JP7200839B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

本開示は、圧電デバイスに関する。

圧電素子と、圧電素子の主面に取り付けられた取付部材と、圧電素子と取付部材とを接合する接合部材と、を備える圧電デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された超音波振動子では、超音波により気体や液体の流量や流速の計測が行われる。

特開２００３－３４８６８１号公報

上述のような圧電デバイスでは、圧電素子の主面が多角形状を有する場合がある。この場合、熱衝撃による応力が主面の角部に集中し易い。このため、角部近傍でクラック及び剥離が生じ、圧電デバイスを安定して駆動することができないおそれがある。

本開示の一側面は、安定して駆動することができる圧電デバイスを提供する。

本開示の一側面に係る圧電デバイスは、互いに対向する第１主面及び第２主面を有する圧電素子と、第１主面に取り付けられた取付部材と、第１主面と取付部材とを接合する接合部材と、を備え、第１主面は、接合部材により被覆された第１領域と、接合部材から露出した第２領域と、を有し、第１主面は、多角形状を呈し、第２領域は、第１主面の角部に位置している。

この圧電デバイスでは、第２領域が第１主面の角部に位置している。つまり、角部は接合部材から露出しており、取付部材に接合されていない。したがって、角部に応力が集中することが抑制される。これにより、角部近傍でクラック及び剥離が生じることが抑制される。よって、圧電デバイスを安定して駆動することができる。

第２領域は、第１主面の全ての角部に位置していてもよい。この場合、第１主面の全ての角部に応力が集中することが避けられる。これにより、全ての角部近傍でクラック及び剥離が生じることが抑制される。よって、圧電デバイスを更に安定して駆動することができる。

圧電素子には、スリットが設けられており、第１主面は、スリットにより分割されている。この場合、第１主面は、スリットによって変形し易く、その結果、圧電デバイスの湾曲変形量が更に大きくなり易い。よって、第２領域が角部に位置し、角部への応力集中を避ける構成が更に有効である。

第１領域と第２領域との境界は、角部に沿って湾曲していてもよい。この場合、第１領域と第２領域との境界を丸められた形状とすることができるので、この境界に応力が集中することが抑制される。よって、圧電デバイスを一層安定して駆動することができる。

圧電素子は、圧電体と、圧電体上に設けられた電極と、を有し、電極は、第１主面を有していてもよい。この場合、仮に、第１主面の角部に応力が集中すると、電極が圧電体から剥離するおそれがある。よって、第２領域が角部に位置し、角部への応力集中を避ける構成が更に有効である。

本開示の一側面によれば、安定して駆動することができる圧電デバイスを提供することがきる。

一実施形態に係る圧電デバイスを示す断面図である。 図１の圧電素子を示す斜視図である。 図１の圧電素子を示す上面図である。 （ａ）は、圧電デバイスの熱収縮時の変形を示す斜視図であり、（ｂ）は、圧電デバイスの熱膨張時の変形を示す斜視図である。

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デバイスを示す断面図である。図１に示されるように、圧電デバイス１００は、圧電素子１と、振動部材２０と、接合部材６とを備えている。圧電デバイス１００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のセンサとして使用される。圧電デバイス１００は、アクチュエータとしても使用される。

圧電素子１は、その外表面として、互いに対向する第１主面１ａ及び第２主面１ｂを有している。第１主面１ａは、多角形状を呈し、複数の角部Ａを有している。角部Ａの角度は、１８０度未満である。本実施形態では、第１主面１ａは、矩形状を呈し、４つの角部Ａを有している。４つの角部Ａの角度は、例えば、それぞれ９０度である。第２主面１ｂは、例えば、第１主面１ａと同形状を呈している。

振動部材２０は、第１主面１ａに取り付けられた取付部材である。振動部材２０は、導電性を有している。振動部材２０は、例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の金属板である。振動部材２０は、互いに対向する一対の主面２０ａ及び主面２０ｂを有している。主面２０ａは圧電素子１と対向している。振動部材２０は、例えば、圧電素子１を覆うケースの一部分であってもよい。接合部材６は、第１主面１ａと振動部材２０とを接合している。接合部材６は、例えば、エポキシ等の樹脂である。接合部材６は、例えば、互いに離間する複数の樹脂部分６１を有している。

図２は、図１の圧電素子を示す斜視図である。図１及び図２に示されるように、圧電素子１は、例えば、振動部材２０の主面２０ａに設けられている。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、主面２ｂ、一対の側面２ｃ及び一対の側面２ｄは、矩形状を呈している。主面２ａは、第１主面１ａと同形状を呈している。主面２ｂは、第２主面１ｂと同形状を呈している。

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。方向Ｄ１は、圧電素子１の第１主面１ａ及び第２主面１ｂの対向方向でもある。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。

主面２ａは、電極３及び接合部材６を介して振動部材２０と対向する面である。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。

主面２ａは、後述の複数のスリット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。

電極３は、主面２ａに設けられている。電極３は、後述のスリット５の部分を除く主面２ａの全体に設けられている。電極３は、方向Ｄ１において互いに対向する主面３ａ及び主面３ｂを有している。主面３ａは、圧電素子１の第１主面１ａを構成している。よって、電極３は、第１主面１ａを有している。主面３ａは、第１主面１ａ及び第２主面１ｂと同形状を呈している。主面３ｂは、方向Ｄ１において圧電体２の主面２ａと対向している。電極３の厚さ（方向Ｄ１の長さ）は、例えば５μｍである。

電極３は、後述の複数のスリット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の全体にそれぞれ設けられている。各電極部分３１には、接合部材６の樹脂部分６１が１つずつ設けられている。

電極４は、主面２ｂに設けられている。電極４は、方向Ｄ１において互いに対向する主面４ａ及び主面４ｂを有している。主面４ａは、方向Ｄ１において圧電体２の主面２ｂと対向している。主面４ｂは、圧電素子１の第２主面１ｂを構成している。よって、電極４は、第２主面１ｂを有している。主面４ｂは、第２主面１ｂ及び主面２ｂと同形状を呈している。電極４の厚さ（方向Ｄ１の長さ）は、例えば電極３の厚さと同等である。電極４の厚さは、例えば５μｍである。

圧電素子１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、具体的には、圧電素子１の第１主面１ａ寄りの部分に設けられている。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、方向Ｄ２に延び、圧電素子１の方向Ｄ２の一端から他端に至っている。スリット５は、電極３を方向Ｄ１に貫通し、圧電体２の方向Ｄ１の途中まで設けられている。スリット５は、主面２ｂに至ってない。スリット５は、例えば、圧電素子１がセンサに使用される場合に、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。

第１主面１ａは、スリット５により分割されている。第１主面１ａ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）の主面部分１ａ１を有している。方向Ｄ３で隣り合う一対の主面部分１ａ１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１ａ１は、方向Ｄ３において等間隔で並んでいる。複数の主面部分１ａ１は、互いに同形状を呈している。

スリット５の底面は、方向Ｄ１において第２主面１ｂと対向している。スリット５の底面は、例えば、第１主面１ａ及び第２主面１ｂと平行に設けられている。複数のスリット５の底面と第２主面１ｂとの間隔は、互いに同等である。すなわち、複数のスリット５の方向Ｄ１の長さは、互いに同等である。

スリット５の方向Ｄ１の長さ（スリット５の深さ）は、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、例えば０．３ｍｍである。方向Ｄ１におけるスリット５と第２主面１ｂとの離間距離は、例えば０．４ｍｍである。

圧電素子１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）の分割部分１１と、複数の分割部分１１を互いに接続する複数（ここでは３つ）の接続部分１２と、を有している。

複数の分割部分１１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割部分１１は、スリット５を介して互いに離間している。方向Ｄ１から見て、分割部分１１は、スリット５と重なっていない。分割部分１１は、第１主面１ａの一部（主面部分１ａ１）及び第２主面１ｂの一部を含んでいる。分割部分１１は、第１主面１ａから第２主面１ｂに至っている。分割部分１１は、圧電体２の一部、電極３の一部（電極部分３１）及び電極４の一部をそれぞれ含んでいる。

複数の接続部分１２は、例えば互いに同形状を呈している。方向Ｄ１から見て、接続部分１２は、スリット５と重なっている。接続部分１２は、スリット５の底面と第２主面１ｂの一部とを含んでいる。接続部分１２は、スリット５の底面から第２主面１ｂに至っている。接続部分１２は、スリット５の底部を構成している。接続部分１２は、方向Ｄ３で隣り合う一対の分割部分１１の間に配置されており、方向Ｄ３で隣り合う一対の分割部分１１を互いに接続している。接続部分１２は、圧電体２の一部及び電極４の一部をそれぞれ含んでいる。

図３は、図１の圧電素子を示す上面図である。図３では、接合部材６が破線で示されている。図３に示されるように、第１主面１ａは、接合部材６により被覆された第１領域Ｒ１と、接合部材６から露出した複数の第２領域Ｒ２と、を有している。第１領域Ｒ１には、接合部材６が配置されている。第１領域Ｒ１は、接合部材６に当接し、接合部材６により振動部材２０に接合されている。第２領域Ｒ２には、接合部材６が配置されていない。第２領域Ｒ２は、接合部材６に当接しておらず、振動部材２０に接合されていない。

第１領域Ｒ１は、第１主面１ａにおいて、スリット５が形成された部分と、角部Ａとを除く領域である。第２領域Ｒ２は、第１主面１ａの角部Ａに位置している。本実施形態では、第１主面１ａは４つの第２領域Ｒ２を有している。第２領域Ｒ２は、第１主面１ａの全ての角部Ａに位置している。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界は、角部Ａに沿って湾曲している。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界は、角部Ａ側に凸の曲線であり、Ｒ形状を呈している。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界におけるＲ形状の曲率半径は、例えば、スリット５の幅よりも大きく、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。

本実施形態では、方向Ｄ３に並ぶ複数の主面部分１ａ１のうち、方向Ｄ３の両端に配置された主面部分１ａ１は、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２を有している。方向Ｄ３の両端以外に配置された主面部分１ａ１は、第１領域Ｒ１のみを有している。つまり、方向Ｄ３の両端以外に配置された主面部分１ａ１は、樹脂部分６１によって全体的に覆われている。

圧電デバイス１００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、例えば、４０ＭＰａの圧力でプレス成形する。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、４００℃で１２時間かけて行われる。続いて、セラミックグリーンを焼成する。焼成は、例えば、１２５０℃で４時間かけて行われる。これにより、圧電体が得られる。

次に、圧電体をラップ研磨し、例えば、厚さ３．２ｍｍの板状に成形する。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１０μｍの厚さで付与される。続いて、圧電体の外周研削、及び、スリット加工を施す。その後、導電性ペーストの焼き付け処理を行う。焼き付け処理は、例えば、８００℃で２０分間かけて行われる。

次に、圧電素子に分極処理を施す。分極処理は、例えば、１５０℃で、電界強度３．５ｋＶ／ｍｍの電圧を圧電素子の電極に５分間印加することにより行われる。これにより、圧電素子が得られる。続いて、圧電素子の第１主面の第１領域に接合部材となる樹脂を塗布する。樹脂は、例えば、８０Ｐａ・ｓの粘度でスクリーン印刷法により約５０μｍの厚さで塗布される。次に、圧電素子に振動部材を取り付けた状態で樹脂を硬化させる。これにより、圧電デバイスが得られる。

続いて、圧電デバイス１００に対する熱衝撃について説明する。図４（ａ）は、圧電デバイスの熱収縮時の変形を示す斜視図である。図４（ｂ）は、圧電デバイスの熱膨張時の変形を示す斜視図である。主にセラミック材料から構成される圧電素子１の熱収縮率及び熱膨張率は、金属から構成される振動部材２０の熱収縮率及び熱膨張率よりもそれぞれ小さい。圧電デバイス１００では、このように熱収縮率及び熱膨張率の異なる圧電素子１及び振動部材２０が、接合部材６（不図示）により接合されている。このため、圧電素子１と振動部材２０との間で応力が生じる。

熱収縮時において、圧電デバイス１００は、図４（ａ）に示されるように、圧電素子１の第２主面１ｂが湾曲外側、振動部材２０の主面２０ｂ（図１参照）が湾曲内側となるように湾曲変形する。圧電素子１では、振動部材２０と接合された第１主面１ａ（図１参照）の収縮量は、振動部材２０と接合されていない第２主面１ｂの収縮量よりも大きくなる。この結果、第１主面１ａが湾曲内側、第２主面１ｂが湾曲外側となるように、圧電素子１が全体的に湾曲する。振動部材２０では、圧電素子１と接合された主面２０ａの収縮量は、圧電素子１と接合されていない主面２０ｂの収縮量よりも小さくなる。この結果、主面２０ａが湾曲外側、主面２０ｂが湾曲内側となるように、振動部材２０が全体的に湾曲する。

これに対し、熱膨張時において圧電デバイス１００は、図４（ｂ）に示されるように、圧電素子１の第２主面１ｂが湾曲内側、振動部材２０の主面２０ｂ（図１参照）が湾曲外側となるように変形する。圧電素子１では、振動部材２０と接合された第１主面１ａ（図１参照）の膨張量は、振動部材２０と接合されていない第２主面１ｂの膨張量よりも大きくなる。この結果、第１主面１ａが湾曲外側、第２主面１ｂが湾曲内側となるように、圧電素子１が全体的に湾曲する。振動部材２０では、圧電素子１と接合された主面２０ａの膨張量は、圧電素子１と接合されていない主面２０ｂの膨張量よりも小さくなる。この結果、主面２０ａが湾曲内側、主面２０ｂが湾曲外側となるように、振動部材２０が全体的に湾曲する。

圧電素子１の第１主面１ａ寄りの部分には、スリット５が設けられている。このため、第１主面１ａは、圧電素子１にスリット５が設けられていない場合に比べて、変形し易い。スリット５は、特に、圧電素子１の方向Ｄ２の一端から他端に至り、第１主面１ａを方向Ｄ３において完全に分割している。よって、第１主面１ａは、特に、方向Ｄ３に変形し易い。このようにスリット５により第１主面１ａが変形し易いので、第１主面１ａの収縮量及び膨張量は、第２主面１ｂの収縮量及び膨張量よりもそれぞれ更に大きくなる。この結果、圧電デバイス１００の湾曲変形量が更に大きくなる。

以上説明したように、圧電デバイス１００では、第２領域Ｒ２が角部Ａに位置している。つまり、角部Ａは接合部材６から露出しており、振動部材２０に接合されていない。したがって、上述のような熱衝撃により、角部Ａに応力が集中することが抑制される。これにより、角部Ａの近傍でクラック及び剥離が生じることが抑制される。よって、圧電デバイス１００を安定して駆動することができる。

第１主面１ａにおける第２領域Ｒ２の面積割合は、角部Ａに応力が集中することを抑制するために、例えば、１％以上が好ましく、２％以上がより好ましく、４％以上が更に好ましい。第１主面１ａにおける第２領域Ｒ２の面積割合は、圧電素子１の変位を振動部材２０に伝達するために、例えば、１０％以下が好ましく、５％以下がより好ましく、４％以下が更に好ましい。

圧電素子１の第１主面１ａ寄りの部分には、スリット５が設けられている。このため、上述のように、第１主面１ａは、スリット５により変形し易く、その結果、圧電デバイス１００の湾曲変形量が更に大きくなり易い。よって、第２領域Ｒ２が角部Ａに位置し、角部Ａへの応力集中を避ける本実施形態の構成が更に有効である。

第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界は、角部Ａに沿って湾曲している。このため、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界を丸められた形状とすることができるので、この境界に応力が集中することが抑制される。よって、圧電デバイス１００を一層安定して駆動することができる。

圧電素子１は、圧電体２と、圧電体２上に設けられた電極３と、を有し、電極３は、第１主面１ａを有している。このため、第１主面１ａの角部Ａに応力が集中すると、電極３が圧電体２から剥離するおそれがある。よって、第２領域Ｒ２が角部Ａに位置し、角部Ａへの応力集中を避ける本実施形態の構成が更に有効である。

圧電デバイス１００は、例えば、５００ｋＨｚの超音波で共振駆動される。このため、例えば、数十Ｈｚで駆動される通常の圧電デバイスに比べて、振動回数が増え易い。振動回数が増えると、クラック等が生じ易い。よって、第２領域Ｒ２が角部Ａに位置し、角部Ａへの応力集中を避ける本実施形態の構成が更に有効である。

以上、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。

圧電素子１には、スリット５が設けられていなくてもよい。接合部材６は、第１主面１ａのスリット５の部分にも設けられていてもよい。つまり、接合部材６は連続した一部材からなり、スリット５上に架け渡されるように設けられてもよい。

１…圧電素子、１ａ…第１主面、１ｂ…第２主面、２…圧電体、３…電極、５…スリット、６…接合部材、２０…振動部材（取付部材）、１００…圧電デバイス、Ａ…角部、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域。

Claims (5)

1. 互いに対向する第１主面及び第２主面を有する圧電素子と、
   前記第１主面に取り付けられた取付部材と、
   前記第１主面と前記取付部材とを接合する接合部材と、を備え、
   前記第１主面は、前記接合部材により被覆された第１領域と、前記接合部材から露出した複数の第２領域と、を有し、
   前記第１主面は、多角形状を呈し、
   前記複数の第２領域は、互いに離間して、前記第１主面の全ての角部に位置している、圧電デバイス。
2. 隣り合う前記第２領域間には、前記第１領域が位置している、請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記圧電素子には、スリットが設けられており、
   前記第１主面は、前記スリットにより分割されている、請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
4. 前記第１領域と前記第２領域との境界は、前記角部に沿って湾曲している、請求項１～３のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
5. 前記圧電素子は、圧電体と、前記圧電体上に設けられた電極と、を有し、
   前記電極は、前記第１主面を有している、請求項１～４のいずれか一項に記載の圧電デバイス。

Images