WO2019093092A1 - 圧電部品、センサおよびアクチュエータ - Google Patents

圧電部品、センサおよびアクチュエータ Download PDF

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WO2019093092A1
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piezoelectric
piezoelectric element
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小川　弘純
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric component, a sensor and an actuator.
  • Piezoelectric devices based on piezoelectric ceramic are widely used for actuators and various sensors.
  • input electrical energy is converted to mechanical energy by the inverse piezoelectric effect, and controls driving of various electronic devices.
  • the input mechanical energy is converted into electrical energy by the piezoelectric effect, and a pressure value, acceleration, etc. can be measured as an electrical signal.
  • the piezoelectric device is conventionally formed by a method of bonding a piezoelectric ceramic to a substrate, a method of applying a piezoelectric paste to a substrate, or the like.
  • these methods require a substrate, there is a limit to thinning the piezoelectric device.
  • the piezoelectric device does not function sufficiently as a deflection sensor or the like because the substrate can not be bent large.
  • Patent Document 2 International Publication No. 2017/073317
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-337971
  • the present invention has been made in view of the above problems, and in a piezoelectric component including a piezoelectric element, even if the piezoelectric element does not include a substrate and the thickness of the piezoelectric element is thin (100 ⁇ m or less), the piezoelectric element
  • An object of the present invention is to provide a piezoelectric component capable of suppressing breakage, and a sensor and an actuator provided with the same.
  • a piezoelectric element comprising: a piezoelectric ceramic layer; and a sintered metal layer containing a base metal provided on at least one main surface of the piezoelectric ceramic layer,
  • the piezoelectric ceramic layer contains a perovskite type compound as a main material,
  • the main substances include niobium, an alkali metal, and oxygen,
  • the content of the main substance is 90% by mole or more based on the total molar amount of all the substances contained in the piezoelectric ceramic layer,
  • the thickness of the piezoelectric element is 100 ⁇ m or less
  • a piezoelectric component wherein the entire main surfaces of both main surfaces of the piezoelectric element are covered with a protective layer made of an elastic body.
  • the elastic body is selected from the group consisting of polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene, vinyl chloride, polypropylene, polystyrene, acrylic resin, ABS resin, polyamide, polycarbonate, polylactic acid, Teflon (registered trademark), silicone and urethane.
  • the piezoelectric component according to any one of [1] to [6], including at least one of
  • the conductive wire is connected to the piezoelectric element by a conductive adhesive,
  • the piezoelectric component according to any one of [10] to [12], wherein the conductive adhesive contains an epoxy-based or silicone-based resin containing a conductive filler.
  • the conductive wire is connected to the piezoelectric element by a conductive adhesive,
  • the piezoelectric component according to any one of [10] to [13], wherein the conductive adhesive contains a solder and a thermosetting resin.
  • a sensor comprising the piezoelectric component according to any one of [1] to [14].
  • An actuator comprising the piezoelectric component according to any one of [1] to [14].
  • the piezoelectric component in a piezoelectric component comprising a piezoelectric element, can suppress breakage of the piezoelectric element even when the piezoelectric element does not include a substrate and the thickness of the piezoelectric element is thin (100 ⁇ m or less). It is possible to provide a sensor and an actuator provided with it.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric component of the first embodiment.
  • 5 is a schematic cross-sectional view of a modification of the piezoelectric element of Embodiment 1.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a piezoelectric element of Embodiment 2.
  • FIG. 5 is a photograph of the entire piezoelectric component of Embodiment 1.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing an example of a piezoelectric component of Embodiment 3.
  • FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing an example of a piezoelectric component of a fourth embodiment.
  • FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing an example of a piezoelectric component of a fifth embodiment.
  • piezoelectric component 100 of the present invention includes a piezoelectric ceramic layer 2 and a sintered metal layer 1 including a base metal provided on at least one main surface of piezoelectric ceramic layer 2.
  • a piezoelectric element 10 is provided.
  • the piezoelectric element 10 may have the external electrode layer 3 on the surface of the piezoelectric ceramic layer 2 opposite to the sintered metal layer 1.
  • the piezoelectric element 10 is covered with a protective layer 4 made of an elastic body on both main surfaces.
  • a protective layer 4 made of an elastic body on both main surfaces.
  • the piezoelectric element 10 is embedded in the inside of the piezoelectric component 100 by being covered with the protective layer 4, the strain inside the piezoelectric component can be measured.
  • the piezoelectric element is attached to the surface of an elastic body or the like later, the strain inside the piezoelectric component can not be measured.
  • the piezoelectric element is embedded inside, compared with the case where the piezoelectric element is attached later, the process and cost in manufacturing the piezoelectric component, the piezoelectric sensor using the same, the actuator and the like can be reduced.
  • Protective layer 4 can be formed, for example, by injection molding. Specifically, in a state in which the piezoelectric element 10 is disposed at a predetermined position in a mold for injection molding, the raw material of an elastic body to be a material of the protective layer is injected into the mold, thereby the piezoelectric element 10 is It can be covered with a protective layer 4 made of an elastic material. Alternatively, the protective layer 4 can be formed by applying a slurry containing a raw material of an elastic body on both main surfaces of the piezoelectric element 10 and curing it.
  • a piezoelectric element made of an organic material has a low heat resistance temperature, it is usually impossible to form a protective layer by injection molding, but the piezoelectric element used in the present invention has a high heat resistance temperature, and a protective layer is formed by injection molding. It is possible.
  • a piezoelectric element using a conventional lead-based piezoelectric ceramic requires a substrate, the piezoelectric element used in the present invention has high response since it does not require a substrate.
  • the present invention is also significant in that such a highly responsive piezoelectric element can be housed inside a resin material or the like (protective layer 4) by injection molding or the like.
  • the piezoelectric element 10 it is preferable that not only both main surfaces of the piezoelectric element 10 but also the end face of the piezoelectric element 10 (the surface of the piezoelectric element 10 other than the both main surfaces) be covered with the protective layer 4. As a result, breakage of the end portion of the piezoelectric element 10 is suppressed, and the effect of suppressing the breakage of the piezoelectric element of the present invention is further enhanced. In addition, when the entire main surfaces and end surfaces of the piezoelectric element 10 are covered with the protective layer 4 made of an elastic body that does not transmit water, the piezoelectric element 10 is not exposed to water, so that the durability of the piezoelectric element 10 (moisture resistance Sex etc. can be further improved.
  • the thickness T4 of the protective layer 4 is three or more times the total thickness T of the thickness T1 of the sintered metal layer 1 and the thickness T2 of the piezoelectric ceramic layer 2.
  • the thickness T does not include the thickness of an electrode (such as the external electrode layer 3) that is not a sintered metal.
  • the thickness T4 of the protective layer 4 means the thickness in the direction perpendicular to the main surface of the piezoelectric ceramic layer 2, and the thickness (length) in the direction perpendicular to the end face is not particularly limited. When the thickness T4 of the protective layer is in this range, the strength of the piezoelectric element 10 can be further enhanced.
  • the thicknesses of the upper and lower protective layers in contact with the main surface of the piezoelectric element 10 may be the same or different, and if the thickness T4 of at least one of the upper and lower protective layers is within the above range Good.
  • the thicknesses of the upper and lower protective layers are different (when the piezoelectric element is not positioned in the middle of the piezoelectric component), stress transmission is more likely to occur compared to the case where the upper and lower protective layers have the same thickness. .
  • the thickness T4 of the protective layer 4 is 50 ⁇ m or more and 10 cm or less.
  • the thickness T4 of the protective layer is larger than 10 cm, the transmission of stress is small, and it is difficult to obtain a response signal.
  • thickness T4 of a protective layer is less than 50 micrometers, stress can not fully be disperse
  • an elastic body refers to an object that deforms when a force less than a certain level is applied, but returns to its original shape without force.
  • the constituent material of the elastic body is made of, for example, resin, rubber or the like.
  • the states of these constituent materials are, for example, solid, gel and the like.
  • the elastic body is at least one selected from the group consisting of polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene, vinyl chloride, polypropylene, polystyrene, acrylic resin, ABS resin, polyamide, polycarbonate, polylactic acid, Teflon (registered trademark), silicone and urethane. It is preferable to include one (resin).
  • the Asker C hardness of the elastic body is preferably 5 or more and 150 or less, and more preferably 5 or more and 100 or less. When the elastic body is in this range, the strength of the piezoelectric element can be further enhanced, and breakage of the piezoelectric element can be more reliably suppressed.
  • Asker C hardness can be measured using an Asker rubber hardness meter C type (for example, manufactured by Kobunshi Keiki Co., Ltd.). Asker C hardness is an index (elastic modulus) that can appropriately represent the hardness (elastic property) of an elastic body when the elastic body is gel or rubber.
  • the elastic body preferably has a Young's modulus of 0.05 GPa or more and 8 GPa or less. When the elastic body is in this range, the strength of the piezoelectric element can be further enhanced, and breakage of the piezoelectric element can be more reliably suppressed.
  • the Young's modulus is an index that can appropriately represent the elastic properties of the elastic body when the elastic body is a resin (cured resin) or the like.
  • the piezoelectric ceramic layer 2 contains a perovskite type compound as a main substance.
  • the main material contains niobium, an alkali metal, and oxygen, and the content of the main material is 90% by mole or more based on the total molar amount of all the materials contained in the piezoelectric ceramic layer 2.
  • the thickness of the piezoelectric element 10 is 100 ⁇ m or less.
  • the piezoelectric element 10 for example, the piezoelectric element described in WO 2015/166914 can be suitably used.
  • the piezoelectric element includes a rigid substrate, the piezoelectric element can not be greatly bent, but the piezoelectric element in the present invention does not require a substrate, so it is easily bent by stress and functions as a sensor with high accuracy.
  • the generated charge can be increased when a force of the same magnitude is applied.
  • the applied voltage can be lowered.
  • the electric field E is expressed as equation (2) using the piezoelectric constant d, the bending stress ⁇ , and the dielectric constant ⁇ .
  • the piezoelectric element is a capacitor, it is expressed as Formula (3) using the charge Q, the capacitance C, and the voltage V.
  • the S / N ratio can be increased.
  • the piezoelectric element 10 of the present embodiment is, for example, flat.
  • the piezoelectric element 10 includes a sintered metal layer 1 containing a base metal, a piezoelectric ceramic layer 2 integrally provided on the sintered metal layer 1 with the sintered metal layer 1, and an external electrode provided on the piezoelectric ceramic layer 2. And a layer 3.
  • the sintered metal layer 1 and the external electrode layer 3 are respectively provided on the lower surface and the upper surface of the piezoelectric ceramic layer 2 facing each other, and the sintered metal layer 1 and the external electrode layer 3 are the piezoelectric ceramic layer 2. They face each other.
  • the sintered metal layer 1 containing a base metal has a structure in which a plurality of base metal crystal grains are in contact with each other and fixed.
  • the base metal is a metal other than gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru) and osmium (Os) .
  • the sintered metal refers to a metal powder state before sintering of the piezoelectric ceramic but co-sintered simultaneously with the piezoelectric ceramic to form a metal on a thin plate.
  • the internal electrode is broadly included in the sintered metal, in this case, the sintered metal having the piezoelectric ceramic layer 2 on both sides of the main surface is defined as "internal electrode”, and piezoelectric only on one side of the main surface
  • the sintered metal in which the ceramic layer 2 exists is defined as a "sintered metal layer”.
  • the base metal used in the sintered metal layer 1 is at least selected from the group consisting of nickel (Ni), copper (Cu), and aluminum (Al). It is preferable to use a metal containing one kind, more preferably to use a metal containing at least one of Ni and Cu, and it is further preferable to use Ni.
  • Ni nickel
  • Cu copper
  • Al aluminum
  • Ni nickel
  • using Ni as the base metal has the advantage that the occurrence of migration can be suppressed more than using Cu.
  • the piezoelectric ceramic layer 2 contains a perovskite type compound as a main substance, and the main substances contain niobium (Nb), an alkali metal and oxygen (O), and all the substances contained in the piezoelectric ceramic layer 2
  • the content of main substances with respect to the total molar amount of is 90 mol% or more.
  • tantalum (Ta) may be contained in the perovskite type compound as said main substance.
  • auxiliary substance other than the main substance for example, barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), zirconium (Zr), titanium (Ti), tin (Sn), manganese ( Mn), Ni, scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), At least one selected from the group consisting of gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (Lu) It can be mentioned.
  • the piezoelectric ceramic layer 2 is provided integrally with the sintered metal layer 1. That is, at the bonding interface between the sintered metal layer 1 and the piezoelectric ceramic layer 2, crystal grains of the base metal contained in the sintered metal layer 1 and crystal grains of the piezoelectric ceramic contained in the piezoelectric ceramic layer 2 contact and adhere As a result, the sintered metal layer 1 and the piezoelectric ceramic layer 2 are integrally joined.
  • the external electrode layer 3 is not particularly limited as long as it is a member that includes a conductive material such as a base metal, for example, and can inject current into the piezoelectric ceramic layer 2 from the outside or extract current from the piezoelectric ceramic layer 2 to the outside.
  • the external electrode layer 3 is formed after the sintering of the piezoelectric ceramic layer 2 by, for example, a sputtering method, a vapor deposition method, or a baking method of metal paste.
  • all the electrodes formed on the piezoelectric element 10 be the sintered metal layer 1.
  • a modification of the piezoelectric element in which the external electrode layer 3 in Embodiment 1 is the sintered metal layer 1 is shown in FIG.
  • the piezoelectric ceramic layer 2 and the external electrode layer 3 are integrally provided, crystal grains of the piezoelectric ceramic contained in the piezoelectric ceramic layer 2 and the bonding interface between the piezoelectric ceramic layer 2 and the external electrode layer 3
  • the crystal grains of a conductive material such as a base metal contained in the external electrode layer 3 are in contact with and fixed.
  • the bonding between the piezoelectric ceramic layer 2 and the external electrode layer 3 can be made stronger, and the occurrence of peeling of the external electrode layer 3 from the piezoelectric ceramic layer 2 can be effectively suppressed.
  • piezoelectric ceramic powder and base metal powder are prepared.
  • the piezoelectric ceramic powder is a substance to be the piezoelectric ceramic layer 2 by co-sintering described later.
  • For the piezoelectric ceramic powder for example, after at least Nb oxide powder and alkali metal carbonate powder are weighed so that the content of the perovskite type compound as a main substance is 90 mol% or more, they are mixed. It can be obtained by preparing a piezoelectric ceramic raw material powder, calcining it and then grinding it.
  • the piezoelectric ceramic powder may be in a form other than powder, such as sheet, tape, or paste, in combination with or not combined with other substances.
  • the base metal powder is a substance to be a sintered metal layer 1 containing a base metal by co-sintering described later.
  • the base metal powder may also be in a form other than a powder form such as, for example, a sheet form, a tape form or a paste form, in combination with other substances or not combined with other substances, but the sheet form or tape
  • the base metal powder is more preferably in the form of a sheet or a tape.
  • the base metal powder and the piezoelectric ceramic powder are superimposed.
  • the method of superposing the base metal powder and the piezoelectric ceramic powder is not particularly limited.
  • a substrate such as a polyethylene terephthalate (PET) film
  • PET film peels before co-sintering.
  • the sintered metal layer 1 and the piezoelectric ceramic layer 2 are integrated by co-sintering in a state in which the base metal powder and the piezoelectric ceramic powder are superimposed.
  • the crystal grains of the base metal contained in the sintered metal layer 1 and the crystal grains of the piezoelectric ceramic contained in the piezoelectric ceramic layer 2 are in contact with each other and fixed.
  • the piezoelectric element 10 including the piezoelectric ceramic layer 2 and the sintered metal layer 1 is formed, or when the piezoelectric element 10 including the piezoelectric ceramic layer 2 including the internal electrode and the sintered metal layer 1 is manufactured, It is preferable to sandwich and co-sinter these piezoelectric elements between two sheets of ceramic containing at least one or more substances selected from the group consisting of ZrO 2 , Al 2 O 3 and SiO 2 as main components.
  • the ceramic may be dense or void may exist.
  • the ceramic may be plate-like, lump-like, or have a phase. By doing so, it is possible to suppress unintended deformation at the time of co-sintering.
  • co-sintering of the base metal powder and the piezoelectric ceramic powder is performed at 1000 times the oxygen partial pressure at which the base metal (base metal contained in the sintered metal layer 1) contained in the base metal powder and the oxide of the base metal are in equilibrium. It is preferable to carry out under the atmosphere of the following oxygen partial pressure.
  • the sintered metal layer 1 can be formed by suppressing the inclusion of base metal oxides such as copper (Cu 2 O).
  • the external electrode layer 3 is formed on the surface of the piezoelectric ceramic layer 2 opposite to the sintered metal layer 1, whereby the piezoelectric element 10 of Embodiment 1 can be manufactured.
  • the material for forming the outer electrode layer 3 may be conductive, such as silver, gold, platinum, nickel or copper.
  • the method of forming the external electrode layer 3 is also not particularly limited, and examples thereof include a sputtering method, a vapor deposition method, and a method of baking a metal powder or a metal powder paste.
  • the sintered metal layer 1 and the piezoelectric ceramic layer 2 can be formed by co-sintering the base metal powder and the piezoelectric ceramic powder. Therefore, without using a substrate, each of the sintered metal layer 1 and the piezoelectric ceramic layer 2 can be made thinner than in the conventional case, and the thickness of the piezoelectric element can be made 100 ⁇ m or less. Also, at the time of cooling after co-sintering, the piezoelectric ceramic layer 2 receives compressive stress from the sintered metal layer 1, but the sintered metal layer 1 and the piezoelectric ceramic layer 2 are integrally formed, and their bonding strength Because of this, the peeling of the piezoelectric ceramic layer 2 caused by the compressive stress can also be suppressed.
  • a piezoelectric ceramic such as a lead zirconate titanate (PZT) thin film is formed by hydrothermal synthesis on the surface of a titanium thin film electrode on a resin film substrate. Therefore, the temperature at the time of hydrothermal synthesis has an upper limit so that the resin film does not soften, and the piezoelectric material is limited to a material that crystallizes at a low temperature. Further, it is considered that it is difficult to obtain a crystalline film having desired characteristics because hydrothermal synthesis has low composition controllability.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric element can be manufactured without using a substrate, there is an advantage that the material is not limited by the material of the substrate. Further, in the present invention, a piezoelectric element can be manufactured using a solid phase method, and in this case, the composition controllability is high, and a crystal film (piezoelectric element) having desired characteristics is easily obtained.
  • Second Embodiment The piezoelectric component of this embodiment is different from that of Embodiment 1 in that the piezoelectric element 10 in the piezoelectric component 100 shown in FIG. 1 is changed to the piezoelectric element 10 shown in FIG.
  • the other points are the same as in the first embodiment.
  • the piezoelectric element 10 used in the second embodiment has, for example, a substantially rectangular parallelepiped piezoelectric ceramic layer 2 integrally formed with the sintered metal layer 1.
  • the piezoelectric ceramic layer 2 internally includes two first internal electrodes 11 and two second internal electrodes 12, and the first side 21 and the second side 22 facing each other of the piezoelectric ceramic layer 2.
  • the first connection electrode 31 and the second connection electrode 32 are provided in each of In the second embodiment, two first internal electrodes 11 and two second internal electrodes 12 are provided, but the number of first internal electrodes 11 and second internal electrodes 12 is particularly limited. It may be one by one or three or more each. Further, the number of first inner electrodes 11 and the number of second inner electrodes 12 do not necessarily have to be the same, and may be different.
  • the total thickness T of the thickness T1 of the sintered metal layer 1 and the thickness T2 of the piezoelectric ceramic layer 2 includes the thickness of the internal electrode which is a sintered metal.
  • the external electrode layer 3 is preferably provided integrally with the piezoelectric ceramic layer 2. That is, all the electrodes formed on the piezoelectric element 10 may be sintered metal and internal electrodes.
  • Embodiment 3 As shown in FIG. 5, even if the piezoelectric component 100 mentioned in the first and second embodiments further includes a reinforcing member 6 on the main surface of the protective layer 4 opposite to the surface in contact with the piezoelectric element 10. Good.
  • the reinforcing member 6 may cover, for example, the entire main surface of the protective layer 4 on the opposite side to the surface in contact with the piezoelectric element 10, ie, the entire main surface not in contact with the piezoelectric element 10.
  • the end face of the element 10 may be coated.
  • the reinforcing member 6 may cover one surface of the main surface on the opposite side to the surface of the protective layer 4 in contact with the piezoelectric element 10, or may cover both upper and lower surfaces.
  • the entire main surface of the protective layer 4 is preferably uniformly covered by the reinforcing member 6.
  • the reinforcing members 6 are provided on the upper and lower surfaces of the protective layer 4, the upper and lower thicknesses of the reinforcing members 6 may be the same or different.
  • the thickness of the reinforcing member 6 is preferably 10 ⁇ m to 5 mm, more preferably 50 ⁇ m to 3 mm. If the thickness of the reinforcing member 6 is too small, sufficient reinforcing properties can not be obtained, and there is a possibility that breakage of the piezoelectric element 10 can not be sufficiently suppressed. If the thickness of the reinforcing member 6 is too large, the transmission of stress may be small and it may be difficult to obtain a response signal.
  • the reinforcing member 6 it is preferable to use a material harder than the elastic body constituting the protective layer 4, that is, a material having high bending strength by a bending test method represented by JIS K 7074 (1988), for example, bending It is more preferable to use a material having a strength of 100 MPa or more.
  • the reinforcing member 6 preferably contains at least one selected from the group consisting of carbon fibers, glass fibers, cellulose fibers and metal fibers, and the reinforcing member 6 may be made of a sheet of resin containing these. it can.
  • the piezoelectric component 100 may further include a lead 5 electrically connected to the piezoelectric element 10, and the lead 5 may be directly or indirectly connected to the piezoelectric element 10. .
  • the conducting wire 5 is connected to, for example, the sintered metal layer 1 or the external electrode layer 3 of the piezoelectric element 10. As shown in FIG. 6, the conducting wire 5 may be connected to the piezoelectric element 10 by a conductive adhesive 51. By connecting through the conductive adhesive 51, the voltage generated from the piezoelectric element 10 can be measured.
  • the conductive adhesive 51 is not particularly limited as long as it is an adhesive having conductivity, and examples thereof include a resin containing a conductive filler.
  • a resin containing a conductive filler for example, metal fillers, metal-coated resin fillers, carbon fillers and mixtures thereof can be used.
  • the metal filler include gold powder, silver powder, copper powder, nickel powder, and aluminum powder. These conductive fillers can be used alone or in combination of two or more. The particle size and shape can be set as appropriate.
  • the binder resin used for the conductive adhesive 51 include epoxy resins, urethane resins, silicone resins, acrylic resins, polyamide resins, other thermosetting resins, and thermoplastic resins.
  • the conductive adhesive 51 may include a solder, may include a solder and a thermosetting resin, and may include a flux component.
  • the piezoelectric component 100 may further include a conductive sheet 52, and the conducting wire 5 may be connected to the piezoelectric element 10 via the conductive sheet 52.
  • the conductive sheet 52 may be connected to the piezoelectric element 10 by a conductive adhesive 51.
  • the conductive sheet 52 is not particularly limited, but may be formed, for example, of metal as a main component. Examples of the metal used for the conductive sheet 52 include silver, copper, gold, nickel, aluminum and the like.
  • the conductive sheet 52 may be, for example, a metal plate containing the above-described metal as a main component, or may be a metal foil.
  • a metal plate When a metal plate is used, its thickness can be, for example, 50 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • a metal foil When a metal foil is used, a metal foil can be formed by applying a coating solution containing the above metal to the sintered metal layer 1 or the external electrode layer 3 and drying it, and its thickness is, for example, 5 ⁇ m to 50 ⁇ m. can do.
  • the piezoelectric element 10 and the conducting wire 5 are connected at a distance from each other through the conductive sheet 52, preferably, as shown in FIG. When the piezoelectric element 10 and the conducting wire 5 are connected at non-overlapping positions, the stress applied to the piezoelectric element 10 is reduced, and breakage of the piezoelectric element 10 can be more easily suppressed.
  • the respective powders of K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , CaCO 3 and ZrO 2 were weighed so as to be 53: 0.02. Further, each powder of ZrO 2 , MnCO 3 and Yb 2 O 3 is prepared so that 3 mol of ZrO 2 , 5 mol of MnO and 0.25 mol of Yb 2 O 3 are obtained with respect to 100 mol of the above solid solution. Weighed.
  • the powder weighed as described above is introduced into a pot mill having PSZ balls internally, and using ethanol as a solvent, the pot mill is rotated for about 90 hours to wet mix the piezoelectric ceramic raw material powder by wet mixing. Obtained. Then, the obtained piezoelectric ceramic raw material powder is dried, calcined at a temperature of 900 ° C., and then crushed to obtain [100 ⁇ 0.98 (K 0.45 N 0.53 Li 0.02 ) NbO 3 -0. A piezoelectric ceramic powder represented by a composition formula of 02CaZrO 3 ⁇ + 3ZrO 2 + 5MnO + 0.25Yb 2 O 3 ] was obtained.
  • the piezoelectric ceramic powder obtained as described above is introduced into a pot mill together with an organic binder, a dispersant, acetone, a plasticizer, and a PSZ ball, and thoroughly mixed by wet method while rotating the pot mill.
  • the sheet was formed by the method to obtain a piezoelectric ceramic sheet.
  • a base metal powder sheet to be a sintered metal layer 1 was attached on the PET film.
  • the piezoelectric ceramic sheet was stacked on the base metal powder sheet, and the base metal powder sheet was further laminated.
  • the piezoelectric ceramic layer 2 and the sintered metal layers 1 on both sides thereof are integrally formed by co-sintering at a temperature of 1000 ° C. to 1160 ° C. for 2 hours in an atmosphere adjusted to A piezoelectric element was obtained.
  • the thickness T1 (on one side) of each of the two sintered metal layers 1 is 1 ⁇ m
  • the thickness T2 of the piezoelectric ceramic layer 2 is 30 ⁇ m
  • the width of the piezoelectric element is 5 mm
  • the length 10 mm It is.
  • Example 1 An uncured urethane resin (elastic body) having an Asker C hardness of 5, 50, 100 or 150 was prepared, applied to the entire main surfaces of both main surfaces of the above-described piezoelectric element for test, and sufficiently cured. As a result, protective layers were formed on the entire surfaces of both main surfaces of the piezoelectric element. The thicknesses of the two protective layers formed on both main surfaces of the piezoelectric element were the same, and the thickness T4 of the protective layer formed on one of the main surfaces of the piezoelectric element was 1 mm.
  • Example 2 Prepare an uncured material obtained by heat softening a synthetic rubber having a Young's modulus of 0.05 GPa or 0.1 GPa, a polycarbonate having a Young's modulus of 2 GPa, or a polybutylene terephthalate having a Young's modulus of 8 GPa. The entire surface was coated with the thickness of the protective layer (the thickness of the protective layer on one side) T4 of 1 mm and sufficiently cured.
  • a three-point bending test was performed at a pressing speed of 1 mm / s using a microautograph MST-I manufactured by SHIMAZU at a distance between supporting points of 5 mm.
  • a lead wire and an oscilloscope were connected to measure the signal generated by the deflection of the piezoelectric element.
  • the stroke when the piezoelectric component (piezoelectric element) is broken is shown in Table 2.
  • Example 3 Prepare an uncured urethane resin of Asker C hardness 10, and make the thickness T4 of the protective layer 52, 96, 203, 1010, 1 cm, 10 cm or 20 cm on the entire main surfaces of both main surfaces of the above test piezoelectric element Applied and cured well.
  • the piezoelectric component As shown in Table 3, when the thickness T4 of the protective layer is 52 ⁇ m, the piezoelectric component was broken at a stroke of 0.5 mm. Further, when the thickness T4 of the protective layer was 20 cm, the electrical response was attenuated. When the thickness T4 of the protective layer was 96 ⁇ m to 10 cm, the piezoelectric component did not break and showed a good electrical response.
  • the thickness T1 of the sintered metal layer 1 is 2 ⁇ m and the thickness T2 of the piezoelectric ceramic layer 2 is 30 ⁇ m
  • the thickness T4 of the protective layer 4 is the thickness T1 of the sintered metal layer 1 and the thickness T2 of the piezoelectric ceramic layer 2 It has been found that the fracture resistance of the piezoelectric element is further improved if the total thickness T is 3 times or more.
  • the thickness T4 of the protective layer 4 is 10 cm or less, the strength of the piezoelectric element can be increased without losing the electrical responsiveness.

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Abstract

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、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み、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主要物質の含有量が９０モル％以上であり、圧電素子（１０）の厚みが１００μｍ以下であり、圧電素子（１０）の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、圧電部品（１００）。

Description

圧電部品、センサおよびアクチュエータ
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　すなわち、圧電素子の厚みｔが小さくなると、１／ｔ２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上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、局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（Ｋ0.45Ｎ0.53Ｌｉ0.02）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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　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 (16)

  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. 　前記弾性体はアスカーＣ硬度が５以上１５０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。
  7. 　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１～６のいずれか１項に記載の圧電部品。
  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、請求項１～７のいずれか１項に記載の圧電部品。
  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、請求項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、請求項１～９のいずれか１項に記載の圧電部品。
  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、請求項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、請求項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、請求項１０～１２のいずれか１項に記載の圧電部品。
  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、請求項１０～１３のいずれか１項に記載の圧電部品。
  15. 　請求項１～１４のいずれか１項に記載の圧電部品を備えるセンサ。
  16. 　請求項１～１４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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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021075308A1 (ja) * 2019-10-16 2021-04-22 富士フイルム株式会社 圧電フィルムおよび圧電フィルムの製造方法
JPWO2021095511A1 (ja) * 2019-11-12 2021-05-20
WO2022190715A1 (ja) * 2021-03-11 2022-09-15 富士フイルム株式会社 圧電フィルム

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020121337A1 (de) * 2020-08-13 2022-02-17 Tdk Electronics Ag Piezoelektrischer Wandler und Verfahren zur Einstellung der elektromechanischen Eigenschaften eines piezoelektrischen Wandlers
CN112713234A (zh) * 2020-12-16 2021-04-27 昆山微电子技术研究院 一种压电体及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000337971A (ja) * 1999-05-27 2000-12-08 Tokai Rubber Ind Ltd 柔軟センサ
JP2014138144A (ja) * 2013-01-18 2014-07-28 Ngk Insulators Ltd セラミックス部品及びその製造方法
JP2015109627A (ja) * 2013-03-28 2015-06-11 富士フイルム株式会社 電気音響変換フィルム、電気音響変換器、フレキシブルディスプレイおよびプロジェクター用スクリーン
WO2017073317A1 (ja) * 2015-10-27 2017-05-04 株式会社村田製作所 圧電デバイス、及び圧電デバイスの製造方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01174278A (ja) 1987-12-28 1989-07-10 Misuzu Erii:Kk インバータ
JP3678234B2 (ja) * 2002-07-25 2005-08-03 株式会社村田製作所 積層型圧電部品の製造方法、及び積層型電子部品
WO2006038389A1 (ja) * 2004-10-01 2006-04-13 Murata Manufacturing Co., Ltd 圧電体磁器組成物及び圧電セラミック電子部品
DE102007035623A1 (de) 2007-07-30 2009-02-05 Siemens Ag Bleifreier, zweiphasiger piezokeramischer Werkstoff, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils
DE102010011047A1 (de) * 2010-03-11 2011-09-15 Johnson Matthey Catalysts (Germany) Gmbh Biegewandler
JP5662888B2 (ja) * 2011-07-04 2015-02-04 太陽誘電株式会社 多積層圧電セラミックス部品
DE102011081276A1 (de) 2011-08-19 2013-02-21 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines piezokeramischen Biegewandlers
KR101328345B1 (ko) * 2011-08-29 2013-11-11 삼성전기주식회사 압전체 조성물, 압전 소자, 잉크젯 프린트 헤드 및 압전 소자와 잉크젯 프린터 헤드의 제조방법
EP2812293B1 (en) * 2012-03-30 2017-12-13 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric ceramic, method for manufacturing piezoelectric ceramic, piezoelectric element, and electronic device
JP5543537B2 (ja) * 2012-07-24 2014-07-09 太陽誘電株式会社 圧電素子
DE102012222239A1 (de) 2012-12-04 2014-06-05 iNDTact GmbH Messeinrichtung und Bauteil mit darin integrierter Messeinrichtung
CN105593190B (zh) * 2013-09-30 2018-04-20 株式会社村田制作所 层叠型压电陶瓷电子部件及层叠型压电陶瓷电子部件的制造方法
WO2015064217A1 (ja) * 2013-10-28 2015-05-07 株式会社村田製作所 圧電センサ
JP6132070B2 (ja) 2014-04-28 2017-05-24 株式会社村田製作所 圧電素子の製造方法
JP2016042559A (ja) 2014-08-19 2016-03-31 本田技研工業株式会社 圧電アクチュエータユニット
JP2015057838A (ja) * 2014-10-23 2015-03-26 株式会社村田製作所 電子部品
WO2016157855A1 (en) 2015-04-03 2016-10-06 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric material, piezoelectric element, and electronic apparatus
JP6521241B2 (ja) * 2015-05-28 2019-05-29 セイコーエプソン株式会社 圧電素子及び圧電素子応用デバイス

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000337971A (ja) * 1999-05-27 2000-12-08 Tokai Rubber Ind Ltd 柔軟センサ
JP2014138144A (ja) * 2013-01-18 2014-07-28 Ngk Insulators Ltd セラミックス部品及びその製造方法
JP2015109627A (ja) * 2013-03-28 2015-06-11 富士フイルム株式会社 電気音響変換フィルム、電気音響変換器、フレキシブルディスプレイおよびプロジェクター用スクリーン
WO2017073317A1 (ja) * 2015-10-27 2017-05-04 株式会社村田製作所 圧電デバイス、及び圧電デバイスの製造方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021075308A1 (ja) * 2019-10-16 2021-04-22 富士フイルム株式会社 圧電フィルムおよび圧電フィルムの製造方法
JPWO2021075308A1 (ja) * 2019-10-16 2021-04-22
JP7390390B2 (ja) 2019-10-16 2023-12-01 富士フイルム株式会社 圧電フィルムおよび圧電フィルムの製造方法
JPWO2021095511A1 (ja) * 2019-11-12 2021-05-20
JP7259075B2 (ja) 2019-11-12 2023-04-17 富士フイルム株式会社 圧電素子
EP4061008A4 (en) * 2019-11-12 2023-08-02 FUJIFILM Corporation PIEZOELECTRIC ELEMENT
US11895463B2 (en) 2019-11-12 2024-02-06 Fujifilm Corporation Piezoelectric element
WO2022190715A1 (ja) * 2021-03-11 2022-09-15 富士フイルム株式会社 圧電フィルム

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