JP6776928B2 - 振動デバイス - Google Patents

Description

本発明は、振動デバイスに関する。

圧電素子と、互いに対向する一対の主面を有す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及び特許文献２）。

特開平０４−７０１００号公報

特許文献１に記載の振動デバイスでは、振動部材がガラス板である。このため、振動部材のＱ値及び強度が比較的低く、変位量の向上が困難である。

本発明は、変位量の向上が図られた振動デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係る振動デバイスは、互いに対向する第一及び第二主面を有する圧電素体と、第一主面上に配置されている第一及び第二電極と、を有する圧電素子と、圧電素子と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絶縁性の樹脂部材と、樹脂部材の第四主面と接合されている第五主面と第五主面に対向する第六主面とを有すると共に、金属からなる振動部材と、樹脂部材の第三主面上に配置されている第三及び第四電極と、第一電極と第三電極とを接続している第一導電性樹脂層と、第二電極と第四電極とを接続している第二導電性樹脂層と、を備える。

本発明に係る振動デバイスでは、振動部材が金属からなる。金属からなる振動部材は、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、振動デバイスの変位量が向上する。振動部材と圧電素子とで挟まれた領域には、絶縁性の樹脂部材が配置されている。したがって、振動部材にガラスでなく金属が用いられている場合にも、振動部材と圧電素子との間において短絡が防止されている。圧電素子の第一及び第二電極と第三及び第四電極とは、第一及び第二導電性樹脂層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、振動デバイスの変位量が向上する。

第三及び第四電極は、第一主面に直交する方向から見て、圧電素子と離間していてもよい。圧電素子と樹脂部材とで挟まれた領域に第三及び第四電極が配置されていると、圧電素子は、第三及び第四電極と当接し、振動部材の第五及び第六主面に対して傾くおそれがある。圧電素子が樹脂部材に対して圧着される際には、第三及び第四電極から圧電素子に対して力が加わることで、圧電素体に割れが生じるおそれもある。第三及び第四電極が、第一主面に直交する方向から見て、圧電素子と離間していれば、圧電素子の傾き及び圧電素体の割れが抑制され得る。

圧電素子の第二主面と樹脂部材の第三主面とを接合する絶縁性の接着層を更に備え、圧電素子は、第二主面上に第一電極と電気的に接続されている第五電極を有し、接着層は、第五電極を覆っていてもよい。この場合、第四電極及び第二導電性樹脂層と第五電極との短絡が防止されている。

本発明によれば、変位量の向上が図られた振動デバイスを提供することができる。

一実施形態に係る振動デバイスの平面図である。 振動デバイスの断面構成を説明するための図である。 本実施形態の変形例に係る振動デバイスの平面図である。

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。

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。

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。

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。

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）Ｏ_３］、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、８０ｍ×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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、温度変化によって振動部材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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

１…振動デバイス、１０…圧電素子、１１…圧電素体、１１ａ，１１ｂ…圧電素体の主面、１２，１３，１４…圧電素子の電極、２０…樹脂部材、２０ａ，２０ｂ…樹脂部材の主面、２５，２６…電極、２７，２８…導電性樹脂層、３０…振動部材、３０ａ，３０ｂ…振動部材の主面、４０，５０…接着層。

Claims (3)

1. 互いに対向する第一及び第二主面を有する圧電素体と、前記第一主面上に配置されている第一及び第二電極と、を有する圧電素子と、
   前記圧電素子と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絶縁性の樹脂部材と、
   前記樹脂部材の前記第四主面と接合されている第五主面と前記第五主面に対向する第六主面とを有するとともに、金属からなる振動部材と、
   前記樹脂部材の前記第三主面上に配置されている第三及び第四電極と、
   前記第一電極と前記第三電極とを接続している第一導電性樹脂層と、
   前記第二電極と前記第四電極とを接続している第二導電性樹脂層と、を備える、振動デバイス。
2. 前記第三及び第四電極は、前記第一主面に直交する方向から見て、前記圧電素子と離間している、請求項１に記載の振動デバイス。
3. 前記圧電素子と前記樹脂部材の前記第三主面とは、絶縁性の接着層により接合されており、
   前記圧電素子は、前記第二主面上に配置されていると共に前記第一電極と電気的に接続されている第五電極を有し、
   前記接着層は、前記第五電極を覆っている、請求項１又２に記載の振動デバイス。

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