JP2016051894A - 圧電素子及びこれを含む圧電振動モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】内部電極の面積を増加させた圧電素子及びこれを含む圧電振動モジュールを提供する。【解決手段】圧電素子及び圧電振動モジュールは、複数の電極層１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅと圧電層１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄとを含む圧電素子１００において、それぞれの電極層が、互いに異なる極を有する主電極１２１ａ、１２１ｂと接続電極１２２ａ、１２２ｂとを含み、接続電極が圧電層の一面のコーナー部に配置され、主電極が接続電極と離隔して圧電層の一面をカバーする。【選択図】図４

Description

本発明は、圧電素子及びこれを含む圧電振動モジュールに関する。

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ときにユーザの手先に振動を与えることができる。

この機能は、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ることにより、ユーザに振動感が伝達される構造で実現可能である。

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る。クラックの発生率が高いと、圧電アクチュエータの信頼性が低下する。

１．特開２００２−２９９７０６号公報（２００２．１０．１１．公開）

本発明の目的は、圧電層の圧電特性を発揮する内部電極の面積を増加させた圧電素子及びこれを含む圧電振動モジュールを提供することにある。

本発明の一側面によれば、接続電極が圧電層のコーナー部に位置する圧電素子が提供される。

複数の電極層及び圧電層を含む圧電素子において、それぞれの電極層は、互いに異なる極を有する主電極と接続電極とを含み、上記接続電極は、上記圧電層の一面のコーナー部に配置され、上記主電極は、上記接続電極と離隔して上記圧電層の一面をカバーすることができる。圧電素子は、ビアをさらに含むことができる。

隣り合う２つの上記電極層において、それぞれの上記接続電極は対角方向に位置したコーナー部に配置されることができる。

上記圧電層は、一方向に伸縮するように上記一方向に延長する直方体形状を有することができ、上記接続電極は四角形の形状を有し、上記接続電極の上記圧電層の幅方向に延長された辺の長さは、上記主電極の上記圧電層の幅方向の長さの半分以下であることができる。また、１つの電極層において、上記主電極の面積に対する上記接続電極の面積は、３％以下であることができる。

圧電素子は、非圧電層、端子及び樹脂層をさらに含むことができる。

また、本発明の他の側面によれば、接続電極が圧電層のコーナー部に位置する圧電素子を含む圧電振動モジュールが提供される。

振動板と、上記振動板に結合され、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、複数の電極層と、上記電極層の間毎に介在される圧電層とを含むことを特徴とする圧電振動モジュールであって、上記圧電素子においてそれぞれの電極層は、互いに異なる極を有する主電極と接続電極とを含み、上記接続電極は、上記圧電層の一面のコーナー部に配置され、上記主電極は、上記接続電極と離隔して上記圧電層の一面をカバーすることができる。

圧電振動モジュールを示す斜視図である。 圧電振動モジュールを示す分解図である。 圧電振動モジュールの振動板及び圧電素子を示す図である。 圧電素子の圧電層及び電極層を示す図である。 圧電素子の圧電層及び電極層の一部を示す図である。 圧電素子の底面を示す底面図である。

本発明に係る圧電素子及びこれを含む圧電振動モジュール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などの用語によって限定されることはない。

また、「結合」とは、各構成要素の間の接触関係において、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、その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、圧電振動モジュールを示す斜視図であり、図２は、圧電振動モジュールを示す分解図であり、図３は、圧電振動モジュールの振動板及び圧電素子を示す図である。図４は、圧電素子の圧電層及び電極層を示す図であり、図５は、圧電素子の圧電層及び電極層の一部を示す図であり、図６は、圧電素子の底面を示す底面図である。

図１及び２を参照すると、圧電振動モジュール１０は、振動板１１と圧電素子１００とを含み、接着部材１２、重量体１５０、ダンパ１５１、１５２、ケース１６０及び基板１７０をさらに含むことができる。

振動板１１は、圧電素子１００の動きにより上下に振動するものであって、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果たし、伝達された振動は、ヘプティック（ｈａｐｔｉｃ）技術として実現される。

振動板１１は、スチール（ｓｔｅｅｌ）またはサス（Ｓｔｅｅｌ Ｕｓｅ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ、ＳＵＳ）材質からなることができる。また、振動板１１は、圧電素子１００の熱膨脹係数と類似の材質であるインバー（ｉｎｖａｒ）からなることができる。

振動板１１は、上部プレート１１ａと下部プレート１１ｂとを含むことができる。

上部プレート１１ａは、下部プレート１１ｂの両側に結合され、後述する重量体１５０と結合する部分である。

図３に示すように、下部プレート１１ｂは、圧電素子１００と結合する部分であり、下部プレート１１ｂと上部プレート１１ａとは一体型の単一部品として形成されてもよく、これとは異なって、多様な接合方法により固定結合されることも可能である。

接着部材１２は、圧電素子１００と振動板１１とが結合されるように、その間に介在されることができる。接着部材１２を用いると、圧電素子１００を振動板１１に容易に付着することができる。また、接着部材１２は、圧電素子１００と振動板１１とを互いに絶縁させることができる。

圧電素子１００は、電圧の印加により伸縮する性質を有する素子である。圧電素子１００に電圧が印加されると、圧電層１１０内で２つの電極（＋、−）の間に電界が形成され、圧電層１１０の内部で発生する双極子（ｄｉｐｏｌｅ）により圧電層１１０の内部構造が変わり、圧電層１１０が伸縮することができる。

圧電素子１００が振動板１１に結合された状態で左右に伸縮すると、振動板１１を上下に振動させることができる。すなわち、圧電素子１００の圧電特性は、振動板１１の振動を誘導することができる。

圧電素子１００は、複数の圧電層１１０と複数の電極層１２０とで構成され、複数の電極層１２０は互いに並んで積層され、電極層１２０の間毎に圧電層１１０が介在される。

圧電層１１０は、圧電特性を示す層であり、ＰＮＮ−ＰＺＴ（ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ）系セラミックを含む材料からなることができる。この場合、圧電層１１０の材料は、下記の組成物を主成分とすることができる。

［化学式１］

化学式１中、ｘ、ｙ、ｚは定数値であって、ｘが０．８、ｙが０．４４、そして、ｚが１／３であることができる。

また、圧電層１１０の材料は、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。

圧電層１１０は、複数であることができ、このようにすると、低い電圧でも圧電素子１００の駆動に必要な電界を確保することができる。すなわち、複数の圧電層１１０を有する圧電素子１００は、同じ電圧でもより大きい圧電特性を実現することができる。

圧電層１１０は、一方向に延長された直方体形状を有することができる。この場合、圧電層１１０は、上記一方向に伸縮することができる。

電極層１２０は、圧電層１１０に電界を形成させる導電体である。電極層１２０は、銀（Ａｇ）とパラジウム（Ｐｄ）のうちの少なくとも１種を含む電極ペースト（ｐａｓｔｅ）を圧電層の一面または両面に印刷した後、焼成することにより形成することができる。例えば、銀とパラジウムとの混合物からなる電極ペーストにおいて、銀／パラジウムの値は、７／３以上９．５／０．５以下であることができる。

電極層１２０は、主電極１２１と接続電極１２２とに分けることができる。

主電極１２１は、圧電層１１０内に電界を形成させる主な電極であって、圧電層１１０の一面の大部分をカバーする。また、圧電層１１０に電界を形成するために、一つの圧電層１１０の両面に互いに異なる極の主電極１２１が位置する。

接続電極１２２は、互いに同じ極を有しながら互いに異なる層に位置する主電極１２１を電気的に接続させる媒介体である。すなわち、接続電極１２２は、異なる層に位置した電極層１２０の主電極１２１と電気的に接続される。

１つの電極層１２０は、１つの主電極１２１と１つの接続電極１２２を有し、１つの電極層１２０においての主電極１２１と接続電極１２２とは互いに異なる極を有する。

接続電極１２２は、圧電層１１０の一面のコーナー部に配置され、主電極１２１は、接続電極１２２と離隔して圧電層１１０の一面をカバーする。接続電極１２２は、圧電層１１０に圧電特性を示さないので、主電極１２１の役割を果たすに最大限に邪魔にならないように、圧電層１１０の一面のコーナー部に配置されることができる。また、接続電極１２２と主電極１２１とは互いに異なる極を有するので、離隔する必要がある。

接続電極１２２が圧電層１１０の一面のコーナー部に位置しない場合、主電極１２１において実質的に振動する面積は主電極１２１の実際の面積よりも小さくなる。しかし、接続電極１２２が圧電層１１０の一面のコーナー部に配置されると、主電極１２１の全体が振動することができる。

また、隣り合う２つの電極層１２０において、それぞれの接続電極１２２は、すべて圧電層１１０のコーナー部に位置する。この場合、それぞれの接続電極１２２は、互いに対角方向に位置する。ここで、'隣り合う２つの電極層１２０'とは一つの圧電層１１０の両面に配置された電極層１２０を意味する。

以下に、図４及び図５を参照して、例を挙げて説明する。

図４は、４つの圧電層と５つの電極層とを示す図であり、図５は、図４での圧電層１１０ａ及び電極層１２０ａの一部を示す図である。

４つの圧電層を１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄと表示し、５つの電極層を１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅと表示して、電極層の主電極と接続電極とを分離して示した。

図４に示すように、最も上部に位置した圧電層１１０ａをみると、圧電層１１０ａの両面に２つの電極層１２０ａ、１２０ｂが配置されている。上面に位置した電極層１２０ａは、主電極１２１ａと接続電極１２２ａを有し、下面に位置した電極層１２０ｂは、主電極１２１ｂと接続電極１２２ｂを有する。

ここで、上面に位置した主電極１２１ａと下面に位置した主電極１２１ｂとは、互いに異なる極を有し、上面に位置した主電極１２１ａと上面に位置した接続電極１２２ａとは互いに異なる極を有する。また、上面に位置した接続電極１２２ａは、下面に位置した主電極１２１ｂと互いに同じ極を有し、互いに電気的に接続される。

上面に位置した接続電極１２２ａは、圧電層１１０ａの一面のコーナー部に位置し、下面に位置した接続電極１２２ｂは、圧電層１１０ａの他面のコーナー部に位置する。但し、上面に位置した接続電極１２２ａと下面に位置した接続電極１２２ｂとは互いに対角方向に配置される。

このような接続電極１２２の配置特性は、すべての圧電層１１０及び電極層１２０に適用可能であり、図４に示すように、接続電極１２２が対角方向の２つのコーナー部に交互に位置することになる。

これにより、圧電素子の歪み（ｗａｒｐａｇｅ）現象を防止することができる。

この場合、２つのタイプの電極層が繰り返し積層される。すなわち、電極層１２０ａ、１２０ｃ、１２０ｅの第１タイプと、電極層１２０ｂ、１２０ｄの第２タイプが繰り返し積層される。図５には、第１タイプの電極層１２０ａが示されている。２つのタイプを繰り返し積層することにより、多層の圧電素子１００を容易に製造することができる。

一方、図５に示すように、接続電極１２２は、四角形の形状を有することができる。圧電層１１０の一面が長方形の形状を有する場合、接続電極１２２の圧電層１１０の幅方向に延長された辺の長さＢは、主電極１２１の圧電層１１０の幅方向の長さＡの半分以下の長さであることができる。接続電極１２２の辺の長さが長すぎると、主電極１２１が圧電層１１０の圧電特性を発揮させることができる領域が低減する。

例えば、主電極１２１が、１６．７（ｍｍ）ｘ ２（ｍｍ）の大きさを有する場合、すなわち、主電極１２１の幅方向の長さＡが２ｍｍである場合、正方形の形状の接続電極１２２の幅方向の長さＢは、０．９ｍｍであることができる。

この場合、主電極１２１の面積に対する接続電極１２２の面積は、３％以下であることができる。 上記例で、主電極１２１の面積が３３．４ｍｍ^２であり、接続電極１２２の面積は、０．８１ｍｍ^２である。

圧電素子１００は、ビア１３０をさらに含むことができる。ビア１３０は、１つの電極層の接続電極１２２と、隣り合う他の１つの電極層の主電極１２１とを電気的に接続させるために、２つの電極層の間に介在された、圧電層１１０を貫通する接続孔である。

ビア１３０は、圧電素子１００に対して垂直な一直線に形成することができる。ビア１３０は、接続電極１２２の位置に対応して形成され、圧電層１１０のコーナー部に位置することができる。ビア１３０は、（＋）極の電極を接続させるものと、（−）極の電極を接続させるものとに２つに分けられる。

ビア１３０は、接続電極１２２の中央と接触することができる。この場合、接続電極１２２の内側にビアホールを形成でき、ビア１３０は、ビアホールを埋めることにより形成することができる。接続電極が、０．９（ｍｍ）ｘ０．９（ｍｍ）の大きさを有する場合、ビアホールの直径は、９２〜１０３μｍであることができる。

圧電素子１００は、非圧電層１４０と端子１３１とをさらに含むことができる。非圧電層１４０は、電極層１２０のうちの最端層に位置するものの少なくとも１つをカバーする層であって、圧電層１１０及び電極層１２０を保護する。非圧電層１４０には電界が形成されないので圧電特性は発揮されない。

非圧電層１４０は、第１カバー層１４１と第２カバー層１４２とを含むことができる。

第１カバー層１４１は、振動板１１の反対側に位置する非圧電層であり、第２カバー層１４２は、振動板１１側に位置する非圧電層である。振動板１１と第２カバー層１４２との間には上述した接着部材１２が介在されてもよい。

第１カバー層１４１と第２カバー層１４２とは、圧電層１１０を構成する材料と同様の材料を用いて形成することができる。すなわち、第１カバー層１４１と第２カバー層１４２とは、圧電層１１０を構成するものと同様のＰＮＮ−ＰＺＴ系セラミックを含む材料で形成することができる。この場合、第１カバー層１４１と第２カバー層１４２とは、下記の組成物を主成分として形成することができる。
［化学式２］

化学式２中、ｘ、ｙ、ｚは、定数値であって、ｘが０．８、ｙが０．４４、そして、ｚが１／３であることができる。

第１カバー層１４１と第２カバー層１４２のそれぞれの厚さは、１つの圧電層１１０の厚さよりも小さくてもよい。例えば、１つの圧電層１１０の厚さが約８０μｍである場合、第１カバー層１４１と第２カバー層１４２はそれぞれ約３０μｍの厚さを有することができる。

端子１３１は、電極層１２０が外部電源と電気的に接続されるようにするものであって、外部に露出するように非圧電層１４０の表面に形成することができる。端子１３１は、第１カバー層１４１の表面に形成することができる。

端子１３１は、ビア１３０の位置に対応して形成できるが、図６に示すように、ビア１３０の位置と異なる位置に形成することもできる。この場合、リード線を介在させ、端子１３１の位置を必要により変更すればよい。

端子１３１は、１対で構成され、それぞれは、（＋）極または（−）極と接続することができる。端子１３１は、円形形状を有することができ、その直径は１ｍｍ以内であることができる。

圧電素子１００は、樹脂層Ｒをさらに含むことができる。

樹脂層Ｒは、圧電層１１０及び電極層１２０の側面をカバーして、内部に湿気または異物が投入されることを防止する。図６に示すように、樹脂層Ｒは、圧電層１１０及び電極層１２０の側面だけでなく第１カバー層１４１の一部までカバーすることができる。樹脂層Ｒはエポキシ樹脂であることができる。

一方、図面には、樹脂層Ｒが圧電層１１０及び電極層１２０の両側面をカバーしているが、樹脂層Ｒは、圧電層１１０及び電極層１２０の４つの側面をすべてカバーすることもできる。

図１及び２を再び参照すると、重量体１５０は振動力を最大に増加させるための媒介物であって、振動板１１の上部に位置する。重量体１５０を用いることにより、ヘプティック感を向上させることができる。

重量体１５０は、振動板１１の上部プレート１１ａに結合可能であり、下部プレート１１ｂと直接的に接触しないように両端部から中心部に向けて傾くように形成することができる。また、重量体１５０は金属材質で形成することができ、同一体積でも相対的に密度の高いタングステン（Ｗ）材質を用いて形成することができる。

ケース１６０は、振動板１１、圧電素子１００及び重量体１５０をすべてカバーするハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）であって、振動板１１、圧電素子１００及び重量体１５０を含めた圧電振動モジュール１０の内部部品を保護する役割をする。

ケース１６０は、上部ケースと下部ケースとに分けることができる。下部ケースは、図１に示されているように、細くて長い扁平な形状に形成され、上部ケースの開放下部面を閉鎖できる大きさに形成される。上部ケースと下部ケースは、通常の技術者に既に広く知られているコーキング（ｃａｕｌｋｉｎｇ）、溶接あるいはボンディングなどの様々な方法により結合されることができる。

下部ケースは、振動板１１の下部プレートと所定の間隔を置いて平行に離隔しており、下部プレートは、下部ケースの両端部に結合され固定されることができる。

第１ダンパ１５１は、重量体１５０とケース１６０との間に介在され、重量体１５０がケース１６０にぶつかって破損することを防止することができる。第１ダンパ１５１は、重量体１５０の上部に結合可能であり、弾性部材、例えばゴム材質を用いて形成することができる。

第２ダンパ１５２は、重量体１５０と振動板１１との間に介在され、重量体１５０と振動板１１との間の衝撃を緩和することができる。第２ダンパ１５２は、重量体１５０の下部に結合可能であり、第１ダンパ１５１と同じく弾性部材、例えばゴム材質を用いて形成することができる。

基板１７０は、圧電素子１００の電極層１２０に電圧を印加するために圧電素子１００に結合される回路基板である。基板１７０は、圧電素子１００の下部に結合可能であり、フレキシブルＰＣＢ（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＰＣＢ、ＦＰＣＢ）であってもよい。

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、削除または追加などを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ものといえよう。

１０ 圧電振動モジュール
１１ 振動板
１１ａ 上部プレート
１１ｂ 下部プレート
１２ 接着部材
１００ 圧電素子
１１０ 圧電層
１２０ 電極層
１２１ 主電極
１２２ 接続電極
１３０ ビア
１３１ 端子
１４０ 非圧電層
１４１ 第１カバー層
１４２ 第２カバー層
１５０ 重量体
１５１ 第１ダンパ
１５２ 第２ダンパ
１６０ ケース
１７０ 基板
Ｒ 樹脂層

Claims (20)

1. 複数の電極層と、前記電極層の間に介在される圧電層とを含む圧電素子であって、
   それぞれの電極層が、互いに異なる極を有する主電極と接続電極とを含み、
   前記接続電極が、前記圧電層の一面のコーナー部に配置され、
   前記主電極が、前記接続電極と離隔して前記圧電層の一面をカバーする圧電素子。
2. １つの電極層の前記接続電極と、隣り合う他の１つの電極層の前記主電極とを電気的に接続させるために、２つの電極層の間に介在された前記圧電層を貫通するビアをさらに含む請求項１に記載の圧電素子。
3. 隣り合う２つの前記電極層において、
   それぞれの前記接続電極が、互いに対角方向に位置したコーナー部に配置される請求項２に記載の圧電素子。
4. 前記圧電層が、一方向に伸縮するように前記一方向に延長される直方体形状を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電素子。
5. 前記接続電極が四角形の形状を有し、
   前記接続電極の前記圧電層の幅方向に延長された辺の長さが、前記主電極の前記圧電層の幅方向の長さの半分以下の長さである請求項４に記載の圧電素子。
6. １つの電極層において、
   前記主電極の面積に対する前記接続電極の面積が、３％以下である請求項４または５に記載の圧電素子。
7. 前記複数の電極層の最端層に位置する電極層のうちの少なくとも１つをカバーする非圧電層をさらに含む請求項１から６のいずれか１項に記載の圧電素子。
8. 前記電極層と電気的に接続されるように、前記非圧電層の表面に形成される端子をさらに含む請求項７に記載の圧電素子。
9. 前記圧電層及び前記電極層の側面をカバーする樹脂層をさらに含む請求項１から８のいずれか１項に記載の圧電素子。
10. 振動板と、前記振動板に結合され、前記振動板を振動させる圧電素子とを含み、前記圧電素子が、複数の電極層と、前記電極層の間に介在される圧電層とを含む圧電振動モジュールであって、
    前記圧電素子において
    それぞれの電極層が、互いに異なる極を有する主電極と接続電極とを含み、
    前記接続電極が、前記圧電層の一面のコーナー部に配置され、
    前記主電極が、前記接続電極と離隔して前記圧電層の一面をカバーする圧電振動モジュール。
11. １つの電極層の前記接続電極と、隣り合う他の１つの電極層の前記主電極とを電気的に接続するために、２つの電極層の間に介在された前記圧電層を貫通するビアをさらに含む請求項１０に記載の圧電振動モジュール。
12. 隣り合う２つの前記電極層において、
    それぞれの前記接続電極が、互いに対角方向に位置したコーナー部に配置される請求項１１に記載の圧電振動モジュール。
13. 前記圧電層が、一方向に伸縮するように前記一方向に延長される直方体形状を有する請求項１０から１２のいずれか１項に記載の圧電振動モジュール。
14. 前記接続電極が、四角形の形状を有し、
    前記接続電極の前記圧電層の幅方向に延長された辺の長さが、前記主電極の前記圧電層の幅方向の長さの半分以下の長さである請求項１３に記載の圧電振動モジュール。
15. １つの電極層において、
    前記主電極の面積に対する前記接続電極の面積が、３％以下である請求項１３または１４に記載の圧電振動モジュール。
16. 前記複数の電極層の最端層に位置する電極層のうちの少なくとも１つをカバーする非圧電層をさらに含む請求項１０から１５のいずれか１項に記載の圧電振動モジュール。
17. 前記電極層と電気的に接続されるように、前記非圧電層の表面に形成される端子をさらに含む請求項１６に記載の圧電振動モジュール。
18. 前記圧電層及び前記電極層の側面をカバーする樹脂層をさらに含む請求項１０から１７のいずれか１項に記載の圧電振動モジュール。
19. 前記振動板と前記圧電素子との間に介在される接着部材をさらに含む請求項１０から１８のいずれか１項に記載の圧電振動モジュール。
20. 前記振動板の上部に配置される重量体をさらに含む請求項１０から１９のいずれか１項に記載の圧電振動モジュール。

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