特開2020-205370(P2020-205370A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-205370(P2020-205370A)
(43)【公開日】2020年12月24日
(54)【発明の名称】圧電素子
(51)【国際特許分類】
   H01L 41/047 20060101AFI20201127BHJP
   H01L 41/09 20060101ALI20201127BHJP
   H04R 17/00 20060101ALI20201127BHJP
   H01L 41/113 20060101ALI20201127BHJP
【FI】
   H01L41/047
   H01L41/09
   H04R17/00 330H
   H01L41/113
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2019-112803(P2019-112803)
(22)【出願日】2019年6月18日
(71)【出願人】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】TDK株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100124062
【弁理士】
【氏名又は名称】三上 敬史
(72)【発明者】
【氏名】松村 湧
(72)【発明者】
【氏名】菅原 潤
(72)【発明者】
【氏名】太田 佳生
(72)【発明者】
【氏名】武田 明丈
【テーマコード(参考)】
5D019
【Fターム(参考)】
5D019BB25
5D019BB30
5D019FF01
(57)【要約】
【課題】電極の電気抵抗を低下させながら、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生を抑制可能な圧電素子を提供する。
【解決手段】圧電素子1は、互いに対向する主面2a及び主面2bを有する圧電体2と、主面2aに設けられた第1電極3と、を備える。第1電極3は、多孔質構造を有する金属部分3mと、金属部分3mに含侵された樹脂部分3rとを含む。主面2aは、金属部分3mと接する第1領域R1と、樹脂部分3rと接する第2領域R2と、を有している。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに対向する第1主面及び第2主面を有する圧電体と、
前記第1主面に設けられた電極と、を備え、
前記電極は、多孔質構造を有する金属部分と、前記金属部分に含侵された樹脂部分とを含み、
前記第1主面は、前記金属部分と接する第1領域と、前記樹脂部分と接する第2領域と、を有している、圧電素子。
【請求項2】
前記樹脂部分は、前記第1主面と、前記第1主面と対向して配置される外部部材とを接合する、請求項1に記載の圧電素子。
【請求項3】
前記金属部分は、前記第1主面と対向して配置される導電性の外部部材と接する、請求項1又は2に記載の圧電素子。
【請求項4】
前記第1主面には、スリットが設けられている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、圧電素子に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、導電性ペーストからなる電極を有する圧電素子が記載されている。このような電極では、導電性ペーストに含まれる導電粒子が互いに接することで導通が図られている。
【0003】
特許文献2には、導電性ペーストの焼き付けにより形成された電極を有する圧電素子が記載されている。このような電極は、導電粒子同士が互いに接続されてなる多孔質構造を有しているので、導電性ペーストに比べて電気抵抗を低下させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2016−100760号公報
【特許文献2】実開平6−62700号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述のような多孔質構造を有する電極は、脆く、壊れ易い。したがって、電極の剥離及び電極からのパーティクルが発生し易い。
【0006】
本開示の一側面は、電極の電気抵抗を低下させながら、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生を抑制可能な圧電素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一側面に係る圧電素子は、互いに対向する第1主面及び第2主面を有する圧電体と、第1主面に設けられた電極と、を備え、電極は、多孔質構造を有する金属部分と、金属部分に含侵された樹脂部分とを含み、第1主面は、金属部分と接する第1領域と、樹脂部分と接する第2領域と、を有している。
【0008】
この圧電素子では、電極は、多孔質構造を有する金属部分を含むので、電極の電気抵抗を低下させることができる。電極は、金属部分に含侵された樹脂部分を含む。金属部分の空孔又は空隙が樹脂部分によって埋められているので、金属部分が壊れ難い。よって、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生を抑制することができる。第1主面は、樹脂部分と接する第2領域を有している。樹脂部分が第2領域と接合することにより、第1主面と電極との密着性を向上させることができる。
【0009】
樹脂部分は、第1主面と、第1主面と対向して配置される外部部材とを接合していてもよい。この場合、樹脂部分を、第1主面と外部部材とを接合する接合部材としても機能させることができる。
【0010】
金属部分は、第1主面と対向して配置される導電性の外部部材と接していてもよい。この場合、電極と外部部材との間の電気抵抗を低下させることができる。
【0011】
第1主面には、スリットが設けられていてもよい。この場合、第1主面は、スリットが設けられていない面よりも変形し易いので、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生の抑制効果がより有効に発揮される。
【発明の効果】
【0012】
本開示の一側面によれば、電極と圧電体との密着性を向上させながら、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生を抑制可能な圧電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】一実施形態に係る圧電素子を備える圧電デバイスを示す断面図である。
図2図1の圧電素子を示す斜視図である。
図3】第1電極の断面構造を示す写真図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
図1は、一実施形態に係る圧電素子を備え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、圧電素子1が設けられた振動部材20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。
【0016】
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,20bを有している。振動部材20は、圧電素子1の後述の主面2aと対向して配置されている。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。
【0017】
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に貼り付けられている。圧電素子1は、圧電体2と、第1電極3と、第2電極4と、を備えている。
【0018】
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。
【0019】
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。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。
【0020】
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。
【0021】
主面2aは、第1電極3を介して外部部材と対向する面である。本実施形態では、外部部材は、振動部材20である。主面2a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、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、一方の側面2cから他方の側面2cに至っている。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。
【0022】
スリット5の底面は、方向D1において主面2bと対向している。スリット5の底面は、例えば、主面2a,2bと平行に設けられている。複数のスリット5の底面と主面2b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。
【0023】
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と主面2bとの離間距離は、例えば0.4mmである。
【0024】
主面2a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。
【0025】
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。
【0026】
第1電極3及び第2電極4は、圧電体2の外表面に設けられている。具体的には、第1電極3は、主面2aに設けられている。第1電極3は、スリット5を除く主面2aの略全面に設けられている。第2電極4は、主面2bに設けられている。第2電極4は、主面2bの略全面に設けられている。第1電極3及び第2電極4の厚さ(方向D1の長さ)は、例えば同等である。第1電極3及び第2電極4の厚さは、例えば5μmである。
【0027】
第1電極3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の略全面にそれぞれ設けられている。
【0028】
図3は、第1電極の断面構造を示す写真図である。図3は、方向D1に平行な面による断面写真である。図3に示されるように、第1電極3(具体的には、図1に示される各電極部分31)は、金属部分3mと、樹脂部分3rと、を含んでいる。金属部分3mは、複数の空孔又は空隙を含む多孔質構造を有している。この多孔質構造は、第1電極3の全体にわたって3次元的に形成されている。金属部分3mは、第1電極3の全体にわたって三次元的に形成されたメッシュ(網目)構造を有しているとも言える。
【0029】
金属部分3mは、例えば、Ag等の導電性材料からなる。導電性材料として、Pd、Ag−Pd合金、Au、Pt、又はNi等が用いられてもよい。金属部分3mは、例えば、導電性材料を含む導電性ペーストを主面2aに付与し、焼き付けることにより導電性粒子同士が互いに接続されて形成される。この場合、金属部分3mは、焼結金属である。焼き付け温度は、例えば、600℃以上800℃以下とすることができる。金属部分3mの多孔質構造は、焼き付け処理以外の方法で形成されてもよい。したがって、金属部分3mは、必ずしも焼結金属でなくてもよい。
【0030】
樹脂部分3rは、金属部分3mに含侵されている。樹脂部分3rは、多孔質構造に浸透し、その空孔又は空隙に充填されている。樹脂部分3rは、例えば、エポキシ等の樹脂からなる。樹脂部分3rは、例えば、所定の粘度に調整された樹脂を金属部分3m上に塗布して含侵させた後、硬化させることにより形成される。所定の圧力で加圧することにより、樹脂を金属部分3mに含侵させてもよい。
【0031】
上述のように、金属部分3mの多孔質構造は、第1電極3の全体にわたっており、樹脂部分3rは、その多孔質構造の全体にわたって含侵されているので、圧電体2の主面2aは、金属部分3mと接する第1領域R1と、樹脂部分3rと接する第2領域R2とを有している。また、振動部材20の主面20aは、金属部分3mと接する第3領域R3と、樹脂部分3rと接する第4領域R4とを有している。樹脂部分3rは、主面2aと主面20aとを接合しており、接着剤として機能している。
【0032】
第1電極3において金属部分3mが占める割合は、例えば、30%以上95%以下である。第1電極3において樹脂部分3rが占める割合は、例えば、5%以上70%以下である。金属部分3mの空孔又は空隙において樹脂部分3rが占める割合は、例えば、30%以上である。このような割合は、例えば、方向D1に平行な面による断面写真における面積割合として求められる。
【0033】
金属部分3m及び樹脂部分3rの割合は、それぞれ第1電極3の厚さ方向(方向D1)の位置によって大きく変化しない。
【0034】
図示を省略するが、第2電極4は、例えば、第1電極3と同様の多孔質構造の金属部分を含む。第2電極4の金属部分は、例えば、第1電極3と同様の導電性材料からなり、当該導電性材料を含む導電性ペーストを主面2bに付与し、焼き付けることにより形成される。本実施形態では、第2電極4は樹脂部分を含まないが、第2電極4は樹脂部分を含んでもよい。
【0035】
圧電素子1及び圧電デバイス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。
【0036】
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、ガラス成分(例えば、主にSi)も含む。導電性ペーストは、例えばスクリーン印刷により20μm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、500℃で10分間かけて行われる。
【0037】
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、第1電極及び第2電極の金属部分が形成される。続いて、第1電極の金属部分上に樹脂を塗布した後、含侵させる。樹脂は、例えば、スクリーン印刷により約1000μmの厚さで塗布される。樹脂の粘度は、例えば、10Pa・sであり、40℃で15分間かけて樹脂を金属部分に含侵させる。
【0038】
次に、第1電極上に振動部材を貼り付けた後、樹脂を硬化させる。これにより、金属部分及び樹脂部分を含む第1電極が形成され、圧電素子及び圧電デバイスが得られる。
【0039】
以上説明したように、圧電素子1では、第1電極3は、多孔質構造を有する金属部分3mを含む。よって、第1電極3によれば、導電性ペーストからなる電極に比べて、電気抵抗を低下させることができる。第1電極3は、金属部分3mに含侵された樹脂部分3rを含む。金属部分3mの空孔又は空隙が樹脂部分3rによって埋められているので、金属部分3mが樹脂部分3rによって補強される。その結果、金属部分3mが壊れ難い。よって、金属部分3mが壊れることによって生じる第1電極3の剥離及び第1電極3からのパーティクルの発生を抑制することができる。圧電素子は変位するので、変位しない他の電子部品に比べて、電極の剥離及び電極からのパーティクルの発生を抑制することが特に重要である。
【0040】
主面2aは、樹脂部分3rと接する第2領域R2を有している。主面2aが第2領域R2を有さない場合、つまり、主面2aが樹脂部分3rと接していない場合として、例えば、主面2a近傍で樹脂部分3rが金属部分3mに含侵されていない場合が考えられる。このような場合に比べて、本実施形態では、樹脂部分3rが第2領域R2と接合することにより、主面2aと第1電極3との密着性を向上させることができる。
【0041】
主面2aは、金属部分3mと接する第1領域R1を有している。導電性ペーストの焼き付け処理により、第1領域R1と金属部分3mとの界面部分では、圧電体2と導電性ペーストの金属の成分とが反応する。また、導電性ペーストのガラス成分(例えば、主にSi)が溶けて、圧電体2の主面2aにおける粒界に入り込むことによって、圧電体2と第1電極3との密着性が向上する。これにより、導電性ペーストからなり、焼き付け処理されていない電極に比べて、主面2aと第1電極3との密着性が向上する。粒界に入り込んだガラス成分として、Siの他にZn及びAlが検出される場合がある。
【0042】
樹脂部分3rは、主面2aと、主面2aと対向して配置される外部部材としての振動部材20とを接合する。このため、樹脂部分3rを、金属部分3mの補強部材として機能させるだけでなく、主面2aと振動部材20とを接合する接合部材としても機能させることができる。
【0043】
金属部分3mは、主面2aと対向して配置される導電性の外部部材としての振動部材20と接する。これにより、第1電極3と振動部材20との間の電気抵抗を低下させることができる。
【0044】
主面2aには、スリット5が設けられている。主面2aは、スリット5が設けられていない主面2bよりも変形し易い。第1電極3は、このように変形し易い主面2aに設けられている。このため、第1電極3が、スリットが形成されていない主面2bに設けられている場合に比べて、第1電極3の剥離及び第1電極3からのパーティクルの発生の抑制効果がより有効に発揮される。
【0045】
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。
【0046】
例えば、第2電極4が多孔質構造の金属部分に加えて、金属部分に含侵された樹脂部分を有していてもよい。この場合、第2電極4の剥離及び第2電極4からのパーティクルの発生を抑制することができる。
【0047】
主面2aには、スリット5が設けられていなくてもよい。第1電極3には、振動部材20が貼り付けられていなくてもよい。
【符号の説明】
【0048】
1…圧電素子、2…圧電体、2a…主面、3…第1電極、5…スリット、3m…金属部分、3r…樹脂部分、20…振動部材(外部部材)、R1…第1領域、R2…第2領域。
図1
図2
図3