JP7441036B2

JP7441036B2 - 圧電振動素子、振動発生装置及び電子機器

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Publication number: JP7441036B2
Application number: JP2019221978A
Authority: JP
Inventors: 茂雄石井; 智宏原田; 寛之清水; 純明岸本
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2039-12-09
Also published as: JP2021093413A

Description

本発明は、逆圧電効果により振動を発生させる圧電振動素子、振動発生装置及び電子機器に関する。

ユーザに触覚を提示する触覚機能デバイスには様々なアクチュエータが用いられている。例えば、通知機能には偏心モータやリニア共振アクチュータ等の電磁式アクチュエータが用いられている。また、フォースフィードバック機能にはこれらの電磁式アクチュエータに加え、圧電式アクチュエータも用いられている。

圧電式アクチュエータとして利用することが可能な圧電振動素子は、圧電体の内部に複数の内部電極が対向して設けられた構造を有し、内部電極間に電圧を印加すると、逆圧電効果により振動を生じる。内部電極は素子の側面に露出する端面を有し、側面上に設けられた外部電極に導通する。外部電極は、圧電振動素子の短手端部の全体に形成される構造が一般的である（例えば、特許文献１）。

特開２０１０－３４２６９号公報

ここで、圧電振動素子は、ガラスパネル等の振動体に貼付されることにより実装されるが、外部電極が短手端部の全体に形成され、素子の角が外部電極によって被覆されると、素子の振動体側の辺が非平行となり、実装が不安定となる。さらに、振動体側の辺が部分的に振動体から離間し、振動伝達のロスも発生する。さらに、素子の角を回り込む外部電極が薄くなり、内部電極と外部電極の接続信頼性が低下する。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、内部電極と外部電極の接続信頼性が高く、振動体への実装に適した圧電振動素子、振動発生装置及び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圧電振動素子は、圧電体と、正極内部電極と、負極内部電極と、正極外部電極と、負極外部電極とを具備する。
上記圧電体は、圧電材料からなり、第１の主面と、上記第１の主面とは反対側の第２の主面と、上記第１の主面の周縁と上記第２の主面の周縁の間の面である４つの側面とを有する。
上記正極内部電極は、上記圧電体の内部に設けられ、上記４つの側面のうち第１の側面に露出する端面を有する。
上記負極内部電極は、上記圧電体の内部に設けられ、上記４つの側面のうち第２の側面に露出する端面を有し、上記正極内部電極と対向する。
上記正極外部電極は、上記正極内部電極に導通する。
上記負極外部電極は、上記負極内部電極に導通する。
上記第１の主面と上記４つの側面のうち上記第１の側面のみとの間に凹状の第１の段差が形成され、上記正極外部電極は、上記第１の主面上に形成された正極主面電極部と、上記第１の段差の内部から上記第１の側面にわたって形成された正極側面電極部とを含み、上記第２の主面には形成されず、上記第１の側面に露出する前記正極内部電極の端面に接する。
上記第２の主面と上記４つの側面のうち上記第２の側面のみとの間に凹状の第２の段差が形成され、上記負極外部電極は、上記第２の主面上に形成された負極主面電極部と、上記第２の段差の内部から上記第２の側面にわたって形成された負極側面電極部とを含み、上記第１の主面には形成されず、上記第２の側面に露出する上記負極内部電極の端面に接する。

この構成によれば、第１の主面の周縁に形成された第１の段差の内部から側面にわたって正極外部電極が形成され、側面に露出する正極内部電極と接続されている。また、第２の主面の周縁に形成された第２の段差の内部から側面にわたって負極外部電極が形成され、側面に露出する負極内部電極と接続されている。第１の段差及び第２の段差を設けることにより、第１の主面及び第２の主面において正極外部電極及び負極外部電電極の突出を防止しつつ、側面上での正極外部電極及び負極外部電電極の厚みを大きくすることが可能となり、内部電極と外部電極の接続信頼性を高くすることができると共に、振動体への実装に適した圧電振動素子とすることができる。

上記４つの側面は、上記第１の側面と、上記第１の側面とは反対側の上記第２の側面と、を含んでもよい。

上記第１の主面上の上記正極外部電極の表面は上記第１の主面に平行な平坦面であり、
上記第２の主面上の上記負極外部電極の表面は上記第２の主面に平行な平坦面であってもよい。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る振動発生装置は、圧電振動素子と、振動体とを具備する。
上記圧電振動素子は、圧電材料からなり、第１の主面と、上記第１の主面とは反対側の第２の主面と、上記第１の主面の周縁と上記第２の主面の周縁の間の面である４つの側面とを有する圧電体と、上記圧電体の内部に設けられ、上記４つの側面のうち第１の側面に露出する端面を有する正極内部電極と、上記圧電体の内部に設けられ、上記４つの側面のうち第２の側面に露出する端面を有し、上記正極内部電極と対向する負極内部電極と、上記正極内部電極に導通する正極外部電極と、上記負極内部電極に導通する負極外部電極とを備え、上記第１の主面と上記４つの側面のうち上記第１の側面のみとの間に凹状の第１の段差が形成され、上記正極外部電極は、上記第１の主面上に形成された正極主面電極部と、上記第１の段差の内部から上記第１の側面にわたって形成された正極側面電極部とを含み、上記第２の主面には形成されず、上記第１の側面に露出する上記正極内部電極の端面に接し、上記第２の主面と上記４つの側面のうち上記第２の側面のみとの間に凹状の第２の段差が形成され、上記負極外部電極は、上記第２の主面上に形成された負極主面電極部と、上記第２の段差の内部から上記第２の側面にわたって形成された負極側面電極部とを含み、上記第１の主面には形成されず、上記第２の側面に露出する上記負極内部電極の端面に接する。
上記振動体は、上記第１の主面又は前上記第２の主面が接着される。

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、振動発生装置を具備する。
上記振動発生装置は、圧電材料からなり、第１の主面と、上記第１の主面とは反対側の第２の主面と、上記第１の主面の周縁と上記第２の主面の周縁の間の面である４つの側面とを有する圧電体と、上記圧電体の内部に設けられ、上記４つの側面のうち第１の側面に露出する端面を有する正極内部電極と、上記圧電体の内部に設けられ、上記４つの側面のうち第２の側面に露出する端面を有し、上記正極内部電極と対向する負極内部電極と、上記正極内部電極に導通する正極外部電極と、上記負極内部電極に導通する負極外部電極とを備え、上記第１の主面と上記４つの側面のうち上記第１の側面のみとの間に凹状の第１の段差が形成され、上記正極外部電極は、上記第１の主面上に形成された正極主面電極部と、上記第１の段差の内部から上記第１の側面にわたって形成された正極側面電極部とを含み、上記第２の主面には形成されず、上記第１の側面に露出する上記正極内部電極の端面に接し、上記第２の主面と上記４つの側面のうち上記第２の側面のみとの間に凹状の第２の段差が形成され、上記負極外部電極は、上記第２の主面上に形成された負極主面電極部と、上記第２の段差の内部から上記第２の側面にわたって形成された負極側面電極部とを含み、上記第１の主面には形成されず、上記第２の側面に露出する上記負極内部電極の端面に接する圧電振動素子と、上記第１の主面又は前上記第２の主面が接着される振動体とを備える。

以上のように本発明によれば、内部電極と外部電極の接続信頼性が高く、振動体への実装に適した圧電振動素子、振動発生装置及び電子機器を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る振動発生装置の平面図である。同振動発生装置の側面図である。上記振動発生装置が備える圧電振動素子の斜視図である。上記圧電振動素子の斜視図である。上記圧電振動素子の断面図である。上記圧電振動素子の一部構成の断面図である。上記圧電振動素子が備える圧電体の斜視図である。上記圧電体の斜視図である。上記圧電体の拡大斜視図である。上記圧電体の拡大斜視図である。上記圧電振動素子における正極内部電極を示す平面図である。上記圧電振動素子における正極内部電極を示す斜視図である。上記圧電振動素子における負極内部電極を示す平面図である。上記圧電振動素子における負極内部電極を示す斜視図である。上記圧電振動素子における正極外部電極を示す斜視図である。上記圧電振動素子における負極外部電極を示す斜視図である。上記圧電振動素子の一部構成の断面図である。

本発明の実施形態に係る振動発生装置について説明する。なお、以下の各図においてＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を相互に直交する３方向とする。

［振動発生装置の構成］
図１は本実施形態に係る振動発生装置１００の平面図であり、図２は振動発生装置１００の側面図である。これらの図に示すように、振動発生装置１００は、振動体１０１及び圧電振動素子１０２を備える。

振動体１０１は、圧電振動素子１０２によって振動する部材である。振動体１０１は、ガラス又はプラスチック等の材料からなる板状の部材とすることができ、例えば、液晶パネルや電子機器の筐体、イヤフォンに内蔵されるツイータ用振動板等である。振動体１０１は振動体１０１の形状やサイズは特に限定されない。

圧電振動素子１０２は、振動体１０１に実装され、振動体１０１を振動をさせるアクチュエータとして機能する。圧電振動素子１０２は図１に示すように、振動体１０１に１つのみが実装されてもよく、複数が実装されてもよい。

振動発生装置１００は、スマートフォンやイヤフォン、触覚機能デバイス等の各種電子機器に搭載することが可能である。

［圧電振動素子の構成］
図３及び図４は圧電振動素子１０２の斜視図であり、図４は図３に示す圧電振動素子１０２を裏面側から見た図である。図５は圧電振動素子１０２断面図であり、図３及び図４のＡ－Ａ線での断面図である。図６は圧電振動素子１０２の一部構成の断面図であり、図５から一部構成を省略した図である。

これらの図に示すように、圧電振動素子１０２は、圧電体１１１、正極内部電極１１２、負極内部電極１１３、正極外部電極１１４及び負極外部電極１１５を備える。

圧電体１１１は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）又はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３－ＰｂＴｉＯ_３）等の圧電材料からなる。

図７及び図８は、圧電体１１１の斜視図であり、図８は図７に示す圧電体１１１を裏面側から見た図である。これらの図に示すように、圧電体１１１は平板状の形状を有するものとすることができる。以下、圧電体１１１の一方の主面を第１の主面１１１ａとし、第１の主面１１１ａの反対側の主面を第２の主面１１１ｂとする。また、第１の主面１１１ａの周縁と第２の主面１１１ｂの周面の間の面、即ち圧電体１１１の側面のうち一面を第１の側面１１１ｃとし、その反対側の側面を第２の側面１１１ｄとする。

図９は、圧電体１１１の拡大図である。同図に示すように、第１の主面１１１ａの周縁のうち第１の側面１１１ｃに連続する辺には、第１の段差１１１ｅが設けられている。第１の段差１１１ｅは、第１の主面１１１ａから凹状に掘り下げられて形成されている。

図１０は、圧電体１１１の拡大図である。同図に示すように、第２の主面１１１ｂの周縁のうち第２の側面１１１ｄに連続する辺には、第２の段差１１１ｆが設けられている。第２の段差１１１ｆは、第２の主面１１１ｂから凹状に掘り下げられて形成されている。

正極内部電極１１２は、Ｎｉ、Ｃｕ又はＮｉ合金等の金属材料からなり、平板状形状を有し、圧電体１１１の内部において第１の主面１１１ａ及び第２の主面１１１ｂに平行に配設されている。正極内部電極１１２は、図５に示すように複数が設けられてもよく、１つのみが設けられてもよい。

図１１は、正極内部電極１１２の形状および圧電体１１１における配置を示す平面図である。同図に示すように、正極内部電極１１２は、一端が第１の側面１１１ｃに面し、他端は第２の側面１１１ｄから離間するように設けられている。図１２は、第１の側面１１１ｃにおける正極内部電極１１２を示す斜視図である。同図に示すように第１の側面１１１ｃには正極内部電極１１２の端面１１２ａが露出する。

なお、図１１では正極内部電極１１２の一辺の一部が第１の側面１１１ｃに向かって突出する形状に形成されているが、正極内部電極１１２は矩形状であって、一辺の全体が第１の側面１１１ｃに露出するように形成されてもよい。

負極内部電極１１３は、Ｎｉ、Ｃｕ又はＮｉ合金等の金属材料からなり、平板状形状を有し、圧電体１１１の内部において第１の主面１１１ａ及び第２の主面１１１ｂに平行に配設されている。負極内部電極１１３は、図５に示すように複数が設けられてもよく、１つのみが設けられてもよい。

図１３は、負極内部電極１１３の形状および圧電体１１１における配置を示す平面図である。同図に示すように、負極内部電極１１３は、一端が第２の側面１１１ｄに面し、他端は第１の側面１１１ｃから離間するように設けられている。図１４は、第２の側面１１１ｄにおける負極内部電極１１３を示す斜視図である。同図に示すように第２の側面１１１ｄには負極内部電極１１３の端面１１３ａが露出する。

なお、図１３では負極内部電極１１３の一辺の一部が第２の側面１１１ｄに向かって突出する形状に形成されているが、負極内部電極１１３は矩形状であって、一辺の全体が第２の側面１１１ｄに露出するように形成されてもよい。

正極外部電極１１４は、Ｎｉ、Ｃｕ又はＮｉ合金等の金属材料からなり、正極内部電極１１２に導通する。正極外部電極１１４は図５に示すように、正極側面電極部１１４ａ及び正極主面電極部１１４ｂからなる。

図１５は、正極外部電極１１４を拡大して示す斜視図である。同図に示すように、正極側面電極部１１４ａは、第１の段差１１１ｅ（図１２参照）の内部から第１の側面１１１ｃにわたって形成され、正極内部電極１１２の端面１１２ａに接する。

正極主面電極部１１４ｂは、第１の主面１１１ａ上に形成され、正極側面電極部１１４ａに連続して形成されている。正極主面電極部１１４ｂは、正極側面電極部１１４ａを介して正極内部電極１１２に導通し、圧電振動素子１０２の正極端子として機能する。

第１の主面１１１ａ上の正極側面電極部１１４ａと正極主面電極部１１４ｂの表面は、図５に示すように、第１の主面１１１ａに平行な平坦面を形成する。なお、正極主面電極部１１４ｂは必ずしも設けられなくてもよく、その場合、正極側面電極部１１４ａの表面は第１の主面１１１ａに連続する平坦面を形成するものとすることができる。

負極外部電極１１５は、Ｎｉ、Ｃｕ又はＮｉ合金等の金属材料からなり、負極内部電極１１３に導通する。負極外部電極１１５は図５に示すように、負極側面電極部１１５ａ及び負極主面電極部１１５ｂからなる。

図１６は、負極外部電極１１５を拡大して示す斜視図である。同図に示すように、負極側面電極部１１５ａは、第２の段差１１１ｆ（図１４参照）の内部から第２の側面１１１ｄにわたって形成され、負極内部電極１１３の端面１１３ａに接する。

負極主面電極部１１５ｂは、第２の主面１１１ｂ上に形成され、負極側面電極部１１５ａに連続して形成されている。負極主面電極部１１５ｂは、負極側面電極部１１５ａを介して負極内部電極１１３に導通し、圧電振動素子１０２の負極端子として機能する。

第２の主面１１１ｂ上の負極側面電極部１１５ａと負極主面電極部１１５ｂの表面は、図５に示すように、第２の主面１１１ｂに平行な平坦面を形成する。なお、負極主面電極部１１５ｂは必ずしも設けられなくてもよい。その場合、負極側面電極部１１５ａの表面は第２の主面１１１ｂに連続する平坦面を形成するものとすることができる。

圧電振動素子１０２は以上のような構成を有する。なお、第１の段差１１１ｅ及び第２の段差１１１ｆはより深く形成されてもよい。図１７は、より深く形成された第１の段差１１１ｅ及び第２の段差１１１ｆを備える圧電振動素子１０２の断面図である。同図に示すように、第１の段差１１１ｅは、第１の主面１１１ａに最も接近する正極内部電極１１２が露出する深さを有し、第２の段差１１１ｆは、第２の主面１１１ｂに最も接近する負極内部電極１１３が露出する深さを有してもよい。

［圧電振動素子による効果］
圧電振動素子１０２では、上記のように、正極外部電極１１４の正極側面電極部１１４ａは第１の段差１１１ｅ内から第１の側面１１１ｃにわたって形成される。このため、第１の主面１１１ａから突出することなく、正極側面電極部１１４ａの厚みを大きくすることができ、素子角部における正極側面電極部１１４ａの断裂を防止することが可能であり、かつ正極内部電極１１２の端面１１２ａを正極側面電極部１１４ａによって十分に被覆することができる。これにより、正極外部電極１１４と正極内部電極１１２の接続信頼性を向上させることが可能である。

また、負極外部電極１１５についても同様に、負極側面電極部１１５ａは第２の段差１１１ｆ内から第２の側面１１１ｄにわたって形成される。このため、第２の主面１１１ｂから突出することなく、負極側面電極部１１５ａの厚みを大きくすることができ、素子角部における負極側面電極部１１５ａの断裂を防止することが可能であり、かつ負極内部電極１１３の端面１１３ａを負極側面電極部１１５ａによって十分に被覆することができる。これにより、負極外部電極１１５と負極内部電極１１３の接続信頼性を向上させることが可能である。

さらに正極側面電極部１１４ａが第１の主面１１１ａから突出せず、負極側面電極部１１５ａも第２の主面１１１ｂから突出しないため、第１の主面１１１ａ及び第２の主面１１１ｂを平坦面とすることができる。図２に示すように、圧電振動素子１０２は第１の主面１１１ａと第２の主面１１１ｂのいずれか一方の面が振動体１０１に接着されることにより実装されるが、第１の主面１１１ａ及び第２の主面１１１ｂを平坦面とすることにより、接着時の平行度が保たれ、密着性を向上させることが可能となる。

また、密着性の向上により、接着剤における気泡の混入等も防止され、圧電振動素子１０２と振動体１０１の接着の改善効果が得られる。さらに、圧電振動素子１０２と振動体１０１の間での振動伝達の強度及び振動体１０１の変形量の向上が実現可能である。

［製造方法］
圧電振動素子１０２は、圧電セラミック材料からなるセラミックシートを複数枚積層し、静水圧プレスの後、焼結することにより形成することが可能である。正極内部電極１１２及び負極内部電極１１３はセラミックシート状に電極材料ペーストを塗布することにより形成することが可能である。

第１の段差１１１ｅ及び第２の段差１１１ｆは、圧電振動素子１０２の最上層及び最下層となるセラミックシートに孔を設けることにより形成することができる。側面電極部１４ａ及び負極側面電極部１１５ａは転写により形成することができる。

１００…振動発生装置
１０１…振動体
１０２…圧電振動素子
１１１…圧電体
１１１ａ…第１の主面
１１１ｂ…第２の主面
１１１ｃ…第１の側面
１１１ｄ…第２の側面
１１１ｅ…第１の段差
１１１ｆ…第２の段差
１１２…正極内部電極
１１３…負極内部電極
１１４…正極外部電極
１１４ａ…正極側面電極部
１１４ｂ…正極主面電極部
１１５…負極外部電極
１１５ａ…負極側面電極部
１１５ｂ…負極主面電極部

Claims

圧電材料からなり、第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面と、前記第１の主面の周縁と前記第２の主面の周縁の間の面である４つの側面とを有する圧電体と、
前記圧電体の内部に設けられ、前記４つの側面のうち第１の側面に露出する端面を有する正極内部電極と、
前記圧電体の内部に設けられ、前記４つの側面のうち第２の側面に露出する端面を有し、前記正極内部電極と対向する負極内部電極と、
前記正極内部電極に導通する正極外部電極と、
前記負極内部電極に導通する負極外部電極と
を具備し、
前記第１の主面と前記４つの側面のうち前記第１の側面のみとの間に凹状の第１の段差が形成され、前記正極外部電極は、前記第１の主面上に形成された正極主面電極部と、前記第１の段差の内部から前記第１の側面にわたって形成された正極側面電極部とを含み、前記第２の主面には形成されず、前記第１の側面に露出する前記正極内部電極の端面に接し、
前記第２の主面と前記４つの側面のうち前記第２の側面のみとの間に凹状の第２の段差が形成され、前記負極外部電極は、前記第２の主面上に形成された負極主面電極部と、前記第２の段差の内部から前記第２の側面にわたって形成された負極側面電極部とを含み、前記第１の主面には形成されず、前記第２の側面に露出する前記負極内部電極の端面に接する
圧電振動素子。
請求項１に記載の圧電振動素子であって、
前記４つの側面は、前記第１の側面と、前記第１の側面とは反対側の前記第２の側面と、を含む
圧電振動素子。
請求項１または２に記載の圧電振動素子であって、
前記第１の主面上の前記正極外部電極の表面は前記第１の主面に平行な平坦面であり、
前記第２の主面上の前記負極外部電極の表面は前記第２の主面に平行な平坦面である
圧電振動素子。
圧電材料からなり、第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面と、前記第１の主面の周縁と前記第２の主面の周縁の間の面である４つの側面とを有する圧電体と、前記圧電体の内部に設けられ、前記４つの側面のうち第１の側面に露出する端面を有する正極内部電極と、前記圧電体の内部に設けられ、前記４つの側面のうち第２の側面に露出する端面を有し、前記正極内部電極と対向する負極内部電極と、前記正極内部電極に導通する正極外部電極と、前記負極内部電極に導通する負極外部電極とを備え、前記第１の主面と前記４つの側面のうち前記第１の側面のみとの間に凹状の第１の段差が形成され、前記正極外部電極は、前記第１の主面上に形成された正極主面電極部と、前記第１の段差の内部から前記第１の側面にわたって形成された正極側面電極部とを含み、前記第２の主面には形成されず、前記第１の側面に露出する前記正極内部電極の端面に接し、前記第２の主面と前記４つの側面のうち前記第２の側面のみとの間に凹状の第２の段差が形成され、前記負極外部電極は、前記第２の主面上に形成された負極主面電極部と、前記第２の段差の内部から前記第２の側面にわたって形成された負極側面電極部とを含み、前記第１の主面には形成されず、前記第２の側面に露出する前記負極内部電極の端面に接する圧電振動素子と、
前記第１の主面又は前記第２の主面が接着される振動体と
を具備する振動発生装置。
圧電材料からなり、第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面と、前記第１の主面の周縁と前記第２の主面の周縁の間の面である４つの側面とを有する圧電体と、前記圧電体の内部に設けられ、前記４つの側面のうち第１の側面に露出する端面を有する正極内部電極と、前記圧電体の内部に設けられ、前記４つの側面のうち第２の側面に露出する端面を有し、前記正極内部電極と対向する負極内部電極と、前記正極内部電極に導通する正極外部電極と、前記負極内部電極に導通する負極外部電極とを備え、前記第１の主面と前記４つの側面のうち前記第１の側面のみとの間に凹状の第１の段差が形成され、前記正極外部電極は、前記第１の主面上に形成された正極主面電極部と、前記第１の段差の内部から前記第１の側面にわたって形成された正極側面電極部とを含み、前記第２の主面には形成されず、前記第１の側面に露出する前記正極内部電極の端面に接し、前記第２の主面と前記４つの側面のうち前記第２の側面のみとの間に凹状の第２の段差が形成され、前記負極外部電極は、前記第２の主面上に形成された負極主面電極部と、前記第２の段差の内部から前記第２の側面にわたって形成された負極側面電極部とを含み、前記第１の主面には形成されず、前記第２の側面に露出する前記負極内部電極の端面に接する圧電振動素子と、前記第１の主面又は前記第２の主面が接着される振動体とを備える振動発生装置
を具備する電子機器。