JP6352107B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を備える電子機器に関する。

圧電素子は、圧電材料が電極によって挟まれた構造を有し、電極に電圧が印加されると圧電材料に変形が生じる素子であり、アクチュエータやセンサ、発振回路等に利用されている。近年、圧電素子をディスプレイのパネルに実装し、振動触感の再生や音響用途の応用が期待されている。

このような用途においては、圧電素子に比較的大きい電圧を印加する必要があり、圧電素子の発熱が問題となる。特に、圧電素子が実装される部材の熱伝導性が小さいガラスや合成樹脂である場合には圧電素子の放熱が妨げられる。

例えば、特許文献１には、ディスプレイのパネルに実装されるアクチュエータが開示されている。当該アクチュエータは、振動源であるボイスコイルが冷却フィンを有するフレームに支持されており、冷却フィンによってボイスコイルの熱が放熱される構造となっている。

特開２００５−１９８２１７号公報

しかしながら、特許文献１のような構成では、放熱効果を発生させるためには、冷却フィンを一定以上の大きさにする必要があり、アクチュエータを小型化、軽量化することが困難である。また、ボイスコイルがフレームに支持されているため、ボイスコイルの振動がフレームによって抑制されてしまう。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、圧電素子を効果的に放熱することが可能な構造を有する電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電子機器は、支持体と、圧電素子と、金属層とを具備する。
上記支持体は、光透過性を有する。
上記圧電素子は、第１の主面とその反対側の第２の主面を有し、上記第１の主面が上記支持体に接合されている。
上記金属層は、金属材料からなり、上記第１の主面及び上記第２の主面の少なくともいずれか一方に積層され、空気に接触する。

本発明の第１の実施形態に係る電子機器の斜視図である。 同電子機器の側面図である。 同電子機器が備える圧電素子の斜視図である。 同電子機器が備える金属層の配設位置を示す模式図である。 同電子機器が備える圧電素子の動作を示す模式図である。 比較例に係る電子機器の放熱の態様を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る電子機器の放熱の態様を示す模式図である。 同電子機器が備える金属層の他の構造を示す模式図である。 同電子機器が備える金属層の他の構造を示す模式図である。 同電子機器が備える金属層の他の構造を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る電子機器の斜視図である。 同電子機器の側面図である。 同電子機器の上面図である。 同電子機器の放熱の態様を示す模式図である。 同電子機器が備える金属層の配設位置を示す模式図である。 本発明の実施例及び比較例についての支持体の温度測定結果を示すグラフである。

本実施形態に係る電子機器は、支持体と、圧電素子と、金属層とを具備する。
上記支持体は、光透過性を有する。
上記圧電素子は、第１の主面とその反対側の第２の主面を有し、上記第１の主面が上記支持体に接合されている。
上記金属層は、金属材料からなり、上記第１の主面及び上記第２の主面の少なくともいずれか一方に積層され、空気に接触する。

光透過性を有する部材（ガラスや合成樹脂）は金属に比較して熱伝導性が小さいため、このような支持体に圧電素子が実装されると、圧電素子の放熱が支持体によって阻害される。上記構成によれば、圧電素子において発生した熱は金属層を介して空気中に放熱されるため、効果的に圧電素子の熱を放出し、圧電素子の発熱による支持体の温度上昇を防止することが可能である。

上記金属層は、多孔質であってもよい。

金属層が多孔質であると、単位体積あたりの表面積が大きいため、放熱性を維持したまま金属層を薄型化、軽量化することが可能である。また、多孔質金属は柔らかいため、金属層が圧電素子の変形を妨げることが防止される。

上記金属層は、上記第２の主面より大きい面積を有していてもよい。

この構成によれば、圧電素子の大きさによらず、金属層の面積を大きくすることが可能であり、金属層による放熱性を確保することが可能である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る電子機器について説明する。

[電子機器の構成]
図１は、本実施形態に係る電子機器１０の斜視図であり、図２は、電子機器１０の側面図である。これらの図に示すように、電子機器１０は、支持体１１、圧電素子１２、金属層１３、接着材層１４及び接着材層１５を備える。図１に示すように、支持体１１には二つの圧電素子１２が設けられているものとすることができる。また一つ又は三つ以上の圧電素子１２が支持体１１に設けられてもよい。

支持体１１は、光透過性を有する板状の部材である。支持体１１は、ディスプレイのパネルであり、液晶素子や有機ＥＬ（Electro-Luminescence）素子等の画像表示素子の上層に積層されるものとすることができる。支持体１１の大きさは、電子機器１０が設けられる装置、例えばスマートフォンやタブレット型端末、液晶ディスプレイ等の大きさに応じて決定され、例えば短辺が３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下、長辺が７０ｍｍ以上３００ｍｍ以下とすることができる。また、支持体１１の形状は矩形に限られない。

支持体１１は光透過性を有する材料からなり、例えば、ガラスや合成樹脂からなるものとすることができる。これらの材料は金属等に比較して熱伝導性が小さい。

圧電素子１２は、電圧が入力されると変形を生じる素子である。図３は、圧電素子１２の構造を示す模式図である。同図に示すように、圧電素子１２は、圧電材料層１２１、第１内部電極１２２、第２内部電極１２３、第１外部電極１２４及び第２外部電極１２５を備える。

圧電材料層１２１は、圧電材料からなる層である。圧電材料は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ_Ｘ，Ｔｉ_１−Ｘ）Ｏ_３：チタン酸ジルコン酸鉛）であり、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃａ及びＢａのうち一種又は複数種の添加物を含むものであってもよい。また、圧電材料はこの他にも鉛系圧電材料等の圧電性を有する材料からなるものとすることができる。なお、圧電材料には、変形量及び発熱量が大きいソフト材と、変形量及び発熱量小さいハード材があるが、本発明は特に圧電材料がソフト材である場合に好適である。

第１内部電極１２２は、圧電材料層１２１中に配設され、第１外部電極１２４に導通する。第１内部電極１２２は、導電性材料からなり、その材料は特に限定されない。第２内部電極１２３は、圧電材料層１２１中に配設され、第２外部電極１２５に導通する。第２内部電極１２３は、導電性材料からなり、その材料は特に限定されない。

圧電材料層１２１、第１内部電極１２２及び第２内部電極１２３は、図３に示すように、第１内部電極１２２及び第２内部電極が圧電材料層１２１を介して交互となるように積層されている。図３においては、圧電材料層１２１が４層となっているが、その積層数は４層に限られず、２層以上１００層以下とすることができる。第１内部電極１２２及び第２内部電極１２３は、圧電材料層１２１の積層数に応じた数が配設されるものとすることができる。圧電材料層１２１、第１内部電極１２２及び第２内部電極１２３の積層体の厚さは５μｍ以上１５０μｍ以下とすることができる。

第１外部電極１２４は、圧電材料層１２１の側面及び両主面に配設され、第１内部電極１２２に導通する。第１外部電極１２４は、導電性材料からなり、その材料は特に限定されない。第２外部電極１２５は、圧電材料層１２１の側面及び両主面に配設され、第２内部電極１２３に導通する。第２外部電極１２５は、導電性材料からなり、その材料は特に限定されない。

第１外部電極１２４及び第２外部電極１２５は、圧電材料層１２１の両主面において互いに離間し、絶縁されている。第１外部電極１２４及び第２外部電極１２５には、図示しない配線又は端子を介して電源が接続され、第１外部電極１２４及び第２外部電極１２５は正極又は負極として機能する。なお、第１外部電極１２４及び第２外部電極１２５はいずれが正極又は負極であってもよい。

圧電素子１２は以上のような構成を有する。図２に示すように、圧電素子１２は、接着材層１４によって支持体１１に接合されているものとすることができる。接着材層１４は、耐熱性が高い合成樹脂等からなるものとすることができる。以下、圧電素子１２の主面のうち、支持体１１に配設される側の主面を第１の主面１２ａとし、その反対側の主面を第２の主面１２ｂとする。

なお、圧電素子１２の大きさは特に限定されないが、例えば短辺が３ｍｍ以上１５ｍｍ以下、長辺が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、厚さが０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることができる。また、圧電素子１２の支持体１１における配設位置は、支持体１１の周縁から０．３ｍｍ以上１２ｍｍ以下とすることができる。

金属層１３は、金属材料からなり、圧電素子１２の第２の主面１２ｂに積層されている。図４は、圧電素子１２に対する金属層１３の配設位置を示す模式図である。金属層１３を構成する金属材料は、熱伝導性が高いものが好適であり、例えば銅やアルミニウムであるものとすることができる。金属層１３は、金属材料からなる層であればよく、金属箔やスパッタ膜、金属粒子を含有したペーストを塗布して形成された膜等とすることができる。金属層１３は短辺が３ｍｍ以上１５ｍｍ以下、長辺が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とすることができ、厚さは０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が好適である。

金属層１３は、図４に示すように、接着材層１５によって第２の主面１２ｂに接合されているものとすることができる。接着材層１５は、耐熱性が高い合成樹脂等からなるものとすることができる。また、金属層１３は、接着材層１５を介さずに、直接に第２の主面１２ｂに積層されてもよい。

[圧電素子の動作]
圧電素子１２の動作について説明する。図５は、圧電素子１２の動作を示す模式図である。同図に示すように、第１外部電極１２４及び第２外部電極１２５を介して第１内部電極１２２及び第２内部電極１２３に電圧を印加する。図５では第１内部電極１２２が正電位であり、第２内部電極１２３が負電位であるが、逆でもよい。

第１内部電極１２２と第２内部電極１２３の間に電圧を印加すると、圧電材料層１２１は逆圧電効果により変形を生じ、電圧の印加を停止すると、変形が元に戻る。第１内部電極１２２と第２内部電極１２３の間に交流電圧又はパルス電圧を印加すると、変形が連続的に発生し、圧電素子１２が振動する。図５に、圧電素子１２の振動方向を矢印で示す。

同図に示すように、圧電素子１２の振動方向は圧電材料層１２１、第１内部電極１２２及び第２内部電極１２３の積層方向に直交する方向（主面に平行な方向）である。このような振動方向を有する圧電素子はｄ３１型と呼ばれ、積層方向に垂直な方向を振動方向とするｄ３３型とは異なる。

圧電素子１２が上記のように振動すると、支持体１１がそれに伴って振動する。これにより、支持体１１において振動触感を再生することができる。例えば、支持体１１にユーザの指が接触した際に、支持体１１を振動させ、ユーザに接触を感知させることができる。また、圧電素子１２の振動数を調整することによって、支持体１１を振動板として利用し、音声を発生させることも可能である。

ここで、圧電素子１２に電圧が印加されると、圧電素子１２において熱が発生する。熱は、圧電素子１２への印加電圧の大きさや電圧印加時間に応じて大きくなる。特に圧電材料層１２１がソフト材である場合には、圧電材料層１２１の変形量が大きい一方、発熱も大きくなる。

[金属層による効果]
金属層１３の効果について、比較例との比較の上で説明する。図６は、比較例に係る電子機器３０の放熱の態様を示す模式図である。電子機器３０は、支持体３１、圧電素子３２及び接着材層３３から構成されている。支持体３１、圧電素子３２及び接着材層３３は本実施形態と同様の構成を有するが、電子機器３０においては金属層は設けられていないものとする。

圧電素子３２に電圧が印加され、熱が発生すると、図６に矢印で示すように熱は空気中に放熱される。しかしながら、圧電素子３２は支持体３１に接合されているため、支持体３１によって放熱が阻害される。支持体３１はガラスや合成樹脂等の光透過性を有する部材であり、熱伝導性が小さいためである。圧電素子３２において発生した熱は十分に放熱されずに支持体３１に伝達され、支持体３１が加熱される。

支持体３１が加熱されると、支持体３１に接触するユーザは不快に感じるおそれがある。また、熱によって圧電素子３２が破壊され、あるいは、他の電子部品に不具合を生じさせるおそれもある。

図７は、本実施形態に係る電子機器１０の放熱の態様を示す模式図である。圧電素子１２に電圧が印加され、熱が発生すると、同図に矢印で示すように熱は空気中に放熱される。ここで電子機器１０には金属層１３が設けられているため、圧電素子１２において放出された熱は金属層１３に伝達され、空気中に放熱される。これにより、支持体１１によって放熱が阻害されていても、金属層１３によって圧電素子１２の放熱が促進され、支持体１１の加熱が防止される。

以上のように、本実施形態に係る電子機器１０においては、圧電素子１２の効果的な放熱が可能である。なお、金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が好適であるとしたが、０．１ｍｍ未満であると放熱性が不足し、０．５ｍｍを超えると圧電素子１２の変形が阻害されるためである。

[金属層の各種構造]
金属層１３は、上述した構成のものに限られず、各種構成を有するものとすることが可能である。図８乃至図１０は、各種構成を有する金属層１３を備える電子機器１０の模式図である。

図８に示すように、金属層１３は、多孔質金属であってもよい。多孔質金属は、金属に酸処理を施したもの又は焼結金属とすることができる。気孔の大きさは例えば直径０．０３ｍｍ以上０．０７ｍｍ以下とすることができる。金属層１３が多孔質金属からなる場合、単位体積あたりの表面積が大きいため、通常の金属に比べて放熱性を向上させることが可能である。換言すれば、放熱性を維持したまま金属層１３を薄型化、軽量化することが可能である。また、多孔質金属は通常の金属より柔らかいため、圧電素子１２の変形を阻害せず、この点でも好適である。

また、図９に示すように、金属層１３は、複数層が積層されて構成されていてもよい。この場合、同図に示すように、上層の面積（支持体１２に垂直な方向からみた面積）を下層の面積よりを大きくすることにより、金属層１３が空気に接触する面積が増大し、放熱性を向上させることが可能である。

さらに、図１０に示すように、金属層１３は、互いに離間する複数の金属層であってもよい。この場合も、金属層１３が空気に接触する面積が増大し、放熱性を向上させることが可能である。それぞれの金属層１３の形状は特に限定されないが、例えば短冊状やタイル状とすることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る電子機器について説明する。

[電子機器の構成]
図１１は、本実施形態に係る電子機器２０の斜視図であり、図１２は、電子機器２０の側面図である。これらの図に示すように、電子機器２０は、支持体２１、圧電素子２２、金属層２３及び接着材層２４を備える。図１１に示すように、支持体２１には二つの圧電素子２２が設けられているものとすることができる。また一つ又は三つ以上の圧電素子２２が支持体２１に設けられてもよい。

支持体２１は、第１の実施形態に係る支持体１１と同様の構成を有し、即ちガラスや合成樹脂からなる光透過性を有する板状の部材である。

圧電素子２２は、電圧が入力されると変形を生じる素子である。圧電素子２２は、第１の実施形態に係る圧電素子１２と同様の構成を有するｄ３１型の圧電素子である。圧電素子２２は、図１２に示すように接着材層２４によって支持体２１に接合されているものとすることができる。接着材層２４は、耐熱性が高い合成樹脂等からなるものとすることができる。以下、圧電素子２２の主面のうち、支持体２１に配設される側の主面を第１の主面２２ａとし、その反対側の主面を第２の主面２２ｂとする。

金属層２３は、金属材料からなり、圧電素子２２の第１の主面２２ａに積層されている。図１３は、圧電素子２２に対する金属層２３の配設位置を示す模式図である。同図に示すように、金属層２３は支持体２１に垂直な方向からみた圧電素子２２の面積（第２の面２２ｂの面積）より大きい面積を有する。金属層２３を構成する金属材料は、熱伝導性が高いものが好適であり、例えば銅やアルミニウムであるものとすることができる。金属層２３は、支持体２１上にスパッタにより形成してもよく、支持体２１に金属箔を貼付して形成してもよい。金属層２３の厚さは０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下が好適である。

電子機器２０は以上のような構成を有する。上述のように圧電素子２２は第１の実施形態に係る圧電素子１２と同様の構成であり、第１内部電極及び第２内部電極に電圧が印加されると、圧電材料層の積層方向に直交する方向（主面に平行な方向）を振動方向として振動すると共に発熱する。

[金属層による効果]
図１４は、本実施形態に係る電子機器２０の放熱の態様を示す模式図である。圧電素子２２に電圧が印加され、熱が発生すると、同図に矢印で示すように熱は空気中に放熱される。ここで電子機器２０には金属層２３が設けられているため、圧電素子２２において放出された熱は金属層２３に伝達され、空気中に放熱される。これにより、支持体２１によって放熱が阻害されていても、金属層２３によって圧電素子２２の放熱が促進され、支持体２１の加熱が防止される。つまり金属層２３により、効率よく放熱できるため、安定して圧電素子２２が駆動でき、また指で支持体２１に接しても、温度が高くならないため不快感を抑制することができる。

[金属層の配設態様]
金属層２３は、上記のように支持体２１上に形成されるため、圧電素子２２の大きさによらずに面積を大きくすることが可能である。上述のように支持体２１はディスプレイのパネルであり、その周縁にはベゼルが配置される。金属層２３は、このベゼル内に納まるように配設することができる。

図１５は、ベゼルの配設領域Ｂ（破線の外周側領域）内に配設された金属層２３を示す模式図である。ベゼルの配設領域Ｂは縦幅２ｍｍ以上１０ｍｍ以下、横幅０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。金属層２３をベゼル配設領域Ｂ内に配設することにより、ディスプレイの画像表示領域を減少させることなく圧電素子２２の放熱性を向上させることが可能である。

なお、電子機器２０は、第１の主面２２ａに積層された金属層２３に加え、第１の実施形態において説明したような第２の主面２２ｂ上に積層された金属層を備えてもよい。

本発明の実施例及び比較例について説明する。実施例として上記第１の実施形態に係る電子機器を作製し、電子機器の発熱を測定した。

支持体はゴリラガラス（コーニング社製化学強化ガラス）からなり、サイズは短辺６６ｍｍ、長辺１３６ｍｍ、厚さ０．５５ｍｍとした。筐体とパネル支持の幅は１ｍｍ、ベゼルは横幅２ｍｍ、縦幅４．９ｍｍとした。

支持体上に接着材層を介して圧電素子を配設した。圧電素子のサイズは短辺６ｍｍ、長辺５３ｍｍ、厚さ０．３ｍｍとした。圧電材料層はＰＺＴからなり、圧電材料層の積層数は４層とした。支持体における圧電素子の搭載位置は、支持体の周縁から５ｍｍとした。

圧電素子上に、接着材層を介して金属層を積層した。金属層は銅箔からなり、短辺５ｍｍ、長辺４５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍとした。

また、比較例として、金属層及び金属層を電子機器に接着するための接着材層を有しない電子機器を作製した。その他の構成は実施例と同一である。

実施例及び比較例に係る圧電素子に交流電圧（４０ｋＨｚ）を印加し、支持体の温度を測定した。図１６は測定結果を示すグラフである。

いずれの印加電圧の場合も、実施例と比較例を比較すると、実施例の方が支持体の温度が低いことがわかる。例えば、印加電圧２５Ｖｐｐの実施例と、印加電圧２０Ｖｐｐの比較例では支持体の温度の推移が同程度である。このため、実施例に係る電子機器は、金属層が設けられていることによって、比較例に係る電子機器に比べて圧電素子の発熱を効果的に放熱できていることがわかる。

１０、２０…電子機器
１１、２１…支持体
１２、２２…圧電素子
１２ａ、２２ａ…第１の主面
１２ｂ、２２ｂ…第２の主面
１３、２３…金属層
１４、２４…接着材層
１５…接着材層

Claims (2)

1. 光透過性を有する支持体と、
   第１の主面とその反対側の第２の主面を有し、前記第１の主面が前記支持体に接合された圧電素子と、
   多孔質金属材料からなり、前記第１の主面及び前記第２の主面の少なくともいずれか一方に積層され、空気に接触する金属層と
   を具備する電子機器。
2. 請求項１に記載の電子機器であって、
   前記金属層は、前記第２の主面より大きい面積を有する
   電子機器。

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