KR20210132153A - 압전 필름, 적층 압전 소자 및 전기 음향 변환기 - Google Patents

압전 필름, 적층 압전 소자 및 전기 음향 변환기 Download PDF

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Abstract

50℃를 초과하는 고온의 환경하에 있어서 우수한 가요성을 갖고, 상온에서도 양호한 가요성을 발현하는 압전 필름, 이 압전 필름을 적층한 적층 압전 소자, 및 이 압전 필름 또는 적층 압전 소자를 이용하는 전기 음향 변환기의 제공을 과제로 한다. 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 분산하여 이루어지는 고분자 복합 압전체와, 고분자 복합 압전체의 양면의 전극층을 갖고, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 0.1 이상이 되는 극댓값이 존재하며, 50℃의 값이 0.08 이상인 압전 필름에 의하여, 과제를 해결한다.

Description

압전 필름, 적층 압전 소자 및 전기 음향 변환기
본 발명은, 스피커 및 마이크로폰 등의 음향 디바이스 등에 이용되는 압전 필름, 이 압전 필름을 적층한 적층 압전 소자, 및 이 압전 필름 또는 적층 압전 소자를 이용하는 전기 음향 변환기에 관한 것이다.
최근, 플라스틱 등의 가요성 기판을 이용한 플렉시블 디스플레이에 관한 연구가 진행되고 있다.
이러한 플렉시블 디스플레이의 기판으로서는, 예를 들면 특허문헌 1에 있어서 투명 플라스틱 필름에 가스 배리어층이나 투명 도전층을 적층한 플렉시블 디스플레이기판이 개시되어 있다.
플렉시블 디스플레이는, 종래의 유리 기판을 이용한 디스플레이와 비교하여, 경량성, 얇기, 가요성 등에 있어서 우위성을 갖고 있고, 원기둥 등의 곡면에 구비하는 것도 가능하다. 또, 말아 수납하는 것이 가능하기 때문에, 큰 화면이어도 휴대성을 저해하지 않고, 광고 등의 게시용이나, PDA(휴대 정보 단말) 등의 표시 장치로서 주목받고 있다.
이와 같은 플렉시블 디스플레이를, 텔레비전 수상기 등과 같이 화상과 함께 음성을 재생하는 화상 표시 장치겸 음성 발생 장치로서 사용하는 경우, 음성을 발생하기 위한 음향 장치인 스피커가 필요하다.
여기에서, 종래의 스피커 형상으로서는, 깔때기상의 이른바 콘형이나, 구면상의 돔형 등이 일반적이다. 그러나, 이들 스피커를 상술한 플렉시블 디스플레이에 내장하고자 하면, 플렉시블 디스플레이의 장점인 경량성이나 가요성을 저해할 우려가 있다. 또, 스피커를 외장형으로 한 경우, 휴대 등이 번거롭고, 곡면상의 벽에 설치하는 것이 어려워져 미관을 저해할 우려도 있다.
이와 같은 가운데, 경량성이나 가요성을 저해하지 않고 플렉시블 디스플레이에 일체화 가능한 스피커로서, 특허문헌 2에 기재된 압전 필름(전기 음향 변환 필름)이 알려져 있다.
이 압전 필름은, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료로 이루어지는 점탄성 매트릭스 중에 압전체 입자를 분산하여 이루어지는 고분자 복합 압전체와, 고분자 복합 압전체의 양면에 형성된 박막 전극과, 박막 전극의 표면에 형성된 보호층을 갖고, 또한 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가 0.1 이상이 되는 극댓값이 0~50℃의 온도 범위에 존재한다는 것이다.
일본 공개특허공보 2000-338901호 일본 공개특허공보 2015-29270호
압전 필름을 스피커로서 채용하기 위해서는, 필름면을 따른 신축 운동을 필름면의 진동으로 변환할 필요가 있다. 이 신축 운동으로부터 진동으로의 변환은, 압전 필름을 만곡시킨 상태에서 유지함으로써 달성되고, 이로써, 압전 필름을 스피커로서 기능시키는 것이 가능해진다.
그런데, 스피커용 진동판의 최저 공진 주파수 f0은, 하기 식으로 부여되는 것은 주지(周知)이다. 여기에서, s는 진동계의 스티프니스, m은 질량이다.
[수학식 1]
Figure pct00001
이때, 압전 필름의 만곡 정도 즉 만곡부의 곡률 반경이 커질수록 기계적인 스티프니스 s가 낮아지기 때문에, 최저 공진 주파수 f0은 작아진다. 즉, 압전 필름의 곡률 반경에 의하여 스피커의 음질(음량, 주파수 특성)이 바뀌게 된다.
이상의 점을 고려하면, 플렉시블 디스플레이용의 스피커로서 이용하는 압전 필름은, 다음의 요건을 구비한 것인 것이 바람직하다.
(i) 가요성
예를 들면, 휴대용으로서 신문이나 잡지와 같이 서류 감각으로 느슨하게 휘게 한 상태에서 파지하는 경우, 끊임없이 외부로부터, 수 Hz 이하의 비교적 느린, 큰 굽힘 변형을 받게 된다. 이때, 압전 필름이 단단하면, 그 만큼, 큰 굽힘 응력이 발생하고, 고분자 매트릭스와 압전체 입자의 계면에서 균열이 발생하여, 결국에 파괴로 이어질 우려가 있다. 따라서, 압전 필름에는, 적절한 부드러움이 요구된다. 또, 왜곡 에너지를 열로서 외부로 확산시킬 수 있으면 응력을 완화할 수 있다. 따라서, 압전 필름은, 손실 탄젠트가 적절히 클 것이 요구된다.
(ii) 음질
스피커는, 20Hz~20kHz의 오디오 대역의 주파수로 압전체 입자를 진동시키고, 그 진동 에너지에 의하여 진동판(압전 필름) 전체가 일체가 되어 진동함으로써 소리가 재생된다. 따라서, 진동 에너지의 전달 효율을 높이기 위하여 압전 필름에는 적절한 경도가 요구된다. 또, 스피커의 주파수 특성이 평활하면, 곡률의 변화에 따라 최저 공진 주파수 f0이 변화했을 때의 음질의 변화량도 작아진다. 따라서, 압전 필름의 손실 탄젠트는, 적절히 클 것이 요구된다.
이상을 정리하면, 플렉시블 디스플레이용의 스피커로서 이용하는 압전 필름은, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 단단하고, 수 Hz 이하의 진동에 대해서는 부드럽게 거동할 것이 요구된다. 또, 고분자 복합 압전체의 손실 탄젠트는, 20kHz 이하의 모든 주파수의 진동에 대하여, 적절히 클 것이 요구된다.
특허문헌 2에 기재되는 압전 필름은, 상온(0~50℃)이면, 상술한 조건을 충족시키고, 우수한 가요성 및 음질을 발현한다.
그러나, 스피커가 사용되는 환경은, 상온만이라고는 할 수 없고, 국가, 지역 및 사용 장소에 따라서는, 50℃를 초과하는 고온의 환경하에서 사용되는 경우도 있다. 그런데, 특허문헌 2에 기재되는 압전 필름은, 50℃를 초과하는 고온의 환경하에서는, 충분한 가요성 및 음질을 발현하는 것이 곤란하다.
본 발명의 목적은, 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하는 것에 있으며, 50℃를 초과하는 고온의 환경하에 있어서 우수한 가요성을 갖고, 또한 상온에서도 양호한 가요성을 갖는 압전 필름, 이 압전 필름을 적층한 적층 압전 소자, 및 이 압전 필름 또는 적층 압전 소자를 이용하는 전기 음향 변환기를 제공하는 것에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 이하의 구성을 갖는다.
[1] 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 분산하여 이루어지는 고분자 복합 압전체와, 고분자 복합 압전체의 양면에 형성된 전극층을 갖고,
동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 0.1 이상이 되는 극댓값이 존재하며, 또한 50℃에서의 값이 0.08 이상인 것을 특징으로 하는 압전 필름.
[2] 전극층의 표면에 마련된 보호층을 갖는, [1]에 기재된 압전 필름.
[3] 두께 방향으로 분극된 것인, [1] 또는 [2]에 기재된 압전 필름.
[4] 압전 특성에 면내 이방성을 갖지 않는 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 압전 필름.
[5] 전극층과 외부의 전원을 접속하기 위한 인출선을 갖는, [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 압전 필름.
[6] [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 압전 필름을, 복수 층, 적층하여 이루어지는 적층 압전 소자.
[7] 압전 필름이, 두께 방향으로 분극된 것이며, 또한 인접하는 압전 필름의 분극 방향이 반대인, [6]에 기재된 적층 압전 소자.
[8] 압전 필름을, 1회 이상, 되접어 꺾음으로써, 압전 필름을, 복수 층, 적층한 것인, [6] 또는 [7]에 기재된 적층 압전 소자.
[9] 인접하는 압전 필름을 첩착하는 첩착층을 갖는, [6] 내지 [8] 중 어느 하나에 기재된 적층 압전 소자.
[10] 진동판과, [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 압전 필름, 또는 [6] 내지 [9] 중 어느 하나에 기재된 적층 압전 소자를 갖는, 전기 음향 변환기.
[11] 압전 필름 또는 적층 압전 소자의 두께와, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz, 25℃에서의 저장 탄성률의 곱이, 진동판의 두께와, 영률의 곱의, 0.1~3배인, [10]에 기재된 전기 음향 변환기.
[12] 압전 필름 또는 적층 압전 소자의 두께와, 동적 점탄성 측정으로부터 얻어진 마스터 커브에 있어서의 주파수 1kHz, 25℃에서의 저장 탄성률의 곱이, 진동판의 두께와 영률의 곱의, 0.3~10배인, [10] 또는 [11]에 기재된 전기 음향 변환기.
[13] 진동판과, 압전 필름 또는 적층 압전 소자를 첩착하는 첩착층을 갖는, [10] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 전기 음향 변환기.
본 발명에 의하면, 50℃를 초과하는 고온의 환경하에 있어서 우수한 가요성을 갖고, 또한 상온에 있어서도, 양호한 가요성을 갖는 압전 필름, 이 압전 필름을 적층한 적층 압전 소자, 및 이 압전 필름 또는 적층 압전 소자를 이용하는 전기 음향 변환기가 제공된다.
도 1은, 본 발명의 압전 필름의 일례의 개념도이다.
도 2는, 압전 필름의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은, 압전 필름의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는, 압전 필름의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는, 압전 필름의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은, 압전 필름의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은, 도 1에 나타내는 압전 필름을 이용하는 압전 스피커의 일례의 개념도이다.
도 8은, 본 발명의 적층 압전 소자를 이용하는 본 발명의 전기 음향 변환기의 일례의 개념도이다.
도 9는, 본 발명의 적층 압전 소자의 다른 예의 개념도이다.
도 10은, 본 발명의 적층 압전 소자의 다른 예의 개념도이다.
도 11은, 본 발명의 적층 압전 소자의 다른 예의 개념도이다.
도 12는, 본 발명의 적층 압전 소자의 다른 예의 개념도이다.
도 13은, 본 발명의 적층 압전 소자의 다른 예의 개념도이다.
도 14는, 본 발명의 적층 압전 소자의 다른 예의 개념도이다.
도 15는, 본 발명의 적층 압전 소자의 다른 예의 개념도이다.
도 16은, 본 발명의 적층 압전 소자에 있어서의 돌출부를 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 본 발명의 압전 필름, 적층 압전 소자 및 전기 음향 변환기에 대하여, 첨부된 도면에 나타나는 적합 실시예를 기초로, 상세하게 설명한다.
이하에 기재하는 구성 요건의 설명은, 본 발명의 대표적인 실시형태에 근거하여 이루어지는 경우가 있지만, 본 발명은 그와 같은 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 있어서, "~"를 이용하여 나타나는 수치 범위는, "~"의 전후에 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 범위를 의미한다.
도 1에, 본 발명의 압전 필름의 일례를 단면도에 의하여 개념적으로 나타낸다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 압전 필름(10)은, 압전성을 갖는 시트상물인 압전체층(20)과, 압전체층(20)의 일방의 면에 적층되는 하부 전극(24)과, 하부 전극(24)에 적층되는 하부 보호층(28)과, 압전체층(20)의 타방의 면에 적층되는 상부 전극(26)과, 상부 전극(26)에 적층되는 상부 보호층(30)을 갖는다.
압전체층(20)은, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스(34) 중에, 압전체 입자(36)를 분산하여 이루어지는 것이다. 즉, 압전체층(20)은, 본 발명에 있어서의 고분자 복합 압전체이다.
후술하지만, 압전 필름(10)(압전체층(20))은, 바람직한 양태로서, 두께 방향으로 분극되어 있다.
이와 같은 압전 필름(10)은, 일례로서, 스피커, 마이크로폰, 및 기타 등의 악기에 이용되는 픽업 등의 각종 음향 디바이스(음향 기기)에 있어서, 전기 신호에 따른 진동에 의한 소리의 발생(재생)이나, 소리에 의한 진동을 전기 신호로 변환하기 위하여 이용된다.
또, 압전 필름은, 이 이외에도, 감압 센서 및 발전 소자 등에도 이용 가능하다.
상술한 바와 같이, 플렉시블 스피커 등에 이용되는 압전 필름은, 양호한 가요성 및 음질을 갖는 것인 것이 바람직하다.
즉, 압전 필름은, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 단단하고, 수 Hz 이하의 진동에 대해서는 부드럽게 거동할 것이 요구된다. 또, 압전 필름(10)의 손실 탄젠트는, 20kHz 이하의 모든 주파수의 진동에 대하여, 적절히 클 것이 요구된다.
일반적으로, 고분자 고체는 점탄성 완화 기구를 갖고 있고, 온도 상승 혹은 주파수의 저하와 함께 큰 스케일의 분자 운동이 저장 탄성률(영률)의 저하(완화) 혹은 손실 탄성률의 극대(흡수)로서 관측된다. 그중에서도, 비정질 영역의 분자쇄의 마이크로 브라운 운동에 의하여 야기되는 완화는, 주(主)분산이라고 불리고, 매우 큰 완화 현상이 보인다. 이 주분산이 일어나는 온도가 유리 전이점(Tg)이며, 가장 점탄성 완화 기구가 현저하게 나타난다.
본 발명의 압전 필름(10)은, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트(tanδ)가 0.1 이상이 되는 극댓값이, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에, 1 이상, 존재한다. 또한, 본 발명의 압전 필름(10)은, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트의 50℃에서의 값이, 0.08 이상이다.
본 발명의 압전 필름(10)은, 이로써, 50℃를 초과하는 고온 환경에 있어서, 매우 높은 가요성을 가짐과 함께, 상온에 있어서도, 양호한 가요성을 갖는다. 또한, 본 발명의 압전 필름(10)은, 50℃를 초과하는 고온 환경에 있어서, 20Hz~20kHz의 빠른 진동에 대해서는 단단하고, 수 Hz 이하의 느린 진동에 대해서는 부드럽게 거동한다.
또한, 본 발명에 있어서, "상온"이란, 0~50℃ 정도의 온도역을 가리킨다.
압전체층(20)은, 매트릭스(34)에, 압전체 입자(36)를 분산하여 이루어지는 것이다.
본 발명의 압전 필름(10)은, 일례로서, 압전체층(20)(고분자 복합 압전체)의 매트릭스(34)로서, 유리 전이점이 상온에 있는 고분자 재료와, 유리 전이점이 50℃ 초과인 고분자 재료를 혼합한 혼합 고분자 재료를 이용한다.
유리 전이점이 상온인 고분자 재료란, 즉, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료이다. 한편, 유리 전이점이 50℃ 초과인 고분자 재료란, 즉, 50℃ 초과의 온도역에 있어서 점탄성을 갖는 고분자 재료이다.
이와 같은 혼합 고분자 재료를 압전체층(20)의 매트릭스(34)로서 이용함으로써, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 0.1 이상이 되는 극댓값이 존재하며, 또한 50℃에서의 값이 0.08 이상인 압전 필름(10)이 얻어진다.
본 발명의 압전 필름(10)은, 동적 점탄성 측정에 의한, 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가 0.1 이상이 되는 극댓값이, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에, 1 이상, 존재한다.
본 발명의 압전 필름(10)은, 이로써, 50℃를 초과하는 고온 환경에 있어서, 압전 필름(10)이 외력에 의하여 천천히 구부러졌을 때에, 왜곡 에너지를 효과적으로 열로서 외부로 확산할 수 있다. 그 때문에, 압전 필름(10)은, 최대 굽힘 모멘트부에 있어서의 매트릭스(34)와 압전체 입자(36)의 계면의 응력 집중이 완화되어, 매트릭스(34)와 압전체 입자(36)의 계면에서 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 압전 필름(10)은, 50℃를 초과하는 고온 환경에 있어서의, 사용자에 의한 절곡 및 말기 등의, 외력에 의한 느린 움직임에 대하여, 매우 높은 가요성을 갖는다. 이상의 점에 관해서는, 후술하는 적층 압전 소자, 및 전기 음향 변환기도 동일하다.
주파수 1Hz, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 있어서의 손실 탄젠트의 극댓값은, 0.3 이상이 바람직하고, 0.5 이상이 보다 바람직하다.
또한, 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가 0.1 이상이 되는 극댓값은, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에, 복수, 존재해도 된다.
또, 본 발명의 압전 필름(10)은, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트의 50℃에서의 값이, 0.08 이상이다.
압전 필름(10)의 사용 환경은, 50℃를 초과하는 고온 환경만이라고는 할 수 없다. 또, 압전 필름은, 예를 들면 롤·투·롤과 같은 권취를 수반하는 제조 방법으로 제조되지만, 제조 환경의 온도는, 통상 상온이다. 따라서, 압전 필름(10)에는, 상온의 환경에 있어서도, 어느 정도의 가요성이 요구된다.
이에 대하여, 본 발명의 압전 필름은, 상술한 고온역에서의 손실 탄젠트의 극댓값에 더하여, 주파수 1Hz, 50℃에서의 손실 탄젠트가 0.08 이상임으로써, 앞과 동일한 이유에서, 상온의 환경에 있어서도, 양호한 취급성 및 각종 제조 방법을 가능하게 하는, 양호한 가요성을 발현한다. 이상의 점에 관해서는, 후술하는 적층 압전 소자, 및 전기 음향 변환기도 동일하다.
50℃, 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트는, 0.10 이상인 것이 바람직하고, 0.15 이상인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 압전 필름(10)에 있어서, 1Hz에서의 손실 탄젠트의 극댓값은, 상온의 온도 범위에, 존재해도 되고, 존재하지 않아도 된다.
또한, 본 발명의 압전 필름(10)은, 1Hz에서의 손실 탄젠트의 극댓값이, 상온의 온도 범위에, 1 이상, 존재함으로써, 상온 환경에 있어서의 압전 필름(10)의 가요성을, 보다 양호하게 할 수 있다. 본 발명의 압전 필름(10)에 있어서, 1Hz에서의 손실 탄젠트의 극댓값이 상온의 온도 범위에 존재하는 경우, 손실 탄젠트의 극댓값은, 0.08 이상인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 압전 필름(10)에 있어서는, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료와, 50℃ 초과의 온도역에 있어서 점탄성을 갖는 고분자 재료의 혼합 고분자 재료를, 압전체층(20)의 매트릭스(34)로서 이용한다.
상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료로서는, 유전성을 갖는 것이면, 공지의 각종의 것이 이용 가능하다. 바람직하게는, 고분자 재료는, 상온에 있어서, 동적 점탄성 시험에 의한 주파수 1Hz에 있어서의 손실 탄젠트의 극댓값이 0.08 이상인 고분자 재료를 이용한다.
이로써, 상온에 있어서, 압전 필름(10)이 외력에 의하여 천천히 구부러졌을 때에, 최대 굽힘 모멘트부에 있어서의 매트릭스(34)와 압전체 입자(36)의 계면의 응력 집중이 완화되어, 양호한 가요성이 얻어진다.
또, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료는, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률(E')이, 0℃에 있어서 100MPa 이상, 50℃에 있어서 10MPa 이하인 것이 바람직하다.
이로써, 압전 필름(10)이 외력에 의하여 천천히 구부러졌을 때에 발생하는 굽힘 모멘트를 저감시킬 수 있음과 동시에, 20Hz~20kHz의 음향 진동에 대해서는 단단하게 거동할 수 있다.
또, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료는, 비유전율이 25℃에 있어서 10 이상이면, 보다 적합하다. 이로써, 압전 필름(10)에 전압을 인가했을 때에, 매트릭스 중의 압전체 입자에는 보다 높은 전계가 가해지기 때문에, 큰 변형량을 기대할 수 있다.
그러나, 그 반면, 양호한 내습성의 확보 등을 고려하면, 고분자 재료는, 비유전율이 25℃에 있어서 10 이하인 것도, 적합하다.
이와 같은 조건을 충족시키는 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료로서는, 사이아노에틸화 폴리바이닐알코올(사이아노에틸화 PVA(CR-V)), 폴리아세트산 바이닐, 폴리바이닐리덴 클로라이드 코아크릴로나이트릴, 폴리스타이렌-바이닐폴리아이소프렌 블록 공중합체, 폴리바이닐메틸케톤, 및 폴리뷰틸메타크릴레이트 등이 예시된다. 또, 이들 고분자 재료로서는, 하이브라 5127(구라레사제) 등의 시판품도, 적합하게 이용 가능하다. 그중에서도, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료로서는, 사이아노에틸기를 갖는 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 사이아노에틸화 PVA를 이용하는 것이 특히 바람직하다.
또한, 이들 고분자 재료는, 1종만을 이용해도 되고, 복수 종을 병용(혼합)하여 이용해도 된다.
혼합 고분자 재료는, 이와 같은 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료에, 유리 전이점이 50℃ 초과인 고분자 재료, 즉, 50℃ 초과의 온도역에 있어서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 혼합한 것이다. 이하의 설명에서는, "50℃ 초과의 온도역에 있어서 점탄성을 갖는 고분자 재료"를, 편의적으로, "고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료"라고도 한다.
본 발명의 압전 필름(10)은, 압전체층(20)을 구성하는 매트릭스(34)로서, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료에, 고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 혼합한 혼합 고분자 재료를 이용함으로써, 매트릭스(34)의 유리 전이점을 향상시켜, 50℃ 초과의 고온 환경에서의 우수한 가요성과, 상온 환경에서의 양호한 가요성을 양립시키고 있다.
고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료는, 유리 전이점이 50℃ 초과이고, 또한 유전성을 갖는 것이면, 각종 재료가 이용 가능하다.
일례로서, 사이아노에틸화 풀루란(CR-S) 등이 예시된다.
압전체층(20)을 구성하는 매트릭스(34)에 있어서, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료에 대한, 고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료의 첨가량에는, 제한은 없다.
고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료의 첨가량은, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료와 고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 혼합한 혼합 고분자 재료에 있어서, 31~80질량%가 바람직하고, 41~70질량%가 보다 바람직하며, 51~60질량%가 더 바람직하다.
고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료의 첨가량을 31질량% 이상으로 함으로써, 고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 첨가하는 효과를 적합하게 발현하여, 50℃ 초과의 고온 환경에 있어서 우수한 가요성을 발현하는 압전 필름(10)이 얻어지는 점에서 바람직하다.
고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료의 첨가량을 80질량% 이하로 함으로써, 상온에서의 가요성을 양호하게 할 수 있는 점에서 바람직하다.
매트릭스(34)에는, 유전특성이나 기계적 특성의 조절 등을 목적으로 하여, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료 및 고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료에 더하여 필요에 따라, 그 외의 유전성 고분자 재료를 첨가해도 된다.
또, 매트릭스(34)에는, 유전성 고분자 재료 이외에도, 유리 전이점을 조절할 목적으로, 염화 바이닐 수지, 폴리에틸렌, 폴리스타이렌, 메타크릴 수지, 폴리뷰텐, 및 아이소뷰틸렌 등의 열가소성 수지, 및 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 알카이드 수지, 및 마이카 등의 열경화성 수지를 첨가해도 된다.
또한, 점착성을 향상시킬 목적으로, 로진에스터, 로진, 터펜, 터펜페놀, 및 석유 수지 등의 점착 부여제를 첨가해도 된다.
압전체층(20)은, 이와 같은 매트릭스(34)에, 압전체 입자(36)를 분산하여 이루어지는, 고분자 복합 압전체이다.
압전체 입자(36)는, 페로브스카이트형 또는 우르자이트(wurtzite)형의 결정 구조를 갖는 세라믹스 입자로 이루어지는 것이다.
압전체 입자(36)를 구성하는 세라믹스 입자로서는, 예를 들면 타이타늄산 지르코늄산 납(PZT), 타이타늄산 지르코늄산 란타넘산 납(PLZT), 타이타늄산 바륨(BaTiO3), 산화 아연(ZnO), 및 타이타늄산 바륨과 비스무트 페라이트(BiFe3)의 고용체(BFBT) 등이 예시된다.
이들 압전체 입자(36)는, 1종만을 이용해도 되고, 복수 종을 병용(혼합)하여 이용해도 된다.
이와 같은 압전체 입자(36)의 입경에는 제한은 없고, 압전 필름(10)의 사이즈 및 용도등에 따라, 적절히 선택하면 된다.
압전체 입자(36)의 입경은, 1~10μm가 바람직하다. 압전체 입자(36)의 입경을 이 범위로 함으로써, 압전 필름(10)의 높은 압전 특성과 플렉시빌리티를 양립시킬 수 있는 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
또한, 도 1에 있어서는, 압전체층(20) 중의 압전체 입자(36)는, 매트릭스(34) 중에, 균일하며 또한 규칙성을 갖고 분산되어 있지만, 본 발명은, 이것에 제한되지는 않는다.
즉, 압전체층(20) 중의 압전체 입자(36)는, 바람직하게는 균일하게 분산되어 있으면, 매트릭스(34) 중에 불규칙하게 분산되어 있어도 된다.
압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(20) 중에 있어서의 매트릭스(34)와 압전체 입자(36)의 양비에는, 제한은 없다. 압전체층(20) 중에 있어서의 매트릭스(34)와 압전체 입자(36)의 양비는, 압전 필름(10)의 면방향의 크기 및 두께, 압전 필름(10)의 용도, 및 압전 필름(10)에 요구되는 특성 등에 따라, 적절히 설정하면 된다.
압전체층(20) 중에 있어서의 압전체 입자(36)의 체적분율은, 30~80%가 바람직하고, 50% 이상이 보다 바람직하다. 따라서, 압전체층(20) 중에 있어서의 압전체 입자(36)의 체적분율은, 50~80%로 하는 것이, 더 바람직하다.
매트릭스(34)와 압전체 입자(36)의 양비를 상기 범위로 함으로써, 높은 압전 특성과 가요성을 양립시킬 수 있는 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(20)의 두께에는 제한은 없고, 압전 필름(10)의 용도, 및 압전 필름(10)에 요구되는 특성 등에 따라, 적절히 설정하면 된다. 압전체층(20)이 두꺼울수록, 이른바 시트상물의 탄성의 강도 등의 강성 등의 점에서는 유리하지만, 동일한 양만큼 압전 필름(10)을 신축시키기 위하여 필요한 전압(전위차)은 커진다.
압전체층(20)의 두께는, 10~300μm가 바람직하고, 20~200μm가 보다 바람직하며, 30~150μm가 더 바람직하다.
압전체층(20)의 두께를, 상기 범위로 함으로써, 강성의 확보와 적절한 유연성의 양립 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
본 발명의 압전 필름(10)에 있어서는, 상술한 압전 필름(10)과 동일한 이유에서, 압전체층(20)(고분자 복합 압전체)은, 동적 점탄성 측정에 의한, 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가 0.1 이상이 되는 극댓값이, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에, 1 이상, 존재하는 것이 바람직하다. 또, 압전체층(20)에 있어서의, 주파수 1Hz, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 있어서의 손실 탄젠트의 극댓값은, 0.3 이상이 바람직하고, 0.5 이상이 보다 바람직하다.
또한, 압전체층(20)에 있어서, 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가 0.1 이상이 되는 극댓값은, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에, 복수, 존재해도 된다.
또, 본 발명의 압전 필름(10)에 있어서는, 상술한 압전 필름(10)과 동일한 이유에서, 압전체층(20)은, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트의 50℃에서의 값이, 0.08 이상인 것이 바람직하다.
압전체층(20)에 있어서의, 50℃, 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트는, 0.07 이상인 것이 바람직하고, 0.1 이상인 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명의 압전 필름(10)의 압전체층(20)에 있어서는, 1Hz에서의 손실 탄젠트의 극댓값은, 상온의 온도 범위에, 존재해도 되고, 존재하지 않아도 된다.
그러나, 상술한 압전 필름(10)과 동일한 이유에서, 압전체층(20)은, 1Hz에서의 손실 탄젠트의 극댓값이, 상온의 온도 범위에, 1 이상, 존재하는 것이 바람직하다. 압전체층(20)에 있어서, 1Hz에서의 손실 탄젠트의 극댓값이 상온의 온도 범위에 존재하는 경우, 손실 탄젠트의 극댓값은, 0.08 이상인 것이 바람직하다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 도시예의 압전 필름(10)은, 이와 같은 압전체층(20)의 일면에, 하부 전극(24)을 갖고, 그 표면에 하부 보호층(28)을 가지며, 압전체층(20)의 타방의 면에, 상부 전극(26)을 갖고, 그 표면에 상부 보호층(30)을 가져 이루어지는 구성을 갖는다. 여기에서, 상부 전극(26)과 하부 전극(24)이 전극쌍을 형성한다.
또한, 압전 필름(10)은, 이들 층에 더하여, 예를 들면 상부 전극(26), 및 하부 전극(24)으로부터의 전극의 인출을 행하는 전극 인출부를 갖고, 전극 인출부가 전원(PS)에 접속된다. 또, 압전 필름(10)은, 압전체층(20)이 노출되는 영역을 덮어, 쇼트 등을 방지하는 절연층 등을 갖고 있어도 된다.
즉, 압전 필름(10)은, 압전체층(20)의 양면을 전극쌍, 즉, 상부 전극(26)과 하부 전극(24)으로 협지하고, 이 적층체를, 하부 보호층(28)과 상부 보호층(30)으로 협지하여 이루어지는 구성을 갖는다.
이와 같이, 압전 필름(10)에 있어서, 상부 전극(26) 및 하부 전극(24)으로 협지된 영역은, 인가된 전압에 따라 신축된다.
압전 필름(10)에 있어서, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)은, 필수의 구성 요건은 아니고, 바람직한 양태로서 마련되는 것이다.
하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)은, 상부 전극(26) 및 하부 전극(24)을 피복함과 함께, 압전체층(20)에 적절한 강성과 기계적 강도를 부여하는 역할을 담당하고 있다. 즉, 압전 필름(10)에 있어서, 매트릭스(34)와 압전체 입자(36)로 이루어지는 압전체층(20)은, 느린 굽힘 변형에 대해서는, 매우 우수한 가요성을 나타내는 한편으로, 용도에 따라서는, 강성이나 기계적 강도가 부족한 경우가 있다. 압전 필름(10)은, 그것을 보완하기 위하여 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)이 마련된다.
하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)에는, 제한은 없고, 각종 시트상물이 이용 가능하며, 일례로서, 각종 수지 필름이 적합하게 예시된다.
그중에서도, 우수한 기계적 특성 및 내열성을 갖는 등의 이유에 의하여, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리스타이렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에터이미드(PEI), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 트라이아세틸셀룰로스(TAC), 및 환상 올레핀계 수지 등으로 이루어지는 수지 필름이, 적합하게 이용된다.
하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 두께에도, 제한은 없다. 또, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 두께는, 기본적으로 동일하지만, 달라도 된다.
여기에서, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 강성이 과도하게 높으면, 압전체층(20)의 신축을 구속할 뿐만 아니라, 가요성도 손상된다. 그 때문에, 기계적 강도나 시트상물로서의 양호한 핸들링성이 요구되는 경우를 제외하면, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)은, 얇을수록 유리하다.
압전 필름(10)에 있어서는, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 두께가, 압전체층(20)의 두께의 2배 이하이면, 강성의 확보와 적절한 유연성의 양립 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
예를 들면, 압전체층(20)의 두께가 50μm이며 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)이 PET로 이루어지는 경우, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 두께는, 100μm 이하가 바람직하고, 50μm 이하가 보다 바람직하며, 25μm 이하가 더 바람직하다.
압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(20)과 하부 보호층(28)의 사이에는 하부 전극(24)이, 압전체층(20)과 상부 보호층(30)의 사이에는 상부 전극(26)이, 각각 형성된다.
하부 전극(24) 및 상부 전극(26)은, 압전체층(20)에 구동 전압을 인가하기 위하여 마련된다.
본 발명에 있어서, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)의 형성 재료에는 제한은 없고, 각종 도전체가 이용 가능하다. 구체적으로는, 탄소, 팔라듐, 철, 주석, 알루미늄, 니켈, 백금, 금, 은, 구리, 타이타늄, 크로뮴 및 몰리브데넘 등, 이들의 합금, 이들의 금속 및 합금의 적층체 및 복합체, 및 산화 인듐 주석 등이 예시된다. 그중에서도, 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 및 산화 인듐 주석은, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)으로서 적합하게 예시된다.
또, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)의 형성 방법에도 제한은 없고, 진공 증착 및 스퍼터링 등의 기상 퇴적법(진공 성막법)이나 도금에 의한 성막이나, 상기 재료로 형성된 박을 첩착하는 방법 등, 공지의 방법이, 각종, 이용 가능하다.
그중에서도 특히, 압전 필름(10)의 가요성을 확보할 수 있는 등의 이유에서, 진공 증착에 의하여 성막된 구리 및 알루미늄 등의 박막은, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)으로서 적합하게 이용된다. 그중에서도 특히, 진공 증착에 의한 구리의 박막은, 적합하게 이용된다.
하부 전극(24) 및 상부 전극(26)의 두께에는, 제한은 없다. 또, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)의 두께는, 기본적으로 동일하지만, 달라도 된다.
여기에서, 상술한 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)과 동일하게, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)의 강성이 과도하게 높으면, 압전체층(20)의 신축을 구속할 뿐만 아니라, 가요성도 손상된다. 그 때문에, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)은, 전기 저항이 과도하게 높아지지 않는 범위이면, 얇을수록 유리하다. 즉, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)은, 박막 전극인 것이 바람직하다.
압전 필름(10)에 있어서는, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)의 두께와, 영률의 곱이, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 두께와, 영률의 곱을 하회하면, 가요성을 크게 저해하는 경우가 없기 때문에, 적합하다.
예를 들면, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)이 PET(영률: 약 6.2GPa)이며, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)이 구리(영률: 약 130GPa)로 이루어지는 조합의 경우, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 두께가 25μm라고 하면, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)의 두께는, 1.2μm 이하가 바람직하고, 0.3μm 이하가 보다 바람직하며, 0.1μm 이하가 더 바람직하다.
압전 필름(10)은, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률(E')이, 50℃에서 10~30GPa, 120℃에서 1~10GPa인 것이 바람직하다. 또한, 이 조건에 관해서는, 압전체층(20)도 동일하다.
이로써, 50℃를 초과하는 고온 환경에 있어서, 압전 필름(10)이 저장 탄성률에 큰 주파수 분산을 가질 수 있다. 즉, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 단단하고, 수 Hz 이하의 진동에 대해서는 부드럽게 거동할 수 있다.
또, 압전 필름(10)은, 두께와 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률의 곱이, 50℃에 있어서 2.0×105~5.0×106N/m, 120℃에 있어서 1.0×105~2.0×106N/m인 것이 바람직하다. 또한, 이 조건에 관해서는, 압전체층(20)도 동일하다.
이로써, 50℃를 초과하는 고온 환경에 있어서, 압전 필름(10)이 가요성 및 음향 특성을 저해하지 않는 범위에서, 적절한 강성과 기계적 강도를 구비할 수 있다.
또한, 압전 필름(10)은, 동적 점탄성 측정으로부터 얻어진 마스터 커브에 있어서, 25℃, 주파수 1kHz에 있어서의 손실 탄젠트가, 0.05 이상인 것이 바람직하다. 또한, 이 조건에 관해서는, 압전체층(20)도 동일하다.
이로써, 압전 필름(10)을 이용한 스피커의 주파수 특성이 평활해져, 스피커의 곡률의 변화에 따라 최저 공진 주파수 f0이 변화했을 때의 음질의 변화를 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 압전 필름(10), 압전체층(20), 후술하는 적층 압전 소자(14) 및 진동판(12) 등의 저장 탄성률(영률) 및 손실 탄젠트의 측정(동적 점탄성 측정)은, 동적 점탄성 측정기를 이용하는 공지의 방법으로 측정하면 된다. 동적 점탄성 측정기로서는, 일례로서 SII 나노테크놀로지사제의 DMS6100 점탄성 스펙트로미터가 예시된다.
측정 조건으로서는, 일례로서, 측정 주파수는 0.1~20Hz(0.1Hz, 0.2Hz, 0.5Hz, 1Hz, 2Hz, 5Hz, 10Hz 및 20Hz)가, 측정 온도는 -50~170℃가, 승온 속도는 2℃/분(질소 분위기 중)이, 샘플 사이즈는 40mm×10mm(클램프 영역 포함)가, 척간 거리는 20mm가, 각각 예시된다.
이하, 도 2~도 6을 참조하여, 압전 필름(10)의 제조 방법의 일례를 설명한다.
먼저, 도 2에 나타내는 바와 같이, 하부 보호층(28) 상에 하부 전극(24)이 형성된 시트상물(10a)을 준비한다. 이 시트상물(10a)은, 하부 보호층(28)의 표면에, 진공 증착, 스퍼터링, 및 도금 등에 의하여, 하부 전극(24)으로서 구리 박막 등을 형성하여 제작하면 된다.
하부 보호층(28)이 매우 얇아, 핸들링성이 나쁠 때 등은, 필요에 따라, 세퍼레이터(가지지체) 포함 하부 보호층(28)을 이용해도 된다. 또한, 세퍼레이터로서는, 두께 25~100μm의 PET 등을 이용할 수 있다. 세퍼레이터는, 상부 전극(26) 및 상부 보호층(30)을 열압착한 후, 하부 보호층(28)에 어떠한 부재를 적층하기 전에, 제거하면 된다.
한편, 유기 용매에, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료 및 고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 용해하고, 또한 PZT 입자 등의 압전체 입자(36)를 첨가하며, 교반하고 분산하여 이루어지는 도료를 조제한다. 이하의 설명에서는, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료와 고온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 구별할 필요가 없는 경우에는, 양자를 합하여 "점탄성 재료"라고도 한다.
유기 용매에는 제한은 없고, 다이메틸폼아마이드(DMF), 메틸에틸케톤, 사이클로헥산온 등의 각종 유기 용매가 이용 가능하다.
시트상물(10a)을 준비하고, 또한 도료를 조제하면, 이 도료를 시트상물(10a)에 캐스팅(도포)하여, 유기 용매를 증발시켜 건조한다. 이로써, 도 3에 나타내는 바와 같이, 하부 보호층(28) 상에 하부 전극(24)을 갖고, 하부 전극(24) 상에 압전체층(20)을 형성하여 이루어지는 적층체(10b)를 제작한다. 또한, 하부 전극(24)이란, 압전체층(20)을 도포할 때의 기재 측의 전극을 가리키며, 적층체에 있어서의 상하의 위치 관계를 나타내는 것은 아니다.
이 도료의 캐스팅 방법에는 제한은 없고, 슬라이드 코터 및 닥터 나이프 등의 공지의 방법(도포 장치)이, 모두, 이용 가능하다.
또한, 점탄성 재료가 사이아노에틸화 PVA와 같이 가열 용융 가능한 것이면, 점탄성 재료를 가열 용융하여, 이것에 압전체 입자(36)를 첨가/분산하여 이루어지는 용융물을 제작하고, 압출 성형 등에 의하여, 도 2에 나타내는 시트상물(10a) 상에 시트상으로 압출하여, 냉각함으로써, 도 3에 나타내는 바와 같은, 하부 보호층(28) 상에 하부 전극(24)을 가지며, 하부 전극(24) 상에 압전체층(20)을 형성하여 이루어지는 적층체(10b)를 제작해도 된다.
상술한 바와 같이, 압전 필름(10)에 있어서, 매트릭스(34)에는, 사이아노에틸화 PVA 등의 점탄성 재료 이외에도, 유전성의 고분자 재료를 첨가해도 된다.
매트릭스(34)에, 이들 고분자 재료를 첨가할 때에는, 상술한 도료에 첨가하는 고분자 재료를 용해하면 된다. 또는, 상술한 가열 용융한 점탄성 재료에, 첨가하는 고분자 재료를 첨가하여 가열 용융하면 된다.
하부 보호층(28) 상에 하부 전극(24)을 갖고, 하부 전극(24) 상에 압전체층(20)을 형성하여 이루어지는 적층체(10b)를 제작하면, 압전체층(20)의 분극 처리(폴링)를 행한다.
압전체층(20)의 분극 처리의 방법에는, 제한은 없고, 공지의 방법이 이용 가능하다. 바람직한 분극 처리의 방법으로서, 도 4 및 도 5에 나타내는 방법이 예시된다.
이 방법에서는, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 적층체(10b)의 압전체층(20)의 상면(20a) 상에, 간격(g)을 예를 들면 1mm 두고, 이 상면(20a)을 따라 이동 가능한 봉상 혹은 와이어상의 코로나 전극(40)을 마련한다. 그리고, 이 코로나 전극(40)과 하부 전극(24)을 직류 전원(42)에 접속한다.
또한, 적층체(10b)를 가열 유지하는 가열 수단, 예를 들면 핫플레이트를 준비한다.
그 위에, 압전체층(20)을, 가열 수단에 의하여, 예를 들면 온도 100℃로 가열 유지한 상태에서, 직류 전원(42)으로부터 하부 전극(24)과 코로나 전극(40)의 사이에, 수 kV, 예를 들면 6kV의 직류 전압을 인가하여 코로나 방전을 발생시킨다. 또한, 간격(g)을 유지한 상태에서, 압전체층(20)의 상면(20a)을 따라, 코로나 전극(40)을 이동(주사)하여, 압전체층(20)의 분극 처리를 행한다.
이로써, 압전체층(20)은 두께 방향으로 분극된다.
이와 같은 코로나 방전을 이용하는 분극 처리에 있어서, 코로나 전극(40)의 이동은, 공지의 봉상물의 이동 수단을 이용하면 된다. 이하의 설명에서는, 코로나 방전을 이용하는 분극 처리를, 편의적으로, "코로나 폴링 처리"라고도 한다.
또, 코로나 폴링 처리에서는, 코로나 전극(40)을 이동하는 방법에도, 제한은 되지 않는다. 즉, 코로나 전극(40)을 고정하고, 적층체(10b)를 이동시키는 이동 기구를 마련하여, 이 적층체(10b)를 이동시켜 분극 처리를 해도 된다. 이 적층체(10b)의 이동도, 공지의 시트상물의 이동 수단을 이용하면 된다.
또한, 코로나 전극(40)의 수는, 1개에 한정은 되지 않고, 복수 개의 코로나 전극(40)을 이용하여, 코로나 폴링 처리를 행해도 된다.
또, 분극 처리는, 코로나 폴링 처리에 제한은 되지 않고, 분극 처리를 행하는 대상에, 직접, 직류 전계를 인가하는, 통상의 전계 폴링도 이용 가능하다. 단, 이 통상의 전계 폴링을 행하는 경우에는, 분극 처리 전에, 상부 전극(26)을 형성할 필요가 있다.
또한, 이 분극 처리 전에, 압전체층(20)의 표면을 가열 롤러 등을 이용하여 평활화하는, 캘린더 처리를 실시해도 된다. 이 캘린더 처리를 실시함으로써, 후술하는 열압착 공정을 순조롭게 행할 수 있다.
이와 같이 하여 적층체(10b)의 압전체층(20)의 분극 처리를 행하는 한편, 상부 보호층(30) 상에 상부 전극(26)이 형성된 시트상물(10c)을, 준비한다. 이 시트상물(10c)은, 상부 보호층(30)의 표면에, 진공 증착, 스퍼터링, 도금 등에 의하여 상부 전극(26)으로서 구리 박막 등을 형성하여, 제작하면 된다.
이어서, 도 6에 나타내는 바와 같이, 상부 전극(26)을 압전체층(20)을 향하게 하여, 시트상물(10c)을, 압전체층(20)의 분극 처리를 종료한 적층체(10b)에 적층한다.
또한, 이 적층체(10b)와 시트상물(10c)의 적층체를, 상부 보호층(30)과 하부 보호층(28)을 협지하도록 하여, 가열 프레스 장치나 가열 롤러쌍 등으로 열압착하여, 압전 필름(10)을 제작한다.
후술하는 본 발명의 적층 압전 소자(14)는, 이와 같은 본 발명의 압전 필름(10)을 적층하여, 바람직한 양태로서 첩착층(19)으로 첩착한 구성을 갖는다. 도 8에 나타내는 적층 압전 소자(14)는, 바람직한 양태로서, 압전체층(20)에 붙인 화살표로 나타내는 바와 같이, 인접하는 압전 필름(10)에 있어서의 분극 방향이 서로 반대이다.
압전 세라믹스를 적층한 일반적인 적층 세라믹 압전 소자는, 압전 세라믹스의 적층체를 제작한 후에 분극 처리를 행한다. 각 압전층의 계면에는 공통 전극밖에 존재하지 않고, 그 때문에, 각 압전층의 분극 방향은 적층 방향으로 교대로 된다.
이에 대하여, 본 발명의 적층 압전 소자를 구성하는 압전 필름(10)은, 적층 전의 압전 필름(10) 상태에서 분극 처리를 행할 수 있다. 압전 필름(10)은, 바람직하게는, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 상부 전극(26) 및 상부 보호층(30)을 적층하기 전에, 코로나 폴링 처리에 의하여 압전체층(20)의 분극 처리를 행한다.
따라서, 본 발명의 적층 압전 소자는, 분극 처리가 완료된 압전 필름(10)을 적층하여 제작할 수 있다. 바람직하게는, 분극 처리를 실시한 장척의 압전 필름(큰 면적의 압전 필름)을 제작하고, 절단하여 개개의 압전 필름(10)으로 한 후에, 압전 필름(10)을 적층하여 적층 압전 소자(14)로 한다.
그 때문에, 본 발명의 적층 압전 소자는, 인접하는 압전 필름(10)에 있어서의 분극 방향을, 도 10에 나타내는 바와 같이 적층 압전 소자(61)와 같이 적층 방향으로 정렬할 수도 있고, 도 8에 나타내는 적층 압전 소자(14)와 같이, 교대로도 할 수 있다.
또, PVDF 등의 고분자 재료로 이루어지는 일반적인 압전 필름은, 분극 처리 후에 1축 방향으로 연신 처리함으로써, 연신 방향에 대하여 분자쇄가 배향하고, 결과적으로 연신 방향으로 큰 압전 특성이 얻어지는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 일반적인 압전 필름은, 압전 특성에 면내 이방성을 갖고, 전압이 인가된 경우의 면방향의 신축량에 이방성이 있다.
이에 대하여, 매트릭스(34) 중에 압전체 입자(36)를 분산하여 이루어지는 고분자 복합 압전체로 이루어지는 본 발명의 압전 필름(10)은, 분극 처리 후에 연신 처리를 하지 않아도 큰 압전 특성이 얻어진다. 그 때문에, 본 발명의 압전 필름(10)은, 압전 특성에 면내 이방성이 없고, 후술하는 바와 같이 구동 전압을 인가하면, 면내 방향에서는 전체 방향으로 등방적으로 신축한다.
이와 같은 본 발명의 압전 필름(10)의 제조는, 컷 시트상의 시트상물을 이용하여 행해도 되지만, 바람직하게는, 롤·투·롤(Roll to Roll)을 이용한다. 이하의 설명에서는, 롤·투·롤을 "RtoR"이라고도 한다.
주지하는 바와 같이, RtoR이란, 장척인 원재료를 권회하여 이루어지는 롤로부터, 원재료를 인출하여, 긴 길이 방향으로 반송하면서, 성막이나 표면 처리 등의 각종 처리를 행하여, 처리가 완료된 원재료를, 재차, 롤상으로 권회하는 제조 방법이다.
RtoR에 의하여, 상술한 제조 방법으로 압전 필름(10)을 제조할 때에는, 장척인 하부 보호층(28) 상에 하부 전극(24)이 형성된 시트상물(10a)을 권회하여 이루어지는 제1 롤, 및 장척인 상부 보호층(30) 상에 상부 전극(26)이 형성된 시트상물(10c)을 권회하여 이루어지는 제2 롤을 이용한다.
제1 롤 및 제2 롤은, 완전히, 동일한 것이어도 된다.
이 롤로부터, 시트상물(10a)을 인출하여, 긴 길이 방향으로 반송하면서, 점탄성 재료 및 압전체 입자(36)를 함유하는 도료를 도포하여, 가열 등에 의하여 건조하며, 하부 전극(24) 상에 압전체층(20)을 형성하여, 상술한 적층체(10b)로 한다.
이어서, 상술한 코로나 폴링을 행하여, 압전체층(20)의 분극 처리를 행한다. 여기에서, RtoR에 의하여 압전 필름(10)을 제조할 때에는, 적층체(10b)를 반송하면서, 적층체(10b)의 반송 방향과 직교하는 방향으로 장척인 고정된 봉상의 코로나 전극(40)에 의하여, 코로나 폴링에 의한 압전체층(20)의 분극 처리를 행한다. 또한, 이 분극 처치 전에, 캘린더 처리를 행해도 되는 것은, 상술한 바와 같다.
이어서, 제2 롤로부터 시트상물(10c)을 인출하여, 이 시트상물(10c) 및 적층체를 반송하면서, 첩합 롤러 등을 이용하는 공지의 방법으로, 상술한 바와 같이, 상부 전극(26)을 압전체층(20)을 향하게 하여, 적층체(10b) 상에 시트상물(10c)을 적층한다.
그 후, 가열 롤러쌍에 의하여, 적층한 적층체(10b)와 시트상물(10c)을 협지 반송함으로써 열압착하여, 본 발명의 압전 필름(10)을 완성하고, 이 압전 필름(10)을, 롤상으로 권회한다.
또한, 압전 필름(10)의 생산 환경은, 통상 상온이라고 생각된다. 이에 대하여, 본 발명의 압전 필름(10)은, 상술한 바와 같이, 고온 영역에서 양호한 가요성을 갖지만, 상온에서도, 충분한 가요성을 갖는다. 따라서, 본 발명의 압전 필름(10)은, RtoR과 같은 권취를 따른 제조 방법에도, 적합하게 대응할 수 있다.
또한, 이상의 예는, RtoR에 의하여, 시트상물(적층체)을, 1회만, 긴 길이 방향으로 반송하여, 본 발명의 압전 필름(10)을 제작하고 있지만, 이것에 한정은 되지 않는다.
예를 들면, 상술한 적층체(10b)를 형성하고, 코로나 폴링을 행한 후에, 한 번, 롤상으로, 이 적층체를 권회한 적층체 롤로 한다. 이어서, 이 적층체 롤로부터 적층체를 인출하여, 긴 길이 방향으로 반송하면서, 상술한 바와 같이, 상부 보호층(30) 상에 상부 전극(26)이 형성된 시트상물의 적층을 행하여, 압전 필름(10)을 완성하고, 이 압전 필름(10)을, 롤상으로 권회해도 된다.
이와 같은 압전 필름(10)은, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)에 전압을 인가하면, 인가한 전압에 따라 압전체 입자(36)가 분극 방향으로 신축한다. 그 결과, 압전 필름(10)(압전체층(20))이 두께 방향으로 수축한다. 동시에, 푸아송비의 관계로, 압전 필름(10)은, 면내 방향으로도 신축한다. 이 신축은, 0.01~0.1% 정도이다. 또한, 면내 방향에서는 전체 방향으로 등방적으로 신축하는 것은, 상술한 바와 같다.
상술한 바와 같이, 압전체층(20)의 두께는, 바람직하게는 10~300μm 정도이다. 따라서, 두께 방향의 신축은, 최대여도 0.3μm 정도로 매우 작다.
이에 대하여, 압전 필름(10) 즉 압전체층(20)은, 면방향으로는, 두께보다 훨씬 큰 사이즈를 갖는다. 따라서, 예를 들면 압전 필름(10)의 길이가 20cm이면, 전압의 인가에 의하여, 최대로 0.2mm 정도, 압전 필름(10)은 신축한다.
또, 압전 필름(10)에 압력을 가하면, 압전체 입자(36)의 작용에 의하여, 전력을 발생한다.
이것을 이용함으로써, 압전 필름(10)은, 상술한 바와 같이, 스피커, 마이크로폰, 및 감압 센서 등의 각종 용도에 이용 가능하다.
도 7에, 본 발명의 압전 필름(10)을 이용하는, 평판형의 압전 스피커의 일례의 개념도를 나타낸다.
이 압전 스피커(45)는, 본 발명의 압전 필름(10)을, 전기 신호를 진동 에너지로 변환하는 진동판으로서 이용하는, 평판형의 압전 스피커이다. 또한, 압전 스피커(45)는, 마이크로폰 및 센서 등으로서 사용하는 것도 가능하다.
압전 스피커(45)는, 압전 필름(10)과, 케이스(43)와, 점탄성 지지체(46)와, 프레임체(48)를 갖고 구성된다.
케이스(43)는, 플라스틱 등으로 형성되는, 일면이 개방되는 얇은 정사각 통형상의 케이스이다.
또, 프레임체(48)는, 중앙에 관통 구멍을 갖는, 케이스(43)의 상단면(개방면 측)과 동일한 형상을 갖는 판재이다.
점탄성 지지체(46)는, 적절한 점성과 탄성을 갖는 것이다. 점탄성 지지체(46)는, 압전 필름(10)을 지지함과 함께, 압전 필름의 어느 장소에서도 일정한 기계적 바이어스를 부여함으로써, 압전 필름(10)의 신축 운동을 낭비없이 전후 운동(필름의 면에 수직인 방향의 운동)으로 변환시키기 위한 것이다. 점탄성 지지체(46)로서는, 일례로서, 양모의 펠트, 레이온이나 PET를 포함한 양모의 펠트 등의 부직포, 및 글라스울 등이 예시된다.
압전 스피커(45)는, 케이스(43) 내에 점탄성 지지체(46)를 수용하여, 압전 필름(10)에 의하여 케이스(43) 및 점탄성 지지체(46)를 덮고, 압전 필름(10)의 주변을 프레임체(48)에 의하여 케이스(43)의 상단면에 압압한 상태에서, 프레임체(48)를 케이스(43)에 고정하여, 구성된다.
여기에서, 압전 스피커(45)에 있어서는, 점탄성 지지체(46)는, 높이(두께)가 케이스(43)의 내면의 높이보다 두꺼운, 사각 기둥상이다.
그 때문에, 압전 스피커(45)에서는, 점탄성 지지체(46)의 주변부에서는, 점탄성 지지체(46)가 압전 필름(10)에 의하여 하방으로 압압되어 두께가 얇아진 상태에서, 유지된다. 또, 동일하게 점탄성 지지체(46)의 주변부에 있어서, 압전 필름(10)의 곡률이 급격하게 변동하여, 압전 필름(10)에, 점탄성 지지체(46)의 주변을 향하여 낮아지는 상승부(45a)가 형성된다. 또한, 압전 필름(10)의 중앙 영역은 사각 기둥상의 점탄성 지지체(46)에 압압되어, (대략)평면상으로 되어 있다.
압전 스피커(45)는, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)으로의 구동 전압의 인가에 의하여, 압전 필름(10)이 면내 방향으로 신장하면, 이 신장분을 흡수하기 때문에, 점탄성 지지체(46)의 작용에 의하여, 압전 필름(10)의 상승부(45a)가, 상승하는 방향으로 각도를 변경한다. 그 결과, 평면상의 부분을 갖는 압전 필름(10)은, 상방으로 이동한다.
반대로, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)으로의 구동 전압의 인가에 의하여, 압전 필름(10)이 면내 방향으로 수축하면, 이 수축분을 흡수하기 때문에, 압전 필름(10)의 상승부(45a)가, 붕괴되는 방향(평면에 가까워지는 방향)으로 각도를 변경한다. 그 결과, 평면상의 부분을 갖는 압전 필름(10)은, 하방으로 이동한다.
압전 스피커(45)는, 이 압전 필름(10)의 진동에 의하여, 소리를 발생한다.
또한, 본 발명의 압전 필름(10)에 있어서, 신축 운동으로부터 진동으로의 변환은, 압전 필름(10)을 만곡시킨 상태에서 유지하는 것도 달성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 압전 필름(10)은, 이와 같은 압전 스피커(45)가 아니라 단순히 만곡 상태에서 유지하는 것으로도, 가요성을 갖는 스피커로서 기능시킬 수 있다.
도 8에, 본 발명의 전기 음향 변환기의 일례를 개념적으로 나타낸다.
본 발명의 전기 음향 변환기는, 본 발명의 적층 압전 소자 또는 압전 필름과, 진동판을 갖는 것이다. 또, 본 발명의 적층 압전 소자는, 본 발명의 압전 필름을, 복수 층, 적층한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 압전 필름(10)은, 50℃를 초과하는 고온 환경에 있어서 우수한 가요성을 갖고, 또한 상온 환경에서도, 양호한 가요성을 갖는다. 따라서, 이와 같은 압전 필름(10)을 적층한 본 발명의 적층 압전 소자도, 50℃를 초과하는 고온 환경에 있어서 우수한 가요성을 갖고, 또한 상온 환경에서도, 양호한 가요성을 갖는다.
또한, 본 발명의 전기 음향 변환기는, 진동판으로서, 가요성을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 가요성을 갖는 진동판을 이용함으로써, 본 발명의 전기 음향 변환기는, 상술한 적층 압전 소자의 작용 효과에 의하여, 50℃를 초과하는 고온 환경에 있어서 우수한 가요성을 갖고, 또한 상온 환경에서도, 양호한 가요성을 갖는다.
도 8에 나타내는 전기 음향 변환기(50)는, 적층 압전 소자(14)와, 진동판(12)을 갖는다. 적층 압전 소자(14)는, 본 발명의 적층 압전 소자이다. 도시예의 적층 압전 소자(14)는, 상술한 본 발명의 압전 필름(10)을, 3층, 적층한 것이다.
전기 음향 변환기(50)에 있어서, 적층 압전 소자(14)와 진동판(12)은, 첩착층(16)에 의하여 첩착되어 있다.
전기 음향 변환기(50)의 적층 압전 소자(14)를 구성하는 압전 필름(10)에는, 구동 전압을 인가하기 위한 전원(PS)이 접속되어 있다.
도면을 간략화하기 위하여, 도 8에서는, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)을 생략하고 있다. 그러나, 도 8에 나타내는 적층 압전 소자(14)는, 바람직한 양태로서, 모든 압전 필름(10)이, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 양방을 갖고 있다.
또한, 본 발명의 적층 압전 소자는, 이것에 제한은 되지 않고, 보호층을 갖는 압전 필름과 갖지 않는 압전 필름이 혼재해도 된다. 또한, 압전 필름이 보호층을 갖는 경우에는, 압전 필름은, 하부 보호층(28)만을 가져도 되고, 상부 보호층(30)만을 가져도 된다. 일례로서, 도 8에 나타내는 바와 같은 3층 구성의 적층 압전 소자(14)이면, 도면 중 최상층의 압전 필름이 상부 보호층(30)만을 갖고, 한가운데의 압전 필름이 보호층을 갖지 않으며, 최하층의 압전 필름이 하부 보호층(28)만을 갖는 것 같은 구성이어도 된다.
이 점에 관해서는, 후술하는 도 9에 나타내는 적층 압전 소자(56) 및 도 10에 나타내는 적층 압전 소자(61)도, 동일하다.
이후에 상세하게 설명하지만, 이와 같은 전기 음향 변환기(50)는, 적층 압전 소자(14)의 압전 필름(10)에 구동 전압을 인가함으로써, 압전 필름(10)이 면방향으로 신축하고, 이 압전 필름(10)의 신축에 의하여, 적층 압전 소자(14)가 면방향으로 신축한다.
이 적층 압전 소자(14)의 면방향의 신축에 의하여, 진동판(12)이 휘고, 그 결과, 진동판(12)이, 두께 방향으로 진동한다. 이 두께 방향의 진동에 의하여, 진동판(12)은, 소리를 발생한다. 진동판(12)은, 압전 필름(10)에 인가한 구동 전압의 크기에 따라 진동하여, 압전 필름(10)에 인가한 구동 전압에 따른 소리를 발생한다.
즉, 이 전기 음향 변환기(50)는, 본 발명의 적층 압전 소자(14)를 익사이터로서 이용하는 스피커이다.
본 발명의 전기 음향 변환기(50)에 있어서, 진동판(12)은, 바람직한 양태로서, 가요성을 갖는 것이다. 또한, 본 발명에 있어서, 가요성을 갖는다는 것은, 일반적인 해석에 있어서의 가요성을 갖는 것과 동일한 의미이며, 구부리는 것, 및 휘게 하는 것이 가능한 것을 나타내고, 구체적으로는, 파괴 및 손상을 발생시키지 않으며, 구부리고 펴는 것을 할 수 있는 것을 나타낸다.
진동판(12)은, 바람직하게는 가요성을 갖고, 후술하는 적층 압전 소자(14)와의 관계를 충족시키는 것이면, 제한은 없으며, 각종 시트상물(판상물, 필름)이 이용 가능하다.
진동판(12)으로서는, 일례로서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리스타이렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에터이미드(PEI), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 트라이아세틸셀룰로스(TAC) 및 환상 올레핀계 수지 등으로 이루어지는 수지 필름, 발포 폴리스타이렌, 발포 스타이렌 및 발포 폴리에틸렌 등으로 이루어지는 발포 플라스틱, 베니어판, 코르크 보드, 소가죽 등의 피혁류, 카본 시트, 일본 전통 종이 등의 각종 판지, 및 파상으로 한 판지의 편면 또는 양면에 다른 판지를 첩부하여 이루어지는 각종 골판지재 등이 예시된다.
또, 본 발명의 전기 음향 변환기(50)에서는, 가요성을 갖는 것이면, 진동판(12)으로서 유기 일렉트로루미네선스(OLED(Organic Light Emitting Diode) 디스플레이, 액정 디스플레이, 마이크로 LED(Light Emitting Diode) 디스플레이, 무기 일렉트로루미네선스 디스플레이 등의 표시 디바이스, 및 프로젝터용 스크린 등도 적합하게 이용 가능하다.
도시예의 전기 음향 변환기(50)에 있어서는, 바람직한 양태로서, 이와 같은 진동판(12)과 적층 압전 소자(14)는, 첩착층(16)에 의하여 첩착되어 있다.
본 발명에 있어서, 첩착층(16)은, 진동판(12)과 적층 압전 소자(14)를 첩착 가능하면, 공지의 것이, 각종, 이용 가능하다.
따라서, 첩착층(16)은, 첩합할 때에는 유동성을 가지며, 그 후, 고체가 되는, 접착제로 이루어지는 층이어도 되고, 첩합할 때에 젤상(고무상)의 부드러운 고체이며, 그 후도 젤상의 상태가 변화하지 않는, 점착제로 이루어지는 층이어도 되며, 접착제와 점착제의 양방의 특징을 가진 재료로 이루어지는 층이어도 된다. 또, 첩착층(16)은, 액체 등의 유동성을 갖는 첩착제를 도포하여 형성하는 것이어도 되고, 시트상의 첩착제를 이용하여 형성하는 것이어도 된다.
여기에서, 본 발명의 전기 음향 변환기(50)에서는, 적층 압전 소자(14)를 신축시킴으로써, 진동판(12)을 휘게 하여 진동시키고, 소리를 발생시킨다. 따라서, 본 발명의 전기 음향 변환기(50)에서는, 적층 압전 소자(14)의 신축이, 직접적으로 진동판(12)에 전달되는 것이 바람직하다. 진동판(12)과 적층 압전 소자(14)의 사이에, 진동을 완화하는 것 같은 점성을 갖는 물질이 존재하면, 진동판(12)으로의 적층 압전 소자(14)의 신축의 에너지의 전달 효율이 낮아져 버려, 전기 음향 변환기(50)의 구동 효율이 저하되어 버린다.
이 점을 고려하면, 첩착층(16)은, 점착제로 이루어지는 점착제층보다, 고체이고 단단한 첩착층(16)이 얻어지는, 접착제로 이루어지는 접착제층인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 첩착층(16)으로서는, 구체적으로는, 폴리에스터계 접착제 및 스타이렌·뷰타다이엔 고무(SBR)계 접착제 등의 열가소 타입의 접착제로 이루어지는 첩착층이 예시된다.
접착은, 점착과는 달리, 높은 접착 온도를 요구할 때에 유용하다. 또, 열가소 타입의 접착제는 "비교적 저온, 단시간, 및 강접착"을 겸비하고 있어, 적합하다.
첩착층(16)의 두께에는, 제한은 없고, 첩착층(16)의 재료에 따라, 충분한 첩착력(접착력, 점착력)이 얻어지는 두께를, 적절히 설정하면 된다.
여기에서, 본 발명의 전기 음향 변환기(50)에 있어서는, 첩착층(16)이 얇은 편이, 진동판(12)에 전달하는 적층 압전 소자(14)의 신축 에너지(진동 에너지)의 전달 효과를 높게 하여, 에너지 효율을 높게 할 수 있다. 또, 첩착층(16)이 두껍고 강성이 높으면, 적층 압전 소자(14)의 신축을 구속할 가능성도 있다.
이 점을 고려하면, 첩착층(16)은, 얇은 편이 바람직하다. 구체적으로는, 첩착층(16)의 두께는, 첩착 후의 두께로, 0.1~50μm가 바람직하고, 0.1~30μm가 보다 바람직하며, 0.1~10μm가 더 바람직하다.
또한, 전기 음향 변환기(50)에 있어서, 첩착층(16)은, 바람직한 양태로서 마련되는 것이며, 필수의 구성 요소는 아니다.
따라서, 전기 음향 변환기(50)는, 첩착층(16)을 갖지 않으며, 공지의 압착 수단, 체결 수단, 및 고정 수단 등을 이용하여, 진동판(12)과 적층 압전 소자(14)를 고정해도 된다. 예를 들면, 적층 압전 소자(14)가 직사각형인 경우에는, 네 모서리를 볼트 너트와 같은 부재로 체결하여 전기 음향 변환기를 구성해도 되고, 또는 네 모서리와 중심부를 볼트 너트와 같은 부재로 체결하여 전기 음향 변환기를 구성해도 된다.
그러나, 이 경우에는, 전원(PS)으로부터 구동 전압을 인가했을 때에, 진동판(12)에 대하여 적층 압전 소자(14)가 독립적으로 신축해 버려, 경우에 따라서는, 적층 압전 소자(14)만이 휘고, 적층 압전 소자(14)의 신축이 진동판(12)에 전해지지 않는다. 이와 같이, 진동판(12)에 대하여 적층 압전 소자(14)가 독립적으로 신축한 경우에는, 적층 압전 소자(14)에 의한 진동판(12)의 진동 효율이 저하되어 버려, 진동판(12)을 충분히 진동시킬 수 없게 되어 버릴 가능성이 있다.
이 점을 고려하면, 본 발명의 전기 음향 변환기에 있어서는, 진동판(12)과 적층 압전 소자(14)는, 도시예와 같이, 첩착층(16)으로 첩착하는 것이 바람직하다.
도 8에 나타내는 전기 음향 변환기(50)에 있어서, 적층 압전 소자(14)는, 압전 필름(10)을, 3매, 적층하여 인접하는 압전 필름(10)을, 첩착층(19)으로 첩착한 구성을 갖는다. 각 압전 필름(10)에는, 압전 필름(10)을 신축시키는 구동 전압을 인가하는 전원(PS)이 접속된다.
또한, 도 8에 나타내는 적층 압전 소자(14)는, 압전 필름(10)을, 3층, 적층한 것이지만, 본 발명은, 이것에 제한은 되지 않는다. 즉, 본 발명의 적층 압전 소자는, 압전 필름(10)을, 복수 층, 적층한 것이면, 압전 필름(10)의 적층수는, 2층이어도 되고, 혹은 4층 이상이어도 된다. 이 점에 관해서는, 후술하는 도 9에 나타내는 적층 압전 소자(56) 및 도 10에 나타내는 적층 압전 소자(61)도, 동일하다.
또, 본 발명의 전기 음향 변환기는, 본 발명의 적층 압전 소자(14)로 변경하고, 본 발명의 압전 필름에 의하여, 동일한 작용 효과로 진동판(12)을 진동시켜, 소리를 발생하는 것이어도 된다. 즉, 본 발명의 전기 음향 변환기는, 본 발명의 압전 필름을 익사이터로서 이용해도 된다.
도 8에 나타내는 적층 압전 소자(14)는, 바람직한 양태로서, 인접하는 압전 필름(10)의 분극 방향을 서로 반대로 하여, 복수 층(도시예는 3층)의 압전 필름(10)을 적층하고, 인접하는 압전 필름(10)을 첩착층(19)으로 첩착한 구성을 갖는다.
본 발명에 있어서, 첩착층(19)은, 인접하는 압전 필름(10)을 첩착 가능하면, 공지의 것이, 각종, 이용 가능하다.
따라서, 첩착층(19)은, 상술한, 접착제로 이루어지는 층이어도 되고, 점착제로 이루어지는 층이어도 되며, 접착제와 점착제의 양방의 특징을 가진 재료로 이루어지는 층이어도 된다. 또, 첩착층(19)은, 액체 등의 유동성을 갖는 첩착제를 도포하여 형성하는 것이어도 되고, 시트상의 첩착제를 이용하여 형성하는 것이어도 된다.
여기에서, 적층 압전 소자(14)는, 적층한 복수 매의 압전 필름(10)을 신축시킴으로써, 진동판(12)을 진동시켜, 소리를 발생시킨다. 따라서, 적층 압전 소자(14)는, 각 압전 필름(10)의 신축이, 직접적으로 전달되는 것이 바람직하다. 압전 필름(10)의 사이에, 진동을 완화하는 것 같은 점성을 갖는 물질이 존재하면, 압전 필름(10)의 신축의 에너지의 전달 효율이 낮아져 버려, 적층 압전 소자(14)의 구동 효율이 저하되어 버린다.
이 점을 고려하면, 첩착층(19)은, 점착제로 이루어지는 점착제층보다, 고체이고 단단한 첩착층(19)이 얻어지는, 접착제로 이루어지는 접착제층인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 첩착층(19)으로서는, 구체적으로는, 폴리에스터계 접착제 및 스타이렌·뷰타다이엔 고무(SBR)계 접착제 등의 열가소 타입의 접착제로 이루어지는 첩착층이 적합하게 예시된다.
접착은, 점착과는 달리, 높은 접착 온도를 요구할 때에 유용하다. 또, 열가소 타입의 접착제는 "비교적 저온, 단시간, 및 강접착"을 겸비하고 있어, 적합하다.
적층 압전 소자(14)에 있어서, 첩착층(19)의 두께에는 제한은 없고, 첩착층(19)의 형성 재료에 따라, 충분한 첩착력을 발현할 수 있는 두께를, 적절히 설정하면 된다.
여기에서, 도시예의 적층 압전 소자(14)는, 첩착층(19)이 얇은 편이, 압전 필름(10)의 신축 에너지의 전달 효과를 높게 하고, 에너지 효율을 높게 할 수 있다. 또, 첩착층(19)이 두껍고 강성이 높으면, 압전 필름(10)의 신축을 구속할 가능성도 있다.
이 점을 고려하면, 첩착층(19)은, 압전체층(20)보다 얇은 것이 바람직하다. 즉, 적층 압전 소자(14)에 있어서, 첩착층(19)은, 단단하고, 얇은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 첩착층(19)의 두께는, 첩착 후의 두께로 0.1~50μm가 바람직하고, 0.1~30μm가 보다 바람직하며, 0.1~10μm가 더 바람직하다.
또한, 후술하지만, 도시예의 적층 압전 소자(14)는, 인접하는 압전 필름의 분극 방향이 서로 반대이며, 인접하는 압전 필름(10)끼리가 쇼트할 우려가 없기 때문에, 첩착층(19)을 얇게 할 수 있다.
도시예의 적층 압전 소자(14)에 있어서는, 첩착층(19)의 스프링 상수(두께×영률)가 높으면 압전 필름(10)의 신축을 구속할 가능성이 있다. 따라서, 첩착층(19)의 스프링 상수는 압전 필름(10)의 스프링 상수와 동등하거나, 그 이하인 것이 바람직하다.
구체적으로는, 첩착층(19)의 두께와, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률(E')의 곱이, 0℃에 있어서 2.0×106N/m 이하, 50℃에 있어서 1.0×106N/m 이하인 것이 바람직하다.
또, 첩착층의 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 내부 손실이, 점착제로 이루어지는 첩착층(19)의 경우에는 25℃에 있어서 1.0 이하, 접착제로 이루어지는 첩착층(19)의 경우에는 25℃에 있어서 0.1 이하인 것이 바람직하다.
또한, 전기 음향 변환기(50)를 구성하는 적층 압전 소자(14)에 있어서, 첩착층(19)은, 바람직한 양태로서 마련되는 것이며, 필수의 구성 요소는 아니다.
따라서, 본 발명의 전기 음향 변환기를 구성하는 적층 압전 소자는, 첩착층(19)을 갖지 않으며, 공지의 압착 수단, 체결 수단, 및 고정 수단 등을 이용하여, 압전 필름(10)을 적층하고, 밀착시켜, 적층 압전 소자를 구성해도 된다. 예를 들면, 압전 필름(10)이 직사각형인 경우에는, 네 모서리를 볼트 너트 등으로 체결하여 적층 압전 소자를 구성해도 되고, 또는 네 모서리와 중심부를 볼트 너트 등으로 체결하여 적층 압전 소자를 구성해도 된다. 혹은, 압전 필름(10)을 적층한 후, 주변부(단면)에 점착 테이프를 첩착함으로써, 적층한 압전 필름(10)을 고정하여, 적층 압전 소자를 구성해도 된다.
그러나, 이 경우에는, 전원(PS)으로부터 구동 전압을 인가했을 때에, 개개의 압전 필름(10)이 독립적으로 신축해 버리고, 경우에 따라서는, 각 압전 필름(10) 각층이 반대 방향으로 휘어 공극이 생겨 버린다. 이와 같이, 개개의 압전 필름(10)이 독립적으로 신축한 경우에는, 적층 압전 소자로서의 구동 효율이 저하되어 버리고, 적층 압전 소자 전체로서의 신축이 작아져, 당접한 진동판 등을 충분히 진동시킬 수 없게 되어 버릴 가능성이 있다. 특히, 각 압전 필름(10) 각층이 반대 방향으로 휘어 공극이 생겨 버린 경우에는, 적층 압전 소자로서의 구동 효율의 저하는 크다.
이 점을 고려하면, 본 발명의 적층 압전 소자는, 도시예의 적층 압전 소자(14)와 같이, 인접하는 압전 필름(10)끼리를 첩착하는 첩착층(19)을 갖는 것이 바람직하다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 전기 음향 변환기(50)에 있어서, 각 압전 필름(10)의 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)에는, 압전 필름(10)을 신축시키는 구동 전압을 인가 즉 구동 전력을 공급하는, 전원(PS)이 접속된다.
전원(PS)에는, 제한은 없고, 직류 전원이어도 되며 교류 전원이여도 된다. 또, 구동 전압도, 각 압전 필름(10)의 압전체층(20)의 두께 및 형성 재료 등에 따라, 각 압전 필름(10)을 적정하게 구동할 수 있는 구동 전압을, 적절히 설정하면 된다.
후술하지만, 도시예의 적층 압전 소자(14)는, 인접하는 압전 필름(10)의 분극 방향이 반대이다. 그 때문에, 인접하는 압전 필름(10)에서는, 하부 전극(24)끼리 및 상부 전극(26)끼리가 대면한다. 따라서, 전원(PS)은, 교류 전원이어도 직류 전원이어도, 대면하는 전극에는, 항상 동일한 극성의 전력을 공급한다. 예를 들면, 도 8에 나타내는 적층 압전 소자(14)에서는, 도면 중 최하층의 압전 필름(10)의 상부 전극(26)과, 두 번째층(한가운데)의 압전 필름(10)의 상부 전극(26)에는, 항상 동일한 극성의 전력이 공급되고, 두 번째층의 압전 필름(10)의 하부 전극(24)과, 도면 중 최상층의 압전 필름(10)의 하부 전극(24)에는, 항상 동일한 극성의 전력이 공급된다.
하부 전극(24) 및 상부 전극(26)으로부터 전극의 인출 방법에는, 제한은 없고, 공지의 각종 방법이 이용 가능하다.
일례로서, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)에 구리박 등의 도전체를 접속하여 외부에 전극을 인출하는 방법, 레이저 등에 의하여 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)에 관통 구멍을 형성하고, 이 관통 구멍에 도전성 재료를 충전하여 외부로 전극을 인출하는 방법 등이 예시된다.
적합한 전극의 인출 방법으로서, 일본 공개특허공보 2014-209724호에 기재되는 방법, 및 일본 공개특허공보 2016-015354호에 기재되는 방법 등이 예시된다.
상술한 바와 같이, 압전체층(20)은, 매트릭스(34)에 압전체 입자(36)를 분산하여 이루어지는 것이다. 또, 압전체층(20)을 두께 방향에서 사이에 두도록, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)이 마련된다.
이와 같은 압전체층(20)을 갖는 압전 필름(10)의 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)에 전압을 인가하면, 인가한 전압에 따라 압전체 입자(36)가 분극 방향으로 신축한다. 그 결과, 압전 필름(10)(압전체층(20))이 두께 방향으로 수축한다. 동시에, 푸아송비의 관계로, 압전 필름(10)은, 면내 방향으로도 신축한다.
이 신축은, 0.01~0.1% 정도이다.
상술한 바와 같이, 압전체층(20)의 두께는, 바람직하게는 10~300μm 정도이다. 따라서, 두께 방향의 신축은, 최대여도 0.3μm 정도로 매우 작다.
이에 대하여, 압전 필름(10) 즉 압전체층(20)은, 면방향으로는, 두께보다 훨씬 큰 사이즈를 갖는다. 따라서, 예를 들면 압전 필름(10)의 길이가 20cm이면, 전압의 인가에 의하여, 최대로 0.2mm 정도, 압전 필름(10)은 신축한다.
적층 압전 소자(14)는, 압전 필름(10)을 적층하여 첩착한 것이다. 따라서, 압전 필름(10)이 신축하면, 적층 압전 소자(14)도 신축한다.
진동판(12)은, 첩착층(16)에 의하여 적층 압전 소자(14)에 첩착되어 있다. 따라서, 적층 압전 소자(14)의 신축에 의하여, 진동판(12)은 휘고, 그 결과, 진동판(12)은, 두께 방향으로 진동한다.
이 두께 방향의 진동에 의하여, 진동판(12)은, 소리를 발생한다. 즉, 진동판(12)은, 압전 필름(10)에 인가한 전압(구동 전압)의 크기에 따라 진동하여, 압전 필름(10)에 인가한 구동 전압에 따른 소리를 발생한다.
상술한 바와 같이, PVDF 등의 고분자 재료로 이루어지는 일반적인 압전 필름은, 압전 특성에 면내 이방성을 갖고, 전압이 인가된 경우의 면방향의 신축량에 이방성이 있다.
이에 대하여, 도시예의 전기 음향 변환기(50)에 있어서, 적층 압전 소자(14)를 구성하는 본 발명의 압전 필름(10)은, 압전 특성에 면내 이방성이 없고, 면내 방향에서는 전체 방향으로 등방적으로 신축한다. 즉, 도시예의 전기 음향 변환기(50)에 있어서, 적층 압전 소자(14)를 구성하는 압전 필름(10)은, 등방적으로 이차원적으로 신축한다.
이와 같은 등방적으로 이차원적으로 신축하는 압전 필름(10)을 적층한 적층 압전 소자(14)에 의하면, 한 방향으로밖에 크게 신축하지 않는 PVDF 등의 일반적인 압전 필름을 적층한 경우에 비하여, 큰 힘으로 진동판(12)을 진동할 수 있어, 보다 크고, 또한 아름다운 소리를 발생시킬 수 있다.
도시예의 적층 압전 소자(14)는, 압전 필름(10)을, 복수 매, 적층한 것이다. 도시예의 적층 압전 소자(14)는, 바람직한 양태로서, 또한 인접하는 압전 필름(10)끼리를, 첩착층(19)으로 첩착하고 있다.
그 때문에, 1매마다 압전 필름(10)의 강성이 낮고, 신축력은 작아도, 압전 필름(10)을 적층함으로써, 강성이 높아지며, 적층 압전 소자(14)로서의 신축력은 커진다. 그 결과, 적층 압전 소자(14)는, 진동판(12)이 어느 정도의 강성을 갖는 것이어도, 큰 힘으로 진동판(12)을 충분히 휘게 하고, 두께 방향으로 진동판(12)을 충분히 진동시켜, 진동판(12)에 소리를 발생시킬 수 있다.
또, 압전체층(20)이 두꺼운 편이, 압전 필름(10)의 신축력은 커지지만, 그 만큼, 동일한 양, 신축시키는 데 필요한 구동 전압은 커진다. 여기에서, 상술한 바와 같이, 적층 압전 소자(14)에 있어서, 바람직한 압전체층(20)의 두께는, 최대여도 300μm 정도이다. 따라서, 개개의 압전 필름(10)에 인가하는 전압이 작아도, 충분히, 압전 필름(10)을 신축시키는 것이 가능하다.
본 발명의 전기 음향 변환기(50)에 있어서는, 적층 압전 소자(14)의 두께와, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz, 25℃에서의 적층 압전 소자(14)의 저장 탄성률의 곱이, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의, 0.1~3배인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 압전 필름(10)은, 양호한 가요성, 특히 50℃ 이상의 고온 환경에서 우수한 가요성을 갖는 것이며, 이 압전 필름(10)을 적층한 본 발명의 적층 압전 소자(14)도, 양호한 가요성, 특히 50℃ 이상의 고온 환경에서 우수한 가요성을 갖는다.
한편, 진동판(12)은, 어느 정도의 강성을 갖는 것이다. 이와 같은 진동판(12)에 강성이 높은 적층 압전 소자(14)가 조합되면, 단단하여, 구부리기 어려워져, 전기 음향 변환기(50)의 가요성의 점에서 불리하다.
이에 대하여, 본 발명의 전기 음향 변환기(50)는, 바람직하게는, 적층 압전 소자(14)의 두께와 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz, 25℃에서의 저장 탄성률의 곱이, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의, 3배 이하이다. 즉, 적층 압전 소자(14)는, 느린 움직임에 대해서는, 스프링 상수가, 진동판(12)의 3배 이하인 것이 바람직하다.
이와 같은 구성을 가짐으로써, 본 발명의 전기 음향 변환기(50)는, 절곡하는, 및 마는 등의 외력에 의한 느린 움직임에 대해서는, 부드럽게 거동할 수 있고, 즉, 느린 움직임에 대하여, 양호한 가요성을 발현한다.
본 발명의 전기 음향 변환기(50)에 있어서, 적층 압전 소자(14)의 두께와 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz, 25℃에서의 저장 탄성률의 곱은, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의, 2배 이하인 것이 보다 바람직하고, 1배 이하인 것이 더 바람직하며, 0.3배 이하인 것이 특히 바람직하다.
한편, 적층 압전 소자(14)에 이용되는 재료, 및 바람직한 적층 압전 소자(14)의 구성 등을 고려하면, 적층 압전 소자(14)의 두께와 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz, 25℃에서의 저장 탄성률의 곱은, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의, 0.1배 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 전기 음향 변환기(50)는, 적층 압전 소자(14)의 두께와 동적 점탄성 측정으로부터 얻어진 마스터 커브에 있어서의 주파수 1kHz, 25℃에서의 적층 압전 소자(14)의 저장 탄성률의 곱이, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의, 0.3~10배인 것이 바람직하다. 즉, 적층 압전 소자(14)는, 구동된 상태의 빠른 움직임에서는, 스프링 상수가, 진동판(12)의 0.3~10배인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 전기 음향 변환기(50)는, 적층 압전 소자(14)의 면방향의 신축에 의하여 진동판(12)을 진동시킴으로써, 소리를 발생한다. 따라서, 적층 압전 소자(14)는, 오디오 대역의 주파수(20Hz~20kHz)에서는, 진동판(12)에 대하여, 어느 정도의 강성(경도, 탄성)을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 전기 음향 변환기(50)는, 적층 압전 소자(14)의 두께와 동적 점탄성 측정으로부터 얻어진 마스터 커브에 있어서의 주파수 1kHz, 25℃에서의 저장 탄성률의 곱을, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의, 바람직하게는 0.3배 이상, 보다 바람직하게는 0.5배 이상, 더 바람직하게는 1배 이상으로 한다. 즉, 적층 압전 소자(14)는, 빠른 움직임에 대해서는, 스프링 상수가, 진동판(12)의 0.3배 이상인 것이 바람직하고, 0.5배 이상인 것이 보다 바람직하며, 1배 이상인 것이 더 바람직하다.
이로써, 오디오 대역의 주파수에 있어서, 진동판(12)에 대한 적층 압전 소자(14)의 강성을 충분히 확보하여, 전기 음향 변환기(50)가, 높은 에너지 효율로, 높은 음압의 소리를 출력할 수 있다.
한편, 적층 압전 소자(14)에 이용 가능한 재료, 바람직한 적층 압전 소자(14)의 구성 등을 고려하면, 적층 압전 소자(14)의 두께와 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1kHz, 25℃에서의 저장 탄성률의 곱은, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의, 10배 이하인 것이 바람직하다.
상술한 설명으로부터도 명확한 바와 같이, 익사이터(14)의 두께와, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz, 25℃에서의 저장 탄성률의 곱에는, 첩착층(19)의 두께는 물론, 첩착층(19)의 저장 탄성률 등의 물성도, 크게 영향을 준다.
한편, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱, 즉, 진동판의 스프링 상수에는, 진동판의 두께는 물론, 진동판의 물성도, 크게 영향을 준다.
따라서, 본 발명의 전기 음향 변환기(50)에서는, 적층 압전 소자(14)의 두께와, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz, 25℃에서의 적층 압전 소자(14)의 저장 탄성률의 곱이, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의 0.1~3배인 조건을 충족시키기 위해서는, 첩착층(19)의 두께 및 재료, 및 진동판의 두께 및 재료가, 중요하다. 또, 본 발명의 전기 음향 변환기(50)에서는, 적층 압전 소자(14)의 두께와, 주파수 1kHz, 25℃에서의 적층 압전 소자(14)의 저장 탄성률의 곱이, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의 0.3~10배인 조건을 충족시키기 위해서도, 동일하게, 첩착층(19)의 두께 및 재료, 및 진동판의 두께 및 재료가, 중요하다.
즉, 본 발명의 전기 음향 변환기(50)에서는, 상술한 조건을 충족시키도록, 첩착층(19)의 두께 및 재료, 및 진동판(12) 두께 및 재료를, 적절히 선택하는 것이 바람직하다.
바꾸어 말하면, 본 발명의 전기 음향 변환기(50)에 있어서는, 압전 필름(18)의 특성 등에 따라, 첩착층(19)의 두께 및 재료, 및 진동판(12) 두께 및 재료를, 적절히 선택함으로써, 적합하게, 적층 압전 소자(14)의 두께와 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz, 25℃에서의 적층 압전 소자(14)의 저장 탄성률의 곱이, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의 0.1~3배라는 조건, 및/또는 적층 압전 소자(14)의 두께와 주파수 1kHz, 25℃에서의 적층 압전 소자(14)의 저장 탄성률의 곱이, 진동판(12)의 두께와 영률의 곱의 0.3~10배인 조건을, 충족시키는 것이 가능해진다.
상술한 두께와 저장 탄성률의 곱에 관해서는, 적층 압전 소자(14)로 변경하고, 압전 필름(10)을 이용하여 전기 음향 변환기를 구성하는 경우에도, 동일하다.
도시예의 전기 음향 변환기(50)는, 바람직한 양태로서, 상술한 바와 같이, 적층 압전 소자(14)는, 인접하는 압전 필름(10)의 압전체층(20)의 분극 방향이, 서로 반대이다.
압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(20)에 인가하는 전압의 극성은, 분극 방향에 따른 것이 된다. 따라서, 인가하는 전압의 극성은, 도 8에 화살표로 나타내는 분극 방향에 있어서, 화살표가 향하는 방향 측(화살표의 하류 측)의 전극의 극성과, 반대 측(화살표의 상류 측)의 전극의 극성은, 모든 압전 필름(10)에서 일치시킨다.
도시예에 있어서는, 분극 방향을 나타내는 화살표가 향하는 방향 측의 전극을 하부 전극(24), 반대 측의 전극을 상부 전극(26)으로 하여, 모든 압전 필름(10)에 있어서, 상부 전극(26)과 하부 전극(24)의 극성을 동일 극성으로 한다.
따라서, 인접하는 압전 필름(10)의 압전체층(20)의 분극 방향이, 서로 반대인 적층 압전 소자(14)에 있어서는, 인접하는 압전 필름(10)에서는, 일방의 면에서 상부 전극(26)끼리가 대면하고, 타방의 면에서 하부 전극끼리가 대면한다. 그 때문에, 적층 압전 소자(14)에서는, 인접하는 압전 필름(10)의 전극끼리가 접촉해도, 쇼트(단락)할 우려가 없다.
상술한 바와 같이, 적층 압전 소자(14)를 양호한 에너지 효율로 신축하기 위해서는, 첩착층(19)이 압전체층(20)의 신축을 방해하지 않도록, 첩착층(19)을 얇게 하는 것이 바람직하다.
이에 대하여, 인접하는 압전 필름(10)의 전극끼리가 접촉해도, 쇼트할 우려가 없는 도시예의 적층 압전 소자(14)에서는, 첩착층(19)이 없어도 되고, 바람직한 양태로서 첩착층(19)을 갖는 경우에서도, 필요한 첩착력이 얻어지면, 첩착층(19)을 매우 얇게 할 수 있다.
그 때문에, 높은 에너지 효율로 적층 압전 소자(14)를 신축시킬 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 압전 필름(10)에 있어서는, 두께 방향의 압전체층(20)의 신축의 절대량은 매우 작아, 압전 필름(10)의 신축은, 실질적으로, 면방향만이 된다.
따라서, 적층되는 압전 필름(10)의 분극 방향이 반대여도, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)에 인가하는 전압의 극성만 정확하다면, 모든 압전 필름(10)은 동일한 방향으로 신축한다.
또한, 적층 압전 소자(14)에 있어서, 압전 필름(10)의 분극 방향은, d33 미터 등으로 검출하면 된다.
또는, 상술한 코로나 폴링 처리의 처리 조건으로부터, 압전 필름(10)의 분극 방향을 지견(知見)해도 된다.
도시예의 적층 압전 소자(14)는, 바람직하게는, 상술한 바와 같이, 장척(큰 면적)인 압전 필름을 제작하고, 장척의 압전 필름을 절단하여, 개개의 압전 필름(10)으로 한다. 따라서, 이 경우는, 적층 압전 소자(14)를 구성하는 복수 매의 압전 필름(10)은, 모두 동일한 것이다.
그러나, 본 발명은, 이것에 제한은 되지 않는다. 즉, 본 발명의 전기 음향 변환기에 있어서, 압전 적층체는, 예를 들면 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)을 갖는 압전 필름과 갖지 않는 압전 필름 등, 다른 층 구성의 압전 필름을 적층한 구성, 및 압전체층(20)의 두께가 다른 압전 필름을 적층한 구성 등, 각종 구성이 이용 가능하다.
도 8에 나타내는 전기 음향 변환기(50)에 있어서, 적층 압전 소자(14)는, 복수 매의 압전 필름(10)을, 인접하는 압전 필름끼리에서 분극 방향을 반대로 하여 적층하고, 바람직한 양태로서, 인접하는 압전 필름(10)을 첩착층(19)으로 첩착한 것이다.
본 발명의 적층 압전 소자는, 이것에 제한은 되지 않고, 각종 구성이 이용 가능하다.
도 9에, 그 일례를 나타낸다. 또한, 도 9에 나타내는 적층 압전 소자(56)는, 상술한 적층 압전 소자(14)와 동일한 부재를, 복수, 이용하므로, 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 설명은, 다른 부위를 주로 행한다.
도 9에 나타내는 적층 압전 소자(56)는, 본 발명의 적층 압전 소자의 보다 바람직한 양태이며, 장척의 압전 필름(10L)을, 긴 길이 방향으로, 1회 이상, 바람직하게는 복수 회, 되접어 꺾음으로써, 압전 필름(10L)을 복수 층, 적층한 것이다. 또, 상술한 도 8 등에 나타내는 적층 압전 소자(14)와 동일하게, 도 9에 나타나는 적층 압전 소자(56)도, 바람직한 양태로서, 되접어 꺾음으로써 적층된 압전 필름(10L)을, 첩착층(19)에 의하여 첩착하고 있다.
두께 방향으로 분극된 장척인 1매의 압전 필름(10L)을, 되접어 꺾어 적층함으로써, 적층 방향으로 인접(대면)하는 압전 필름(10L)의 분극 방향은, 도 9 중에 화살표로 나타내는 바와 같이, 반대 방향이 된다. 또한, 이 압전 필름의 되접어 꺾음은, 긴 길이 방향이 아닌, 짧은 길이 방향이어도 된다.
이 구성에 의하면, 1매의 장척의 압전 필름(10L)만으로 적층 압전 소자(56)를 구성할 수 있고, 또, 구동 전압을 인가하기 위한 전원(PS)이 하나에 그치며, 또한 압전 필름(10L)로부터의 전극의 인출도, 1개소이면 된다.
그 때문에, 도 9에 나타내는 적층 압전 소자(56)에 의하면, 부품 개수를 저감시키고, 또한 구성을 간략화하여, 압전 소자(모듈)로서의 신뢰성을 향상시키며, 또한 비용 절감을 도모할 수 있다.
도 9에 나타내는 적층 압전 소자(56)와 같이, 장척의 압전 필름(10L)을 되접어 꺾은 적층 압전 소자(56)에서는, 압전 필름(10L)의 되접어 꺾음부에, 압전 필름(10L)에 당접하여 심봉(芯棒)(58)을 삽입하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 압전 필름(10L)의 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)은, 금속의 증착막 등으로 형성된다. 금속의 증착막은, 예각으로 절곡되면, 금(크랙) 등이 생기기 쉬워, 전극이 단선해 버릴 가능성이 있다. 즉, 도 9에 나타내는 적층 압전 소자(56)에서는, 굴곡부의 내측에 있어서, 전극에 금 등이 생기기 쉽다.
이에 대하여, 장척의 압전 필름(10L)을 되접어 꺾은 적층 압전 소자(56)에 있어서, 압전 필름(10L)의 되접어 꺾음부에 심봉(58)을 삽입함으로써, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)이 절곡되는 것을 방지하여, 단선이 발생하는 것을 적합하게 방지할 수 있다.
본 발명의 전기 음향 변환기에 있어서, 적층 압전 소자는, 도전성을 갖는 첩착층(19)을 이용해도 된다. 특히, 도 9에 나타내는 바와 같은, 장척인 1매의 압전 필름(10L)을, 되접어 꺾어 적층한 적층 압전 소자(56)에서는, 도전성을 갖는 첩착층(19)은, 바람직하게 이용된다.
도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같은, 인접하는 압전 필름(10)의 분극 방향이 반대인 적층 압전 소자에 있어서는, 적층되는 압전 필름(10)에 있어서, 대면하는 전극에는, 동일한 극성의 전력이 공급된다. 따라서, 대면하는 전극 사이에서 단락이 발생하는 경우는 없다.
한편, 상술한 바와 같이, 압전 필름(10L)을, 되접어 꺾어 적층한 적층 압전 소자(56)는, 예각적으로 되접어 꺾이는 굴곡부의 내측에 있어서, 전극의 단선이 발생하기 쉽다.
따라서, 도전성을 갖는 첩착층(19)에 의하여, 적층한 압전 필름(10L)을 첩착함으로써, 굴곡부의 내측에 있어서 전극의 단선이 발생해도, 첩착층(19)에 의하여 도통을 확보할 수 있으므로, 단선을 방지하여, 적층 압전 소자(56)의 신뢰성을 큰폭으로 향상시킬 수 있다.
여기에서, 적층 압전 소자(56)를 구성하는 압전 필름(10L)은, 바람직하게는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)에 대면하여 적층체를 협지하도록, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)을 갖는다.
이 경우에는, 도전성을 갖는 첩착층(19)을 이용해도, 도전성을 확보할 수 없다. 그 때문에, 압전 필름(10L)이 보호층을 갖는 경우에는, 적층되는 압전 필름(10L)의 하부 전극(24)끼리 및 상부 전극(26)끼리가 대면하는 영역에 있어서, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)에 관통 구멍을 마련하여, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)과, 도전성을 갖는 첩착층(19)을 접촉시키면 된다. 바람직하게는, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)에 형성한 관통 구멍을 은페이스트 또는 도전성의 첩착제로 막고, 그 위에, 도전성을 갖는 첩착층(19)으로 인접하는 압전 필름(10L)을 첩착한다.
하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 관통 구멍은, 레이저 가공, 및 용제 에칭 및 기계 연마 등에 의한 보호층의 제거 등에 의하여 형성하면 된다.
하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 관통 구멍은, 바람직하게는 압전 필름(10L)의 굴곡부 이외에서, 적층되는 압전 필름(10L)의 하부 전극(24)끼리 및 상부 전극(26)끼리가 대면하는 영역에 1개소여도 되고, 복수 개소여도 된다. 또는, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 관통 구멍은, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 전체면에, 규칙적 또는, 불규칙하게 형성해도 된다.
도전성을 갖는 첩착층(19)에는, 제한은 없고, 공지의 것이, 각종, 이용 가능하다.
이상의 적층 압전 소자는, 적층된 압전 필름(10)의 분극 방향이, 인접하는 압전 필름(10)에서 반대 방향이지만, 본 발명은, 이것에 제한은 되지 않는다.
즉, 본 발명에 있어서, 압전 필름(10)을 적층한 적층 압전 소자는, 도 10에 나타내는 적층 압전 소자(61)와 같이, 압전체층(20)의 분극 방향이, 모두 동일 방향이어도 된다.
단, 도 10에 나타내는 바와 같이, 적층하는 압전 필름(10)의 분극 방향이, 모두 동일 방향인 적층 압전 소자(61)에서는, 인접하는 압전 필름(10)끼리에서는, 하부 전극(24)과 상부 전극(26)이 대면한다. 그 때문에, 첩착층(19)을 충분히 두껍게 하지 않으면, 첩착층(19)의 면방향의 외측의 단부에 있어서, 인접하는 압전 필름(10)의 하부 전극(24)과 상부 전극(26)이 접촉하여, 쇼트해 버릴 우려가 있다.
그 때문에, 도 10에 나타내는 바와 같이, 적층하는 압전 필름(10)의 분극 방향이, 모두 동일 방향인 적층 압전 소자(61)에서는, 첩착층(19)을 얇게 할 수 없어, 도 8 및 도 9에 나타내는 적층 압전 소자에 대하여, 에너지 효율의 점에서, 불리하다.
그런데, 도 9에 나타내는 바와 같이, 1매의 압전 필름을 되접어 꺾음으로써, 복수의 압전 필름을 적층한 적층 압전 소자는, 2개의 구성이 생각된다.
첫 번째의 구성은, 압전 필름의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향을 따르는 구성이다. 즉, 첫 번째의 구성은, 압전 필름의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향에 일치하는 구성이다.
두 번째의 구성은, 압전 필름의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 적층 압전 소자의 짧은 길이 방향을 따르는 구성이다. 즉, 두 번째의 구성은, 압전 필름의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 적층 압전 소자의 짧은 길이 방향에 일치하는 구성이다.
바꾸어 말하면, 압전 필름을 되접어 꺾어 적층한 적층 압전 소자는, 압전 필름의 되접어 꺾음에 의하여 형성되는 능선이, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향에 일치하는 구성과, 적층 압전 소자의 짧은 길이 방향에 일치하는 구성이 생각된다.
또한, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향 및 짧은 길이 방향이란, 구체적으로는, 적층 압전 소자를, 압전 필름(12)의 적층 방향으로 관찰한 평면 형상에 있어서의 긴 길이 방향 및 짧은 길이 방향이다.
적층 압전 소자를 압전 필름(12)의 적층 방향으로 관찰한 평면 형상이란, 바꾸어 말하면, 적층 압전 소자를, 압전 필름(12)의 주면과 직교하는 방향으로부터 관찰했을 때에 있어서의 형상이다.
구체적으로는, 1매의 압전 필름을 되접어 꺾음으로써, 5층의 압전 필름을 적층하여, 20×5cm의 적층 압전 소자를 제작하는 경우에는, 이하의 2개의 구성이 생각된다.
첫 번째의 구성은, 도 11에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 20×25cm의 직사각형의 압전 필름(10La)을, 25cm의 방향으로, 5cm씩 4회, 되접어 꺾음으로써, 5층의 압전 필름(10La)을 적층한 적층 압전 소자(56A)이다. 이 적층 압전 소자(56A)에서는, 압전 필름(10La)의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부는, 적층 압전 소자(56A)의 긴 길이 방향인 20cm의 방향을 따른다. 즉, 이 적층 압전 소자(56A)에서는, 압전 필름(10La)을 되접어 꺾음으로써 형성되는 능선이, 적층 압전 소자(56A)의 긴 길이 방향에 일치한다.
두 번째의 구성은, 도 12에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 100×5cm의 직사각형의 압전 필름(10Lb)을, 100cm의 방향으로, 20cm씩 4회, 되접어 꺾음으로써, 5층의 압전 필름(10Lb)을 적층한 적층 압전 소자(56B)이다. 이 적층 압전 소자(56B)에서는, 압전 필름(10Lb)의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부는, 적층 압전 소자(56B)의 짧은 길이 방향인 5cm의 방향을 따른다. 즉, 이 적층 압전 소자(56B)에서는, 압전 필름(10Lb)을 되접어 꺾음으로써 형성되는 능선이, 적층 압전 소자(56B)의 짧은 길이 방향에 일치한다.
본 발명에 있어서, 압전 필름을 되접어 꺾어 적층한 적층 압전 소자는, 압전 필름의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향을 따르는 구성, 및 적층 압전 소자의 짧은 길이 방향을 따르는 구성의, 모두 적합하게 이용 가능하다.
즉, 압전 필름의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향을 따르는 구성과, 짧은 길이 방향을 따르는 구성은, 각각에 이점이 있다. 따라서, 어느 구성을 이용할지는, 적층 압전 소자의 용도 등에 따라, 적절히 설정하면 된다.
또, 적층 압전 소자에는, 전원 장치 등의 외부 장치와 접속하기 위하여, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)에 접속하여, 적층 압전 소자의 외부에 이르는, 인출 배선을 마련해도 된다. 또한, 인출 배선은, 반드시 물리적으로 외부로 돌출되어 있을 필요는 없고, 전극으로부터 전기적으로 인출한 것임을 의미한다
인출 배선은, 상술한 방법을 이용하여 형성 가능하다. 예를 들면, 인출 배선은, 압전 필름의 단부, 혹은 외부로 돌출된 영역에 있어서, 압전체층(20)을 마련하지 않고, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)을 노출되게 하여, 여기에 접속하여 마련된다. 다른 예로서, 인출 배선은, 압전 필름의 단부, 혹은 외부로 돌출된 영역에 있어서, 보호 필름 및 전극층을 박리하여, 압전체층(20)과 전극층의 사이에 구리박 테이프 등을 삽입하도록 하여, 마련된다. 또 다른 예로서, 인출 배선은, 압전 필름의 단부, 혹은 외부로 돌출된 영역에 있어서, 압전 필름의 보호층에 관통 구멍을 마련하고 관통 구멍에 은페이스트 등의 도전성 페이스트를 이용하여 도통 부재를 형성하며, 이 도통 부재에 구리박 테이프 등을 접속하여, 마련된다.
여기에서, 압전 필름(12)의 압전체층(20)은, 바람직한 두께가 8~300μm로, 매우 얇다. 그 때문에, 쇼트를 방지하기 위해서는, 인출 배선은, 압전 필름의 면방향으로 다른 위치에 마련하는 것이 바람직하다. 즉, 인출 배선은, 압전 필름의 면방향으로 오프셋하여 마련하는 것이 바람직하다.
본 발명의 적층 압전 소자에 있어서는, 압전 필름(12)이 적층 압전 소자로부터 돌출되는 돌출부를 마련하고, 이 돌출부에 인출 배선을 접속하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 압전 필름(10La)의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 긴 길이 방향을 따르는 적층 압전 소자(56A)이면, 도 13에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 되접어 꺾음 방향의 일방의 단부에 반도형상의 돌출부(60)를 마련하고, 여기에, 인출 배선(62) 및 인출 배선(64)을 접속해도 된다.
또, 압전 필름(10Lb)의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 짧은 길이 방향을 따르는 적층 압전 소자(56B)이면, 도 14에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 되접어 꺾음 방향의 일방의 단부를 연장하여 돌출부(60)로 하고, 이 돌출부에, 인출 배선(62) 및 인출 배선(64)을 접속해도 된다.
또한, 압전 필름(10Lb)의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 짧은 길이 방향을 따르는 적층 압전 소자(56B)이면, 도 15에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 되접어 꺾음 방향과 직교하는 방향의 단부, 즉, 압전 필름(10Lb)의 긴 길이 방향의 단부에, 반도형상의 돌출부(60)를 마련하고, 여기에, 인출 배선(62) 및 인출 배선(64)을 접속해도 된다.
또한, 돌출부(60)는, 적층되는 압전 필름의 어느 층에 마련해도 되지만, 압전 효율 등의 점에서, 최상층 또는 최하층에 마련하는 것이 바람직하다. 또, 돌출부는, 압전 필름의 최상층과 최하층, 및 최상층과 중간의 층과 최하층 등, 복수 층에 마련해도 되고, 압전 필름의 모든 층에 마련해도 된다. 돌출부를 압전 필름의 복수 층에 마련하는 경우, 돌출부는, 적층 압전 소자의 짧은 길이 방향의 단부에 마련해도 되고, 혹은 긴 길이 방향의 단부에 마련해도 되며, 혹은 짧은 길이 방향의 단부의 돌출부와 긴 길이 방향의 단부의 돌출부가, 혼재해도 된다.
여기에서, 본 발명의 적층 압전 소자에 있어서는, 압전 필름의 돌출부는, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향의 단부로부터 돌출되고, 또한 적층 압전 소자의 긴 길이 방향에 있어서의 돌출부(60)의 길이가, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향의 길이의 10% 이상인 것이 바람직하다.
이하의 설명에서는, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향에 있어서의 돌출부의 길이를, 간단히, "돌출부의 길이"라고도 한다.
또한, 돌출부(60)를 적층 압전 소자의 짧은 길이 방향의 단부에 마련하는 경우에는, 돌출부(60)의 짧은 길이 방향의 길이는, 적층 압전 소자의 짧은 길이 방향의 길이의 50% 이상인 것이 바람직하다.
도 16의 적층 압전 소자(56B)의 개념도를 이용하여, 구체적으로 설명한다.
이 적층 압전 소자(56B)는, 압전 필름(10Lb)의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 적층 압전 소자의 짧은 길이 방향을 따르는 적층 압전 소자이다(도 12 및 도 15 참조). 따라서, 적층 압전 소자(56B)의 긴 길이 방향은, 도 16에 나타내는 바와 같이, 압전 필름(10La)의 되접어 꺾음 방향과 직교하는 방향이다. 즉, 적층 압전 소자(56B)의 긴 길이 방향은, 압전 필름(10Lb)의 긴 길이 방향에 일치한다.
도 16에 나타내는 바와 같이, 적층 압전 소자(56B)의 긴 길이 방향의 길이를 L로 한다. 본 발명에 있어서는, 돌출부(60)는, 길이 La가 길이 L의 10% 이상 즉 "La≥L/10"이 되도록 하는 것이 바람직하다.
이로써, 인출 배선으로부터 적층 압전 소자로 구동 전류를 흐르게 하는 경로에 있어서의 전류 밀도를 낮출 수 있으므로, 전압 강하를 적게 하여, 압전 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 상술한 전기 음향 변환기이면, 음압을 향상시킬 수 있다.
돌출부(60)의 길이 La는, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향의 길이 L의 50% 이상인 것이 보다 바람직하고, 70% 이상인 것이 더 바람직하며, 90% 이상인 것이 특히 바람직하고, 적층 압전 소자(56B)의 평면 형상의 긴 길이 방향의 길이와 동일하거나, 또는 그 이상인 것이 가장 바람직하다.
따라서, 도 11 및 도 13에 나타내는, 압전 필름(10La)의 되접어 꺾음에 의한 굴곡부가, 긴 길이 방향을 따르는 적층 압전 소자(56A)의 경우에는, 도 14에 나타내는 적층 압전 소자(56B)와 동일하게, 되접어 꺾음 방향의 일방의 단부를 연장하여 돌출부로 하고, 이 돌출부에, 인출 배선(62) 및 인출 배선(64)을 접속하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 돌출부의 길이 La는, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향의 길이 L과 일치한다. 즉, 이 경우에는, 돌출부는, 적층 압전 소자의 긴 길이 방향의 전체 영역이 된다.
이상, 본 발명의 압전 필름, 적층 압전 소자 및 전기 음향 변환기에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상술한 예에 한정은 되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에 있어서, 각종 개량이나 변경을 행해도 되는 것은, 물론이다.
실시예
이하, 본 발명의 구체적 실시예를 들어, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
상술한 도 2~도 6에 나타내는 방법에 따라, 도 2에 나타내는 바와 같은 압전 필름을 제작했다.
먼저, 하기의 조성비로, 매트릭스 재료를 메틸에틸케톤(MEK)에 용해했다. 그 후, 이 용액에, PZT 입자를 하기의 조성비로 첨가하여, 프로펠러 믹서(회전수 2000rpm)로 분산시켜, 압전체층을 형성하기 위한 도료를 조제했다.
·PZT 입자………1000질량부
·매트릭스 재료………100질량부
·MEK…………600질량부
또한, PZT 입자는, 시판 중인 PZT 원료분을 1000~1200℃에서 소결한 후, 이것을 평균 입경 3.5μm가 되도록 해쇄 및 분급 처리한 것을 이용했다.
또, 매트릭스 재료는, 사이아노에틸화 PVA(CR-V, 신에쓰 가가쿠 고교사제) 및 사이아노에틸화 풀루란(CR-S, 신에쓰 가가쿠 고교사제)을 이용했다. 매트릭스 재료 중에 있어서의 양자의 양비는, 사이아노에틸화 PVA가 40질량%, 사이아노에틸화 풀루란이 60질량%로 했다.
한편, 폭이 23cm, 두께 4μm의 장척인 PET 필름에, 두께 0.1μm의 구리 박막을 진공 증착하여 이루어지는, 도 2에 나타내는 바와 같은 시트상물을 준비했다. 즉, 본 예에 있어서는, 상부 전극 및 하부 전극은, 두께 0.1m의 구리 증착 박막이며, 상부 보호층 및 하부 보호층은 두께 4μm의 PET 필름이 된다.
또한, 프로세스 중, 양호한 핸들링을 얻기 위하여, PET 필름에는 두께 50μm의 세퍼레이터(가지지체 PET)가 포함된 것을 이용하고, 박막 전극 및 보호층의 열압착 후에, 각 보호층의 세퍼레이터를 제거했다.
이 시트상물의 하부 전극(구리 증착 박막) 상에, 슬라이드 코터를 이용하여, 앞서 조제한 압전체층을 형성하기 위한 도료를 도포했다. 도료는, 건조 후의 도막의 막두께가 40μm가 되도록, 도포했다.
이어서, 시트상물 상에 도료를 도포한 것을, 120℃의 오븐으로 가열 건조함으로써 MEK를 증발시켰다. 이로써, 도 3에 나타내는 바와 같은, PET제의 하부 보호층 상에 구리제의 하부 전극을 갖고, 그 위에, 두께가 40μm인 압전체층을 형성하여 이루어지는 적층체를 제작했다.
이 적층체의 압전체층을, 상술한 도 4 및 도 5에 나타내는 코로나 폴링에 의하여, 두께 방향으로 분극 처리했다. 또한, 분극 처리는, 압전체층의 온도를 100℃로 하여, 하부 전극과 코로나 전극의 사이에 6kV의 직류 전압을 인가하여 코로나 방전을 발생시켜 행했다.
분극 처리를 행한 적층체 상에, 도 6에 나타내는 바와 같이, PET 필름에 구리 박막을 진공 증착하여 이루어지는 동일한 시트상물을 적층했다.
이어서, 적층체와 시트상물의 적층체를, 래미네이터 장치를 이용하여 120℃에서 열압착함으로써, 압전체층과 상부 전극 및 하부 전극을 접착하여, 압전체층을 상부 전극과 하부 전극으로 협지하고, 이 적층체를, 상부 보호층과 하부 보호층으로 협지했다.
이로써, 도 1에 나타내는 바와 같은 압전 필름을 제작했다.
제작한 압전 필름에 대하여, 1×4cm의 스트립 형상의 시험편을 제작하여 동적 점탄성 측정을 행하고, 주파수 1Hz에 있어서의 손실 탄젠트(tanδ)를 측정했다.
측정은, 동적 점탄성 측정기(SII 나노테크놀로지사제, DMS6100 점탄성 스펙트로미터)를 이용하여 행했다.
측정 조건은, 측정 온도 범위는 -50~170℃로 하고, 승온 속도는 2℃/분(질소 분위기 중)으로 했다. 측정 주파수는 0.1Hz, 0.2Hz, 0.5Hz, 1Hz, 2Hz, 5Hz, 10Hz 및 20Hz로 했다. 측정 모드는 인장 측정으로 했다. 또한, 척간 거리는 20mm로 했다.
그 결과, 압전 필름은, 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 있어서, 100℃에 0.34의 극댓값(최댓값)을 갖고 있었다.
또, 압전 필름의 주파수 1Hz, 50℃에 있어서의 손실 탄젠트는, 0.1이었다.
[비교예 1]
압전체층을 형성하기 위한 도료에 있어서, 매트릭스 재료에 있어서의 재료의 양비를, 사이아노에틸화 PVA가 70질량%, 사이아노에틸화 풀루란이 30질량%로 했다. 이 도료를 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게, 압전 필름을 제작했다.
제작한 압전 필름에 대하여, 실시예 1과 동일하게, 주파수 1Hz에 있어서의 손실 탄젠트를 측정했다.
그 결과, 압전 필름은, 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 있어서, 80℃에 0.09의 극댓값(최댓값)을 갖고 있었다. 또, 압전 필름의 주파수 1Hz, 50℃에 있어서의 손실 탄젠트는, 0.2였다.
[비교예 2]
압전체층을 형성하기 위한 도료에 있어서, 매트릭스 재료를 사이아노에틸화 풀루란 100질량%로 했다. 이 도료를 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게, 압전 필름을 제작했다.
제작한 압전 필름에 대하여, 실시예 1과 동일하게, 주파수 1Hz에 있어서의 손실 탄젠트를 측정했다.
그 결과, 압전 필름은, 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 있어서, 120℃에 0.45의 극댓값(최댓값)을 갖고 있었다. 또, 압전 필름의 주파수 1Hz, 50℃에 있어서의 손실 탄젠트는, 0.06이었다.
제작한 압전 필름에 대하여, 이하와 같이 하여, 가요성의 평가를 행했다.
철제의 환봉을 이용하여 진동판의 중앙부가 곡률 반경 5cm가 되도록 180° 되접어 꺾는 굴곡 시험을, 10000회 행했다. 또한, 가요성의 평가는, 고온(100℃), 및 상온(25℃)의, 2개의 온도 환경에서 행했다.
10000회의 굴곡 시험을 행해도, 어느 계면에서도 박리를 발생시키지 않는 경우를 A;
1000~9999회의 굴곡 시험 동안에, 어느 하나의 계면에서 박리를 발생시킨 경우를 B;
999회까지의 굴곡 시험 동안에, 어느 하나의 계면에서 박리를 발생시킨 경우를 C라고 평가했다.
결과를 하기의 표에 나타낸다.
[표 1]
Figure pct00002
표 1에 나타내는 바와 같이, 주파수 1Hz에 있어서의 손실 탄젠트가, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 0.1 이상이 되는 극댓값을 갖고, 또한 50℃에 있어서의 값이 0.08 이상인 본 발명의 압전 필름은, 고온역에 있어서 우수한 가요성을 갖고, 또 상온역에 있어서도, 양호한 가요성을 갖는다.
이에 대하여, 주파수 1Hz에 있어서의 손실 탄젠트가, 50℃에 있어서의 값이 0.08 이상이며, 또한 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 극댓값을 갖지만, 그 극댓값이 0.1 미만인 비교예 1의 압전 필름은, 상온역에서는 우수한 가요성을 갖지만, 고온역에서는, 본 발명에 비하여 가요성이 낮다.
또한, 주파수 1Hz에 있어서의 손실 탄젠트가, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 0.1 이상이 되는 극댓값을 갖지만, 50℃에 있어서의 값이 0.08 미만인 비교예 2의 압전 필름은, 고온역에 있어서 우수한 가요성을 갖지만, 상온역에 있어서의 가요성이 낮다.
이상의 결과로부터, 본 발명의 효과는 명확하다.
산업상 이용가능성
스피커 및 마이크로폰 등의 음향 기기, 및 감압 센서 등, 각종 용도에 적합하게 이용 가능하다.
10, 10L, 10La, 10Lb 압전 필름
10a, 10c 시트상물
10b 적층체
12 진동판
14, 56, 56A, 56B, 61 적층 압전 소자
16, 19 첩착층
20 압전체층
24 하부 전극
26 상부 전극
28 하부 보호층
30 상부 보호층
34 매트릭스
36 압전체 입자
40 코로나 전극
42 직류 전원
43 케이스
45 압전 스피커
46 점탄성 지지체
48 프레임체
50 전기 음향 변환기
58 심봉
60 돌출부
62, 64 인출 배선
PS 전원

Claims (13)

  1. 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 분산하여 이루어지는 고분자 복합 압전체와, 상기 고분자 복합 압전체의 양면에 형성된 전극층을 갖고,
    동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트가, 50℃ 초과 150℃ 이하의 온도 범위에 0.1 이상이 되는 극댓값이 존재하며, 또한 50℃에서의 값이 0.08 이상인 것을 특징으로 하는 압전 필름.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극층의 표면에 마련된 보호층을 갖는, 압전 필름.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    두께 방향으로 분극된 것인, 압전 필름.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    압전 특성에 면내 이방성을 갖지 않는, 압전 필름.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극층과 외부의 전원을 접속하기 위한 인출선을 갖는, 압전 필름.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 압전 필름을, 복수 층, 적층하여 이루어지는 적층 압전 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 압전 필름이, 두께 방향으로 분극된 것이며, 또한 인접하는 상기 압전 필름의 분극 방향이 반대인, 적층 압전 소자.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 압전 필름을, 1회 이상, 되접어 꺾음으로써, 상기 압전 필름을, 복수 층, 적층한 것인, 적층 압전 소자.
  9. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    인접하는 상기 압전 필름을 첩착하는 첩착층을 갖는, 적층 압전 소자.
  10. 진동판과, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 압전 필름, 또는 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 적층 압전 소자를 갖는, 전기 음향 변환기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 압전 필름 또는 상기 적층 압전 소자의 두께와, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz, 25℃에서의 저장 탄성률의 곱이, 상기 진동판의 두께와, 영률의 곱의, 0.1~3배인, 전기 음향 변환기.
  12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 압전 필름 또는 상기 적층 압전 소자의 두께와, 동적 점탄성 측정으로부터 얻어진 마스터 커브에 있어서의 주파수 1kHz, 25℃에서의 저장 탄성률의 곱이, 상기 진동판의 두께와, 영률의 곱의, 0.3~10배인, 전기 음향 변환기.
  13. 청구항 10 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동판과, 상기 압전 필름 또는 상기 적층 압전 소자를 첩착하는 첩착층을 갖는, 전기 음향 변환기.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210062075A (ko) * 2018-11-08 2021-05-28 후지필름 가부시키가이샤 적층 압전 소자 및 전기 음향 변환기
CN114762140A (zh) * 2019-12-18 2022-07-15 富士胶片株式会社 压电薄膜
CN112366272B (zh) * 2020-10-28 2022-07-01 业成科技（成都）有限公司 压电感应组件及其制造方法
CN113143320A (zh) * 2021-04-30 2021-07-23 吉林大学 一种多模式测量的柔性超声换能器
CN113285631A (zh) * 2021-06-29 2021-08-20 陕西科技大学 一种叠层结构压电纳米发电机
WO2023021944A1 (ja) * 2021-08-20 2023-02-23 富士フイルム株式会社 圧電素子および圧電スピーカー
CN117981356A (zh) * 2021-09-24 2024-05-03 富士胶片株式会社 压电元件及压电扬声器
CN118020316A (zh) * 2021-09-28 2024-05-10 富士胶片株式会社 压电元件及压电扬声器
WO2023153126A1 (ja) * 2022-02-10 2023-08-17 富士フイルム株式会社 圧電素子および電気音響変換器
WO2023248696A1 (ja) * 2022-06-24 2023-12-28 富士フイルム株式会社 圧電フィルム、圧電素子および電気音響変換器、ならびに、圧電フィルムの製造方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000338901A (ja) 1999-06-01 2000-12-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd フレキシブルディスプレイ基板の製造方法
WO2014157684A1 (ja) * 2013-03-29 2014-10-02 富士フイルム株式会社 スピーカシステム
WO2014162976A1 (ja) * 2013-04-01 2014-10-09 富士フイルム株式会社 電気音響変換フィルム
JP2015029270A (ja) 2011-09-30 2015-02-12 富士フイルム株式会社 電気音響変換フィルム、電気音響変換器、フレキシブルディスプレイ、声帯マイクロフォンおよび楽器用センサー
WO2017002573A1 (ja) * 2015-06-29 2017-01-05 富士フイルム株式会社 電気音響変換器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6376971B1 (en) * 1997-02-07 2002-04-23 Sri International Electroactive polymer electrodes
WO2016121765A1 (ja) * 2015-01-29 2016-08-04 富士フイルム株式会社 電気音響変換フィルムおよび電気音響変換フィルムの製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000338901A (ja) 1999-06-01 2000-12-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd フレキシブルディスプレイ基板の製造方法
JP2015029270A (ja) 2011-09-30 2015-02-12 富士フイルム株式会社 電気音響変換フィルム、電気音響変換器、フレキシブルディスプレイ、声帯マイクロフォンおよび楽器用センサー
WO2014157684A1 (ja) * 2013-03-29 2014-10-02 富士フイルム株式会社 スピーカシステム
WO2014162976A1 (ja) * 2013-04-01 2014-10-09 富士フイルム株式会社 電気音響変換フィルム
WO2017002573A1 (ja) * 2015-06-29 2017-01-05 富士フイルム株式会社 電気音響変換器

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