JP7099598B1

JP7099598B1 - 圧電素子

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Publication number: JP7099598B1
Application number: JP2021118616A
Authority: JP
Inventors: 智久東; 佳生太田; 将士北▲崎▼; 博之井尻; 勝也稲葉; 三樹夫住吉
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2021-07-19
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2041-07-19
Also published as: JP2023014590A

Abstract

【課題】電極間の短絡の発生を抑制しつつ、所望の特性を得ることができる圧電素子を提供する。【解決手段】圧電素子１は、互いに対向する第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂと、第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂを結ぶ周面５とを有し、平面視において円形をなす圧電素体２と、第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂのそれぞれに設けられた一対の電極３，３と、を備え、圧電素体２における周面５は、粗面となっている。【選択図】図３

Description

本開示は、圧電素子に関する。

従来の圧電素子として、例えば特許文献１に記載の圧電素子がある。この従来の圧電素子は、平面視において円形状をなす圧電素体を備えている。圧電素体において互いに対向する一対の主面には、圧電素体より一回り小さい形状の円形の電極がそれぞれ設けられている。一方の電極の領域内には、圧電素体の主面を露出させる開口部が設けられている。この開口部は、電極の極性を識別するためのマークとして機能する。

実開昭６３－１８７３５８号公報

上述のような圧電素子では、所望の特性を得るため、活性部となる領域（主として一対の主面に設けられた電極間に圧電素体が位置する領域）を十分に確保する必要がある。一方で、電極の外縁が圧電素体の外縁に近接している場合、主面の一方の電極と主面の他方の電極とが短絡し易くなることが考えられる。

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、電極間の短絡の発生を抑制しつつ、所望の特性を得ることができる圧電素子を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る圧電素子は、互いに対向する第１の主面及び第２の主面と、第１の主面及び第２の主面を結ぶ周面とを有し、平面視において円形をなす圧電素体と、第１の主面及び第２の主面のそれぞれに設けられた一対の電極と、を備え、圧電素体における周面は、粗面となっている。

この圧電素子では、圧電素体の周面が粗面となっている。このため、圧電素体の周面が平坦面である場合に比べて、第１の主面に設けられた電極と第２の主面に設けられた電極との間の絶縁距離を長くすることができる。これにより、圧電素子において活性部となる領域を拡大する場合、すなわち、電極の外縁を第１の主面の外縁及び第２の主面の外縁に近接させる場合でも、圧電素体の周面における絶縁破壊電圧を十分に高めることが可能となる。したがって、この圧電素子では、電極間の短絡の発生を抑制しつつ、所望の特性を得ることができる。

粗面において、圧電素体の厚さ方向の表面粗さは、圧電素体の周方向の表面粗さよりも大きくなっていてもよい。これにより、第１の主面に設けられた電極と第２の主面に設けられた電極との間の絶縁距離を一層十分に確保できる。したがって、電極間の短絡の発生を一層効果的に抑制できる。

粗面には、圧電素体の周方向に延在する凹凸部が形成されていてもよい。この場合、圧電素体の周面を粗面とする場合であっても、平面視における圧電素体の形状が凹凸で歪むことを抑制できる。したがって、圧電素子において、径方向に均一な拡がり振動を得ることができる。また、凹凸部が圧電素体の周方向に延在することで、圧電素体の厚さ方向にクラックが生じることも抑制できる。

一対の電極の外縁は、第１の主面の外縁及び第２の主面の外縁と一致していてもよい。この場合、圧電素子において、活性部となる領域をより拡大することができる。電極の外縁が第１の主面の外縁及び第２の主面の外縁に位置する場合でも、圧電素体の周面が粗面となっていることで、第１の主面に設けられた電極と第２の主面に設けられた電極との間の絶縁距離を十分に担保でき、電極間の短絡の発生を抑制できる。

本開示によれば、電極間の短絡の発生を抑制しつつ、所望の特性を得ることができる。

本開示の一実施形態に係る圧電素子の平面図である。図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。図１に示した圧電素子の要部拡大断面図である。図１に示した圧電素子の要部拡大側面図である。圧電素体の周面の研磨手法の一例を示す概略的な斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る圧電素子の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係る圧電素子の平面図である。また、図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。図１及び図２に示す圧電素子１は、例えば超音波トランスデューサの構成要素として用いられる素子である。超音波トランスデューサは、圧電素子１によって超音波を発生させる、又は圧電素子１が受けた超音波を検出する超音波送受装置である。

超音波トランスデューサが超音波を発する場合には、例えば圧電素子１に交流電圧が印加され、当該交流電圧によって圧電素子１が連続的に変位する。圧電素子１の変位に応じて、超音波トランスデューサから超音波が発生する。超音波トランスデューサが超音波を検出する場合には、例えば受けた超音波に起因する圧電素子１の変位によって圧電素子１に起電力が発生する。起電力の発生によって超音波を受けたか否かが検出され、発生した起電力の大きさによって超音波の音圧又は音圧レベルなどが検出される。

圧電素子１は、図１及び図２に示すように、圧電素体２と、一対の電極３，３とを備えて構成されている。圧電素体２は、全体として薄い円盤状をなしている。すなわち、圧電素体２は、互いに対向する第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂと、第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂを結ぶ周面５とを有し、平面視において円形をなしている。

圧電素体２は、複数の圧電体層（不図示）が積層されて構成されている。各圧電体層は、圧電材料からなる。本実施形態では、各圧電体層は、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ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３］、又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）が用いられる。各圧電体層は、例えば上述した圧電セラミック材料を含むセラミックグリーンシートの焼結体から構成される。実際の圧電素体２では、各圧電体層は、各圧電体層の間の境界が認識できない程度に一体化されている。

電極３は、圧電素体２の第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂのそれぞれに設けられている。主として第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂに設けられた電極３，３間に圧電素体２が位置する領域は、電歪効果で伸縮する活性部として機能する。電極３は、導電性材料によって構成されている。導電性材料としては、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ａｇ－Ｐｄ合金などが用いられる。電極は、例えば上記導電性材料を含む導電性ペーストの焼結体として構成されている。

電極３は、平面視において円形をなし、圧電素体２の第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂと同心に配置されている。本実施形態では、電極３の外縁３ａは、第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂの外縁４ａと一致している。つまり、本実施形態では、後述する極性表示部Ｐ（開口部１１）の形成部分を除いて、圧電素体２の第１の主面４Ａの全面及び第２の主面４Ｂの全面が電極３で覆われた状態となっている。電極３の外縁３ａは、圧電素体２の周面５には張り出しておらず、周面５は、電極３で覆われていない状態となっている。

第１の主面４Ａ側の電極３には、極性表示部Ｐが設けられている。極性表示部Ｐは、例えば電極３の径に対して十分に小径の円形の開口部１１によって構成されている。開口部１１においては、第１の主面４Ａが露出するようになっている。このため、極性表示部Ｐは、電極３の色と、開口部１１から露出する第１の主面４Ａの色との違いによって容易に識別可能となっており、電極３，３の極性表示機能を発揮する。

本実施形態では、開口部１１の中心Ｆ２の位置は、平面視における圧電素体２の中心Ｆ１の位置から偏心した状態となっている。開口部１１の中心Ｆ２を圧電素体２の中心Ｆ１から偏心させることで、例えば圧電素子１の検査用のセンサの端子を圧電素体２の中心Ｆ１（すなわち電極３の中心）に当てることができ、当該検査の作業性を担保できる。また、開口部１１の中心Ｆ２は、圧電素体２の中心Ｆ１寄りに位置していることが好ましい。図１の例では、開口部１１の中心Ｆ２は、圧電素体２の１／２の径を有する円形領域よりも内側に位置している。このように、圧電素子１の径方向への変位に寄与しない開口部１１を電極３の外縁３ａ側に位置させないことで、圧電素子１による径方向への均一な拡がり振動を担保できる。

上述した圧電素子１では、図３及び図４に示すように、圧電素体２の周面５が粗面Ｋとなっている。具体的には、粗面Ｋにおいては、圧電素体２の厚さ方向Ｔの表面粗さは、圧電素体２の周方向Ｒの表面粗さよりも大きくなっている。この粗面Ｋは、圧電素体２の周方向Ｒに延在する凹凸部Ｋａによって形成されている。凹凸部Ｋａは、微視的に見ると、図３に示すように、厚さ方向Ｔについては凹凸高さがランダムな波状をなしている。また、凹凸部Ｋａは、微視的に見ると、図４に示すように、周方向Ｒに沿って延在する線状となっている。

凹凸部Ｋａによる粗面Ｋは、例えばセンタレス研削と称される手法を用いて形成することができる。センタレス研削では、例えば図５に示すように、研削ローラ２２、調整ローラ２３、及び支持ブレード２４を備えた研磨装置２１が用いられる。当該研磨装置２１において、支持ブレード２４に載置した圧電素体２（ここでは、圧電素体２を厚さ方向Ｔについて積層した円筒体Ｍ）の周面５を研削ローラ２２及び調整ローラ２３で挟持し、円筒体Ｍを軸方向に送りながら研削ローラ２２及び調整ローラ２３を回転させることで、圧電素体２の周面５に粗面Ｋを形成できる。

本実施形態では、圧電セラミック材料の成型、脱バインダ処理、焼成を行い、第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂの研磨を行うことで圧電素体２を得る。次に、圧電素体２を厚さ方向Ｔについて積層して円筒体Ｍを形成し、研磨装置２１を用いたセンタレス研削によって圧電素体２の周面５に粗面Ｋを形成する。粗面Ｋを形成した後、円筒体Ｍを各圧電素体２に分離する。そして、分離した圧電素体２の第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂに導電性ペーストをそれぞれ印刷し、当該導電性ペーストの焼き付けを行うことにより電極３，３を形成する。電極３，３を形成した後、洗浄及び分極処理を経て、上述した圧電素子１が得られる。

上記センタレス研削には、例えば株式会社大宮マシナリー製の研削機１８ＢＲ－１５０を用いることができる。一例として、上記センタレス研削で形成した粗面Ｋでは、厚さ方向Ｔについて、算術平均粗さＲａが９．９１μｍ、十点平均粗さＲｚが６３．３１μｍ、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍが４８．５μｍであった。また、周方向Ｒについて、算術平均粗さＲａが９．２μｍ、十点平均粗さＲｚが５７．１μｍ、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍが７３．２μｍであった。算術平均粗さＲａ及び十点平均粗さＲｚの計測結果から、センタレス研削を用いることによって圧電素体２の周方向Ｒに延在する凹凸部Ｋａが形成され、厚さ方向Ｔの表面粗さが周方向Ｒの表面粗さよりも大きい粗面Ｋを好適に得られることが確認できた。

また、粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍは、平均点と交差する交点から求めた凹凸の周期の間隔を示すパラメータである。したがって、センタレス研削で形成した粗面Ｋでは、厚さ方向Ｔに対する凹凸部Ｋａの凹凸の間隔が、周方向Ｒに対する凹凸部Ｋａの凹凸の間隔よりも小さくなることも確認できた。

上記算術平均粗さＲａ、十点平均粗さＲｚ、及び粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍの測定には、株式会社キーエンス製のレーザ顕微鏡ＶＫ－Ｘ２５０を用いた。対物レンズには、株式会社ニコン製の二光束干渉用対物レンズＣＦＩＣＥＰＩＰｌａｎ５Ｘ（倍率５倍）を用いた。圧電素体２の周面５における測定寸法は４００μｍとし、スキャンピッチは０．５μｍとした。周方向Ｒの測定結果には、画像処理として曲面補正を実施した。
厚さ方向Ｔに対する算術平均粗さＲａ、十点平均粗さＲｚ、及び粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍは、周方向Ｒに対する算術平均粗さＲａ、十点平均粗さＲｚ、及び粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍに対し、それぞれ＋５％、＋５％、-２０％であることが好ましく、＋７％、＋１０％、-３０％あることが更に好ましい。

以上のような構成を有する圧電素子１では、圧電素体２の周面５が粗面Ｋとなっていることで、圧電素体２の周面５が平坦面である場合に比べて、第１の主面４Ａに設けられた電極３と第２の主面４Ｂに設けられた電極３との間の絶縁距離（ここでは、第１の主面４Ａ側の電極３の外縁３ａと、第２の主面４Ｂ側の電極の外縁３ａとの間の周面５上の表面距離）を長くすることができる。これにより、圧電素子１において活性部となる領域を拡大する場合、すなわち、電極３の外縁３ａを第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂの外縁４ａに近接させる場合でも、圧電素体２の周面５における絶縁破壊電圧を十分に高めることが可能となる。したがって、この圧電素子１では、電極３，３間の短絡の発生を抑制しつつ、所望の特性を得ることができる。

圧電素子１では、粗面Ｋにおいて、圧電素体２の厚さ方向Ｔの表面粗さが圧電素体２の周方向Ｒの表面粗さよりも大きくなっている。これにより、第１の主面４Ａに設けられた電極３と第２の主面４Ｂに設けられた電極３との間の絶縁距離を一層十分に確保できる。したがって、電極３，３間の短絡の発生を一層効果的に抑制できる。

圧電素子１では、粗面Ｋにおいて、圧電素体２の周方向Ｒに延在する凹凸部Ｋａが形成されている。凹凸部Ｋａが周方向Ｒに延在することで、圧電素体２の周面５を粗面Ｋとする場合であっても、平面視における圧電素体２の形状が凹凸で歪むことを抑制できる。したがって、圧電素子１において、径方向に均一な拡がり振動を得ることができる。また、凹凸部Ｋａが圧電素体２の周方向Ｒに延在することで、圧電素体２の厚さ方向Ｔにクラックが生じることも抑制できる。

圧電素子１では、一対の電極３，３の外縁３ａが第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂの外縁４ａと一致している。これにより、圧電素子１において、活性部となる領域をより拡大することができる。電極３の外縁３ａが第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂの外縁４ａに一致する場合でも、圧電素体２の周面５が粗面Ｋとなっていることで、第１の主面４Ａに設けられた電極３と第２の主面４Ｂに設けられた電極３との間の絶縁距離を十分に担保でき、電極３，３間の短絡の発生を抑制できる。

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、電極３の外縁３ａが第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂの外縁４ａに一致しているが、電極３の外縁３ａが第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂの外縁４ａよりも内側に位置していてもよい。すなわち、電極３の平面形状が第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂよりも一回り小さい円形状をなしていてもよい。

また、上記実施形態では、電極３の平面形状が円形となっているが、電極３の平面形状はこれに限られず、矩形、楕円形、多角形等の他の形状であってもよい。第１の主面４Ａ側の電極３の平面形状と、第２の主面４Ｂ側の電極３の平面形状とが互いに異なっていてもよい。

１…圧電素子、２…圧電素体、３…電極、３ａ…外縁、４Ａ…第１の主面、４Ｂ…第２の主面、４ａ…外縁、５…周面、Ｋ…粗面、Ｋａ…凹凸部、Ｒ…周方向、Ｔ…厚さ方向。

Claims

互いに対向する第１の主面及び第２の主面と、前記第１の主面及び前記第２の主面を結ぶ周面とを有し、平面視において円形をなす圧電素体と、
前記第１の主面及び前記第２の主面のそれぞれに設けられた一対の電極と、を備え、
前記圧電素体における前記周面は、粗面となっており、
前記粗面において、前記圧電素体の厚さ方向の表面粗さは、前記圧電素体の周方向の表面粗さよりも大きくなっている圧電素子。
互いに対向する第１の主面及び第２の主面と、前記第１の主面及び前記第２の主面を結ぶ周面とを有し、平面視において円形をなす圧電素体と、
前記第１の主面及び前記第２の主面のそれぞれに設けられた一対の電極と、を備え、
前記圧電素体における前記周面は、粗面となっており、
前記粗面には、前記圧電素体の周方向に延在する凹凸部が形成されている圧電素子。
前記一対の電極の外縁は、前記第１の主面の外縁及び前記第２の主面の外縁と一致している請求項１又は２記載の圧電素子。