KR20140087945A - 압전 액추에이터, 압전 진동 장치 및 휴대 단말 - Google Patents
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Abstract
[과제] 보다 큰 굴곡 진동이 얻어지는 압전 액추에이터, 압전 진동 장치 및 휴대 단말을 제공한다.
[해결 수단] 본 발명의 압전 액추에이터(1)는 내부 전극(2) 및 압전체층(3)이 적층된 적층체(4)와, 적층체(4)의 한쪽 주면에 내부 전극(2)과 전기적으로 접속된 표면 전극(5)을 구비하고, 내부 전극(2)은 제 1 극(21)과 제 2 극(22)을 포함하고, 내부 전극(2)의 제 1 극(21) 및 제 2 극(22)이 적층 방향으로 겹쳐지는 활성부(41)와, 활성부(41) 이외의 불활성부(42)를 포함하고, 활성부(41)의 두께가 불활성부(42)의 두께보다 두껍게 되어 있고, 적층체(4)의 다른쪽 주면이 평탄한 것을 특징으로 한다.
[해결 수단] 본 발명의 압전 액추에이터(1)는 내부 전극(2) 및 압전체층(3)이 적층된 적층체(4)와, 적층체(4)의 한쪽 주면에 내부 전극(2)과 전기적으로 접속된 표면 전극(5)을 구비하고, 내부 전극(2)은 제 1 극(21)과 제 2 극(22)을 포함하고, 내부 전극(2)의 제 1 극(21) 및 제 2 극(22)이 적층 방향으로 겹쳐지는 활성부(41)와, 활성부(41) 이외의 불활성부(42)를 포함하고, 활성부(41)의 두께가 불활성부(42)의 두께보다 두껍게 되어 있고, 적층체(4)의 다른쪽 주면이 평탄한 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 압전 진동 장치, 휴대 단말에 적합한 압전 액추에이터, 및 그것을 사용한 압전 진동 장치 및 휴대 단말에 관한 것이다.
압전 액추에이터로서, 도 11에 나타내는 바와 같이 내부 전극(101)과 압전체층(102)이 복수 적층된 적층체(103)의 표면에 표면 전극(104)을 형성해서 이루어지는 바이모르프형 압전 소자(10)를 사용한 것이나(특허문헌 1을 참조), 압전 소자(10)의 주면에 플렉시블 기판(105)을 도전성 접합 부재(106)로 접합하여 압전 소자(10)의 표면 전극(104)과 플렉시블 기판(105)의 배선 도체(107)를 전기적으로 접속시키는 것이 알려져 있다(특허문헌 2를 참조).
또한, 바이모르프형 압전 소자의 길이 방향에 있어서의 중앙부나 일단을 진동판에 고정한 압전 진동 장치가 알려져 있다(특허문헌 3, 4를 참조).
도 11에 나타내는 바와 같은 압전 액추에이터는 주면이 굴곡되는 굴곡 진동을 생기게 할 수 있다. 또한, 압전 진동 장치, 휴대 단말 등에 적용함으로써 이들 장치의 진동원으로 할 수 있다.
그런데, 최근 에너지 절약의 요구가 더욱 높아져 있어 한층 더 적은 전력으로 큰 굴곡 진동이 얻어지는 것이 요망되고 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 안출된 것이고, 그 목적은 보다 큰 굴곡 진동이 얻어지는 압전 액추에이터, 압전 진동 장치 및 휴대 단말을 제공하는 것이다.
본 발명의 압전 액추에이터는 내부 전극 및 압전체층이 적층된 적층체와, 상기 적층체의 한쪽 주면에 상기 내부 전극과 전기적으로 접속된 표면 전극을 구비하고, 상기 내부 전극은 제 1 극과 제 2 극을 포함하고, 상기 적층체는 상기 내부 전극의 상기 제 1 극 및 상기 제 2 극이 적층 방향으로 겹쳐져 있는 활성부와, 상기 활성부 이외의 불활성부를 포함하고, 상기 활성부의 두께가 상기 불활성부의 두께보다 두껍게 되어 있고, 상기 적층체의 다른쪽 주면이 평탄한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 압전 진동 장치는 상기 압전 액추에이터와, 상기 압전 소자의 상기 다른쪽 주면에 접합된 진동판을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 휴대 단말은 상기 압전 액추에이터와, 전자 회로와, 디스플레이와, 하우징을 갖고 있고, 상기 압전 액추에이터의 다른쪽 주면이 상기 디스플레이 또는 상기 하우징에 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대 단말이다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 활성부보다 불활성부의 두께쪽이 얇아져 있는 한쪽 주면의 형상이 굽힘 방향의 힘을 인출하기 쉬워지기 때문에 보다 큰 굴곡 진동을 시킬 수 있는 압전 액추에이터를 실현할 수 있다.
도 1의 (a)는 본 발명의 압전 액추에이터의 실시형태의 일례를 나타내는 개략 사시도이고, (b)는 (a)에 나타내는 A-A선으로 절단한 개략 단면도이며, (c)는 (a)에 나타내는 B-B선으로 절단한 개략 단면도이다.
도 2는 도 1(c)의 다른 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 도 1(c)의 다른 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 4는 도 1(c)의 다른 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 5는 도 1(c)의 다른 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 압전 액추에이터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 개략 사시도이고, (a)에 나타내는 B-B선으로 절단한 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태의 압전 진동 장치를 모식적으로 나타내는 개략 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태의 휴대 단말을 모식적으로 나타내는 개략 사시도이다.
도 9는 도 8에 나타내는 A-A선으로 절단한 개략 단면도이다.
도 10은 도 8에 나타내는 B-B선으로 절단한 개략 단면도이다.
도 11은 종래의 압전 액추에이터의 실시형태의 일례를 나타내는 개략 사시도이고, (b)는 (a)에 나타내는 A-A선으로 절단한 개략 단면도이며, (c)는 (a)에 나타내는 B-B선으로 절단한 개략 단면도이다.
도 2는 도 1(c)의 다른 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 도 1(c)의 다른 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 4는 도 1(c)의 다른 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 5는 도 1(c)의 다른 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 압전 액추에이터의 실시형태의 다른 예를 나타내는 개략 사시도이고, (a)에 나타내는 B-B선으로 절단한 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태의 압전 진동 장치를 모식적으로 나타내는 개략 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태의 휴대 단말을 모식적으로 나타내는 개략 사시도이다.
도 9는 도 8에 나타내는 A-A선으로 절단한 개략 단면도이다.
도 10은 도 8에 나타내는 B-B선으로 절단한 개략 단면도이다.
도 11은 종래의 압전 액추에이터의 실시형태의 일례를 나타내는 개략 사시도이고, (b)는 (a)에 나타내는 A-A선으로 절단한 개략 단면도이며, (c)는 (a)에 나타내는 B-B선으로 절단한 개략 단면도이다.
본 발명의 압전 액추에이터의 실시형태의 일례에 대해서 도면을 참조해서 상세하게 설명한다.
도 1(a)는 본 발명의 압전 액추에이터의 실시형태의 일례를 나타내는 개략 사시도이고, 도 1(b)는 도 1(a)에 나타내는 A-A선으로 절단한 개략 단면도이고, 도 1(c)는 도 1(a)에 나타내는 B-B선으로 절단한 개략 단면도이다.
도 1에 나타내는 본 발명의 압전 액추에이터(1)는 내부 전극(2) 및 압전체층(3)이 적층된 적층체(4)와, 적층체(4)의 한쪽 주면에 내부 전극(2)과 전기적으로 접속된 표면 전극(5)을 구비하고, 내부 전극(2)은 제 1 극(21)과 제 2 극(22)을 포함하고, 내부 전극(2)의 제 1 극(21) 및 제 2 극(22)이 적층 방향으로 겹쳐지는 활성부(41)와, 활성부(41) 이외의 불활성부(42)를 포함하고, 활성부(41)의 두께가 불활성부(42)의 두께보다 두껍게 되어 있고, 적층체(4)의 다른쪽 주면이 평탄한 것을 특징으로 한다.
압전 액추에이터(1)를 구성하는 적층체(4)는 내부 전극(2) 및 압전체층(3)이 적층되어서 이루어지는 것이고, 복수의 내부 전극(2)이 적층 방향으로 겹쳐지는 활성부(41)와 그 이외의 불활성부(42)를 갖고, 예를 들면 장척 형상으로 형성되어 있다. 휴대 단말의 디스플레이 또는 하우징에 장착하는 압전 액추에이터의 경우에는, 적층체(4)의 길이로서는 예를 들면 18㎜~28㎜가 바람직하고, 22㎜~25㎜가 더욱 바람직하다. 적층체(4)의 폭은 예를 들면 1㎜~6㎜가 바람직하고, 3㎜~4㎜가 더욱 바람직하다. 적층체(4)의 두께는 예를 들면 0.2㎜~1.0㎜가 바람직하고, 0.4㎜~0.8㎜가 더욱 바람직하다.
적층체(4)를 구성하는 내부 전극(2)은 압전체층(3)을 형성하는 세라믹스와 동시 소성에 의해 형성된 것이고, 제 1 극(21) 및 제 2 극(22)으로 이루어진다. 예를 들면, 제 1 극(21)이 그라운드극이 되고, 제 2 극(22)이 정극 또는 부극이 된다. 또한, 내부 전극(2)의 제 1 극(21) 및 제 2 극(22)이 적층 방향으로 겹쳐지는 영역이 활성부(41)가 되고, 그 이외의 영역[예를 들면 적층방향으로부터 볼 때 내부 전극(2)이 없는 영역, 제 1 극(21)만 또는 제 2 극(22)만이 겹쳐지는 영역]이 불활성부(42)가 된다. 압전체층(3)과 교대로 적층되어서 압전체층(3)을 상하에서 사이에 두고 있고, 적층 순으로 제 1 극(21) 및 제 2 극(22)이 배치됨으로써 그것들 사이에 끼워진 압전체층(3)에 구동 전압을 인가하는 것이다. 이 형성 재료로서, 예를 들면 압전 세라믹스와의 반응성이 낮은 은이나 은-팔라듐 합금을 주성분으로 하는 도체, 또는 구리, 백금 등을 포함하는 도체를 사용할 수 있지만 이것들에 세라믹 성분이나 유리 성분을 함유시켜도 된다.
도 1에 나타내는 예에서는 제 1 극(21) 및 제 2 극(22)의 단부가 각각 적층체(4)의 대향하는 1쌍의 측면으로 번갈아서 도출되어 있다. 휴대 단말의 디스플레이 또는 하우징에 장착하는 압전 액추에이터의 경우에는, 내부 전극(2)의 길이는 예를 들면 17㎜~25㎜가 바람직하고, 21㎜~24㎜가 더욱 바람직하다. 내부 전극(2)의 폭은 예를 들면 1㎜~5㎜가 바람직하고, 2㎜~4㎜가 더욱 바람직하다. 내부 전극(2)의 두께는 예를 들면 0.1~5㎛가 바람직하다.
적층체(4)를 구성하는 압전체층(3)은 압전 특성을 갖는 세라믹스로 형성된 것이고, 이러한 세라믹스로서, 예를 들면 티탄산 지르콘산 납(PbZrO3-PbTiO3)으로 이루어지는 페로브스카이트형 산화물, 니오브산 리튬(LiNbO3), 탄탈산 리튬(LiTaO3) 등을 사용할 수 있다. 압전체층(3)의 1층의 두께는 저전압으로 구동시키기 때문에, 예를 들면 0.01~0.1㎜ 정도로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 큰 굴곡 진동을 얻기 위해서 200pm/V 이상의 압전 d31 정수를 갖는 것이 바람직하다.
적층체(4)의 적어도 한쪽 주면에는 내부 전극(2)과 전기적으로 접속된 표면 전극(5)이 형성되어 있다. 도 1에 나타내는 형태에 있어서의 표면 전극(5)은 큰 면적의 제 1 표면 전극(51), 작은 면적의 제 2 표면 전극(52) 및 제 3 표면 전극(53)으로 구성되어 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 제 1 표면 전극(51)은 제 1 극(21)이 되는 내부 전극(2)과 전기적으로 접속되고, 제 2 표면 전극(52)은 한쪽 주면측에 배치된 제 2 극(22)이 되는 내부 전극(2), 제 3 표면 전극(53)은 다른쪽 주면측에 배치된 제 2 극(22)이 되는 내부 전극(2)과 전기적으로 접속되어 있다. 휴대 단말의 디스플레이 또는 하우징에 장착하는 압전 액추에이터의 경우에는, 제 1 표면 전극(51)의 길이는 예를 들면 17㎜~23㎜가 바람직하고, 19㎜~21㎜가 더욱 바람직하다. 제 1 표면 전극(51)의 폭은 예를 들면 1㎜~5㎜가 바람직하고, 2㎜~4㎜가 더욱 바람직하다. 제 2 표면 전극(52) 및 제 3 표면 전극(53)의 길이는 예를 들면 1㎜~3㎜로 하는 것이 바람직하다. 제 2 표면 전극(52) 및 제 3 표면 전극(53)의 폭은 예를 들면 0.5㎜~1.5㎜로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 적층체(4)는 도 1(b) 및 도 1(c)에 나타내는 바와 같이 내부 전극(2)의 제 1 극(21) 및 제 2 극(22)이 적층 방향으로 겹쳐지는 활성부(41)와, 활성부(41) 이외의 불활성부(42)를 포함하고, 활성부(41)의 두께가 불활성부(42)의 두께보다 두껍게 되어 있고, 적층체(4)의 다른쪽 주면이 평탄하게 되어 있다.
본 발명의 압전 액추에이터(1)는 주로 진동을 가하는 대상물(후술하는 진동판 등)에 적층체(4)의 다른쪽 주면을 접합하여 사용되지만 적층체(4)의 다른쪽 주면이 평탄해져 있음으로써 진동을 가하는 대상물과 일체가 되어서 굴곡 진동을 일으키기 쉬워져, 전체적으로 굴곡 진동의 효율을 높일 수 있다. 또한, 내부 전극(2)의 제 1 극(21) 및 제 2 극(22)이 적층 방향으로 겹쳐지는 활성부(41)의 두께가 불활성부(42)의 두께보다 두껍게 되어 있다, 즉, 적층체(4)의 한쪽 주면에 있어서 불활성부(42)가 활성부(41)보다 얇아져서 진동을 가하는 대상물과 일체가 된 진동 장치의 굽힘 강성을 낮게 하고 있음으로써 굴곡 진동할 때의 굽힘 방향의 힘을 인출하기 쉽게 하고 있다. 이것에 의해, 압전 액추에이터(1) 및 압전 진동 장치가 적은 전력으로 보다 큰 굴곡 진동을 할 수 있다. 또한, 굴곡에 의해 효과적으로 에너지가 사용되는 결과로서 한쪽 주면에 가까운 내부 전극의 활성부(41)와 불활성부(42)의 경계부[내부 전극(2)과 압전체층(3)의 경계부]에서 발생하는 불필요한 응력을 저감해서 마이크로크랙의 발생이 저감되어 압전 액추에이터(1)가 열화해서 변위량이 작아지는 것을 억제할 수 있다. 또한, 활성부(41)의 두께는 불활성부(42)의 두께의 2~10% 두껍게 되어 있는 것이 좋다.
본 발명의 압전 액추에이터(1)는 도 2에 나타내는 바와 같이 활성부(41)로부터 불활성부(42)에 걸쳐서 한쪽 주면이 경사져 있는 것이 바람직하고, 이것에 의해 연속적으로 활성부(41)로부터 불활성부(42)까지 두께를 변화시킬 수 있으므로 적층체(4)의 표면에 응력이 집중되는 일없이 굴곡 진동할 때의 굽힘 방향의 힘을 인출하기 쉽게 할 수 있다.
또한, 도 2에 나타내는 바와 같이 모든 내부 전극(2)이 평면 형상(단면 직선 형상)으로 되어 있어도 되지만 도 1(c)에 나타내는 바와 같이 적층체(4)의 한쪽 주면측에 배치된 내부 전극(2)은 활성부(41)와 불활성부(42)의 경계 근방에 위치하는 단부가 다른쪽 주면측을 향해서 만곡되어 있어도 된다. 이 구성에 의하면, 내부 전극(2)의 단부의 만곡 형상이 굴곡될 때의 굽힘 방향의 힘을 인출하기 쉽게 하고 있다. 이것에 의해, 압전 액추에이터(1)가 적은 전력으로 보다 큰 굴곡 진동을 할 수 있다. 또한, 굴곡에 의해 효과적으로 에너지가 사용되는 결과로서 한쪽 주면에 가까운 내부 전극의 활성부(41)와 불활성부(42)의 경계부[내부 전극(2)과 압전체층(3)의 경계부]에서 발생하는 불필요한 응력을 저감해서 마이크로크랙의 발생이 저감되어 압전 액추에이터(1)가 열화해서 변위량이 작아지는 것을 억제할 수 있다. 또한, 만곡의 정도에 대해서는 내부 전극(2)의 평면부를 따라 그은 접선에 대하여 내부 전극(2)의 단부의 접선이 5° 이상, 특히 10° 이상 기울어지도록 만곡되는 것이 굽힘 방향의 힘을 인출하기 쉽게 하는 점에서 효과적이다.
또한, 도면에는 나타내지 않았지만 내부 전극(2)에 있어서의 활성부(41)와 불활성부(42)의 경계 근방에 위치하는 단부를 모두 다른쪽 주면측을 향해서 만곡시켜도 되고, 이것에 의해 특히 다른쪽 주면에 진동판을 접합하는 경우에 굴곡할 때의 굽힘 방향의 힘을 보다 인출하기 쉽게 할 수 있다. 이 결과, 내부 전극의 활성부(41)와 불활성부(42)의 경계부에서 발생하는 불필요한 응력을 저감해서 마이크로크랙이 생기는 것을 저감하여 압전 액추에이터(1)가 열화해서 변위량이 작아지는 것을 억제할 수 있다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이 적층체(4)의 양쪽의 주면측에 배치된 내부 전극(2)에 있어서의 활성부(41)와 불활성부(42)의 경계 근방에 위치하는 단부를 함께 내측을 향해서 만곡시킴으로써 특히 진동을 가하는 대상물이 얇고 강성이 낮은 경우에 양쪽의 주면측으로 각각 굴곡할 때의 굽힘 방향의 힘을 인출하기 쉬워진다. 또한, 굴곡에 의해 효과적으로 에너지가 사용되는 결과로서 양쪽의 주면에 가까운 내부 전극의 활성부(41)와 불활성부(42)의 경계부[내부 전극(2)과 압전체층(3)의 경계부]에서 발생하는 불필요한 응력을 저감해서 마이크로크랙의 발생이 저감되어 압전 액추에이터(1)가 열화해서 변위량이 작아지는 것을 억제할 수 있다.
또한, 도 4에 나타내는 바와 같이 내부 전극(2)은 한쪽 주면으로 근접함에 따라서 단부의 만곡 정도가 커져 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 굴곡될 때의 굽힘 방향의 힘을 보다 더 인출하기 쉽게 할 수 있어 가장 응력이 가해지는 내부 전극(2)의 단부 근방[한쪽 주면에 가장 가까운 내부 전극(2)의 단부 근방]의 응력을 결과적으로 완화할 수 있기 때문에 한쪽 주면에 가장 가까운 내부 전극(2)의 활성부(41)와 불활성부(42)의 경계부[내부 전극(2)과 압전체층(3)의 경계부]에 마이크로크랙이 생기는 것을 보다 저감할 수 있다.
또한, 도 2 내지 도 4에 나타내는 바와 같이 적층체(4)의 다른쪽 주면에 가장 가까운 내부 전극(2)은 평탄하여도 되고, 진동을 가하는 대상물(후술하는 진동판 등)에 다른쪽 주면을 접합했을 때에 진동을 가하는 대상물과 일체가 되어서 굴곡 진동을 일으키기 쉬워져 전체적으로 굴곡 진동의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 표면 전극(5)이 활성부(41)로부터 불활성부(42)에 걸쳐서 형성되어 있는 것이 바람직하다. 표면 전극(5)[제 1 표면 전극(51)]이 활성부(41)로부터 불활성부(42)에 걸쳐서 폭 방향으로도 넓혀서 형성되어 있음으로써 굴곡될 때의 굽힘 방향의 힘을 더욱 인출하기 쉽게 할 수 있다. 표면 전극(5)과 이것에 가장 근접하는 내부 전극(2) 사이에 위치하는 압전체층(3)에 전압을 가하는 표면 전극(5)과 내부 전극(2)의 접속 구조로 함으로써 전압이 인가되는 영역이 다른 내부 전극(2)끼리에 의해 끼워진 압전체층(3)의 영역보다 길이 방향에 추가하여 폭 방향으로도 넓게 할 수 있기 때문에 불활성부(42)의 영역에까지 전압이 인가되어서 효과적으로 굽힘의 변위를 유기할 수 있게 되기 때문이다. 결과적으로, 내부 전극(2)의 활성부(41)와 불활성부(42)의 경계부[내부 전극(2)과 압전체층(3)의 경계부]에서 발생하는 응력을 저감함과 아울러 마이크로크랙의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 내부 전극(2)의 만곡을 따라 표면 전극(5)을 만곡시키는 것이 보다 효과적이다.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이 불활성부(42)의 적층 방향의 두께가 활성부(41)에 있어서의 최상층의 내부 전극(2)의 상면으로부터 최하층의 내부 전극(2)의 하면까지의 두께 이하가 되는 영역을 갖고, 이 영역까지 표면 전극(5)[제 1 표면 전극(51)]이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이것에 의해, 굴곡될 때의 굽힘 방향의 힘을 더욱 인출하기 쉽게 할 수 있다. 표면 전극(5)과 이것에 가장 근접한 내부 전극(2) 사이에 위치하는 압전체층(3)에 전압을 가하는 표면 전극(5)과 내부 전극(2)의 접속 구조로 함으로써 전압이 인가되는 영역을 더욱 폭 방향으로 넓게 할 수 있기 때문에 불활성부(42)의 영역에까지 더 전압이 인가되어서 효과적으로 굽힘의 변위를 유기할 수 있게 되기 때문이다. 결과적으로, 내부 전극(2)의 활성부(41)와 불활성부(42)의 경계부[내부 전극(2)과 압전체층(3)의 경계부]에서 발생하는 응력을 보다 저감함과 아울러 마이크로크랙의 발생을 보다 억제할 수 있다.
또한, 도 6에 나타내는 바와 같이 본 발명의 압전 액추에이터(1)는 배선 도체(61)를 갖는 플렉시블 기판(6)을 구비하고, 도전성 접합 부재(7)를 통하여 표면 전극(5)과 배선 도체(61)가 전기적으로 접속되도록 플렉시블 기판(6)의 일부가 적층체(4)의 한쪽 주면에 접합되어 있어도 된다.
플렉시블 기판(6)은, 예를 들면 수지 필름 중에 2개의 배선 도체(61)가 매설된 플렉시블 프린트 배선 기판이고, 한쪽 끝에는 외부 회로와 접속하기 위한 커넥터(도시 생략)가 접속되어 있다.
도전성 접합 부재(7)는 도전성 접착제나 땜납 등이 사용되지만 바람직하게는 도전성 접착제인 것이 좋다. 예를 들면, 아크릴수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리우레탄 수지, 또는 합성 고무 등의 수지(71) 중에 금, 구리, 니켈, 또는 금 도금한 수지볼 등으로 이루어지는 도체 입자(72)를 분산시켜서 이루어지는 도전성 접착제를 사용함으로써 땜납에 비하여 진동에 의해 생기는 응력을 저감할 수 있기 때문이다. 보다 바람직하게는 도전성 접착제 중에서도 이방성 도전재인 것이 좋다. 이방성 도전재는 전기적 접합을 담당하는 도전 입자와 접착을 담당하는 수지 접착제로 이루어진다. 이 이방성 도전재는 두께 방향으로는 도통되고, 면내 방향으로는 절연되기 때문에 협피치의 배선에 있어서도 이극(異極)의 표면 전극간에서 전기적으로 쇼트되는 일이 없고, 플렉시블 기판(6)과의 접속부를 콤팩트하게 할 수 있다.
또한, 도 1에 나타내는 압전 액추에이터(1)는 소위 바이모르프형 압전 액추에이터로서, 표면 전극(5)으로부터 전기 신호가 입력되어서 한쪽 주면 및 다른쪽 주면이 굴곡면이 되도록 굴곡 진동하는 것이지만 본 발명의 압전 액추에이터로서는 바이모르프형에 한정되지 않고, 유니모르프형이어도 되고, 예를 들면 후술하는 진동판에 압전 액추에이터의 다른쪽 주면을 접합함(서로 붙임)으로써 유니모르프형이라도 굴곡 진동시킬 수 있다.
이어서, 본 실시형태의 압전 액추에이터(1)의 제조 방법에 대하여 설명한다.
우선, 압전체층(3)이 되는 세라믹 그린 시트를 제작한다. 구체적으로는 압전 세라믹스의 가소 분말과, 아크릴계, 부티랄계 등의 유기 고분자로 이루어지는 바인더와, 가소제를 혼합해서 세라믹 슬러리를 제작한다. 그리고, 닥터 블레이드법, 캘린더롤법 등의 테이프 성형법을 사용함으로써 이 세라믹 슬러리를 이용하여 세라믹 그린 시트를 제작한다. 압전 세라믹스로서는 압전 특성을 갖는 것이면 되고, 예를 들면 티탄산 지르콘산 납(PbZrO3-PbTiO3)으로 이루어지는 페로브스카이트형 산화물 등을 사용할 수 있다. 또한, 가소제로서는 프탈산 디부틸(DBP), 프탈산 디옥틸(DOP) 등을 사용할 수 있다.
이어서, 내부 전극(2)이 되는 도전성 페이스트를 제작한다. 구체적으로는 은-팔라듐 합금의 금속 분말에 바인더 및 가소제를 첨가 혼합함으로써 도전성 페이스트를 제작한다. 이 도전성 페이스트를 상기 세라믹 그린 시트 상에 스크린 인쇄법 을 이용하여 내부 전극(2)의 패턴으로 도포한다. 또한, 이 도전성 페이스트가 인쇄된 세라믹 그린 시트를 복수매 적층하고, 소정의 온도에서 탈바인더 처리를 행한 후 900~1200℃의 온도에서 소성하고, 평면 연삭반 등을 이용하여 소정의 형상이 되도록 연삭 처리를 실시함으로써 교대로 적층된 내부 전극(2) 및 압전체층(3)을 구비한 적층체(4)를 제작한다.
이러한 제조공정에 있어서, 도전성 페이스트가 인쇄된 세라믹 그린 시트를 복수매 적층한 후, 예를 들면 프레스 장치의 상측(한쪽 주면측)의 금형으로서 오목부를 갖는 금형이나 수지형을 사용하고, 프레스 장치의 하측(다른쪽 주면측)의 금형으로서 평탄한 금형이나 수지형을 사용함으로써 활성부(41)의 두께가 그 이외의 불활성부(42)의 두께보다 두껍게 되어 있고, 적층체(4)의 다른쪽 주면이 평탄해져 있는 압전 액추에이터(1)를 제작할 수 있다.
또한, 적층체(4)는 상기 제조 방법에 의해 제작되는 것에 한정되는 것은 아니고, 소정의 형상이 되도록 연삭 처리를 실시해도 좋다.
그 후, 은을 주성분으로 하는 도전성 입자와 유리를 혼합한 것에 바인더, 가소제 및 용제를 첨가해서 제작한 은 유리 함유 도전성 페이스트를 표면 전극(5)의 패턴으로 적층체(4)의 주면 및 측면에 스크린 인쇄법 등에 의해 인쇄해서 건조시킨 후 650~750℃의 온도에서 베이킹 처리를 행하여 표면 전극(5)을 형성한다.
또한, 표면 전극(5)과 내부 전극(2)을 전기적으로 접속시킬 경우 압전체층(3)을 관통하는 비아를 형성해서 접속시켜도, 적층체(4)의 측면에 측면 전극을 형성해도 되고, 어떤 제조 방법에 의해 제작되어도 된다.
이어서, 도전성 접합 부재(7)를 사용하여 플렉시블 기판(6)을 압전 소자(10)에 접속 고정(접합)한다.
우선, 압전 소자(10)의 소정의 위치에 도전성 접합 부재용 페이스트를 스크린 인쇄 등의 방법을 이용하여 도포 형성한다. 그 후, 플렉시블 기판(6)을 접촉시킨 상태에서 도전성 접합 부재용 페이스트를 경화시킴으로써 플렉시블 기판(6)을 압전 소자(10)에 접속 고정한다. 또한, 도전성 접합 부재용 페이스트는 플렉시블 기판(6)측에 도포 형성되어 있어도 된다.
도전성 접합 부재(7)가 도전성 접착제인 경우로서, 도전성 접착제를 구성하는 수지가 열가소성 수지로 이루어질 경우에는 도전성 접착제를 압전 소자(10) 또는 플렉시블 기판(6)의 소정의 위치에 도포 형성한 후 압전 소자(10)와 플렉시블 기판(6)을 도전성 접착제를 통하여 접촉시킨 상태에서 가열 가압함으로써 열가소성 수지가 연화 유동하고, 그 후 상온으로 되돌림으로써 다시 열가소성 수지가 경화하고, 플렉시블 기판(6)이 압전 소자(10)에 접속 고정된다.
특히, 도전성 접합 부재(7)로서 이방성 도전 부재를 사용할 경우에는 근접하는 도전 입자가 접촉하지 않도록 가압량을 제어할 필요가 있다.
또한, 상술에서는 도전성 접착제를 압전 소자(10) 또는 플렉시블 기판(6)에 도포 형성하는 방법을 나타냈지만 미리 시트 형상으로 형성된 도전성 접착제의 시트를 압전 소자(10)와 플렉시블 기판(6) 사이에 끼운 상태에서 가열 가압해서 접합해도 된다.
본 발명의 압전 진동 장치는 도 7에 나타내는 바와 같이 압전 액추에이터(1)와, 압전 액추에이터(1)의 다른쪽 주면에 장착된 진동판(81)을 갖는 것이다.
진동판(81)은 직사각형의 박판 형상을 갖고 있다. 진동판(81)은 아크릴 수지나 유리 등의 강성 및 탄성이 큰 재료를 적합하게 사용해서 형성할 수 있다. 또한 진동판(81)의 두께는, 예를 들면 0.4㎜~1.5㎜로 설정된다.
진동판(81)은 압전 액추에이터(1)의 다른쪽 주면에 접합 부재(82)를 통하여 장착되어 있다. 접합 부재(82)를 통하여 진동판(81)에 다른쪽 주면의 전체면이 접합되어 있어도 되고, 대략 전체면이 접합되어 있어도 된다.
접합 부재(82)는 필름 형상을 갖고 있다. 또한, 접합 부재(82)는 진동판(81)보다 유연하여 변형되기 쉬운 것으로 형성되어 있고, 진동판(81)보다 영률, 강성률, 체적탄성률 등의 탄성률이나 강성이 작다. 즉, 접합 부재(82)는 변형 가능하여 같은 힘이 가해졌을 때에 진동판(81)보다 크게 변형한다. 그리고, 접합 부재(82)의 한쪽 주면(도면의 +z 방향측의 주면)에는 압전 액추에이터(1)의 다른쪽 주면(도면의 -z 방향측의 주면)이 전체적으로 고착되고, 접합 부재(82)의 다른쪽 주면(도면의 -z 방향측의 주면)에는 진동판(81)의 한쪽 주면(도면의 +z 방향측의 주면)의 일부가 고착되어 있다.
접합 부재(82)는 단일인 것이어도, 몇 개의 부재로 이루어지는 복합체이어도 상관없다. 이러한 접합 부재(82)로서는, 예를 들면 부직포 등으로 이루어지는 기재의 양면에 점착제가 부착된 양면 테이프나, 탄성을 갖는 접착제인 각종 탄성 접착제 등을 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 접합 부재(82)의 두께는 압전 액추에이터(1)의 굴곡 진동의 진폭보다 큰 것이 바람직하지만 지나치게 두꺼우면 진동이 감쇠되므로, 예를 들면 0.1㎜~0.6㎜로 설정된다. 단, 본 발명의 압전 진동 장치에 있어서는 접합 부재(82)의 재질에 한정은 없고, 접합 부재(82)가 진동판(81)보다 단단하여 변형되기 어려운 것으로 형성되어 있어도 상관없다. 또한, 경우에 따라서는 접합 부재(82)를 갖지 않는 구성이어도 상관없다.
이러한 구성을 구비하는 본 예의 압전 진동 장치는 전기 신호를 가함으로써 압전 액추에이터(1)를 굴곡 진동시키고, 그것에 의해 진동판(81)을 진동시키는 압전 진동 장치로서 기능한다. 또한, 예를 들면 진동판(81)의 길이 방향에 있어서의 다른쪽 단부[도면의 -y 방향 단부나, 진동판(81)의 둘레가장자리부 등]를 도시하지 않은 지지 부재에 의해 지지해도 상관없다.
또한, 본 예의 압전 진동 장치는 압전 액추에이터(1)의 평탄한 다른쪽 주면에 진동판(81)이 접합되어 있다. 이것에 의해, 압전 액추에이터(1)와 진동판(81)이 강고하게 접합된 압전 진동 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 휴대 단말은 도 8~도 10에 나타내는 바와 같이, 압전 액추에이터(1)와, 전자 회로(도시 생략)와, 디스플레이(91)와, 하우징(92)을 갖고 있고, 압전 액추에이터(1)의 다른쪽 주면이 하우징(92)에 접합된 것이다. 또한, 도 8은 본 발명의 휴대 단말을 모식적으로 나타내는 개략 사시도이고, 도 9는 도 8에 나타내는 A-A선으로 절단한 개략 단면도, 도 10은 도 8에 나타내는 B-B선으로 절단한 개략 단면도이다.
여기에서, 압전 액추에이터(1)와 하우징(92)이 변형 가능한 접합 부재를 이용하여 접합되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 도 9 및 도 10에 있어서는 접합 부재(82)가 변형 가능한 접합 부재이다.
변형 가능한 접합 부재(82)로 압전 액추에이터(1)와 하우징(92)을 접합함으로써 압전 액추에이터(1)로부터 진동이 전달되었을 때 변형 가능한 접합 부재(82)가 하우징(92)보다 크게 변형한다.
이때, 하우징(92)으로부터 반사되는 역위상의 진동을 변형 가능한 접합 부재(82)로 완화할 수 있으므로 압전 액추에이터(1)가 주위 진동의 영향을 받지 않고 하우징(92)에 강한 진동을 전달시킬 수 있다.
그 중에서도, 접합 부재(82) 중 적어도 일부가 점탄성체로 구성되어 있음으로써 압전 액추에이터(1)로부터의 강한 진동을 하우징(92)에 전하는 한편, 하우징(92)으로부터 반사되는 약한 진동을 접합 부재(82)가 흡수할 수 있는 점에서 바람직하다. 예를 들면, 부직포 등으로 이루어지는 기재의 양면에 점착제가 부착된 양면 테이프나, 탄성을 갖는 접착제를 포함하는 구성의 접합 부재를 사용할 수 있고, 이것들의 두께로서는 예를 들면 10㎛~2000㎛인 것을 사용할 수 있다.
그리고, 본 예에서는 압전 액추에이터(1)는 디스플레이(91)의 커버가 되는 하우징(92)의 일부에 장착되고, 이 하우징(92)의 일부가 진동판(922)으로서 기능하도록 되어 있다.
또한, 본 예에서는 압전 액추에이터(1)가 하우징(92)에 접합된 것을 나타냈지만 압전 액추에이터(1)가 디스플레이(91)에 접합되어 있어도 된다.
하우징(92)은 1개의 면이 개구된 상자 형상의 하우징 본체(921)와, 하우징 본체(921)의 개구를 폐쇄하는 진동판(922)을 갖고 있다. 이 하우징(92)[하우징 본체(921) 및 진동판(922)]은 강성 및 탄성률이 큰 합성수지 등의 재료를 적합하게 사용해서 형성할 수 있다.
진동판(922)의 둘레가장자리부는 하우징 본체(921)에 접합재(93)를 통하여 진동 가능하게 장착되어 있다. 접합재(93)는 진동판(922)보다 유연하여 변형되기 쉬운 것으로 형성되어 있고, 진동판(922)보다 영률, 강성률, 체적탄성률 등의 탄성률이나 강성이 작다. 즉, 접합재(93)는 변형 가능하여 같은 힘이 가해졌을 때에 진동판(922)보다 크게 변형한다.
접합재(93)는 단일인 것이어도, 몇 개의 부재로 이루어지는 복합체이어도 상관없다. 이러한 접합재(93)로서는, 예를 들면 부직포 등으로 이루어지는 기재의 양면에 점착제가 부착된 양면 테이프 등을 적합하게 사용할 수 있다. 접합재(93)의 두께는 지나치게 두껍게 되어서 진동이 감쇠되지 않도록 설정되어 있어, 예를 들면 0.1㎜~0.6㎜로 설정된다. 단, 본 발명의 휴대 단말에 있어서는 접합재(93)의 재질에 한정은 없고, 접합재(93)가 진동판(922)보다 단단하여 변형되기 어려운 것으로 형성되어 있어도 상관없다. 또한, 경우에 따라서는 접합재(93)를 갖지 않는 구성이어도 상관없다.
전자 회로(도시 생략)로서는, 예를 들면 디스플레이(91)에 표시시키는 화상 정보나 휴대 단말에 의해 전달하는 음성 정보를 처리하는 회로나, 통신 회로 등을 예시할 수 있다. 이들 회로 중 적어도 1개이어도 되고, 모든 회로가 포함되어 있어도 상관없다. 또한, 다른 기능을 갖는 회로이어도 된다. 또한, 복수의 전자 회로를 갖고 있어도 상관없다. 또한, 전자 회로와 압전 액추에이터(1)는 도면에 나타내지 않은 접속용 배선에 의해 접속되어 있다.
디스플레이(91)는 화상 정보를 표시하는 기능을 갖는 표시 장치이고, 예를 들면 액정 디스플레이, 플라즈마 디스플레이, 및 유기 EL 디스플레이 등의 기지의 디스플레이를 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 디스플레이(91)는 터치패널과 같은 입력 장치를 갖는 것이어도 된다. 또한, 디스플레이(91)의 커버[진동판(922)]가 터치패널과 같은 입력 장치를 갖는 것이어도 상관없다. 또한, 디스플레이(91) 전체나, 디스플레이(91)의 일부가 진동판으로서 기능하도록 해도 상관없다.
또한, 본 발명의 휴대 단말은 디스플레이(91) 또는 하우징(92)이 귀의 연골 또는 기도를 통해서 소리 정보를 내이에 전달하는 진동을 발생시키는 것을 특징으로 한다. 본 예의 휴대 단말은 진동판[디스플레이(91) 또는 하우징(92)]을 직접 또는 다른 물체를 통하여 귀에 접촉시켜서 귀의 연골에 진동을 전함으로써 소리 정보를 전달할 수 있다. 즉, 진동판[디스플레이(91) 또는 하우징(92)]을 직접 또는 간접적으로 귀에 접촉시키고, 귀의 연골에 진동을 전함으로써 소리 정보를 전달할 수 있다. 이것에 의해, 예를 들면 주위가 시끄러울 때에도 소리 정보를 전달하는 것이 가능한 휴대 단말을 얻을 수 있다. 또한, 진동판[디스플레이(91) 또는 하우징(92)]과 귀 사이에 개재하는 물체는, 예를 들면 휴대 단말의 커버이어도 되고, 헤드폰이나 이어폰이어도 되며, 진동을 전달 가능한 물체이면 어떤 것이라도 상관없다. 또한, 진동판[디스플레이(91) 또는 하우징(92)]으로부터 발생하는 소리를 공기 중에 전파시킴으로써 소리 정보를 전달하는 휴대 단말이어도 상관없다. 또한, 복수의 루트를 통하여 소리 정보를 전달하는 휴대 단말이어도 상관없다.
본 예의 휴대 단말은 효과적으로 진동을 발생시킬 수 있는 압전 액추에이터(1)를 사용해서 소리 정보를 전달하기 때문에 고품질의 소리 정보를 전달할 수 있다.
[실시예]
이어서, 본 발명의 압전 진동 장치의 구체예에 대하여 설명한다. 도 5에 나타낸 압전 액추에이터를 사용한 압전 진동 장치를 제작하고, 그 특성을 측정했다.
압전 액추에이터는 길이가 23.5㎜, 폭이 3.3㎜, 두께가 0.5㎜의 장척 형상으로 했다. 또한, 압전 액추에이터는 두께가 30㎛인 압전체층과 내부 전극이 교대로 적층된 구조로 하고, 압전체층의 총수는 16층으로 했다. 압전체층은 Zr의 일부를 Sb로 치환한 티탄산 지르콘산 납으로 형성했다.
활성부를 불활성부보다 두껍게 하기 위해서 도전성 페이스트가 인쇄된 세라믹 그린 시트를 적층한 후 프레스 장치의 상측(한쪽 주면과 접촉하는 측)의 금형으로서 오목부를 갖는 수지형을 사용하고, 프레스 장치의 하측(다른쪽 주면과 접촉하는 측)의 금형으로서 평탄한 금형을 사용해서 도 5에 나타내는 형상의 압전 액추에이터를 제작했다.
또한, 표면 전극은 내부 전극보다 양단에서 폭 방향으로 1㎜씩 길어지도록 인쇄했다. 압전 액추에이터의 한쪽 주면에 있어서의 중앙부의 양 단부에 대한 도면의 +z 방향으로의 돌출량은 압전 액추에이터의 두께의 10%(0.05㎜)이었다. 또한, 압전 액추에이터의 다른쪽 주면은 거의 평탄했다.
그리고, 금속제 프레임에 유리판을 양면 테이프로 붙임과 아울러 유리판의 한쪽 표면의 중앙에 압전 액추에이터의 다른쪽 주면을 양면 테이프로 붙이고, 유리판의 다른쪽 표면으로부터 1㎜ 떨어진 위치에 마이크를 설치했다.
그리고, 주파수를 0.3~3.4㎑의 범위에서 변화시킨 실효치 3.0V의 정현파 신호를 압전 액추에이터에 입력하고, 마이크에서 검출되는 음압을 측정했다. 또한, 10만사이클의 정현파 신호를 연속적으로 가하여 연속 측정 전후의 음압 레벨을 비교했다.
그 결과，모두 저입력이어도 높은 음압 특성이 얻어져 있었다. 이것에 의해, 본 발명의 유효성을 확인할 수 있었다.
1 : 압전 액추에이터 2 : 내부 전극
21 : 제 1 극 22 : 제 2 극
3 : 압전체층 4 : 적층체
41 : 활성부 42 : 불활성부
5 : 표면 전극 51 : 제 1 표면 전극
52 : 제 2 표면 전극 53 : 제 3 표면 전극
6 : 플렉시블 기판 61 : 배선 도체
7 : 도전성 접합 부재 71 : 수지
72 : 도체 입자 81 : 진동판
82 : 접합 부재 91 : 디스플레이
92 : 하우징 921 : 하우징 본체
922 : 진동판 93 : 접합재
21 : 제 1 극 22 : 제 2 극
3 : 압전체층 4 : 적층체
41 : 활성부 42 : 불활성부
5 : 표면 전극 51 : 제 1 표면 전극
52 : 제 2 표면 전극 53 : 제 3 표면 전극
6 : 플렉시블 기판 61 : 배선 도체
7 : 도전성 접합 부재 71 : 수지
72 : 도체 입자 81 : 진동판
82 : 접합 부재 91 : 디스플레이
92 : 하우징 921 : 하우징 본체
922 : 진동판 93 : 접합재
Claims (10)
- 내부 전극 및 압전체층이 적층된 적층체와 상기 적층체의 한쪽 주면에 상기 내부 전극과 전기적으로 접속된 표면 전극을 구비하고,
상기 내부 전극은 제 1 극과 제 2 극을 포함하고, 상기 적층체는 상기 내부 전극의 상기 제 1 극 및 상기 제 2 극이 적층 방향으로 겹쳐져 있는 활성부와 상기 활성부 이외의 불활성부를 포함하고, 상기 활성부의 두께는 상기 불활성부의 두께보다 두껍게 되어 있고, 상기 적층체의 다른쪽 주면은 평탄한 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. - 제 1 항에 있어서,
상기 활성부로부터 상기 불활성부에 걸쳐서 상기 한쪽 주면이 경사져 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 표면 전극은 상기 활성부로부터 상기 불활성부에 걸쳐서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. - 제 3 항에 있어서,
상기 불활성부는 두께가 상기 활성부에 있어서의 최상층인 상기 내부 전극의 상면으로부터 최하층인 상기 내부 전극의 하면까지의 두께 이하로 되는 영역을 갖고, 상기 영역까지 상기 표면 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
배선 도체를 갖는 플렉시블 기판을 구비하고, 이방성 도전재를 통하여 상기 표면 전극과 상기 배선 도체가 전기적으로 접속되도록 상기 플렉시블 기판의 일부가 상기 적층체의 상기 한쪽 주면에 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 압전 액추에이터와, 상기 압전 소자의 다른쪽 주면에 접합된 진동판을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 진동 장치.
- 제 6 항에 있어서,
상기 압전 액추에이터와 상기 진동판은 변형 가능한 접합 부재를 이용하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동 장치. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 압전 액추에이터와, 전자 회로와, 디스플레이와, 하우징을 갖고 있고,
상기 압전 액추에이터의 다른쪽 주면은 상기 디스플레이 또는 상기 하우징에 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대 단말. - 제 8 항에 있어서,
상기 압전 액추에이터와 상기 디스플레이 또는 상기 하우징은 변형 가능한 접합 부재를 이용하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대 단말. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 디스플레이 또는 상기 하우징은 귀의 연골 또는 기도를 통하여 소리 정보를 전달하는 진동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 휴대 단말.
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