JP4091260B2 - 圧電素子，それを利用した圧電駆動体及び電子機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子，それを利用した圧電駆動体及び電子機器に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
圧電駆動体は、簡易な電気音響変換器やアクチュエータとして広く利用されている。特に最近は、携帯電話や携帯情報端末などへの応用が期待されている。圧電駆動体は、基本的には、図４（Ａ）に断面を示すようなユニモルフ構造と、同図（Ｂ）に断面を示すようなバイモルフ構造がある。まず、ユニモルフ構造の圧電駆動体は、圧電素子９００をシム板９１０に貼り合わせた構成となっている。圧電素子９００は、圧電性セラミックス｛ジルコン酸チタン酸鉛（略してＰＺＴ），チタン酸バリウム，ジルコン酸鉛，チタン酸鉛などを主成分とするセラミックス｝などによる圧電層９０２の表面に電極９０４，９０６を形成した積層構造となっている。圧電層９０２に対しては、電極９０４，９０６を利用して電圧を印加し、所定の分極が施される。一方、シム板９１０は、金属などによって構成されている。圧電素子９００は、例えば接着剤によってシム板９１０に接合される。
【０００３】
このようにして得られた圧電素子９００の電極９０４と電極９０６（あるいはシム板９１０）との間に、別言すれば圧電層９０２の表裏面に駆動信号が印加される。なお、シム板９１０側は通常コモン端子に接続されている。すると、圧電素子９００は、矢印ＦＡで示す方向に伸縮する。ところが、シム板９１０があるために全体が湾曲するようになり、結果として矢印ＦＢで示す方向に駆動されるようになる。
【０００４】
一方、図４（Ｂ）に示すバイモルフ構造の圧電駆動体は、同図（Ａ）のシム板９１０の裏面側に圧電素子９２０を設けた構造となっている。圧電素子９２０は、圧電層９２２の表面に電極９２４，９２６を形成した積層構造となっている。圧電層９２２に対しては、電極９２４，９２６を利用して電圧を印加し、所定の分極が施される。なお、電極９２６は、電極９０６と同電位であり、アースされている。
【０００５】
このバイモフル構造の場合、圧電素子９００と圧電素子９２０は、圧電層９０２，９２２の分極方向が逆方向となっているため、矢印ＦＡ，ＦＣで示す伸縮が互いに逆となる。すなわち、圧電素子９００が矢印ＦＡ方向に伸びたときは圧電素子９２０が矢印ＦＣ方向に縮み、逆に、圧電素子９００が矢印ＦＡ方向に縮んだときは圧電素子９２０が矢印ＦＣ方向に伸びる。すなわち、シム板９１０の一方の面が縮んだときは他方の面が伸びる関係となり、全体として矢印ＦＢ方向に駆動されるようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、携帯電話に圧電駆動体をスピーカとして使用する場合などを考えると、駆動電圧は低いほうが好都合である。駆動体の変位の大きさは音の大きさに依存するため、駆動エネルギを増大させればよいということになる。本発明に関してユニモルフ，バイモルフなどの振動体の駆動エネルギに関する式を導いたところ、圧電材料の圧電横効果定数をｄ_３１，横方向のコンプライアンスをＳ_３１，圧電素子の直径をＤ，印加電圧をＶとしたときの駆動エネルギＥは、数１式で表される。
【０００７】
【数１】

【０００８】
よって、材料の変更を除外すると、直径Ｄを大きくすること、印加電圧Ｖを大きくすることで駆動エネルギＥが増大し音も大きくなる。ここでｎ／ｔの項目が今回の形状で新たに付加されたパラメータである。ｔはセラミックスの厚み，ｎはその積層枚数を意味する。よってより薄いセラミックシートを積層することで駆動エネルギＥが増大する。
【０００９】
このような観点からは、圧電素子を積層構造とするのが好ましく、圧電層の積層数が多いほど低い駆動電圧で大きな駆動力を得ることができるが、あまり厚いセラミックスのシートを多層化すると、全体の厚みが増し、発音体の屈曲振動が自己の持つ剛性により抑制される結果になる。従って、これらの点、かつ、電子機器に対する薄型化，軽量化の観点も考慮しつつ、圧電層の積層数を増大しようとすると、一つの圧電層の厚さを薄くせざるを得ない。しかし、圧電層の１層当たりの厚さをあまり薄くしてしまうと、今度は強度が低下し、十分な強度を得ることができなくなってしまう。また、焼成時に圧電素子の反りや割れなどが生ずるようになり、量産性に劣るという不都合もある。
【００１０】
本発明は、以上の点に着目したもので、十分な駆動力を得ることができるとともに、強度も十分で、薄型化，軽量化の要求にも応え得る量産性に優れた圧電素子を得るとともに、それを利用した圧電駆動体及び電子機器を提供することを、その目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、セラミックスによって形成された圧電層と電極層を、交互に複数積層して同時焼成した圧電素子における前記圧電層の厚みをＷＬ，前記セラミックスの結晶の平均粒径をＷＰとしたとき、５≦ＷＬ／ＷＰ≦１０としたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図２（Ａ）には、本実施形態の圧電駆動体の断面が示されている。同図に示すように、本実施形態では、圧電素子が積層構造となっている。ユニモルフ構造であって全体がディスク状の圧電駆動体は、圧電素子１０をシム板２０に貼り合わせた構成となっている。圧電素子１０は、ＰＺＴなどによる圧電層１２Ａ〜１２Ｃと、電極層１４Ａ〜１４Ｄを交互に積層した構造となっている。これら圧電層１２Ａ〜１２Ｃと電極層１４Ａ〜１４Ｄは、所定数の積層の後、全体が同時に焼成され、その後接着剤によってシム板２０の略中央に接着される。
【００１３】
そして更に、圧電層１２Ａ〜１２Ｃに対しては、電極層１４Ａ〜１４Ｄを利用して分極用の電圧を印加し、所定の分極が施される。分極は、隣接する圧電層間で互いに逆となる方向に施される。例えば、圧電層１２Ａと圧電層１２Ｃが矢印Ｆ１方向に分極されるとすると、圧電層１２Ｂは矢印Ｆ１と逆の矢印Ｆ２方向に分極されるという具合である。例えば、電極層１４Ａ，１４Ｃはマイナス，電極層１４Ｂ，１４Ｄはプラスという具合に電圧を印加すると、前記矢印Ｆ１及び矢印Ｆ２方向に分極が行われる。一方、シム板２０は、金属などによって構成されている。圧電素子１０は、例えば接着剤によってシム板２０に接合される。シム板２０の周囲は、適宜の手段で固定支持される。
【００１４】
次に、以上のような構成の圧電駆動体の基本的な動作を説明する。音声信号などの駆動電圧は、例えば電極層１４Ｂ，１４Ｄに印加され、電極層１４Ａ，１４Ｃはアースされる。すると、圧電層１２Ａ〜１２Ｃは、電圧方向と分極方向が一致するため、矢印ＦＡ方向に同時に伸縮する。ところが、シム板２０があるために全体が湾曲するようになり、結果として矢印ＦＢで示す方向に駆動されるようになる。この場合において、圧電層の厚さを上述した背景技術と比較すると、本実施形態のほうが薄く、かつ積層構造となっているため、低い駆動電圧で駆動可能となる。
【００１５】
ここで、圧電層１２Ａ〜１２Ｃの積層部分を拡大すると、図１に示すようになる。同図に示すように、圧電層１２Ａ〜１２Ｃは、ＰＺＴの結晶粒１６が積み重なった構造となっている。ここで、圧電層１２Ａ〜１２Ｃの厚みに対する結晶粒１６の粒径が大きく、電極間に数個程度しか存在しないと、駆動電圧の印加に対する強度が低下してしまう。従って、電極間には、ある程度の個数の結晶粒１６が存在することが好ましい。
【００１６】
図３は、圧電層１２Ａ〜１２Ｃの各層の厚みＷＬと、結晶粒１６の平均粒径ＷＰとの比（ＷＬ／ＷＰ）と、絶縁破壊不良率（％）との関係を、圧電層１２Ａ〜１２Ｃの厚さをパラメータとして示したものである。なお、結晶粒１６の平均粒径ＷＰは、例えば、焼成体を破断して破断面を研磨後、ケミカルもしくは熱的なエッチングを施し、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）などで観察した際に結晶粒が観察できる状況にする。その後、直径法，インターセプト法などの手法（社団法人窯業協会版「セラミックスのキャラクタリゼーション技術」昭和６２年出版，発行者：大場立夫，Ｐ７参照）で得ることができる。
【００１７】
図３に示すように、ＷＬ／ＷＰが１〜４，すなわち電極間に存在する結晶粒が１〜４個のときは、絶縁破壊不良率が非常に高い。これに対し、ＷＬ／ＷＰが５以上，すなわち電極間に存在する結晶粒が５個以上で、絶縁破壊不良率が低下し、ＷＬ／ＷＰが６，すなわち電極間に存在する結晶粒が６個以上のときは、絶縁破壊不良率はほとんどゼロとなっている。このような条件で圧電層を積層することで、低い駆動電圧でも十分な駆動力を得ることができるとともに、強度も十分で、薄型化，軽量化の要求にも応えることができる。
【００１８】
本発明には数多くの実施形態があり、以上の開示に基づいて多様に改変することが可能である。
（１）前記実施形態に示した材料や形状・寸法は一例であり、同一の作用を奏するように適宜変更可能である。
【００１９】
（２）前記実施形態は、本発明をユニモルフ構造の圧電駆動体に適用したものであるが、バイモルフ構造の圧電駆動体にも同様に適用可能である。図２（Ｂ）には、バイモルフ型の圧電駆動体の一例が示されており、シム板２０の一方の面に圧電素子１０が設けられており、他方の面に圧電素子３０が設けられている。圧電素子３０は、圧電層３２Ａ〜３２Ｃと電極層３４Ａ〜３４Ｄを交互に積層した構造となっており、接着剤によってシム板２０に接合されている。圧電層３２Ａ〜３２Ｃの分極方向は、圧電層１２Ａ〜１２Ｃと逆の方向となっている。
【００２０】
一方、音声信号などの駆動電圧は、電極層１４Ｂ，１４Ｄ，３４Ｂ，３４Ｄに印加され、他の電極層１４Ａ，１４Ｃ，３４Ａ，３４Ｃはアースされている。このため、圧電素子１０の矢印ＦＡ方向の伸縮と圧電素子３０の矢印ＦＣ方向の伸縮は互いに逆方向となる。すなわち、圧電素子１０が矢印ＦＡ方向に伸びたときは圧電素子３０は矢印ＦＣ方向に縮む。逆に、圧電素子１０が矢印ＦＡ方向に縮んだときは圧電素子３０は矢印ＦＣ方向に伸びる。このため、全体として、矢印ＦＢ方向に振動するようになる。
【００２１】
（３）本発明の好適な応用例としては、携帯電話，携帯情報端末（ＰＤＡ），ボイスレコーダ，ＰＣ（パソコン）などの各種電子機器のスピーカがある。他にアクチュエータなど、各種の用途に適用してよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧電素子を積層構造とするとともに、圧電層の厚みをＷＬ，圧電層を形成するセラミックスの結晶の平均粒径をＷＰとしたとき、５≦ＷＬ／ＷＰ≦１０となるようにしたので、圧電層の不良発生が低減されるようになり、低い駆動電圧でも十分な駆動力を得ることができるとともに、強度も十分で、薄型化，軽量化の要求にも応えることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の主要部を示す拡大図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる圧電駆動体の積層構造を示す主要断面図である。
【図３】前記実施形態における層間厚み／結晶粒径と絶縁破壊不良率との関係を示すグラフである。
【図４】従来の圧電駆動体の構造を示す主要断面図である。
【符号の説明】
１０…圧電素子
１２Ａ〜１２Ｃ…圧電層
１４Ａ〜１４Ｄ…電極層
１６…結晶粒
２０…シム板
３０…圧電素子
３２Ａ〜３２Ｃ…圧電層
３４Ａ〜３４Ｄ…電極層
ＷＬ…圧電層の厚み
ＷＰ…結晶の平均粒径

Claims (4)

1. セラミックスによって形成された圧電層と電極層を、交互に複数積層して同時焼成した圧電素子であって、
   前記圧電層の厚みをＷＬ，前記セラミックスの結晶の平均粒径をＷＰとしたとき、５≦ＷＬ／ＷＰ≦１０としたことを特徴とする圧電素子。
2. 前記セラミックスとしてＰＺＴを使用したことを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 請求項１又は２記載の圧電素子をシム板の少なくとも一方の面に貼り合せたことを特徴とする圧電駆動体。
4. 請求項３記載の圧電駆動体を使用したことを特徴とする電子機器。

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