JP2010034269A - 積層型圧電素子および振動体 - Google Patents

Abstract

【課題】支持板への接合時における破損を抑制できるとともに、支持板への振動を十分に伝達できる積層型圧電素子および振動体を提供する。
【解決手段】圧電体層１と電極層３とを交互に積層してなり、圧電体層１の積層方向に形成された一対の長方形状の主面と電極層３が長さ方向に交互に引き出された一対の側面とを有する板状の積層体５と、積層体５の長さ方向ｘの両端部に設けられ、積層体５の側面から主面の長さ方向ｘ端部まで被覆した外部電極７ａ、７ｂとを具備するとともに、電極層３が外部電極７ａ、７ｂに交互に電気的に接続されている積層型圧電素子１０、２０であって、外部電極７ａ、７ｂ間における積層体５の主面の一部に、外部電極７ａ、７ｂよりも圧電体層１の積層方向ｙに突出した突出部５ａを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型圧電素子および振動体に関し、特に、コンピュータ、携帯電話機または小型端末機器用の平面スピーカ装置に用いられるバイモルフ型の積層型圧電素子および振動体に関する。

従来の積層型圧電素子は、圧電体と電極層とを交互に積層してなり、圧電体層の積層方向に形成された長方形状の一対の主面と電極層が長さ方向に交互に引き出された一対の側面とを有する板状の積層体と、この積層体の長さ方向の両端部に設けられ、積層体の側面から主面の長さ方向端部まで被覆する外部電極とを具備している。

このような従来の積層型圧電素子では、外部電極材料を含有するペーストを積層体の長さ方向の両端部に塗布し、焼き付けて外部電極が形成されていたため、外部電極が積層体の平坦な主面から突出していた。従って、支持板に積層型圧電素子を接着剤で接合する際には、接着剤が塗布された積層型圧電素子を支持板に押圧して圧着するが、その際に積層体の主面よりも外方に突出した外部電極が支持板に当接し、外部電極間の積層体にクラックやひび割れを生ずる虞があった。

このような問題を解決すべく、従来、特許文献１に開示されるように、外部電極が位置する支持板に貫通孔を形成し、支持板に積層型圧電素子を接着剤で接合する際にも、外部電極が支持板に当接しないようにした積層型圧電素子が知られている。また、特許文献１には、支持板に積層体主面からの外部電極の突出高さよりも高い台部（段差部）を形成し、この台部に積層体の主面を接合した積層型圧電素子が知られている。

このような積層型圧電素子では、積層体の主面よりも外方に突出した外部電極が、支持板の貫通孔内に収容されたり、また、台部の存在により外部電極が支持板に当接することがなく、支持板に積層型圧電素子を接着剤で接合する際にも、積層体におけるクラックやひび割れの発生を抑制することができる。
特開２００７−３２９４３１号公報

しかしながら、特許文献１では、支持板に貫通孔を形成しているため、支持板の一部の振動が抑制される虞があった。

また、特許文献１では、支持板に外部電極の突出高さよりも高い台部を形成したため、この台部が形成された支持板の部分は、他の支持板の部分よりも剛性が大きく、積層型圧電素子による支持板への振動が抑制される虞があった。

本発明は、支持板への接合時における破損を抑制できるとともに、支持板への振動を十分に伝達できる積層型圧電素子および振動体を提供することを目的とする。

本発明の積層型圧電素子は、圧電体層と電極層とを交互に積層してなり、前記圧電体層の積層方向に形成された一対の長方形状の主面と前記電極層が長さ方向に交互に引き出された一対の側面とを有する板状の積層体と、該積層体の長さ方向の両端部に設けられ、前記積層体の前記側面から前記主面の長さ方向端部まで被覆した外部電極とを具備するとともに、前記電極層が前記外部電極に交互に電気的に接続されている積層型圧電素子であって、前記外部電極間における前記積層体の主面の一部に、前記外部電極よりも前記圧電体層の積層方向に突出した突出部を有することを特徴とする。

このような積層型圧電素子では、外部電極間における積層体の主面の一部に、外部電極よりも圧電体の積層方向に突出した突出部を有するため、積層型圧電素子に接着剤を塗布し、積層型圧電素子を支持板側に押圧し、圧着する際には、積層体の突出部により規制され、外部電極は支持板には当接することはないため、支持板への接合時における積層型圧電素子の破損を抑制できる。また、特許文献１のように、支持板に貫通孔や台部を形成する必要がないため、積層型圧電素子による振動を支持板に十分に伝達できる。

本発明の振動体は、上記積層型圧電素子の前記突出部を有する主面側に支持板を接着剤により接合してなることを特徴とする。このような振動体では、支持板への接合時における積層型圧電素子の破損を抑制できるとともに、特許文献１のように、支持板に貫通孔や台部を形成する必要がないため、積層型圧電素子による振動を支持板に十分に伝達できる。

また、本発明の振動体は、前記支持板と前記外部電極との間、および前記支持板と前記突出部との間が接着剤により接合されていることを特徴とする。前記接着剤が前記外部電極よりも外側まで位置することが望ましい。

このような振動体では、支持板と外部電極との間、および支持板と突出部との間が接着剤により接合され、特に、接着剤が外部電極よりも外側まで位置する場合には、積層型圧電素子を支持板に強固に接合でき、積層型圧電素子による振動を支持板に十分に伝達できるとともに、振動体の落下等における支持板からの積層型圧電素子の剥離をも抑制することができる。

さらに、本発明の振動体は、前記積層型圧電素子の圧電体層の積層数が７層以上であることを特徴とする。圧電体層の積層数が多くなればなるほど、積層型圧電素子が支持板に与える力が大きくなるため積層型圧電素子と支持板との間が剥離しやすくなるが、本発明のように、支持板と外部電極との間、および支持板と突出部との間が接着剤により接合され、特に、接着剤が外部電極よりも外側まで位置する場合には、積層型圧電素子を支持板に強固に接合できる。

本発明の積層型圧電素子および振動体では、積層型圧電素子に接着剤を塗布し、積層型圧電素子を支持板側に押圧し、圧着する際には、積層体の突出部により規制され、外部電極は支持板には当接することはないため、支持板への接合時における積層型圧電素子の破損を抑制できる。また、支持板に貫通孔や台部を形成する必要がないため、積層型圧電素子による振動を支持板に十分に伝達できる。

以下、本発明の実施形態を図１、図２に基づいて説明する。図１は本発明のバイモルフ型の振動体の断面図、図２は振動体の層構造を説明するための分解斜視図である。

本発明のバイモルフ型の振動体は、図１、２に示すように、積層型圧電素子１０、２０を支持板３０の上下面に接着剤３７により接合して構成されている。尚、本発明は、バイモルフ型の積層型圧電素子に限定されるものではなく、支持板の片側に積層型圧電素子が接合されたユニモルフ型であっても良い。

積層型圧電素子１０、２０は、５層の圧電体１と６層の電極層３とを交互に積層してなる積層体５と、この積層体５の長さ方向ｘの両端部にそれぞれ設けられた外部電極７ａ、７ｂとを具備している。積層体５は板状であり、上下の主面が長方形状の板状とされ、積層体５の長さ方向ｘには、電極層３が交互に引き出される一対の側面が形成されている。

積層体５の長さ方向ｘの両端部には、積層体５の側面から上下の主面の長さ方向端部まで被覆する外部電極７ａ、７ｂがそれぞれ設けられている。６層の電極層３は交互に電極層３ａ、３ｂとされており、外部電極７ａ、７ｂには、積層体５の側面において３層ずつの電極層３ａ、３ｂが電気的に接続されている。

電極層３ａ、３ｂは、電極引出部３ａ１、３ｂ１を介して外部電極７ａ、７ｂに接続されており、電極引出部３ａ１、３ｂ１は、電極層３ａ、３ｂよりも幅狭とされている。電極層３ａ、３ｂ、電極引出部３ａ１、３ｂ１は、電極パターン形成時に同時に印刷される。

積層型圧電素子１０、２０は、外部電極７ａを絶縁性の支持板３０に形成された電極パターン、または導電性の支持板３０そのものに導通せしめ、この外部電極７ａと外部電極７ｂとの間に電圧を印可し、積層型圧電素子が駆動することになる。また、積層型圧電素子１０と積層型圧電素子２０とは、それぞれ反対側に変位するように、電圧が印可される。これにより、図１、２に示すようなバイモルフ型の振動体は、大きく振動することになる。

そして、本発明の積層型圧電素子では、図１、図３に示すように、外部電極７ａ、７ｂ間における積層体５の主面（積層方向面）の一部には、外部電極７ａ、７ｂよりも積層体５の積層方向ｙに突出した突出部５ａを有している。言い換えれば、積層体５の支持板３０側の主面の長さ方向ｘ端部には、長さ方向ｘ端に向けて（外部電極形成部分に向けて）研磨されて傾斜部４１が形成されており、傾斜部４１間が突出部５ａとされ、支持板３０と積層体５の主面との間隔は、長さ方向中央部（突出部５ａ）よりも長さ方向ｘ端が広くなっている。このような傾斜部４１を、傾斜部は外部電極７aが形成される側面と電極層３ｂ端との間（いわゆる振動しない不活性部）、または、外部電極７ｂが形成される側面と電極層３a端の間（いわゆる振動しない不活性部）に形成することで、積層型積層圧電素子による振動を阻害することがない。

尚、突出部５ａは、積層体５の片側の主面だけでなく、両方の主面に形成しても良い。

以上のように構成された積層型圧電素子は、例えばＺｒの一部をＳｂで置換したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料を含有する圧電ペーストを用いてグリーンシートを作製し、このグリーンシートに電極材料を含有する電極ペーストを塗布し、該電極ペーストが塗布されたグリーンシートを複数積層し、最上層には電極ペーストが塗布されていないグリーンシートを積層し、積層成形体を作製し、この積層成形体を脱脂焼成する。この後、図４（ａ）に示すように、積層体５の一方側の主面の長さ方向両端部を、長さ方向ｘ端に向けて深くなるように、例えば平面研磨、ブラスト等を用いて斜めに研磨し、傾斜部４１を形成する。

この後、図４（ｂ）に示すように、この積層体の両側の主面に最外層の電極層を形成すべく、電極材料を含有する電極ペーストを、積層体の両側の主面に塗布し、図４（ｃ）に示すように、長さ方向両端部に、外部電極材料を含有する電極ペーストを塗布し、所定温度で焼き付けることにより、本発明の積層型圧電素子を作製することができる。

そして、図４（ｄ）に示すように、積層型圧電素子の積層体５が研磨された側に接着剤３７を塗布し、支持板３０に押圧し、接合することにより、本発明の振動体を作製することができる。

本発明の振動体では、積層体５の長さ方向ｘ端部に形成された外部電極７ａ、７ｂよりも、積層体５の突出部５ａが支持板３０側に突出しており、積層型圧電素子１０、２０に接着剤３７を塗布し、積層型圧電素子１０、２０を支持板３０側に押圧し、圧着しようとしても、支持板３０に外部電極７ａ、７ｂが当接しないため、支持板３０への接合時における積層型圧電素子１０、２０の破損を抑制できる。また、突出部５ａは平坦であるため、積層型圧電素子１０、２０を支持板３０に接合する際の圧着あるいは押圧が均一となり歪力が無く、安定した接合ができる。さらに、従来のように支持板に貫通孔や台部を形成する必要がないため、積層型圧電素子による振動を支持板に十分に伝達できる。

図５は、本発明の他の積層型圧電素子を示すもので、この実施形態では、積層体５０の一方側の主面の長さ方向中央部には突出部５０ａが形成されている。突出部５０ａは、積層体５０の最外層の圧電体層が、長さ方向両端部よりも中央部の方で厚みが厚く形成されており、これにより、積層体５０の一方側の主面に突出部５０ａが形成されている。

このような積層型圧電素子は、グリーンシートに電極ペーストを塗布し、この電極ペーストが塗布されたグリーンシートを積層し、最上層にはグリーンシートのみ積層して、図６（ａ）に示すような積層成形体５３を作製し、この積層成形体５３の上面には、図６（ｂ）に示すように、長さ方向中央部に突出部５０ａを形成するためのグリーンシート５５を積層し、これを脱脂焼成する。そして、図６（ｃ）に示すように、この積層体５０の両側の主面に最外層の電極層を形成すべく、電極層材料を含有する電極ペーストを、積層体の両側の主面に塗布し、図示しないが、長さ方向両端部に、外部電極材料を含有する電極ペーストを塗布し、所定温度で焼き付けることにより、本発明の積層型圧電素子を作製することができる。

このような積層型圧電素子では、外部電極７ａ、７ｂ間における積層体５０の主面の一部に、外部電極７ａ、７ｂよりも圧電体層の積層方向ｙ側に突出した突出部５０ａを有するため、積層型圧電素子の突出部５０ａが形成された側に接着剤を塗布し、積層型圧電素子を支持板側に押圧し、圧着する際には、積層体５０の突出部５０ａにより規制され、外部電極７ａ、７ｂは支持板には当接することはないため、支持板への接合時における積層型圧電素子の破損を抑制できる。また、従来のように支持板に貫通孔や台部を形成する必要がないため、積層型圧電素子による振動を支持板に十分に伝達できる。

尚、上記形態では、圧電体層１が５層の場合の積層型圧電素子について説明したが、本発明は、上記形態に限定されるものではなく、圧電体層が７層以上であっても良い。このように圧電体層が多くなればなるほど、積層型圧電素子が支持板に与える力が大きくなるため積層型圧電素子と支持板との間が剥離しやすくなるが、本発明のように、支持板と外部電極との間、および支持板と突出部との間が接着剤により接合され、特に、接着剤が外部電極よりも外側まで位置する場合には、積層型圧電素子を支持板に強固に接合できる。

Ｚｒの一部をＳｂで置換したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含有する圧電ペーストを用いてグリーンシートを作製し、このグリーンシートに電極材料としてＡｇおよびＰｄを含有する電極ペーストを所定形状に塗布し、該電極ペーストが塗布されたグリーンシートを６層もしくは1２層積層し、最上層には電極ペーストが塗布されていないグリーンシートを積層し、２種類の積層成形体を作製し、これらの積層成形体を脱脂し、焼成した。

この後、図４（ａ）に示すように、積層体５の一方側の主面の長さ方向両端部を、長さ方向ｘ端に向けて深くなるように、平面研磨を用いることにより斜めに研磨した。

この後、図４（ｂ）に示すように、この積層体の両側の主面に最外層の電極層を形成すべく、電極材料としてＡｇとガラスを含有する電極ペーストを、積層体の両側の主面に塗布し、図４（ｃ）に示すように、長さ方向ｘの両端部に、外部電極材料としてＡｇとガラスを含有する電極ペーストを塗布し、焼き付け、積層型圧電素子を作製した。

作製された積層型圧電素子の全体寸法は幅３．５ｍｍ、長さ２６ｍｍであり、圧電体層の厚みは４０μｍ、電極層の厚みは３μｍであった。

そして、図４（ｄ）に示すように、積層型圧電素子の積層体５が研磨された側に、アクリル樹脂からなる接着剤を、外部電極および積層体の主面に塗布し、合金製の厚さ０．２ｍｍ支持板３０に押圧し、支持板３０と外部電極７ａ、７ｂとの間、および支持板３０と突出部５ａとの間を接着剤３７により接合し、図１に示すような振動体を作製した。接着剤３７は、外部電極７ａ、７ｂよりも外側にまで位置していた。

一方、積層体５の主面の突出部５ａのみ接着剤を塗布し、これを支持板３０に接合した振動体をも作製した。

これらの接合面積が異なる２種類の振動体の積層型圧電素子を顕微鏡にて確認したところ、圧電体層が７層と１３層のいずれの場合もクラックやひび割れは生じていなかった。

また、これらの２種類の振動体について、支持板と積層型圧電素子の接合強度について、落下試験で確認した。試験条件は、振動体の支持板の一端部を実装部材に固定し、この実装部材を１００ｇの落下試験治具に固定し、落下高さ１００ｃｍから大理石から成る落下地点へ合計３回自由落下させ、積層型圧電素子と支持板との剥離の有無を確認した。

この結果、積層体の主面の突出部のみ接着剤を塗布し、突出部のみ支持板に接合した振動体では、圧電体層が７層、１３層の場合とも１０個中４個に剥離が見られたものの、支持板と外部電極との間、および支持板と突出部との間を接着剤により接合した振動体では、圧電体層が７層、１３層の場合とも１０個中剥離したものはなかった。

本発明のバイモルフ型の振動体の断面図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ線に沿った横断面図である。 図１の振動体の層構造を説明するための分解斜視図である。 図１の積層型圧電体を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿った横断面図である。 図１の振動体を作製するための工程図である。 本発明の他の形態の積層型圧電体を示す縦断面図である。 図５の積層型圧電体を作製するための一部の行程図である。

符号の説明

１・・・圧電体層
３、３ａ、３ｂ・・・電極層
５、５０・・・積層体
５ａ、５０ａ・・・突出部
７ａ、７ｂ・・・外部電極
１０、２０・・・積層型圧電素子
３０・・・支持板
３７・・・接着剤
４１・・・傾斜部
ｘ・・・積層体の長さ方向
ｙ・・・圧電体層の積層方向

Claims (4)

1. 圧電体層と電極層とを交互に積層してなり、前記圧電体層の積層方向に形成された一対の長方形状の主面と前記電極層が長さ方向に交互に引き出された一対の側面とを有する板状の積層体と、該積層体の長さ方向の両端部に設けられ、前記積層体の前記側面から前記主面の長さ方向端部まで被覆した外部電極とを具備するとともに、前記電極層が前記外部電極に交互に電気的に接続されている積層型圧電素子であって、前記外部電極間における前記積層体の主面の一部に、前記外部電極よりも前記圧電体層の積層方向に突出した突出部を有することを特徴とする積層型圧電素子。
2. 請求項１記載の積層型圧電素子の前記突出部を有する主面側に支持板を接着剤により接合してなることを特徴とする振動体。
3. 前記支持板と前記外部電極との間、および前記支持板と前記突出部との間が接着剤により接合されていることを特徴とする請求項２記載の振動体。
4. 前記積層型圧電素子の圧電体層の積層数が７層以上であることを特徴とする請求項３に記載の振動体。

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