JP5969863B2 - Piezoelectric element, sound generator, sound generator, and electronic device - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子、音響発生器、音響発生装置及び電子機器に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element, a sound generator, a sound generator, and an electronic apparatus.
従来、圧電スピーカに代表される音響発生器は、圧電体を電気音響変換素子に用いた小型、低電流駆動の音響機器として知られており、例えば、モバイルコンピューティング機器等、小型の電子機器に組み込まれる音響発生装置として使用されている。 Conventionally, an acoustic generator typified by a piezoelectric speaker has been known as a small-sized, low-current driving acoustic device using a piezoelectric body as an electroacoustic transducer, for example, a small electronic device such as a mobile computing device. It is used as an integrated sound generator.
例えば、圧電体を電気音響変換素子に用いた音響発生器は、金属や樹脂フィルム等の振動板に銀薄膜等による電極が形成された圧電素子を貼り付けた構造となっている。圧電体を電気音響変換素子に用いた音響発生器の発音機構は、圧電素子の両面に交流電圧を印加することで圧電素子に形状歪を発生させ、圧電素子の形状歪を振動板に伝えて振動させることにより音を発生させるというものである。 For example, an acoustic generator using a piezoelectric body as an electroacoustic transducer has a structure in which a piezoelectric element in which an electrode made of a silver thin film or the like is attached to a vibration plate such as a metal or a resin film. The sound generation mechanism of an acoustic generator using a piezoelectric body as an electroacoustic transducer generates shape distortion in the piezoelectric element by applying an AC voltage to both sides of the piezoelectric element, and transmits the shape distortion of the piezoelectric element to the diaphragm. Sound is generated by vibrating.
詳細には、圧電素子は、2つの外部電極のいずれか1方に対して交互に接続する複数の内部電極層と、圧電素子の厚み方向に分極された複数の圧電体層とを積層した構造を有する。ここで、各内部電極層は、それぞれ同じ大きさを有し、外部電極と接続されていない非接触端の位置が重なるように積層されている。また、各圧電体層は、所定の方向に分極されており、分極方向と印加される電界方向とが同一方向であれば平面方向に縮む性質を有し、分極方向と印加される電界方向とが同一方向であれば、平面方向に伸びる性質を有する。 Specifically, the piezoelectric element has a structure in which a plurality of internal electrode layers alternately connected to one of two external electrodes and a plurality of piezoelectric layers polarized in the thickness direction of the piezoelectric element are laminated. Have Here, each internal electrode layer has the same size, and is laminated so that the positions of the non-contact ends that are not connected to the external electrode overlap. Each piezoelectric layer is polarized in a predetermined direction, and has a property of contracting in a plane direction if the polarization direction and the applied electric field direction are the same direction, and the polarization direction and the applied electric field direction If they are in the same direction, they have the property of extending in the plane direction.
このような圧電素子は、各外部電極に接続した内部電極層に交番信号が印加された場合には、一方の圧電体層が延び、他方の圧電体層が縮むので、全体として屈曲振動する。このような屈曲振動を振動板に伝えることで、圧電素子は、音を発生させることができる。 When an alternating signal is applied to the internal electrode layer connected to each external electrode, such a piezoelectric element is bent and vibrated as a whole because one piezoelectric layer extends and the other piezoelectric layer contracts. By transmitting such bending vibration to the diaphragm, the piezoelectric element can generate sound.
しかしながら、上記の圧電素子は、各内部電極層の非接触端の位置が重なるように積層されており、屈曲振動の際に内部電極層の非接触端が存在する面上に応力が集中すると、クラックが生じる場合がある。 However, the piezoelectric element is laminated so that the positions of the non-contact ends of the internal electrode layers overlap each other, and when stress is concentrated on the surface where the non-contact ends of the internal electrode layers exist during bending vibration, Cracks may occur.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、クラックの発生を抑制することができる圧電素子、音響発生器、音響発生装置及び電子機器を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the above, Comprising: It aims at providing the piezoelectric element which can suppress generation | occurrence | production of a crack, an acoustic generator, an acoustic generator, and an electronic device.
本発明に係る圧電素子は、対向する2つの外部電極と、前記外部電極のいずれか一方に対して一層おきに接続する複数の内部電極層と、複数の圧電体層とが積層され、同一の外部電極に接続する複数の内部電極層は、外部電極と接触していない非接触端から他方の外部電極までの第一の方向の距離がそれぞれ異なるように形成されているとともに、前記第一の方向に垂直な第二の方向の端の位置がそれぞれ異なるように形成されていることを特徴とする。 In the piezoelectric element according to the present invention, two opposing external electrodes, a plurality of internal electrode layers connected to one of the external electrodes every other layer, and a plurality of piezoelectric layers are laminated, and the same a plurality of inner electrode layers connected to the external electrodes, together are formed from a non-contact end that is not in contact with the external electrodes, respectively Re distance pixels of the first direction to the other external electrode different from the The positions of the ends in the second direction perpendicular to the first direction are different from each other .
本発明に係る音響発生器の一つの態様によれば、クラックの発生を抑制することができるという効果を奏する。 According to one aspect of the acoustic generator according to the present invention, there is an effect that generation of cracks can be suppressed.
以下に、本発明に係る圧電素子、音響発生器、音響発生装置及び電子機器の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態は本発明を限定するものではない。そして、実施形態として下記に例示する各形態は、音響発生器を構成する各部材の形状や寸法を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。 Hereinafter, embodiments of a piezoelectric element, a sound generator, a sound generator, and an electronic device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that this embodiment does not limit the present invention. And each form illustrated below as embodiment can be suitably combined in the range which does not contradict the shape and dimension of each member which comprise an acoustic generator.
(第1形態)
[音響発生器の構造]
まず、音響発生器の第1形態を図1A及び図1Bに基づいて説明する。図1Aは、第1形態の音響発生器を示す平面図であり、また、図1Bは、第1形態の音響発生器を示す断面図である。なお、図1Bには、図1Aに示すA−A線に沿った断面図が示されている。また、図1Bでは、理解を容易にするために、積層型の圧電素子1の厚み方向(y軸方向)を拡大して示している。また、以下の説明では、圧電素子1の長手方向をx軸方向とし、圧電素子1の短手方向をz軸方向と記載する。
(First form)
[Structure of sound generator]
First, the 1st form of an acoustic generator is demonstrated based on FIG. 1A and FIG. 1B. FIG. 1A is a plan view showing a sound generator of the first form, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing the sound generator of the first form. 1B shows a cross-sectional view along the line AA shown in FIG. 1A. Further, in FIG. 1B, for easy understanding, the thickness direction (y-axis direction) of the multilayer
図1A及び図1Bに示す第1形態の音響発生器は、一対の枠状の枠部材5によって挟持された支持板となるフィルム3の上面に、積層型の圧電素子1を含んで構成されている。すなわち、第1形態の音響発生器は、図1Bに示すように、張力がかけられた状態でフィルム3を第1および第2の枠部材5a、5bで挟持することによってフィルム3が第1および第2の枠部材5a、5bに固定されており、このフィルム3の上面に積層型の圧電素子1が配置されている。
1A and 1B includes a laminated
このうち、圧電素子1は、板状に形成されるとともに上下の主面が正方形状、長方形状あるいは多角形状に形成される。かかる圧電素子1は、4層のセラミックスからなる圧電体層7と3層の内部電極層9とを交互に積層してなる積層体13と、この積層体13の上下両面に形成された表面電極層15a、15bと、積層体13のx軸方向の両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極17、19とを含んでいる。
Among these, the
外部電極17は、表面電極層15a、15bと、1層の内部電極層9bとに接続される。また、外部電極19は、2層の内部電極層9a、9cに接続される。すなわち、各内部電極層9a〜9c、および表面電極層15a、15bは、交互に外部電極17、19のいずれか一方と接続されている。
The
また、外部電極19の上下端部は、積層体13の上下面まで延設されてそれぞれ折返外部電極19aが形成されており、これらの折返外部電極19aは、積層体13の表面に形成された表面電極層15a、15bに接触しないように、表面電極層15a、15bとの間で所定の距離を隔てて延設されている。
The upper and lower end portions of the
また、各圧電体層7a〜7dは、図1Bに矢印で示すように、電圧を印加しない状態で(電圧0ボルトの状態で)既に分極された状態にある。詳細には、圧電体層7a及び圧電体層7dとがy軸方向の上向きに分極され、圧電体層7bと圧電体層7cとが、y軸方向の下向きに分極されている。すなわち、各圧電体層7a〜7dは、圧電体層7a、7dの組と、圧電体層7b、7cの組とで逆向きに分極している。
In addition, as shown by arrows in FIG. 1B, each of the
ここで、各圧電体層7a〜7dは、分極方向と同じ向きの電界が印加された場合には、平面方向に縮み、分極方向と異なる向きの電界が印加された場合には、平面方向に伸びる性質を有する。このため、外部電極17、19に電圧が印加され、表面電極層15a、表面電極層15b、及び内部電極層9bに+極の電界が、一方、外部電極19、折返外部電極19a、内部電極層9a、9cに−極の電界がそれぞれ印加された場合には、電界の向きは、内部電極層9a、9cに向くものとなり、圧電体層7a、7bには、分極方向と同じ向きの電界が印加されることから、圧電体層7a、7bは平面方向に縮む。一方、圧電体層7c、7dでは、分極方向と逆向きの電界が印加されることとなるため、圧電体層7c、7dは、平面方向に伸びる。次に、電界の極性が逆向きになった場合には、圧電体層7a、7dと圧電体層7c、7dとには、逆の変形が生じることとなる。
Here, the
上記の4層の圧電体層7と上記の3層の内部電極層9とは、積層された状態で同時に焼成されて構成されており、表面電極層15a、15bは、積層体13を作製した後、ペーストを塗布し焼き付けて形成されている。
The four
また、圧電素子1は、フィルム3側の主面とフィルム3とが接着剤層21で接合されている。これら圧電素子1とフィルム3との間の接着剤層21の厚みは、20μm以下とされている。特には、接着剤層21の厚みは、10μm以外であることが望ましい。このように、接着剤層21の厚みが20μm以下である場合には、積層体13の振動をフィルム3に伝えやすくなる。
Further, in the
接着剤層21を形成するための接着剤としては、エポキシ系樹脂、シリコン樹脂、ポリエステル系樹脂などの公知のものを使用できる。接着剤に使用する樹脂の硬化方法としては、熱硬化、光硬化や嫌気性硬化等のいずれの方法を用いても振動体を作製できる。
As the adhesive for forming the
さらに、第1形態の音響発生器は、圧電素子1を埋設するように、枠部材5aの内側に樹脂が充填されて樹脂層20が形成されている。なお、図1Aでは、理解を容易にするため、樹脂層の図示を省略した。
Furthermore, in the acoustic generator of the first form, the
樹脂層20には、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂やゴムなどを採用できる。また、樹脂層20は、スプリアスを抑制する観点から、圧電素子1を完全に覆う状態で塗布されるのが好ましい。さらに、支持板となるフィルム3も圧電素子1と一体となって振動することから、圧電素子1で覆われないフィルム3の領域も同様に樹脂層20によって被覆されている。
For the
このように、第1形態の音響発生器では、圧電素子1を樹脂層20で埋設することによって、圧電素子1の共振現象に伴うピークディップに対し、適度なダンピング効果を誘発させることができる。かかるダンピング効果によって、共振現象を抑制するとともにピークディップを小さく抑制することができる。この結果、音圧の周波数依存性を小さくすることが可能になる。
As described above, in the acoustic generator of the first embodiment, by embedding the
ここで、圧電体層7としては、ジルコン酸鉛(PZ)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、Bi層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等、既存の圧電セラミックスを用いることができる。圧電体層7の厚みは、低電圧駆動という観点から、10〜100μmとされている。
Here, as the
また、内部電極層9としては、銀とパラジウムからなる金属成分と圧電体層7を構成する材料成分を包含することが望ましい。内部電極層9に圧電体層7を構成するセラミック成分を含有させることによって、圧電体層7と内部電極層9との熱膨張差による応力を低減でき、積層不良のない圧電素子1を得ることができる。なお、内部電極層9は、特に、銀とパラジウムからなる金属成分に限定されるものではなく、他の金属成分であってよく、また、セラミック成分として、圧電体層7を構成する材料成分に限定されるものではなく、他のセラミック成分であってもよい。
The internal electrode layer 9 preferably includes a metal component composed of silver and palladium and a material component constituting the
また、表面電極層15a、15bと外部電極17、19は、銀からなる金属成分にガラス成分を含有することが望ましい。このようにガラス成分を含有させることによって、圧電体層7や内部電極層9と、表面電極層15または外部電極17、19との間に強固な密着力を得ることができる。
The surface electrode layers 15a and 15b and the
枠部材5は、矩形状をなしており、図1Bに示すように、2枚の矩形枠状の枠部材5a、5bを貼り合わせて構成されている。これら枠部材5a及び枠部材5b間には、フィルム3の外周部が挟み込まれ、張力を印加した状態で固定されている。枠部材5a、5bは、例えば、厚み100〜1000μmのステンレス製とされている。なお、枠部材5a、5bの材質は、ステンレス製に限らず、樹脂層20よりも変形し難いものであればよく、例えば、硬質樹脂、プラスチック、エンジニアリングプラスチック、セラミックス等を用いることができ、本形態では、枠部材5a、5bの材質、厚み等は特に限定されるものでない。更に枠形状も矩形状に限定されるものではなく、内周部または外周部の一部または全部を円形、楕円形としてもよいし、内周部または外周部を菱形としてもよい。
The
フィルム3は、枠部材5a、5b間にフィルム3の外周部を挟み込むことによってフィルム3が面方向に張力をかけられた状態で、枠部材5a、5bに固定され、フィルム3が振動板の役割を果たしている。フィルム3の厚みは、例えば、10〜200μmとされ、フィルム3は、例えば、ポリエチレン、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリスチレン、テン等の樹脂、あるいはパルプや繊維等からなる紙から構成されている。これらの材料を用いることでピークディップを抑えることができる。
The
[各電極層の形成位置]
続いて、図2を用いて、本実施形態の第1形態の音響発生器が有する内部電極層9a〜9cの形成位置について説明する。図2は、第1形態の圧電素子が有する内部電極層の形成位置を説明するための図である。
[Formation position of each electrode layer]
Next, formation positions of the
図2中(A)に示す内部電極層9aの非接触端と、図2中(B)に示す内部電極層9cの非接触端とは、それぞれ異なる位置に形成されている。詳細には、内部電極層9aの非接触端から、内部電極層9aが接続されていない外部電極17までの距離L1と、内部電極層9cの非接触端から、内部電極層9cが接続されていない外部電極17までの距離L2とがそれぞれ異なる距離になるように、各内部電極層9a、9cが形成されている。
The non-contact end of the
このように、各内部電極層9a、9cの非接触端から、外部電極17までの距離L1、およびL2が異なる構成であると、圧電素子1が屈曲振動する際に、応力が発生する位置をずらすことができるので、圧電体層7におけるクラックの発生を抑制することができる。以下、図3を用いて、圧電素子1が屈曲振動する際に応力が発生する位置と、応力が発生する位置をずらすことで、クラックの発生を抑制することができる点について説明する。
As described above, when the distances L1 and L2 from the non-contact ends of the
図3は、応力が発生する位置を説明するための図である。なお、図3には、図1Aに示すA−A線に沿った断面において、圧電体層7に電界を印加した際に、圧電素子1がどのように変形するかを示した。詳細には、電界を印加していない際における圧電素子1の断面図を図3中(C)に示し、電界の印加によってy軸方向に脹らんだ場合における圧電素子1の断面図を図3中(D)に示し、電圧の印加によってy軸方向にへこんだ場合における圧電素子1の断面図を図3中(E)に示した。また、図3に示す例では、圧電素子1が屈曲振動する際にどのように変形するかを理解し易くするため、内部電極層9a、9cの非接触端から外部電極17までの距離が同じ場合について示した。
FIG. 3 is a diagram for explaining a position where stress is generated. FIG. 3 shows how the
例えば、図3中(F)に示すように、内部電極層9a、9cよりも外部電極17に近い領域は、y軸方向の厚みがそれほど変化しない。一方、図3中(G)〜(H)に含まれる領域は、電界の印加によってy軸方向に脹らんだりへこんだりする変形領域である。このように、圧電素子1は、全ての内部電極層9a〜9cが重なる領域において大きく変形し、いずれかの内部電極層が重ならない領域においては、あまり変形しないので、図3中(I)に示すように、各内部電極層9a〜9cの非接触端において大きな応力が発生する。この結果、図3中(I)に示すように、圧電体層7のうち、内部電極層9a、9cの非接触端が存在する面上に大きな応力が発生し、クラックが生じ易くなってしまう。
For example, as shown in FIG. 3F, in the region closer to the
そこで、実施例1に係る圧電素子1は、内部電極層9a、9cの非接触端と、外部電極17との距離をずらすように形成される。この結果、圧電素子1は、屈曲振動の際に応力が発生する位置を分散させることができるので、圧電体層7におけるクラックの発生を防止することができる。
Therefore, the
また、内部電極層9a、9cの非接触端と、外部電極17との距離をずらすように圧電素子1を形成した場合には、非接触端付近の圧電体層に対して歪みが発生する位置をばらつかせることができる。この結果、圧電素子1の内部における振動損失が大きくなるので、圧電素子1を有する音響発生器は、音圧の周波数特性におけるピークディップを低減することができ、音圧のバラつきを小さくすることができる。
Further, when the
[製法]
本発明の音響発生器の製法について説明する。
[Production method]
A method for producing the acoustic generator of the present invention will be described.
最初に、バイモルフ型の圧電素子1を準備する。かかる圧電素子1は、圧電材料の粉末にバインダー、分散剤、可塑材、溶剤を混練し、スラリーを作製する。圧電材料としては、鉛系、非鉛系のうちいずれでも使用することができる。
First, the bimorph type
次に、上記のスラリーをシート状に成形し、グリーンシートを得ることができ、このグリーンシートに内部電極ペーストを印刷して内部電極パターンを形成し、この電極パターンが形成されたグリーンシートを3枚積層し、最上層にはグリーンシートのみ積層して、積層成形体を作製する。ここで、積層するグリーンシート状に形成される内部電極パターンのうち、内部電極層9aとなる内部電極パターンと、内部電極層9cとなる内部電極パターンとは、非接触端と外部電極17との距離がそれぞれ異なるように形成される。
Next, the slurry can be formed into a sheet shape to obtain a green sheet, and an internal electrode paste is printed on the green sheet to form an internal electrode pattern, and the green sheet on which the electrode pattern is formed 3 Laminated sheets are laminated, and only a green sheet is laminated on the uppermost layer to produce a laminated molded body. Here, among the internal electrode patterns formed in the green sheet shape to be laminated, the internal electrode pattern to be the
次に、上記の積層成形体を脱脂、焼成し、所定寸法にカットすることによって積層体13を得ることができる。積層体13は、必要に応じて外周部を加工し、積層体13の圧電体層7の積層方向の主面に表面電極層15a、15bのペーストを印刷し、引き続き、積層体13の長手方向xの両端面に外部電極17、19を印刷し、所定の温度で電極の焼付けを行うことによって図1A及び図1Bに示すバイモルフ型の圧電素子1を得ることができる。
Next, the
次に、バイモルフ型の圧電素子1に圧電性を付与するために、表面電極層15a、15b又は外部電極17、19を通じて直流電圧を印加して、バイモルフ型の圧電素子1の圧電体層7の分極を行う。かかる分極は、図1Bに矢印で示す方向となるように、DC電圧を印加して行う。
Next, in order to impart piezoelectricity to the bimorph type
次に、支持体となるフィルム3を準備し、このフィルム3の外周部を枠部材5a、5b間に挟み、フィルム3に張力をかけた状態で固定する。この後、フィルム3に接着剤を塗布して、そのフィルム3上にバイモルフ型の圧電素子1の表面電極15a側を押し当て、この後、接着剤を熱や紫外線を照射することによって硬化させる。そして、樹脂を枠部材5aの内側に流し込む。その上で、バイモルフ型の圧電素子1を完全に埋設させ、樹脂層20を硬化させることによって第1形態の音響発生器を得ることができる。
Next, the
以上のように構成された音響発生器には、非接触端から外部電極17までの距離が異なる内部電極層9aと9cとが形成される。このため、第1形態の音響発生器は、圧電素子1が屈曲振動する際に応力が発生する位置を分散させることができるので、圧電体層7におけるクラックの発生を防止することができる。また、第1形態の音響発生器は、非接触端付近の圧電体層7に対して歪みが発生する位置をばらつかせることができるので、圧電素子1の内部における振動損失が大きくし、音圧の周波数特性におけるピークディップを低減することができ、音圧のバラつきを小さくすることができる。
In the acoustic generator configured as described above, the
なお、上述した第1形態では、内部電極層9aの非接触端と外部電極17との距離を、他の内部電極層9cの非接触端と外部電極17との距離とを異なる距離にする形態について記載した。しかしながら、本実施形態は、上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。
In the first embodiment described above, the distance between the non-contact end of the
すなわち、圧電素子1は、外部電極19に接続された内部電極層が3つ以上存在する場合には、いずれか1つの内部電極層における非接触端と外部電極17との距離を、他の内部電極層における非接触端と外部電極17との距離からずらせばよい。また、圧電体層は、外部電極17に接続された内部電極層が複数存在する場合には、いずれか1つの内部電極層における非接触端と外部電極19との距離を、他の内部電極層における非接触端と外部電極19との距離からずらせばよい。このように、いずれか1つの内部電極層における非接触端と外部電極との距離をずらした場合には、応力が発生する位置を分散させることができるので、圧電体層7におけるクラックの発生を防止することができる。
That is, when there are three or more internal electrode layers connected to the
(第2形態)
これまで第1形態について説明したが、本実施形態は上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、各外部電極17、19に3つ以上の内部電極層を接続し、各内部電極層の非接続端と、接続されていない外部電極層との距離がそれぞれ異なるように形成した圧電素子1aを有する音響発生器について説明する。
(Second form)
Although the first embodiment has been described so far, the present embodiment may be implemented in various different forms other than the above-described forms. Therefore, in the following, three or more internal electrode layers are connected to each of the
なお、第2形態の音響発生器は、図1A、および図1Bに示した第1の形態の音響発生器と同様の構成を有するものとし、以下の説明では、第2形態の音響発生器が有する圧電素子1aについて説明する。
The acoustic generator of the second form has the same configuration as the acoustic generator of the first form shown in FIGS. 1A and 1B. In the following description, the acoustic generator of the second form is The
図4は、第2形態に係る圧電素子を説明するための図である。図4に示すように、圧電素子1aは、セラミックスからなる8層の圧電体層7a〜7hと7層の内部電極層9a〜9gとを交互に積層してなる積層体と、この積層体13の上下両面に形成された表面電極層15a、15bと、積層体のx軸方向の両端部にそれぞれ設けられた一対の外部電極17、19とを含んでいる。
FIG. 4 is a diagram for explaining the piezoelectric element according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, the
ここで、内部電極層9a、9c、9e、9gは、外部電極19と接続され、内部電極層9b、9d、9fは、外部電極層17と接続されている。すなわち、各外部電極層17、19は、それぞれ3層以上の外部電極層と接続されている。
Here, the
ここで、各内部電極層9a、9c、9e、9gは、非接触端と外部電極層17との距離がそれぞれ異なるよう形成されている。また、各内部電極層9b、9d、9fは、非接触端と外部電極層19との距離がそれぞれ異なるよう形成されている。すなわち、圧電素子1aの各内部電極層9a〜9gは、接続されていない外部電極層と、非接触端との距離がそれぞれ異なる距離になるよう形成されている。
Here, each
この結果、圧電素子1aは、屈曲振動する際に応力が発生する位置を圧電素子1よりも分散させることができる。このため、第2形態の音響発生器は、圧電体層7におけるクラックの発生をより防止することができる。また、第2形態の音響発生器は、非接触端付近の圧電体層7に対して歪みが発生する位置を第1形態の音響発生器よりもばらつかせることができるので、圧電素子1aの内部における振動損失をさらに大きくし、音圧の周波数特性におけるピークディップをさらに低減することができ、音圧のバラつきをさらに小さくすることができる。
As a result, the
(第3形態)
上述した第1形態、および第2形態では、各内部電極層9の非接触端と外部電極17、19との距離をばらつかせた圧電素子1、1aについて説明した。しかし本実施形態は上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、次第に面積が広くなる複数の内部電極層からなる組を繰り返し配置した圧電素子1bを有する音響発生器を第3形態として説明する。
(Third form)
In the first embodiment and the second embodiment described above, the
なお、第3形態の音響発生器は、図1A、および図1Bに示した第1の形態の音響発生器と同様の構成を有するものとし、以下の説明では、第3形態の音響発生器が有する圧電素子1bについて説明する。
The sound generator of the third form has the same configuration as the sound generator of the first form shown in FIGS. 1A and 1B, and in the following description, the sound generator of the third form is The
図5は、第3形態に係る圧電素子を説明するための図である。なお、図5には、図1Aに示すB−B線に沿った圧電素子1bの断面図を示した。なお、図5では、理解を容易にするため記載を省略したが、圧電素子1bは、圧電素子1と同様に、外部電極層15a、15bを有するものとする。
FIG. 5 is a diagram for explaining the piezoelectric element according to the third embodiment. FIG. 5 shows a cross-sectional view of the
図5に示すように、圧電素子1bは、8層の内部電極層9a〜9hをセラミックスからなる圧電体層とを交互に積層してなる積層体を有する。ここで、各内部電極層9a〜9dは、y軸方向で下向きに、面積が次第に大きくなるように積層されている。つまり、各内部電極9a〜9dは、x軸方向の長さが同じ場合に、z軸方向の長さがそれぞれ異なる長さになるよう形成されている。また、各内部電極層9a〜9dのz軸方向における非接触端の位置は、積層した際に重ならないようそれぞれ異なる位置に形成されている。
As shown in FIG. 5, the
また、各内部電極層9e〜9hは、各内部電極層9a〜9dと同様に、y軸方向で下向きに、面積が次第に大きくなるように積層されている。つまり、各内部電極層9e〜9hは、x軸方向の長さが同じ場合に、z軸方向の長さがそれぞれ異なる長さになるよう形成されている。また、内部電極層9e〜9hのz軸方向における非接触端の位置も同様に、積層した際に重ならないようそれぞれ異なる位置に形成されている。
In addition, the
このように、圧電素子1bは、面積が次第に大きくなるよう積層した内部電極層9a〜9dの組と、面積が次第に大きくなるよう積層した内部電極層9e〜9hの組とを積層することで、内部電極層9a〜9hのz軸方向における非接触端の位置を分散させているので、yz平面上で応力が発生する位置を分散させることができる。このため、圧電素子1bを有する第3形態の音響発生器は、圧電体層7におけるyz平面上のクラックの発生を防止することができる。また、第3形態の音響発生器は、非接触端付近の圧電体層7に対して歪みが発生する位置をばらつかせることができるので、圧電素子1bの内部における振動損失をさらに大きくし、音圧の周波数特性におけるピークディップをさらに低減することができ、音圧のバラつきをさらに小さくすることができる。
Thus, the
なお、圧電素子1bは、各内部電極層9a〜9hのz軸方向における非接触端(第二の方向の端)の位置を分散させるだけではなく、圧電素子1、1aと同様に、各内部電極層9a〜9hのx軸方向(第一の方向)における非接触端の位置をずらしてもよい。このように、圧電素子1bは、各内部電極層9a〜9hの非接触端の位置を分散させることで、応力が発生する位置を分散させ、クラックの発生を防止することができる。
The
また、圧電素子1bは、面積が次第に大きくなるよう積層した内部電極層の組を2組積層したが、より好ましくは、各内部電極層の組が4層以上の内部電極層を含み、さらにその組を4ユニット以上積層した構成が望ましい。
In addition, the
(第4形態)
上述した第1形態〜第3形態では、各内部電極層9の非接触端の位置をずらすことで、応力が発生する位置を分散させ、クラックの発生を防止する圧電素子1、1a、1bについて説明した。しかし本実施形態は上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、積層方向からみて、内部電極層をずらした位置に形成した圧電素子1cを有する音響発生器を第4形態として説明する。
(4th form)
In the first to third embodiments described above, the
なお、第4形態の音響発生器は、図1A、および図1Bに示した第1の形態の音響発生器と同様の構成を有するものとし、以下の説明では、第4形態の音響発生器が有する圧電素子1cについて説明する。また、以下の説明では、圧電素子1cは、圧電素子1と同様の構成を有するものとする。
The acoustic generator of the fourth form has the same configuration as that of the acoustic generator of the first form shown in FIGS. 1A and 1B. In the following description, the acoustic generator of the fourth form is The
図6は、第4形態に係る圧電素子を説明するための図である。なお、図6には、y軸方向の上面から見た圧電素子1cの平面図を示した。また、図6中では、外部電極17、及び外部電極17に接続する表面電極層15a、15b、内部電極9bからなる内部電極22を点線で示し、外部電極19、および外部電極19に接続する折返外部電極19a、内部電極層9a、9cからなる内部電極23を実線で示した。
FIG. 6 is a diagram for explaining the piezoelectric element according to the fourth embodiment. FIG. 6 shows a plan view of the
図6に示すように、内部電極23は、内部電極22に対し、積層方向を中心軸として所定の角度(図6中θ)だけ回転させた位置に形成されている。この結果、内部電極22が有する内部電極層9bの長手方向における非接触端と、内部電極23が有する内部電極層9a、9cの長手方向における非接触端とが、xz平面上において異なる位置に形成されることとなる。このため、圧電素子1cは、xz平面上で応力が発生する位置を分散させることができる。なお、内部電極22に対する内部電極23の回転角度(θ)としては、内部電極22、23同士の重なり面積をより大きく維持できるという点で10°以下、特に1°〜7°が好ましい。
As shown in FIG. 6, the
この結果、圧電素子1cを有する第4形態の音響発生器は、圧電体層7におけるクラックの発生を防止することができる。また、第4形態の音響発生器は、非接触端付近の圧電体層7に対して歪みが発生する位置をばらつかせることができるので、圧電素子1cの内部における振動損失をさらに大きくし、音圧の周波数特性におけるピークディップをさらに低減することができ、音圧のバラつきをさらに小さくすることができる。
As a result, the acoustic generator of the fourth embodiment having the
なお、内部電極23を回転させる中心軸や、内部電極23を回転させる角度は、圧電素子1cに要求される性能や、圧電素子1cが許容する応力の大きさ等に応じて、任意のパラメータを適用することができる。また、圧電素子1cは、内部電極23を積層方向を中心軸として回転させることで、内部電極層9の非接触端の位置をずらした。しかし、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、圧電素子1cは、内部電極22に対し、内部電極23をxz平面上で並行移動させた位置に形成することで、内部電極層9の非接触端の位置をずらしても良い。
The central axis for rotating the
図7は、第4形態に係る圧電素子のバリエーションを説明するための図である。なお、図7には、図6と同様に、y軸方向の上面から見た圧電素子1cの平面図を示した。図7に示すように、内部電極23は、内部電極22に対して、xz平面上で第二の方向に所定の距離だけ並行移動させた位置に形成されている。このように、圧電素子1cは、内部電極22に対して、内部電極23をxz平面上で第二の方向に並行移動させた場合には、内部電極層9の各非接触端(第二の方向の端)の位置をずらすことができるので、z平面上で応力が発生する位置を分散させる結果、圧電体層7におけるクラックの発生を防止することができる。なお、移動量としては、内部電極23の幅(短辺の長さ)の1/20〜1/10が好ましい。
FIG. 7 is a diagram for explaining a variation of the piezoelectric element according to the fourth embodiment. FIG. 7 shows a plan view of the
(第5形態)
さて、これまで実施形態の各形態について説明したが、本実施形態は上述した形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、本実施形態に含まれる他の形態を説明する。
(5th form)
Now, although each form of the embodiment has been described so far, this embodiment may be implemented in various different forms other than the form described above. Therefore, hereinafter, other modes included in the present embodiment will be described.
[適用範囲]
例えば、上記の第1形態〜第4形態では、バイモルフ型の圧電素子を例示したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明は、圧電素子がバイモルフ型である場合に限定されず、ユニモルフ型であっても上記の第1形態〜第4形態と同様に、内部電極層の各軸方向における非接触端の位置をずらすことで同様の効果を得ることができる。
[Scope of application]
For example, in the above first to fourth embodiments, a bimorph type piezoelectric element has been exemplified, but the present invention is not limited to this. That is, the present invention is not limited to the case where the piezoelectric element is a bimorph type, and even if it is a unimorph type, the non-contact end in each axial direction of the internal electrode layer is the same as in the first to fourth embodiments. A similar effect can be obtained by shifting the position.
[スピーカ装置]
また、上記の第1形態〜第4形態で説明した音響発生器は、当該音響発生器を収納する筐体、いわゆる共鳴ボックスへ収納することによって音響発生装置、いわゆる「スピーカ装置」として構成することもできる。例えば、テレビやパーソナルコンピュータ等に用いられる大型のスピーカ装置として構成することもできれば、スマートフォン、携帯電話機、PHS(Personal Handyphone System)、PDA(Personal Digital Assistants)などのモバイル端末に搭載される中型または小型のスピーカ装置として構成することもできる。なお、スピーカ装置は、上記の用途に限定されず、掃除機、洗濯機や冷蔵庫などの任意の電子機器に搭載するスピーカ装置として構成することができる。
[Speaker device]
Further, the sound generator described in the first to fourth embodiments is configured as a sound generator, a so-called “speaker device” by being housed in a housing that houses the sound generator, a so-called resonance box. You can also. For example, if it can be configured as a large-sized speaker device used for a television, a personal computer, etc., it can be a medium-sized or small-sized device mounted on a mobile terminal such as a smartphone, a mobile phone, a PHS (Personal Handyphone System), or a PDA (Personal Digital Assistants). It can also be configured as a speaker device. In addition, a speaker apparatus is not limited to said use, It can comprise as a speaker apparatus mounted in arbitrary electronic devices, such as a vacuum cleaner, a washing machine, and a refrigerator.
[電子機器]
さらに、上記の第1形態〜第4形態で説明した音響発生器は、当該音響発生器に接続された電子回路と、該電子回路および音響発生器を収容する筐体とを少なくとも有しており、音響発生器から音響を発生させる機能を有する電子機器として構成することもできる。かかる電子機器の一例としては、テレビやパーソナルコンピュータ、各種のモバイル端末の他、掃除機、洗濯機や冷蔵庫などが挙げられる。
[Electronics]
Furthermore, the sound generator described in the first to fourth embodiments includes at least an electronic circuit connected to the sound generator and a housing that houses the electronic circuit and the sound generator. The electronic device can also be configured as an electronic device having a function of generating sound from the sound generator. Examples of such electronic devices include televisions, personal computers, various mobile terminals, vacuum cleaners, washing machines, refrigerators, and the like.
さて、本実施例では、内部電極層の非接触端をずらす量の最適範囲について説明する。まず、図8、および図9を用いて、内部電極層の非接触端をずらす量を最適範囲にすることで、圧電素子におけるクラックを効果的に防ぐことができる点について説明する。 In this embodiment, the optimum range of the amount by which the non-contact end of the internal electrode layer is shifted will be described. First, with reference to FIG. 8 and FIG. 9, description will be made on the point that cracks in the piezoelectric element can be effectively prevented by setting the amount of shifting the non-contact end of the internal electrode layer within the optimum range.
図8は、非接触端のズレ量が小さい場合にクラックが入る位置の一例を説明するための図である。なお、図8には、隣り合う2つの内部電極層の非接触端部分を記載した。圧電素子において発生するクラックは、図8中の一点破線で示すように、隣り合う内部電極層の非接触端を結ぶ線上に発生しやすい。ここで、図8中(J)に示す距離に対して図8中(K)に示す距離が小さい場合、すなわち、隣り合う内部電極の非接続端をずらした距離が電極間距離に対して小さい場合には、一点破線が垂直に近くなるため、応力が集中し、クラックが発生しやすくなる。このため、隣り合う内部電極の非接触端をずらす距離は、電極間距離と比較してある程度大きい方が望ましい。 FIG. 8 is a diagram for explaining an example of a position where a crack occurs when the amount of deviation of the non-contact end is small. FIG. 8 shows the non-contact end portions of two adjacent internal electrode layers. A crack generated in the piezoelectric element is likely to occur on a line connecting non-contact ends of adjacent internal electrode layers as indicated by a one-dot broken line in FIG. Here, when the distance shown in (K) in FIG. 8 is smaller than the distance shown in (J) in FIG. 8, that is, the distance obtained by shifting the non-connected ends of the adjacent internal electrodes is smaller than the distance between the electrodes. In this case, since the one-dot broken line is nearly vertical, the stress is concentrated and cracks are likely to occur. For this reason, it is desirable that the distance by which the non-contact ends of adjacent internal electrodes are shifted is somewhat larger than the distance between the electrodes.
一方、図9は、非接触端のズレ量が大きい場合にクラックが入る位置の一例を説明するための図である。なお、図9には、図8と同様に、隣り合う2つの内部電極層の非接触端部分を記載した。図9中(L)に示すように、非接触端のズレ量が電極間距離と比較して大き過ぎる場合には、内部電極層の一方に曲げモーメントが発生してしまう。すると、圧電素子の中心部分に応力が集中してしまうので、圧電素子の中心部分にクラックが発生しやすくなる。 On the other hand, FIG. 9 is a diagram for explaining an example of a position where a crack occurs when the amount of deviation of the non-contact end is large. 9 shows the non-contact end portions of two adjacent internal electrode layers as in FIG. As shown in FIG. 9 (L), when the displacement amount of the non-contact end is too large compared to the inter-electrode distance, a bending moment is generated in one of the internal electrode layers. Then, stress concentrates on the central portion of the piezoelectric element, and cracks are likely to occur in the central portion of the piezoelectric element.
そこで、本実施例では、内部電極層のズレ量を変更した圧電素子を作成し、作成した圧電素子を動作させてクラックの有無を評価した。具体的には、上述した製法において、10×10リメートルの内部電極層を10μm以内の精度で印刷し、内部電極層の中央において積層精度が10μm以内の精度で重なるように4層積層した積層体を32個作成し、積層体を焼成台板上に8個づつ並べて台板を4個積層して焼成することで、積層数16層の圧電素子を作成した。そして、作成した圧電素子でスピーカーを作成し、圧電素子に規定の電圧の2倍でのこぎり波を印加し、摂氏80度の環境で14日間作動させ、その後、圧電素子に生じたクラックの有無を評価した。 Therefore, in this example, a piezoelectric element in which the displacement amount of the internal electrode layer was changed was created, and the created piezoelectric element was operated to evaluate the presence or absence of cracks. Specifically, in the above-described manufacturing method, a 10 × 10-liter internal electrode layer is printed with an accuracy of 10 μm or less, and a laminated body in which four layers are stacked at the center of the internal electrode layer so that the stacking accuracy is within an accuracy of 10 μm or less. 32 were prepared, and 8 laminates were arranged on a firing base plate, and four base plates were laminated and fired, thereby producing a piezoelectric element having 16 layers. Then, a speaker is created with the created piezoelectric element, a sawtooth wave is applied to the piezoelectric element at twice the specified voltage, and the piezoelectric element is operated for 14 days in an environment of 80 degrees Celsius. evaluated.
ここで、本実施例では、電極間距離を25μmとし、ズレ量を変化させた複数の圧電素子を上記した製法により複数作成した。詳細には、非接触端のズレ量を75μmとした実施例1、非接触端のズレ量を100μmとした実施例2、非接触端のズレ量を150μmとした実施例3、非接触端のズレ量を200μmとした実施例4を作成した。また、比較対象として、非接触端のズレ量を0μmとした比較例1、ズレ量を50μmとした比較例2、ズレ量を250μmとした比較例3を作成した。 Here, in this example, a plurality of piezoelectric elements having a distance between the electrodes of 25 μm and varying the amount of deviation were prepared by the above-described manufacturing method. Specifically, Example 1 in which the displacement amount of the non-contact end is 75 μm, Example 2 in which the displacement amount of the non-contact end is 100 μm, Example 3 in which the displacement amount of the non-contact end is 150 μm, Example 4 was created with a displacement of 200 μm. For comparison, Comparative Example 1 with a non-contact end deviation of 0 μm, Comparative Example 2 with a deviation of 50 μm, and Comparative Example 3 with a deviation of 250 μm were prepared.
図10は、実施例において作成した圧電素子に発じたクラックの数を説明するための表である。図10に示すように、非接触端のズレ量を0μmとした比較例1では、内部電極の端部において、12個のクラックが発生し、非接触端のズレ量を50μmとした比較例2では、4個のクラックが発生した。一方、非接触端のズレ量を75μmとした実施例1、非接触端のズレ量を100μmとした実施例2、非接触端のズレ量を150μmとした実施例3、非接触端のズレ量を200μmとした実施例4では、クラックが発生しなかった。また、非接触端のズレ量を250とした比較例3では、電極の中央部分において2つのクラックが発生した。 FIG. 10 is a table for explaining the number of cracks generated in the piezoelectric element created in the example. As shown in FIG. 10, in Comparative Example 1 in which the amount of deviation at the non-contact end was 0 μm, Comparative Example 2 in which 12 cracks occurred at the end of the internal electrode and the amount of deviation at the non-contact end was 50 μm. Then, four cracks occurred. On the other hand, Example 1 in which the displacement amount of the non-contact end is 75 μm, Example 2 in which the displacement amount of the non-contact end is 100 μm, Example 3 in which the displacement amount of the non-contact end is 150 μm, and the displacement amount of the non-contact end In Example 4 in which the thickness was 200 μm, no crack was generated. In Comparative Example 3 in which the amount of deviation at the non-contact end was 250, two cracks occurred at the center portion of the electrode.
以上のように、非接触端のズレ量を電極間距離の3倍から10倍の範囲とした圧電素子は、非接触端のズレ量を電極間距離の3倍未満、若しくは10倍以上とした圧電素子に比べて、クラックの発生を抑えることができる。また、非接触端のズレ量を電極間距離の3倍から10倍の範囲とした圧電素子においては、非接触端付近の圧電体層に対して発生する歪みのかかり方を適切にばらつかせていると考えられるので、圧電素子の内部における振動損失を大きくし、音圧の周波数特性におけるピークディップを低減することができる。この結果、音圧のばらつきが小さい音響発生器を得ることができる。 As described above, in the piezoelectric element in which the displacement amount of the non-contact end is in the range of 3 to 10 times the distance between the electrodes, the displacement amount of the non-contact end is less than 3 times or more than 10 times the distance between the electrodes. The occurrence of cracks can be suppressed as compared with the piezoelectric element. In addition, in a piezoelectric element in which the amount of misalignment at the non-contact end is in the range of 3 to 10 times the distance between the electrodes, the distortion applied to the piezoelectric layer near the non-contact end is appropriately dispersed. Therefore, it is possible to increase the vibration loss inside the piezoelectric element and reduce the peak dip in the frequency characteristic of the sound pressure. As a result, an acoustic generator having a small variation in sound pressure can be obtained.
1 圧電素子
3 フィルム
5、5a、5b 枠部材
7、7a、7b、7c、7d、7e、7f、7g、7h 圧電体層
9、9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h 内部電極層
13 積層体
15a、15b 表面電極層
17、19 外部電極
20 樹脂層
22、23 内部電極
x 圧電素子の長手方向
y 圧電素子の厚み方向
z 圧電素子の短手方向
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記外部電極のいずれか一方に対して一層おきに接続する複数の内部電極層と、
複数の圧電体層とが積層され、
同一の外部電極に接続する複数の内部電極層は、外部電極と接触していない非接触端から他方の外部電極までの第一の方向の距離がそれぞれ異なるように形成されているとともに、前記第一の方向に垂直な第二の方向の端の位置がそれぞれ異なるように形成されていることを特徴とする圧電素子。 Two opposing external electrodes ;
A plurality of internal electrode layers connected to every other one of the external electrodes;
A plurality of piezoelectric layers are laminated,
A plurality of inner electrode layers connected to the same external electrode, together are formed from a non-contact end that is not in contact with the external electrodes, respectively Re distance pixels of the first direction to the other external electrode different The piezoelectric element is formed so that the positions of the ends in the second direction perpendicular to the first direction are different from each other .
該フィルムの外周部に設けられた枠部材と、
該枠部材の枠内の前記フィルムに設けられた請求項1乃至請求項4のいずれか1つに記載の圧電素子と、
該圧電素子を埋設するように前記枠部材の枠内に充填された樹脂層とを有することを特徴とする音響発生器。 With film,
A frame member provided on the outer periphery of the film;
The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4 , provided on the film in a frame of the frame member,
And a resin layer filled in the frame of the frame member so as to embed the piezoelectric element.
該音響発生器を収容する筐体と
を少なくとも有することを特徴とする音響発生装置。 An acoustic generator according to claim 5 ;
And a housing for housing the sound generator.
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
を少なくとも有しており、
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。 An acoustic generator according to claim 5 ;
An electronic circuit connected to the acoustic generator;
A housing for housing the electronic circuit and the acoustic generator,
An electronic apparatus having a function of generating sound from the sound generator.
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