JP2016051895A - 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】信頼度が向上される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】圧電体層１１０と、隣接する圧電体層１１０の間毎に形成される内部電極層１２０と、を含む積層体部１００、隣接する内部電極層１２０に互いに異なる極性の電荷が印加されるように、積層体部に形成される電極部２００、隣接する圧電体層１１０を接続させるために、内部電極層１２０を貫通して形成される接続孔３００、を含む。接続孔３００の大きさは、隣接する内部電極層１２０のうち上層に行くほど増加する。【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モジュールに関する。

一般的にセラミックを圧電素子に応用するためには、圧電定数、電気機械結合係数が高くなければならない。さらに積層型圧電素子に用いるためには、内部電極に用いられる物質の種類にもよるが、同時焼成のためにセラミックを１０００℃以下の温度で焼結しても優れた圧電特性を有する必要がある。

従来のチタン酸ジルコン酸鉛（Ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ、以下、ＰＺＴと称する）系の圧電セラミックは、焼結温度が１１００℃以上の高温である。このため、ＰＺＴ系圧電セラミックを用いた積層型圧電素子の場合、内部電極層としては上記の温度よりも融点の高い高価な物質を使用しなければならなかった。

したがって、従来のＰＺＴに新しい物質を添加して、圧電特性を保持しながらも焼結温度を低めるための研究が行われている。

１．韓国公開特許公報第１０−２００３−００９６５０５号（２００３．１２．３１．公開）

本発明の一側面によれば、内部電極層に、圧電体層と接続させる接続孔を形成することにより、内部電極層と、隣接する圧電体層とを互いに接続させることができる。

それぞれの内部電極層に形成された接続孔の大きさは、上層の内部電極層であるほど大きくすることができる。

本発明の一実施例に係る圧電素子を示す断面図である。 本発明の一実施例に係る圧電素子を示す分解斜視図である。 本発明の他の実施例に係る圧電振動モジュールを示す斜視図である。 本発明の他の実施例に係る圧電振動モジュールの駆動過程を示す図である。 本発明の他の実施例に係る圧電振動モジュールの駆動過程を示す図である。

本願で用いた用語は、ただ特定の実施例を説明するために用いたものであって、本発明を限定するものではない。単数の表現は、文の中で明らかに表現しない限り、複数の表現を含む。本願で、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除するものではないと理解しなくてはならない。

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。

以下、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。

先ず、本発明の一実施例に係る圧電素子を説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る圧電素子を示す断面図であり、図２は、本発明の一実施例に係る圧電素子を示す分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、本発明の一実施例に係る圧電素子１０００は、積層体部１００と、電極部２００と、接続孔３００とを含む。

積層体部１００は、圧電体層１１０と、隣接する圧電体層１１０の間毎に形成される内部電極層１２０とを含む。

圧電体層１１０は、電気的信号を機械的信号に変換できる材料を含む。具体的に圧電セラミック及び圧電特性を示す高分子物質などが含まれ得る。本実施例では、圧電セラミックを例に挙げて説明するが、これにより本発明の範囲が制限されることはない。すなわち、圧電特性を示す高分子物質を用いて圧電体層１１０を形成することもできる。

圧電体層１１０は、圧電セラミックをスラリー（Ｓｌｕｒｒｙ）に調製し、ドクターブレードなどの方法を用いてグリーンシートを製作した後、グリーンシートを焼結して形成することができる。

圧電セラミックは、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ、以下、ＰＺＴと称する）を主成分とすることができる。すなわち、リラクサ（ｒｅｌａｘｏｒ）の添加された、ＰＮＮ−ＰＺＴ系圧電セラミック、ＰＭＮ−ＰＺＴ系圧電セラミックまたはＰＮＮ−ＰＭＮ−ＰＺＴ系圧電セラミックであることができる。また、鉛が含まれていない無鉛系圧電セラミックであることもできる。

内部電極層１２０は、隣接する圧電体層１１０の間毎に形成される。つまり、隣接する内部電極層１２０の間毎に圧電体層１１０が形成される。

隣接した内部電極層１２０には、後述する電極部２００により互いに異なる極性の電荷が印加されるため、隣接した内部電極層１２０はその間に形成されている圧電体層１１０に電場を形成する。内部電極層１２０には互いに異なる極性の電荷を印加できるようにパターンを形成することができる。

内部電極層１２０は、導電性物質を含む。本実施例のように、圧電セラミックを用いて圧電体層１１０を形成した場合は、導電性物質として圧電セラミックの焼結温度よりも高い融点を有する単一金属または金属合金を用いることができる。例としては、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａ、Ａｇ及びＴｉで構成されたグループから選択された少なくとも１種の金属または、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｓｒ、Ｌａ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｔａ及びＴｉで構成されたグループから選択された少なくとも１種の金属の導電性酸化物または導電性窒化物を用いることができる。

内部電極層１２０は、圧電体層１１０の上面及び下面に形成されるが、蒸着（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成することができ、電極ペーストを圧電体層１１０の上面または下面に塗布することにより形成することもできる。

積層体部１００は、圧電体層１１０と内部電極層１２０とが交互に積層された構造で形成される。

図１及び図２には、内部電極層１２０が５層で構成されているが、これは例示に過ぎず、必要によって内部電極層１２０の積層数を変更することができる。

積層体部１００は、最上層または最下層のうちの少なくとも一つに形成されるカバー層１３０をさらに含むことができる。一例として、それぞれの上面に電極ペーストの形成された複数のグリーンシートを積層する場合、最上層に形成される電極ペーストが外部に露出することになる。この場合は、外部に露出された電極ペーストを保護するために、その上に上部カバー層１３０を形成することができる。

この場合、図１及び図２に示すように、積層体部の最下層は内部電極層ではなく圧電体層１１１が形成されるので、下部カバー層を形成しなくてもよい。勿論、この場合にも最下層に配置される圧電体層１１１の下部に下部カバー層１３０を追加的に形成することもできる。

カバー層１３０は、外部の衝撃から圧電体層１１０及び内部電極層１２０を保護するためのものであり、カバー層１３０は圧電機能とは関係のない部材であるため、圧電体層１１０の材質とは異なる材質を用いて形成しても構わない。しかし、圧電体層１１０との機械的結合または熱膨脹係数などを考慮して、カバー層１３０は圧電体層１１０と類似の材質を用いて形成することができる。

すなわち、本実施例のように、圧電セラミックを用いて圧電体層１１０を形成した場合は、圧電体層１１０とカバー層１３０との間の機械的結合または熱膨脹係数を考慮して、カバー層１３０も圧電体層１１０に使用された圧電セラミックを用いて形成することができる。

電極部２００は、隣接する内部電極層１２０に互いに異なる極性の電荷が印加されるように、積層体部１００に形成される。電極部２００は、積層体部１００の外部に位置する電源供給装置から電荷の供給を受け、積層体部１００の内部に形成された内部電極層１２０に電荷を供給することができる。

電極部２００は、隣接する内部電極層１２０に互いに異なる極性の電荷が印加されるように、正極性の電荷を供給する正電極２１１と負極性の電荷を供給する負電極２１２とを含むことができる。

図１及び図２には、積層体部１００の上面に形成された正電極２１１及び負電極２１２が示されているが、これに限定されることはない。

例えば、隣接する内部電極層の両端が積層体部の両端に交互に延長されるように形成し、積層体部の外側面に外部電極を形成することにより、隣接した内部電極層に互いに異なる極性の電荷を印加することもできる。

電極部２００は、積層体部１００の一面に形成される正電極２１１と、負電極２１２と、隣接する内部電極層１２０を交互に正電極２１１または負電極２１２と電気的に接続させるために積層体部１００の内部に形成される導電用ビアホール２２０とを含むことができる。

図２を参照すると、圧電体層１１０には、導電性物質で充填された導電用ビアホール２２０が形成されている。また、内部電極層１２０には正電極２１１または負電極２１２と電気的に接続されるようにするためのパターンが形成されている。したがって、隣接する内部電極層１２０は、導電用ビアホール２２０及びパターンを介して互いに異なる電極（正電極または負電極）と電気的に接続される。

すなわち、図２に示されているように、第１内部電極層１２１、第３内部電極層１２３及び第５内部電極層１２５が導電用ビアホール２２０及びパターンを介して正電極２１１と接続され、第２内部電極層１２２及び第４内部電極層１２４は、導電用ビアホール２２０及びパターンを介して負電極２１２と接続される。

一方、交流電圧が印加され、正電極２１１及び負電極２１２の極性が変わるときには、第１内部電極層１２１、第３内部電極層１２３及び第５内部電極層１２５に負電荷が印加されることができ、この場合も本発明の範囲に属する。また、図２に示された内部電極層１２０のパターンの形態は例示に過ぎず、内部電極層１２０が交互に正電極２１１または負電極２１２と接続することができれば本発明の保護範囲に属する。

正電極２１１及び負電極２１２は、積層体部１００の外部面に別個に形成されるので、積層体部１００を焼結した後に形成することができる。したがって、上述した内部電極層１２０とは異なって、比較的に低い融点を有する導電性物質を用いることができる。例えば、電気伝導度に優れたＣｕ、Ａｇまたはこれらの合金などを用いて形成することができる。また、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｇまたはそれらの合金などを用いることができる。

接続孔３００は、隣接する圧電体層１１０を接続させるために、内部電極層１２０を貫通して形成される。接続孔３００の大きさは、隣接する内部電極層１２０のうちの上層に行くほど増加する。

すなわち、内部電極層１２０を貫通する接続孔３００を形成することにより、ある一つの内部電極層１２０を間に置いて隣接する２つの圧電体層１１０が互いに接続される。

接続孔３００の大きさについて、隣接する内部電極層１２０を比較すると、上層の内部電極層１２０に形成された接続孔３００の大きさが、下層の内部電極層１２０に形成された接続孔３００の大きさより大きい。

例として、図２の第３内部電極層１２３を基準にして説明する。

図２に示されているように、第３内部電極層１２３は、ｉ）複数の圧電体層１１０との関係から、下部には第３圧電体層１１３、上部には第４圧電体層１１４と隣接している。また、ｉｉ）複数の内部電極層１２０との関係から、下部には第２内部電極層１２２、上部には第４内部電極層１２４と隣接している。

第３内部電極層１２３に接続孔３３０を形成することで、焼結により第３圧電体層１１３と第４圧電体層１１４とが互いに接続されることができる。

第３内部電極層１２３に形成された接続孔３３０の大きさは、第２内部電極層１２２に形成された接続孔３２０の大きさより大きく、第４内部電極層１２４に形成された接続孔３４０の大きさより小さい。

一方、図２では接続孔３００の横断面が円形であるが、これは例示に過ぎず、三角形を含む多角形または不定形の接続孔３００であることができる。

接続孔３００は、内部電極層１２０と同時にまたは異時に形成されることができる。

このようにすることで、本発明の一実施例に係る圧電素子１０００は信頼度が向上される。すなわち、内部電極層１２０の上面及び下面に形成され、互いに隣接する圧電体層１１０が接続孔３００を介して互いに接続されるので、素子の破壊強度が増加することができる。

一方、圧電素子１０００の下面に、後述する振動板４００が結合する場合、圧電素子１０００と振動板４００との弾性率の差により圧電素子１０００の内部においては、応力が上部に行くほど増加し得る。したがって、本実施例に係る圧電素子１０００は、積層体部の上部に行くほど内部電極層１２０に形成される接続孔３００を大きくして、隣接する圧電体層１１０と接続する体積を積層体部の上部に行くほど増加させることにより圧電素子１０００が安定に動作することができ、信頼度を向上させることができる。

ここで、接続孔３００は、隣接する内部電極層１２０のうちの下層に形成される第１接続孔と上層に形成される第２接続孔とをそれぞれ含むことができる。このとき、第１接続孔を縦方向に投映した領域が第２接続孔を縦方向に投映した領域に含まれ得る。

また、第１接続孔の中心と第２接続孔の中心とは縦方向において一致することができる。

なお、図２の第３内部電極層１２３を例にして詳細に説明する。

第３内部電極層１２３は、第４内部電極層１２４と隣接している。この場合、下層は第３内部電極層１２３となり、上層は第４内部電極層１２４となる。したがって、この場合には下層である第３内部電極層１２３に形成された接続孔３３０が第１接続孔３３０（以下、本例では同様である）となり、上層である第４内部電極層１２４に形成された接続孔３４０（以下、本例では同様である）が第２接続孔３４０となる。

第１接続孔３３０と第２接続孔３４０とを縦方向に投映した場合、第１接続孔３３０を投映した領域が第２接続孔３４０を投映した領域に含まれる。すなわち、積層体部１００を縦方向に投映した場合、第１接続孔３３０と第３内部電極層１２３とからなる境界が第２接続孔３４０と第４内部電極層１２４とからなる境界内に含まれる。

このようにすることで、本発明の一実施例に係る圧電素子１０００は、第２接続孔を貫通する縦軸を基準にして第１接続孔を隣接して形成することにより、圧電素子１０００の内部で発生する応力に、より効果的に対応することができる。

第２接続孔を貫通する縦軸が第１接続孔を貫通する縦軸と一致する場合にも圧電素子１０００の内部で発生する応力に、より効果的に対応することができる。

ここで、接続孔３００は、内部電極層１２０を横方向に三等分した場合の中心部に過半が位置するように、それぞれの内部電極層１２０に複数形成することができる。

接続孔３００は、それぞれの内部電極層１２０に複数形成することができる。この場合、内部電極層１２０に形成された複数の接続孔３００は、それぞれの内部電極層１２０を横方向に三等分した場合の中心部（図１及び図２に示された点線の間の領域）に過半が位置するように形成することができる。

図１には、それぞれの内部電極層１２０に３つの接続孔３００が形成されているが、これは例示に過ぎず、その数は多様に変更可能である。また、それぞれの内部電極層１２０に形成された複数の接続孔３００がすべて中心部に位置しているが、これは例示に過ぎず、接続孔３００が上述した条件を満たせば、中心部の外部にも形成されることができる。

このようにすることで、本発明の一実施例に係る圧電素子１０００は、ある内部電極層１２０を基準にして複数の接続部位が生じるので、応力に対してより効果的に耐えることができる。また、外郭部よりも素子の中央部から主に素子破壊が生じるので、複数の接続孔３００のうちの過半を内部電極層１２０の中心部に位置づけることにより、素子の破壊強度を向上させることができる。

ここで、接続孔３００は、直径が１００μｍ以上３００μｍ以下であることができる。ここで、「直径」とは、接続孔３００の横断面を通過する多くの直線のうちの最も長い直線の長さを意味することができる。

接続孔３００の直径が１００μｍ未満である場合は、内部電極層１２０を形成するとき接続孔３００が形成されないこともある。接続孔３００の直径が３００μｍを超過する場合は、素子内で接続孔３００の数が少なくなり、接続孔３００の周辺に大きい応力が発生し得る。

このようにすることで、本発明の一実施例に係る圧電素子１０００は、内部電極層１２０に接続孔３００をより容易に形成することができる。また、接続孔３００の数を適当に調整できるので、内部応力に、より効果的に対応することができる。

ここで、電極部２００は、それぞれ１つの正電極２１１と１つの負電極２１２とからなる複数の電極対を含み、複数の電極対は、積層体部１００の外面に互いに別個に形成されることができる。

積層体部１００の外面に電極対が複数形成されると、積層体部１００の内部クラックなどにより内部電極層１２０が一部切れても、クラックを中心に両方にそれぞれ存在する電極対のためにクラックにより分離される２つの領域がそれぞれ個別的に圧電素子１０００として機能を発揮することができる。

一方、図１及び図２には、２対の電極対が示されているが、これは例示に過ぎず、電極対は３つ以上であることができる。

このようにすることで、本発明の他の実施例に係る圧電素子１０００は、内部クラックにより内部電極層１２０が一部切れても、依然として圧電機能を発揮することができる。これにより、素子の信頼性及び寿命が向上する。

次に、本発明の他の実施例に係る圧電振動モジュールを説明する。

図３は、本発明の他の実施例に係る圧電振動モジュールを示す斜視図であり、図４及び図５は、本発明の他の実施例に係る圧電振動モジュールの駆動過程を示す図である。

図３に示すように、本発明の他の実施例に係る圧電振動モジュール２０００は、圧電素子１０００と、振動板４００と、質量体５００と、基板６００と、を含む。

圧電素子１０００は、電気的信号を機械的変位に変換できる素子であって、詳細な説明は上述したので重複範囲での説明を省略する。

振動板４００は、圧電素子１０００の横方向の伸縮により縦方向変位が生じるように、圧電素子１０００の下面に結合される。図３から図５には、圧電素子１０００が振動板４００の下部に結合されているが、これは上述した圧電素子１０００を逆にしたものである。

圧電素子１０００は、ボンディング方法またはソルダリング方法を用いて振動板４００の一面に結合される。

振動板４００は、電源を印加することにより引張及び圧縮変形を繰り返す圧電素子１０００と一体に変形するように、サス（Ｓｕｓ）のような弾性力を備えた金属材質で構成されることができる。

振動板４００と圧電素子１０００がボンディング方法により結合された場合は、接着部材の硬化により発生し得るベンディング（Ｂｅｎｄｉｎｇ）現象を防止するために、振動板４００は、圧電素子１０００の熱膨脹係数と類似の材質であるインバー（Ｉｎｖａｒ）を含むことが好ましい。

質量体５００は、振動板４００で発生する縦方向変位による振動力を増加させる。

振動力を最大化するために、質量体５００は、圧電素子１０００の引張及び圧縮変形により最大の変位が生じる振動板４００の最大変位箇所に質量体５００の中央部が結合されるようにすることができる。

質量体５００は、金属（Ｓｔｅｅｌ）材質で構成できるが、相対的に同じ体積でも密度の高いタングステンを含む材質で構成されることが好ましい。

基板６００は、圧電素子１０００に電源を供給するために圧電素子１０００に結合される。圧電素子１０００に変形が生じるので軟性基板であることができる。

図４及び図５は、それぞれ外部電源が印加され、圧電素子１０００が圧縮及び引張することにより圧電振動モジュール２０００が駆動する状態を示す図である。

図４及び図５を参照すると基板６００により圧電素子１０００に外部電源が印加されると、圧電素子１０００が圧縮または引張する。これにより、圧電素子１０００に結合された振動板４００には縦方向変位が生じる。振動板４００の縦方向変位により質量体５００にも縦方向変位が生じ、このような縦方向変位、すなわち振動力は質量体５００が有する質量により増加される。したがって、圧電振動モジュール２０００は、縦方向の振動を発生させることになる。

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。

１００ 積層体部
１１０ 圧電体層
１１１ 第１圧電体層
１１２ 第２圧電体層
１１３ 第３圧電体層
１１４ 第４圧電体層
１１５ 第５圧電体層
１２０ 内部電極層
１２１ 第１内部電極層
１２２ 第２内部電極層
１２３ 第３内部電極層
１２４ 第４内部電極層
１２５ 第５内部電極層
１３０ カバー層
２００ 電極部
２１１ 正電極
２１２ 負電極
２２０ 導電用ビアホール
３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０ 接続孔
４００ 振動板
５００ 質量体
６００ 基板
１０００ 圧電素子
２０００ 圧電振動モジュール

Claims (8)

1. 圧電体層と、隣接する前記圧電体層の間毎に形成される内部電極層とを含む積層体部と、
   隣接する前記内部電極層に互いに異なる極性の電荷が印加されるように、前記積層体部に形成される電極部と、
   隣接する前記圧電体層を接続させるために、前記内部電極層を貫通して形成される接続孔と
   を含み、
   前記接続孔の大きさが、隣接する前記内部電極層が上層に行くほど増加する圧電素子。
2. 前記接続孔が、
   隣接する前記内部電極層のうちの下層に形成される第１接続孔と上層に形成される第２接続孔とを含み、
   前記第１接続孔を縦方向に投映した領域が前記第２接続孔を縦方向に投映した領域に含まれる請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記第１接続孔の中心と前記第２接続孔の中心とが縦方向において一致する請求項２に記載の圧電素子。
4. 前記接続孔が、
   前記内部電極層を横方向に三等分した場合の中心部に過半が位置するように、それぞれの前記内部電極層に複数形成される請求項１に記載の圧電素子。
5. 前記接続孔の直径が、１００μｍ以上３００μｍ以下である請求項１または４に記載の圧電素子。
6. 前記電極部が、
   前記積層体部の一面に形成される正電極と、負電極と、隣接する前記内部電極層を交互に前記正電極または前記負電極に電気的に接続させるために、前記積層体部の内部に形成される導電用ビアホールと、を含む請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電素子。
7. 前記電極部が、
   １つの前記正電極と１つの前記負電極とで構成される電極対を複数含み、
   複数の前記電極対が、前記積層体部の外面に互いに別個に形成される請求項６に記載の圧電素子。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電素子と、
   前記圧電素子の横方向の伸縮により縦方向変位が生じるように、前記圧電素子の下面に結合される振動板と、
   前記振動板で発生する縦方向の変位による振動力を増加させる質量体と、
   前記圧電素子に電源を供給するために前記圧電素子に結合される基板と、
   を含む圧電振動モジュール。

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