JP2019033235A - 積層型焦電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】単位時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）を大きく出来る積層型焦電素子を提供する。
【解決手段】複数の焦電体層がその厚さ方向に積層された積層体と、前記焦電体層間に設けられ、隣接する焦電体層の外周まで一端が延びた内部電極層と、前記内部電極層同士を、前記一端において１層おきに接続する外部電極と、を備えた積層型焦電素子であって、前記焦電体層の積層方向に直交する一対の第１の面と、該第１の面に直交しかつ前記焦電体層の積層方向に平行な一対の第２の面と、前記第１の面及び前記第２の面にそれぞれ直交する一対の第３の面と、を有し、前記第１の面間の距離をｘ_１、前記第２の面間の距離をｘ_２、前記第３の面間の距離をｘ_３としたとき、ｘ_１＞ｘ_３かつｘ_２＞ｘ_３の関係を満たす積層型焦電素子とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型焦電素子に関する。

焦電性は、温度変化により電荷が発生する性質である。焦電性を有する物質（焦電体）は、温度変化により発生した電荷（焦電気）を取り出したり、帯電により生じる電位差を検出したりする焦電素子として、発電装置や赤外線センサに利用されている。

焦電素子としては、例えば、薄板状の磁器の両面にＡｕを蒸着して電極を形成した発電素子が知られている（特許文献１）。また、複数の焦電素子で構成された焦電体も知られている（特許文献２）。さらに、焦電素子の熱電変換効率を向上するために、熱媒体が焦電体を往復移動する方向に焦電素子の材質を異ならせることも知られている（特許文献２）。

特開２０１４−５７３９９ 特開２０１３−２３３００１

焦電体の両端に電極を形成した焦電素子においては、発電装置に適用した際の発電量の増加、及び赤外線センサに適用した際の感度向上につながるため、取出し可能な焦電気量（焦電電流）の増加が望まれている。
焦電素子から取出し可能な焦電気の量（焦電電流）ｉ_ｐは、焦電素子の電極総面積をＡ、焦電係数をｐ、温度をＴ、時間をｔとすると、

ｉ_ｐ＝Ａｐ（ｄＴ／ｄｔ） （１）

と表される。
この式からは、同じ材料を用いて同じ電極間距離に構成し、同じ温度条件下に置いた場合、取出し可能な焦電気の量は、素子の電極総面積に伴って増加することが判る。このため、特許文献２では、複数の焦電素子で構成した焦電体を用いることで、個々の焦電素子の電極面積の総和である電極総面積を大きくし、単一の焦電素子よりも発電量を増大することを目指していると解される。

素子の電極総面積を大きくする手段としては、前記のような複数素子の使用の他、単一の素子を積層構造とすることが知られている。積層構造の素子は、所期の性質（例えば焦電性）を有する層と内部電極層とを交互に積層し、内部電極層を１層おきに接続した素子である。積層構造とすることにより、同じ電極総面積を有する単層の素子に比べて小型化することが可能となる。

従来慣用されている積層構造は、焦電素子に採用して外部から積層方向に加熱又は冷却した場合（図３参照）、焦電体層内に積層方向（Ｄ軸方向）の温度勾配が生じて、一方極性の内部電極と他方極性の内部電極との間に焦電気が発生するが、隣接する焦電体層内では、一方極性の内部電極と他方極性の低温側と高温側が逆になって、逆電位が発生することで起電力が打ち消され、結果として加熱又は冷却に見合った焦電気が取り出せないことが懸念される。また、前記構造の焦電素子を、積層方向と直交する方向に加熱又は冷却した場合には（図４参照）、焦電体の熱伝導率が低いこと及び、加熱又は冷却方向（Ｔ軸方向）の素子寸法が相対的に大きいことに起因して、加熱又は冷却箇所から離れた位置での温度変化が小さくなり、上記（１）式におけるｄＴ／ｄｔが小さくなるため、当該位置の焦電体が発生する焦電気量が少なくなり、素子サイズに見合った焦電気が取り出せないことが懸念される。

上記のような課題の対策としては、特許文献２に記載のように、焦電素子内に生じる温度分布に応じて、キュリー点の異なる材質で焦電素子を形成することが挙げられるが、素子内で材質が変化する素子の製造には手間がかかる。

そこで本発明は、前記の問題を解決し、単位時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）を大きく出来る積層型焦電素子を提供することを課題とする。

本発明者は、前記課題を解決するために種々の検討を行ったところ、積層型焦電素子の素子寸法を見直すことで該課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、前記課題を解決するための本発明の一実施形態は、複数の焦電体層がその厚さ方向に積層された積層体と、前記積層体の前記焦電体層間に設けられ、隣接する焦電体層の外周まで一端が延びた内部電極層と、前記内部電極層同士を、前記一端において１層おきに接続する外部電極と、を備えた積層型焦電素子であって、前記焦電体層の積層方向に直交する一対の第１の面と、該第１の面に直交しかつ焦電体層の積層方向に平行な一対の第２の面と、前記第１の面及び前記第２の面にそれぞれ直交する一対の第３の面と、を有し、前記第１の面間の距離をｘ_１、前記第２の面間の距離をｘ_２、前記第３の面間の距離をｘ_３としたとき、ｘ_１＞ｘ_３かつｘ_２＞ｘ_３の関係を満たす、積層型焦電素子、である。

また、前記実施形態における好ましい形態は、前記第３の面間に温度勾配を有する前記積層型焦電素子である。
さらに、前記実施形態におけるより好ましい形態は、前記外部電極が、対向する前記第３の面にそれぞれ形成されるとともに、該各第３の面の略全面を覆う積層型焦電素子であり、該積層型焦電素子において、前記内部電極層の前記一端が、対向する前記第３の面に１層おきに露出するとともに、その露出長さが前記ｘ_２に略等しい形態がさらに好ましい。

本発明によれば、単位時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）を大きく出来る積層型焦電素子を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る積層型焦電素子の構造を示す模式図 本発明の一実施形態に係る積層型焦電素子を加熱又は冷却した場合の温度分布を示す模式図 従来型の積層構造を有する積層型焦電素子を、積層方向に加熱又は冷却した場合の温度分布を示す模式図 従来型の積層構造を有する積層型焦電素子を、積層方向と直交する方向に加熱又は冷却した場合の温度分布を示す模式図

以下、図面を参照しながら、本発明の構成及び作用効果について、技術的思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

図１に、本発明の一実施形態（以下、「本実施形態」と記載する。）に係る積層型焦電素子の構造を模式的に示す。本実施形態に係る積層型焦電素子１は、厚さ方向に積層された複数の焦電体層２と、前記焦電体層２間に設けられ、隣接する焦電体層の外周まで一端３１が延びた内部電極層３と、前記内部電極層３同士を、前記一端３１において１層おきに接続する外部電極４とを備える。そして、本実施形態に係る積層型焦電素子１は、前記焦電体層２の積層方向に直交する一対の第１の面１１と、該第１の面に直交しかつ前記焦電体層２の積層方向に平行な一対の第２の面１２と、前記第１の面及び前記第２の面にそれぞれ直交する一対の第３の面１３とを有する。なお、図１では、内部電極層３の配置を分かり易くするため、外部電極４と接続しない内部電極層３の端部も積層型焦電素子１の端面に露出するように描かれているが、本発明の素子形状はこれに限定されず、外部電極と接続しない内部電極層３の端部が素子端面に露出しない形状も含むものである。

焦電体層２を構成する焦電材料は、焦電性を有し、素子の使用環境下で物理的及び化学的に安定な材料であれば特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）及びチタン酸ビスマス・ナトリウム（（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ_３）、並びにこれらの構成元素の一部を置換した固溶体等（例えば、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）が使用できる。焦電体層２の厚みも特に限定されず、積層型焦電素子１が搭載される装置の仕様に合うよう適宜設定すれば良い。一例としては、５〜１００μｍが挙げられる。

内部電極層３を構成する電極材料は、導電性が高く、積層型焦電素子１の使用環境下で物理的及び化学的に安定な材料であれば特に限定されない。積層型焦電素子１を製造する際に、焦電体層２と内部電極層３との一体焼成を採用する場合には、焼成温度及び雰囲気において物理的及び化学的に安定であることも必要である。使用可能な電極材料の例としては、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、及びニッケル（Ｎｉ）、並びにこれらの合金等（例えば、銀パラジウムＡｇ／Ｐｄ）が挙げられる。

内部電極層３は、積層型焦電素子１のいずれかの面においてその一端３１を露出する。露出する一端３１は、外部電極４による一層おきの接続を容易にするため、１層おきに位置をずらして、交互に配置することが好ましい。位置をずらして配置される一端３１は、積層型焦電素子１の１つの面に配置しても良いが、異なる極性の電極間の短絡を防止する点、及び後述するように外部電極４を極力大きな面積とする点からは、異なる面に配置することが好ましく、対向する面に配置することがより好ましい。内部電極層３の露出する一端３１の長さ（積層方向に垂直な方向の長さ）は、外部電極４と接続可能であれば特に限定されないが、積層型焦電素子１内部の温度を均一にする点からは、極力大きくすることが好ましく、該一端３１が露出する面の寸法に略等しくすることがより好ましい。端部３１の長さを大きくすることで、素子外部から加えられる熱をより多く素子内部に伝えることができ、素子内部の温度勾配を小さくすることができるためである。本明細書において、内部電極層３の露出する一端３１の長さが、該一端３１が露出する面の寸法に略等しいとは、短絡を防ぐために必要な間隔のみが該面の縁から空けられることを意味する。

外部電極４を構成する電極材料は、導電性が高く、積層型焦電素子１の使用環境下で物理的及び化学的に安定な材料であれば特に限定されない。使用可能な電極材料の例としては、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）及びニッケル（Ｎｉ）、並びにこれらの合金等（例えば、銀パラジウムＡｇ／Ｐｄ）が挙げられる。外部電極４を構成する電極材料は、内部電極層３を構成する電極材料と同一でも良く、異なっていても良い。

外部電極４は、積層型焦電素子１の端面に露出した内部電極層３の一端３１を一層おきに接続していれば、その形状は限定されず、積層方向に真っ直ぐ延びる形状であっても、蛇行する形状であってもよく、また積層型焦電素子１の一面の一部のみを覆う形状であっても、一面の略全面を覆う形状であっても良い。積層型焦電素子１内部の温度を均一にする点からは、外部電極４は、極力大きな面積とすることが好ましく、積層型焦電素子１の一面の略全面を覆う形状とすることがより好ましい。熱伝導率の高い外部電極４が積層型焦電素子１の一面の略全面を覆うことで、当該一面における温度分布が小さくなり、当該一面から等距離にある素子内部の温度分布を小さくすることができるためである。本明細書において、外部電極４が積層型焦電素子１の一面の略全面を覆うとは、短絡を防ぐために必要な間隔のみが該一面の縁及び極性の異なる電極から空けられることを意味する。

次に、本実施形態に係る積層型焦電素子１の寸法について説明する。本実施形態に係る積層型焦電素子１は、図１に示すように、第１の面１１間の距離をｘ_１、第２の面１２間の距離をｘ_２、第３の面１３間の距離をｘ_３としたとき、

ｘ_１＞ｘ_３かつｘ_２＞ｘ_３

の関係を満たす。素子内の温度勾配を小さくし、より多くの焦電気を得るためには、ｘ_３がｘ_１及びｘ_２に比べて十分に小さいことが好ましい。一例としては、ｘ_３に対するｘ_１及びｘ_２の比が、ｘ_１／ｘ_３≧５、ｘ_２／ｘ_３≧５であることが好ましく、ｘ_１／ｘ_３≧１０、ｘ_２／ｘ_３≧１０であることがより好ましい。各寸法の具体的な値については、素子が搭載される装置の仕様により適宜設定すればよく、一例としては、ｘ_１及びｘ_２として２０〜１００ｍｍ、ｘ_３として０．０５〜５ｍｍが挙げられる。

本実施形態に係る積層型焦電素子１は、好ましくは、図２に示すように、第３の面１３間に温度勾配を有する。この場合には、焦電体層２及び内部電極層３が温度の変化する方向に平行に位置するため、焦電体層２内に積層方向の温度勾配が生じにくい。したがって、隣接する焦電体層の間で逆電位が生じにくくなり、起電力が打ち消されることなく、多くの焦電気を取り出すことができる。加えて、温度が変化する方向の素子寸法が、他の方向に比べて小さくなっているため、該方向における素子内の温度勾配が小さくなり、素子全体を利用して焦電気を発生することができる。

本実施形態に係る積層型焦電素子１は、より好ましくは、外部電極４が、対向する一対の第３の面１３にそれぞれ形成されるとともに、該各第３の面１３の略全面を覆う形状を有し、さらに好ましくは、該外部電極４の形状に加えて、内部電極層３の前記一端３１が、対向する前記第３の面１３に１層おきに露出するとともに、その露出長さがｘ_２に略等しい形状を有する。熱伝導率の高い外部電極４が第３の面１３の略全面を覆うことで、面内の温度が均一になり易く、第３の面１３から等距離にある素子内部の温度分布を小さくすることができる。さらに、内部電極層３の露出長さを大きくして外部電極４との接触面積を増加することで、外部電極４から内部電極層３へと伝わる熱量が増加し、これに伴い内部電極層３から焦電体層２に伝わる熱量も増加するため、単位時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）を大きくすることができる。

本実施形態に係る積層型焦電素子１の製造には、一般的な積層型素子の製造方法を採用できる。一例として、焦電体層２と内部電極層３とを一体焼成する方法について以下に説明する。

まず、焦電体層２を形成する焦電材料粉末をバインダー等と混合し、スラリー又は坏土を形成した後、これをシート状に成形して焦電材料の生シートを得る。シートの成形方法としては、ドクターブレード法、押出成形法等の慣用されている方法を採用できる。

次に、焦電材料の生シート上に、焼成後に内部電極層３となる電極パターンを形成する。電極パターンは慣用されている方法で形成すれば良く、電極材料を含むペーストを印刷又は塗布する方法がコストの点で好ましい。印刷又は塗布により電極パターンを形成する際には、焼成後の焦電体層２への付着強度を向上させるため、ガラスフリットや焦電材料粉末をペースト中に含有させても良い。

次いで、電極パターンを形成した焦電材料の生シートを所定の枚数積層し、シート同士を接着して生成形体を得る。積層及び接着は慣用されている方法で行えば良く、生シート同士をバインダーの作用で熱圧着する方法がコストの点で好ましい。

次いで、生成形体を焼成する。焼成温度及び雰囲気は、使用する焦電材料及び電極材料の特性に応じて適宜設定すれば良い。１つの生成形体から複数の焦電素子を得る場合には、焼成に先立って生成形体を幾つかのブロックに分割しても良い。

焼成後、焼成体の一面に露出した内部電極層３の一端３１を接続するように外部電極４を形成し、積層型焦電素子１とする。外部電極４の形成は、慣用されている方法で行えば良く、浸漬塗布の他、蒸着を採用しても良い。

本発明によれば、加熱又は冷却時の単位時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）を大きく出来る積層型焦電素子を提供することができる。この焦電素子は、受け取る熱量を効率よく温度変化に使用できるため、発電量の大きい発電素子、及び感度の高い赤外線センサを形成することができる点で有用である。

１ 積層型焦電素子
１１ 第１の面
１２ 第２の面
１３ 第３の面
２ 焦電体層
３ 内部電極層
３１ 内部電極層の露出した一端
４ 外部電極

Claims (4)

1. 複数の焦電体層がその厚さ方向に積層された積層体と、
   前記積層体の前記焦電体層間に設けられ、隣接する焦電体層の外周まで一端が延びた内部電極層と、
   前記内部電極層同士を、前記一端において１層おきに接続する外部電極と、
   を備えた積層型焦電素子であって、
   前記焦電体層の積層方向に直交する一対の第１の面と、該第１の面に直交しかつ前記焦電体層の積層方向に平行な一対の第２の面と、前記第１の面及び前記第２の面にそれぞれ直交する一対の第３の面と、
   を有し、
   前記前記第１の面間の距離をｘ_１、前記第２の面間の距離をｘ_２、前記第３の面間の距離をｘ_３としたとき、
   
   ｘ_１＞ｘ_３かつｘ_２＞ｘ_３
   
   の関係を満たす、積層型焦電素子。
2. 前記第３の面間に温度勾配を有する、請求項１に記載の積層型焦電素子。
3. 前記外部電極が、対向する前記第３の面にそれぞれ形成されるとともに、該各第３の面の略全面を覆う、請求項２に記載の積層型焦電素子。
4. 前記内部電極層の前記一端が、対向する前記第３の面に１層おきに露出するとともに、その露出長さが前記ｘ_２に略等しい、請求項３に記載の積層型焦電素子。