JP6265012B2 - Piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric element.
圧電素子として、互いに対向する一対の主面を有し且つ圧電セラミックからなる圧電基板と、一対の主面上に配置されている一対の電極と、を備えているものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。圧電素子（圧電基板）は、圧電セラミックの各結晶粒が分極されることにより、圧電特性を発現している。 2. Description of the Related Art A piezoelectric element is known that includes a piezoelectric substrate having a pair of main surfaces facing each other and made of piezoelectric ceramic, and a pair of electrodes disposed on the pair of main surfaces (for example, , See Patent Document 1). Piezoelectric elements (piezoelectric substrates) exhibit piezoelectric characteristics when each crystal grain of piezoelectric ceramic is polarized.
本発明は、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることが可能な圧電素子を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a piezoelectric element that exhibits excellent piezoelectric characteristics and can improve the amount of displacement.
本発明者らは、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図り得る圧電素子について、調査研究を行った。その結果、本発明者らは、以下の事実を見出した。 The present inventors have conducted research on piezoelectric elements that exhibit excellent piezoelectric characteristics and can improve the amount of displacement. As a result, the present inventors have found the following facts.
圧電セラミックの各結晶粒は、形状の変化を伴い分極される。圧電基板上には、電極が配置されている。このため、圧電基板における電極との界面及び界面近傍に位置する結晶粒（以下、単に、「界面近傍に位置する結晶粒」と称する）は、電極により、形状の変化が抑制されることとなり、その分極が阻害されてしまう懼れがある。分極が阻害された結晶粒が存在していると、圧電素子（圧電基板）では、発現する圧電特性の低下は否めない。すなわち、界面近傍に位置する結晶粒の分極の阻害が軽減されれば、圧電素子は、優れた圧電特性を発現することとなる。 Each crystal grain of the piezoelectric ceramic is polarized with a change in shape. Electrodes are arranged on the piezoelectric substrate. For this reason, the crystal grains located in the vicinity of the interface with the electrode in the piezoelectric substrate and in the vicinity of the interface (hereinafter simply referred to as “crystal grains located in the vicinity of the interface”) are prevented from changing in shape by the electrode. There is a fear that the polarization is inhibited. If crystal grains in which polarization is inhibited are present, the piezoelectric element (piezoelectric substrate) cannot be denied a deterioration in the piezoelectric characteristics. That is, if the inhibition of the polarization of the crystal grains located in the vicinity of the interface is reduced, the piezoelectric element will exhibit excellent piezoelectric characteristics.
一対の電極により圧電基板に電界を印加し、圧電素子を駆動する際に、圧電基板は変位しようとするものの、電極自体は変位しようとはしない。このため電極は、圧電基板の変位を阻害するように作用し、圧電素子の変位量が小さくなってしまう懼れがある。すなわち、圧電基板の変位の阻害が軽減されれば、圧電素子は、変位量の向上が図られることとなる。 When an electric field is applied to the piezoelectric substrate by a pair of electrodes to drive the piezoelectric element, the piezoelectric substrate attempts to displace, but the electrode itself does not attempt to displace. For this reason, the electrode acts to inhibit the displacement of the piezoelectric substrate, and the amount of displacement of the piezoelectric element may be reduced. That is, if the inhibition of displacement of the piezoelectric substrate is reduced, the displacement amount of the piezoelectric element can be improved.
そして、本発明者らは、更なる調査研究を行い、以下の事実を見出し、本発明を想到するに至った。 And the present inventors conducted further research and research, found the following facts, and came to conceive the present invention.
圧電基板の主面が梨地面であり、梨地面に沿って梨地面上に形成されている電極は、結晶粒が分極される際に、界面近傍に位置する結晶粒の変形の阻害を軽減する。圧電素子が駆動される際に、梨地面上に形成された上記電極は、圧電基板の変位の阻害を軽減する。 The main surface of the piezoelectric substrate is a satin surface, and the electrodes formed on the satin surface along the matte surface alleviate the inhibition of deformation of the crystal grains located near the interface when the crystal grains are polarized. . When the piezoelectric element is driven, the electrode formed on the textured surface reduces inhibition of displacement of the piezoelectric substrate.
そこで、本発明に係る圧電素子は、互いに対向する一対の主面を有し且つ圧電セラミックからなる圧電基板と、一対の主面上に配置されている一対の電極と、を備え、一対の主面は、梨地面であり、一対の電極は、梨地面である主面に沿って主面上に形成されていることを特徴とする。 Therefore, a piezoelectric element according to the present invention includes a piezoelectric substrate having a pair of main surfaces facing each other and made of piezoelectric ceramic, and a pair of electrodes disposed on the pair of main surfaces. The surface is a pear surface, and the pair of electrodes are formed on the main surface along a main surface that is a pear surface.
本発明に係る圧電素子では、各電極は、梨地面である主面に沿って主面上に形成されているので、電極自体が、梨地面に沿った山谷を有する形状を呈する。このため、各電極は、主面に平行な方向での電極自身の変形を許容しやすく、各電極は、界面近傍に位置する結晶粒の変形の阻害を軽減するとともに、圧電基板の変位の阻害を軽減する。この結果、圧電特性が優れるとともに、変位量の向上を図ることができる。 In the piezoelectric element according to the present invention, each electrode is formed on the main surface along the main surface which is a matte surface, and thus the electrode itself has a shape having a mountain and valley along the pear surface. For this reason, each electrode is easy to tolerate deformation of the electrode itself in a direction parallel to the main surface, and each electrode reduces inhibition of deformation of crystal grains located near the interface and inhibits displacement of the piezoelectric substrate. Reduce. As a result, the piezoelectric characteristics are excellent, and the amount of displacement can be improved.
上記梨地面は、ブラスト処理により形成されている梨地面であってもよい。この場合、山谷がより一層強調された梨地面を簡便に実現できる。 The pear ground may be a pear ground formed by blasting. In this case, it is possible to easily realize a pear ground in which Yamaya is further emphasized.
本発明によれば、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることが可能な圧電素子を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while exhibiting the outstanding piezoelectric characteristic, the piezoelectric element which can aim at the improvement of a displacement amount can be provided.
まず、図１〜図３を参照して、本実施形態に係る圧電素子１の構成を説明する。図１は、本実施形態に係る圧電素子の断面構成を模式的に示す断面図及びその一部拡大図である。図２は、自然面、ブラスト面及び研磨面を模式的に示す一部断面図である。図３は、自然面、ブラスト面及び研磨面の写真図である。 First, the configuration of the piezoelectric element 1 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration of the piezoelectric element according to the present embodiment and a partially enlarged view thereof. FIG. 2 is a partial cross-sectional view schematically showing a natural surface, a blast surface, and a polished surface. FIG. 3 is a photograph of a natural surface, a blast surface, and a polished surface.
圧電素子１は、図１に示されるように、圧電基板３と、一対の電極５，６と、を備えている。圧電素子１は、たとえば、磁気ディスクを備えたディスク装置などに適用される。すなわち、デュアル・アクチュエータ方式のディスク装置において、ボイスコイルモータ以外の第二のアクチュエータとして、圧電素子１が用いられる。圧電素子１は、矩形板状を呈している。圧電素子１の厚さは、たとえば、０．０３ｍｍ〜５ｍｍに設定される。 As illustrated in FIG. 1, the piezoelectric element 1 includes a piezoelectric substrate 3 and a pair of electrodes 5 and 6. The piezoelectric element 1 is applied to, for example, a disk device provided with a magnetic disk. That is, in the dual actuator type disk device, the piezoelectric element 1 is used as the second actuator other than the voice coil motor. The piezoelectric element 1 has a rectangular plate shape. The thickness of the piezoelectric element 1 is set to 0.03 mm to 5 mm, for example.
圧電基板３は、互いに対向する一対の主面３ａ，３ｂと、一対の主面３ａ，３ｂを連結するように一対の主面３ａ，３ｂの対向方向に延びる側面３ｃと、を有している。一対の主面３ａ，３ｂは、図１に示されるような山谷を有する梨地面である。本実施形態では、圧電基板３は、矩形板状を呈している。したがって、圧電基板３は、４つの側面３ｃを有している。圧電基板３の厚さは、たとえば、３０μｍ〜２００μｍに設定される。 The piezoelectric substrate 3 has a pair of main surfaces 3a and 3b facing each other, and a side surface 3c extending in the facing direction of the pair of main surfaces 3a and 3b so as to connect the pair of main surfaces 3a and 3b. . A pair of main surface 3a, 3b is a pear ground which has a mountain valley as shown in FIG. In the present embodiment, the piezoelectric substrate 3 has a rectangular plate shape. Therefore, the piezoelectric substrate 3 has four side surfaces 3c. The thickness of the piezoelectric substrate 3 is set to 30 μm to 200 μm, for example.
圧電基板３は、圧電セラミックからなる。圧電セラミックとしては、ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３］、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ３）、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３］、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などが挙げられる。 The piezoelectric substrate 3 is made of a piezoelectric ceramic. Examples of the piezoelectric ceramic include PZT [Pb (Zr, Ti) O 3 ], PT (PbTiO 3 ), PLZT [(Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ], or barium titanate (BaTiO 3 ). It is done.
一対の電極５，６は、一対の主面３ａ，３ｂ上に配置されている。一対の電極５，６は、梨地面である一対の主面３ａ，３ｂに沿って一対の主面３ａ，３ｂ上に形成されているので、梨地面に沿った山谷を有する形状を呈する。一対の電極５，６は、たとえば、スパッタリング法又は蒸着法などにより一対の主面３ａ，３ｂ上に形成されている。一対の電極５，６は、一対の主面３ａ，３ｂ全体を覆っている。側面３ｃは、一対の電極５，６で覆われていない。一対の電極５，６は、圧電基板３に電界を印加するための電極として機能する。一対の電極５，６は、たとえば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、又はＰｔからなる。一対の電極５，６の厚さは、たとえば、２０ｎｍ〜１μｍに設定される。 The pair of electrodes 5 and 6 are disposed on the pair of main surfaces 3a and 3b. Since the pair of electrodes 5 and 6 are formed on the pair of main surfaces 3a and 3b along the pair of main surfaces 3a and 3b, which are pear surfaces, they have a shape having peaks and valleys along the pear surfaces. The pair of electrodes 5 and 6 are formed on the pair of main surfaces 3a and 3b, for example, by sputtering or vapor deposition. The pair of electrodes 5 and 6 cover the entire pair of main surfaces 3a and 3b. The side surface 3 c is not covered with the pair of electrodes 5 and 6. The pair of electrodes 5 and 6 function as electrodes for applying an electric field to the piezoelectric substrate 3. The pair of electrodes 5 and 6 are made of, for example, Au, Ni, Cr, Cu, or Pt. The thickness of the pair of electrodes 5 and 6 is set to 20 nm to 1 μm, for example.
圧電基板３の側面３ｃは、樹脂（不図示）で覆われていてもよい。この場合、樹脂は、側面３ｃ全体を覆うように配置されていてもよい。樹脂の材料には、エポキシ樹脂などが用いられる。 The side surface 3c of the piezoelectric substrate 3 may be covered with a resin (not shown). In this case, the resin may be disposed so as to cover the entire side surface 3c. An epoxy resin or the like is used as the resin material.
次に、上述した圧電素子１の製造過程について説明する。 Next, the manufacturing process of the piezoelectric element 1 described above will be described.
まず、圧電基板３を構成する圧電セラミック粉（原料粒子）にバインダや有機溶剤などの成分を加え、圧電セラミック粉のペーストを得る。次に、ペーストから所定厚さのグリーンシートを作成する。グリーンシートは、たとえば、ドクターブレード法により作成される。所定厚さは、たとえば、５０μｍ〜５００μｍに設定される。 First, components such as a binder and an organic solvent are added to the piezoelectric ceramic powder (raw material particles) constituting the piezoelectric substrate 3 to obtain a paste of the piezoelectric ceramic powder. Next, a green sheet having a predetermined thickness is created from the paste. The green sheet is produced by, for example, a doctor blade method. The predetermined thickness is set to 50 μm to 500 μm, for example.
次に、作成したグリーンシートを重ね合わせて積層体とする。その後、積層体を積層方向にプレス処理することにより、圧電体グリーンを得る。プレス処理は、たとえば、一軸プレス機などを用い、金型を５０℃〜１００℃ほどの温度に保持した状態で、圧力を約１００ＭＰａとして行われる。 Next, the produced green sheets are overlapped to form a laminated body. Thereafter, the laminate is pressed in the lamination direction to obtain piezoelectric green. The press treatment is performed, for example, using a uniaxial press machine or the like and maintaining the mold at a temperature of about 50 ° C. to 100 ° C. and a pressure of about 100 MPa.
次に、得られた圧電体グリーンに脱バインダ処理を施す。脱バインダ処理は、たとえば、圧電体グリーンを安定化ジルコニアで構成されたセッターに載置した状態で施される。続いて、圧電体グリーンを焼成し、圧電体を得る。焼成は、たとえば、圧電体グリーンを載置した状態でセッターをマグネシア質の匣鉢に入れ、１１００℃にて行われる。 Next, a binder removal treatment is performed on the obtained piezoelectric green. The binder removal treatment is performed, for example, in a state where the piezoelectric green is placed on a setter made of stabilized zirconia. Subsequently, the piezoelectric body green is fired to obtain a piezoelectric body. Firing is performed at 1100 ° C., for example, by placing the setter in a magnesia mortar with the piezoelectric green placed thereon.
次に、得られた圧電体の各主面をブラスト処理する。ブラスト処理に使用される研磨材は、たとえば、アルミナ、ガラスビーズ、又は炭化ケイ素などである。研磨材の中心径は、例えば１〜３μｍとし、研磨材の噴出し圧力は、例えば０．１〜０．５ＭＰａとするとよい。ブラスト処理は、湿式ブラスト処理及び乾式ブラスト処理のいずれでもよい。ブラスト処理を行うことにより、圧電体の各主面は梨地面となる。 Next, each main surface of the obtained piezoelectric body is blasted. The abrasive used for the blast treatment is, for example, alumina, glass beads, or silicon carbide. The center diameter of the abrasive is preferably 1 to 3 μm, for example, and the ejection pressure of the abrasive is preferably 0.1 to 0.5 MPa, for example. The blasting process may be either a wet blasting process or a dry blasting process. By performing the blasting process, each main surface of the piezoelectric body becomes pear ground.
図２に示される一部断面図は、（ａ）が自然面、（ｂ）がブラスト面、（ｃ）が研磨面に対応する。図２（ａ）に示されるように、ブラスト処理及び研磨処理などの表面処理がされていない自然面は、焼成により成長した結晶粒の形状に起因して、山谷を有する形状を呈する。図２（ｂ）に示されるように、ブラスト処理されたブラスト面は、自然面の山谷が強調された形状を呈する。図２（ｃ）に示されるように、研磨処理された研磨面は、自然面の山の部分が削り取られて、山谷が均されたような形状を呈する。 In the partial cross-sectional view shown in FIG. 2, (a) corresponds to the natural surface, (b) corresponds to the blast surface, and (c) corresponds to the polished surface. As shown in FIG. 2A, a natural surface that has not been subjected to surface treatment such as blasting or polishing exhibits a shape having peaks and valleys due to the shape of crystal grains grown by firing. As shown in FIG. 2B, the blasted surface has a shape in which natural valleys are emphasized. As shown in FIG. 2 (c), the polished surface of the polished surface has a shape in which the crests of the natural surface are cut off and the peaks and valleys are leveled.
図３に示される写真図は、（ａ）が自然面、（ｂ）がブラスト面、（ｃ）が研磨面に対応する。図３（ｂ）のブラスト面は、梨地面であり、研磨材としてアルミナを用いて湿式ブラスト処理を行うことにより得られた主面である。図３（ｃ）の研磨面は、研磨材としてアルミナを用いてラップ研磨して得られた主面である。図３に示されるように、ブラスト面は、自然面及び研磨面とは相違し、表面の山谷が強調されている。 In the photograph shown in FIG. 3, (a) corresponds to the natural surface, (b) corresponds to the blast surface, and (c) corresponds to the polished surface. The blast surface in FIG. 3B is a satin surface, which is a main surface obtained by performing wet blasting using alumina as an abrasive. The polished surface in FIG. 3C is a main surface obtained by lapping using alumina as an abrasive. As shown in FIG. 3, the blast surface is different from the natural surface and the polished surface, and the peaks and valleys on the surface are emphasized.
ブラスト処理後、圧電体の各主面に対して、それぞれ電極膜を形成する。各電極膜は、たとえば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、又はＰｔからなる。各電極膜は、スパッタリング法又は蒸着法などにより形成される。各電極膜は、圧電体の梨地面である各主面に沿って各主面上に形成され、梨地面に沿った山谷を有する形状を呈する。圧電体は、個片化された状態の複数の圧電基板３が繋がった状態であり、各電極膜は、個片化された状態の複数の各電極５，６が繋がった状態である。なお、圧電体の梨地面を乾式ブラスト処理により形成した場合は、梨地面上に残渣が残り、梨地面と電極膜との接着強度が落ちてしまうことがある。このため、梨地面上の残渣を電極膜の形成前に除去してもよい。残差の除去は、例えば、梨地面を十分に洗浄することにより行ってもよい。 After the blast treatment, an electrode film is formed on each main surface of the piezoelectric body. Each electrode film is made of, for example, Au, Ni, Cr, Cu, or Pt. Each electrode film is formed by sputtering or vapor deposition. Each electrode film is formed on each main surface along each main surface which is a pear surface of the piezoelectric body, and has a shape having a mountain and valley along the pear surface. The piezoelectric body is a state in which a plurality of piezoelectric substrates 3 in an individualized state are connected, and each electrode film is in a state in which a plurality of electrodes 5 and 6 in an individualized state are connected. In addition, when the pear ground of a piezoelectric material is formed by dry blasting, a residue may remain on the pear ground and the bonding strength between the pear ground and the electrode film may be reduced. For this reason, you may remove the residue on a pear ground before formation of an electrode film. The removal of the residual may be performed, for example, by sufficiently washing the pear ground.
以上の過程により、圧電体及び電極膜を備える圧電素子基板が得られる。次に、圧電素子基板に分極処理を行う。分極処理では、たとえば、１００℃の温度下で、電界強度２ｋＶ／ｍｍの電圧を３分間印加する。続いて、分極処理後の圧電素子基板をダイサーなどの切断機で製品形状に加工する。これにより、個片化された圧電基板３及び各電極５，６を備える圧電素子１が得られる。 Through the above process, a piezoelectric element substrate having a piezoelectric body and an electrode film is obtained. Next, polarization processing is performed on the piezoelectric element substrate. In the polarization treatment, for example, a voltage with an electric field strength of 2 kV / mm is applied at a temperature of 100 ° C. for 3 minutes. Subsequently, the piezoelectric element substrate after the polarization treatment is processed into a product shape by a cutting machine such as a dicer. Thereby, the piezoelectric element 1 provided with the piezoelectric substrate 3 and the electrodes 5 and 6 which are separated into pieces is obtained.
次に、上述のように構成された圧電素子１の作用及び効果について説明する。ここでは、図４を参照して、圧電素子１と従来の圧電素子とを比較しながら、圧電素子１の作用及び効果について説明する。図４は、本実施形態に係る圧電素子の分極状態を分極処理前の圧電素子及び従来の圧電素子と比較して説明する図であり、具体的には、図４（ａ）は、図１の圧電素子の分極処理前における自発分極の状態を説明する図であり、図４（ｂ）は、従来の圧電素子の分極処理後における分極状態を説明する図であり、図４（ｃ）は、図１の圧電素子の分極処理後における分極状態を説明する図である。 Next, the operation and effect of the piezoelectric element 1 configured as described above will be described. Here, with reference to FIG. 4, the operation and effect of the piezoelectric element 1 will be described while comparing the piezoelectric element 1 and a conventional piezoelectric element. FIG. 4 is a diagram for explaining the polarization state of the piezoelectric element according to the present embodiment in comparison with a piezoelectric element before polarization processing and a conventional piezoelectric element. Specifically, FIG. FIG. 4B is a diagram for explaining the state of spontaneous polarization before the polarization process of the piezoelectric element, FIG. 4B is a diagram for explaining the polarization state after the polarization process of the conventional piezoelectric element, and FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining a polarization state after polarization processing of the piezoelectric element of FIG. 1.
図４（ａ）に示されるように、圧電基板３は、圧電セラミックの多結晶体であり、複数の結晶粒８を含んでいる。分極処理前の圧電素子１は、各結晶粒８の自発分極の方向がランダムである。すなわち、結晶粒８ごとに自発分極の方向が、自然発生的にあらゆる方向を向いて揃っていないため、この状態で電圧を印加しても、各結晶粒８は自身の自発分極の向きに変位しようとして変位が相互に打ち消し合い、全体として変位が生じ難い。分極処理前の圧電素子１は、厚さＤ０、長辺の長さＬ０である。 As shown in FIG. 4A, the piezoelectric substrate 3 is a polycrystalline body of piezoelectric ceramic and includes a plurality of crystal grains 8. In the piezoelectric element 1 before the polarization treatment, the direction of spontaneous polarization of each crystal grain 8 is random. That is, since the direction of spontaneous polarization is not aligned in every direction spontaneously for each crystal grain 8, even if a voltage is applied in this state, each crystal grain 8 is displaced in the direction of its own spontaneous polarization. Attempts to cancel each other cancel each other out, and it is difficult for displacement to occur as a whole. The piezoelectric element 1 before polarization treatment has a thickness D 0 and a long side length L 0 .
図４（ｂ）に示されるように、従来の圧電素子１１は、互いに対向する一対の主面１３ａ，１３ｂ及び４つの側面１３ｃを有し且つ圧電セラミックからなる圧電基板１３と、各主面１３ａ，１３ｂ上に配置されている一対の電極１５，１６と、を備えている。各主面１３ａ，１３ｂは、自然面である。一対の電極１５，１６は、自然面である各主面１３ａ，１３ｂに沿って各主面１３ａ，１３ｂ上に形成されている。圧電基板１３は、圧電セラミックの多結晶体であり、複数の結晶粒１８を含んでいる。圧電素子１１は、圧電基板１３の各主面１３ａ，１３ｂが梨地面ではなく、自然面である点で、本実施形態の圧電素子１と主に相違し、それ以外の点で共通する。 As shown in FIG. 4B, the conventional piezoelectric element 11 includes a piezoelectric substrate 13 having a pair of main surfaces 13a and 13b and four side surfaces 13c facing each other and made of piezoelectric ceramic, and each main surface 13a. , 13b, and a pair of electrodes 15, 16. Each main surface 13a, 13b is a natural surface. The pair of electrodes 15 and 16 are formed on the main surfaces 13a and 13b along the main surfaces 13a and 13b which are natural surfaces. The piezoelectric substrate 13 is a piezoelectric ceramic polycrystal and includes a plurality of crystal grains 18. The piezoelectric element 11 is mainly different from the piezoelectric element 1 of the present embodiment in that each main surface 13a, 13b of the piezoelectric substrate 13 is not a matte surface but a natural surface, and is common in other points.
圧電素子１１では、図示しないが、分極処理前は、圧電素子１と同様に、圧電セラミックの各結晶粒１８の自発分極の方向がランダムで、全体として変位が生じ難い状態である。分極処理前の圧電素子１１は、厚さＤ０、長辺の長さＬ０である。分極処理は、一対の電極１５，１６間に電圧を印加し、圧電基板１３に電界を印加することにより行われる。その結果、各結晶粒１８の変形を伴いながら、図４（ｂ）に示されるような分極状態が得られる。分極処理後の圧電素子１１は、厚さＤ１（＞Ｄ０）、長辺の長さＬ１（＜Ｌ０）である。 In the piezoelectric element 11, although not shown, like the piezoelectric element 1, the direction of the spontaneous polarization of each crystal grain 18 of the piezoelectric ceramic is random and is not easily displaced as a whole before the polarization process. The piezoelectric element 11 before the polarization treatment has a thickness D 0 and a long side length L 0 . The polarization process is performed by applying a voltage between the pair of electrodes 15 and 16 and applying an electric field to the piezoelectric substrate 13. As a result, a polarization state as shown in FIG. 4B is obtained with deformation of each crystal grain 18. The piezoelectric element 11 after the polarization treatment has a thickness D 1 (> D 0 ) and a long side length L 1 (<L 0 ).
分極処理後の圧電素子１１では、各結晶粒１８の自発分極の方向が、各主面１３ａ，１３ｂの対向方向に平行な方向に概ね揃っている。しかしながら、界面近傍に位置する結晶粒１８は、各電極１５，１６により形状の変形が抑制されることとなり、分極が阻害される。したがって、界面近傍に位置する結晶粒１８では、他の各結晶粒１８に比べて、自発分極の方向が揃い難い。このように分極が阻害され、自発分極の方向が揃っていない結晶粒１８が存在していると、圧電素子１１（圧電基板１３）では、発現する圧電特性の低下は否めない。 In the piezoelectric element 11 after the polarization treatment, the direction of spontaneous polarization of each crystal grain 18 is substantially aligned in a direction parallel to the opposing direction of the main surfaces 13a and 13b. However, the crystal grains 18 located in the vicinity of the interface are prevented from being deformed by the electrodes 15 and 16, and the polarization is inhibited. Therefore, in the crystal grains 18 located in the vicinity of the interface, the direction of spontaneous polarization is difficult to be aligned as compared with the other crystal grains 18. Thus, if the crystal grains 18 in which the polarization is inhibited and the direction of spontaneous polarization is not uniform, the piezoelectric element 11 (piezoelectric substrate 13) cannot deny the deterioration of the piezoelectric characteristics.
一対の電極１５，１６間に電圧を印加し、圧電基板１３に電界を印加することにより、圧電素子１１を駆動する際に、圧電基板１３は変位しようとするものの、電極１５，１６自体は変位しようとはしない。このため電極１５，１６は、圧電基板１３の変位を阻害するように作用し、圧電素子１の変位量が小さくなってしまう懼れがある。 When a voltage is applied between the pair of electrodes 15 and 16 and an electric field is applied to the piezoelectric substrate 13, the piezoelectric substrate 13 tends to be displaced when the piezoelectric element 11 is driven, but the electrodes 15 and 16 themselves are displaced. I will not try. For this reason, the electrodes 15 and 16 act so as to inhibit the displacement of the piezoelectric substrate 13, and the displacement amount of the piezoelectric element 1 may be reduced.
これに対して、図４（ｃ）に示されるように、分極処理後の圧電素子１では、各結晶粒８の自発分極の方向が、界面近傍に位置する結晶粒８も含めて、各主面３ａ，３ｂの対向方向に平行な方向に概ね揃っている。これは、各電極５，６が、梨地面である各主面３ａ，３ｂに沿って各主面３ａ，３ｂ上に形成されているためである。各電極５，６は、各主面３ａ，３ｂに平行な方向での各電極５，６自身の変形を許容しやすく、圧電素子１では、界面近傍に位置する結晶粒８の変形の阻害が軽減される。したがって、界面近傍に位置する結晶粒８においても、自発分極の方向が揃いやすい。分極処理後の圧電素子１は、厚さＤ２（＞Ｄ１＞Ｄ０）、長辺の長さＬ２（＜Ｌ１＜Ｌ０）である。 On the other hand, as shown in FIG. 4C, in the piezoelectric element 1 after the polarization treatment, the direction of the spontaneous polarization of each crystal grain 8 includes each crystal grain 8 located in the vicinity of the interface. They are generally aligned in a direction parallel to the facing direction of the surfaces 3a and 3b. This is because the electrodes 5 and 6 are formed on the main surfaces 3a and 3b along the main surfaces 3a and 3b which are matte surfaces. The electrodes 5 and 6 easily allow deformation of the electrodes 5 and 6 in a direction parallel to the main surfaces 3a and 3b. In the piezoelectric element 1, the deformation of the crystal grains 8 located near the interface is inhibited. It is reduced. Therefore, even in the crystal grains 8 located in the vicinity of the interface, the direction of spontaneous polarization is easily aligned. The piezoelectric element 1 after the polarization treatment has a thickness D 2 (> D 1 > D 0 ) and a long side length L 2 (<L 1 <L 0 ).
このように、本実施形態に係る圧電素子１は、従来の圧電素子１１よりも優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることができる。圧電素子１の梨地面は、ブラスト処理により形成されているので、山谷がより一層強調された梨地面を簡便に実現できる。 As described above, the piezoelectric element 1 according to the present embodiment can exhibit piezoelectric characteristics superior to those of the conventional piezoelectric element 11 and can improve the amount of displacement. Since the pear ground of the piezoelectric element 1 is formed by blasting, it is possible to easily realize a pear ground in which the mountains and valleys are further emphasized.
ここで、本実施形態によれば、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることが可能であることを、実施例と比較例とによって、具体的に示す。 Here, according to the present embodiment, it is specifically shown by an example and a comparative example that excellent piezoelectric characteristics are exhibited and the displacement amount can be improved.
実施例では、上述した実施形態に係る圧電素子１に対応する圧電素子を用いた。実施例に係る圧電素子では、サンプルサイズは１．５ｍｍ×１ｍｍ、厚さ０．１０ｍｍとした。圧電基板は、ＰＺＴを主成分とする圧電セラミック粉（Ｐｂ［Ｚｒ０．５３Ｔｉ０．４７］Ｏ３＋０．５ｗｔ％ＷＯ３）を用い、厚さ１００μｍとした。各電極膜は、Ｃｒ／Ｎｉ−Ｃｕ／Ａｕ積層構造（圧電基板側から順にＣｒ層、Ｎｉ−Ｃｕ合金層、Ａｕ層が積層された構造）とし、スパッタリング法により、厚さ５００ｎｍで形成した。圧電基板の各主面は、湿式ブラスト処理により梨地面とした。湿式ブラスト処理は、研磨材として中心径２μｍのアルミナを用いるとともに、液体として水を用い、研磨材の噴出し圧力を０．１５ＭＰａにして行った。 In the example, a piezoelectric element corresponding to the piezoelectric element 1 according to the above-described embodiment was used. In the piezoelectric element according to the example, the sample size was 1.5 mm × 1 mm and the thickness was 0.10 mm. The piezoelectric substrate was made of piezoelectric ceramic powder (Pb [Zr 0.53 Ti 0.47 ] O 3 +0.5 wt% WO 3 ) mainly composed of PZT and had a thickness of 100 μm. Each electrode film has a Cr / Ni—Cu / Au laminated structure (a structure in which a Cr layer, a Ni—Cu alloy layer, and an Au layer are laminated in this order from the piezoelectric substrate side) and is formed with a thickness of 500 nm by a sputtering method. Each main surface of the piezoelectric substrate was made into a satin surface by wet blasting. The wet blasting was performed using alumina with a center diameter of 2 μm as an abrasive, water as a liquid, and an ejection pressure of the abrasive of 0.15 MPa.
比較例では、上述した従来の圧電素子１１に対応する圧電素子を用いた。比較例に係る圧電素子では、圧電基板の各主面は、湿式ブラスト処理を行わず、自然面のままとした以外は、実施例と同じ条件とした。実施例と比較例とでは、長辺方向伸び振動の圧電歪定数ｄ３１を測定した。各例とも、圧電素子のサンプル数を１２個とし、各サンプルの測定結果の平均値を求めた。 In the comparative example, a piezoelectric element corresponding to the above-described conventional piezoelectric element 11 was used. In the piezoelectric element according to the comparative example, each main surface of the piezoelectric substrate was subjected to the same conditions as in the example except that the wet blasting process was not performed and the surface was left natural. In the example and the comparative example, the piezoelectric strain constant d 31 of the long side direction extension vibration was measured. In each example, the number of piezoelectric element samples was 12, and the average value of the measurement results of each sample was obtained.
図５は、実施例及び比較例に係る圧電素子における圧電歪定数の測定結果を示すグラフである。圧電歪定数とは、圧電体の圧電特性を示す定数である。すなわち、圧電歪定数とは、圧電体に電界を印加したときにどれだけ変位するかを表す定数である。図５に示されるように、比較例に係る圧電素子における圧電歪定数ｄ３１の平均値は約２２５（１０−１２ｍＶ）であったのに対して、実施例に係る圧電素子における圧電歪定数ｄ３１の平均値は約２３３（１０−１２ｍＶ）であった。 FIG. 5 is a graph showing the measurement results of the piezoelectric strain constant in the piezoelectric elements according to the example and the comparative example. The piezoelectric strain constant is a constant indicating the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body. That is, the piezoelectric strain constant is a constant representing how much the piezoelectric body is displaced when an electric field is applied to the piezoelectric body. As shown in FIG. 5, the average value of the piezoelectric strain constant d 31 in the piezoelectric element according to the comparative example was about 225 (10 −12 mV), whereas the piezoelectric strain constant in the piezoelectric element according to the example. The average value of d 31 was about 233 (10 −12 mV).
したがって、実施例に係る圧電素子は、比較例に係る圧電素子よりも圧電特性が優れ、変位量が向上することが確認された。 Therefore, it was confirmed that the piezoelectric element according to the example was superior in piezoelectric characteristics to the piezoelectric element according to the comparative example and the displacement amount was improved.
以上、本発明の好適な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ず、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not necessarily limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
たとえば、ブラスト処理は、焼成後の圧電体の各主面に対して行うとしたが、焼成前の圧電体グリーンの各主面に対して行ってもよい。 For example, the blast treatment is performed on each main surface of the piezoelectric body after firing, but may be performed on each main surface of the piezoelectric green body before firing.
各主面３ａ，３ｂの梨地面は、ブラスト処理で形成されているとしたが、ブラスト処理以外の方法で形成されていてもよい。たとえば、グリーンシートを重ね合わせた積層体に対してプレス処理を行う際に、梨地状の圧痕が残るような梨地面を有したプレス金型を使用してもよい。 Although the matte surface of each main surface 3a, 3b is formed by blasting, it may be formed by a method other than blasting. For example, when a press treatment is performed on a laminated body in which green sheets are stacked, a press mold having a pear ground where a pear-like indentation remains may be used.
各電極５，６は、スパッタリング法又は蒸着法などにより形成されているとしたが、これに限られない。各電極５，６は、スパッタリング法のように膜の内部応力を大きくする成膜方法により形成された場合であっても、梨地面である各主面３ａ，３ｂに沿って各主面３ａ，３ｂ上に形成されていることにより、各主面３ａ，３ｂに平行な方向での電極自身の変形を許容しやすい。したがって、界面近傍に位置する結晶粒８の変形の阻害を軽減するとともに、圧電基板３の変位の阻害を軽減する。この結果、圧電素子１では、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることができる。 The electrodes 5 and 6 are formed by sputtering or vapor deposition, but are not limited thereto. Even if each electrode 5 and 6 is formed by the film-forming method which enlarges the internal stress of a film | membrane like sputtering method, each main surface 3a, By being formed on 3b, it is easy to allow deformation of the electrode itself in a direction parallel to the main surfaces 3a and 3b. Therefore, inhibition of deformation of the crystal grains 8 located in the vicinity of the interface is reduced, and inhibition of displacement of the piezoelectric substrate 3 is reduced. As a result, the piezoelectric element 1 can exhibit excellent piezoelectric characteristics and can improve the amount of displacement.
圧電素子１（圧電基板３）は、矩形板状を呈しているとしたが、これに限られない。円板状や、円柱状、直方体状であってもよい。圧電基板３の厚さは、特に制限されないが、厚さが薄い方が、圧電基板３における界面近傍に位置する結晶粒８の占める割合が高まるため、圧電素子１では、優れた圧電特性を発現するとともに、変位量の向上を図ることができるという効果が顕著となりやすい。圧電素子１の厚さが０．５ｍｍ以下であって、圧電基板３の厚さが０．２ｍｍ以下のときにこの効果がより顕著となる。 The piezoelectric element 1 (piezoelectric substrate 3) has a rectangular plate shape, but is not limited thereto. It may be a disk shape, a columnar shape, or a rectangular parallelepiped shape. The thickness of the piezoelectric substrate 3 is not particularly limited, but the thinner the thickness, the higher the proportion of crystal grains 8 located in the vicinity of the interface in the piezoelectric substrate 3. Therefore, the piezoelectric element 1 exhibits excellent piezoelectric characteristics. In addition, the effect that the amount of displacement can be improved tends to be remarkable. This effect becomes more remarkable when the thickness of the piezoelectric element 1 is 0.5 mm or less and the thickness of the piezoelectric substrate 3 is 0.2 mm or less.
１…圧電素子、３…圧電基板、３ａ，３ｂ…主面（梨地面）、５，６…電極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric element, 3 ... Piezoelectric substrate, 3a, 3b ... Main surface (pear surface), 5, 6 ... Electrode.
Claims (4)
前記一対の主面上に配置されている一対の電極と、を備え、
前記一対の主面は、梨地面であり、
前記一対の電極は、前記梨地面である前記主面に沿って前記主面上に形成されており、
前記一対の電極の各表面は、対応する前記主面の形状が反映された梨地面であることを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric substrate having a pair of main surfaces facing each other and made of piezoelectric ceramic;
A pair of electrodes disposed on the pair of main surfaces,
The pair of main surfaces is a pear ground,
The pair of electrodes are formed on the main surface along the main surface which is the matte surface ,
Each surface of the pair of electrodes is a textured surface reflecting the shape of the corresponding main surface .
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