JP7056669B2 - 圧電部品、センサおよびアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧電部品、センサおよびアクチュエータに関する。

圧電セラミックを主体とした圧電デバイスはアクチュエータや各種センサ類に広く使用されている。例えば、圧電アクチュエータでは、入力された電気的エネルギーが逆圧電効果により機械的エネルギーに変換され、各種電子機器の駆動を制御する。また、圧電センサでは、入力された機械的エネルギーが圧電効果により電気的エネルギーに変換されて、電気信号として圧力値や加速度等を測定することができる。

圧電デバイスは、従来、基板に圧電セラミックを貼り合わせる方法や、基板に圧電体ペーストを塗布する方法などにより、形成されていた。しかし、これらの方法では基板が必要であるため、圧電デバイスの薄層化には限界があった。また、基板が大きくたわむことができないために、圧電デバイスがたわみセンサ等として十分に機能しないという問題があった。

このため、基板を用いずに圧電デバイスを製造する方法が提案されている。例えば、国際公開第２０１５／１６６９１４号（特許文献１）には、ニオブ酸アルカリ系圧電セラミックと卑金属を含む焼結金属とを共焼結することにより、基板を用いずにクラック等の発生が抑制された圧電素子を製造する方法が開示されている。

なお、圧電素子の破損を防ぐために、導電膜に絶縁膜を塗布した圧電デバイス（特許文献２：国際公開第２０１７／０７３３１７号）や、樹脂フィルム基板上に圧電体層を設けてなる圧電素子を保護フィルムで保護した圧電デバイス（特許文献３：特開２０００－３３７９７１号公報）などが開示されている。

国際公開第２０１５／１６６９１４号 国際公開第２０１７／０７３３１７号 特開２０００－３３７９７１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧電素子であっても、その厚みが薄い（１００μｍ以下である）場合は、圧電素子が大きくたわんだときなどに、クラックが入ってしまう可能性があった。また、特許文献２では、電極引き出しのために絶縁膜が一部開口している部分が存在するため、たわんだときにその部分でクラックが入りやすいと考えられる。また、特許文献３では、圧電体材料として、鉛系の圧電セラミック材料（主に、ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）などを用いているため、基板が必要であった。また、水熱合成法にて材料を形成しているため、組成制御が難しく所望の特性が得られず、特性ばらつきが大きいという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、圧電素子を備える圧電部品において、圧電素子が基板を含まず、圧電素子の厚みが薄い（１００μｍ以下である）場合でも、圧電素子の破損を抑制することのできる圧電部品、それを備えるセンサおよびアクチュエータを提供することを目的とする。

〔１〕圧電セラミック層と、前記圧電セラミック層の少なくとも一方の主面に設けられた卑金属を含む焼結金属層と、を含む圧電素子を備え、
前記圧電セラミック層は、ペロブスカイト型化合物を主要物質として含み、
前記主要物質は、ニオブと、アルカリ金属と、酸素とを含み、
前記圧電セラミック層に含まれる全物質の総モル量に対する前記主要物質の含有量が９０モル％以上であり、
前記圧電素子の厚みが１００μｍ以下であり、
前記圧電素子の両主面全面が弾性体からなる保護層に被覆されている、圧電部品。

〔２〕さらに圧電素子の端面が前記保護層に被覆されている、〔１〕に記載の圧電部品。

〔３〕保護層の厚みＴ４が、焼結金属層の厚みＴ１と圧電セラミック層の厚みＴ２の合計の厚みＴの３倍以上である、〔１〕または〔２〕に記載の圧電部品。

〔４〕保護層の厚みＴ４が１０ｃｍ以下である、〔１〕～〔３〕のいずれかに記載の圧電部品。

〔５〕弾性体はアスカーＣ硬度が５以上１５０以下である、〔１〕～〔４〕のいずれかに記載の圧電部品。

〔６〕弾性体はヤング率が０．０５ＧＰａ以上８ＧＰａ以下である、〔１〕～〔４〕のいずれかに記載の圧電部品。

〔７〕弾性体は、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン、塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ乳酸、テフロン（登録商標）、シリコーンおよびウレタンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、〔１〕～〔６〕のいずれかに記載の圧電部品。

〔８〕前記保護層の前記圧電素子に接する面とは反対側の主面に、さらに補強部材を備える、〔１〕～〔７〕のいずれかに記載の圧電部品。

〔９〕前記補強部材は、炭素繊維、ガラス繊維、セルロース繊維および金属繊維からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、〔８〕に記載の圧電部品。

〔１０〕前記圧電素子と電気的に接続される導線をさらに備える、〔１〕～〔９〕のいずれかに記載の圧電部品。

〔１１〕導電性シートをさらに備え、
前記導線は、前記導電性シートを介して前記圧電素子に接続される、〔１０〕に記載の圧電部品。

〔１２〕前記導線は、前記導電性シートを介して前記圧電素子と離れた位置で接続される、〔１１〕に記載の圧電部品。

〔１３〕前記導線は、導電性接着剤により前記圧電素子に接続され、
前記導電性接着剤は、導電性フィラーを含むエポキシ系またはシリコーン系樹脂を含む、〔１０〕～〔１２〕のいずれかに記載の圧電部品。

〔１４〕前記導線は、導電性接着剤により前記圧電素子に接続され、
前記導電性接着剤は、はんだおよび熱硬化性樹脂を含む、〔１０〕～〔１３〕のいずれかに記載の圧電部品。

〔１５〕〔１〕～〔１４〕のいずれかに記載の圧電部品を備えるセンサ。
〔１６〕〔１〕～〔１４〕のいずれかに記載の圧電部品を備えるアクチュエータ。

本発明によれば、圧電素子を備える圧電部品において、圧電素子が基板を含まず、圧電素子の厚みが薄い（１００μｍ以下である）場合でも、圧電素子の破損を抑制することのできる圧電部品、それを備えるセンサおよびアクチュエータを提供することができる。

実施形態１の圧電部品の模式的な断面図である。 実施形態１の圧電素子の変形例の模式的な断面図である。 実施形態２の圧電素子の模式的な断面図である。 実施形態１の圧電部品全体の写真である。 実施形態３の圧電部品の一例を示す模式的な断面図である。 実施形態４の圧電部品の一例を示す模式的な断面図である。 実施形態５の圧電部品の一例を示す模式的な断面図である。 実施例の３点曲げ試験を説明するための模式図である。 圧電素子の厚みと発生電荷の関係を説明するための模式図である。 比較試験の圧電部品の３点曲げ試験を示す模式的な断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。

＜実施形態１＞
図１および図４を参照して、本発明の圧電部品１００は、圧電セラミック層２と、圧電セラミック層２の少なくとも一方の主面に設けられた卑金属を含む焼結金属層１と、を含む圧電素子１０を備える。さらに、圧電素子１０は、圧電セラミック層２の焼結金属層１と反対側の表面に外部電極層３を有していてもよい。

（保護層）
圧電素子１０は、両主面全面が弾性体からなる保護層４に被覆されている。圧電セラミック層２および焼結金属層１が露出しないように、圧電素子１０の両主面全面が（好ましくは均等に）保護層４によって被覆されることで、圧電素子１０にかかる応力が分散し、比較的大きな応力が加えられた場合でも、圧電素子の破損を防ぐことができる。

また、圧電素子１０は、保護層４に覆われることで、圧電部品１００の内部に埋め込まれていることになるため、圧電部品の内部のひずみを測定することができる。これに対し、弾性体等の表面に圧電素子を後から貼り付けた場合、圧電部品の内部のひずみを測定することはできない。また、圧電素子を内部に埋め込む場合、圧電素子を後から貼り付ける場合に比べて、圧電部品やそれを用いた圧電センサ、アクチュエータ等の製造における工程とコストを削減することができる。

保護層４は、たとえば射出成型法によって形成され得る。具体的には、圧電素子１０を射出成型用の金型内の所定の位置に配置した状態で、保護層の材料となる弾性体の原料を金型内に射出することで、圧電素子１０を弾性体からなる保護層４で被覆することができる。また、弾性体の原料を含むスラリーを圧電素子１０の両主面に塗布し、硬化させて、保護層４を形成することもできる。

なお、有機材料からなる圧電素子は耐熱温度が低いため、通常は射出成型で保護層を形成することはできないが、本発明に用いられる圧電素子は耐熱温度が高く、射出成型で保護層を形成することが可能である。また、従来の鉛系の圧電セラミックを用いた圧電素子は基板が必要であったが、本発明に用いられる圧電素子は基板が必要ないため応答性が高い。本発明は、そのような高応答性の圧電素子を射出成型等により、樹脂材料等（保護層４）の内部に収納できる点でも有意義である。

圧電素子１０の両主面だけでなく、さらに圧電素子１０の端面（両主面以外の圧電素子１０の表面）が保護層４に被覆されていることが好ましい。これにより、圧電素子１０の端部の破損が抑制され、本発明の圧電素子の破損を抑制する効果がさらに高められる。また、圧電素子１０の両主面全面および端面が、水分を透過しない弾性体からなる保護層４に被覆されている場合、圧電素子１０が水分にさらされないため、圧電素子１０の耐久性（耐湿性等）をより向上させることができる。

本発明において、好ましくは、保護層４の厚みＴ４が、焼結金属層１の厚みＴ１と圧電セラミック層２の厚みＴ２の合計の厚みＴの３倍以上である。ここで、厚みＴには、焼結金属でない電極（外部電極層３など）の厚みは含まれない。なお、保護層４の厚みＴ４とは、圧電セラミック層２の主面に垂直な方向の厚みをいい、端面に垂直な方向の厚み（長さ）は特に限定されない。保護層の厚みＴ４がこの範囲である場合に、圧電素子１０の強度をより高めることができる。圧電素子１０の主面に接する上下の保護層の厚みは、同じであっても、異なっていてもよく、上下の保護層のうち、少なくとも一方の保護層の厚みＴ４が上記の範囲にあればよい。なお、上下の保護層の厚みが異なっている場合（圧電素子が圧電部品の中間に位置していない場合）、上下の保護層の厚みが同じである場合に比べて、応力の伝達が起こりやすい。

本発明において、好ましくは、保護層４の厚みＴ４が５０μｍ以上１０ｃｍ以下である。保護層の厚みＴ４が１０ｃｍより大きい場合、応力の伝達が小さく、応答信号が得られにくくなる。また、保護層の厚みＴ４が５０μｍ未満である場合、応力を十分に分散させることができず、圧電素子の欠損を抑制する効果が不十分となることがある。

本発明において、弾性体とは、一定未満の力を加えると変形するが、力を除くともとの形にもどる物体をいう。弾性体の構成材料としては、例えば、樹脂、ゴムなどから構成される。これらの構成材料の状態は、例えば、固体、ゲルなどである。

弾性体は、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン、塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ乳酸、テフロン（登録商標）、シリコーンおよびウレタンからなる群より選ばれる少なくとも１つ（の樹脂）を含むことが好ましい。

弾性体のアスカーＣ硬度は、好ましくは５以上１５０以下であり、より好ましくは５以上１００以下である。弾性体がこの範囲にある場合に、圧電素子の強度をさらに高めて、圧電素子の破損をより確実に抑制することができる。アスカーＣ硬度は、アスカーゴム硬度計Ｃ型（例えば、高分子計器株式会社製）を用いて測定することができる。なお、アスカーＣ硬度は、弾性体がゲルまたはゴムである場合に、弾性体の硬度（弾性的性質）を適切に表すことができる指標（弾性率）である。

弾性体は、好ましくは、ヤング率が０．０５ＧＰａ以上８ＧＰａ以下である。弾性体がこの範囲にある場合に、圧電素子の強度をさらに高めて、圧電素子の破損をより確実に抑制することができる。なお、ヤング率は、弾性体が樹脂（硬化樹脂）などである場合に、弾性体の弾性的性質を適切に表すことができる指標である。

（圧電素子）
本発明の圧電部品１００に用いられる圧電素子１０において、圧電セラミック層２は、ペロブスカイト型化合物を主要物質として含む。主要物質は、ニオブと、アルカリ金属と、酸素とを含み、圧電セラミック層２に含まれる全物質の総モル量に対する上記主要物質の含有量が９０モル％以上である。圧電素子１０の厚みは、１００μｍ以下である。

圧電素子１０としては、例えば、国際公開第２０１５／１６６９１４号に記載の圧電素子を適当に用いることができる。圧電素子が固い基板を含む場合、圧電素子は大きくたわむことができないが、本発明における圧電素子は基板が必要ないため、応力によってたわみやすく、センサとして高精度に機能する。

基板を含まない圧電素子１０を薄膜化することによって、同一の大きさの力が加わった場合に、発生電荷を大きくすることができる。同様に、圧電デバイスを駆動させる場合に、圧電素子が薄いと印加電圧を低くすることができる。

以下、図９を参照して圧電素子の厚さと電荷の関係を説明する。圧電素子（長さＬ、幅ｂ、厚みｔ）に力Ｆを加えた場合、曲げ応力σは曲げモーメントＭ、断面係数Ｚを用いて、式（１）のように表される。

圧電方程式から、電界Ｅは、圧電定数ｄ、曲げ応力σ、誘電率εを用いて式（２）のように表される。

圧電素子は、コンデンサであるので、電荷Ｑ、静電容量Ｃ、電圧Ｖを用いて式（３）のように表される。

すなわち、圧電素子の厚みｔが小さくなると、１／ｔ^２で発生電荷が増大し、応答信号が増える。このため、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。

図１を参照して、本実施形態の圧電素子１０は、たとえば平板状である。圧電素子１０は、卑金属を含む焼結金属層１と、焼結金属層１上に焼結金属層１と一体に設けられた圧電セラミック層２と、圧電セラミック層２上に設けられた外部電極層３とを備えている。ここで、焼結金属層１および外部電極層３は、それぞれ、圧電セラミック層２の互いに向かい合う下面および上面に設けられており、焼結金属層１と外部電極層３とは圧電セラミック層２を介して互いに向かい合っている。

卑金属を含む焼結金属層１は、卑金属の結晶粒の複数が互いに接して固着している構造を有している。ここで、卑金属は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）およびオスミウム（Ｏｓ）以外の金属である。焼結金属とは、圧電セラミックの焼結前には金属粉末状態であるが、圧電セラミックと同時に共焼結されて薄板状金属となったものを指す。なお、内部電極は広義には焼結金属に含まれるが、ここでは、主面の両側に圧電セラミック層２が存在する焼結金属を「内部電極」と定義し、主面の片側にのみ圧電セラミック層２が存在する焼結金属を「焼結金属層」と定義する。

焼結金属層１を低コストで形成するためには、焼結金属層１に用いられる卑金属としては、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、およびアルミニウム（Ａｌ）からなる群から選択された少なくとも１種を含む金属を用いることが好ましく、ＮｉおよびＣｕの少なくとも一方を含む金属を用いることがより好ましく、Ｎｉを用いることがさらに好ましい。特に圧電素子の厚みが薄い（例えば、１００μｍ以下）場合において、卑金属としてＮｉを用いることで、Ｃｕを用いるよりもマイグレーションが発生を抑制できる利点がある。

圧電セラミック層２は、ペロブスカイト型化合物を主要物質として含んでおり、主要物質は、ニオブ（Ｎｂ）と、アルカリ金属と、酸素（Ｏ）とを含んでおり、圧電セラミック層２に含まれる全物質の総モル量に対する主要物質の含有量は９０モル％以上となっている。

なお、上記の主要物質としてのペロブスカイト型化合物には、タンタル（Ｔａ）が含まれていてもよい。

また、主要物質（ペロブスカイト型化合物）以外の副物質としては、たとえば、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、錫（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、Ｎｉ、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）およびルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択された少なくとも１種を挙げることができる。

圧電セラミック層２は、焼結金属層１と一体に設けられている。すなわち、焼結金属層１と圧電セラミック層２との接合界面において、焼結金属層１に含まれる卑金属の結晶粒と、圧電セラミック層２に含まれる圧電セラミックの結晶粒とが接して固着していることによって、焼結金属層１と圧電セラミック層２とが一体となって接合されている。

外部電極層３は、たとえば卑金属等の導電性材料を含み、圧電セラミック層２に外部から電流を注入、または圧電セラミック層２から外部に電流を取り出すことができる部材であれば特に限定されない。外部電極層３は、圧電セラミック層２の焼結後に、たとえばスパッタ法、蒸着法、または金属ペーストの焼き付け法などによって形成される。

また、圧電素子１０に形成されている全ての電極が焼結金属層１であることが好ましい。実施形態１における外部電極層３が焼結金属層１である圧電素子の変形例を図２に示す。この場合、圧電セラミック層２と外部電極層３とが一体に設けられているため、圧電セラミック層２と外部電極層３との接合界面において、圧電セラミック層２に含まれる圧電セラミックの結晶粒と、外部電極層３に含まれる卑金属等の導電性材料の結晶粒と、が接して固着している。これによって、圧電セラミック層２と外部電極層３との接合をより強固なものとし、圧電セラミック層２からの外部電極層３の剥がれの発生を効果的に抑制することができる。

（圧電素子の製造方法）
以下、実施形態１の圧電素子１０の製造方法の一例について説明する。

まず、圧電セラミック粉末および卑金属粉末を用意する。
圧電セラミック粉末は、後述する共焼結によって、圧電セラミック層２となる物質である。圧電セラミック粉末は、たとえば、主要物質となるペロブスカイト型化合物の含有量が９０モル％以上となるように、少なくともＮｂの酸化物粉末とアルカリ金属の炭酸塩粉末とを秤量した後に、これらを混合して圧電セラミック素原料粉末を作製し、これを仮焼した後に粉砕することによって得ることができる。圧電セラミック粉末は、他の物質と組み合わされて、または他の物質と組み合わされないで、たとえば、シート状、テープ状またはペースト状等の粉末状以外の形態とされていてもよい。

卑金属粉末は、後述する共焼結によって、卑金属を含む焼結金属層１となる物質である。卑金属粉末も、他の物質と組み合わされて、または他の物質と組み合わされないで、たとえば、シート状、テープ状またはペースト状等の粉末状以外の形態とされていてもよいが、シート状またはテープ状であることで均一となり、圧電素子１０の厚みが薄い場合は卑金属粉末の焼結が均一となるため、圧電素子１０が破損しにくくなる。そのため、卑金属粉末の形態はシート状またはテープ状であることがより好ましい。

次に、卑金属粉末と圧電セラミック粉末とを重ね合わせる。卑金属粉末と圧電セラミック粉末とを重ね合わせる方法は、特に限定されないが、たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等の基材の表面上に、たとえば、シート状またはテープ状の卑金属粉末を設置した後に、卑金属粉末上に、たとえば、シート状、テープ状またはペースト状の圧電セラミック粉末を設置する方法等を用いることができる。なお、共焼結前にＰＥＴフィルムは剥離する。

次に、卑金属粉末と圧電セラミック粉末とを重ね合わせた状態で共焼結を行うことによって、焼結金属層１と圧電セラミック層２とが一体化する。焼結金属層１と圧電セラミック層２との接合界面においては、焼結金属層１に含まれる卑金属の結晶粒と、圧電セラミック層２に含まれる圧電セラミックの結晶粒とが接して固着することにより焼結金属層１と圧電セラミック層２とが一体化するため、焼結金属層１と圧電セラミック層２との間の強固な接合強度が発現する。

なお、圧電セラミック層２および焼結金属層１を含む圧電素子１０を形成する場合、あるいは内部電極を含んだ圧電セラミック層２および焼結金属層１を含む圧電素子１０を作製する際には、これらの圧電素子をＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂からなる群から選択された少なくとも１つ以上の物質を主成分として含む２枚のセラミックで挟み、共焼結することが好ましい。セラミックは、緻密であっても、空隙が存在していてもよい。セラミックは板状であっても、塊状であっても、曲面を有していてもよい。このようにすることで、共焼結の際の意図しない変形を抑制することができる。

ここで、卑金属粉末と圧電セラミック粉末との共焼結は、卑金属粉末に含まれる卑金属（焼結金属層１に含まれる卑金属）と当該卑金属の酸化物とが平衡となる酸素分圧の１０００倍以下の酸素分圧の雰囲気下で行われることが好ましい。卑金属と卑金属の酸化物との平衡酸素分圧よりも雰囲気の酸素分圧が高くなると卑金属の酸化が進行する傾向にあるが、卑金属の酸化は急激に進行するわけではないため、卑金属と卑金属の酸化物との平衡酸素分圧の１０００倍を共焼結雰囲気の酸素分圧の上限とした場合でも、卑金属の酸化を抑制しながら卑金属粉末の焼結を進行させることができ、たとえばＮｉＯまたは酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）等の卑金属の酸化物の含有を抑制して焼結金属層１を形成することができる。

その後、圧電セラミック層２の焼結金属層１と反対側の表面に外部電極層３を形成することによって、実施形態１の圧電素子１０を製造することができる。

外部電極層３を形成する材料は伝導性があればよく、たとえば銀、金、白金、ニッケル、または銅などである。外部電極層３の形成方法も特に限定されるものではなく、たとえばスパッタ法、蒸着法、金属粉末または金属粉ペーストを焼き付ける方法などがある。

実施形態１においては、卑金属粉末と圧電セラミック粉末との共焼結によって焼結金属層１と圧電セラミック層２とを形成することができる。このため、基板を用いずに、従来に比べて焼結金属層１および圧電セラミック層２のそれぞれを薄くし、圧電素子の厚さを１００μｍ以下にすることができる。また、共焼結後の冷却時には、圧電セラミック層２は焼結金属層１から圧縮応力を受けることになるが、焼結金属層１と圧電セラミック層２とは一体に形成され、その接合強度が高いことから、当該圧縮応力に起因する圧電セラミック層２の剥がれも抑制することができる。

なお、特開２０００－３３７９７１号公報に開示されている圧電素子では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜などの圧電セラミックが、樹脂フィルム基板上のチタン薄膜電極の表面に水熱合成で成膜されるため、樹脂フィルムが軟化してしまわないように水熱合成時の温度に上限があり、圧電材料が低温で結晶化する物質に限定されてしまう。また、水熱合成は、組成制御性が低いため、所望の特性の結晶膜を得ることが難しいと考えられる。これに対して、本発明においては、基板を用いずに圧電素子を作製できるため、基板の材質等による制限を受けない利点がある。また、本発明において、固相法を用いて圧電素子を作製することができ、この場合、組成制御性が高く、所望の特性の結晶膜（圧電素子）が得られ易い。

＜実施形態２＞
本実施形態の圧電部品は、図１に示す圧電部品１００における圧電素子１０を図３に示す圧電素子１０に変更した点で実施形態１とは異なる。それ以外の点は、実施形態１と同様である。

実施形態２に用いられる圧電素子１０は、焼結金属層１と一体に形成された例えば略直方体形状の圧電セラミック層２を有する。圧電セラミック層２は内部に２本の第１の内部電極１１と２本の第２の内部電極１２とを備えており、圧電セラミック層２の互いに向かい合う第１の側面２１および第２の側面２２にそれぞれ第１の接続電極３１および第２の接続電極３２を備えている。なお、実施形態２においては、第１の内部電極１１および第２の内部電極１２をそれぞれ２本ずつとしているが、第１の内部電極１１および第２の内部電極１２の本数は特に限定されるものではなく、１本ずつであってもよく、３本以上ずつであってもよい。また、第１の内部電極１１の本数と第２の内部電極１２の本数とは必ずしも同一である必要はなく、異なっていてもよい。

本実施形態において、焼結金属層１の厚みＴ１と圧電セラミック層２の厚みＴ２の合計の厚みＴには、焼結金属である内部電極の厚みが含まれる。

また、外部電極層３は、圧電セラミック層２と一体に設けられていることが好ましい。すなわち、圧電素子１０に形成されている全ての電極が焼結金属および内部電極であってもよい。

＜実施形態３＞
図５に示すように、上記実施形態１および２で挙げられた圧電部品１００は、保護層４の圧電素子１０に接する面とは反対側の主面に、さらに補強部材６を備えていてもよい。補強部材６は、例えば保護層４の圧電素子１０に接する面とは反対側の主面、すなわち圧電素子１０に接していない主面の全面を被覆していてもよく、さらに保護層４または圧電素子１０の端面を被覆していてもよい。補強部材６は、保護層４の圧電素子１０と接する面とは反対側の主面のうち一面を被覆していてもよいし、上下両面を被覆していてもよい。保護層４の主面全面は、好ましくは補強部材６によって均等に被覆されている。保護層４の上下両面に補強部材６を備える場合、補強部材６の上下の厚みは同じであってもよいし、異なっていてもよい。圧電部品１００が補強部材６を備えることにより、破断が生じるストロークまで圧電部品１００が曲がることを防ぐことができる。

補強部材６の厚みは、好ましくは１０μｍ～５ｍｍであり、より好ましくは５０μｍ～３ｍｍである。補強部材６の厚みが小さすぎると、十分な補強性を得ることができず、圧電素子１０の破断を十分に抑制できない可能性がある。補強部材６の厚みが大きすぎると、応力の伝達が小さく、応答信号が得られにくくなる虞がある。

補強部材６としては、保護層４を構成する弾性体よりも硬い、すなわちＪＩＳ Ｋ ７０７４（１９８８）で代表されるような曲げ試験方法による曲げ強度が高い物質を材料として用いることが好ましく、例えば曲げ強度が１００ＭＰａ以上である材料を用いることがより好ましい。補強部材６は、炭素繊維、ガラス繊維、セルロース繊維、金属繊維からなる群より選ばれる少なくとも１つを含むことが好ましく、補強部材６としてはこれらを含む樹脂をシート状にした物を用いることができる。

＜実施形態４＞
実施形態１～３の圧電部品１００は、圧電素子１０と電気的に接続される導線５をさらに備えてもよく、導線５は圧電素子１０に直接的にまたは間接的に接続されていてもよい。導線５は、例えば圧電素子１０の焼結金属層１または外部電極層３と接続されている。図６に示すように、導線５は導電性接着剤５１により圧電素子１０と接続されていてもよい。導電性接着剤５１を介して接続されることで、圧電素子１０から発生する電圧を測定することができる。

導電性接着剤５１は、導電性を有する接着剤であれば特に限定されないが、例えば導電性フィラーを含む樹脂が挙げられる。導電性フィラーとしては、例えば金属フィラー、金属被覆樹脂フィラー、カーボンフィラー及びそれらの混合物を使用することができる。金属フィラーとしては、金粉、銀粉、銅粉、ニッケル粉、アルミ粉などが挙げられる。これらの導電性フィラーは、１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。粒径および形状は、適宜設定することができる。導電性接着材５１に用いられるバインダー樹脂としては、例えばエポキシ系、ウレタン系、シリコーン系、アクリル系、ポリアミド系、その他の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等が挙げられる。導電性の観点からは、導電性フィラーとして銀粉、およびバインダー樹脂としてエポキシ系樹脂またはシリコーン系樹脂を用いることが好ましい。また、導電性接着剤５１は、はんだを含んでもよく、はんだおよび熱硬化性樹脂を含んでもよく、フラックス成分を含んでいてもよい。

＜実施形態５＞
実施形態１～４の圧電部品１００は、さらに導電性シート５２を含み、導線５は導電性シート５２を介して圧電素子１０に接続されていてもよい。図７に示すように、導電性シート５２は、導電性接着剤５１によって圧電素子１０に接続されていてもよい。導電性シート５２としては特に限定されないが、例えば金属を主成分として形成され得る。導電性シート５２に用いられる金属としては、例えば銀、銅、金、ニッケル、アルミニウム等が挙げられる。導電性シート５２は、例えば上記金属を主成分とする金属板としてもよいし、金属箔とすることもできる。金属板とする場合、その厚みは、例えば５０μｍ～５００μｍとすることができる。金属箔とする場合、焼結金属層１または外部電極層３に、上記金属を含む塗工液を塗布して乾燥することで金属箔を形成することができ、その厚みは例えば５μｍ～５０μｍとすることができる。導電性シート５２を介して圧電素子１０と導線５とが離れた位置で接続される場合、好ましくは図７に示すように、圧電部品１００の主面に垂直な方向から見て（投影して）、圧電素子１０と導線５とが重ならない位置で接続されている場合、圧電素子１０にかかる応力が低減され、圧電素子１０の破断をより抑制しやすくなる。

（圧電素子の作製）
まず、炭酸カリウム（Ｋ₂ＣＯ₃）、炭酸ナトリウム（Ｎａ₂ＣＯ₃）、炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ₃）および酸化イッテルビウム（Ｙｂ₂Ｏ₃）のそれぞれの粉末を用意した。

次に、固溶体を形成するニオブ酸アルカリ金属化合物とジルコン酸カルシウムとの比率が９８：２となり、かつアルカリ金属（Ｋ、ＮａおよびＬｉ）のモル比がＫ：Ｎａ：Ｌｉ＝０．４５：０．５３：０．０２となるように、Ｋ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、Ｌｉ₂ＣＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＣａＣＯ₃、およびＺｒＯ₂のそれぞれの粉末を秤量した。また、上記固溶体１００モルに対して、ＺｒＯ₂が３モル、ＭｎＯが５モル、Ｙｂ₂Ｏ₃が０．２５モルとなるように、ＺｒＯ₂、ＭｎＣＯ₃およびＹｂ₂Ｏ₃のそれぞれの粉末を秤量した。

次に、上記のように秤量した粉末を、ＰＳＺボールが内有されたポットミルに投入し、エタノールを溶媒にして約９０時間ポットミルを回転して、湿式で混合することにより圧電セラミック素原料粉末を得た。そして、得られた圧電セラミック素原料粉末を乾燥した後、９００℃の温度で仮焼し、その後、粉砕することによって、［１００｛０．９８（Ｋ_0.45Ｎ_0.53Ｌｉ_0.02）ＮｂＯ₃－０．０２ＣａＺｒＯ₃｝＋３ＺｒＯ₂＋５ＭｎＯ＋０．２５Ｙｂ₂Ｏ₃］の組成式で表される圧電セラミック粉末を得た。

次に、上記のようにして得られた圧電セラミック粉末を、有機バインダ、分散剤、アセトン、可塑剤、およびＰＳＺボールとともにポットミルに投入し、ポットミルを回転させながら湿式で十分に混合し、ドクターブレード法でシート成形を行い、圧電セラミックシートを得た。

また、圧電セラミック粉末のシート成形と同様に、Ｎｉ粉末と有機バインダ等をポットミルに投入して回転させながら十分に混合し、ドクターブレード法でシート成形を行い、卑金属粉末シートを得た。

次に、ＰＥＴフィルム上に、焼結金属層１となる卑金属粉末シートを貼り付けた。卑金属粉末シート上に、圧電セラミックシートを重ね、さらに卑金属粉末シートを積層した。ＰＥＴフィルムを剥離した後、積層体を静水圧加圧し、その後Ｎｉ－ＮｉＯ平衡酸素分圧の０．５桁還元側（Ｎｉ－ＮｉＯ平衡酸素分圧の１／３．１６の酸素分圧）になるように調整された雰囲気下で、１０００℃～１１６０℃の温度で２時間共焼結することによって、圧電セラミック層２とその両面の焼結金属層１とが一体に形成された試験用の圧電素子を得た。得られた圧電素子１０において、２つの焼結金属層１の各々の（片側の）厚みＴ１は１μｍ、圧電セラミック層２の厚みＴ２は３０μｍであり、圧電素子の幅は５ｍｍ、長さは１０ｍｍである。圧電素子１０を導線５と接続することで、圧電素子から発生する電圧を測定することができる。

（実施例１）
アスカーＣ硬度が５、５０、１００または１５０のウレタン樹脂（弾性体）の未硬化物を用意し、上記の試験用の圧電素子の両主面全面に塗布し、十分硬化させた。これにより、圧電素子の両主面全面に保護層が形成された。圧電素子の両主面に形成された２つの保護層の厚みは同じであり、圧電素子の一方の主面に形成された保護層の厚みＴ４は１ｍｍであった。

それぞれの圧電部品について、ＳＨＩＭＡＺＵ製マイクロオートグラフＭＳＴ－Ｉを用いて、支点間距離を５ｍｍとし、押し込み速度１ｍｍ／ｓで３点曲げ試験を行った（図８）。圧電部品（圧電素子）が破断したときのストローク（押し込み治具が圧電部品（圧電素子）に接触してから破断するまでの押し込み治具の移動距離）を表１に示す。

表１に示されるように、アスカーＣ硬度が５以上１５０以下のウレタン樹脂を含む保護層で圧電素子を覆った場合、保護層なしの場合よりも破断時のストロークは増加し、圧電素子の耐破断性が向上していた。

（実施例２）
ヤング率０．０５ＧＰａもしくは０．１ＧＰａの合成ゴム、ヤング率２ＧＰａのポリカーボネート、またはヤング率８ＧＰａのポリブチレンテレフタレートを加熱軟化させた未硬化物を用意し、上記の試験用の圧電素子の両主面全面に保護層の厚み（片側の保護層の厚み）Ｔ４が１ｍｍとなるように塗布し、十分硬化させた。

それぞれの圧電部品について、ＳＨＩＭＡＺＵ製マイクロオートグラフＭＳＴ－Ｉを用いて、支点間距離を５ｍｍとし、押し込み速度１ｍｍ／ｓで３点曲げ試験を行った。また３点曲げ試験と同時に、導線とオシロスコープを接続し、圧電素子のたわみにより発生する信号を計測した。圧電部品（圧電素子）が破断したときのストロークを表２に示す。

表２に示されるように、ヤング率０．０５ＧＰａ以上８ＧＰａ以下の弾性体を含む保護層で圧電素子を覆った場合、保護層なしの場合よりも破断時のストロークは増加し、圧電素子の耐破断性が向上していた。また、圧電素子のたわみによる電圧も計測することができた。

（実施例３）
アスカーＣ硬度１０のウレタン樹脂の未硬化物を用意し、上記の試験用の圧電素子の両主面全面に保護層の厚みＴ４が５２μｍ、９６μｍ、２０３μｍ、１０１０μｍ、１ｃｍ、１０ｃｍまたは２０ｃｍとなるように塗布して、十分硬化させた。

それぞれの圧電部品について、ストロークが０．５ｍｍとなるまで治具を押し込む３点曲げ試験を行った。同時に、圧電素子から引き出した導線をオシロスコープに接続し、３点曲げ試験中にその電気的応答（応答電流）を確認した。結果を表３に示す。

表３に示されるように、保護層の厚みＴ４が５２μｍの場合、ストローク０．５ｍｍで圧電部品は破断した。また、保護層の厚みＴ４が２０ｃｍの場合、電気的応答は減衰した。保護層の厚みＴ４が９６μｍ～１０ｃｍの場合、圧電部品は破断せず、良好な電気的応答を示した。

なお、３点曲げ試験とは別に０～３０ＶのＡＣ電圧を印加し、ＯＮＯＳＯＫＫＩ製レーザードップラー振動計ＬＶ１６１０で圧電部品の変位を測定したところ、これらの圧電部品では電圧とともに変位が計測され、アクチュエータとしても機能していることがわかった。従って、焼結金属層１の厚みＴ１が２μｍ、圧電セラミック層２の厚みＴ２が３０μｍである場合において、保護層４の厚みＴ４が焼結金属層１の厚みＴ１と圧電セラミック層２の厚みＴ２の合計の厚みＴの３倍以上であれば、より圧電素子の耐破断性が向上することがわかった。また、保護層４の厚みＴ４が１０ｃｍ以下である場合に、電気的応答性を失わずに圧電素子の強度を上昇させることができる。

（比較試験）
実施例３の保護層の厚みＴ４が２０３μｍの圧電部品と同様にして、一部樹脂を塗布せず、保護層にスリット状の切れ目が形成され、その部分で焼結金属層１が露出した状態の圧電部品１００を作製した。実施例１と同様に３点曲げ試験を行ったところ、圧電素子単体と同じストローク（０．３ｍｍ）で圧電部品は破断した（図１０）。圧電素子の主面全面が覆われずに一部が露出している場合、応力が集中し、そこで素子が破損しやすくなると考えられる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 焼結金属層、２ 圧電セラミック層、３ 外部電極層、１０ 圧電素子、４ 保護層、５ 導線、５１ 導電性接着剤、５２ 導電性シート、６ 補強部材、１１ 第１の内部電極、１２ 第２の内部電極、２１ 第１の側面、２２ 第２の側面、３１ 第１の接続電極、３２ 第２の接続電極、１００ 圧電部品。

Claims (15)

1. 圧電セラミック層と、前記圧電セラミック層の少なくとも一方の主面に設けられた卑金属を含む焼結金属層と、を含む圧電素子を備え、
   前記圧電セラミック層は、ペロブスカイト型化合物を主要物質として含み、
   前記主要物質は、ニオブと、アルカリ金属と、酸素とを含み、
   前記圧電セラミック層に含まれる全物質の総モル量に対する前記主要物質の含有量が９０モル％以上であり、
   前記圧電素子の厚みが１００μｍ以下であり、
   前記圧電素子の両主面全面が弾性体からなる保護層に被覆されており、
   前記弾性体はアスカーＣ硬度が５以上１５０以下である、圧電部品。
2. さらに前記圧電素子の端面が前記保護層に被覆されている、請求項１に記載の圧電部品。
3. 前記保護層の厚みＴ４が、前記焼結金属層の厚みＴ１と前記圧電セラミック層の厚みＴ２の合計の厚みＴの３倍以上である、請求項１または２に記載の圧電部品。
4. 前記保護層の厚みＴ４が１０ｃｍ以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の圧電部品。
5. 前記弾性体はヤング率が０．０５ＧＰａ以上８ＧＰａ以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の圧電部品。
6. 前記弾性体は、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン、塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリ乳酸、テフロン（登録商標）、シリコーンおよびウレタンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の圧電部品。
7. 前記保護層の前記圧電素子に接する面とは反対側の主面に、さらに補強部材を備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の圧電部品。
8. 前記補強部材は、炭素繊維、ガラス繊維、セルロース繊維および金属繊維からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項７に記載の圧電部品。
9. 前記圧電素子と電気的に接続される導線をさらに備える、請求項１～８のいずれか１項に記載の圧電部品。
10. 導電性シートをさらに備え、
    前記導線は、前記導電性シートを介して前記圧電素子に接続される、請求項９に記載の圧電部品。
11. 前記導線は、前記導電性シートを介して前記圧電素子と離れた位置で接続される、請求項１０に記載の圧電部品。
12. 前記導線は、導電性接着剤により前記圧電素子に接続され、
    前記導電性接着剤は、導電性フィラーを含むエポキシ系またはシリコーン系樹脂を含む、請求項９～１１のいずれか１項に記載の圧電部品。
13. 前記導線は、導電性接着剤により前記圧電素子に接続され、
    前記導電性接着剤は、はんだおよび熱硬化性樹脂を含む、請求項９～１２のいずれか１項に記載の圧電部品。
14. 請求項１～１３のいずれか１項に記載の圧電部品を備えるセンサ。
15. 請求項１～１３のいずれか１項に記載の圧電部品を備えるアクチュエータ。

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