JP2015185841A - 圧電素子及びこれを含む圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】クラックの発生を低減できる圧電素子及びこれを含む圧電振動子を提供する。
【解決手段】圧電素子は、複数のセラミック層１１１が積層されて形成される圧電体１１０と、それぞれのセラミック層表面に形成される内部電極１２０と、内部電極１２０を保護するために圧電体１１０の上下部にそれぞれ形成される一対のカバー層１３０と、を含み、少なくとも一つのカバー層１３０は、複数の結晶粒１３１と、複数の結晶粒１３１の間の境界に配置され、カバー層内のクラックの拡散を抑制するクラック抑制粒子１３２と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子及びこれを含む圧電振動子に関する。

タッチパネル、タッチキーボード等は、電子機器に装着されて、文字や絵を入力する際にユーザの手先に振動を与えることができる。このように、ユーザが文字や絵を入力しているとの触覚フィードバックを与える機能をヘプティック（ｈａｐｔｉｃ）と言う。

ヘプティックデバイスは、透明性を有するタッチパネルが画像を表示するＬＣＤ等の画像表示装置に密着して配置されて、ユーザがタッチパネルを介して、画像を見ながらタッチパネルを圧迫操作する場合、振動モータまたは圧電アクチュエータのような振動発生手段によりタッチパネルに振動感が印加されることにより、ユーザに振動感が伝達される構造を採用している。

振動モータを用いる場合、反応速度が遅いため、速いタッチを必要とする機器に適用することは困難である。これに対し、圧電アクチュエータは反応速度が速く、且つ様々な周波数の実現が可能であるとの利点がある。

圧電アクチュエータとしてセラミック圧電体を用いることができる。セラミック圧電体が、圧電特性により振動する場合、圧電体をなすセラミック層にクラックが発生する等の問題点がある。
本発明の背景技術は、大韓民国公開特許公報第10-2011-0131632号（2011.12.07、ヘプティックデバイス）に開示されている。

大韓民国公開特許第１０−２０１１−０１３１６３２号公報

本発明の目的は、クラックの発生を低減できる圧電素子及びこれを含む圧電振動子を提供することにある。

本発明の一側面によれば、複数のセラミック層が積層されて形成される圧電体と、それぞれの上記セラミック層の表面に形成される内部電極と、上記内部電極を保護するために上記圧電体の上下部にそれぞれ形成される一対のカバー層と、を含み、少なくとも一つの上記カバー層は、複数の結晶粒と、複数の上記結晶粒の間の境界に配置され、上記カバー層内でのクラックの拡散を抑制するクラック抑制粒子と、を含むことを特徴とする圧電素子が提供される。

上記クラック抑制粒子は、上記複数の結晶粒のうちの少なくとも３つの結晶粒が接する地点に配置可能である。
複数の上記結晶粒は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、上記クラック抑制粒子は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうちの少なくとも１種を含むことができる。

上記クラック抑制粒子の焼結開始温度は、上記結晶粒の焼結開始温度より高くてもよい。
上記カバー層の断面において、全ての上記カバー層の断面積に対する上記クラック抑制粒子の断面積の比は、０．３以上、３以下であることが好ましい。

互いに異なる上記セラミック層に形成された上記内部電極が電気的に接続されるように、上記圧電体を貫通するビアをさらに含むことができる。
外部回路に接続されるように、一端が外部に露出され、他端が上記内部電極と電気的に接続される端子をさらに含むことができる。

本発明の他の側面によれば、複数のセラミック層が積層されて形成される圧電体と、それぞれの上記セラミック層の表面に形成される内部電極と、上記内部電極を保護するために上記圧電体の上下部にそれぞれ形成される一対のカバー層と、上記カバー層のうちの上記圧電体の下部に形成されたカバー層に結合され、上記内部電極を介する電源供給による上記圧電体の伸縮に伴って振動する振動板と、を含み、少なくとも一つの上記カバー層は、複数の結晶粒と、複数の上記結晶粒の間の境界に配置されて上記カバー層内でのクラックの拡散を抑制するクラック抑制粒子と、を含むことを特徴とする圧電振動子が提供される。

上記クラック抑制粒子は、上記複数の結晶粒のうちの少なくとも３つの結晶粒が接する地点に配置可能である。
複数の上記結晶粒は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、上記クラック抑制粒子は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうちの少なくとも１種を含むことができる。

上記クラック抑制粒子の焼結開始温度は、上記結晶粒の焼結開始温度より高くてもよい。
上記カバー層の断面において、 全ての上記カバー層の断面積に対する上記クラック抑制粒子の断面積の比は、０．３以上、３以下であることが好ましい。

互いに異なる上記セラミック層に形成された上記内部電極が電気的に接続されるように、上記圧電体を貫通するビアをさらに含むことができる。
外部回路に接続されるように、一端が外部に露出され、他端が上記内部電極と電気的に接続される端子をさらに含むことができる。
上記カバー層のうちの上記圧電体の下部に形成されたカバー層と上記振動板との間に介在される接着部材をさらに含むことができる。

本発明の実施例によれば、圧電素子及び圧電振動子の耐久性を向上させることができ、寿命を増加させることができる。

本発明の一実施例に係る圧電振動子を示す図面である。 本発明の一実施例に係る圧電振動子の振動を示す図面である。 本発明の一実施例に係る圧電振動子の振動を示す図面である。 本発明の一実施例に係る圧電素子の一部を示す図面である。

本発明に係る圧電素子及びこれを含む圧電振動子の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明し、添付図面に基づいて説明するに当たって、同一または対応する構成要素には同一の図面符号を付し、これに対する重複説明は省略する。

また、以下に使用する「第１」、「第２」などのような用語は、同一または対応する構成要素を区別するための識別記号に過ぎず、同一または対応する構成要素が、第１、第２などの用語により限定されるものではない。
また、「結合」とは、各構成要素の間の関係において、各構成要素の間に物理的に直接接触して一体化されている場合のみを意味するものではなく、他の構成が各構成要素の間に介在され、該他の構成を介して構成要素が一体化されている場合まで包括する概念として使用する。

図１は、本発明の一実施例に係る圧電振動子を示す図面であり、図２及び図３は、本発明の一実施例に係る圧電振動子の振動を示す図面である。図４は、本発明の一実施例に係る圧電素子の一部を示す図面である。
図１を参照すると、圧電振動子１０は、振動板１１と圧電素子１００とを含むことができる。圧電素子１００は、圧電体１１０、内部電極１２０及びカバー層１３０を含むことができる。

振動板１１は、圧電素子１００の動きにより上下に振動する板であって、スチール材質からなることができる。振動板１１は、タッチパネルまたは画像表示部に振動を伝達する機能を担い、タッチパネルまたは画像表示部に付着されることができる。
圧電素子１００は、振動板１１の一面に形成され、振動板１１を振動させる素子である。

圧電素子１００は、接着部材１２により、容易に振動板１１に付着可能である。ここで、接着部材１２は、エポキシ樹脂などの絶縁物質からなり、圧電素子１００と振動板１１を互いに絶縁することができる。
図２及び図３に示すように、圧電素子１００は、電圧印加により左右に伸縮し、これにより振動板１１は上下に振動することができる。

圧電素子１００は、圧電体１１０、内部電極１２０及びカバー層１３０を含むことができる。
圧電体１１０は、複数のセラミック層１１１が積層されて形成されることができる。セラミック層１１１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ、lead zirconate titanate）を含む材質からなることができる。一つのセラミック層１１１は、約８０μｍの厚さを有することができる。

圧電体１１０に電圧が加えられると、セラミック層１１１における２つの電極の間に電界が形成されて、セラミック層１１１の内部に発生する双極子（dipole）によりセラミック層１１１の構造が変形されることがある。このようなセラミック層１１１の構造変形により、圧電体１１０が左右に伸縮可能になる。

圧電体１１０の大きな変位（伸縮）を得るためには、高い電圧が要求される。但し、圧電素子１００が複数のセラミック層１１１で構成される場合は、単一のセラミック層１１１で構成される場合に比べて、電極の間の幅が小さくなることにより、同一電圧であってもさらに大きな変位が発生することになる。よって、圧電体１１０は、複数のセラミック層１１１で構成されることが効率的である。

内部電極１２０は、セラミック層１１１の表面に形成される電極であって、第１電極１２１及び第２電極１２２を含むことができる。第１電極１２１及び第２電極１２２は、それぞれのセラミック層１１１で（＋）または（−）極のうちの一つを有して形成される。この場合、第１電極１２１及び第２電極１２２が互いに交互に平行に配列されることにより、電圧が印加されるとセラミック層１１１内に電界を形成することができる。

内部電極１２０は、電極ペーストが印刷された後に焼成されることにより形成可能である。一つのセラミック層１１１に印刷される電極ペーストの面積は、一つのセラミック層１１１の表面の面積以下であってもよい。

図１に示されたように、圧電体１１０が４つのセラミック層１１１で構成する場合、第１電極１２１が２つ、第２電極１２２が３つで構成することができる。ここで、第１電極１２１は、圧電体１１０の内部にのみ形成されて露出せず、第２電極１２２の一部は、最上下層のセラミック層１１１の表面に形成されることにより、外部に露出することになる。ここで、‘最上層’は、振動板１１から最も遠く離れている層を意味し、‘最下層’は、振動板１１から最も近い層を意味する。

一方、圧電体１１０が奇数個のセラミック層１１１で構成される場合は、第１電極１２１及び第２電極１２２の数が同数で構成可能であり、第１電極１２１及び第２電極１２２の一部は、外部に露出することができる。

互いに異なるセラミック層１１１に形成された内部電極１２０は、ビア１２３により電気的に接続されることができ、ビア１２３は、圧電体１１０を貫通して形成される。ビア１２３は、第１電極１２１同士を接続するものと、第２電極１２２同士を接続するものとの２つに分けることができる。ビア１２３を用いると、互いに異なる層に形成された複数の内部電極１２０を容易に電気的に接続させることができるので、圧電素子１００の製造工程を容易にすることができる。

また、圧電素子１００は、内部電極１２０と電気的に接続される端子１２４をさらに含むことができる。端子１２４は、外部回路と接続される部分である。端子１２４の一端は、外部に露出されて外部回路と接続され、端子１２４の他端は、内部電極１２０と接続される。端子１２４も第１電極１２１と接続されるものと、第２電極１２２と接続されるものとの２つに分けることができる。

カバー層１３０は、外部に露出された内部電極１２０を保護するために、圧電体１１０の上下部にそれぞれ形成される一対の層である。カバー層１３０は、約３０μｍの厚さを有することができる。カバー層１３０は、電極を保護する役割を担うため、セラミック層１１１ほど厚くする必要はなく、費用を低減するために一つのセラミック層１１１よりも薄く形成することができる。

少なくとも一つのカバー層１３０は、複数の結晶粒１３１で構成され、複数の結晶粒１３１の間の境界にはクラック抑制粒子１３２が配置することができる。
図２及び図３に示すように、圧電体１１０が振動する場合、カバー層１３０には電界が形成されないため、圧電体１１０ほど伸縮しない。よって、カバー層１３０内ではクラックの発生する可能性が高い。カバー層１３０で発生したクラックは、圧電体１１０まで拡散する可能性がある。

クラックは、複数の結晶粒１３１の間の境界に沿って拡散されるが、圧電体１１０も結晶構造を有するため、結晶構造の間の境界に沿ってクラックが継続的に拡散することになる。本発明のクラック抑制粒子１３２は、カバー層１３０でのクラックの拡散を遮断する役割をすることができる。すなわち、カバー層１３０でのクラックの拡散を遮断することにより、圧電体１１０の全体にクラックが拡散することを防止することができる。

図４に示すように、クラックは、Ａ地点で発生可能であり、結晶粒１３１の間の境界に沿って拡散可能である。しかし、クラックは Ｂ地点にあるクラック抑制粒子１３２を越えて拡散することはできなく、Ｂ地点でクラックの拡散が終了することになる。

若しクラック抑制粒子１３２がないと、Ａ地点で発生したクラックは、カバー層１３０の全体及び圧電体１１０に拡散されて、圧電素子１００が割れることになる。よって、クラック抑制粒子１３２は、圧電素子１００の割れることを防止するので、圧電素子１００の耐久性を向上させることができる。

クラック抑制粒子１３２は、複数の結晶粒１３１のうちの少なくとも３つの結晶粒１３１が接する地点に配置可能である。圧電素子１００が焼結される場合、３つの結晶粒１３１が接する地点はエネルギーが高いため、クラック抑制粒子１３２が上記地点に位置することが有利である。また、クラック抑制粒子１３２は、２つの結晶粒１３１が接する境界線上に配置されることもできる。

圧電素子１００が焼結される場合、クラック抑制粒子１３２の焼結開始温度は、結晶粒１３１の焼結開始温度より高くてもよい。すなわち、結晶粒１３１は焼結されても、クラック抑制粒子１３２は焼結されず、未焼結状態に残ることになる。このようなクラック抑制粒子１３２の融点は、結晶粒１３１の材料の融点より高くてもよい。

カバー層１３０の複数の結晶粒１３１は、圧電体１１０と同じくチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなることができる。この場合、クラック抑制粒子１３２は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうちの少なくとも１種を含むことができる。

例えば、カバー層１３０は、ＰＺＴパウダー、ソルベント、バインダー、及び炭化ケイ素（または酸化アルミニウム）で製造可能である。この場合、全組成物に対する炭化ケイ素（または酸化アルミニウム）の重量％は、０．１ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下であることができる。

また、カバー層１３０を切断した断面において、全カバー層１３０の断面積に対するクラック抑制粒子１３２の断面積の比は、０．３以上、３以下を占めることができる。この場合、クラックの拡散を抑制する機能が十分発揮できる。
クラック抑制粒子１３２は、一対のカバー層１３０のすべてに含まれてもよく、必要によって、上部に位置したカバー層のみに含まれてもよい。

圧電振動子１０が振動する場合、圧電振動子１０の垂直位置での応力を見ると、応力が０である地点は、圧電素子１００の中央よりも下方の地点である。
すなわち、圧電素子１００の最上部の応力が最も大きくなり、圧電素子１００が振動する際に、圧電体１１０の上部に形成されたカバー層にクラックの発生する可能性が高くなる。これに対して、圧電体１１０の下部に形成されたカバー層にはクラックの発生する可能性が低い。

よって、コストダウンのために一対のカバー層１３０のうち、圧電体１１０の上部に形成されたカバー層にのみクラック抑制粒子１３２が含まれるようにすることができる。
上述したように、本発明の実施例に係る圧電素子及びこれを含む圧電振動子によれば、カバー層内のクラック拡散を抑制することで圧電素子のクラック発生を防止することができる。すなわち、圧電素子と圧電振動子の耐久性が向上され、寿命を増加させることができる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば特許請求範囲に記載した本発明の思想から逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除または追加することにより本発明を多様に修正及び変更させることができ、これも本発明の権利範囲内に含まれるものと言える。

１０ 圧電振動子
１１ 振動板
１２ 接着部材
１００ 圧電素子
１１０ 圧電体
１１１ セラミック層
１２０ 内部電極
１２１ 第１電極
１２２ 第２電極
１２３ ビア
１２４ 端子
１３０ カバー層
１３１ 結晶粒
１３２ クラック抑制粒子

Claims (17)

1. 複数のセラミック層が積層されて形成される圧電体と、
   それぞれの前記セラミック層の表面に形成される内部電極と、
   前記内部電極を保護するために、前記圧電体の上下部にそれぞれ形成される一対のカバー層と、を含み、
   少なくとも一つの前記カバー層は、
   複数の結晶粒と、
   複数の前記結晶粒の間の境界に配置され、前記カバー層内でのクラックの拡散を抑制するクラック抑制粒子と、を含むことを特徴とする圧電素子。
2. 前記クラック抑制粒子は、前記複数の結晶粒のうちの少なくとも３つの結晶粒が接する地点に配置されることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 複数の前記結晶粒は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、
   前記クラック抑制粒子は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ） のうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電素子。
4. 前記クラック抑制粒子の焼結開始温度は、前記結晶粒の焼結開始温度より高いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電素子。
5. 前記カバー層の断面において、前記カバー層の全ての断面積に対する前記クラック抑制粒子の断面積の比が、０．３以上、３以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子。
6. 互いに異なる前記セラミック層に形成された前記内部電極が電気的に接続されるように、前記圧電体を貫通するビアをさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧電素子。
7. 外部回路と接続されるように一端が外部に露出され、他端が前記内部電極と電気的に接続される端子をさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電素子。
8. 複数のセラミック層が積層されて形成される圧電体と、
   それぞれの前記セラミック層の表面に形成される内部電極と、
   前記内部電極を保護するために前記圧電体の上下部にそれぞれ形成される一対のカバー層と、
   前記カバー層のうちの前記圧電体の下部に形成されたカバー層に結合され、前記内部電極を介した電源供給による前記圧電体の伸縮により振動する振動板と、を含み、
   少なくとも一つの前記カバー層は、
   複数の結晶粒と、
   複数の前記結晶粒の間の境界に配置され、前記カバー層内でのクラックの拡散を抑制するクラック抑制粒子と、を含むことを特徴とする圧電振動子。
9. 前記クラック抑制粒子は、前記複数の結晶粒のうちの少なくとも３つの結晶粒が接する地点に配置されることを特徴とする請求項８に記載の圧電振動子。
10. 複数の前記結晶粒は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、
    前記クラック抑制粒子は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）のうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の圧電振動子。
11. 前記クラック抑制粒子の焼結開始温度は、前記結晶粒の焼結開始温度よりも高いことを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の圧電振動子。
12. 前記カバー層の断面において、前記カバー層の全ての断面積に対する前記クラック抑制粒子の断面積の比は、０．３以上、３以下であることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の圧電振動子。
13. 互いに異なる前記セラミック層に形成された前記内部電極が電気的に接続されるように、前記圧電体を貫通するビアをさらに含むことを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載の圧電振動子。
14. 外部回路と接続されるように、一端が外部に露出され、他端が前記内部電極と電気的に接続される端子をさらに含むことを特徴とする請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載の圧電振動子。
15. 前記カバー層のうちの前記圧電体の下部に形成されたカバー層と前記振動板との間に介在される接着部材をさらに含むことを特徴とする請求項８から請求項１４のいずれか１項に記載の圧電振動子。
16. 前記一対のカバー層のうち、前記圧電体の上部に形成された前記カバー層にのみ前記クラック抑制粒子が含まれることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。」
17. 前記一対のカバー層のうち、前記圧電体の上部に形成された前記カバー層にのみ前記クラック抑制粒子が含まれることを特徴とする請求項８に記載の圧電振動素子。」
    

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