KR20220062586A - 압전 소자 - Google Patents

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KR20220062586A
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piezoelectric
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hole
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유스케 가가와
데루오 아시카와
가즈오 히라구치
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후지필름 가부시키가이샤
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Abstract

전극층에 대한 전기적 접속을 확실히 할 수 있는 압전 소자를 제공한다. 압전층, 압전층의 양면에 형성되는 전극층, 및, 전극층의, 고분자 복합 압전체 측의 면과는 반대 측의 면에 적층되는 보호층을 갖는 압전 소자로서, 보호층은, 표면으로부터 전극층까지 관통하는 구멍부를 갖고, 구멍부 내로부터 보호층의 표면의 일부에 형성되어, 전극층에 전기적으로 접속되는, 도전성 재료로 이루어지는 충전 부재와, 충전 부재의 적어도 일부를 덮어, 충전 부재에 전기적으로 접속되는 도전성 부재와, 도전성 부재를 고정하는 고정 부재를 갖는다.

Description

압전 소자
본 발명은, 압전 소자에 관한 것이다.
액정 디스플레이나 유기 EL 디스플레이 등, 디스플레이의 박형화에 대응하여, 이들 박형 디스플레이에 이용되는 스피커에도 경량화·박형화가 요구되고 있다. 또한, 가요성을 갖는 플렉시블 디스플레이에 있어서, 경량성이나 가요성을 저해하지 않고 플렉시블 디스플레이에 일체화하기 위하여, 가요성도 요구되고 있다. 이와 같은 경량·박형이며 가요성을 갖는 스피커로서, 인가 전압에 응답하여 신축하는 성질을 갖는 시트상의 압전 소자(전기 음향 변환 필름)를 채용하는 것이 생각되고 있다.
이와 같은 가요성을 갖는 시트상의 압전 소자로서, 압전층의 양면에 전극층 및 보호층을 갖는 압전 소자가 제안되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 유전성을 갖는 층과, 유전성을 갖는 층(압전층)의 양면에 형성되는 박막 전극과, 양방의 박막 전극의 표면에 형성되는 보호층을 갖고, 또한, 보호층 중 적어도 일방이, 주변부보다 막두께가 얇은 박층부를 갖는 전기 음향 변환 필름이 기재되어 있다.
이와 같은 전기 음향 변환 필름에 있어서, 전극층에 전압을 인가하여 전기 음향 변환 필름을 진동시키기 위해서는, 전극층의 두께를 매우 얇게 할 필요가 있다. 예를 들면, 전극층은, 두께 1μm 이하의 증착막 등이 적합하다.
한편, 전기 음향 변환 필름을 스피커 등으로서 실장하기 위해서는, 전극층을 인출하고, 여기에 배선을 접속할 필요가 있다.
그러나, 증착막과 같은 얇은 전극층은, 전기 음향 변환 필름의 면외로 인출하는 것은 곤란하다. 또, 증착막과 같은 얇은 전극을, 배선과의 접속을 위하여 외부로 노출시켜, 이 상태로 보관하면, 보관 환경에 따라서는 전극이 산화되어, 도전성이 저하되어 버린다.
이에 대하여, 보호층에 구멍부를 마련하고, 이 구멍부에 도전 재료를 삽입하여, 도전 재료에 인출 배선을 접속하는 것이 제안되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에서는, 보호층에 오목부를 마련하고, 이 오목부에 도전 재료를 삽입하여, 이 도전 재료에 전극층과 외부의 장치를 전기적으로 접속하기 위한 인출 배선을 접속하는 구성이 기재되어 있다. 이로써, 전극층과 인출 배선의 전기적 접속을 확실히 할 수 있고, 또, 전극층은 전면적으로 보호층으로 덮여 있으므로, 산화 등에 의하여 전극층이 열화되는 것을 방지할 수 있는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2016-015354호
그러나, 본 발명자들의 검토에 의하면, 보호층에 마련한 구멍부에, 액체상의 도전성 재료의 도포액을 도포한 경우에, 도포액의 점도에 따라 도포 두께에 불균일이 생겨 도전성을 확보하는 것이 어려운 경우가 있다. 또, 보호층은 예를 들면 4μm 정도로 얇기 때문에, 보호층에 구멍부를 마련한 구멍부의 깊이는 4μm 정도가 되고, 전기 음향 변환 필름의 휨 등을 생각하면, 이 구멍부 위에 도포액을 확실히 도포하는 것은 어렵다. 그 때문에, 전극층에 대한 전기적 접속을 확실히 할 수 없을 우려가 있다.
또, 도전성 재료로서 이용되는 은 페이스트는 고가이기 때문에 사용량을 적게 하고자 하는 요망도 있어, 도전성 재료의 사용량을 늘려, 도전성 재료를 구멍부 내에 확실히 존재시키도록 하는 것은 어렵다.
본 발명의 과제는, 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하는 것에 있으며, 전극층에 대한 전기적 접속을 확실히 할 수 있는 압전 소자를 제공하는 것에 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 이하의 구성을 갖는다.
[1]
압전층, 상기 압전층의 양면에 형성되는 전극층, 및, 전극층의, 압전층 측의 면과는 반대 측의 면에 적층되는 보호층을 갖는 압전 소자로서,
보호층은, 표면으로부터 전극층까지 관통하는 구멍부를 갖고,
구멍부 내로부터 보호층의 표면의 일부에 형성되어, 전극층에 전기적으로 접속되는, 도전성 재료로 이루어지는 충전 부재와,
충전 부재의 적어도 일부를 덮어, 충전 부재에 전기적으로 접속되는 도전성 부재와,
도전성 부재를 고정하는 고정 부재를 갖는 압전 소자.
[2]
도전성 부재는, 도전성 시트인 [1]에 기재된 압전 소자.
[3]
도전성 부재는, 충전 부재와 접속되는 도전체와, 도전체에 접속되는 도전성 와이어 또는 도전성 시트를 갖는 [1]에 기재된 압전 소자.
[4]
고정 부재는, 도전성 부재를 보호층에 고정하는 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[5]
보호층의, 구멍부의 변 가장자리부에 형성되는 볼록부를 갖는 [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[6]
구멍부는, 깊이 방향에 있어서, 원상당 직경이 단계적으로 변화하고 있어, 전극층 측의 원상당 직경이 도전성 부재 측의 원상당 직경보다 작은 [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[7]
구멍부 내에 있는, 전극층의 표면에 있어서의 탄소량이, 면방향의 중앙부에 있어서, 중앙부 이외의 영역보다 적은 [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[8]
구멍부 내에 있는, 전극층의 표면에 있어서의 탄소량이, 면방향의 중앙부에 있어서, 중앙부 이외의 영역보다 많은 [1] 내지 [7] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[9]
구멍부의 개구 형상은 원 형상인 [1] 내지 [8] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[10]
보호층은 복수의 구멍부를 갖고,
복수의 구멍부 내에 각각 형성되는, 복수의 충전 부재를 갖는 [1] 내지 [9] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[11]
복수의 충전 부재가, 보호층의 표면에 있어서 연결되어 있는 [10]에 기재된 압전 소자.
[12]
보호층의 표면에, 구멍부의 주위를 둘러싸는 울타리 부재를 갖고,
충전 부재는, 적어도 울타리 부재 내에 형성되어 있는 [1] 내지 [11] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[13]
보호층의, 구멍부의 주위에 형성되는 오목부를 갖는 [1] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[14]
보호층의 두께는 3μm~100μm인 [1] 내지 [13] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[15]
전극층의 두께는 0.05μm~10μm인 [1] 내지 [14] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[16]
구멍부의 위치에 있어서, 전극층과 압전층의 사이에 공극부를 갖고,
구멍부가 형성되어 있지 않은 위치에 있어서의 압전층의 전극층과의 계면의 평균 높이와, 구멍부의 위치에 있어서의 압전층의 전극층과의 계면의 평균 높이의 차가, 25μm 이하인 [1] 내지 [15] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[17]
도전성 부재는, 장척(長尺) 형상이고,
도전성 부재는, 길이 방향으로 되접어 꺾는 되접어 꺾음부를 가지며,
고정 부재는, 되접어 꺾음부를 사이에 두고, 도전성 부재와 충전 부재의 접속 위치와는 반대 측의 영역에서, 도전성 부재와 보호층을 고정하는 [1] 내지 [16] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[18]
도전성 부재는, 장척 형상이고,
도전성 부재는, 길이 방향의 일방의 단부(端部) 측에서 충전 부재와 접속되어 있으며,
고정 부재는, 도전성 부재의 길이 방향에 있어서, 도전성 부재와 충전 부재의 접속 위치보다, 일방의 단부로부터 먼 위치에 배치되어 있는 [1] 내지 [17] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
[19]
도전성 부재의, 일방의 단부와 고정 부재의 사이의 영역의 변 가장자리부 중 적어도 일부를 보호층에 고정하는 제2 고정 부재를 갖는 [18]에 기재된 압전 소자.
[20]
압전층은, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 고분자 복합 압전체로 이루어지는 [1] 내지 [19] 중 어느 하나에 기재된 압전 소자.
본 발명에 의하면, 전극층에 대한 전기적 접속을 확실히 할 수 있는 압전 소자가 제공된다.
도 1은 본 발명의 압전 소자의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 압전 소자의 평면도이다.
도 3은 도 1의 압전체층의 일부를 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 8은 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 9는 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 10은 계면의 평균 높이를 설명하기 위한 개념도이다.
도 11은 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 12는 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 평면도이다.
도 13은 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 평면도이다.
도 14는 압전 소자의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 15는 압전 소자의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 16은 압전 소자의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 17은 압전 소자의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 18은 압전 소자의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 19는 압전 소자의 제작 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 20은 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 21은 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 22는 본 발명의 압전 소자를 포함하는 물품의 일례의 모식도이다.
도 23은 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 24는 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 25는 도 24의 상면도이다.
도 26은 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
도 27은 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대 단면도이다.
이하, 본 발명의 압전 소자에 대하여, 첨부한 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.
[압전 소자]
본 발명의 압전 소자는,
압전층, 압전층의 양면에 형성되는 전극층, 및, 전극층의, 압전층 측의 면과는 반대 측의 면에 적층되는 보호층을 갖는 압전 소자로서,
보호층은, 표면으로부터 전극층까지 관통하는 구멍부를 갖고,
구멍부 내로부터 보호층의 표면의 일부에 형성되어, 전극층에 전기적으로 접속되는, 도전성 재료로 이루어지는 충전 부재와,
충전 부재의 적어도 일부를 덮어, 충전 부재에 전기적으로 접속되는 도전성 부재와,
도전성 부재를 고정하는 고정 부재를 갖는 압전 소자이다.
또, 본 발명의 압전 소자에 있어서, 도전성 부재는, 구리박 등의 도전성 시트여도 된다. 혹은, 도전성 부재는, 복수의 도전성의 부재를 조합한 것이어도 된다. 예를 들면, 도전체와, 도전체에 접속되는 도전성 와이어 또는 도전성 시트를 갖는 구성이 예시된다.
본 발명의 압전 소자에 있어서, 고정 부재는, 도전성 부재를 소정의 부위에 고정하는 것이다. 고정 부재는, 도전성 부재를 보호층에 고정하는 것이어도 되고, 압전 소자의 다른 부위에 고정하는 것이어도 된다. 혹은, 고정 부재는, 도전성 부재를 다른 부재에 고정해도 된다. 예를 들면, 도 22에 나타내는 바와 같이, 압전 소자(10)가 진동판(100)에 고정되는 경우에는, 고정 부재(74)는, 도전성 부재(72)를 진동판(100)에 고정해도 된다.
도 1에, 본 발명의 압전 소자의 일례를 단면도에 의하여 개념적으로 나타낸다. 도 2에, 도 1의 압전 소자를 상방향에서 본 평면도를 나타낸다. 도 3에, 도 1의 압전 소자의 일부를 확대한 단면도를 나타낸다.
도 1~도 3에 나타내는 압전 소자(10)는, 압전성을 갖는 시트상물인 압전층(20)과, 압전층(20)의 일방의 면에 적층되는 하부 전극(24)과, 하부 전극(24)에 적층되는 하부 보호층(28)과, 압전층(20)의 타방의 면에 적층되는 상부 전극(26)과, 상부 전극(26)에 적층되는 상부 보호층(30)과, 충전 부재(70)와, 도전성 부재(72)와, 고정 부재(74)를 갖는다.
도 1에 나타내는 압전층(20)은, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스(34) 중에, 압전체 입자(36)를 포함하는 것이다. 또, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)은, 본 발명에 있어서의 전극층이다. 또, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)은, 본 발명에 있어서의 보호층이다.
후술하겠지만, 압전 소자(10)(압전층(20))는, 바람직한 양태로서, 두께 방향으로 분극되어 있다.
여기에서, 본 발명의 압전 소자는, 보호층에 구멍부를 갖고, 이 구멍부에 형성되는 충전 부재와, 충전 부재에 접속되는 도전성 부재와, 도전성 부재를 고정하는 고정 부재를 갖는다. 이 점에 대하여, 도 3을 이용하여 설명한다. 또한, 도 3은, 상부 보호층(30) 측의 일부를 확대하여 나타낸 도이지만, 하부 보호층(28) 측도 동일한 구성을 갖는다. 이하의 설명에서는, 상부 보호층(30) 및 상부 전극(26) 측을 예로 설명을 행한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 상부 보호층(30)은, 표면으로부터 상부 전극(26)까지 관통하는 구멍부(31)를 갖는다. 즉, 구멍부(31)는, 상부 전극(26)과는 반대 측의 표면으로부터 상부 전극(26) 측의 계면까지 상부 보호층(30)을 관통하여 형성되어 있다. 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 구멍부(31)는, 면방향에 있어서, 상부 보호층(30)의 단부 근방에 형성되어 있다.
또, 도 3에 나타내는 예에서는, 바람직한 양태로서, 구멍부(31)의 변 가장자리부에 볼록부(32)가 형성되어 있다. 볼록부(32)는, 구멍부(31)를 둘러싸도록 구멍부(31)의 변 가장자리부에 대략 원환상으로 형성되어 있다.
충전 부재(70)는, 도전성 재료로 이루어지고, 구멍부(31) 내에 충전되어, 상부 보호층(30)의 표면의 일부까지 덮도록 형성되어 있다. 이하, 충전 부재(70)의, 구멍부(31)로부터 돌출된 부분을 돌출부(71)라고도 한다. 충전 부재(70)는, 구멍부(31) 내에서 상부 전극(26)과 접촉하고, 상부 전극(26)과 전기적으로 접속되어 있다.
또, 도 3에 나타내는 예에 있어서는, 상부 보호층(30)이 볼록부(32)를 갖지만, 충전 부재(70)의 돌출부(71)는, 구멍부(31)로부터 볼록부(32)의 외측까지 형성되어 있다.
도전성 부재(72)는, 충전 부재(70)의 적어도 일부를 덮도록 배치되어 있고, 충전 부재(70)와 전기적으로 접속되어 있다. 도시예에서는, 도전성 부재(72)는, 상부 보호층(30)의 표면에 수직인 방향에서 보았을 때에, 충전 부재(70)의 전체면을 덮도록 배치되어 있다.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 도전성 부재(72)는 장척 형상의 도전성 시트이며, 길이 방향의 일방의 단부 측에서 충전 부재(70)와 접속되어 있다. 또, 도전성 부재(72)는, 길이 방향의 타방의 단부가, 면방향에 있어서 상부 보호층(30)의 외측까지 뻗어 있도록 배치되어 있다.
고정 부재(74)는, 도전성 부재(72)의, 충전 부재(70)를 덮고 있지 않은 위치에서, 도전성 부재(72)와 상부 보호층(30)을 고정하고 있다. 도 3에 나타내는 예에서는, 고정 부재(74)는, 도전성 부재(72)의 길이 방향에 있어서, 도전성 부재(72)와 충전 부재(70)의 접속 위치보다, 충전 부재(70) 측의 단부로부터 먼 위치에 배치되어 있다. 또, 고정 부재(74)는, 도전성 부재(72)의 길이 방향에 있어서, 도전성 부재(72)와 충전 부재(70)의 접속 위치와, 상부 보호층(30)의 단변(端邊)의 사이에 배치되어 있다. 또, 도시예에 있어서는, 고정 부재(74)는, 상부 보호층(30)과 도전성 부재(72)의 사이에 배치되어 있으며, 상부 보호층(30)과 도전성 부재(72)를 접착하고 있다.
이와 같이 압전 소자(10)에 있어서, 도전성 부재(72)는 충전 부재(70)와 전기적으로 접속되어 있으며, 충전 부재(70)는 상부 전극(26)과 전기적으로 접속되어 있기 때문에, 도전성 부재(72)를 인출 배선으로서 이용할 수 있고, 도전성 부재(72)에 배선을 접속할 수 있다.
여기에서, 상술한 바와 같이, 보호층에 마련한 구멍부에, 액체상의 도전성 재료의 도포액을 도포한 경우에, 도포액의 점도에 따라 도포 두께에 불균일이 생겨 도전성을 확보하는 것이 어려운 경우가 있다. 또, 보호층은 예를 들면 4μm 정도로 얇기 때문에, 보호층에 구멍부를 마련한 구멍부의 깊이는 4μm 정도가 되고, 전기 음향 변환 필름의 휨 등을 생각하면, 이 구멍부 위에 도포액을 확실히 도포하는 것은 어렵다. 또, 도전성 재료로서 이용되는 은 페이스트는 고가이기 때문에 사용량을 적게 하고자 하는 요망도 있어, 도전성 재료의 사용량을 늘려, 도전성 재료를 구멍부 내에 확실히 존재시키도록 하는 것은 어렵다.
이에 대하여, 본 발명의 압전 소자는, 보호층에 구멍부를 갖고, 이 구멍부에 형성되는 충전 부재와, 충전 부재를 덮는 도전성 부재와, 도전성 부재와 보호층을 고정하는 고정 부재를 갖는다. 이와 같은 구성의 압전 소자에 있어서, 충전 부재는, 보호층에 마련한 구멍부에 도전성 재료의 도포액을 도포하고, 도전성 부재를 도포액 위에 덧씌운 후에, 도포액을 건조, 경화시켜 형성된다. 도전성 부재를 도포액 위에 덧씌울 때에, 고정 부재에 의하여 도전성 부재와 보호층을 고정하기 때문에, 도포액이 미경화의 상태에서 도전성 부재의 위치가 어긋나는 것을 방지할 수 있다. 또, 도포액 위에 도전성 부재를 덧씌움으로써 도포액이 구멍부 위로부터 이동해 버리는 것을 방지할 수 있어, 구멍부 내에 충전 부재를 확실히 존재시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 압전 소자는, 도전성 부재(72)와 충전 부재(70)의 전기적 접속, 및, 충전 부재(70)와 상부 전극(26)의 전기적 접속을 확실히 행할 수 있다.
또, 구멍부 내에 충전 부재를 확실히 존재시킬 수 있기 때문에, 도전성 재료의 사용량을 늘릴 필요가 없다.
여기에서, 구멍부(31)의 개구면의 형상에는 한정은 없고, 원 형상, 타원 형상, 직사각형상, 다각형상, 부정형상 등의 다양한 형상으로 할 수 있다. 형성의 용이성 등의 관점에서 원 형상이 바람직하다.
또, 구멍부(31)의 개구면의 크기로서는, 충전 부재(70)와의 전기적 접속을 확보할 수 있고, 압전 소자가 적정하게 동작할 수 있는 크기이면 특별히 한정은 없다. 구멍부(31)의 개구면의 원상당 직경은, 0.5mm~20mm가 바람직하고, 1.5mm~5mm가 보다 바람직하며, 2mm~3mm가 더 바람직하다.
또, 충전 부재(70)의, 구멍부(31)로부터 돌출된 부분의 높이(상부 보호층(30)의 표면으로부터의 높이, 이하 "충전 부재의 높이"라고도 한다)는, 도전성 부재(72)와의 전기적 접속을 확보할 수 있으면 특별히 한정은 없다. 충전 부재의 높이는, 2μm~200μm가 바람직하고, 10μm~100μm가 보다 바람직하며, 20μm~50μm가 더 바람직하다.
또, 충전 부재(70)의 돌출부(71)의 크기(면방향의 크기)는, 도전성 부재(72)와의 전기적 접속을 확보할 수 있으면 특별히 한정은 없다. 돌출부(71)의 원상당 직경은, 1mm~40mm가 바람직하고, 2mm~30mm가 보다 바람직하며, 2mm~20mm가 더 바람직하다.
여기에서, 도 3에 나타내는 예에서는, 상부 보호층(30)은, 구멍부(31)의 변 가장자리부에 볼록부(32)를 갖는 구성으로 했지만 이에 한정은 되지 않고, 볼록부(32)를 갖지 않는 구성이어도 된다. 또한, 볼록부(32)를 갖는 구성으로 함으로써, 구멍부(31)의 깊이를 상부 보호층(30)의 두께보다 깊게 할 수 있고, 도전성 재료의 도포액이 고이기 쉽게 할 수 있으며, 충전 부재(70)와 상부 전극(26), 및, 충전 부재(70)와 도전성 부재(72)의 접촉 면적을 확보할 수 있다.
볼록부(32)의 높이는, 0.2μm~100μm가 바람직하고, 0.5μm~50μm가 보다 바람직하며, 0.7μm~10μm가 더 바람직하다.
여기에서, 도 3에 나타내는 예에서는, 1개의 구멍부(31) 및 1개의 충전 부재(70)를 갖는 구성으로 했지만 이에 한정은 되지 않고, 구멍부(31) 및 충전 부재(70)를 복수 갖고 있어도 된다.
예를 들면, 도 4에 나타내는 예에서는, 2개의 구멍부(31)를 갖고, 2개의 구멍부(31) 각각에 배치되는 2개의 충전 부재(70)를 갖는다. 2개의 구멍부(31)는, 도전성 부재(72)의 길이 방향에 인접하여 배열되어 있다. 2개의 충전 부재(70)는 각각 상술한 충전 부재와 동일하게 구멍부(31) 내에 충전되어, 상부 보호층(30)의 표면의 일부까지 덮도록 형성되어 있다. 도전성 부재(72)는, 2개의 구멍부(31)에 배치되는 2개의 충전 부재(70)를 덮도록 배치되어 있다. 또, 2개의 충전 부재(70)는, 상부 보호층(30)의 표면에 있어서, 돌출부(71)가 연결되어 있다.
또, 도 5에 나타내는 예에서는, 십자상으로 배치되는 5개의 구멍부(31)를 갖고, 5개의 구멍부(31) 각각에 배치되는 충전 부재(70)를 갖는다. 충전 부재(70)는, 상부 보호층(30)의 표면에 있어서, 돌출부(71)가 연결되어 일체화하고 있다. 또, 충전 부재(70)의 돌출부(71)는, 상부 보호층(30)의 표면의, 5개의 구멍부(31)로 둘러싸인 내측의 영역을 전면적으로 덮어 형성되어 있다.
압전 소자가, 충전 부재(70)를 복수, 갖는 구성인 경우에는, 적어도 하나의 충전 부재(70)가 돌출부(71)를 갖고 있으면 되지만, 모든 충전 부재(70)가 돌출부(71)를 갖는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 압전 소자는, 보호층의 표면에, 구멍부의 주위를 둘러싸는 울타리 부재를 갖고, 충전 부재는, 울타리 부재 내에 형성되어 있는 구성이어도 된다.
예를 들면, 도 6에 나타내는 예에서는, 상부 보호층(30)의 표면의, 구멍부(31) 및 볼록부(32)의 외주 측에 구멍부(31)의 주위를 둘러싸는 울타리 부재(76)를 갖는다. 울타리 부재(76)로 둘러싸인 영역에는, 충전 부재(70)의 돌출부(71)가 존재한다. 또, 울타리 부재(76)는 상면(상부 보호층(30) 측과는 반대 측의 면)이 도전성 부재(72)로 덮여 있다.
울타리 부재(76)는, 예를 들면, 원환상의 부재이며, 높이(두께)는 볼록부(32)보다 높다. 또, 울타리 부재(76)의 내측에 형성되는 충전 부재(70)와 도전성 부재(72)가 접하는 구성으로 하기 위하여, 울타리 부재(76)의 높이는, 충전 부재(70)의 높이의 동등 이하인 것이 바람직하다.
울타리 부재(76)를 가짐으로써, 도전성 재료의 도포액을 도포했을 때에 도포액이 구멍부(31)로부터 이동하는 것을 방지할 수 있어, 충전 부재(70)를 구멍부(31)의 위치에 확실히 존재시킬 수 있다.
울타리 부재(76)의 개구부의 형상은 원 형상에 한정은 되지 않고, 타원 형상, 직사각형상, 다각형상, 부정형상 등의 다양한 형상으로 할 수 있다.
또, 상부 보호층(30)이 복수의 구멍부(31)를 갖는 경우에는, 각 구멍부(31)의 위치에 배치되는 복수의 울타리 부재(76)를 갖고 있어도 되고, 복수의 구멍부(31)를 둘러싸는 크기의 하나의 울타리 부재(76)를 갖는 구성으로 해도 된다.
울타리 부재(76)의 크기(직경) 및 높이는, 구멍부(31)의 크기, 볼록부(32)의 높이, 충전 부재(70)의 돌출부(71)의 크기, 높이 등에 따라 적절히 설정하면 된다.
울타리 부재(76)의 원상당 직경은, 3mm~60mm가 바람직하고, 5mm~50mm가 보다 바람직하며, 5mm~40mm가 더 바람직하다.
울타리 부재(76)의 높이는, 0.01mm~1mm가 바람직하고, 0.1mm~0.5mm가 보다 바람직하며, 0.1mm~0.3mm가 더 바람직하다.
울타리 부재(76)는, 상부 보호층(30)과 접착제 등에 의하여 접착되는 것이 바람직하다. 또, 도전성 부재(72)와도 접착제 등에 의하여 접착되는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 압전 소자는, 보호층의, 구멍부의 주위에 형성되는 오목부를 갖고 있어도 된다.
예를 들면, 도 7에 나타내는 예에서는, 상부 보호층(30)의 표면의, 구멍부(31) 및 볼록부(32)의 외주 측에 구멍부(31)의 주위에 오목부(33)를 갖는다. 오목부(33) 내에는 충전 부재(70)의 돌출부(71)가 존재한다. 오목부(33)를 가짐으로써, 도전성 재료의 도포액을 도포했을 때에 도포액을 구멍부(31)의 위치에 유지시킬 수 있어, 충전 부재(70)를 구멍부(31)의 위치에 확실히 존재시킬 수 있다.
상부 보호층(30)이 볼록부(32)를 갖는 경우에는, 오목부(33)는, 볼록부(32)보다 외주 측에 형성된다. 또, 울타리 부재(76)를 갖는 경우에는, 오목부(33)는, 울타리 부재(76)의 내측에 형성된다.
오목부(33)의, 상부 보호층(30)의 표면으로부터의 깊이는, 0.1μm~3μm가 바람직하고, 0.5μm~2μm가 보다 바람직하며, 1μm~2μm가 더 바람직하다.
여기에서, 구멍부는, 깊이 방향에 있어서, 원상당 직경이 단계적으로 변화하고 있어, 전극층 측의 원상당 직경이 도전성 부재 측의 원상당 직경보다 작은 것이 바람직하다.
예를 들면, 도 8에 나타내는 예에서는, 구멍부(31)는, 깊이 방향의 도중에 크기가 변화하고 있어, 상부 전극(26) 측의 영역에 있어서의 원상당 직경 D2가, 표면 측(도전성 부재 측)의 영역에 있어서의 원상당 직경 D1보다 작다. 또한, 도 8에서는 도전성 부재의 도시는 생략하고 있다.
이후에 상세하게 설명하겠지만, 보호층에 형성되는 구멍부는, 레이저 가공에 의하여 형성된다. 레이저 가공 시에 열이 발생하고, 구멍부 근방의 보호층, 압전층 등이 열을 갖기 때문에, 구멍부의 위치의 전극층이 가열되어 강도가 저하되기 쉬워진다. 특히, 구멍부와 보호층의 경계 위치에서 전극층이 손상되기 쉬워진다.
이에 대하여, 전극층 측의 영역에 있어서의 구멍의 사이즈를 작게 함으로써, 전극층이 가열되는 것을 억제하여, 전극층의 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또, 표면 측의 영역에 있어서의 구멍의 사이즈를 크게 함으로써, 도전성 재료의 도포액을 도포했을 때에 구멍부 내에 도포액을 적절히 유지시킬 수 있다.
또, 레이저 가공에 의하여 보호층에 구멍부를 형성한 경우, 열에 의하여, 전극층 및 압전층이 팽창하지만, 전극층과 압전층에서는 열팽창률 및 열전도율이 상이하기 때문에, 가열에 의한 팽창 및 서열(徐熱)에 의한 수축에 의하여, 구멍부 내의 전극층과 압전층의 사이에 공극부가 형성되는 경우가 있다. 특히, 구멍부의 중앙 부분에 열이 축적되기 쉽기 때문에, 공극부는 중앙부에 형성되기 쉽다.
예를 들면, 도 9에 나타내는 바와 같이, 압전층(20)이 변형되어 공극부(80)가 형성된다.
또한, 도 9에 있어서는, 충전 부재(70) 및 도전성 부재(72)의 도시는 생략하고 있다.
이와 같은 공극부(80)를 가지면, 전극층 간의 비유전율이 변화되어 버리기 때문에, 압전 소자로서의 성능이 저하되어 버릴 우려가 있다.
이에 대하여, 구멍부가 형성되어 있지 않은 위치에 있어서의 압전층의 전극층과의 계면의 평균 높이와, 구멍부의 위치에 있어서의 압전층의 전극층과의 계면의 평균 높이의 차 d를, 25μm 이하로 하는 것이 바람직하고, 0μm~20μm로 하는 것이 보다 바람직하며, 0μm~15μm로 하는 것이 더 바람직하다. 또, 이 차 d는, 압전층의 평균 두께의 50% 이하인 것이 바람직하고, 0%~40%인 것이 보다 바람직하며, 0%~30%인 것이 더 바람직하다.
이 차 d의 측정 방법에 대하여, 도 10을 이용하여 설명한다.
구멍부의 위치를 포함하는 압전층을 임의의 크기로 잘라내, 에폭시 수지 등에 포매(包埋)하여 경화한다. 이어서, 수지 중의 압전층을 집속(集束) 이온빔(FIB) 등으로 절단하여, 압전층의 단면을 노출시킨다. 이 단면을 광학 현미경 등으로 관찰하여, 길이 40mm 정도의 압전층과 전극층의 경계선(계면)을, 화상 변환 소프트웨어로 곡선 수식 변환한다. 압전층과 전극층의 계면은, 도 10에 나타내는 바와 같이 조도를 갖고 있다.
이 단면에 있어서, 구멍부 이외의 부분에 있어서의 경계선의 화상 해석에 의한 산술 평균 조도 Ra 등의 산출을, 10개 정도의 절단면에서 행하여, 평균값을 산출함으로써, 구멍부 이외의 부분에 있어서의 압전층의 계면의 평균 높이 d0을 산출한다.
동일하게, 구멍부의 부분에 있어서의 경계선의 화상 해석으로부터 압전층의 계면의 평균 높이 d1을 산출한다.
산출한 평균 높이 d0과 평균 높이 d1의 차를 산출하여 평균 높이의 차 d를 구한다.
구체적으로는, JIS B 0601-2001에 기재된 조도 곡선 요소의 평균 높이(Rc)로 평균 높이를 구멍부 이외의 부분에서 구한다. 그때, 단면 곡선에서는 구멍부에 대하여 좌우의 계면의 평균 높이 d0을 산출한다. 동일하게, 구멍부의 부분에 있어서의 경계선의 화상 해석으로부터 압전층의 계면의 평균 높이 d1을 산출한다. 좌우 중, d1과 d0의 괴리가 큰 쪽을 d로 한다.
또, 레이저 가공에 의하여 보호층에 구멍부를 형성한 경우, 보호층이 완전히 제거되지 않아, 전극층의 표면에 보호층의 잔사가 존재하는 경우가 있다. 이 보호층의 잔사는, 레이저 가공의 조건 등에 따라, 전극층의 표면에 편재한다.
예를 들면, 구멍부의 중앙부에서는, 레이저 가공 시의 열이 축적되기 쉽기 때문에, 보호층의 잔사가 주변부보다 적어지기 쉽다. 한편, 레이저 가공의 조건에 따라서는, 구멍부의 중앙부에서 보호층의 잔사가 많아, 주변부에서 적은 구성으로 할 수도 있다.
구멍부의 중앙부에서의 보호층의 잔사가 주변부보다 적은 구성에서는, 중앙부에서 충전 부재와 전극층의 전기적 접속을 확보하여, 주변부에서 전극층의 강도 저하를 억제할 수 있다.
한편, 구멍부의 중앙부에서의 보호층의 잔사가 주변부보다 많은 구성에서는, 레이저 가공 시에 중앙부에 열이 축적되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 상술한 공극부의 발생을 억제할 수 있어, 비유전율의 변화를 억제할 수 있다.
또한, 보호층은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 수지 필름으로 이루어지기 때문에, 보호층의 잔사는 탄소를 함유한다. 따라서, 전극층의 표면에 있어서의 보호층의 잔사량을 측정할 때는, 전극층의 표면에 있어서의 탄소량을 측정하면 된다.
전극층 표면의 탄소량은, 압전 소자로부터 도전성 부재를 박리하고, 충전 부재의 표면으로부터 에칭하면서 XPS(X선 광전자 분광 장치)에 의하여 원소 분석을 행하여, 탄소의 유무를 관찰하는 방법에 의하여 구할 수 있다.
즉, 구멍부의 중앙부에서의 보호층의 잔사가 주변부보다 적은 구성은, 구멍부 내에 있는, 전극층의 표면에 있어서의 탄소량이, 면방향의 중앙부에 있어서, 중앙부 이외의 영역보다 적은 구성이다. 또, 구멍부의 중앙부에서의 보호층의 잔사가 주변부보다 많은 구성은, 구멍부 내에 있는, 전극층의 표면에 있어서의 탄소량이, 면방향의 중앙부에 있어서, 중앙부 이외의 영역보다 많은 구성이다.
또한, 구멍부의 중앙부란, 면방향의 구멍부의 무게 중심 위치를 중심으로, 구멍부의 면적의 1/16의 면적의 영역이다. 또, 주변부란 중앙부 이외의 영역이다. 보호층의 잔사량은, 이 범위에 있어서, 10점 측정한 평균값이다.
여기에서, 본 발명의 압전 소자는, 도전성 부재는, 장척 형상이고, 도전성 부재는, 길이 방향으로 되접어 꺾는 되접어 꺾음부를 가지며, 고정 부재는, 되접어 꺾음부를 사이에 두고, 도전성 부재와 충전 부재의 접속 위치와는 반대 측의 영역에서, 도전성 부재와 보호층을 고정하는 구성으로 해도 된다.
이 구성에 대하여, 도 11을 이용하여 설명한다.
도 11은, 본 발명의 압전 소자의 다른 일례의 일부를 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 11에 있어서, 도전성 부재(72)의 형상 이외에는, 도 3에 나타내는 압전 소자와 동일한 구성을 가지므로, 이하의 설명에서는 상이한 점을 주로 행한다.
도 11에 있어서, 도전성 부재(72)는, 길이 방향에 있어서 되접어 꺾여 있으며, 되접어 꺾음부(73)를 사이에 두고 일방의 영역을 영역(72a), 타방의 영역을 영역(72b)으로 하면, 영역(72a)의 일면이 충전 부재(70)와 접속되어 있고, 영역(72b)의 일면이 고정 부재(74)와 접속되어 있다.
즉, 도전성 부재(72)가, 고정 부재(74)에 의하여 상부 보호층(30)에 고정되는 영역(72b)은, 되접어 꺾음부(73)를 사이에 두고, 충전 부재(70)와 접속되는 영역(72a)과는 반대 측의 영역이다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 도전성 부재(72)는, 영역(72a)이 영역(72b)보다 짧아, 짧은 영역(72a)을 충전 부재(70)를 향하게 하여 충전 부재(70) 상에 배치된다. 또, 도전성 부재(72)의 영역(72b)은, 영역(72a)과 중첩되지 않는 위치에 있어서 고정 부재(74)에 의하여 상부 보호층(30)에 고정되어 있다.
이와 같이, 도전성 부재(72)를 절곡하여, 되접어 꺾음부(73)를 사이에 두고 일방의 영역(72a)을 충전 부재(70)에 접속하며, 타방의 영역(72b)을 고정 부재(74)에 의하여 상부 보호층(30)에 고정하는 구성으로 함으로써, 보호층에 마련한 구멍부에 도전성 재료의 도포액을 도포하고, 도전성 부재(72)를 도포액 위에 덧씌웠을 때에, 영역(72a)에 도포액 측을 향하는 힘이 가해지기 때문에, 도전성 부재(72)와 도포액의 밀착을 확보할 수 있어, 도전성 부재(72)와 충전 부재(70)의 확실한 전기적 접속을 얻을 수 있다.
또, 도전성 부재(72)의 영역(72b)에 인장력 등의 힘이 가해진 경우에서도, 영역(72a)에 힘이 전달되기 어려워지기 때문에, 도전성 부재(72)와 충전 부재(70)의 확실한 전기적 접속을 얻을 수 있다.
또한, 구멍부 및 충전 부재를 복수 갖는 경우에는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 도전성 부재(72)의 영역(72a)이 복수의 충전 부재(70)를 덮도록 되접어 꺾음부(73)의 위치를 조정하여 배치하면 된다.
또, 도전성 부재의, 충전 부재와의 접속 위치 근방의 변 가장자리부를 보호층에 고정하는 제2 고정 부재를 갖고 있어도 된다.
예를 들면, 도 5에 나타내는 예에서는, 도전성 부재(72)는, 장척 형상이다. 도전성 부재(72)는, 길이 방향의 일방의 단부 측에서 충전 부재(70)와 접속되어 있으며, 고정 부재(74)는, 도전성 부재(72)의 길이 방향에 있어서, 도전성 부재(72)와 충전 부재(70)의 접속 위치보다, 충전 부재(70) 측의 단부로부터 먼 위치에 배치되어 있다. 또, 도전성 부재(72)는, 충전 부재(70) 측의 단부와 고정 부재(74)의 사이의 영역의 3변을, 제2 고정 부재(82)로 각각 상부 보호층(30)에 고정되어 있다.
제2 고정 부재(82)는, 면방향에 있어서, 충전 부재(70)(돌출부(71))와 중첩되지 않는 위치에 마련되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 도전성 부재의, 충전 부재와의 접속 위치 근방의 변 가장자리부를 보호층에 고정하는 제2 고정 부재를 가짐으로써, 도전성 부재와 충전 부재가 박리되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 도 3, 도 5 등에 있어서, 고정 부재(74)는, 도전성 부재(72)와 상부 보호층(30)의 사이에 배치되는, 이른바 접착층/점착층으로 했지만, 이에 한정은 되지 않고, 도 13에 나타내는 바와 같이, 도전성 부재(72) 위로부터 상부 보호층(30)에 고정되는, 이른바 점착 시트여도 된다.
동일하게, 도 5에 있어서, 제2 고정 부재(82)는, 도전성 부재(72) 위로부터 상부 보호층(30)에 고정되는, 이른바 점착 시트로 했지만, 이에 한정은 되지 않고, 도 13에 나타내는 바와 같이, 제2 고정 부재(82)는, 도전성 부재(72)와 상부 보호층(30)의 사이에 배치되는, 이른바 접착층/점착층으로 해도 된다.
또, 본 발명의 압전 소자에 있어서, 충전 부재(70)와 도전성 부재(72)의 접속 위치에 있어서, 충전 부재(70)는 오목부를 갖고, 도전성 부재(72)가 오목부를 따라 만곡(灣曲)하도록 형성되어 있어도 된다.
예를 들면, 도 20에 나타내는 예에서는, 충전 부재(70)의 도전성 부재(72) 측의 표면에 오목부가 형성되어 있다. 또, 도전성 부재(72)는 충전 부재(70)에 형성된 오목부를 따라 만곡하여 충전 부재(70)에 접촉하여 접속되어 있다.
또, 도 21에 나타내는 예는, 도전성 부재(72)가 되접어 꺾음부(73)를 갖는 구성의 예이다. 이 도 21에 나타내는 예에서는, 충전 부재(70)의 도전성 부재(72) 측의 표면에 오목부가 형성되어 있다. 또, 도전성 부재(72)의 영역(72a)은 충전 부재(70)에 형성된 오목부를 따라 만곡하여 충전 부재(70)에 접촉하여 접속되어 있다.
이와 같이, 충전 부재(70)와 도전성 부재(72)의 접속 위치에 있어서, 충전 부재(70)는 오목부를 갖고, 도전성 부재(72)가 오목부를 따라 만곡하는 구성으로 함으로써, 충전 부재(70)와 도전성 부재(72)의 접촉 면적을 크게 할 수 있어, 충전 부재(70)와 도전성 부재(72)의 전기적 접속을 확실히 할 수 있다.
또한, 도 20 및 도 21에 나타내는 예에서는, 충전 부재(70)에 형성되는 오목부는, 보호층의 구멍부(31)에 대응하는 위치에 형성되는 구성으로 했지만, 이에 한정은 되지 않는다. 예를 들면, 보호층에 복수의 구멍부(31)가 형성되고 각 구멍부(31)에 형성되는 충전 부재(70)가 연결되는 구성인 경우에는, 충전 부재(70)가 연결된 위치에 오목부가 형성되어 있어도 된다.
또한, 충전 부재(70)의 오목부는, 후술하는 압전 소자의 제조 방법에 있어서, 충전 부재(70)가 되는 도전성 재료를 구멍부(31)에 도포하고, 도전성 부재(72)를 도전성 재료(84) 위에 재치한 후에, 도전성 부재(72) 위로부터 도전성 재료(84)를 압압하여 형성할 수 있다.
혹은, 미리 도전성 부재(72)에 오목부에 대응하는 만곡부를 마련해 두고, 이 도전성 부재(72)의 만곡부가 도전성 재료(84) 위에 오도록 도전성 부재(72)를 재치하여, 도전성 재료(84)에 오목부를 전사(轉寫)함으로써, 충전 부재(70)의 오목부를 형성할 수 있다.
여기에서, 도 3 등에 나타내는 예에서는, 도전성 부재가 도전성 시트인 예에 대하여 설명했지만, 상술한 바와 같이, 도전성 부재는, 복수의 도전성의 부재를 조합한 것이어도 된다.
예를 들면, 도 23에 나타내는 예는, 도전성 부재로서 도전체(92), 및, 도전성 와이어(86)를 갖는 예이다. 도전체(92)와 도전성 와이어(86)는, 땜납(87)에 의하여 접속되어 있다. 도전체(92)는, 충전 부재(70) 위에 접속될 뿐이며, 상부 보호층(30) 등에는 고정되어 있지 않다. 도전성 와이어(86)는, 고정 부재(74)에 의하여 상부 보호층(30)에 고정되어 있다.
또, 도 24 및 도 25에 나타내는 예는, 도전성 부재로서, 도전체(92), 및, 프린트 배선 시트(98)를 갖는 예이다. 프린트 배선 시트(98)는, 도 25에 나타내는 바와 같이, 플라스틱 시트 등의 절연성의 기판(94) 상에, 배선(96)이 프린트된 것이다. 이 프린트 배선 시트(98)의 배선(96)이 도전체(92)에 접속되어 있다.
도전체(92)는, 충전 부재(70) 위에 접속될 뿐이며, 상부 보호층(30) 등에는 고정되어 있지 않다. 프린트 배선 시트(98)는, 고정 부재(74)에 의하여 상부 보호층(30)에 고정되어 있다.
이와 같이, 도전성 부재가 복수의 도전성의 부재를 조합한 것이어도 된다. 그 경우, 도전성 부재를 구성하는 부재 중 적어도 하나가, 고정 부재(74)에 의하여 소정의 부위에 고정되면 된다.
또, 도전성 시트로 이루어지는 도전성 부재(72)에는, 추가로, 도전성 와이어 등의 도전성의 부재가 접속되어도 된다. 또, 도전성 와이어 등의 도전성의 부재는, 도전성 부재(72)의 어느 위치에 접속되어도 된다.
예를 들면, 도 26에 나타내는 예에서는, 도전성 시트로 이루어지는 도전성 부재(72)의 충전 부재(70)와 접속되는 위치의 표면 측에, 도전성 와이어(86)가 땜납(87)에 의하여 고정되어 있다. 도전성 와이어(86)는, 연장 방향의 도중의 위치에서, 접착 부재(88)에 의하여, 상부 보호층(30)에 고정되어 있다.
도 26에 나타내는 구성의 경우, 도전성 부재(72), 땜납(87), 및, 도전성 와이어(86)가, 본 발명에 있어서의 도전성 부재, 접착 부재(88)가 본 발명에 있어서의 고정 부재라고 할 수도 있다.
도 27에 나타내는 예에서는, 도전성 시트로 이루어지는 도전성 부재(72)의 충전 부재(70)와 접속되는 위치의 표면 측에, 도전성의 지주(支柱)(90)가 마련되어 있으며, 이 지주에 감합(勘合)하는 소켓(89)을 선단에 갖는 도전성 와이어(86)가 접속되어 있다. 도전성 와이어(86)는, 연장 방향의 도중의 위치에서, 접착 부재(88)에 의하여, 상부 보호층(30)에 고정되어 있다.
도 27에 나타내는 구성의 경우, 도전성 부재(72), 지주(90), 소켓(89), 및, 도전성 와이어(86)가, 본 발명에 있어서의 도전성 부재, 접착 부재(88)가 본 발명에 있어서의 고정 부재라고 할 수도 있다.
여기에서, 도 2에 나타내는 예에 있어서는, 상부 보호층(30) 측에서 충전 부재(70)를 개재하여 상부 전극(26)과 전기적으로 접속되는 도전성 부재(72)와, 하부 보호층(28) 측에서 충전 부재(70)를 개재하여 하부 전극(24)과 전기적으로 접속되는 도전성 부재(72)는, 바람직한 양태로서, 면방향의 위치가 중첩되지 않도록 배치되어 있다. 이로써, 상부 전극(26) 측의 도전성 부재(72)와, 하부 전극(24) 측의 도전성 부재(72)가 접촉하여 단락(短絡)되는 것을 억제할 수 있다.
이와 같은 압전 소자(10)는, 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 소자는, 이것 이외에도, 감압 센서 및 발전 소자 등에도 이용 가능하다.
또, 예를 들면, 압전 소자(10)를 스피커에 이용하는 경우는, 필름상의 압전 소자(10) 자체의 진동에 의하여 소리를 발생하는 것으로서 이용해도 된다. 혹은, 압전 소자(10)는, 진동판에 첩부하여, 압전 소자(10)의 진동에 의하여 진동판을 진동시켜 소리를 발생하는 익사이터로서 이용해도 된다.
이하, 본 발명의 압전 소자의 각 구성 요소에 대하여 설명한다.
〔압전층〕
압전층(20)은, 공지의 압전체로 이루어지는 층이면 된다. 본 발명에 있어서, 압전층(20)은, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스(34)에, 압전체 입자(36)를 포함하는 고분자 복합 압전체인 것이 바람직하다.
압전층(20)을 구성하는 고분자 복합 압전체의 매트릭스(34)(매트릭스 겸 바인더)의 재료로서, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 압전 소자(10)는, 플렉시블 디스플레이용의 스피커 등, 플렉시블성을 갖는 스피커 등에 적합하게 이용된다. 여기에서, 플렉시블성을 갖는 스피커에 이용되는 고분자 복합 압전체(압전층(20))는, 다음의 용건을 구비한 것인 것이 바람직하다. 따라서, 이하의 요건을 구비하는 재료로서, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 명세서에 있어서, "상온"이란, 0~50℃ 정도의 온도역을 가리킨다.
(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, 고분자 복합 압전체가 견고하면, 그만큼 큰 굽힘 응력이 발생하고, 매트릭스와 압전체 입자의 계면에서 균열이 발생하여, 결국에는 파괴로 이어질 우려가 있다. 따라서, 고분자 복합 압전체에는 적절한 유연함이 요구된다. 또, 왜곡 에너지를 열로서 외부로 확산시킬 수 있으면 응력을 완화할 수 있다. 따라서, 고분자 복합 압전체의 손실 탄젠트가 적절히 클 것이 요구된다.
(ii) 음질
스피커는, 20Hz~20kHz의 오디오 대역의 주파수로 압전체 입자를 진동시키고, 그 진동 에너지에 의하여 고분자 복합 압전체(압전 소자) 전체가 일체가 되어 진동함으로써 소리가 재생된다. 따라서, 진동 에너지의 전달 효율을 높이기 위하여 고분자 복합 압전체에는 적절한 경도가 요구된다. 또, 스피커의 주파수 특성이 평활하면, 곡률의 변화에 따라 최저 공진 주파수가 변화했을 때의 음질의 변화량도 작아진다. 따라서, 고분자 복합 압전체의 손실 탄젠트는 적절히 클 것이 요구된다.
이상을 정리하면, 고분자 복합 압전체는, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 견고하고, 수 Hz 이하의 진동에 대해서는 유연하게 거동할 것이 요구된다. 또, 고분자 복합 압전체의 손실 탄젠트는, 20kHz 이하의 모든 주파수의 진동에 대하여, 적절히 클 것이 요구된다.
일반적으로, 고분자 고체는 점탄성 완화 기구를 갖고 있으며, 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 불리며, 매우 큰 완화 현상이 보인다. 이 주분산이 일어나는 온도가 유리 전이점(Tg)이며, 가장 점탄성 완화 기구가 현저하게 나타난다.
고분자 복합 압전체(압전층(20))에 있어서, 유리 전이점이 상온에 있는 고분자 재료, 바꾸어 말하면, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 매트릭스에 이용함으로써, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 견고하고, 수 Hz 이하의 느린 진동에 대해서는 유연하게 거동하는 고분자 복합 압전체가 실현된다. 특히, 이 거동이 적합하게 발현되는 등의 점에서, 주파수 1Hz에서의 유리 전이 온도가 상온, 즉, 0~50℃에 있는 고분자 재료를, 고분자 복합 압전체의 매트릭스에 이용하는 것이 바람직하다.
상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료로서는, 유전성을 갖는 것이면, 공지의 각종의 것이 이용 가능하다. 바람직하게는, 고분자 재료는, 상온, 즉, 0℃~50℃에 있어서, 동적 점탄성 시험에 의한 주파수 1Hz에 있어서의 손실 탄젠트의 극댓값이, 0.5 이상인 고분자 재료를 이용한다.
이로써, 고분자 복합 압전체가 외력에 의하여 천천히 구부러졌을 때에, 최대 굽힘 모멘트부에 있어서의 매트릭스와 압전체 입자의 계면의 응력 집중이 완화되어, 양호한 가요성이 얻어진다.
또, 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, 고분자 복합 압전체가 외력에 의하여 천천히 구부러졌을 때에 발생하는 굽힘 모멘트를 저감시킬 수 있음과 동시에, 20Hz~20kHz의 음향 진동에 대해서는 견고하게 거동할 수 있다.
또, 고분자 재료는, 비유전율이 25℃에 있어서 10 이상 있으면, 보다 적합하다. 이로써, 고분자 복합 압전체에 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 고분자 재료로서는, 사이아노에틸화 폴리바이닐알코올(사이아노에틸화 PVA), 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, 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.
이와 같은 고분자 재료를 이용하는 매트릭스(34)는, 필요에 따라, 복수의 고분자 재료를 병용해도 된다.
즉, 매트릭스(34)에는, 유전 특성이나 기계적 특성의 조절 등을 목적으로 하여, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료에 더하여, 필요에 따라, 그 외의 유전성 고분자 재료를 첨가해도 된다.
첨가 가능한 유전성 고분자 재료로서는, 일례로서, 폴리 불화 바이닐리덴, 불화 바이닐리덴-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 불화 바이닐리덴-트라이플루오로에틸렌 공중합체, 폴리 불화 바이닐리덴-트라이플루오로에틸렌 공중합체 및 폴리 불화 바이닐리덴-테트라플루오로에틸렌 공중합체 등의 불소계 고분자, 사이안화 바이닐리덴-아세트산 바이닐 공중합체, 사이아노에틸셀룰로스, 사이아노에틸하이드록시사카로스, 사이아노에틸하이드록시셀룰로스, 사이아노에틸하이드록시풀루란, 사이아노에틸메타크릴레이트, 사이아노에틸아크릴레이트, 사이아노에틸하이드록시에틸셀룰로스, 사이아노에틸아밀로스, 사이아노에틸하이드록시프로필셀룰로스, 사이아노에틸다이하이드록시프로필셀룰로스, 사이아노에틸하이드록시프로필아밀로스, 사이아노에틸폴리아크릴아마이드, 사이아노에틸폴리아크릴레이트, 사이아노에틸풀루란, 사이아노에틸폴리하이드록시메틸렌, 사이아노에틸글리시돌풀루란, 사이아노에틸사카로스 및 사이아노에틸소비톨 등의 사이아노기 또는 사이아노에틸기를 갖는 폴리머, 및, 나이트릴 고무나 클로로프렌 고무 등의 합성 고무 등이 예시된다.
그중에서도, 사이아노에틸기를 갖는 고분자 재료는, 적합하게 이용된다.
또, 압전층(20)의 매트릭스(34)에 있어서, 사이아노에틸화 PVA 등의 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료에 더하여 첨가되는 유전성 고분자 재료는, 1종에 한정은 되지 않고, 복수 종을 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.
압전층(20)의 매트릭스(34)에 있어서, 사이아노에틸화 PVA 등의 점탄성을 갖는 고분자 재료 이외의 재료를 첨가할 때의 첨가량에는, 특별히 한정은 없지만, 매트릭스(34)에서 차지하는 비율로 30질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
이로써, 매트릭스(34)에 있어서의 점탄성 완화 기구를 저해하지 않고, 첨가하는 고분자 재료의 특성을 발현할 수 있기 때문에, 고유전율화, 내열성의 향상, 압전체 입자(36) 및 전극층과의 밀착성 향상 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
압전층(20)은, 이와 같은 매트릭스(34)에, 압전체 입자(36)를 포함하는, 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 지르콘산 납(PZT), 타이타늄산 지르콘산 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, 고분자 복합 압전체(압전 소자(10))의 사이즈 및 용도 등에 따라, 적절히, 선택하면 된다.
압전체 입자(36)의 입경은, 1~10μm가 바람직하다. 압전체 입자(36)의 입경을 이 범위로 함으로써, 고분자 복합 압전체(압전 소자(10))가 높은 압전 특성과 플렉시빌리티를 양립시킬 수 있는 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
또한, 도 1에 있어서는, 압전층(20) 중의 압전체 입자(36)는, 매트릭스(34) 중에, 균일하며 또한 규칙성을 갖고 분산되어 있지만, 본 발명은, 이것에 제한은 되지 않는다.
즉, 압전층(20) 중의 압전체 입자(36)는, 바람직하게는 균일하게 분산되어 있으면, 매트릭스(34) 중에 불규칙하게 분산되어 있어도 된다.
압전층(20)(고분자 복합 압전체)에 있어서, 압전층(20) 중에 있어서의 매트릭스(34)와 압전체 입자(36)의 양비에는, 제한은 없고, 압전층(20)의 면방향의 크기 및 두께, 고분자 복합 압전체의 용도, 및, 고분자 복합 압전체에 요구되는 특성 등에 따라, 적절히, 설정하면 된다.
압전층(20) 중에 있어서의 압전체 입자(36)의 체적분율은, 30~80%가 바람직하고, 50% 이상이 보다 바람직하며, 따라서, 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.
압전층(20)의 두께에는 제한은 없고, 고분자 복합 압전체의 용도, 및, 고분자 복합 압전체에 요구되는 특성 등에 따라, 적절히, 설정하면 된다. 압전층(20)이 두꺼울수록, 이른바 시트상물의 탄성의 강도 등의 강성 등의 점에서는 유리하지만, 동일한 양만큼 압전층(20)을 신축시키기 위하여 필요한 전압(전위차)은 커진다.
압전층(20)의 두께는, 10~300μm가 바람직하고, 20~200μm가 보다 바람직하며, 30~150μm가 더 바람직하다.
압전층(20)의 두께를, 상기 범위로 함으로써, 강성의 확보와 적절한 유연성의 양립 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
〔전극층 및 보호층〕
도 1에 나타내는 바와 같이, 도시예의 압전 소자(10)는, 압전층(20)의 일면에, 하부 전극(24)을 갖고, 그 표면에 하부 보호층(28)을 가지며, 압전층(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.
즉, 압전 소자(10)는, 압전층(20)의 양면을 전극쌍, 즉, 상부 전극(26) 및 하부 전극(24)으로 협지하고, 이 적층체를, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)으로 협지하여 이루어지는 구성을 갖는다.
이와 같이, 압전 소자(10)에 있어서, 상부 전극(26) 및 하부 전극(24)으로 협지된 영역은, 인가된 전압에 따라 신축된다.
하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)은, 상부 전극(26) 및 하부 전극(24)을 피복함과 함께, 압전층(20)에 적절한 강성과 기계적 강도를 부여하는 역할을 담당하고 있다. 즉, 압전 소자(10)에 있어서, 매트릭스(34)와 압전체 입자(36)로 이루어지는 압전층(20)은, 느린 굽힘 변형에 대해서는, 매우 우수한 가요성을 나타내는 한편, 용도에 따라서는, 강성이나 기계적 강도가 부족한 경우가 있다. 압전 소자(10)는, 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), 폴리페닐렌설파이트(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, 상이해도 된다.
여기에서, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 강성이 과도하게 높으면, 압전층(20)의 신축을 구속할 뿐만 아니라, 가요성도 저해된다. 그 때문에, 기계적 강도나 시트상물로서의 양호한 핸들링성이 요구되는 경우를 제외하면, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)은, 얇을수록 유리하다.
하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 두께는, 3μm~100μm가 바람직하고, 3μm~50μm가 보다 바람직하며, 3μm~30μm가 더 바람직하고, 4μm~10μm가 특히 바람직하다.
여기에서, 압전 소자(10)에 있어서는, 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)의 두께가, 압전층(20)의 두께의 2배 이하이면, 강성의 확보와 적절한 유연성의 양립 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
예를 들면, 압전층(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 소자(10)에 있어서, 압전층(20)과 하부 보호층(28)의 사이에는 하부 전극(24)이, 압전층(20)과 상부 보호층(30)의 사이에는 상부 전극(26)이, 각각 형성된다.
하부 전극(24) 및 상부 전극(26)은, 압전층(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(氣相) 퇴적법(진공 성막법), 도금에 의한 성막, 및, 상기 재료로 형성된 박을 첩착하는 방법 등, 공지의 방법이, 각종, 이용 가능하다.
그중에서도 특히, 압전 소자(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, 상이해도 된다.
여기에서, 상술한 하부 보호층(28) 및 상부 보호층(30)과 동일하게, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)의 강성이 과도하게 높으면, 압전층(20)의 신축을 구속할 뿐만 아니라, 가요성도 저해된다. 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.
하부 전극(24) 및 상부 전극(26)의 두께는, 보호층보다 얇으며, 0.05μm~10μm가 바람직하고, 0.05μm~5μm가 보다 바람직하며, 0.08μm~3μm가 더 바람직하고, 0.1μm~2μm가 특히 바람직하다.
여기에서, 압전 소자(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, 그중에서도 0.1μm 이하로 하는 것이 바람직하다.
압전 소자(10)는, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트(Tanδ)의 극댓값이 상온에 존재하는 것이 바람직하고, 0.1 이상이 되는 극댓값이 상온에 존재하는 것이 보다 바람직하다.
이로써, 압전 소자(10)가 외부로부터 수 Hz 이하의 비교적 느린, 큰 굽힘 변형을 받았다고 해도, 왜곡 에너지를 효과적으로 열로서 외부로 확산시킬 수 있기 때문에, 매트릭스와 압전체 입자의 계면에서 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
압전 소자(10)는, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률(E')이, 0℃에서 10GPa~30GPa, 50℃에서 1GPa~10GPa인 것이 바람직하다. 또한, 이 조건에 관해서는, 압전층(20)도 동일하다.
이로써, 압전 소자(10)가 저장 탄성률(E')에 큰 주파수 분산을 가질 수 있다. 즉, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 견고하고, 수 Hz 이하의 진동에 대해서는 유연하게 거동할 수 있다.
또, 압전 소자(10)는, 두께와 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률의 곱이, 0℃에 있어서 1.0×105~2.0×106(1.0E+05~2.0E+06)N/m, 50℃에 있어서 1.0×105~1.0×106(1.0E+05~1.0E+06)N/m인 것이 바람직하다. 또한, 이 조건에 관해서는, 압전층(20)도 동일하다.
이로써, 압전 소자(10)가 가요성 및 음향 특성을 저해하지 않는 범위에서, 적절한 강성과 기계적 강도를 구비할 수 있다.
또한, 압전 소자(10)는, 동적 점탄성 측정으로부터 얻어진 마스터 커브에 있어서, 25℃, 주파수 1kHz에 있어서의 손실 탄젠트가, 0.05 이상인 것이 바람직하다. 또한, 이 조건에 관해서는, 압전층(20)도 동일하다.
이로써, 압전 소자(10)를 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 소자(10) 및 압전층(20) 등의 저장 탄성률(영률) 및 손실 탄젠트는, 공지의 방법으로 측정하면 된다. 일례로서, 에스아이아이·나노 테크놀로지사제(SII 나노 테크놀로지사제)의 동적 점탄성 측정 장치 DMS6100을 이용하여 측정하면 된다.
측정 조건으로서는, 일례로서, 측정 주파수는 0.1Hz~20Hz(0.1Hz, 0.2Hz, 0.5Hz, 1Hz, 2Hz, 5Hz, 10Hz 및 20Hz)가, 측정 온도는 -50~150℃가, 승온 속도는 2℃/분(질소 분위기 중)이, 샘플 사이즈는 40mm×10mm(클램프 영역 포함)가, 척간 거리는 20mm가, 각각, 예시된다.
〔충전 부재〕
충전 부재(70)는, 액체상의 도전성 재료를 경화시킨 것이다.
충전 부재(70)로서 이용되는 도전성 재료로서는, 은 페이스트, 금속 나노 입자 잉크(Ag, Au) 등이 이용 가능하다.
도전성 재료의 점도는, 10mPa·s(밀리 파스칼초)~20Pa·s(파스칼초)가 바람직하고, 0.1Pa·s~15Pa·s가 보다 바람직하며, 0.5Pa·s~10Pa·s가 더 바람직하다.
경화 후의 충전 부재(70)의 비저항은 1×10^-6(Ω·cm)~1×10^-3(Ω·cm)이 바람직하고, 1×10^-6(Ω·cm)~8×10^-4(Ω·cm)가 보다 바람직하며, 1×10^-6(Ω·cm)~1×10^-4(Ω·cm)가 더 바람직하다.
〔도전성 부재〕
(도전성 시트)
도전성 부재(72)로서 이용되는 도전성 시트는, 예를 들면 구리박 등, 도전성을 갖는 금속 재료로 형성되는 시트상물이다. 도전성 시트의 재료는, 구리, 알루미늄, 금 및 은 등이 적합하게 예시된다.
또, 도전성 시트의 형상에도 특별히 한정은 없지만, 상술한 바와 같이, 장척 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 도전성 시트의 크기에도 특별히 한정은 없고, 충전 부재(70)를 덮을 수 있는 크기이면 된다.
(도전체)
상술한 바와 같이, 도전성 부재(72)는, 도전체와, 도전체에 접속되는 도전성 와이어 또는 도전성 시트를 갖는 구성이어도 된다.
도전체의 재료는, 구리, 알루미늄, 금, 은, 및, 놋쇠 등이 적합하게 예시된다.
또, 도전체의 형상 및 크기에도 특별히 한정은 없고, 충전 부재(70)에 접속되어, 도전성 시트 또는 도전성 와이어와 접속할 수 있는 형상 및 크기이면 된다.
(도전성 와이어)
구리, 알루미늄, 금 및 은 등의 도전성의 재료로 이루어지는 와이어이다.
도전성 와이어의 직경 및 길이에는 특별히 한정은 없고, 도전체에 접속되어, 전기적인 접속을 확실히 할 수 있는 것이면 된다.
〔고정 부재 및 제2 고정 부재〕
고정 부재 및 제2 고정 부재로서는, 도전성 부재와 보호층을 고정할 수 있으면, 각종 접착 재료, 점착 재료, 양면 테이프, 점착 테이프가 이용 가능하다.
상술한 바와 같이, 고정 부재 및 제2 고정 부재는, 도전성 부재와 보호층의 사이에 마련되는, 이른바 접착층이어도 되고, 도전성 부재 위로부터 보호층에 고정되는, 이른바 점착 시트여도 된다.
이하, 도 14~도 19를 참조하여, 압전 소자(10)의 제조 방법의 일례를 설명한다.
먼저, 도 14에 나타내는 바와 같이, 하부 보호층(28) 위에 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 구리박막 등을 형성하여 제작하면 된다.
하부 보호층(28)이 매우 얇고, 핸들링성이 나쁠 때 등은, 필요에 따라, 세퍼레이터(가지지체) 부착 하부 보호층(28)을 이용해도 된다. 또한, 세퍼레이터로서는, 두께 25μm~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, 매트릭스의 재료가 되는 고분자 재료를 용해하고, 또한, PZT 입자 등의 압전체 입자(36)를 첨가하며, 교반하고 분산하여 이루어지는 도료를 조제한다.
상기 물질 이외의 유기 용매로서는 제한은 없고 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 15에 나타내는 바와 같이, 하부 보호층(28) 위에 하부 전극(24)을 갖고, 하부 전극(24) 위에 압전층(20)을 형성하여 이루어지는 적층체(10b)를 제작한다. 또한, 하부 전극(24)이란, 압전층(20)을 도포할 때의 기재(基材) 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.
상술한 바와 같이, 압전 소자(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.
하부 보호층(28) 위에 하부 전극(24)을 갖고, 하부 전극(24) 위에 압전층(20)을 형성하여 이루어지는 적층체(10b)를 제작하면, 바람직하게는, 압전층(20)의 분극 처리(폴링)를 행한다.
압전층(20)의 분극 처리의 방법에는, 제한은 없고, 공지의 방법이 이용 가능하다.
또한, 이 분극 처리 전에, 압전층(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 압전층(20)의 분극 처리를 행하는 한편, 상부 보호층(30) 위에 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 구리박막 등을 형성하여, 제작하면 된다.
이어서, 도 16에 나타내는 바와 같이, 상부 전극(26)을 압전층(20)을 향하게 하여, 시트상물(10c)을, 압전층(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 열압착한다.
이상의 공정에 의하여, 압전층(20)의 양면에 전극층 및 보호층이 적층된 적층체가 제작된다. 제작된 적층체는, 각종 용도에 맞추어, 원하는 형상으로 재단되어도 된다.
이와 같은 적층체는, 컷시트상의 시트상물을 이용하여 제조를 행해도 되고, 롤·투·롤(Roll to Roll 이하, R to R이라고도 한다)에 의하여 제작되어도 된다.
다음으로, 이 적층체의 보호층에 구멍부를 마련하여, 구멍부에 충전 부재를 형성하고, 충전 부재 위에 도전성 부재를 설치한다.
구체적으로는, 먼저, 도 17에 나타내는 바와 같이, 상부 보호층(30)에 구멍부(31)를 형성한다.
구멍부(31)의 형성은, 레이저 가공(탄산 가스 레이저 등)에 의한 방법, 프레스 가공에 의하여 보호층에 깊이 방향으로 노치를 넣고(예를 들면, 보호층의 두께를 10μm, 전극층의 두께를 2μm로 했을 때, 보호층의 두께 방향으로 8~9.5μm까지 노치를 원형으로 넣고, 그 후 그 원형부를 박리함으로써 형성한다) 나서 보호층을 박리시키는 방법 등에 의하여 행하면 된다.
또, 가공 시에, 구멍부의 둘레 가장자리부에 열이나 바깥 방향으로의 외력을 가하는 것에 의한 보호층의 강제 변형을 행함으로써, 볼록부(32)를 형성해도 된다.
또한, 구멍부(31)의 가공 후, 혹은, 가공 전에, 구멍부(31)의 주위에 오목부(33)를, 레이저 가공 등에 의하여 형성해도 된다.
여기에서, 레이저 가공으로 구멍부(31)를 형성하는 경우, 레이저를 주사하여 원하는 개구 형상의 구멍부를 형성한다. 그때, 구멍부의 개구 형상이 원 형상이면, 레이저를, 중심으로부터 외측을 향하여, 혹은, 외측으로부터 중심을 향하여 나선상으로 주사할 수 있기 때문에, 레이저 가공에 따라 발생하는 열이 축적되기 어려워져 전극층의 강도의 저하를 억제할 수 있다.
구멍부를 복수 개 마련하는 경우에는, 구멍부의 합계 면적이 동일하다고 하면, 구멍부가 하나인 경우에 비하여, 구멍부를 복수 개 마련하는 경우의 쪽이, 레이저 가공에 따라 발생하는 열이 축적되기 어려워지기 때문에, 전극층의 강도의 저하를 억제할 수 있어 바람직하다.
또, 레이저 가공 시의 레이저의 주사선의 간격을 구멍부의 중심 측과 외측에서 상이한 것으로 해도 된다. 레이저의 주사선의 간격을 구멍부의 중심 측과 외측에서 상이한 것으로 함으로써, 상술한 바와 같이, 중앙부에 있어서의 보호층의 잔사량과 주변부에 있어서의 보호층의 잔사량을 조정할 수 있다.
또, 레이저의 주사선의 간격을 구멍부의 중심 측과 외측에서 상이한 것으로 하여 조정함으로써, 상술한, 전극층과 압전층의 사이에 발생하는 공극부의 크기를 작게 할 수 있다.
또, 레이저 가공 시에, 직경이 큰 구멍부를 보호층의 두께 방향의 도중까지 형성하고, 그 후, 남은 두께의 부분에, 직경이 작은 구멍부를 전극층까지 형성해도 된다. 이로써, 상술한 도 8과 같이 원상당 직경이 단계적으로 변화하고 있어, 전극층 측의 원상당 직경이 도전성 부재 측의 원상당 직경보다 작은 구성으로 할 수 있다.
보호층에 구멍부(31)를 마련한 후에는, 도 18에 나타내는 바와 같이, 구멍부(31)에 액체상의 도전성 재료(84)를 도포한다. 도포 시, 도전성 재료(84)가 구멍부(31)로부터 돌출되도록 도포한다.
도전성 재료(84)의 도포 방법으로서는, 실크 스크린 인쇄, 디스펜서에 의한 적하, 브러시에 의한 도포 등이 이용 가능하다.
도전성 재료(84)를 구멍부(31)에 도포한 후에는, 도 19에 나타내는 바와 같이, 도전성 부재(72)를 도전성 재료(84) 위에 재치한다. 즉, 도전성 부재(72)는, 도전성 재료(84)가 경화되기 전에 도전성 재료(84)를 덮도록 재치된다.
여기에서, 도 19에 나타내는 바와 같이, 도전성 부재(72)의 상부 보호층(30) 측의 면에는 고정 부재(74)가 접착되어 있으며, 도전성 부재(72)를 도전성 재료(84) 위에 재치함과 함께, 도전성 부재(72)를 상부 보호층(30)에 고정한다. 이로써, 도전성 재료(84)가 미경화의 상태에서 도전성 부재(72)의 위치가 어긋나는 것을 방지할 수 있다. 또, 도전성 재료(84) 위에 도전성 부재(72)를 덧씌움으로써 도전성 재료(84)가 구멍부(31) 위로부터 이동해 버리는 것을 방지할 수 있어, 구멍부(31) 내에 충전 부재(70)를 확실히 존재시킬 수 있다.
도전성 재료(84) 위에 도전성 부재(72)를 재치한 후에, 도전성 재료(84)를 경화시켜 충전 부재(70)를 형성한다.
도전성 재료(84)의 경화 방법은, 도전성 재료(84)에 따른 방법으로 행하면 된다. 예를 들면, 도전성 재료(84)의 경화 방법으로서는, 가열 건조 등을 들 수 있다.
이상의 공정에 의하여, 본 발명의 압전 소자가 제작된다.
이와 같은 압전 소자(10)는, 하부 전극(24) 및 상부 전극(26)에 전압을 인가하면, 인가한 전압에 따라 압전체 입자(36)가 분극 방향으로 신축한다. 그 결과, 압전 소자(10)(압전층(20))가 두께 방향으로 수축한다. 동시에, 푸아송비의 관계에서, 압전 소자(10)는, 면방향으로도 신축한다. 이 신축은, 0.01~0.1% 정도이다. 또한, 면내 방향에서는 전체 방향으로 등방적으로 신축하는 것은, 상술한 바와 같다.
상술한 바와 같이, 압전층(20)의 두께는, 바람직하게는 10~300μm 정도이다. 따라서, 두께 방향의 신축은, 최대여도 0.3μm 정도로 매우 작다.
이에 대하여, 압전 소자(10) 즉 압전층(20)은, 면방향으로는, 두께보다 훨씬 큰 사이즈를 갖는다. 따라서, 예를 들면, 압전 소자(10)의 길이가 20cm이면, 전압의 인가에 의하여, 최대로 0.2mm 정도, 압전 소자(10)는 신축한다.
또, 압전 소자(10)에 압력을 가하면, 압전체 입자(36)의 작용에 의하여, 전력을 발생한다.
이것을 이용함으로써, 압전 소자(10)는, 상술한 바와 같이, 스피커, 마이크로폰, 및, 감압 센서 등의 각종 용도에 이용 가능하다.
여기에서, PVDF 등의 고분자 재료로 이루어지는 일반적인 압전 소자는, 압전 특성에 면내 이방성을 갖고, 전압이 인가된 경우의 면방향의 신축량에 이방성이 있다.
이에 대하여, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 고분자 복합 압전체로 이루어지는 압전층은, 압전 특성에 면내 이방성이 없고, 면내 방향에서는 전체 방향으로 등방적으로 신축한다.
이와 같은 등방적으로 2차원적으로 신축하는 압전 소자(10)에 의하면, 일방향으로밖에 크게 신축하지 않는 PVDF 등의 일반적인 압전 소자를 적층한 경우에 비하여, 큰 힘으로 진동할 수 있어, 보다 크고, 또한, 아름다운 소리를 발생할 수 있다.
도 1에 나타내는 예에 있어서는, 압전 소자(10)를 1매 갖는 구성으로 했지만 이에 한정은 되지 않고,
본 발명의 압전 소자(10)를 복수 매, 적층한 구성으로 해도 된다. 또, 본 발명의 압전 소자(10)를 장척의 형상으로서, 길이 방향으로, 1회 이상, 바람직하게는 복수 회, 되접어 꺾음으로써, 압전 소자(10)를 복수 층, 적층한 구성으로 해도 된다.
이상, 본 발명의 압전 소자에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상술한 예에 한정은 되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에 있어서, 각종 개량이나 변경을 행해도 되는 것은, 물론이다.
스피커 및 마이크로폰 등의 음향 기기, 및, 감압 센서 등, 각종 용도에 적합하게 이용 가능하다.
10 압전 소자
10a, 10c 시트상물
10b 적층체
20 압전층
24 하부 전극
26 상부 전극
28 하부 보호층
30 상부 보호층
31 구멍부
32 볼록부
33 오목부
34 매트릭스
36 압전체 입자
70 충전 부재
71 돌출부
72 도전성 부재
72a, 72b 영역
73 되접어 꺾음부
74 고정 부재
76 울타리 부재
80 공극부
82 제2 고정 부재
84 도전성 부재
86 도전성 와이어
87 땜납
88 접착 부재
90 지주
92 도전체
94 기판
96 배선
98 프린트 배선 시트
100 진동판

Claims (20)

  1. 압전층, 상기 압전층의 양면에 형성되는 전극층, 및, 상기 전극층의, 상기 압전층 측의 면과는 반대 측의 면에 적층되는 보호층을 갖는 압전 소자로서,
    상기 보호층은, 표면으로부터 상기 전극층까지 관통하는 구멍부를 갖고,
    상기 구멍부 내로부터 상기 보호층의 표면의 일부에 형성되어, 상기 전극층에 전기적으로 접속되는, 도전성 재료로 이루어지는 충전 부재와,
    상기 충전 부재의 적어도 일부를 덮어, 상기 충전 부재에 전기적으로 접속되는 도전성 부재와,
    상기 도전성 부재를 고정하는 고정 부재를 갖는 압전 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전성 부재는, 도전성 시트인 압전 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전성 부재는, 상기 충전 부재와 접속되는 도전체와, 상기 도전체에 접속되는 도전성 와이어 또는 도전성 시트를 갖는 압전 소자.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정 부재는, 상기 도전성 부재를 상기 보호층에 고정하는 압전 소자.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층의, 상기 구멍부의 변 가장자리부에 형성되는 볼록부를 갖는 압전 소자.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍부는, 깊이 방향에 있어서, 원상당 직경이 단계적으로 변화하고 있어, 상기 전극층 측의 원상당 직경이 상기 도전성 부재 측의 원상당 직경보다 작은 압전 소자.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍부 내에 있는, 상기 전극층의 표면에 있어서의 탄소량이, 면방향의 중앙부에 있어서, 상기 중앙부 이외의 영역보다 적은 압전 소자.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍부 내에 있는, 상기 전극층의 표면에 있어서의 탄소량이, 면방향의 중앙부에 있어서, 상기 중앙부 이외의 영역보다 많은 압전 소자.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍부의 개구 형상은 원 형상인 압전 소자.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층은 복수의 상기 구멍부를 갖고,
    상기 복수의 구멍부 내에 각각 형성되는, 복수의 상기 충전 부재를 갖는 압전 소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 복수의 충전 부재가, 상기 보호층의 표면에 있어서 연결되어 있는 압전 소자.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층의 표면에, 상기 구멍부의 주위를 둘러싸는 울타리 부재를 갖고,
    상기 충전 부재는, 적어도 상기 울타리 부재 내에 형성되어 있는 압전 소자.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층의, 상기 구멍부의 주위에 형성되는 오목부를 갖는 압전 소자.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층의 두께는 3μm~100μm인 압전 소자.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극층의 두께는 0.05μm~10μm인 압전 소자.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍부의 위치에 있어서, 상기 전극층과 상기 압전층의 사이에 공극부를 갖고,
    상기 구멍부가 형성되어 있지 않은 위치에 있어서의 상기 압전층의 상기 전극층과의 계면의 평균 높이와, 상기 구멍부의 위치에 있어서의 상기 압전층의 상기 전극층과의 계면의 평균 높이의 차가, 25μm 이하인 압전 소자.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는, 장척 형상이고,
    상기 도전성 부재는, 길이 방향으로 되접어 꺾는 되접어 꺾음부를 가지며,
    상기 고정 부재는, 상기 되접어 꺾음부를 사이에 두고, 상기 도전성 부재와 상기 충전 부재의 접속 위치와는 반대 측의 영역에서, 상기 도전성 부재와 상기 보호층을 고정하는 압전 소자.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는, 장척 형상이고,
    상기 도전성 부재는, 길이 방향의 일방의 단부 측에서 상기 충전 부재와 접속되어 있으며,
    상기 고정 부재는, 상기 도전성 부재의 길이 방향에 있어서, 상기 도전성 부재와 상기 충전 부재의 접속 위치보다, 상기 일방의 단부로부터 먼 위치에 배치되어 있는 압전 소자.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 도전성 부재의, 상기 일방의 단부와 상기 고정 부재의 사이의 영역의 변 가장자리부 중 적어도 일부를 상기 보호층에 고정하는 제2 고정 부재를 갖는 압전 소자.
  20. 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압전층은, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 고분자 복합 압전체로 이루어지는 압전 소자.
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