压电元件的制作方法

1.本公开涉及一种压电元件。


背景技术：

2.在专利文献1中，记载了具备由压电材料构成的压电体的压电元件。在该压电元件中，压电体具有基部和在基部上相互分离地设置的多个驱动部。通过对各驱动部选择性地施加电压来激励超声波，能够得到超声波的期望的光束图案。
3.现有技术文献：
4.专利文献1：日本实开昭59-955号公报


技术实现要素：

5.发明想要解决的技术问题
6.例如，为了用作传感器，期望实现提高了超声波信号的强度的压电元件。
7.本公开的一个方面提供一种实现了提高了超声波信号的强度的压电元件。
8.用于解决技术问题的手段
9.本公开的一个方面所涉及的压电元件具备由压电材料构成的压电体和设置在压电体上的第一电极以及第二电极。压电体具有基部和多个驱动部。基部具有相互相对的第一主面以及第二主面。多个驱动部在第一主面上相互分离地排列。多个驱动部分别具有与第一主面相接的第三主面和与第三主面相对的第四主面。基部具有配置有多个驱动部的多个第一区域和配置于相互相邻的第一区域间的第二区域。基部弯曲。
10.在该压电元件中，在压电体的基部的第一区域配置有驱动部。因此，在压电元件的驱动时，由第一电极以及第二电极施加于驱动部的电场也同样被施加于第一区域。因此，驱动时的第一区域的位移量遍及第一区域整体而均匀。与此相对，在第二区域的第一主面侧难以施加电场。因此，驱动时的第二区域的位移量在第一主面侧和第二主面侧不同。其结果，第二区域弯曲振动，伴随于此，基部弯曲振动。由于基部预先弯曲，因此与未预先弯曲的基部弯曲振动的情况相比，压电元件的位移量变大。因此，在压电元件中，能够实现超声波信号的强度提高。
11.第二区域的第一主面侧的端部的极化程度也可以与第二区域的第二主面侧的端部的极化程度不同。在该情况下，在压电体中，极化程度越大，驱动时的位移量越大，因此驱动时的第二区域的位移量在第一主面侧和第二主面侧更加大幅不同。其结果，第二区域进一步大幅弯曲振动，因此在压电元件中，能够实现超声波信号的进一步的强度提高。
12.相互相邻的驱动部的第三主面侧的端部彼此的间隔也可以与相互相邻的驱动部的第四主面侧的端部彼此的间隔不同。在该情况下，能够相对于弯曲的基部垂直地配置驱动部。此外，能够变更伸长变形以及弯曲变形的共振频率的平衡。
13.基部也可以以第一主面成为凸状的方式弯曲。在该情况下，容易将多个驱动部呈放射状配置。因此，能够抑制驱动部彼此相互接触而损伤。
14.第二区域的第一主面侧的端部的极化程度也可以小于第二区域的第二主面侧的端部的极化程度。在该情况下，在压电体的极化处理中产生的变形的大小在第二区域的第一主面侧的端部比第二区域的第二主面侧的端部小。因此，能够容易地使基部弯曲，以使第一主面成为凸状。
15.相互相邻的驱动部的第三主面侧的端部彼此的间隔也可以小于相互相邻的驱动部的第四主面侧的端部彼此的间隔。在该情况下，能够抑制驱动部彼此接触而损伤。
16.第一电极也可以设置在第二主面上。第二电极也可以具有设置于多个驱动部的第四主面上的多个电极部分。在该情况下，能够容易地使驱动时的第二区域的位移量在第一主面侧和第二主面侧不同。
17.发明效果
18.根据本发明的一个方面，提供一种实现了超声波信号的强度提高的压电元件。
附图说明
19.图1是表示一个实施方式所涉及的压电元件的立体图。
20.图2是沿着图1的ii-ii线的截面图。
21.图3是表示压电体的极化程度的图。
22.图4的(a)、图4的(b)及图4的(c)是用于表示由压电体的极化程度引起的极化变形的差异的示意图。
23.图5是比较地示出图1的压电元件的位移量与比较例的压电元件的位移量的示意图。
24.符号说明
[0025]1……
压电元件
[0026]2……
压电体
[0027]3……
电极(第二电极)
[0028]
31
……
电极部分
[0029]4……
电极(第一电极)
[0030]
11
……
基部
[0031]
11a
……
主面(第一主面)
[0032]
11b
……
主面(第二主面)
[0033]
12
……
驱动部
[0034]
12a
……
主面(第三主面)
[0035]
12b
……
主面(第四主面)
[0036]
r1
……
第一区域
[0037]
r2
……
第二区域
具体实施方式
[0038]
以下，参照附图对实施方式进行详细说明。需要说明的是，在附图的说明中，对相同或相当的要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。
[0039]
图1是表示一个实施方式所涉及的压电元件的立体图。图2是沿着图1的ii-ii线的
截面图。图1及图2所示的压电元件1例如贴合于由sus(不锈钢)等金属板构成的振动板(未图示)而作为传感器使用。压电元件1例如用于发送接收超声波来检测车间距离的车载用传感器、或者检测复印机的调色剂的量的粉体水平传感器等。压电元件1具备压电体2、电极3以及电极4。
[0040]
压电体2例如呈长方体形状。长方体形状包括角部以及棱线部被倒角了的长方体的形状、以及角部以及棱线部被弄圆了的长方体的形状。压电体2作为其外表面，具有相互相对的主面2a以及主面2b、相互相对的一对侧面2c、以及相互相对的一对侧面2d。
[0041]
主面2a以及主面2b相互相对的方向d1、一对侧面2c相互相对的方向d2、以及一对侧面2d相互相对的方向d3相互交叉(例如，正交)。主面2a以及主面2b如后述那样弯曲。因此，主面2a和主面2b的相对方向根据主面2a和主面2b的位置而变化。因此，方向d1例如也可以被规定为主面2a的重心以及主面2b的重心相互相对的方向、或者与方向d2以及方向d3正交的方向。压电体2的方向d1的长度例如为3mm，压电体2的方向d2的长度例如为8mm，压电体2的方向d3的长度例如为8mm。
[0042]
压电体2具有基部11和多个(在此为4个)驱动部12。基部11具有相互相对的主面11a以及主面11b。主面11a以及主面11b相互相对的方向与方向d1一致。基部11弯曲。基部11以主面11a呈凸状且主面11b成为凹状的方式弯曲。基部11例如通过后述的极化处理而弯曲。主面11a构成主面2b。
[0043]
多个驱动部12在主面11a上相互分离地排列。多个驱动部12沿着方向d3排列。驱动部12从主面11a突出。驱动部12具有与主面11a相接的主面12a和与主面12a相对的主面12b。主面12a以及主面12b相互相对的方向(即，驱动部12从主面11a突出的方向)与方向d1大致一致，与主面11a正交。从方向d2观察，驱动部12呈放射状地设置于主面11a。多个驱动部12的主面12b构成主面2a。
[0044]
多个驱动部12经由设置于压电元件1的多个(在此为3个)狭缝5而相互分离。多个狭缝5在方向d3上以等间隔排列。狭缝5分割主面2a。狭缝5在方向d2上延伸，从一个侧面2c到达另一个侧面2c。狭缝5的底面构成主面11a的一部分。
[0045]
狭缝5例如在压电元件1被用于传感器的情况下，为了调整用于感测的共振频率及阻抗波形等而设置。具体而言，狭缝5是为了抑制驱动部12的扩展振动的共振而设置的。驱动部12的扩展振动是指，通过驱动部12的方向d3的振动，基部11弯曲振动，从而驱动部12彼此相互分离或接近的振动。根据狭缝5，驱动部12的扩展振动的共振频率难以与驱动部12的纵向(方向d1)的振动的共振频率混合。因此，容易将驱动部12的纵向(方向d1)的振动的共振频率、以及基部11的扩展振动的共振频率的2种用于感测。狭缝5中例如未填充硅酮、氨基甲酸乙酯(urethan)、环氧树脂等填充剂，因此能够使驱动部12的扩展振动的共振充分地衰减。由此，超声波信号的发送不易受到阻碍。
[0046]
多个驱动部12的从主面11a突出的高度相互相等，例如为2.6mm。多个狭缝5的深度相互相等，与多个驱动部12的从主面11a突出的高度一致。多个狭缝5的底面与主面2b的间隔相互相等，例如为0.4mm。狭缝5的方向d2的长度与压电体2的方向d2的长度一致，例如为8mm。
[0047]
相互相邻的驱动部12的主面12a侧的端部彼此的间隔l1与相互相邻的驱动部12的主面12b侧的端部彼此的间隔l2不同。间隔l1比间隔l2小。间隔l1例如为150μm。间隔l2例如
为300μm。间隔l1与间隔l2之差例如为150μm。相互相邻的驱动部12彼此的间隔随着从驱动部12的主面12a侧的端部朝向驱动部12的主面12b的端部而变化。相互相邻的驱动部12彼此的间隔随着从驱动部12的主面12a侧的端部朝向驱动部12的主面12b的端部而逐渐变长。
[0048]
基部11具有多个(在此为4个)第一区域r1和1个或多个(在此为3个)第二区域r2。在多个第一区域r1上配置有多个驱动部12。第二区域r2配置于相互相邻的第一区域r1之间。多个第一区域r1及多个第二区域r2在方向d3上交替排列。各第一区域r1及各第二区域r2具有主面11a的一部分和主面11b的一部分。第二区域r2的主面11a是狭缝5的底面。
[0049]
压电体2由压电材料构成。在本实施方式中，压电体2由压电陶瓷材料构成。作为压电陶瓷材料，例如可举出以锆钛酸铅(pzt)为主要成分，添加了nb、zn、ni或sr等元素的材料。
[0050]
图3是表示压电体的极化程度的图。压电体2在方向d1上极化。驱动部12遍及驱动部12的整体而均匀(均一)地极化。即，驱动部12的极化程度(极化度)遍及驱动部12的整体而均匀。压电陶瓷的晶粒中的自发极化的方向越一致，极化程度越高。在图3中，极化程度越高的部分越由深色表示，极化程度越低的部分则以浅色表示。在未极化的情况下，自发极化的方向是随机的，极化程度低，因此用白色表示。
[0051]
第一区域r1中，极化遍及第一区域r1的整体而均匀，自发极化的方向一致。因此，第一区域r1的极化程度遍及第一区域r1的整体而均匀。第一区域r1的极化程度与驱动部12的极化程度相等。与此相对，第二区域r2的极化程度根据第二区域r2的位置而不同。第二区域r2的主面11a侧的端部的极化程度与第二区域r2的主面11b侧的端部的极化程度不同。
[0052]
第二区域r2的主面11a侧的端部的极化程度比第二区域r2的主面11b侧的端部的极化程度小。第二区域r2的主面11a侧的端部的极化程度例如与未极化的情况相同。第二区域r2的主面11b侧的端部的极化程度例如与驱动部12以及第一区域r1的极化程度相同。第二区域r2的极化程度随着从主面11b朝向主面11a而逐渐变小。
[0053]
如图1及图2所示，电极3及电极4设置在压电体2上。电极3设置于主面2a。电极3具有设置在多个驱动部12的主面12b上的多个(在此为4个)电极部分31。电极部分31覆盖主面12b的整体。电极3被多个狭缝5分割。多个电极部分31隔着狭缝5相互分离。电极4设置在主面2b上。电极4覆盖主面2b的整体。
[0054]
电极3及电极4例如由ag等导电性材料构成。作为导电性材料，也可以使用pd、ag-pd合金、au、pt或ni等。电极3及电极4例如通过对压电体2的表面赋予包含导电性材料的导电性糊剂并进行烧结而形成。电极3及电极4也可以通过溅射法或无电解镀敷法等形成。电极3和电极4的厚度(方向d1的长度)例如相同。电极3和电极4的厚度例如为5μm。
[0055]
对压电元件1的制造方法的一个例子进行说明。首先，将作为压电体2的构成材料的压电陶瓷材料加工成颗粒状的粉末。接着，在压电陶瓷材料的粉末中加入聚氯乙烯系粘合剂和水等，形成压电陶瓷的糊剂。接着，将压电陶瓷的糊剂填充到规定大小的模具中，进行冲压成形。由此，得到陶瓷生坯。接着，对陶瓷生坯实施脱粘合剂处理。脱粘合剂处理例如通过在将陶瓷生坯载置于由氧化镁等构成的承烧板(setter)的状态下进行加热处理来实施。接着，对陶瓷生坯进行烧成。由此，得到压电体。烧成例如通过将陶瓷生坯放入由氧化镁构成的密闭匣钵中来进行。烧成温度例如为1200℃。烧成时间例如为2小时左右。
[0056]
接着，将压电体研磨成规定的厚度。接着，将导电性糊剂赋予压电体的两主面。导
电性糊剂例如通过在ag等导电性材料的粉末中添加粘合剂、增塑剂及有机溶剂等而形成。导电性糊剂例如通过丝网印刷涂布于压电体。接着，对压电体的一个主面侧实施狭缝加工。由此，形成与基部以及多个驱动部对应的部分，并且将设置于压电体的一个主面的导电性糊剂分割为多个部分。之后，例如在600℃左右进行加热处理，烧结导电性糊剂。由此，得到形成有电极3和电极4的压电元件。
[0057]
接着，对压电元件实施极化处理。极化处理例如通过在120℃的温度下将电场强度2kv/mm的电压施加于压电元件的电极3及电极4上30分钟来进行。极化处理例如在硅油中进行。在该情况下，不发生电极3和电极4之间的放电，因此容易进行极化处理。硅油例如能够通过使用了清洗剂的超声波清洗等而从压电元件中去除。
[0058]
极化处理时，在与第一区域r1及驱动部12对应的部分，遍及其整体均匀地施加方向d1的电场。由此，与第一区域r1及驱动部12对应的部分在其整体上在方向d1上均匀地极化，成为极化程度相同的第一区域r1及驱动部12。与此相对，在与第二区域r2对应的部分，通过位置施加电场的方向或强度不同的电场。由此，与第二区域r2对应的部分不均匀地极化，极化程度根据位置而成为不同的第二区域r2。特别地，在作为狭缝的底面的主面11a侧几乎不施加电场，因此极化程度小，成为接近未极化的状态。
[0059]
图4的(a)、图4的(b)及图4的(c)是用于表示由压电体的极化程度引起的极化变形的不同的示意图。在图4的(a)、图4的(b)以及图4的(c)中，与图3同样地，极化程度越高的部分越由深色示出，极化程度越低的部分则以浅色示出。在图4的(a)、图4的(b)及图4的(c)中，极化程度依次变高。图4的(a)是未极化的情况。在压电体2中，通过上述极化处理，在极化方向(纵向)上延伸，并且产生在与极化方向正交的方向(横向)上收缩的变形(极化变形)。极化变形是指即使对压电体2施加的电场返回0也残留的变形(残留应变)。如图4的(a)、图4的(b)及图4的(c)所示，在压电体2中，极化程度越大，则产生越大的极化变形。
[0060]
第二区域r2的主面11a侧(狭缝5的底面侧)的端部的极化程度比第二区域r2的主面11b侧的端部的极化程度小。因此，第二区域r2的主面11a侧的端部的极化变形比第二区域r2的主面11b侧的端部的极化变形小。其结果是，特别是在第二区域r2中，基部11以主面11a侧为凸状且主面11b侧为凹状的方式弯曲。
[0061]
图5是将图1的压电元件的位移量与比较例所涉及的压电元件的位移量进行比较而示出的示意图。如图5所示，比较例所涉及的压电元件100在未施加电场的状态(施加0v的状态)下基部未弯曲这一点上与压电元件1不同。压电元件100例如通过在极化处理后实施狭缝加工而形成。在该情况下，在极化处理时，在成为第二区域的部分，也与成为第一区域以及驱动部的部分同样地，被均匀地施加电场。因此，在比较例的压电体中，遍及包含第二区域在内的整体，极化程度变得均匀。其结果，基部不弯曲。
[0062]
在图5中，对压电元件1及压电元件100，比较示出施加了与极化方向相反的方向的电场的状态(施加-10v的状态)、未施加电场的状态(施加0v的状态)、和施加了与极化方向相同方向的电场的状态(施加 10v的状态)。如图5所示，在压电元件1中，由于基部11(参照图1)预先弯曲，因此压电元件1的位移量d1比基部未预先弯曲的压电元件100的位移量d2大。其结果，能够实现超声波信号的强度提高。
[0063]
如以上说明的那样，在压电元件1中，在压电体2的基部11的第一区域r1配置有驱动部12。因此，在压电元件1的驱动时，通过电极3以及电极4而施加于驱动部12的电场也同
样被施加于第一区域r1。因此，驱动时的第一区域r1的位移量遍及第一区域r1的整体而均匀。与此相对，在第二区域r2的主面11a侧没有配置电极，因此难以施加电场。因此，驱动时的第二区域r2的位移量在主面11a侧和主面11b侧不同。其结果，第二区域r2弯曲振动，伴随于此，基部11弯曲振动。在压电元件1中，基部11预先弯曲。因此，如上所述，与未预先弯曲的基部弯曲振动的压电元件100相比，压电元件1的位移量变大。因此，在压电元件1中，能够实现超声波信号的强度提高。
[0064]
第二区域r2的主面11a侧的端部的极化程度与第二区域r2的主面11b侧的端部的极化程度不同。在压电体2中，极化程度越大，驱动时的位移量越大，因此驱动时的第二区域r2的位移量在主面11a侧和主面11b侧更加大幅不同。其结果，第二区域r2进一步大幅弯曲振动，因此在压电元件1中，能够实现超声波信号的进一步的强度提高。
[0065]
在压电体2的极化处理中产生的极化变形的大小随着极化程度的增大而增大。因此，在第二区域r2的主面11a侧的端部和第二区域r2的主面11b侧的端部，极化程度不同，由此在极化处理中产生的极化变形的大小不同。因此，通过极化处理使第二区域r2弯曲，其结果，能够容易地成为使基部11成为弯曲的状态。
[0066]
间隔l1与间隔l2不同。因此，能够相对于弯曲的基部11垂直地配置驱动部12。此外，能够变更伸长变形以及弯曲变形的共振频率的平衡。因此，能够进行与所使用的频率或形态相应的最优化。
[0067]
基部11以主面11a成为凸状的方式弯曲。因此，容易将多个驱动部12呈放射状配置。因此，能够抑制驱动部12彼此相互接触而损伤。
[0068]
第二区域r2的主面11a侧的端部的极化程度比第二区域r2的主面11b侧的端部的极化程度小。因此，在压电体2的极化处理中产生的极化变形的大小在第二区域r2的主面11a侧的端部比第二区域r2的主面11b侧的端部小。因此，能够容易地以主面11a成为凸状的方式使基部11弯曲。
[0069]
间隔l1比间隔l2小。因此，能够抑制驱动部12彼此接触而损伤。
[0070]
电极4设置在主面11b上，电极3具有设置在多个驱动部12的主面12b上的多个电极部分31。因此，能够容易地使驱动时的第二区域r2的位移量在主面11a侧和主面11b侧不同。
[0071]
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不一定限定于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变更。
[0072]
例如，基部11也可以以主面11a成为凹状、主面11b成为凸状的方式弯曲。基部11通过第二区域r2的极化变形在主面11a侧和主面11b侧不同而弯曲，但也可以通过除此以外的方法弯曲。因此，第二区域r2的极化程度也可以遍及第二区域r2的整体而均匀。
[0073]
多个驱动部12的数量以及多个第一区域r1分别为2个以上即可，第二区域r2的数量以及设置于压电体2的狭缝5的数量也可以为1个。多个驱动部12例如也可以呈互不相同的形状。多个第一区域r1例如也可以呈互不相同的形状。在压电元件1的制造方法中，狭缝加工只要在极化处理前进行即可，也可以在烧结导电性糊剂而形成电极3、4之后进行。