WO2009139237A1 - 圧電素子および音響機器 - Google Patents

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WO2009139237A1
WO2009139237A1 PCT/JP2009/057113 JP2009057113W WO2009139237A1 WO 2009139237 A1 WO2009139237 A1 WO 2009139237A1 JP 2009057113 W JP2009057113 W JP 2009057113W WO 2009139237 A1 WO2009139237 A1 WO 2009139237A1
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WO
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piezoelectric
sheet
sheets
piezoelectric element
degrees
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PCT/JP2009/057113
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佳郎 田實
正道 安藤
呉竹　悟志
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学校法人関西大学
株式会社村田製作所
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/005—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers using a piezoelectric polymer
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02—Microphones
    • H04R17/025—Microphones using a piezoelectric polymer
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
    • Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric element and an acoustic device, and in particular, a piezoelectric element including a piezoelectric sheet made of a polymer that exhibits piezoelectricity by stretching, such as polylactic acid, and the like. It relates to audio equipment.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 5-152638
  • Patent Document 1 describes that a piezoelectric sheet having a piezoelectric constant d 14 can be obtained by stretching a molded product of polylactic acid. That is, as shown in FIG. 16, in the piezoelectric sheet 11 made of polylactic acid, if electrodes are formed on the upper and lower surfaces in the drawing and stretched in the “3” axial direction, the normal direction of the electrode surface When an electric field is applied in the “1” axis direction, distortion occurs in the “4” axis direction, which is the rotation direction of the “1” axis.
  • Such a piezoelectric sheet made of polylactic acid has a unimorph or bimorph structure, whereby a piezoelectric element such as a piezoelectric vibrator used for a speaker or a microphone can be obtained.
  • a piezoelectric element such as a piezoelectric vibrator used for a speaker or a microphone
  • Patent Document 1 the construction method is simply described as “If the stretched molded product is a film, it is cut into an appropriate size to obtain a product. "(Paragraph [0018]), there is no specific description.
  • the stretched sheet has a problem that it is easy to tear along the stretching direction.
  • the ease of tearing is eased to some extent.
  • the film In order to maintain a large piezoelectricity, the film must be stretched substantially 4 to 6 times in one axial direction. Therefore, in the case of biaxial stretching in the X-axis direction and the Y-axis direction, the ratio of the stretching ratio in the Y-axis direction to the stretching ratio in the X-axis direction must be 1: 4 to 1: 6. Don't be. For example, if the film is stretched 2 times in the X-axis direction, the film must be stretched 8 times or more in the Y-axis direction.
  • Such a problem is not limited to a piezoelectric sheet made of polylactic acid, but is mainly made of a helical polymer whose main component is a chiral molecule, and is encountered in general piezoelectric sheets that exhibit piezoelectricity when stretched. Is.
  • an object of the present invention is to provide a piezoelectric element including a piezoelectric sheet and an acoustic device configured using the piezoelectric element, which can solve the above-described problems.
  • the present invention relates to a plurality of stacked piezoelectric sheets having a predetermined stretch axis and consisting of a helical polymer whose main component is a chiral molecule, and electrodes formed on both principal surfaces of each piezoelectric sheet.
  • at least one of the plurality of piezoelectric sheets has a direction of a drawing axis different from that of the other piezoelectric sheets. It is characterized by having.
  • the “stretching axis” is an axis oriented in the direction of stretching, but when stretched in a plurality of directions as in the case of biaxial stretching, It is an axis that faces the direction drawn at the maximum draw ratio.
  • the stretching axis of at least one of the plurality of piezoelectric sheets forms an angle of 90 degrees with respect to the stretching axes of the other piezoelectric sheets. Even if it deviates from the range, it is preferable to be as close to 90 degrees as possible.
  • the piezoelectric sheet is typically rectangular.
  • one side of the piezoelectric sheet preferably forms an angle larger than 0 degree and smaller than 90 degrees with respect to the stretching axis, and more preferably has an angle of 25 degrees or more and 65 degrees or less, Most preferably, the angle is 45 degrees.
  • the plurality of piezoelectric sheets include first and second piezoelectric sheets that are adjacent to each other with respect to the stacking direction and have different directions of stretching axes.
  • the first piezoelectric sheet and the second piezoelectric sheet are An insulating layer is formed.
  • the plurality of piezoelectric sheets are different from the first piezoelectric sheet in which the stretching axis is oriented in the first direction and the stretching axis is different from the first direction.
  • a second piezoelectric sheet oriented in a second direction, and the first and second intermediate laminates are configured by alternately laminating the first piezoelectric sheets and the second piezoelectric sheets.
  • the first and second intermediate laminates are laminated so that the first piezoelectric sheets or the second piezoelectric sheets are adjacent to each other.
  • the helical polymer constituting the piezoelectric sheet is preferably polylactic acid.
  • the electrode is preferably composed mainly of indium tin oxide, indium / zinc oxide, or zinc oxide.
  • the electrode is preferably composed mainly of polythiophene.
  • the present invention is also directed to an acoustic device including the above-described piezoelectric element according to the present invention.
  • At least one of the plurality of piezoelectric sheets is different in the direction of the stretching axis from the other piezoelectric sheets, so that the strength of a certain piezoelectric sheet in the direction in which it is easily torn is It will be reinforced by another piezoelectric sheet, and therefore the strength as a laminate of a plurality of piezoelectric sheets is increased.
  • the maximum strength can be obtained when the stretching axis of at least one piezoelectric sheet forms an angle of 90 degrees with respect to the stretching axes of the other piezoelectric sheets.
  • the piezoelectric sheet When the piezoelectric sheet has a rectangular shape and one side of the piezoelectric sheet has an angle larger than 0 degree and smaller than 90 degrees with respect to the stretching axis, an electric field is applied compared to the case where the angle is 0 degree or 90 degrees.
  • the time amplitude can be dramatically increased. More specifically, when one side of the piezoelectric sheet forms an angle of 25 degrees or more and 65 degrees or less with respect to the stretching axis, a larger amplitude can be obtained, and further, an angle of 45 degrees is formed. , Maximum amplitude can be obtained.
  • the plurality of piezoelectric sheets include first and second piezoelectric sheets that are adjacent to each other with respect to the stacking direction and have different directions of stretching axes, and an electrode and a second piezoelectric element that are formed on the main surface of the first piezoelectric sheet
  • an electrode and a second piezoelectric element that are formed on the main surface of the first piezoelectric sheet
  • a piezoelectric element can be configured by simply laminating two piezoelectric sheets such as sheets.
  • the first and second intermediate laminates are configured by alternately laminating the first piezoelectric sheets and the second piezoelectric sheets, and the first and second intermediate laminates are the first piezoelectric laminates.
  • polylactic acid When polylactic acid is used as the helical polymer constituting the piezoelectric sheet, a piezoelectric sheet having excellent transparency can be obtained.
  • Polylactic acid can realize stable piezoelectric characteristics and can provide a piezoelectric element at low cost. Furthermore, since polylactic acid is carbon neutral and biodegradable, it is preferable from the viewpoint of protecting the global environment.
  • the piezoelectric element can be transparent if the piezoelectric sheet is transparent.
  • the transparency of the polylactic acid is very high, so that the piezoelectric element can be made almost completely transparent.
  • the electrode contains polythiophene as a main component
  • polythiophene is a polymer and soft, so that deformation or vibration of the piezoelectric sheet can be substantially prevented.
  • the electrode which has polythiophene as a main component does not require a complicated and expensive process such as sputtering, and can be formed at a low cost through a simple process such as simple application.
  • a transparent speaker can be configured.
  • Such a speaker can also be placed on the surface of the display without obstructing viewing.
  • FIG. 1 shows a bimorph piezoelectric element 31 as a piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention, in which (a) is a plan view, (b) is a front view, and (c) is an enlarged view of a portion C of (b).
  • FIG. It is a top view which shows the deformation
  • FIG. 2 is a perspective view showing a deformation mode when an electric field is applied when one side of the bimorph piezoelectric element 31 shown in FIG. FIG.
  • FIG. 4 is a plan view for explaining a preferable method of cutting out the piezoelectric sheets 32 and 33 shown in FIG. 1 from the mother piezoelectric sheet 46.
  • mold piezoelectric element 51 comprised by aligning the extending
  • stretching axis directions differ is shown, (a) is a top view, (b) is an expanded sectional view. It is a figure which shows the relationship between the extending
  • FIG. 10 is a diagram showing FIG. 9 two-dimensionally. It is a figure corresponding to Drawing 1 (c) showing bimorph type piezoelectric element 71 by a 2nd embodiment of this invention. It is a front view which shows the speaker 91 comprised using the bimorph type piezoelectric element 31 shown in FIG.
  • FIG. 17 is a plan view showing a deformation mode at the time of applying an electric field of the piezoelectric sheet 11 shown in FIG.
  • FIG. 18 is an enlarged cross-sectional view showing a part of a bimorph piezoelectric element 15 having a structure in which two piezoelectric sheets 11 shown in FIG. 17 are bonded together. It is a perspective view which shows the deformation
  • FIG. 20 is a perspective view showing a deformation mode when an electric field is applied when one side of the bimorph piezoelectric element 15 shown in FIG. 19 is a fixed end 25.
  • FIG. 17 is a plan view of the piezoelectric sheet 11 having the piezoelectric constant d 14 shown in FIG. 16 cut out in a rectangular shape in a state where the direction of one side and the direction of the stretching axis 12 coincide with each other.
  • the voltage (not shown) on the main surface on the front side of the sheet of the piezoelectric sheet 12 shown in FIG. 17 is set to 0 V, for example, and the electrode (not shown) on the main surface on the back side of the page is set to 10 V, for example. Is applied, the piezoelectric sheet 12 is deformed so as to be in the state indicated by the solid line from the original state indicated by the broken line in FIG.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing a part of a bimorph piezoelectric element 15 formed by stacking two piezoelectric sheets as described above.
  • bimorph type piezoelectric element 15 has a structure in which two piezoelectric sheets 16 and 17 are bonded together, and electrode 18 is formed on the main surface facing outward of piezoelectric sheet 16.
  • the electrode 19 is formed between the piezoelectric sheets 16 and 17 on the main surface facing the inner side of the piezoelectric sheets 16 and 17, and the electrode 20 is formed on the main surface facing the outer side of the piezoelectric sheet 17.
  • the thickness of the electrodes 18 to 20 is actually much thinner than the thickness of the piezoelectric sheets 16 and 17, but is exaggerated in FIG.
  • the extending axes 21 and 22 of the two piezoelectric sheets 16 and 17 are directed in the same direction.
  • the bimorph piezoelectric element 15 shown in FIG. 18 is a reference example outside the scope of the present invention.
  • a relatively positive potential for example, 10 V
  • a relatively negative potential for example, 0 V
  • the electric field 23 applied to the piezoelectric sheet 16 and the piezoelectric element are applied.
  • the direction of the electric field 24 applied to the sheet 17 is opposite, and when viewed from a predetermined direction, one of the piezoelectric sheets 16 and 17 extends and the other behaves such that the other contracts.
  • deformation as shown in FIG. 19 is caused.
  • the bimorph piezoelectric element 15 causes deformation as shown in FIG. If an alternating voltage is applied as the electric fields 23 and 24, the bimorph piezoelectric element 15 vibrates.
  • this type of vibration is not preferable as bimorph vibration, and the amount of displacement is small. This is because the displacement amount is substantially zero at the center of the side of the bimorph piezoelectric element 15 facing the fixed end 25.
  • the configuration of the electrodes 18 to 20 is simple, but as described above, the extending axes 21 and 22 of the two piezoelectric sheets 16 and 17 are directed in the same direction. Therefore, there is a problem that it is easy to tear along this stretching axis.
  • FIG. 1 shows a bimorph type piezoelectric element 31 as a piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention, wherein (a) is a plan view, (b) is a front view, and (c) is a part (b). It is sectional drawing which expands and shows C.
  • the bimorph type piezoelectric element 31 has a structure in which two piezoelectric sheets 32 and 33 each made of polylactic acid are bonded together. As shown in FIG. 1C, an electrode 34 is formed on the main surface facing the outside of the piezoelectric sheet 32, and an electrode 35 is formed on the main surface facing the inside of the piezoelectric sheet 32. An electrode 36 is formed on the main surface facing the inner side of the piezoelectric sheet 33, and an electrode 37 is formed on the main surface facing the outer side of the piezoelectric sheet 33. In addition, the electrode 35 and the electrode 36 are joined to each other while being electrically insulated from each other through the insulating layer 38. The thickness of each of the electrodes 34 to 37 and the insulating layer 38 is actually much thinner than the thickness of the piezoelectric sheets 32 and 33, but is exaggerated in FIG.
  • the piezoelectric sheets 32 and 33 when the piezoelectric sheets 32 and 33 are made of polylactic acid, the piezoelectric sheets 32 and 33 can obtain stable piezoelectric characteristics and have excellent transparency. However, if such an advantage is not particularly desired, a helical polymer whose main component other than polylactic acid is a chiral molecule may be used as the material for the piezoelectric sheets 32 and 33.
  • a monomer having chirality a monomer having an enantiomer
  • a polymer having chirality a monomer having an enantiomer
  • L-form those having a mirror image relationship
  • D-form the other is called D-form.
  • L body is a helical polymer
  • D body is also a helical polymer, and the winding direction is reversed.
  • a polymer in which an L-form polymer and a D-form polymer are mixed has a relationship that cancels each other, and thus does not exhibit optical rotation or piezoelectricity.
  • L-type polylactic acid is synthesized from starch by the action of microorganisms. Therefore, the polylactic acid usually treated is L-type polylactic acid (PLLA: Poly-L-Lactic-Acid).
  • the electrodes 34 to 37 are preferably composed of indium tin oxide, indium / zinc oxide, or a material mainly composed of zinc oxide. Since such a material has transparency, if the piezoelectric sheets 32 and 33 are transparent, the bimorph piezoelectric element 31 can be transparent. In particular, when the piezoelectric sheets 32 and 33 are made of polylactic acid, high transparency can be obtained in the bimorph piezoelectric element 31.
  • the electrodes 34 to 37 are also preferably composed mainly of polythiophene. Since polythiophene is soft, deformation or vibration of the piezoelectric sheets 32 and 33 can be substantially prevented.
  • the electrodes 34 to 37 when an organic material is used, simple application can be applied, and when zinc oxide or the like is used, sputtering can be applied. When used, vapor deposition, sputtering, plating, thin film adhesion, and the like can be applied.
  • the insulating layer 38 is preferably made of a resin having transparency and flexibility.
  • a resin having transparency and flexibility for example, an epoxy resin, a silicone resin, a styrene / butadiene copolymer, or the like can be used. Even if the transparency of the resin constituting the insulating layer 38 is low, the insulating layer 38 is very thin, so that the insulating layer 38 can be provided with substantial transparency. Higher transparency is preferable.
  • the stretching axis 39 of the piezoelectric sheet 32 and the stretching axis 40 of the piezoelectric sheet 33 are shown.
  • These stretching axes 39 and 40 are axes oriented in the stretching direction applied to the piezoelectric sheets 32 and 33.
  • the stretching axes 39 and 40 are stretched in a plurality of directions as in the case of biaxial stretching. Is the axis that is oriented in the direction drawn at the maximum draw ratio.
  • the bimorph piezoelectric element 31 is characterized in that the direction of the stretching axis 39 of the piezoelectric sheet 32 and the direction of the stretching axis 40 of the piezoelectric sheet 33 are different from each other.
  • the stretching axis 39 of the piezoelectric sheet 32 forms an angle of 90 degrees with respect to the stretching axis 40 of the piezoelectric sheet 33.
  • the bimorph type piezoelectric element 31 can give the maximum strength with respect to the ease of tearing along the extending direction.
  • the stretched piezoelectric sheets 32 and 33 have birefringence. Therefore, when the light that has passed through the piezoelectric sheet 32 or 33 is decomposed into two linearly polarized lights that are orthogonal to each other, a phase difference is generated between the two linearly polarized lights. As a result, when an object is viewed through the piezoelectric sheet 32 or 33, the image may be blurred. However, when the piezoelectric sheets 32 and 33 are laminated so that the stretching axes 39 and 40 form an angle of 90 degrees with each other as in the bimorph piezoelectric element 31 according to this embodiment, the phase difference between the two linearly polarized lights The birefringence of the bimorph piezoelectric element 31 itself disappears. Therefore, when an object is viewed through the bimorph piezoelectric element 31, the image does not blur.
  • the piezoelectric sheets 32 and 33 have a rectangular shape, more specifically, a square shape, and one side of each of the piezoelectric sheets 32 and 33 forms an angle of 45 degrees with respect to each of the stretching axes 39 and 40. There is no. Therefore, the maximum amplitude can be obtained as will be described later in detail.
  • the piezoelectric sheet 32 When one of the piezoelectric sheets 32 and 33, for example, the piezoelectric sheet 32 is taken out and a voltage is applied so that the electrode 34 is set to 0 V and the electrode 35 is set to 10 V, for example, the deformation shown in FIG. Occurs. That is, the piezoelectric sheet 32 is deformed so as to change from the original state indicated by the broken line in FIG. 2 to the state indicated by the solid line. In short, it deforms so as to greatly expand and contract in the direction of ⁇ 45 degrees with respect to the stretching axis 39.
  • FIG. 3 and 4 show the state of deformation or vibration of the bimorph piezoelectric element 31.
  • the bimorph type piezoelectric element 31 is formed by laminating a piezoelectric sheet 32 that causes deformation as shown in FIG. 2 and a piezoelectric sheet 33 that causes similar deformation, and stretching axes 39 and 40 are orthogonal to each other. ing.
  • a relatively positive potential for example, 10V
  • a relatively negative potential for example, 0V
  • the electric field 41 applied to the piezoelectric sheet 32 and the electric field 42 applied to the piezoelectric sheet 33 are in the same direction.
  • the bimorph piezoelectric element 31 is deformed as shown in FIG. 3 when the four corner portions are fixed. In this state, if one side of the bimorph piezoelectric element 31 is fixed to the fixed end 43, the bimorph piezoelectric element 31 causes deformation as shown in FIG. If an alternating voltage is applied as the electric fields 41 and 42, the bimorph piezoelectric element 31 vibrates.
  • the bimorph piezoelectric element 31 can give a large amount of displacement. Further, as described above, since the stretching axes 39 and 40 of the two piezoelectric sheets 32 and 33 are oriented in different directions, the problem of being easily split along the stretching axis can be avoided.
  • FIG. 5 is a view for explaining a preferred method for cutting out the piezoelectric sheets 32 and 33 for the bimorph type piezoelectric element 31 from the mother piezoelectric sheet 46.
  • FIG. 5 shows a plan view of the mother piezoelectric sheet 46 having the extending shaft 47. From such a mother piezoelectric sheet 46, one piezoelectric sheet 32 is cut out with its long axis 48 oriented at 45 degrees with respect to the extending axis 47, and the other piezoelectric sheet 33 extends its long axis 49. It is cut out with the axis 47 directed to -45 degrees. If the piezoelectric sheet 32 and the piezoelectric sheet 33 cut out in this way are stacked so as to overlap each other, the stretching axis 39 of the piezoelectric sheet 32 and the stretching axis 40 of the piezoelectric sheet 33 are in a state of being orthogonal to each other. be able to.
  • each of the piezoelectric sheets 32 and 33 cut out from the mother piezoelectric sheet 46 is rectangular, not square, is to prevent the mistake of the direction in which the piezoelectric sheets 32 and 33 are stacked. . Therefore, in order to obtain a square bimorph type piezoelectric element 31 as shown in FIG. 1A, the piezoelectric sheets 32 and 33 may be bonded together and then cut into a square. Moreover, a bimorph piezoelectric element having an arbitrary shape other than a rectangle can be obtained depending on the cutting mode.
  • FIG. 6A and 6B show the bimorph type piezoelectric element 51 that is the subject of the above-described examination, in which FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is an enlarged sectional view.
  • the bimorph type piezoelectric element 51 has two PLLA sheets 52 and 53. Electrodes 54 and 55 are formed on each main surface of one PLLA sheet 52, and electrodes 56 and 57 are formed on each main surface of the other PLLA sheet 53, respectively. An insulating layer 58 is formed between the electrode 55 and the electrode 56.
  • the extending axes 59 and 60 of the two PLLA sheets 52 and 53 are directed in the same direction.
  • the bimorph piezoelectric element 51 shown in FIG. 6 is outside the scope of the present invention.
  • stretching axis 59 and the stretching axis 60 when it is not necessary to distinguish the stretching axis 59 and the stretching axis 60 that face in the same direction, they will be referred to as “stretching axis 59” as a representative.
  • FIG. 7 shows the displacement obtained by calculation.
  • the angle ⁇ is equal to the angle formed between one side of each of the PLLA sheets 52 and 53 and the stretching axis 59 because the normal line 62 extends in parallel with one side of each of the PLLA sheets 52 and 53.
  • the displacement shown in FIG. 7 is obtained by obtaining the displacement at the central portion of the side facing the fixed end 61 in the bimorph piezoelectric element 51.
  • the electrodes 54 to 57 have an alternating current of 30 V so that the electric field 63 applied to the PLLA sheet 52 and the electric field 64 applied to the PLLA sheet 53 are opposite to each other. A voltage was applied.
  • Each of the electrodes 54 to 57 was an ideal electrode, and the thickness was 0.
  • the maximum displacement is shown when the angle ⁇ formed by the normal 62 and the stretching axis 59 is 45 degrees. Further, when the angle ⁇ is in the range of 25 degrees to 65 degrees, about 90% or more of the maximum displacement is secured. Further, when the angle ⁇ is larger than 0 degree and smaller than 90 degrees, the displacement is drastically increased as compared with the case of 0 degree or 90 degrees.
  • FIG. 8 is a view corresponding to FIG. 6 showing the bimorph type piezoelectric element 51 which is the subject of the examination in the above-described case.
  • elements corresponding to those shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the stretching axis 59 of the first PLLA sheet 52 forms an angle of ⁇ 1 with respect to the normal line 62
  • the stretching axis 60 of the second PLLA sheet 53 has ⁇ 2 with respect to the normal line 62.
  • the first PLLA sheet 52 and the second PLLA sheet 53 are stacked so as to form an angle of.
  • FIG. 9 shows the result of calculating the relationship with displacement by static analysis of the finite element method.
  • FIG. 10 shows FIG. 9 two-dimensionally.
  • the darkest shaded area includes a point indicating the maximum displacement of the bimorph type piezoelectric element 51 and can secure about 90% or more of the maximum displacement.
  • the angle formed between the stretching axis 59 of the first sheet 52 and the stretching axis 60 of the second sheet 53 is 90 degrees. Therefore, the bimorph type piezoelectric element 51 has the maximum strength.
  • a region with a larger displacement may be used in FIG. 9 or FIG.
  • a piezoelectric sheet that realizes such maximum displacement is, for example, the mother piezoelectric sheet 46 shown in FIG. In the case of cutting out from, a relatively large amount of waste is generated, or it is impossible to cut out from a large area.
  • the amount of displacement of the bimorph piezoelectric element 51 is substantially proportional to the magnitude of the applied voltage. Therefore, if the displacement is about 90% or more with respect to the maximum displacement, the insufficient displacement can be dealt with by increasing the drive voltage. Usually, the drive voltage is increased in this way. This can be satisfactorily handled by the remaining power of the drive system power supply.
  • the second sheet 53 is stretched while the angle ⁇ 1 in the stretching axis direction of the first sheet 52 is in the range of about 25 degrees to about 65 degrees. It can be seen that the axial angle ⁇ 2 should be in the range of about ⁇ 65 degrees to about ⁇ 25 degrees.
  • the angle formed by the stretching axis 59 of the first sheet 52 and the stretching axis 60 of the second sheet 53 is 70 degrees. Even if it exists, sufficiently high intensity
  • the minimum value of ⁇ 1 ⁇ 2 is 66 degrees and the maximum value is 114 degrees.
  • the value can be reduced from 180 degrees. After all, it becomes the same value as 66 degrees.
  • 66 degrees is a sufficiently large value compared with 0 degree at which the strength is minimized, and it is considered that the angle can sufficiently avoid the problem that the PLLA sheets 52 and 53 are torn along the stretching axes 59 and 60.
  • the displacement of a piezoelectric sheet made of polylactic acid or the like increases as the electric field strength applied thereto increases.
  • the applied voltage may be increased.
  • the piezoelectric element is mounted on a mobile device or the like, it is difficult to obtain a high voltage. Therefore, since the electric field strength is proportional to the voltage and inversely proportional to the distance between the electrodes, if the piezoelectric sheet is made thinner, the electric field strength applied to the piezoelectric sheet becomes higher. However, if the piezoelectric sheet is made too thin, the distortion force of the piezoelectric sheet itself is lost to the strength of the electrode, and as a result, a desired distortion may not be obtained.
  • a bimorph causes displacement by superimposing an extending piezoelectric sheet and a contracting piezoelectric sheet, but there is only one boundary between an extending piezoelectric sheet and a contracting piezoelectric sheet in one bimorph. It is. Therefore, in order to increase the electric field strength applied to the piezoelectric sheet, the piezoelectric sheet portion is made up of a plurality of piezoelectric sheets in order to increase the distortion force of the piezoelectric sheet itself while reducing the thickness of the piezoelectric sheet. It is conceivable to have a laminated structure.
  • FIG. 11 is a view corresponding to FIG. 1 (c), showing a bimorph piezoelectric element 71 according to the second embodiment of the present invention, in which the above-described measures are taken.
  • a bimorph piezoelectric element 71 is oriented in a first piezoelectric sheet 73 having a stretching axis 72 oriented in a first direction, and in a second direction different from the first direction. And a second piezoelectric sheet 75 having a stretching axis 74. More specifically, the stretching axis 72 and the stretching axis 74 are orthogonal to each other.
  • the first and second intermediate laminates 76 and 77 are constituted by the piezoelectric sheets 73 and 75 described above. In any of the first and second intermediate laminates 76 and 77, the first piezoelectric sheet 73 is provided. And second piezoelectric sheets 75 are alternately laminated.
  • the first and second intermediate laminates 76 and 77 are laminated such that the first piezoelectric sheets 73 or the second piezoelectric sheets 75 are adjacent to each other. In the illustrated embodiment, the first and second intermediate laminates 76 and 77 are laminated such that the second piezoelectric sheets 75 are adjacent to each other.
  • electrodes 78 to 82 are respectively formed between the first and second piezoelectric sheets 73 and 75 and on the main surface facing outward.
  • the electrodes 78, 80 and 82 have the same potential, while the electrodes 79 and 81 have a potential different from that of the electrodes 78, 80 and 82 described above. Are at the same potential.
  • the piezoelectric sheets 73 and 75 in the first intermediate laminate 76 all perform the same expansion / contraction operation.
  • all the piezoelectric sheets 73 and 75 in the second intermediate laminate 77 also perform the same expansion / contraction operation.
  • the piezoelectric sheets 73 and 75 in the first intermediate laminate 76 and the piezoelectric sheets 73 and 75 in the second intermediate laminate 77 perform opposite stretching operations.
  • the bimorph type piezoelectric element 71 is bent as a whole with the electrode 80 as a boundary, and when an alternating voltage is applied, vibration occurs as a bimorph.
  • each of the first and second intermediate laminates 76 and 77 is composed of two piezoelectric sheets 73 and 75, but at least one of the piezoelectric sheets is three or more. May be configured. In the case of functioning as a bimorph, it is desirable that the piezoelectric sheets included in each of the first and second intermediate laminates have the same thickness and the same number of layers, but the thickness and the number of layers are not necessarily limited. There is no need to align. Also, one of the first and second intermediate laminates may be configured with only one piezoelectric sheet.
  • the bimorph piezoelectric element 31 according to the first embodiment described with reference to FIGS. 1 to 4 causes deformation as shown in FIG. 3, this is converted into a film made of a stretchable elastomer (for example, , Urethane film, silicone film) can function as a speaker.
  • a stretchable elastomer for example, , Urethane film, silicone film
  • FIG. 12 is a front view showing a speaker 91 configured using the bimorph piezoelectric element 31.
  • the bimorph piezoelectric element 31 is stuck on a stretchable film 92, and the film 92 is fixed to a frame-shaped fixing portion 93.
  • FIG. 13 shows the original state with a broken line and the deformed state with a solid line as in the case of FIG.
  • the speaker 91 shown in FIG. 12 can be configured to be transparent, and no components such as an exciter are required.
  • the entire surface can be made transparent. Therefore, for example, a speaker is directly placed on the display surface 96 of the portable game machine 95 shown in FIG. 14 or the display surface 99 of the mobile phone 95 shown in FIG. Can be possible. Similarly, it can be directly placed on the display surface of an electronic dictionary, electronic notebook, personal computer, television receiver or the like.
  • the piezoelectric sheet constituting the piezoelectric element is made of resin, and is not cracked by a normal impact. Therefore, it is advantageously applied to portable devices such as portable game machines and mobile phones.
  • the piezoelectric sheet made of resin can be bent, it can be applied to, for example, a paper display using an organic EL.
  • the speaker can be made transparent, and can be arranged directly on the display surface. Therefore, it is possible to improve the sound quality by increasing the area of the speaker.
  • the conventional built-in speaker can be eliminated, and as a result, the size of the device can be reduced, or a new functional component can be built in the portion from which the built-in speaker is removed, thereby enhancing the functionality of the device. Can be achieved.
  • the speaker made transparent by the present invention can be further advantageously applied to the following applications.
  • message cards such as luxury Christmas cards have become popular.
  • Such a message card can also be used as a speaker that also serves as a decoration.
  • a speaker is attached to the face of the advertisement on the wall, especially where the person is placed, and the advertising content is played as a voice as if the person is speaking, thereby attracting people's interest and improving the advertising effect. Can be bigger. In this case, it is more effective if it is combined with an infrared sensor or a Doppler sensor to call (stop) when a person approaches.
  • it can be formed directly on the surface of a pachinko machine or pachislot machine, and powerful sound can be produced by producing sound from the entire surface.
  • the present invention can be applied not only to bimorph type piezoelectric elements but also to other piezoelectric elements.

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Abstract

　たとえばポリ乳酸のように、延伸することにより圧電性を発現する圧電シートを備える圧電素子にあっては、圧電シートが延伸方向に沿って裂けやすいという問題がある。 　たとえばバイモルフ型圧電素子（３１）を構成しようとするとき、一方の圧電シート（３２）の延伸軸（３９）と他方の圧電シート（３３）の延伸軸（４０）とを互いに異なる方向に向けるようにする。好ましくは、一方の延伸軸（３９）と他方の延伸軸（４０）とを９０度で交差させる。

Description

圧電素子および音響機器
　この発明は、圧電素子および音響機器に関するもので、特に、たとえばポリ乳酸のように、延伸することにより圧電性を発現する高分子からなる圧電シートを備える圧電素子、およびそれを用いて構成される音響機器に関するものである。
　ポリ乳酸の成形物を延伸することによって、圧電定数ｄ14を持つ圧電シートが得られることが、たとえば特開平５－１５２６３８号公報（特許文献１）に記載されている。すなわち、図１６に示すように、ポリ乳酸からなる圧電シート１１において、図による上下面それぞれに電極が形成され、「３」軸方向に延伸が施されているとすると、電極面の法線方向である「１」軸方向に電界がかかると、「１」軸の回転方向である「４」軸方向に歪みが生じる。
　このようなポリ乳酸からなる圧電シートをユニモルフまたはバイモルフ構造とすることにより、スピーカやマイクロフォンなどに用いられる圧電振動子などの圧電素子を得ることができる。特許文献１には、このような用途については記載されているものの、その構成方法については、単に、「延伸された成形物がフィルムである場合には適当な大きさにカットされて製品となる。」（段落［００１８］）と記載されているのみで、具体的な記載はない。
　一方、延伸されたシートには、延伸方向に沿って裂けやすいという問題がある。この場合、２軸延伸を行なえば、裂けやすさはある程度緩和される。なお、大きな圧電性を保つためには、実質的に１軸方向に４～６倍に延伸された状態にしなければならない。そのため、Ｘ軸方向とＹ軸方向との２軸延伸する場合には、Ｘ軸方向での延伸の倍率に対するＹ軸方向での延伸の倍率の比を、１：４～１：６としなければならない。たとえば、Ｘ軸方向に２倍延伸をするならば、Ｙ軸方向に８倍以上の延伸を実施しなければならない。
　しかしながら、上述のような２軸延伸を行なったとしても、裂けやすさの問題は、ある程度緩和されるものの、依然として残る。特に、圧電シートがアクチュエータやスピーカなどに用いられる場合には、圧電シートに比較的大きな応力が常に発生するため、上記の裂けやすさの問題は深刻である。
　なお、このような問題は、ポリ乳酸からなる圧電シートに限らず、主成分がキラル分子を単位とする螺旋高分子からなるもので、延伸することによって圧電性を発現する圧電シート全般について遭遇するものである。
特開平５－１５２６３８号公報
　そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、圧電シートを備える圧電素子およびそれを用いて構成される音響機器を提供しようとすることである。
　この発明は、所定の延伸軸を有し、かつ主成分がキラル分子を単位とする螺旋高分子からなる、複数の積層された圧電シートと、各圧電シートの両主面上に形成された電極とを備える、圧電素子にまず向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、複数の圧電シートのうち、少なくとも１つの圧電シートは、他の圧電シートと延伸軸の方向が異なっていることを特徴としている。
　なお、「延伸軸」とは、１軸延伸の場合には、この延伸の方向に向く軸のことであるが、２軸延伸の場合のように、複数の方向に延伸された場合には、最大の延伸倍率で延伸された方向に向く軸のことである。
　この発明に係る圧電素子において、複数の圧電シートのうち、少なくとも１つの圧電シートの延伸軸は、他の圧電シートの延伸軸に対して９０度の角度をなしていることが最も好ましく、９０度から外れる場合であっても、できるだけ９０度に近い方が好ましい。
　上記圧電シートは、典型的には、矩形状である。この場合、圧電シートの一辺は、延伸軸に対して０度より大きくかつ９０度より小さい角度をなしていることが好ましく、２５度以上かつ６５度以下の角度をなしていることがより好ましく、４５度の角度をなしていることが最も好ましい。
　この発明に係る圧電素子において、第１の好ましい実施態様では、複数の圧電シートは、積層方向に関して互いに隣り合いかつ延伸軸の方向が互いに異なる第１および第２の圧電シートを含み、第１の圧電シートの主面上に形成される電極と第２の圧電シートの主面上に形成される電極とを互いに電気的に絶縁するため、第１の圧電シートと第２の圧電シートとの間に絶縁層が形成される。
　この発明に係る圧電素子において、第２の好ましい実施態様では、複数の圧電シートは、延伸軸が第１の方向に向けられた第１の圧電シートと、延伸軸が第１の方向とは異なる第２の方向に向けられた第２の圧電シートとを含み、第１および第２の中間積層体が、第１の圧電シートと第２の圧電シートとが交互に積層されることによって構成される。そして、第１および第２の中間積層体は、第１の圧電シート同士または第２の圧電シート同士が互いに隣り合うように積層される。
　圧電シートを構成する螺旋高分子は、好ましくは、ポリ乳酸である。
　また、電極は、酸化インジウム錫、酸化インジウム・酸化亜鉛、または酸化亜鉛を主成分とすることが好ましい。あるいは、電極はポリチオフェンを主成分とすることが好ましい。
　この発明は、また、上述したこの発明に係る圧電素子を備える、音響機器にも向けられる。
　この発明に係る圧電素子によれば、複数の圧電シートのうち、少なくとも１つの圧電シートは、他の圧電シートと延伸軸の方向が異なっているので、ある圧電シートの裂けやすい方向での強度は他の圧電シートによって補強されることになり、したがって、複数の圧電シートの積層体としての強度が高められる。特に、少なくとも１つの圧電シートの延伸軸が他の圧電シートの延伸軸に対して９０度の角度をなしていると、最大の強度を得ることができる。
　圧電シートが矩形状であり、圧電シートの一辺が延伸軸に対して０度より大きくかつ９０度より小さい角度をなしていると、当該角度が０度または９０度の場合に比べて、電界印加時の振幅を飛躍的に大きくすることができる。より限定的に、圧電シートの一辺が延伸軸に対して２５度以上かつ６５度以下の角度をなしていると、より大きな振幅を得ることができ、さらに、４５度の角度をなしていると、最大の振幅を得ることができる。
　複数の圧電シートが、積層方向に関して互いに隣り合いかつ延伸軸の方向が互いに異なる第１および第２の圧電シートを含み、第１の圧電シートの主面上に形成される電極と第２の圧電シートの主面上に形成される電極とを互いに電気的に絶縁するため、第１の圧電シートと第２の圧電シートとの間に絶縁層が形成されると、第１および第２の圧電シートといった単に２つの圧電シートを積層するだけで、圧電素子を構成することができる。
　複数の圧電シートとして、延伸軸が第１の方向に向けられた第１の圧電シートと、延伸軸が第１の方向とは異なる第２の方向に向けられた第２の圧電シートとを含み、第１および第２の中間積層体が、第１の圧電シートと第２の圧電シートとが交互に積層されることによって構成され、第１および第２の中間積層体が、第１の圧電シート同士または第２の圧電シート同士が互いに隣り合うように積層されると、印加される電圧を高めることなく、圧電シートの各々にかかる電界強度を高めることができ、その結果、圧電シートの各々自体の歪力を高め、かつ変位量を大きくすることができる。
　圧電シートを構成する螺旋高分子として、ポリ乳酸が用いられると、透明性に優れた圧電シートを得ることができる。また、ポリ乳酸によれば、安定した圧電特性を実現することができるとともに、安価に圧電素子を提供することができる。さらに、ポリ乳酸は、カーボンニュートラルであり、また、生分解性であるので、地球環境保護の点でも好ましい。
　電極が、酸化インジウム錫、酸化インジウム・酸化亜鉛、または酸化亜鉛を主成分としていると、圧電シートに透明性があれば、圧電素子を透明なものとすることができる。特に圧電シートにポリ乳酸が用いられると、ポリ乳酸の透明度が非常に高いため、圧電素子をほぼ完全に透明なものとすることができる。
　電極がポリチオフェンを主成分としていると、ポリチオフェンが高分子であって柔らかいため、圧電シートの変形または振動を実質的に阻害しないようにすることができる。また、ポリチオフェンを主成分とする電極は、スパッタリングなどの煩雑かつ高価な工程を必要とせず、たとえば単なる塗布といった簡易な工程を経て安価に形成することができる。
　この発明に係る圧電素子を用いて音響機器を構成すると、たとえば、透明なスピーカを構成することができる。このようなスピーカは、目視を遮ることなく、ディスプレイの表面にでも配置することができる。
この発明の第１の実施形態による圧電素子としてのバイモルフ型圧電素子３１を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ｂ）の部分Ｃを拡大して示す断面図である。 図１に示した圧電シート３２の電界印加時の変形態様を示す平面図である。 図１に示したバイモルフ型圧電素子３１の電界印加時の変形態様を示す斜視図である。 図１に示したバイモルフ型圧電素子３１の一辺を固定端４３としたときの電界印加時の変形態様を示す斜視図である。 図１に示した圧電シート３２および３３の、マザー圧電シート４６からの好ましい切り出し方法を説明するための平面図である。 延伸軸方向を揃えて２枚のＰＬＬAシート５２および５３を貼り合わせて構成したバイモルフ型圧電素子５１を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は拡大断面図である。 図６に示したバイモルフ型圧電素子５１の延伸軸方向と変位との関係を示す図である。 延伸軸方向を異ならせて２枚のＰＬＬＡシート５２および５３を貼り合わせて構成したバイモルフ型圧電素子５１を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は拡大断面図である。 図８に示したバイモルフ型圧電素子５１の延伸軸方向θ１およびθ２と変位との関係を示す図である。 図９を２次元平面的に示した図である。 この発明の第２の実施形態によるバイモルフ型圧電素子７１を示す、図１（ｃ）に対応する図である。 図１に示したバイモルフ型圧電素子３１を用いて構成されるスピーカ９１を示す正面図である。 図１２に示したバイモルフ型圧電素子３１の好ましい振動モードを示す斜視図である。 図１２に示したスピーカ２１の好ましい用途としての携帯ゲーム機９５を示す正面図である。 図１２に示したスピーカ９１の好ましい用途としての携帯電話機９８を示す斜視図である。 ポリ乳酸からなる圧電シート１１における延伸軸方向、電界方向および歪み方向の関係を説明するための図である。 図１６に示した圧電シート１１を、一辺の向きと延伸軸１２の向きとを一致させた状態で矩形状に切り出したものの電界印加時の変形態様を示す平面図である。 図１７に示した圧電シート１１を２枚貼り合わせた構造を有するバイモルフ型圧電素子１５の一部を示す拡大断面図である。 図１８に示したバイモルフ型圧電素子１５の電界印加時の変形態様を示す斜視図である。 図１９に示したバイモルフ型圧電素子１５の一辺を固定端２５としたときの電界印加時の変形態様を示す斜視図である。
　前述の図１６に示した圧電定数ｄ14を持つ圧電シート１１を、一辺の向きと延伸軸１２の向きとを一致させた状態で、矩形状に切り出したものが、図１７に平面図で示されている。図１７に示した圧電シート１２の紙面表側の主面上の電極（図示せず。）をたとえば０Ｖとし、紙面裏側の主面上の電極（図示せず。）をたとえば１０Ｖとするように電圧を印加すれば、圧電シート１２は、図１７において破線で示す元の状態から、実線で示す状態となるように変形する。
　図１８は、上述したような圧電シートを２枚重ねて構成されたバイモルフ型圧電素子１５の一部を示す断面図である。
　図１８を参照して、バイモルフ型圧電素子１５は、２枚の圧電シート１６および１７を貼り合わせた構造を有していて、圧電シート１６の外側に向く主面上には電極１８が形成され、圧電シート１６および１７間であって、圧電シート１６および１７の各内側に向く主面上には電極１９が形成され、圧電シート１７の外側に向く主面上には電極２０が形成されている。なお、電極１８～２０の厚みは、実際には、圧電シート１６および１７の厚みに比べて非常に薄いが、図１８では誇張されて図示されている。
　２枚の圧電シート１６および１７の各々の延伸軸２１および２２は、互いに同じ方向に向けられる。この点で、図１８に示したバイモルフ型圧電素子１５は、この発明の範囲外の参考例となるものである。
　たとえば、電極１８および２０に相対的にプラス側の電位（たとえば１０Ｖ）を与え、電極１９に相対的にマイナス側の電位（たとえば０Ｖ）を与えると、圧電シート１６に印加される電界２３と圧電シート１７に印加される電界２４とは逆向きとなり、所定の方向を基準として見ると、圧電シート１６および１７の一方が延び、他方が縮むように挙動する。その結果、図１９に示すような変形を引き起こす。この状態で、バイモルフ型圧電素子１５の一辺を固定端２５とするように固定すれば、バイモルフ型圧電素子１５は、図２０に示すような変形を引き起こす。そして、電界２３および２４として交流電圧を印加すれば、バイモルフ型圧電素子１５は振動する。
　しかしながら、このような形態の振動は、バイモルフ振動としては好ましくなく、また、変位量も小さい。なぜなら、バイモルフ型圧電素子１５の、固定端２５に対向する辺の中央部では、変位量が実質的に０であるためである。
　また、バイモルフ型圧電素子１５において、電極１８～２０の構成は簡単であるが、前述したように、２枚の圧電シート１６および１７の各々の延伸軸２１および２２は、互いに同じ方向に向けられているため、この延伸軸に沿って裂けやすいという問題がある。
　これらの問題は、以下に説明するバイモルフ型圧電素子によって解決される。
　図１は、この発明の第１の実施形態による圧電素子としてのバイモルフ型圧電素子３１を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は（ｂ）の部分Ｃを拡大して示す断面図である。
　バイモルフ型圧電素子３１は、各々ポリ乳酸からなる２枚の圧電シート３２および３３を貼り合わせた構造を有している。図１（ｃ）に示されるように、圧電シート３２の外側に向く主面上には電極３４が形成され、圧電シート３２の内側に向く主面上には電極３５が形成されている。また、圧電シート３３の内側に向く主面上には電極３６が形成され、圧電シート３３の外側に向く主面上には電極３７が形成されている。また、電極３５と電極３６とは絶縁層３８を介して互いに電気的に絶縁された状態で互いに接合される。なお、電極３４～３７および絶縁層３８の各々の厚みは、実際には、圧電シート３２および３３の厚みに比べて非常に薄いが、図１（ｃ）では誇張されて図示されている。
　圧電シート３２および３３を、前述したように、ポリ乳酸から構成すると、圧電シート３２および３３について、安定した圧電特性を得ることができるとともに、透明性に優れたものとすることができる。しかしながら、このような利点を特に望まないならば、ポリ乳酸以外の主成分がキラル分子を単位とする螺旋高分子を圧電シート３２および３３の材料として用いてもよい。
　なお、キラリティを有するモノマー（鏡像異性体が存在するモノマー）が高分子になると必ず螺旋構造になるわけではない。鏡像関係にあるものは、生体高分子の場合は、一方をＬ体と呼び、もう一方をＤ体と呼ぶ。Ｌ体が螺旋高分子になる場合は、Ｄ体も螺旋高分子になり、その巻き方向は逆になる。Ｌ体高分子とＤ体高分子とが混ざり合った高分子は、互いに打ち消される関係にあるため、旋光性も圧電性も示さない。
　キラリティを有しないモノマーでも、重合して高分子になったときに螺旋構造を呈するものは、この高分子がキラリティを持つ。グルタミン酸や乳酸は、モノマーに不斉炭素があるため、キラリティがあり、また螺旋高分子（キラル高分子）となる。ポリ乳酸は、合成の過程で、澱粉から微生物の作用でＬ型のポリ乳酸が合成される。したがって、通常扱われるポリ乳酸はＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ：Poly-L-Lactic-Acid）である。
　電極３４～３７は、好ましくは、酸化インジウム錫、酸化インジウム・酸化亜鉛、または酸化亜鉛を主成分とするものから構成される。このような材料は透明性を有しているため、圧電シート３２および３３に透明性があれば、バイモルフ型圧電素子３１に透明性を与えることができる。特に、圧電シート３２および３３がポリ乳酸から構成されると、バイモルフ型圧電素子３１において高い透明度を得ることができる。
　電極３４～３７は、ポリチオフェンを主成分としていることも好ましい。ポリチオフェンは柔らかいため、圧電シート３２および３３の変形または振動を実質的に阻害しないようにすることができる。
　上述した電極３４～３７の形成にあたっては、有機系材料が用いられる場合には、単なる塗布を適用することができ、酸化亜鉛などが用いられる場合には、スパッタリングを適用することができ、金属が用いられる場合には、蒸着、スパッタリング、めっき、薄膜の接着等を適用することができる。
　絶縁層３８は、好ましくは、透明性かつ可撓性を有する樹脂から構成される。たとえば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、スチレン・ブタジエン共重合体などを用いることができる。なお、絶縁層３８を構成する樹脂自身の透明度がたとえ低くても、絶縁層３８は非常に薄いので、絶縁層３８に実質的な透明性を与えることができるが、絶縁層３８を構成する樹脂自身の透明度は高い方が好ましい。
　図１（ａ）および（ｃ）において、圧電シート３２の延伸軸３９および圧電シート３３の延伸軸４０が図示されている。なお、これら延伸軸３９および４０は、圧電シート３２および３３に付与された延伸の方向に向く軸のことであるが、たとえば２軸延伸の場合のように、複数の方向に延伸された場合には、最大の延伸倍率で延伸された方向に向く軸のことである。
　この発明の実施形態によるバイモルフ型圧電素子３１にあっては、圧電シート３２の延伸軸３９の方向と圧電シート３３の延伸軸４０の方向とが互いに異なっていることを特徴としている。特に、この実施形態では、圧電シート３２の延伸軸３９は、圧電シート３３の延伸軸４０に対して９０度の角度をなしている。これによって、延伸方向に沿う裂けやすさに対して、バイモルフ型圧電素子３１は最大の強度を与えることができる。
　また、延伸された圧電シート３２および３３は複屈折性を有している。そのため、圧電シート３２または３３を通過した光が直交する２つの直線偏光に分解された場合、その２つの直線偏光間で位相差が生じる。その結果、圧電シート３２または３３を通して物を見た場合、像がにじむ場合がある。しかしながら、この実施形態によるバイモルフ型圧電素子３１のように、延伸軸３９および４０が互いに９０度の角度をなすように圧電シート３２および３３が積層された場合には、２つの直線偏光の位相差がなくなり、バイモルフ型圧電素子３１自体の複屈折は消失する。したがって、このバイモルフ型圧電素子３１を通して物を見た場合には、像がにじむことはない。
　この実施形態では、圧電シート３２および３３は矩形状、より特定的には正方形状であり、圧電シート３２および３３の各々の一辺は、延伸軸３９および４０の各々に対して４５度の角度をなしている。そのため、後で詳細に説明するように、最大の振幅を得ることができる。
　圧電シート３２および３３のうち、一方の圧電シート、たとえば圧電シート３２のみを取り出し、電極３４をたとえば０Ｖとし、電極３５をたとえば１０Ｖとするように電圧を印加したとき、図２に示すような変形が生じる。すなわち、圧電シート３２は、図２において破線で示す元の状態から、実線で示す状態となるように変形する。簡単に言えば、延伸軸３９に対して±４５度の方向に大きく伸縮するように変形する。
　図３および図４には、バイモルフ型圧電素子３１の変形または振動の状態が示されている。
　バイモルフ型圧電素子３１は、上述の図２に示すような変形を引き起こす圧電シート３２および同様の変形を引き起こす圧電シート３３とを貼り合わせたものであり、各々の延伸軸３９および４０は互いに直交している。このようなバイモルフ型圧電素子３１に対して、たとえば、電極３４および３６に相対的にプラス側の電位（たとえば１０Ｖ）を与え、電極３５および３７に相対的にマイナス側の電位（たとえば０Ｖ）を与えると、図１（ｃ）に示すように、圧電シート３２に印加される電界４１と圧電シート３３に印加される電界４２とは同じ向きとなる。その結果、バイモルフ型圧電素子３１は、その４つの角の部分が固定されていると、図３に示すような変形を引き起こす。この状態で、バイモルフ型圧電素子３１の一辺を固定端４３とするように固定すれば、バイモルフ型圧電素子３１は、図４に示すような変形を引き起こす。そして、電界４１および４２として交流電圧を印加すれば、バイモルフ型圧電素子３１は振動する。
　図４からわかるように、バイモルフ型圧電素子３１は、大きな変位量を与えることができる。また、前述したように、２枚の圧電シート３２および３３の各々の延伸軸３９および４０が互いに異なる方向に向いているため、延伸軸に沿って裂けやすいという問題を回避することができる。
　図５は、バイモルフ型圧電素子３１のための圧電シート３２および３３をマザー圧電シート４６から切り出すための好ましい方法を説明するためのものである。
　図５には、延伸軸４７を有するマザー圧電シート４６が平面図で示されている。このようなマザー圧電シート４６から、一方の圧電シート３２は、その長軸４８を延伸軸４７に対して４５度に向けた状態で切り出され、他方の圧電シート３３は、その長軸４９を延伸軸４７に対して－４５度に向けた状態で切り出される。そして、このようにして切り出された圧電シート３２と圧電シート３３とを互いに重なり合うように積み重ねさえすれば、圧電シート３２の延伸軸３９と圧電シート３３の延伸軸４０とが互いに直交する状態を得ることができる。
　なお、マザー圧電シート４６から切り出される圧電シート３２および３３の各々の形状を正方形ではなく長方形としたのは、圧電シート３２と圧電シート３３とを積み重ねる方向を間違わないようにするためのものである。したがって、図１（ａ）に示すような正方形のバイモルフ型圧電素子３１を得ようとすれば、圧電シート３２および３３を貼り合わせた後、正方形となるように切断すればよい。また、切断の態様によって、矩形以外の任意の形状を有するバイモルフ型圧電素子を得ることができる。
　前述したように、矩形の圧電シートの一辺が延伸軸に対して４５度の角度をなしているとき、最大の振幅が得られるが、圧電シートの一辺と延伸軸との間の角度を変えたとき、振幅がどのように変わるかについて検討する。
　図６は、上述の検討の対象としたバイモルフ型圧電素子５１を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は拡大断面図である。
　バイモルフ型圧電素子５１は、２枚のＰＬＬＡシート５２および５３を有している。一方のＰＬＬＡシート５２の各主面上には電極５４および５５がそれぞれ形成され、他方のＰＬＬＡシート５３の各主面上には、電極５６および５７がそれぞれ形成される。また、電極５５と電極５６との間には絶縁層５８が形成されている。
　このようなバイモルフ型圧電素子５１において、２枚のＰＬＬＡシート５２および５３の各々の延伸軸５９および６０は、互いに同じ方向に向けられる。この点で、図６に示したバイモルフ型圧電素子５１は、この発明の範囲外のものである。なお、以下の説明では、同じ方向に向く延伸軸５９と延伸軸６０とを互いに区別する必要がない場合には、両者を代表して「延伸軸５９」と言うことにする。
　このようなバイモルフ型圧電素子５１の一辺を固定端６１とし、この固定端６１についての法線６２と延伸軸５９とがなす角度θを０～９０度の範囲で変え、有限要素法の静解析で計算して求めた変位が図７に示されている。なお、上記角度θは、法線６２がＰＬＬＡシート５２および５３の各々の一辺と平行に延びているため、ＰＬＬＡシート５２および５３の各々の一辺と延伸軸５９とがなす角度に等しい。
　図７に示した変位は、バイモルフ型圧電素子５１における固定端６１に対向する辺の中央部での変位を求めたものである。また、ＰＬＬＡシート５２および５３は、圧電定数ｄ14＝２０ｐＣ／Ｎとし、縦×横×厚み＝５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．０８ｍｍとした。また、電極５４～５７には、図６（ｂ）に示すように、ＰＬＬＡシート５２に印加される電界６３とＰＬＬＡシート５３に印加される電界６４とが互いに逆向きとなるように３０Ｖの交流電圧を印加した。
　なお、電極５４～５７の各々は、理想電極とし、厚みは０とした。
　図７からわかるように、法線６２と延伸軸５９とがなす角度θが４５度の場合に最大変位を示している。また、角度θが２５度～６５度の範囲にあるとき、最大変位の約９０％以上が確保される。さらに、角度θが０度より大きくかつ９０度より小さい角度であれば、０度または９０度の場合と比較して、変位が飛躍的に大きくなっている。
　以上の検討は、２枚のＰＬＬＡシート５２および５３の各々の延伸軸５９および６０が互いに同じ方向に向けられている場合のものであったが、次に、２枚のＰＬＬＡシート５２および５３の各々の延伸軸５９および６０の方向を互いに異ならせた場合について検討する。
　図８は、上述の場合の検討の対象としたバイモルフ型圧電素子５１を示す、図６に対応する図である。図８において、図６に示す要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。図８に示すように、第１のＰＬＬＡシート５２の延伸軸５９は、法線６２に対してθ１の角度をなし、第２のＰＬＬＡシート５３の延伸軸６０は、法線６２に対してθ２の角度をなすように、第１のＰＬＬＡシート５２と第２のＰＬＬＡシート５３とが重ねられる。その他の点については、図６を参照して説明したのと同様の条件にてバイモルフ型圧電素子５１を構成し、同様の条件にて交流電圧を印加するとして、そのときの角度θ１およびθと変位との関係を有限要素法の静解析で計算した結果が図９に示されている。また、図１０は、図９を２次元平面的に表したものである。
　図９および図１０において、最も濃い網掛けを施した領域は、バイモルフ型圧電素子５１の最大変位を示す点を含むとともに、この最大変位の約９０％以上を確保できる領域である。最大変位はθ１＝４５度、θ２＝－４５度のときに得られ、このとき、第１のシート５２の延伸軸５９と第２のシート５３の延伸軸６０とがなす角度は９０度になるため、バイモルフ型圧電素子５１は強度的にも最大となる。
　バイモルフ型圧電素子５１を効率的に変位または振動させるためには、図９または図１０において、変位のより大きな領域を用いればよい。前述したように、最大変位が得られるのは、θ１＝４５度、θ２＝－４５度のときであるが、このような最大変位を実現する圧電シートをたとえば図５に示したマザー圧電シート４６から切り出す場合には、比較的多くの無駄が生じたり、あるいは、大きな面積で切り出すことができなかったりする。
　他方、バイモルフ型圧電素子５１の変位量は、印加される電圧の大きさにほぼ比例する。したがって、最大変位に対して約９０％以上の変位が得られる領域であれば、不足する変位量は、駆動電圧を高めることで対処することが可能であり、通常、このように駆動電圧を高めることは、駆動系電源の余力で十分に対応が可能である。
　最大変位の約９０％以上を確保しようとすれば、図１０から、第１のシート５２の延伸軸方向の角度θ１を約２５度～約６５度の範囲としながら、第２のシート５３の延伸軸方向の角度θ２を約－６５度～約－２５度の範囲とすればよいことがわかる。
　上述の条件を満たしながら、バイモルフ型圧電素子５１の強度を最大にしたいとすれば、θ２－θ１＝９０度の関係がさらに成り立つようにすればよい。他方、たとえば、θ１＝４０度、θ２＝－３０度の場合、第１のシート５２の延伸軸５９と第２のシート５３の延伸軸６０とがなす角度は７０度であるが、この場合であっても、少なくとも延伸軸が揃う場合に比べて十分に高い強度を得ることができる。
　ここで、最大振幅の約９０％以上を実現しながら、十分な強度を与え得る角度θ１およびθ２の範囲について考察する。
　図１０において、最も濃い網掛けを施した領域はほぼ楕円形をなしており、その輪郭は、
θ１＝２０cos t＋１２sin t＋４５　　…（１）
θ２＝２０cos t－１２sin t－４５　　…（２）
（ただし、０≦ｔ＜２π）
と近似的に表すことができる。
　上式（１）および（２）から、領域を示す式に変換すれば、
９（θ１＋θ２）２＋２５（θ２－θ１＋９０）２≦１４４００　　…（３）
となる。
　このとき、θ１およびθ２は、式（１）および（２）より、
θ１－θ２＝－２４sin t＋９０　　…（４）
となる。
　ここで、０≦ｔ＜２πより、－１≦sin t≦１であるので、θ１－θ２の最小値は６６度、最大値は１１４度となり、１１４度の場合は、１８０度から減じれば、結局６６度と同値となる。６６度は、強度が最小となる０度と比較して十分に大きな値であり、ＰＬＬＡシート５２および５３が延伸軸５９および６０に沿って裂ける不具合を十分に回避できる角度であると考えられる。
　したがって、振幅および強度の点で好適な範囲は、θ１とθ２とが上記式（３）を満たす領域に存在するものと言うことができる。
　次に、この発明の第２の実施形態について説明する。
　ポリ乳酸などからなる圧電シートは、そこにかかる電界強度が高いほど、その変位が大きくなる。圧電シートにかかる電界強度を高くするためには、印加される電圧を高めればよいが、圧電素子がモバイル機器などに搭載される場合には、高い電圧を得ることが困難である。そこで、電界強度は電圧に比例し、電極間距離に反比例にするので、圧電シートを薄くすれば、圧電シートにかかる電界強度は高くなる。しかしながら、圧電シートを薄くしすぎると、圧電シート自体の歪力が電極の強度に負けて、結果的に所望の歪みが得られないことがある。
　他方、バイモルフは、伸びる圧電シートと縮む圧電シートとを重ね合わせることにより、変位を生じさせるものであるが、伸びる圧電シートと縮む圧電シートとの境目は、１個のバイモルフにおいて１つ存在するだけである。したがって、圧電シートにかかる電界強度を高めるために、圧電シートを薄くしながらも、圧電シート自体の歪力を大きくするため、伸びる圧電シート部分および／または縮む圧電シート部分を複数の圧電シートからなる積層構造とすることが考えられる。
　図１１は、上述した対策が講じられたもので、この発明の第２の実施形態によるバイモルフ型圧電素子７１を示す、図１（ｃ）に対応する図である。
　図１１を参照して、バイモルフ型圧電素子７１は、第１の方向に向けられた延伸軸７２を有する第１の圧電シート７３と、上記第１の方向とは異なる第２の方向に向けられた延伸軸７４を有する第２の圧電シート７５とを備えている。なお、より具体的には、延伸軸７２と延伸軸７４とは互いに直交している。
　上述した圧電シート７３および７５によって、第１および第２の中間積層体７６および７７が構成されるが、第１および第２の中間積層体７６および７７のいずれにおいても、第１の圧電シート７３と第２の圧電シート７５とが交互に積層される。
　第１および第２の中間積層体７６および７７は、第１の圧電シート７３同士または第２の圧電シート７５同士が互いに隣り合うように積層される。図示の実施形態では、第１および第２の中間積層体７６および７７は、第２の圧電シート７５同士が互いに隣り合うように積層されている。
　また、第１および第２の圧電シート７３および７５の各間および外方に向く主面上には、電極７８～８２がそれぞれ形成される。このバイモルフ型圧電素子７１に電界が印加されるとき、電極７８、８０および８２は互いに同電位とされ、他方、電極７９および８１は、上述の電極７８、８０および８２とは異なる電位であるが、互いに同電位とされる。
　上述のように電界が印加されたとき、第１の中間積層体７６にある圧電シート７３および７５はすべて互いに同じ伸縮動作をする。他方、第２の中間積層体７７にある圧電シート７３および７５もすべて互いに同じ伸縮動作をする。そして、第１の中間積層体７６にある圧電シート７３および７５と第２の中間積層体７７にある圧電シート７３および７５とは互いに逆の伸縮動作をする。その結果、バイモルフ型圧電素子７１は、電極８０の部分を境目として、全体に撓みが生じ、交流電圧が印加されたときには、バイモルフとして振動が生じる。
　なお、図１１に示した実施形態では、第１および第２の中間積層体７６および７７の各々が、２枚の圧電シート７３および７５をもって構成されたが、少なくとも一方が３枚以上の圧電シートをもって構成されてもよい。また、バイモルフとして機能させる場合には、第１および第２の中間積層体の各々に備える圧電シートが互いに同じ厚みでありかつ互いに同じ積層数であることが望ましいが、必ずしも、厚みおよび積層数を揃える必要はない。また、第１および第２の中間積層体の一方を、単に１枚の圧電シートをもって構成してもよい。
　図１１に示した実施形態によれば、印加される電圧を高めることなく、圧電シート７３および７５の各々に係る電界強度を高めることができ、その結果、圧電シート７３および７５の各々自体の歪力を高め、かつ変位量を大きくすることができる。また、図１（ｃ）に示した絶縁層３８に相当する絶縁層は、この実施形態では必要としない。
　次に、この発明に係る圧電素子の用途について説明する。
　たとえば、図１ないし図４を参照して説明した第１の実施形態によるバイモルフ型圧電素子３１は、図３に示すような変形を引き起こすことから、これを、伸縮可能なエラストマーからなるフィルム（たとえば、ウレタン系フィルム、シリコーン系フィルム）上に貼り付けることにより、スピーカとして機能させることができる。
　図１２は、バイモルフ型圧電素子３１を用いて構成されるスピーカ９１を示す正面図である。
　図１２を参照して、バイモルフ型圧電素子３１は、伸縮可能なフィルム９２上に貼り付けられ、フィルム９２は、枠状の固定部９３に固定される。
　上述したスピーカ９１において、図１２に示すように、伸縮可能なフィルム９２の左右２辺に沿う部分の面積（幅方向寸法）を小さくして、バイモルフ型圧電素子３１の左右の辺と固定部９３とを近づけることにより、図１３に示すような振動モードが得られ、スピーカとして好適な動作モードを実現することができる。図１３は、前述の図３等の場合と同様、元の状態を破線で示し、変形後の状態を実線で示している。
　前述したように、バイモルフ型圧電素子３１は、透明なものとすることができるので、図１２に示したスピーカ９１を透明に構成することができ、また、エキサイターなどの部品を必要としないため、全面を透明化することができる。そのため、たとえば、図１４に示した携帯ゲーム機９５のディスプレイ面９６や、図１５に示した携帯電話機９５のディスプレイ面９９上に、直接、スピーカを配置しながら、その下の画像を明瞭に目視可能とすることができる。同様に、電子辞書、電子手帳、パーソナルコンピュータ、テレビジョン受像機等のディスプレイ面上にも直接配置することができる。
　特に、圧電素子を構成する圧電シートは樹脂からなるものであるので、通常の衝撃では割れることがないという特徴にも注目すべきである。したがって、携帯ゲーム機や携帯電話機のような携帯用機器において有利に適用される。また、樹脂からなる圧電シートは屈曲可能であるため、たとえば、有機ＥＬを用いたペーパーディスプレイ等にも適用可能である。
　スピーカを高音質にするには、これを大型化する必要があるが、現状の圧電スピーカでは、機器のスペースの制約上、これには限界がある。前述したように、この発明によれば、スピーカを透明化することができ、これをディスプレイ面上に直接配置することができる。そのため、スピーカの面積を大きくして、音質を向上させることができる。また、従来の内蔵スピーカをなくすことができ、その結果、機器の小型化を図ることができ、あるいは、内蔵スピーカを取り除いた部分に新たな機能部品を内蔵することができ、機器の高機能化を図ることができる。
　この発明によって透明化されたスピーカは、さらに、次のような用途にも有利に向けることができる。
　たとえば、電車やバス等の優先座席付近の窓に取り付けることにより、お年寄りなどにも車内放送が聞きやすくなり、しかも車窓の視界を遮ることがない。
　また、近年、高級クリスマスカードなどのメッセージカードが流行している。このようなメッセージカードにおいて、デコレーションを兼ねたスピーカとしても用いることができる。
　また、壁面の広告、特に人物が配されている広告の顔の部分に、スピーカを取り付け、あたかも人物がしゃべっているように宣伝内容を音声として流すことにより、     人々の興味を引き、広告効果を大きくすることができる。この場合、赤外線センサやドップラーセンサと組み合わせて、人が近づいたときに呼びかける（呼び止める）ようにすれば、さらに効果的である。
　また、パチンコ台やパチスロ台の表面にも直接形成することが可能で、全面から音を出すことにより、迫力のある演出が可能となる。
　この発明は、バイモルフ型圧電素子に限らず、その他の圧電素子にも適用することができる。
　３１，５１，７１　バイモルフ型圧電素子
　３２，３３，７３，７５　圧電シート
　３４～３７，５４～５７，７８～８２　電極
　３８，５８　絶縁層
　３９，４０，５９，６０，７２，７４　延伸軸
　４１，４２，６３，６４　電界
　５２，５３　ＰＬＬＡシート
　７６，７７　中間積層体
　９１　スピーカ
　９５　携帯ゲーム機
　９８　携帯電話機

Claims (12)

  1. 　所定の延伸軸を有し、かつ主成分がキラル分子を単位とする螺旋高分子からなる、複数の積層された圧電シートと、
    　各前記圧電シートの両主面上に形成された電極と
    を備え、
    　複数の前記圧電シートのうち、少なくとも１つの圧電シートは、他の圧電シートと前記延伸軸の方向が異なっている、
    圧電素子。
  2. 　複数の前記圧電シートのうち、少なくとも１つの圧電シートの前記延伸軸は、他の圧電シートの前記延伸軸に対して９０度の角度をなしている、請求項１に記載の圧電素子。
  3. 　前記圧電シートは矩形状である、請求項１または２に記載の圧電素子。
  4. 　前記圧電シートの一辺は、前記延伸軸に対して０度より大きくかつ９０度より小さい角度をなしている、請求項３に記載の圧電素子。
  5. 　前記圧電シートの一辺は、前記延伸軸に対して２５度以上かつ６５度以下の角度をなしている、請求項４に記載の圧電素子。
  6. 　前記圧電シートの一辺は、前記延伸軸に対して４５度の角度をなしている、請求項５に記載の圧電素子。
  7. 　複数の前記圧電シートは、積層方向に関して互いに隣り合いかつ前記延伸軸の方向が互いに異なる第１および第２の圧電シートを含み、前記第１の圧電シートの主面上に形成される前記電極と前記第２の圧電シートの主面上に形成される前記電極とを互いに電気的に絶縁するため、前記第１の圧電シートと前記第２の圧電シートとの間に形成される絶縁層をさらに備える、請求項１ないし７のいずれかに記載の圧電素子。
  8. 　複数の前記圧電シートは、前記延伸軸が第１の方向に向けられた第１の圧電シートと、前記延伸軸が前記第１の方向とは異なる第２の方向に向けられた第２の圧電シートとを含み、
    　第１および第２の中間積層体が、前記第１の圧電シートと前記第２の圧電シートとが交互に積層されることによって構成され、
    　第１および第２の前記中間積層体は、前記第１の圧電シート同士または前記第２の圧電シート同士が互いに隣り合うように積層されている、請求項１ないし７のいずれかに記載の圧電素子。
  9. 　前記螺旋高分子はポリ乳酸である、請求項１ないし８のいずれかに記載の圧電素子。
  10. 　前記電極は、酸化インジウム錫、酸化インジウム・酸化亜鉛、または酸化亜鉛を主成分とする、請求項１ないし９のいずれかに記載の圧電素子。
  11. 前記電極はポリチオフェンを主成分とする、請求項１ないし９のいずれかに記載の圧電素子。
  12. 　請求項１ないし１１のいずれかに記載の圧電素子を備える、音響機器。
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