CN107615503B

CN107615503B - 压电元件

Info

Publication number: CN107615503B
Application number: CN201680027388.1A
Authority: CN
Inventors: 真田英和
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2036-04-20
Also published as: CN107615503A; EP3343652A9; WO2017033493A1; EP3343652A4; EP3343652A1; JP6535745B2; US20180138390A1; JPWO2017033493A1; US10784434B2; EP3343652B1

Abstract

在对压电元件施加了压力时，薄壁区域可发生变形而应力不会集中在厚壁区域，因此在表面电极与陶瓷的界面产生破裂的情况得到抑制，压力传感器的输出长期稳定。压电元件(10)具备：具有对置的一个主面以及另一个主面的板状的压电体(1)；和设置在一个主面的第1表面电极(2)以及设置在另一个主面的第2表面电极(3)，第1表面电极以及第2表面电极当中的至少一个具有厚度比中央部厚的周缘部(4)，该周缘部(4)具有厚度厚的厚壁区域(5)和厚度比该厚壁区域5薄的薄壁区域(6)。

Description

压电元件

技术领域

本发明涉及例如用作压力传感器元件、压电驱动元件(压电致动器)以及压电电路元件等的压电元件。

背景技术

用作压力传感器的压电元件例如被组装到汽车的发动机、悬架等部分，用在发动机的燃烧控制、车体的姿势控制中。作为这样的压电元件，例如已知在板状的压电体的对置的主面具备表面电极的元件(例如，参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开平11-292625号公报

发明内容

发明要解决的课题

上述的压电元件能够通过丝网印刷来形成表面电极。这里，通过丝网印刷形成的表面电极其周缘部的厚度有时会比中央部的厚度厚。

在这样的压电元件中，若对压电元件的施加压力的面施加垂直方向的力，则应力会集中在表面电极的厚度厚的周缘部，可能会在表面电极与压电体的界面产生破裂。

本发明鉴于上述的问题点而提出，其目的在于，提供一种抑制在表面电极与压电体的界面产生破裂且提高长期可靠性的压电元件。

用于解决课题的手段

本发明的一形式的压电元件具备：具有对置的一个主面以及另一个主面的板状的压电体；和设置于所述一个主面的第1表面电极以及设置于所述另一个主面的第2表面电极，所述第1表面电极以及所述第2表面电极当中的至少一个具有厚度比中央部厚的周缘部，该周缘部具有厚度厚的厚壁区域和厚度比该厚壁区域薄的薄壁区域。

发明效果

根据本发明的一形式的压电元件，能够成为抑制在表面电极与压电体的界面产生破裂且提高了长期可靠性的压电元件。

附图说明

图1(a)是表示本实施方式的压电元件的一例的示意立体图，(b)是(a)所示的压电元件的示意俯视图。

图2(a)是以图1(b)所示的X-X’线切断的剖视图，(b)是以图1(b)所示的Y-Y’线切断的剖视图。

图3(a)～(c)是表示以图1(b)所示的Z-Z’线切断的剖面的变形的图。

图4是表示以图1(b)所示的Z-Z’线切断的剖面的另一例的图。

图5(a)是表示本实施方式的压电元件的另一例的俯视图，(b)是以(a)所示的X-X’线切断的剖视图，(c)是以(a)所示的Y-Y’线切断的剖视图。

图6是表示本实施方式的压电元件的又一例的X-X’线剖视图。

具体实施方式

参照附图，说明本实施方式的压电元件的一例。另外，在以下的说明中，主要以将压电元件用作压力传感器的例子来进行说明，针对同一结构使用同一符号。

图1(a)是表示本实施方式的压电元件的一例的示意立体图，图1(b)是图(a)所示的压电元件的示意俯视图。此外，图2(a)是以图1(b)所示的X-X’线切断的剖视图，(b)是以图1(b)所示的Y-Y’线切断的剖视图。

图1(a)、(b)所示的压电元件10具备：具有对置的一个主面以及另一个主面的板状的压电体1；和设置在一个主面的第1表面电极2以及设置在另一个主面的第2表面电极3，第1表面电极2以及第2表面电极3当中的至少一个具有厚度比中央部厚的周缘部4，该周缘部4具有厚度厚的厚壁区域5和厚度比该厚壁区域5薄的薄壁区域6。

压电体1利用具有压电特性的陶瓷形成为板状，作为这样的陶瓷，例如可使用由钛酸锆酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃)构成的钙钛矿型氧化物、铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)等。压电体1的厚度例如设为100μm～10mm，压电体1在俯视下的形状可以是圆形、椭圆形、多边形形状等任何形状。例如，在圆形的情况下，可将直径设为0.5～20mm。

第1表面电极2以及第2表面电极3被设置成与板状的压电体1的对置的一对主面相互对置。作为第1表面电极2以及第2表面电极3的形成材料，例如可列举以银、银-钯合金为主成分的导体、或者包含金、铜、白金、铬等的导体。

在此，如图2(a)、(b)所示，在本实施方式的压电元件10中，第1表面电极2具有厚度比中央部厚的周缘部4。并且，周缘部4具有厚度厚的厚壁区域5和厚度比该厚壁区域5薄的薄壁区域6。即，第1表面电极2的周缘部4从压电体1的一个主面起的厚度不是恒定的，而是具有从压电体1的一个主面起的厚度厚的厚壁区域5，和从压电体1的一个主面起的厚度比厚壁区域5薄的薄壁区域6。由此，在厚壁区域5与薄壁区域6之间存在厚度之差。另外，对于第1表面电极2的周缘部4的厚度来说，即使是薄壁区域6其厚度也比中央部厚。

周缘部4是第1表面电极2的沿压电体1外周的区域，从压电体1的中央部一直到外周来看，比中央部的厚度厚20％以上的部分的更靠外侧的区域成为周缘部4。也就是说，如图2(a)、(b)所示，在将中央部的厚度设为t时，从第1表面电极2的中央部一直到外周来看时，变成1.2t厚度的部分的更外侧是周缘部4。

此外，优选周缘部4相对于将隔着中心对置的外周彼此相连的距离，距各个外周的距离在连接外周彼此的距离的15％以下，其中上述中心是俯视下的第1表面电极2的重心。例如，在压电体1在俯视下是圆形的情况下，优选第1表面电极2的周缘部4距各个外周的距离变成直径的15％以下的距离。由此，在使用压电元件10作为压力传感器的情况下，能够提高传感器灵敏度的精度。

并且，周缘部4具有从压电体1的一个主面起的厚度厚的厚壁区域5和厚度比该厚壁区域5薄的薄壁区域6。例如，在周缘部4中，当将最厚部分的厚度设为tMax、将最薄部分的厚度设为tMin、将tMax与tMin的中间的厚度((tMax+tMin)/2)设为tMid时，比tMid厚的区域是厚壁区域5，比tMid薄的区域是薄壁区域6。另外，周缘部4的最厚部分的厚度tMax与最薄部分的厚度tMin之差优选在最薄部分的厚度tMin的30％以上。

第1表面电极2的中央部的厚度例如是0.10～20μm，厚壁区域5的厚度例如是0.50～40μm，薄壁区域6的厚度例如是0.15～30μm。此外，在俯视下，第1表面电极2的薄壁区域6的面积比率是周缘部4整体的5～20％程度。

这样，第1表面电极2具有厚度比中央部厚的周缘部4，该周缘部4具有从与压电体1的一个主面对置的面至相反侧面的厚度厚的厚壁区域5、和厚度比该厚壁区域5薄的薄壁区域6，因此能够朝向因厚壁区域5与薄壁区域6的厚度之差而形成的空间进行变形，从而在对压电元件10施加压力时，从第1表面电极2加到压电体1的应力集中得到抑制，所以能够成为抑制在表面电极与压电体1的界面产生破裂且提高了长期可靠性的压电元件10。另外，在将压电元件10用作压力传感器情况下，能够成为输出稳定的压力传感器。

在图1、图2中，采用第1表面电极2的周缘部4具备厚壁区域5和薄壁区域6的例子进行了说明，但是也可以是第2表面电极3的周缘部4具备厚壁区域5和薄壁区域6，或者也可以是第1表面电极2以及第2表面电极3双方的周缘部4都具备厚壁区域5和薄壁区域6。

图3(a)～图3(c)是表示以图1(b)所示的Z-Z’线切断的剖面的变形图，图4是表示以图1(b)所示的Z-Z’线切断的剖面的另一例的图。

图3(a)～图3(c)以及图4表示从厚壁区域5一直到薄壁区域6厚度发生变化的例子的变形。图3(a)所示的压电元件10是在厚壁区域5与薄壁区域6之间具有高低差的方式，凹陷的区域是薄壁区域6，其外侧的区域是厚壁区域5。图3(b)所示的压电元件11是有两段高低差的方式，厚度薄的区域是薄壁区域6，其外侧的区域包含形成为台阶状的部位在内是厚壁区域5。图3(c)所示的压电元件12是在厚壁区域5与薄壁区域6之间具有倾斜部的方式，厚度薄的区域是薄壁区域6，其外侧的区域包含倾斜部在内是厚壁区域5。

如图3(a)、(b)这样，在厚壁区域5与薄壁区域6之间有高低差的情况下，当对压电元件10施加了压力时，厚壁区域5朝向因厚壁区域5与薄壁区域6的厚度之差形成的空间扩展变形，由此从第1表面电极2加到压电体1的应力集中得到抑制。由此，能够成为抑制在表面电极与压电体1的界面产生破裂且提高了长期可靠性的压电元件10。

此外，如图3(c)这样，在厚壁区域5与薄壁区域6之间有倾斜部的情况下，由于在厚壁区域5与薄壁区域6之间没有高低差，所以应力更均匀地分散，从第1表面电极2加到压电体1的应力集中进一步得到抑制。

此外，图4所示的压电元件13示出从厚壁区域5一直到薄壁区域6厚度发生变化的例子当中，从厚壁区域5一直到薄壁区域6厚度逐渐发生变化的例子。由此，在对压电元件13施加了压力时，厚壁区域5平稳地朝向因厚壁区域5与薄壁区域6的厚度之差形成的空间发生变形，应力在厚壁区域5与薄壁区域6之间进一步均匀地分散。特别是，在将压电元件13用作压力传感器的情况下，压力传感器的输出稳定。

图5(a)是表示本实施方式的压电元件的另一例的俯视图，图5(b)是以图5(a)所示的X-X’线切断的剖视图，图5(c)是以图5(a)所示的Y-Y’线切断的剖视图。

在图5所示的压电元件14中，薄壁区域6设置在两处。由此，厚壁区域5可变形的地方增加，能够进一步抑制破裂的产生。另外，薄壁区域6也可以设置两处以上。此外，在将薄壁区域6设置在多个地方的情况下，优选设置成薄壁区域6相对于压电体1的重心处在点对称的位置。由此，在第1表面电极2的周缘部，应力均匀地分散，从第1表面电极2加到压电体1的应力集中得到抑制，因此能够进一步抑制破裂的产生。

图6是表示本实施方式的压电元件的又一例的X-X’线剖视图。在图6所示的压电元件15中，第1表面电极2以及第2表面电极3双方的周缘部4都具有薄壁区域6。由此，在压电体1的一个主面以及另一个主面双方的主面，应力集中得到抑制。进一步地，如图6所示，也可以是薄壁区域6被设置成隔着压电体1对置的结构。由此，在对压电元件15施加了压力时，在第1表面电极2以及第2表面电极3中，能够使厚壁区域5的可变形的地方一致，因此能够进一步增大厚壁区域5的变形。因此，能够成为长期可靠性得到提高的压电元件15。

接着，说明本实施方式的压电元件10的制造方法。

首先，将压电陶瓷的预烧粉末和由丙烯系、丁醛系等有机高分子构成的粘合剂混合，制作原料粉末。作为压电陶瓷，只要具有压电特性即可，例如，能够使用由钛酸锆酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃)构成的钙钛矿型氧化物等。然后，使用压力机等成形，在给定的温度下进行脱粘合剂处理，之后在900～1500℃的温度下烧固，使用平面磨削盘等实施磨削处理，成为给定的形状，由此制作压电体1。

接着，制作会成为第1表面电极2、第2表面电极3的导电性膏。具体来说，在银的金属粉末中与玻璃粉末一起添加混合粘合剂以及可塑剂，由此制作导电性膏。在上述的压电体1上使用丝网印刷法印刷涂敷该导电性膏，形成第1表面电极2以及第2表面电极3的图案。进一步地，对印刷了该导电性膏的压电体1在给定的温度下进行脱粘合剂处理，之后在600～900℃的温度下烧固。

在此，说明厚壁区域5和薄壁区域6的制作方法。在例如使用丝网印刷法来印刷导电性膏时，通过调整导电性膏的粘度来进行印刷，能够形成周缘部4的部分。利用这种方法，第1次印刷成周缘部成为薄壁区域6的厚度，第2次仅印刷厚壁区域5的部分。或者，也可以在印刷成周缘部成为厚壁区域5的厚度之后，通过研磨等方法削掉厚壁区域5的一部分来形成薄壁区域6。此外，作为其他方法，有控制丝网印刷时的刮板的形状、按压强度来使厚壁区域5和薄壁区域6不同的方法，使筛眼的间隔在厚壁区域5和薄壁区域6不同的方法。进一步地，有使印刷时的图案在厚壁区域5和薄壁区域6不同的方法。此外，在取代丝网印刷，通过蒸镀等薄膜法使厚壁区域5和薄壁区域6不同的方法中，有准备多个掩模图案并进行多次制膜的方法。

通过以上的方法，能够制作本实施方式的压电元件10。

另外，压电元件10并不限于通过上述的制造方法来制作，可以通过任何制造方法来制作。

实施例

说明本发明的实施例。

本发明的压电元件如以下那样制作。首先，制作将以平均粒径为0.8μm的钛酸锆酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃)为主成分的压电陶瓷的预烧粉末、粘合剂混合而成的原料粉末，通过压力机成形后，在600～1200℃下进行脱粘合剂处理，之后在980～1500℃下烧固。之后，用研磨机研磨成厚度变为300～900μm，加工成φ 5.0mm的圆板状，生成压电体。

接着，在银和玻璃的粉末中加入粘合剂，制作会成为表面电极的导电性膏。

接着，通过丝网印刷法在压电体印刷会成为表面电极的导电性膏。此时，厚壁区域是将导电性膏印刷两次来形成的。即，在导电性膏的第1次印刷中形成成为薄壁区域厚度的周缘部。接着，仅在除了会成为周缘部的薄壁区域的部位以外的会成为厚壁区域的部位进行第2次印刷，在周缘部形成薄壁区域和厚壁区域。在此，厚壁区域的厚度是0.50～40μm。此外，薄壁区域的厚度是0.15～30μm，中央部的厚度是0.1～20μm。

接着，在600～900℃的温度下将导电性膏烧接到压电体，从而在压电体的一个主面形成第1表面电极，如图1、图2所示，制作构成为第1表面电极的周缘部具有厚度厚的厚壁区域和厚度比厚壁区域薄的薄壁区域的压电元件(样品1)。

进一步地，作为样品2，如图5所示那样，制作构成为设置了两处第1表面电极的薄壁区域的压电元件。

进一步地，作为样品3，如图6所示那样，制作构成为薄壁区域隔着压电体对置地设置在第1表面电极以及第2表面电极各自的周缘部的压电元件。

此外，作为比较例，还制作构成为表面电极的周缘部全都是厚壁区域且在表面电极的周缘部未形成薄壁区域的压电元件(样品4)。

将这些压电元件(样品1～样品4)分别放入金属保持架中，利用负荷试验的测定机施加1000N的压力，测定了压力传感器输出。样品1～样品4的压电元件都得到了约300μC的输出。

进一步地，以200H_z的振动对该评价反复1.0×10⁹次进行耐久性试验。

关于各个压电元件，利用SEM(Scanning Electron Microscope，扫描型电子显微镜)分析的结果是，作为本发明的实施例的样品1、样品2、样品3的压电元件在表面电极与压电体的界面没有产生破裂。进一步地，对这些样品的输出信号进行评价时，都与试验前的值是同等的，没有发生劣化。

相对于此，作为比较例的样品4的压电元件在表面电极与压电体的界面产生了破裂。进一步地，对该样品4的输出信号进行评价后发现，变成了比试验前低的输出值，发生了劣化。

根据以上可知，实施例的压电元件相比比较例的压电元件，在长期可靠性方面更优异。

符号说明

1...压电体

2...第1表面电极

3...第2表面电极

4...周缘部

5...厚壁区域

6...薄壁区域

10，11，12，13，14，15...压电元件

Claims

1.一种压电元件，具备：

具有对置的一个主面以及另一个主面的板状的压电体；和

设置于所述一个主面的第1表面电极以及设置于所述另一个主面的第2表面电极，

所述第1表面电极以及所述第2表面电极当中的至少一个具有厚度比中央部厚的周缘部，

该周缘部在圆周方向上具有厚度厚的厚壁区域和厚度比该厚壁区域薄的薄壁区域。

2.根据权利要求1所述的压电元件，其中，

所述周缘部的厚度从所述厚壁区域一直到所述薄壁区域逐渐发生变化。

3.根据权利要求1所述的压电元件，其中，

设置有多个所述薄壁区域。

4.根据权利要求2所述的压电元件，其中，

设置有多个所述薄壁区域。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的压电元件，其中，

所述第1表面电极以及所述第2表面电极双方的所述周缘部具有所述薄壁区域。

6.根据权利要求5所述的压电元件，其中，

所述薄壁区域被设置成隔着所述压电体对置。