特許 6348287 圧電素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6348287

(24)【登録日】2018年6月8日

(45)【発行日】2018年6月27日

(54)【発明の名称】圧電素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/083 20060101AFI20180618BHJP

   H01L 41/047 20060101ALI20180618BHJP

   H01L 41/053 20060101ALI20180618BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20180618BHJP

   H01L 41/273 20130101ALI20180618BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/083

   H01L41/047

   H01L41/053

   H01L41/09

   H01L41/273

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-4323(P2014-4323)

(22)【出願日】2014年1月14日

(65)【公開番号】特開2015-133415(P2015-133415A)

(43)【公開日】2015年7月23日

【審査請求日】2016年11月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114258

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 武雄

(74)【代理人】

【識別番号】100125391

【弁理士】

【氏名又は名称】白川 洋一

(72)【発明者】

【氏名】岩城 範史

(72)【発明者】

【氏名】稲田 豊

【審査官】 上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０１０３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０７７７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０３１７１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−０４５０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１７６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１２４５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２８１３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２４７９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３０６６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８０３８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２０９３０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４１／０４７，４１／０５３，４１／０８３，４１／０９，

４１／２７３，４１／２９３，４１／２９７

Ｂ４１Ｊ ２／１６

Ｈ０４Ｒ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電圧の印加により音波を放射する圧電素子を用いたサウンダであって、
底部に放音孔が設けられた座繰り穴が形成されたケースと、
前記ケースに接着され、中央部が中空に浮いた状態で前記ケース内部に保持される前記圧電素子と、
前記ケースに嵌着される蓋と、
前記ケースに設けられ、前記圧電素子の電極に接続された端子と、を備え、
前記圧電素子は、
電圧が印加される複数の電極層と、
前記複数の電極層の間に圧電材料で形成され、前記電圧の印加により伸縮する伸縮層と、
前記伸縮層と同じ圧電材料により形成され、前記電圧の印加により伸縮しないシム層と、を備え、
前記伸縮層の端面には、前記複数の電極層のうちの１つと、前記電極層と異なる電圧が印加される取り出し電極がいずれも露出して直接形成され、
前記シム層は、内部に電極層を有さず、
前記各層が厚み方向に積層されて板状に一体形成され、
前記伸縮層とシム層とがバイモルフ型の積層構造を形成し、
一方の前記伸縮層の端面は他の部材を介すことなく直接前記ケースに接着され、
前記シム層に対して前記伸縮層が伸縮することで屈曲し、音波を放射することを特徴とするサウンダ。

【請求項2】

前記複数の電極層のうち、前記端面に設けられた電極層は、Ｐｔを含有することを特徴とする請求項１記載のサウンダ。

【請求項3】

前記複数の電極層のうち、同電圧を印加される電極層は、互いにバイアホール電極で接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のサウンダ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電圧の印加により屈曲する圧電素子に関する。

【背景技術】

【0002】

圧電体の単板表裏にＡｇ印刷の焼き付けによる電極を形成し、分極処理後に金属板（シム）へ接着した圧電振動子が知られている（例えば、特許文献１参照）。図９は、このような従来の圧電振動子８００を示す斜視図である。金属板８１０の表面にはリード線８５０がハンダ８５５で接続されており、電極８２５の表面にもリード線８６０がハンダ８６５で接続されている。

【0003】

圧電振動子８００は、金属板８１０の上に圧電素子８２０が接着され、圧電素子８２０の端面には電極８２５が設けられている。金属板８１０と電極８２５間に交流電圧が印加されると圧電素子８２０が径方向に伸縮する。一方、金属板８１０は伸縮しないため、圧電振動子８００は、反りを伴って振動する。

【0004】

圧電振動子８００は、例えばサウンダに用いられる。図１０は、従来の圧電振動子８００を用いたサウンダ９００を示す断面図である。サウンダ９００は、ケース９１０、蓋９２０および圧電振動子８００を備えており、座繰り穴が設けられたケース９１０の深い穴の縁部に圧電振動子８００が接着され、蓋９２０がケース９１０に嵌着されている。ケース９１０には端子９１７、９１８が設けられており、端子９１７、９１８にリード線８５０、８６０がそれぞれ接続されている。圧電振動子８００により発生された音は放音孔９１５から外部に放射される。

【0005】

圧電振動子８００では金属板８１０と圧電素子８２０の電極との導通は、接着剤による密着接着によって得られる。また、リード線は、外部に露出した電極部分とハンダ付けにより接続される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７−３００４２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記のような圧電振動子を作製する場合には、圧電素子を熱膨張係数の異なる金属に接着しなければならず、耐熱性のある接着剤の必要性、熱膨張係数の合わせ込みが必要となる。特に面付けのサウンダ用途として圧電振動子を使用する場合、製品の耐熱性は金属板と圧電体を接着する接着剤の耐熱性に左右される。

【0008】

また、リフローに使われるハンダのＰｂフリー化により、リフロー温度は上昇傾向にあり、使用部品の耐熱性向上は急務である。リフロー耐熱用途としてはエポキシ系接着剤が一般的に使用されるが、耐熱のみならず、吸水性があることからリフロー時の接着剤の耐熱信頼性の向上が望まれている。

【0009】

また、圧電素子の外部との電気的接続は印刷焼き付けされたＡｇもしくはＡｇ−Ｐｄ電極にリード線をハンダ付けすることで行われる。その際に積層内部導体に使用するＡｇまたはＡｇ−Ｐｄ導体は、圧電体焼成時にＡｇが圧電体内部に拡散する上に、ハンダによるＡｇ食われが大きくハンダ付けができない原因となっている。また、外部との電気的接続のために積層体焼成後に電極ペーストを印刷焼き付けすることは生産工数を増やす結果となっている。

【0010】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、接着剤の耐熱性や熱膨張係数の合わせ込みの設計を不要にして製造を容易にするとともに圧電体の特性劣化を防止できる圧電素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子は、電圧の印加により屈曲する圧電素子であって、電圧が印加される複数の電極層と、前記複数の電極層の間に圧電材料で形成され、前記電圧の印加により伸縮する伸縮層と、前記伸縮層と同じ圧電材料により形成され、前記電圧の印加により伸縮しないシム層と、を備え、前記各層が厚み方向に積層されて板状に一体形成され、前記シム層に対して前記伸縮層が伸縮することで屈曲することを特徴としている。

【0012】

このように接着剤を使用せずにシム構造を取り込んだ一体構造として圧電素子が形成されるため、接着剤の耐熱性や熱膨張係数の合わせ込みを設計する必要がなくなり、製造が容易になる。また、金属板を使用せず一体構造で圧電素子が形成されるため、全体の熱膨張係数が等しくなり、リフロー炉等の熱歪みストレスによる圧電体の特性劣化を防止できる。

【0013】

（２）また、本発明の圧電素子は、前記伸縮層とシム層とがユニモルフ型の積層構造を形成していることを特徴としている。このようにユニモルフ型とすることで応力集中を低減することができる。

【0014】

（３）また、本発明の圧電素子は、前記伸縮層とシム層とがバイモルフ型の積層構造を形成していることを特徴としている。このようにバイモルフ型とすることで低い電圧でも大きな力を出力できる。

【0015】

（４）また、本発明の圧電素子は、前記複数の電極層のうち、端面に設けられた電極層が、Ｐｔを含有することを特徴としている。これにより、端面の電極層にハンダ付けする際の電極食われを防止できる。

【0016】

（５）また、本発明の圧電素子は、前記複数の電極層のうち、同電圧を印加される電極層が、互いにバイアホール電極で接続されていることを特徴としている。これにより、外部電極による接続を無くし、ハンダ付けする際の電極食われを防止できる。また、焼成工程後に電極ペーストの印刷焼き付けを不要にし、生産工数を削減できる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、接着剤の耐熱性や熱膨張係数の合わせ込みの設計を不要にして製造を容易にするとともに圧電体の特性劣化を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】（ａ）、（ｂ）それぞれ第１実施形態の圧電素子を示す斜視図および断面図である。

【図2】第１実施形態の圧電素子の作製方法を示す斜視図である。

【図3】第１実施形態の圧電素子を用いたサウンダを示す斜視図である。

【図4】第１実施形態の圧電素子を用いたサウンダを示す断面図である。

【図5】（ａ）、（ｂ）それぞれ第２実施形態の圧電素子を示す斜視図および断面図である。

【図6】第２実施形態の圧電素子の作製方法を示す斜視図である。

【図7】（ａ）、（ｂ）それぞれ第３実施形態の圧電素子を示す斜視図および断面図である。

【図8】第３実施形態の圧電素子の作製方法を示す斜視図である。

【図9】従来の圧電振動子を示す斜視図である。

【図10】従来の圧電振動子を用いたサウンダを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

【0020】

［第１実施形態］
（圧電素子の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電素子１００を示す斜視図および断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）における断面１ｂで切断した断面図を示している。圧電素子１００は、複数の電極層１１１、１１２、伸縮層１２０およびシム層１３０を備えており、電極層１１１、１１２への電圧の印加により屈曲し、交流電圧を印加すれば振動する。

【0021】

電極層１１１、１１２は、例えばＡｇまたはＡｇ−Ｐｄ等の導電体で形成されている。電極層１１１は、圧電素子１００の端面に形成されており、リード線１５０がハンダ１５５で接続されている。電極層１１２は、圧電素子１００の内部に埋設されている。電極層１１２は、バイアホール電極１１２ｂにより圧電素子１００の端面に形成された電極層１１２ａに接続されており、電極層１１２ａには、リード線１６０がハンダ１６５で接続されている。

【0022】

このように圧電素子１００は、複数の電極層１１１、１１２のうち、同電圧を印加される電極層は、互いにバイアホール電極で接続されている。これにより、外部電極による接続を無くし、ハンダ付けする際の電極食われを防止できる。また、焼成工程後の電極ペーストの印刷焼き付けを不要にし、生産工数を削減できる。

【0023】

バイアホール電極の接続手法では、圧電層にφ０．１〜０．２程度の穴を開け、その中に共材などで焼成収縮率を合わせ込んだＡｇまたはＡｇ−Ｐｄを印刷充填した圧電体グリーンシートをプレス圧着する。そして、最高温度１０００℃〜１２６０℃程度で一体焼成してバイアホール電極を形成する。

【0024】

バイアホール電極の接続を用いた圧電素子は、バイアホール電極の部分が外部接続電極の形成されたフレキシブル基板へ圧着され、外部へ接続が取り出される。バイアホール電極の部分にＡｇ、Ａｇ−Ｐｄペーストを印刷焼成し、引き出しリード線をハンダ付けしてもよい。

【0025】

また、端面に設けられた電極層１１１は、Ｐｔを含有することが好ましい。これにより、端面の電極層１１１に、リード線１５０、１６０をハンダ１５５、１６５で接続するためにリフロー処理した際に電極食われを防止することができる。なお、Ｐｔは、ＡｇまたはＡｇ−Ｐｄに１ｗｔ％以上含有されて電極層を構成していることが好ましく、１００％Ｐｔの電極層であってもよい。また、上記の例ではバイアホール電極の接続を用いているがＰｔ含有の外部電極で接続してもよい。

【0026】

伸縮層１２０は、複数の電極層１１１、１１２の間に圧電材料で形成され、あらかじめ分極されており、電極層１１１、１１２への電圧の印加により伸縮する。圧電材料としては例えばＰＺＴが挙げられる。

【0027】

シム層１３０は、伸縮層１２０と同じ圧電材料により形成され、分極されておらず電極層１１１、１１２に電圧が印加されても電界も生じることはなく伸縮しない。シム層１３０が伸縮せずに、伸縮層１２０が伸縮することで、圧電素子１００は屈曲する。

【0028】

このようにして、圧電素子１００は、各層が厚み方向に積層されて板状に一体形成され、電圧の印加により屈曲する。接着剤を使用せずにシム構造を取り込んだ一体構造として形成されるため、接着剤の耐熱性や熱膨張係数の合わせ込みを設計する必要がなくなり、製造が容易になる。また、金属板を使用せず一体構造で形成されるため、全体の熱膨張係数が等しくなり、リフロー炉等の熱歪みストレスによる圧電体の特性劣化を防止できる。

【0029】

図１（ａ）、（ｂ）に示す例では、圧電素子１００は、伸縮層１２０とシム層１３０とがユニモルフ型の積層構造を形成している。このようにユニモルフ型とすることで応力集中を低減することができる。

【0030】

（圧電素子の作製方法）
上記のように構成された圧電素子１００の作製方法を説明する。図２は、圧電素子１００の作製方法を示す斜視図である。まず、押し出し成型法、ドクターブレード成型法等によって圧電体のグリーンシート１２１、１３１、１３２を準備し、その上に電極層１１１、１１２、１１２ａのパターンでＡｇまたはＡｇ−Ｐｄペーストを塗布する。外部露出する電極にはＡｇ−ＰｔまたはＡｇ−Ｐｄ−Ｐｔペーストを印刷することが好ましい。

【0031】

これらを圧着プレス成形する。グリーンシート１２１には孔を開けてＡｇまたはＡｇ−Ｐｄと圧電材料とが混合された共材を充填し、バイアホール電極１１２ｂを形成する。積層されたグリーンシートの成形体を必要な大きさに切断した後、最高温度１０００〜１２６０℃にて焼成焼結させる。そして、焼結体に電極間距離に対し１〜３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を印加し分極処理を行うことで、圧電素子１００を作製することができる。

【0032】

圧電素子１００では、グリーンシート１２１の部分が伸縮層１２０となり、グリーンシート１３１、１３２の部分がシム層１３０となる。分極された圧電素子の本体に外部との接続用のリード線１５０、１６０をハンダ付けする。なお、上記の例では、３層のグリーンシートを積層しているが、３層に限らず２層構造であってもよい。また、グリーンシートを用いずに印刷積層法で成形を行ってもよい。

【0033】

（圧電素子を用いたサウンダ）
図３、図４は、それぞれ圧電素子１００を用いたサウンダ２００を示す斜視図および断面図である。サウンダ２００は、ケース２１０、蓋２２０、および圧電素子１００を備えている。ケース２１０は、座繰り穴が形成されており、深い穴の縁部２１１に圧電素子１００が接着されている。圧電素子１００は、中央部が中空に浮いた状態で接着されて蓋２２０が閉じられ、ケース２１０内部に保持されている。

【0034】

ケース２１０は、座繰り穴の縁部に端子２１７、２１８を有しており、リード線１５０、１６０は、それぞれ端子２１７、２１８に接続されている。端子２１７、２１８から、圧電素子１００の電極層１１１、１１２に交流が印加されることで、圧電素子１００が振動する。振動により発生した音は、座繰り穴の底部に設けられた放音孔２１５から外部に放射される。

【0035】

［第２実施形態］
（圧電素子の構成）
上記の実施形態では、単一の伸縮層により屈曲を発生させる単一層構造であるが、複数の伸縮層を設けた積層構造としてもよい。図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ積層構造を有する圧電素子３００を示す斜視図および断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）における断面５ｂで切断した断面図を示している。

【0036】

圧電素子３００は、複数の電極層３１１〜３１４、伸縮層３２０およびシム層３３０を備えており、電極層３１１〜３１４への電圧の印加により屈曲し、交流電圧を印加すれば振動する。電極層３１１は、圧電素子３００の端面に形成されており、リード線１５０がハンダ１５５で接続されている。また、電極層３１１は、バイアホール電極３１２ｂにより電極層３１３に接続されている。

【0037】

電極層３１２は、圧電素子３００の内部に埋設されている。電極層３１２は、バイアホール電極３１２ｂにより圧電素子３００の端面に形成された電極層３１２ａおよび電極層３１４に接続されており、電極層３１２ａには、リード線１６０がハンダ１６５で接続されている。

【0038】

伸縮層３２０は、複数の電極層３１１〜３１４の間に圧電材料で形成され、あらかじめ分極されており、電極層３１１〜３１４への電圧の印加により伸縮する。シム層３３０は、伸縮層３２０と同じ圧電材料により形成され、分極されておらず電極層３１１〜３１４に電圧が印加されても電界も生じることはなく伸縮しない。シム層３３０が伸縮せずに、伸縮層３２０が伸縮することで、圧電素子１００は屈曲する。

【0039】

（圧電素子の作製方法）
上記のように構成された圧電素子３００の作製方法を説明する。図６は、圧電素子３００の作製方法を示す斜視図である。まず、圧電体のグリーンシート３２１〜３２３、３３１、３３２を準備し、グリーンシート３２１〜３２３、３３１の上には、それぞれ電極層３１１、３１２ａ、３１２、３１３、３１４のパターンでＡｇまたはＡｇ−Ｐｄペーストを塗布する。

【0040】

また、グリーンシート３２１〜３２３の電極層３１２ａの位置に孔を開けて共材を充填し、バイアホール電極３１２ｂを形成し、グリーンシート３２１、３２２の電極層３１１の隅の位置にはバイアホール電極３１１ｂを形成する。これらを圧着プレス成形して焼成し、得られた焼成体を分極処理することで、圧電素子３００を作製することができる。圧電素子３００では、グリーンシート３２１〜３２３の部分が伸縮層３２０となり、グリーンシート３３１、３３２の部分がシム層３３０となる。

【0041】

［第３実施形態］
（圧電素子の構成）
上記の実施形態では、いずれも圧電素子はユニモルフ構造を有しているが、バイモルフ構造を有するものであってもよい。このようにバイモルフ型とすることで低い電圧でも大きな力を出力できる。図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれバイモルフ構造の圧電素子４００を示す斜視図および断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）における断面７ｂで切断した断面図を示している。

【0042】

圧電素子４００は、複数の電極層４１１〜４１４、伸縮層４２０およびシム層４３０を備えており、電極層４１１〜４１４への電圧の印加により屈曲し、交流電圧を印加すれば振動する。電極層４１１は、圧電素子４００の一方の端面に形成されており、リード線４５１がハンダ４５５で接続されている。電極層４１４は、圧電素子４００の他方の端面に形成されており、リード線４６２がハンダで接続されている。

【0043】

電極層４１２、４１３は、圧電素子４００の内部に埋設されている。電極層４１２は、バイアホール電極４１２ｂにより圧電素子４００の一方の端面に形成された電極層４１２ａに接続されており、電極層４１２ａには、リード線４６１がハンダ４６５で接続されている。電極層４１３は、バイアホール電極４１３ｂにより圧電素子４００の他方の端面に形成された電極層４１３ａに接続されており、電極層４１３ａには、リード線４５２がハンダで接続されている。リード線４５１、４５２に同じ電圧を印加し、リード線４６１、４６２に同じ電圧を印加する。

【0044】

伸縮層４２０は、電極層４１１、４１２間と電極層４１３、４１４間とにそれぞれ圧電材料で形成され、あらかじめ分極されており、電極層４１１〜４１４への電圧の印加により伸縮する。シム層４３０は、伸縮層４２０と同じ圧電材料により、中央部の電極層４１２、４１３間に形成され、分極されておらず電極層４１２、４１３に電圧が印加されても伸縮しない。シム層４３０が伸縮せずに、それぞれの伸縮層４２０が互いに異なる伸び縮みで伸縮することで、圧電素子４００は屈曲する。

【0045】

（圧電素子の作製方法）
上記のように構成された圧電素子４００の作製方法を説明する。図８は、圧電素子４００の作製方法を示す斜視図である。まず、圧電体のグリーンシート４２１、４３１、４３２、４２２を準備し、その上に電極層４１１、４１２ａ、４１２、４１３、４１４、４１３ａのパターンでＡｇまたはＡｇ−Ｐｄペーストを塗布する。

【0046】

また、グリーンシート４２１、４２２には孔を開けて共材を充填し、バイアホール電極４１２ｂ、４１３ｂを形成する。これらを圧着プレス成形し、焼成し、得られた焼成体を分極処理することで、圧電素子４００を作製することができる。圧電素子４００では、グリーンシート４２１、４２２の部分が伸縮層４２０となり、グリーンシート４３１、４３２の部分がシム層４３０となる。

【0047】

（用途）
上記のような圧電素子は、アクチュエータとしても用いることができるが、耐熱性を必要とされる発音素子として用いるのが好適である。例えば、リフロー炉による回路基板へのハンダ付け方法が必要となる面付けタイプの圧電体発音部品として用いるのも効果的である。表面電極に直接ハンダ付けを行う工程があっても耐久が可能になる。

【符号の説明】

【0048】

１００ 圧電素子
１１１、１１２、１１２ａ 電極層
１１２ｂ バイアホール電極
１２０ 伸縮層
１３０ シム層
１２１、１３１、１３２ グリーンシート
１５０、１６０ リード線
１５５、１６５ ハンダ
２００ サウンダ
２１０ ケース
２１１ 縁部
２１５ 放音孔
２１７、２１８ 端子
２２０ 蓋
３００ 圧電素子
３１１、３１２、３１２ａ、３１３、３１４ 電極層
３１２ｂ バイアホール電極
３２０ 伸縮層
３３０ シム層
３２１〜３２３、３３１、３３２ グリーンシート
４００ 圧電素子
４１１、４１２ａ、４１３、４１３ａ、４１４ 電極層
４１２ｂ、４１３ｂ バイアホール電極
４２０ 伸縮層
４３０ シム層
４２１、４２２、４３１、４３２ グリーンシート
４５１、４５２、４６１、４６２ リード線
４５５、４６５ ハンダ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】