WO2019138799A1

WO2019138799A1 - 圧電素子ユニット

Info

Publication number: WO2019138799A1
Application number: PCT/JP2018/046490
Authority: WO
Inventors: 大輔染田; 治彦橋本; 柚樹森
Original assignee: 株式会社東海理化電機製作所
Priority date: 2018-01-15
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2019-07-18

Abstract

圧電素子ユニット１は、力を電圧に変換する機能及び電圧を力に変換する機能を有する圧電素子２と、圧電素子２と電気的に接合された配線基板３とを備えている。圧電素子２は、複数の面を有し、且つ導電性を有するシム板６と、シム板６のひとつの面である第１の面に接触された圧電体４と、圧電体４の第１の面に接触するように配置された表面電極５と、表面電極５に接合された配線基板３と、表面電極５及び配線基板３が接合する接合領域の周囲を覆う接着部材８と、を備えて構成される。

Description

圧電素子ユニット

関連出願の相互参照

本出願は、２０１８年１月１５日に出願された日本国特許出願２０１８－００４０４８号、及び２０１８年１１月６日に出願された日本国特許出願２０１８－２０８５９０号の優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１８－００４０４８号及び日本国特許出願２０１８－２０８５９０号の全内容を本出願に参照により援用する。

本発明は、圧電素子ユニットに関する。

セラミック素体である圧電素子を有するセラミック電子部品が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載されたセラミック電子部品は、圧電素子の両平面に銀を主体とした電極と、圧電素子の片面に接着材等により張り合わせ固定された振動板と、圧電素子の電極の表面に錫を主体とした半田材による半田層と、半田層により電極に電気的に接続される出力端子とで構成されている。

特開２００５－４５０４４号公報

圧電素子の電極として用いられる金属電極、特に、銀を主体とした電極は、マイグレーションや硫化を起こしやすい特性を有している。そのため、マイグレーションによるショートや硫化による断線を抑制することが望まれる。

本発明の目的は、マイグレーションによるショートや硫化による断線を抑制することができる圧電素子ユニットを提供することにある。

本発明の一実施形態による圧電素子ユニットは、下記［１］～［１０］の構成を有する。

［１］複数の面を有し、且つ導電性を有するシム板と、前記シム板のひとつの面である第１の面に接触された圧電体と、前記圧電体の第１の面に接触するように配置された表面電極と、前記表面電極に接合された配線基板と、前記表面電極及び前記配線基板が接合する接合領域の周囲を覆う接着部材と、を備える圧電素子ユニット。

［２］前記接着部材は、前記接合領域の全周を覆う、［１］に記載の圧電素子ユニット。

［３］前記接着部材は、前記表面電極の空気と触れる部位を覆う、［１］又は［２］に記載の圧電素子ユニット。

［４］前記接着部材は、絶縁性を有する、［１］から［３］のいずれか１つに記載の圧電素子ユニット。

［５］前記接着部材は、前記圧電体の空気と触れる部位を覆う、［１］から［４］のいずれか１つに記載の圧電素子ユニット。

［６］前記接着部材は、前記シム板の第１の面を覆う、［１］から［５］のいずれか１つに記載の圧電素子ユニット。

［７］前記接着部材は、前記シム板の前記第１の面として、前記圧電体及び前記シム板が接合する接合領域の周囲を覆う［６］に記載の圧電素子ユニット。

［８］前記配線基板は、前記シム板と接合され、前記接着部材は、前記シム板の前記第１の面として、前記シム板及び配線基板が接合する接合領域を覆う、［６］に記載の圧電素子ユニット。

［９］前記接着部材は嫌気性接着剤からなる、［１］から［８］のいずれか１つに記載の圧電素子ユニット。

［１０］前記配線基板は、本体部の途中から分岐した分岐部を有する１枚のフレキシブル配線基板からなり、前記本体部は、前記表面電極又は前記シム板の一方に接合される第１パターン電極を有し、前記分岐部は、前記シム板又は前記表面電極の他方に接合される第２パターン電極を有してなる、［１］に記載の圧電素子ユニット。

本発明の一実施形態によれば、マイグレーションによるショートの発生、金属の硫化による断線の発生を抑制することを可能とした圧電素子ユニットを提供することができる。

図１は、実施の形態に係る圧電素子ユニットを示す要部断面図である。図２Ａは、実施の形態に係る圧電素子ユニットの製造工程における、圧電素子を準備する工程を示す説明図である。図２Ｂは、実施の形態に係る圧電素子ユニットの製造工程における、配線基板の接合工程を示す説明図である。図２Ｃは、実施の形態に係る圧電素子ユニットの製造工程における、接着部材の形成工程を示す説明図である。

本発明の圧電素子ユニット及び圧電素子ユニットの製造方法に係る実施の形態について、以下に添付図面を参照して説明する。なお、実施の形態の説明に用いる図において、各部材を説明し易くするため、各部材の縦横比や間隔等を誇張して示している。

（圧電素子ユニットの全体構成）
図１において、圧電素子ユニット１は、力を電圧に変換する機能及び電圧を力に変換する機能を有する圧電素子２と、圧電素子２と電気的に接合された配線基板３とを備えている。

圧電素子２は、板状の圧電体４と、圧電体４の表面に設けられた表面電極５と、圧電体４の裏面に設けられたシム板６とを有している。圧電素子２は、複数の面を有し、且つ導電性を有するシム板６と、シム板６のひとつの面である第１の面に接触された圧電体４と、圧電体４の第１の面に接触するように配置された表面電極５と、表面電極５に接合された配線基板３と、表面電極５及び配線基板３が接合する接合領域の周囲を覆う接着部材８と、を備えて構成されている。これにより、シム板６と圧電体４、圧電体４と表面電極５は電気的に接続される。

圧電体４は、強誘電体の部材が分極されて形成され、電圧の印加により伸縮することで変位、振動等を発生させることができるアクチュエータである。圧電体４の第１の面には、表面電極５が接合され、第１の面と反対側の第２の面は、シム板６と接触している。圧電体４の材料については、任意の公知の圧電材料を特に制限なく用いることができる。本実施の形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）あるいはチタン酸バリウムなどのセラミックス材料が用いられる。

表面電極５の材料については、任意の公知の導電材料を特に制限なく用いることができる。本実施の形態では、銀ペースト材料による表面電極５が形成されている。

シム板６は、複数の面を有し、且つ導電性を有する板状の部材である。シム板６のひとつの面である第１の面には、圧電体４が接触される。図１等に示すように、第１の面と反対側の第２の面には、本実施の形態では、部材等は配置されない。シム板６の材料については、弾性及び可撓性を有する任意の公知の導電性を有する金属材料を特に制限なく用いることができる。

圧電素子２に給電するための配線基板３の基材には、任意の公知の絶縁材料を特に制限なく用いることができる。本実施の形態では、可撓性を有する長尺帯状のポリイミド樹脂等からなる絶縁フィルムが用いられる。

図示例による配線基板３は、絶縁フィルムの片面に導電材料からなる配線パターンが形成された本体部３ａと、本体部３ａの途中から分岐した分岐部３ｂとを有する１枚のフレキシブル配線基板からなる。導電材料については、任意の公知の導電材料を特に制限なく用いることができる。

配線基板３の本体部３ａは、図示しない導電性接着剤を介して圧電素子２の表面電極５と接合することで電気的に接続される第１パターン電極７ａを有している。一方の分岐部３ｂは、図示しない導電性接着剤を介してシム板６の表面接合部と接合することにより電気的に接続される第２パターン電極７ｂを有している。

配線基板３の本体部３ａ及び分岐部３ｂは、圧電素子２の表面電極５及びシム板６に対応して段差をもって形成されている。１枚のフレキシブル配線基板によって圧電素子２に給電することができるため、部品点数の低減や配線の効率化等を図ることができる。なお、配線基板３の本体部３ａをシム板６の表面接合部と電気的に接合して使用し、配線基板３の分岐部３ｂを表面電極５と電気的に接合して使用することができるのは勿論である。

（圧電素子ユニットの保護構造）
上記のように構成された圧電素子ユニット１は、圧電体４の電気接合部の周囲を絶縁性の接着部材８により覆うことで、硫化しにくい電極材料を用いた場合でも、空気中に含まれる水分、硫化水素等の硫黄成分から保護する構造となっている。また、接着部材８は、絶縁性を有してもよい。絶縁性を有する場合、第１パターン電極７ａとシム板６の間が接着部材８で覆われても、ショートの発生を抑制することができる。　

配線基板３及びシム板６の対向面間に形成された隙間には、マイグレーションによるショートや断線を抑制するための接着部材８が設けられている。接着部材８としては、絶縁性を有する任意の公知の接着材料を特に制限なく用いることができる。本実施の形態では、液状アクリル系などの嫌気性接着剤が用いられる。

図示例のように、接着部材８は、配線基板３の第１パターン電極７ａ及び表面電極５が接合する接合領域９ａの周囲に設けられてもよい。また、接着部材８は、接合領域９ａの全周に設けられてもよい。さらに、接着部材８は、表面電極５の空気と触れる部位に設けられてもよい。

このような接着部材８の配置により、配線や電極に用いた金属が空気中に含まれる硫化水素等の硫黄成分と反応して生成される金属硫化物の発生が抑えられ、圧電素子２のマイグレーションによるショートの発生や金属の硫化による断線の発生が抑制される。

マイグレーションは、特に、銀ペースト材料からなる表面電極５で生じ易いことから、表面電極５と配線基板３の第１パターン電極７ａとが接合する接合領域９ａの周囲を少なくとも覆うように配線基板３の裏面から圧電体４の側面に至るまでの配置領域に接着部材８を塗布して形成された構成を採用することができる。この接合領域９ａ以外の表面電極５の露出した側面が接着部材８によって覆われるため、圧電素子２のマイグレーションによるショートや圧電素子２及び配線基板３間の断線を抑制することができる。

接着部材８は、配線基板３の裏面から圧電体４の側面だけでなく、圧電体４及びシム板６が接合する接合領域９ｂの周囲と、シム板６及び配線基板３が接合する接合領域９ｃの周囲とを不連続に覆うように設けても構わない。

（圧電素子ユニットの製造方法）
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃを参照すると、これらの図には、圧電素子ユニット１の製造工程の一例が示されている。

圧電素子ユニット１を製造する方法は、図２Ａに示すように、圧電素子２を準備する工程と、図２Ｂに示すように、圧電素子２に配線基板３を電気的に接合する工程と、図２Ｃに示すように、接着部材８を塗布して形成する工程とを含む一連の工程により達成される。

図２Ａにおいて、圧電素子２の準備工程は、定法に従い、加工で得られた圧電体４の一方の面に表面電極５を有するとともに、圧電体４の他方の面にシム板６を有している圧電素子２を形成して準備する工程である。

図２Ｂにおいて、配線基板３の接合工程は、定法に従い、準備した圧電素子２に配線基板３を接合する。圧電素子２の表面電極５に配線基板３の第１パターン電極７ａを導電性接着剤で接着固定し、圧電素子２のシム板６の表面接合部に配線基板３の第２パターン電極７ｂを導電性接着剤で接着固定することにより、表面電極５及びシム板６が電気的に接続される。

導電性接着剤を用いて、配線基板３を圧電体４及びシム板６に接着固定する場合は、例えば圧電体４及びシム板６の所定の位置に導電性接着剤用ペーストを塗布した後、配線基板３を当接させた状態で導電性接着剤用ペーストを硬化させることで配線基板３が圧電体４及びシム板６に接着固定される。なお、導電性接着剤用ペーストは、配線基板３の第１及び第２パターン電極７ａ，７ｂに塗布してもよい。

図２Ｃに示すように、接着部材８の形成工程は、定法に従い、配線基板３及びシム板６の対向面間の隙間に接着部材８を塗布する。接着部材８は、配線基板３及び表面電極５が接合する接合領域９ａの周囲から圧電体４及びシム板６が接合する接合領域９ｂの周囲を経て、シム板６及び配線基板３が接合する接合領域９ｃの周囲に至るまでの配置領域に連続的に形成される。すなわち、接着部材８は、接合領域９ａの周囲を覆うことができ、また、接合領域９ａの全周を覆うことができる。また、接着部材８は、接合領域９ｂの周囲を経て、シム板６及び配線基板３が接合する接合領域９ｃの周囲に至るまでの領域を覆うことができる。

また、図２Ｃに示すように、接着部材８は、表面電極の空気と触れる部位１０ａ、圧電体の空気と触れる部位１０ｂに塗布され、それぞれの空気と触れる部位を覆うことができる。

接合領域９ａ、接合領域９ｂ、及び接合領域９ｃの周囲に形成された接着部材８の接着力により、配線基板３、圧電体４、及びシム板６が固定される。接着部材８は絶縁性を有しているため、接合領域９ａの周囲、接合領域９ｂの周囲、及び接合領域９ｃの周囲の絶縁性は保たれる。

以上の一連の工程によって、圧電素子２と配線基板３とが電気的かつ機械的に接合され、所要の圧電素子ユニット１が完成する。

（実施の形態の効果）
以上のように構成された実施の形態に係る圧電素子ユニット１及びその製造方法によれば、配線や電極に用いた金属の周囲に接着部材８を配置しているので、上記効果に加えて、次の効果が得られる。

配線基板３及び表面電極５が接合する接合領域９ａ、圧電体４及びシム板６が接合する接合領域９ｂ、並びにシム板６及び配線基板３が接合する接合領域９ｃが接着部材８によって補強されることになる。これにより、電気的接続を維持することが可能となり、接着等の強度や防水を維持することができる。

接着部材８として、空気を遮断することにより硬化する嫌気性接着剤を用いるため、加熱焼成は不要である。圧電素子２全体を空気中に含まれる水分、硫化水素等の硫黄成分から保護する構造を有する圧電素子ユニット１を簡単にかつ容易に製造することができる。

マイグレーションによるショートや断線の抑制と接着等の強度や防水の向上とを同時に達成することができる。

なお、圧電素子として、１枚の圧電体４からなるモノモルフ型の圧電素子２の一例を例示したが、２枚の圧電体からなるバイモルフ型の圧電素子、又は複数枚の圧電素子を積層することによって構成される積層モノモルフ型の圧電素子などの公知の任意の圧電素子を用いることができる。

以上の説明からも明らかなように、本発明に係る実施の形態、変形例、及び図示例は請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態、変形例、及び図示例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１圧電素子ユニット
２圧電素子
３配線基板
３ａ本体部
３ｂ分岐部
４圧電体
５表面電極
６シム板
７ａ第１パターン電極
７ｂ第２パターン電極
８接着部材
９ａ，９ｂ，９ｃ接合領域

Claims

複数の面を有し、且つ導電性を有するシム板と、
前記シム板のひとつの面である第１の面に接触された圧電体と、
前記圧電体の第１の面に接触するように配置された表面電極と、
前記表面電極に接合された配線基板と、
前記表面電極及び前記配線基板が接合する接合領域の周囲を覆う接着部材と、
を備える圧電素子ユニット。
前記接着部材は、前記接合領域の全周を覆う、請求項１に記載の圧電素子ユニット。
前記接着部材は、前記表面電極の空気と触れる部位を覆う、請求項１又は２に記載の圧電素子ユニット。
前記接着部材は、絶縁性を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電素子ユニット。
前記接着部材は、前記圧電体の空気と触れる部位を覆う、請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電素子ユニット。
前記接着部材は、前記シム板の前記第１の面を覆う、請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電素子ユニット。
前記接着部材は、前記シム板の前記第１の面として、前記圧電体及び前記シム板が接合する接合領域の周囲を覆う、請求項６に記載の圧電素子ユニット。
前記配線基板は、前記シム板と接合され、
前記接着部材は、前記シム板の前記第１の面として、前記シム板及び配線基板が接合する接合領域を覆う、請求項６に記載の圧電素子ユニット。
前記接着部材は嫌気性接着剤からなる、請求項１から８のいずれか１項に記載の圧電素子ユニット。
前記配線基板は、本体部の途中から分岐した分岐部を有する１枚のフレキシブル配線基板からなり、
前記本体部は、前記表面電極又は前記シム板の一方に接合される第１パターン電極を有し、
前記分岐部は、前記シム板又は前記表面電極の他方に接合される第２パターン電極を有してなる、請求項１に記載の圧電素子ユニット。