JP2013021176A - 圧電素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電性能が更に優れた圧電素子を提供する。
【解決手段】圧電素子１０は、圧電体２０と、圧電体２０の一方の面２０ｂに設けられた第１の導電性エラストマー基材２２と、圧電体２０の他方の面２０ａに設けられた第２の導電性エラストマー基材２４とを有する。また、圧電体２０と第１の導電性エラストマー基材２２との間、および圧電体２０と第２の導電性エラストマー基材２４との間のうち、少なくとも一方の間に電極２６を設けることができる。
【選択図】図１
【解決手段】圧電素子１０は、圧電体２０と、圧電体２０の一方の面２０ｂに設けられた第１の導電性エラストマー基材２２と、圧電体２０の他方の面２０ａに設けられた第２の導電性エラストマー基材２４とを有する。また、圧電体２０と第１の導電性エラストマー基材２２との間、および圧電体２０と第２の導電性エラストマー基材２４との間のうち、少なくとも一方の間に電極２６を設けることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、センサ、超音波探触子、発電素子、振動発電器等の利用に好適な圧電素子に関し、特に、圧電体が導電性ゴムで挟まれた圧電素子に関する。
現在、圧電材料で構成される圧電体は、アクチュエーター、センサ、超音波探触子、発電素子、振動発電器等に使用されている。この圧電体は、無機圧電材料、高分子圧電材料、高分子複合圧電体材料等により構成される。
無機圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）をはじめとする鉛系圧電材料が主に用いられている。
無機圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）をはじめとする鉛系圧電材料が主に用いられている。
高分子圧電材料は、可撓性、耐衝撃性、易加工性、大面積化が可能等の高分子材料特有の特性を備えた圧電材料であり、無機圧電材料に比して、電力出力定数（圧電ｇ定数）が高く、また、音響インピーダンスが人体または水に近いため、各種センサ、または超音波探触子もしくはハイドロホン等の超音波トランスデューサ、制振材（ダンパー）、または振動発電への応用が期待されている。これらの応用分野においては、単位電界あたりの歪量（発信能）の指標である圧電歪み定数（ｄ定数）および単位応力あたりの発生電界強度（受信能）の指標であるｇ定数の双方の大きさ、またはそのバランスの優れた圧電材料が求められている。
高分子圧電材料としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）に代表される高分子物質自身に圧電性を有する圧電高分子が知られているが、無機圧電材料に比してｄ定数が低いため、高分子圧電材料を上記用途に用いる場合には充分な性能が得られない。
高分子圧電材料としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）に代表される高分子物質自身に圧電性を有する圧電高分子が知られているが、無機圧電材料に比してｄ定数が低いため、高分子圧電材料を上記用途に用いる場合には充分な性能が得られない。
高分子複合圧電体材料は、高分子材料をマトリックスとして、この高分子マトリックス中に無機圧電体材料を複合化して圧電性を付与するものである。この高分子複合圧電体材料は、上記高分子材料特有の長所と、無機圧電体材料の優れた圧電性能（ｄ定数）が活かされた圧電体である。高分子複合圧電体材料は、マトリックスとなる高分子材料の種類、無機圧電体材料の種類もしくは組成、コネクティビティ、または形状、そして配合比を変化させることによって、様々な用途に応じた材料設計が可能な圧電体材料として注目されている。このため、高分子複合圧電体材料については、種々のものが提案されている（例えば、特許文献１）。
なお、高分子複合圧電体材料に用いる圧電体材料としては、言うまでもなく高い圧電性能を有するものを用いることが好ましく、ｄ定数の格段に高い、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）をはじめとする鉛系圧電材料が主に用いられている。
なお、高分子複合圧電体材料に用いる圧電体材料としては、言うまでもなく高い圧電性能を有するものを用いることが好ましく、ｄ定数の格段に高い、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）をはじめとする鉛系圧電材料が主に用いられている。
特許文献１には、シアノエチル化セルロースおよび／又はシアノエチル化プルランからなる誘電性バインダーに、ぺロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス多結晶体からなる強誘電性物質を均一に分散混合して形成した複合物に所定電圧を印加してなる良好な高誘電性、焦電性、圧電性を有する電子部品材料が記載されている。
現在、上述のように、圧電材料として用いられる無機圧電材料、高分子圧電材料および高分子複合圧電体材料、ならびに特許文献１に開示された電子部品材料に対して、更なる圧電性能の向上が要求されているのが現状である。
本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、圧電性能が更に優れた圧電素子を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、圧電体と、前記圧電体の一方の面に設けられた第１の導電性エラストマー基材と、前記圧電体の他方の面に設けられた第２の導電性エラストマー基材とを有することを特徴とする圧電素子を提供するものである。
前記圧電体と前記第１の導電性エラストマー基材との間、および前記圧電体と前記第２の導電性エラストマー基材との間のうち、少なくとも一方の間に電極が設けられていることが好ましい。
前記圧電体と前記第１の導電性エラストマー基材との間、および前記圧電体と前記第２の導電性エラストマー基材との間のうち、少なくとも一方の間に電極が設けられていることが好ましい。
前記圧電体は、例えば、高分子マトリックス中に圧電体粒子が均一に分散混合された複合体が分極処理されてなる圧電コンポジット、圧電性単結晶、圧電セラミックス、または圧電性高分子により構成される。
また、例えば、前記高分子マトリックスは、シアノエチル化ポリビニルアルコールに対してシアノエチル化プルランおよびシアノエチル化サッカロースの内の少なくとも１つが添加されたものである。
例えば、前記圧電体粒子は、ペロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス粒子からなる。この場合、前記セラミックス粒子は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛、チタン酸バリウム、またはチタン酸バリウムとビスマスフェライトの固溶体により構成される。
例えば、前記圧電体粒子は、ペロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス粒子からなる。この場合、前記セラミックス粒子は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛、チタン酸バリウム、またはチタン酸バリウムとビスマスフェライトの固溶体により構成される。
また、前記圧電セラミックスは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛、チタン酸バリウム、またはチタン酸バリウムとビスマスフェライトの固溶体により構成される。
本発明によれば、圧電体を第１の導電性エラストマー基材および第２の導電性エラストマー基材で挟む構成とすることにより、圧電性能が更に優れた圧電素子を得ることができる。
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の圧電素子を詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の実施形態の圧電素子の第１の例を示す模式的斜視図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態の圧電素子の第２の例を示す模式的斜視図であり、（ｃ）は、本発明の実施形態の圧電素子の第３の例を示す模式的斜視図である。
図１（ａ）は、本発明の実施形態の圧電素子の第１の例を示す模式的斜視図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態の圧電素子の第２の例を示す模式的斜視図であり、（ｃ）は、本発明の実施形態の圧電素子の第３の例を示す模式的斜視図である。
図１（ａ）に示す圧電素子１０は、圧電体２０と、この圧電体２０の裏面２０ｂに設けられた第１の導電性エラストマー基材２２と、圧電体２０の表面２０ａに設けられた第２の導電性エラストマー基材２４とを有する。
このように、圧電体２０を第１の導電性エラストマー基材２２、第２の導電性エラストマー基材２４で挟む構成とすることにより、ｄ３３定数の値が高くなり、更に優れた圧電特性を得ることができる。
このように、圧電体２０を第１の導電性エラストマー基材２２、第２の導電性エラストマー基材２４で挟む構成とすることにより、ｄ３３定数の値が高くなり、更に優れた圧電特性を得ることができる。
また、本実施形態においては、図１（ｂ）に示す圧電素子１２のように、圧電体２０と第１の導電性エラストマー基材２２との間に、電極として機能する金属層２６を設けてもよい。この場合、金属層２６の表面２６ａに第１の導電性エラストマー基材２２が設けられる。
なお、金属層２６は、圧電体２０と第２の導電性エラストマー基材２４との間に設けてもよい。
さらには、図１（ｃ）に示す圧電素子１４のように、金属層２６を、圧電体２０と第１の導電性エラストマー基材２２との間および圧電体２０と第２の導電性エラストマー基材２４との間の両方に設けてもよい。この場合、第２の導電性エラストマー基材２４は、金属層２６の表面２６ａに設けられる。
なお、金属層２６は、圧電体２０と第２の導電性エラストマー基材２４との間に設けてもよい。
さらには、図１（ｃ）に示す圧電素子１４のように、金属層２６を、圧電体２０と第１の導電性エラストマー基材２２との間および圧電体２０と第２の導電性エラストマー基材２４との間の両方に設けてもよい。この場合、第２の導電性エラストマー基材２４は、金属層２６の表面２６ａに設けられる。
第１の導電性エラストマー基材２２は、例えば、カーボンブラック、金属粒子等が添加された合成ゴム、合成樹脂等の導電性を有するものにより構成される。なお、導電性を有する合成ゴム、合成樹脂等であれば、その組成は特に限定されるものではない。
なお、第２の導電性エラストマー基材２４は、第１の導電性エラストマー基材２２と同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。
なお、第２の導電性エラストマー基材２４は、第１の導電性エラストマー基材２２と同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。
例えば、図１（ａ）に示す圧電素子１０は、図２に示すように、電子部品３０に利用することができる。この場合、電子部品３０は、支持体３２の表面３２ａに圧電素子１０が設けられている。この場合、圧電素子１０が外力を受けて歪むことにより発生した電荷が一対の第１の導電性エラストマー基材２２、第２の導電性エラストマー基材２４により外部に取り出される。
支持体３２には、例えば、アルミニウム基板が用いられる。支持体３２としては、アルミニウム基板以外にも、例えば、銅、ステンレス、ニッケル、タンタル等の金属基板を用いることができる。
さらには、支持体３２として、圧電素子１２がフレキシビリティなものであれば、フレキシビリティを損なわない膜厚２００μｍ以下のフィルム状のフレキシブル基板を用いることができる。このようなフレキシブル基板としては、例えば、ポリイミド、ＰＴＦＥ、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリサルホン、ポリアリレート、ポリアミド等により構成することができ、電子部品３０の使用環境に応じて耐熱性及び吸湿性等により適宜選択することができる。
さらには、支持体３２として、圧電素子１２がフレキシビリティなものであれば、フレキシビリティを損なわない膜厚２００μｍ以下のフィルム状のフレキシブル基板を用いることができる。このようなフレキシブル基板としては、例えば、ポリイミド、ＰＴＦＥ、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリサルホン、ポリアリレート、ポリアミド等により構成することができ、電子部品３０の使用環境に応じて耐熱性及び吸湿性等により適宜選択することができる。
圧電体２０は、圧電素子に利用することができるものであれば、特に限定されるものではない。圧電体２０は、例えば、圧電性単結晶、圧電セラミックス、圧電性高分子、または高分子マトリックス中に圧電体粒子が均一に分散混合された複合体が分極処理されてなる圧電コンポジットにより構成される。
圧電単結晶としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等を用いることができる。
圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛、チタン酸バリウム、またはチタン酸バリウムとビスマスフェライトの固溶体により構成されるものを用いることができる。
圧電性高分子としては、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、フッ化ビニリデン共重合体、ポリアミド、シアン化ビニリデン共重合体、蒸着重合ポリ尿酸膜圧電材料、ポリ−Ｌ−乳酸、セルラーポリプロピレンエレクトレット等が用いられる。
圧電セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛、チタン酸バリウム、またはチタン酸バリウムとビスマスフェライトの固溶体により構成されるものを用いることができる。
圧電性高分子としては、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、フッ化ビニリデン共重合体、ポリアミド、シアン化ビニリデン共重合体、蒸着重合ポリ尿酸膜圧電材料、ポリ−Ｌ−乳酸、セルラーポリプロピレンエレクトレット等が用いられる。
ここで、図３に示すように、圧電コンポジット４０は、例えば、シアノエチル化ポリビニルアルコール（以下、シアノエチル化ＰＶＡともいう。）からなる高分子マトリックス４２中に強誘電体材料からなる圧電体粒子４４が均一に分散されている複合体４６が分極処理されてなるものである。
高分子マトリックス４２は、シアノエチル化ＰＶＡ単体に限定されるものではなく、シアノエチル化ＰＶＡに、更にシアノエチル化プルランおよびシアノエチル化サッカロースの内の少なくとも１つが添加されたものであってもよい。
圧電体粒子４４は、ペロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス粒子からなるものである。圧電体粒子４４を構成するセラミックス粒子は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛（ＰＬＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、またはチタン酸バリウムとビスマスフェライト（ＢｉＦｅ３）の固溶体（ＢＦＢＴ）により構成される。
圧電コンポジット４０は、高分子マトリックス４２を用いているため、可撓性に優れたものとなる。
圧電コンポジット４０においては、例えば、複合体４６の下面４６ａおよび上面４６ｂに、それぞれ第１の導電性エラストマー基材２２、第２の導電性エラストマー基材２４が圧電コンポジット４０の高分子マトリックス４２（誘電性バインダー）の軟化温度以上の温度で圧着される。
圧電コンポジット４０においては、例えば、複合体４６の下面４６ａおよび上面４６ｂに、それぞれ第１の導電性エラストマー基材２２、第２の導電性エラストマー基材２４が圧電コンポジット４０の高分子マトリックス４２（誘電性バインダー）の軟化温度以上の温度で圧着される。
次に、圧電コンポジット４０の製造方法について、図４に基づいて説明する。
まず、導電性の下部基板４７を用意する。この下部基板４７は、別の基板（図示せず）上に、スパッタリング法等により形成した導電性を有する膜であってもよい。
まず、導電性の下部基板４７を用意する。この下部基板４７は、別の基板（図示せず）上に、スパッタリング法等により形成した導電性を有する膜であってもよい。
次に、下部基板４７の表面４７ａに複合体４６を形成する。
複合体４６の形成方法としては、高分子マトリックス４２となるシアノエチル化ＰＶＡからなる誘電性バインダーを溶媒に溶かして溶液を得る。その後、溶液に、圧電体粒子４４を所定量、均一に分散させてペーストを得る。そして、このペーストを用い、キャスティング法等の溶液成膜法により下部基板４７の表面４７ａに複合体４６を形成する。
複合体４６の形成方法は、上述の溶液成膜法以外にも、Ｔダイ成膜等の溶融成膜法を用いることもできる。
また、本実施形態においては、シアノエチル化ＰＶＡ単体を誘電性バインダーにするものに限定されるものではなく、シアノエチル化ＰＶＡに対して、更にシアノエチル化プルランおよびシアノエチル化サッカロースの内の少なくとも１つが添加された誘電性バインダーを用いることもできる。
複合体４６の形成方法としては、高分子マトリックス４２となるシアノエチル化ＰＶＡからなる誘電性バインダーを溶媒に溶かして溶液を得る。その後、溶液に、圧電体粒子４４を所定量、均一に分散させてペーストを得る。そして、このペーストを用い、キャスティング法等の溶液成膜法により下部基板４７の表面４７ａに複合体４６を形成する。
複合体４６の形成方法は、上述の溶液成膜法以外にも、Ｔダイ成膜等の溶融成膜法を用いることもできる。
また、本実施形態においては、シアノエチル化ＰＶＡ単体を誘電性バインダーにするものに限定されるものではなく、シアノエチル化ＰＶＡに対して、更にシアノエチル化プルランおよびシアノエチル化サッカロースの内の少なくとも１つが添加された誘電性バインダーを用いることもできる。
次に、複合体４６の表面４６ａに上部電極４８を、例えば、スパッタリング法を用いて形成する。
次に、下部基板４７と上部電極４８とを直流の電源４９に接続する。さらに、複合体４６を加熱保持する加熱手段、例えば、ホットプレートを用意する。そして、複合体４６を、例えば、温度１００℃に加熱保持しつつ、電源４９から下部基板４７と上部電極４８との間に、数ｋＶ、例えば、２ｋＶの直流の電圧を所定時間印加し、分極処理する。
この分極処理では、圧電体粒子４４に対して、下部基板４７と上部電極４８が向き合う複合体４６の厚さ方向の直流電界がかけられて分極処理され、これにより、圧電コンポジット４０が得られる。
次に、下部基板４７と上部電極４８とを直流の電源４９に接続する。さらに、複合体４６を加熱保持する加熱手段、例えば、ホットプレートを用意する。そして、複合体４６を、例えば、温度１００℃に加熱保持しつつ、電源４９から下部基板４７と上部電極４８との間に、数ｋＶ、例えば、２ｋＶの直流の電圧を所定時間印加し、分極処理する。
この分極処理では、圧電体粒子４４に対して、下部基板４７と上部電極４８が向き合う複合体４６の厚さ方向の直流電界がかけられて分極処理され、これにより、圧電コンポジット４０が得られる。
下部基板４７および上部電極４８は、分極処理の際に複合体４６に所定の電圧を印加することができる導電性のものであり、例えば、Ｓｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ等またはこれらの合金により構成することができる。
下部基板４７および上部電極４８は、例えば、真空蒸着法およびスパッタリング法等の気相成膜法、ならびにスクリーン印刷およびインクジェット法等の印刷法により形成することができる。また、下部基板４７は、形成することなく上述の金属または合金からなるフィルム状または箔状のものであってよい。
さらには、下部基板４７は絶縁体で構成することもでき、この場合、絶縁体に下部電極となる導電性の膜等を形成する必要がある。このようなものとして、例えば、アルミニウム／ＰＥＴフィルムの積層体を用いることができる。
下部基板４７および上部電極４８は、例えば、真空蒸着法およびスパッタリング法等の気相成膜法、ならびにスクリーン印刷およびインクジェット法等の印刷法により形成することができる。また、下部基板４７は、形成することなく上述の金属または合金からなるフィルム状または箔状のものであってよい。
さらには、下部基板４７は絶縁体で構成することもでき、この場合、絶縁体に下部電極となる導電性の膜等を形成する必要がある。このようなものとして、例えば、アルミニウム／ＰＥＴフィルムの積層体を用いることができる。
なお、圧電コンポジット４０において、上部基板４８および下部基板４７は分極処理後、そのままであってもよい。圧電コンポジット４０を用いる態様等に応じて、圧電コンポジット４０を用いる態様等に応じて除去してもよい。例えば、下部基板４７に第１の導電性エラストマー基材２２を、上部基板４８に第２の導電性エラストマー基材２４を、例えば、圧電コンポジット４０の高分子マトリックス４２（誘電性バインダー）の軟化温度以上の温度で熱圧着により接続してもよい。また、複合体４６から上部基板４８および下部基板４７を除去して、この複合体４６の下面４６ｂに第１の導電性エラストマー基材２２を、上面４６ａに第２の導電性エラストマー基材２４を、例えば、上述の軟化温度以上の温度で熱圧着により接続してもよい。
なお、本実施形態においては、図５（ａ）、（ｂ）に示すようにして分極処理をすることもできる。この場合、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、下部基板４７の表面４７ａに複合体４６を形成した後、この複合体４６の表面４６ａから、間隔δを数ｍｍ、例えば、１ｍｍあけて複合体４６の表面４６ａ上に、この表面４６ａに沿って移動可能な棒状電極４５を設ける。そして、この棒状電極４５と下部基板４７とを直流の電源４９に接続する。さらに、複合体４６を加熱保持する加熱手段、例えば、ホットプレートを用意する。
そして、複合体４６を、例えば、温度１００℃に加熱保持した状態で、電源４９から下部基板４７と棒状電極４５との間に、数ｋＶ、例えば、６ｋＶの直流の電圧を印加してコロナ放電を生じさせ、棒状電極４５を複合体４６の表面４６ａの上を、その表面４６ａに沿って移動させて分極処理をする。なお、以下、コロナ放電を用いた分極処理をコロナポーリング処理ともいう。
そして、複合体４６を、例えば、温度１００℃に加熱保持した状態で、電源４９から下部基板４７と棒状電極４５との間に、数ｋＶ、例えば、６ｋＶの直流の電圧を印加してコロナ放電を生じさせ、棒状電極４５を複合体４６の表面４６ａの上を、その表面４６ａに沿って移動させて分極処理をする。なお、以下、コロナ放電を用いた分極処理をコロナポーリング処理ともいう。
この場合、棒状電極４５の移動は、公知の移動手段を用いることができる。また、棒状電極４５が移動するものに限定されるものではなく、複合体４６を移動させる移動機構を設け、この複合体４６を移動させて分極処理をしてもよい。
なお、下部基板４７は、分極処理後、そのままであってもよい。圧電コンポジット４０を用いる態様等に応じて、下部基板４７を除去してもよい。また、棒状電極４５の数は、１本に限定されるものではなく、複数本であってもよい。
なお、下部基板４７は、分極処理後、そのままであってもよい。圧電コンポジット４０を用いる態様等に応じて、下部基板４７を除去してもよい。また、棒状電極４５の数は、１本に限定されるものではなく、複数本であってもよい。
図５（ａ）、（ｂ）に示す分極処理方法では、上側電極を不要とすることができるため、製造コストを低くすることができ、かつ分極処理に要する時間も短縮できる。
また、図５（ａ）、（ｂ）に示す分極処理方法のように棒状電極４５を用いる場合、ロールトゥロール方式を用い、複合体４６の搬送路において、その表面４６ａに対向して棒状電極４５を複数設け、複合体４６を長手方向に搬送しつつ分極処理をすることもできる。これにより、大面積の圧電コンポジット４０を製造することもできる。
また、図５（ａ）、（ｂ）に示す分極処理方法のように棒状電極４５を用いる場合、ロールトゥロール方式を用い、複合体４６の搬送路において、その表面４６ａに対向して棒状電極４５を複数設け、複合体４６を長手方向に搬送しつつ分極処理をすることもできる。これにより、大面積の圧電コンポジット４０を製造することもできる。
圧電コンポジット４０において、高分子マトリックス４２をシアノエチル化ＰＶＡで構成することにより、シアノエチル化ＰＶＡはシアノエチル化プルランに比して密着性が優れるため、高分子マトリックス４２と下部基板４７、上部電極４８、圧電体粒子４４との密着性が高くなり、分極処理時においても剥離等がなく、高い歩留まりで製造することができるとともに、強度が優れた圧電コンポジット４０を得ることができる。
本実施形態の圧電素子１０、１２、１４および電子部品３０は、例えば、超音波センサ，圧力センサ，触覚センサ，歪みセンサ等の各種センサ、超音波探触子、ハイドロホン等の超音波トランスデューサ、乗り物や建物又はスキーやラケット等のスポーツ用具に用いる制振材（ダンパー）、更には、発電素子として用いることもできる。この場合、床、靴、タイヤ等に適用して用いる振動発電装置として好適に使用することができる。
本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の圧電素子について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。
以下、本発明の圧電素子の効果について詳細に説明する。
本実施例においては、以下に示す圧電体に圧電コンポジット、圧電高分子、圧電セラミックスを用い、それぞれ３形態、合計９種類のサンプルを作製し、各サンプルの圧電定数（ｄ３３定数）を測定して、本発明の圧電素子の効果を確認した。
本実施例においては、以下に示す圧電体に圧電コンポジット、圧電高分子、圧電セラミックスを用い、それぞれ３形態、合計９種類のサンプルを作製し、各サンプルの圧電定数（ｄ３３定数）を測定して、本発明の圧電素子の効果を確認した。
初めに、圧電体に圧電コンポジットを用いた第１のサンプル５０ａ（図６（ａ）参照）について説明する。
まず、溶媒（ＤＭＦ）にシアノエチル化ＰＶＡ（ＣＲ−Ｖ 信越化学工業社製）を６０質量％の割合で溶かし、混合溶液（ＣＲ−Ｖ溶液）を得る。
次に、混合溶液１ｇに対して、市販のＰＺＴ原料粉（平均粒径５μｍ）を３ｇの割合で撹拌混合してペースト状にし、ＰＺＴペーストを得る。
次に、ＰＺＴペーストを、厚さが０．３ｍｍの１８ｍｍ角のアルミニウム基板上にキャスト法で、厚さ１５０μｍにシート形成する。
次に、ＰＺＴペーストがシート形成されたアルミニウム基板５４をホットプレート上で、温度１２０℃で加熱乾燥してＤＭＦを揮発させる。これにより、厚さが７０μｍの圧電コンポジット５２（図６（ａ）参照）がアルミニウム基板５４（図６（ａ）参照）上に形成される。
まず、溶媒（ＤＭＦ）にシアノエチル化ＰＶＡ（ＣＲ−Ｖ 信越化学工業社製）を６０質量％の割合で溶かし、混合溶液（ＣＲ−Ｖ溶液）を得る。
次に、混合溶液１ｇに対して、市販のＰＺＴ原料粉（平均粒径５μｍ）を３ｇの割合で撹拌混合してペースト状にし、ＰＺＴペーストを得る。
次に、ＰＺＴペーストを、厚さが０．３ｍｍの１８ｍｍ角のアルミニウム基板上にキャスト法で、厚さ１５０μｍにシート形成する。
次に、ＰＺＴペーストがシート形成されたアルミニウム基板５４をホットプレート上で、温度１２０℃で加熱乾燥してＤＭＦを揮発させる。これにより、厚さが７０μｍの圧電コンポジット５２（図６（ａ）参照）がアルミニウム基板５４（図６（ａ）参照）上に形成される。
次に、真空蒸着法にて直径１５ｍｍ、厚さが１μｍのアルミニウムからなる上部電極５６（図６（ａ）参照）を圧電コンポジット５２（図６（ａ）参照）上に形成する。次に、温度１００℃、直流電圧で１００ｋＶ／ｃｍ、保持時間３分の分極処理条件で分極処理する。これにより、図６（ａ）に示す第１のサンプル５０ａを得る。
また、図６（ｂ）に示すように、第２のサンプル５０ｂは、図６（ａ）のアルミニウム基板５４に変えて、厚さが１．０ｍｍの１８ｍｍ角の導電性ゴム基材５８に圧電コンポジット５２を形成したものである。
なお、第２のサンプル５０ｂは、導電性ゴム基材５８上に圧電コンポジット５２を形成した以外は、第１のサンプル５０ａと同様に作製したものであり、その詳細な説明は省略する。
導電性ゴム基材５８としては、例えば、導電性シリコーンシートを用いることができる。この導電性シリコーンシートとしては、例えば、タイガースポリマー社製のＥＳＲ（型番）が用いられる。このＥＳＲは、体積抵抗率が５Ω・ｃｍである。
なお、第２のサンプル５０ｂは、導電性ゴム基材５８上に圧電コンポジット５２を形成した以外は、第１のサンプル５０ａと同様に作製したものであり、その詳細な説明は省略する。
導電性ゴム基材５８としては、例えば、導電性シリコーンシートを用いることができる。この導電性シリコーンシートとしては、例えば、タイガースポリマー社製のＥＳＲ（型番）が用いられる。このＥＳＲは、体積抵抗率が５Ω・ｃｍである。
さらに、図６（ｃ）に示すように、第３のサンプル５０ｃは、図６（ａ）のアルミニウム基板５４に変えて厚さが１．０ｍｍの１８ｍｍ角の導電性ゴム基材５８に圧電コンポジット５２を形成し、上部電極５６に変えて厚さが１．０ｍｍの１８ｍｍ角の導電性ゴム基材５８を、圧電コンポジット５２上に形成したものである。
この第３のサンプル５０ｃは、第２のサンプル５０ｂと同じく導電性ゴム基材５８上に圧電コンポジット５２を形成し、圧電コンポジット５２の高分子マトリックス（誘電性バインダー）の軟化温度以上の温度で熱圧着により圧電コンポジット５２に導電性ゴム基材５８を熱圧着した以外は、第１のサンプル５０ａと同様に作製したものであり、その詳細な説明は省略する。
この第３のサンプル５０ｃは、第２のサンプル５０ｂと同じく導電性ゴム基材５８上に圧電コンポジット５２を形成し、圧電コンポジット５２の高分子マトリックス（誘電性バインダー）の軟化温度以上の温度で熱圧着により圧電コンポジット５２に導電性ゴム基材５８を熱圧着した以外は、第１のサンプル５０ａと同様に作製したものであり、その詳細な説明は省略する。
また、圧電コンポジットに変えて、圧電高分子として、東京センサ社製のＰＶＤＦを用いた、上述の第１のサンプル〜第３のサンプルを用意する。なお、圧電高分子を用いた形態においては、第２のサンプルおよび第３のサンプルは、導電性ゴム基材を熱圧着等により接合することなく、圧電定数（ｄ３３定数）の測定時に、積層して単に接触させたものである。
さらには、圧電コンポジットに変えて、圧電セラミックスとして、モルガンエレクトロセラミックス（Ｍｏｒｇａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）社製 ＰＺＴ−５Ａを用いた、上述の第１のサンプル〜第３のサンプルを用意する。なお、圧電セラミックスを用いた形態においては、第２のサンプルおよび第３のサンプルは、導電性ゴム基材を熱圧着等により接合することなく、圧電定数（ｄ３３定数）の測定時に、積層して単に接触させたものである。
以上のようにして作製された９種類のサンプルについて、それぞれｄ３３定数をＰＩＥＺＯ ＴＥＳＴ社の圧電評価装置ＰＭ−３００を用いて測定した。その測定の結果を下記表１に示す。
なお、圧電定数（ｄ３３定数）の測定条件は、周波数を１１０Ｈｚとし、クランピングフォースを１０Ｎとし、ダイナミックフォースを０．２５Ｎとした。
なお、圧電定数（ｄ３３定数）の測定条件は、周波数を１１０Ｈｚとし、クランピングフォースを１０Ｎとし、ダイナミックフォースを０．２５Ｎとした。
上記表１に示すように、両面に導電性ゴム基材を設けた第３のサンプルは、導電性ゴムを設けていない第１のサンプル、下面のみに導電性ゴム基材を設けた第２のサンプルに比して、圧電定数（ｄ３３定数）が高くなっている。特に、圧電コンポジットおよび圧電高分子（ＰＶＤＦ）を用いたものでは圧電定数（ｄ３３定数）が飛躍的に高くなっている。
さらに、本発明の圧電素子の効果について詳細に説明する。
本実施例においては、図７（ａ）〜（ｃ）に示す実施例１〜実施例３および図８（ａ）〜（ｃ）に示す比較例１〜比較例３について、図９に示す測定装置１００を用いて相対発電量を測定し、本発明の圧電素子の効果を確認した。
本実施例においては、図７（ａ）〜（ｃ）に示す実施例１〜実施例３および図８（ａ）〜（ｃ）に示す比較例１〜比較例３について、図９に示す測定装置１００を用いて相対発電量を測定し、本発明の圧電素子の効果を確認した。
図７（ａ）に示す実施例１の圧電素子６０ａは、モルガンエレクトロセラミックス（Ｍｏｒｇａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）社製 ＰＺＴ−５Ａの圧電セラミックスを圧電体６２に用い、この圧電体６２の両面に銀製の電極６４が形成されている。各電極６４に導電性ゴム基材７２が設けられている。
図７（ｂ）に示す実施例２の圧電素子６０ｂは、圧電体６６が東京センサ社製のＰＶＤＦである点以外は、図７（ａ）に示す圧電素子６０ａと同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。なお、この圧電体６６の両面には電極６４が形成されている。
図７（ｃ）に示す実施例３の圧電素子６０ｃは、圧電体６８に第１実施例の圧電コンポジット５２（図６（ｃ）参照）を用い、この圧電体６８に電極を形成することなく直接導電性ゴム基材７２を、熱圧着を用いて接合したものである。
図７（ｃ）に示す実施例３の圧電素子６０ｃは、圧電体６８に第１実施例の圧電コンポジット５２（図６（ｃ）参照）を用い、この圧電体６８に電極を形成することなく直接導電性ゴム基材７２を、熱圧着を用いて接合したものである。
図８（ａ）に示す比較例１の圧電素子７０ａは、図７（ａ）に示す実施例１の圧電素子６０ａに比して、導電性ゴム基材７２が設けられていない点以外は、図７（ａ）に示す実施例１の圧電素子６０ａと同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。
図８（ｂ）に示す比較例２の圧電素子７０ｂは、図７（ｂ）に示す実施例２の圧電素子６０ｂに比して、導電性ゴム基材７２が設けられていない点以外は、図７（ｂ）に示す実施例２の圧電素子６０ｂと同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。
図８（ｃ）に示す比較例３の圧電素子７０ｃは、図７（ｃ）に示す実施例３の圧電素子６０ｃに比して、導電性ゴム基材７２に変えて、アルミニウム基材７４と電極７６とが形成されたものである。
図８（ｂ）に示す比較例２の圧電素子７０ｂは、図７（ｂ）に示す実施例２の圧電素子６０ｂに比して、導電性ゴム基材７２が設けられていない点以外は、図７（ｂ）に示す実施例２の圧電素子６０ｂと同じ構成である。このため、その詳細な説明は省略する。
図８（ｃ）に示す比較例３の圧電素子７０ｃは、図７（ｃ）に示す実施例３の圧電素子６０ｃに比して、導電性ゴム基材７２に変えて、アルミニウム基材７４と電極７６とが形成されたものである。
次に、相対発電量の測定に用いる測定装置１００について説明する。
図９に示す測定装置１００においては、絶縁製基板１０２上に導電性を有する剛体板１０４が設けられている。この剛体板１０４とともに測定サンプル１０５を挟む、導電性を有する剛体板１０６が設けられている。剛体板１０４と剛体板１０６とは測定部１１０に接続されている。この測定部１１０は、インパクトハンマ１０８に接続されている。
測定装置１００においては、インパクトハンマ１０８で剛体板１０６を打撃することにより、剛体板１０４と剛体板１０６とで挟まれた測定サンプル１０５に、荷重を加えて、そのときに発生する電圧を測定部１１０で測定する。このとき、インパクトハンマ１０８による荷重は測定部１１０で測定される。測定部１１０で、荷重と発生電圧とにより相対発電量が算出される。その結果を図１０〜図１２に示す。
図９に示す測定装置１００においては、絶縁製基板１０２上に導電性を有する剛体板１０４が設けられている。この剛体板１０４とともに測定サンプル１０５を挟む、導電性を有する剛体板１０６が設けられている。剛体板１０４と剛体板１０６とは測定部１１０に接続されている。この測定部１１０は、インパクトハンマ１０８に接続されている。
測定装置１００においては、インパクトハンマ１０８で剛体板１０６を打撃することにより、剛体板１０４と剛体板１０６とで挟まれた測定サンプル１０５に、荷重を加えて、そのときに発生する電圧を測定部１１０で測定する。このとき、インパクトハンマ１０８による荷重は測定部１１０で測定される。測定部１１０で、荷重と発生電圧とにより相対発電量が算出される。その結果を図１０〜図１２に示す。
測定部１１０には、アジレント・テクノロジー社製 ４２９４Ａ プレシジョン インピーダンス・アナライザが設けられている。この場合、測定部１１０においては、測定サンプル１０５で発生した電圧波形に基づいてインピーダンスマッチングを行っている。このインピーダンスマッチングについては、例えば、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．７，２００６，ｐｐ．５８３６−５８４０に開示された方法を用いることができる。
なお、測定サンプル１０５とは、図７（ａ）〜（ｃ）に示す実施例１〜実施例３の圧電素子６０ａ〜６０ｃ、および図８（ａ）〜（ｃ）に示す比較例１〜比較例３の圧電素子７０ａ〜７０ｃのことである。
図１０〜図１２に示すように、導電性ゴム基材を両面に設けた構成である実施例１〜実施例３は、いずれも比較例１〜比較例３に比して、相対発電量が高い。このように導電性ゴム基材を両面に設けることにより、高い発電量を得ることができることが確認された。
特に、圧電体に、ＰＶＤＦを用いた実施例２および圧電コンポジットを用いた実施例３は、相対発電量が飛躍的に高くなっている。これは、第１実施例の結果と同じ傾向を示している。
特に、圧電体に、ＰＶＤＦを用いた実施例２および圧電コンポジットを用いた実施例３は、相対発電量が飛躍的に高くなっている。これは、第１実施例の結果と同じ傾向を示している。
１０、１２、１４ 圧電素子
２０、６２、６６、６８ 圧電体
２２ 第１の導電性エラストマー基材
２４ 第２の導電性エラストマー基材
２６ 金属層
３０ 電子部品
３２ 支持体
４０、５２ 圧電コンポジット
４２ 高分子マトリックス
４４ 圧電体粒子
４７ 下部基板
４８ 上部電極
４９ 電源
６４ 電極
７２ 導電性ゴム基材
１００ 測定装置
１０５ 測定サンプル
１０８ インパクトハンマ
１１０ 測定部
２０、６２、６６、６８ 圧電体
２２ 第１の導電性エラストマー基材
２４ 第２の導電性エラストマー基材
２６ 金属層
３０ 電子部品
３２ 支持体
４０、５２ 圧電コンポジット
４２ 高分子マトリックス
４４ 圧電体粒子
４７ 下部基板
４８ 上部電極
４９ 電源
６４ 電極
７２ 導電性ゴム基材
１００ 測定装置
１０５ 測定サンプル
１０８ インパクトハンマ
１１０ 測定部
Claims (7)
- 圧電体と、
前記圧電体の一方の面に設けられた第１の導電性エラストマー基材と、
前記圧電体の他方の面に設けられた第２の導電性エラストマー基材とを有することを特徴とする圧電素子。 - 前記圧電体と前記第１の導電性エラストマー基材との間、および前記圧電体と前記第２の導電性エラストマー基材との間のうち、少なくとも一方の間に電極が設けられている請求項１に記載の圧電素子。
- 前記圧電体は、高分子マトリックス中に圧電体粒子が均一に分散混合された複合体が分極処理されてなる圧電コンポジット、圧電性単結晶、圧電セラミックス、または圧電性高分子により構成される請求項１または２に記載の圧電素子。
- 前記高分子マトリックスは、シアノエチル化ポリビニルアルコールに対してシアノエチル化プルランおよびシアノエチル化サッカロースの内の少なくとも１つが添加されたものである請求項３に記載の圧電素子。
- 前記圧電体粒子は、ペロブスカイト型結晶構造を有するセラミックス粒子からなる請求項３または４に記載の圧電素子。
- 前記セラミックス粒子は、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛、チタン酸バリウム、またはチタン酸バリウムとビスマスフェライトの固溶体により構成される請求項５に記載の圧電素子。
- 前記圧電セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛、チタン酸バリウム、またはチタン酸バリウムとビスマスフェライトの固溶体により構成される請求項３に記載の圧電素子。
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