JP2015211211A - 圧電素子及びこれを含む圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子及び圧電振動子を提供する。【解決手段】本発明による圧電素子は、複数のセラミック圧電層と、複数の上記セラミック圧電層と交互に積層された電極から構成される電極パターンと、最上層に位置する上記セラミック圧電層上に積層され、上記電極パターンの最上部電極を保護する第１カバー層と、を含み、上記第１カバー層のグレーンサイズ（ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ）が、複数の上記セラミック圧電層のうちの少なくとも一つのグレーンサイズよりも大きいことを特徴とする。【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、タッチキーボードなどは、電子機器に装着され、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いう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、圧電アクチュエータ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ）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、ユーザにその振動感が伝達される構造を採用している。

圧電アクチュエータとしては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応じて振動する場合、圧電体を構成するセラミック圧電層にクラックが発生するおそれがあるという問題点があった。

クラックの発生率が高いと、圧電アクチュエータに対する信頼性が低下する。

従来クラックに対する解決策として、Ｓｉなどの副成分を少量添加した圧電セラミック組成物を用いて圧電素子を製造する技術があった。しかし、圧電体においてクラックの発生率が高い位置を考慮してクラックに効率的に対応できる技術が要求されている。

大韓民国公開特許第１０−２００２−００１６５９２号公報

本発明の目的は、圧電素子の最上層でのクラックの発生率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、複数のセラミック圧電層と、複数の上記セラミック圧電層と交互に積層された電極から構成される電極パターンと、最上層に位置する上記セラミック圧電層上に積層され、上記電極パターンの最上部電極を保護する第１カバー層と、を含み、上記第１カバー層のグレーンサイズ（ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ）は、複数の上記セラミック圧電層のうちの少なくとも一つのグレーンサイズよりも大きいことを特徴とする圧電素子が提供される。

上記第１カバー層は、ＰＺＴ系セラミックを含む圧電セラミック材及び二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）を含み、上記第１カバー層のグレーンサイズは、二酸化マンガンの含有量により決められることができる。

上記第１カバー層は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び酸化鉛（ＰｂＯ）のうちの少なくとも１種を含む焼結助剤をさらに含むことができる。

上記第１カバー層に対する二酸化マンガンの重量％は、０．１以上５以下であってもよく、この場合、上記第１カバー層のグレーンサイズは、３μｍ 以上５μｍ以下であり得る。

圧電素子は、最下層に位置する上記セラミック圧電層上に積層され、上記電極パターンの最下部電極を保護する第２カバー層をさらに含み、上記第２カバー層のグレーンサイズは、複数の上記セラミック圧電層のうちの少なくとも一つのグレーンサイズより大きければよい。

圧電素子は、上記電極パターンの電極間を電気的に接続するために、複数の上記セラミック圧電層を貫通するビアと、上記電極パターンの電極に電気的に接続され、外部に露出するように上記セラミック圧電層上に形成される端子と、をさらに含むことができる。

本発明の他の側面によれば、振動板と、上記振動板の上面に結合され、上記振動板を振動させる圧電素子と、を含み、上記圧電素子が、複数のセラミック圧電層と、複数の上記セラミック圧電層と交互に積層された電極から構成される電極パターンと、最上層に位置する上記セラミック圧電層上に積層され、上記電極パターンの最上部電極を保護するための第１カバー層と、を含み、上記第１カバー層のグレーンサイズは、複数の上記セラミック圧電層のうちの少なくとも一つのグレーンサイズよりも大きいことを特徴とする圧電振動子が提供される。

圧電素子は、上述したとおりであり、圧電振動子は、上記第２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、圧電素子のクラックの発生を低減できるので、圧電素子及びこれを含む圧電振動子を安定的に大量生産することができる。

本発明の一実施例に係る圧電素子及びこれを含む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素子及びこれを含む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及びこれを含む圧電振動子の振動を示す図面である。

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、以下で使用する「第１」、「第２」などの用語は、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、各構成要素の間の接触関系において、各構成要素の間に物理的に直接接触される場合のみを意味することではなく、他の構成が各構成要素の間に介在され、該他の構成に構成要素がそれぞれ接触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素子及びこれを含む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素子及びこれを含む圧電振動子の振動を示す図面である。

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、複数のセラミック圧電層１１０、電極パターン１２０、第１カバー層１３０及び第２カバー層１４０を含むことができる。

振動板１１は、圧電素子１００の動きに応じて上下に振動する板であって、スチールまたはステンレス（ｓｔａｉｎｌｅｓｓ、ＳＵＳ）材質からなることができる。振動板１１は、タッチパネル、画像表示部、ＨＰＰなどに振動を伝達する機能を行い、伝達された振動はヘプティック技術として実現される。

圧電素子１００は、振動板１１の上面に形成され、振動板１１を振動させる素子である。圧電振動子１０は、接着部材１２をさらに含むことができ、圧電素子１００は、接着部材１２により振動板１１に容易に付着できる。また、接着部材１２は、圧電素子１００と振動板１１と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、電源を印加することにより左右に伸縮し、これにより、圧電素子１００に結合された振動板１１が、上下に振動することができる。

圧電素子１００は、複数のセラミック圧電層１１０、電極パターン１２０、第１カバー層１３０及び第２カバー層１４０を含み、ビア１２３及び端子１２４、１２５をさらに含むことができる。

セラミック圧電層１１０は、圧電特性が現われる層であって、一つのセラミック圧電層１１０は、約８０μｍの厚さを有することができる。セラミック圧電層１１０は、ＰＺＴ（ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ）系セラミックを含む材料で形成することができる。セラミック圧電層１１０は、次の組成物を主成分として形成することができる。
ｘ［Ｐｂ｛Ｚｒ_ｙＴｉ_{（１−ｙ）}｝Ｏ_３］−（１−ｘ）［Ｐｂ（Ｎｉ_ｚＮｂ_{（１−ｚ））}Ｏ_３］
ここで、ｘが０．８、ｙが０．４４、そしてｚが１／３であってもよい。

また、セラミック圧電層１１０は、焼結助剤として用いられる副成分をさらに含むことができる。副成分としては、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び酸化鉛（ＰｂＯ）のうちの少なくとも１種を含むことができる。

セラミック圧電層１１０は、焼結されて複数のグレーン（ｇｒａｉｎ）から構成されることになる。セラミック圧電層１１０のグレーンサイズは、１．５μｍであってもよい。ここで、「グレーンサイズ」とは、一つのセラミック圧電層１１０を構成する複数のグレーンのそれぞれの平均長さや平均面積を意味する。

電極パターン１２０に電源を印加して圧電素子１００に電圧が加えられる場合、セラミック圧電層１１０内で二つの電極（＋）、（−）の間に電界が形成され、セラミック圧電層１１０の内部に発生する双極子（ｄｉｐｏｌｅ）によりセラミック圧電層１１０の構造が変わり、セラミック圧電層１１０の機械的変位が発生する。セラミック圧電層１１０の機械的変位の発生とは、セラミック圧電層１１０の伸縮を意味する。

圧電素子１００の変位は、電界の大きさに比例するため、大きい変位を得るためには高い電圧が要求される。但し、圧電素子１００が複数層のセラミック圧電層１１０から構成される場合は、単一層のセラミック圧電層１１０から構成される場合に比べて電極間の厚さが小くなり、これにより、同一の電圧でより大きい変位を発生できる。したがって、圧電素子１００は、複数のセラミック圧電層１１０から構成されることが効率的である。

電極パターン１２０は、セラミック圧電層１１０と交互に形成される電極１２１、１２２から構成される。すなわち、電極パターン１２０を構成する電極は、複数のセラミック圧電層１１０間及び最上下層のセラミック圧電層１１０の外側表面に形成できる。

電極は、第１電極１２１と第２電極１２２に分けられる。第１電極１２１と第２電極１２２は互いに異なる極を有することができ、例えば、第１電極１２１が、（＋）極を有する場合、第２電極１２２が、（−）極を有することになる。第１電極１２１と第２電極１２２は交互に並んで積層されることができる。ここで 「並んで」とは、それぞれの電極がセラミック圧電層１１０と平行であることを意味する。一方、第１電極１２１と第２電極１２２とが互いに交互に積層される理由は、互いに交互に積層されることにより、セラミック圧電層１１０内で電界が形成されるからである。

例えば、４層構造の圧電素子１００である場合、下部から上部へ（−）電極、第１セラミック圧電層、（＋）電極、第２セラミック圧電層、（−）電極、第３セラミック圧電層、（＋）電極、第４セラミック圧電層、及び（−）電極の順に積層することができる。ここで、「下部」は、振動板１１に近い方を意味し、「上部」は、振動板１１から遠い方を意味する。

電極パターン１２０の電極は、銀（Ａｇ）及びパラジウム（Ｐｄ）のうちの少なくとも１種を含む電極ペースト（ｐａｓｔｅ）で印刷した後に焼成することにより形成できる。例えば、銀とパラジウムの混合物からなる電極ペーストである場合、銀／パラジウムの値は、７／３以上９．５／０．５以下であればよい。

電極ペーストは、複数のセラミック圧電層１１０のそれぞれの一面または両面に印刷することができ、電極ペーストの印刷の面積は、単一のセラミック圧電層１１０の一面の面積よりも小さくてもよい。

上述したように、圧電素子１００が４つのセラミック圧電層１１０から構成される場合、第１電極１２１は２つ、第２電極１２２は３つで構成できる。ここで、第１電極１２１は、すべてセラミック圧電層１１０間に形成されるため、露出せず、第２電極１２２は、一部が最上下層のセラミック圧電層１１０の外側表面にそれぞれ形成されるため、外部へ露出できる。最下層に位置した第２電極１２２は、振動板１１の上面と対面する。

一方、圧電素子１００が奇数個のセラミック圧電層１１０から構成される場合は、第１電極１２１と第２電極１２２の個数が同数であってもよく、最上部に位置した第１電極１２１と最下部に位置した第２電極１２２がそれぞれ外部へ露出できる。

最上層のセラミック圧電層１１０の外側表面に形成される電極を「最上部電極」、最下層のセラミック圧電層１１０の外側表面に形成される電極を「最下部電極」と称する。

ビア１２３は、互いに並んで配列される電極パターン１２０の電極１２１、１２２間を電気的に接続することができる。ビア１２３は、複数のセラミック圧電層１１０を貫通して形成されることができる。ビア１２３は、第１電極１２１間を接続するビアと第２電極１２２間を接続するビアに区分できる。ビア１２３を用いると、互いに異なる層に形成される複数の電極を容易に電気的に接続することができ、圧電素子の製造工程を容易とすることができる。

端子１２４、１２５は、電極が外部電源と電気的に接続されるようにし、外部へ露出するように、圧電素子１００の最上層に位置するセラミック圧電層１１０の表面に形成することができる。

端子１２４、１２５は、第１電極１２１と電気的に接続する第１端子１２４と、第２電極１２２と電気的に接続する第２端子１２５とを含むことができる。図１に示されたように、端子１２４、１２５は、ビア１２３と直接接触するように形成されるか、電極と直接接触するように形成されることができる。また、端子１２４、１２５は互いに隣接して配置されることにより、容易に外部電源と接続することができる。

端子の個数は、必要により変更可能であり、第１端子１２４と第２端子１２５の個数は、それぞれ２つであり、端子の個数は総４つで構成されることができる。

第１カバー層１３０は、最上層に位置するセラミック圧電層上に積層されて、電極パターンの最上部電極をカバーし、保護する層である。

第１カバー層１３０は、少なくとも１つのセラミック圧電層１１０の厚さよりも小さい厚さを有することができ、セラミック圧電層１１０が、約８０μｍの厚さを有する場合、第１カバー層１３０は、約３０μｍの厚さを有することができる。

第１カバー層１３０は、圧電特性を有さない層であるため、１つのセラミック圧電層１１０と同一の厚さを有する必要がなく、第１カバー層１３０を、電極を保護できる最小の厚さで形成することにより、費用を低減することができる。

第１カバー層１３０は、圧電セラミック材と二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）で形成することができ、第１カバー層１３０を構成する圧電セラミック材はセラミック圧電層１１０を構成する材料と同一であってもよい。

すなわち、第１カバー層１３０を構成する圧電セラミック材は、セラミック圧電層１１０を構成するものと同一のＰＺＴ系セラミックを含むことができる。すなわち、第１カバー層１３０は、次の組成物を主成分として形成可能である。
ｘ［Ｐｂ｛Ｚｒ_ｙＴｉ_{（１−ｙ）}｝Ｏ_３］−１−ｘ［ＰｂＮｉ_ｚＮｂ_{（１−ｚ）}Ｏ_３］
ここで、ｘが０．８、ｙが０．４４、そしてｚが１／３であってもよい。

第１カバー層１３０のグレーンサイズは、複数のセラミック圧電層１１０のうちの少なくとも１つのグレーンサイズよりも大きい。以下では、第１カバー層１３０のグレーンサイズが、すべてのセラミック圧電層１１０のグレーンサイズよりも大きいと限定して説明するが、第１カバー層１３０のグレーンサイズが複数のセラミック圧電層１１０のうちの一部に対してのみ大きい場合にも下記の説明を適用できる。

セラミック圧電層１１０のグレーンサイズが、１．５μｍである場合、第１カバー層１３０のグレーンサイズは、３μｍ以上５μｍ以下であることができる。圧電素子１００のクラックは、グレーンの境界がなす３接点から発生する。ここで、３接点とは、３つ以上のグレーンが接する点を意味する。グレーンサイズが大きくなるほどグレーン境界の３接点の個数は著しく低減するので、クラックの発生も低減することができる。

図２及び図３に示すように、圧電素子１００が伸縮すると、圧電振動子１０が振動することになる。 この場合、圧電振動子１０に作用する応力（ｓｔｒｅｓｓ）の大きさにおいて、応力が０になる位置は圧電素子１００の中央よりも下側の位置である。

すなわち、圧電振動子１０が振動する場合の圧電素子１００の最上部に作用する応力が、最も大きくなり、これにより圧電素子１００でクラックの発生する可能性は最上部で最も高い。また、一部から発生したクラックがグレーンに沿って圧電素子１００の全体に拡散する可能性がある。

セラミック圧電層１１０の上部に位置する第１カバー層１３０からは理論的にクラックの発生する可能性が高いが、本発明の一実施例によれば、第１カバー層１３０のグレーンサイズを増加させることにより、クラックの発生可能性を著しく低減することができる。

一方、第１カバー層１３０は、上述した圧電セラミック材だけでなく、二酸化マンガンを含むことができる。第１カバー層１３０のグレーンサイズは、二酸化マンガンの含有量により決められることができる。二酸化マンガンのＭｎ^３＋は、焼成の際に圧電セラミック材のＴｉ^４＋、Ｚｎ^４＋などと置換されて第１カバー層１３０のグレーンサイズを増加させる役割をする。

しかし、二酸化マンガンを添加すると、圧電特性を落とす可能性があるため、本発明の一実施例によれば、圧電特性が要求されるセラミック圧電層１１０には二酸化マンガンを含ませず、圧電特性が要求されない第１カバー層１３０にのみ二酸化マンガンを含ませることにより、圧電特性を保持しながらクラックの発生を低減できる圧電素子１００及び圧電振動子１０を提供することができる。

二酸化マンガンは、第１カバー層１３０を構成する全体に対して、０．１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の重量％で添加することができる。

一方、第１カバー層１３０には、焼結助剤として酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び酸化鉛（ＰｂＯ）のうちの少なくとも１種を添加することができる。

例えば、第１カバー層１３０は、９８ｗｔ％の０．８［Ｐｂ｛Ｚｒ_０．４４Ｔｉ_０．５６｝Ｏ_３］−０．２［ＰｂＮｉ_１／３Ｎｂ_２／３Ｏ_３］の圧電セラミック材と、０．２ｗｔ％の酸化銅、０．７ｗｔ％の酸化亜鉛、０．６ｗｔ％の酸化鉛から構成される焼結助剤と、０．５ｗｔ％の二酸化マンガンと、を含むことができる。

第２カバー層１４０は、電極パターン１２０の最下部電極を保護するために、最下層に位置するセラミック圧電層１１０上に積層される層である。第２カバー層１４０は、最下層に位置するセラミック圧電層１１０と振動板との間に積層される。この場合、セラミック圧電層１１０に第２カバー層１４０を結合する場合は、第２カバー層１４０と振動板１１との間に接着部材１２を介在することができる。

第２カバー層１４０は、第１カバー層１３０と同様に、第２カバー層１４０のグレーンサイズが複数の上記セラミック圧電層１１０のうちの少なくとも一つのグレーンサイズよりも大きくてもよい。

この場合、第２カバー層１４０は、第１カバー層１３０と同じく二酸化マンガンを含むことができ、二酸化マンガンの含有量により第２カバー層１４０のグレーンサイズは第１カバー層１３０のグレーンサイズと同一であることができる。

圧電素子１００の最下部に位置する第２カバー層１４０には、圧電素子１００の最上部に位置する第１カバー層１３０に比べて圧電素子１００の伸縮の際に相対的に、より小さい応力が作用することになる。しかし、セラミック圧電層１１０の内部と比べてはより大きい応力が作用し、クラックの発生可能性はある。したがって、第２カバー層１４０のグレーンサイズを増加させることにより、クラックの発生率をさらに低減することができる。

上述したように、本発明の一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、クラックの発生可能性が特に高い圧電素子の最上部に位置する第１カバー層のグレーンサイズを増加させることにより、第１カバー層が電極を保護する役割をするとともにクラックの発生を低減する役割を果たすことができる。

また、二酸化マンガンを添加する方式で第１カバー層のグレーンサイズを調整する場合、第１カバー層には二酸化マンガンを添加し、圧電特性が要求されるセラミック圧電層には二酸化マンガンを添加しないことにより、圧電特性を保持しながらクラックの発生を著しく低減することができる。

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することができ、これも本発明の権利範囲内に含まれるといえよう。

１０ 圧電振動子
１１ 振動板
１２ 接着部材
１００ 圧電素子
１１０ セラミック圧電層
１２０ 電極パターン
１２１ 第１電極
１２２ 第２電極
１２３ ビア
１２４ 第１端子
１２５ 第２端子
１３０ 第１カバー層
１４０ 第２カバー層

Claims (12)

1. 複数のセラミック圧電層と、
   前記複数のセラミック圧電層と交互に積層された電極から構成される電極パターンと、
   前記複数のセラミック圧電層のうち最上層に位置するセラミック圧電層上に積層され、前記電極パターンの最上部電極を保護する第１カバー層と、を含み，
   前記第１カバー層のグレーンサイズ（ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ）が、前記複数のセラミック圧電層のうちの少なくとも一つのグレーンサイズよりも大きいことを特徴とする圧電素子。
2. 前記第１カバー層が，
   圧電セラミック材及び二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）を含み，
   前記第１カバー層のグレーンサイズが、二酸化マンガンの含有量により決められることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記圧電セラミック材が、ＰＺＴ系セラミックを含むことを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
4. 前記第１カバー層が，
   酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）及び酸化鉛（ＰｂＯ）のうちの少なくとも１種を含む焼結助剤をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
5. 前記第１カバー層に対する二酸化マンガンの重量％が、０．１以上５以下であることを特徴とする請求項４に記載の圧電素子。
6. 前記第１カバー層のグレーンサイズが、３μｍ以上５μｍ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。
7. 前記複数のセラミック圧電層のうち最下層に位置するセラミック圧電層上に積層され、前記電極パターンの最下部電極を保護する第２カバー層をさらに含む請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電素子。
8. 前記第２カバー層のグレーンサイズが、前記複数のセラミック圧電層のうちの少なくとも一つのグレーンサイズよりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の圧電素子。
9. 前記電極パターンの電極間を電気的に接続するために、前記複数のセラミック圧電層を貫通するビアをさらに含む請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の圧電素子。
10. 前記電極パターンの電極に電気的に接続され、外部へ露出するように、前記複数のセラミック圧電層のうち最上層に位置するセラミック圧電層上に形成される端子をさらに含む請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の圧電素子。
11. 振動板と、
    前記振動板の上面に結合され、前記振動板を振動させる、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の圧電素子と、を含む圧電振動子。
12. 前記圧電素子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請求項１１に記載の圧電振動子。

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