KR20230133920A - 적층 압전 소자 - Google Patents

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KR20230133920A
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piezoelectric element
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film
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데츠 미요시
유스케 가가와
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후지필름 가부시키가이샤
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Abstract

양호한 압전 특성을 유지하면서, 발열을 억제할 수 있는 적층 압전 소자를 제공한다. 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 함유하는 고분자 복합 압전체를 갖는 압전체층, 및, 압전체층의 양면에 형성되는 전극층을 갖는 압전 필름을 복수 층, 적층한 적층 압전 소자로서, 압전 필름의, 주파수 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값을 1로 했을 때, 주파수 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값 XE20이, 0.6~1.5의 범위에 있다.

Description

적층 압전 소자
본 발명은, 적층 압전 소자에 관한 것이다.
액정 디스플레이 및 유기 EL 디스플레이 등, 디스플레이의 박형화에 대응하여, 이들 박형 디스플레이에 이용되는 스피커에도 경량화 및 박형화가 요구되고 있다. 또한, 가요성을 갖는 플렉시블 디스플레이에 있어서, 경량성 및 가요성을 저해하지 않고 플렉시블 디스플레이에 일체화되기 위하여, 가요성도 요구되고 있다. 이와 같은 경량 및 박형이며 가요성을 갖는 스피커로서, 인가 전압에 응답하여 신축되는 성질을 갖는 시트상의 압전 필름을 채용하는 것이 생각되고 있다.
또, 가요성을 갖는 진동판에, 가요성을 갖는 익사이터를 첩착함으로써, 가요성을 갖는 스피커로 하는 것도 생각되고 있다. 익사이터란, 각종 물품에 접촉하여 장착됨으로써, 물품을 진동시켜 소리를 내는 여기자(勵起子)이다.
이와 같은 가요성을 갖는 시트상의 압전 필름, 혹은, 익사이터로서, 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 복합 압전체를 이용하는 것이 제안되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료로 이루어지는 점탄성 매트릭스 중에 압전체 입자를 분산시켜 이루어지는 고분자 복합 압전체와, 고분자 복합 압전체의 양면에 형성된 박막 전극과, 박막 전극의 표면에 형성된 보호층을 갖는 압전 필름이 기재되어 있다.
일본 공개특허공보 2014-014063호
이와 같은 압전 필름은, 전극층이 과도하게 두꺼우면, 압전체층의 변형(진동)이 저해되어 출력이 저하된다. 그 때문에, 전극층은 매우 얇게 형성된다. 그러나, 본 발명자들의 검토에 의하면, 전극층을 얇게 하면, 발열량이 커진다는 문제가 있는 것을 알 수 있었다.
본 발명의 과제는, 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하는 것에 있고, 양호한 압전 특성을 유지하면서, 발열을 억제할 수 있는 적층 압전 소자를 제공하는 것에 있다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 이하의 구성을 갖는다.
[1] 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 함유하는 고분자 복합 압전체로 이루어지는 압전체층, 및, 압전체층의 양면에 형성되는 전극층을 갖는 압전 필름을, 복수 층, 적층한 적층 압전 소자로서,
압전 필름의, 주파수 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값을 1로 했을 때, 주파수 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값 XE20이, 0.6~1.5의 범위에 있는, 적층 압전 소자.
[2] 고분자 재료가 상온에서 점탄성을 갖는, [1]에 기재된 적층 압전 소자.
[3] XE20이, 0.8~1.3의 범위인, [1] 또는 [2]에 기재된 적층 압전 소자.
[4] 전극층의 두께가 1μm 이하인, [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 기재된 적층 압전 소자.
[5] 적어도 적층 압전 소자의 최외층에 적층되는 압전 필름은, 최외층 측의 전극층의 압전층과는 반대 측의 면에 적층되는 보호층을 갖고,
보호층은, 표면으로부터 전극층까지 관통하는 구멍부를 가지며,
구멍부 내에 배치되는 도전(導電) 부재와,
보호층의 구멍부의 표면에 배치되고, 도전 부재를 개재하여 전극층과 전기적으로 접속되는 도선(導線)을 갖는, [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 적층 압전 소자.
[6] 구멍부의 개구 면적을 A, 전극층의 두께를 t, 적층 압전 소자의 정전 용량을 F로 하면, F/(A×t)가 260μF/mm3 이하인, [5]에 기재된 적층 압전 소자.
이와 같은 본 발명에 의하면, 양호한 압전 특성을 유지하면서, 발열을 억제할 수 있는 적층 압전 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 적층 압전 소자의 예를 개념적으로 나타내는 도이다.
도 2는 압전 필름의 일례를 개념적으로 나타내는 도이다.
도 3은 주파수와 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR의 관계를 나타내는 그래프이다.
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 본 발명의 적층 압전 소자의 다른 예를 개념적으로 나타내는 도이다.
도 8은 주파수와 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 주파수와 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 주파수와 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 주파수와 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 주파수와 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 주파수와 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 주파수와 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 적층 압전 소자의 다른 일례를 개념적으로 나타내는 평면도이다.
도 16은 도 15의 측면도이다.
도 17은 도 16의 B-B선 단면의 부분 확대도이다.
도 18은 본 발명의 적층 압전 소자의 다른 일례의 부분 확대도이다.
도 19는 본 발명의 적층 압전 소자에 이용되는 압전 필름의 다른 일례의 부분 확대도이다.
도 20은 도 19의 C-C선 단면도이다.
이하, 본 발명의 적층 압전 소자에 대하여, 첨부한 도면에 나타나는 적합 실시형태를 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.
[적층 압전 소자]
본 발명의 적층 압전 소자는,
고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 함유하는 고분자 복합 압전체를 갖는 압전체층, 및, 압전체층의 양면에 형성되는 전극층을 갖는 압전 필름을, 복수 층, 적층한 적층 압전 소자로서,
압전 필름의, 주파수 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값을 1로 했을 때, 주파수 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값 XE20이, 0.6~1.5의 범위에 있는, 적층 압전 소자이다.
도 1에, 본 발명의 적층 압전 소자의 일례를 개념적으로 나타낸다.
도 1에 나타내는 적층 압전 소자(50)는, 압전체층(20)의 일방의 면에 제1 전극층(24)을 갖고, 타방의 면에 제2 전극층(26)을 갖는 압전 필름(10)을, 3매 적층하여, 인접하는 압전 필름을, 접착층(첩착층)(19)으로 첩착한 구성을 갖는다. 압전 필름(10)의 구성에 대해서는 이후에 상세하게 설명한다. 각 압전 필름(10)은 병렬로 전원에 접속되어 있다. 즉, 각 압전 필름(10)의 제1 전극층(24)이 배선에 의하여 전기적으로 접속되어 전원의 일방의 전극에 접속되고, 각 압전 필름(10)의 제2 전극층(26)이 배선에 의하여 전기적으로 접속되어 전원의 타방의 전극에 접속되어 있다.
또한, 도 1에 있어서는, 각 압전 필름(10)의 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)의 도시는 생략하고 있지만, 각 압전 필름(10)은 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)을 갖고 있어도 된다.
또한, 도 1에 나타내는 적층 압전 소자(50)는, 압전 필름(10)을, 3층, 적층한 것이지만, 본 발명은, 이에 제한은 되지 않는다. 즉, 본 발명의 적층 압전 소자는, 압전 필름을, 복수 층, 적층한 것이면, 압전 필름의 적층수는, 2층이어도 되고, 혹은, 4층 이상이어도 된다. 이 점에 관해서는, 후술하는 적층 압전 소자도, 동일하다.
또, 도 1에 나타내는 적층 압전 소자(50)는, 바람직한 양태로서, 압전체층(20)에 넣은 화살표로 나타내는 바와 같이, 인접하는 압전 필름(10)에 있어서의 분극 방향이 서로 역방향이 되도록 적층되어 있다. 또한, 본 발명의 적층 압전 소자(50)는, 이에 한정은 되지 않고, 인접하는 압전 필름(10)에 있어서의 분극 방향이 동일해도 된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 적층 압전 소자(50)는, 접착층(16)에 의하여 진동판(12)에 접착되어, 진동판(12)으로부터 소리를 발생시키기 위한, 익사이터로서 이용된다. 바꾸어 말하면, 진동판(12)과 압전 필름(10)은, 접착층(16)을 개재하여, 서로 접촉하여 고정되어 있으며, 압전 필름(10)은, 진동판(12)으로부터 소리를 발생시키기 위한, 익사이터로서 작용한다.
적층 압전 소자(50)는, 압전 필름(10)을, 복수 매, 적층한 것이다. 그 때문에, 1매마다의 압전 필름(10)의 강성이 낮고, 신축력은 작아도, 압전 필름(10)을 적층함으로써, 강성이 높아져, 적층 압전 소자(50)로서의 신축력은 커진다. 그 결과, 적층 압전 소자(50)는, 진동판(12)이 어느 정도의 강성을 갖는 것이더라도, 큰 힘으로 진동판(12)을 충분히 휘게 하고, 두께 방향으로 진동판(12)을 충분히 진동시켜, 진동판(12)으로부터 소리를 발생시킬 수 있다.
또, 압전체층(20)이 두꺼운 편이, 압전 필름의 신축력은 커지지만, 그만큼, 동일한 양, 신축시키는 데 필요한 구동 전압은 커진다. 여기에서, 후술하는 바와 같이, 압전 필름(10)에 있어서, 바람직한 압전체층(20)의 두께는, 최대여도 300μm 정도이므로, 개개의 압전 필름에 인가되는 전압이 작아도, 충분히, 압전 필름을 신축시키는 것이 가능하다.
각 압전 필름(10)의 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)에는, 압전 필름(10)을 신축시키는 구동 전압을 인가하는 전원이 접속된다.
전원에는, 제한은 없고, 직류 전원이어도 되며 교류 전원이어도 된다. 또, 구동 전압도, 각 압전 필름의 압전체층(20)의 두께 및 형성 재료 등에 따라, 각 압전 필름을 적정하게 구동할 수 있는 구동 전압을, 적절히, 설정하면 된다.
또, 도 1에 나타내는 바와 같이, 각 압전 필름의 분극 방향과, 전극층의 극성의 관계를 모든 압전 필름에서 동일해지도록, 전원에 접속되는 것이 바람직하다. 이로써, 각 압전 필름에 동위상의 전압을 인가할 수 있다. 즉, 압전 필름에 전압을 인가했을 때에, 모든 압전 필름의 신축의 거동이 동위상이 된다. 그 때문에, 각 압전 필름의 신축을 서로 강하게 할 수 있고, 압전 필름 전체로서의 변형(출력)을 크게 할 수 있다. 즉, 높은 압전 특성이 얻어진다.
또한, 본 발명에 있어서, 압전 필름의 분극 방향은, d33 미터 등으로 검출하면 된다.
또는, 상술했을 때의 코로나 폴링 처리의 처리 조건으로부터, 압전체층(20)의 분극 방향을 지견(知見)해도 된다.
〔압전 필름〕
도 2에, 압전 필름의 일례를 단면도에 의하여 개념적으로 나타낸다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 압전 필름(10)은, 압전성을 갖는 시트상물인 압전체층(20)과, 압전체층(20)의 일방의 면에 적층되는 제1 전극층(24)과, 제1 전극층(24)에 적층되는 제1 보호층(28)과, 압전체층(20)의 타방의 면에 적층되는 제2 전극층(26)과, 제2 전극층(26)에 적층되는 제2 보호층(30)을 갖는다.
압전체층(20)은, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스(34) 중에, 압전체 입자(36)를 함유하는 고분자 복합 압전체로 이루어지는 것이다. 또, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)은, 본 발명에 있어서의 전극층이다.
후술하겠지만, 압전 필름(10)(압전체층(20))은, 바람직한 양태로서, 두께 방향으로 분극되어 있다.
이와 같은 압전 필름(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 필름은, 이것 이외에도, 감압 센서 및 발전 소자 등에도 이용 가능하다.
혹은, 압전 필름은, 각종 물품에 접촉하여 장착됨으로써, 물품을 진동시켜 소리를 내는 여기자(익사이터)로서도 이용 가능하다.
압전 필름(10)에 있어서, 제2 전극층(26)과 제1 전극층(24)이 전극쌍을 형성한다. 즉, 압전 필름(10)은, 압전체층(20)의 양면을 전극쌍, 즉, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)으로 협지하고, 이 적층체를, 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)으로 협지하여 이루어지는 구성을 갖는다.
이와 같이, 압전 필름(10)에 있어서, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)으로 협지된 영역은, 인가된 전압에 따라 신축된다.
또한, 제1 전극층(24) 및 제1 보호층(28), 및, 제2 전극층(26) 및 제2 보호층(30)은, 압전체층(20)의 분극 방향에 따라 명칭을 붙이고 있는 것이다. 따라서, 제1 전극층(24)과 제2 전극층(26), 및, 제1 보호층(28)과 제2 보호층(30)은 기본적으로 동일한 구성을 갖는다.
또한, 압전 필름(10)은, 이들 층에 더하여, 예를 들면, 측면 등의 압전체층(20)이 노출되는 영역을 덮어, 쇼트 등을 방지하는 절연층 등을 갖고 있어도 된다.
이와 같은 압전 필름(10)은, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)에 전압을 인가하면, 인가한 전압에 따라 압전체 입자(36)가 분극 방향으로 신축된다. 그 결과, 압전 필름(10)(압전체층(20))이 두께 방향으로 수축된다. 동시에, 푸아송비의 관계에서, 압전 필름(10)은, 면내 방향으로도 신축된다. 이 신축은, 0.01~0.1% 정도이다. 또한, 면내 방향에서는 전체 방향으로 등방(等方)적으로 신축된다.
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, 면 방향으로는, 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 신축된다.
또, 압전 필름(10)에 압력을 가하면, 압전체 입자(36)의 작용에 의하여, 전력을 발생시킨다.
이것을 이용함으로써, 압전 필름(10)은, 상술한 바와 같이, 스피커, 마이크로폰, 및, 감압 센서 등의 각종 용도로 이용 가능하다.
여기에서, 본 발명에 있어서, 압전 필름(10)은, 주파수 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값을 1로 했을 때, 주파수 20kHz에 있어서의 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값 XE20이, 0.6~1.5의 범위에 있다.
이 점에 대하여 도 3을 이용하여 설명한다.
도 3은, 압전 필름(10)의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR의 주파수 특성을 개념적으로 나타내는 그래프이다.
유전체인 압전체층을 전극쌍으로 협지한 구성은, 콘덴서 등과 동일하게, 정전 용량과, 등가 직렬 인덕턴스와, 등가 직렬 저항이 직렬로 접속된 등가 회로로 나타난다. 여기에서, 본 발명의 압전 필름이 이용되는 가청(可聽) 영역(20Hz~20kHz)에서는, 등가 직렬 인덕턴스는 기여하지 않으므로, 압전 필름(10)은, 정전 용량(C)과 등가 직렬 저항 ESR이 직렬로 접속된 등가 회로로 표현할 수 있다.
이와 같은 등가 회로에 있어서, 정전 용량(C)에 의한 용량 리액턴스 Xc=1/(2π×f×C)는, 전원의 주파수 f에 반비례하기 때문에, 도 3에 나타내는 바와 같이, 주파수가 높아지면, 용량 리액턴스 Xc는 작아진다. 이 용량 리액턴스 Xc는, 압전체층을 구동할 때의 전압과 전류의 비이다.
한편, 등가 직렬 저항 ESR은, 저항 성분에 의한 발열에 대응하는 것이다. 등가 직렬 저항 ESR은, 압전체층의 저항 성분 및 전극층의 저항 성분 등에 기인한다. 압전체층으로부터의 발열은, 압전체층에 포함되는 압전체 입자가 도메인 모션을 일으켰을 때에 마찰열로서 나타나는 것으로 생각된다. 이와 같은 압전체층에 있어서, 전원의 주파수가 높아지면, 도메인 모션의 움직임이 주파수에 따라올 수 없게 되기 때문에, 도메인 모션에 의한 마찰열이 적어진다고 생각된다.
또, 전극층의 저항 성분은, 주파수에 따르지 않고 거의 일정하다. 그 때문에, 도 3에 나타내는 바와 같이, 등가 직렬 저항 ESR은, 주파수가 높아짐에 따라 낮아져, 어느 주파수 이후는 거의 일정해진다.
압전체층의 발열 억제의 관점에서는, 등가 직렬 저항 ESR을 작게 하면 된다.
여기에서, 일반적으로, 압전체에 있어서, 도메인 모션이 활발한 것일수록 압전 성능이 높아진다. 즉, 압전 성능이 높은 압전체는, 발열이 커지는 경향이 있다. 그 때문에, 압전 성능을 희생하지 않고, 압전체층으로부터의 발열을 억제하는 것은 곤란하다. 그 때문에, 압전체층의 기여가 큰 저주파 영역에 있어서는 등가 직렬 저항 ESR을 작게 하는 것은 어렵다.
한편, 주파수가 높은 영역(10kHz~20kHz)에서는, 압전체층의 기여는 상대적으로 작아져, 전극층 등의 저항 성분의 기여가 커진다.
그런데, 등가 직렬 저항 ESR은, 압전 필름의 사이즈 등으로 변한다. 한편, 용량 리액턴스 Xc도 압전 필름의 사이즈 등에 의존한다. 그 때문에, 등가 직렬 저항 ESR과 용량 리액턴스 Xc의 비의 값을 평가함으로써, 사이즈의 영향을 배제한 저항 성분을 평가할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 압전 필름의, 주파수 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값 XE1을 1로 했을 때, 주파수 20kHz에 있어서의 Xc를 ESR 나눈 값 XE20이, 0.6~1.5의 범위로 한다. 즉, 주파수 20kHz에 있어서의 값 XE20을, 주파수 1kHz에 있어서의 값 XE1에 가까운 값으로 함으로써, 주파수 20kHz에 있어서, 입력한 에너지 중, 압전 효과에 이용되는 에너지에 대한, 발열되는 에너지의 비를, 주파수 1kHz의 경우에 가까운 값으로 하는 것이다. 이로써, 양호한 압전 특성을 유지하면서, 발열을 억제할 수 있다.
오디오 대역 내에서 20kHz는 가장 흐르는 전류가 크기 때문에, XE20이 0.6 미만인 경우에는, 발열이 커져 최악, 열폭주한다는 문제가 발생한다.
한편, 값 XE20이 1.5 초과인 경우에는, 예를 들면, 전극층을 매우 두껍게 하면, 30kHz의 ESR은 내려가지만, 20kHz의 ESR은 거의 변화하지 않기 때문에, 실질적으로 오디오 대역 20kHz 이내에서의 혜택은 없다고 생각된다.
상기 관점에서, XE20은, 0.6~1.5의 범위에 있는 것이 바람직하고, 0.8~1.3의 범위에 있는 것이 보다 바람직하며, 1.0~1.1의 범위에 있는 것이 더 바람직하다.
용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR은, 예를 들면, Agilent사제 임피던스 애널라이저 4294A를 이용함으로써 주파수에 대한 변화를 측정할 수 있다.
XE20을 상기 범위로 하기 위해서는, 전극층의 저항을 저감시키는 것이 바람직하다. 전극층의 저항을 억제하는 방법으로서는, 예를 들면, 전극층의 두께를 두껍게 하는, 전류가 흐르는 경로 길이를 짧게 하거나, 전극층의 재료로서 체적 저항률이 낮은 재료를 이용하거나, 전극층의 막질을 제어하는, 등의 방법이 생각된다. 또, 본 발명의 적층 압전 소자와 같이, 압전 필름을 복수 적층하여 이용하는 경우에는, 복수의 압전 필름을 병렬로 접속함으로써도 압전 소자 전체에서의 저항을 저감시킬 수 있다. 또, 이들 방법을 복수 조합하여 XE20을 상기 범위로 해도 된다.
여기에서, 상술한 바와 같이, 전극층이 과도하게 두꺼우면, 압전체층의 변형(진동)이 저해되어 출력(압전 특성)이 저하된다. 그 때문에, 전극층은 압전 특성이 저하되지 않을 정도로 두껍게 하는 것이 바람직하지만, 두께의 조정만으로 XE20을 상기 범위로 하는 것은 어렵다. 또, 전류가 흐르는 경로 길이는, 전극과 전원으로부터의 배선의 접속 위치를 고안함으로써 조정할 수 있지만, 압전 필름의 크기에 따라서는 충분히 짧게 하는 것은 어렵고, 경로 길이의 조정만으로 XE20을 상기 범위로 하는 것은 어렵다.
따라서, 상술한 방법을 복수 조합하여 XE20을 상기 범위로 하는 것이 바람직하다.
<압전체층>
압전체층은, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 함유하는 고분자 복합 압전체로 이루어지는 층이며, 전압이 인가됨으로써 신축되는 압전 효과를 나타내는 층이다.
압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(20)은, 바람직한 양태로서, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료로 이루어지는 매트릭스(34) 중에, 압전체 입자(36)를 분산시켜 이루어지는 고분자 복합 압전체로 이루어지는 것이다. 또한, 본 명세서에 있어서, "상온"이란, 0~50℃ 정도의 온도 영역을 가리킨다.
여기에서, 고분자 복합 압전체(압전체층(20))는, 다음의 용건을 구비한 것인 것이 바람직하다.
(i) 가요성
예를 들면, 휴대용으로서 신문이나 잡지와 같이 서류 감각으로 느슨하게 휜 상태로 파지하는 경우, 끊임없이 외부로부터, 수Hz 이하의 비교적 느린, 큰 굽힘 변형을 받게 된다. 이때, 고분자 복합 압전체가 단단하면, 그만큼 큰 굽힘 응력이 발생하고, 고분자 매트릭스와 압전체 입자의 계면에서 균열이 발생하며, 결국에는 파괴로 이어질 우려가 있다. 따라서, 고분자 복합 압전체에는 적절한 부드러움이 요구된다. 또, 왜곡 에너지를 열로서 외부로 확산시킬 수 있으면 응력을 완화시킬 수 있다. 따라서, 고분자 복합 압전체의 손실 탄젠트가 적절히 클 것이 요구된다.
이상을 정리하면, 익사이터로서 이용하는 플렉시블한 고분자 복합 압전체는, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 단단하고, 수Hz 이하의 진동에 대해서는 부드럽게 거동할 것이 요구된다. 또, 고분자 복합 압전체의 손실 탄젠트는, 20kHz 이하의 모든 주파수의 진동에 대하여, 적절히 클 것이 요구된다.
또한, 첩부하는 상대재(진동판)의 강성(경도, 탄성, 스프링 상수)에 맞추어, 적층함으로써, 간편하게 스프링 상수를 조절할 수 있는 것이 바람직하고, 그때, 접착층은 얇으면 얇을수록, 에너지 효율을 높일 수 있다.
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 불리고, 매우 큰 완화 현상이 보여진다. 이 주분산이 일어나는 온도가 유리 전이점(Tg)이며, 가장 점탄성 완화 기구가 현저하게 나타난다.
고분자 복합 압전체(압전체층(20))에 있어서, 유리 전이점이 상온에 있는 고분자 재료, 바꾸어 말하면, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 매트릭스에 이용함으로써, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 단단하고, 수Hz 이하의 느린 진동에 대해서는 부드럽게 거동하는 고분자 복합 압전체가 실현된다. 특히, 이 거동이 적합하게 발현하는 등의 점에서, 주파수 1Hz에서의 유리 전이점이 상온, 즉, 0~50℃에 있는 고분자 재료를, 고분자 복합 압전체의 매트릭스에 이용하는 것이 바람직하다.
상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료로서는, 공지의 각종의 것이 이용 가능하다. 바람직하게는, 상온, 즉 0~50℃에 있어서, 동적 점탄성 시험에 의한 주파수 1Hz에 있어서의 손실 탄젠트 Tanδ의 극댓값이, 0.5 이상인 고분자 재료를 이용한다.
이로써, 고분자 복합 압전체가 외력에 의하여 천천히 구부러졌을 때에, 최대 굽힘 모멘트부에 있어서의 고분자 매트릭스와 압전체 입자의 계면의 응력 집중이 완화되어, 높은 가요성을 기대할 수 있다.
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, 고분자 복합 압전체가 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, 고분자 복합 압전체에 전압을 인가했을 때에, 고분자 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), 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 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 이용하는 매트릭스(34)는, 필요에 따라, 복수의 고분자 재료를 병용해도 된다.
즉, 매트릭스(34)에는, 유전 특성이나 기계 특성의 조절 등을 목적으로 하여, 사이아노에틸화 PVA 등의 점탄성 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, 압전체층(20)의 매트릭스(34)에 있어서, 사이아노에틸화 PVA 등의 상온에서 점탄성을 갖는 재료에 더하여 첨가되는 유전성 폴리머는, 1종에 한정은 되지 않고, 복수 종을 첨가해도 된다.
또, 매트릭스(34)에는, 유전성 폴리머 이외에도, 유리 전이점 Tg를 조절할 목적으로, 염화 바이닐 수지, 폴리에틸렌, 폴리스타이렌, 메타크릴 수지, 폴리뷰텐, 및, 아이소뷰틸렌 등의 열가소성 수지, 및, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 알키드 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)의 매트릭스(34)에 있어서, 사이아노에틸화 PVA 등의 점탄성을 갖는 고분자 재료 이외의 재료를 첨가할 때의 첨가량에는, 특별히 한정은 없지만, 매트릭스(34)에 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.
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.
이와 같은 압전체 입자(36)의 입경에는 제한은 없고, 압전 필름(10)의 사이즈, 및, 압전 필름(10)의 용도 등에 따라, 적절히, 선택하면 된다. 압전체 입자(36)의 입경은, 1~10μm가 바람직하다.
압전체 입자(36)의 입경을 이 범위로 함으로써, 압전 필름(10)이 높은 압전 특성과 플렉시빌리티를 양립시킬 수 있는 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
또한, 도 2에 있어서는, 압전체층(20) 중의 압전체 입자(36)는, 매트릭스(34) 중에, 균일하며 또한 규칙성을 갖고 분산되어 있지만, 본 발명은, 이에 제한은 되지 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 없고, 압전 필름(10)의 면 방향의 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 바람직하며, 따라서, 50~80%로 하는 것이, 더 바람직하다.
매트릭스(34)와 압전체 입자(36)의 양비를 상기 범위로 함으로써, 높은 압전 특성과 플렉시빌리티를 양립시킬 수 있는 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
이상의 압전 필름(10)은, 바람직한 양태로서, 압전체층(20)이, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 포함하는 점탄성 매트릭스 중에 압전체 입자를 분산시켜 이루어지는 고분자 복합 압전체층이다. 그러나, 본 발명은, 이에 제한은 되지 않고, 압전체층으로서는, 공지의 압전 소자에 이용되는, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 분산시켜 이루어지는 고분자 복합 압전체가 이용 가능하다.
압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(20)의 두께에는, 특별히 한정은 없고, 압전 필름(10)의 용도, 후술하는 압전 소자에 있어서의 압전 필름(10)의 적층수, 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.
<보호층>
압전 필름(10)에 있어서, 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)은, 제2 전극층(26) 및 제1 전극층(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 한편, 용도에 따라서는, 강성이나 기계적 강도가 부족한 경우가 있다. 압전 필름(10)은, 그것을 보완하기 위하여 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)이 마련된다.
제1 보호층(28) 및 제2 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.
제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)의 두께에도, 제한은 없다. 또, 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)의 두께는, 기본적으로 동일하지만, 상이해도 된다.
여기에서, 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)의 강성이 과도하게 높으면, 압전체층(20)의 신축을 구속할 뿐만 아니라, 가요성도 저해된다. 그 때문에, 기계적 강도나 시트상물로서의 양호한 핸들링성 등이 요구되는 경우를 제외하면, 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)은, 얇을수록 유리하다.
압전 필름(10)에 있어서는, 제1 보호층(28) 및 제2 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 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)이 PET로 이루어지는 경우, 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)의 두께는, 100μm 이하가 바람직하고, 50μm 이하가 보다 바람직하며, 25μm 이하가 더 바람직하다.
<전극층>
압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(20)과 제1 보호층(28)의 사이에는 제1 전극층(24)이, 압전체층(20)과 제2 보호층(30)의 사이에는 제2 전극층(26)이, 각각 형성된다. 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)은, 압전체층(20)(압전 필름(10))에 전압을 인가하기 위하여 마련된다.
본 발명에 있어서, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(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 등의 금속, 이들의 합금, 이들의 금속 및 합금의 적층체 및 복합체, 및, 산화 인듐 주석 등이 예시된다. 그중에서도, 상술한 XE20을 상기 범위로 하는 것이 용이한 등의 관점에서, 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 및, 산화 인듐 주석은, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)의 재료로서 적합하게 예시된다.
또, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)의 형성 방법에도 제한은 없고, 진공 증착, 이온 어시스트 증착, 및, 스퍼터링 등의 기상(氣相) 퇴적법(진공 성막법), 도금에 의한 성막, 혹은, 상기 재료로 형성된 박을 첩착하는 방법 등, 공지의 방법이, 각종, 이용 가능하다.
여기에서, 전극층의 재료로서 동일한 재료를 이용한 경우에서도, 전극층(금속막)의 막질에 의하여 저항이 변한다. 예를 들면, 막 중에 결정립계 및 보이드 등이 많으면, 저항이 커진다. 그 때문에, 전극층의 형성 방법, 및, 형성 조건을 제어하여, 전극층의 막질을 조정하는 것이 바람직하다.
막질이 양호한 저저항의 막을 형성할 수 있는 등의 이유에서, 형성 방법으로서는, 이온 어시스트 증착, 및, 스퍼터링이 바람직하다. 스퍼터 및 증착과 같은 기상 성막법으로 성장한 금속 박막은 일반적으로 기둥 형상 조직이 되지만, 그 전기 저항은 단위 면적당 결정립계 밀도로 정해지기 때문에, 가능한 한 하나하나가 굵은 결정립으로 이루어지는 기둥 형상 조직이 이상적이다. 예를 들면 스퍼터의 경우는, 기재 온도를 가능한 한 올려 표면 확산을 촉진함과 함께, 가스압을 가능한 한 내려 평균 자유 공정을 길게 하여 투영 효과를 억제함으로써, 공극이 적은 치밀하며 결정 입경이 큰 기둥 형상 조직으로 할 수 있다. 또한 이온 어시스트와 같은 고속 하전 입자를 기재에 주입함으로써 표면 확산을 촉진하는 것도 유효하다.
제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)의 두께에는, 제한은 없다. 또, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)의 두께는, 기본적으로 동일하지만, 상이해도 된다.
여기에서, 상술한 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)과 동일하게, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)의 강성이 과도하게 높으면, 압전체층(20)의 신축을 구속할 뿐만 아니라, 가요성도 저해된다. 그 때문에, 가요성 및 압전 특성의 관점에서는, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)은, 얇을수록 유리하다. 한편, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)이 과도하게 얇으면 전기 저항이 높아져 상술한 XE20의 범위를 충족시키는 것이 어려워진다.
이상의 관점에서, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)의 두께는, 3μm 이하가 바람직하고, 2μm 이하가 보다 바람직하며, 1μm 이하가 더 바람직하다. 또, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)의 두께는, 0.1μm 이상이 바람직하고, 0.2μm 이상이 보다 바람직하며, 0.3μm 이상이 더 바람직하다.
또, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)에는, 전원으로부터의 배선이 접속되지만, 전류가 흐르는 경로 길이를 짧게 하는 관점에서, 예를 들면, 압전 필름의 평면 형상이 직사각형상인 경우에는, 제1 전극층(24)과 배선의 접속 개소와, 제2 전극층(26)과 배선의 접속 개소를, 장변 측에 마련하는 것이 바람직하다. 또, 각 전극층과 배선을 복수 개소로 접속하는 것도 바람직하다.
상술한 바와 같이, 압전 필름(10)은, 바람직하게는, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 포함하는 매트릭스(34)에 압전체 입자(36)를 분산시켜 이루어지는 압전체층(20)을, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)으로 협지하고, 또한, 이 적층체를, 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)을 협지하여 이루어지는 구성을 갖는다.
이와 같은 압전 필름(10)은, 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 필름(10)이 외부로부터 수Hz 이하의 비교적 느린, 큰 굽힘 변형을 받았다고 해도, 왜곡 에너지를 효과적으로 열로서 외부로 확산시킬 수 있기 때문에, 고분자 매트릭스와 압전체 입자의 계면에서 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
압전 필름(10)은, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률(E')이, 0℃에 있어서 10~30GPa, 50℃에 있어서 1~10GPa인 것이 바람직하다.
이로써, 상온에서 압전 필름(10)이 저장 탄성률(E')에 큰 주파수 분산을 가질 수 있다. 즉, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 단단하고, 수Hz 이하의 진동에 대해서는 부드럽게 거동할 수 있다.
또, 압전 필름(10)은, 두께와 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률(E')의 곱이, 0℃에 있어서 1.0×106~2.0×106N/m, 50℃에 있어서 1.0×105~1.0×106N/m인 것이 바람직하다.
이로써, 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 탄젠트(Tanδ)가, 0.05 이상인 것이 바람직하다.
이로써, 압전 필름(10)을 이용한 스피커의 주파수 특성이 평활해져, 스피커의 곡률의 변화에 따라 최저 공진 주파수 f0이 변화했을 때의 음질의 변화량도 작게 할 수 있다.
이하, 도 4~도 6을 참조하여, 압전 필름(10)의 제조 방법의 일례를 설명한다.
먼저, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제1 보호층(28) 상에 제1 전극층(24)이 형성된 시트상물(10a)을 준비한다. 이 시트상물(10a)은, 제1 보호층(28)의 표면에, 진공 증착, 스퍼터링, 및, 도금 등에 의하여, 제1 전극층(24)으로서 구리 박막 등을 형성하여 제작하면 된다.
제1 보호층(28)이 매우 얇고, 핸들링성이 불량할 때 등은, 필요에 따라, 세퍼레이터(가(假)지지체) 부착된 제1 보호층(28)을 이용해도 된다. 또한, 세퍼레이터로서는, 두께 25μm~100μm의 PET 등을 이용할 수 있다. 세퍼레이터는, 제2 전극층(26) 및 제2 보호층(30)을 열압착한 후, 제1 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 분산시켜 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 5에 나타내는 바와 같이, 제1 보호층(28) 상에 제1 전극층(24)을 갖고, 제1 전극층(24) 상에 압전체층(20)을 형성하여 이루어지는 적층체(10b)를 제작한다. 또한, 제1 전극층(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.
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.
제1 보호층(28) 상에 제1 전극층(24)을 갖고, 제1 전극층(24) 상에 압전체층(20)을 형성하여 이루어지는 적층체(10b)를 제작하면, 바람직하게는, 압전체층(20)의 분극 처리(폴링)를 행한다.
압전체층(20)의 분극 처리의 방법에는, 제한은 없고, 공지의 방법이 이용 가능하다.
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, 제2 보호층(30) 상에 제2 전극층(26)이 형성된 시트상물(10c)을, 준비한다. 이 시트상물(10c)은, 제2 보호층(30)의 표면에, 진공 증착, 스퍼터링, 도금 등에 의하여 제2 전극층(26)으로서 구리 박막 등을 형성하여, 제작하면 된다.
이어서, 도 6에 나타내는 바와 같이, 제2 전극층(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, 제2 보호층(30)과 제1 보호층(28)을 협지하도록 하여, 가열 프레스 장치나 가열 롤러쌍 등으로 열압착한 후, 원하는 형상으로 재단하여 압전 필름(10)을 제작한다.
또한, 여기까지의 공정은, 시트상이 아니어도, 웨브상, 즉 시트가 길게 연결된 상태에서 권취된 것을 이용하여 반송하면서 행하는 것도 가능하다. 적층체(10b)와 시트상물(10c)이 함께, 웨브상으로, 상술한 바와 같이 열압착하는 것도 가능하다. 그 경우, 압전 필름(10)은 이 시점에서는 웨브상으로 제작된다.
나아가서는, 적층체(10b)와 시트상물(10c)을 첩합할 때에, 특수한 접착제층을 마련해도 된다. 예를 들면, 시트상물(10c)의 제2 전극층(26)의 면에 접착제층을 마련해도 된다. 가장 적합한 접착제층은 매트릭스(34)와 동일한 소재이다. 동일한 소재를 제2 전극층(26)의 면에 도포하여, 첩합하는 것도 가능하다.
[적층 압전 소자의 다른 양태]
여기에서, 도 1에 나타내는 예에 있어서는, 적층 압전 소자(50)는, 복수 매의 압전 필름(10)을 적층한 구성(이하, 매엽형의 적층 압전 소자라고도 한다)으로 했지만, 본 발명의 적층 압전 소자는, 이에 제한은 되지 않고, 각종 구성이 이용 가능하다.
도 7에, 그 일례를 나타낸다. 또한, 도 7에 나타내는 적층 압전 소자(56)는, 상술한 적층 압전 소자(50)와 동일한 부재를, 복수, 이용하므로, 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 설명은, 상이한 부위를 주로 행한다.
도 7에 나타내는 적층 압전 소자(56)는, 장척(長尺)인 압전 필름(10L)을, 길이 방향으로, 1회 이상, 바람직하게는 복수 회, 되접어 꺾음으로써, 압전 필름을 층상으로 복수 층, 적층한 것이다. 또, 상술한 도 1에 나타내는 적층 압전 소자(50)와 동일하게, 도 7에 나타나는 압전 소자(56)도, 바람직한 양태로서, 되접어 꺾음에 의하여 적층된 압전 필름을, 접착층(19)에 의하여 첩착하고 있다.
두께 방향으로 분극된 장척인 1매의 압전 필름(10L)을, 되접어 꺾어 적층함으로써, 적층 방향으로 인접(대면)하는 부분의 압전 필름의 분극 방향은, 도 7 중에 화살표로 나타내는 바와 같이, 역방향이 된다.
또한, 도 7에 있어서는, 압전 필름(10L)의 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)의 도시는 생략하고 있지만, 압전 필름(10L)은 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)을 갖고 있어도 된다.
이 구성에 의하면, 1매의 장척인 압전 필름(10L)만으로 적층 압전 소자(56)를 구성할 수 있고, 또, 구동 전압을 인가하기 위한 전원 PS가 1개로 완료되며, 또한, 압전 필름(10L)으로부터의 전극의 인출도, 1개소여도 된다.
그 때문에, 도 7에 나타내는 적층 압전 소자(56)에 의하면, 부품 개수를 저감시키고, 또한, 구성을 간략화하여, 압전 소자(모듈)로서의 신뢰성을 향상시키며, 또한, 코스트 다운을 도모할 수 있다.
그러나, 이와 같은 1매의 장척인 압전 필름(10L)을 되접어 꺾은 구조(이하, 벨로스형의 압전 소자라고도 한다)는, 전류가 흐르는 경로 길이가 길어지기 쉽고, 또, 매엽형의 적층 압전 소자와 같이, 복수의 압전 필름을 병렬로 접속할 수 없기 때문에, 상술한 XE20의 범위를 충족시키는 관점에서는, 매엽형의 적층 압전 소자가 바람직하다.
도 7에 나타내는 압전 소자(56)과 같이, 장척인 압전 필름(10L)을 되접어 꺾은 압전 소자(56)에서는, 압전 필름(10L)의 되접어 꺾음부에, 압전 필름(10L)에 맞닿아 심봉(芯棒)(58)을 삽입하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 압전 필름(10L)의 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)은, 금속의 증착막 등으로 형성된다. 금속의 증착막은, 예각으로 절곡되면, 금(크랙) 등이 생기기 쉽고, 전극이 단선되어 버릴 가능성이 있다. 즉, 도 7에 나타내는 압전 소자(56)에서는, 굴곡부의 내측에 있어서, 전극에 금 등이 생기기 쉽다.
이에 대하여, 장척인 압전 필름(10L)을 되접어 꺾은 압전 소자(56)에 있어서, 압전 필름(10L)의 되접어 꺾음부에 심봉(58)을 삽입함으로써, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)이 절곡되는 것을 방지하여, 단선이 발생하는 것을 적합하게 방지할 수 있다.
<접착층>
압전 필름(10)끼리를 첩착하는 접착층(19), 및, 적층 압전 소자(50)와 진동판(12)을 첩착하는 접착층(16)에는, 제한은 없고, 공지의 각종 점착제 및 접착제가 이용 가능하다.
접착층은, 부재끼리를 첩착 가능하면, 공지의 것이, 각종, 이용 가능하다.
따라서, 접착층은, 첩합할 때에는 유동성을 갖고, 그 후, 고체가 되는, 접착제로 이루어지는 층이어도 되며, 첩합할 때에 젤상(고무상)의 부드러운 고체이고, 그 후도 젤상의 상태가 변화하지 않는, 점착제로 이루어지는 층이어도 되며, 접착제와 점착제의 양방의 특징을 가진 재료로 이루어지는 층이어도 된다.
여기에서, 본 발명의 적층 압전 소자(50)는, 적층한 복수 매의 압전 필름(10)을 신축시킴으로써, 예를 들면, 진동판(12)을 진동시켜, 소리를 발생시킨다. 따라서, 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, 압전 필름(10)의 구동 효율이 저하되어 버린다.
이 점을 고려하면, 접착층은, 점착제로 이루어지는 점착제층보다, 고체이며 단단한 접착층이 얻어지는, 접착제로 이루어지는 접착제층인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 접착층으로서는, 구체적으로는, 폴리에스터계 접착제 및 스타이렌·뷰타다이엔 고무(SBR)계 접착제 등의 열가소 타입의 접착제로 이루어지는 첩착층이 적합하게 예시된다.
접착은, 점착과는 달리, 높은 접착 온도를 구할 때에 유용하다. 또, 열가소 타입의 접착제는 "비교적 저온, 단시간, 및, 강접착"을 겸비하고 있어, 적합하다.
접착층의 두께에는 제한은 없고, 접착층의 형성 재료에 따라, 충분한 첩착력(접착력, 점착력)을 발현할 수 있는 두께를, 적절히, 설정하면 된다.
여기에서, 본 발명의 적층 압전 소자(50)는, 접착층이 얇은 편이, 압전체층(20)의 신축 에너지(진동 에너지)의 전달 효과를 높게 하여, 에너지 효율을 높게 할 수 있다. 또, 접착층이 두껍고 강성이 높으면, 압전 필름의 신축을 구속할 가능성도 있다. 또, 도 1에 나타내는 바와 같이 인접하는 압전 필름(10)의 분극 방향을 반대로 하여 적층하는 구성의 경우에는, 인접하는 압전 필름(10)끼리가 쇼트될 우려가 없으므로, 접착층을 얇게 할 수 있다.
이 점을 고려하면, 접착층은, 압전체층(20)보다 얇은 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 적층 압전 소자(50)에 있어서, 접착층은, 단단하고, 얇은 것이 바람직하다.
구체적으로는, 접착층의 두께는, 첩착 후의 두께로 0.1~50μm가 바람직하고, 0.1~30μm가 보다 바람직하며, 0.1~10μm가 더 바람직하다.
본 발명의 적층 압전 소자(50)에 있어서는, 접착층의 스프링 상수가 높으면, 압전 필름(10)의 신축을 구속할 가능성이 있다. 따라서, 접착층의 스프링 상수는 압전 필름(10)의 스프링 상수와 동등하거나, 그 이하인 것이 바람직하다. 또한, 스프링 상수는, "두께×영률"이다.
구체적으로는, 접착층의 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, 접착층의 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 내부 손실이, 점착제로 이루어지는 접착층의 경우에는 25℃에 있어서 1.0 이하, 접착제로 이루어지는 접착층의 경우에는 25℃에 있어서 0.1 이하인 것이 바람직하다.
<진동판>
진동판(12)으로서는, 제한은 없고, 각종 물품이 이용 가능하다.
진동판(12)으로서는, 일례로서, 수지제의 판 및 유리판 등의 판재, 간판 등의 광고 고지 매체, 테이블, 화이트 보드 및 투영용 스크린 등의 오피스 기기 및 가구, 유기 일렉트로 루미네선스(OLED(Organic Light Emitting Diode)) 디스플레이 및 액정 디스플레이 등의 표시 디바이스, 콘솔, A 필러, 천장 및 범퍼 등 자동차 등의 차량의 부재, 및, 주택의 벽 등의 건축재 등이 예시된다.
본 발명의 적층 압전 소자(50)를 첩착하는 진동판(12)은, 가요성을 갖는 것이 바람직하고, 권취 가능한 것이 보다 바람직하다.
가요성을 갖는 진동판(12)으로서는, 플렉시블 디스플레이 패널 등의 가요성을 갖는 패널상의 표시 디바이스가, 특히 적합하게 예시된다. 또, 표시 디바이스도, 권취 가능한 것이, 보다 바람직하다.
여기에서, 진동판(12)이 권취되었을 때에, 적층 압전 소자(50)가 진동판(12)으로부터 박리되는 경우가 없도록, 진동판(12)의 권취의 곡률에 따라, 적층 압전 소자(50)도 진동판(12)과 함께 구부러지는 것인 것이 바람직하다. 또한, 압전 필름(10)은, 적합한 가요성을 가지므로, 본 발명의 적층 압전 소자(50)도, 기본적으로, 양호한 가요성을 발현한다.
이때에 있어서, 진동판(12)의 귄취의 곡률은, 기본적으로 특정 곡률이지만, 진동판(12)의 권취의 곡률은, 가변이어도 된다.
본 발명에 있어서, 표시 디바이스를 진동판(12)으로 할 때에는, 적층 압전 소자(50)는, 표시 디바이스의 배면 측, 즉, 표시 디바이스의 비화상 표시면 측에 첩착되는 것이 바람직하다.
이때에 있어서, 접착층(16)의 면 방향의 사이즈는, 적층 압전 소자(50)의 평면 형상의 사이즈와 동일 사이즈, 혹은, 그 이하의 사이즈인 것이 바람직하다.
또한, 진동판(12)으로서 표시 디바이스를 이용할 때에는, 플렉시블 디스플레이 패널 등의 표시 디바이스 자체를 진동판(12)으로 해도 되고, 혹은, 표시 디바이스에 마련되는 판상의 부재 또는 표시 디바이스에 결합하는 판상의 부재를 진동판(12)으로 해도 된다.
진동판(12)이 귄취 가능한 경우에는, 진동판(12)을 권취하고 있지 않은 상태에서 압전 필름(10)에 구동 전류가 통전되며, 진동판(12)이 권취되었을 때에는, 압전 필름(10)은 통전되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
또, 진동판(12)이, 표시 디바이스와 같이 전기 구동하는 것인 경우에는, 진동판(12)을 권취하지 않은 상태에서 압전 필름(10) 및/또는 진동판(12)에 구동 전류가 통전되며, 진동판(12)이 권취된 때에는, 압전 필름(10) 및/또는 진동판(12)에는 통전되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이들의 통전 및 비통전을 전환하는 방법은, 공지의 방법이, 각종, 이용 가능하다.
여기에서, 넓은 주파수 대역으로 음압을 높게 하는 관점에서, 적층 압전 소자의 평면 형상은, 직사각형상(장방 형상)이 바람직하다(도 15 참조). 또, 적층 압전 소자의 평면 형상을 직사각형상으로 하는 경우에는, 단변의 길이 W1을 변경하지 않고, 장변의 길이 W2를 보다 길게 함으로써, 동일한 인가 전압으로 음압을 보다 높게 할 수 있다. 그 때문에, 동일한 음압을 얻기 위한 전압을 보다 낮게 할 수 있어, 발열량을 억제할 수 있다.
도 15에 직사각형상의 적층 압전 소자의 일례의 평면도를 나타낸다. 도 16에 도 15를 단변 측에서 본 측면도를 나타낸다. 도 16에 있어서 접착층 및 전극의 인출부의 도시는 생략되어 있다. 도 15 및 도 16에 나타내는 예는, 장척인 압전 필름(10L)을 복수 회, 되접어 꺾어 적층체로 한 예이다. 도 15 및 도 16에 나타내는 예는, 복수 회 되접어 꺾은 방향이 단변 방향이 된다.
또한, 도 15 및 도 16에 나타내는 예에서는, 되접어 꺾어 적층되는 영역의 단변의 길이가 동일하게 되도록 되접어 꺾여 있지만, 최표면의 층만, 단부(端部)가, 적층 부분으로부터 돌출되는 돌출부(60)를 갖도록 형성되어 있다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 돌출부(60)의 장변 방향의 양단부 근방 각각에 전극의 인출부(62, 64)가 마련되어 있다.
이와 같이 적층 압전 소자의 평면 형상을 직사각형상으로 하여, 단변의 길이 W1을 변경하지 않고, 장변의 길이 W2를 보다 길게 함으로써, 발열량을 억제하는 구성을 상술한 본 발명의 적층 압전 소자와 조합해도 된다.
음압 레벨을 유지하면서 발열량을 억제하는 관점에서, 단변의 길이 W1에 대한, 장변의 길이 W2의 비는, 3~30이 바람직하고, 3~20이 보다 바람직하며, 3~10이 더 바람직하다.
여기에서, 직사각형상의 적층 압전 소자에 있어서, 단변의 길이가 동일하며 장변의 길이가 상이한 적층 압전 소자는, 장변이 보다 긴 압전 필름의 적층체를 제작해 두고, 그 후, 필요에 따라 절단함으로써, 제조 프로세스를 보다 간략화할 수 있다. 예를 들면, 장변 46cm×단변 3cm의 압전 필름의 적층체를 제작해 두고, 일방의 단변으로부터 20cm의 위치에서 절단함으로써, 장변 20cm×단변 3cm의 적층 압전 소자와, 장변 26cm×단변 3cm의 적층 압전 소자를 제작할 수 있다.
도 16에 나타내는 바와 같이, 장척인 압전 필름(10L)을 복수 회, 되접어 꺾어 적층체로 하여, 지면(紙面)에 평행하게 절단한 경우의, B-B선 단면의 일부를 확대한 도를, 도 17에 나타낸다.
압전 필름(10L)을 적층한 후에, 절단한 경우에는, 도 17에 나타내는 바와 같이, 압전 필름(10L)의 각층의 단변 측의 단부는, 동일한 방향으로 변형된다. 도시예에 있어서는, 각층의 단부는, 하방향으로 변형되어 있다. 이와 같이, 각층의 절단된 단부는 동일한 방향으로 변형되기 때문에, 각층 간의 전극층이 접촉하여 단락(短絡)이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또, 각층 간에는 접착층(19)을 갖기 때문에, 접착층이 절연체가 되어, 각층 간의 전극층이 접촉하여 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는, 장척인 압전 필름(10L)을 절단한 후에, 절단한 압전 필름(10L)을 복수 회, 되접어 꺾어 적층해도 된다. 이 경우는, 도 18에 나타내는 바와 같이, 압전 필름(10L)의 각층의 단변 측의 단부는, 인접하는 층과 역방향으로 변형된 것이 된다. 압전 필름(10L)을 복수 회, 되접어 꺾어 적층한 구성에서는, 인접하는 층의 대면하는 전극층은 연결되어 있는 것이기 때문에, 접촉해도 문제 없고, 극성이 상이한 전극층과는 접촉하기 어렵기 때문에, 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 있어서, 압전 필름의 전극층과 배선의 접속 방법으로서는 특별히 한정은 없고, 각종 공지의 방법으로 접속하는 것이 가능하다. 예를 들면, 전극층 및 보호층이 압전체층의 면 방향 외부에, 볼록 형상으로 돌출되는 부위를 마련하여, 이 돌출부의 전극층에 배선을 접속해도 된다. 혹은, 도 19 및 도 20에 나타내는 예와 같이, 보호층(도 20에서는, 제2 보호층(30))의 일부를 제거하여 구멍부(70)을 형성하고, 이 구멍부(70)에 은 페이스트 등의 도전 부재(72)를 배치하여 도전 부재(72)와 전극층(도 20에서는, 제2 전극층(26))을 전기적으로 도통시키며, 이 도전 부재(72)를 개재하여 전극층(제2 전극층(26))에 배선(도선(74a))을 접속해도 된다.
적층 압전 소자가 매엽형인 경우에는, 적어도 적층 압전 소자의 최외층에 배치되는 압전 필름의, 최외층 측의 전극층 상에 보호층이 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 매엽형의 적층 압전 소자의 모든 압전 필름이 보호층을 갖고 있어도 된다.
여기에서, 본 발명의 적층 압전 소자에 있어서, 적어도 하나의 압전 필름에 있어서, 보호층이 표면으로부터 전극층까지 관통하는 구멍부를 갖고, 구멍부 내에 도전 부재가 배치(충전)되며, 도선(배선)이 도전 부재를 개재하여 전극층과 전기적으로 접속되는 구성의 경우에는, 구멍부의 개구 면적을 A, 전극층의 두께를 t, 적층 압전 소자의 정전 용량을 C로 하면, C/(A×t)가 260μF/mm3 이하인 것이 바람직하다.
보호층에 구멍부를 마련하여, 구멍부에 도전 부재를 배치하고 도전 부재를 개재하여 도선과 전극층을 접속하는 구성의 경우에는, 적층 압전 소자에 인가된 전류는 모두 도전 부재를 흐르기 때문에, 전류 집중에 의하여 도전 부재 및 전극층의 도전 부재에 접하는 부분(이하, 전극 접점부, 라고도 한다)이 발열되기 쉬워진다. 그 때문에, 적층 압전 소자를 연속 구동했을 때 등에, 적층 압전 소자의 온도가 높아져 버린다는 문제가 발생할 우려가 있다.
이에 대하여, C/(A×t)를 260μF/mm3 이하로 함으로써, 즉, 적층 압전 소자의 정전 용량을 낮게 하는, 및/또는, 전극 접점부에 있어서의 전극층의 체적을 늘림으로써, 전극 접점부에서의 전류 밀도를 낮출 수 있고, 전극 접점부에서의 국소적인 발열을 억제할 수 있다.
발열 억제의 관점에서, C/(A×t)는, 260μF/mm3 이하가 보다 바람직하고, 150μF/mm3 이하가 더 바람직하다. 한편, 생산성의 관점에서, C/(A×t)는, 50μF/mm3 이상이 바람직하다.
여기에서, 적층 압전 소자의 정전 용량(C)은, 적층 압전 소자를 구성하는 압전 필름의 각 전극층으로부터 인출된 배선의 사이에서, LCR 미터(예를 들면, 엔에프 가이로 셋케이 블록사제 ZM2372) 등을 이용하여 측정하면 된다. 측정에 있어서는, 측정 주파수 1kHz, 전압 5V로 실시했다.
또한, 적층 압전 소자가 매엽형인 경우에는, 각 압전 필름의 2개의 전극층을 각각 동일한 극성의 전극층끼리를 접속한 상태에서, 즉, 복수의 압전 필름을 병렬로 접속한 상태에서, 적층 압전 소자로서의 정전 용량(C)을 측정하면 된다.
또한, 압전 필름의 정전 용량(C)은, 압전체층의 두께, 압전체층의 면적, 압전체층의 비유전율에 따라 정해진다. 따라서, 이들을 조정함으로써, 압전 필름의 정전 용량(C)을 조정할 수 있다.
또, 구멍부의 개구 면적 A(평면시(平面視)에 있어서의 면적)는, 도선을 제거하여 노출시킨 보호층의 구멍부를 CNC 화상 측정기(주식회사 미쓰토요사제 Quick Vision 등)로, 측정할 수 있다. 구멍부의 윤곽이 보이지 않는 경우는, 도전 부재를 제거해도 된다. 이때, 보호층에 손상을 부여하지 않는 방식을 선택할 필요가 있다.
C/(A×t)를 작게 하는 관점에서는, 구멍부의 개구 면적 A는 큰 것이 바람직하다. 한편, 구멍부의 개구 면적 A가 과도하게 크면, 생산성의 면에서 불리하다.
또, 구멍부의 개구부의 형상(평면시에 있어서의 형상)은 한정은 없고, 원 형상, 타원 형상, 직사각형상, 다각 형상, 부정(不定) 형상 등의 다양한 형상으로 할 수 있다. 형성의 용이성 등의 관점에서 원 형상이 바람직하다.
구멍부의 형성 방법에는 제한은 없고, 보호층의 형성 재료에 따라, 공지의 방법으로 행하면 된다. 구멍부의 형성 방법으로서는, 일례로서, 레이저 가공, 용제를 이용한 용해 제거, 및, 기계 연마 등의 기계적인 가공 등의 방법이 예시된다.
전극층의 두께는, 울트라 마이크로톰(Leica제 UC6 등)을 이용하여 압전 필름을 절단한 후, 단면을 SEM(히타치 하이테크제 SU8220 등)을 이용하여 관찰함으로써 측정할 수 있다.
도전 부재로서는, 은 페이스트 등의 도전성 페이스트, 땜납, 도전포, 금속포 및 도전성 유레테인 폼 등을 이용할 수 있다.
도전성 페이스트로서는, 은, 구리, 금, 카본, 니켈, 땜납 등을 필러로 한 재료가 이용된다. 도전성 페이스트는, 디스펜서 등을 이용하여, 구멍부 내에 충전하면 된다. 도전성 페이스트는, 바람직하게는 구멍부를 채울 수 있도록, 충분한 양을 충전한다. 보다 바람직하게는, 도전성 페이스트를 구멍부로부터 융기하는 양, 충전하고, 혹은, 도전성 페이스트를 구멍부로부터 넘치는 양, 충전한다.
도전포는, 예를 들면, 수지제의 실의 표면을 도금 등에 의하여 금속막으로 코팅한 실로 짠 직포 혹은 부직포이다. 도전포로서는, 다양한 공지의 도전포를 이용할 수 있다. 예를 들면, 도전포로서는, PET로 이루어지는 실의 표면을 Cu 도금, 또는, Ni 도금한 도전포를 들 수 있다. 구체적으로는, 도전포로서, 세이렌 주식회사제 Sui-10-511M을 이용할 수 있다.
금속포는, 금속실로 짠 직포 혹은 부직포이다. 금속포로서는, 다양한 공지의 금속포를 이용할 수 있다. 일례로서, 금속포로서, 주식회사 오쿠다니 가나아미 세이사쿠쇼사제 평직 철망 Φ0.05×200m/s를 이용할 수 있다.
도전성 유레테인 폼은, 연질의 유레테인 폼에 카본 블랙 등의 도전성 입자를 담지시킨 것이다. 도전성 유레테인 폼으로서는, 다양한 공지의 도전성 유레테인 폼을 이용할 수 있다.
또, 도전 부재의 두께는, 보호층의 두께보다 두꺼워지는 것이 바람직하다. 이로써, 도전 부재와 도선을 확실히 접속할 수 있다.
도선으로서는, 도전성을 갖는 금속 재료로 형성되는 시트상의 물(物)(금속박) 혹은 와이어상의 물(금속선)을 이용할 수 있다. 도선의 재료는, 구리, 알루미늄, 니켈, 주석, 금 및 은 등이 적합하게 예시된다. 또, 도선으로서, FFC 케이블을 이용해도 된다.
도선의 형상 및 크기에는 특별히 한정은 없다. 도선의 형상 및 크기는, 도전 부재와 전기적으로 접속할 수 있고, 인출 전극으로서 이용 가능한 형상 및 크기이면 된다.
또, 도선과 도전 부재의 접속은, 공지의 방법으로 행하면 된다. 도전 부재가 도전성 페이스트인 경우에는, 도선과 도전성 페이스트를 접촉시킨 후에 도전성 페이스트를 경화시켜, 도선과 도전 부재를 접속해도 된다. 혹은, 도선과 도전 부재를 접촉시킨 상태에서, 접촉부의 적어도 일부를 덮어, 보호층 상에 첩착 테이프를 첩착함으로써, 도선과 도전 부재를 접속해도 된다. 혹은, 도선과 도전 부재를 접촉시킨 상태에서 도선과 보호층을 첩착함으로써 도선과 도전 부재의 접속을 고정해도 된다.
이상, 본 발명의 적층 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.
실시예
이하, 본 발명의 구체적 실시예를 들어, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이하의 실시예에 나타내는 재료, 사용량, 비율, 처리 내용, 처리 수순 등은, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한 적절히 변경할 수 있다.
[실시예 1]
두께 4μm의 PET 필름에, 두께 100nm의 구리 박막을 스퍼터링에 의하여 형성되어 이루어지는 시트상물 10a 및 10c를 준비했다. 즉, 본 예에 있어서는, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)은, 두께 100nm의 구리 박막이며, 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)은, 두께 4μm의 PET 필름이 된다.
구리 박막을 PET 필름 상에 스퍼터링 할 때의 가스압은 0.4Pa, 기재 온도(PET 필름의 온도)는 120℃로 했다. 하기 표 1의 전극층의 형성 방법의 란에 있어서, 실시예 1과 동일한 조건에서 스퍼터링을 행한 경우를 "스퍼터링 1"로 나타낸다.
또한, 프로세스 중, 양호한 핸들링성을 얻기 위하여, PET 필름에는 두께 50μm의 세퍼레이터(가지지체 PET) 부착된 것을 이용하며, 시트상물(10c)의 열압착 후에, 각 보호층의 세퍼레이터를 제거했다.
먼저, 하기의 조성비로, 사이아노에틸화 PVA(CR-V 신에쓰 가가쿠 고교사제)를 메틸에틸케톤(MEK)에 용해했다. 그 후, 이 용액에, PZT 입자를 하기의 조성비로 첨가하여, 프로펠러 믹서(회전수 2000rpm)로 분산시켜, 압전체층(20)을 형성하기 위한 도료를 조제했다.
·PZT 입자 300질량부
·사이아노에틸화 PVA 15질량부
·MEK 85질량부
또한, PZT 입자는, 시판 중인 PZT 원료분(粉)을 1000~1200℃에서 소결한 후, 이것을 평균 입경 5μm가 되도록 해쇄(解碎) 및 분급 처리한 것을 이용했다.
앞서 준비한 시트상물(10a)의 제1 전극층(24)(구리 박막) 상에, 슬라이드 코터를 이용하여, 앞서 조제한 압전체층(20)을 형성하기 위한 도료를 도포했다. 또한, 도료는, 건조 후의 도막의 막두께가 20μm가 되도록, 도포했다.
이어서, 시트상물(10a) 상에 도료를 도포한 물을, 120℃의 핫플레이트 상에서 가열 건조함으로써 MEK를 증발시켜, 적층체(10b)를 형성했다.
적층체(10b) 상에, 제2 전극층(26)(구리 박막 측) 측을 압전체층(20)을 향하게 하여 시트상물(10c)을 적층하고, 120℃로 열압착했다.
이로써, 제1 보호층(28), 제1 전극층(24), 압전체층(20), 제2 전극층(26) 및 제2 보호층(30)을 이 순서로 갖는 압전 필름(10)을 제작했다.
제작한 압전 필름을 평면시의 크기 200mm×190mm로 잘라내고, 길이 방향으로 4회 되접어 꺾어, 벨로스형의 압전 소자(56)를 제작했다. 되접어 꺾어 접하는 면끼리는, 열접착 시트(닛토 신코사제 FB-ML4)를 이용하여 첩합했다.
또, 되접어 꺾음 후의 압전 필름의 장변의 일단 측에서, 하기와 같이 하여 제1 전극층(24)과 배선을 접속하고, 타단 측에서 제2 전극층(26)과 배선을 접속했다.
제1 보호층 및 제2 보호층 각각에 레이저 가공기를 이용하여, 구멍부를 형성했다. 구멍부의 개구 형상은 원 형상으로 하고, 개구 면적은, 60mm2로 했다. 도전 부재로서는, Ni 필러를 함유하는 도전성 페이스트를 이용하고, 배선(도선)으로서 두께 35μm의 구리박을 이용했다. 도전성 페이스트를 디스펜서를 이용하여 구멍부에 충전한 후, 배선을 접촉시켜 도전성 페이스트를 건조하여 경화시켰다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 측정한 주파수와 저항값의 그래프를 도 8에 나타낸다. 도 8로부터, 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 148Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 12.2Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 12.1이었다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.29Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 0.77Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 10.8이었다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 0.89였다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 제1 전극층(24)에 접속되는 배선과, 제2 전극층(26)에 접속되는 배선의 사이에서의 정전 용량을, LCR 미터(예를 들면, 엔에프 가이로 셋케이 블록사제 ZM2372)를 이용하여 측정한 결과, 1.2μF이었다. 따라서, 정전 용량(C)을, 구멍부의 개구 면적 A 및 전극층의 두께 t로 나눈 C/(A×t)는, 200.0μF/mm3였다.
[실시예 2]
제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)(구리 박막)의 두께를 150nm로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 압전 필름을 제작했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 측정한 주파수와 저항값의 그래프를 도 9에 나타낸다. 도 9로부터, 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 149Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 12.3Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 12.1이었다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.32Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 0.58Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 14.3이었다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 1.18이었다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 133.3μF/mm3였다.
[실시예 3]
실시예 1에서 제작한 압전 필름(10)을 평면시의 크기 200mm×38mm로 5매 잘라내고, 잘라낸 5매의 압전 필름(10)을 적층하여, 매엽형의 압전 소자(50)를 제작했다. 인접하는 압전 필름(10)끼리는, 열접착 시트(닛토 신코사제 FB-ML4)를 이용하여 첩합했다.
또, 각 압전 필름(10)의 200mm의 변 각각의, 폭방향의 일방 측에서 제1 전극층(24)과 배선을 접속하고, 타방 측에서 제2 전극층(26)과 배선을 접속했다. 즉, 각 압전 필름(10)의 제1 전극층(24)과 배선, 및, 제2 전극층(26)과 배선을 각각 2개소에서 접속했다. 또, 각 압전 필름(10)은 병렬로 접속되도록 했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 측정한 주파수와 저항값의 그래프를 도 10에 나타낸다. 도 10으로부터, 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 150Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 12.1Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 12.1이었다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.37Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 0.70Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 12.0이었다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 0.99였다.
또, 제작한 적층 압전 소자에서의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 200.0μF/mm3였다.
[실시예 4]
구리 박막을 이온 어시스트 증착에 의하여 형성하고, 두께를 150nm로 한 것 이외에는, 실시예 3과 동일하게 하여 매엽형의 압전 소자(50)를 제작했다.
구리 박막을 PET 필름 상에 이온 어시스트 증착할 때의 이온총에는 TELEMARK사제 ST55(1500W, 7A, 225eV)를 사용했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 측정한 주파수와 저항값의 그래프를 도 11에 나타낸다. 도 11로부터, 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 148Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 12.1이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 12.2였다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.28Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 0.73Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 11.4였다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 0.93이었다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 133.3μF/mm3였다.
[실시예 5]
구멍부의 개구 면적 A를 40mm2로 한 것 이외에는, 실시예 2와 동일하게 하여 벨로스형의 압전 소자를 제작했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 147Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 12.9Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 11.4였다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.36Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 0.68Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 12.3이었다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 1.08이었다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 200.0μF/mm3였다.
[실시예 6]
제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)(구리 박막)의 두께를 300nm로 하여, 구멍부의 개구 면적 A를 20mm2로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 압전 필름을 제작했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 145Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 10.2Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 14.2였다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.44Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 0.49Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 17.2였다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 1.21이었다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 200.0μF/mm3였다.
[실시예 7]
구멍부의 개구 면적 A를 30mm2로 한 것 이외에는 실시예 6과 동일하게 하여 압전 필름을 제작했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 145Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 10.0Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 14.5였다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.43Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 0.44Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 19.2였다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 1.33이었다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 133.3μF/mm3였다.
[실시예 8]
구멍부의 개구 면적 A를 15mm2로 한 것 이외에는 실시예 6과 동일하게 하여 압전 필름을 제작했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 146Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 10.4Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 14.0이었다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.46Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 0.54Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 15.7이었다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 1.12였다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 266.6μF/mm3였다.
[비교예 1]
구리 박막을 진공 증착에 의하여 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 벨로스형의 압전 소자를 제작했다.
구리 박막을 PET 필름 상에 진공 증착할 때의 증착원은 저항 가열 방식으로 하고, 기재 온도는 50℃, 가스압은 5×10-3Pa로 했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 측정한 주파수와 저항값의 그래프를 도 12에 나타낸다. 도 12로부터, 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 151Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 11.8Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 12.8이었다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.33Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 1.25Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 6.7이었다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 0.52였다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 200.0μF/mm3였다.
[비교예 2]
구리 박막을 PET 필름 상에 스퍼터링할 때의 가스압을 1.2Pa, 기재 온도(PET 필름의 온도)를 60℃로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 벨로스형의 압전 소자를 제작했다. 하기 표 1의 전극층의 형성 방법의 란에 있어서, 비교예 2와 동일한 조건에서 스퍼터링을 행한 경우를 "스퍼터링 2"로 나타낸다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 측정한 주파수와 저항값의 그래프를 도 13에 나타낸다. 도 13으로부터, 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 152Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 11.6Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 13.1이었다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.34Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 1.15Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 7.25였다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 0.55였다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 200.0μF/mm3였다.
[비교예 3]
실시예 1에서 제작한 압전 필름을 평면시의 크기 200mm×380mm로 잘라내고, 길이 방향으로 9회 되접어 꺾어, 벨로스형의 압전 소자(56)를 제작했다. 되접어 꺾어 접하는 면끼리는, 열접착 시트(닛토 신코사제 FB-ML4)를 이용하여 첩합했다.
또, 되접어 꺾음 후의 압전 필름의 장변의 일단 측에서 제1 전극층(24)과 배선을 접속하고, 타단 측에서 제2 전극층(26)과 배선을 접속했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 측정한 주파수와 저항값의 그래프를 도 14에 나타낸다. 도 14로부터, 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 64.1Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 6.12Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 10.5였다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 3.66Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 1.05Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 3.49였다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 0.33이었다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 2.4μF이었다. C/(A×t)는, 400.0μF/mm3였다.
[비교예 4]
구멍부의 개구 면적 A를 20mm2로 한 것 이외에는, 비교예 2와 동일하게 하여 벨로스형의 압전 소자를 제작했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 150Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 13.5Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 11.1이었다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.31Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 1.41Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 5.9였다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 0.53이었다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 600.0μF/mm3였다.
[비교예 5]
제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)(구리 박막)의 두께를 300nm로 하여, 구멍부의 개구 면적 A를 8mm2로 한 것 이외에는, 비교예 2와 동일하게 하여 벨로스형의 압전 소자를 제작했다.
제작한 압전 소자의 용량 리액턴스 Xc 및 등가 직렬 저항 ESR을 상술한 방법으로 측정했다. 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 146Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 12.2Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비=Xc/ESR은 12.0이었다. 한편, 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc는 8.42Ω이며, 등가 직렬 저항 ESR은 1.22Ω이었다. 따라서, 용량 리액턴스 Xc와 등가 직렬 저항 ESR의 비 Xc/ESR은 6.90이었다. 1kHz에 있어서의 Xc/ESR을 1로 했을 때의 20kHz에 있어서의 Xc/ESR, 즉, XE20은, 0.58이었다.
또, 제작한 적층 압전 소자의 정전 용량은, 1.2μF이었다. C/(A×t)는, 500.0μF/mm3였다.
[평가]
제작한 적층 압전 소자를 연속 구동 시험(40Vrms)에 접속하고, 적층 압전 소자를 공중에 매달아, 1시간 연속 구동한 후의 적층 압전 소자의 도달 온도를 측정했다. 입력 신호는 SN2 신호로 했다. SN2 신호란, JEITA가 정한 노이즈 신호의 규격이며, 화이트 노이즈 신호의 고주파 성분이나 저주파 성분을 커팅한 노이즈 신호이다. 인가되는 전압의 주파수는, 20Hz~20kHz의 영역으로 했다. 또, 적층 압전 소자의 온도의 측정 개소는 최고 도달 온도를 나타낸 임의의 위치로 했다.
결과를 표 1에 나타낸다.
[표 1]
표 1로부터, 본 발명의 압전 소자는, 비교예에 비하여 도달 온도가 낮고, 발열을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 또, 실시예 1과 비교예 2의 대비로부터, 동일한 성막 방법이더라도 성막 조건에 의하여 막질이 변하며, 막질이 나쁘면 발열이 커지는 것을 알 수 있다. 또, 실시예 1과 비교예 3의 대비로부터, 전류가 흐르는 경로 길이가 길어지면 발열이 커지는 것을 알 수 있다.
또, 실시예 1과 실시예 3의 대비로부터, 압전 필름을 적층한 압전 소자로 하는 경우에는, 압전 필름을 병렬로 접속하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
또, 실시예 2와 실시예 5의 대비, 및, 실시예 6~8의 대비로부터, C/(A×t)가 작을수록 도달 온도가 낮고, 260.0μF/mm3 이하가 바람직한 것을 알 수 있다.
[참고예 1]
두께 5μm의 PET 필름에, 두께 300nm의 구리 박막을 진공 증착에 의하여 형성되어 이루어지는 시트상물 10a 및 10c를 준비했다. 구리 박막을 진공 증착할 때의 조건은 비교예 1과 동일하게 했다. 즉, 본 예에 있어서는, 제1 전극층(24) 및 제2 전극층(26)은, 두께 300nm의 구리 박막이며, 제1 보호층(28) 및 제2 보호층(30)은, 두께 5μm의 PET 필름이 된다.
이 시트상물 10a 및 10c를 이용하여, 실시예 1과 동일하게 하고, 두께 50μm의 압전체층(20)을 형성하여 장척인 압전 필름(10L)을 제작했다.
제작한 압전 필름을 평면시의 크기 150mm×200mm로 잘라내고, 150mm의 방향으로 4회 되접어 꺾어, 벨로스형의 적층 압전 소자를 제작했다. 즉, 적층 압전 소자의 단변을 30mm, 장변을 200mm로 했다. 또, 되접어 꺾어 접하는 면끼리는, 뷰타다이엔계의 점착제를 이용하여 첩합했다. 접착층의 두께는 30μm로 했다.
또, 되접어 꺾음 후의 적층 압전 소자의 장변의 일단 측에서 제1 전극층(24)과 배선을 접속하고, 타단 측에서 제2 전극층(26)과 배선을 접속했다.
[참고예 2 및 3]
장변의 길이를 260mm, 320mm로 한 것 이외에는 참고예 1과 동일하게 하여 적층 압전 소자를 제작했다.
[평가]
제작한 적층 압전 소자를 익사이터로서 진동판에 첩부하여 음압을 측정했다.
진동판으로서는, 두께 0.8mm, 세로 450mm×가로 500mm의 두랄루민판을 이용했다. 진동판의 가로 방향과 적층 압전 소자의 길이 방향을 일치시켜, 진동판의 대략 중앙에 적층 압전 소자를 첩착했다.
적층 압전 소자를 연속 구동 시험에 접속하고, 인가 전압 40Vrms으로 구동하여, 진동판의 중심으로부터 1m 떨어진 거리에 놓여진 마이크로폰으로 음압을 측정했다. 1kHz~20kHz의 각 주파수에서의 음압의 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
[표 2]
표 2로부터, 장변의 길이를 길게 함으로써, 주로 1kHz~15kHz의 음압을 빠짐없이 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
또, 인가 전압을 40Vrms으로 했을 때, 장변의 길이가 200mm인 적층 압전 소자의 온도는 약 40℃였다. 장변의 길이가 260mm인 적층 압전 소자로, 인가 전압을 조정하여, 장변의 길이가 200mm인 적층 압전 소자로 인가 전압 40Vrms의 경우와 동등한 음압이 되는 인가 전압을 구한 결과, 32Vrms이었다. 이때, 적층 압전 소자의 온도는, 약 33℃였다. 즉, 장변의 길이 200mm, 인가 전압 40Vrms와 동일한 음압을, 장변의 길이 260mm인 적층 압전 소자로 실현한 경우, 적층 압전 소자의 온도는 약 7℃ 내려갔다.
이상의 결과로부터, 적층 압전 소자의 장변의 길이를 길게 함으로써, 동일한 인가 전압으로 음압을 보다 높게 할 수 있고, 그 때문에, 동일한 음압을 얻기 위한 전압을 보다 낮게 할 수 있음으로써 발열을 보다 저감시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
이상의 결과로부터 본 발명의 효과는 명확하다.
10 압전 필름
10a, 10c 시트상물
10b 적층체
12 진동판
16, 19 접착층
20 압전체층
24 제1 전극층
26 제2 전극층
28 제1 보호층
30 제2 보호층
34 점탄성 매트릭스
36 압전체 입자
50, 56 압전 소자
58 심봉
60 돌출부
62, 64 전극 인출부
70 구멍부
72 도전 부재
74a, 74b 도선

Claims (6)

  1. 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 함유하는 고분자 복합 압전체로 이루어지는 압전체층, 및, 상기 압전체층의 양면에 형성되는 전극층을 갖는 압전 필름을, 복수 층, 적층한 적층 압전 소자로서,
    상기 압전 필름의, 주파수 1kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값을 1로 했을 때, 주파수 20kHz에 있어서의 용량 리액턴스 Xc를 등가 직렬 저항 ESR로 나눈 값 XE20이, 0.6~1.5의 범위에 있는, 적층 압전 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고분자 재료가 상온에서 점탄성을 갖는, 적층 압전 소자.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 XE20이, 0.8~1.3의 범위인, 적층 압전 소자.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극층의 두께가 1μm 이하인, 적층 압전 소자.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 상기 적층 압전 소자의 최외층에 적층되는 상기 압전 필름은, 최외층 측의 상기 전극층의 상기 압전층과는 반대 측의 면에 적층되는 보호층을 갖고,
    상기 보호층은, 표면으로부터 상기 전극층까지 관통하는 구멍부를 가지며,
    상기 구멍부 내에 배치되는 도전 부재와,
    상기 보호층의 상기 구멍부의 표면에 배치되고, 상기 도전 부재를 개재하여 상기 전극층과 전기적으로 접속되는 도선을 갖는, 적층 압전 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 구멍부의 개구 면적을 A, 상기 전극층의 두께를 t, 상기 적층 압전 소자의 정전 용량을 C로 하면, C/(A×t)가 260μF/mm3 이하인, 적층 압전 소자.
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