JP6535745B2 - 圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、圧力センサ素子、圧電駆動素子（圧電アクチュエータ）および圧電回路素子等として用いられる圧電素子に関する。

圧力センサとして用いられる圧電素子は、例えば自動車のエンジンやサスペンション等の部分に組み込まれ、エンジンの燃焼制御や車体の姿勢制御に用いられている。このような圧電素子として、例えば板状の圧電体の対向する主面に表面電極を具備したものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平１１−２９２６２５号公報

上記の圧電素子は、表面電極をスクリーン印刷で形成することができる。ここで、スクリーン印刷で形成された表面電極は、周縁部の厚みが中央部の厚みよりも厚くなることがある。

このような圧電素子では、圧電素子の圧力の加わる面に対して垂直方向の力が加わると、表面電極の厚みの厚い周縁部に応力が集中してしまい、表面電極と圧電体との界面にクラックが発生するおそれがあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、表面電極と圧電体との界面にクラックが発生するのを抑制し、長期信頼性の向上した圧電素子を提供することである。

本発明の一態様の圧電素子は、対向する一方主面および他方主面を有する板状の圧電体と、前記一方主面に設けられた第１表面電極および前記他方主面に設けられた第２表面電極とを備えた圧電素子であって、前記第１表面電極および前記第２表面電極のうちの少なくとも一方は、中央部よりも厚みが厚くなっている周縁部を有し、該周縁部は、厚みの厚い厚肉領域と、該厚肉領域よりも厚みの薄い薄肉領域とを有している。

本発明の一態様の圧電素子によれば、表面電極と圧電体との界面にクラックが発生するのが抑制され、長期信頼性の向上した圧電素子とすることができる。

（ａ）は本実施形態の圧電素子の一例を示す概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す圧電素子の概略平面図である。 （ａ）は図１（ｂ）に示すＸ−Ｘ^’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図１（ｂ）に示すＹ−Ｙ^’線で切断した断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１（ｂ）に示すＺ−Ｚ^’線で切断した断面のバリエーションを示す図である。 図１（ｂ）に示すＺ−Ｚ^’線で切断した断面の他の例を示す図である。 （ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ^’線で切断した断面図であり、（ｃ）は（ａ）に示すＹ−Ｙ^’線で切断した断面図である。 本実施形態の圧電素子のさらに他の例を示すＸ−Ｘ^’線断面図である。

本実施形態の圧電素子の一例について図面を参照して説明する。なお、以下の説明においては、主に圧電素子を圧力センサとして用いる例にて説明し、同一の構成については同一の符号を用いるものとする。

図１（ａ）は本実施形態の圧電素子の一例を示す概略斜視図であり、図１（ｂ）は、図（ａ）に示す圧電素子の概略平面図である。また、図２（ａ）は図１（ｂ）に示すＸ−Ｘ^’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図１（ｂ）に示すＹ−Ｙ^’線で切断した断面図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示す圧電素子１０は、対向する一方主面および他方主面を有する板状の圧電体１と、一方主面に設けられた第１表面電極２および他方主面に設けられた第２表面電極３とを備え、第１表面電極２および第２表面電極３のうちの少なくとも一方は、中央部よりも厚みが厚くなっている周縁部４を有し、該周縁部４は、厚みの厚い厚肉領域５と、該厚肉領域５よりも厚みの薄い薄肉領域６とを有している。

圧電体１は、圧電特性を有するセラミックスで板状に形成されたもので、このようなセラミックスとして、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。圧電体１の厚みは、例えば１００μｍ〜１０ｍｍとされ、圧電体１の平面視による形状は、円形、楕円形、多角形形状等いかなる形状であっても良い。例えば、円形の場合、直径が０．５〜２０ｍｍとされる。

第１表面電極２および第２表面電極３は、板状の圧電体１の対向する一対の主面に互いに対向するように設けられている。第１表面電極２および第２表面電極３の形成材料としては、例えば、銀、銀−パラジウム合金を主成分とする導体、あるいは金、銅、白金、クロムなどを含む導体が挙げられる。

ここで、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の圧電素子１０においては、第１表面電極２は、中央部よりも厚みが厚くなっている周縁部４を有している。そして、周縁部４は、厚みの厚い厚肉領域５と、該厚肉領域５よりも厚みの薄い薄肉領域６とを有している。すなわち、第１表面電極２の周縁部４は圧電体１の一方主面からの厚みが一定ではなく、圧電体１の一方主面からの厚みの厚い厚肉領域５と、圧電体１の一方主面からの厚みが厚肉領域５よりも薄い薄肉領域６とを有している。これにより、厚肉領域５と薄肉領域６との間には厚みの差ができる。なお、第１表面電極２における周縁部４の厚みは、薄肉領域６であっても中央部よりも厚くなっている。

周縁部４は、第１表面電極２における圧電体１の外周に沿った領域のことであり、圧電体１の中央部から外周にかけて見ていったときに、中央部の厚みよりも２０％以上厚くなった部分よりも外側の領域が周縁部４となる。つまり、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、中央部の厚みをｔとしたときに、第１表面電極２の中央部から外周にかけて見ていったときに、１．２ｔの厚みとなった部分よりも外側が周縁部４である。

また、周縁部４は、平面視による第１表面電極２の重心である中心を介して対向する外周同士を結んだ距離に対して、それぞれの外周からの距離が外周同士を結んだ距離の１５％以下となることが好ましい。例えば、圧電体１が平面視で円形の場合、第１表面電極２の周縁部４はそれぞれの外周からの距離が直径の１５％以下の距離となることが好ましい。これにより、圧電素子１０を圧力センサとして用いた場合、センサ感度の精度を向上することができる。

そして、周縁部４は、圧電体１の一方主面からの厚みの厚い厚肉領域５と、該厚肉領域５よりも厚みの薄い薄肉領域６とを有している。例えば周縁部４において、最も厚い部分の厚みをｔＭａｘとし、最も薄い部分の厚みをｔＭｉｎとし、ｔＭａｘとｔＭｉｎとの中間の厚み（（ｔＭａｘ＋ｔＭｉｎ）／２）をｔＭｉｄとしたときに、ｔＭｉｄよりも厚い領域が厚肉領域５であり、ｔＭｉｄよりも薄い領域が薄肉領域６である。なお、周縁部４における最も厚い部分の厚みｔＭａｘと最も薄い部分の厚みｔＭｉｎとの差は、最も薄い部分の厚みｔＭｉｎの３０％以上であることが好ましい。

第１表面電極２は、中央部の厚みが例えば０．１０〜２０μｍで、厚肉領域５の厚みが例えば０．５０〜４０μｍで、薄肉領域６の厚みが例えば０．１５〜３０μｍである。また、平面視において第１表面電極２の薄肉領域６の面積比率は、周縁部４全体の５〜２０％程度である。

このように、第１表面電極２が、中央部よりも厚みが厚くなっている周縁部４を有し、該周縁部４は、圧電体１の一方主面に対向する面から反対側の面までの厚みの厚い厚肉領域５と、該厚肉領域５よりも厚みの薄い薄肉領域６とを有していることから、厚肉領域５と薄肉領域６との厚みの差により形成された空間に向かって変形可能となり、圧電素子１０に圧力が加わった際に、第１表面電極２から圧電体１にかかる応力集中が抑制されるので、表面電極と圧電体１との界面にクラックが発生するのが抑制され、長期信頼性の向上した圧電素子１０とすることができる。なお、圧電素子１０を圧力センサとして用いる場合には、出力が安定した圧力センサとすることができる。

図１、図２においては、第１表面電極２の周縁部４が厚肉領域５と薄肉領域６とを備えている例を用いて説明したが、第２表面電極３の周縁部４が厚肉領域５と薄肉領域６とを備えていてもよく、また第１表面電極２および第２表面電極３の両方の周縁部４が厚肉領域５と薄肉領域６とを備えていてもよい。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は図１（ｂ）に示すＺ−Ｚ^’線で切断した断面のバリエーションを示す図であり、図４は図１（ｂ）に示すＺ−Ｚ^’線で切断した断面の他の例を示す図である。

図３（ａ）〜図３（ｃ）および図４は、厚肉領域５から薄肉領域６にかけて厚みが変化している例のバリエーションを示している。図３（ａ）に示す圧電素子１０は、厚肉領域５と薄肉領域６との間に段差がある形態であり、凹んだ領域が薄肉領域６で、その外側の領域が厚肉領域５である。図３（ｂ）に示す圧電素子１１は、２段の段差がある形態であり、厚みの薄い領域が薄肉領域６で、その外側の領域が階段状になっている部位も含めて厚肉領域５である。図３（ｃ）に示す圧電素子１２は、厚肉領域５と薄肉領域６との間に傾斜部がある形態であり、厚みの薄い領域が薄肉領域６で、その外側の領域が傾斜部も含めて厚肉領域５である。

図３（ａ）、（ｂ）のように、厚肉領域５と薄肉領域６との間に段差がある場合は、圧電素子１０に圧力が加わった際に、厚肉領域５と薄肉領域６との厚みの差により形成された空間に厚肉領域５が広がって変形し、これにより第１表面電極２から圧電体１にかかる応力集中が抑制される。それにより、表面電極と圧電体１との界面にクラックが発生するのが抑制され、長期信頼性の向上した圧電素子１０とすることができる。

また、図３（ｃ）のように、厚肉領域５と薄肉領域６との間に傾斜部がある場合は、厚肉領域５と薄肉領域６との間に段差がないので、応力がより均一に分散され、第１表面電極２から圧電体１にかかる応力集中がより抑制される。

また、図４に示す圧電素子１３は、厚肉領域５から薄肉領域６にかけて厚みが変化している例のうち、厚肉領域５から薄肉領域６にかけて漸次厚みが変化している例を示している。これにより、圧電素子１に圧力が加わった際に、厚肉領域５と薄肉領域６との厚みの差により形成された空間に向かって厚肉領域５がなめらかに変形し、厚肉領域５と薄肉領域６との間で応力がさらに均一に分散される。特に圧電素子１３を圧力センサとして用いる場合には、圧力センサの出力が安定する。

図５（ａ）は本実施形態の圧電素子の他の例を示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すＸ−Ｘ^’線で切断した断面図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）に示すＹ−Ｙ^’線で切断した断面図である。

図５に示す圧電素子１４においては、薄肉領域６が２箇所に設けられている。これにより、厚肉領域５の変形できる箇所が増えて、よりクラックの発生を抑制できる。なお、薄肉領域６は２箇所以上設けられてもよい。また、薄肉領域６を複数箇所に設ける場合は、薄肉領域６が圧電体１の重心に対して点対称の位置なるように設けられていることが好ましい。これにより、第１表面電極２の周縁部において応力が均一に分散され、第１表面電極２から圧電体１にかかる応力集中が抑制されるのでよりクラックの発生を抑制できる。

図６は、本実施形態の圧電素子のさらに他の例を示すＸ−Ｘ^’線断面図である。図６に示す圧電素子１５においては、第１表面電極２および第２表面電極３の両方の周縁部４が、薄肉領域６を有している。これにより、圧電体１の一方主面および他方主面の両方の主面において応力集中が抑制される。さらに、図６に示すように、薄肉領域６が圧電体１を介して対向するように設けられている構成とすることもできる。これにより、圧電素子１に圧力が加わった際に、第１表面電極２および第２表面電極３において厚肉領域５の変形できる箇所を一致させることができるので、厚肉領域５の変形をより大きくさせることができる。したがって、長期信頼性の向上した圧電素子１５とすることができる。

次に、本実施形態の圧電素子１０の製造方法について説明する。

まず、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系、ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーを混合して原料粉末を作製する。圧電セラミックスとしては圧電特性を有するものであればよく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。そして、プレス等を用いて成形し、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、９００〜１５００℃の温度で焼成し、平面研削盤等を用いて所定の形状になるよう研削処理を施して、圧電体１を作製する。

次に、第１表面電極２、第２表面電極３となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀の金属粉末にガラス粉末と共にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記の圧電体１上に、スクリーン印刷法を用いて第１表面電極２および第２表面電極３のパターンを印刷塗布する。さらに、この導電性ペーストが印刷された圧電体１を、所定の温度で脱バインダー処理を行なった後、６００〜９００℃の温度で焼成する。

ここで、厚肉領域５と薄肉領域６の作製方法について述べる。例えばスクリーン印刷法を用いて導電性ペーストを印刷する際、導電性ペーストの粘度を調整して印刷することで周縁部４の部分が形成できる。これを利用して、１回目は周縁部が薄肉領域６の厚みになるように印刷し、２回目は厚肉領域５の部分だけを印刷する。あるいは周縁部が厚肉領域５の厚みになるように印刷し、その後、厚肉領域５の一部を研磨等の方法で削り取って薄肉領域６を形成することもできる。また他の方法として、スクリーン印刷時のスキージの形状や押圧強度を制御して厚肉領域５と薄肉領域６とで異ならせる方法やメッシュの間隔を厚肉領域５と薄肉領域６とで異ならせる方法がある。さらに、印刷時のパターンを厚肉領域５と薄肉領域６とで異ならせる方法がある。また、スクリーン印刷に変えて、蒸着等の薄膜法で、厚肉領域５と薄肉領域６を異ならせる方法では、マスクパターンを複数用意して、複数回製膜する方法がある。

以上の方法により、本実施形態の圧電素子１０を作製することができる。

なお、圧電素子１０は、上記の製造方法によって作製されるものに限定されるものではなく、どのような製造方法によって作製されてもよい。

本発明の実施例について説明する。

本発明の圧電素子を以下のようにして作製した。まず、平均粒径が０．８μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダーを混合した原料粉末を作製し、プレスで成形した後、６００〜１２００℃で脱脂を行った後、９８０〜１５００℃で焼成した。その後、研磨機で厚みが３００〜９００μｍになるよう研磨し、φ５．０ｍｍの円板状になるように加工して圧電体を作成した。

次に、銀とガラスの粉末にバインダーを加えて、表面電極となる導電性ペーストを作製した。

次に、圧電体に表面電極となる導電性ペーストをスクリーン印刷法により印刷した。このとき、厚肉領域は導電性ペーストを２回印刷して形成した。すなわち、導電性ペーストの１回目の印刷で薄肉領域の厚みとなる周縁部を形成した。続いて、周縁部の薄肉領域となる部位を除く厚肉領域となる部位のみに２回目の印刷をし、周縁部に薄肉領域と厚肉領域とを形成した。ここで、厚肉領域の厚みは０．５０〜４０μｍであった。また、薄肉領域の厚みは０．１５〜３０μｍで、中央部の厚みは０．１〜２０μｍであった。

次に、６００〜９００℃の温度で導電性ペーストを圧電体に焼き付けることにより、圧電体の一方主面に第１表面電極を形成して、図１、図２に示すように、第１表面電極の周縁部が、厚みの厚い厚肉領域と、それよりも厚みの薄い薄肉領域とを有した構造になっている圧電素子（試料１）を作製した。

さらに、試料２として、図５に示すように、第１表面電極の薄肉領域が２箇所設けられた構造になっている圧電素子を作製した。

さらに、試料３として、図６に示すように、薄肉領域が、圧電体を介して対向するように第１表面電極および第２表面電極のそれぞれの周縁部に設けられた構造になっている圧電素子を作製した。

また、比較例として、表面電極の周縁部が全て厚肉領域で、表面電極の周縁部に薄肉領域が形成されていない構造になっている圧電素子（試料４）も作製した。

これらの圧電素子（試料１〜試料４）をそれぞれ金属ホルダーに入れて、荷重試験の測定機で１０００Ｎの圧力を加え、圧力センサ出力を測定した。試料１〜試料４のいずれの圧電素子も約３００μＣの出力を得た。

さらに、この評価を２００Ｈ_Ｚの振動で１．０×１０^９回繰り返して耐久性試験を行なった。

それぞれの圧電素子について、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、走査型電子顕微鏡）で分析した結果、本発明の実施例である試料１、試料２、試料３の圧電素子は、表面電極と圧電体との界面にクラックは発生していなかった。さらに、これらの試料の出力信号を評価したところ、ともに試験前の値と同等となり、劣化していなかった。

これに対し、比較例である試料４の圧電素子は、表面電極と圧電体との界面にクラックが発生していた。さらに、この試料４の出力信号を評価したところ、試験前より低い出力値となり劣化していた。

以上のことから、実施例の圧電素子のほうが比較例の圧電素子よりも長期信頼性に優れていることがわかる。

１・・・圧電体
２・・・第１表面電極
３・・・第２表面電極
４・・・周縁部
５・・・厚肉領域
６・・・薄肉領域
１０、１１、１２、１３、１４、１５・・・圧電素子

Claims (6)

1. 対向する一方主面および他方主面を有する板状の圧電体と、
   前記一方主面に設けられた第１表面電極および前記他方主面に設けられた第２表面電極とを備えた圧電素子であって、
   前記第１表面電極および前記第２表面電極のうちの少なくとも一方は、中央部よりも厚みが厚くなっている周縁部を有し、該周縁部は、厚みの厚い厚肉領域と、該厚肉領域よりも厚みの薄い薄肉領域とを有している圧電素子。
2. 前記薄肉領域が前記中央部よりも厚みが厚いことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記厚肉領域から前記薄肉領域にかけて漸次厚みが変化している請求項１または請求項２に記載の圧電素子。
4. 前記薄肉領域が複数設けられている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電素子。
5. 前記第１表面電極および前記第２表面電極の両方の前記周縁部が、前記薄肉領域を有している請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電素子。
6. 前記薄肉領域が、前記圧電体を介して対向するように設けられている請求項５に記載の圧電素子。

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