特許 7099596 圧電素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-04

(45)【発行日】2022-07-12

(54)【発明の名称】圧電素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/047 20060101AFI20220705BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20220705BHJP

   H01L 41/113 20060101ALI20220705BHJP

   H01L 41/187 20060101ALI20220705BHJP

   H04R 1/02 20060101ALN20220705BHJP

【ＦＩ】

H01L41/047

H01L41/09

H01L41/113

H01L41/187

H04R1/02 330

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021116449

(22)【出願日】2021-07-14

【審査請求日】2022-02-25

(73)【特許権者】

【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】東 智久

(72)【発明者】

【氏名】太田 佳生

(72)【発明者】

【氏名】北▲崎▼ 将士

(72)【発明者】

【氏名】井尻 博之

(72)【発明者】

【氏名】稲葉 勝也

(72)【発明者】

【氏名】住吉 三樹夫

【審査官】西出 隆二

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－３１９１５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－１８７３５８（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ４１／０４７

Ｈ０１Ｌ ４１／０９

Ｈ０１Ｌ ４１／１１３

Ｈ０１Ｌ ４１／１８７

Ｈ０４Ｒ １／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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の主面の少なくとも一方の設けられた電極と、を備え、
前記電極の外縁部の厚さは、当該外縁部の縁に向かって徐々に小さくなっており、
前記電極の外縁部の縁は、前記第１の主面及び前記第２の主面の外縁と一致している圧電素子。

【請求項2】

前記電極の外縁部における前記圧電素体と反対側の角部は、丸みを帯びた形状となっている請求項１記載の圧電素子。

【請求項3】

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の主面の少なくとも一方の設けられた電極と、を備え、
前記電極の外縁部の厚さは、当該外縁部の縁に向かって徐々に小さくなっており、
前記電極には、圧電素体を露出させる開口部によって構成された極性表示部が設けられており、
前記開口部における前記電極の厚さは、当該開口部の縁に向かって徐々に小さくなっている圧電素子。

【請求項4】

前記電極の外縁部における前記圧電素体と反対側の角部は、丸みを帯びた形状となっている請求項３記載の圧電素子。

【請求項5】

前記開口部の中心は、前記圧電素体の中心に対して偏心している請求項３又は４記載の圧電素子。

【請求項6】

前記開口部の中心は、前記圧電素体の中心寄りに位置している請求項５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】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】実開昭６３－１８７３５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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（主として圧電素体に対して電極が形成される領域）を十分に確保する必要がある。一方で、圧電素体に対する電極の面積が増大すると、電極による変位拘束が増大し、結果として振動効率が低下してしまうおそれがある。

【0005】

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、振動効率の向上が図られる圧電素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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の主面の少なくとも一方の設けられた電極と、を備え、電極の外縁部の厚さは、当該外縁部の縁に向かって徐々に小さくなっている。

【0007】

この圧電素子では、圧電素体における第１の主面及び第２の主面の少なくとも一方に設けられた電極の外縁部の厚さが、当該外縁部の縁に向かって徐々に小さくなっている。これにより、活性部となる領域での電極の厚さを電極の外縁部においても確保しつつ、電極による変位拘束を低減することが可能となる。したがって、この圧電素子では、振動効率の向上が図られる。

【0008】

電極の外縁部における圧電素体と反対側の角部は、丸みを帯びた形状となっていてもよい。このような構成により、活性部となる領域での電極の厚さを電極の外縁部においても確保しつつ、振動効率の最大化を図ることができる。

【0009】

電極の外縁部の縁は、第１の主面及び第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。電極の外縁部の縁が第１の主面及び第２の主面の外縁に位置する場合でも、電極の外縁部の厚さが当該外縁部の縁に向かって徐々に小さくなっていることで電極による変位拘束を十分に低減でき、振動効率の向上が図られる。

【0010】

電極には、圧電素体を露出させる開口部によって構成された極性表示部が設けられており、開口部における電極の厚さは、当該開口部の縁に向かって徐々に小さくなっていてもよい。極性表示部としての開口部は、非活性部となる領域であり、圧電素子の変位には寄与しない。したがって、かかる開口部における電極の厚さを当該開口部の縁に向かって徐々に小さくすることで、圧電素子の振動の均一性を保つことが可能となる。

【0011】

開口部の中心は、圧電素体の中心に対して偏心していてもよい。この場合、例えば圧電素子の検査工程において、検査用のセンサの端子を電極の中心に当てることができる。したがって、工程の作業性を担保できる。

【0012】

開口部の中心は、圧電素体の中心寄りに位置していてもよい。圧電素子の変位に寄与しない開口部を電極の外縁部側に位置させないことで、圧電素子による径方向への均一な拡がり振動を担保できる。

【発明の効果】

【0013】

本開示によれば、振動効率の向上が図られる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本開示の一実施形態に係る圧電素子の平面図である。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。

【図3】図１に示した圧電素子における電極の外縁部の近傍を示す要部拡大断面図である。

【図4】図１に示した圧電素子における極性表示部（開口部）の近傍を示す要部拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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の外縁部３ａの縁３ａａ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の外縁部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。

【0022】

第１の主面４Ａ側の電極３には、図１に示すように、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。

【0023】

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の外縁部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。

【0024】

次に、上述した電極３の構成について更に詳細に説明する。

【0025】

圧電素子１では、図３に示すように、電極３の外縁部３ａの厚さが当該外縁部３ａの縁３ａａに向かって徐々に小さくなっている。図３の例では、電極３の外縁部３ａにおける圧電素体２と反対側の角部Ｖが丸みを帯びた形状となっており、これにより、電極３の外縁部３ａの厚さが当該外縁部３ａの縁３ａａに向かって徐々に小さくなっている。図３では、第１の主面４Ａ側の電極３の外縁部３ａのみを示しているが、第２の主面４Ｂ側の電極３の外縁部３ａについても同様の構成となっている。

【0026】

角部Ｖの丸みの曲率に特に制限はないが、例えば１．８×１０^５（１／ｍ）～３．０×１０^５（１／ｍ）となっている。角部Ｖの丸みの曲率は、１．０×１０^５（１／ｍ）～５．０×１０^５（１／ｍ）となっていてもよく、１．５×１０^５（１／ｍ）～３．５×１０^５（１／ｍ）となっていてもよい。また、角部Ｖにおける丸みを帯びた領域の幅（電極３の径方向の幅）は、例えば電極３の半径の０．０６７％～０．１１％程度の幅となっている。当該幅は、電極３の半径の０．０５％～０．１５％程度の幅となっていてもよく、０．０６％～０．１２％程度の幅となっていてもよい。

【0027】

また、圧電素子１では、図４に示すように、極性表示部Ｐを構成する開口部１１における電極３の厚さが当該開口部１１の縁１１ａに向かって徐々に小さくなっている。図４の例では、開口部１１の内壁１１ｂが開口部１１の底部（開口部１１から露出する第１の主面４Ａ）に向かって傾斜するなだらかな傾斜面となっている。これにより、開口部１１における電極３の厚さが当該開口部１１の縁１１ａに向かって徐々に小さくなっている。

【0028】

開口部１１の底部（開口部１１から露出する第１の主面４Ａ）に対する開口部１１の内壁１１ｂの傾斜角度θは、例えば２．３°～３．５°となっている。傾斜角度θは、１．０°～５．０°となっていてもよく、２．０°～４．０°となっていてもよい。また、開口部１１における電極３の厚さは、必ずしも開口部１１の縁１１ａに向かって一律に小さくなる態様でなくてもよい。例えば開口部１１の内壁１１ｂの一部に緩やかな隆起部分などが存在していてもよい。

【0029】

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を厚さ方向に積層して円筒体を形成し、例えばセンタレス研磨によって圧電素体２の周面５を研磨する。周面５を研磨した後、円筒体を各圧電素体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４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。

【0030】

導電性ペーストの印刷には、例えばスクリーン印刷を用いることができる。このスクリーン印刷の際、第１の主面４Ａ側の電極３に開口部１１を形成する。開口部１１を印刷でパターニングし、開口部１１の内壁を開口部１１の底部に向かって傾斜するなだらかな傾斜面とすることで、開口部１１における電極３の厚さを当該開口部１１の縁１１ａに向かって徐々に小さくすることができる。また、導電性ペーストの焼き付けの際、当該導電性ペーストの凝集によって表面張力が作用することで、電極３の外縁部３ａにおける圧電素体２と反対側の角部Ｖを丸みを帯びた形状とすることができる。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。

【0031】

以上説明したように、圧電素子１では、圧電素体２における第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂの少なくとも一方に設けられた電極３の外縁部３ａの厚さが、当該外縁部３ａの縁３ａａに向かって徐々に小さくなっている。これにより、活性部となる領域での電極３の厚さを電極３の外縁部３ａにおいても確保しつつ、電極３による変位拘束を低減することが可能となる。したがって、この圧電素子１では、振動効率の向上が図られる。

【0032】

圧電素子１では、電極３の外縁部３ａにおける圧電素体２と反対側の角部Ｖは、丸みを帯びた形状となっている。このような構成により、活性部となる領域での電極３の厚さを電極３の外縁部３ａにおいても確保しつつ、振動効率の最大化を図ることができる。

【0033】

圧電素子１では、電極３の外縁部３ａの縁３ａａ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の外縁部３ａの縁３ａａが第１の主面４Ａ及び第２の主面４Ｂの外縁４ａに位置する場合でも、電極３の外縁部３ａの厚さが当該外縁部３ａの縁３ａａに向かって徐々に小さくなっていることで電極３による変位拘束を十分に低減でき、振動効率の向上が図られる。

【0034】

圧電素子１では、圧電素体２を露出させる開口部１１によって構成された極性表示部Ｐが第１の主面４Ａ側の電極３に設けられている。そして、この開口部１１における電極３の厚さは、当該開口部１１の縁１１ａに向かって徐々に小さくなっている。極性表示部Ｐとしての開口部１１は、非活性部となる領域であり、圧電素子１の変位には寄与しない。したがって、かかる開口部１１における電極３の厚さを当該開口部１１の縁１１ａに向かって徐々に小さくすることで、圧電素子１の振動の均一性を保つことが可能となる。

【0035】

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の外縁部３ａの縁３ａａが第１の主面４Ａ及び第２の主面４の外縁４ａに一致しているが、電極３の外縁部３ａの縁３ａａが第１の主面４Ａ及び第２の主面４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。

【0036】

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。

【0037】

上記実施形態では、電極３の外縁部３ａにおける圧電素体２と反対側の角部Ｖが丸みを帯びた形状となっているが、電極３の外縁部３ａの厚さが当該外縁部３ａの縁３ａａに向かって徐々に小さくなっているのであれば、他の態様であってもよい。例えば開口部１１の内壁１１ｂのように、電極３の外縁部３ａの縁３ａａに向かって傾斜するなだらかな傾斜面が形成された態様であってもよい。

【符号の説明】

【0038】

１…圧電素子、２…圧電素体、３…電極、３ａ…外縁部、３ａａ…縁、４Ａ…第１の主面、４Ｂ…第２の主面、４ａ…外縁、５…周面、１１…開口部、Ｆ１…圧電素体の中心、Ｆ２…開口部の中心、Ｐ…極性表示部、Ｖ…角部。

【要約】

【課題】振動効率の向上が図られ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４の少なくとも一方の設けられた電極３と、を備え、電極３の外縁部３ａの厚さは、当該外縁部３ａの縁３ａａに向かって徐々に小さくなっている。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】