JP2018163982A - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
圧電方式は発電素子として圧電素子を用いるものであり、材料の圧電特性を利用することから電磁誘導、静電誘導に比べて構造が単純であることに利点がある。圧電素子に求められる特性は高い発電性能、耐衝撃性等である。
無機圧電材料と有機圧電材料を複合化させることで、高い発電性能と、柔軟性、耐衝撃性を併せ持つ圧電素子を作製する試みもなされている。例えば特許文献1では、樹脂と圧電粒子とを有する圧電体層を積層した複合圧電素子が提案されており、2つの第1圧電体層の間に、この第1圧電体層よりも圧電粒子濃度が低い第2圧電体層が配置された構造である。第2圧電体層の圧電粒子濃度を低くすることにより、複合圧電素子の曲げ耐性を向上させている。また、特許文献2では、有機ポリマーを含むファイバーを用いて形成された不織布または織布を含み、かつ、無機フィラーを含む圧電性シートが開示されている。
非特許文献1では、ニオブ酸ナトリウムカリウム固溶体(以下、NKNという)粒子が配合されたポリビニルアルコール(以下、PVAという)樹脂組成物からなるシート層と、繊維化したPVDFからなる不織布にNKN粒子が保持されている不織布層と、を交互に積層し一体化した圧電素子が提案されている。この構造は多孔質の不織布層を有するため、特許文献1の構造よりさらに柔軟性が高いと考えられる。
非特許文献1の圧電素子の発電性能をさらに向上させるには、PVA樹脂組成物にNKN粒子を高充填することでシート層表面の面電荷密度を高め、電荷を取り出し易くする必要がある。また、シート層の厚み、不織布層の厚み、シート層と不織布層の層数に関して発電性能がどうなるかの点で検討がされていない。シート層および不織布層からなる積層体の発電性能については特許文献2においても検討されていない。
そこで、本発明者らは、圧電セラミックス粒子が保持または配合された高分子不織布と、圧電セラミックス粒子が配合された高分子樹脂シートとを、上記高分子不織布が少なくとも1層含まれるように積層された積層体からなる圧電素子であって、この積層体は、上記高分子不織布1層の2つの主平面側に上記高分子樹脂シートがそれぞれ1層ずつ積層された積層体より発生する発電量以上の発電量を実現できる圧電素子を発明し、出願している(特許文献3)。
また、上記導電性接着剤層は圧電素子内部の電荷を外部に取り出せる電極であることを特徴とする。
上記高分子樹脂シートは、50〜80体積%の圧電セラミックス粒子が配合されている1層の厚さが10〜100μmのシートであり、上記高分子不織布は、この高分子不織布を構成する繊維の平均直径が0.05〜5μmであり、30〜60体積%の圧電セラミックス粒子が保持または配合されている1層の厚さが10〜300μmの不織布であり、上記導電性接着剤層の厚みが5〜50μmであることを特徴とする。
本発明の圧電素子を構成する積層体は、上記高分子不織布が複数枚積層されているか、または、上記高分子不織布と上記高分子樹脂シートとが上記導電性接着剤層を介して交互に積層されていることを特徴とする。特に、上記積層体の2つの主平面側がいずれも上記高分子樹脂シートであることを特徴とする。
上記圧電セラミックス粒子が保持または配合された高分子不織布は、高分子を水または有機溶剤に溶解させた溶液に前記圧電セラミックス粒子を分散することで得たスラリーを電界紡糸する電界紡糸法によって製造された高分子不織布であることを特徴とする。
本発明の圧電素子は、上記電極を外部電極に接続することができるため、圧電素子の表裏のみに電極を設置する場合に比べて、電荷を外部に取り出し易い。
図1(a)は、圧電セラミックス粒子が配合された高分子樹脂シート2と、圧電セラミックス粒子4が不織布5内に保持または配合された高分子不織布3とが導電性接着剤層6を介して交互に積層され、高分子樹脂シート2aおよび2bが積層体1aの表裏を形成している。高分子樹脂シート2の積層枚数をn、高分子不織布3の積層枚数をmとした場合、積層体1aにおける枚数の関係式としては、n=m+1となる。また、最小構造の積層体はnが2枚で、mが1枚であり、これが最小構造の積層体となる。
高分子樹脂シート2は、PVA樹脂中に平均粒子径1μmのNKN粒子が50体積%配合され、1枚の厚さが40μmのシートを準備した。
高分子不織布3は、平均粒子径1μmのNKN粒子が50体積%配合されたPVDFスラリーを用いて電界紡糸法により作製した、1枚の厚さが40μmの不織布である。高分子不織布3の平均繊維径は0.05μm、0.5μm、5μmの3水準を準備した。
図3は積層体1aおよび積層体1bの分極方法の一例を示した模式図である。アースされた試料台7上に積層体1を置き、積層体1の上面から垂直方向に3mmの距離に設置した針状電極8によって直流電界を印加して生じるコロナ放電によって分極処理をして圧電素子を作製した。処理条件は室温にて、電圧20kV、処理時間10分間とした。
本発明は、この最適値の両側一定範囲を特定するもので、上記最小単位の積層体1より発生する発電量以上の発電量を実現できる積層体とする。具体的には、圧電素子Aの場合は、2−1構造、3−2構造、4−3構造、5−4構造、6−5構造、および7−6構造であり、好ましくは2−1構造、3−2構造、4−3構造、5−4構造、および6−5構造であり、より好ましくは3−2構造、4−3構造、および5−4構造である。また、圧電素子Bの場合は、2−1構造、2−3構造、2−5構造、2−7構造、および2−9構造であり、好ましくは2−1構造、2−3構造、2−5構造、および2−7構造である。
また、本発明の圧電素子の分極方法は、上記一体化された圧電素子に直流電界を印加する工程を含むことが好ましい。具体的な分極方法として、大気中にてコロナ放電を用いる方法、100〜200℃に加熱したシリコーンオイル中にて直流電界を印加する方法等が挙げられる。
圧電セラミックスとして用いたNKN粒子は、Na2CO3(純度99.9%)、K2CO3(純度99.9%)、Nb2O5(純度99.9%)を原料粉末とし、この原料粉末を十分に混合し、混合物を1098℃で2時間焼結した後、解砕することで平均粒子径1μmの粉末を作製した。この粉末を高分子バインダーであるポリウレタン溶液に分散させて、スプレードライヤー法により造粒粉を作製した。
実施例6に示すように、積層体として4−3構造の圧電素子が最大の発電量となる結果であった。また、高分子樹脂シート層中のNKN粒子配合量は多いほど発電量が大きい値であったが、比較例3(高分子樹脂シート1層の厚み40μm、NKN粒子配合量90体積%)、比較例4(高分子樹脂シート1層の厚み5μm、NKN粒子配合量70体積%)ではシート層の破断が生じたため発電量の測定ができなかった。また、発電量は、高分子不織布層の繊維の平均直径が0.05〜5μmの範囲で良好な値を示した。
2 高分子樹脂シート
3 高分子不織布
4 圧電セラミックス粒子
5 不織布
6 導電性接着剤層
7 試料台
8 針状電極
9 電極
10 銅箔テープ
11 負荷抵抗
12 オシロスコープ
Claims (7)
- 圧電セラミックス粒子が保持または配合された高分子不織布と、圧電セラミックス粒子が配合された高分子樹脂シートとを、前記高分子不織布が少なくとも1層含まれるように積層された積層体からなる圧電素子であって、
前記積層体は、前記高分子不織布と前記高分子樹脂シートとが導電性接着剤層を介して接着されていることを特徴とする圧電素子。 - 前記導電性接着剤層は圧電素子内部の電荷を外部に取り出せる電極であることを特徴とする請求項1記載の圧電素子。
- 前記高分子不織布は、この高分子不織布を構成する繊維の平均直径が0.05〜5μmであり、30〜60体積%の圧電セラミックス粒子が保持または配合されている1層の厚さが10〜300μmの不織布であり、
前記高分子樹脂シートは、50〜80体積%の圧電セラミックス粒子が配合されている1層の厚さが10〜100μmのシートであり、
前記導電性接着剤層の厚みが5〜50μmであることを特徴とする請求項1または請求項2記載の圧電素子。 - 前記積層体は、前記高分子不織布が複数枚積層されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項記載の圧電素子。
- 前記積層体は、前記高分子不織布と前記高分子樹脂シートとが前記導電性接着剤層を介して交互に積層されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項記載の圧電素子。
- 前記積層体の2つの主平面側がいずれも前記高分子樹脂シートであることを特徴とする請求項4または請求項5記載の圧電素子。
- 前記高分子樹脂シート、前記高分子不織布、および前記導電性接着剤層を一体化させる工程を有する請求項1記載の圧電素子の製造方法であって、
前記一体化させる工程が、前記導電性接着剤が塗布された前記高分子樹脂シート層と、前記高分子不織布層とを交互に積層しプレスを用いて接着する工程、
または、前記高分子樹脂シート層と、前記導電性接着剤が塗布された前記高分子不織布層とを交互に積層しプレスを用いて接着する工程であり、
前記圧電セラミックス粒子が保持または配合された高分子不織布は、高分子を水または有機溶剤に溶解させた溶液に前記圧電セラミックス粒子を分散することで得たスラリーを電界紡糸する電界紡糸法によって製造された高分子不織布であることを特徴とする圧電素子の製造方法。
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