JP2014033048A - Piezoelectric element - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
本発明は、アクチュエータ、各種センサ及び発電等に用いられる圧電素子に関する。 The present invention relates to an actuator, various sensors, and a piezoelectric element used for power generation.
圧電素子は、電気エネルギーと機械エネルギーとの間のエネルギー変換に用いられ、アクチュエータや各種センサに広く用いられている。更に、近年では、発電への応用も検討されている。 Piezoelectric elements are used for energy conversion between electrical energy and mechanical energy, and are widely used for actuators and various sensors. Furthermore, in recent years, application to power generation is also being studied.
一般的に知られている圧電素子は、セラミック誘電体を用いたものが多く、高温で焼結したタイプが一般的に用いられている。特許文献1(従来例1)では、図11に示すような誘電体の粉体を混ぜて固めて高温で焼結したタイプの圧電素子800が開示されている。図11は、従来例1の圧電素子800を模式的に示した断面図である。従来例1の圧電素子800は、図11に示すように、基材801に例えばジルコニアを用い、上下の導電層(第1導電層810、第2導電層830)に例えばインジウム‐すず‐酸化物を用い、圧電体層(誘電体層)820に例えばチタン酸鉛やチタン酸ジルコニウム酸鉛を用い、450(℃)から800(℃)という高温で熱処理を行って作製している。従来例1のような圧電素子800では、焼成して焼き固めた誘電体を利用しているので、可撓性が要求されるような各種センサや発電に利用する用途には、殆ど使用できなかった。
Many of the generally known piezoelectric elements use a ceramic dielectric, and a type sintered at a high temperature is generally used. Patent Document 1 (Conventional Example 1) discloses a
そこで、特許文献2(従来例2)では、図12に示すような弾性を有する誘電性ゴム積層体900が提案されている。図12は、従来例2の誘電性ゴム積層体900を説明する図であって、図12(a)は、誘電性ゴム積層体900を模式的に示した断面図であり、図12(b)は、エレクトレット処理(分極処理)の概念図であり、図12(c)は、エレクトレット処理装置990の構成を示す模式図である。誘電性ゴム積層体900は、図12(a)に示すように、誘電性ゴム層920を挟み込むように電極層(910、930)が設けられた3層構造となっている。そして、誘電性ゴム層920は、図12(b)に示すように、イソプレンゴム等のベースゴム925にチタン酸ジルコニウム酸鉛等の誘電性フィラー929が分散して配合されており、誘電性フィラー929の自発分極の向きを揃えるエレクトレット処理(分極処理)が施されている。
Therefore, Patent Document 2 (Conventional Example 2) proposes a
このエレクトレット処理(分極処理)は、図12(c)に示すエレクトレット処理装置990を用いて行い、誘電性ゴム積層体900或いは誘電性ゴム層920を銅シート(971、972)で挟み込み(片側に絶縁フィルム951を介している)、更に絶縁フィルム(952、953)で挟んで、ホットプレート980に設置する。そして、ホットプレート980で、誘電性ゴム積層体900或いは誘電性ゴム層920を加熱溶融しながら、直流の1〜10(kV/mm)の高電圧を加え、誘電性ゴム積層体900或いは誘電性ゴム層920を完全に硬化させて終了する。これにより、誘電性ゴム積層体900は、誘電性ゴム層920にエレクトレット処理(分極処理)を行うことで、伸張処理(プレストレイン)等を実施しなくても、従来よりも低電圧で作動が可能なアクチュエータとして機能し、十分な出力を有する発電機能も期待できるとしている。
This electret treatment (polarization treatment) is performed using an electret treatment device 990 shown in FIG. 12C, and the
しかしながら、従来例2のような構成では、エレクトレット処理(分極処理)を行うために、特別なエレクトレット処理装置990を用いなければいけなく、しかも粘度の低い誘電性ゴム積層体900或いは誘電性ゴム層920を銅シート(971、972)で挟み込み、制御しながらエレクトレット処理(分極処理)を行わなければいけない難しさがあった。しかも、熱硬化型のベースゴム925を用いているので、エレクトレット処理(分極処理)と同時に架橋させて硬化を行わなければいけないといった困難さがあった。特に、圧電体(誘電体)としてキュリー点が低いチタン酸バリウムを用いた場合(チタン酸バリウムのキュリー点は、一般的に120(℃)〜135(℃)と記載されている)、キュリー点未満の温度でのエレクトレット処理(分極処理)と、キュリー点より遙かに高い温度での硬化とを、同時に行うことは、殆ど実現不可能であった。
However, in the configuration as in Conventional Example 2, in order to perform electret processing (polarization processing), a special electret processing device 990 must be used, and the
本発明は、上述した課題を解決するもので、容易に分極処理を行なうことができる圧電素子を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide a piezoelectric element that can be easily polarized.
この課題を解決するために、本発明の請求項1による圧電素子は、可撓性の基材に積層された第1電極層と、前記第1電極層に積層された圧電層と、前記圧電層に積層された第2電極層と、を備えた圧電素子であって、前記圧電層が、チタン酸バリウム粒体を含有する熱可塑性樹脂により形成され、前記熱可塑性樹脂の軟化点は、前記チタン酸バリウム粒体のキュリー点より低いことを特徴としている。
In order to solve this problem, a piezoelectric element according to
また、本発明の請求項2による圧電素子は、前記第2電極層が、導電性のカーボンまたは銀を含有するフェノール樹脂により形成されていることを特徴としている。 The piezoelectric element according to claim 2 of the present invention is characterized in that the second electrode layer is formed of a phenol resin containing conductive carbon or silver.
また、本発明の請求項3による圧電素子は、前記チタン酸バリウム粒体の前記キュリー点が、132(℃)以上で135(℃)以下であることを特徴としている。 The piezoelectric element according to claim 3 of the present invention is characterized in that the Curie point of the barium titanate particles is 132 (° C.) or more and 135 (° C.) or less.
また、本発明の請求項4による圧電素子は、前記チタン酸バリウム粒体の粒径が、400〜500(nm)であることを特徴としている。 In the piezoelectric element according to claim 4 of the present invention, the barium titanate particles have a particle size of 400 to 500 (nm).
また、本発明の請求項5による圧電素子は、前記軟化点が、80(℃)以上であることを特徴としている。 The piezoelectric element according to claim 5 of the present invention is characterized in that the softening point is 80 (° C.) or more.
また、本発明の請求項6による圧電素子は、前記熱可塑性樹脂が、非晶性ポリエステル樹脂またはポリウレタン樹脂であることを特徴としている。 The piezoelectric element according to claim 6 of the present invention is characterized in that the thermoplastic resin is an amorphous polyester resin or a polyurethane resin.
請求項1の発明によれば、本発明の圧電素子は、圧電層がチタン酸バリウム粒体を含有する熱可塑性樹脂により形成され、熱可塑性樹脂がチタン酸バリウム粒体のキュリー点より低い軟化点を有しているので、分極処理をチタン酸バリウム粒体のキュリー点近傍の温度で行うことができるとともに、キュリー点近傍の温度で加熱して圧電層の分極処理を行う際に、熱可塑性樹脂が軟化することで、チタン酸バリウム粒体が動きやすくなる。このことにより、チタン酸バリウム粒体の自発分極の向きを容易に揃えることができる。したがって、容易に分極処理を行なうことができる圧電素子を提供することができる。
According to the invention of
請求項2の発明によれば、本発明の圧電素子は、第2電極層が導電性のカーボンまたは銀を含有するフェノール樹脂により形成されているので、第2電極層を形成する際に、このフェノール樹脂の硬化収縮に伴い、圧電層の層内において、第2電極層に引っ張られて縮む方向に応力を受け、圧電層の第1電極層側が逆に伸ばされる方向に応力を受け、圧電層の層内に内部応力が発生する。このことにより、圧電素子に力が加えられた際に、内部応力が存在するため、出力電圧や応答速度等の感度を向上させることができる。 According to the invention of claim 2, in the piezoelectric element of the present invention, the second electrode layer is formed of a phenolic resin containing conductive carbon or silver. As the phenol resin cures and shrinks, the piezoelectric layer receives stress in the direction in which it is pulled by the second electrode layer and contracts, and receives stress in the direction in which the first electrode layer side of the piezoelectric layer is stretched in reverse. Internal stress is generated in the layer. As a result, when a force is applied to the piezoelectric element, there is an internal stress, so that the sensitivity such as the output voltage and the response speed can be improved.
請求項3の発明によれば、本発明の圧電素子は、チタン酸バリウム粒体のキュリー点が、132(℃)以上で135(℃)以下であるので、チタン酸バリウム粒体が単結晶に近い状態である。このため、圧電層の脱分極温度(圧電効果が急激に低下し始める温度とする)を高められるとともに、チタン酸バリウム粒体の分極されている比率も大きいものとなる。このことにより、圧電素子に力が加えられた際に、出力電圧や応答速度等の感度をより向上させることができる。 According to the invention of claim 3, in the piezoelectric element of the present invention, since the Curie point of the barium titanate particles is 132 (° C.) or more and 135 (° C.) or less, the barium titanate particles are formed into a single crystal. It is close. For this reason, the depolarization temperature of the piezoelectric layer (the temperature at which the piezoelectric effect begins to drop sharply) can be increased, and the polarization ratio of the barium titanate particles can be increased. As a result, when a force is applied to the piezoelectric element, the sensitivity such as the output voltage and the response speed can be further improved.
請求項4の発明によれば、本発明の圧電素子は、チタン酸バリウム粒体の粒径が400〜500(nm)であるので、チタン酸バリウム粒体が熱可塑性樹脂中へ適度に分散されるものとなる。このため、チタン酸バリウム粒体の凝集等によるチタン酸バリウム粒体の動きが阻害されず、チタン酸バリウム粒体の自発分極の向きをより一様に揃えることができる。このことにより、圧電素子に力が加えられた際に、出力電圧や応答速度等の感度をより一層向上させることができる。 According to the invention of claim 4, in the piezoelectric element of the present invention, since the barium titanate particles have a particle size of 400 to 500 (nm), the barium titanate particles are appropriately dispersed in the thermoplastic resin. Will be. For this reason, the movement of the barium titanate particles due to the aggregation of the barium titanate particles is not inhibited, and the direction of spontaneous polarization of the barium titanate particles can be made more uniform. As a result, when a force is applied to the piezoelectric element, the sensitivity such as the output voltage and the response speed can be further improved.
請求項5の発明によれば、本発明の圧電素子は、軟化点が80(℃)以上であるので、一般の電子機器の使用温度範囲(−20(℃)〜+80(℃))において、熱可塑性樹脂がチタン酸バリウム粒体の分極状態を保持するのに、充分な耐熱性を有している。このことにより、高温に暴露した後であっても圧電効果が消失せずに保たれ、一般の電子機器に適用することができる。 According to the invention of claim 5, since the piezoelectric element of the present invention has a softening point of 80 (° C.) or more, in a use temperature range of general electronic equipment (−20 (° C.) to +80 (° C.)), The thermoplastic resin has sufficient heat resistance to maintain the polarization state of the barium titanate granules. Thus, even after exposure to high temperatures, the piezoelectric effect is maintained without being lost, and can be applied to general electronic devices.
請求項6の発明によれば、本発明の圧電素子は、熱可塑性樹脂が、非晶性ポリエステル樹脂またはポリウレタン樹脂であるので、常温で、適度な柔軟性を有しており、圧電層が変形しても、圧電層に発生するクラック等を抑えることができる。このことにより、寿命の長い圧電素子を提供することができる。 According to the invention of claim 6, in the piezoelectric element of the present invention, since the thermoplastic resin is an amorphous polyester resin or polyurethane resin, it has an appropriate flexibility at room temperature, and the piezoelectric layer is deformed. Even so, cracks and the like generated in the piezoelectric layer can be suppressed. Thus, a piezoelectric element having a long life can be provided.
したがって、本発明の圧電素子は、容易に分極処理を行なうことができる圧電素子を提供できる。 Therefore, the piezoelectric element of the present invention can provide a piezoelectric element that can be easily polarized.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態の圧電素子101を説明する構成図であって、その平面図である。図2は、本発明の第1実施形態の圧電素子101を説明する構成図であって、図1に示すY2側から見た側面図である。図3は、本発明の第1実施形態の圧電素子101を説明する図であって、図3(a)は、図1に示すII−II線における断面図であり、図3(b)は、図1に示すIII−III線における断面図である。なお、図1ないし図3は、説明を容易にするための構成図なので、厚み方向(Z1−Z2方向)の寸法が実際とは大きく異なっている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating the
本発明の第1実施形態の圧電素子101は、図1ないし図3に示すように、可撓性の基材19に積層された第1電極層11と、第1電極層11に積層された圧電層13と、圧電層13に積層された第2電極層12と、を備えて構成される。他に、圧電素子101を外部環境から保護するためのオーバーコート部材15と、圧電素子101に電力を供給或いは圧電素子101から出力を取り出すための2つの端子部(171、172)とを備えている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
第1電極層11は、図1ないし図3に示すように、基材19の片面側に積層して設けられ、ポリウレタン樹脂中のマトリックス中に導電性の銀の粉体が25〜70(vol%)分散されており、その厚みは10〜20(μm)程度である。また、この基材19には、ポリイミド(polyimide、以下PIと記載)フィルムを用い、厚みが25〜125(μm)程度で可撓性を有している。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
第1電極層11の作製は、硬化剤を含有したポリウレタン樹脂とカルビトールアセテート等の溶剤と銀粉とを混合して導電性銀ペーストとし、スクリーン印刷等の手法を用いて、この導電性銀ペーストを基材19に塗布し、加熱を行い、乾燥及び硬化させる。また、第1電極層11と同じ工程で、図1及び図3(a)に示す端子部171を作製している。この端子部171は、電力の供給或いは出力の取り出しが行い易いように、第1電極層11の端部から基材19の端部まで引き出されるように形成されている。
The
なお、導電性銀ペーストのバインダーとしてポリウレタン樹脂を用いたが、他の合成樹脂、例えば熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂、エポキシ樹脂等や、熱可塑性樹脂であるポリエステル樹脂、アクリル樹脂等であっても良い。また、導電性銀ペーストの導電性フィラーとして銀粉を用いたが、他の導電性フィラー、例えば黒鉛、ナノカーボン等のカーボン粉や、銅、ニッケル等の金属粉であっても良い。また、可撓性の基材19にポリイミド(PI)フィルムを用いたが、他の合成樹脂、例えばポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate、以下PETと記載)、ポリエチレンナフタレート(polyethylene naphthalate、以下PENと記載)、ポリフェニレンサルファイド(polyphenylene sulfide、以下PPSと記載)等のフィルムであっても良い。
In addition, although polyurethane resin was used as the binder of the conductive silver paste, other synthetic resins such as phenol resin, epoxy resin, etc., which are thermosetting resins, polyester resin, acrylic resin, etc., which are thermoplastic resins, etc. Also good. Moreover, although silver powder was used as the conductive filler of the conductive silver paste, other conductive fillers, for example, carbon powder such as graphite and nanocarbon, and metal powder such as copper and nickel may be used. Moreover, although the polyimide (PI) film was used for the
圧電層13は、図1ないし図3に示すように、基材19の片面側に設けられ、第1電極層11に積層して形成されている。また、圧電層13は、非晶性ポリエステル樹脂の熱可塑性樹脂中のマトリックス中にチタン酸バリウム粒体が約55〜65(vol%)分散されているものを好適に用いている。このような合成樹脂との複合材なので、圧電層13は、可撓性を有している。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
また、本発明の第1実施形態では、基材19の片面側に圧電層13を積層して形成されているので、圧電素子101を折り曲げて圧電特性を得ようとすると、圧電素子101の応力中心が圧電層13の中心により近くなる。このことにより、従来例2の誘電性ゴム層920と比較して、折り曲げた際の出力電圧がより大きくなる。
In the first embodiment of the present invention, since the
チタン酸バリウム粒体は、その平均粒径dが200〜800(nm)程度を用い、特に、400〜500(nm)のものを最も好適に用いている。この平均粒径dは、ガス吸着法による比表面積/細孔分布測定法、所謂BET法の装置を用い、測定されたチタン酸バリウム粒体の表面積Sとチタン酸バリウム粒体の密度pから計算して求めた。その計算式は、d=6/pSである。また、チタン酸バリウム粒体は、キュリー点が132(℃)以上で135(℃)以下の粉体を好適に用いている。このキュリー点の測定は、示差走査熱量測定(DSC、Differential Scanning Calorimetry)にて行っている。 As the barium titanate granules, those having an average particle diameter d of about 200 to 800 (nm) are used, and those having 400 to 500 (nm) are most preferably used. This average particle diameter d is calculated from the measured surface area S of the barium titanate granules and the density p of the barium titanate granules using a so-called BET apparatus using a specific surface area / pore distribution measurement method by a gas adsorption method. And asked. The calculation formula is d = 6 / pS. In addition, the barium titanate particles preferably use a powder having a Curie point of 132 (° C.) to 135 (° C.). The Curie point is measured by differential scanning calorimetry (DSC, Differential Scanning Calorimetry).
また、チタン酸バリウム粒体は、水熱法による合成法を用いて作製されている。ここでいう水熱法による合成法とは、圧力釜(オートクレーブ)等に水酸化バリウム(Ba(OH)2)とチタニア(TiO2)を入れ、100(℃)以上でも水が沸騰しない高温・高圧下において、チタン酸バリウム(BaTiO3)を合成する方法である。 In addition, the barium titanate granules are produced using a hydrothermal synthesis method. The hydrothermal synthesis method mentioned here refers to a high temperature at which water does not boil at 100 (° C.) or higher by placing barium hydroxide (Ba (OH) 2 ) and titania (TiO 2 ) in a pressure cooker (autoclave) or the like. In this method, barium titanate (BaTiO 3 ) is synthesized under high pressure.
非晶性ポリエステル樹脂は、軟化点が80(℃)以上のタイプの樹脂を用いている。そして、その分子量は、10000から100000程度である。なお、熱可塑性樹脂として非晶性ポリエステル樹脂を好適に用いたが、ポリウレタン樹脂であっても良い。また、非晶性ポリエステル樹脂及びポリウレタン樹脂は、常温で、適度な柔軟性を有しているので、圧電層13が変形しても、圧電層13に発生するクラック等を抑えることができる。このことにより、寿命の長い圧電素子101を提供することができる。さらに、非晶性ポリエステル樹脂及びポリウレタン樹脂は、一般に広く使用され、容易にしかも安価に入手することができる。
As the amorphous polyester resin, a resin having a softening point of 80 (° C.) or more is used. The molecular weight is about 10,000 to 100,000. In addition, although the amorphous polyester resin was used suitably as a thermoplastic resin, a polyurethane resin may be sufficient. In addition, since the amorphous polyester resin and the polyurethane resin have moderate flexibility at room temperature, cracks and the like generated in the
圧電層13の作製は、先ず、溶剤に可溶な非晶性ポリエステル樹脂を用い、カルビトールアセテート等の溶剤と非晶性ポリエステル樹脂とチタン酸バリウム粒体とを所望の配合比で混合し、3本ロール等の混合機でそれぞれを均一に分散させ、誘電体ペーストを作製する。次に、スクリーン印刷等の手法を用いて、この誘電体ペーストを基材19の片面側に第1電極層11を覆うようにして塗布し、乾燥及び硬化させて作製する。この硬化後の圧電層13の厚みは、20〜70(μm)程度である。なお、上述した誘電体ペーストには、少量の硬化剤を適宜用いても良いし、消泡剤を添加しても良い。また、チタン酸バリウム粒体の表面にシランカップリング剤を担時させる処理を行っても良い。特に、消泡剤の添加やシランカップリング剤処理を行うことで、圧電層13に気泡等の欠陥が生じるのを防止することができ、圧電層13の厚み方向の絶縁不良を低減することができる。
First, the
第2電極層12は、図1ないし図3に示すように、基材19の片面側に積層して設けられ、圧電層13に積層して形成されている。また、第2電極層12は、フェノール樹脂中のマトリックス中に導電性の銀粉が25〜70(vol%)分散されており、その厚みは10〜20(μm)程度である。この第2電極層12の導電性部材の材質として、銀を好適に用いたが、カーボンであっても良い。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
第2電極層12の作製は、熱硬化性のフェノール樹脂とカルビトールアセテート等の溶剤と銀粉とを混合して導電性銀ペーストとし、第1電極層11及び圧電層13と同様なスクリーン印刷等の手法を用いて、この導電性銀ペーストを圧電層13上に塗布して積層し、加熱を行い、乾燥及び硬化させる。このフェノール樹脂の硬化収縮に伴い、圧電層13の層内において、圧電層13の第2電極層12側が第2電極層12に引っ張られて縮む方向に応力を受け、圧電層13の第1電極層11側が逆に伸ばされる方向に応力を受ける。このため、圧電層13に内部応力が発生している。
The
また、第2電極層12と同じ工程で、図1及び図3(b)に示す端子部172を作製している。端子部172は、電力の供給或いは出力の取り出しが行い易いように、第2電極層12の端部から基材19の端部まで引き出されるように形成されている。
Moreover, the
以上のようにして、第1電極層11、圧電層13及び第2電極層12が、合成樹脂にフィラーが分散されたものであるので、基材19の可撓性に対応して、充分な可撓性を有しているので、圧電素子101は、可撓性を有している。
As described above, since the
次に、圧電素子101を外部環境から保護するため、オーバーコート部材15を形成する。なお、第1電極層11及び第2電極層12に、導電性カーボンペーストを用いた場合、このオーバーコート部材15を設けなくても良い場合がある。また、オーバーコート部材15の作製は、顔料が含有された絶縁性のメラミンアルキッド樹脂をベースとした絶縁性ペーストを用い、同様にして、スクリーン印刷等の手法を用いて、圧電素子101全体を覆うようにしてこの絶縁性ペーストを塗布して積層し、加熱を行い、乾燥及び硬化させる。なお、メラミンアルキッド樹脂以外に、アクリル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリウレタン樹脂、塩化ビニール樹脂等を用いても良い。このようにして、図1ないし図3に示すような圧電素子101が形成される。この圧電素子101の形成には、安易で安価なスクリーン印刷法を用いているので、圧電素子101を容易に作製することができ、しかも安価に作製することができる。
Next, an
最後に、形成された圧電素子101に分極処理を行う。図4は、分極処理の方法及び原理を説明する概念図であって、図4(a)は、圧電層13の初期の状態を示し、図4(b)は、圧電層13の厚み方向に電圧を印加した状態を示し、図4(c)は、分極処理が終了した状態を示している。なお、図中には、圧電層13として、チタン酸バリウム粒体BTと熱可塑性樹脂PPを示している。
Finally, polarization processing is performed on the formed
分極処理は、形成された圧電素子101をキュリー点近傍の温度に加熱して、図1及び図3に示す端子部171及び端子部172から、図4(b)に示すように、圧電層13の厚みに応じた直流電圧を圧電層13に1〜10(V/μm)程度、印加する。そして、常温に戻した後、第1電極層11と第2電極層12との間を短絡させて余分な容量を除去して終了する。なお、直流電圧の印加は、4〜6(V/μm)が好適である。
In the polarization treatment, the formed
このようにして、圧電層13は、図4(a)に示す初期状態から図4(c)に示す分極された状態へと、簡単に処理を行うことができる。これは、熱可塑性樹脂PPがチタン酸バリウム粒体BTのキュリー点より低い軟化点を有しているので、キュリー点近傍の温度で加熱して圧電層13の分極処理を行う際に、熱可塑性樹脂PPが軟化することで、チタン酸バリウム粒体BTが動きやすくなるからである。このことにより、チタン酸バリウム粒体BTの自発分極の向きを容易に揃えることができる。
In this way, the
<実施例>
以上のように構成された圧電素子101について、圧電効果の確認を行うため、実際に作製した圧電素子101の特性の測定を行った。その測定方法は、φ30(mm)の外形の圧電層13が形成された試料(サンプル)に、2Hzの周波数で1(mm)の変位が生じるような加振を加え、その時の出力電圧を測定した。また、作製された圧電素子101の試料(サンプル)の耐熱性についても測定した。図5は、圧電素子101の測定結果の一例であって、図5(a)は、加振を加えた時の出力電圧値の図であり、図5(b)は、85(℃)の高温に暴露した後の出力電圧値の変化を示したグラフである。なお、図5(a)の横軸は時間、縦軸は出力電圧値であり、図5(b)の横軸は暴露した時間、縦軸は出力電圧値である。
<Example>
In order to confirm the piezoelectric effect of the
先ず、測定に用いた圧電素子101の試料(サンプル)について、具体的に説明する。圧電素子101の試料(サンプル)は、基材19として、厚みが75(μm)のポリイミド(PI)フィルムを用いた。
First, the sample (sample) of the
また、第1電極層11として、約150(℃)で約30分間加熱して固化させて得られた膜が、その膜厚が約10(μm)程度で、ポリウレタン樹脂中のマトリックス中に導電性の銀の粉体が約50(vol%)程度含有されたものを用いた。
A film obtained by heating and solidifying at about 150 (° C.) for about 30 minutes as the
また、圧電層13として、約120(℃)で約20分間加熱して固化させて得られた膜が、その膜厚が50(μm)程度で、非晶性ポリエステル樹脂の熱可塑性樹脂中のマトリックス中にチタン酸バリウム粒体が約60(vol%)分散されているものを用いた。そして、このチタン酸バリウム粒体のキュリー点は、132.8(℃)のものを用い、非晶性ポリエステル樹脂の軟化点は、83(℃)のものを用いた。つまり、熱可塑性樹脂である非晶性ポリエステル樹脂の軟化点(83(℃))は、チタン酸バリウム粒体のキュリー点(132.8(℃))より低い温度になっている。
Further, a film obtained by heating and solidifying at about 120 (° C.) for about 20 minutes as the
また、第2電極層12として、約170(℃)で約20分間加熱して固化させて得られた膜が、その膜厚が約10(μm)程度で、フェノール樹脂中のマトリックス中に導電性の銀粉が40(vol%)分散されているものを用いた。
Further, as the
また、オーバーコート部材15として、約150(℃)で約10分間加熱して固化させて得られた膜が、その膜厚が約10(μm)程度で、顔料が含有された絶縁性のメラミンアルキッド樹脂をベースとしたものを用いた。
Further, as the
次に、上述のようにして作製された圧電素子101の試料(サンプル)に分極処理を行った。分極処理は、試料(サンプル)のキュリー点近傍の温度、具体的には130(℃)に加熱して、図1及び図3に示す端子部171及び端子部172から、圧電層13に約250(V)の直流電圧を20分間、印加するだけで、容易に行うことができた。
Next, a polarization treatment was performed on the sample (sample) of the
以上の試料(サンプル)を測定した結果、図5(a)に示すように、約250(mV/μm)の出力電圧値(ピークツーピーク値)が一定して得られた。この圧電効果の発現は、チタン酸バリウム粒体のキュリー点が132(℃)以上で135(℃)以下であれば、チタン酸バリウム粒体が単結晶に近い状態であることに起因する。このことにより、圧電層13の脱分極温度(圧電効果が急激に低下し始める温度とする)を高められるとともに、チタン酸バリウム粒体の分極されている比率が大きいものとなる。このことにより、圧電素子101に力が加えられた際に、出力電圧や応答速度等の感度を向上させることができる。
As a result of measuring the above sample (sample), an output voltage value (peak-to-peak value) of about 250 (mV / μm) was constantly obtained as shown in FIG. The expression of the piezoelectric effect is attributed to the fact that the barium titanate particles are close to a single crystal if the Curie point of the barium titanate particles is 132 (° C.) or more and 135 (° C.) or less. As a result, the depolarization temperature of the piezoelectric layer 13 (the temperature at which the piezoelectric effect begins to drop sharply) can be increased, and the proportion of the barium titanate granules that are polarized is large. Thus, when a force is applied to the
また、一般的に、焼結されたチタン酸バリウムは、図10に示すように、約80(℃)以上に加熱されると急激に残留分極量(自発分極が維持されている率)が低下し、圧電効果が消失してしまい、一般の電子機器への適用が難しいとされていた。特に、従来例2では、チタン酸バリウムを用いることができるとしているが、何等考慮されていないチタン酸バリウムを用いた場合は、一般の電子機器への適用が難しいと考えられる。 In general, as shown in FIG. 10, the sintered barium titanate rapidly decreases in the amount of remanent polarization (the rate at which spontaneous polarization is maintained) when heated to about 80 ° C. or higher. However, the piezoelectric effect disappears, and it has been difficult to apply to general electronic devices. In particular, in Conventional Example 2, barium titanate can be used. However, when barium titanate that is not considered at all is used, it is considered difficult to apply to general electronic equipment.
しかしながら、本発明の圧電素子101では、図5(b)に示すように、85(℃)の高温に320時間もの間、暴露した後であっても、圧電効果が消失せずに保たれている。これは、チタン酸バリウム粒体が単結晶に近い状態であることに起因して、圧電層13の脱分極温度(圧電効果が急激に低下し始める温度とする)を高められるのに加え、熱可塑性樹脂の軟化点が80(℃)以上、具体的には83(℃)であるので、チタン酸バリウム粒体が自由に動くことができるほど軟化することがなく、チタン酸バリウム粒体の分極状態を保持するのに、充分な耐熱性を有するからである。このことにより、85(℃)の高温に暴露した後であっても、圧電効果が消失せずに保たれ、一般の電子機器に適用することができる。
However, in the
最後に、チタン酸バリウム粒体の平均粒径dを変えた試料(サンプル)を作製し、同様に測定を行った。図6は、圧電素子101に用いたチタン酸バリウム粒体の平均粒径dが変化した場合の測定結果を示したグラフである。また、図6の横軸はチタン酸バリウム粒体の平均粒径dであり、縦軸は圧電層13の膜厚1(μm)あたりの出力電圧値である。
Finally, samples (samples) with different average particle diameters d of barium titanate granules were prepared and measured in the same manner. FIG. 6 is a graph showing measurement results when the average particle diameter d of the barium titanate particles used in the
図6に示すように、チタン酸バリウム粒体の平均粒径dが、大きくなるに伴い出力電圧値が高くなり、400〜500(nm)の時に、最も高い出力電圧値になっている。これは、チタン酸バリウム粒体の結晶性が向上しているためと、チタン酸バリウム粒体の熱可塑性樹脂中へ適度に分散されるためである。このことにより、圧電層13の分極自体が大きいものとなるとともに、チタン酸バリウム粒体の自発分極の向きがより一様に揃い易くなり、圧電素子101に力が加えられた際に、圧電素子101の出力電圧や応答速度等の感度を向上させることができる。
As shown in FIG. 6, the output voltage value increases as the average particle diameter d of the barium titanate particles increases, and the highest output voltage value is obtained when the average particle diameter is 400 to 500 (nm). This is because the crystallinity of the barium titanate granules is improved and the barium titanate granules are appropriately dispersed in the thermoplastic resin. As a result, the polarization itself of the
以上により、本発明の圧電素子101は、圧電層13がチタン酸バリウム粒体を含有する熱可塑性樹脂により形成され、熱可塑性樹脂がチタン酸バリウム粒体のキュリー点より低い軟化点を有しているので、分極処理をチタン酸バリウム粒体のキュリー点近傍の温度で行うことができるとともに、キュリー点近傍の温度で加熱して圧電層13の分極処理を行う際に、熱可塑性樹脂が軟化することで、チタン酸バリウム粒体が動きやすくなる。このことにより、チタン酸バリウム粒体の自発分極の向きを容易に揃えることができる。したがって、容易に分極処理を行なうことができる圧電素子101を提供することができる。
As described above, in the
また、第2電極層12が導電性の銀を含有するフェノール樹脂により形成されているので、第2電極層12を形成する際に、このフェノール樹脂の硬化収縮に伴い、圧電層13の層内において、圧電層13の第2電極層12側が第2電極層12に引っ張られて縮む方向に応力を受け、圧電層13の第1電極層11側が逆に伸ばされる方向に応力を受け、圧電層13の層内に内部応力が発生する。このことにより、圧電素子101に力が加えられた際に、内部応力が存在するため、出力電圧や応答速度等の感度を向上させることができる。
In addition, since the
また、チタン酸バリウム粒体のキュリー点が、132(℃)以上で135(℃)以下であり、チタン酸バリウム粒体が単結晶に近い状態である。このため、圧電層13の脱分極温度(圧電効果が急激に低下し始める温度とする)を高められるとともに、チタン酸バリウム粒体の分極されている比率も大きいものとなる。このことにより、圧電素子101に力が加えられた際に、出力電圧や応答速度等の感度をより向上させることができる。
Further, the Curie point of the barium titanate particles is 132 (° C.) or more and 135 (° C.) or less, and the barium titanate particles are close to a single crystal. For this reason, the depolarization temperature of the piezoelectric layer 13 (the temperature at which the piezoelectric effect starts to decrease rapidly) can be increased, and the polarization ratio of the barium titanate granules is also increased. Thus, when a force is applied to the
また、チタン酸バリウム粒体の粒径dが400〜500(nm)であるので、チタン酸バリウム粒体が熱可塑性樹脂中へ適度に分散されるものとなる。このため、チタン酸バリウム粒体の凝集等によるチタン酸バリウム粒体の動きが阻害されず、チタン酸バリウム粒体の自発分極の向きをより一様に揃えることができる。このことにより、圧電素子101に力が加えられた際に、出力電圧や応答速度等の感度をより一層向上させることができる。
Moreover, since the particle diameter d of a barium titanate particle is 400-500 (nm), a barium titanate particle will be disperse | distributed moderately in a thermoplastic resin. For this reason, the movement of the barium titanate particles due to the aggregation of the barium titanate particles is not inhibited, and the direction of spontaneous polarization of the barium titanate particles can be made more uniform. Thus, when a force is applied to the
また、熱可塑性樹脂の軟化点が80(℃)以上であるので、一般の電子機器の使用温度範囲(−20(℃)〜+80(℃))において、熱可塑性樹脂がチタン酸バリウム粒体の分極状態を保持するのに、充分な耐熱性を有している。このことにより、高温に暴露した後であっても圧電効果が消失せずに保たれ、一般の電子機器に適用することができる。 In addition, since the softening point of the thermoplastic resin is 80 (° C.) or higher, the thermoplastic resin is made of barium titanate granules in the use temperature range of general electronic equipment (−20 (° C.) to +80 (° C.)). It has sufficient heat resistance to maintain the polarization state. Thus, even after exposure to high temperatures, the piezoelectric effect is maintained without being lost, and can be applied to general electronic devices.
また、熱可塑性樹脂が非晶性ポリエステル樹脂であるので、常温で、適度な柔軟性を有しており、圧電層13が変形しても、圧電層13に発生するクラック等を抑えることができる。このことにより、寿命の長い圧電素子101を提供することができる。
Further, since the thermoplastic resin is an amorphous polyester resin, it has moderate flexibility at room temperature, and even if the
[第2実施形態]
図7は、本発明の第2実施形態の圧電素子102を説明する構成図であって、その平面図である。図8は、本発明の第2実施形態の圧電素子102を説明する構成図であって、図7に示すY2側から見た側面図である。図9は、本発明の第2実施形態の圧電素子102を説明する図であって、図9(a)は、図7に示すIX−IX線における断面図であり、図9(b)は、図7に示すX−X線における断面図である。第2実施形態の圧電素子102は、第1実施形態に対し、基材29の両面に圧電層(23A、23B)を設けている点が異なる。なお、第1実施形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。また、図7ないし図9は、説明を容易にするための構成図なので、厚み方向(Z1−Z2方向)の寸法が実際とは大きく異なる。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a configuration diagram illustrating the
本発明の第2実施形態の圧電素子102は、図7ないし図9に示すように、可撓性の基材29の一方側に積層された第1電極層21Aと、第1電極層21Aに積層された圧電層23Aと、圧電層23Aに積層された第2電極層22Aと、を備えて構成され、更に、可撓性の基材29の他方側に積層された第1電極層21Bと、第1電極層21Bに積層された圧電層23Bと、圧電層23Bに積層された第2電極層22Bと、を備えて構成される。他に、圧電素子102に電力を供給或いは圧電素子102から出力を取り出すための4つの端子部(271、272、273、274)を備えている。
As shown in FIGS. 7 to 9, the
第1電極層21Aは、図7ないし図9に示すように、基材29の一方側面に積層して設けられ、ポリエステル樹脂中のマトリックス中に導電性のカーボンの粉体が25〜50(vol%)分散されている。この基材29には、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムを用い、厚みが25〜125(μm)程度で可撓性を有している。
As shown in FIGS. 7 to 9, the
第1電極層21Aの作製は、イソシアネート等の硬化剤を含有したポリエステル樹脂とブチルカルビトールアセテート等の溶剤とカーボン粉とを混合して導電性カーボンペーストとし、スクリーン印刷等の手法を用いて、この導電性カーボンペーストを基材29に塗布し、約120(℃)で約5分間加熱して硬化させて行う。第1電極層21Aの厚みは10(μm)程度である。また、図7及び図9(a)に示すように、第1電極層21Aと同じ工程で、端子部271を作製している。端子部271は、電力の供給或いは出力の取り出しが行い易いように、第1電極層21Aの端部から基材29の端部まで引き出されるように形成されている。
The
なお、導電性カーボンペーストのバインダーとしてポリエステル樹脂を用いたが、他の合成樹脂、例えば熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂、エポキシ樹脂等や、熱可塑性樹脂であるポリウレタン樹脂、アクリル樹脂等であっても良い。また、導電性カーボンペーストの導電性フィラーとしてカーボン粉を用いたが、他の導電性フィラー、例えばインジウム‐すず‐酸化物等の酸化物粉や、銀、銅、ニッケル等の金属粉であっても良い。また、可撓性の基材29にポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムを用いたが、他の合成樹脂、例えばポリイミド(PI)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)等のフィルムであっても良い。
Polyester resin was used as the binder for the conductive carbon paste, but other synthetic resins such as phenol resin, epoxy resin, etc., which are thermosetting resins, polyurethane resin, acrylic resin, etc., which are thermoplastic resins, etc. Also good. In addition, carbon powder was used as the conductive filler of the conductive carbon paste, but other conductive fillers such as oxide powder such as indium-tin-oxide and metal powder such as silver, copper, nickel, etc. Also good. Moreover, although the polyethylene terephthalate (PET) film was used for the
圧電層23Aは、図7ないし図9に示すように、基材29の一方側面に設けられ、第1電極層21Aに積層して形成されている。また、圧電層23Aは、ポリウレタン樹脂の熱可塑性樹脂中のマトリックス中にチタン酸バリウム粒体が約55〜65(vol%)分散されているものを好適に用いている。このような合成樹脂との複合材なので、圧電層23Aは、可撓性を有している。
As shown in FIGS. 7 to 9, the piezoelectric layer 23 </ b> A is provided on one side surface of the
チタン酸バリウム粒体は、第1実施形態と同様に、その平均粒径dが200〜800(nm)程度を用い、特に、400〜500(nm)のものを最も好適に用いている。この平均粒径dは、ガス吸着法による比表面積/細孔分布測定法、所謂BET法の装置を用い、測定されたチタン酸バリウム粒体の表面積Sとチタン酸バリウム粒体の密度pから計算して求めた。その計算式は、d=6/pSである。また、チタン酸バリウム粒体は、第1実施形態と同様に、キュリー点が132(℃)以上で135(℃)以下の粉体を用いている。このキュリー点の測定は、示差走査熱量測定(DSC、Differential Scanning Calorimetry)にて行っている。 As in the first embodiment, the barium titanate particles have an average particle diameter d of about 200 to 800 (nm), and most preferably 400 to 500 (nm). This average particle diameter d is calculated from the measured surface area S of the barium titanate granules and the density p of the barium titanate granules using a so-called BET apparatus using a specific surface area / pore distribution measurement method by a gas adsorption method. And asked. The calculation formula is d = 6 / pS. In addition, the barium titanate granules use a powder having a Curie point of 132 (° C.) or more and 135 (° C.) or less, as in the first embodiment. The Curie point is measured by differential scanning calorimetry (DSC, Differential Scanning Calorimetry).
また、チタン酸バリウム粒体は、水熱法による合成法を用いて作製されている。ここでいう水熱法による合成法とは、圧力釜(オートクレーブ)等に水酸化バリウム(Ba(OH)2)とチタニア(TiO2)を入れ、100(℃)以上でも水が沸騰しない高温・高圧下において、チタン酸バリウム(BaTiO3)を合成する方法である。 In addition, the barium titanate granules are produced using a hydrothermal synthesis method. The hydrothermal synthesis method mentioned here refers to a high temperature at which water does not boil at 100 (° C.) or higher by placing barium hydroxide (Ba (OH) 2 ) and titania (TiO 2 ) in a pressure cooker (autoclave) or the like. In this method, barium titanate (BaTiO 3 ) is synthesized under high pressure.
ポリウレタン樹脂は、軟化点が80(℃)以上のタイプの樹脂を用いている。そして、その分子量は、10000から100000程度である。なお、なお、熱可塑性樹脂としてポリウレタン樹脂を好適に用いたが、非晶性ポリエステル樹脂であっても良い。また、ポリウレタン樹脂及び非晶性ポリエステル樹脂は、常温で、適度な柔軟性を有しているので、圧電層23Aが変形しても、圧電層23Aに発生するクラック等を抑えることができる。このことにより、寿命の長い圧電素子102を提供することができる。さらに、ポリウレタン樹脂及び非晶性ポリエステル樹脂は、一般に広く使用され、容易にしかも安価に入手することができる。
As the polyurethane resin, a resin having a softening point of 80 (° C.) or more is used. The molecular weight is about 10,000 to 100,000. In addition, although the polyurethane resin was used suitably as a thermoplastic resin, an amorphous polyester resin may be sufficient. In addition, since the polyurethane resin and the amorphous polyester resin have moderate flexibility at room temperature, cracks and the like generated in the
圧電層23Aの作製は、先ず、溶剤に可溶なポリウレタン樹脂を用い、ブチルカルビトールアセテート等の溶剤とポリウレタン樹脂とチタン酸バリウム粒体とを所望の配合比で混合し、3本ロール等の混合機でそれぞれを均一に分散させ、誘電体ペーストを作製する。この際に、少量の硬化剤を適宜用いても良い。次に、スクリーン印刷等の手法を用いて、この誘電体ペーストを基材29の一方側面に第1電極層21Aを覆うようにして塗布し、乾燥及び硬化させて作製する。この硬化後の圧電層23Aの厚みは、20〜70(μm)程度である。
First, the
第2電極層22Aは、図7ないし図9に示すように、基材29の一方側面に積層して設けられ、圧電層23Aに積層して形成されている。また、第2電極層22Aは、フェノール樹脂中のマトリックス中に導電性のカーボン粉が約25〜50(vol%)分散されており、その厚みは10〜20(μm)程度である。この第2電極層22Aの導電性部材として、カーボン粉を好適に用いたが、銀粉であっても良い。
As shown in FIGS. 7 to 9, the
第2電極層22Aの作製は、熱硬化性のフェノール樹脂とブチルカルビトールアセテート等の溶剤とカーボン粉とを混合して導電性カーボンペーストとし、第1電極層21A及び圧電層23Aと同様なスクリーン印刷等の手法を用いて、この導電性カーボンペーストを圧電層23A上に塗布して積層し、加熱を行い、乾燥及び硬化させる。このフェノール樹脂の硬化収縮に伴い、圧電層23Aの層内において、第2電極層22Aに引っ張られて縮む方向に応力を受け、圧電層23Aの第1電極層21A側が逆に伸ばされる方向に応力を受け、圧電層23Aの層内に内部応力が発生する。
The
また、第2電極層22Aと同じ工程で、図7及び図9(b)に示す端子部272を作製している。端子部272は、電力の供給或いは出力の取り出しが行い易いように、第2電極層22Aの端部から基材29の端部まで引き出されるように形成されている。
Moreover, the
以上のようにして、第1電極層21A、圧電層23A及び第2電極層22Aが、合成樹脂にフィラーが分散されたものであるので、基材29の可撓性に対応して、充分な可撓性を有しているので、圧電素子102は、可撓性を有している。
As described above, the
次に、図7ないし図9に示すように、基材29の他方側面に第1電極層21B、圧電層23B及び第2電極層22Bを積層して形成する。第1電極層21B、圧電層23B及び第2電極層22Bの形成は、第1電極層21A、圧電層23A及び第2電極層22Aと同じ材料及び同じ方法で行う。つまり、基材29の両側に同じ構成の圧電素子が形成されるようになる。また、第1電極層21A、圧電層23A、第2電極層22A、第1電極層21B、圧電層23B及び第2電極層22Bが、合成樹脂にフィラーが分散されたものであるので、基材29の可撓性に対して、充分な可撓性を有しているので、圧電素子102は、可撓性を有している。
Next, as shown in FIGS. 7 to 9, the first electrode layer 21 </ b> B, the piezoelectric layer 23 </ b> B, and the second electrode layer 22 </ b> B are laminated and formed on the other side surface of the
最後に、形成された圧電素子102に分極処理を行う。分極処理は、第1実施形態と同じような方法で行う。先ず、形成された圧電素子102をキュリー点近傍の温度に加熱して、図7及び図9に示す端子部271及び端子部272から、圧電層23Aの厚みに応じた直流電圧を1〜10(V/μm)程度、20分間、圧電層23Aに印加する。更に、図9に示す端子部273及び端子部274からも、圧電層23Bの厚みに応じた直流電圧を1〜10(V/μm)程度、20分間、圧電層23Bに印加する。この際には、それぞれの印加方向が、膜厚方向で逆方向になるようにする。そして、常温に戻した後、第1電極層21Aと第2電極層22Aとの間、及び第1電極層21Bと第2電極層22Bとの間を短絡させて、余分な容量を除去して終了する。なお、直流電圧の印加は、4〜6(V/μm)が好適である。
Finally, polarization processing is performed on the formed
このようにして、圧電層23A及び圧電層23Bは、図4(a)に示す初期状態から図4(c)に示す分極状態へと、簡単に処理を行うことができる。これは、熱可塑性樹脂がチタン酸バリウム粒体のキュリー点より低い軟化点を有しているので、キュリー点近傍の温度で加熱して圧電層23A及び圧電層23Bの分極処理を行う際に、熱可塑性樹脂が軟化することで、チタン酸バリウム粒体が動きやすくなる。このことにより、チタン酸バリウム粒体の自発分極の向きを容易に揃えることができる。
In this way, the
以上のようにして作製された圧電素子102について、第1実施形態と同様に、圧電効果の確認を行った。その結果、図示はしないが、第1実施形態と同様に、約300〜700(mV/μm)の出力電圧値が一定して得られた。しかも、本発明の第2実施形態では、基材29の両側に同じ構成の圧電素子が形成されているので、得られる出力電圧値は、基材19の片側に圧電素子が形成された第1実施形態のような構成と比較して、2倍近い値を得ることができた。また、本発明の圧電素子102は、図示はしないが、第1実施形態と同様に、85(℃)の高温に300時間もの間、暴露した後であっても、圧電効果が消失せずに保たれていた。また、図示はしないが、第1実施形態と同様に、チタン酸バリウム粒体の平均粒径dが、大きくなるに伴い出力電圧値が高くなり、400〜500(nm)の時に、最も高い出力電圧値になっていた。
For the
以上により、本発明の圧電素子102は、圧電層23A及び圧電層23Bがチタン酸バリウム粒体を含有する熱可塑性樹脂により形成され、熱可塑性樹脂がチタン酸バリウム粒体のキュリー点より低い軟化点を有しているので、分極処理をチタン酸バリウム粒体のキュリー点近傍の温度で行うことができるとともに、キュリー点近傍の温度で加熱して圧電層23A及び圧電層23Bの分極処理を行う際に、熱可塑性樹脂が軟化することで、チタン酸バリウム粒体が動きやすくなる。このことにより、チタン酸バリウム粒体の自発分極の向きを容易に揃えることができる。したがって、容易に分極処理を行なうことができる圧電素子102を提供することができる。
As described above, in the
また、第2電極層22A及び第2電極層22Bが導電性のカーボンを含有するフェノール樹脂により形成されているので、第2電極層22A及び第2電極層22Bを形成する際に、このフェノール樹脂の硬化収縮に伴い、圧電層23A及び圧電層23Bの層内において、圧電層23A及び圧電層23Bの第2電極層22A及び第2電極層22B側が第2電極層22A及び第2電極層22Bに引っ張られて縮む方向に応力を受け、圧電層(23A、23B)の第1電極層21A及び第1電極層21B側が逆に伸ばされる方向に応力を受け、圧電層23A及び圧電層23Bの層内に内部応力が発生する。このことにより、圧電素子102に力が加えられた際に、内部応力が存在するため、出力電圧や応答速度等の感度を向上させることができる。
Further, since the
また、チタン酸バリウム粒体のキュリー点が、132(℃)以上で135(℃)以下であるので、チタン酸バリウム粒体が単結晶に近い状態である。このため、圧電層(23A、23B)の脱分極温度(圧電効果が急激に低下し始める温度とする)を高められるとともに、チタン酸バリウム粒体の分極されている比率も大きいものとなる。このことにより、圧電素子102に力が加えられた際に、出力電圧や応答速度等の感度をより向上させることができる
また、チタン酸バリウム粒体の粒径dが400〜500(nm)であるので、チタン酸バリウム粒体の熱可塑性樹脂中への分散状態が適度に良くなる。このため、チタン酸バリウム粒体の凝集等によるチタン酸バリウム粒体の動きが阻害されず、チタン酸バリウム粒体の自発分極の向きをより一様に揃えることができる。このことにより、圧電素子102に力が加えられた際に、出力電圧や応答速度等の感度をより一層向上させることができる。
Further, since the Curie point of the barium titanate particles is 132 (° C.) or more and 135 (° C.) or less, the barium titanate particles are in a state close to a single crystal. For this reason, the depolarization temperature of the piezoelectric layers (23A, 23B) (the temperature at which the piezoelectric effect starts to drop rapidly) can be increased, and the polarization ratio of the barium titanate particles is also increased. As a result, when force is applied to the
また、軟化点が80(℃)以上であるので、一般の電子機器の使用温度範囲(−20(℃)〜+80(℃))において、熱可塑性樹脂がチタン酸バリウム粒体の分極状態を保持するのに、充分な耐熱性を有している。このことにより、高温に暴露した後であっても圧電効果が消失せずに保たれ、一般の電子機器に適用することができる。 In addition, since the softening point is 80 (° C) or higher, the thermoplastic resin maintains the polarization state of the barium titanate particles in the temperature range of use of general electronic equipment (-20 (° C) to +80 (° C)). Therefore, it has sufficient heat resistance. Thus, even after exposure to high temperatures, the piezoelectric effect is maintained without being lost, and can be applied to general electronic devices.
また、熱可塑性樹脂がポリウレタン樹脂であるので、常温で、適度な柔軟性を有しており、圧電層23A及び圧電層23Bが変形しても、圧電層23A及び圧電層23Bに発生するクラック等を抑えることができる。このことにより、寿命の長い圧電素子102を提供することができる。
Further, since the thermoplastic resin is a polyurethane resin, it has an appropriate flexibility at room temperature, and cracks generated in the
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, For example, it can deform | transform and implement as follows, These embodiments also belong to the technical scope of this invention.
<変形例1>
上記第1実施形態では、第2電極層12に導電性の銀を含有するフェノール樹脂を好適に用いたが、第1電極層11に用いた導電性部材及び合成樹脂であっても良い。
<
In the said 1st Embodiment, although the phenol resin containing electroconductive silver was used suitably for the
<変形例2>
上記第2実施形態では、第2電極層22Aに導電性のカーボンを含有するフェノール樹脂を好適に用いたが、第1電極層21Aに用いた導電性部材及び合成樹脂であっても良い。
<Modification 2>
In the second embodiment, a phenol resin containing conductive carbon is suitably used for the
<変形例3>
上記実施形態では、基材(19、29)の片側或いは両面に、1つの第1電極層、圧電層及び第2電極層の組み合わせで圧電素子(101、102)を構成したが、この1つの組み合わせを、何層にも重ねて(積層して)、圧電素子を構成しても良い。これにより、積層した分に応じて、高い出力電圧値を得ることができる。
<Modification 3>
In the above embodiment, the piezoelectric element (101, 102) is configured by combining one first electrode layer, piezoelectric layer, and second electrode layer on one side or both sides of the base material (19, 29). The piezoelectric element may be configured by stacking (stacking) combinations in layers. Thereby, a high output voltage value can be obtained according to the amount of lamination.
<変形例4>
上記実施形態では、基材(19、29)に合成樹脂のフィルムを用いたが、可撓性を有していれば良く、例えば、ガラス入りのエポキシ樹脂基板や紙フェノール基板でも良い。
<Modification 4>
In the above embodiment, a synthetic resin film is used as the base material (19, 29). However, it may be flexible, for example, a glass-filled epoxy resin substrate or a paper phenol substrate.
<変形例5>
上記実施形態では、基材(19、29)に合成樹脂のフィルムを用いたが、ステンレス、黄銅、ニッケル等の箔或いはシート状の金属を用いても良い。その際の基材の厚みは、0.5〜1.2(mm)が好適に用いられる。その際には、基材と圧電素子との間に絶縁層を設けるか、第1電極層と第2電極層との間に絶縁層を設け、第1電極層と第2電極層との短絡を防止する必要がある。また、金属の基材を第1電極層として用いても良い。
<Modification 5>
In the above embodiment, the synthetic resin film is used for the base material (19, 29). However, a foil or sheet metal such as stainless steel, brass, or nickel may be used. In this case, the thickness of the base material is preferably 0.5 to 1.2 (mm). In that case, an insulating layer is provided between the substrate and the piezoelectric element, or an insulating layer is provided between the first electrode layer and the second electrode layer, and the first electrode layer and the second electrode layer are short-circuited. Need to prevent. Moreover, you may use a metal base material as a 1st electrode layer.
本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the scope of the object of the present invention.
11、21A、21B 第1電極層
12、22A、22B 第2電極層
13、23A、23B 圧電層
19、29 基材
BT チタン酸バリウム粒体
PP 熱可塑性樹脂
d 粒径(平均粒径)
101、102 圧電素子
11, 21A, 21B
101, 102 Piezoelectric element
Claims (6)
前記圧電層は、チタン酸バリウム粒体を含有する熱可塑性樹脂により形成され、
前記熱可塑性樹脂の軟化点は、前記チタン酸バリウム粒体のキュリー点より低いことを特徴とする圧電素子。 A piezoelectric element comprising: a first electrode layer laminated on a flexible substrate; a piezoelectric layer laminated on the first electrode layer; and a second electrode layer laminated on the piezoelectric layer. ,
The piezoelectric layer is formed of a thermoplastic resin containing barium titanate granules,
The piezoelectric element, wherein a softening point of the thermoplastic resin is lower than a Curie point of the barium titanate granules.
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