WO2016068247A1 - 圧電素子、音響発生器、音響発生装置および電子機器 - Google Patents

圧電素子、音響発生器、音響発生装置および電子機器 Download PDF

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piezoelectric element
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piezoelectric
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博 毛利
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京セラ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric element, a sound generator, a sound generator, and an electronic device.
  • a multilayer piezoelectric element in which a plurality of internal electrode layers and piezoelectric layers are stacked is known.
  • a resonator, a filter, or a vibration of an acoustic generator such as a buzzer or a panel speaker. Used as a source.
  • a piezoelectric element it is important from the viewpoint of ensuring reliability to suppress the generation of stress and local stress concentration inside the element during driving.
  • a multi-layer piezoelectric element that suppresses such stress concentration by providing a non-electrode forming portion at the periphery of the internal electrode layer is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the piezoelectric element having the above-described structure the positions of the internal electrode layers whose peripheral edges are the non-electrode forming portions are aligned in the stacking direction. Therefore, when the piezoelectric element is used as a vibration source for an acoustic generator, the position of the expanding and contracting piezoelectric active region is uniform, so that there is a possibility that the resonance frequency is matched and the piezoelectric resonance is strongly developed. Therefore, there has been a problem that the peak and dip in the frequency-sound pressure characteristic of the acoustic generator provided with this piezoelectric element become large and the sound quality may be deteriorated. Similarly, there has been a problem that the sound quality of the acoustic generator and the electronic apparatus including the piezoelectric element may be deteriorated.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, a piezoelectric element capable of suppressing the strong expression of piezoelectric resonance at a specific frequency and improving the sound quality of an acoustic generator, and an acoustic equipped with this piezoelectric element. It aims at providing a generator, a sound generator, and an electronic device.
  • the piezoelectric element of the present invention has a rectangular plate shape having a length direction and a width direction in which the first internal electrode layer and the second internal electrode layer are alternately stacked so as to face each other through the piezoelectric layer.
  • the acoustic generator of the present invention is characterized by comprising the above-described piezoelectric element and a vibration plate to which the piezoelectric element is attached and vibrates due to vibration of the piezoelectric element.
  • the sound generator of the present invention is characterized by comprising the above-described sound generator and a housing that houses the sound generator.
  • an electronic apparatus comprising: the above-described acoustic generator; an electronic circuit connected to the acoustic generator; and a housing that houses the electronic circuit and the acoustic generator.
  • the piezoelectric element of the present invention the strong expression of piezoelectric resonance at a specific frequency can be suppressed. Therefore, when used as a vibration source of an acoustic generator, peaks and dips in the frequency-sound pressure characteristics are flattened, and the sound quality of the acoustic generator can be improved. In addition, according to the sound generator, sound generator, and electronic apparatus of the present invention, the sound performance can be improved.
  • (A) is a schematic perspective view which shows an example of the piezoelectric element of this embodiment, (b) is pattern explanatory drawing of the internal electrode layer of the piezoelectric element shown to (a), (c) is a piezoelectric element shown to (a). It is a disassembled perspective view.
  • (A) is a schematic perspective view which shows the other example of the piezoelectric element of this embodiment, (b) is pattern explanatory drawing of the internal electrode layer of the piezoelectric element shown to (a), (c) is a piezoelectric shown to (a). It is a disassembled perspective view of an element.
  • (A)-(d) is explanatory drawing of the variation of the pattern of a 2nd internal electrode layer.
  • (A) is a schematic perspective view which shows another example of the piezoelectric element of this embodiment
  • (b) is explanatory drawing at the time of the drive of a bimorph type piezoelectric element.
  • (A)-(d) is explanatory drawing of the variation of the relationship between the space
  • (A) And (b) is explanatory drawing of the variation of the pattern of the 2nd internal electrode layer from which an area differs.
  • (A) is a schematic plan view showing a schematic configuration of an embodiment of the sound generator of the present embodiment,
  • (b) is a schematic sectional view of an example cut along the AA line of (a),
  • (C) is a schematic sectional drawing of the other example cut
  • FIG. 1 It is a block diagram showing an example of an embodiment of a sound generator of this embodiment. It is a block diagram which shows an example of embodiment of the electronic device of this embodiment.
  • (A) is a graph which shows an example of the frequency-sound pressure characteristic of the sound generator which concerns on embodiment of this embodiment,
  • (b) is a graph which shows the frequency-sound pressure characteristic of the conventional sound generator.
  • FIG. 1A is a schematic perspective view showing an example of the piezoelectric element of the present embodiment
  • FIG. 1B is an explanatory diagram of patterns of internal electrode layers of the piezoelectric element shown in FIG. 1A
  • FIG. It is a disassembled perspective view of the piezoelectric element shown to Fig.1 (a).
  • 2A is a schematic perspective view showing another example of the piezoelectric element of the present embodiment
  • FIG. 2B is a pattern explanatory diagram of the internal electrode layer of the piezoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 3C is an exploded perspective view of the piezoelectric element shown in FIG.
  • the piezoelectric element 1 of the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is a laminate in which the first internal electrode layers 11 and the second internal electrode layers 12 are alternately stacked so that they face each other via the piezoelectric layer 13.
  • a rectangular plate-shaped piezoelectric element having a body 14 and having a length direction and a width direction, and the second internal electrode layer 12 is located between both side surfaces in the width direction of the stack 14 when viewed from the stacking direction.
  • the gap 120 is provided in at least a part of the gap 120, and when the entire area of the gap 120 is viewed, there is a portion where the distance d between the second internal electrode layer 12 and the side surface is different.
  • the piezoelectric element 1 is a rectangular plate-shaped piezoelectric element in which the first internal electrode layer 11 and the second internal electrode layer 12 are alternately stacked so as to face each other via the piezoelectric layer 13. More specifically, the first internal electrode layer 11, the second internal electrode layer 12, and the piezoelectric layer 13 are composed of the piezoelectric layer 13, the first internal electrode layer 11, the piezoelectric layer 13, and the second internal layer. It has a laminate 14 in which an electrode layer 12 and a piezoelectric layer 13 are laminated in this order.
  • This laminated body 14 is a rectangular plate-like body in which the shape of the main surface viewed from the plane (upper surface) has a length direction (longitudinal direction) and a width direction (short direction). Therefore, the piezoelectric element 1 also has a rectangular shape having a length direction and a width direction in plan view.
  • the first internal electrode layer 11 and the second internal electrode layer 12 constituting the laminated body 14 are arranged so as to face each other with the piezoelectric layer 13 interposed therebetween, and sandwich the piezoelectric layer 13 from above and below.
  • these materials for example, a conductor mainly composed of silver or silver-palladium which can be fired at a low temperature, or a conductor containing copper, platinum or the like can be used. Good.
  • the plurality of piezoelectric layers 13 constituting the laminated body 14 are made of ceramics having piezoelectric characteristics.
  • ceramics for example, perovskite oxides made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ), Lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), or the like can be used.
  • the thickness of one layer of the piezoelectric layer 13 is set to 0.01 to 0.1 mm, for example, in order to drive with a low voltage.
  • the piezoelectric constant d31 is set to 200 pm / V or more.
  • the laminate 14 shown in the figure includes a surface electrode 15.
  • the surface electrode 15 includes a first surface electrode 151 electrically connected to the first internal electrode 11 and a second surface electrode 152 electrically connected to the second internal electrode 12. And.
  • the surface electrode 15 is provided on at least one main surface of the multilayer body 14.
  • a material of the surface electrode 15 silver, a silver compound containing silver or the like containing glass mainly containing silica, nickel, or the like can be used.
  • the first side electrode 161 that electrically connects the first internal electrode layer 11 and the first surface electrode 151
  • the second A second side electrode 162 that electrically connects the internal electrode layer 12 and the second surface electrode 152 is provided on the side surfaces (end surfaces) facing each other in the length direction of the multilayer body 14.
  • the material for the first side electrode 161 and the second side electrode 162 the same as the surface electrode 15, silver, silver, a silver compound containing silica as a main component, nickel, or the like is used. it can.
  • the side surface (end surface) in the length direction of the laminate 14 is used to connect the surface electrode 15 and the internal electrode layers (the first internal electrode layer 11 and the second internal electrode layer).
  • the side electrodes (the first side electrode 161 and the second side electrode 162) provided on the first side electrode 11 are replaced with one end portion of the first internal electrode layer 11 and the piezoelectric body.
  • a penetrating conductor that penetrates the layer 13, a penetrating conductor that penetrates one end of the second internal electrode layer 12 and the piezoelectric layer 13 may be used.
  • the other end portion of the second internal electrode layer 12 is laminated so that the through conductor electrically connected to the first internal electrode layer 11 is not electrically connected to the second internal electrode layer 12.
  • a desired gap may be provided between the body 14 and the end face. Further, the other end of the first internal electrode layer 11 and the laminated body are arranged so that the through conductor electrically connected to the second internal electrode layer 12 is not electrically connected to the first internal electrode layer 11. It is sufficient that there is a desired gap between the 14 end faces.
  • a power supply member for supplying power to the piezoelectric element 1
  • a flexible wiring board, an insulation-coated lead wire, or the like may be used, and this may be joined to the surface electrode 15 via a conductive adhesive or solder.
  • the piezoelectric element 1 may have a shape in which the first internal electrode layer 11 has a gap at least partially between both side surfaces of the stacked body 14 in the width direction.
  • the first internal electrode layer 11 may have a shape provided so as to reach both side surfaces in the width direction when viewed from the side.
  • the piezoelectric element 1 has a shape in which the second internal electrode layer 12 is provided so that there is a gap 120 at least partly between both side surfaces in the width direction of the multilayer body 14, in other words, the second internal electrode
  • the layer 12 may have a shape provided so that at least a part of the layer 12 reaches one of both sides in the width direction of the multilayer body 14.
  • the gap 120 has the second internal electrode layer. It is good to provide over the whole region between 12 and the both sides
  • the distance d between the second internal electrode layer 12 and the side surface of the multilayer body 14 is Have different parts.
  • the entire area of the gap 120 between the second internal electrode layer 12 and both side surfaces in the width direction of the multilayer body 14 is between the second internal electrode layer 12 and one side surface of the multilayer body 14. It means both the gap and the area of the gap between the second internal electrode layer 12 and the other side surface of the multilayer body 14.
  • the second internal electrode layer 12 has an oblique pattern inclined with respect to the length direction.
  • all the second internal electrode layers 12 are electrically connected to the second side electrode 162 at a position closer to one side surface, and with respect to the length direction so as to approach the other side surface as moving away from this.
  • the structure is a slanted and inclined pattern.
  • the second side electrode 162 is electrically connected at a position closer to one side surface, and the diagonal pattern is inclined with respect to the length direction so as to approach the other side surface as the distance from the second side electrode 162 increases.
  • the second internal electrode layer 12 is electrically connected to the second side electrode 162 at a position closer to the other side surface, and an oblique pattern inclined with respect to the length direction so as to approach one side surface as the distance from the inner electrode layer 12 increases.
  • the second internal electrode layer 12 is included.
  • the second internal electrode layer 12 and the laminated body 14 have a portion where the distance d between the second internal electrode layer 12 and the side surface of the laminated body 14 is different. This means that it is not uniform (non-uniform) when looking over the entire area of the distance d from the side surface.
  • the gap 120a on one side surface in the width direction of the multilayer body 14 is compared with the gap 120b on the other side surface, This means that it includes both the case where the intervals between the arbitrary one of the two are different, and the case where each of the gaps 120a and 120b has different portions.
  • the interval may change continuously, for example, gradually increasing, or the interval may change discontinuously, for example, spreading in steps. It may be.
  • the distance d for example, 50 to 250 ⁇ m is set in a narrow part, and the difference between a wide part and a narrow part is set to 100 to 500 ⁇ m, for example.
  • the lead-out region is not included.
  • the region (region other than the lead-out region) as the second internal electrode layer 12 it is determined whether or not the second internal electrode layer 12 and the side surface of the multilayer body 14 have different portions.
  • the shape of the gap 120a between the second internal electrode layer 12 and one side surface is the shape of the gap 120b between the second internal electrode layer 12 and the other side surface when viewed from the stacking direction. And are preferably different.
  • the shape of the gap 120a between the second internal electrode layer 12 and one side surface when viewed from the stacking direction is the same as the shape of the gap 120b between the second internal electrode layer 12 and the other side surface.
  • it is meant to include the same shape when reversed, or a shape that is line-symmetric with respect to the central axis in the longitudinal direction. Therefore, these shapes are different from each other, meaning that they are not the same even if they are inverted, and do not correspond to a shape that is line-symmetric with respect to the central axis in the longitudinal direction.
  • the shape of the gap 120a between the second internal electrode layer 12 and one side surface when viewed from the stacking direction is different from the shape of the gap 120b between the second internal electrode layer 12 and the other side surface.
  • the shape of the second internal electrode layer 12 is a curved shape (FIG. 3A) when the second internal electrode layer 12 is viewed in plan, or a wavy shape ( 3 (b)), a bent shape (FIG. 3 (c)), a rectangular shape that is shifted so that the distance d is different between one and the other in the width direction ((FIG. 3 (d)), etc. can also be adopted.
  • FIG. 3 (d) shows an example where only the gaps 120a and 120b are spaced d. Is an example having a portion to be. This distance d is specifically a narrow portion e.g. 50 ⁇ 250 [mu] m, are set to the difference, for example, 100 ⁇ 500 [mu] m between the wide portion and the narrow portion.
  • all layers are different in that the shape of the gap 120a between the second internal electrode layer 12 and one side surface is different from the shape of the gap 120b between the second internal electrode layer 12 and the other side surface. It may be over.
  • the shape of the gap 120a between the second internal electrode layer 12 and one side surface is the same in all layers, and the shape of the gap 120b between the second internal electrode layer 12 and the other side surface is the same. All layers may have the same shape.
  • the shape may change alternately.
  • the shape may change with an arbitrary piezoelectric layer 13 as a boundary.
  • the resonance in the width direction can be divided, and spurious vibrations are generated in addition to the shape-specific vibrations.
  • damping and division of natural vibrations occur, and the strong expression of piezoelectric resonance at a specific frequency can be further suppressed. Therefore, when used as a vibration source of an acoustic generator, the peak or dip on the high frequency side or the low frequency side can be further flattened in the frequency-sound pressure characteristics, so that a diaphragm is provided on the other main surface of the piezoelectric element 1.
  • the sound quality on the high frequency side can be further improved.
  • the piezoelectric element 1 shown in FIG. 1 is a piezoelectric element having a unimorph structure, but as shown in FIG. 4A, the region 141 on the one main surface side and the region 142 on the other main surface side, which are different from each other in expansion and contraction state.
  • the piezoelectric element 1 itself bends and vibrates, so that mechanical loss at the joint surface with the diaphragm described later can be reduced and the displacement of the diaphragm can be increased.
  • the sound pressure can be further improved.
  • the piezoelectric element 1 has a bimorph structure as shown in FIG. 5, the distance d11 between the second internal electrode layer 12 and the one side surface on the one main surface side, and the second internal electrode on the other main surface side.
  • the distance d12 between the layer 12 and one side surface is different, the distance d21 between the second internal electrode layer 12 and the other side surface on the one main surface side, and the second internal electrode layer 12 on the other main surface side
  • the distance d22 from the other side surface may be different.
  • the intervals d11 and d21 and the intervals d12 and d22 are shown only for the uppermost or lowermost second internal electrode layer 12.
  • the distance d11 between the second internal electrode layer 12 and one side surface is equal to the second internal electrode layer 12 and the other side surface.
  • the distance d21 between the second internal electrode layer 12 and the one side surface is smaller than the distance d22 between the second internal electrode layer 12 and the other side surface.
  • size may be a reverse structure. Note that the difference between the distance between the second internal electrode layer 12 and the one side surface and the distance between the second internal electrode layer 12 and the other side surface is set to 50 to 500 ⁇ m, for example.
  • the area of the second internal electrode layer 121 located on the one main surface side and the second internal electrode layer 122 located on the other main surface side may be different.
  • a spurious vibration is further generated due to the difference in the piezoelectric active region between the region on the one main surface side and the region on the other main surface side.
  • damping and division of natural vibration are promoted, and strong expression of piezoelectric resonance at a specific frequency can be further suppressed. Therefore, when used as a vibration source of an acoustic generator, the peak and dip on the high frequency side and the low frequency side can be further flattened in the frequency-sound pressure characteristics, so that a diaphragm is provided on the other main surface of the piezoelectric element 1.
  • the sound quality can be further improved when the sound generator is joined.
  • a ceramic green sheet to be the piezoelectric layer 13 is produced. Specifically, a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of piezoelectric ceramic, a binder made of an organic polymer such as acrylic or butyral, and a plasticizer. And a ceramic green sheet is produced using this ceramic slurry by using tape molding methods, such as a doctor blade method and a calender roll method.
  • the piezoelectric ceramic any material having piezoelectric characteristics may be used.
  • a perovskite oxide made of lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ) can be used.
  • the plasticizer dibutyl phthalate (DBP), dioctyl phthalate (DOP), or the like can be used.
  • a conductive paste to be an internal electrode layer (first internal electrode layer 11 and second internal electrode layer 12) is prepared. Specifically, a conductive paste is prepared by adding and mixing a binder and a plasticizer to silver-palladium metal powder. This conductive paste is applied on the above ceramic green sheet in a desired pattern of internal electrode layers using a screen printing method.
  • a plurality of ceramic green sheets printed with the conductive paste are laminated, debindered at a predetermined temperature, fired at a temperature of 900 ° C. to 1200 ° C., and predetermined using a surface grinder or the like.
  • the laminated body 14 provided with the internal electrode layers (the first internal electrode layer 11 and the second internal electrode layer 12) and the piezoelectric body layer 13 which are alternately laminated is manufactured by performing a grinding process so as to have the shape of To do.
  • the position of the ceramic green sheets is changed in order to obtain a configuration (non-uniformity) having a portion where the distance between the facing region and the side surface of the second internal electrode layer 12 is different. They can be stacked.
  • the laminate 14 is not limited to the one produced by the above manufacturing method, and any production method can be used as long as the laminate 14 formed by laminating a plurality of internal electrode layers and piezoelectric layers 13 can be produced. It may be produced.
  • a silver glass-containing conductive paste prepared by adding a binder, a plasticizer and a solvent to a mixture of conductive particles mainly composed of silver and glass is screen-printed on the main surface and side surfaces of the laminate 14.
  • a baking process is performed at a temperature of 600 ° C. to 800 ° C., and the surface electrode 15 (first surface electrode 151 and second surface electrode 152) and side electrode (first side electrode) 161 and the second side electrode 162).
  • the side electrodes instead of the side electrodes (the first side electrode 161 and the second side electrode 162) formed on the side surface of the laminate 14 as described above.
  • a through conductor formed so as to penetrate the piezoelectric layer 13 may be used.
  • the laminate 14 is subjected to polarization treatment to impart piezoelectric activity.
  • polarization treatment for example, in the case of a unimorph piezoelectric element as shown in FIGS. 1 and 2, the first surface electrode is connected to the negative electrode, and the second surface electrode is connected to the positive electrode.
  • a potential difference of 2 kV / mm to 3 kV / mm may be applied for several seconds as an application time at an ambient temperature of 15 ° C. to 35 ° C.
  • the voltage, ambient temperature, and application time are suitably selected depending on the properties of the piezoelectric material.
  • the first surface electrode is used as the ground electrode
  • the second surface electrode is used as the positive electrode
  • the third surface is used.
  • the electrodes may be connected to the negative electrode and polarized.
  • the power feeding member may be connected to the piezoelectric element by the following method.
  • a conductive adhesive paste is applied and formed at a predetermined position of the piezoelectric element using a technique such as screen printing.
  • the flexible wiring board is connected and fixed to the piezoelectric element by curing the conductive adhesive paste with the flexible wiring board being in contact therewith.
  • the conductive adhesive paste may be applied and formed on the flexible wiring board side.
  • the power supply member (wiring member) an insulating-coated lead wire may be used, and solder may be used as the bonding material, and a member having the same function can be suitably selected.
  • the acoustic generator 10 of the present embodiment includes the above-described piezoelectric element 1 and a diaphragm 2 to which the piezoelectric element 1 is attached and vibrates due to vibration of the piezoelectric element 1. Furthermore, the sound generator 10 shown in the drawing is provided on at least a part of the outer peripheral portion of the diaphragm 2 and includes a frame 3 as a support that supports the diaphragm 2.
  • the piezoelectric element 1 is an exciter that excites the diaphragm 2 by vibrating under application of a voltage.
  • the main surface of the piezoelectric element 1 and the main surface of the diaphragm are joined by an adhesive such as an epoxy resin, and the piezoelectric element 1 bends and vibrates, so that the piezoelectric element 1 gives a certain vibration to the diaphragm 2 to generate sound. Can be generated.
  • the peripheral edge of the diaphragm 2 is fixed to the frame 3 and vibrates with the piezoelectric element 1 by the vibration of the piezoelectric element 1.
  • the diaphragm 2 can be formed using various materials such as resin and metal, and can be formed of, for example, a resin film such as polyethylene, polyimide, or polypropylene having a thickness of 10 to 200 ⁇ m.
  • the shape of the diaphragm 2 is not particularly limited, and may be a circular plate shape or an elliptical plate shape other than a polygonal plate shape such as a rectangular plate shape.
  • the diaphragm 2 is formed of a resin film, it is preferable that the peripheral edge portion is fixed to the frame 3 in a state where the diaphragm 2 is in tension.
  • the diaphragm 2 is bent and vibrated with a large amplitude, the width of the resonance peak in the frequency characteristics of the sound pressure is widened, and the height is lowered to reduce the difference between the resonance peak and the dip. Can be reduced.
  • the diaphragm 2 is not limited to a resin film, and may be a resin plate, a metal plate, a glass plate, or the like.
  • a part of a casing of an electronic device such as a portable terminal or a part of a display functions as the diaphragm 2. You may do it.
  • the frame 3 functions as a support that supports the outer peripheral portion of the main surface of the diaphragm 2. By providing the vibration space by supporting the outer peripheral portion of the diaphragm 2 with the frame 3, the amplitude of the diaphragm 2 is increased, and the sound pressure can be improved.
  • the frame 3 can be formed using various materials such as metals such as stainless steel, glass, acrylic resin, polycarbonate resin, polybutylene terephthalate resin, and the like.
  • the frame 3 is bonded to one main surface or the other main surface of the diaphragm 2 via a bonding material.
  • a bonding material a resin-based adhesive, a viscoelastic material molded into a sheet shape, a structure in which a base material layer and a layer made of a viscoelastic material are laminated, or the like can be used.
  • An acrylic or epoxy adhesive or a rubber, acrylic, silicone or urethane adhesive is used.
  • As the base material layer acetate foam, acrylic foam, cellophane, polyethylene foam, paper, and nonwoven fabric are used.
  • the sound generator 10 may be configured not to include the frame 3, but when the frame 3 is joined to the main surface to which the piezoelectric element 1 of the diaphragm 2 is joined as in the example illustrated in FIG. 8.
  • the piezoelectric element 1 when the total thickness of the frame 3 and the bonding material is larger than the thickness of the piezoelectric element 1, the piezoelectric element 1 can be protected by the frame 3. Further, the diaphragm 2 is supported, and the electronic device can be easily fixed to the housing or the like.
  • the frame 3 may be composed of one frame member (upper frame member 31) as shown in FIG. 7 (b), and two frame members (upper frame member 31 and upper frame member 31) as shown in FIG. 7 (c).
  • the lower frame member 32) may be used. In this case, the tension of the diaphragm 2 can be stabilized by sandwiching the diaphragm between the two frame members.
  • the upper frame member 31 and the lower frame member 32 have a thickness of, for example, 100 to 5000 ⁇ m.
  • the piezoelectric element 1 to at least a part of the surface of the diaphragm 2 (for example, the peripheral part of the piezoelectric element 1).
  • You may further have the resin layer 4 provided so that it might cover.
  • the resin layer 4 is formed to have a Young's modulus in the range of 1 MPa to 1 GPa, for example, and an acrylic resin can be used, for example.
  • an acrylic resin can be used, for example.
  • the resin layer 4 may be formed so that it may become the same height as the upper frame member 31.
  • the sound generator of the present embodiment has high sound quality because it is configured using a piezoelectric element that can flatten peaks and dips in the frequency-sound pressure characteristics.
  • Such an acoustic generator includes, for example, a state in which the diaphragm 2 is mechanically fixed to a support portion provided in a housing of an electronic device or the like, or is fixed through a bonding material, or includes a small housing.
  • the sound generation device can be used as a sound generation source of an electronic device in a state where the sound generation device is incorporated in the casing of the electronic device.
  • the sound generation device 100 is a sound generation device such as a so-called speaker. As shown in FIG. 8, the sound generation device 100 of this example includes a sound generator 10 and a housing 20 that houses the sound generator 10. Note that a part of the housing 20 may be the diaphragm 2 constituting the acoustic generator 10, and that the housing 20 accommodates the acoustic generator 10 means that a part of the acoustic generator 10 (piezoelectric element 1). ) Is also included.
  • the housing 20 resonates the sound generated by the sound generator 10 inside, and radiates sound to the outside from an opening (not shown) formed in the housing 20.
  • the housing 20 can be formed using various materials such as metals such as aluminum and magnesium alloys, resins such as polycarbonate, and wood. By having such a housing
  • Such a sound generator 100 can be used alone as a speaker, and can be suitably incorporated into a portable terminal, a thin-screen TV, a tablet terminal, or the like, as will be described later. Moreover, it can also be incorporated into home appliances that have not been prioritized in terms of sound quality, such as refrigerators, microwave ovens, vacuum cleaners, and washing machines.
  • the above-described sound generator of the present embodiment has a high sound quality because it is configured using a sound generator including a piezoelectric element that can flatten peaks and dips in frequency-sound pressure characteristics.
  • the electronic device 50 of the present embodiment includes an acoustic generator 10, an electronic circuit 60 connected to the acoustic generator 10, and a housing 70 that houses the electronic circuit 60 and the acoustic generator 10. And has a function of generating sound from the sound generator 10.
  • the electronic device 50 not only the acoustic generator 10 is accommodated in the casing 70 as it is, but also the acoustic generator 100 that accommodates the acoustic generator 10 (consisting of the acoustic generator 1 and the casing 5). Is included in the housing 70. Further, a part of the housing 70 may be the diaphragm 2 constituting the sound generator 10.
  • the electronic device 50 includes an electronic circuit 60.
  • Examples of the electronic circuit 60 include a circuit for processing image information to be displayed on a display and audio information transmitted by a portable terminal, a communication circuit, and the like. At least one of these circuits may be included, or all the circuits may be included. Further, it may be a circuit having other functions. Furthermore, you may have a some electronic circuit.
  • the electronic circuit 60 shown in the figure includes a controller 60a, a transmission / reception unit 60b, a key input unit 60c, and a microphone input unit 60d.
  • the electronic circuit 60 is connected to the sound generator 10 and has a function of outputting an audio signal to the sound generator 10.
  • the sound generator 10 generates sound based on the sound signal input from the electronic circuit 60.
  • the electronic device 50 includes a display unit 50a, an antenna 50b, and the sound generator 10, and includes a housing 70 that accommodates these devices.
  • FIG. 9 shows a state in which each device including the controller 60a is housed in one housing, the housing form of each device is not limited. In the present embodiment, it is only necessary that at least the electronic circuit 60 and the sound generator 10 are accommodated in one housing 70.
  • the controller 60 a is a control unit of the electronic device 50.
  • the transmission / reception unit 60b transmits / receives data via the antenna 50b based on the control of the controller 60a.
  • the key input unit 60c is an input device of the electronic device 50 and accepts a key input operation by an operator.
  • the key input unit 60 c may be a button-like key or a touch panel integrated with the display unit 50.
  • the microphone input unit 60d is also an input device of the electronic device 50, and receives a voice input operation by an operator.
  • the display unit 50a is a display output device of the electronic device 50, and outputs display information based on the control of the controller 60a.
  • the sound generator 10 operates as a sound output device in the electronic device 60.
  • the sound generator 10 is connected to the controller 60a of the electronic circuit 60, and emits sound upon application of a voltage controlled by the controller 60a.
  • the electronic device is described as being a portable terminal device.
  • the electronic device is not limited to the type of the electronic device, and may be applied to various consumer devices having a function of emitting sound.
  • flat-screen televisions and car audio devices can of course be used for products having a function of generating sound, for example, various products such as vacuum cleaners, washing machines, refrigerators, microwave ovens, and the like.
  • the electronic device of the present embodiment described above has high sound quality because it is configured using an acoustic generator including a piezoelectric element that can flatten peaks and dips in frequency-sound pressure characteristics.
  • the piezoelectric element was a long plate having a length of 23.5 mm, a width of 3.3 mm, and a thickness of 0.9 mm.
  • the piezoelectric element had a structure in which piezoelectric layers having a thickness of 30 ⁇ m and internal electrodes were alternately laminated, and the total number of piezoelectric layers was 28.
  • the piezoelectric layer was formed of lead zirconate titanate in which part of Zr was substituted with Nb or the like, and silver palladium was used for the internal electrode.
  • a conductive paste made of silver palladium was printed on a ceramic green sheet to prepare a ceramic green sheet for the first internal electrode layer and a second ceramic green sheet for the internal electrode layer whose printing position was changed by a predetermined amount. . After laminating these ceramic green sheets, they were pressed and adhered to each other and cut into predetermined dimensions to produce molded bodies. Here, what was produced is that of the pattern shown in FIG. 1 as the pattern of the second internal electrode layer.
  • a conductive paste made of silver was printed on the surface and side surfaces of this laminated sintered body, dried, and then fired at 700 ° C. to form surface electrodes and side electrodes.
  • a voltage having a potential difference of 2 kV / mm was applied between the internal electrodes via the surface electrode at room temperature, and a polarization treatment was performed to manufacture a piezoelectric element.
  • an acoustic generator produced by the following method was prepared.
  • a second ceramic green sheet for internal electrode layers with a fixed printing position was prepared, and other manufacturing methods were the same as those in the above example to produce a piezoelectric element.
  • an acoustic generator was produced by the same method as in the above embodiment, and the outer circumferences of both main surfaces of the diaphragm of the acoustic generator were made of polybutylene terephthalate as in the above embodiment.
  • the frequency-sound pressure characteristics were measured under the conditions of an applied voltage of 30 Vp-p and a measurement distance of 3 cm. The result is shown in FIG.
  • FIG. 10 (a) In comparison between FIG. 10 (a) and FIG. 10 (b), when comparing the peak and dip of the sound pressure especially at frequencies of 400 Hz to 2 kHz and frequencies of 10 kHz to 20 kHz, FIG. It can be seen that this is clearly smaller than the comparative example of FIG.
  • the first internal electrode layer is provided so as to reach both side surfaces in the width direction when viewed from the stacking direction, and the second internal electrode layer is provided between the both side surfaces in the width direction.
  • the gap between the second internal electrode layer and the side surface is non-uniform when the entire gap is viewed, so that a sudden change in sound pressure at a specific frequency is suppressed. It was confirmed that the characteristics were flattened and the sound quality could be improved.

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Abstract

　【課題】　特定の周波数における圧電共振の強い発現を抑制して、音響発生器の音質を向上させることのできる圧電素子、ならびにこの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を提供する。　【解決手段】　本実施形態の圧電素子１は、第１の内部電極層１１および第２の内部電極層１２が圧電体層１３を介して互いに対向するように交互に積層された長さ方向と幅方向とを有する長方形板状の圧電素子であって、積層方向から見て第２の内部電極層１２が幅方向の両側面との間の少なくとも一部に間隙１２０があるように設けられており、その間隙１２０の全域をみたときに第２の内部電極層１２と側面との間隔が異なる部分を有している。

Description

圧電素子、音響発生器、音響発生装置および電子機器
　本発明は、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、内部電極層と圧電体層とが複数積層された積層型の圧電素子が知られており、アクチュエータや共振子、濾波器の素子として、またブザーやパネルスピーカーなどの音響発生器の振動源として利用されている。このような圧電素子では、駆動時の素子内部での応力発生や局部的な応力集中を抑制することが信頼性確保の観点から重要である。例えば、内部電極層の周縁に非電極形成部を設けることにより、このような応力集中を抑制した積層型の圧電素子が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００１－０２５２６８号公報
　ところで、上述した構造の圧電素子は、周縁を非電極形成部とした内部電極層の位置が積層方向に揃っている。それゆえ、上記圧電素子を音響発生器の振動源に用いた場合、伸縮する圧電活性領域の位置が揃っているため、共振周波数が一致した振動となり圧電共振が強く発現するおそれがあった。したがって、この圧電素子を備えた音響発生器の周波数－音圧特性においてピークやディップが大きくなり、音質が悪くなるおそれがあるという問題があった。同様に、当該圧電素子を備えた音響発生装置および電子機器の音質も悪くなるおそれが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、特定の周波数における圧電共振の強い発現を抑制して、音響発生器の音質を向上させることのできる圧電素子、ならびにこの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を提供することを目的とする。
　本発明の圧電素子は、第１の内部電極層および第２の内部電極層が圧電体層を介して互いに対向するように交互に積層された長さ方向と幅方向とを有する長方形板状の圧電素子であって、積層方向から見て前記第２の内部電極層が幅方向の両側面との間の少なくとも一部に間隙があるように設けられており、該間隙の全域を見たときに前記第２の内部電極層と側面との間隔が異なる部分を有していることを特徴とする。
　また本発明の音響発生器は、上記に記載の圧電素子と、該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ていることを特徴とする。
　本発明の圧電素子によれば、特定の周波数における圧電共振の強い発現を抑制することができる。したがって、音響発生器の振動源として用いた場合には、周波数－音圧特性においてピークやディップが平坦化され、音響発生器の音質を向上させることができる。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、音響性能を向上させることができる。
（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）に示す圧電素子の内部電極層のパターン説明図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。 （ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電素子の内部電極層のパターン説明図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。 （ａ）～（ｄ）は、第２の内部電極層のパターンのバリエーションの説明図である。 （ａ）は本実施形態の圧電素子の他の一例を示す概略斜視図、（ｂ）はバイモルフ型圧電素子の駆動時の説明図である。 （ａ）～（ｄ）は、間隔ｄ１と間隔ｄ２との関係のバリエーションの説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、面積の異なる第２の内部電極層のパターンのバリエーションの説明図である。 （ａ）は、本実施形態の音響発生器の実施の形態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の実施形態の一例を示すブロック図である。 本実施形態の電子機器の実施形態の一例を示すブロック図である。 （ａ）は本実施形態の実施形態に係る音響発生器の周波数－音圧特性の一例を示すグラフであり、（ｂ）は従来の音響発生器の周波数－音圧特性を示すグラフである。
　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（ａ）は本実施形態の圧電素子の一例を示す概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す圧電素子の内部電極層のパターン説明図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。また、図２（ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す概略斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す圧電素子の内部電極層のパターン説明図、図２（ｃ）は図２（ａ）に示す圧電素子の分解斜視図である。
　図１および図２に示す本実施形態の圧電素子１は、第１の内部電極層１１および第２の内部電極層１２が圧電体層１３を介して互いに対向するように交互に積層された積層体１４を備えた長さ方向と幅方向とを有する長方形板状の圧電素子であって、積層方向から見て、第２の内部電極層１２が積層体１４の幅方向の両側面との間の少なくとも一部に間隙１２０があるように設けられており、その間隙１２０の全域を見たときに第２の内部電極層１２と側面との間隔ｄが異なる部分を有している。
　圧電素子１は、第１の内部電極層１１および第２の内部電極層１２が圧電体層１３を介して互いに対向するように交互に積層された長方形板状の圧電素子である。より具体的には、第１の内部電極層１１、第２の内部電極層１２および圧電体層１３が、圧電体層１３、第１の内部電極層１１、圧電体層１３、第２の内部電極層１２、圧電体層１３の順に積層された積層体１４を有している。この積層体１４は、平面（上面）から見た主面の形状が長さ方向（長手方向）と幅方向（短手方向）とを有する長方形状の板状体である。したがって、圧電素子１も平面視で長さ方向と幅方向とを有する長方形状になっている。
　積層体１４を構成する第１の内部電極層１１、第２の内部電極層１２は、圧電体層１３を介して互いに対向するように配置されて圧電体層１３を上下から挟んでいる。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。
　積層体１４を構成する複数の圧電体層１３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（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。圧電体層１３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、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。
　また、図に示す積層体１４は、表面電極１５を備えている。具体的には、表面電極１５は、第１の内部電極１１と電気的に接続された第１の表面電極１５１と、第２の内部電極１２と電気的に接続された第２の表面電極１５２とを備えている。表面電極１５は、積層体１４の少なくとも一方主面に設けられている。表面電極１５の材料としては、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１４の長さ方向の対向する側面（端面）には、第１の内部電極層１１と第１の表面電極１５１とを電気的に接続する第１の側面電極１６１と、第２の内部電極層１２と第２の表面電極１５２とを電気的に接続する第２の側面電極１６２とが設けられている。第１の側面電極１６１および第２の側面電極１６２の材料としては、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および図２では、表面電極１５と内部電極層（第１の内部電極層１１および第２の内部電極層）とを接続するのに積層体１４の長さ方向の側面（端面）に設けられた側面電極（第１の側面電極１６１および第２の側面電極１６２）が用いられているが、この側面電極にかえて、第１の内部電極層１１の一方の端部および圧電体層１３を貫通する貫通導体、第２の内部電極層１２の一方の端部および圧電体層１３を貫通する貫通導体が用いられてもよい。このとき、第１の内部電極層１１と電気的に接続された貫通導体が第２の内部電極層１２と電気的に接続されないように、第２の内部電極層１２の他方の端部と積層体１４の端面との間に所望の間隙があればよい。また、第２の内部電極層１２と電気的に接続された貫通導体が第１の内部電極層１１と電気的に接続されないように、第１の内部電極層１１の他方の端部と積層体１４の端面との間に所望の間隙があればよい。
　圧電素子１に給電するための給電部材（配線部材）としてフレキシブル配線基板、絶縁被覆したリード線などを用い、これを導電性接着剤やはんだを介して表面電極１５に接合すればよい。
　そして、圧電素子１は、第１の内部電極層１１が積層体１４の幅方向の両側面との間の少なくとも一部に間隙を有する形状であってもよいが、図示したように、積層方向から見て第１の内部電極層１１が幅方向の両側面まで達するように設けられた形状であるのがよい。第１の内部電極層１１が幅方向の両側面まで達するように設けられていることで、縁端効果により圧電活性領域を増加できる。したがって、圧電素子１の他方主面に振動板を接合して音響発生器とした場合に、高い音圧を確保できる。
　また、圧電素子１は、第２の内部電極層１２が積層体１４の幅方向の両側面との間の少なくとも一部に間隙１２０があるように設けられた形状、言い換えると第２の内部電極層１２の少なくとも一部が積層体１４の幅方向の両側面のいずれかの部位に達するように設けられた形状であってもよいが、図示したように、間隙１２０が第２の内部電極層１２と幅方向の両側面との間の全域にわたって設けられているのがよい。これにより、積層体１４の側面を経てマイグレーションや短絡が生じるのを抑制することができる。
　さらに、第２の内部電極層１２と積層体１４の幅方向の両側面との間の間隙１２０の全域を見たときに第２の内部電極層１２と積層体１４の側面との間隔ｄが異なる部分を有している。ここで、第２の内部電極層１２と積層体１４の幅方向の両側面との間の間隙１２０の全域とは、第２の内部電極層１２と積層体１４の一方の側面との間の間隙および第２の内部電極層１２と積層体１４の他方の側面との間の間隙の両方の領域のことを意味する。
　第２の内部電極層１２と積層体１４の側面との間隔ｄが異なる部分を有している例として、第２の内部電極層１２が、長さ方向に対して傾いた斜めパターンとされている形態が挙げられる。図１では、全ての第２の内部電極層１２が、一方側面寄りの位置で第２の側面電極１６２と電気的に接続され、ここから遠ざかるにしたがって他方側面に近づくように長さ方向に対して傾いた斜めパターンとされた構成になっている。また、図２では、一方側面寄りの位置で第２の側面電極１６２と電気的に接続され、ここから遠ざかるにしたがって他方側面に近づくように長さ方向に対して傾いた斜めパターンとされた第２の内部電極層１２と、他方側面寄りの位置で第２の側面電極１６２と電気的に接続され、ここから遠ざかるにしたがって一方側面に近づくように長さ方向に対して傾いた斜めパターンとされた第２の内部電極層１２とを含む構成になっている。
　なお、間隙１２０の全域を見たときに第２の内部電極層１２と積層体１４の側面との間隔ｄが異なる部分を有しているとは、第２の内部電極層１２と積層体１４の側面との間隔ｄの全域を見渡したときに均一でない（不均一である）ことを意味している。具体的には、複数の第２の内部電極層１２のうちの任意の一層において、積層体１４の幅方向の一方側面側の間隙１２０ａと、他方側面側の間隙１２０ｂとを比較して、それぞれの任意の一箇所の同士の間隔を比較した場合に異なる場合や、それぞれの間隙１２０ａ，１２０ｂにおいて、間隔が異なる部位を有している場合のいずれをも含む意味である。特に、それぞれの間隙１２０ａ，１２０ｂにおいて異なる部分を有している場合は、その間隔が徐々に広がるなど連続的に変化していてもよく、その間隔が段差状に広がるなど不連続的に変化していてもよい。間隔ｄについては、狭い部位では例えば５０～２５０μｍ、広い部位と狭い部位との差が例えば１００～５００μｍに設定される。
　また、例えば第２の内部電極層１２が他の領域よりも幅が狭くなっている導出領域を介して積層体１４の側面（端面）に導出されている場合は、この導出領域の含まれない領域（導出領域以外の領域）を第２の内部電極層１２として、第２の内部電極層１２と積層体１４の側面との間隔ｄが異なる部分を有しているかどうかを判別する。
　このような構成とすることで、積層方向から見た圧電活性領域の位置に差を設けられ、形状固有の振動に加えスプリアス振動が発生する。この効果により、固有振動のダンピングや分割が起こり、特定の周波数における圧電共振の強い発現を抑制することができる。したがって、音響発生器の振動源として用いた場合には、周波数－音圧特性においてピークやディップが平坦化されるため、圧電素子１の他方主面に振動板を接合して音響発生器とした場合の音質を向上できる。
　ここで、圧電素子１は、積層方向から見て第２の内部電極層１２と一方側面との間の間隙１２０ａの形状が第２の内部電極層１２と他方側面との間の間隙１２０ｂの形状と異なっているのが好ましい。積層方向から見て第２の内部電極層１２と一方側面との間の間隙１２０ａの形状が第２の内部電極層１２と他方側面との間の間隙１２０ｂの形状と同じであるとは、これらの形状が全く同じのみならず、反転させた場合に同じかまたは長手方向の中心軸に対して線対称な形状であることも含む意味である。したがって、これらの形状が異なっているとは、反転させても同じにならず、長手方向の中心軸に対して線対称な形状にも該当しない場合を意味する。
　積層方向から見て第２の内部電極層１２と一方側面との間の間隙１２０ａの形状が第２の内部電極層１２と他方側面との間の間隙１２０ｂの形状と異なっている構成となる第２の内部電極層１２の形状としては、図３に示すように、第２の内部電極層１２を平面視したときの形状が湾曲した形状（図３（ａ））、波打っている形状（図３（ｂ））、屈曲した形状（図３（ｃ））、長方形で幅方向の一方と他方とで間隔ｄが異なるようにずれている形状（（図３（ｄ））なども採用できる。ちなみに、図３（ａ）～（ｃ）は、間隙１２０ａ，１２０ｂ同士で間隔ｄの異なる部分を有していて、かつそれぞれの間隙１２０ａ，１２０ｂ自体も間隔ｄの異なる部分を有している例であり、図３（ｄ）は間隙１２０ａ，１２０ｂ同士のみが間隔ｄの異なる部分を有している例である。この間隔ｄについては、具体的には、狭い部位では例えば５０～２５０μｍ、広い部位と狭い部位との差が例えば１００～５００μｍに設定される。
　なお、第２の内部電極層１２と一方側面との間の間隙１２０ａの形状が第２の内部電極層１２と他方側面との間の間隙１２０ｂの形状とは異なっている層が、すべての層にわたっていてもよい。ここで、第２の内部電極層１２と一方側面との間の間隙１２０ａの形状がすべての層において同じ形状で、第２の内部電極層１２と他方側面とのの間の間隙１２０ｂの形状がすべての層において同じ形状であってもかまわない。また、各層を見たときに、交互に形状が変化してもよい。さらに、任意の圧電体層１３を境にして、形状が変化してもよい。
　このような構成とすることで、幅方向の共振を分割でき、形状固有の振動に加えスプリアス振動が発生する。この効果により、固有振動のダンピングや分割が起こり、特定の周波数における圧電共振の強い発現をより抑制することができる。したがって、音響発生器の振動源として用いた場合には、周波数－音圧特性において高周波数側または低周波数側のピークやディップをより平坦化できるため、圧電素子１の他方主面に振動板を接合して音響発生器とした場合に、更に高周波数側の音質を向上できる。
　ここで、図１に示す圧電素子１はユニモルフ構造の圧電素子であるが、図４（ａ）に示すように、互いに伸縮状態の異なる一方主面側の領域１４１および他方主面側の領域１４２を有するバイモルフ構造であってもよい。なお、バイモルフ構造とは、図４（ｂ）に示すように、一方主面側の領域１４１と他方主面側の領域１４２とで、駆動時の電界の向きと分極の向き（図５（ｂ）に示すＰの向き）との関係（同じ向きか異なる向きか）が互いに逆になって、駆動時の互いの伸縮の状態が逆になるような構造のことを意味している。
　このような構成とすることで、圧電素子１自体が屈曲振動するため、後述する振動板との接合面での機械的損失を低減でき、振動板の変位量を増加できるため、圧電素子１の他方主面に振動板を接合して音響発生器とした場合に、更に音圧を向上できる。
　ここで、図５に示すように圧電素子１がバイモルフ構造の場合において、一方主面側における第２の内部電極層１２と一方側面との間隔ｄ１１と、他方主面側における第２の内部電極層１２と一方側面との間隔ｄ１２とが異なっているとともに、一方主面側における第２の内部電極層１２と他方側面との間隔ｄ２１と、他方主面側における第２の内部電極層１２と他方側面との間隔ｄ２２とが異なっていてもよい。なお、図５においては、最上層または最下層の第２の内部電極層１２についてのみ、間隔ｄ１１、ｄ２１および間隔ｄ１２、ｄ２２を示している。
　特に、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、一方主面側において、第２の内部電極層１２と一方側面との間隔ｄ１１が第２の内部電極層１２と他方側面との間隔ｄ２１よりも大きくなっており、他方主面側において、第２の内部電極層１２と一方側面との間隔ｄ１２が第２の内部電極層１２と他方側面との間隔ｄ２２よりも小さくなっていてもよい。また、図５（ｃ）および図５（ｄ）に示すように、その大小が逆の構成であってもよい。なお、第２の内部電極層１２および一方側面との間隔と、第２の内部電極層１２および他方側面との間隔との差は、例えば５０～５００μｍに設定される。
　さらに、図６に示すように、圧電素子１がバイモルフ構造の場合、一方主面側に位置する第２の内部電極層１２１の面積と他方主面側に位置する第２の内部電極層１２２の面積とが異なっていてもよい。
　圧電素子１における一方主面側の領域と他方主面側の領域とで圧電活性領域の差が生じることで、スプリアス振動が更に発生する。この効果により、固有振動のダンピングや分割が促進され、特定の周波数における圧電共振の強い発現をさらに抑制することができる。したがって、音響発生器の振動源として用いた場合には、周波数－音圧特性において高周波数側と低周波数側のピークやディップを更に平坦化できるため、圧電素子１の他方主面に振動板を接合して音響発生器とした場合に、更に音質を向上できる。
　次に、本実施形態の圧電素子の製造方法について説明する。
　まず、圧電体層１３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（ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３）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、内部電極層（第１の内部電極層１１および第２の内部電極層１２）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のパターンで塗布する。
　このとき、第２の内部電極層１２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の位置を変更し塗布することで、第２の内部電極層１２と側面との間隔が異なる部分を有する構成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層（第１の内部電極層１１および第２の内部電極層１２）および圧電体層１３を備えた積層体１４を作製する。
　なお、第２の内部電極層１２の対向領域と側面との間隔が異なる部分を有する構成（不均一）とするために、セラミックグリーンシートを積層する場合に、セラミックグリーンシートの位置を変更して積層してもかまわない。
　積層体１４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、内部電極層と圧電体層１３とを複数積層してなる積層体１４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１４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（第１の表面電極１５１および第２の表面電極１５２）および側面電極（第１の側面電極１６１および第２の側面電極１６２）を形成する。
　なお、表面電極と内部電極とを電気的に接続するためには、上記のように積層体１４の側面に形成された側面電極（第１の側面電極１６１および第２の側面電極１６２）にかえて、圧電体層１３を貫通するように形成された貫通導体を用いてもよい。
　その後、積層体１４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および図２に示すようにユニモルフ構造の圧電素子の場合は、第１の表面電極を負極に、第２の表面電極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４に示すようにバイモルフ構造の圧電素子の場合も同様に直流電源装置を用いて、例えば、第１の表面電極をグランド極に、第２の表面電極を正極に、第３の表面電極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（配線部材）が必要な場合は以下の方法で、圧電素子に給電部材（配線部材）を接続すればよい。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に接続固定（接合）する場合、圧電素子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（配線部材）としては絶縁被覆したリード線を用い、接合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が取り付けられており、圧電素子１の振動によって振動する振動板２とを備えている。さらに、図に示す音響発生器１０は、振動板２の外周部の少なくとも一部に設けられ、振動板２を支持する支持体としての枠体３とを備えている。
　圧電素子１は、電圧の印加を受けて振動することによって振動板２を励振する励振器である。圧電素子１の主面と振動板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１が屈曲振動することにより、圧電素子１が振動板２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２は、その周縁部が枠体３に固定されていて、圧電素子１の振動によって圧電素子１とともに振動するようになっている。この振動板２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構成することができる。また、振動板２の形状は特に制限はなく、長方形板状などの多角形板状のもの以外に、円形板状や楕円形板状のものであってもよい。なお、樹脂フィルムで振動板２を構成する場合は、振動板２に張力がかかっている状態でその周縁部が枠体３に固定されていることが好ましい。振動板２を樹脂フィルムにより構成することで、振動板２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２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２として機能していてもよい。
　枠体３は、振動板２の主面の外周部を支持する支持体として機能する。枠体３で振動板２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２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３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３は振動板２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。
　音響発生器１０としては、枠体３を備えない構成とすることもできるが、図８に示す例のように、振動板２の圧電素子１が接合された主面に枠体３を接合すると、特に枠体３と接合材とを合わせた厚みが圧電素子１の厚みより大きい場合には、枠体３により圧電素子１を保護することができる。また、振動板２が支持され、電子機器の筐体等への固定も容易になる。
　この枠体３は、図７（ｂ）に示すように一つの枠部材（上枠部材３１）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３１および下枠部材３２）からなるものでもよい。この場合、二つの枠部材で振動板を挟むことで、振動板２の張りを安定させることができる。なお、上枠部材３１および下枠部材３２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においては、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、圧電素子１から振動板２の表面の少なくとも一部（例えば圧電素子１の周辺部）までを覆うように設けられた樹脂層４をさらに有していてもよい。樹脂層４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４に圧電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４は上枠部材３１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は、周波数－音圧特性においてピークやディップが平坦化できる圧電素子を用いて構成されていることから、高音質を有するものとなる。このような音響発生器は、例えば、電子機器の筺体等に設けられた支持部へ振動板２を機械的に固定または、接合材を介して固定された状態、あるいは、小さい筐体を備えた音響発生装置を電子機器の筐体内に組み込んだ状態で、電子機器の音響発生源として用いることができる。
　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１００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１００は、音響発生器１０と、音響発生器１０を収容する筐体２０を備える。なお、筐体２０の一部が音響発生器１０を構成する振動板２になっていてもよく、筐体２０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２０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２０に形成された図示せぬ開口から音響を外部へ放射する。この筐体２０は、例えば、アルミニウムやマグネシウム合金などの金属、ポリカーボネートなどの樹脂、木材など、種々の材料を用いて形成することができる。このような筐体２０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１００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は、周波数－音圧特性においてピークやディップが平坦化できる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、高音質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９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。なお、電子機器５０としては、音響発生器１０を筐体７０にそのまま収容するもののみならず、音響発生器１０を収容した音響発生装置１００（音響発生器１と筐体５とからなるもの）を筐体７０に収容するものも含むことを意味している。また、筐体７０の一部が音響発生器１０を構成する振動板２となっていてもよい。
　電子機器５０は、電子回路６０を備える。電子回路６０としては、ディスプレイに表示させる画像情報や携帯端末によって伝達する音声情報を処理する回路、通信回路等が例示できる。これらの回路の少なくとも１つであってもよいし、全ての回路が含まれていても構わない。また、他の機能を有する回路であってもよい。さらに、複数の電子回路を有していても構わない。図に示す電子回路６０は、コントローラ６０ａと、送受信部６０ｂと、キー入力部６０ｃと、マイク入力部６０ｄ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５０ａと、アンテナ５０ｂ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つの筐体にコントローラ６０ａ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６０ａは、電子機器５０の制御部である。送受信部６０ｂは、コントローラ６０ａの制御に基づき、アンテナ５０ｂを介してデータの送受信などを行う。キー入力部６０ｃ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。キー入力部６０ｃは、ボタン状のキーであってもよいし、表示部５０と一体となっているタッチパネルであってもよい。マイク入力部６０ｄ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５０ａは、電子機器５０の表示出力デバイスであり、コントローラ６０ａ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６０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６０ａに接続されており、コントローラ６０ａ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、周波数－音圧特性においてピークやディップが平坦化できる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、高音質を有するものとなる。
　次に、本実施形態の音響発生器の具体例について説明する。
　圧電素子は、長さが２３．５ｍｍ、幅が３．３ｍｍ、厚みが０．９ｍｍの長尺板状とした。また、圧電素子は、厚みが３０μｍ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２８層とした。圧電体層は、Ｚｒ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、銀パラジウムを用いた。
　まず、銀パラジウムからなる導電性ペーストをセラミックグリーンシートに印刷し、第１の内部電極層用のセラミックグリーンシートと、印刷位置を所定量変更した第２の内部電極層用セラミックグリーンシートを準備した。これら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寸法にカットし成形体を作製した。ここで、作製したものは、第２の内部電極層のパターンとして図１に示すパターンのものである。
　その後、所定の温度で脱脂を行った後、１０００℃で焼成して積層焼結体を得た。
　この積層焼結体の表面と側面に、銀からなる導電性ペーストを印刷し乾燥した後、７００℃で焼成して表面電極と側面電極を形成した。次に、表面電極を介して各々の内部電極間に、室温にて２ｋＶ／ｍｍの電位差の電圧を印加し、分極処理を施して圧電素子を作製した。
　次に、アクリル系の嫌気性接着剤ペーストを用いて、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、音響発生器を作成した。
　上記のようにして作製した実施例となる音響発生器の振動板の両主面外周を、ポリブチレンテレフタレートで作製した音圧測定用の枠体治具で固定し、印加電圧３０Ｖｐ－ｐ、測定距離３ｃｍの条件で周波数－音圧特性を測定した。その結果を図１０（ａ）に示す。
　一方、比較例として以下の方法で作製した音響発生器を準備した。
　印刷位置一定にした第２の内部電極層用セラミックグリーンシートを準備し、その他の製造方法は上記実施例と同一として圧電素子を作製した。
　この圧電素子を用い、上記実施例と同一の方法で音響発生器を作製し、上記実施例と同様に音響発生器の振動板の両主面外周を、ポリブチレンテレフタレートで作製した音圧測定用の枠体治具で固定し、印加電圧３０Ｖｐ－ｐ、測定距離３ｃｍの条件で周波数－音圧特性を測定した。その結果を図１０（ｂ）に示す。
　図１０（ａ）と図１０（ｂ）との比較において、特に周波数が４００Ｈｚ～２ｋＨｚおよび、周波数が１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚでの音圧のピークやディップを比較すると、実施例である図１０（ａ）の方が比較例である図１０（ｂ）に対して、明らかに小さくなっていることがわかる。
　以上のことから、圧電素子において、積層方向から見て、第１の内部電極層を幅方向の両側面まで達するように設け、第２の内部電極層を幅方向の両側面との間に間隙があるように設け、間隙の全域をみたときに第２の内部電極層と側面との間隔が不均一とすることで、特定の周波数で音圧が急激に変化することが抑制され、音圧特性が平坦化して音質を改善できることが確認できた。
１　　圧電素子
１１　　第１の内部電極層
１２　　第２の内部電極層
１２０　　間隙
１３　　圧電体層
１４　　積層体
１４１　　一方主面側の領域
１４２　　他方主面側の領域
１５　　表面電極
１５１　　第１の表面電極
１５２　　第２の表面電極
１６１　　第１の側面電極
１６２　　第２の側面電極
１０　　音響発生器
２　　振動板
３　　枠体
３１　　上枠部材
３２　　下枠部材
４　　樹脂層
１００　　音響発生装置
５０　　電子機器
６０　　電子回路
２０、７０　　筺体
 

Claims (12)

  1. 　第１の内部電極層および第２の内部電極層が圧電体層を介して互いに対向するように交互に積層された長さ方向と幅方向とを有する長方形板状の圧電素子であって、積層方向から見て前記第２の内部電極層が幅方向の両側面との間の少なくとも一部に間隙があるように設けられており、該間隙の全域を見たときに前記第２の内部電極層と側面との間隔が異なる部分を有していることを特徴とする圧電素子。
  2. 　前記第１の内部電極層が幅方向の両側面まで達するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
  3. 　前記間隙が前記第２の内部電極層と幅方向の両側面との間の全域にわたって設けら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. 　前記第２の内部電極層が、前記長さ方向に対して傾いた斜めパターンであることを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
  5. 　前記第２の内部電極層と一方側面との間の前記間隙の形状が前記第２の内部電極層と他方側面との間の前記間隙の形状と異なっている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. 　前記圧電素子は、互いに伸縮状態の異なる一方主面側の領域および他方主面側の領域を有するバイモルフ構造である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. 　前記一方主面側の領域における前記第２の内部電極層と一方側面との前記間隔と、前記他方主面側の領域における前記第２の内部電極層と一方側面との前記間隔とが異なっているとともに、前記一方主面側の領域における前記第２の内部電極層と他方側面との前記間隔と、前記他方主面側における前記第２の内部電極層と他方側面との前記間隔とが異なっていることを特徴とする請求項６に記載の圧電素子。
  8. 　前記一方主面側の領域において、前記第２の内部電極層と一方側面との前記間隔が前記第２の内部電極層と他方側面との前記間隔よりも大きくなっており、前記他方主面側の領域において、前記第２の内部電極層と一方側面との前記間隔が前記第２の内部電極層と他方側面との前記間隔よりも小さくなっていることを特徴とする請求項７に記載の圧電素子。
  9. 　前記一方主面側の領域に位置する第２の内部電極層の面積と前記他方主面側の領域に位置する第２の内部電極層の面積とが異なっていることを特徴とする請求項６乃至請求項８のうちのいずれかに記載の圧電素子。
  10. 　請求項１乃至請求項９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を備えていることを特徴とする音響発生器。
  11. 　請求項１０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。
  12. 　請求項１０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ていることを特徴とする電子機器。
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