JP7293898B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

本開示は、圧電素子に関する。

特許文献１には、導電性ペーストからなる電極を有する圧電素子が記載されている。このような電極では、導電性ペーストに含まれる導電粒子が互いに接することで導通が図られている。

特許文献２には、導電性ペーストの焼き付けにより形成された電極を有する圧電素子が記載されている。このような電極は、導電粒子同士が互いに接続されてなる多孔質構造を有しているので、導電性ペーストに比べて電気抵抗を低下させることができる。

特開２０１６－１００７６０号公報 実開平６－６２７００号公報

上述のような多孔質構造を有する電極は、脆く、壊れ易い。したがって、電極の剥離及び電極からのパーティクルが発生し易い。

本開示の一側面は、電極の電気抵抗を低下させながら、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生を抑制可能な圧電素子を提供する。

本開示の一側面に係る圧電素子は、互いに対向する第１主面及び第２主面を有する圧電体と、第１主面に設けられた電極と、を備え、電極は、多孔質構造を有する金属部分と、金属部分に含侵された樹脂部分とを含み、第１主面は、金属部分と接する第１領域と、樹脂部分と接する第２領域と、を有している。

この圧電素子では、電極は、多孔質構造を有する金属部分を含むので、電極の電気抵抗を低下させることができる。電極は、金属部分に含侵された樹脂部分を含む。金属部分の空孔又は空隙が樹脂部分によって埋められているので、金属部分が壊れ難い。よって、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生を抑制することができる。第１主面は、樹脂部分と接する第２領域を有している。樹脂部分が第２領域と接合することにより、第１主面と電極との密着性を向上させることができる。

樹脂部分は、第１主面と、第１主面と対向して配置される外部部材とを接合していてもよい。この場合、樹脂部分を、第１主面と外部部材とを接合する接合部材としても機能させることができる。

金属部分は、第１主面と対向して配置される導電性の外部部材と接していてもよい。この場合、電極と外部部材との間の電気抵抗を低下させることができる。

第１主面には、スリットが設けられていてもよい。この場合、第１主面は、スリットが設けられていない面よりも変形し易いので、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生の抑制効果がより有効に発揮される。

本開示の一側面によれば、電極と圧電体との密着性を向上させながら、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生を抑制可能な圧電素子を提供することができる。

一実施形態に係る圧電素子を備える圧電デバイスを示す断面図である。 図１の圧電素子を示す斜視図である。 第１電極の断面構造を示す写真図である。

以下、添付図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、一実施形態に係る圧電素子を備える圧電デバイスを示す断面図である。図１に示されるように、圧電デバイス１００は、圧電素子１と、圧電素子１が設けられた振動部材２０とを備えている。圧電デバイス１００は、例えば、超音波を送受信して車間距離を検知する車載用センサ、又は複写機のトナーの量を検知する粉体レベルセンサ等のセンサとして使用される。圧電デバイス１００は、アクチュエータとしても使用される。

振動部材２０は、導電性を有している。振動部材２０は、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の金属板である。振動部材２０は、互いに対向する一対の主面２０ａ，２０ｂを有している。振動部材２０は、圧電素子１の後述の主面２ａと対向して配置されている。振動部材２０は、例えば、圧電素子１を覆うケースの一部分であってもよい。

図２は、図１の圧電素子を示す斜視図である。図１及び図２に示されるように、圧電素子１は、例えば、振動部材２０の主面２０ａに貼り付けられている。圧電素子１は、圧電体２と、第１電極３と、第２電極４と、を備えている。

圧電体２は、例えば、直方体形状を呈している。直方体形状には、角部及び稜線部が面取りされている直方体の形状、及び、角部及び稜線部が丸められている直方体の形状が含まれる。圧電体２は、その外表面として、互いに対向する主面２ａ及び主面２ｂと、互いに対向する一対の側面２ｃと、互いに対向する一対の側面２ｄと、を有している。

主面２ａ及び主面２ｂが互いに対向する方向Ｄ１と、一対の側面２ｃが互いに対向する方向Ｄ２と、一対の側面２ｄが互いに対向する方向Ｄ３とは、互いに交差（例えば、直交）している。圧電体２の方向Ｄ１の長さは、例えば、３ｍｍであり、圧電体２の方向Ｄ２の長さは、例えば、８ｍｍであり、圧電体２の方向Ｄ３の長さは、例えば８ｍｍである。

主面２ａ及び主面２ｂは、一対の側面２ｃの間を連結するように方向Ｄ２に延びている。主面２ａ及び主面２ｂは、一対の側面２ｄの間を連結するように方向Ｄ３にも延びている。一対の側面２ｃは、主面２ａ及び主面２ｂの間を連結するように方向Ｄ１に延びている。一対の側面２ｃは、一対の側面２ｄの間を連結するように方向Ｄ３にも延びている。一対の側面２ｄは、主面２ａ及び主面２ｂの間を連結するように方向Ｄ１に延びている。一対の側面２ｄは、一対の側面２ｃの間を連結するように方向Ｄ２にも延びている。

主面２ａは、第１電極３を介して外部部材と対向する面である。本実施形態では、外部部材は、振動部材２０である。主面２ａには、複数（ここでは３つ）のスリット５が設けられている。複数のスリット５は、方向Ｄ３において等間隔で並んでいる。スリット５は、方向Ｄ２に延び、一方の側面２ｃから他方の側面２ｃに至っている。スリット５は、例えば、圧電素子１がセンサに使用される場合に、センシングのための共振周波数及びインピーダンス波形等を調整するために設けられている。

スリット５の底面は、方向Ｄ１において主面２ｂと対向している。スリット５の底面は、例えば、主面２ａ，２ｂと平行に設けられている。複数のスリット５の底面と主面２ｂとの間隔は、互いに同等である。すなわち、複数のスリット５の方向Ｄ１の長さは、互いに同等である。

スリット５の方向Ｄ１の長さ（スリット５の深さ）は、例えば２．６ｍｍである。スリット５の方向Ｄ２の長さは、圧電体２の方向Ｄ２の長さと一致しており、例えば８ｍｍである。スリット５の方向Ｄ３の長さ（スリット５の幅）は、例えば０．３ｍｍである。方向Ｄ１におけるスリット５と主面２ｂとの離間距離は、例えば０．４ｍｍである。

主面２ａは、複数のスリット５により分割された複数（ここでは４つ）の主面部分２ａ１を有している。方向Ｄ３で隣り合う一対の主面部分２ａ１は、スリット５を介して互いに離間している。複数の主面部分２ａ１は、方向Ｄ３において等間隔で並んでいる。複数の主面部分２ａ１は、互いに同形状を呈している。

圧電体２は、圧電材料からなる。本実施形態では、圧電体２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、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とし、Ｎｂ、Ｚｎ、Ｎｉ又はＳｒ等の元素が添加されたものが挙げられる。

第１電極３及び第２電極４は、圧電体２の外表面に設けられている。具体的には、第１電極３は、主面２ａに設けられている。第１電極３は、スリット５を除く主面２ａの略全面に設けられている。第２電極４は、主面２ｂに設けられている。第２電極４は、主面２ｂの略全面に設けられている。第１電極３及び第２電極４の厚さ（方向Ｄ１の長さ）は、例えば同等である。第１電極３及び第２電極４の厚さは、例えば５μｍである。

第１電極３は、複数のスリット５により分割された複数（ここでは４つ）の電極部分３１を有している。方向Ｄ３で隣り合う一対の電極部分３１は、スリット５を介して互いに離間している。複数の電極部分３１は、複数の主面部分２ａ１にそれぞれ設けられている。複数の電極部分３１は、複数の主面部分２ａ１の略全面にそれぞれ設けられている。

図３は、第１電極の断面構造を示す写真図である。図３は、方向Ｄ１に平行な面による断面写真である。図３に示されるように、第１電極３（具体的には、図１に示される各電極部分３１）は、金属部分３ｍと、樹脂部分３ｒと、を含んでいる。金属部分３ｍは、複数の空孔又は空隙を含む多孔質構造を有している。この多孔質構造は、第１電極３の全体にわたって３次元的に形成されている。金属部分３ｍは、第１電極３の全体にわたって三次元的に形成されたメッシュ（網目）構造を有しているとも言える。

金属部分３ｍは、例えば、Ａｇ等の導電性材料からなる。導電性材料として、Ｐｄ、Ａｇ－Ｐｄ合金、Ａｕ、Ｐｔ、又はＮｉ等が用いられてもよい。金属部分３ｍは、例えば、導電性材料を含む導電性ペーストを主面２ａに付与し、焼き付けることにより導電性粒子同士が互いに接続されて形成される。この場合、金属部分３ｍは、焼結金属である。焼き付け温度は、例えば、６００℃以上８００℃以下とすることができる。金属部分３ｍの多孔質構造は、焼き付け処理以外の方法で形成されてもよい。したがって、金属部分３ｍは、必ずしも焼結金属でなくてもよい。

樹脂部分３ｒは、金属部分３ｍに含侵されている。樹脂部分３ｒは、多孔質構造に浸透し、その空孔又は空隙に充填されている。樹脂部分３ｒは、例えば、エポキシ等の樹脂からなる。樹脂部分３ｒは、例えば、所定の粘度に調整された樹脂を金属部分３ｍ上に塗布して含侵させた後、硬化させることにより形成される。所定の圧力で加圧することにより、樹脂を金属部分３ｍに含侵させてもよい。

上述のように、金属部分３ｍの多孔質構造は、第１電極３の全体にわたっており、樹脂部分３ｒは、その多孔質構造の全体にわたって含侵されているので、圧電体２の主面２ａは、金属部分３ｍと接する第１領域Ｒ１と、樹脂部分３ｒと接する第２領域Ｒ２とを有している。また、振動部材２０の主面２０ａは、金属部分３ｍと接する第３領域Ｒ３と、樹脂部分３ｒと接する第４領域Ｒ４とを有している。樹脂部分３ｒは、主面２ａと主面２０ａとを接合しており、接着剤として機能している。

第１電極３において金属部分３ｍが占める割合は、例えば、３０％以上９５％以下である。第１電極３において樹脂部分３ｒが占める割合は、例えば、５％以上７０％以下である。金属部分３ｍの空孔又は空隙において樹脂部分３ｒが占める割合は、例えば、３０％以上である。このような割合は、例えば、方向Ｄ１に平行な面による断面写真における面積割合として求められる。

金属部分３ｍ及び樹脂部分３ｒの割合は、それぞれ第１電極３の厚さ方向（方向Ｄ１）の位置によって大きく変化しない。

図示を省略するが、第２電極４は、例えば、第１電極３と同様の多孔質構造の金属部分を含む。第２電極４の金属部分は、例えば、第１電極３と同様の導電性材料からなり、当該導電性材料を含む導電性ペーストを主面２ｂに付与し、焼き付けることにより形成される。本実施形態では、第２電極４は樹脂部分を含まないが、第２電極４は樹脂部分を含んでもよい。

圧電素子１及び圧電デバイス１００の製造方法の一例について説明する。まず、圧電セラミック材料の粉末に、ポリビニール系バインダ及び水等を加え、圧電セラミックスのペーストを形成する。次に、圧電セラミックスのペーストを所定の大きさの金型に充填し、例えば、４０ＭＰａの圧力でプレス成形する。これにより、セラミックグリーンが得られる。続いて、セラミックグリーンに脱バインダ処理を施す。脱バインダ処理は、例えば、４００℃で１２時間かけて行われる。続いて、セラミックグリーンを焼成する。焼成は、例えば、１２５０℃で４時間かけて行われる。これにより、圧電体が得られる。

次に、圧電体をラップ研磨し、例えば、厚さ３．２ｍｍの板状に成形する。続いて、導電性ペーストを圧電体の両主面に付与する。導電性ペーストは、例えば、Ａｇ等の導電性材料の粉末にバインダ、可塑剤及び有機溶剤等を加えることにより形成される。導電性ペーストは、ガラス成分（例えば、主にＳｉ）も含む。導電性ペーストは、例えばスクリーン印刷により２０μｍの厚さで付与される。続いて、圧電体の外周研削、及び、スリット加工を施す。その後、導電性ペーストの焼き付け処理を行う。焼き付け処理は、例えば、５００℃で１０分間かけて行われる。

次に、圧電素子に分極処理を施す。分極処理は、例えば、１５０℃で、電界強度３．５ｋＶ／ｍｍの電圧を圧電素子の電極に５分間印加することにより行われる。これにより、第１電極及び第２電極の金属部分が形成される。続いて、第１電極の金属部分上に樹脂を塗布した後、含侵させる。樹脂は、例えば、スクリーン印刷により約１０００μｍの厚さで塗布される。樹脂の粘度は、例えば、１０Ｐａ・ｓであり、４０℃で１５分間かけて樹脂を金属部分に含侵させる。

次に、第１電極上に振動部材を貼り付けた後、樹脂を硬化させる。これにより、金属部分及び樹脂部分を含む第１電極が形成され、圧電素子及び圧電デバイスが得られる。

以上説明したように、圧電素子１では、第１電極３は、多孔質構造を有する金属部分３ｍを含む。よって、第１電極３によれば、導電性ペーストからなる電極に比べて、電気抵抗を低下させることができる。第１電極３は、金属部分３ｍに含侵された樹脂部分３ｒを含む。金属部分３ｍの空孔又は空隙が樹脂部分３ｒによって埋められているので、金属部分３ｍが樹脂部分３ｒによって補強される。その結果、金属部分３ｍが壊れ難い。よって、金属部分３ｍが壊れることによって生じる第１電極３の剥離及び第１電極３からのパーティクルの発生を抑制することができる。圧電素子は変位するので、変位しない他の電子部品に比べて、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生を抑制することが特に重要である。

主面２ａは、樹脂部分３ｒと接する第２領域Ｒ２を有している。主面２ａが第２領域Ｒ２を有さない場合、つまり、主面２ａが樹脂部分３ｒと接していない場合として、例えば、主面２ａ近傍で樹脂部分３ｒが金属部分３ｍに含侵されていない場合が考えられる。このような場合に比べて、本実施形態では、樹脂部分３ｒが第２領域Ｒ２と接合することにより、主面２ａと第１電極３との密着性を向上させることができる。

主面２ａは、金属部分３ｍと接する第１領域Ｒ１を有している。導電性ペーストの焼き付け処理により、第１領域Ｒ１と金属部分３ｍとの界面部分では、圧電体２と導電性ペーストの金属の成分とが反応する。また、導電性ペーストのガラス成分（例えば、主にＳｉ）が溶けて、圧電体２の主面２ａにおける粒界に入り込むことによって、圧電体２と第１電極３との密着性が向上する。これにより、導電性ペーストからなり、焼き付け処理されていない電極に比べて、主面２ａと第１電極３との密着性が向上する。粒界に入り込んだガラス成分として、Ｓｉの他にＺｎ及びＡｌが検出される場合がある。

樹脂部分３ｒは、主面２ａと、主面２ａと対向して配置される外部部材としての振動部材２０とを接合する。このため、樹脂部分３ｒを、金属部分３ｍの補強部材として機能させるだけでなく、主面２ａと振動部材２０とを接合する接合部材としても機能させることができる。

金属部分３ｍは、主面２ａと対向して配置される導電性の外部部材としての振動部材２０と接する。これにより、第１電極３と振動部材２０との間の電気抵抗を低下させることができる。

主面２ａには、スリット５が設けられている。主面２ａは、スリット５が設けられていない主面２ｂよりも変形し易い。第１電極３は、このように変形し易い主面２ａに設けられている。このため、第１電極３が、スリットが形成されていない主面２ｂに設けられている場合に比べて、第１電極３の剥離及び第１電極３からのパーティクルの発生の抑制効果がより有効に発揮される。

以上、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。

例えば、第２電極４が多孔質構造の金属部分に加えて、金属部分に含侵された樹脂部分を有していてもよい。この場合、第２電極４の剥離及び第２電極４からのパーティクルの発生を抑制することができる。

主面２ａには、スリット５が設けられていなくてもよい。第１電極３には、振動部材２０が貼り付けられていなくてもよい。

１…圧電素子、２…圧電体、２ａ…主面、３…第１電極、５…スリット、３ｍ…金属部分、３ｒ…樹脂部分、２０…振動部材（外部部材）、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域。

Claims (4)

1. 互いに対向する第１主面及び第２主面を有する圧電体と、
   前記第１主面に設けられた電極と、を備え、
   前記電極は、三次元的に形成された網目構造である多孔質構造を有する金属部分と、前記金属部分に含侵された樹脂部分とを含み、
   前記第１主面は、前記金属部分と接する第１領域と、前記樹脂部分と接する第２領域と、を有し、
   前記金属部分は、前記第１主面に焼き付けられた焼結金属であり、
   前記樹脂部分は、硬化されている、圧電素子。
2. 前記樹脂部分は、前記第１主面と、前記第１主面と対向して配置される外部部材とを接合する、請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記金属部分は、前記第１主面と対向して配置される導電性の外部部材と接する、請求項１又は２に記載の圧電素子。
4. 前記第１主面には、スリットが設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の圧電素子。

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