JP2001217473A

JP2001217473A - 可撓性圧電素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2001217473A
Application number: JP2000021621A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nagai; 彪長井; Yu Fukuda; 祐福田; Masahiko Ito; 雅彦伊藤; Yuko Fujii; 優子藤井; Tadashi Nakatani; 直史中谷; Hiroyuki Ogino; 弘之荻野; Koji Yoshino; 浩二吉野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のこの種圧電素子は、複雑な製造工程を
必要とし、また、大きな面積の圧電素子の製造が困難で
あるという課題があった。【解決手段】複数の平板状圧電セラミック１を高分子
母材２ａ、２ｂ中に配列した複合圧電体シート４と、前
記複合圧電体シート４の両面に配置された電極３ａ、３
ｂを有し、前記平板状圧電セラミック１と前記両電極の
一方の電極間に高分子母材が配置されたものでありプレ
ス法などの簡単な製造方法により圧電素子を製造でき、
また、同素子の大面積化も容易であるという効果があ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は可撓性圧電素子とそ
の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の圧電素子は以下のような
ものであった。特開平７−３２７２９７号公報（以下、
従来例１とする）では、図４に示す可撓性圧電素子を用
いた圧電スピーカが提案されている。複数の平板状圧電
セラミック１が高分子母材２の中に配列された複合圧電
体シートの両面に電極３ａと３ｂを配置して圧電素子が
形成される。この複合圧電体シートは平板状圧電セラミ
ックの有する圧電体特性と高分子母材の有する弾性特性
を併せ持つので、スピーカ用振動子として好適であると
開示されている。

【０００３】また、特開平８−２２３６９４号公報（以
下、従来例２とする）でも、図４と類似の圧電素子が開
示されている。この圧電素子は高分子母材として硬質性
高分子と軟質性高分子の積層体を用いて、剛性を高める
と共に圧電特性も高めている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例１の圧電素子では、複雑な製造工程を必要とすると
いう課題を有していた。すなわち、分極処理された圧電
セラミック板を準備し、その一方の表面に格子状に所定
の幅の溝を形成した後、その溝部に未硬化の高分子母材
充填、これを固化する。この後、圧電セラミック板の他
の表面を格子面が現れるまで研磨する。その後、真空蒸
着法などによりアルミニウム膜などの電極膜を両面に形
成して圧電素子が完成する。このように、溝加工、高分
子母材の充填・硬化、研磨加工、更には真空蒸着などの
多くの工程と複雑な手順を必要としていた。

【０００５】また、圧電セラミック板の面積を大きくす
る（例えば、Ｂ４サイズ）ことは困難であるので、従来
の圧電素子は大きな面積を必要とする応用（例えば、足
踏みマットなどへの適用）に不向きであるという課題も
あった。

【０００６】また、上記従来例２には製造工程が記載さ
れていないが、この圧電素子は高分子母材として硬質性
高分子と軟質性高分子の積層体を用いているので、従来
例１と同様に複雑な製造工程を必要とすると考えられ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、複数の平板状圧電セラミックを高分子母
材中に配列した複合圧電体シートと、前記複合圧電体シ
ートの両面に配置された電極とを有し、前記平板状圧電
セラミックと前記両電極の一方の電極間に高分子母材が
配置された可撓性圧電素子である。上記発明によれば、
平板状圧電セラミックと両電極の一方の電極間に高分子
母材が配置された構成であるので、プレス法などの簡単
な製造方法により圧電素子を製造できる。また、同素子
の大面積化も容易である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１にかかる可撓性
圧電素子は、複数の平板状圧電セラミックを高分子母材
中に配列した複合圧電体シートと、前記複合圧電体シー
トの両面に配置された電極とから成り、前記平板状圧電
セラミックと前記両電極の一方の電極間に高分子母材が
配置された可撓性圧電素子である。

【０００９】平板状圧電セラミックと両電極の一方の電
極間に高分子母材が配置された構成であるので、プレス
法などの簡単な製造方法により圧電素子を製造できる。
また、同素子の大面積化も容易である。

【００１０】本発明の請求項２にかかる可撓性圧電素子
では、平板状圧電セラミックは分極済である。平板状圧
電セラミックは、可撓性圧電素子を形成する前にセラミ
ック単独の状態で既に分極されているので、充分な分極
ができる。

【００１１】本発明の請求項３にかかる可撓性圧電素子
では、平板状圧電セラミックが直径５mm以上の円板であ
る。この形状の平板状圧電セラミックは、圧電体ブザー
用として工業的に多量に利用されているので、安価であ
り、入手も容易である。

【００１２】本発明の請求項４にかかる可撓性圧電素子
では、平板状圧電セラミックがチタン酸鉛とジルコン酸
鉛の固溶体である。同組成の圧電セラミックは工業的に
多量に利用されているので、安価であり、入手も容易で
ある。

【００１３】本発明の請求項５にかかる可撓性圧電素子
では、平板状圧電セラミックがチタン酸鉛である。チタ
ン酸鉛の誘電率は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体
の誘電率よりも小さいので、チタン酸鉛セラミック片の
静電容量を小さくできる。従って、分極が容易になる。

【００１４】本発明の請求項６にかかる可撓性圧電素子
では、高分子母材が塩素化ポリエチレンである。塩素化
ポリエチレンは優れた耐熱性と優れた可撓性を有するの
で、これら特性を兼ね備えた複合圧電体シートが得られ
る。本発明の請求項７にかかる可撓性圧電素子では、電
極が電極用高分子と導電性粒子から成る複合導電体であ
る。

【００１５】導電性粒子の接触を通して複合導電体の導
電性が確保される。また、電極用高分子自身の可撓性を
通して複合導電体の可撓性が確保される。また、複合導
電体電極の電極用高分子と、複合圧電体シートの高分子
母材の軟化温度の適切な選択により、複合導電体電極と
複合圧電体シートを容易に熱プレスにより接着できる。

【００１６】本発明の請求項８にかかる可撓性圧電素子
では、導電性粒子がカーボンである。カーボン粒子は工
業的に多量に利用されているので、安価であり、入手も
容易である。

【００１７】本発明の請求項９にかかる可撓性圧電素子
では、高分子母材および電極用高分子が塩素化ポリエチ
レンである。

【００１８】複合圧電体シートおよび電極ともに塩素化
ポリエチレンを用いているので、優れた耐熱性と優れた
可撓性を有する圧電素子が得られる。また、電極を複合
圧電体に接着するとき、上記両者に含まれる塩素化ポリ
エチレン同志を熱プレス法などにより容易に結合でき
る。従って、複合導電体電極を複合圧電体シートに容易
に、強固に接着できる。

【００１９】本発明の請求項１０にかかる可撓性圧電素
子の製造方法は、高分子母材シートに平板状圧電セラミ
ックを配列した後、両者を熱プレスして一体化して複合
圧電体シートを形成し、前記複合圧電体シートの両面に
複合導電体を前記熱プレスにより接着して製造される。
圧電素子は、主として熱プレス法による簡単な工程で製
造できる。また、面積の大きな可撓性圧電素子も製造で
きる。

【００２０】本発明の請求項１１にかかる可撓性圧電素
子の製造方法は、高分子母材および電極用高分子に塩素
化ポリエチレンを用い、８０〜１８０℃で熱プレスして
製造される。塩素化ポリエチレンを用いているので、８
０〜１８０℃という比較的低温で圧電素子を製造でき
る。

【００２１】

【実施例】以下、本本発明の実施例について図面を用い
て説明する。

【００２２】（実施例１）図１は本発明の実施例１の可
撓性圧電素子の構成図である。この可撓性圧電素子は複
数の平板状圧電セラミック１を高分子母材中に配列した
複合圧電体シート４と、複合圧電体シート４の両面に配
置された電極３ａ、３ｂとから成り、平板状圧電セラミ
ック１と一方の電極３ａ間に高分子母材２ａが配置さ
れ、平板状圧電セラミック１間に高分子母材２ｂが配置
される。複合圧電体シート４は、後述するように、高分
子母材シートに複数の平板状圧電セラミック１を配列し
た後、両者を熱プレス法により一体化して形成される。
このように複合圧電体シート４は、溝加工、高分子母材
の充填・硬化、研磨加工などの複雑な製造工程を必要と
しない。また、後述するように、電極３ａ、３ｂとして
複合導電体を用いた場合、複合圧電体シート４と複合導
電体３ａ、３ｂも熱プレス法により接着できるので、本
発明の可撓性圧電素子は簡素な製造工程で製造できる。
また、熱プレス法は、数十cm角程度の面積を容易にプレ
スできるので、大面積可撓性圧電素子を用意に形成でき
る。

【００２３】本発明の可撓性圧電素子は、高分子母材シ
ートに複数の平板状圧電セラミック１を配列した後、両
者を熱プレスして一体化して複合圧電体シート４を形成
して製造される。熱プレスにより、当初、高分子母材シ
ートに配列された複数の平板状圧電セラミック１は高分
子母材シート中に埋め込まれ、他方、平板状圧電セラミ
ック１の配列されていなかった高分子母材シート部はそ
のまま残留するので、図１に示した構成の複合圧電体シ
ート４が得られる。

【００２４】本発明の可撓性圧電素子に圧電性能を付与
するために平板状圧電セラミック１は分極される。分極
は、図１に示した本発明の可撓性圧電素子を形成後にな
される場合および高分子母材シート中に埋め込まれる前
にセラミック単体の状態でなされる場合がある。前者の
場合、後述するように、分極のために特別な電極を必要
としない、複数の平板状圧電セラミック１を同時に分極
できるので分極工程が簡素であるという長所がある。し
かし、平板状圧電セラミック１と一方の電極３ａ間に配
置された高分子母材２ａの厚さのばらつきに起因して均
一な分極が得られ難い場合があるという欠点がある。従
って、感度に分布があっても低価格であることが求めら
れる場合、、平板状圧電セラミック１は可撓性圧電素子
を形成後に分極されることが好ましい。上述したよう
に、分極工程が簡素であるからである。

【００２５】他方、後者の場合、分極のために特別な電
極（図示していない）を平板状圧電セラミック１の両面
に形成する必要がある。複数の平板状圧電セラミック１
を個々に分極するので分極工程が複雑になるという短所
がある。しかし、均一で充分な分極が得られるという長
所がある。従って、高価格であっても広い面積にわた
り均一で高い圧電性能を必要とする場合、平板状圧電セ
ラミック１は、高分子母材シート中に埋め込まれる前に
セラミック単体の状態で分極されることが好ましい。上
述したように、平板状圧電セラミック１は均一で充分に
分極されるからである。

【００２６】平板状圧電セラミック１の形状は矩形状で
も、円板状でもあるいは多角形状でもよいが、直径５mm
以上の円板であることが好ましい。この形状の圧電セラ
ミック１はブザー用などの電子部品用セラミックとして
工業的に多量に実用されているので、安価であり、ま
た、入手も容易であるからである。また、平板状圧電セ
ラミック１単体の状態での分極工程も確立しているの
で、容易に分極できる。

【００２７】平板状圧電セラミック１の材質はチタン酸
鉛とジルコン酸鉛の固溶体であることが望ましい。この
組成の圧電セラミックは、上記形状と同様、電子部品用
セラミックとして工業的に多量に実用されているので、
安価であり、また、入手も容易であるからである。

【００２８】チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体以外に
もチタン酸鉛もまた平板状圧電セラミック１の材質とし
て、好ましい。チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体の比
誘電率はおおよそ８００〜３０００程度の大きな値であ
るが、チタン酸鉛のそれは２００〜３００程度の小さな
値である。この場合、平板状圧電セラミック１と一方の
電極３ａ間に配置された高分子母材２ａに起因する静電
容量は、圧電体セラミック片１に起因する静電容量と同
程度にできる。従って、次に示すように、平板状圧電セ
ラミック１の分極が容易にできる。

【００２９】複合圧電体シート４に電極３ａ、３ｂを形
成した後、平板状圧電セラミック１に圧電特性を付与す
るために、平板状圧電セラミック１を分極する場合、電
極３ａ、３ｂ間に直流高電圧が印加される。本発明の圧
電素子は、高分子母材２ａと平板状圧電セラミック１を
含むＡ部と、高分子母材２ｂを含むＢ部とから構成され
る。Ａ部の電気的等価回路は、高分子母材２ａに起因す
る静電容量Ｃ₁とに平板状圧電セラミック１起因する静
電容量Ｃ₂の直列接続で示される。Ｂ部の電気的等価回
路は、高分子母材２ｂに起因する静電容量Ｃ₃で示され
る。従って、直流高電圧Ｖ₀を印加したときの等価回は
図２で示される。Ａ部に印加された直流高電圧Ｖ₀は、
図２に示したように、静電容量Ｃ₁の両端電圧Ｖ₁［＝Ｖ
₀Ｃ₂/（Ｃ ₁＋Ｃ₂）］および静電容量Ｃ₂の両端電圧Ｖ₂
［＝Ｖ₀Ｃ₁/（Ｃ₁＋Ｃ₂）］に分配される。従って、比
Ｃ₁/Ｃ₂はできるだけ大きくなることが望ましい。な
お、静電容量Ｃ₁は高分子母材２ａの厚さに、静電容量
Ｃ₂は平板状圧電セラミック１の厚さに、それぞれ逆比
例するので、比Ｃ₁/Ｃ₂のばらつきを低減するには、こ
れらの厚さを制御することが重要である。

【００３０】高分子母材２ａ、２ｂとしてエポキシ樹
脂、ウレタン樹脂、クロロプレン樹脂、塩素化ポリエチ
レン樹脂などが用いられるが、これらの中でも塩素化ポ
リエチレンは、１２０℃の高耐熱性を有する点で優れて
いる。他の樹脂の耐熱性は６０〜８０℃程度である。ま
た、塩素化ポリエチレンは分子量や結晶化度などを適切
に選ぶことにより、加硫無しでも上記高耐熱性を実現で
きる点でも好ましい。例えば、クロロプレン・ゴムとチ
タン酸鉛粉末から成る複合圧電体は、通常、両者を混合
した後温度１７０℃、圧力約１５０kg/cm²の条件下で加
硫される。加硫は専用の装置と工程を必要とするので、
無加硫で複合圧電体を形成することが好ましい。

【００３１】（実施例２）電極３ａ、３ｂとして、アル
ミニウム、ニッケルなどの蒸着膜やスパッタ膜、銀の印
刷・焼成膜などが用いられている。しかし、これらの電
極３ａ、３ｂを複合圧電体シート４表面に形成すると
き、例えば、真空蒸着装置、スパッタ装置、印刷装置・
焼成炉などの専用の製造装置を必要とし、また、複雑な
手順も要求される。これらのことを考慮すると、電極３
ａ、３ｂとして、図３に示す複合導電体５ａ、５ｂを用
いることが望ましい。複合導電体５ａ、５ｂは、電極用
高分子５１、５１’と導電性粒子５２、５２’とからそ
れぞれ構成される。このとき導電性粒子５２、５２’は
電極用高分子５１、５１’の中で網目状に相互に接触し
て配列され、これらの接触を通して複合導電体５ａ、５
ｂの導電性が確保される。また、電極用高分子５１、５
１’により、それ自身の可撓性を通して複合導電体５
ａ、５ｂの可撓性が確保される。

【００３２】複合導電体電極５ａ、５ｂと複合圧電体シ
ート４を積層して熱プレスしたとき、複合導電体電極５
ａ、５ｂの電極用高分子５１、５１’と、複合圧電体シ
ート４の高分子母材２ａ、２ｂとは、両者の軟化温度の
適切な選択により、容易に接着できる。従って、電極形
成のための特別な製造装置を必要としない点で優れてい
る。電極用高分子として、高分子母材２ａ、２ｂと同
様、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、クロロプレン樹脂、
塩素化ポリエチレン樹脂などが用いられる。また、導電
性粒子として、カーボン粒子や銀粒子が用いられる。銀
粒子を用いた場合、複合導電体電極３ａ、３ｂの比抵抗
値は５ｘ１０ー³Ω・cm程度の小さな値を示すが、カーボ
ン粒子を用いた場合、同比抵抗値は約一桁以上の大きな
値を示す。

【００３３】この圧電素子を人体検知に用いた場合の周
波数範囲は約５Ｈｚ程度であるので、そのときの複合圧
電体シート４のインピーダンスは約１００ｋΩ以上であ
り、電極３ａ、３ｂの抵抗値は１ｋΩ以下程度で充分で
あるので、導電性粒子として低価格のカーボン粒子を用
いることが望ましい。

【００３４】高分子母材２ａ、２ｂとして、塩素化ポリ
エチレンを用いた複合圧電体シート４に複合導電体電極
３ａ、３ｂを形成する場合、複合導電体電極３ａ、３ｂ
の電極用高分子として塩素化ポリエチレンを用いること
が好ましい。複合圧電体シート４にも、複合導電体電極
３ａ、３ｂにも、塩素化ポリエチレンが用いられている
ので、両者は熱プレス法で容易に、強固に接着されるか
らである。塩素化ポリエチレンの温度を室温から上昇し
たとき、約８０℃以下までは殆ど熱膨張しないが、８０
〜１８０℃で大きく熱膨張し、約１８０℃以上で熱膨張
は飽和する。約１８０℃以上の温度では、塩素化ポリエ
チレンは溶融状態に近いと考えられる。この熱膨張特性
から塩素化ポリエチレンの熱的に活性な温度範囲８０〜
１８０℃で熱プレスすることが好ましい。なお、高分子
母材シート中に埋め込まれる前にセラミック単体の状態
で分極された平板状圧電セラミック１を用いた場合で
も、平板状圧電セラミック１のキュー温度は３００℃以
上であるので、上記温度範囲は何らに分極影響しない。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
かかる可撓性圧電素子は、平板状圧電セラミックと両電
極の一方の電極間に高分子母材が配置された構成である
ので、プレス法などの簡単な製造方法により圧電素子を
製造できる。また、同素子の大面積化も容易である。

【００３６】また、本発明の請求項２にかかる可撓性圧
電素子では、平板状圧電セラミックは分極済であるの
で、充分な分極ができる。従って、広い面積にわたり高
感度な可撓性圧電素子が得られる。

【００３７】また、本発明の請求項３にかかる可撓性圧
電素子では、平板状圧電セラミックが直径５mm以上の円
板である。この形状の平板状圧電セラミックは、圧電体
ブザー用として工業的に多量に利用されているので、安
価であり、入手も容易である。

【００３８】また、本発明の請求項４にかかる可撓性圧
電素子では、平板状圧電セラミックとしてチタン酸鉛と
ジルコン酸鉛の固溶体を用いているので、安価であり、
入手も容易である。

【００３９】また、本発明の請求項５にかかる可撓性圧
電素子では、平板状圧電セラミックとしてチタン酸鉛を
用いているので、分極が容易になる。

【００４０】また、本発明の請求項６にかかる可撓性圧
電素子では、高分子母材として塩素化ポリエチレンを用
いているので、優れた耐熱性と優れた可撓性を有する複
合圧電体シートが得られる。

【００４１】また、本発明の請求項７にかかる可撓性圧
電素子では、電極として可撓性と導電性を備えた複合導
電体を用いているので、軟化温度の適切な選択により、
容易に熱プレスにより接着できる。従って、電極形成の
ための特別な製造装置を必要としない。

【００４２】本発明の請求項８にかかる可撓性圧電素子
では、導電性粒子としてカーボンを用いているので、安
価であり、入手も容易である。

【００４３】本発明の請求項９にかかる可撓性圧電素子
では、高分子母材および電極用高分子として塩素化ポリ
エチレンを用いているので、上記両者に含まれる塩素化
ポリエチレン同志を熱プレス法により容易に結合でき
る。従って、電極を複合圧電体に容易に、強固に接着で
きる。

【００４４】本発明の請求項１０にかかる可撓性圧電素
子の製造方法は、複合圧電体シートの製造も、この複合
圧電体シートの両面への複合導電体の接着も、熱プレス
法による簡単な工程で製造できる。また、面積の大きな
可撓性圧電素子も製造できる。

【００４５】本発明の請求項１１にかかる可撓性圧電素
子の製造方法は、高分子母材および電極用高分子に塩素
化ポリエチレンを用いているので、８０〜１８０℃とい
う比較的低温で圧電素子を製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における可撓性圧電素子の断
面図

【図２】本発明の可撓性圧電素子の電気的等価回路図

【図３】本発明の実施例２における可撓性圧電素子の断
面図

【図４】従来の圧電素子（従来例１）の断面図

【符号の説明】

１平板状圧電セラミック２ａ、２ｂ高分子母材３ａ一方の電極３ｂ他の電極５ａ一方の複合導電体電極５ｂ他の複合導電体電極５１、５１’ 電極用高分子５２、５２’ 導電性粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤雅彦大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者藤井優子大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者中谷直史大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者荻野弘之大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者吉野浩二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5D004 AA08 BB01 BB03 BB04 CC01 GG00 5D019 AA24 AA26 BB02 BB04 BB05 BB09 BB12 HH01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の平板状圧電セラミックを高分子母材
中に配列した複合圧電体シートと、前記複合圧電体シー
トの両面に配置された電極とを有し、前記平板状圧電セ
ラミックと前記両電極の一方の電極間に高分子母材が配
置された可撓性圧電素子。
【請求項２】平板状圧電セラミックが分極済である請求
項１記載の可撓性圧電素子。
【請求項３】平板状圧電セラミックが直径５mm以上の円
板である請求項１記載の可撓性圧電素子。
【請求項４】平板状圧電セラミックがチタン酸鉛とジル
コン酸鉛の固溶体である請求項１記載の可撓性圧電素
子。
【請求項５】平板状圧電セラミックがチタン酸鉛である
請求項１記載の可撓性圧電素子。
【請求項６】高分子母材が塩素化ポリエチレンである請
求項１記載の可撓性圧電素子。
【請求項７】電極が電極用高分子と導電性粒子から成る
複合導電体である請求項１から６のいずれか１項記載の
可撓性圧電素子。
【請求項８】導電性粒子がカーボンである請求項７記載
の可撓性圧電素子。
【請求項９】電極用高分子が塩素化ポリエチレンである
請求項７記載の可撓性圧電素子。
【請求項１０】高分子母材シートに平板状圧電セラミッ
クを配列した後、両者を熱プレスして一体化して複合圧
電体シートを形成し、前記複合圧電体シートの両面に複
合導電体を前記熱プレスにより接着する請求１から９の
何れか１項に記載の可撓性圧電素子の製造方法。
【請求項１１】高分子母材および電極用高分子に塩素化
ポリエチレンを用い、８０〜１８０℃で熱プレスする請
求項１０記載の可撓性圧電素子の製造方法。