JP6787355B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子に関する。

特許文献１には、圧電材料からなる圧電体を備える圧電素子が記載されている。この圧電素子では、圧電体がスリットを介して互いに離間する複数の領域を有している。各領域に選択的に電圧を印加して超音波を励起させることにより、超音波の所望のビームパターンを得ることができる。

実開昭５９−９５５号公報

上述の圧電素子では、圧電体の厚さは、スリットが設けられた部分で薄くなる。このため、圧電素子の機械的な強度が十分に確保できない場合がある。したがって、強度の向上が図られた圧電素子が望まれている。

本発明の一側面は、強度の向上が図られた圧電素子を提供する。

本発明の一側面に係る圧電素子は、圧電材料からなる圧電体を備える。圧電体は、スリットを介して互いに離間する一対の分極領域と、一対の分極領域を互いに接続する未分極領域と、を有する。

この圧電素子では、スリットを介して互いに離間する一対の分極領域が、未分極領域により互いに接続されている。未分極領域には、分極による歪が存在しない。このため、未分極領域の強度は、分極領域の強度に比べて高い。よって、圧電体全体が分極領域により構成されている場合に比べて、圧電素子の強度の向上を図ることができる。

本発明の一側面に係る圧電素子では、圧電体は、互いに対向する第一主面及び第二主面と、第一主面及び第二主面の間を連結するように延び、且つ、互いに対向する一対の側面と、を有し、スリットは、第一主面及び一対の側面に開口しており、未分極領域は、スリットと第二主面との間に配置されていてもよい。この場合においても、第一主面及び一対の側面に開口するスリットと第二主面との間に配置された未分極領域により、一対の分極領域が互いに接続されているので、圧電素子の強度の向上を図ることができる。

本発明の一側面に係る圧電素子は、第一主面に設けられた電極を更に備え、第一主面は、スリットを介して互いに離間する一対の主面部分を有し、電極は、一対の主面部分にそれぞれ設けられた一対の電極部分を有し、第一主面及び第二主面が互いに対向する方向から見て、各電極部分は、各主面部分の外縁よりも内側に配置されていてもよい。この場合、各電極部分が各主面部分の外縁よりも内側に配置されているので、各電極部分の剥離を抑制することができる。

本発明の一側面によれば、強度の向上が図られた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示す斜視図である。 図１のII−II線に沿っての断面図である。 図２の一部拡大図である。 電極部分と主面部分の外縁との関係を示す平面図である。

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示す斜視図である。図２は、図１のII−II線に沿っての断面図である。図１及び図２に示される圧電素子１は、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の金属板からなる振動板（不図示）に貼り合わされてセンサとして使用される。圧電素子１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に使用される。圧電素子１は、圧電体２と、電極３と、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。

圧電体２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、主面２ａ及び一対の側面２ｃに開口している。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がセンサとして使用される場合に、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は、底面５ａと、方向Ｄ３において互いに対向する一対の側面５ｂと、を有している。底面５ａは、方向Ｄ１において主面２ｂと対向している。底面５ａは、例えば、主面２ａ，２ｂと平行に設けられている。一対の側面５ｂは、底面５ａと主面２ａとの間を連結するように方向Ｄ１に延びている。一対の側面５ｂは、例えば、一対の側面２ｄと平行に設けられている。

スリット５の方向Ｄ１の長さ（スリット５の深さ）は、方向Ｄ１における底面５ａと主面２ａとの離間距離と一致しており、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、一対の側面５ｂの離間距離と一致しており、例えば０．３ｍｍである。方向Ｄ１における底面５ａ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の（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。

圧電体２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）の分極領域Ｒ１と、複数の分極領域Ｒ１を互いに接続する複数（ここでは３つ）の未分極領域Ｒ２と、を有している。分極領域Ｒ１は、分極処理が行われたことにより、分極された状態の領域である。分極領域Ｒ１は、主面部分２ａ１と主面２ｂとの間に配置されている。複数の分極領域Ｒ１は、例えば互いに同形状を呈している。方向Ｄ３で隣り合う一対の分極領域Ｒ１は、スリット５を介して互いに離間している。

未分極領域Ｒ２は、分極処理が行われておらず、分極されていない状態の領域である。未分極領域Ｒ２は、スリット５の底面５ａと主面２ｂとの間に配置されている。未分極領域Ｒ２は、スリット５の底部を構成している。複数の未分極領域Ｒ２は、例えば互いに同形状を呈している。未分極領域Ｒ２は、方向Ｄ３で隣り合う一対の分極領域Ｒ１の間に配置されており、方向Ｄ３で隣り合う一対の分極領域Ｒ１を互いに接続している。

電極３は、主面２ａに設けられている。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、図２の一部拡大図である。図４は、電極部分と主面部分の外縁との関係を示す平面図である。図３及び図４に示されるように、方向Ｄ１から見て、各電極部分３１は、各主面部分２ａ１の外縁２ｅよりも内側に配置されている。方向Ｄ１から見た各電極部分３１と各主面部分２ａ１の外縁２ｅとの離間距離は、例えば、電極部分３１の厚さ（方向Ｄ１の長さ）よりも短く、例えば、電極部分３１の厚さの約１／３である。

図２に示されるように、電極４は、主面２ｂに設けられている。電極４は、主面２ｂの略全面に設けられている。図示を省略するが、方向Ｄ１から見て、電極４は、主面２ｂの外縁よりも内側に配置されている。方向Ｄ１から見た電極４と主面２ｂの外縁との離間距離は、例えば、電極４の厚さ（方向Ｄ１の長さ）よりも短く、例えば、電極４の厚さの約１／３である。

電極３及び電極４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。電極３及び電極４は、例えば、導電性材料を含む導電性ペーストを圧電体２の表面に付与し、焼き付けることにより形成される。電極３及び電極４は、スパッタリング法、又は無電解メッキ法等により形成されてもよい。電極３及び電極４の厚さ（方向Ｄ１の長さ）は、例えば同等である。電極３及び電極４の厚さは、例えば５μｍである。

圧電素子１の製造方法の一例について説明する。まず、圧電体２の構成材料である圧電セラミック材料を顆粒状の粉末に加工する。続いて、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、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、セラミックグリーンをマグネシア等で構成されたセッターに載置した状態で、加熱処理することにより施される。続いて、セラミックグリーンを焼成する。これにより、圧電体が得られる。焼成は、例えば、セラミックグリーンをマグネシアで構成された密閉匣鉢に入れて行われる。焼成温度は、例えば１２００℃である。焼成時間は、例えば２時間程度である。

次に、圧電体を所定の厚さに研磨する。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、例えばスクリーン印刷により圧電体に塗布される。続いて、圧電体の一方の主面側にスリット加工を施す。これにより、圧電体、及び圧電体の一方の主面に設けられた電極は、スリットにより複数に分割された状態となる。その後、例えば、６００℃程度で加熱処理を行い、導電性ペーストを焼き付ける。これにより、電極が形成された圧電素子が得られる。

次に、圧電素子に分極処理を施す。分極処理は、例えば、１２０℃の温度下で、電界強度２ｋＶ／ｍｍの電圧を圧電素子の電極に３０分間印加することにより行われる。分極処理は、例えば、シリコーン油中で行われる。この場合、電極間の放電が起こらないため、分極処理が行い易い。シリコーン油は、例えば、洗浄剤を用いた超音波洗浄等によって、圧電素子から除去することができる。上述のように、圧電体の一方の主面に設けられた電極は、スリットにより複数に分割された状態であり、スリットの部分には設けられていない。このため、圧電体におけるスリットの部分には、電圧が印加されず、分極処理が施されない。これにより、分極領域Ｒ１及び未分極領域Ｒ２を有する圧電素子１が得られる。

以上説明したように、本実施形態に係る圧電素子１では、圧電体２にスリット５が設けられている。圧電体２の厚さは、スリット５が設けられた部分で薄くなるので、圧電素子１の機械的な強度が低くなり易い。このため、例えば、圧電素子１を振動板に貼り合わせる際等に素子割れが発生し易い。そこで、圧電素子１では、スリット５を介して互いに離間する一対の分極領域Ｒ１が、未分極領域Ｒ２により互いに接続されている。未分極領域Ｒ２には、分極による歪が存在しない。このため、未分極領域Ｒ２の強度は、分極領域Ｒ１の強度に比べて高い。よって、圧電体２全体が分極領域Ｒ１により構成されている場合に比べて、圧電素子１の強度の向上を図ることができる。

この圧電素子１では、圧電体２におけるスリット５が設けられた部分、すなわち、圧電体２におけるスリット５の底面５ａと主面２ｂとの間に未分極領域Ｒ２が配置されている。上述のように、未分極領域Ｒ２の強度は、分極領域Ｒ１の強度に比べて高い。よって、圧電素子１の強度の向上を図ることができる。

圧電素子１は、例えば、エポキシ系接着剤を用いて、主面２ａを振動板に対向させた状態で振動板に貼り合わされる。圧電素子１のように、圧電体２が複数の分極領域Ｒ１に分割されている場合、環境の変化、特に温度の変化に応じた分極状態の変化が複数の分極領域Ｒ１間でばらつき、各分極領域Ｒ１が任意に形状変化しようとする。温度の変化が繰り返されると、振動板に対する圧電素子１の密着性が低下し、センサとしての感度が低下するおそれがある。また、圧電素子１を振動板に貼り合わせる際の加熱処理によって、各分極領域Ｒ１の形状変化が引き起こされ、十分な接着強度が得られないおそれもある。しかしながら、圧電素子１は、未分極領域Ｒ２を有しているので、熱履歴による分極領域Ｒ１の形状変化を抑制することができる。これにより、センサとしての感度低下を抑制し、信頼性の向上を図ることできる。

ここで、本実施形態に係る圧電素子１では、強度及びセンサとしての信頼性の向上が図られることを、実施例及び比較例によって具体的に示す。実施例に係る圧電素子として、圧電素子１に対応するものを用意した。比較例に係る圧電素子として、圧電体の全体が分極領域からなり、未分極領域を有さない点で、実施例に係る圧電素子と異なるものを用意した。実施例及び比較例では、材料及びサイズ等の条件を一致させた。比較例に係る圧電素子の製造方法は、スリット加工が分極処理後に行われる点以外は実施例に係る圧電素子と同様の方法とした。

実施例及び比較例に係る圧電素子のサンプルに対し、強度の測定を行った。強度の測定は万能試験機を用いて行った。サンプル数をそれぞれ２０とし、強度を平均値で比較したところ、実施例の方が比較例よりも１０％高かった。

続いて、強度の測定を行ったサンプルとは別に、実施例及び比較例に係る圧電素子のスリット加工面をそれぞれ振動板に貼り合せたサンプルを用意し、インピーダンス特性を測定した。振動板として、直径１７ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ（ステンレス鋼）板を用いた。貼り合せは、エポキシ系接着剤を用い、加熱温度１５０℃で１時間所定の力を加えながら行った。サンプル数をそれぞれ２０とし、インピーダンス特性を平均値で比較したところ、実施例の方が比較例よりも１５％高かった。

用意した各サンプルに熱衝撃試験を施した後、インピーダンス特性を再び測定した。熱衝撃試験では、−４０℃で３０分間放置した後、８５℃で３０分間放置するというサイクルを１００回繰り返した。熱衝撃試験によって、比較例ではインピーダンス特性の平均値が４０％〜５０％低下したのに対し、実施例ではインピーダンス特性の平均値が３％〜５％しか低下しなかった。

圧電素子１では、方向Ｄ１から見て、各電極部分３１は、各主面部分２ａ１の外縁２ｅよりも内側に配置されている。このため、各電極部分３１の剥離を抑制することができる。

圧電素子１の製造方法では、導電性ペーストを付与した後であって、導電性ペーストを焼き付けて電極３，４を形成する前に、スリット加工が行われる。電極３，４は固体であるため、電極３，４に対してスリット加工を行った場合、バリが発生するおそれがある。これに対し、導電性ペーストは流動性を有するため、バリの発生を抑制することができる。スリット加工により切断された導電性ペーストは、表面張力により主面部分２ａ１の外縁２ｅよりも内側に配置された状態となる。

以上、本発明の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、圧電体２に設けられるスリット５の数は、１つであってもよい。複数の分極領域Ｒ１は、例えば互いに異なる形状を呈していてもよい。複数の未分極領域Ｒ２は、例えば互いに異なる形状を呈していてもよい。圧電素子１の製造方法では、スリット加工は分極工程前に行われればよく、導電性ペーストを焼き付けて電極３，４を形成した後に行われてもよい。

１…圧電素子、２…圧電体、２ａ…主面、２ａ１…主面部分、２ｂ…主面、２ｃ…側面、２ｄ…側面、２ｅ…外縁、３…電極、３１…電極部分、４…電極、５…スリット、５ａ…底面、Ｒ１…分極領域、Ｒ２…未分極領域。

Claims (9)

1. 圧電材料からなる圧電体を備え、センサに使用される圧電素子であって、
   前記圧電体は、スリットを介して互いに離間する一対の分極領域と、前記一対の分極領域を互いに接続する未分極領域と、を有し、
   前記一対の分極領域は、互いに同じ方向に分極されており、
   前記スリットにより、センシングのため条件が調整されている、圧電素子。
2. 前記圧電体は、互いに対向する第一主面及び第二主面と、前記第一主面及び前記第二主面の間を連結するように延び、且つ、互いに対向する一対の側面と、を有し、
   前記スリットは、前記第一主面及び前記一対の側面に開口しており、
   前記未分極領域は、前記スリットと前記第二主面との間に配置されている、請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記第一主面に設けられた第一電極と、
   前記第二主面に設けられた第二電極と、を更に備え、
   前記第一主面は、前記スリットを介して互いに離間する一対の主面部分を有し、
   前記第一電極は、前記一対の主面部分にそれぞれ設けられた一対の電極部分を有する、請求項２に記載の圧電素子。
4. 前記第一主面及び前記第二主面が互いに対向する方向から見て、各前記電極部分は、各前記主面部分の外縁よりも内側に配置されている、請求項３に記載の圧電素子。
5. 前記対向する方向から見て、各前記電極部分と各前記主面部分の外縁との離間距離は、各前記電極部分の厚さよりも短い、請求項４に記載の圧電素子。
6. 前記圧電体は、直方体形状を呈している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電素子。
7. 前記一対の分極領域は、それぞれ直方体形状を呈している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電素子。
8. 前記未分極領域は、直方体形状を呈している、請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧電素子。
9. 前記圧電体は、複数の前記未分極領域を有している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電素子。

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