CN109273589B - 层叠压电元件、压电振动装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可抑制损伤产生的层叠压电元件。层叠压电元件包括陶瓷主体、一对外部电极、多个内部电极和表面电极。陶瓷主体包括：在长度方向上相对的一对端面；在与长度方向正交的厚度方向上相对的一对主面；和在与长度方向和厚度方向正交的宽度方向上相对的一对侧面。一对外部电极覆盖一对端面，并从一对端面沿一对主面和一对侧面延伸。多个内部电极在陶瓷主体的内部在厚度方向上层叠，且在厚度方向上层叠的多个内部电极交替地与一对外部电极中的一者或另一者连接。表面电极从一对外部电极沿一对主面延伸，并且在靠外部电极的位置在长度方向上被分割，其中，该外部电极是一对外部电极中的与一对主面相邻的内部电极所连接的外部电极。

Description

层叠压电元件、压电振动装置和电子设备
技术领域
本发明涉及利用了横向压电效应的层叠压电元件、压电振动装置和电子设备。
背景技术
对于层叠压电元件，通过使其形成为与层叠方向正交的方向的尺寸较大的细长的形状，能够有效地利用横向压电效应。在这样的层叠压电元件中，通过对设置于长度方向的两端部的外部电极之间施加电压，能够使层叠压电元件在长度方向上较大地收缩(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016－100760号公报
专利文献2：国际公开2016/052582号说明书
发明内容
发明要解决的技术问题
但是，对于层叠压电元件，由于形成为细长的形状，在安装时等，尤其是在长度方向的两端部容易受到较强的冲击。因此，对这样的层叠压电元件，长度方向的两端部容易受到损伤。因此，要求一种能够抑制在层叠压电元件的长度方向的两端部产生损伤的技术。
鉴于上述的情况，本发明的目的在于提供能够抑制损伤产生的层叠压电元件、压电振动装置和电子设备。
解决问题的技术手段
为了达成上述目的，本发明的一方式的层叠压电元件包括陶瓷主体、一对外部电极、多个内部电极和表面电极。
上述陶瓷主体由压电陶瓷形成，包括：在长度方向上相对的一对端面；在与上述长度方向正交的厚度方向上相对的一对主面；和在与上述长度方向和上述厚度方向正交的宽度方向上相对的一对侧面。
上述一对外部电极覆盖上述一对端面，并从上述一对端面沿上述一对主面和上述一对侧面延伸。
上述多个内部电极在上述陶瓷主体的内部在上述厚度方向上层叠，在上述厚度方向层叠的上述多个内部电极交替地与上述一对外部电极的一者连接。
从上述一对外部电极沿上述一对主面延伸的表面电极，上述表面电极在靠上述外部电极的位置在上述长度方向上被分割，其中，上述外部电极是在上述厚度方向上与上述表面电极相邻的上述内部电极所连接的外部电极。
在该结构中，一对外部电极沿一对主面和一对侧面延伸，并覆盖层叠压电元件的长度方向的两端部。由此，由于层叠压电元件的两端部被一对外部电极所保护，因此不容易受到损伤。因此，该层叠压电元件能够抑制损伤的产生。
沿上述一对外部电极的棱部可以形成有R面(弧面)。
上述R面(弧面)的曲率半径可以为10μm以上。
这样的结构能够抑制在一对外部电极的棱部产生缺陷(缺口)或者裂缝等。
在上述一对主面的上述长度方向的两端部，可以设有随着向上述一对端面去而向上述厚度方向的内侧倾斜的倾斜面。
上述一对外部电极可以覆盖上述倾斜面的一部分。
在该结构中，在倾斜面中的没有被一对外部电极覆盖的区域形成槽部。由此，当将层叠压电元件与振动片等的安装面接合时，接合剂进入到槽部中。因此，层叠压电元件与安装面的接合性提高。
本发明的一方式的压电振动装置包括上述层叠压电元件、振动片和接合层。
上述振动片在上述厚度方向上与上述层叠压电元件相对。
上述接合层配置于上述层叠压电元件与上述振动片之间。
本发明的一方式的电子设备包括上述层叠压电元件、面板和壳体。
上述面板以在上述厚度方向上与上述层叠压电元件相对的状态，与上述层叠压电元件接合。
上述壳体保持上述面板。
发明效果
根据本发明，能够提供可抑制损伤产生的层叠压电元件、压电振动装置和电子设备。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的层叠压电元件的立体图。
图2是上述层叠压电元件的沿图1的A－A'线的截面图。
图3是上述层叠压电元件的沿图1的B－B'线的截面图。
图4是表示上述层叠压电元件的制造方法的流程图。
图5是表示上述层叠压电元件的制造过程的立体图。
图6是表示上述层叠压电元件的制造过程的立体图。
图7是使用了上述层叠压电元件的压电振动装置的截面图。
图8A是使用了上述层叠压电元件的电子设备的平面图。
图8B是上述电子设备的沿图8A的C－C'线的截面图。
图9是上述层叠压电元件的变形例的立体图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。在附图中，适当表示了相互正交的X轴、Y轴和Z轴。X轴、Y轴和Z轴在所有附图中是共通的。
[层叠压电元件10的结构]
图1～3是示意地表示本发明的一实施方式的层叠压电元件10的结构的图。图1是层叠压电元件10的立体图。图2是层叠压电元件10的沿图1的A－A'线的截面图。图3是层叠压电元件10的沿图1的B－B'线的截面图。
层叠压电元件10具有沿X轴的长度方向、沿Y轴的宽度方向和沿Z轴的厚度方向。即，层叠压电元件10在X轴方向上细长地形成。由此，在层叠压电元件10中，相比于由纵向压电效应导致的Z轴方向的形变，由横向压电效应导致的X轴方向的形变成为主导。
层叠压电元件10包括陶瓷主体11、第一外部电极14和第二外部电极15。陶瓷主体11具有朝向X轴方向的第一和第二端面11a、11b，朝向Y轴方向的第一和第二侧面11c、11d，以及朝向Z轴方向的第一和第二主面11e、11f。
此外，陶瓷主体11的形状不限于图1～图3所示的长方体形状。例如，连接陶瓷主体11的各面的棱部可以被倒角处理。另外，陶瓷主体11的各面可以为曲面，陶瓷主体11作为整体可以为具有圆角的形状。
第一外部电极14覆盖陶瓷主体11的第一端面11a，并从第一端面11a沿侧面11c、11d和主面11e、11f延伸。第二外部电极15覆盖陶瓷主体11的第二端面11b，并从第二端面11b沿侧面11c、11d和主面11e、11f延伸。
在外部电极14、15的外表面，沿弯曲的棱部形成有缓缓地弯曲的曲面，即R面(弧面)。优选外部电极14、15的沿着棱部的R面(弧面)的曲率半径为10μm以上。由此，从外部施加的应力难以集中在外部电极14、15的棱部，因此能够抑制缺陷或者裂缝等的产生。
外部电极14、15由电的良导体形成。作为形成外部电极14、15的电的良导体，可以举出以例如铜(Cu)、镍(Ni)、锡(Sn)、钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)等为主成分的金属或者合金。
陶瓷主体11由压电常数d31的绝对值较大的压电陶瓷形成。作为非铅类的材料，可以举出例如铌酸锂(LiNbO3)类或者钽酸锂(LiTaO3)类。作为铅类的材料，可以举出例如锆钛酸铅(PbZrO3-PbTiO3)类。
在陶瓷主体11的内部，设置有第一内部电极12和第二内部电极13。内部电极12、13均为沿XY平面延伸的片状，沿Z轴方向交替地隔开间隔地配置。即，各内部电极12、13被压电陶瓷覆盖。
因此，在内部电极12、13之间，形成有压电陶瓷的层即陶瓷层18。第一内部电极12引出到陶瓷主体11的第一端面11a，与第一外部电极14连接。第二内部电极13引出到陶瓷主体11的第二端面11b，与第二外部电极15连接。
如图3所示，内部电极12、13与侧面11c、11d隔开间隔地配置。即，在陶瓷主体11中设置有在内部电极12、13与侧面11c、11d之间形成间隔的侧边缘部。由此，能够确保在侧面11c、11d的内部电极12、13的绝缘性。
关于陶瓷主体11，在第一主面11e设置有第一表面电极16，在第二主面11f设置有第二表面电极17。由此，在Z轴方向的最上部的第二内部电极13与第一表面电极16之间，和在Z轴方向的最下部的第一内部电极12与第二表面电极17之间分别形成有陶瓷层18。
第一表面电极16被形成于比X轴方向的中央部靠第二外部电极15的位置的间隙D分割为第一外部电极14一侧的第一功能部16a和第二外部电极15一侧的第一虚设部16b。第一功能部16a的X轴方向的尺寸大于第一虚设部16b的X轴方向的尺寸。
第二表面电极17被形成于比X轴方向的中央部靠第一外部电极14的位置的间隙D分割为第二外部电极15一侧的第二功能部17a和第一外部电极14一侧的第二虚设部17b。第二功能部17a的X轴方向的尺寸大于第二虚设部17b的X轴方向的尺寸。
内部电极12、13和表面电极16、17分别由电的良导体形成。作为形成内部电极12、13和表面电极16、17的电的良导体，可以举出以例如镍(Ni)、铜(Cu)、钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)、金(Au)等为主成分的金属或者合金。
通过上述的结构，在层叠压电元件10中，当在第一外部电极14与第二外部电极15之间施加电压时，就对全部的陶瓷层18施加Z轴方向的电压。由此，由于各陶瓷层18在X轴方向上收缩，因此层叠压电元件10整体在X轴方向上收缩。
此外，第一表面电极16中的与第一外部电极14连接的第一功能部16a能够对其与第二内部电极13之间的陶瓷层18施加电压。另一方面，与第二外部电极15连接的第一虚设部16b不能对其与第二内部电极13之间的陶瓷层18施加电压。
另外，第二表面电极17中的与第二外部电极15连接的第二功能部17a能够对其与第一内部电极12之间的陶瓷层18施加电压。另一方面，与第一外部电极14连接的第二虚设部17b不能对其与第一内部电极12之间的陶瓷层18施加电压。
因此，在层叠压电元件10中，功能部16a、17a的X轴方向的尺寸越大，能够使X轴方向的收缩越大。因此，在层叠压电元件10中，为了增大功能部16a、17a的X轴方向的尺寸，优选将虚设部16b、17b的X轴方向的尺寸限制得较小。
层叠压电元件10能够广泛用作利用横向压电效应在X轴方向上动作的压电致动器。作为层叠压电元件10的用途的一个例子，可以举出压电振动装置。压电振动装置典型的是在层叠压电元件10中组合由金属形成的振动片而构成。
更详细而言，关于压电振动装置，例如层叠压电元件10的第一主面11e一侧或者第二主面11f一侧与振动片的安装面接合。在压电振动装置中，通过在外部电极14、15之间施加规定频率的电压以使层叠压电元件10在长度方向上伸缩，由此能够使振动片振动。
对于层叠压电元件10，在安装时长度方向的两端部容易与安装面发生碰撞。对这一点，由于层叠压电元件10的长度方向的两端部被外部电极14、15所保护，所以不容易受到损伤。而且，由于外部电极14、15的棱部为R面(弧面)形状，因此不容易产生缺陷或者裂缝等。
另外，由于在表面电极16、17中设置有虚设部16b、17b，因此容易使主面11e、11f上的外部电极14、15的Z轴方向的高度一致。即，在第一外部电极14与第二外部电极15之间的在Z轴方向的高低差不容易产生。因此，能够抑制层叠压电元件10相对安装面的倾斜。
另外，在层叠压电元件10中，由于在主面11e、11f上配置有外部电极14、15，因此在陶瓷主体11与安装面之间形成间隔。由此，对于层叠压电元件10，由于不容易对陶瓷主体11施加来自安装面的冲击，因此能够抑制在陶瓷主体11中产生损伤。
此外，本实施方式的层叠压电元件10的结构不限于图1～3所示的结构，能够进行适当改变。例如，能够根据层叠压电元件10的用途等，来适当地决定内部电极12、13的个数和陶瓷层18的厚度。另外，表面电极16、17的结构能够根据内部电极12、13的结构来决定。
具体而言，当在Z轴方向的最上部配置有第一内部电极12时，在第一表面电极16中的第一功能部16a和第一虚设部16b的X轴方向的配置变成与图2相反。即，第一功能部16a与第二内部电极13连接，第一虚设部16b与第一内部电极12连接。
另外，当在Z轴方向的最下部配置有第二内部电极13时，在第二表面电极17中的第二功能部17a和第二虚设部17b的X轴方向的配置成为与图2相反。即，第二功能部17a与第一内部电极12连接，第二虚设部17b与第二内部电极13连接。
[层叠压电元件10的制造方法]
图4是表示层叠压电元件10的制造方法的流程图。图5、图6是表示层叠压电元件10的制造过程的图。以下，根据图4，并适当参照图5、图6，来对层叠压电元件10的制造方法进行说明。
(步骤S01：制作陶瓷主体)
在步骤S01中，制作陶瓷主体11。在步骤S01中，首先，准备图5所示的陶瓷片101、102、103、104。陶瓷片101、102、103、104是以压电陶瓷为主成分的压电体生片。
能够通过将压电陶瓷的预烧制粉末、由有机高分子形成的粘合剂和塑化剂混合而得的陶瓷浆料成型为片状，来得到压电体生片。压电体生片的成型能够使用例如辊涂机(roll coater)或者刮刀(doctor blade)等。
在各陶瓷片101、102、103、104上以规定的图案涂敷导电性膏，形成未烧制的内部电极12、13和表面电极16、17。导电性膏的涂敷能够使用例如丝网印刷法或者凹版印刷法等。
具体而言，在陶瓷片101上形成有第一内部电极12。在陶瓷片102上形成有第二内部电极13。在陶瓷片103上形成有第一表面电极16。在陶瓷片104上形成有第一内部电极12和第二表面电极17。
然后，将陶瓷片101、102、103、104按照图5所示的顺序在Z轴方向上层叠并热压接，由此得到未烧制的陶瓷主体11。陶瓷片101、102、103、104的热压接能够使用例如单轴加压或者流体静压加压等。
接着，通过在例如300～500℃中加热，对未烧制的陶瓷主体11进行脱粘合剂处理。然后，通过在例如900～1200℃中加热，使脱粘合剂处理后的陶瓷主体11烧结。由此，能够得到图6所示的陶瓷主体11。
(步骤S02：外部电极形成)
在步骤S02中，通过在步骤S01中所得到的陶瓷主体11上形成外部电极14、15，制作图1～3所示的层叠压电元件10。在步骤S02中，例如，能够通过对涂敷在陶瓷主体11的长度方向的两端部的导电性膏进行烧结(焙烧)，来形成外部电极14、15。
导电性膏的涂敷能够使用例如浸渍法。在浸渍法中，使陶瓷主体11的X轴方向的两端部浸渍在导电性膏中。由此，形成从端面11a、11b沿侧面11c、11d和主面11e、11f延伸的未烧制的外部电极14、15。
在利用浸渍法涂敷的外部电极14、15的棱部，由于导电性膏的表面张力而形成R面(弧面)。此外，导电性膏的涂敷方法不限于浸渍法，能够采用适当的公知的方法。作为浸渍法以外的导电性膏的涂敷方法，可以举出例如各种印刷法等。
然后，通过对形成于陶瓷主体11的X轴方向的两端部的未烧制的外部电极14、15进行加热，将外部电极14、15烧结在陶瓷主体11上。由此，烧结外部电极14、15，得到图1～3所示的本实施方式的层叠压电元件10。
此外，步骤S02的处理也能够在步骤S01中进行。例如，可以在未烧制的陶瓷主体11的X轴方向的两端部涂敷导电性膏。由此，陶瓷主体11的烧制和外部电极14、15的烧结能够同时进行。
(步骤S03：极化处理)
在步骤S03中，对层叠压电元件10进行极化处理。具体而言，在极化处理中，通过对层叠压电元件10施加Z轴方向的直流高电场，使构成陶瓷层18的压电陶瓷的自发极化的方向一致。由此，对压电陶瓷赋予压电活性，层叠压电元件10能够发挥其功能。
[压电振动装置20]
层叠压电元件10能够作为利用横向压电效应在X轴方向上动作的压电致动器而广泛利用。作为层叠压电元件10的用途的一个例子，可以举出使振动产生的压电振动装置。以下，对使用层叠压电元件10构成的单片(unimorph)型的压电振动装置20进行说明。
图7是压电振动装置20的截面图。压电振动装置20包括层叠压电元件10、振动片21和接合层22。振动片21构成为沿XY平面延伸的平板，与层叠压电元件10的第一主面11e相对地配置。接合层22配置于层叠压电元件10与振动片21之间。
振动片21由例如金属或者玻璃等形成，在Z轴方向具有可挠性。接合层22由树脂材料等形成，将层叠压电元件10与振动片21接合。接合层22密接于层叠压电元件10的Z轴方向下部，并且密接于振动片21的Z轴方向上表面。
接合层22填充于陶瓷主体11的第一主面11e与振动片21之间，大面积地将陶瓷主体11与振动片21接合。由此，压电振动装置20能够获得层叠压电元件10与振动片21之间的经由接合层22的较高的接合强度。
在压电振动装置20中，由于利用接合层22产生的层叠压电元件10与振动片21的接合强度较高，因此即使在使层叠压电元件10较大地伸缩的情况下，层叠压电元件10也难以从振动片21剥离。因此，压电振动装置20中能够维持振动片21的较大的振动。
[电子设备30]
图8A、8B是示意地表示使用了层叠压电元件10的电子设备30的图。图8A是电子设备30的平面图。图8B是电子设备30的沿图8A的C－C’线的截面图。电子设备30构成为一般称为智能手机的多功能型的便携通信终端。
电子设备30包括层叠压电元件10、壳体31和面板32。壳体31包括沿XY平面以矩形形状延伸的底板31a，和从底板31a的周边缘向Z轴方向上方延伸的框体31b，并形成为在Z轴方向上方开口的箱形。面板32沿XY平面以矩形形状延伸，从Z轴方向上方封闭壳体31。
壳体31收纳用于实现电子设备30的各种功能的电路基板或者电子部件等的各结构(未图示)。面板32构成为触摸面板。即，面板32兼具显示图像的图像显示功能，和检测由用户的手指等进行的输入操作的输入功能。
此外，面板32不限于触摸面板，可以不具有上述的结构。例如，面板32可以是不具有图像显示功能，而仅具有输入功能的触摸板。另外，面板32也可以是用于保护在电子设备30中另外设置的触摸面板的保护面板。
层叠压电元件10与面板32的Z轴方向下表面接合，在壳体31内与底板31a相对。可任意地决定在面板32的Z轴方向下表面中的层叠压电元件10的位置。在电子设备30中，面板32实现图7所示的压电振动装置20的振动片21的功能。
即，电子设备30中，通过层叠压电元件10的在X轴方向上的伸缩能够使面板32振动。因此，面板32优选以能够良好地振动的玻璃或者丙烯酸树脂等为主原料。另外，接合层叠压电元件10与面板32的接合层优选与压电振动装置20的接合层22为相同的结构。
电子设备30通过使面板32振动以利用气体传导或者骨传导等产生声音，能够向用户提供声音信息。另外，电子设备30通过使面板32振动，也能够向例如对面板32进行输入操作的用户进行触觉提示。
此外，面板32的Z轴方向上表面典型的是平面，也可以是例如曲面等。另外，电子设备30不限于智能手机，也可以构成为例如平板终端、笔记本电脑、手机、手表、相片展示板(photo-stand)、各种设备的遥控器或者操作部等。
[另一实施方式]
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明当然不仅限于上述的实施方式，可以施加各种改变。下面，作为一个例子，对上述实施方式的变形例的层叠压电元件10进行说明。
图9是上述实施方式的变形例的层叠压电元件10的截面图。在变形例的层叠压电元件10中，在第一主面11e的X轴方向的两端部设置有第一倾斜面11e1、11e2，在第二主面11f的X轴方向的两端部设置有第二倾斜面11f1、11f2。
设置于第一主面11e的X轴方向的两端部的第一倾斜面11e1、11e2，随着向端面11a、11b去而向Z轴方向下方倾斜。设置于第二主面11f的X轴方向的两端部的第二倾斜面11f1、11f2，随着向端面11a、11b去而向Z轴方向上方倾斜。
第一外部电极14从陶瓷主体11的第一端面11a延伸至倾斜面11e1、11f1的中途为止，覆盖倾斜面11e1、11f1的一部分。并且，第二外部电极15从陶瓷主体11的第二端面11b延伸至倾斜面11e2、11f2的中途为止，覆盖倾斜面11e2、11f2的一部分。
因此，倾斜面11e1、11e2、11f1、11f2的X轴方向的内侧的区域没有被外部电极14、15覆盖。因此，在各倾斜面11e1、11e2、11f1、11f2上，形成有在X轴方向的外侧被外部电极14、15隔挡而成的槽部C。各槽部C在Z轴方向上凹陷，并沿Y轴方向延伸。
在变形例的层叠压电元件10中，当利用接合剂将第一主面11e一侧或者第二主面11f一侧的任意一者接合到振动片(例如图7所示的振动片21)等的安装面时，槽部C被接合材料填充。由此，在层叠压电元件10中，由接合剂产生的与安装面的接合强度提高，因此能够得到与安装面的高接合性。
附图标记说明
10……层叠压电元件
11……陶瓷主体
11a、11b……端面
11c、11d……侧面
11e、11f……主面
12、13……内部电极
14、15……外部电极
16、17……表面电极
16a、17a……功能部
16b、17b……虚设部
18……陶瓷层
20……压电振动装置
21……振动片
22……接合层
30……电子设备
31……壳体
32……面板。

Claims (6)

1.一种层叠压电元件，其特征在于，包括：
由压电陶瓷形成的陶瓷主体，其包括：在长度方向上相对的一对端面、在与所述长度方向正交的厚度方向上相对的一对主面、和在与所述长度方向和所述厚度方向正交的宽度方向上相对的一对侧面；
覆盖所述一对端面，并从所述一对端面沿所述一对主面和所述一对侧面延伸的一对外部电极；
在所述陶瓷主体的内部在所述厚度方向上层叠的多个内部电极，其中，在所述厚度方向上层叠的所述多个内部电极交替地与所述一对外部电极的一者连接；和
从所述一对外部电极沿所述一对主面延伸的表面电极，所述表面电极在靠所述外部电极的位置在所述长度方向上被分割，其中，所述外部电极是在所述厚度方向上与所述表面电极相邻的所述内部电极所连接的外部电极，
所述表面电极包括：第一表面电极，其设置在所述一对主面中的位于所述厚度方向的上方侧的第一主面；和第二表面电极，其设置在所述一对主面中的位于所述厚度方向的下方侧的第二主面，
所述一对外部电极包括：第一外部电极，其与在所述厚度方向上与所述第二表面电极相邻的所述内部电极连接；和第二外部电极，其与在所述厚度方向上与所述第一表面电极相邻的所述内部电极连接，
所述第一表面电极在比所述长度方向的中央部靠所述第二外部电极的位置被分割为与所述第一外部电极连接的第一功能部和与所述第二外部电极连接的第一虚设部，
所述第二表面电极在比所述长度方向的中央部靠所述第一外部电极的位置被分割为与所述第二外部电极连接的第二功能部和与所述第一外部电极连接的第二虚设部。
2.如权利要求1所述的层叠压电元件，其特征在于：
沿所述一对外部电极的棱部形成有弧面。
3.如权利要求2所述的层叠压电元件，其特征在于：
所述弧面的曲率半径为10μm以上。
4.如权利要求1至3中任一项所述的层叠压电元件，其特征在于：
在所述一对主面的所述长度方向的两端部，设置有随着向所述一对端面去而向所述厚度方向的内侧倾斜的倾斜面，
所述一对外部电极覆盖所述倾斜面的一部分。
5.一种压电振动装置，其特征在于，包括：
权利要求1至4中任一项所述的层叠压电元件；
在所述厚度方向上与所述层叠压电元件相对的振动片；和
配置于所述层叠压电元件与所述振动片之间的接合层。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
权利要求1至4中任一项所述的层叠压电元件；
以在所述厚度方向上与所述层叠压电元件相对的状态接合所述层叠压电元件的面板；和
保持所述面板的壳体。
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