JP2018126701A - Vibration device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動デバイスに関する。 The present invention relates to a vibrating device.
圧電素子と、互いに対向する一対の主面を有すると共に金属からなる振動部材とを備え、圧電素子と振動部材の主面とが互いに接合されている振動デバイスが知られている(たとえば、特許文献1)。 There is known a vibration device that includes a piezoelectric element and a vibration member made of metal having a pair of main surfaces facing each other, and the piezoelectric element and the main surface of the vibration member are joined to each other (for example, Patent Documents). 1).
振動デバイスの振動は、振動周波数が100Hz〜500Hzである場合に人間の触覚によって認知されやすい。振動デバイスの変位は、圧電素子の振動周波数と振動デバイス全体の共振周波数が近いほど大きい。このため、振動デバイス全体の共振周波数が100Hz〜500Hzの近傍となるように構成されることで、人間の触覚によって認識されやすい振動周波数において十分な変位が確保され得る。したがって、人間の触覚による認知のしやすさを確保するためには、振動デバイス全体の共振周波数を100Hz〜500Hzの近傍に収めるために、圧電素子に接合される部材の厚みが小さく構成されることが望ましい。 The vibration of the vibration device is easily recognized by a human tactile sense when the vibration frequency is 100 Hz to 500 Hz. The displacement of the vibration device is larger as the vibration frequency of the piezoelectric element is closer to the resonance frequency of the entire vibration device. For this reason, by being configured so that the resonance frequency of the entire vibration device is in the vicinity of 100 Hz to 500 Hz, a sufficient displacement can be ensured at a vibration frequency that is easily recognized by a human tactile sense. Therefore, in order to ensure the ease of recognition by human tactile sense, the thickness of the member bonded to the piezoelectric element is made small in order to keep the resonance frequency of the entire vibration device in the vicinity of 100 Hz to 500 Hz. Is desirable.
しかしながら、一般に、金属からなる振動部材は圧電素子に比べて熱膨張率が大きいため、温度変化に起因して振動部材が変形するおそれがある。厚みが小さいほど剛性は低くため、振動部材は厚みが小さいほど変形しやすい。したがって、振動部材の厚みが小さいと、温度変化に起因する振動部材の変形によって圧電素子に外力が加わることで、圧電素子に割れが生じやすい。振動部材が変形しやすいと、振動部材が他部材に接合された態様で振動デバイスが駆動される場合に、接合の剥がれも生じやすい。 However, in general, a vibration member made of metal has a higher coefficient of thermal expansion than a piezoelectric element, and thus the vibration member may be deformed due to a temperature change. Since the rigidity is lower as the thickness is smaller, the vibration member is more easily deformed as the thickness is smaller. Therefore, if the thickness of the vibrating member is small, an external force is applied to the piezoelectric element due to the deformation of the vibrating member due to a temperature change, so that the piezoelectric element is likely to be cracked. When the vibration member is easily deformed, when the vibration device is driven in a mode in which the vibration member is bonded to another member, peeling of the bond is likely to occur.
本発明は、破損し難く、かつ、振動が人間の触覚によって認知されやすい振動デバイスを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a vibration device that is not easily damaged and that vibrations are easily recognized by human tactile sense.
本発明に係る振動デバイスは、圧電素子と、圧電素子に接合されている第一主面と第一主面に対向する第二主面とを有する絶縁性の樹脂部材と、樹脂部材の第二主面に接合されている第三主面と第三主面に対向する第四主面とを有すると共に、金属からなる振動部材と、を備え、第一主面に直交する方向において、樹脂部材の厚みは、圧電素子の厚み及び振動部材の厚みよりも小さく、第一主面に直交する方向において、振動部材の厚みは、圧電素子の厚み以上の大きさである。 The vibration device according to the present invention includes a piezoelectric element, an insulating resin member having a first main surface bonded to the piezoelectric element, and a second main surface facing the first main surface, and a second resin member. A resin member having a third main surface joined to the main surface and a fourth main surface facing the third main surface, and a vibration member made of metal, in a direction perpendicular to the first main surface. The thickness of the vibration member is smaller than the thickness of the piezoelectric element and the thickness of the vibration member, and the thickness of the vibration member is greater than or equal to the thickness of the piezoelectric element in the direction orthogonal to the first main surface.
本発明に係る振動デバイスでは、振動部材の厚みが確保されているため、破損し難い。絶縁性の樹脂部材の厚みが、圧電素子及び振動部材の厚みよりも小さいため、振動デバイスの振動が触覚によって認知されやすい。 In the vibration device according to the present invention, since the thickness of the vibration member is secured, the vibration device is hardly damaged. Since the thickness of the insulating resin member is smaller than the thickness of the piezoelectric element and the vibration member, the vibration of the vibration device is easily recognized by the sense of touch.
樹脂部材の第一主面上には、圧電素子と電気的に接続されている一対の電極が設けられていてもよい。この場合、圧電素子に電圧を印加する電極が、省スペースで簡易に設けられる。 A pair of electrodes electrically connected to the piezoelectric element may be provided on the first main surface of the resin member. In this case, an electrode for applying a voltage to the piezoelectric element is simply provided in a space-saving manner.
本発明によれば、破損し難く、かつ、振動が人間の触覚によって認知されやすい振動デバイスを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the vibration device which cannot be damaged easily and a vibration can be easily recognized by human tactile sense can be provided.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.
まず、図1及び図2を参照して、本実施形態に係る振動デバイスの構成について説明する。図1は、本実施形態に係る振動デバイス1の平面図である。図2は、振動デバイス1の長辺に平行な平面で振動デバイス1を切断した断面図である。 First, with reference to FIG.1 and FIG.2, the structure of the vibration device which concerns on this embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a plan view of a vibrating device 1 according to the present embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the vibration device 1 cut along a plane parallel to the long side of the vibration device 1.
振動デバイス1は、図1に示されるように、圧電素子10と、樹脂部材20と、振動部材30と、圧電素子10と樹脂部材20とを接合している接着層40と、樹脂部材20と振動部材30とを接合している接着層50とを備えている。圧電素子10は、圧電素体11と、一対の電極12,13と、電極14と、ビア導体19とを有している。
As shown in FIG. 1, the vibration device 1 includes a
圧電素体11は、板形状を有している。本実施形態において圧電素体11は、直方体形状を呈している。直方体形状には、角部及び稜部が面取りされている直方体の形状、及び、角部及び稜部が丸められている直方体の形状も含まれる。圧電素体11は、互いに対向している主面11a及び主面11bを有している。圧電素体11の主面11a,11bの寸法、すなわち、主面11a,主面11bに直交する方向から見た場合の圧電素子10の寸法は、たとえば、30mm×30mmである。圧電素体11の形状は、直方体形状に限らず、たとえば、円盤形状であってもよい。主面11aに直交する方向において、たとえば、圧電素子10の厚みは100μmであり、圧電素体11の厚みは70μmであり、電極12,13,14の各々の厚みは15μmである。
The
圧電素体11は、圧電セラミック材料からなる。圧電セラミック材料としては、PZT[Pb(Zr、Ti)O3]、PT(PbTiO3)、PLZT[(Pb,La)(Zr、Ti)O3]、又はチタン酸バリウム(BaTiO3)などが挙げられる。圧電素体11は、たとえば、上述した圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体から構成される。
The
図2に示されるように、圧電素体11の主面11a上には、一対の電極12,13が配置されている。圧電素体11の主面11b上には、電極14が配置されている。電極12,13,14は、導電性材料(たとえば、Ag、Pd、又はCuなど)を含む導体である。これらの導体は、導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成される。
As shown in FIG. 2, a pair of
電極12及び電極13は、主面11a上において互いに離間している。電極13が主面11aに接している面積は、電極12が主面11aに接している面積よりも大きい。電極14が主面11bに接している面積は、電極12が主面11aに接している面積又は電極13が主面11aに接している面積よりも大きい。電極13及び電極14は、主面11aに直交する方向から見て、互いに重なっている領域を有している。
The
ビア導体19は、電極12と電極14とを物理的かつ電気的に接続している。ビア導体19は、主面11aに直交する方向から見て圧電素子10の側面近傍に配置されており、主面11aから主面11bに貫通している。ビア導体19は、電極12,13,14と同様に、導電性材料(たとえば、Ag、Pd、又はCuなど)からなる導体である。
The
樹脂部材20は、圧電素体11の主面11a,11bに平行な互いに対向する主面20a及び主面20bを有している。樹脂部材20は、膜状又は板状であり、主面20aに直交する方向から見て、矩形形状を呈している。矩形形状には、たとえば、角部が丸められている形状も含まれる。樹脂部材20の形状は、矩形形状に限定されず、たとえば、円形状等でもよい。
The
樹脂部材20は、ポリイミド樹脂、PET樹脂、又はポリパラキシリレン樹脂などからなり、絶縁性を有している。主面20aに直交する方向から見て、樹脂部材20の面積は、圧電素子10の面積より大きい。たとえば、樹脂部材20の主面20a,20bの寸法は、40mm×40mmである。主面20aに直交する方向において、樹脂部材20の厚みは、圧電素子10の厚みよりも小さい。たとえば、主面20aに直交する方向における樹脂部材20の厚みは、25μmである。樹脂部材20の熱膨張率は、圧電素子10の熱膨張率よりも大きい。
The
樹脂部材20の端部には、延出部21が接続されている。本実施形態では、延出部21は、樹脂部材20の外縁の一辺から、主面20aと平行な方向に直線的に、振動部材30の縁を越えて延在している。延出部21は、主面20aに直交する方向から見て振動部材30と重なる領域において、樹脂部材20と同様に振動部材30に接合されている。
An
延出部21の幅は、延出部21が接続されている樹脂部材20の辺の長さよりも短く、たとえば12mmである。本実施形態では、延出部21は、樹脂部材20と同一の材料からなる。延出部21の厚みは、少なくとも主面20aに直交する方向から見て振動部材30と重なる領域において、樹脂部材20と同一であり、圧電素子10の厚みよりも小さい。延出部21の熱膨張率も、圧電素子10の熱膨張率よりも大きい。
The width of the
延出部21及び樹脂部材20の主面20a上には、圧電素子10と電気的に接続されている一対の電極25,26が設けられている。電極25,26は、樹脂部材20の縁近傍に端部を有し、主面20aに直交する方向から見て圧電素子10から離間している。電極25,26は、樹脂部材20の縁近傍から主面20aに平行な方向に延在している。電極25,26は、延出部21上に設けられている不図示の端部によって、不図示の電源に接続されている。電極25,26は、導電性材料(たとえば、Ag、Pd、又はCuなど)を含む導電性ペーストの焼結体として構成される。
A pair of
電極25は、樹脂部材20において、圧電素子10の主面11a上に位置する電極12に、導電性樹脂層27によって電気的に接続されている。電極26は、樹脂部材20において、圧電素子10の主面11a上に配置されている電極13に、導電性樹脂層28によって電気的に接続されている。導電性樹脂層27,28は、合成樹脂(たとえば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、又はイミド樹脂など)と導電性フィラー(Ag、Cu、又はAgめっき処理が施された物質など)とからなる。
The
振動部材30は、主面20a,20bに平行な互いに対向する主面30a及び主面30bを有している。振動部材30は、板状であり、主面30aに直交する方向から見て、矩形形状を呈している。矩形形状には、たとえば、角部が丸められている形状も含まれる。上述した延出部21は、振動部材30の短辺側から引き出されている。振動部材30の形状は、矩形形状に限定されず、円形状等でもよい。本実施形態では、主面30aに直交する方向から見て、圧電素子10は、振動部材30の外縁の各辺と圧電素子10の外縁の各辺とが平行となるように、振動部材30の中央近傍に配置されている。
The
主面20aに直交する方向から見て、振動部材30の面積は、圧電素子10の面積及び樹脂部材20の面積より大きい。たとえば、振動部材30の主面30a,30bの寸法は、80mm×60mmである。主面20aに直交する方向において、樹脂部材20の厚みは、振動部材30の厚みよりも小さい。主面20aに直交する方向において、振動部材30の厚みは、圧電素子10の厚み以上の大きさである。たとえば、主面20aに直交する方向における振動部材30の厚みは、250μmである。振動部材30の熱膨張率は、圧電素子10及び樹脂部材20の熱膨張率よりも大きい。振動部材30は、Ni、ステンレス鋼、黄銅、又はインバーなどを材料とする金属からなる。
The area of the vibrating
樹脂部材20は、図2に示しているように、主面20aに直交する方向から見て、振動部材30の端部からGap(a)だけ離れ、圧電素子10の端部からGap(b)だけ離れて位置している。振動部材30の短辺方向において、Gap(a)は振動部材30の短辺の長さの2%以上であり、Gap(b)は振動部材30の短辺に平行な圧電素子10の辺の長さの2%以上である。振動部材30の長辺方向において、Gap(a)は振動部材30の長辺の長さの2%以上であり、Gap(b)は振動部材30の長辺に平行な圧電素子10の辺の長さの2%以上である。
As shown in FIG. 2, the
すなわち、振動部材30の主面30a,30bの寸法が80mm×60mmである場合、樹脂部材20の端部は、振動部材30の長辺から2mm以上離れて位置し、振動部材30の短辺から2mm以上離れて位置している。主面11aに直交する方向から見た場合の圧電素子10の寸法が30mm×30mmである場合、樹脂部材20の端部は、圧電素子10の長辺から0.5mm以上離れて位置し、圧電素子10の短辺から0.5mm以上離れて位置している。
That is, when the dimensions of the
たとえば、図2に示している樹脂部材20の主面20a,20bの寸法は、32mm×32mmである。Gap(a)は14mmであり、Gap(b)は24mmである。図3に示している樹脂部材20の主面20a,20bの寸法は、76mm×56mmである。Gap(a)は2mmであり、Gap(b)は2mmである。図3は、本実施形態の変形例に係る振動デバイス1の平面図である。
For example, the dimensions of the
接着層40は、絶縁性を有しており、圧電素子10と樹脂部材20の主面20aとを接合している。本実施形態では、接着層40は、圧電素子10の主面11b側だけでなく、側面にも付着されている。接着層40は、圧電素子10の主面11b上に配置されている電極14を覆っている。すなわち、電極14は、接着層40と圧電素体11とに囲まれており、露出していない。接着層40の厚みは、たとえば7μm以下である。
The
接着層50は、絶縁性を有しており、樹脂部材20の主面20bと振動部材30の主面30aとを接合している。延出部21は、接着層50によって、主面20aに直交する方向から見て振動部材30と重なる領域で振動部材30と接合されている。接着層50の厚みは、たとえば7μm以下である。
The
接着層50が振動部材30に接着している接着面積は、接着層40が樹脂部材20に接着している接着面積より大きい。本実施形態では、接着層40は、圧電素子10の主面11b側の全体に接着されており、接着層50は、樹脂部材20の主面20bの全体に接着されている。
The adhesion area where the
接着層40,50には、樹脂又は両面テープ等が用いられる。たとえば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シアノアクリエート樹脂、又は嫌気硬化型のアクリル樹脂などが用いられる。特に、嫌気硬化型のアクリル樹脂が用いられることで、樹脂部材20の熱による変形が防止される。エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シアノアクリエート樹脂が用いられる場合には、接着層40,50が低温で硬化されることで、樹脂部材20の熱による変形が抑制される。接着層40,50は、導電性フィラーを含まない。
For the
次に、振動デバイス1の動作及び作用効果について説明する。 Next, the operation and effect of the vibration device 1 will be described.
電極12及び電極13に極性が異なる電圧が印加されると、電極12に電気的に接続されている電極14と電極13との間で電界が発生する。したがって、圧電素体11において、電極13と電極14とで挟まれた領域が活性領域となり、当該活性領域に変位が発生する。すなわち、圧電素子10は、一対の電極12,13に交流電圧が印加されると、印加された交流電圧の周波数に応じて伸縮を繰り返す。
When voltages having different polarities are applied to the
圧電素子10と樹脂部材20とは、接着層40によって接合されている。樹脂部材20と振動部材30とは、接着層50によって接合されている。このため、振動部材30は、圧電素子10における伸縮の繰り返しに応じて、圧電素子10と一体に撓み振動を行う。このとき、振動部材30のQ値及び強度が高いほど、振動部材30の変位量が向上する。
The
振動デバイス1では、振動部材30は金属からなる。金属からなる振動部材30は、ガラスからなる振動部材に比して、高いQ値及び強度を有する。このため、振動デバイス1では、変位量が向上されている。
In the vibration device 1, the
振動部材30と圧電素子10とで挟まれた領域には、絶縁性の樹脂部材20が配置されている。このため、振動部材30にガラスでなく金属が用いられている場合にも、振動部材30と圧電素子10との間において短絡が防止されている。電極25,26が絶縁性の樹脂部材20上に配置されているため、電極25,26と振動部材30との間において短絡が防止されている。
An insulating
圧電素子10の電極12,13と電極25,26とは、導電性樹脂層27,28によって接続されている。このため、電極同士が接する場合よりも、振動デバイス1の変位量が向上する。
The
電極25,26は、主面20aに直交する方向から見て、圧電素子10と離間している。圧電素子10と樹脂部材20とで挟まれた領域に電極25,26が配置されていると、圧電素子10は、電極25,26と当接して振動部材30の主面30a,30bに対して傾くおそれがある。圧電素子10が樹脂部材20に対して圧着される際には、電極25,26から圧電素子10に対して力が加わることで、圧電素体11に割れが生じるおそれもある。電極25,26が、主面20aに直交する方向から見て、圧電素子10と離間していれば、圧電素子10の傾き及び圧電素体11の割れが抑制され得る。
The
接着層40は、絶縁性であり、電極14を覆っている。このため、電極26及び導電性樹脂層28と、電極14との短絡が防止されている。
The
振動デバイス1では、上述したように、主面20aと直交する方向から見て、絶縁性を有する樹脂部材20の面積は、圧電素子10の面積より大きい。このため、樹脂部材20によって圧電素子10と振動部材30との短絡の発生が抑制されている。接着層50が振動部材30に接着している接着面積は、接着層40が樹脂部材20に接着している接着面積より大きい。このため、樹脂部材20と圧電素子10との接着面積と、樹脂部材20と振動部材30との接着面積とが同じである振動デバイス1よりも、振動部材30の端部における変位が向上されている。すなわち、圧電素子10が振動部材30よりも小さくとも、振動部材30の端部における変位が確保されている。したがって、振動デバイス1では、圧電素子10と振動部材30との間における短絡の発生が抑制されていると共に、振動部材30の端部で十分な変位が得られる。
In the vibration device 1, as described above, the area of the
振動部材30の変位は、圧電素子10が接合されている部分が最も大きく、圧電素子10から離れるほど減少する。このため、振動部材30の変位は、振動部材30の短辺近傍において最小である。振動デバイス1では、延出部21は、振動部材30の変位が最小となる短辺側から引き出されているため、振動部材30から剥がれ難い。
The displacement of the
金属からなる振動部材30は圧電素子10に比べて熱膨張率が大きいため、温度変化に起因して振動部材30が変形するおそれがある。厚みが小さいほど剛性は低くため、振動部材30は厚みが小さいほど変形しやすい。したがって、振動部材30の厚みが小さいと、温度変化に起因する振動部材30の変形によって圧電素子10に外力が加わることで、圧電素子10に割れが生じやすい。振動部材30が変形しやすいと、振動部材30が他部材に接合された態様では、振動デバイス1が駆動される場合に接合の剥がれも生じやすい。
Since the
この点、主面20aに直交する方向において、振動部材30の厚みは、圧電素子10の厚み以上の大きさである。したがって、振動部材30の厚みが確保されているため、破損し難い。絶縁性の樹脂部材20の厚みが、圧電素子10及び振動部材30の厚みよりも小さいため、振動デバイス1の振動が人間の触覚によって認知されやすい。
In this regard, the thickness of the vibrating
樹脂部材20の主面20a上には、圧電素子10と電気的に接続されている一対の電極25,26が設けられている。このため、圧電素子10に電圧を印加する電極25,26が、省スペースで簡易に設けられる。上記構成によれば、電極25,26を配置するスペースが確保されると共に、圧電素子10と振動部材30との短絡の抑制、及び振動部材30の端部における変位の確保が実現される。
On the
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not necessarily limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
たとえば、圧電素子10は、圧電素体11内に一つ又は複数の内部電極を有する積層構造であってもよい。この場合、圧電素体11は複数の圧電体層を含み、内部電極と圧電体層とが交互に配置される。
For example, the
振動デバイス1では、電極12,13が圧電素体11の主面11a上に配置され、電極14が主面11b上に配置されているが、電極12,13が主面11b上に配置され、電極14が主面11a上に配置されてもよい。
In the vibration device 1, the
電極12を設けずに、主面11a上に電極13のみが配置されてもよい。この場合、電極25は、電極14に直接又は導電性フィラーを通して、電気的に接続される。
Only the
振動部材30は装置等の筐体であってもよいし、振動部材30が装置等の筐体に面接着によって実装されてもよい。
The
1…振動デバイス、10…圧電素子、20…樹脂部材、20a,20b…樹脂部材の主面、25,26…電極、30…振動部材、30a,30b…振動部材の主面。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vibration device, 10 ... Piezoelectric element, 20 ... Resin member, 20a, 20b ... Main surface of resin member, 25, 26 ... Electrode, 30 ... Vibration member, 30a, 30b ... Main surface of vibration member.
Claims (2)
前記圧電素子に接合されている第一主面と前記第一主面に対向する第二主面とを有する絶縁性の樹脂部材と、
前記樹脂部材の前記第二主面に接合されている第三主面と前記第三主面に対向する第四主面とを有すると共に、金属からなる振動部材と、を備え、
前記第一主面に直交する方向において、前記樹脂部材の厚みは、前記圧電素子の厚み及び前記振動部材の厚みよりも小さく、
前記第一主面に直交する方向において、前記振動部材の厚みは、前記圧電素子の厚み以上の大きさである、振動デバイス。 A piezoelectric element;
An insulating resin member having a first main surface joined to the piezoelectric element and a second main surface facing the first main surface;
And having a third main surface joined to the second main surface of the resin member and a fourth main surface facing the third main surface, and a vibration member made of metal,
In the direction orthogonal to the first main surface, the thickness of the resin member is smaller than the thickness of the piezoelectric element and the thickness of the vibration member,
In the direction orthogonal to the first main surface, the vibration member has a thickness greater than or equal to the thickness of the piezoelectric element.
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