压电元件及压电元件的制造方法与流程

本发明涉及一种压电元件及压电元件的制造方法。

背景技术：

专利文献1的压电元件具备压电体和嵌入压电体的多个电极。

专利文献1：日本专利特开2005-191450号公报

在上述压电元件中，当在多个电极上施加电压并进行极化处理时，压电体中只有电极所夹着的区域被极化，由此，压电元件有可能发生弯曲。因此，将压电元件设置于装置等时，有可能发生不良情况。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种弯曲得到抑制的压电元件及其制造方法。

(1)本发明的一方案的压电元件包括：压电体；第一电极层，设置于所述压电体；第二电极层，在第一方向上与所述第一电极层之间夹着所述压电体的第一区域而嵌入所述压电体；以及具有导电性的导电层，在所述第一方向上设置于所述压电体的第一外表面，至少一部分与所述第一电极层或所述第二电极层之间夹着所述压电体的第二区域而设置于所述压电体，通过所述压电体与所述第一电极层及所述第二电极层连接；所述压电体中的所述第一区域及所述第二区域被极化。

(2)本发明的一方案的压电元件包括：压电体；第一电极层，设置于所述压电体；第二电极层，在第一方向上与所述第一电极层之间夹着所述压电体的第一区域而嵌入所述压电体；以及具有导电性的导电层，在所述第一方向上设置于所述压电体的第一外表面，至少一部分与所述第一电极层或所述第二电极层之间夹着所述压电体的第二区域而设置于所述压电体，通过所述压电体与所述第一电极层及所述第二电极层连接；所述导电层的厚度在1μm～100μm的范围内选择。

(3)根据所述压电元件的一例，包括多个所述第一电极层和多个所述第二电极层，所述多个第一电极层嵌入所述压电体，所述第一电极层和所述第二电极层在所述第一方向上隔开间隔而交替地配置。

(4)根据所述压电元件的一例，还包括：第一连接部，在第一方向上延伸，将所述多个第一电极层电连接；以及第二连接部，在第一方向上延伸，将所述多个第二电极层电连接。

(5)根据所述压电元件的一例，还包括：第一外部电极层，在第一方向上设置于所述压电体的第二外表面，连接于所述第一连接部；以及第二外部电极层，在第一方向上设置于所述压电体的第二外表面，连接于所述第二连接部。

(6)根据所述压电元件的一例，所述多个第二电极层中的一个配置于比所述多个第一电极层更靠近所述压电体的所述第二外表面的位置，所述第一外部电极层的至少一部分在所述第一方向上与所述第二电极层之间夹着所述压电体的第三区域。

(7)根据所述压电元件的一例，所述第一外部电极层比所述第二外部电极层的面积大。

(8)根据所述压电元件的一例，所述第一外部电极层及所述第二外部电极层由相同的材料形成。

(9)根据所述压电元件的一例，所述导电层由与所述第一外部电极层及所述第二外部电极层相同的材料形成。

(10)根据所述压电元件的一例，所述导电层、所述第一外部电极层及所述第二外部电极层包括银。

(11)根据所述压电元件的一例，所述导电层的厚度与所述第一外部电极层及所述第二外部电极层的厚度实质上相同。

(12)根据所述压电元件的一例，所述第一电极层、所述第二电极层、所述第一连接部及所述第二连接部由相同的材料形成。

(13)根据所述压电元件的一例，所述第一电极层、所述第二电极层、所述第一连接部及所述第二连接部包括银和钯。

(14)根据所述压电元件的一例，所述导电层覆盖所述第一外表面的一半以上。

(15)本发明的一方案的压电元件的制造方法，该压电元件包括：压电体；第一电极层，设置于所述压电体；以及第二电极层，在第一方向上与所述第一电极层之间夹着所述压电体的第一区域而嵌入所述压电体，其中，该压电元件的制造方法包括：形成具有导电性的导电层的工序，该导电层在所述第一方向上设置于所述压电体的第一外表面，至少一部分与所述第一电极层或所述第二电极层夹着所述压电体的第二区域而设置于所述压电体，通过所述压电体与所述第一电极层及所述第二电极层连接；对所述第一区域和所述第二区域施加直流电压的工序。

发明的效果

本发明的压电元件及压电元件的制造方法能够抑制压电元件的弯曲。

附图说明

图1是包括一实施方式的压电元件的应变式传感器的示意图；

图2是图1的压电元件的平面图；

图3是图1的压电元件的仰视图；

图4是沿图2的4-4线的剖面图；

图5是表示图1的压电元件的制造方法的流程图；

图6是表示压电元件的制造方法的形成连接部的工序的剖面图；

图7是表示压电元件的制造方法的形成第一电极层的工序的剖面图；

图8是表示压电元件的制造方法的形成第二电极层的工序的剖面图；

图9是表示压电元件的制造方法的叠层压电层的工序的剖面图；

图10是表示压电元件的制造方法的压电层的烧成工序的剖面图；

图11是表示压电元件的制造方法的第二工序的剖面图；以及

图12是变形例的压电元件的剖面图。

具体实施方式

参照图1～图4，对包括实施方式中的压电元件20的应变式传感器10进行说明。

如图1所示，应变式传感器10包括电路部12和压电元件20。应变式传感器10检测安装有压电元件20的检测体x的应变。检测体x是自行车的一部分或自行车零件的一部分，例如自行车的踏板轴、曲柄轴、曲柄臂、及车架等(均省略图示)。

电路部12与压电元件20连接。电路部12包括将来自压电元件20的电流放大的放大电路(省略图示)，以及将通过放大电路放大了的信号输出给外部的装置的通信部(省略图示)等。电路部12还可以包括基于压电元件20输入的电流计算在压电元件20发生的应变的计算部(省略图示)。在电路部12包括计算部的情况下，通信部将由计算部计算出的结果输出给外部装置。通信部可以进行有线通信，也可以进行无线通信。

压电元件20包括压电体22、第一电极层24(参照图4)、第二电极层26(参照图4)和导电层28。在一例中，压电元件20还包括第一连接部30(参照图4)、第二连接部32(参照图4)、第一外部电极层34和第二外部电极层36。压电元件20优选为贴在检测体x的平的面上，但是在检测体x是具有圆柱状或圆筒状的轴等的曲面的形状的情况下，也可以贴在曲面上。压电元件20具有大致长方体的形状。压电元件20是所谓的叠层型压电元件。

如图2所示，在压电元件20的顶面20b侧露出有压电体22的第二外表面22b的一部分、第一外部电极层34和第二外部电极层36。如图3所示，在压电元件20的底面20a侧露出有压电体22的第一外表面22a的一部分和导电层28。在压电元件20的四个侧面20c侧露出有压电体22。

如图4所示，第一电极层24设有多个。第一电极层24设置于压电体22。第一电极层24嵌入压电体22。第一电极层24形成为片状。第一电极层24在与压电体22的第一方向a相交的方向上延伸，优选为在与第一方向a正交的第二方向b上延伸。第一方向a是第一电极层24和第二电极层26的叠层方向，与从压电元件20的顶面20b朝向底面20a的方向平行。第二方向b是沿着长方体形状的一边的方向。

第二电极层26设有多个。第二电极层26设置于压电体22。第二电极层26在第一方向a上与第一电极层24之间夹着压电体22的第一区域r1而嵌入压电体22。第二电极层26形成为片状。第二电极层26在与压电体22的第一方向a相交的方向上延伸，优选为在与第一方向a正交的第二方向b上延伸。第一电极层24和第二电极层26在第一方向a上隔开间隔而交替地配置。作为多个第二电极层26中的一个的第二电极层26x配置在与多个第一电极层24相比更靠近压电体的第二外表面22b的位置。第一电极层24和第二电极层26总计共设置3～20个为优选。这种情况下，第一电极层24和第二电极层26夹着的压电体22的区域r1存在2～19个。

第一电极层24的大小与第二电极层26的大小实质上相同。第一电极层24在与第一方向a正交的第二方向b上，与第二电极层26相比更向压电体22的第一侧面22c侧延伸。第二电极层26在第二方向b上，与第一电极层24相比更向压电体22的第二侧面22d侧延伸。

导电层28在第一方向a上设置于压电体22的第一外表面22a。导电层28覆盖第一外表面22a的一半以上。导电层28的至少一部分与第二电极层26之间夹着压电体22的第二区域r2而设置于压电体22。导电层28具有导电性。导电层28通过压电体22与第一电极层24和第二电极层26连接。导电层28与第一电极层24、第二电极层26、第一连接部30和第二连接部32不直接接触。导电层28的与压电体22相反侧的表面以接触检测体x(参照图1)的状态贴在检测体x上。导电层28的与压电体22相反侧的表面也可以通过粘合剂贴在检测体x上。将第一方向a的一侧a1侧的压电体22的表面作为第二外表面22b，将第一方向a的另一侧a2侧的压电体22的表面作为第一外表面22a。

第一连接部30在第一方向a上延伸而将多个第一电极层24电连接。第一连接部30设置于形成在压电体22的孔27a。第一连接部30与多个第一电极层24一同构成压电元件20的正电极和负电极的一者。第二连接部32在第一方向a上延伸而将多个第二电极层26电连接。第二连接部32设置于形成在压电体22的孔27b。第二连接部32与多个第二电极层26一同构成正电极和负电极的另一者。

第一外部电极层34在第一方向a上设置于压电体22的第二外表面22b。第一外部电极层34连接于第一连接部30。第一外部电极层34的至少一部分在第一方向a上与第二电极层26之间夹着压电体22的第三区域r3。如图1所示，在第一外部电极层34连接有第一电线c1。

如图4所示，第二外部电极层36在第一方向a上设置于压电体22的第二表面22b。第一外部电极层34和第二外部电极层36以在压电体22的第二外表面22b上互相不接触的方式设置于第二外表面22b。如图2所示，第一外部电极层34和第二外部电极层36在第二方向b上排列，在第二方向b上隔开间隔而配置。在第二方向b上，第二外部电极层36设置于与第一外部电极层34相比更靠近压电体22的第二侧面22d。第二外部电极层36连接于第二连接部32。第一外部电极层34比第二外部电极层36的面积大。具体来说，第一外部电极层34与压电体22的第二外表面22b接触的面积比第二外部电极层36与压电体22的第二外表面22b接触的面积大。第一外部电极层34优选为具有第二外部电极层36的2倍以上的面积。如图1所示，在第二外部电极层36连接有第二电线c2。图4所示的压电体22中的第一区域r1和第二区域r2被极化。压电体22中，第三区域r3被极化。

对压电元件20的各部件的厚度进行说明。

第一电极层24的厚度d1在0.2μm～2μm的范围内选择。第二电极层26的厚度d2在0.2μm～2μm的范围内选择。第一电极层24的厚度d1与第二电极层26的厚度d2优选为实质上相同。第一电极层24的厚度d1和第二电极层26的厚度d2的平均厚度例如为1.5μm。

导电层28的厚度d3在1μm～100μm的范围内选择。在一例中，导电层28的厚度d3在5μm～20μm的范围内选择。第一外部电极层34的厚度d4在1μm～100μm的范围内选择。在一例中，第一外部电极层34的厚度d4在5μm～20μm的范围内选择。第二外部电极层36的厚度d5在1μm～100μm的范围内选择。在一例中，第二外部电极层36的厚度d5在5μm～20μm的范围内选择。导电层28的厚度d3优选为与第一外部电极层34的厚度d4和第二外部电极层36的厚度d5实质上相同。

第一区域r1的厚度d6在10μm～50μm的范围内选择。在一例中，第一区域r1的厚度d6为30μm。第二区域r2的厚度d7例如在10μm～50μm的范围内选择。在一例中，第二区域r2的厚度d7为30μm。第三区域r3的厚度d8例如在10μm～50μm的范围内选择。在一例中，第三区域r3的厚度d8为30μm。第一区域r1的厚度d6、第二区域r2的厚度d7、和第三区域r3的厚度d8优选为实质上相同。

对压电元件20的各部件的材料进行说明。

压电体22包含具有压电特性的材料。在一例中，压电体22包含锆钛酸铅。在其他例中，压电体22包含钛酸钡或钛酸铅。压电体22是在具有压电特性的材料中加入添加剂而烧成。

第一电极层24、第二电极层26、第一连接部30和第二连接部32由相同材料形成。第一电极层24、第二电极层26、第一连接部30和第二连接部32由导电性高的金属材料形成。第一电极层24、第二电极层26、第一连接部30和第二连接部32包含银或钯。在一例中，银和钯的金属合成比的一例是银：钯为90：10，或80：20。

第一外部电极层34和第二外部电极层36由相同材料形成。导电层28由与第一外部电极层34和第二外部电极层36相同的材料形成。第一外部电极层34、第二外部电极层36和导电层28由导电性高的金属材料形成。导电层28、第一外部电极层34和第二外部电极层36包含银。

参照图5～图10，对压电元件20的制作方法进行说明。

压电元件20的制造方法包括形成导电层28的工序，和向第一区域r1和第二区域r2施加直流电压(以下称为“极化”)的工序。在一例中，压电元件20的制造方法还包括形成压电层22x的第一工序、形成连接部30、32的第二工序、形成第一电极层24和第二电极层26的第三工序、叠层压电层22x的第四工序、烧成压电层22x的第五工序、以及形成外部电极层34、36的第六工序。形成导电层28的工序(以下称为“第七工序”)和极化工序(以下称为“第八工序”)在第六工序之后进行。

第一工序包括将压电体22的材料混合然后搅拌至浆状的工序、将浆状的材料成型为片体的工序、使成型的片体干燥的工序、以及将干燥的片体切断成规定大小而成型为压电层22x的工序。压电体22的材料包括锆钛酸铅的粉体、有机溶剂和树脂粘合剂。在形成压电层22x的工序中，使用例如唇形涂布机。压电层22x的厚度d9(参照图6)由于通过烧成压电层22x的工序会变小，因此优选使其为烧成后的期望的厚度的约120％。在烧成后的第一～第三区域的厚度d4～d6(参照图4)为30μm的情况下，压电层22x的厚度d9设定为36μm。

图6所示的形成连接部30、32的第二工序包括在压电层22x形成贯通孔22y的工序和将贯通孔22y用连接部30、32的材料填入的工序。将形成有贯通孔22y的压电层22x作为压电层22x1，将没有形成贯通孔22y的压电层22x作为压电层22x2(参照图9)。在图6中仅示出了相对于一个压电元件20的部分的压电层22x，实际上，图6示出的单位的压电层22x有多个而连接成矩阵状。

图7和图8所示的形成电极层24、26的第三工序包括在压电层22x1的厚度方向的一侧的表面上仅印刷第一电极层24和第二电极层26的一者的工序。图7所示的第一电极层24以与第一连接部30接触且与第二连接部32不接触的方式印刷在压电层22x1的表面。图8所示的第二电极层26以与第二连接部32接触且与第一连接部30不接触的方式印刷在压电层22x1的表面。作为印刷方法，使用例如丝网印刷。将印刷有第一电极层24的压电层22x1作为带有第一电极层的压电层23x。将印刷有第二电极层26的压电层22x1作为带有第二电极层的压电层23y。

图9所示的叠层压电层22x的第四工序包括叠层多个压电层22x的工序、将叠层的压电层22x压接的工序、以及将压接的压电层22x切断成规定尺寸的工序。在叠层多个压电层22x的工序中，带有第一电极层的压电层23x和带有第二电极层的压电层23y交替地堆叠。在图9中，以各第一电极层24和第二电极层26朝向第一方向a的另一侧a2的方式，带有第一电极层的压电层23x与带有第二电极层的压电层23y叠层在一起。此外，以从第一方向a看，各第一连接部30和各第二连接部32分别重叠的方式，带有第一电极层的压电层23x和带有第二电极层的压电层23y堆叠在一起。配置于第一方向a的另一侧a2端的压电层23y在第一方向a的另一侧a2上叠层有压电层22x2。通过第四工序，形成由带有第一电极层的压电层23x、带有第二电极层的压电层23y和压电层22x堆叠在一起的叠层体25。在第四工序中叠层的电压层22x的个数至少为多个，例如选为4～12，图9所示的例中选为6个。

在烧成压电层22x的第五工序中，烧成由第四工序形成的叠层体25。烧成温度设定为比电极层24、26和连接部30、32的熔点高。在电极层24、26和连接部30、32包含银和钯的情况下，烧成温度在一例中设定为950℃～1030℃。各压电层22x通过烧成变为如图10所示一体化而形成压电体22，且第一电极层24、第二电极层26、第一连接部30和第二连接部32嵌入压电体22的内部的状态。在图10中，第二方向b的一侧的多个贯通孔22y形成一个孔27a，设置于孔27a的各压电层22x的第一连接部30连在一起。在图10中，第二方向b的另一侧的多个贯通孔22y形成一个孔27b，设置于孔27b的各压电层22x的第二连接部32连在一起。在压电体22的第一外表面22a上均不露出第一电极层24、第二电极层26、第一连接部30和第二连接部32。

图11所示的形成外部电极层34、36的第六工序包括在压电体22的第二外表面22b印刷并烧附第一外部电极层34和第二外部电极层36的工序。第一外部电极层34以与第一连接部30接触且与第二连接部32不接触的方式形成于第二外表面22b。第二外部电极层36以与第二连接部32接触且与第一连接部30不接触的方式形成于第二外表面22b。在第二外表面22b烧附外部电极层34、36的温度是外部电极层34、36的材料的熔点以上的温度。在外部电极层34、36包括银的情况下，烧附温度在一例中设定为550℃。

形成导电层28的第七工序包括在压电体22的第一表面22a印刷并烧附导电层28的工序。在第一外表面22a烧附导电层28的温度是外部电极层34、36的材料的熔点以上的温度。在导电层28包含银的情况下，烧附温度在一例中设定为550℃。导电层28通过压电体22连接于第一电极层24和第二电极层26。另外，可以对调形成外部电极层34、36的工序和形成导电层28的工序的顺序。此外，关于各材料的熔点和在各工序使用的温度优选为满足以下关系：“烧成温度＞导电层28和外部电极层34、36的材料的熔点＞电极层24、26和连接部30、32的材料的熔点＞导电层28和外部电极层34、36的烧附温度”或“导电层28和外部电极层34、36的材料的熔点＞烧成温度＞电极层24、26和连接部30、32的材料的熔点＞导电层28和外部电极层34、36的烧附温度”。

进行极化的第八工序包括将压电体22配置于导电板p上以使具有导电性的导电板p与导电层28接触的工序、将第一电线c1连接于第一外部电极层34和导电板p并将第二电线c2连接于第二外部电极层36的工序、以及将直流电压施加于第一电线c1和第二电线c2的工序。第一电线c1和第二电线c2的一者与电源bt的负极连接，第一电线c1和第二电线c2的另一者与电源bt的正极连接。

通过施加直流电压，第一电极层24与第二电极层26之间夹着的第一区域r1、第二电极层26与导电层28之间夹着的第二区域r2、以及第一外部电极层34与第二电极层26之间夹着的第三区域r3被极化。

在没有设置导电层28的压电元件上，由于在压电元件22中的比第一方向a的最另一侧a2侧的电极层26更靠另一侧a2侧的区域没有施加直流电压，因此未被极化。通过直流电压的施加，在压电体22中被极化的第一区域r1产生残留位移。因此，未被极化区域与具有残留位移的第一区域r1之间产生的内部应力有可能成为弯曲和挠曲的原因。在压电元件20中，第二电极层26与第一外表面22a之间形成的第二区域r2也与第一区域r1同样地被施加了均匀的电压而被极化。因此，通过直流电压的施加的压电体22的第二方向b的位移变得均匀，能够抑制弯曲和挠曲的发生。

在压电元件20中，由于第一连接部30和第二连接部32未从压电元件20的侧面20c露出，因此第一连接部30和第二连接部32与检测体x等之间难以产生电连接。因此，难以对应变式传感器10的输出发生误检测。

第一外部电极层34的至少一部分在第一方向a上与第二电极层26之间夹着压电体22的第三区域r3。因此，由于第三区域r3也被极化，压电体22的弯曲和挠曲更难以发生。

导电层28由与第一外部电极层34和第二外部电极层36相同的材料形成。因此，在极化压电体22的工序中，能够对第二区域r2适当施加直流电压。

(变形例)

关于上述各实施方式的说明是根据本发明的压电元件及压电元件的制造方法所可以采取的方式的示例，并不意味着限制其方式。根据本发明的压电元件及压电元件的制造方法可以采取例如以下所示的上述各实施方式的变形例、以及相互不矛盾的至少两个变形例组合所得的方式。

可以将第一连接部30和第二连接部32变更为图12所示的第一连接部38和第二连接部40。图12的第一连接部38和第二连接部40分别设置于压电体22的第一侧面22c和第二侧面22d。第一电极层24在第一侧面22c露出。第一连接部38与在第一侧面22c露出的第一电极层24和第一外部电极层34接触。第二电极层26在第二侧面22d露出。第二连接部40与在第二侧面22d露出的第二电极层26和第二外部电极层36接触。在这种情况下，第一连接部38和第二连接部40的材料优选为与第一外部电极层34和第二外部电极层36的材料相同。

也可以将第一电极层24配置于第二外表面22b上。在这种情况下，第一电极层24作为第一外部电极层起作用。

也可以对调第一电极层24和第二电极层26。在这种情况下，导电层28与最靠近第一外表面22a的第一电极层24之间夹着压电体22的第二区域r2而设置于压电体22。

符号说明

a：第一方向；20：压电元件；22：压电体；22a：第一外表面；22b：第二外表面；r1：第一区域；r2：第二区域；r3：第三区域；24：第一电极层；26：第二电极层；28：导电层；30：第一连接部；32：第二连接部；34：第一外部电极层；36：第二外部电极层。