WO2021095511A1 - 圧電素子 - Google Patents

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WO2021095511A1
WO2021095511A1 PCT/JP2020/040245 JP2020040245W WO2021095511A1 WO 2021095511 A1 WO2021095511 A1 WO 2021095511A1 JP 2020040245 W JP2020040245 W JP 2020040245W WO 2021095511 A1 WO2021095511 A1 WO 2021095511A1
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WO
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layer
piezoelectric
protective layer
conductive foil
piezoelectric element
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PCT/JP2020/040245
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French (fr)
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裕介 香川
輝男 芦川
平口　和男
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富士フイルム株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric element.
  • the speakers used in these thin displays are also required to be lighter and thinner. Further, in a flexible display having flexibility, flexibility is also required in order to integrate into the flexible display without impairing lightness and flexibility. As such a lightweight, thin and flexible speaker, it is considered to adopt a sheet-shaped piezoelectric element (electroacoustic conversion film) having a property of expanding and contracting in response to an applied voltage.
  • a sheet-shaped piezoelectric element electroacoustic conversion film
  • Patent Document 1 has a thin film electrode formed on both sides of a dielectric layer, a dielectric layer (piezoelectric layer), and a protective layer formed on the surfaces of both thin film electrodes. Further, an electroacoustic conversion film having at least one of the protective layers having a thin layer portion having a film thickness thinner than that of the peripheral portion is described.
  • a vapor-deposited film having a thickness of 1 ⁇ m or less is suitable for the electrode layer.
  • Patent Document 1 describes a configuration in which a recess is provided in the protective layer, a conductive material is inserted into the recess, and a lead wire for electrically connecting the electrode layer and an external device is connected to the conductive material. Has been done. It is described that this makes it possible to ensure the electrical connection between the electrode layer and the lead-out wiring, and that the electrode layer is completely covered with a protective layer, so that deterioration of the electrode layer due to oxidation or the like can be prevented. ing.
  • the electrode layer in the portion where the protective layer is removed is easily torn by a slight external force. Therefore, when a conductive material is inserted into the hole of the protective layer to provide an electrical contact, when an external force is directly applied to the conductive material, an external force is applied to the electrode layer due to a force that separates the conductive material from the electrode layer. As a result, there is a problem that the electrode layer is torn and poor connection to the electrode layer occurs.
  • An object of the present invention is to solve such a problem of the prior art, and to provide a piezoelectric element capable of preventing the occurrence of poor connection to the electrode layer.
  • a piezoelectric element having a piezoelectric layer, electrode layers formed on both sides of the piezoelectric layer, and a protective layer laminated on the surface of the electrode layer opposite to the surface on the piezoelectric layer side. It has a conductive foil laminated on the surface opposite to the electrode layer of the protective layer.
  • the protective layer has holes that penetrate from the surface to the electrode layer.
  • the conductive foil has an opening at a position overlapping the hole of the protective layer in the surface direction.
  • a piezoelectric element having a conductive member that is inserted into a through hole of a covering member and electrically connected to a conductive foil. [2] The piezoelectric element according to [1], wherein the covering member covers the entire surface of the filling member and the conductive foil.
  • the protective layer has a plurality of holes and has a plurality of holes. Filling members are provided in each of the plurality of holes.
  • a piezoelectric element capable of preventing the occurrence of poor connection to the electrode layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
  • the description of the constituent elements described below may be based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments.
  • the numerical range represented by using "-" means a range including the numerical values before and after "-" as the lower limit value and the upper limit value.
  • the piezoelectric element of the present invention is A piezoelectric element having a piezoelectric layer, electrode layers formed on both sides of the piezoelectric layer, and a protective layer laminated on the surface of the electrode layer opposite to the surface on the piezoelectric layer side. It has a conductive foil laminated on the surface opposite to the electrode layer of the protective layer.
  • the protective layer has holes that penetrate from the surface to the electrode layer.
  • the conductive foil has an opening at a position overlapping the hole of the protective layer in the surface direction.
  • a filling member made of a conductive material which is formed on at least a part of the surface of the conductive foil from the hole of the protective layer and the opening of the conductive foil and is electrically connected to the electrode layer and the conductive foil. It has a filling member and a covering member that covers the conductive foil, The covering member has a through hole at a position that does not overlap with the filling member in the surface direction.
  • a piezoelectric element having a conductive member that is inserted into a through hole of a covering member and electrically connected to a conductive foil.
  • FIG. 1 shows a plan view schematically showing an example of the piezoelectric element of the present invention.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view taken along the line AA of the piezoelectric element of FIG.
  • FIG. 3 shows an enlarged cross-sectional view of a part of the BB line cross section and the CC line cross section of the piezoelectric element of FIG.
  • the cross section taken along the line BB is shown on the upper side of the figure
  • the cross section taken along the line CC is shown on the lower side of the figure.
  • the piezoelectric element 10 shown in FIGS. 1 to 3 has a piezoelectric layer 20 which is a sheet-like material having piezoelectricity, a lower electrode 24 laminated on one surface of the piezoelectric layer 20, and a lower electrode laminated on the lower electrode 24.
  • the conductive member 76 is a sheet-like material having piezoelectricity
  • the piezoelectric layer 20 shown in FIG. 1 contains piezoelectric particles 36 in a matrix 34 containing a polymer material.
  • the lower electrode 24 and the upper electrode 26 are the electrode layers in the present invention.
  • the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 are protective layers in the present invention.
  • the conductive foil 72 with an adhesive layer is the conductive foil in the present invention.
  • the adhesive layer of the conductive foil 72 with an adhesive layer is a layer for adhering the protective layer and the conductive foil, but the conductive foil is not limited to the conductive foil with an adhesive layer, and an adhesive or an adhesive may be used. It may be used and adhered to the protective layer.
  • the pressure-sensitive adhesive or adhesive is not particularly limited as long as the protective layer and the conductive foil can be adhered to each other, but acrylic-based, urethane-based, and silicon-based pressure-sensitive adhesives (adhesives) are preferably used.
  • the piezoelectric element 10 piezoelectric layer 20
  • the piezoelectric element 10 is polarized in the thickness direction as a preferred embodiment.
  • the upper protective layer 30 has a hole 31 penetrating from the surface to the upper electrode 26. That is, the hole portion 31 is formed so as to penetrate the upper protective layer 30 from the surface opposite to the upper electrode 26 to the interface on the upper electrode 26 side. As shown in FIG. 1, the hole portion 31 is formed in the vicinity of the end portion of the upper protective layer 30 in the plane direction.
  • the lower protective layer 28 has a hole 29 penetrating from the surface to the lower electrode 24. That is, the hole 29 is formed so as to penetrate the lower protective layer 28 from the surface opposite to the lower electrode 24 to the interface on the lower electrode 24 side. As shown in FIG. 1, the hole 29 is formed in the vicinity of the end of the lower protective layer 28 in the plane direction.
  • a conductive foil 72 with an adhesive layer is attached to the surface of the upper protective layer 30 near the hole 31.
  • the conductive foil 72 with an adhesive layer is provided with an adhesive layer on one surface of the conductive foil, and is attached to the upper protective layer 30 by laminating the adhesive layer side toward the upper protective layer 30. ..
  • the conductive foil 72 with the adhesive layer has an opening 73 at a position overlapping the hole 31 of the upper protective layer 30 in the surface direction.
  • the filling member 70 is made of a conductive material, is filled in the holes 31 and the openings 73, and is formed so as to cover a part of the surface of the conductive foil 72 with an adhesive layer.
  • the filling member 70 is in contact with the upper electrode 26 in the hole 31 and is electrically connected to the upper electrode 26. Further, the filling member 70 is connected to the conductive foil 72 with an adhesive layer on the surface of the conductive foil 72 with an adhesive layer.
  • the covering member 74 is an insulating sheet-like member, and is laminated so as to cover at least a part of the filling member 70 and the conductive foil 72 with an adhesive layer in the plane direction. In the example shown in FIG. 1, the covering member 74 is laminated so as to cover the entire surface of the filling member 70 and the conductive foil 72 with the adhesive layer.
  • the covering member 74 has a through hole 75 penetrating in the thickness direction at a position where it does not overlap with the filling member 70 in the surface direction and overlaps with the conductive foil 72 with an adhesive layer.
  • the conductive member 76 is a sheet-shaped or wire-shaped member having conductivity.
  • the conductive member 76 is inserted into the through hole 75 of the covering member 74 and electrically connected to the conductive foil 72 with an adhesive layer.
  • a conductive foil 72 with an adhesive layer having an opening 73 is attached to the surface of the lower protective layer 28 near the hole 29, and the filling member 70 has the hole 31 and the opening.
  • the portion 73 is filled, the covering member 74 is laminated so as to cover at least a part of the filling member 70 and the conductive foil 72 with the adhesive layer, and the conductive member 76 is inserted into the through hole 75 of the covering member 74. It is electrically connected to the conductive foil 72 with an adhesive layer.
  • the conductive member 76 is electrically connected to the conductive foil 72 with the adhesive layer, and the conductive foil 72 with the adhesive layer is electrically connected to the filling member 70. Is electrically connected to the electrode layer. Therefore, the conductive member 76 can be used as a drawer wiring, and the wiring can be connected to the conductive member 76. Alternatively, the conductive member 76 can be used as wiring.
  • the electrode layer in the portion where the protective layer is removed is easily torn by a slight external force. Therefore, when a conductive material is inserted into the hole of the protective layer to provide an electrical contact, when an external force is directly applied to the conductive material, an external force is applied to the electrode layer due to a force that separates the conductive material from the electrode layer. As a result, there is a problem that the electrode layer is torn and poor connection to the electrode layer occurs.
  • the filling member filled in the hole of the protective layer is covered with the covering member, it is possible to prevent the filling member from being pulled by an external force. Therefore, it is possible to prevent the electrode layer from being broken due to an external force applied to the electrode layer due to the force of peeling the conductive material and the electrode layer. Further, since the filling member and the hole portion are covered with the covering member, it is possible to suppress the oxidation of the filling member and / or the electrode layer. Further, since the covering member has a through hole and the conductive member is electrically connected to the electrode layer via the conductive foil with the adhesive layer and the filling member in the through hole, the electrical connection to the electrode layer is made. Can be done reliably.
  • the shape of the opening surface of the holes 29 and 31 of the protective layer is not limited, and may be various shapes such as a circular shape, an elliptical shape, a rectangular shape, a polygonal shape, and an indefinite shape.
  • a circular shape is preferable from the viewpoint of ease of formation and the like.
  • the size of the opening surface of the hole is not particularly limited as long as the electrical connection with the filling member 70 can be secured and the piezoelectric element can operate properly.
  • the equivalent circle diameter of the opening surface of the hole is preferably 0.5 mm to 20 mm, more preferably 1.5 mm to 5 mm, still more preferably 2 mm to 3 mm.
  • the shape of the opening surface of the opening 73 of the conductive foil 72 with an adhesive layer is not limited, and may be various shapes such as a circular shape, an elliptical shape, a rectangular shape, a polygonal shape, and an indefinite shape. A circular shape is preferable from the viewpoint of ease of formation and the like.
  • the size of the opening surface of the opening 73 is not particularly limited as long as the electrical connection with the filling member 70 can be secured and the piezoelectric element can operate properly. From the viewpoint of ensuring electrical connection, the opening 73 preferably has a shape and size including the hole 31. For example, when the diameter of the hole 31 is 3 mm, the equivalent circle diameter of the opening surface of the opening 73 is preferably 4 mm to 20 mm, more preferably 5 mm to 15 mm, still more preferably 5 mm to 12 mm.
  • the size (size in the plane direction) of the filling member 70 on the conductive foil 72 with the adhesive layer is not particularly limited as long as the electrical connection with the conductive foil 72 with the adhesive layer can be secured.
  • the equivalent circle diameter of the filling member 70 on the conductive foil 72 with the adhesive layer is preferably 1 mm to 40 mm, more preferably 2 mm to 30 mm, still more preferably 2 mm to 20 mm.
  • the shape of the opening surface of the through hole 75 of the covering member 74 is not limited, and may be various shapes such as a circular shape, an elliptical shape, a rectangular shape, a polygonal shape, and an indefinite shape.
  • the size of the opening surface of the through hole 75 is not particularly limited as long as the electrical connection with the conductive member 76 can be secured and the piezoelectric element can operate properly.
  • the area of the opening surface of the through hole 75 should be sufficiently larger than the total area of the holes 31. For example, when the diameter of the hole 31 is 3 mm and the number of holes is 5, the total area of the holes is about 141 mm 2 , but the size of the opening surface of the through hole 75 is 150 mm 2 or more. Is preferable, 150 mm 2 to 1000 mm 2 is more preferable, and 200 mm 2 to 700 mm 2 is further preferable.
  • the configuration has one hole portion 31 and one filling member 70, but the present invention is not limited to this, and a plurality of hole portions 31 and filling member 70 may be provided.
  • the opening 73 of the conductive foil 72 with an adhesive layer is preferably sized to include the two or more holes 31, and the opening 73 is formed. It is preferable that each hole 31 is filled with the filling member 70 through the holes 31.
  • the conductive foil 72 with an adhesive layer has a plurality of openings 73 corresponding to each holes 31, and each hole 31 passes through each opening 73. May be configured to be filled with the filling member 70.
  • the conductive member 76 electrically connected to the upper electrode 26 via the filling member 70 and the conductive foil 72 with the adhesive layer on the upper protective layer 30 side, and the lower protective layer 28.
  • the conductive member 76 which is electrically connected to the lower electrode 24 via the filling member 70 and the conductive foil 72 with an adhesive layer on the side, is preferably arranged so that the positions in the plane direction do not overlap. As a result, it is possible to prevent the conductive member 76 on the upper electrode side 26 and the conductive member 76 on the lower electrode side 24 from coming into contact with each other to cause a short circuit.
  • such a piezoelectric element 10 generates (reproduces) sound due to vibration in response to an electric signal in various acoustic devices (audio equipment) such as speakers, microphones, and pickups used in musical instruments such as guitars. It is also used to convert sound vibrations into electrical signals.
  • the piezoelectric element can also be used for a pressure sensitive sensor, a power generation element, and the like.
  • the piezoelectric element 10 when used for a speaker, it may be used as a sound generated by the vibration of the film-shaped piezoelectric element 10 itself.
  • the piezoelectric element 10 may be attached to a diaphragm and used as an exciter that vibrates the diaphragm by the vibration of the piezoelectric element 10 to generate sound.
  • each component of the piezoelectric element of the present invention will be described.
  • the piezoelectric layer 20 may be a layer made of a known piezoelectric material.
  • the piezoelectric layer 20 is preferably a polymer composite piezoelectric body containing the piezoelectric particles 36 in the matrix 34 containing the polymer material.
  • the material of the matrix 34 (matrix and binder) of the polymer composite piezoelectric body constituting the piezoelectric layer 20 it is preferable to use a polymer material having viscoelasticity at room temperature.
  • the piezoelectric element 10 of the present invention is suitably used for a speaker having flexibility such as a speaker for a flexible display.
  • the polymer composite piezoelectric body (piezoelectric layer 20) used for the flexible speaker preferably has the following requirements. Therefore, it is preferable to use a polymer material having viscoelasticity at room temperature as a material satisfying the following requirements.
  • room temperature refers to a temperature range of about 0 to 50 ° C.
  • (Ii) Sound quality A speaker vibrates piezoelectric particles at a frequency in the audio band of 20 Hz to 20 kHz, and the vibration energy causes the entire polymer composite piezoelectric body (piezoelectric element) to vibrate as a unit, thereby reproducing sound. To. Therefore, in order to increase the transmission efficiency of vibration energy, the polymer composite piezoelectric material is required to have an appropriate hardness. Further, if the frequency characteristic of the speaker is smooth, the amount of change in sound quality when the minimum resonance frequency changes with the change in curvature also becomes small. Therefore, the loss tangent of the polymer composite piezoelectric material is required to be moderately large.
  • the polymer composite piezoelectric material is required to behave hard against vibrations of 20 Hz to 20 kHz and soft against vibrations of several Hz or less. Further, the loss tangent of the polymer composite piezoelectric body is required to be appropriately large for vibrations of all frequencies of 20 kHz or less.
  • polymer solids have a viscoelastic relaxation mechanism, and large-scale molecular motion decreases (Relaxation) or maximizes loss elastic modulus (absorption) as the temperature rises or the frequency decreases.
  • Relaxation large-scale molecular motion decreases
  • absorption loss elastic modulus
  • main dispersion the relaxation caused by the micro-Brownian motion of the molecular chain in the amorphous region is called main dispersion, and a very large relaxation phenomenon is observed.
  • the temperature at which this main dispersion occurs is the glass transition point (Tg), and the viscoelastic relaxation mechanism appears most prominently.
  • the polymer composite piezoelectric body (piezoelectric layer 20), by using a polymer material having a glass transition point at room temperature, in other words, a polymer material having viscoelasticity at room temperature, for vibration of 20 Hz to 20 kHz.
  • a polymer composite piezoelectric material that is hard and behaves softly against slow vibrations of several Hz or less is realized.
  • the polymer material having viscoelasticity at room temperature various known materials can be used as long as they have dielectric properties.
  • a polymer material having a maximum loss tangent value of 0.5 or more at a frequency of 1 Hz by a dynamic viscoelasticity test at room temperature, that is, 0 ° C. to 50 ° C. is used.
  • the polymer material preferably has a storage elastic modulus (E') at a frequency of 1 Hz measured by dynamic viscoelasticity measurement of 100 MPa or more at 0 ° C. and 10 MPa or less at 50 ° C.
  • E' storage elastic modulus
  • the polymer material has a relative permittivity of 10 or more at 25 ° C.
  • a voltage is applied to the polymer composite piezoelectric body, a higher electric field is applied to the piezoelectric particles in the matrix, so that a large amount of deformation can be expected.
  • the polymer material has a relative permittivity of 10 or less at 25 ° C.
  • polymer material satisfying such conditions examples include cyanoethylated polyvinyl alcohol (cyanoethylated PVA), polyvinyl acetate, polyvinylidene chloride core acrylonitrile, polystyrene-vinyl polyisoprene block copolymer, polyvinyl methyl ketone, and polybutyl. Methacrylate and the like are exemplified. Further, as these polymer materials, commercially available products such as Hybler 5127 (manufactured by Kuraray Co., Ltd.) can also be preferably used.
  • Hybler 5127 manufactured by Kuraray Co., Ltd.
  • the polymer material it is preferable to use a material having a cyanoethyl group, and it is particularly preferable to use cyanoethylated PVA.
  • these polymer materials may use only 1 type, and may use a plurality of types in combination (mixing).
  • a plurality of polymer materials may be used in combination, if necessary. That is, in addition to the polymer material having viscoelasticity at room temperature, other dielectric polymer materials may be added to the matrix 34 for the purpose of adjusting the dielectric properties and mechanical properties. ..
  • dielectric polymer material examples include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, and vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer.
  • fluoropolymers such as polyvinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene cyanide-vinyl acetate copolymer, cyanoethyl cellulose, cyanoethyl hydroxysaccharose, cyanoethyl hydroxycellulose, cyanoethyl hydroxypurrane, cyanoethyl methacrylate, cyanoethyl acrylate, cyanoethyl.
  • Cyano groups such as hydroxyethyl cellulose, cyanoethyl amylose, cyanoethyl hydroxypropyl cellulose, cyanoethyl dihydroxypropyl cellulose, cyanoethyl hydroxypropyl amylose, cyanoethyl polyacrylamide, cyanoethyl polyacrylate, cyanoethyl pullulan, cyanoethyl polyhydroxymethylene, cyanoethyl glycidol pullulan, cyanoethyl saccharose and cyanoethyl sorbitol.
  • a polymer having a cyanoethyl group a synthetic rubber such as a nitrile rubber or a chloroprene rubber, and the like are exemplified.
  • a polymer material having a cyanoethyl group is preferably used.
  • the dielectric polymer material added in addition to the polymer material having viscoelasticity at room temperature such as cyanoethylated PVA is not limited to one type, and a plurality of types are added. You may.
  • the matrix 34 contains a thermoplastic resin such as vinyl chloride resin, polyethylene, polystyrene, methacrylic resin, polybutene, and isobutylene, and phenol for the purpose of adjusting the glass transition point.
  • a resin, a urea resin, a melamine resin, an alkyd resin, and a thermosetting resin such as mica may be added.
  • a tackifier such as rosin ester, rosin, terpene, terpene phenol, and petroleum resin may be added.
  • the amount of the material other than the viscoelastic polymer material such as cyanoethylated PVA added to the matrix 34 of the piezoelectric layer 20 is not particularly limited, but is 30% by mass or less in proportion to the matrix 34. It is preferable to do so. As a result, the characteristics of the polymer material to be added can be exhibited without impairing the viscoelastic relaxation mechanism in the matrix 34, so that the dielectric constant can be increased, the heat resistance can be improved, and the adhesion to the piezoelectric particles 36 and the electrode layer can be improved. In this respect, favorable results can be obtained.
  • the piezoelectric layer 20 is a polymer composite piezoelectric body containing piezoelectric particles 36 in such a matrix 34.
  • the piezoelectric particles 36 are made of ceramic particles having a perovskite-type or wurtzite-type crystal structure. Examples of the ceramic particles constituting the piezoelectric particles 36 include lead zirconate titanate (PZT), lead lanthanate lanthanate titanate (PLZT), barium titanate (BaTIO 3 ), zinc oxide (ZnO), and zinc oxide (ZnO). Examples thereof include a solid solution (BFBT) of barium titanate and bismuth ferrite (BiFe 3). Only one type of these piezoelectric particles 36 may be used, or a plurality of types may be used in combination (mixed).
  • the particle size of the piezoelectric particles 36 is not limited, and may be appropriately selected depending on the size and application of the polymer composite piezoelectric body (piezoelectric element 10).
  • the particle size of the piezoelectric particles 36 is preferably 1 to 10 ⁇ m. By setting the particle size of the piezoelectric particles 36 in this range, it is possible to obtain preferable results in that the polymer composite piezoelectric body (piezoelectric element 10) can achieve both high piezoelectric characteristics and flexibility.
  • the piezoelectric particles 36 in the piezoelectric layer 20 are uniformly and regularly dispersed in the matrix 34, but the present invention is not limited to this. That is, the piezoelectric particles 36 in the piezoelectric layer 20 may be irregularly dispersed in the matrix 34 as long as they are preferably uniformly dispersed.
  • the amount ratio of the matrix 34 and the piezoelectric particles 36 in the piezoelectric layer 20 is not limited, and the size and thickness of the piezoelectric layer 20 in the plane direction and the polymer It may be appropriately set according to the use of the composite piezoelectric body, the characteristics required for the polymer composite piezoelectric body, and the like.
  • the volume fraction of the piezoelectric particles 36 in the piezoelectric layer 20 is preferably 30 to 80%, more preferably 50% or more, and therefore more preferably 50 to 80%.
  • the thickness of the piezoelectric layer 20 is not limited, and may be appropriately set according to the application of the polymer composite piezoelectric body, the characteristics required for the polymer composite piezoelectric body, and the like.
  • the thickness of the piezoelectric layer 20 is preferably 10 to 300 ⁇ m, more preferably 20 to 200 ⁇ m, and even more preferably 30 to 150 ⁇ m.
  • the piezoelectric element 10 of the illustrated example has a lower electrode 24 on one surface of the piezoelectric layer 20, a lower protective layer 28 on the surface thereof, and an upper portion on the other surface of the piezoelectric layer 20. It has an electrode 26 and has an upper protective layer 30 on its surface.
  • the upper electrode 26 and the lower electrode 24 form an electrode pair.
  • the piezoelectric element 10 has a configuration in which both sides of the piezoelectric layer 20 are sandwiched between electrode pairs, that is, the upper electrode 26 and the lower electrode 24, and the laminate is sandwiched between the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30. Have. In this way, in the piezoelectric element 10, the region held by the upper electrode 26 and the lower electrode 24 is expanded and contracted according to the applied voltage.
  • the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 cover the upper electrode 26 and the lower electrode 24, and also play a role of imparting appropriate rigidity and mechanical strength to the piezoelectric layer 20. That is, in the piezoelectric element 10, the piezoelectric layer 20 composed of the matrix 34 and the piezoelectric particles 36 exhibits extremely excellent flexibility with respect to slow bending deformation, but on the other hand, depending on the application, rigidity or Mechanical strength may be insufficient.
  • the piezoelectric element 10 is provided with a lower protective layer 28 and an upper protective layer 30 to supplement the piezoelectric element 10.
  • the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 are not limited, and various sheet-like materials can be used, and as an example, various resin films are preferably exemplified.
  • various resin films are preferably exemplified.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PP polypropylene
  • PS polystyrene
  • PC polycarbonate
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PET polypropylene
  • PS polystyrene
  • PC polycarbonate
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • PEI Polyetherimide
  • PI Polystyrene
  • PEN Polyethylene Naphthalate
  • TAC Triacetyl Cellulose
  • a resin film made of a cyclic olefin resin or the like are preferably used.
  • the thickness of the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 there is also no limitation on the thickness of the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30. Further, the thicknesses of the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 are basically the same, but may be different. Here, if the rigidity of the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 is too high, not only the expansion and contraction of the piezoelectric layer 20 is restricted, but also the flexibility is impaired. Therefore, the thinner the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30, the more advantageous it is, except when mechanical strength and good handleability as a sheet-like material are required.
  • the thickness of the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 is preferably 3 ⁇ m to 100 ⁇ m, more preferably 3 ⁇ m to 50 ⁇ m, further preferably 3 ⁇ m to 30 ⁇ m, and particularly preferably 4 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the thickness of the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 is twice or less the thickness of the piezoelectric layer 20, it is possible to ensure both rigidity and appropriate flexibility. In terms of points, favorable results can be obtained.
  • the thickness of the piezoelectric layer 20 is 50 ⁇ m and the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 are made of PET
  • the thickness of the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 is preferably 100 ⁇ m or less, more preferably 50 ⁇ m or less. , 25 ⁇ m or less is more preferable.
  • a lower electrode 24 is formed between the piezoelectric layer 20 and the lower protective layer 28, and an upper electrode 26 is formed between the piezoelectric layer 20 and the upper protective layer 30.
  • the lower electrode 24 and the upper electrode 26 are provided to apply a driving voltage to the piezoelectric layer 20.
  • the materials for forming the lower electrode 24 and the upper electrode 26 are not limited, and various conductors can be used. Specifically, alloys such as carbon, palladium, iron, tin, aluminum, nickel, platinum, gold, silver, copper, titanium, chromium and molybdenum, laminates and composites of these metals and alloys, and Examples thereof include indium tin oxide. Among them, copper, aluminum, gold, silver, platinum, and indium tin oxide are preferably exemplified as the lower electrode 24 and the upper electrode 26.
  • a vapor phase deposition method such as vacuum deposition and sputtering, a film formation by plating, and a foil formed of the above materials
  • Various known methods such as a method of sticking can be used.
  • thin films such as copper and aluminum formed by vacuum deposition are preferably used as the lower electrode 24 and the upper electrode 26 because the flexibility of the piezoelectric element 10 can be ensured.
  • a copper thin film produced by vacuum deposition is preferably used.
  • the thickness of the lower electrode 24 and the upper electrode 26 There is no limitation on the thickness of the lower electrode 24 and the upper electrode 26. Further, the thicknesses of the lower electrode 24 and the upper electrode 26 are basically the same, but may be different.
  • the lower electrode 24 and the upper electrode 26 are preferably thin film electrodes.
  • the thickness of the lower electrode 24 and the upper electrode 26 is thinner than that of the protective layer, preferably 0.05 ⁇ m to 10 ⁇ m, more preferably 0.05 ⁇ m to 5 ⁇ m, further preferably 0.08 ⁇ m to 3 ⁇ m, and 0.1 ⁇ m to 2 ⁇ m. Especially preferable.
  • the piezoelectric element 10 if the product of the thickness of the lower electrode 24 and the upper electrode 26 and the Young's modulus is less than the product of the thickness of the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 and the Young's modulus, the piezoelectric element 10 is flexible. It is suitable because it does not significantly impair the properties.
  • the lower protective layer 28 and the upper protective layer 30 are made of PET (Young's modulus: about 6.2 GPa) and the lower electrode 24 and the upper electrode 26 are made of copper (Young's modulus: about 130 GPa)
  • the lower protective layer 28 is used.
  • the thickness of the lower electrode 24 and the upper electrode 26 is preferably 1.2 ⁇ m or less, more preferably 0.3 ⁇ m or less, and particularly preferably 0.1 ⁇ m or less.
  • the piezoelectric element 10 preferably has a maximum value of loss tangent (Tan ⁇ ) at a frequency of 1 Hz as measured by dynamic viscoelasticity measurement at room temperature, and more preferably has a maximum value of 0.1 or more at room temperature.
  • Tan ⁇ loss tangent
  • the piezoelectric element 10 preferably has a storage elastic modulus (E') at a frequency of 1 Hz measured by dynamic viscoelasticity measurement of 10 GPa to 30 GPa at 0 ° C. and 1 GPa to 10 GPa at 50 ° C.
  • E' storage elastic modulus
  • the piezoelectric element 10 can have a large frequency dispersion in the storage elastic modulus (E'). That is, it can behave hard for vibrations of 20 Hz to 20 kHz and soft for vibrations of several Hz or less.
  • the product of the thickness and the storage elastic modulus at a frequency of 1 Hz by dynamic viscoelasticity measurement is 1.0 ⁇ 10 5 to 2.0 ⁇ 10 6 (1.0E + 05 to 2. It is preferably 0E + 06) N / m, and preferably 1.0 ⁇ 10 5 to 1.0 ⁇ 10 6 (1.0E + 05 to 1.0E + 06) N / m at 50 ° C.
  • the piezoelectric layer 20 can be provided with appropriate rigidity and mechanical strength as long as the flexibility and acoustic characteristics are not impaired.
  • the piezoelectric element 10 preferably has a loss tangent of 0.05 or more at 25 ° C. and a frequency of 1 kHz in the master curve obtained from the dynamic viscoelasticity measurement. The same applies to the piezoelectric layer 20 with respect to this condition. As a result, the frequency characteristics of the speaker using the piezoelectric element 10 become smooth, and the change in sound quality when the minimum resonance frequency f 0 changes with the change in the curvature of the speaker can be reduced.
  • the storage elastic modulus (Young's modulus) and the loss tangent of the piezoelectric element 10 and the piezoelectric layer 20 may be measured by a known method.
  • the measurement may be performed using a dynamic viscoelasticity measuring device DMS6100 manufactured by SII Nanotechnology Inc. (manufactured by SII Nanotechnology Inc.).
  • the measurement frequency is 0.1 Hz to 20 Hz (0.1 Hz, 0.2 Hz, 0.5 Hz, 1 Hz, 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz and 20 Hz)
  • the measurement temperature is -50 to 150 ° C.
  • the temperature rise rate is 2 ° C./min (in a nitrogen atmosphere)
  • the sample size is 40 mm ⁇ 10 mm (including the clamp region)
  • the inter-chuck distance is 20 mm, respectively.
  • the filling member 70 is a cured liquid conductive material.
  • As the conductive material used as the filling member 70 silver paste, metal nanoparticle ink (Ag, Au) and the like can be used.
  • the viscosity of the conductive material is preferably 10 mPa ⁇ s (millipascal seconds) to 20 Pa ⁇ s (pascal seconds), more preferably 0.1 Pa ⁇ s to 15 Pa ⁇ s, and further preferably 0.5 Pa ⁇ s to 10 Pa ⁇ s. preferable.
  • the specific resistance of the filling member 70 after curing is preferably 1 ⁇ 10 ⁇ -6 ( ⁇ ⁇ cm) to 1 ⁇ 10 ⁇ -3 ( ⁇ ⁇ cm), and 1 ⁇ 10 ⁇ -6 ( ⁇ ⁇ cm) to 8 ⁇ .
  • 10 ⁇ -4 ( ⁇ ⁇ cm) is more preferable, and 1 ⁇ 10 ⁇ -6 ( ⁇ ⁇ cm) to 1 ⁇ 10 ⁇ -4 ( ⁇ ⁇ cm) is even more preferable.
  • the conductive foil 72 with an adhesive layer has an adhesive layer on one surface of a conductive sheet which is a sheet-like material formed of a conductive metal material. Copper, aluminum, gold, silver and the like are preferably exemplified as the material of the conductive sheet.
  • the adhesive layer of the conductive foil 72 with an adhesive layer may be such that the conductive sheet and the protective layer can be adhered to each other.
  • a conductive acrylic adhesive material is preferably exemplified.
  • the shape and size of the conductive foil 72 with an adhesive layer are not particularly limited.
  • the shape and size of the conductive foil 72 with an adhesive layer are such that the opening 73 can be formed, the filling member 70 can be formed, the conductive member 76 can be connected, and the drive of the piezoelectric element 10 is not constrained. Goodbye.
  • the thickness of the conductive foil 72 with an adhesive layer is not particularly limited as long as it can secure electrical connection with the filling member 70 and the conductive member 76 and does not restrain the drive of the piezoelectric element 10. Good.
  • the covering member 74 is an insulating sheet-like member.
  • Examples of the material of the covering member 74 include polyimide and heat-resistant PET.
  • the shape and size of the covering member 74 are not particularly limited.
  • the shape and size of the covering member 74 can prevent the filling member 70 from being pulled by covering at least a part of the filling member 70 and the conductive foil 72 with an adhesive layer, and a through hole is provided at a position not overlapping with the filling member 70.
  • the shape and size may be such that the drive of the piezoelectric element 10 is not restricted.
  • the covering member 74 preferably covers the entire surface of the filling member 70, and preferably covers the entire surface of the conductive foil 72 with an adhesive layer.
  • the thickness of the covering member 74 is not particularly limited as long as it can suppress the filling member 70 from being pulled and does not restrain the drive of the piezoelectric element 10.
  • the conductive member 76 is a sheet-like or wire-like material formed of a conductive metal material.
  • a conductive metal material As the material of the conductive member 76, copper, aluminum, gold, silver and the like are preferably exemplified.
  • the shape and size of the conductive member 76 are not particularly limited.
  • the shape and size of the conductive member 76 may be any shape and size that can be electrically connected to the conductive foil 72 with an adhesive layer in the through hole 75 of the covering member 74 and can be used as a drawer electrode.
  • the method of connecting the conductive member 76 to the conductive foil 72 with an adhesive layer is not particularly limited, and known methods such as a method using solder, a method using a conductive adhesive, and welding can be used.
  • a sheet-like object 10a in which the lower electrode 24 is formed on the lower protective layer 28 is prepared.
  • the sheet-like material 10a may be produced by forming a copper thin film or the like as the lower electrode 24 on the surface of the lower protective layer 28 by vacuum deposition, sputtering, plating or the like.
  • the lower protective layer 28 with a separator temporary support
  • PET or the like having a thickness of 25 ⁇ m to 100 ⁇ m can be used.
  • the separator may be removed after the upper electrode 26 and the upper protective layer 30 are thermocompression-bonded and before any member is laminated on the lower protective layer 28.
  • a polymer material to be a matrix material is dissolved in an organic solvent, and piezoelectric particles 36 such as PZT particles are added and stirred to prepare a dispersed coating material.
  • organic solvent there are no restrictions on the organic solvent other than the above substances, and various organic solvents can be used.
  • the paint is cast (applied) to the sheet-like material 10a to evaporate the organic solvent and dry it.
  • a laminated body 10b having a lower electrode 24 on the lower protective layer 28 and forming a piezoelectric layer 20 on the lower electrode 24 is produced.
  • the lower electrode 24 is an electrode on the base material side when the piezoelectric layer 20 is applied, and does not indicate the vertical positional relationship in the laminated body.
  • a dielectric polymer material may be added to the matrix 34 in addition to the viscoelastic material such as cyanoethylated PVA.
  • the polymer materials to be added to the paint described above may be dissolved.
  • the laminated body 10b having the lower electrode 24 on the lower protective layer 28 and forming the piezoelectric layer 20 on the lower electrode 24 is produced, it is preferable to perform the polarization treatment (polling) of the piezoelectric layer 20.
  • the method for polarization treatment of the piezoelectric layer 20 is not limited, and known methods can be used.
  • a calendar treatment may be performed in which the surface of the piezoelectric layer 20 is smoothed by using a heating roller or the like. By performing this calendar processing, the thermocompression bonding process described later can be smoothly performed.
  • a sheet-like material 10c in which the upper electrode 26 is formed on the upper protective layer 30 is prepared.
  • the sheet-like material 10c may be produced by forming a copper thin film or the like as the upper electrode 26 on the surface of the upper protective layer 30 by vacuum deposition, sputtering, plating or the like.
  • the upper electrode 26 is directed toward the piezoelectric layer 20, and the sheet-like material 10c is laminated on the laminated body 10b that has completed the polarization treatment of the piezoelectric layer 20. Further, the laminate of the laminate 10b and the sheet-like material 10c is thermocompression-bonded with a heating press device or a heating roller or the like so as to sandwich the upper protective layer 30 and the lower protective layer 28.
  • a laminated body in which an electrode layer and a protective layer are laminated on both sides of the piezoelectric layer 20 is produced.
  • the produced laminate may be cut into a desired shape according to various uses.
  • Such a laminate may be produced using a cut sheet-like sheet, or may be produced by roll-to-roll (hereinafter, also referred to as RtoR).
  • a hole is provided in the protective layer of the laminated body, the conductive foil with the adhesive layer is laminated, the filling member is filled and covered with the covering member, and the conductive member is connected to the conductive foil with the adhesive layer.
  • a hole 31 is formed in the upper protective layer 30, and a hole 29 is formed in the lower protective layer 28.
  • the hole 31 is formed by laser processing (carbon dioxide laser, etc.) or by pressing to make a cut in the protective layer in the depth direction (for example, the thickness of the protective layer is 10 ⁇ m and the thickness of the electrode layer is 2 ⁇ m.
  • the protective layer is formed by making a circular cut from 8 to 9.5 ⁇ m in the thickness direction of the protective layer and then peeling off the circular portion), the protective layer may be peeled off.
  • the conductive foil 72 with the adhesive layer is laminated on the protective layer as shown in FIG.
  • the conductive foil 72 with the adhesive layer may be laminated at a position where the opening 73 overlaps the hole of the protective layer.
  • the conductive foil 72 with an adhesive layer on which the opening 73 is not formed may be laminated so as to cover the holes, and then the conductive foil 72 with an adhesive layer may be provided with the opening 73.
  • a liquid conductive material 84 is applied from the opening 73 to the hole of the conductive foil 72 with the adhesive layer.
  • the conductive material 84 is applied so as to protrude from the opening 73 to the surface of the conductive foil 72 with the adhesive layer.
  • silk screen printing, dropping with a dispenser, coating with a brush, and the like can be used as a coating method of the conductive material 84.
  • the conductive material 84 is cured to form the filling member 70.
  • the method for curing the conductive material 84 may be a method according to the conductive material 84.
  • heat drying and the like can be mentioned.
  • the covering member 74 is laminated on the filling member 70 and the conductive foil 72 with an adhesive layer.
  • the covering member 74 may be laminated at a position where the through hole 75 does not overlap with the filling member 70 and overlaps with the conductive foil 72 with an adhesive layer. Good.
  • the through hole 75 may be provided at a position overlapping the conductive foil 72 with the adhesive layer. Good.
  • the covering member 74 may be adhered to the conductive foil 72 with an adhesive layer or a protective layer with an adhesive, an adhesive, or the like.
  • the conductive member 76 is electrically connected to the conductive foil 72 with an adhesive layer in the through hole 75 of the covering member 74.
  • the conductive member 76 and the conductive foil 72 with an adhesive layer may be connected by solder, a conductive adhesive, or the like.
  • the piezoelectric element of the present invention is produced by the above steps.
  • the piezoelectric element 10 when a voltage is applied to the lower electrode 24 and the upper electrode 26, the piezoelectric particles 36 expand and contract in the polarization direction according to the applied voltage. As a result, the piezoelectric element 10 (piezoelectric layer 20) shrinks in the thickness direction. At the same time, the piezoelectric element 10 expands and contracts in the in-plane direction due to the pore ratio. This expansion and contraction is about 0.01 to 0.1%. As described above, it expands and contracts isotropically in all directions in the in-plane direction. As described above, the thickness of the piezoelectric layer 20 is preferably about 10 to 300 ⁇ m. Therefore, the expansion and contraction in the thickness direction is very small, about 0.3 ⁇ m at the maximum.
  • the piezoelectric element 10 that is, the piezoelectric layer 20, has a size much larger than the thickness in the plane direction. Therefore, for example, if the length of the piezoelectric element 10 is 20 cm, the piezoelectric element 10 expands and contracts by a maximum of about 0.2 mm when a voltage is applied. Further, when pressure is applied to the piezoelectric element 10, electric power is generated by the action of the piezoelectric particles 36. By utilizing this, the piezoelectric element 10 can be used for various purposes such as a speaker, a microphone, and a pressure-sensitive sensor, as described above.
  • a general piezoelectric element made of a polymer material such as PVDF has in-plane anisotropy in the piezoelectric characteristics, and has anisotropy in the amount of expansion and contraction in the plane direction when a voltage is applied.
  • the piezoelectric layer made of a polymer composite piezoelectric material containing piezoelectric particles in a matrix containing a polymer material has no in-plane anisotropy in the piezoelectric characteristics and is isotropic in all directions in the in-plane direction. Expands and contracts.
  • the piezoelectric element 10 that expands and contracts isotropically and two-dimensionally, it is possible to vibrate with a larger force than when a general piezoelectric element such as PVDF that expands and contracts greatly in only one direction is laminated. , Can generate louder and more beautiful sound.
  • the configuration is such that one piezoelectric element 10 is provided, but the present invention is not limited to this, and a plurality of piezoelectric elements 10 of the present invention may be laminated. Further, the piezoelectric element 10 of the present invention may have a long shape and may be folded back once or more, preferably a plurality of times in the longitudinal direction to form a stack of a plurality of layers of the piezoelectric element 10.
  • Piezoelectric element 10a 10c Sheet-like material 10b Laminated body 20 Piezoelectric layer 24 Lower electrode 26 Upper electrode 28 Lower protective layer 29, 31 Holes 30 Upper protective layer 34 Matrix 36 Piezoelectric particles 70 Filling member 72 Conductive foil with adhesive layer 73 Opening 74 Covering member 75 Through hole 76 Conductive member 84 Conductive material

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Abstract

電極層への接続不良の発生を防止できる圧電素子を提供する。　圧電層、圧電層の両面に形成される電極層、および、電極層の、圧電層側の面とは反対側の面に積層される保護層を有する圧電素子であって、保護層の電極層とは反対側の面に積層される粘着層付き導電箔を有し、保護層は、表面から電極層まで貫通する孔部を有し、粘着層付き導電箔は、面方向において、保護層の孔部と重複する位置に開口部を有し、保護層の孔部および粘着層付き導電箔の開口部内から粘着層付き導電箔の表面の少なくとも一部に形成され、電極層と粘着層付き導電箔とに電気的に接続される、導電性材料からなる充填部材と、充填部材および粘着層付き導電箔を覆う被覆部材を有し、被覆部材は、面方向において、充填部材と重複しない位置に貫通孔を有し、被覆部材の貫通孔に挿入されて粘着層付き導電箔と電気的に接続される導電性部材、を有する。

Description

圧電素子
　本発明は、圧電素子に関する。
　液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなど、ディスプレイの薄型化に対応して、これらの薄型ディスプレイに用いられるスピーカーにも軽量化および薄型化が要求されている。さらに、可撓性を有するフレキシブルディスプレイにおいて、軽量性および可撓性を損なうことなくフレキシブルディスプレイに一体化するために、可撓性も要求されている。このような軽量および薄型で可撓性を有するスピーカーとして、印加電圧に応答して伸縮する性質を有するシート状の圧電素子（電気音響変換フィルム）を採用することが考えられている。
　このような可撓性を有するシート状の圧電素子として、圧電層の両面に電極層および保護層を有する圧電素子が提案されている。
　例えば、特許文献１には、誘電性を有する層と、誘電性を有する層（圧電層）の両面に形成される薄膜電極と、両方の薄膜電極の表面に形成される保護層とを有し、さらに、保護層の少なくとも一方が、周辺部よりも膜厚が薄い薄層部を有する電気音響変換フィルムが記載されている。
　このような電気音響変換フィルムにおいて、電極層に電圧を印加して電気音響変換フィルムを振動させるためには、電極層の厚さを非常に薄くする必要がある。例えば、電極層は、厚さ１μｍ以下の蒸着膜などが適している。
　一方、電気音響変換フィルムをスピーカ等として実装するためには、電極層を引き出して、此処に配線を接続する必要がある。
　しかしながら、蒸着膜のような薄い電極層は、電気音響変換フィルムの面外に引き出すことは困難である。また、蒸着膜のような薄い電極を、配線との接続のために外部に剥き出しにして、この状態で保管すると、保管環境によっては電極が酸化して、導電性が低下してしまう。
　これに対して、保護層に孔部を設けて、この孔部に導電材料を挿入し、導電材料に引出し配線を接続することが提案されている。
　例えば、特許文献１では、保護層に凹部を設け、この凹部に導電材料を挿入し、この導電材料に電極層と外部の装置とを電気的に接続するための引出し配線を接続する構成が記載されている。これにより、電極層と引出し配線との電気的接続を確実にでき、また、電極層は全面的に保護層に覆われているので、酸化等によって電極層が劣化することを防止できることが記載されている。
特開２０１６－０１５３５４号公報
　しかしながら、保護層に孔部を設けた場合、保護層が除去された部分の電極層はわずかな外力で破れやすい。そのため、保護層の孔部に導電材料を挿入して電気的接点を設けた場合、導電材料に直接、外力が加わると、導電材料と電極層とが剥離する力によって電極層に外力が加わる。その結果、電極層が破れて、電極層への接続不良が発生してしまうという問題があった。
　本発明の課題は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、電極層への接続不良の発生を防止できる圧電素子を提供することにある。
　上述した課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
　［１］　圧電層、圧電層の両面に形成される電極層、および、電極層の、圧電層側の面とは反対側の面に積層される保護層を有する圧電素子であって、
　保護層の電極層とは反対側の面に積層される導電箔を有し、
　保護層は、表面から電極層まで貫通する孔部を有し、
　導電箔は、面方向において、保護層の孔部と重複する位置に開口部を有し、
　保護層の孔部および導電箔の開口部内から導電箔の表面の少なくとも一部に形成され、電極層と導電箔とに電気的に接続される、導電性材料からなる充填部材と、
　充填部材および導電箔の少なくとも一部を覆う被覆部材を有し、
　被覆部材は、面方向において、充填部材と重複しない位置に貫通孔を有し、
　被覆部材の貫通孔に挿入されて導電箔と電気的に接続される導電性部材、を有する圧電素子。
　［２］　被覆部材は、充填部材および導電箔の全面を覆っている［１］に記載の圧電素子。
　［３］　保護層は、孔部を複数有し、
　複数の孔部それぞれに充填部材が設けられており、
　複数の充填部材が、導電箔の表面において連結している［１］または［２］に記載の圧電素子。
　［４］　保護層の厚みは３μｍ～１００μｍである［１］～［３］のいずれかに記載の圧電素子。
　［５］　電極層の厚みは０．０５μｍ～１０μｍである［１］～［４］のいずれかに記載の圧電素子。
　［６］　圧電層は、高分子材料を含むマトリックス中に圧電体粒子を含む高分子複合圧電体からなる［１］～［５］のいずれかに記載の圧電素子。
　本発明によれば、電極層への接続不良の発生を防止できる圧電素子が提供される。
本発明の圧電素子の一例を模式的に示す平面図である。 図１のＡ－Ａ線断面図である。 図１のＢ－Ｂ線断面図である。 圧電素子の作製方法の一例を説明するための概念図である。 圧電素子の作製方法の一例を説明するための概念図である。 圧電素子の作製方法の一例を説明するための概念図である。 圧電素子の作製方法の一例を説明するための概念図である。 圧電素子の作製方法の一例を説明するための概念図である。 圧電素子の作製方法の一例を説明するための概念図である。 圧電素子の作製方法の一例を説明するための概念図である。
　以下、本発明の圧電素子について、添付の図面に示される好適実施例を基に、詳細に説明する。
　以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
　なお、本明細書において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
［圧電素子］
　本発明の圧電素子は、
　圧電層、圧電層の両面に形成される電極層、および、電極層の、圧電層側の面とは反対側の面に積層される保護層を有する圧電素子であって、
　保護層の電極層とは反対側の面に積層される導電箔を有し、
　保護層は、表面から電極層まで貫通する孔部を有し、
　導電箔は、面方向において、保護層の孔部と重複する位置に開口部を有し、
　保護層の孔部および導電箔の開口部内から導電箔の表面の少なくとも一部に形成され、電極層と導電箔とに電気的に接続される、導電性材料からなる充填部材と、
　充填部材および導電箔を覆う被覆部材を有し、
　被覆部材は、面方向において、充填部材と重複しない位置に貫通孔を有し、
　被覆部材の貫通孔に挿入されて導電箔と電気的に接続される導電性部材、を有する圧電素子である。
　図１に、本発明の圧電素子の一例を模式的に表す平面図を示す。図２に、図１の圧電素子のＡ－Ａ線断面図を示す。図３に、図１の圧電素子のＢ－Ｂ線断面およびＣ－Ｃ線断面の一部を拡大した断面図を示す。なお、図３において、図中上側にＢ－Ｂ線断面の図を示し、図中下側にＣ－Ｃ線断面の図を示している。
　図１～図３に示す圧電素子１０は、圧電性を有するシート状物である圧電層２０と、圧電層２０の一方の面に積層される下部電極２４と、下部電極２４に積層される下部保護層２８と、圧電層２０の他方の面に積層される上部電極２６と、上部電極２６に積層される上部保護層３０と、充填部材７０と、粘着層付き導電箔７２と、被覆部材７４と、導電性部材７６と、を有する。
　図１に示す圧電層２０は、高分子材料を含むマトリックス３４中に、圧電体粒子３６を含むものである。また、下部電極２４および上部電極２６は、本発明における電極層である。また、下部保護層２８および上部保護層３０は、本発明における保護層である。また、粘着層付き導電箔７２は、本発明における導電箔である。
　なお、粘着層付き導電箔７２の粘着層は、保護層と導電箔とを接着するための層であるが、導電箔は、粘着層付き導電箔に限定はされず、粘着剤あるいは接着剤を用いて保護層に接着されてもよい。その際、粘着剤あるいは接着剤は、保護層と導電箔とを接着できれば特に限定はされないが、アクリル系、ウレタン系、および、シリコン系等の粘着剤（接着剤）が好適に用いられる。
　後述するが、圧電素子１０（圧電層２０）は、好ましい態様として、厚さ方向に分極されている。
　図３に示すように、上部保護層３０は表面から上部電極２６まで貫通する孔部３１を有する。すなわち、孔部３１は、上部電極２６とは反対側の表面から上部電極２６側の界面まで上部保護層３０を貫通して形成されている。図１に示すように、孔部３１は、面方向において、上部保護層３０の端部近傍に形成されている。
　同様に、下部保護層２８は表面から下部電極２４まで貫通する孔部２９を有する。すなわち、孔部２９は、下部電極２４とは反対側の表面から下部電極２４側の界面まで下部保護層２８を貫通して形成されている。図１に示すように、孔部２９は、面方向において、下部保護層２８の端部近傍に形成されている。
　上部保護層３０の孔部３１近傍の表面には、粘着層付き導電箔７２が貼着されている。粘着層付き導電箔７２は、導電箔の一方の面に粘着層が設けられたもので、粘着層側を上部保護層３０に向けて積層されることで上部保護層３０に貼着されている。
　図３に示すように、粘着層付き導電箔７２には、面方向において、上部保護層３０の孔部３１と重複する位置に開口部７３を有する。
　充填部材７０は、導電性材料からなり、孔部３１および開口部７３内に充填され、粘着層付き導電箔７２の表面の一部まで覆うように形成されている。充填部材７０は、孔部３１内で上部電極２６と接触して、上部電極２６と電気的に接続されている。また、充填部材７０は、粘着層付き導電箔７２の表面で、粘着層付き導電箔７２と接続されている。
　被覆部材７４は、絶縁性のシート状の部材であり、面方向において、充填部材７０および粘着層付き導電箔７２の少なくとも一部を覆うように積層される。図１に示す例では、被覆部材７４は、充填部材７０および粘着層付き導電箔７２の全面を覆うように積層されている。
　被覆部材７４は、面方向において、充填部材７０と重複せず、粘着層付き導電箔７２と重複する位置に厚さ方向に貫通する貫通孔７５を有する。
　導電性部材７６は、導電性を有するシート状あるいはワイヤー状の部材である。導電性部材７６は、被覆部材７４の貫通孔７５に挿入されて粘着層付き導電箔７２と電気的に接続される。
　同様に、図３に示すように、下部保護層２８の孔部２９近傍の表面には、開口部７３を有する粘着層付き導電箔７２が貼着され、充填部材７０が、孔部３１および開口部７３内に充填され、被覆部材７４が、充填部材７０および粘着層付き導電箔７２の少なくとも一部を覆うように積層され、導電性部材７６が、被覆部材７４の貫通孔７５に挿入されて粘着層付き導電箔７２と電気的に接続されている。
　このように圧電素子１０において、導電性部材７６は粘着層付き導電箔７２と電気的に接続されており、粘着層付き導電箔７２は充填部材７０と電気的に接続されており、充填部材７０は電極層と電気的に接続されている。そのため、導電性部材７６を引出し配線として利用することができ、導電性部材７６に配線を接続することができる。あるいは、導電性部材７６を配線として利用することができる。
　ここで、前述のとおり、保護層に孔部を設けた場合、保護層が除去された部分の電極層はわずかな外力で破れやすくなる。そのため、保護層の孔部に導電材料を挿入して電気的接点を設けた場合、導電材料に直接、外力が加わると、導電材料と電極層とが剥離する力によって電極層に外力が加わる。その結果、電極層が破れて、電極層への接続不良が発生してしまうという問題があった。
　これに対して、本発明の圧電素子は、保護層の孔部に充填される充填部材を、被覆部材で覆っているため、充填部材が外力によって引っ張られることを抑制できる。そのため、導電材料と電極層とが剥離する力によって電極層に外力が加わり、電極層が破れることを防止できる。また、充填部材および孔部を被覆部材で覆っているため、充填部材および／または電極層が酸化することを抑制できる。また、被覆部材が貫通孔を有し、貫通孔内で、導電性部材が粘着層付き導電箔および充填部材を介して電極層に電気的に接続しているので、電極層への電気的接続を確実に行うことができる。
　ここで、保護層の孔部２９および３１の開口面の形状には限定はなく、円形状、楕円形状、矩形状、多角形状、不定形状等の種々の形状とすることができる。形成の容易性等の観点から円形状が好ましい。
　また、孔部の開口面の大きさとしては、充填部材７０との電気的接続が確保でき、圧電素子が適正に動作できる大きさであれば特に限定はない。孔部の開口面の円相当直径は、０．５ｍｍ～２０ｍｍが好ましく、１．５ｍｍ～５ｍｍがより好ましく、２ｍｍ～３ｍｍがさらに好ましい。
　また、粘着層付き導電箔７２の開口部７３の開口面の形状には限定はなく、円形状、楕円形状、矩形状、多角形状、不定形状等の種々の形状とすることができる。形成の容易性等の観点から円形状が好ましい。
　また、開口部７３の開口面の大きさとしては、充填部材７０との電気的接続が確保でき、圧電素子が適正に動作できる大きさであれば特に限定はない。電気的接続を確保する観点から、開口部７３は、孔部３１を包含する形状および大きさであるのが好ましい。
　例えば、孔部３１の直径が３ｍｍの場合には、開口部７３の開口面の円相当直径は、４ｍｍ～２０ｍｍが好ましく、５ｍｍ～１５ｍｍがより好ましく、５ｍｍ～１２ｍｍがさらに好ましい。
　また、充填部材７０の、粘着層付き導電箔７２上における大きさ（面方向の大きさ）は、粘着層付き導電箔７２との電気的接続が確保できれば特に限定はない。充填部材７０の、粘着層付き導電箔７２上における円相当直径は、１ｍｍ～４０ｍｍが好ましく、２ｍｍ～３０ｍｍがより好ましく、２ｍｍ～２０ｍｍがさらに好ましい。
　また、被覆部材７４の貫通孔７５の開口面の形状には限定はなく、円形状、楕円形状、矩形状、多角形状、不定形状等の種々の形状とすることができる。
　また、貫通孔７５の開口面の大きさとしては、導電性部材７６との電気的接続が確保でき、圧電素子が適正に動作できる大きさであれば特に限定はない。好ましい形態としては、貫通孔７５の開口面の面積は孔部３１の合計面積よりも十分大きいほうがよい。例えば、孔部３１の直径を３ｍｍとし、孔部の数を５個とした場合には穴部の総面積は約１４１ｍｍ2であるが、貫通孔７５の開口面の大きさは、１５０ｍｍ2以上が好ましく、１５０ｍｍ2～１０００ｍｍ2がより好ましく、２００ｍｍ2～７００ｍｍ2がさらに好ましい。
　ここで、図３に示す例では、１つの孔部３１および１つの充填部材７０を有する構成としたがこれに限定はされず、孔部３１および充填部材７０を複数有していてもよい。
　例えば、２つ以上の孔部３１を有する場合には、粘着層付き導電箔７２の開口部７３は、２つ以上の孔部３１を包含する大きさであるのが好ましく、この開口部７３を介して各孔部３１に充填部材７０が充填されるのが好ましい。また、２つ以上の孔部３１を有する場合には、粘着層付き導電箔７２は各孔部３１に対応して複数の開口部７３を有し、各開口部７３を介して各孔部３１に充填部材７０が充填される構成であってもよい。
　ここで、図２に示す例においては、上部保護層３０側で充填部材７０および粘着層付き導電箔７２を介して上部電極２６と電気的に接続される導電性部材７６と、下部保護層２８側で充填部材７０および粘着層付き導電箔７２を介して下部電極２４と電気的に接続される導電性部材７６とは、好ましい態様として、面方向の位置が重畳しないように配置されている。これによって、上部電極側２６の導電性部材７６と、下部電極２４側の導電性部材７６とが接触して短絡することを抑制できる。
　このような圧電素子１０は、一例として、スピーカー、マイクロフォン、および、ギター等の楽器に用いられるピックアップなどの各種の音響デバイス（音響機器）において、電気信号に応じた振動による音の発生（再生）や、音による振動を電気信号に変換するために利用される。
　また、圧電素子は、これ以外にも、感圧センサおよび発電素子等にも利用可能である。
　また、例えば、圧電素子１０をスピーカーに用いる場合は、フィルム状の圧電素子１０自体の振動によって音を発生するものとして用いてもよい。あるいは、圧電素子１０は、振動板に貼り付けて、圧電素子１０の振動によって振動板を振動させて音を発生するエキサイターとして用いてもよい。
　以下、本発明の圧電素子の各構成要素について説明する。
〔圧電層〕
　圧電層２０は、公知の圧電体からなる層であればよい。本発明において、圧電層２０は、高分子材料を含むマトリックス３４に、圧電体粒子３６を含む高分子複合圧電体であるのが好ましい。
　圧電層２０を構成する高分子複合圧電体のマトリックス３４（マトリックス兼バインダ）の材料として、常温で粘弾性を有する高分子材料を用いるのが好ましい。
　本発明の圧電素子１０は、フレキシブルディスプレイ用のスピーカーなど、フレキシブル性を有するスピーカー等に好適に用いられる。ここで、フレキシブル性を有するスピーカーに用いられる高分子複合圧電体（圧電層２０）は、次の用件を具備したものであるのが好ましい。従って、以下の要件を具備する材料として、常温で粘弾性を有する高分子材料を用いるのが好ましい。
　なお、本明細書において、「常温」とは、０～５０℃程度の温度域を指す。
　（ｉ）　可撓性
　例えば、携帯用として新聞や雑誌のように書類感覚で緩く撓めた状態で把持する場合、絶えず外部から、数Ｈｚ以下の比較的ゆっくりとした、大きな曲げ変形を受けることになる。この時、高分子複合圧電体が硬いと、その分大きな曲げ応力が発生し、マトリックスと圧電体粒子との界面で亀裂が発生し、やがて破壊に繋がる恐れがある。従って、高分子複合圧電体には適度な柔らかさが求められる。また、歪みエネルギーを熱として外部へ拡散できれば応力を緩和することができる。従って、高分子複合圧電体の損失正接が適度に大きいことが求められる。
　（ii）　音質
　スピーカーは、２０Ｈｚ～２０ｋＨｚのオーディオ帯域の周波数で圧電体粒子を振動させ、その振動エネルギーによって高分子複合圧電体（圧電素子）全体が一体となって振動することで音が再生される。従って、振動エネルギーの伝達効率を高めるために高分子複合圧電体には適度な硬さが求められる。また、スピーカーの周波数特性が平滑であれば、曲率の変化に伴い最低共振周波数が変化した際の音質の変化量も小さくなる。従って、高分子複合圧電体の損失正接は適度に大きいことが求められる。
　以上をまとめると、高分子複合圧電体は、２０Ｈｚ～２０ｋＨｚの振動に対しては硬く、数Ｈｚ以下の振動に対しては柔らかく振る舞うことが求められる。また、高分子複合圧電体の損失正接は、２０ｋＨｚ以下の全ての周波数の振動に対して、適度に大きいことが求められる。
　一般に、高分子固体は粘弾性緩和機構を有しており、温度上昇あるいは周波数の低下とともに大きなスケールの分子運動が貯蔵弾性率（ヤング率）の低下（緩和）あるいは損失弾性率の極大（吸収）として観測される。その中でも、非晶質領域の分子鎖のミクロブラウン運動によって引き起こされる緩和は、主分散と呼ばれ、非常に大きな緩和現象が見られる。この主分散が起きる温度がガラス転移点（Ｔｇ）であり、最も粘弾性緩和機構が顕著に現れる。
　高分子複合圧電体（圧電層２０）において、ガラス転移点が常温にある高分子材料、言い換えると、常温で粘弾性を有する高分子材料をマトリックスに用いることで、２０Ｈｚ～２０ｋＨｚの振動に対しては硬く、数Ｈｚ以下の遅い振動に対しては柔らかく振舞う高分子複合圧電体が実現する。特に、この振舞いが好適に発現する等の点で、周波数１Ｈｚでのガラス転移温度が常温、すなわち、０～５０℃にある高分子材料を、高分子複合圧電体のマトリックスに用いるのが好ましい。
　常温で粘弾性を有する高分子材料としては、誘電性を有するものであれば、公知の各種のものが利用可能である。好ましくは、高分子材料は、常温、すなわち、０℃～５０℃において、動的粘弾性試験による周波数１Ｈｚにおける損失正接の極大値が、０．５以上である高分子材料を用いる。
　これにより、高分子複合圧電体が外力によってゆっくりと曲げられた際に、最大曲げモーメント部におけるマトリックスと圧電体粒子との界面の応力集中が緩和され、良好な可撓性が得られる。
　また、高分子材料は、動的粘弾性測定による周波数１Ｈｚでの貯蔵弾性率（Ｅ’）が、０℃において１００ＭＰａ以上、５０℃において１０ＭＰａ以下、であるのが好ましい。
　これにより、高分子複合圧電体が外力によってゆっくりと曲げられた際に発生する曲げモーメントが低減できると同時に、２０Ｈｚ～２０ｋＨｚの音響振動に対しては硬く振る舞うことができる。
　また、高分子材料は、比誘電率が２５℃において１０以上有ると、より好適である。これにより、高分子複合圧電体に電圧を印加した際に、マトリックス中の圧電体粒子にはより高い電界が掛かるため、大きな変形量が期待できる。
　しかしながら、その反面、良好な耐湿性の確保等を考慮すると、高分子材料は、比誘電率が２５℃において１０以下であるのも、好適である。
　このような条件を満たす高分子材料としては、シアノエチル化ポリビニルアルコール（シアノエチル化ＰＶＡ）、ポリ酢酸ビニル、ポリビニリデンクロライドコアクリロニトリル、ポリスチレン－ビニルポリイソプレンブロック共重合体、ポリビニルメチルケトン、および、ポリブチルメタクリレート等が例示される。また、これらの高分子材料としては、ハイブラー５１２７（クラレ社製）などの市販品も、好適に利用可能である。なかでも、高分子材料としては、シアノエチル基を有する材料を用いることが好ましく、シアノエチル化ＰＶＡを用いるのが特に好ましい。
　なお、これらの高分子材料は、１種のみを用いてもよく、複数種を併用（混合）して用いてもよい。
　このような高分子材料を用いるマトリックス３４は、必要に応じて、複数の高分子材料を併用してもよい。
　すなわち、マトリックス３４には、誘電特性や機械的特性の調節等を目的として、常温で粘弾性を有する高分子材料に加え、必要に応じて、その他の誘電性高分子材料を添加しても良い。
　添加可能な誘電性高分子材料としては、一例として、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン－テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン－トリフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン－トリフルオロエチレン共重合体およびポリフッ化ビニリデン－テトラフルオロエチレン共重合体等のフッ素系高分子、シアン化ビニリデン－酢酸ビニル共重合体、シアノエチルセルロース、シアノエチルヒドロキシサッカロース、シアノエチルヒドロキシセルロース、シアノエチルヒドロキシプルラン、シアノエチルメタクリレート、シアノエチルアクリレート、シアノエチルヒドロキシエチルセルロース、シアノエチルアミロース、シアノエチルヒドロキシプロピルセルロース、シアノエチルジヒドロキシプロピルセルロース、シアノエチルヒドロキシプロピルアミロース、シアノエチルポリアクリルアミド、シアノエチルポリアクリレート、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリヒドロキシメチレン、シアノエチルグリシドールプルラン、シアノエチルサッカロースおよびシアノエチルソルビトール等のシアノ基またはシアノエチル基を有するポリマー、ならびに、ニトリルゴムやクロロプレンゴム等の合成ゴム等が例示される。
　中でも、シアノエチル基を有する高分子材料は、好適に利用される。
　また、圧電層２０のマトリックス３４において、シアノエチル化ＰＶＡ等の常温で粘弾性を有する高分子材料に加えて添加される誘電性高分子材料は、１種に限定はされず、複数種を添加してもよい。
　また、マトリックス３４には、誘電性高分子材料以外にも、ガラス転移点を調節する目的で、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン、メタクリル樹脂、ポリブテン、および、イソブチレン等の熱可塑性樹脂、ならびに、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキド樹脂、および、マイカ等の熱硬化性樹脂を添加しても良い。
　さらに、粘着性を向上する目的で、ロジンエステル、ロジン、テルペン、テルペンフェノール、および、石油樹脂等の粘着付与剤を添加しても良い。
　圧電層２０のマトリックス３４において、シアノエチル化ＰＶＡ等の粘弾性を有する高分子材料以外の材料を添加する際の添加量には、特に限定は無いが、マトリックス３４に占める割合で３０質量％以下とするのが好ましい。
　これにより、マトリックス３４における粘弾性緩和機構を損なうことなく、添加する高分子材料の特性を発現できるため、高誘電率化、耐熱性の向上、圧電体粒子３６および電極層との密着性向上等の点で好ましい結果を得ることができる。
　圧電層２０は、このようなマトリックス３４に、圧電体粒子３６を含む、高分子複合圧電体である。
　圧電体粒子３６は、ペロブスカイト型またはウルツ鉱型の結晶構造を有するセラミックス粒子からなるものである。
　圧電体粒子３６を構成するセラミックス粒子としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛（ＰＬＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、および、チタン酸バリウムとビスマスフェライト（ＢｉＦｅ3）との固溶体（ＢＦＢＴ）等が例示される。
　これらの圧電体粒子３６は、１種のみを用いてもよく、複数種を併用（混合）して用いてもよい。
　このような圧電体粒子３６の粒径には制限はなく、高分子複合圧電体（圧電素子１０）のサイズおよび用途等に応じて、適宜、選択すれば良い。
　圧電体粒子３６の粒径は、１～１０μｍが好ましい。圧電体粒子３６の粒径をこの範囲とすることにより、高分子複合圧電体（圧電素子１０）が高い圧電特性とフレキシビリティとを両立できる等の点で好ましい結果を得ることができる。
　なお、図１においては、圧電層２０中の圧電体粒子３６は、マトリックス３４中に、均一かつ規則性を持って分散されているが、本発明は、これに制限はされない。
　すなわち、圧電層２０中の圧電体粒子３６は、好ましくは均一に分散されていれば、マトリックス３４中に不規則に分散されていてもよい。
　圧電層２０（高分子複合圧電体）において、圧電層２０中におけるマトリックス３４と圧電体粒子３６との量比には、制限はなく、圧電層２０の面方向の大きさおよび厚さ、高分子複合圧電体の用途、ならびに、高分子複合圧電体に要求される特性等に応じて、適宜、設定すればよい。
　圧電層２０中における圧電体粒子３６の体積分率は、３０～８０％が好ましく、５０％以上がより好ましく、従って、５０～８０％とするのが、さらに好ましい。
　マトリックス３４と圧電体粒子３６との量比を上記範囲とすることにより、高い圧電特性と可撓性とを両立できる等の点で好ましい結果を得ることができる。
　圧電層２０の厚さには制限はなく、高分子複合圧電体の用途、および、高分子複合圧電体に要求される特性等に応じて、適宜、設定すればよい。圧電層２０が厚いほど、いわゆるシート状物のコシの強さなどの剛性等の点では有利であるが、同じ量だけ圧電層２０を伸縮させるために必要な電圧（電位差）は大きくなる。
　圧電層２０の厚さは、１０～３００μｍが好ましく、２０～２００μｍがより好ましく、３０～１５０μｍがさらに好ましい。
　圧電層２０の厚さを、上記範囲とすることにより、剛性の確保と適度な柔軟性との両立等の点で好ましい結果を得ることができる。
〔電極層および保護層〕
　図１に示すように、図示例の圧電素子１０は、圧電層２０の一面に、下部電極２４を有し、その表面に下部保護層２８を有し、圧電層２０の他方の面に、上部電極２６を有し、その表面に上部保護層３０を有してなる構成を有する。ここで、上部電極２６と下部電極２４とが電極対を形成する。
　すなわち、圧電素子１０は、圧電層２０の両面を電極対、すなわち、上部電極２６および下部電極２４で挟持し、この積層体を、下部保護層２８および上部保護層３０で挟持してなる構成を有する。
　このように、圧電素子１０において、上部電極２６および下部電極２４で挾持された領域は、印加された電圧に応じて伸縮される。
　下部保護層２８および上部保護層３０は、上部電極２６および下部電極２４を被覆すると共に、圧電層２０に適度な剛性と機械的強度を付与する役目を担っている。すなわち、圧電素子１０において、マトリックス３４と圧電体粒子３６とからなる圧電層２０は、ゆっくりとした曲げ変形に対しては、非常に優れた可撓性を示す一方で、用途によっては、剛性や機械的強度が不足する場合がある。圧電素子１０は、それを補うために下部保護層２８および上部保護層３０が設けられる。
　下部保護層２８および上部保護層３０には、制限はなく、各種のシート状物が利用可能であり、一例として、各種の樹脂フィルムが好適に例示される。
　中でも、優れた機械的特性および耐熱性を有するなどの理由により、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、および、環状オレフィン系樹脂等からなる樹脂フィルムが、好適に利用される。
　下部保護層２８および上部保護層３０の厚さにも、制限はない。また、下部保護層２８および上部保護層３０の厚さは、基本的に同じであるが、異なってもよい。
　ここで、下部保護層２８および上部保護層３０の剛性が高過ぎると、圧電層２０の伸縮を拘束するばかりか、可撓性も損なわれる。そのため、機械的強度やシート状物としての良好なハンドリング性が要求される場合を除けば、下部保護層２８および上部保護層３０は、薄いほど有利である。
　下部保護層２８および上部保護層３０の厚さは、３μｍ～１００μｍが好ましく、３μｍ～５０μｍがより好ましく、３μｍ～３０μｍがさらに好ましく、４μｍ～１０μｍが特に好ましい。
　ここで、圧電素子１０においては、下部保護層２８および上部保護層３０の厚さが、圧電層２０の厚さの２倍以下であれば、剛性の確保と適度な柔軟性との両立等の点で好ましい結果を得ることができる。
　例えば、圧電層２０の厚さが５０μｍで下部保護層２８および上部保護層３０がＰＥＴからなる場合、下部保護層２８および上部保護層３０の厚さは、１００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以下がより好ましく、２５μｍ以下がさらに好ましい。
　圧電素子１０において、圧電層２０と下部保護層２８との間には下部電極２４が、圧電層２０と上部保護層３０との間には上部電極２６が、それぞれ形成される。
　下部電極２４および上部電極２６は、圧電層２０に駆動電圧を印加するために設けられる。
　本発明において、下部電極２４および上部電極２６の形成材料には制限はなく、各種の導電体が利用可能である。具体的には、炭素、パラジウム、鉄、錫、アルミニウム、ニッケル、白金、金、銀、銅、チタン、クロムおよびモリブデン等、これらの合金、これらの金属および合金の積層体および複合体、ならびに、酸化インジウムスズ等が例示される。中でも、銅、アルミニウム、金、銀、白金、および、酸化インジウムスズは、下部電極２４および上部電極２６として好適に例示される。
　また、下部電極２４および上部電極２６の形成方法にも制限はなく、真空蒸着およびスパッタリング等の気相堆積法（真空成膜法）、めっきによる成膜、ならびに、上記材料で形成された箔を貼着する方法等、公知の方法が、各種、利用可能である。
　中でも特に、圧電素子１０の可撓性が確保できる等の理由で、真空蒸着によって成膜された銅およびアルミニウム等の薄膜は、下部電極２４および上部電極２６として、好適に利用される。その中でも特に、真空蒸着による銅の薄膜は、好適に利用される。
　下部電極２４および上部電極２６の厚さには、制限はない。また、下部電極２４および上部電極２６の厚さは、基本的に同じであるが、異なってもよい。
　ここで、前述の下部保護層２８および上部保護層３０と同様に、下部電極２４および上部電極２６の剛性が高過ぎると、圧電層２０の伸縮を拘束するばかりか、可撓性も損なわれる。そのため、下部電極２４および上部電極２６は、電気抵抗が高くなり過ぎない範囲であれば、薄いほど有利である。すなわち、下部電極２４および上部電極２６は、薄膜電極であるのが好ましい。
　下部電極２４および上部電極２６の厚さは、保護層よりも薄く、０．０５μｍ～１０μｍが好ましく、０．０５μｍ～５μｍがより好ましく、０．０８μｍ～３μｍがさらに好ましく、０．１μｍ～２μｍが特に好ましい。
　ここで、圧電素子１０においては、下部電極２４および上部電極２６の厚さと、ヤング率との積が、下部保護層２８および上部保護層３０の厚さとヤング率との積を下回れば、可撓性を大きく損なうことがないため、好適である。
　例えば、下部保護層２８および上部保護層３０がＰＥＴ（ヤング率：約６．２ＧＰａ）で、下部電極２４および上部電極２６が銅（ヤング率：約１３０ＧＰａ）からなる組み合わせの場合、下部保護層２８および上部保護層３０の厚さが２５μｍだとすると、下部電極２４および上部電極２６の厚さは、１．２μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以下がより好ましく、中でも０．１μｍ以下とするのが好ましい。
　圧電素子１０は、動的粘弾性測定による周波数１Ｈｚでの損失正接（Ｔａｎδ）の極大値が常温に存在するのが好ましく、０．１以上となる極大値が常温に存在するのがより好ましい。
　これにより、圧電素子１０が外部から数Ｈｚ以下の比較的ゆっくりとした、大きな曲げ変形を受けたとしても、歪みエネルギーを効果的に熱として外部へ拡散できるため、マトリックスと圧電体粒子との界面で亀裂が発生するのを防ぐことができる。
　圧電素子１０は、動的粘弾性測定による周波数１Ｈｚでの貯蔵弾性率（Ｅ’）が、０℃で１０ＧＰａ～３０ＧＰａ、５０℃で１ＧＰａ～１０ＧＰａであるのが好ましい。なお、この条件に関しては、圧電層２０も同様である。
　これにより、圧電素子１０が貯蔵弾性率（Ｅ’）に大きな周波数分散を有することができる。すなわち、２０Ｈｚ～２０ｋＨｚの振動に対しては硬く、数Ｈｚ以下の振動に対しては柔らかく振る舞うことができる。
　また、圧電素子１０は、厚さと動的粘弾性測定による周波数１Ｈｚでの貯蔵弾性率との積が、０℃において１．０×１０5～２．０×１０6（１．０Ｅ＋０５～２．０Ｅ＋０６）Ｎ／ｍ、５０℃において１．０×１０5～１．０×１０6（１．０Ｅ＋０５～１．０Ｅ＋０６）Ｎ／ｍ、であるのが好ましい。なお、この条件に関しては、圧電層２０も同様である。
　これにより、圧電素子１０が可撓性および音響特性を損なわない範囲で、適度な剛性と機械的強度を備えることができる。
　さらに、圧電素子１０は、動的粘弾性測定から得られたマスターカーブにおいて、２５℃、周波数１ｋＨｚにおける損失正接が、０．０５以上であるのが好ましい。なお、この条件に関しては、圧電層２０も同様である。
　これにより、圧電素子１０を用いたスピーカーの周波数特性が平滑になり、スピーカーの曲率の変化に伴い最低共振周波数ｆ0が変化した際の音質の変化を小さくできる。
　なお、本発明において、圧電素子１０および圧電層２０等の貯蔵弾性率（ヤング率）および損失正接は、公知の方法で測定すればよい。一例として、エスアイアイ・ナノテクノロジー社製（ＳＩＩナノテクノロジー社製）の動的粘弾性測定装置ＤＭＳ６１００を用いて測定すればよい。
　測定条件としては、一例として、測定周波数は０．１Ｈｚ～２０Ｈｚ（０．１Ｈｚ、０．２Ｈｚ、０．５Ｈｚ、１Ｈｚ、２Ｈｚ、５Ｈｚ、１０Ｈｚおよび２０Ｈｚ）が、測定温度は－５０～１５０℃が、昇温速度は２℃／分（窒素雰囲気中）が、サンプルサイズは４０ｍｍ×１０ｍｍ（クランプ領域込み）が、チャック間距離は２０ｍｍが、それぞれ、例示される。
〔充填部材〕
　充填部材７０は、液体状の導電性材料を硬化させたものである。
　充填部材７０として用いられる導電性材料としては、銀ペースト、金属ナノ粒子インク（Ａｇ、Ａｕ）等が利用可能である。
　導電性材料の粘度は、１０ｍＰａ・ｓ（ミリパスカル秒）～２０Ｐａ・ｓ（パスカル秒）が好ましく、０．１Ｐａ・ｓ～１５Ｐａ・ｓがより好ましく、０．５Ｐａ・ｓ～１０Ｐａ・ｓがさらに好ましい。
　硬化後の充填部材７０の比抵抗は１×１０^－６（Ω・ｃｍ）～１×１０^－３（Ω・ｃｍ）が好ましく、１×１０^－６（Ω・ｃｍ）～８×１０^－４（Ω・ｃｍ）がより好ましく、１×１０^－６（Ω・ｃｍ）～１×１０^－４（Ω・ｃｍ）がさらに好ましい。
〔粘着層付き導電箔〕
　粘着層付き導電箔７２は、導電性を有する金属材料で形成されるシート状物である導電性シートの一方の表面に粘着層を有するものである。導電性シートの材料は、銅、アルミニウム、金および銀等が好適に例示される。
　粘着層付き導電箔７２の粘着層は、導電性シートと保護層とを接着できるものであればよい。粘着層の材料は、導電性アクリル粘着材が好適に例示される。
　また、粘着層付き導電箔７２の形状および大きさには特に限定はない。粘着層付き導電箔７２の形状および大きさは、開口部７３を形成でき、充填部材７０が形成可能で、導電性部材７６と接続可能で、かつ、圧電素子１０の駆動を拘束しない形状および大きさであればよい。
　また、粘着層付き導電箔７２の厚さにも特に限定はなく、充填部材７０および導電性部材７６との電気的接続を確保でき、かつ、圧電素子１０の駆動を拘束しない厚さであればよい。
〔被覆部材〕
　被覆部材７４は、絶縁性のシート状の部材である。
　被覆部材７４の材料は、ポリイミド、耐熱ＰＥＴ等が例示される。
　また、被覆部材７４の形状および大きさには特に限定はない。被覆部材７４の形状および大きさは、充填部材７０および粘着層付き導電箔７２の少なくとも一部を覆って充填部材７０が引っ張られることを抑制でき、充填部材７０と重複しない位置に貫通孔を設けることができ、かつ、圧電素子１０の駆動を拘束しない形状および大きさであればよい。
　前述のとおり、被覆部材７４は、充填部材７０の全面を覆うのが好ましく、また、粘着層付き導電箔７２の全面を覆うのが好ましい。
　また、被覆部材７４の厚さにも特に限定はなく、充填部材７０が引っ張られることを抑制でき、かつ、圧電素子１０の駆動を拘束しない厚さであればよい。
〔導電性部材〕
　導電性部材７６は、導電性を有する金属材料で形成されるシート状あるいはワイヤー状の物である。導電性部材７６の材料は、銅、アルミニウム、金および銀等が好適に例示される。
　導電性部材７６の形状および大きさには特に限定はない。導電性部材７６の形状および大きさは、被覆部材７４の貫通孔７５内で粘着層付き導電箔７２に電気的に接続でき、引出し電極として利用可能な形状および大きさであればよい。
　導電性部材７６を粘着層付き導電箔７２に接続する方法にも特に限定はなく、ハンダを用いる方法、導電性接着剤を用いる方法、溶着等の公知の方法が利用可能である。
　以下、図４～図１０を参照して、圧電素子１０の製造方法の一例を説明する。
　まず、図４に示すように、下部保護層２８の上に下部電極２４が形成されたシート状物１０ａを準備する。このシート状物１０ａは、下部保護層２８の表面に、真空蒸着、スパッタリング、および、めっき等によって、下部電極２４として銅薄膜等を形成して作製すればよい。
　下部保護層２８が非常に薄く、ハンドリング性が悪い時などは、必要に応じて、セパレータ（仮支持体）付きの下部保護層２８を用いても良い。なお、セパレータとしては、厚さ２５μｍ～１００μｍのＰＥＴ等を用いることができる。セパレータは、上部電極２６および上部保護層３０を熱圧着した後、下部保護層２８に何らかの部材を積層する前に、取り除けばよい。
　一方で、有機溶媒に、マトリックスの材料となる高分子材料を溶解し、さらに、ＰＺＴ粒子等の圧電体粒子３６を添加し、攪拌して分散してなる塗料を調製する。
　上記物質以外の有機溶媒としては制限はなく各種の有機溶媒が利用可能である。
　シート状物１０ａを準備し、かつ、塗料を調製したら、この塗料をシート状物１０ａにキャスティング（塗布）して、有機溶媒を蒸発して乾燥する。これにより、図５に示すように、下部保護層２８の上に下部電極２４を有し、下部電極２４の上に圧電層２０を形成してなる積層体１０ｂを作製する。なお、下部電極２４とは、圧電層２０を塗布する際の基材側の電極を差し、積層体における上下の位置関係を示すものではない。
　この塗料のキャスティング方法には制限はなく、スライドコータおよびドクターナイフ等の公知の方法（塗布装置）が、全て、利用可能である。
　上述したように、圧電素子１０において、マトリックス３４には、シアノエチル化ＰＶＡ等の粘弾性材料以外にも、誘電性の高分子材料を添加しても良い。
　マトリックス３４に、これらの高分子材料を添加する際には、上述した塗料に添加する高分子材料を溶解すればよい。
　下部保護層２８の上に下部電極２４を有し、下部電極２４の上に圧電層２０を形成してなる積層体１０ｂを作製したら、好ましくは、圧電層２０の分極処理（ポーリング）を行う。
　圧電層２０の分極処理の方法には、制限はなく、公知の方法が利用可能である。
　なお、この分極処理の前に、圧電層２０の表面を加熱ローラ等を用いて平滑化する、カレンダー処理を施してもよい。このカレンダー処理を施すことで、後述する熱圧着工程がスムーズに行える。
　このようにして積層体１０ｂの圧電層２０の分極処理を行う一方で、上部保護層３０の上に上部電極２６が形成されたシート状物１０ｃを、準備する。このシート状物１０ｃは、上部保護層３０の表面に、真空蒸着、スパッタリング、めっき等によって上部電極２６として銅薄膜等を形成して、作製すればよい。
　次いで、図１６に示すように、上部電極２６を圧電層２０に向けて、シート状物１０ｃを、圧電層２０の分極処理を終了した積層体１０ｂに積層する。
　さらに、この積層体１０ｂとシート状物１０ｃとの積層体を、上部保護層３０と下部保護層２８とを挟持するようにして、加熱プレス装置や加熱ローラ対等で熱圧着する。
　以上の工程によって、圧電層２０の両面に電極層および保護層が積層された積層体が作製される。作製された積層体は、各種用途に合わせて、所望の形状に裁断されてもよい。
　このような積層体は、カットシート状のシート状物を用いて製造を行っても良いし、ロール・トゥ・ロール（Ｒｏｌｌ　ｔｏ　Ｒｏｌｌ　以下、ＲｔｏＲともいう）によって作製されてもよい。
　次に、この積層体の保護層に、孔部を設け、粘着層付き導電箔を積層し、充填部材を充填して被覆部材で被覆し、導電性部材を粘着層付き導電箔に接続する。
　具体的には、まず、図７に示すように、上部保護層３０に孔部３１を形成し、また、下部保護層２８に孔部２９を形成する。
　孔部３１の形成は、レーザー加工（炭酸ガスレーザーなど）による方法、プレス加工により保護層に深さ方向に切り込みを入れて（例えば、保護層の厚みが１０μｍ、電極層の厚みが２μｍとしたとき、保護層の厚み方向に８～９．５μｍまで切り込みを円形にいれて、その後その円形部を引きはがすことにより形成する）から保護層を剥離させる方法等によって行えばよい。
　保護層に孔部を設けた後には、図８に示すように、粘着層付き導電箔７２を保護層上に積層する。ここで、粘着層付き導電箔７２に予め開口部７３が形成されている場合には、開口部７３が保護層の孔部と重複する位置に粘着層付き導電箔７２を積層すればよい。
　あるいは、開口部７３が形成されていない粘着層付き導電箔７２を孔部を覆うように積層した後に、粘着層付き導電箔７２に開口部７３を設けてもよい。
　保護層上に粘着層付き導電箔７２を積層した後には、図９に示すように、粘着層付き導電箔７２の開口部７３から孔部に液体状の導電性材料８４を塗布する。塗布の際、導電性材料８４が開口部７３から粘着層付き導電箔７２の表面にはみ出すように塗布する。
　導電性材料８４の塗布方法としては、シルクスクリーン印刷、ディスペンサーによる滴下、刷毛による塗布などが利用可能である。
　導電性材料８４を塗布した後に、導電性材料８４を硬化させて充填部材７０を形成する。
　導電性材料８４の硬化方法は、導電性材料８４に応じた方法で行えばよい。例えば、導電性材料８４の硬化方法としては、加熱乾燥等が挙げられる。
　充填部材７０を形成した後には、図１０に示すように、被覆部材７４を充填部材７０および粘着層付き導電箔７２の上に積層する。ここで、被覆部材７４に予め貫通孔７５が形成されている場合には、貫通孔７５が充填部材７０に重複せず、粘着層付き導電箔７２と重複する位置に被覆部材７４を積層すればよい。
　あるいは、貫通孔７５が形成されていない被覆部材７４を充填部材７０および粘着層付き導電箔７２を覆うように積層した後に、粘着層付き導電箔７２と重複する位置に貫通孔７５を設けてもよい。
　被覆部材７４は、接着剤および粘着剤等によって粘着層付き導電箔７２または保護層に接着されていればよい。
　被覆部材７４を積層した後には、導電性部材７６を、被覆部材７４の貫通孔７５内で、粘着層付き導電箔７２に電気的に接続する。
　前述のとおり、導電性部材７６と粘着層付き導電箔７２とは、ハンダ、導電性接着剤等によって接続されればよい。
　以上の工程によって、本発明の圧電素子が作製される。
　このような圧電素子１０は、下部電極２４および上部電極２６に電圧を印加すると、印加した電圧に応じて圧電体粒子３６が分極方向に伸縮する。その結果、圧電素子１０（圧電層２０）が厚さ方向に収縮する。同時に、ポアゾン比の関係で、圧電素子１０は、面内方向にも伸縮する。この伸縮は、０．０１～０．１％程度である。なお、面内方向では全方向に等方的に伸縮するのは、上述のとおりである。
　上述したように、圧電層２０の厚さは、好ましくは１０～３００μｍ程度である。従って、厚さ方向の伸縮は、最大でも０．３μｍ程度と非常に小さい。
　これに対して、圧電素子１０すなわち圧電層２０は、面方向には、厚さよりもはるかに大きなサイズを有する。従って、例えば、圧電素子１０の長さが２０ｃｍであれば、電圧の印加によって、最大で０．２ｍｍ程度、圧電素子１０は伸縮する。
　また、圧電素子１０に圧力を加えると、圧電体粒子３６の作用によって、電力を発生する。
　これを利用することで、圧電素子１０は、上述のように、スピーカー、マイクロフォン、および、感圧センサ等の各種の用途に利用可能である。
　ここで、ＰＶＤＦ等の高分子材料からなる一般的な圧電素子は、圧電特性に面内異方性を有し、電圧を印加された場合の面方向の伸縮量に異方性がある。
　これに対して、高分子材料を含むマトリックス中に圧電体粒子を含む高分子複合圧電体からなる圧電層は、圧電特性に面内異方性がなく、面内方向では全方向に等方的に伸縮する。
　このような等方的に二次元的に伸縮する圧電素子１０によれば、一方向にしか大きく伸縮しないＰＶＤＦ等の一般的な圧電素子を積層した場合に比べ、大きな力で振動することができ、より大きく、かつ、美しい音を発生できる。
　図１に示す例においては、圧電素子１０を１枚有する構成としたがこれに限定はされず本発明の圧電素子１０を複数枚、積層した構成としてもよい。また、本発明の圧電素子１０を長尺な形状として、長手方向に、１回以上、好ましくは複数回、折り返すことにより、圧電素子１０を複数層、積層した構成としてもよい。
　以上、本発明の圧電素子について詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
　以上から本発明の効果は明らかである。
　スピーカーおよびマイクロフォン等の音響機器、ならびに、感圧センサなど、各種の用途に好適に利用可能である。
　１０　圧電素子
　１０ａ、１０ｃ　シート状物
　１０ｂ　積層体
　２０　圧電層
　２４　下部電極
　２６　上部電極
　２８　下部保護層
　２９、３１　孔部
　３０　上部保護層
　３４　マトリックス
　３６　圧電体粒子
　７０　充填部材
　７２　粘着層付き導電箔
　７３　開口部
　７４　被覆部材
　７５　貫通孔
　７６　導電性部材
　８４　導電性材料
 

Claims (6)

  1. 　圧電層、前記圧電層の両面に形成される電極層、および、前記電極層の、前記圧電層側の面とは反対側の面に積層される保護層を有する圧電素子であって、
    　前記保護層の前記電極層とは反対側の面に積層される導電箔を有し、
    　前記保護層は、表面から前記電極層まで貫通する孔部を有し、
    　前記導電箔は、面方向において、前記保護層の前記孔部と重複する位置に開口部を有し、
    　前記保護層の前記孔部および前記導電箔の開口部内から前記導電箔の表面の少なくとも一部に形成され、前記電極層と前記導電箔とに電気的に接続される、導電性材料からなる充填部材と、
    　前記充填部材および前記導電箔の少なくとも一部を覆う被覆部材を有し、
    　前記被覆部材は、面方向において、前記充填部材と重複しない位置に貫通孔を有し、
    　前記被覆部材の前記貫通孔に挿入されて前記導電箔と電気的に接続される導電性部材、を有する圧電素子。
  2. 　前記被覆部材は、前記充填部材および前記導電箔の全面を覆っている請求項１に記載の圧電素子。
  3. 　前記保護層は、前記孔部を複数有し、
    　複数の前記孔部それぞれに前記充填部材が設けられており、
    　前記複数の充填部材が、前記導電箔の表面において連結している請求項１または２に記載の圧電素子。
  4. 　前記保護層の厚みは３μｍ～１００μｍである請求項１～３のいずれか一項に記載の圧電素子。
  5. 　前記電極層の厚みは０．０５μｍ～１０μｍである請求項１～４のいずれか一項に記載の圧電素子。
  6. 　前記圧電層は、高分子材料を含むマトリックス中に圧電体粒子を含む高分子複合圧電体からなる請求項１～５のいずれか一項に記載の圧電素子。
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