JP2004282089A - Functional element, device employing functional element, and method for manufacturing functional element - Google Patents

Functional element, device employing functional element, and method for manufacturing functional element Download PDF

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JP2004282089A JP2004102572A JP2004102572A JP2004282089A JP 2004282089 A JP2004282089 A JP 2004282089A JP 2004102572 A JP2004102572 A JP 2004102572A JP 2004102572 A JP2004102572 A JP 2004102572A JP 2004282089 A JP2004282089 A JP 2004282089A
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Kuniko Kimura
邦子 木村
Kei Kobayashi
圭 小林
Takafumi Yamada
啓文 山田
Yoshitoshi Horiuchi
俊寿 堀内
Kenji Ishida
謙司 石田
Kazumi Matsushige
和美 松重
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Kyoto University
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Kyoto University
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric or pyroelectric functional element satisfying requirements of high resolution, high density and high integration, and to provide an actuator and a sensor utilizing it, and an apparatus employing them. <P>SOLUTION: A piezoelectric or pyroelectric material is shaped into a wire having a diameter of 100 μm or less thus obtaining various functional elements satisfying requirements of high resolution, high density and high integration, a sensor and actuator utilizing it, and an apparatus employing them. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、圧電性または焦電性を有する材料を使用した機能素子およびその製造方法、ならびにその機能素子を利用した各種のセンサやアクチュエータなどの装置に関する。   The present invention relates to a functional element using a material having piezoelectricity or pyroelectricity, a method for manufacturing the same, and devices such as various sensors and actuators using the functional element.

有機材料または無機材料からなる圧電体や焦電体は従来から種々の機能素子に用いられてきた。圧電体は、その厚み方向の圧電性(d33)を利用して超音波を発振させるトラ
ンスデューサ(特許文献1など)や、医療用分野の超音波診断装置、工業用途の探査装置などに広く適用されている。また、圧電体の伸びの圧電性(d31など)を利用してマイ
クロフォンやスピーカなども開発されている。また、細管(チューブ)の外側に圧電体を密着させて振動させることにより、チューブ内を流れる液体の流れを制御することも行われており、インクジェットプリンターのヘッド(特許文献2など)に応用されている。さらに、圧電体の応用分野は、光ディスクのヘッドや走査型プローブ顕微鏡のスキャナーチューブなどの微動装置にも適用されている。
一方、焦電体は主に温度センサ(特許文献3など)として利用されている。
これらの従来技術においては、圧電体や焦電体はいずれもそのサイズがミリメートル(mm)サイズ以上の大きさを持つ素子として加工されている。その加工方法としては、平面形状の素子ではフィルム状に成型した後周囲を切削加工する方法、鋳型を用いて成型する方法、またチューブ状の素子では棒状に成型した後、周囲および内部を切削加工する方法などが行われている。
特開2001−258098号公報(第2頁特許請求の範囲、図1など) 特開平09−277524号公報(第2頁特許請求の範囲、図1など) 特開平07−35617号公報(第2頁特許請求の範囲、図1など)
2. Description of the Related Art Piezoelectric bodies and pyroelectric bodies made of an organic material or an inorganic material have been conventionally used for various functional elements. Piezoelectric materials are widely applied to transducers that oscillate ultrasonic waves using the piezoelectricity (d 33 ) in the thickness direction (Patent Document 1, etc.), ultrasonic diagnostic devices in the medical field, and exploration devices for industrial use. Have been. Also it has been developed, such as a microphone and a speaker using the piezoelectric elongation of the piezoelectric element (such as a d 31). In addition, the flow of a liquid flowing in a tube is controlled by vibrating a piezoelectric body in close contact with a thin tube (tube), which is applied to an ink jet printer head (Patent Document 2 etc.). ing. Further, the application field of the piezoelectric body is also applied to a fine movement device such as an optical disk head and a scanner tube of a scanning probe microscope.
On the other hand, pyroelectric bodies are mainly used as temperature sensors (Patent Document 3 and the like).
In these prior arts, each of the piezoelectric body and the pyroelectric body is processed as an element having a size of a millimeter (mm) size or more. As for the processing method, a planar element is formed into a film and then cut around the periphery, a mold is molded using a mold, and a tube-shaped element is cut into a rod and then cut around and inside. There is a way to do that.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-258098 (Claims on page 2, FIG. 1, etc.) Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-277524 (Claims on the second page, FIG. 1, etc.) Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-35617 (Claims on the second page, FIG. 1, etc.)

近年、コンピュータおよびその周辺機器を中心とするエレクトロニクス分野、光通信関連装置を中心とするオプトエレクトロニクス分野、プリンター、分析装置などをはじめ、精密機械装置に広く用いられているメカトロニクス分野、さらには、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野においては、高精細化、高密度化、高集積化が必須条件となってきており、その結果、これらの装置に用いられる機能素子に対しては微細化が強く要求されている。
しかし、上記の従来技術における圧電性素子や焦電性素子は、圧電体や焦電体のサイズがミリメートルサイズ以上の大きさを持つ素子であるので、これらの新分野に適用することが困難である。
In recent years, the electronics field, mainly computers and their peripheral devices, the optoelectronics field, mainly optical communication-related devices, printers, analyzers, and other mechatronics fields widely used in precision equipment, and the integration field In new fields such as ted chemistry and in-vivo measurement, high definition, high density, and high integration are becoming indispensable conditions. As a result, the miniaturization of functional elements used in these devices Highly required.
However, the piezoelectric element and the pyroelectric element in the above-described conventional technology are elements in which the size of the piezoelectric body or the pyroelectric body is equal to or larger than the millimeter size, so that it is difficult to apply them to these new fields. is there.

本発明は上記のような課題に鑑みなされたもので、圧電性または焦電性を有する材料をミリメートルサイズ以下に微小化し、エレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野における高精細化、高密度化、高集積化の要求に対応することが可能な機能素子を提供することを目的とする。
また、この微小化された機能素子の製造方法を提供することを目的とする。
さらに、微小化された機能素子を利用した機能性素子、アクチュエータ、センサなどの種々の装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has reduced the size of a material having piezoelectricity or pyroelectricity to a millimeter size or less, and has been applied to electronics, optoelectronics, mechatronics, integrated chemistry and in-vivo measurement. It is an object of the present invention to provide a functional element capable of meeting demands for higher definition, higher density, and higher integration in a new field.
It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing the miniaturized functional element.
It is still another object of the present invention to provide various devices such as functional elements, actuators, and sensors that use miniaturized functional elements.

請求項1に記載の本発明の機能素子は、圧電性または焦電性を有する材料をワイヤ状に形成したことを特徴とする。
請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の機能素子において、前記材料が有機材料からなることを特徴とする。
請求項3に記載の本発明は、請求項1または請求項2に記載の機能素子において、ワイヤの直径が100μm以下であることを特徴とする。
請求項4に記載の本発明の機能素子は、圧電性または焦電性を有する材料で構成され、質量が10mg以下であることを特徴とする。
請求項5に記載の本発明のアクチュエータは、請求項1から請求項4のいずれかに記載の機能素子を用いたことを特徴とする。
請求項6に記載の本発明の圧電または焦電センサは、請求項1から請求項4のいずれかに記載の機能素子を用いたことを特徴とする。
請求項7に記載の本発明の装置は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の機能素子を液体の流速計測用センサおよびまたは超音波診断用センサおよびまたは温度計測用センサとして用いたことを特徴とする。
請求項8に記載の本発明の装置は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の機能素子を液体輸送管内に挿入し、前記液体輸送管内で動作させることで管内の清浄化を行うことを特徴とする。
請求項9に記載の本発明の装置は、請求項7または請求項8に記載の装置を人体内組織の治療または計測に用いたことを特徴とする。
請求項10に記載の本発明の機能性素子の製造方法は、ワイヤ状の空孔を有するテンプレート内に、圧電性または焦電性を有する材料を充填後、前記テンプレートを除去することでワイヤ状機能素子を製造することを特徴とする。
請求項11に記載の本発明の機能性素子の製造方法は、鋭利な先端形状を有する針を結晶表面または膜表面に接触させ、その針を1軸方向に移動させることにより結晶または膜を1軸方向に延伸することでワイヤ状機能素子を製造することを特徴とする。
The functional element according to the first aspect of the present invention is characterized in that a material having piezoelectricity or pyroelectricity is formed in a wire shape.
According to a second aspect of the present invention, in the functional element according to the first aspect, the material is made of an organic material.
According to a third aspect of the present invention, in the functional element according to the first or second aspect, the diameter of the wire is 100 μm or less.
The functional element according to the fourth aspect of the present invention is made of a material having piezoelectricity or pyroelectricity, and has a mass of 10 mg or less.
An actuator according to a fifth aspect of the present invention uses the functional element according to any one of the first to fourth aspects.
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric or pyroelectric sensor using the functional element according to any one of the first to fourth aspects.
According to a seventh aspect of the present invention, the functional element according to any one of the first to fourth aspects is used as a sensor for measuring the flow velocity of liquid and / or a sensor for ultrasonic diagnosis and / or a sensor for measuring temperature. It is characterized by the following.
According to an eighth aspect of the present invention, the functional element according to any one of the first to fourth aspects is inserted into a liquid transport pipe, and is operated in the liquid transport pipe to clean the inside of the pipe. It is characterized by the following.
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an apparatus according to the seventh or eighth aspect, which is used for treating or measuring tissue in a human body.
The method for manufacturing a functional element according to the present invention according to claim 10, wherein a template having wire-shaped holes is filled with a material having piezoelectricity or pyroelectricity, and then the template is removed. It is characterized by producing a functional element.
According to a method of manufacturing a functional element of the present invention, a needle having a sharp tip is brought into contact with a crystal surface or a film surface, and the needle is moved in one axis direction to form a crystal or a film. It is characterized in that a wire-shaped functional element is manufactured by stretching in the axial direction.

本発明によれば、圧電性または焦電性を有する材料をミリメートルサイズ以下に微小化することができるので、エレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野における機能性素子、アクチュエータ、センサなどの高精細化、高密度化、高集積化を図ることができる。
特に、アクチュエータにおいては素子のサイズを十分小さくすることによって素子の動きをより顕著にすることが可能になる。例えば、圧電性のチューブでは、その内径を小さくすることにより内径に対する圧電変位量の割合が大きくなる。その結果、チューブ内を流れる液体を輸送する効率、吐出する効率を向上することができる。
また、ワイヤ形状の素子においては、ワイヤ径を細くすることにより変位量を増大でき、アクチュエータとしての性能を大幅に向上することが可能となる。
さらに、素子の重量を十分小さくすることができるので、外部磁界や外部電界を用いて素子自体を外部から自由に制御することが可能になる。
According to the present invention, since a material having piezoelectricity or pyroelectricity can be miniaturized to a millimeter size or less, functions in new fields such as electronics, optoelectronics, mechatronics, integrated chemistry and in-vivo measurement are performed. It is possible to achieve higher definition, higher density, and higher integration of the conductive element, actuator, sensor, and the like.
In particular, in the actuator, the movement of the element can be made more remarkable by sufficiently reducing the size of the element. For example, in a piezoelectric tube, the ratio of the amount of piezoelectric displacement to the inner diameter is increased by reducing the inner diameter. As a result, the efficiency of transporting and discharging the liquid flowing in the tube can be improved.
In a wire-shaped element, the amount of displacement can be increased by reducing the diameter of the wire, and the performance as an actuator can be greatly improved.
Furthermore, since the weight of the element can be sufficiently reduced, the element itself can be freely controlled from outside using an external magnetic field or an external electric field.

本発明の第1の実施の形態による機能素子は、圧電性または焦電性を有する材料をワイヤ状に形成したことにより、ミリメートルサイズ以下のワイヤ状機能素子を得ることができる。したがって、高精細化、高密度化、高集積化が要求されるエレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野における各種の機能素子やアクチュエータを実現することができる。
本発明の第2の実施の形態は、第1の実施の形態による機能素子において、材料を有機材料とすることにより、よりしなやかで、しかも高性能な微小径のワイヤを容易に製造することができる。
本発明の第3の実施の形態は、第1または第2の実施の形態による機能素子において、ワイヤの直径を100μm以下とすることにより、伸縮運動や振動運動の駆動効率が高くなり、高精細化、高密度化、高集積化が要求されるエレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、体内計測などの新しい分野における各種の機能素子やアクチュエータを実現することができる。
本発明の第4の実施の形態による機能素子は、圧電性または焦電性を有する材料で構成され、質量が10mg以下とすることにより、その位置を外部から制御可能となる。したがって、流速測定装置、管内清浄化装置、人体内治療装置、人体内計測装置などの微小なアクチュエータを実現することができる。
本発明の第5の実施の形態のアクチュエータは、第1から第4の実施の形態のいずれかに記載の機能素子を用いたことにより、高精細化、高密度化、高集積化が要求されるエレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野における各種のアクチュエータを実現することができる。
本発明の第6の実施の形態の圧電または焦電センサは、第1から第4の実施の形態のいずれかに記載の機能素子を用いたことにより、高精細化、高密度化、高集積化が要求されるエレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野における各種のセンサを実現することができる。
本発明の第7の実施の形態の装置は、第1から第4の実施の形態のいずれかに記載の機能素子を液体の流速計測用センサおよびまたは超音波診断用センサおよびまたは温度計測用センサとして用いたことにより、細い管内の液体の流速や温度変化、さらには流体中に混入した固形物の状況や管の内壁の付着物の状況を測定することができる。したがって、人体内の血管中の血液の流速や血管の内部状況を知ることができる。
本発明の第8の実施の形態の液体輸送管内の清浄化装置は、第1から第4の実施の形態のいずれかに記載の機能素子を液体輸送管内に挿入し、前記液体輸送管内で動作させることで管内の清浄化を行うことにより、人体内の血管などの細い管の内壁に付着した固形物を剥離し清掃することができる。
本発明の第9の実施の形態の装置は、第7または第8の実施の形態に記載の装置を人体内組織の治療または計測に用いたことにより、人体内の血管中の血液の流速や血管の内部状況を知ることができる。また、人体内の血管などの細い管の内壁に付着した固形物を剥離し清掃することができる。
本発明の第10の実施の形態の機能性素子の製造方法は、ワイヤ状の空孔を有するテンプレート内に、圧電性または焦電性を有する材料を充填後、テンプレートを除去することでワイヤ状機能素子を製造することにより、圧電性または焦電性のワイヤ状機能素子を容易に製造することができる。特に、空孔の直径を100μm以下とすることにより、細い管内のアクチュエータとして好適なワイヤ状機能素子を容易に製造することができる。
本発明の第11の実施の形態の機能性素子の製造方法は、鋭利な先端形状を有する針を結晶表面または膜表面に接触させ、その針を1軸方向に移動させることにより結晶または膜を1軸方向に延伸することでワイヤ状機能素子を製造することにより、圧電性または焦電性のワイヤ状機能素子を容易に製造することができる。
In the functional element according to the first embodiment of the present invention, a wire-shaped functional element having a millimeter size or less can be obtained by forming a material having piezoelectricity or pyroelectricity into a wire shape. Therefore, it is possible to realize various functional elements and actuators in new fields such as electronics, optoelectronics, mechatronics, integrated chemistry and in-vivo measurement where high definition, high density, and high integration are required. .
According to the second embodiment of the present invention, in the functional element according to the first embodiment, by using an organic material as the material, a more flexible and high-performance fine-diameter wire can be easily manufactured. it can.
According to the third embodiment of the present invention, in the functional element according to the first or second embodiment, by setting the diameter of the wire to 100 μm or less, the driving efficiency of the expansion and contraction motion and the vibration motion is increased, and the high definition is achieved. Various functional elements and actuators can be realized in new fields such as electronics, optoelectronics, mechatronics, and in-vivo measurement where high integration, high density, and high integration are required.
The functional element according to the fourth embodiment of the present invention is made of a material having piezoelectricity or pyroelectricity, and its position can be controlled from outside by setting the mass to 10 mg or less. Therefore, it is possible to realize a micro actuator such as a flow velocity measuring device, a tube cleaning device, a human body treatment device, and a human body measurement device.
The actuator according to the fifth embodiment of the present invention requires high definition, high density, and high integration by using the functional element according to any of the first to fourth embodiments. Actuators in new fields such as electronics, optoelectronics, mechatronics, integrated chemistry and in-vivo measurement.
The piezoelectric or pyroelectric sensor according to the sixth embodiment of the present invention uses the functional element according to any one of the first to fourth embodiments to achieve higher definition, higher density, and higher integration. Various sensors can be realized in new fields such as electronics, optoelectronics, mechatronics, integrated chemistry, and in-vivo measurement, which require integration.
A device according to a seventh embodiment of the present invention is a device according to any one of the first to fourth embodiments, wherein the functional element according to any one of the first to fourth embodiments is a sensor for measuring the flow velocity of a liquid and / or a sensor for ultrasonic diagnosis and / or a sensor for measuring temperature. As a result, it is possible to measure the flow velocity and temperature change of the liquid in the thin tube, and also the state of solid matter mixed in the fluid and the state of deposits on the inner wall of the tube. Therefore, it is possible to know the flow rate of the blood in the blood vessel in the human body and the internal state of the blood vessel.
According to an eighth embodiment of the present invention, there is provided a device for cleaning a liquid transport pipe, wherein the functional element according to any one of the first to fourth embodiments is inserted into the liquid transport pipe and operates within the liquid transport pipe. By doing so, the inside of the tube is cleaned, so that solid matter attached to the inner wall of a thin tube such as a blood vessel in the human body can be peeled off and cleaned.
The device according to the ninth embodiment of the present invention uses the device according to the seventh or eighth embodiment for treatment or measurement of tissue in a human body, and thus can reduce the flow rate of blood in blood vessels in the human body. You can know the internal condition of the blood vessel. In addition, solid substances attached to the inner wall of a thin tube such as a blood vessel in a human body can be peeled off and cleaned.
In the method for manufacturing a functional element according to the tenth embodiment of the present invention, a template having a wire-shaped hole is filled with a material having piezoelectricity or pyroelectricity, and then the template is removed. By manufacturing a functional element, a piezoelectric or pyroelectric wire-shaped functional element can be easily manufactured. In particular, by setting the diameter of the hole to 100 μm or less, a wire-like functional element suitable as an actuator in a thin tube can be easily manufactured.
The method for producing a functional element according to the eleventh embodiment of the present invention is characterized in that a needle having a sharp tip is brought into contact with a crystal surface or a film surface, and the needle is moved in one axis direction to form a crystal or a film. By manufacturing the wire-shaped functional element by extending in the uniaxial direction, a piezoelectric or pyroelectric wire-shaped functional element can be easily manufactured.

以下、本発明の一実施例による機能素子を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施例である圧電性または焦電性材料をチューブ状に巻いた圧電性または焦電性チューブの構成を示す。圧電性または焦電性を有する薄膜1をX−X’軸上に巻くことにより圧電性または焦電性チューブが形成される。
図2は、圧電性または焦電性材料をコイル状に形成した圧電性または焦電性コイルの構成を示す。圧電性または焦電性を有する幅dの帯状の薄膜2を1軸Y−Y’軸上に巻くことによりコイル形状を有する圧電性素子または焦電性素子を実現することができる。
図2に示すコイル形状を有する圧電性または焦電性素子を作製する場合には、コイルの旋回ピッチpは薄膜2が巻かれる軸方向と帯状の薄膜の長手方向との成す角度Θによって決まる。この関係を図3に示す。一般的に、膜がその面内で弾性率に異方性を有する場合、弾性率が最大となる方向を軸としてその軸の回りに薄膜が巻かれる。したがって、予め膜の弾性率に異方性を持たせた後に、図3に示す角度Θを適宜調節して帯状の薄膜2を切り出すことによりコイルの旋回ピッチpを任意に設計することができる。
圧電性または焦電性チューブまたはコイルの大きさは特に限定されるものではなく、ミリメートルオーダーの大きさのものは、圧電性または焦電性材料を棒状に成型した後、周囲および内部を切削加工する方法で加工することができる。一方、圧電性または焦電性チューブまたはコイルをエレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの新しい分野で使用するには、以下に説明するように、ミリメートルサイズ以下、具体的には内径が100μm以下の圧電性または焦電性のチューブまたはコイルとすることが好ましい。
Hereinafter, a functional device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of a piezoelectric or pyroelectric tube in which a piezoelectric or pyroelectric material is wound into a tube according to an embodiment of the present invention. By winding the piezoelectric or pyroelectric thin film 1 on the XX 'axis, a piezoelectric or pyroelectric tube is formed.
FIG. 2 shows a configuration of a piezoelectric or pyroelectric coil in which a piezoelectric or pyroelectric material is formed in a coil shape. A piezoelectric element or a pyroelectric element having a coil shape can be realized by winding a strip-shaped thin film 2 having a width d having piezoelectricity or pyroelectricity on one axis YY '.
When the piezoelectric or pyroelectric element having the coil shape shown in FIG. 2 is manufactured, the turning pitch p of the coil is determined by the angle Θ between the axial direction around which the thin film 2 is wound and the longitudinal direction of the strip-shaped thin film. This relationship is shown in FIG. Generally, when the film has anisotropy in elastic modulus in the plane, the thin film is wound around the axis with the direction in which the elastic modulus becomes maximum as an axis. Therefore, the coil pitch p can be arbitrarily designed by cutting the band-shaped thin film 2 by appropriately adjusting the angle に shown in FIG. 3 after making the elastic modulus of the film anisotropic in advance.
The size of the piezoelectric or pyroelectric tube or coil is not particularly limited.If the size is on the order of millimeters, the surrounding and internal parts are cut after shaping the piezoelectric or pyroelectric material into a rod shape. Can be processed in the following manner. On the other hand, the use of piezoelectric or pyroelectric tubes or coils in new fields such as electronics, optoelectronics, mechatronics, integrated chemistry and in-vivo measurement requires sub-millimeter, Specifically, it is preferable to use a piezoelectric or pyroelectric tube or coil having an inner diameter of 100 μm or less.

以下、圧電性または焦電性チューブを例に説明するが、圧電性または焦電性コイルの場合も同様である。いま、薄膜1の表裏両面に電極を設け、両電極間に電界Eを印加すると、膜厚方向の圧電歪Sはチューブの内側面および外側面が自由端であることを考慮すると(数1)で表される。
=d33×E (数1)
ここでd33は厚み方向の圧電d定数である。圧電性材料として後述の高分子強誘電体
であるフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン共重合体(P(VDF−TrFE))を用いると、そのd33は−40pC/Nであることが知られている。チューブ厚(チューブの
外径と内径の差)が10μm、電界Eが10MV/mの場合を例にとると、厚み圧電性による内径の変化量は(数1)から求められ、8nmとなる。この内径の変化は内径10mmのチューブにとってはわずかに内径の8×10−5%に過ぎないが、内径100μm
のチューブでは0.008%、内径100nmのチューブでは8%に相当する極めて大きな変化である。従来のインクジェット技術で知られるように、内径が1mmのチューブにおいてもその外壁に圧電体を貼り付けて振動させることによりチューブ内を流れる液体を液滴として吐出することが可能である。ただし、従来技術では圧電体の振動周波数を高周波にしてもそれに追従して液滴の径を小さくすることは難しい。それに対して、上記のようにチューブ径を小さくすることにより、内径の変化の割合を増大させることができるため、より高効率でしかも高精細な液滴サイズの制御および液体の輸送が可能になる。
Hereinafter, a piezoelectric or pyroelectric tube will be described as an example, but the same applies to a piezoelectric or pyroelectric coil. Now, the electrodes are provided on both sides of the thin film 1, when an electric field is applied to E 3 between the electrodes, the piezoelectric strain S 3 in the thickness direction is the inner surface and the outer surface of the tube is considered to be a free end (number It is represented by 1).
S 3 = d 33 × E 3 (Equation 1)
Here d 33 is the piezoelectric d constant in the thickness direction. Vinylidene fluoride is a polymeric ferroelectrics later as a piezoelectric material - the use of ethylene trifluoride copolymer (P (VDF-TrFE)) , the d 33 is known to be -40pC / N ing. Taking a case where the tube thickness (difference between the outer diameter and the inner diameter of the tube) is 10 μm and the electric field E 3 is 10 MV / m as an example, the change in the inner diameter due to the thickness piezoelectricity is obtained from (Equation 1) and is 8 nm. . This change in inner diameter is only 8 × 10 −5 % of the inner diameter for a tube having an inner diameter of 10 mm,
This is an extremely large change corresponding to 0.008% for the tube having a diameter of 8 nm and 8% for a tube having an inner diameter of 100 nm. As is known from the conventional ink jet technology, even in a tube having an inner diameter of 1 mm, a liquid flowing in the tube can be discharged as droplets by attaching a piezoelectric body to the outer wall and vibrating the tube. However, in the prior art, even if the vibration frequency of the piezoelectric body is set to a high frequency, it is difficult to reduce the diameter of the droplet following it. On the other hand, by reducing the tube diameter as described above, the rate of change in the inner diameter can be increased, so that more efficient and high-definition control of the droplet size and transport of the liquid are possible. .

次に、内径が100μm以下の圧電性または焦電性チューブを製造する方法を説明する。薄膜1を1軸(図1ではX−X’軸に相当する)上に巻くためには、少なくとも薄膜1の上面または下面の何れかに他方より縮まろうとする力または拡がろうとする力を付与する必要がある。この力の原動力を与える方法としてはどのような方法を用いてもよく、特に限定されない。例えば、圧電性または焦電性を有する薄膜1の上面または下面どちらか一方の内側で膜表面の極近傍のみを架橋することによって「縮まろうとする力」を誘起させることができる。また、架橋点の数の多少によって1軸上に巻いたチューブの内径を調整することができる。即ち、単位表面積当たりの架橋点の数が多いほど内径の小さいチューブを作成することができる。架橋反応を誘起させる方法としては、例えば、圧電性または焦電性を有する薄膜1の上面または下面の一方に紫外線、電子線、X線、イオンビームなどに代表されるエネルギー線を照射することによって行うことができる。ただし、架橋反応を誘起する方法は上記に限定されるものではない。架橋反応による効果は有機薄膜において特に顕著である。   Next, a method of manufacturing a piezoelectric or pyroelectric tube having an inner diameter of 100 μm or less will be described. In order to wind the thin film 1 on one axis (corresponding to the XX ′ axis in FIG. 1), at least one of the upper surface and the lower surface of the thin film 1 is given a force to shrink or expand the other than the other. There is a need to. Any method may be used as a method for giving the driving force of this force, and there is no particular limitation. For example, a "shrinking force" can be induced by bridging only the very near surface of the film surface inside either the upper surface or the lower surface of the thin film 1 having piezoelectricity or pyroelectricity. Further, the inner diameter of the tube wound on one axis can be adjusted depending on the number of cross-linking points. That is, a tube having a smaller inner diameter can be produced as the number of crosslinking points per unit surface area increases. As a method of inducing a cross-linking reaction, for example, by irradiating one of the upper surface or the lower surface of the thin film 1 having piezoelectricity or pyroelectricity with an energy beam represented by ultraviolet rays, an electron beam, an X-ray, an ion beam, or the like. It can be carried out. However, the method of inducing the crosslinking reaction is not limited to the above. The effect of the crosslinking reaction is particularly remarkable in the organic thin film.

薄膜1の上面または下面の何れかに他方より「縮まろうとする力」または「拡がろうとする力」を付与する方法としては、架橋反応を誘起する方法以外にも種々の方法が適用できる。たとえば、圧電性または焦電性を有する薄膜1の上面および下面の少なくとも一方に接して材質の異なる薄膜を形成することにより、薄膜1の一方の面に対して他方面よりも「拡がろうとする力」または「縮まろうとする力」を加えることができる。例えば、O.G.Schmidt, Appl.Phys.lett., vol.78, p3310, 2001記載の技術を用いることができる。この技術は、2層の異なる結晶性材料からなる薄膜を積層すると、両者の格子定数の差から2層の界面にずりの力が働いて積層膜をチューブ状に巻くことができる方法である。この方法が適用された例としては、従来はGaAs/InAsの積層膜およびSi/GeSiの積層膜に限られているが、本発明においては、圧電性材料および焦電性材料に対しても格子定数の違いにより積層膜の界面に働く収縮力または伸張力による効果を適用することを可能にする。具体的には圧電性または焦電性の薄膜1を形成している材料よりも格子定数の大きな材料または小さな材料から成る薄膜を圧電性または焦電性の薄膜1の上面または下面に積層させる。これにより、格子定数の小さな膜が内側になるように積層膜を1軸上に巻くことができる。この方法では、両者の格子定数の差によって形成されるチューブが決められる。
薄膜1の一方の面に対して加える「縮まろうとする力」の原動力としては、さらに、熱架橋性または光架橋性の材料を積層付加することによっても可能である。
Various methods other than the method of inducing a cross-linking reaction can be applied as a method of applying a “force to shrink” or a “force to spread” to either the upper surface or the lower surface of the thin film 1 from the other. For example, by forming a thin film made of a different material in contact with at least one of the upper surface and the lower surface of the thin film 1 having piezoelectricity or pyroelectricity, one surface of the thin film 1 tends to spread more than the other surface. "Force" or "force to shrink". For example, O. G. FIG. Schmidt, Appl. Phys. lett. , Vol. 78, p3310, 2001. This technique is a method in which when two layers of thin films made of different crystalline materials are laminated, a shear force acts on the interface between the two layers due to the difference in lattice constant between the two, and the laminated film can be wound into a tube shape. Conventionally, the application of this method is limited to a GaAs / InAs laminated film and a Si / GeSi laminated film. The difference in the constant makes it possible to apply the effect of the contraction force or extension force acting on the interface of the laminated film. Specifically, a thin film made of a material having a larger or smaller lattice constant than the material forming the piezoelectric or pyroelectric thin film 1 is laminated on the upper or lower surface of the piezoelectric or pyroelectric thin film 1. Thereby, the laminated film can be wound uniaxially such that the film having a small lattice constant is inside. In this method, a tube formed by the difference between the two lattice constants is determined.
The driving force of the “force to shrink” applied to one surface of the thin film 1 can be further obtained by laminating a thermally crosslinkable or photocrosslinkable material.

薄膜1上に積層する膜の材料は有機物に限られない。具体的には不飽和結合を多数有する有機または無機のポリマーやオリゴマー、モノマーと光重合開始剤または熱重合開始剤を組み合わせた膜、もしくは熱により脱水縮合反応が誘起される膜を圧電性または焦電性を有する薄膜1の上面または下面に積層形成することが有効である。積層膜を加熱するか、積層膜に紫外線を照射することにより積層付加膜の架橋反応が進行し、付加膜が収縮する。この力を利用して薄膜1を1軸上に巻くことができる。
上記の特性を有する無機材料としてはゾルゲル反応性の材料が特に適している。また、上記の特性を有する有機材料は分子内に2重結合、3重結合などの不飽和基を有する材料であれば何れも本発明に用いることができ、特に限定されない。この場合、架橋可能な不飽和結合を含む鎖の長さおよび不飽和結合基の数によって収縮力の大きさを制御することができる。
The material of the film laminated on the thin film 1 is not limited to an organic substance. Specifically, a film obtained by combining an organic or inorganic polymer or oligomer having a large number of unsaturated bonds, a monomer in combination with a photopolymerization initiator or a thermal polymerization initiator, or a film in which a dehydration / condensation reaction is induced by heat is piezoelectrically or pyrolyzed. It is effective to form a laminate on the upper or lower surface of the thin film 1 having electrical conductivity. By heating the laminated film or irradiating the laminated film with ultraviolet rays, the crosslinking reaction of the laminated additional film proceeds, and the additional film contracts. Using this force, the thin film 1 can be wound uniaxially.
A sol-gel reactive material is particularly suitable as the inorganic material having the above characteristics. In addition, any organic material having the above characteristics can be used in the present invention as long as it has an unsaturated group such as a double bond or a triple bond in a molecule, and is not particularly limited. In this case, the magnitude of the contraction force can be controlled by the length of the chain containing the crosslinkable unsaturated bond and the number of the unsaturated bond groups.

図1に示す圧電性または焦電性チューブおよび図2に示す圧電性または焦電性コイルの場合には、通常、薄膜1を巻く軸方向を選ばない。したがって、圧電性または焦電性を有する薄膜1およびそれに積層された付加膜はその薄膜面内において弾性率が等方的な膜であってもよい。
圧電性チューブは液体輸送用のチューブまたは液体吐出用のチューブに適用できる。輸送および吐出性能はチューブの内径が100μm以下、より好ましくは10μm以下の場合に特に優れている。この液体輸送用チューブまたは液体吐出用のチューブは、いわゆるインテグレーティッドケミストリー素子の形成に適用することができる。インテグレーティッドケミストリー素子に適用することにより従来の素子に比べてより少量の液体を用いて高効率な反応および高感度な分析が可能になる。
また、本実施例の液体吐出用のチューブをインクジェットプリンターのヘッドに適用することができる。インクジェット用ヘッドに適用することにより、従来のヘッドに比べてより高精度、高分解能な印刷が可能で、かつノズル詰まりの無いインクジェットヘッドを実現することができる。
液体輸送用のチューブまたは液体吐出用のチューブに適用した場合、圧電性チューブにおいてその内径を小さくすることにより内径に対する圧電変位量の割合を大きくし、チューブ内を流れる液体を輸送する効率、チューブ外に吐出する効率を向上することができる。
In the case of the piezoelectric or pyroelectric tube shown in FIG. 1 and the piezoelectric or pyroelectric coil shown in FIG. 2, the axial direction around which the thin film 1 is wound generally does not matter. Accordingly, the thin film 1 having piezoelectricity or pyroelectricity and the additional film laminated thereon may be a film having an isotropic elastic modulus in the plane of the thin film.
The piezoelectric tube can be applied to a tube for transporting liquid or a tube for discharging liquid. The transport and discharge performance is particularly excellent when the inner diameter of the tube is 100 μm or less, more preferably 10 μm or less. This liquid transport tube or liquid discharge tube can be applied to the formation of a so-called integrated chemistry element. By applying the present invention to an integrated chemistry device, it becomes possible to perform a highly efficient reaction and a highly sensitive analysis using a smaller amount of liquid than a conventional device.
Further, the tube for discharging liquid of the present embodiment can be applied to a head of an ink jet printer. By applying the present invention to an ink-jet head, an ink-jet head capable of printing with higher precision and higher resolution than conventional heads and free from nozzle clogging can be realized.
When applied to a tube for transporting liquid or a tube for discharging liquid, reducing the inner diameter of the piezoelectric tube increases the ratio of the amount of piezoelectric displacement to the inner diameter. To improve the efficiency of ejection.

次に、圧電性または焦電性材料をワイヤ状に形成する例について説明する。
圧電性または焦電性を有する材料をワイヤ状に成型することで圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを実現することができる。
焦電性ワイヤは温度変化によりその表面に電荷が誘起されるため微小な隙間に設置することが可能な温度センサとして利用することが可能である。焦電センサとしての性能はワイヤ径を小さくすることにより熱容量が減少し、焦電センサの応答速度が向上する。
また、圧電性ワイヤは自発分極の方向に直流電界を加えることによりワイヤを伸縮させることができる。また、その自発分極の方向に交流電界を加えることにより、駆動電界と同一周波数で振動させることもできる。これらの伸縮運動や振動運動はアクチュエータとして利用することができる。ワイヤ径を小さくすることにより上記のアクチュエータとしての効率が著しく向上する。
Next, an example in which a piezoelectric or pyroelectric material is formed in a wire shape will be described.
A piezoelectric wire or a pyroelectric wire can be realized by molding a material having piezoelectricity or pyroelectricity into a wire shape.
The pyroelectric wire can be used as a temperature sensor that can be installed in a minute gap because charge is induced on the surface by a change in temperature. As for the performance as a pyroelectric sensor, the heat capacity is reduced by reducing the wire diameter, and the response speed of the pyroelectric sensor is improved.
The piezoelectric wire can expand and contract by applying a DC electric field in the direction of spontaneous polarization. Further, by applying an AC electric field in the direction of the spontaneous polarization, it is possible to vibrate at the same frequency as the driving electric field. These expansion and contraction movements and vibration movements can be used as actuators. By reducing the wire diameter, the efficiency as the above-mentioned actuator is remarkably improved.

種々の分野において微細化、高集積化が望まれる中、直径が100μm以下の微小径を
有する圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤは特に有用である。以下に圧電性ワイヤを例にとり、ワイヤ径を微細化することにより駆動の効率を向上できる作用を説明する。
図4に示すように直径D、長さLの圧電性ワイヤ11の側面に、対向する1対の電極12、13を形成する。ここで、一方の電極13を接地し、他方の電極に電界Eを印加すると、ワイヤ11は伸びの圧電性により電界が印加された側(図4では電極12側)のチューブ側面が伸張する。ワイヤ長さに対するその伸び歪Sと電界Eの関係は(数2)
で表される。
=d31×E (数2)
前述のフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン共重合体(P(VDF−TrFE))を用いる場合、そのd31は12×10−12C/Nである。したがって、ワイヤおよび電極
の長さLを10mm、両電極12、13間に印加する電圧を100Vに設定した場合、ワ
イヤ径Dが1mmの圧電ワイヤでは伸びの長さLSは12nm、伸びによるワイヤの傾き角Θ〜tanΘ=LS/Dは1.2×10−5rad=7.2×10−4度となる。それに対して、ワイヤ径Dが100μmの圧電ワイヤでは伸びの長さLSは120nm、傾き角Θ〜tanΘ=LS/Dは1.2×10−3rad=7.2×10−2度と傾き角が100倍向上する。さらに、ワイヤ径Dが10μmの極微細圧電ワイヤでは伸びの長さLSは1.2μm、傾き角Θ〜tanΘ=LS/Dは1.2×10−1rad=7.2度とワイヤ径1mmのワイヤに比べてその傾き角が10000倍にも向上する。以上の結果より、ワイヤ径100μm以下、より好ましくはワイヤ径10μm以下の圧電性ワイヤはアクチュエータとして非常に高い性能を有することが明らかである。
While miniaturization and high integration are desired in various fields, piezoelectric wires and pyroelectric wires having a small diameter of 100 μm or less are particularly useful. In the following, taking the piezoelectric wire as an example, the operation of improving the driving efficiency by reducing the wire diameter will be described.
As shown in FIG. 4, a pair of electrodes 12 and 13 facing each other is formed on a side surface of a piezoelectric wire 11 having a diameter D and a length L. Here, grounded one of the electrodes 13, an electric field is applied to E 3 to the other electrode, the wire 11 is tube side of the side to which the electric field is applied (Fig. 4, the electrode 12 side) is extended by piezoelectricity of elongation . Relationship of the elongation strain S 1 and the electric field E 3 relative to the wire length (the number 2)
Is represented by
S 1 = d 31 × E 3 (Equation 2)
When the above-mentioned vinylidene fluoride-ethylene trifluoride copolymer (P (VDF-TrFE)) is used, its d 31 is 12 × 10 −12 C / N. Therefore, when the length L of the wire and the electrode is set to 10 mm, and the voltage applied between the electrodes 12 and 13 is set to 100 V, the extension length LS 1 of the piezoelectric wire having a wire diameter D of 1 mm is 12 nm, and the extension wire LS 1 is 12 nm. The inclination angle Θ to tan Θ = LS 1 / D becomes 1.2 × 10 −5 rad = 7.2 × 10 −4 degrees. On the other hand, in a piezoelectric wire having a wire diameter D of 100 μm, the elongation length LS is 120 nm, and the inclination angle Θ to tanΘ = LS / D is 1.2 × 10 −3 rad = 7.2 × 10 −2 degrees. The corner is improved 100 times. Further, in the case of an extremely fine piezoelectric wire having a wire diameter D of 10 μm, the elongation length LS 1 is 1.2 μm, and the inclination angle Θ to tan Θ = LS 1 / D is 1.2 × 10 −1 rad = 7.2 degrees. The angle of inclination is improved by a factor of 10,000 compared to a wire having a diameter of 1 mm. From the above results, it is clear that a piezoelectric wire having a wire diameter of 100 μm or less, more preferably a wire diameter of 10 μm or less has extremely high performance as an actuator.

直径が100μm以下の微小径を有する圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製する方法として以下の方法を用いることができる。即ち、作製したいワイヤの直径と等しいかそれ以上の内径を有する円柱状の空孔を有する有機膜または無機膜をテンプレートとして用い、その空孔内に永久双極子を有する材料を導入することにより圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製することができる。図5にテンプレート15の構造を示す。テンプレート15の例としては、多孔性のアルミナ(Al)などセラミック膜や多孔性のポリカーボネー
ト膜などが挙げられる。これらの多孔性膜は孔径数10μmから数10nmのものまで安定に供給できるためテンプレート15として適している。ただし、テンプレート15に用いる素材は上記のものに限られることはなく、目的とする孔径の円柱状の空孔が多数存在する膜であれば他のものでもよい。
The following method can be used as a method for producing a piezoelectric wire or a pyroelectric wire having a small diameter of 100 μm or less. That is, an organic film or an inorganic film having a cylindrical hole having an inner diameter equal to or larger than the diameter of a wire to be manufactured is used as a template, and a material having a permanent dipole is introduced into the hole to produce a piezoelectric material. Conductive wires and pyroelectric wires can be produced. FIG. 5 shows the structure of the template 15. Examples of the template 15 include a ceramic film such as porous alumina (Al 2 O 3 ) and a porous polycarbonate film. These porous membranes are suitable as the template 15 because they can be stably supplied with a pore diameter of several tens of μm to several tens of nm. However, the material used for the template 15 is not limited to the above-mentioned material, and may be any other film as long as it has a large number of columnar holes having a target hole diameter.

テンプレート15の空孔16内に永久双極子を有する材料を導入する方法としては、電界重合法を用いることができる。また、真空中で分子を蒸発させ空孔16内に堆積させる蒸着法やスパッタ法を用いることもできる。これらの方法は有機オリゴマーやモノマーなどの低分子化合物や無機材料を用いて圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製する場合に適している。また、テンプレート15の空孔16内に永久双極子を有する材料を液体状態で導入して圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製することもできる。具体的には液体状態の材料をシリンジなどに注入してテンプレート膜中に注入するか、膜を溶液中に浸漬した状態で後方からシリンジなどで吸引することが有効である(以下この方法を溶液注入法と呼ぶ)。この方法は有機のポリマー、オリゴマー、モノマー材料、または無機材料をゾルゲル法で形成する場合に適している。
永久双極子を有する材料を溶媒に溶かした状態で空孔16内に導入する場合には、溶媒を蒸発させることにより体積が減少するため、必要に応じて空孔16内に溶液を導入する操作を複数回繰り返してもよい。その場合、一度固体化された材料が、再度空孔内に溶液を導入することにより溶解してしまうことを防ぐために、結晶性の材料においては空孔16内に溶液を導入し溶媒を蒸発させた後、加熱処理を行い結晶化させることが有効である。結晶化させることにより空孔16内に再度溶液が導入された時に溶媒に溶け難くすることができる。また、予めテンプレートの空孔表面に金属薄膜を形成しておき、電界を印加しながら溶液中に浸漬することにより、いわゆる電着法または電界重合法により永久双極子を有する材料を空孔16内に堆積させることも可能である。
As a method for introducing a material having a permanent dipole into the holes 16 of the template 15, an electric field polymerization method can be used. Further, an evaporation method or a sputtering method in which molecules are evaporated in a vacuum and deposited in the holes 16 can be used. These methods are suitable for producing a piezoelectric wire or a pyroelectric wire using a low molecular compound such as an organic oligomer or a monomer or an inorganic material. Alternatively, a piezoelectric wire or a pyroelectric wire can be manufactured by introducing a material having a permanent dipole into the holes 16 of the template 15 in a liquid state. Specifically, it is effective to inject a material in a liquid state into a syringe or the like and inject it into the template film, or to suck the film from behind with a syringe or the like while the film is immersed in the solution (hereinafter, this method is called a solution). Injection method). This method is suitable for forming an organic polymer, oligomer, monomer material, or inorganic material by a sol-gel method.
When a material having a permanent dipole is introduced into the holes 16 in a state of being dissolved in a solvent, the volume is reduced by evaporating the solvent, and therefore, an operation of introducing a solution into the holes 16 as necessary. May be repeated several times. In that case, in order to prevent the material once solidified from being dissolved by introducing the solution into the pores again, in the case of a crystalline material, the solution is introduced into the pores 16 to evaporate the solvent. After that, it is effective to carry out heat treatment for crystallization. Crystallization makes it difficult to dissolve in the solvent when the solution is introduced again into the holes 16. Further, a metal thin film is previously formed on the surface of the holes of the template, and immersed in a solution while applying an electric field, so that a material having a permanent dipole is formed in the holes 16 by a so-called electrodeposition method or an electric field polymerization method. It is also possible to deposit them on.

ワイヤのポーリングはテンプレート15を除去した後に行うことも可能であるが、テンプレート15を除去する前に行うこともできる。後者の場合、具体的には、図5に示すように、圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤに対するポーリングの方向(ワイヤの長手方向または太さ方向にポーリングを行う)によって、テンプレート15の異なる対向する面に電極を形成し、電圧を印加してポーリングを行うことができる。
テンプレート15は不用であれば溶剤に溶解させることによって除去することができる。例えば、アルミナ製のテンプレートでは水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液に浸漬することで除去可能である。また、ポリカーボネート製のテンプレートでは溶媒であるメチレンクロライドに浸漬することで除去できる。上記以外の材料からなるテンプレートについてもそれぞれの材料に適した溶媒に浸漬することにより除去することができる。
The polling of the wires can be performed after the template 15 is removed, but can also be performed before the template 15 is removed. In the latter case, specifically, as shown in FIG. 5, the template 15 faces differently depending on the direction of polling for the piezoelectric wire and the pyroelectric wire (polling is performed in the longitudinal direction or the thickness direction of the wire). Polling can be performed by forming an electrode on the surface and applying a voltage.
If the template 15 is unnecessary, it can be removed by dissolving it in a solvent. For example, an alumina template can be removed by immersion in a sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution. In the case of a polycarbonate template, it can be removed by immersion in methylene chloride as a solvent. Templates made of materials other than those described above can also be removed by dipping in a solvent suitable for each material.

直径が100μm以下の微小径を有する圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製する方法として下記の方法も用いることができる。即ち、鋭利な先端形状を有する針を永久双極子を有する微結晶からなる膜の結晶表面に接触させ、その針を1軸方向に移動させ、結晶を1軸方向に延伸することにより圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤを作製することができる。鋭利な先端形状を有する針の例としては走査型原子間力顕微鏡(AFM)や走査型トンネル顕微鏡(STM)などの操作型プローブ顕微鏡(SPM)を用いることができる。
上記の方法は、結晶性材料以外の材料にも適用できる。膜を形成する材料は、結晶性であっても非晶性であってもよい。予め鋭利な先端形状を有する針を用いて周囲を切断し、孤立した微小な面積部分を作製した後に、同様の針をその微小面積部分に接触させた状態で1軸方向に延伸することにより微結晶の場合と同様のワイヤを形成することができる。この方法は延伸が容易である点で有機材料が適し、特に有機高分子材料が適している。
The following method can also be used as a method for producing a piezoelectric wire or a pyroelectric wire having a small diameter of 100 μm or less. That is, a needle having a sharp tip is brought into contact with the crystal surface of a film made of microcrystals having a permanent dipole, the needle is moved in one axis direction, and the crystal is stretched in one axis direction, thereby forming a piezoelectric wire. And a pyroelectric wire can be manufactured. As an example of the needle having a sharp tip shape, an operating probe microscope (SPM) such as a scanning atomic force microscope (AFM) or a scanning tunnel microscope (STM) can be used.
The above method can be applied to materials other than crystalline materials. The material forming the film may be crystalline or amorphous. The periphery is cut in advance using a needle having a sharp tip to form an isolated minute area, and then the same needle is stretched in the uniaxial direction while being in contact with the minute area. A wire similar to that of a crystal can be formed. In this method, an organic material is suitable because stretching is easy, and an organic polymer material is particularly suitable.

本製造方法を用いた圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤの具体的な作製方法を以下に説明する。まず、導電性の基板上に永久双極子を有する薄膜を形成する。膜の形成方法としては、後述の溶液塗布法、真空蒸着法、電着法、電界重合法などを用いることができる。製膜後、結晶性材料の場合は熱処理を施すことが結晶化のためには有効である。明確な微結晶が存在しない膜においては後述のように鋭利な先端を有する針を用いて周囲を切断することにより膜中の微小面積部分を周囲の膜部分から切り離し孤立させる。続いて鋭利な先端を有する針を上記の孤立した微小面積部分または微結晶部分に接触させた状態で1軸方向に移動させて微結晶または微小面積部分の膜を延伸し、ワイヤを作製する。この場合、より効率的に延伸操作を行うために、膜の温度を室温以上に加熱することは有効である。
続いて、ワイヤ部分を後述の方法を用いてポーリングすることにより圧電性、焦電性を付与することができる。上記の方法で作製された圧電性ワイヤ、焦電性ワイヤは必要に応じて基板から剥離し、また表面に電極を形成することも可能である。
A specific method for manufacturing a piezoelectric wire and a pyroelectric wire using the present manufacturing method will be described below. First, a thin film having a permanent dipole is formed on a conductive substrate. As a method for forming a film, a solution coating method, a vacuum evaporation method, an electrodeposition method, an electric field polymerization method, and the like described below can be used. After the film formation, in the case of a crystalline material, heat treatment is effective for crystallization. In a film in which clear microcrystals do not exist, a small area portion in the film is cut off from the surrounding film portion by cutting the periphery using a needle having a sharp tip, as described later, and isolated. Subsequently, a needle having a sharp tip is moved in one axis direction while being in contact with the isolated minute area portion or microcrystal portion, and the film of the microcrystal or minute area portion is stretched to produce a wire. In this case, in order to perform the stretching operation more efficiently, it is effective to heat the film to a temperature of room temperature or higher.
Subsequently, piezoelectricity and pyroelectricity can be imparted by polling the wire portion using a method described below. The piezoelectric wire and the pyroelectric wire manufactured by the above method can be peeled off from the substrate as needed, and an electrode can be formed on the surface.

本実施例による圧電性ワイヤまたはコイル形状を有する圧電性素子を用いて液体の流速を測定することができる。ワイヤまたはコイルは液体の流れの中に挿入されることにより張力を受けて伸張される。これにより伸びの圧電性に起因する電圧が発生する。流速が速いほど電圧が高くなることから、これを用いて流速を測定することができる。また、圧電性ワイヤを超音波プローブとして用い、液体中または壁面の付着物の状況を超音波診断することも可能である。さらに、焦電性素子として温度変化を測定することもできる。
圧電性のワイヤまたはコイルは細い管内の液体の流速や温度変化および管内壁の付着物の状況や液体中に混入した固形物の状況を知りたい場合に特に有効である。その一つの適用例として人体内の血管中の血液の流速の測定および血液中に混入した固形物の状況や血管内壁のコレステロールの付着状況などの測定に適している。上記のワイヤまたはコイルを用いて血流および血管内壁の付着物を計測することにより血管の内部状況を知ることが可能である。
液体を輸送するための細管の内壁には液体に含まれる内容物が固化し付着しやすい。圧電性ワイヤまたはコイル形状を有する圧電性アクチュエータを用いて管の内壁に付着したこれらの固形物を剥離し清掃することができる。具体的には圧電性コイルまたは圧電性ワイヤを管内に挿入し、交流電圧を加えることにより圧電振動させて管の内壁に付着した固形物を剥離することができる。この効果を用いて人体血管の内壁に付着したコレステロールなどの固形物を除去することが可能である。
The flow velocity of the liquid can be measured using the piezoelectric wire or the piezoelectric element having a coil shape according to the present embodiment. The wire or coil is stretched under tension by being inserted into the liquid stream. This generates a voltage due to the piezoelectricity of the elongation. Since the voltage increases as the flow velocity increases, the flow velocity can be measured using the voltage. Further, it is also possible to use a piezoelectric wire as an ultrasonic probe to ultrasonically diagnose the state of the deposit on the liquid or on the wall surface. Further, a temperature change can be measured as a pyroelectric element.
Piezoelectric wires or coils are particularly effective when it is desired to know the flow rate and temperature change of liquid in a thin tube, the state of deposits on the inner wall of the tube, and the state of solids mixed in the liquid. As one application example, the method is suitable for measuring the flow rate of blood in blood vessels in the human body, and measuring the state of solids mixed in blood and the state of adhesion of cholesterol on the inner wall of blood vessels. It is possible to know the internal state of the blood vessel by measuring the blood flow and the deposit on the inner wall of the blood vessel using the above-mentioned wire or coil.
The contents contained in the liquid tend to solidify and adhere to the inner wall of the thin tube for transporting the liquid. These solid substances adhering to the inner wall of the tube can be peeled off and cleaned using a piezoelectric actuator having a piezoelectric wire or coil shape. Specifically, a solid object attached to the inner wall of the tube can be peeled by inserting a piezoelectric coil or a piezoelectric wire into the tube and applying an AC voltage to cause piezoelectric vibration. Using this effect, it is possible to remove solid substances such as cholesterol adhered to the inner wall of a human blood vessel.

次に、質量が10mg以下である圧電性素子について詳細に説明する。一般にアクチュエータは基板等に固定された状態で用いられる。アクチュエータ自身が自由に移動でき、しかもその位置を外部から制御することが可能であればその用途は大きく拡がる。例えば、後述の流速測定装置、管内清浄化装置、人体内治療装置、または人体内計測装置においてはアクチュエータが管内や人体内で自由に移動でき、しかも、その位置を外部から制御できることは非常に重要である。この場合、アクチュエータの質量が小さいことは非常に重要である。質量が大きいことにより、その重力に打ち勝って動かすだけの外力が必要となるため、大掛かりな装置が必要となる。しかし、特に人体に関与する治療装置、計測装置の場合は大きな外力を加えることは人体に対する悪影響や危険を伴うことにつながる。   Next, a piezoelectric element having a mass of 10 mg or less will be described in detail. Generally, the actuator is used while being fixed to a substrate or the like. If the actuator itself can move freely and its position can be controlled from the outside, its use will be greatly expanded. For example, it is very important that the actuator can move freely in a tube or a human body and its position can be controlled from the outside in a flow velocity measuring device, a tube cleaning device, a human body treatment device, or a human body measuring device described later. It is. In this case, it is very important that the mass of the actuator is small. The large mass requires an external force to overcome the gravitational force and requires a large-scale device. However, particularly in the case of a treatment device or a measurement device related to the human body, applying a large external force leads to an adverse effect or danger to the human body.

以下、アクチュエータ内に極微細な磁石を埋め込み、その磁石に外部から磁場を加えてアクチュエータを移動させる場合を例に挙げて、アクチュエータを軽量化することによる効果を説明する。一例として、アクチュエータ内部に一辺が1μmの立方体形状を有するフェライト磁石を埋め込み、外部から円柱状の大きなフェライト磁石を用いて重力に逆らう方向に磁場を加えてアクチュエータを浮上させる場合について説明する。フェライトの磁極の大きさをm、微細磁石の上下面の面積をS、厚さをt、外部磁石の半径をD、厚さをL、アクチュエータと外部磁石との距離をx、外部磁石の磁気モーメント密度をp、真空の透磁率をμとすると、アクチュエータに加わる鉛直方向の力Fは(数3)で表される。
F=(3mtSpDx)/(2μ(D+x3/2) (数3)
ここでmはフェライト磁石の残留磁束密度0.4Wb/mと同じ値とする。また、pはフェライト磁石の残留磁束密度に磁石の厚さLを乗じた値とする。一例として、半径1m、厚み100mmのフェライト製外部磁石を用いると、アクチュエータに加わる鉛直方向の力Fは約6×10−3Nである。これは質量600mgの重力に相当する。この力に
対して質量10mg以下のアクチュエータの重力は無視し得る。上記説明から、質量10mg以下のアクチュエータは外部磁場を用いて自由に動かすことが可能であり、その位置を外部から制御することが可能となる。
Hereinafter, the effect of reducing the weight of the actuator will be described by taking as an example a case where an extremely fine magnet is embedded in the actuator and an external magnetic field is applied to the magnet to move the actuator. As an example, a case will be described in which a ferrite magnet having a cubic shape with a side of 1 μm is embedded in an actuator, and a large magnetic columnar ferrite magnet is applied from the outside to apply a magnetic field in a direction against gravity to lift the actuator. The size of the magnetic pole of the ferrite is m, the area of the upper and lower surfaces of the fine magnet is S, the thickness is t, the radius of the external magnet is D, the thickness is L, the distance between the actuator and the external magnet is x, the magnetism of the external magnet is the moment density p, the magnetic permeability of vacuum and mu 0, the force F vertically applied to the actuator is expressed by equation (3).
F = (3mtSpD 2 x) / (2μ 0 (D 2 + x 2 ) 3/2 ) (Equation 3)
Here, m is the same value as the residual magnetic flux density of 0.4 Wb / m 2 of the ferrite magnet. Further, p is a value obtained by multiplying the residual magnetic flux density of the ferrite magnet by the thickness L of the magnet. As an example, when a ferrite external magnet having a radius of 1 m and a thickness of 100 mm is used, the vertical force F applied to the actuator is about 6 × 10 −3 N. This corresponds to a gravity of 600 mg mass. For this force, the gravitational force of an actuator having a mass of 10 mg or less can be neglected. From the above description, an actuator having a mass of 10 mg or less can be freely moved using an external magnetic field, and its position can be controlled from the outside.

アクチュエータを軽量化する目的では無機の圧電体材料に比べて比重の小さい有機の圧電体材料がより適している。
本実施例における圧電性または焦電性材料としては、有機または無機の圧電性材料または焦電性材料を用いることができる。有機の圧電性材料、焦電性材料としてはフッ化ビニリデンポリマー(PVDF)およびオリゴマー、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンのランダム共重合体(P(VDF−TrFE))、ナイロン7、ナイロン9、ナイロン11
、ナイロン13などの奇数ナイロン、シアン化ビニリデンと酢酸ビニルの交互共重合体な
どを用いることができる。また、カイラルCを有するコレステリック液晶に代表される
強誘電性液晶を用いることもできる。無機の圧電性材料、焦電性材料としては規則不規則型の圧電性材料、焦電性材料であるリン酸水素カリウム、ロッシェル塩、硫酸グリシン、硝酸ナトリウム、チオ尿素、チタン酸バリウム結晶やチタン酸ジルコニウムやチタン酸鉛などで構成されるセラミック強誘電体を用いることができる。ただし、上記に限られるものではなく、永久双極子を有する材料であり、双極子の方向をそろえることができる材料であれば全て適用することができる。
For the purpose of reducing the weight of the actuator, an organic piezoelectric material having a smaller specific gravity than an inorganic piezoelectric material is more suitable.
As the piezoelectric or pyroelectric material in this embodiment, an organic or inorganic piezoelectric or pyroelectric material can be used. Organic piezoelectric materials and pyroelectric materials include vinylidene fluoride polymers (PVDF) and oligomers, random copolymers of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride (P (VDF-TrFE)), nylon 7, nylon 9, Nylon 11
And an odd-numbered nylon such as nylon 13, an alternating copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate, and the like. Further, a ferroelectric liquid crystal represented by a cholesteric liquid crystal having a chiral C * can also be used. Inorganic piezoelectric materials and pyroelectric materials include disordered type piezoelectric materials, pyroelectric materials such as potassium hydrogen phosphate, Rochelle salt, glycine sulfate, sodium nitrate, thiourea, barium titanate crystals and titanium. A ceramic ferroelectric composed of zirconium oxide, lead titanate, or the like can be used. However, the material is not limited to the above, and any material can be used as long as the material has a permanent dipole and the direction of the dipole can be aligned.

圧電性または焦電性を有する薄膜およびその上面または下面の少なくとも一方に積層される付加膜の形成には、例えば以下の方法を用いることができる。ポリマー、オリゴマーなど室温で固体であるか粘性の高い液体である場合には、これらの材料を溶剤に溶解させ基板上にスピナー、バーコーター、スリットダイなどの塗布装置を用いて薄く塗布した後、溶媒を蒸発させる塗布製膜法により製膜することができる。また、オリゴマーやモノマーなど室温で液体である場合には溶剤に溶かすことなく、そのまま上記の方法を用いて製膜することもできる。セラミック材料の場合はゾルゲル法による湿式製膜も圧電性薄膜の製膜法として非常に適している。また、材料を基板上に直接蒸着またはスパッタリングする乾式製膜法を用いて製膜することもできる。この乾式製膜法は無機材料やオリゴマーやモノマーからなる有機の低分子材料の製膜に特に適している。さらに、導電性の基板を用いて電界を印加しながら溶液中に浸漬することにより、電着法または電界重合法により製膜することも可能である。   For example, the following method can be used to form the piezoelectric or pyroelectric thin film and the additional film laminated on at least one of the upper and lower surfaces thereof. When the polymer or oligomer is a solid or a highly viscous liquid at room temperature, these materials are dissolved in a solvent and thinly coated on a substrate using a coating device such as a spinner, a bar coater, or a slit die. The film can be formed by a coating film forming method in which the solvent is evaporated. In the case of a liquid such as an oligomer or a monomer at room temperature, the film can be directly formed by the above method without dissolving in a solvent. In the case of a ceramic material, wet film formation by a sol-gel method is also very suitable as a method for forming a piezoelectric thin film. Alternatively, a film can be formed by a dry film forming method in which a material is directly deposited or sputtered on a substrate. This dry film forming method is particularly suitable for forming a film of an organic low molecular material composed of an inorganic material, an oligomer or a monomer. Furthermore, it is also possible to form a film by an electrodeposition method or an electric field polymerization method by immersing in a solution while applying an electric field using a conductive substrate.

薄膜に圧電性を付与するためには電界を印加して自発分極を形成する、所謂ポーリングと呼ばれる処理を施す必要がある。具体的には、薄膜の膜厚方向または薄膜の面内方向に電界を印加して薄膜が有する永久双極子を電界方向に揃えることにより、目的とする方向に自発分極を形成させる。このポーリング処理は薄膜を1軸上に巻く前に行っても、また巻いた後に行ってもよい。さらに、電界を印加するためには一般的には+電極と−電極を必要とするが、電極の形成は薄膜を1軸上に巻き上げる前に行っても、また巻き上げた後に行ってもよい。さらに、+電極または−電極のどちらか一方のみを形成し、コロナ電界によりポーリングすることも可能である。さらには、薄膜に電極を形成せず、外部から面状またはワイヤ状、針状の電極を接触させた後に電界を印加してポーリング処理を施すことも可能である。また、上記のポーリング処理は、素子を製造する工程のいずれの段階で行ってもよい。即ち、基板上に膜を形成した直後にポーリング処理を行ってもよく、また、膜を基板から剥離し、種々の加工を行った後にポーリング処理を行ってもよい。   In order to impart piezoelectricity to a thin film, it is necessary to perform a process called poling, which forms an spontaneous polarization by applying an electric field. Specifically, spontaneous polarization is formed in a desired direction by applying an electric field in the thickness direction of the thin film or in the in-plane direction of the thin film to align the permanent dipoles of the thin film with the direction of the electric field. This poling treatment may be performed before or after the thin film is wound on one axis. Further, in order to apply an electric field, a positive electrode and a negative electrode are generally required. However, the electrodes may be formed before or after winding the thin film on one axis. Further, it is also possible to form only one of the positive electrode and the negative electrode and perform polling by a corona electric field. Further, it is also possible to perform a poling process by applying an electric field after bringing a planar, wire-like, or needle-like electrode from outside into contact without forming an electrode on the thin film. Further, the above-described polling process may be performed at any stage of the process of manufacturing the device. That is, the poling treatment may be performed immediately after the film is formed on the substrate, or the poling treatment may be performed after the film is separated from the substrate and subjected to various processes.

ところで、本実施例におけるチューブ形状の機能素子、コイル形状の機能素子および重量が10mg以下の機能素子を作製する工程において、基板上に形成された圧電性膜、焦電性膜および付加膜を目的とする形状に切り出した後、基板からこれらの膜を剥離する必要がある。膜を目的とする形状に切り出す手段としては、例えば、鋭利な先端形状を有する針を用いることが有効である。一例としては走査型原子間力顕微鏡(AFM)や走査型トンネル顕微鏡(STM)などの走査型プローブ顕微鏡(SPM)を用いることができる。SPMのプローブとして先鋭で硬い探針を用い、膜表面に探針が接した状態で、切断したい輪郭上を走査することで膜を切り出すことができる。SPMはナノメートル(nm)スケールの加工から数百ミクロン(μm)スケールの加工まで可能である点で本発明の加工手段として適している。膜を切り出す手段としてはSPM以外にもミクロンスケールの微細加工が可能な収束イオンビーム加工機(FIB)も適している。さらに、本発明における加工手段は上記に限定されるものではなく、素子のサイズに合わせて種々の装置および加工手段を用いることができる。   By the way, in the process of manufacturing the tube-shaped functional element, the coil-shaped functional element, and the functional element weighing 10 mg or less in the present embodiment, the purpose is to form the piezoelectric film, the pyroelectric film, and the additional film formed on the substrate. It is necessary to peel off these films from the substrate after cutting into the shape as described below. As a means for cutting the membrane into a desired shape, for example, it is effective to use a needle having a sharp tip shape. As an example, a scanning probe microscope (SPM) such as a scanning atomic force microscope (AFM) or a scanning tunnel microscope (STM) can be used. A sharp and hard probe is used as an SPM probe, and a film can be cut out by scanning over a contour to be cut while the probe is in contact with the film surface. SPM is suitable as a processing means of the present invention in that it can process from a nanometer (nm) scale to a several hundred micron (μm) scale. As a means for cutting out a film, a focused ion beam processing machine (FIB) capable of microfabrication on a micron scale is also suitable in addition to SPM. Further, the processing means in the present invention is not limited to the above, and various devices and processing means can be used according to the size of the element.

膜を目的とする形状に切り出した後、基板から剥離する手段としては、例えば、下記の方法を用いることができる。切り出し加工後の基板およびその上面に付着した膜を、基板材料を溶解するが膜材料に対しては侵食しない溶媒中に浸漬することで膜を基板から剥離することができる。また、基板材料および膜材料の両方に対して侵食しない液体中に浸漬しても膜を基板から剥離することができる。この場合は、液体が基板材料と膜材料の少なくともどちらか一方と親和性を有する必要がある。この親和性により膜と基板の間に形成された極小さな隙間から入り込み、隙間の存在する面積を拡大することにより膜を基板から剥離することができる。この場合、液体と基板材料または膜材料との親和性が不足している場合には液体中に界面活性剤を添加することは非常に有効である。さらに、より確実な剥離方法として、図6に示すように基板21と素子に必要な積層膜23および圧電性または焦電性薄膜24の間に剥離溶媒に非常に良く溶解する極薄層(犠牲層と呼ぶ)22を形成しておくことは非常に有効である。犠牲層22に用いる材料としては素子に必要な膜の材料および基板材料21を全く侵食しない液体に対して容易に溶解する材料を選ぶことが重要である。一例を挙げると、水によって侵食されない膜材料と基板材料の場合は水溶性の材料が適している。また、非極性の有機溶媒に可溶な膜材料と基板材料の場合には極性溶媒に良く溶ける材料が適している。逆に、極性の有機溶媒に可溶な膜材料と基板材料の場合には非極性溶媒に良く溶ける材料が適している。
(実施例1)
As a means for separating the film from the substrate after cutting the film into a desired shape, for example, the following method can be used. By immersing the cut substrate and the film attached to the upper surface thereof in a solvent that dissolves the substrate material but does not corrode the film material, the film can be separated from the substrate. In addition, the film can be peeled from the substrate even when immersed in a liquid that does not corrode both the substrate material and the film material. In this case, the liquid needs to have an affinity for at least one of the substrate material and the film material. Due to this affinity, the film can enter from a very small gap formed between the film and the substrate, and can be separated from the substrate by increasing the area where the gap exists. In this case, when the affinity between the liquid and the substrate material or the film material is insufficient, it is very effective to add a surfactant to the liquid. Further, as a more reliable peeling method, as shown in FIG. 6, an ultrathin layer (sacrificed very well in a peeling solvent) between the substrate 21 and the laminated film 23 and the piezoelectric or pyroelectric thin film 24 necessary for the element. It is very effective to form 22). As the material used for the sacrificial layer 22, it is important to select a material that is easily dissolved in a liquid that does not erode the substrate material 21 and a film necessary for the device. For example, a water-soluble material is suitable for a film material and a substrate material that are not eroded by water. In the case of a film material and a substrate material that are soluble in a nonpolar organic solvent, a material that is well soluble in a polar solvent is suitable. Conversely, in the case of a film material and a substrate material that are soluble in a polar organic solvent, a material that is well soluble in a nonpolar solvent is suitable.
(Example 1)

ガラス基板上にAl薄膜を蒸着した導電性基板上にP(VDF−TrFE)(共重合モル比75/25)のメチルエチルケトン溶液(1wt%)をスピンコートした後、140℃で1時間熱処理して膜厚100nmのP(VDF−TrFE)薄膜を作成する。この
膜を導電性のAFM探針(バネ定数2N/m)を用いてDC10Vの電圧を印加しながら走査することによりポーリング処理を行う。続いて同じAFM探針を用いて120℃に加熱しながら探針を膜表面に1μNの力で接触させ面積約20μmx20μm の領域の輪郭をなぞることにより上記領域の膜を切断し、走査型電子顕微鏡チャンバー内にセットして電子線走査することにより膜表面を架橋させる。この膜に、チューブ形成後にチューブ内径に接する部分である端部に幅6μm、長さ20μm程度のAu電極を形成し、NaOH水溶液に浸漬するとAl薄膜が溶解してP(VDF−TrFE)薄膜が水面上に浮き上がる。水面に水平に清浄なガラス基板を接し、顕微鏡下で観察することにより直径約2μm、長さ約20μmのP(VDF−TrFE)チューブを得ることができる。
圧電性については、AFM装置を用い、Jpn.J.Appl.Phys., vol.37, p.3884 (1999)およびThin Solid Films, vol.353, p.259 (1999)に記載された方法により確認することができる。
焦電性については、温度可変のAFM用ステージに上記の試料を設置し、試料温度を変化させながらAFM探針を用いて焦電電流測定することによりその特性を確認することができる。
上記実施例による方法で製膜、ポーリング、および電子線照射を行うことで得られるP(VDF−TrFE)チューブは圧電性および焦電性を有する。
(実施例2)
After spin-coating a methyl ethyl ketone solution (1 wt%) of P (VDF-TrFE) (copolymer molar ratio 75/25) on a conductive substrate having an Al thin film deposited on a glass substrate, heat-treating at 140 ° C. for 1 hour. A P (VDF-TrFE) thin film having a thickness of 100 nm is formed. The film is scanned by using a conductive AFM probe (spring constant 2 N / m) while applying a voltage of DC 10 V to perform a polling process. Then, using the same AFM probe, the probe is brought into contact with the film surface with a force of 1 μN while being heated to 120 ° C., and the film in the above region is cut by tracing the contour of a region having an area of about 20 μm × 20 μm. The film surface is crosslinked by setting it in a chamber and scanning with an electron beam. After forming the tube, an Au electrode having a width of about 6 μm and a length of about 20 μm is formed at an end portion which is in contact with the inner diameter of the tube after the tube is formed. Floating above the water surface. A P (VDF-TrFE) tube having a diameter of about 2 μm and a length of about 20 μm can be obtained by bringing a clean glass substrate into contact with the water surface horizontally and observing it under a microscope.
For piezoelectricity, an AFM device was used, and Jpn. J. Appl. Phys. , Vol. 37, p. 3884 (1999) and Thin Solid Films, vol. 353, p. 259 (1999).
The pyroelectricity can be confirmed by placing the sample on an AFM stage with a variable temperature and measuring the pyroelectric current using an AFM probe while changing the sample temperature.
The P (VDF-TrFE) tube obtained by performing film formation, poling, and electron beam irradiation by the method according to the above embodiment has piezoelectricity and pyroelectricity.
(Example 2)

ガラス基板上に懸化度90のポリビニルアルコール(PVA)の0.5wt%水溶液をスピンコートして膜厚0.1μmの薄膜を得、続いてPVA膜上にAu電極を蒸着する。次にその基板上にP(VDF−TrFE)(共重合モル比75/25)のメチルエチルケトン溶液(2wt%)をスピンコートした後、140℃で1時間熱処理して膜厚100nmのP(VDF−TrFE)薄膜を得ることができる。次にAFM装置を用いてDC10Vの電圧を印加しながら約50μm×50μmの領域を走査することによりポーリングを行う。その後上記試料の表面にスピンコート法によりネガ型のフォトポリマー膜(膜厚100nm)を形成し、紫外線照射によりフォトポリマー膜を十分架橋させる。さらに実施例1と同様の要領で上記領域の端部に幅約9μm、長さ20μm程度のAu電極を形成する。その後、実施例1と同様の方法を用いて面積約20μm×20μmの領域を切り出し、基板を水中に浸漬して膜を基板から剥離させることで、実施例1と同様の方法で直径約3μm、長さ約20μmの圧電性および焦電性を有するP(VDF−TrFE)のチューブを得ることができる。これらの特性の確認は実施例1と同様の方法で行うことができる。
(実施例3)
A 0.5 wt% aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) having a degree of suspension of 90 is spin-coated on a glass substrate to obtain a thin film having a thickness of 0.1 μm, and then an Au electrode is deposited on the PVA film. Next, a P (VDF-TrFE) (copolymerization molar ratio: 75/25) methyl ethyl ketone solution (2 wt%) was spin-coated on the substrate, and then heat-treated at 140 ° C. for 1 hour to form a P (VDF-TrF) having a thickness of 100 nm. TrFE) thin film can be obtained. Next, polling is performed by scanning an area of about 50 μm × 50 μm while applying a voltage of 10 V DC using an AFM device. Thereafter, a negative-type photopolymer film (thickness: 100 nm) is formed on the surface of the sample by spin coating, and the photopolymer film is sufficiently crosslinked by irradiation with ultraviolet rays. Further, an Au electrode having a width of about 9 μm and a length of about 20 μm is formed at the end of the above region in the same manner as in the first embodiment. Thereafter, a region having an area of about 20 μm × 20 μm was cut out using the same method as in Example 1, and the substrate was immersed in water to peel off the film from the substrate. A tube of P (VDF-TrFE) having a length of about 20 μm and having piezoelectricity and pyroelectricity can be obtained. Confirmation of these characteristics can be performed in the same manner as in the first embodiment.
(Example 3)

実施例1と同様の方法で形成し、140℃で1時間熱処理を行ったP(VDF−TrF
E)薄膜(膜厚100nm)の分子鎖を一方向に配列することにより弾性率に異方性を生じさせる。具体的にはP(VDF−TrFE)薄膜を135℃に加熱した状態で面積約5
0μm×50μm の領域についてAFM探針(バネ定数:0.2N/m)を用いてその
表面を一方向に走査する。その結果、AFMの走査方向に平行に分子鎖が配列されて、上
記の領域の結晶の長軸は全て走査方向に垂直に並ぶ。この結晶の弾性率は分子鎖方向(膜面内で結晶の短軸方向)が他の方向に比べて高くなるため、上記の処理により弾性率に異方性を発現できる。上記の膜を実施例1と同様の方法を用いて表面にAu電極を付けた後、膜の切り出しおよび電子線照射、剥離を行い長さ約3μm、直径約1μmの圧電性および焦電性を有するコイル形状の素子が得られる。この例では分子鎖が配列された領域の中で幅約0.5μm、長さ約50μmの帯状の部分を切り出し、切り出した部分が結晶の長軸方向(弾性率が最小の方向)となす角度Θ(図3参照)は30度程度とする。圧電性および焦電性の確認は実施例1と同様の方法で行うことができる。
(実施例4)
P (VDF-TrF) formed in the same manner as in Example 1 and heat-treated at 140 ° C. for 1 hour.
E) Anisotropy is generated in the elastic modulus by arranging the molecular chains of the thin film (thickness: 100 nm) in one direction. Specifically, a P (VDF-TrFE) thin film is heated to 135 ° C. and has an area of about 5
The surface of the area of 0 μm × 50 μm is scanned in one direction using an AFM probe (spring constant: 0.2 N / m). As a result, the molecular chains are arranged parallel to the scanning direction of the AFM, and the major axes of the crystals in the above-described region are all aligned perpendicular to the scanning direction. Since the elastic modulus of the crystal is higher in the molecular chain direction (the minor axis direction of the crystal in the film plane) than in the other directions, the above-mentioned treatment can express anisotropy in the elastic modulus. After applying an Au electrode to the surface of the above film using the same method as in Example 1, the film is cut out, irradiated with an electron beam, and peeled to obtain a piezoelectric and pyroelectric material having a length of about 3 μm and a diameter of about 1 μm. A coil-shaped element is obtained. In this example, a band-like portion having a width of about 0.5 μm and a length of about 50 μm is cut out from the region where the molecular chains are arranged, and the cut-out portion forms an angle with the major axis direction of the crystal (the direction in which the elastic modulus is minimum). Θ (see FIG. 3) is about 30 degrees. Confirmation of piezoelectricity and pyroelectricity can be performed in the same manner as in the first embodiment.
(Example 4)

P(VDF−TrFE)(共重合モル比75/25)のジメチルフォルムアミド溶液(20wt%)を注射器にとり、直径200nmの円柱状の空孔を有する膜厚60μmのアルミナフィルター内に注入する。続いて上記フィルターを100℃に加熱して溶媒を除去する。溶媒除去に伴い発生する空孔内の空隙を埋めるために、上記の走査を5回繰り返すことが好ましい。次に、140℃で1時間熱処理して結晶化させる。この段階でも空孔内に若干の空隙が存在するため、上記の注入操作(5回の注入および100℃乾燥の後140℃の熱処理)をさらに一度繰り返す。上記の処理を行ったアルミナフィルターをその面内で2つに切断し、その1片の表面と裏面にAl電極を形成し、両者の間に4kvのDC電圧を印加することにより、アルミナフィルター内に注入されたP(VDF−TrFE)をフィルター空孔の長手方向に対してポーリングする。次に、先に切断したフィルターの他の1片をFIB装置のチャンバー内に設置して、フィルター面内で約60μm×1000μmの棒状の部分を切り出し、この棒状片の対向するフィルター断面部分にAl電極を形成して、両電極間に4kVのDC電圧を印加することにより今度はフィルター空孔の短手方向に対してポーリングを行う。これら2つのポーリング方向が異なるアルミナフィルター片を別々にNaOH水溶液に浸漬し、アルミナフィルターを溶解する。その後、実施例1と同様の方法を用いてガラス基板上に直径約200nm、長さ約60μmの、その直径方向にポーリングされたP(VDF−TrFE)ワイヤおよび長手方向にポーリングされたP(VDF−TrFE)ワイヤを得ることができる。圧電性および焦電性の確認は実施例1と同様の方法で行うことができる。
(実施例5)
A dimethylformamide solution (20 wt%) of P (VDF-TrFE) (copolymerization molar ratio 75/25) is taken in a syringe, and injected into a 60 μm-thick alumina filter having columnar holes with a diameter of 200 nm. Subsequently, the filter is heated to 100 ° C. to remove the solvent. It is preferable to repeat the above-described scan five times in order to fill the voids in the pores generated due to the removal of the solvent. Next, heat treatment is performed at 140 ° C. for 1 hour to crystallize. Even at this stage, since there are some gaps in the holes, the above-described injection operation (five injections and drying at 100 ° C. followed by heat treatment at 140 ° C.) is repeated once more. The alumina filter that has been subjected to the above treatment is cut into two pieces in the plane, an Al electrode is formed on the front and back surfaces of one piece, and a DC voltage of 4 kv is applied between the two to form an alumina filter. P (VDF-TrFE) injected into the filter is polled in the longitudinal direction of the filter hole. Next, another piece of the previously cut filter was placed in the chamber of the FIB apparatus, and a rod-shaped portion of about 60 μm × 1000 μm was cut out in the filter surface, and the rod-shaped piece was placed on the opposing filter cross-sectional portion. An electrode is formed, and a poling is performed in the short direction of the filter hole by applying a DC voltage of 4 kV between both electrodes. These two alumina filter pieces having different poling directions are separately immersed in an aqueous NaOH solution to dissolve the alumina filter. Thereafter, using a method similar to that of Example 1, a P (VDF-TrFE) wire and a P (VDF) wire having a diameter of about 200 nm and a length of about 60 μm that are poled in the diameter direction and P (VDF) that are poled in the length direction are formed on a glass substrate. -TrFE) wire can be obtained. Confirmation of piezoelectricity and pyroelectricity can be performed in the same manner as in the first embodiment.
(Example 5)

グラファイト基板上に実施例1と同様の方法でP(VDF−TrFE)溶液をスピンコートした後熱処理結晶化を行って膜厚100nmのP(VDF−TrFE)薄膜を得る。この膜を100℃に加熱した状態で、その結晶の表面に導電性を有するAFM探針(バネ定数;40N/m)を3μNの力で接触させながら一方向に探針を移動させる。この処理により、P(VDF−TrFE)の微結晶は探針の移動方向に延伸され、図7に示す長さ約1000nm、幅約100nmのP(VDF−TrFE)ワイヤが得られる。続いて、上記のAFM探針を用いて5VのDC電圧を印加しながらワイヤ表面を走査することによりポーリング処理を行い、ポーリング後、AFM装置を用いて圧電測定を行うことにより、このP(VDF−TrFE)ワイヤが圧電性を有することを確認することができる。ワイヤの焦電性についても実施例1と同様の方法で測定することができる。
(実施例6)
A P (VDF-TrFE) thin film having a thickness of 100 nm is obtained by spin-coating a P (VDF-TrFE) solution on a graphite substrate in the same manner as in Example 1 and then performing heat treatment crystallization. While the film is heated to 100 ° C., the probe is moved in one direction while a conductive AFM probe (spring constant: 40 N / m) is brought into contact with the surface of the crystal with a force of 3 μN. By this processing, the P (VDF-TrFE) microcrystal is elongated in the direction of movement of the probe, and a P (VDF-TrFE) wire having a length of about 1000 nm and a width of about 100 nm shown in FIG. 7 is obtained. Subsequently, a poling process is performed by scanning the wire surface while applying a DC voltage of 5 V using the above-mentioned AFM probe, and after the poling, a piezoelectric measurement is performed using an AFM device to obtain the P (VDF -TrFE) It can be confirmed that the wire has piezoelectricity. The pyroelectricity of the wire can be measured in the same manner as in Example 1.
(Example 6)

実施例1の方法を用いて内径が100μmのP(VDF−TrFE)チューブと内径が0.5mmのP(VDF−TrFE)チューブの、内径の異なる2種類のチューブを作製する。内径の大きさは照射する電子線の量によって調節し、チューブの長さは何れも約100μmとした。膜の切り出しはFIB装置を用いて行う。
続いて、上記のチューブの外側にAl電極を蒸着する。このとき、チューブ内およびチューブ外の電極が接触することが無いように、電極はチューブの長さ方向中央部40μmの長さ部分のみに形成する。続いて、これらのチューブを少量の染料を溶解した蒸留水中に浸し、チューブ内に染料を含んだ蒸留水を満たす。その後、顕微鏡下で上記の含染料水の液滴に各チューブの一端の外部電極の形成されていない部分を接触させ、チューブの他端には吸水性に優れた濾紙をその表面チューブの端部に接触するように設置する。この状態でチューブ内外に形成された電極間に5Vppの交流電圧を3分間印加すると、濾紙の表面にはチューブを介して輸送された含染料水が吸収され、顕微鏡下で観察するとほぼ円形の着色された部分が形成される。この面積を測定し、チューブ内断面の面積で正規化して評価を行うと、内径100μmのチューブは内径500μmのチューブに比べて著しく輸送効率が向上していることが分かる。したがって、本発明の圧電性チューブにおいて特に内径100μm以下のチューブが液体の輸送および吐出の性能に優れていることが分かる。
(実施例7)
Using the method of Example 1, two types of tubes having different inner diameters, a P (VDF-TrFE) tube having an inner diameter of 100 μm and a P (VDF-TrFE) tube having an inner diameter of 0.5 mm, are produced. The size of the inner diameter was adjusted according to the amount of electron beam to be irradiated, and the length of each tube was about 100 μm. The film is cut out using a FIB apparatus.
Subsequently, an Al electrode is deposited on the outside of the tube. At this time, the electrodes are formed only at a length of 40 μm in the longitudinal center of the tube so that the electrodes inside and outside the tube do not come into contact with each other. Subsequently, these tubes are immersed in distilled water in which a small amount of dye is dissolved, and the tubes are filled with distilled water containing dye. Then, under a microscope, the above-mentioned dye-containing water droplet was brought into contact with a portion of one end of each tube where the external electrode was not formed, and a filter paper having excellent water absorption was applied to the other end of the tube at the end of the surface tube. Set up so that it contacts. In this state, when an AC voltage of 5 Vpp is applied between the electrodes formed inside and outside the tube for 3 minutes, the dye-containing water transported through the tube is absorbed on the surface of the filter paper, and when observed under a microscope, a substantially circular coloring is observed. The formed part is formed. When this area is measured and normalized by the area of the inner cross section of the tube and evaluated, it can be seen that the tube having an inner diameter of 100 μm has significantly improved transport efficiency as compared with the tube having an inner diameter of 500 μm. Therefore, it can be seen that the tube having an inner diameter of 100 μm or less in the piezoelectric tube of the present invention is particularly excellent in liquid transport and discharge performance.
(Example 7)

実施例6と同様の方法を用いて直径500μmおよび100μmの径を有するP(VDF−TrFE)ワイヤ(これらは全て長さ100μmとした)を作製し、図8に示すように、その一端を導電性基板25上に固定した。この場合、ワイヤ11を固定すると共に一方の電極13のみが導電性基板11と導通が取れるように注意して顕微鏡下で固定する。次にAFM装置に設置された導電性カンチレバー26(バネ定数0.2N/m)をワイヤ11の固定端近傍で、しかも基板21に設置されていない方の電極12上に固定する。この状態で両電極12、13間に電界を印加するとワイヤ11はその圧電性により伸縮する。両電極12、13間にそれぞれ100VのDC電圧を印加し、圧電性による各ワイヤの傾きを測定した。ワイヤの傾き測定はワイヤ先端付近に微細径のレーザ光を照射し、その反射光の位置から測定する。
上記において、ワイヤ11の圧電応答時にワイヤ先端の移動距離(ワイヤ11の傾き角)を比較すると、直径100μmのワイヤでは直径500μmのワイヤに比較してこれらの値が著しく向上する。したがって、直径100μm以下の圧電性P(VDF−TrFE)ワイヤはアクチュエータとしての高い性能を有することが分かる。
(実施例8)
A P (VDF-TrFE) wire having a diameter of 500 μm and a diameter of 100 μm (all of these wires having a length of 100 μm) was manufactured using the same method as in Example 6, and one end of the wire was made conductive as shown in FIG. Fixed on the conductive substrate 25. In this case, the wires 11 are fixed, and the electrodes 11 are fixed under a microscope while taking care so that only one electrode 13 can be electrically connected to the conductive substrate 11. Next, the conductive cantilever 26 (spring constant 0.2 N / m) installed in the AFM device is fixed near the fixed end of the wire 11 and on the electrode 12 not installed on the substrate 21. When an electric field is applied between the electrodes 12 and 13 in this state, the wire 11 expands and contracts due to its piezoelectricity. A DC voltage of 100 V was applied between both electrodes 12 and 13, and the inclination of each wire due to piezoelectricity was measured. The inclination of the wire is measured by irradiating a laser beam having a small diameter near the tip of the wire and measuring the position of the reflected light.
In the above description, when the movement distance of the tip of the wire 11 (the inclination angle of the wire 11) is compared during the piezoelectric response of the wire 11, these values are remarkably improved in a wire having a diameter of 100 μm as compared with a wire having a diameter of 500 μm. Therefore, it is understood that a piezoelectric P (VDF-TrFE) wire having a diameter of 100 μm or less has high performance as an actuator.
(Example 8)

図9に示すように、内径50μmの円柱状の孔32を加工したポリメタクリレート(PMMA)板31を作製する。また、実施例3の方法を用いて作製された内径10μmの圧電性を有するP(VDF−TrFE)コイル形状素子と実施例4の方法を用いて作製された直径10μmの圧電性P(VDF−TrFE)ワイヤ(何れも長さ100μm)34を用意する。次に、ポリメタクリレート(PMMA)板31の孔32内にカーボン粉を蒸着し、顕微鏡観察により孔32内に一様に煤が付着していることを確認した後、顕微鏡下でPMMA板31の孔32内にP(VDF−TrFE)コイル形状素子33およびP(VDF−TrFE)ワイヤ34を挿入する。以上の準備を行った後、実施例9と同様にコイル形状素子33およびワイヤ34に設置された2枚の電極間に5Vpp、60HzのAC電圧を1分間加え、各PMMA板31の孔32内のカーボン煤の付着状態を顕微鏡下で観察すると、いずれの試料においてもPMMA板31表面から100μm以内の距離において、煤がきれいに除去されていることが分かる。この結果から、本発明によるアクチュエータは微細な管内の洗浄装置に適用できることが分かる。
(実施例9)
As shown in FIG. 9, a polymethacrylate (PMMA) plate 31 in which a cylindrical hole 32 having an inner diameter of 50 μm is processed is manufactured. Further, a P (VDF-TrFE) coil-shaped element having an inner diameter of 10 μm and having a piezoelectric property manufactured by using the method of Embodiment 3 and a piezoelectric P (VDF-VDF-T) having a diameter of 10 μm manufactured by using the method of Embodiment 4 were used. A TrFE) wire (each having a length of 100 μm) 34 is prepared. Next, carbon powder is vapor-deposited in the holes 32 of the polymethacrylate (PMMA) plate 31, and it is confirmed by microscopic observation that soot is uniformly attached to the holes 32. A P (VDF-TrFE) coil-shaped element 33 and a P (VDF-TrFE) wire 34 are inserted into the hole 32. After performing the above preparation, an AC voltage of 5 Vpp and 60 Hz is applied between the two electrodes provided on the coil-shaped element 33 and the wire 34 for 1 minute in the same manner as in the ninth embodiment. Observing the state of adhesion of the carbon soot under a microscope, it can be seen that soot is cleanly removed within a distance of 100 μm or less from the surface of the PMMA plate 31 in any of the samples. From this result, it is understood that the actuator according to the present invention can be applied to a cleaning apparatus for cleaning a fine pipe.
(Example 9)

内径10mm、深さ100mmの円柱状のプラスチック容器および内径1mm、深さ10mmの円柱状のプラスチック容器を半径100mm、厚み10mmの円盤状のフェライト磁石の上方に100mm離して設置した。一方、半径3mm、長さ40mmのP(VDF−TrFE)ワイヤおよび半径0.3mm、長さ4mmのP(VDF−TrFE)ワイ
ヤを作製し、それらの中に何れも1辺が10μmの立方体形状を有する微小フェライト磁石を各1個埋め込んだ。これらのワイヤの質量はそれぞれ約2gおよび2mgであった。P(VDF−TrFE)ワイヤをそれぞれ上記の内径10mmおよび1mmの円柱容器内に入れると、半径0.3mmのP(VDF−TrFE)ワイヤは磁力により空中に浮き上がるが、半径3mmのP(VDF−TrFE)ワイヤは浮き上がらない。したがって、質量2mgのP(VDF−TrFE)ワイヤによるアクチュエータは外部磁場により容易に移動できることが分かる。この質量は10mg以下であれば外部磁場により制御することができる。
(実施例10)
A cylindrical plastic container having an inner diameter of 10 mm and a depth of 100 mm and a cylindrical plastic container having an inner diameter of 1 mm and a depth of 10 mm were placed 100 mm apart from a disk-shaped ferrite magnet having a radius of 100 mm and a thickness of 10 mm. On the other hand, a P (VDF-TrFE) wire having a radius of 3 mm and a length of 40 mm and a P (VDF-TrFE) wire having a radius of 0.3 mm and a length of 4 mm were produced, and all of them were cubic with a side of 10 μm. Each of the micro ferrite magnets having the following is embedded. These wires weighed about 2 g and 2 mg, respectively. When a P (VDF-TrFE) wire is placed in the cylindrical container having an inner diameter of 10 mm and 1 mm, the P (VDF-TrFE) wire having a radius of 0.3 mm floats in the air due to magnetic force, but a P (VDF-TrFE) having a radius of 3 mm. TrFE) wire does not float. Therefore, it can be seen that an actuator using a P (VDF-TrFE) wire having a mass of 2 mg can be easily moved by an external magnetic field. If this mass is 10 mg or less, it can be controlled by an external magnetic field.
(Example 10)

図10に示すように、実施例6で用いた内径20μmの圧電性を有するP(VDF−TrFE)チューブ41を使ってインクジェットプリンター用のプリンターヘッド40を作製し、このプリンターヘッド40を赤、青、緑の各染料を溶解した水系インキが充填されたインクタンク42につなぎ、ポンプで加圧してプリンターヘッド40内にインキを注入する。この状態でプリンターヘッド40に形成された電極間に、5Vppの矩形波電圧を間欠的に30m秒間印加することにより、インキ滴43を噴射することができる。この構成のプリンターヘッド40によれば、従来のヘッドに比べて非常に高精細な点描画を行うことができる。
(実施例11)
As shown in FIG. 10, a printer head 40 for an ink jet printer is manufactured using a P (VDF-TrFE) tube 41 having an inner diameter of 20 μm and having a piezoelectricity used in Example 6, and the printer head 40 is set to red and blue. Is connected to an ink tank 42 filled with an aqueous ink in which green dyes are dissolved, and the ink is injected into the printer head 40 by applying pressure by a pump. In this state, by applying a rectangular wave voltage of 5 Vpp intermittently for 30 msec between the electrodes formed on the printer head 40, the ink droplet 43 can be ejected. According to the printer head 40 having this configuration, very high-precision point drawing can be performed as compared with the conventional head.
(Example 11)

実施例6で用いた内径50μmの圧電性を有するP(VDF−TrFE)チューブを使ってインテグレーティッドケミストリー素子を作製することができる。本実施例にインテグレーティッドケミストリー素子の構成を図11に示す。素子50の一端側のA端子51および他端側のB端子52を、それぞれポリビニルアルコール水溶液(A液)を満たしたタンク53および青色染料水溶液(B液)を満たしたタンク54に接続する。そして、表面張力を利用してタンク53、54内の液をそれぞれチューブ55、56内に導入する。次に、チューブ55、56に形成された電極に5Vpp、1HzのAC電圧を印加すると、圧電伸縮によりチューブ55、56の内径は伸縮し、中に満たされているA液およびB液はエリア57に押し出され、エリア57内でA液とB液とを混合することができる。
なお、エリア57での混合動作を行った液体を赤外分光測定することで、ポリビニルアルコールと青色染料のピークを確認することができる。また、エリア57にさらにチューブ58を接続して3種以上の液を混合させることもできる。
(実施例12)
An integrated chemistry element can be manufactured using a P (VDF-TrFE) tube having an inner diameter of 50 μm and having piezoelectricity used in Example 6. FIG. 11 shows the configuration of the integrated chemistry element in this embodiment. The A terminal 51 on one end and the B terminal 52 on the other end of the element 50 are connected to a tank 53 filled with an aqueous solution of polyvinyl alcohol (Solution A) and a tank 54 filled with an aqueous solution of blue dye (Solution B), respectively. Then, the liquid in the tanks 53 and 54 is introduced into the tubes 55 and 56 using the surface tension. Next, when an AC voltage of 5 Vpp and 1 Hz is applied to the electrodes formed on the tubes 55 and 56, the inner diameters of the tubes 55 and 56 expand and contract due to the piezoelectric expansion and contraction, and the liquid A and the liquid B filled therein are filled in the area 57. The liquid A and the liquid B can be mixed in the area 57.
Note that the peak of polyvinyl alcohol and the blue dye can be confirmed by infrared spectroscopic measurement of the liquid that has been subjected to the mixing operation in the area 57. Further, a tube 58 can be further connected to the area 57 to mix three or more kinds of liquids.
(Example 12)

面積10mm×10mmで異なる質量(1gと10mg)を有するポーリングされたP(VDF−TrFE)薄膜の片方の電極上に膜厚2nmのカーボン膜を蒸着して黒く着色し、カーボン膜上に出力2mWのHe−Neレーザ光をON、OFFしながら照射して、ON、OFF時に電極間に発生する焦電電圧の応答時間を測定すると、膜質量が10mgのものは1gのものに比べて応答速度が著しく向上していることが分かる。この現象が起こる理由としては、面積を一定にして膜厚を薄くして軽量化すると、膜の熱容量が著しく小さくなり応答速度が向上すると考えられる。   A 2 nm-thick carbon film is deposited on one electrode of a poled P (VDF-TrFE) thin film having an area of 10 mm × 10 mm and having different masses (1 g and 10 mg) and is colored black, and the output power is 2 mW on the carbon film. The He-Ne laser light was irradiated while being turned ON and OFF, and the response time of the pyroelectric voltage generated between the electrodes when ON and OFF was measured. It can be seen that is significantly improved. The reason why this phenomenon occurs is that when the area is kept constant and the film thickness is reduced to reduce the weight, the heat capacity of the film is significantly reduced and the response speed is improved.

本発明による機能素子は、エレクトロニクス分野、オプトエレクトロニクス分野、メカトロニクス分野、インテグレーティッドケミストリーや体内計測などの分野における、アクチュエータやセンサなど、高精細化、高密度化、高集積化が求められる装置に利用することができる。   The functional element according to the present invention is used for devices requiring high definition, high density, and high integration, such as actuators and sensors, in the fields of electronics, optoelectronics, mechatronics, integrated chemistry and in-vivo measurement. can do.

本発明におけるチューブ状機能素子の構成を示す斜視図The perspective view which shows the structure of the tubular functional element in this invention. 本発明におけるコイル状機能素子の構成を示す斜視図The perspective view which shows the structure of the coil-shaped functional element in this invention. 本発明におけるコイル状機能素子の作製過程における薄膜を切り出す方向を説明する概念図FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a direction in which a thin film is cut out in the process of manufacturing the coil-shaped functional element in the present invention 本発明におけるワイヤ状機能素子の構成を示す斜視図The perspective view which shows the structure of the wire-shaped functional element in this invention. 本発明におけるワイヤ状機能素子の製造に用いられるテンプレートの斜視図The perspective view of the template used for manufacture of the wire-shaped functional element in this invention. 本発明におけるチューブ状機能素子の他の製造方法を説明する側面図Side view explaining another manufacturing method of a tubular functional element in the present invention. 本発明におけるワイヤ状機能素子のAFM像を示す写真A photograph showing an AFM image of the wire-shaped functional element according to the present invention. 本発明の実施例におけるワイヤ状機能素子の圧電性による伸縮動作の確認方法を説明する概念図FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a method of confirming expansion / contraction operation due to piezoelectricity of a wire-shaped functional element in an embodiment of the present invention. 本発明によるアクチュエータを管内の洗浄装置に適用した際の動作の確認方法を説明する斜視図FIG. 3 is a perspective view for explaining a method of confirming an operation when the actuator according to the present invention is applied to a cleaning device in a pipe. 本発明によるアクチュエータをインクジェットプリンターヘッドに適用した際の動作を説明する概念図Conceptual diagram for explaining the operation when the actuator according to the present invention is applied to an ink jet printer head 本発明によるアクチュエータをインテグレーティッドケミストリー素子に適用した際の動作を説明する概念図Conceptual diagram for explaining the operation when the actuator according to the present invention is applied to an integrated chemistry element

符号の説明Explanation of reference numerals

1、2 薄膜
11 ワイヤ
12、13 電極
15 テンプレート
16 空孔
21 基板材料
22 犠牲層
23 積層膜
24 圧電性または焦電性薄膜
25 導電性基板
26 カンチレバー
31 PMMA板
32 孔
33 コイル形状素子
34 ワイヤ
40 プリンターヘッド
41 チューブ
42 インクタンク
43 インキ滴
50 素子
51 A端子
52 B端子
53、54 タンク
55、56、58 チューブ
57 エリア
1, 2 Thin film 11 Wire 12, 13 Electrode 15 Template 16 Void 21 Substrate material 22 Sacrificial layer 23 Laminated film 24 Piezoelectric or pyroelectric thin film 25 Conductive substrate 26 Cantilever 31 PMMA plate 32 Hole 33 Coiled element 34 Wire 40 Printer head 41 Tube 42 Ink tank 43 Ink droplet 50 Element 51 A terminal 52 B terminal 53, 54 Tank 55, 56, 58 Tube 57 Area

Claims (11)

圧電性または焦電性を有する材料をワイヤ状に形成したことを特徴とする機能素子。   A functional element, wherein a piezoelectric or pyroelectric material is formed in a wire shape. 前記材料が有機材料からなることを特徴とする請求項1に記載の機能素子。   The functional element according to claim 1, wherein the material is made of an organic material. ワイヤの直径が100μm以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能素子。   The functional element according to claim 1, wherein a diameter of the wire is 100 μm or less. 圧電性または焦電性を有する材料で構成され、質量が10mg以下であることを特徴とする機能素子。   A functional element comprising a piezoelectric or pyroelectric material and having a mass of 10 mg or less. 請求項1から請求項4のいずれかに記載の機能素子を用いたことを特徴とするアクチュエータ。   An actuator using the functional element according to any one of claims 1 to 4. 請求項1から請求項4のいずれかに記載の機能素子を用いたことを特徴とする圧電または焦電センサ。   A piezoelectric or pyroelectric sensor using the functional element according to claim 1. 請求項1から請求項4のいずれかに記載の機能素子を液体の流速計測用センサおよびまたは超音波診断用センサおよびまたは温度計測用センサとして用いたことを特徴とする装置。   An apparatus characterized in that the functional element according to any one of claims 1 to 4 is used as a sensor for measuring the flow velocity of liquid and / or a sensor for ultrasonic diagnosis and / or a sensor for measuring temperature. 請求項1から請求項4のいずれかに記載の機能素子を液体輸送管内に挿入し、前記液体輸送管内で動作させることで管内の清浄化を行うことを特徴とする装置。   An apparatus characterized in that the functional element according to any one of claims 1 to 4 is inserted into a liquid transport pipe, and is operated in the liquid transport pipe to clean the inside of the pipe. 請求項7または請求項8に記載の装置を人体内組織の治療または計測に用いたことを特徴とする装置。   An apparatus using the apparatus according to claim 7 or 8 for treating or measuring tissue in a human body. ワイヤ状の空孔を有するテンプレート内に、圧電性または焦電性を有する材料を充填後、前記テンプレートを除去することでワイヤ状機能素子を製造することを特徴とする機能性素子の製造方法。   A method for producing a functional element, comprising: filling a template having wire-shaped holes with a material having piezoelectricity or pyroelectricity; and removing the template to produce a wire-shaped functional element. 鋭利な先端形状を有する針を結晶表面または膜表面に接触させ、その針を1軸方向に移動させることにより結晶または膜を1軸方向に延伸することでワイヤ状機能素子を製造することを特徴とする機能性素子の製造方法。
A wire-shaped functional element is manufactured by bringing a needle having a sharp tip into contact with a crystal surface or a film surface and moving the needle in a uniaxial direction to extend the crystal or the film in a uniaxial direction. Of manufacturing a functional element.
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