(57)【要約】【課題】  内部電極による圧電体の動作阻害を緩和して、圧電体を多層化して小型化・薄型化を図っても、良好な音圧特性を得る。【解決手段】  圧電シート１００，１１０，１２０に挟まれた電極１０２，１１２に孔１０９，１１９がそれぞれ形成されている。このため、電極１０２，１１２を全体としてみたときの硬度ないし剛性が低下し、圧電シート１００，１１０，１２０の変異に対する追随性が向上する。このようにして、圧電積層体としての動作阻害が緩和されるようになると、圧電シート１００，１１０，１２０の本来の圧電特性に近い特性が得られ、音圧も大きくなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を形成した圧電シートを、多数積層して焼成する圧電積層体の製造方法であって、
前記圧電シートに、導体が欠除した孔を有する内部電極を形成するステップ，
前記圧電シートに、外部電極を形成するステップ，
を含むことを特徴とする圧電積層体の製造方法。
【請求項２】
前記内部電極に対し、面積比で５〜３０％の導体が欠除した孔を形成したことを特徴とする請求項１記載の圧電積層体の製造方法。
【請求項３】
前記圧電シートの積層数が２〜５層であることを特徴とする請求項１記載の圧電積層体の製造方法。
【請求項４】
前記内部電極及び外部電極が、各々の前記圧電シートの同一面上で分割されていることを特徴とする請求項１記載の圧電積層体の製造方法。
【請求項５】
電極を形成した圧電シートを、多数積層して焼成する圧電積層体であって、
前記圧電シートに形成した内部電極は、導体が欠除した孔を有することを特徴とする圧電積層体。
【請求項６】
前記内部電極に対し、面積比で５〜３０％の導体が欠除した孔を形成したことを特徴とする請求項５記載の圧電積層体。
【請求項７】
前記圧電シートの積層数が２〜５層であることを特徴とする請求項５記載の圧電積層体。
【請求項８】
前記内部電極及び外部電極が、各々の前記圧電シートの同一面上で分割されていることを特徴とする請求項５記載の圧電積層体。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれかに記載の圧電積層体を、振動板の少なくとも一方の面に取り付けたことを特徴とする圧電スピーカ。
【請求項１０】
請求項９記載の圧電スピーカを利用したことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部導体を同時焼成して製造される圧電積層体，製造方法，圧電スピーカ，電子機器に関し、更に具体的には、内部電極による動作阻害の緩和に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を利用したスピーカは、簡易な電気音響変換手段として広く利用されており、特に近年は、携帯電話や携帯情報端末などの分野で広く利用されている。例えば、下記特許文献１には、駆動源として圧電積層体を利用した圧電スピーカが開示されている。
【０００３】
この圧電積層体は、複数の圧電体シートと電極を交互に積層した構造となっている。圧電体シートとしては、例えば、ペロブスカイト型結晶構造を持つ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミックスが用いられる。電極としては、Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ／Ｐｄなどが用いられる。これらの圧電セラミックスと電極材料を交互に積層し、同時に焼成して、圧電積層体が作製される。積層数は、圧電積層体の変位量，剛性，コスト，ハンドリングなどの観点から、３〜５層が適している。
【０００４】
図５には、５層の積層例が示されている。同図(A)には圧電シートと電極パターンの様子が示されている。最下層から説明すると、圧電シート９００の裏面には電極９０２が形成されており、表面には電極９０４が形成されている。この電極９０４には、ホール接続用のランドないし開口（圧電シートの露出部）９０６が形成されている。また、開口９０６内において、圧電シート９００に接続ホール９０８が形成されている。次の圧電シート９１０には、表面に電極９１２が形成されており、この電極９１２にはホール接続用の開口９１４が形成されている。また、開口９１４内において、圧電シート９１０に接続ホール９１６が形成されている。なお、圧電シート９１０の裏面側には電極は形成されていない。同様に、次の圧電シート９２０の表面には、電極９２２及び開口９２４が形成されているが、裏面には電極は形成されていない。開口９２４内において、圧電シート９２０に接続ホール９２６が形成されている。次の圧電シート９３０の表面には、電極９３２及び開口９３４が形成されているが、裏面には電極は形成されていない。開口９３４内において、圧電シート９３０に接続ホール９３６が形成されている。次の圧電シート９４０の表面には、電極９４２が形成されているが、裏面には電極は形成されていない。
【０００５】
なお、圧電シート９１０，９２０，９３０，９４０には、下側に積層される圧電シートの接続ホール９０８，９１６，９２６，９３６にそれぞれ対応して裏面側に接続ホールが形成されている（図示せず）。
【０００６】
以上のように電極パターンが形成された圧電シート９００〜９４０を積層すると、図５(B)に示すようになる。すなわち、電極９０２，９１２，９３２は、接続ホール９５０によって接続され、電極９０４，９２２，９４２は、接続ホール９５２によって接続されるようになる。そして、図５(B)に示す状態で、同時に焼成される。
【特許文献１】特開２００３−４７０９２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、近年は、携帯電話などの電子機器は、ますます小型化・薄型化の傾向にあり、それらの電子機器に使用される圧電積層体に対しても、小型化・薄型化が要望されるに至っている。このため、圧電積層体の層厚の低減，すなわち圧電シート厚の低減が著しい傾向にある。一方、小型化・薄型化を行ないつつ、音圧などの製品特性に対する要求を維持するためには、単に圧電シート間の距離を薄くするだけではなく、圧電シートを多数積層する必要がある。
【０００８】
ところが、積層構造でかつ薄い層間厚みを得ようとすると、薄層・多層化するほど圧電素体に対する内部導体の比率が高まる。このため、内部導体により圧電素体の機械的動作が妨げられるようになり、本来圧電素体（積層した複数の圧電シートの全体）が持つべき圧電特性が発揮されなくなるということである。このため従来は、圧電シートを積層するとしても、層間厚み３０μｍで１〜２層程度が限界であった。しかし、上述した小型化・薄型化の要求に応えるとともに、所望の音圧を得るためには、設計的に６〜２０μｍの層厚の圧電素体３層以上が必要である。
【０００９】
このような要求に答えるための方策として、内部導体の密度や厚みを下げることが考えられるが、そういった方法では、圧電シート間のリーク電流が大きくなってしまい、圧電特性が低下してしまう。
【００１０】
本発明は、以上の点に着目したもので、内部電極による圧電素体の動作阻害を緩和し、圧電シートを多層化して小型化・薄型化を図っても、良好な音圧特性を得ることを、その目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明は、電極を形成した圧電シートを多数積層して焼成する際に、導体が欠除した孔を有する内部電極を形成することを特徴とする。主要な形態の一つによれば、前記内部電極に対し、面積比で５〜３０％の導体が欠除した孔を形成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。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、誘電素体中の内部電極に導体が欠除した孔が形成されるので、内部電極による圧電体の動作阻害が緩和されるようになり、圧電シートを多層化して小型化・薄型化を図っても、良好な音圧特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
最初に、図１を参照しながら、本発明の実施例１について説明する。この実施例は、３枚の圧電シートを積層した例である。図１(A)には、圧電シートと電極パターンの様子が示されており、圧電シート１１０の平面図が図１(B)に示されている。また、積層したときの主要断面が図１(C)に示されている。これらの図において、最下層の圧電シート１００の裏面には全体に電極１０１が形成されており、表面には電極１０２が形成されている。この電極１０２には、ホール接続用の開口１０４が形成されている。また、開口１０４内において、圧電シート１００の裏面側に接続するための接続ホール１０６が形成されている。なお、圧電シート１００の裏面には、電極パターンは形成されない。
【００１５】
次に、圧電シート１１０の表面には、電極１１２が形成されている。この電極１１２には、ホール接続用の開口１１４が形成されている。また、開口１１４内において、圧電シート１１０の裏面側に接続するための接続ホール１１６が形成されている。更に、前記圧電シート１００の接続ホール１０６に接続するための接続ホール１１８が形成されている。次に、最上層の圧電シート１２０の表面には、電極１２２が形成されており、前記圧電シート１１０の接続ホール１１６に接続するための接続ホール１２４が形成されている。
【００１６】
圧電シート１００，１１０，１２０としては、ＰＺＴ系セラミックスが使用される。具体的には、(1)相境界組成のＰｂＴｉＯ２−ＰｂＺｒＯ２，あるいは、(2)前記(1)に対して、使用温度範囲に合わせたキュリー点の変更やその他の特性改善のために、ＭｎやＺｎなどの微量添加成分を加えたもの，を用いる。そして、粒径を１μｍ以下に粉砕した該ＰＺＴセラミックス粉末を、水あるいは有機溶媒に分散させ、適当なバインダを添加してスラリとする。次に、該スラリを、ドクターブレード法などの既知の方法でシート化する。
【００１７】
電極１０１，１０２，１１２，１２２としては、前記ＰＺＴ系セラミックスの焼結温度で溶融したり、酸化や鉛と反応しないような金属を用いる。具体的には、白金や銀／パラジウム合金が好適である。まず、乾燥したＰＺＴ系セラミックスの圧電シート１００，１１０，１２０に、電極１０１，１０２，１１２，１２２用の金属を塗布する。塗布方法としては、ペーストを用いるスクリーン印刷法など既知の方法を用いることができる。また、上下方向の電極を接続するために、圧電シート１００，１１０，１２０に穴をあけ、内部に金属を充填して接続ホール１０６，１１６，１２４とする。このとき、電極が積層方向で交互に接続できるように、電極パターンに開口１０４，１１４を形成する。
【００１８】
この場合において、本実施例では、圧電シート間に位置する電極１０２，１１２に、導体が欠除した孔１０９，１１９が形成されている。すなわち、電極１０２，１１２に多数の導体が欠除した孔が形成された状態となっている。孔１０９，１１９の直径は、例えば１．５〜５μｍの範囲とする。直径があまり小さいと効果がなく、逆にあまり大きいと、後述する面積比との関係で電極全体に満遍なく均一に孔１０９，１１９を形成することができなくなってしまう。また、孔１０９，１１９は、電極１０２，１１２に対して、面積比で５〜３０％，好ましくは１５〜２５％設けられる。孔１０９，１１９の面積が全体の５％未満では十分な効果を得ることができない。また、孔１０９，１１９の面積が全体の３０％を超えるときは、圧電シートに対する駆動電圧の印加が不十分となる。
【００１９】
以上のように電極１０１，１０２，１１２，１２２の印刷を終えた圧電シート１００，１１０，１２０を積層し、熱圧着などにより一体化する。そして、該積層体を、所望の形状に切り抜き（図１は切り抜いた後の状態を示す）、成形体とする。次に、該成形体をＰＺＴ系セラミックスの焼結温度にて焼成・焼結する。標準的なＰＺＴ系セラミックスの場合、この温度は９００〜１２００℃程度である。焼成後は、図１(B)に主要断面を示すようになる。すなわち、電極１１２は、電極１０２の開口１０４を貫通する接続ホール１３０（１０６及び１１８）によって図の下側の電極１０１に引き出され、電極１０２は、電極１１２の開口１１４を貫通する接続ホール１３２（１１６及び１２４）によって、図の上側の電極１２２に引き出される。また、圧電シート１００，１１０，１２０が一体となって圧電素体となる。
【００２０】
以上のような圧電積層体のアスペクト比（電極１０２，１１２の直径／電極１０２，１１２の厚み）は、例えば、（１３mm／１８μm）〜（５０mm／１８μm）＝７２２〜６２５０とする。それ以下のアスペクト比では、絶対的な面積が不足して充分な音圧が得られないという不都合があり、それ以上のアスペクト比では、製品径が大きくなり過ぎて小型機器への搭載ができないという不都合がある。また、圧電シート１００，１１０，１２０の積層間隔は、例えば、６〜２０μｍとする。それ以下の間隔では電極間のショートにより製品が破壊されるという不都合があり、それ以上の間隔では製品が厚くなり過ぎて小型機器への搭載ができないという不都合がある。一般に、圧電積層体の内部電極に孔を開けて導体の連続性が低下すれば音圧も下がるが、前記のように条件を規定することで、音圧低下の度合いよりも圧電特性の改善効果の方が大きくなる。
【００２１】
次に、本実施例の作用を説明すると、圧電シート１００，１１０，１２０に挟まれた電極１０２，１１２に孔１０９，１１９がそれぞれ形成されている。このため、電極１０２，１１２を全体としてみたときの硬度ないし剛性が低下し、圧電シート１００，１１０，１２０の変異に対する追随性が向上する。このようにして、圧電積層体としての動作阻害が緩和されるようになる。従って、圧電シート１００，１１０，１２０の本来の圧電特性に近い特性が得られ、音圧も大きくなる。
【００２２】
また、電極１０２，１１２の硬度が低下することから、振動の共振点が低周波側にずれる。本例のような積層セラミック発音体の場合、一般的なダイナミックスピーカに比べて低音域（低周波数領域）の音圧が不足してしまうが、共振点が低周波側にずれることで、低周波側の音圧が上がり、よりフラットな音圧特性となるため、全体として音質が改善されるようになる。
【００２３】
一方、圧電シート１００，１１０，１２０と電極１０１，１０２，１１２，１２２を積層した図１(C)に示す状態で同時に焼成すると、圧電シート材料と電極材料の熱膨張率が異なっているため、焼成後の冷却過程において、熱膨張差に起因する残留応力が発生する。通常用いられている同時焼成用の電極材料（Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ／Ｐｄなど）は、圧電シート材料であるＰＺＴ系セラミックスよりも熱膨張係数が大きい。このため、冷却後のセラミックス部分には面方向に圧縮応力が作用することになる。このような残留圧縮応力が存在すると、ＰＺＴセラミックスの結晶格子が歪み、無応力状態に比べて圧電特性が劣化してしまう恐れがある。しかし、本実施例では、内部電極に孔を形成することによって、圧電セラミックの動きを阻害する要素を減じ、結果的に音圧の低下が低減されるようになる
【００２４】
更に、電極１０２，１１２として高価な金属材料が使用されるが、孔１０９，１１９があるためにそれら高価な金属材料の使用比率が減り、コストダウンにも貢献する。
【実施例２】
【００２５】
次に、図２を参照しながら、本発明の実施例２について説明する。上述した実施例１では、内部電極に円形の孔を形成したが、四角形，楕円など各種の形状としてよい。図２には、他の例が示されており、図２(A)の例では電極２００にスリット２０２が平行に多数形成されている。図示の例では、図の左側と右側から交互にスリット２０２を形成することで、電極２００が連続するように，別言すれば孤立領域がないように工夫されている。図２(B)の例では、電極２１０に渦巻状にスリット２１２が形成されている。なお、図２(B)の例は大きな渦巻きスリットを形成したが、小さな渦巻きスリットを多数形成するようにしてもよい。また、電極が例えば四角形の場合には、スリットも四角形の渦巻きとするとよい。その他、各種の形状の導体欠除部を形成してよい。
【００２６】
上述した孔１０９，１１９やスリット２０２，２１２の形成方法としては、
(1)電極を形成するペーストの塗布量や印刷条件の調整，
(2)スクリーンパターンの変更，
(3)電極印刷後のレーザによる不要部分の削除，
などが考えられる。
【実施例３】
【００２７】
次に、図３を参照しながら、本発明の実施例３について説明する。本実施例は、電極を２分割して交互に接続するようにしたものである。図３には、圧電シートと電極パターンの様子が示されており、最下層の圧電シート３００の裏面には分割電極３０１，３０３が形成されており、表面には分割電極３０２，３０６が形成されている。これらの分割電極３０２，３０６には、それぞれ接続ランド３０４，３０８が形成されている。次の圧電シート３１０の表面には、分割電極３１２，３１６が形成されており、それぞれ接続ランド３１４，３１８が形成されている。最上層の圧電シート３２０の表面には、分割電極３２２，３２６が形成されており、それぞれ接続ランド３２４，３２８が形成されている。各接続ランドには、下層の分割電極と接続するための接続ホール（図示せず）がそれぞれ形成されている。
【００２８】
本実施例でも、上述した実施例１と同様に、圧電シート間に積層される分割電極３０２，３０６，３１２，３１６に孔３０５，３０７，３１３，３１７がそれぞれ形成されている。従って、本実施例によっても、上述した実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
<実験例>・・・次に、本発明に関して行なった実験例について説明する。
(1)実験例１・・・ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ０．５Ｔｉ０．５）Ｏ２）による誘電体材料を、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）及び有機溶剤と混合・攪拌後、ドクターブレード法にてシート化を行い、表面に電極としてＡｇ／Ｐｄペーストを塗布し、更に３層積層した。その後、内部導体パターンに沿って円形に切り抜き、それぞれの圧電積層体を９００℃で焼成した。焼成後の圧電積層体に振動板を貼り付け、積層発音体を得た。
【００３０】
ここで、電極であるＡｇ／Ｐｄペーストの塗布の際に、比較サンプル（従来品）は１５μｇ／ｍｍ２で塗布し、本例サンプル（本発明品）は７．５μｇ／ｍｍ２に調整して塗布した。塗布量は、コートスピードなどの印刷条件で調整した。焼成後の内部電極面形成率は、比較サンプルが９７％，本例サンプルが７８％だった。作成した各サンプルの特性結果を表１に示す。この表１に示すように、電極ペーストの塗布量を半分とすることで、電極の面積比が１９．６％減少し、音圧は３．９％上昇した。
【表１】
2006287480.tif 000003
【００３１】
(2)実験例２・・・以上のように、製品特性結果は予想通りだったが、実際これが本当に予測したメカニズムによる効果かどうかを検証するために、Ｘ線回折による圧電体の応力測定を行なった。物質に応力を加えると、その格子定数が若干ずれることによりＸ線のピークがずれることを利用する。すなわち、応力のないＸ線ピークと、応力を加えたときのＸ線ピークを比較し、そのずれ量から応力を求めるという手法である。圧電素体に対する測定結果を、以下の表２に示す。この表２に示すように、Ｘ線による測定結果（ＸＲＤで表示），シミュレーションによる結果（ｓｉｍで表示）のいずれも、本例サンプルのほうが従来サンプルよりも低かった。
【表２】
2006287480.tif 000004
【００３２】
次に、電極比率（全体積に対する導体の体積比）と誘電素体の圧縮応力との関係を示すと、図４(A)，(B)に示すようになる。(A)はシミュレーションの結果であり、(B)はＸ線による測定結果である。いずれも、電極比率が高くなるほど、すなわち導体が欠除した孔が少なくなるほど、圧電素体の圧縮応力が高くなっている。図４(C)は、本例のサンプルにおける圧縮応力と比誘電率との関係のシミュレーション結果が示されている。同図に示すように、内部電極の導体が欠除した孔が多いほど、別言すれば、圧縮応力が低いほど比誘電率が高くなっている。
【００３３】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例に示した材料，形状，寸法は一例であり、同様の作用を奏するように適宜変更可能である。
(2)圧電シートの積層数も任意であり、必要に応じて適宜増減してよい。
(3)前記実施例では、圧電シートや電極の全体形状を略円形としたが、同様の効果を奏するものであれば、形状は適宜変更可能である。
(4)本発明の圧電積層体を利用して圧電スピーカを構成するときは、金属などによって構成された振動板に、前記圧電積層体を貼り付けるようにすればよい。この場合に、振動板の表裏に圧電積層体を設けたバイモルフ構造としてもよいし、表裏いずれか一方の面にのみ圧電積層体を設けたユニモルフ構造としてもよい。
(5)上述した実施例３では、電極を圧電シートの主面で２分割したが、これも一例であり、同様の効果を奏するように適宜分割数を変更してよい。
(6)本発明の圧電積層体を利用した圧電スピーカ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挙げられるが、他の公知の各種の電子機器に適用することを妨げるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明によれば、圧電シートに挟まれる内部電極に導体が欠除した孔を形成することとしたので、薄型化を図っても良好な音圧特性を得ることができ、携帯電話の圧電スピーカなどに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例１の電極パターンと積層構造を示す図である。(A)は分解斜視図，(B)は平面図，(C)は主要断面図である。
【図２】本発明の実施例２の電極パターンを示す平面図である。
【図３】本発明の実施例３の電極パターンと積層構造を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の実験例の結果を示すグラフである。(A)及び(C)はシミュレーション結果を示すグラフ，(B)はＸ線による測定結果を示すグラフである。
【図５】従来の圧電積層体を示す分解斜視図と主要断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００，１１０，１２０：圧電シート
１０１，１０２，１１２，１２２：電極
１０４，１１４：開口
１０６，１１６，１１８，１２４，１３０，１３２：接続ホール
１０９，１１９：孔
２００，２１０：電極
２０２，２１２：スリット
３００，３１０，３２０：圧電シート
３０１，３０２，３０３，３０６，３１２，３１６，３２２，３２６：分割電極
３０５，３０７，３１３，３１７：孔
３０４，３０８，３１４，３１８，３２４，３２８：接続ランド
９００：圧電シート
９０２，９１２，９３２，９０４，９２２，９４２：電極
９０６，９１４，９２４，９３４：開口
９０８，９１６，９２６，９３６：接続ホール
９１０，９２０，９３０，９４０：圧電シート
９５０，９５２：接続ホール
【図１】
2006287480.tif 000005
【図２】
2006287480.tif 000006
【図３】
2006287480.tif 000007
【図４】
2006287480.tif 000008
【図５】
2006287480.tif 000009