧電素子本体部の対向する一対の側面に設けられた外部電極とを備え、該外部電極は前記圧電素子本体部の厚み方向または幅方向に沿った断面において、前記厚み方向または前記幅方向に沿って厚みが変化している部位を有し、前記対向する一対のそれぞれの前記外部電極の外形が非線対称の形状であることを特徴とする。

また本発明の音響発生器は、上記構成の圧電素子と、該圧電素子の他方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。

本発明の圧電素子によれば、圧電素子の少なくとも一つの側面における反射波の反射位置が部分的にずれて反射波に起因するスプリアス振動が分散されるため、特に音響発生器に用いた場合、音圧特性においてスプリアス振動に起因するピークやディップを抑制し音質を向上できる。

また、本発明の音響発生器、音響発生装置および電子機器によれば、高音質を実現できる。

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の他の例を示す概略斜視図である。 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。 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。 （ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す概略平面図、（ｂ）および（ｃ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す概略断面図である。 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６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概略斜視図である。 図８に示す圧電素子の分解斜視図である。 （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。 本発明の音響発生器の周波数特性の一例を示すグラフである 比較例の音響発生器の周波数特性の一例を示すグラフである。

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、板状の圧電素子本体部としての圧電体１１と、圧電体１１の第１の主面に設けられた表面電極１２ａおよび表面電極１２ｂと、圧電体１１の第２の主面に設けられた表面電極１２ｃと、圧電体１１の少なくとも一つの側面（一方の端面）に設けられた外部電極１３とを備え、外部電極１３は、圧電体１１の厚み方向または幅方向に沿った断面において、厚み方向または幅方向に沿って厚みが変化している部位を有する。図１では、外部電極１３は、圧電体１１の幅方向に沿って厚みが変化している例を示している。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。

圧電素子本体部としての圧電体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）が長方形状の単層の板状体であり、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。ここで、第１の主面および第２の主面とは、圧電体１１の厚み方向に直交する方向に沿った面であって、面積の大きな面のことを意味する。具体的には、圧電体１１の第１の主面に第１の表面電極としての表面電極１２ａおよび表面電極１２ｂが設けられ、圧電体１１の第２の主面に第２の表面電極としての表面電極１２ｃが設けられている。ここで、第１の主面に設けられた表面電極１２ａと第２の主面に設けられた表面電極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とされたものである。表面電極１２ａ、表面電極１２ｂおよび表面電極１２ｃの材料としては、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の少なくとも一つの側面には外部電極１３が設けられている。本例では、少なくとも一つの側面は、長手方向と短手方向とを有する圧電体１１の長手方向の対向する一対の端面のうちの一方の端面である。具体的には、圧電体１１の端面に、表面電極１２ｂと表面電極１２ｃとを電気的に接続する外部電極１３が設けられている。外部電極１３の材料としては、表面電極１２ａ、表面電極１２ｂおよび表面電極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、一方の端面と対向する他方の端面にも外部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、外部電極１３が、圧電体１１の厚み方向または幅方向に沿った断面において、厚み方向または幅方向に沿って厚みが変化している部位を有している。ここで、厚み方向に沿った断面とは、圧電素子１の長手方向に沿って幅方向に分割するように切断した断面のことを意味し、幅方向に沿った断面とは圧電素子１の長手方向に沿って厚み方向に分割するように切断した断面のことを意味している。なお、図１では、外部電極１３は幅方向に沿って厚みが変化している例を示していて、具体的には、幅方向の両端に厚みの厚い領域があり、幅方向の中央部に厚みの薄い領域があって、これらの境界が段差状となっている。なお、図示しないが、幅方向の両端に厚みの薄い領域があり、幅方向の中央部に厚みの厚い領域があって、これらの境界が段差状となっていてもよい。

従来の圧電素子を音響発生器に用いた場合、圧電素子１の振動の波が当該圧電素子１の外面で反射し、その反射波がスプリアス振動として強く発現するため、音圧特性において当該スプリアス振動に起因するピークやディップが発生して音質が悪くなるおそれがあるのに対し、本実施形態の圧電素子１を音響発生器として用いた場合には、圧電素子１の少なくとも一つの側面における反射波の反射位置が部分的にずれて反射波に起因するスプリアス振動が分散されるため、音圧特性においてスプリアス振動に起因するピークやディップを抑制し、音質を向上できる。

外部電極１３における厚みの厚い部位と厚みの薄い部位との差としては、反射位置の差による十分な効果とスプリアス振動の分割による新たなピークやディップの発生を抑制する点で、例えば厚みの最も薄い部位を基準とした場合、１２０％〜２００％の範囲で厚い部位を有するように設定される。

ここで、図２に示すように、外部電極１３は厚み方向または幅方向に沿って連続して厚みが変化しているのがよい。なお、図２では、外部電極１３は幅方向に沿って連続して厚みが変化している例を示している。ここで、連続して厚みが変化しているとは、厚みの厚い領域から厚みの薄い領域へと徐々に厚みが変化していく形状のことを意味し、図１に示すような段差状の境界を有する形状ではなく、明確な境界のない形状となっていることを意味している。

このような構成とすることで、外部電極１３の表面の異なる位置でさまざまな方向を向いていることになるため、圧電素子１の少なくとも一つの側面における反射波の反射位置を連続的にずらし、反射波に起因するスプリアス振動をよりブロードに分散させることができる。したがって、音響発生器に用いた場合、音圧特性においてスプリアス振動に起因するピークやディップを効率よくダンピングでき、さらに音質を向上できる。

なお、図１および図２では外部電極１３の幅方向の両端に厚みの厚い領域がある例を示しているが、図３に示すように厚み方向の両端に厚みの厚い領域があってもよく、また図４に示すように厚み方向の中央に厚みの厚い領域があってもよい。また、図示はしないが、厚み方向および幅方向のうちいずれか一方向だけでなく、厚み方向および幅方向の両方向において厚みが変化していてもよい。さらに、図示しないが、外部電極１３は、厚み方向または幅方向に沿って波打った形状の表面を有するように厚みが変化している部位を有していてもよい。

ただし、外部電極１３は、図１〜図３に示すように、厚み方向または幅方向における中央部の厚みが最も薄いのがよい。この構成により、反射波の進行方向が分散されやすくなるので、反射波に起因するスプリアス振動をさらに分散させることができる。したがって、音響発生器に用いた場合、さらに音質を向上できる。厚み方向および幅方向の両方向における中央部の厚みが最も薄いと、反射波の進行方向がより分散されやすくなって、反射波に起因するスプリアス振動をさらに分散させることができる。

また、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、外部電極１３が対向する一対の側面に設けられており、圧電体１１の厚み方向または幅方向に沿った断面において、それぞれの外部電極１３の外形が非線対称の形状であるのがよい。ここで、それぞれの外部電極１３の外形が非線対称の形状であるとは、圧電素子１を長手方向に沿って切断したときに中心軸に対して左右対称な形状になっていないことを意味している。なお、本例でいう対向する一対の側面は、圧電体１１の一方の端面および他方の端面になっている。

このような構成とすることで、圧電素子１の両側面の反射位置をずらし、反射波に起因するスプリアス振動がさらに分散でき、加えて両側面からの反射波の重畳によるスプリアス振動の増幅も抑制できるため、特に音響機器に用いた場合、音圧特性においてスプリアス振動に起因するピーク／ディップをさらに抑制し音質を向上できる。

図１〜図５に示す例では、外部電極１３は圧電体１１の端面の厚み方向または幅方向の全ての領域で厚みが変化しているが、この形態に限られず、一部の領域で厚みが変化していてもよい。

一方、図６および図７に示す圧電素子２は、板状の圧電素子本体部として積層体２３を備えた圧電素子であって、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の表面電極としての表面電極２４ａおよび表面電極２４ｂと、積層体２３の第２の主面に設けられた第２の表面電極としての表面電極２４ｃと、積層体２３の一方の側面（第１の端面）に設けられた第１外部電極２５ａと、積層体２３の一方の側面（第２の端面）に設けられた第２外部電極２５ｂとを備え、第１外部電極２５ａ、第２外部電極２５ｂは、積層体２３の厚み方向または幅方向に沿った断面において、厚み方向または幅方向に沿って厚みが変化している部位を有する。

板状の圧電素子本体部としての積層体２３は、圧電体層２１および内部電極層２２が積層されたもので、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）が長方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からなるもので、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、厚み方向と直交する方向の一方の側面（第１の端面）に導出された第１の内部電極層２２ａと、第１の端面に対向する他方の側面（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。

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の表面電極としての表面電極２４ａおよび表面電極２４ｂが設けられ、積層体２３の第２の主面に第２の表面電極としての表面電極２４ｃが設けられている。ここで、第１の主面に設けられた表面電極２４ａと第２の主面に設けられた表面電極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（表面電極２４ａ、表面電極２４ｂおよび表面電極２４ｃ）の材料としては、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。なお、図に示す例では第２の主面に表面電極２４ｃが設けられているが、この形態に限られず、第２の主面に第２の表面電極としての表面電極が設けられていなくてもよい。

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外部電極が設けられている。具体的には、積層体２３の一方の側面（第１の端面）に、第１の内部電極層２２ａと表面電極２４ｂとを電気的に接続する第１外部電極２５ａが設けられている。また、積層体２３の他方の側面（第２の端面）に、第２の内部電極層２２ｂ、表面電極２４ａおよび表面電極２４ｃを電気的に接続する第２外部電極２５ｂが設けられている。第１外部電極２５ａ、第２外部電極２５ｂの材料としては、表面電極と同様の、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、第１外部電極２５ａ、第２外部電極２５ｂは、積層体２３の厚み方向または幅方向に沿った断面において、厚み方向または幅方向に沿って厚みが変化している部位を有する。

本実施形態の圧電素子２を音響発生器として用いた場合には、圧電素子２の一方の側面および他方の側面における反射波の反射位置が部分的にずれて反射波に起因するスプリアス振動が分散されるため、音圧特性においてスプリアス振動に起因するピークやディップを抑制し、音質を向上できる。

図に示す例では、第１外部電極２５ａ、第２外部電極２５ｂは積層体２３の一方の側面（第１の端面）および他方の側面（第２の端面）の厚み方向または幅方向の全ての領域で厚みが変化しているが、この形態に限られず、一部の領域で厚みが変化していてもよい。

また、図８および図９に示すように、圧電体層３１と内部電極層３２とが積層された積層体３３がバイモルフ構造になっている圧電素子３であって、外部電極は、第１外部電極３５ａ１、第２外部電極３５ａ２、第３外部電極３５ｂを含み、第１外部電極３５ａ１および第２外部電極３５ａ２は、積層体３３の一方の側面（第１の端面）に幅方向の端から間隔をおいて設けられており、第３外部電極３５ｂは、積層体３３の他方の側面（第２の端面）に幅方向の端から間隔をおいて設けられており、全ての外部電極が積層体３３の厚み方向または幅方向に沿った断面において、厚み方向または幅方向に沿って厚みが変化している部位を有していてもよい。ここで、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３２ａ１、第２の主面側に位置する第１の内部電極層３２ａ２、第２の内部電極層３２ｂが積層された積層体３３と、積層体３３の第１の主面に設けられた第１の表面電極としての表面電極３４ａ、表面電極３４ｂ１、表面電極３４ｂ２、積層体３３の第２の主面に設けられた第２の表面電極としての表面電極３４ｃと、第１の端面に設けられた第１外部電極３５ａ１、第２外部電極３５ａ２、第２の端面に設けられた第３外部電極３５ｂとを備えている。そして、第１の主面側に位置する第１の内部電極層３２ａ１と第２の主面側に位置する第１の内部電極層３２ａ２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一方の側面（第１の端面）に導出されて、それぞれ異なる第１外部電極３５ａ１、第２外部電極３５ａ２と電気的に接続され、第２の内部電極層３２ｂは他方の側面（第２の端面）に導出され、第３外部電極３５ｂ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３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３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。

なお、第１外部電極３５ａ１、第２外部電極３５ａ２および第３外部電極３５ｂが幅方向の端から間隔をおいて設けられていることで、圧電素子３の角部ないし稜部が外部のものとぶつかって欠けが生じたとしても、これらの外部電極への影響を抑えることができる。

次に、上述した圧電素子１，２，３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、３１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、３の場合は、次に内部電極層２２、３２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、３１および内部電極層２２、３２を備えた積層体２３、３３を作製する。

なお、単層の圧電体１１、または、圧電体層２１、３１と内部電極層２２、３２とを複数積層してなる積層体２３、３３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、３３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、３４ａ、３４ｂ１、３４ｂ２を設ける。

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、ローラー転写、ディスペンサー塗布等して乾燥させた後、６００℃〜８００℃の温度で焼き付け処理を行ない、目的とする形状の外部電極１３、第１外部電極２５ａ、第２外部電極２５ｂ、第１外部電極３５ａ１、第２外部電極３５ａ２、第３外部電極３５ｂを形成する。

なお、外部電極１３、第１外部電極２５ａ、第２外部電極２５ｂ、第１外部電極３５ａ１、第２外部電極３５ａ２、第３外部電極３５ｂは、例えば、ローラーの表面に凹凸を設けることで、転写時に厚みを変えて形成することができる。また、ディスペンサーの塗布速度を変更することでも厚みを変更することができる。

その後、圧電体１１または積層体２３、３３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、圧電素子１の場合は、表面電極１２ａを負極に、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。圧電素子２の場合は、表面電極２４ａを負極に、表面電極２４ｂ（および表面電極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。また、圧電素子３の場合は、第１の主面側と第２の主面側とで圧電体層の分極の向きが対称となるように接続して、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、３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、３に接続固定（接合）する場合、圧電素子１、２、３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、３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、３を作製することができる。

次に、本実施形態の音響発生器１０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１０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の外周部に設けられた、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。また、図１０に示す枠体３０は、必ずしも設けられていなくてもよく、圧電素子２と振動板２０との組み合わせのみでも音響発生器とすることができる。

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、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１０〜５００μｍ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１０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１０（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１０（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、必要により、図１０（ｂ）および図１０（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１０（ｂ）および図１０（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、音圧特性においてスプリアス振動に起因するピークやディップを抑制した圧電素子２を用いて構成されていることから、小型で高音質を有するものとなる。

なお、上述の圧電素子２と振動板２０との組み合わせにより、音響発生器としてではなく圧電振動装置とすることもできる。

また、図１１に示すように、上述の音響発生器１０を筐体７０に収容して、音響発生装置８０とすることもできる。ここで、筐体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、３）を収容している状態も含むことを意味している。

筐体は、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に設けられた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。

次に、本実施形態の電子機器の一例について説明する。

図１２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とを備えている。

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１２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１２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、本実施形態の音響発生器１０は、音圧特性においてスプリアス振動に起因するピークやディップを抑制した圧電素子２を用いて構成されていることから、小型で高音質を有するものとなる。

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３．３ｍｍ、厚みが０．７７ｍｍの長尺板状とした。また、圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛で形成した。表面電極と外部電極は、銀ガラスからなる電極とした。ここで、実施例として、外部電極はローラー転写にて最も薄い部分に対し厚い部分が１５０％となる図２に示すような形状のものを作製した。一方、比較例として、外部電極が平坦なものを作製した。このようにして、実施例となる圧電素子および比較例となる圧電素子を作製した。

これらの圧電素子を樹脂フィルムからなる振動板に貼り付けて、図１０（ｂ）に示すような音響発生器を作製し、それぞれの音響発生器に５０Ｖｐ−ｐの電圧を印加し、１ｋＨｚでの音圧を距離１０ｃｍの位置で音圧特性を測定した。その結果を図１３（実施例）および図１４（比較例）に示す。

その結果、図１３に示す実施例の音響発生器のほうが、図１４に示す比較例に比べてピークやディップが抑制されて音質が向上していることがわかる。

１、２、３ 圧電素子
１１ 圧電体
１２ａ、２４ａ、３４ａ 第１の表面電極
１２ｂ、２４ｂ、３４ｂ１ 第２の表面電極
１２ｃ、２４ｃ、３４ｂ２ 第３の表面電極
３４ｃ 第４の表面電極
１３ 外部電極
２１、３１ 圧電体層
２２、３２ 内部電極層
２２ａ 第１の内部電極層
２２ｂ、３２ｂ 第２の内部電極層
３２ａ１ 第１の主面側に位置する第１の内部電極層
３２ａ２ 第２の主面側に位置する第１の内部電極層
２３、３３ 積層体
２５ａ、３５ａ１ 第１の外部電極
２５ｂ、３５ａ２ 第２の外部電極
３５ｂ 第３の外部電極
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. 板状の圧電素子本体部と、該圧電素子本体部の主面に設けられた表面電極と、前記圧電素子本体部の対向する一対の側面に設けられた外部電極とを備え、該外部電極は前記圧電素子本体部の厚み方向または幅方向に沿った断面において、前記厚み方向または前記幅方向に沿って厚みが変化している部位を有し、前記対向する一対のそれぞれの前記外部電極の外形が非線対称の形状であることを特徴とする圧電素子。
2. 前記圧電素子本体部が単層の圧電体からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記圧電素子本体部が、圧電体層および内部電極層が積層された積層体からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
4. 前記外部電極は、前記厚み方向または前記幅方向に沿って連続して厚みが変化し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. 前記外部電極は、前記厚み方向または前記幅方向における中央部の厚みが最も薄いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の圧電素子。
6. 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と、該圧電素子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。
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、該音響発生器を構成する前記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。

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