JP6099096B2 - 複合圧電素子 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ、各種センサ及び発電等に用いられる圧電素子に関する。

圧電素子は、電気エネルギーと機械エネルギーとの間のエネルギー変換に用いられ、アクチュエータや各種センサに広く用いられている。更に、近年では、発電への応用も検討されている。

このような圧電素子をフィルム基材に積層して、可撓性が求められる各種製品に適用する場合が考えられる。特許文献１（従来例１）では、図１１に示すようなフレキシブル基板の支持体８３２の表面８３２ａに積層された圧電素子８１０が開示されている。図１１は、従来例１の圧電素子８１０を用いた電子部品８３０を示す模式図である。図１１に示す圧電素子８１０は、支持体８３２の表面８３２ａに積層された第１の導電性エラストマー基材８２２と、第１の導電性エラストマー基材８２２に積層された圧電体８２０と、圧電体８２０の表面８２０ａに設けられた第２の導電性エラストマー基材８２４と、から構成される。

しかし、従来例１の圧電素子８１０では、圧電体８２０に圧電性単結晶や圧電セラミックスを用いた場合、圧電体８２０が脆いので、支持体８３２を僅かしか曲げることができなかった。また、高分子マトリックス中に圧電体粒子が均一に分散混合された圧電コンポジットを圧電体８２０に用いた場合であっても、支持体８３２が大きく曲げられた際には、圧電体８２０にクラックが生じてしまう虞が大きかった。一方、圧電体８２０に圧電性高分子を用いた場合は、曲げに対する曲げ耐性は向上する可能性があるが、圧電性高分子では、所望する圧電特性が得られないものであった。

そこで、特許文献２（従来例２）では、圧電コンポジットの高分子マトリックスとして、エラストマーを用いた発電素子９０１が図１２に提案されている。図１２は、従来例２の静電容量変化型の発電素子９０１の構成を示す厚み方向概略断面図であり、図１２（a）は、発電素子９０１に積層方向に圧縮力が引加される前の状態Ａを示しており、図１２（ｂ）は、圧縮力が引加された状態Ｂを示している。図１２に示す発電素子９０１は、誘電エラストマー９１０中に強誘電体粒子９１１が分散されてなるコンポジット層９１２と、コンポジット層９１２の両面に備えられた一対の電極である電極９２１及び電極９２２と、を備えて構成されている。

そして、発電素子９０１は、図１２（a）に示す状態Ａから、発電素子９０１に積層方向に圧縮力が引加されると、誘電エラストマー９１０が弾性変形し、図１２（ｂ）に示す状態Ｂになる。一方、圧縮力が解除されると、状態Ｂから状態Ａに戻るようになる。従来例２の発電素子９０１では、厚み方向に大きく伸縮させるために、誘電エラストマー９１０として、熱硬化性エラストマーや熱可塑性エラストマーを用いている。この状態Ａから状態Ｂ、或いは、その逆の状態Ｂから状態Ａへと変化することにより、電極９２１と電極９２２との間に電位差が生じ、発電素子９０１は、この電位差の変化を電力として取り出すことができる。

この電力をより多く取り出すために、発電素子９０１のコンポジット層９１２における強誘電体粒子９１１の体積パーセント濃度（ｖｏｌ％）を大きくし、表面電荷密度を大きくするのが有効である。一方、強誘電体粒子９１１の体積パーセント濃度が大きくなり過ぎると、コンポジット層９１２のヤング率が高くなり、弾性変形に悪影響を及ぼし、かつ、耐久性が低くなる虞がある。そこで、コンポジット層９１２における強誘電体粒子９１１の体積パーセント濃度は、１０〜６０％程度であることが好ましいと記述されている。

特開２０１３−２１１７６号公報 特開２０１２−１６４９１７号公報

しかしながら、従来例２の発電素子９０１では、曲げ方向の強度に関しては開示がされておらず、曲げに弱いことが考えられる。特に、性能を上げるために、強誘電体粒子９１１の体積パーセント濃度を５０％程度にまで上げると、コンポジット層９１２のヤング率が高くなり、確実に曲げに対しての耐性が低下するという課題があった。

本発明は、上述した課題を解決するもので、曲げに対する耐性が向上した複合圧電素子を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の複合圧電素子は、可撓性のベースシートと、該ベースシート上に配された第１電極層と、該第１電極層上に配された樹脂と圧電粒子とを有する圧電体層と、該圧電体層上に配された第２電極層と、を備えた複合圧電素子において、前記圧電体層が、２つの第１圧電体層と、前記２つの第１圧電体層の間に配された第２圧電体層と、を有し、該第２圧電体層が、前記第１圧電体層よりも前記圧電粒子の体積パーセント濃度が低いことを特徴としている。

これによれば、本発明の複合圧電素子は、第２圧電体層の圧電粒子の体積パーセント濃度が低いので、第２圧電体層の曲げに対する耐性が向上するようになる。このため、圧電粒子の体積パーセント濃度が高い圧電体層の単層で構成した場合と比較して、この第２圧電体層の曲げに対する耐性が向上するに伴い、圧電体層も曲げ耐性が向上するようになる。しかも圧電粒子の体積パーセント濃度が高い第１圧電体層で挟んだ構造をしているので、この第１圧電体層による性能が優先され、圧電体層全体での圧電性能が大きく低下することがない。このことにより、圧電性能を維持しつつ、曲げに対する耐性が向上した複合圧電素子を提供することができる。

また、本発明の複合圧電素子は、前記第１圧電体層の前記圧電粒子の前記体積パーセント濃度が５０〜６５ｖｏｌ％であることを特徴としている。

これによれば、圧電粒子が第１圧電体層に充分充填されるので、高い圧電性能を得ることができる。

また、本発明の複合圧電素子は、前記圧電粒子がペロブスカイト構造の結晶構造である強誘電体粒子であることを特徴としている。

これによれば、圧電体層の圧電性能を向上させることができる。このことにより、出力性能が優れた複合圧電素子を提供することができる。

また、本発明の複合圧電素子は、前記強誘電体粒子がニオブ酸カリウムであり、前記ニオブ酸カリウムが、平均粒子径が４００〜５００ｎｍで、斜方晶−正方晶の転移点温度が２２３℃以上２２８℃以下で、正方晶−立方晶の転移点温度が４２０℃以上４３０℃以下であることを特徴としている。

これによれば、上記ニオブ酸カリウムを用いることで、圧電体層の圧電性能をより向上させることができる。このことにより、出力性能がより優れた複合圧電素子を提供することができる。

また、本発明の複合圧電素子は、前記ベースシートが、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＩ、ＰＥ、ＰＰＳ、アラミド樹脂のいずれかの材質を用いた絶縁性フィルムか、前記材質に無機フィラーを充填したフィラー入りフィルムのうちの何れかであり、前記樹脂が非晶性ポリエステルまたはポリウレタンであり、前記第２圧電体層が、−４０℃環境下における弾性率が１．５ＧＰａ以下、好ましくは０．５ＧＰａ以下であるとともに、−４０℃環境下における降伏強度が１５ＭＰａ以上、好ましくは３０ＭＰａ以上であることを特徴としている。

これによれば、−４０℃環境下においても、第２圧電体層を小さい曲率半径で曲げることができる。このため、この第２圧電体層の充分な曲げ耐性に伴って、圧電体層の充分な曲げ耐性を得ることができる。しかも上記ベースシートと樹脂を用いることで、−４０℃環境下においても、複合圧電素子の充分な可撓性を得ることができる。

また、本発明の複合圧電素子は、前記２つの第１圧電体層の前記圧電粒子の前記体積パーセント濃度が同じであることを特徴としている。

これによれば、体積パーセント濃度が低い方の第１圧電体層の性能に、圧電体層の性能が引きずられることがない。このことにより、圧電体層の充分な圧電性能を確保することができる。また、圧電体層を製造する際に、原材料を用いることができ、容易に圧電体層を製造することができる。

また、本発明の複合圧電素子は、前記第２圧電体層が前記第１圧電体層よりも厚くなっていることを特徴としている。

これによれば、圧電体層全体において、第１圧電体層に比して曲げ耐性が高い第２圧電体層の割合が大きくなり、圧電体層全体での曲げ耐性がより一層向上することとなる。このことにより、曲げ耐性がより一層向上した複合圧電素子を提供することができる。

本発明の複合圧電素子は、第２圧電体層の圧電粒子の体積パーセント濃度が低いので、第２圧電体層の曲げに対する耐性が向上するようになる。このため、圧電粒子の体積パーセント濃度が高い圧電体層の単層で構成した場合と比較して、この第２圧電体層の曲げに対する耐性が向上するに伴い、圧電体層も曲げ耐性が向上するようになる。しかも圧電粒子の体積パーセント濃度が高い第１圧電体層で挟んだ構造をしているので、この第１圧電体層による性能が優先され、圧電体層の圧電性能が大きく低下することがない。このことにより、圧電性能を維持しつつ、曲げに対する耐性が向上した複合圧電素子を提供することができる。

本発明の第１実施形態の複合圧電素子を説明する構成図であって、その平面図である。 本発明の第１実施形態の複合圧電素子を説明する構成図であって、図１に示すＹ２側から見た側面図である。 本発明の第１実施形態の複合圧電素子を説明する図であって、図３（ａ）は、図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図であり、図３（ｂ）は、図１に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 分極処理の方法及び原理を説明する概念図であって、図４（ａ）は、圧電体層の初期の状態を示し、図４（ｂ）は、圧電体層の厚み方向に電圧を印加した状態を示し、図４（ｃ）は、分極処理が終了した状態を示している。 本発明の第１実施形態の複合圧電素子に用いた圧電粒子の物性の測定結果であって、ニオブ酸カリウムの示差走査熱量測定のグラフである。 本発明の第１実施形態の複合圧電素子に係わる測定結果であって、圧電粒子の体積パーセント濃度が変わった圧電素子に、加振を加えた時の出力電圧値のグラフである。 本発明の第１実施形態の複合圧電素子に係わる測定結果であって、ニオブ酸カリウムの平均粒径が変わった圧電素子に、加振を加えた時の出力電圧値のグラフである。 本発明の第１実施形態の複合圧電素子に係わる測定結果であって、圧電粒子の含有量に対する圧電体皮膜の算出した最少曲率半径を示したグラフである。 本発明の第１実施形態に係わる複合圧電素子の変形例１を説明する図であって、図２と比較した側面図である。 本発明の第１実施形態に係わる複合圧電素子の変形例２を説明する図であって、図３（ａ）と比較した断面図である。 従来例１の圧電素子を用いた電子部品を示す模式図である。 従来例２の静電容量変化型の発電素子の構成を示す厚み方向概略断面図であり、図１２（a）は、発電素子に積層方向に圧縮力が引加される前の状態Ａを示しており、図１２（ｂ）は、圧縮力が引加された状態Ｂを示している。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１を説明する構成図であって、その平面図である。なお、図１では、説明を分かり易くするため、オーバーコート部材１５の一部を省略している。図２は、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１を説明する構成図であって、図１に示すＹ２側から見た側面図である。図３は、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１を説明する図であって、図３（ａ）は、図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図であり、図３（ｂ）は、図１に示すＩＶ−ＩＶ線における断面図である。なお、図１ないし図３は、説明を分かり易くするための構成図なので、厚み方向（Ｚ１−Ｚ２方向）の寸法が実際とは大きく異なっている。

本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１は、図１ないし図３に示すように、可撓性のベースシート１９と、ベースシート１９上に配された第１電極層１１と、第１電極層１１上に配された圧電体層１３と、圧電体層１３上に配された第２電極層１２と、を備えて構成される。他に、複合圧電素子１０１を外部環境から保護するためのオーバーコート部材１５と、複合圧電素子１０１に電力を供給或いは複合圧電素子１０１から電力を取り出すための２つの端子部（１７１、１７２）とを備えている。

複合圧電素子１０１のベースシート１９は、ポリイミド（ＰＩ、Polyimide）フィルムを用い、厚みが２５〜１２５μｍ程度で可撓性を有している。特に、半径が数ｍｍＲ程度の曲げに対しても、充分な耐性を有している。なお、可撓性のベースシート１９にポリイミドフィルム（ＰＩ）を好適に用いたが、他の合成樹脂、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、Polyethylene terephthalate）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ、Polyethylene naphthalate）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ、Poly Phenylene Sulfide）、ポリエチレン（ＰＥ、Polyethylene）、アラミド樹脂（芳香族ポリアミド、Aromatic polyamid）の絶縁性フィルムであっても良い。また、上述した材質に無機フィラーを充填したフィラー入りフィルムであっても良い。

複合圧電素子１０１の第１電極層１１は、図１ないし図３に示すように、ベースシート１９の片面側に積層して設けられ、フェノール樹脂中のマトリックス中に導電性の銀の粉体が２５〜７０（ｖｏｌ％）分散されており、その厚みは５〜１５μｍ程度である。

複合圧電素子１０１の第２電極層１２は、図１ないし図３に示すように、ベースシート１９の片面側に積層して設けられ、図３に示すように、圧電体層１３を第１電極層１１と挟むようにして、圧電体層１３に積層して形成されている。また、第２電極層１２は、第１電極層１１と同様に、フェノール樹脂中のマトリックス中に導電性の銀の粉体が２０〜７０（ｖｏｌ％）分散されており、その厚みは５〜２０μｍ程度である。これら第１電極層１１及び第２電極層１２の導電性部材の材質として、銀を好適に用いたが、カーボンであっても良い。カーボンにした場合は、フェノール樹脂中のマトリックス中に導電性のカーボンの粉体が５〜７０（ｖｏｌ％）分散されている。

また、第１電極層１１及び第２電極層１２の作製は、硬化剤を含有したフェノール樹脂とカルビトールアセテート等の溶剤と銀粉とを混合して導電性銀ペーストとし、スクリーン印刷等の手法を用いて行われる。具体的には、第１電極層１１は、この導電性銀ペーストをベースシート１９に塗布し、加熱を行い、乾燥及び硬化させて形成するとともに、第２電極層１２は、この導電性銀ペーストを圧電体層１３に塗布し、加熱を行い、乾燥及び硬化させて形成している。

また、第１電極層１１と同じ工程で、図１及び図３（ａ）に示す端子部１７１を作製しているとともに、第２電極層１２と同じ工程で、図１及び図３（ｂ）に示す端子部１７２を作製している。この端子部１７１及び端子部１７２は、電力の供給或いは取り出しが行い易いように、第１電極層１１の端部或いは第２電極層１２の端部からベースシート１９の端部まで引き出されるように形成されている。

なお、導電性銀ペーストのバインダーとしてフェノール樹脂を用いたが、他の合成樹脂、例えば熱硬化性樹脂であるポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂等や、熱可塑性樹脂であるポリエステル樹脂、アクリル樹脂等であっても良い。また、導電性銀ペーストの導電性フィラーとして銀粉を用いたが、他の導電性フィラー、例えば黒鉛、ナノカーボン等のカーボン粉や、銅、ニッケル等の金属粉であっても良い。

複合圧電素子１０１の圧電体層１３は、図１ないし図３に示すように、ベースシート１９の片面側に設けられ、第１電極層１１に積層して形成されている。そして、圧電体層１３は、２つの第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）と、２つの第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）の間に配された第２圧電体層１３Ｃと、を有した構成となっている。

また、圧電体層１３は、非晶性ポリエステル樹脂またはポリウレタン樹脂のマトリックス中に圧電粒子が分散されており、本発明の第１実施形態では、この圧電粒子として、ペロブスカイト構造の結晶構造である強誘電体粒子を用いている。これにより、圧電体層１３の圧電性能を向上させることができ、出力性能が優れた複合圧電素子１０１を提供することができる。

また、本発明の第１実施形態では、この強誘電体粒子として、特に、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）を好適に用いている。このニオブ酸カリウムは、平均粒子径が４００〜５００ｎｍで、斜方晶−正方晶の転移点温度が２２３℃以上２２８℃以下で、正方晶−立方晶の転移点温度が４２０℃以上４３０℃以下のものを用いている。これにより、圧電体層１３の圧電性能をより向上させることができる。このことにより、出力性能がより優れた複合圧電素子１０１を提供することができる。

また、この圧電体層１３は、このような合成樹脂との複合材なので、可撓性を有している。特に、非晶性ポリエステル樹脂またはポリウレタン樹脂は、常温で、適度な柔軟性を有しているので、圧電体層１３が変形しても、圧電体層１３に発生するクラック等を抑えることができる。更に、非晶性ポリエステル樹脂及びポリウレタン樹脂は、一般に広く使用され、容易にしかも安価に入手することができるので、好適に使用することができる。

圧電体層１３の第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）は、圧電粒子（本発明の第１実施形態では、ニオブ酸カリウム）の体積パーセント濃度が５０〜６５ｖｏｌ％に調整している。これにより、圧電粒子が第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）に充分充填され、高い圧電性能を得ることができる。また、第１圧電体層１３Ａと第１圧電体層１３Ｂは、圧電粒子の体積パーセント濃度を同じに調整している。

一方、圧電体層１３の第２圧電体層１３Ｃは、第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）よりも圧電粒子の体積パーセント濃度を低く調整している。具体的には、０．０１〜６０ｖｏｌ％、好ましくは１０〜５０ｖｏｌ％にするのが良い。なお、第２圧電体層１３Ｃが圧電粒子の体積パーセント濃度が５０ｖｏｌ％以上の場合でも、第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）の圧電粒子の体積パーセント濃度は第２圧電体層１３Ｃよりも高い体積パーセント濃度に調整される。

これにより、この第２圧電体層１３Ｃの圧電粒子の体積パーセント濃度が低いので、第２圧電体層１３Ｃの曲げに対する曲げ耐性が向上するようになる。このため、圧電粒子の体積パーセント濃度が高い圧電体の単層で構成した場合と比較して、第２圧電体層１３Ｃの曲げに対する曲げ耐性の向上に伴い、圧電体層１３も曲げ耐性が向上するようになる。しかも圧電粒子の体積パーセント濃度が高い第１圧電体層１３Ａ及び第１圧電体層１３Ｂで挟んだ構造をしているので、この第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）による性能が優先され、圧電体層１３全体での圧電性能が大きく低下することがない。このことにより、圧電性能を維持しつつ、曲げに対する曲げ耐性が向上した複合圧電素子１０１を提供することができる。また、圧電粒子の体積パーセント濃度が低い層を挟むことで、高価な圧電粒子の使用量を低減しつつ、圧電性能を維持した圧電体層１３を構成することができる。

また、本発明の第１実施形態で用いた第２圧電体層１３Ｃは、−４０℃環境下における弾性率Ｅが１．５ＧＰａ以下、好ましくは０．５ＧＰａ以下であるとともに、−４０℃環境下における降伏強度σが１５ＭＰａ以上、好ましくは３０ＭＰａ以上である。ここで、第２圧電体層１３Ｃがある厚みｔを有している場合、弾性率Ｅと降伏強度σから、以下の式（Ａ）によって、第２圧電体層１３Ｃの最少曲率半径Ｒが算出できる。
（Ａ）σ＝Ｅ×ｔ／（２×Ｒ）
σ；降伏強度、Ｅ；弾性率、ｔ；厚み、Ｒ；最少曲率半径
例えば、第２圧電体層１３Ｃの厚みｔが２０μｍの場合、弾性率Ｅが１．５ＧＰａ、降伏強度σが１５ＭＰａであると、最少曲率半径Ｒは１ｍｍと算出できる。

これにより、−４０℃環境下においても、第２圧電体層１３Ｃを小さい曲率半径で曲げることができる。このため、この第２圧電体層１３Ｃの充分な曲げ耐性に伴って、圧電体層１３の充分な曲げ耐性を得ることができる。しかも上記ベースシート１９とバインダーに樹脂を用いることで、−４０℃環境下においても、複合圧電素子１０１の充分な可撓性を得ることができる。なお、圧電粒子として、強誘電体のニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）を好適に用いたが、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、亜鉛酸チタン酸ビスマス（Ｂｉ（Ｚｎ／Ｔｉ）Ｏ_３）、コバルト酸ビスマス（ＢｉＣｏＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ／Ｔｉ）Ｏ_３）等を用いることができる。

また、本発明の第１実施形態では、第１圧電体層１３Ａ及び第１圧電体層１３Ｂの圧電粒子の体積パーセント濃度を同じに調整している。これにより、体積パーセント濃度が低い方の第１圧電体層１３Ａか第１圧電体層１３Ｂかのいずれかの性能に、圧電体層１３の性能が引きずられることがない。このことにより、圧電体層１３の充分な圧電性能を確保することができる。また、圧電体層１３を製造する際に、同じ原材料を用いることができ、容易に圧電体層１３を製造することができる。このことにより、複合圧電素子１０１を安価に作製することができる。

また、本発明の第１実施形態では、図３に示すように、第２圧電体層１３Ｃが第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）よりも厚くなっている。これにより、圧電体層１３全体において、第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）に比して曲げ耐性が高い第２圧電体層１３Ｃの割合が大きくなるので、圧電体層１３全体での曲げ耐性がより一層向上することとなる。このことにより、曲げ耐性がより一層向上した複合圧電素子１０１を提供することができる。

圧電体層１３の作製は、先ず、溶剤に可溶な非晶性ポリエステル樹脂またはポリウレタン樹脂を用い、このバインダー樹脂とカルビトールアセテート等の溶剤とニオブ酸カリウムの粒体とを所望の配合比で混合し、３本ロール等の混合機でそれぞれを均一に分散させ、誘電体ペーストを作製する。この際に、第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）の圧電粒子の体積パーセント濃度に対応するように、バインダー樹脂とニオブ酸カリウムの粒体と所望の割合で配合した第１誘電体ペーストを作製する。同様にして、第２圧電体層１３Ｃの圧電粒子の体積パーセント濃度に対応するように、バインダー樹脂とニオブ酸カリウムの粒体と所望の割合で配合した第２誘電体ペーストを作製する。

次に、スクリーン印刷等の手法を用いて、この第１誘電体ペーストをベースシート１９の片面側に第１電極層１１を覆うようにして塗布し、乾燥及び硬化させて第１圧電体層１３Ａを作製する。この硬化後の第１圧電体層１３Ａの厚みは、３〜１０μｍ程度が好適である。次に、スクリーン印刷等の手法を同様に用いて、第２誘電体ペーストをベースシート１９の片面側に第１圧電体層１３Ａを覆うようにして塗布し、乾燥及び硬化させて第２圧電体層１３Ｃを作製する。この硬化後の第２圧電体層１３Ｃの厚みは、１０〜５０μｍ程度が好適である。

次に、第１誘電体ペーストをベースシート１９の片面側に第２圧電体層１３Ｃを覆うようにして塗布し、乾燥及び硬化させて第１圧電体層１３Ｂを作製する。この硬化後の第１圧電体層１３Ｂの厚みは、第１圧電体層１３Ａと同様に、３〜１０μｍ程度が好適である。なお、上述した誘電体ペースト（第１誘電体ペースト、第２誘電体ペースト）には、少量の硬化剤を適宜用いても良いし、消泡剤を添加しても良い。また、ニオブ酸カリウムの粒体の表面にシランカップリング剤を担時させる処理を行っても良い。特に、消泡剤の添加やシランカップリング剤処理を行うことで、圧電体層１３に気泡等の欠陥が生じるのを防止することができ、圧電体層１３の厚み方向の導通不良を低減することができる。

最後に、形成された圧電体層１３に分極処理を行う。図４は、分極処理の方法及び原理を説明する概念図であって、図４（ａ）は、圧電体層１３の初期の状態を示し、図４（ｂ）は、圧電体層１３の厚み方向に電圧を印加した状態を示し、図４（ｃ）は、分極処理が終了した状態を示している。なお、図中には、圧電体層１３として、ニオブ酸カリウムの粒体ＮＢとバインダー樹脂（ポリエステル樹脂またはポリウレタン樹脂）ＰＰを示している。

分極処理は、形成された圧電体層１３をキュリー点近傍の温度に加熱して、図１及び図３に示す端子部１７１及び端子部１７２から、図４（ｂ）に示すように、圧電体層１３の厚みに応じた直流電圧を圧電体層１３に１〜１０（Ｖ／μｍ）程度、印加する。そして、常温に戻した後、第１電極層１１と第２電極層１２との間を短絡させて余分な容量を除去して終了する。なお、直流電圧の印加は、４〜６（Ｖ／μｍ）が好適である。このようにして、圧電体層１３は、図４（ａ）に示す初期状態から図４（ｃ）に示す分極された状態へと、簡単に処理を行うことができる。

以上のようにして、第１電極層１１、圧電体層１３及び第２電極層１２が、合成樹脂にフィラーが分散されたものであるので、ベースシート１９の可撓性に対応して、充分な可撓性を有することができる。

最後に、本発明の第１実施形態では、複合圧電素子１０１を外部環境から保護するため、オーバーコート部材１５が設けられている。なお、第１電極層１１及び第２電極層１２に、銀の粉体の替わりに導電性のカーボンの粉体を用いた場合、このオーバーコート部材１５を設けなくても良い場合がある。

また、オーバーコート部材１５の作製は、顔料が含有された絶縁性のポリウレタン樹脂をベースとした絶縁性ペーストを用い、同様にして、スクリーン印刷等の手法を用いて、この絶縁性ペーストを第２電極層１２全体に覆うようにして塗布して積層し、加熱を行い、乾燥及び硬化させる。この硬化後のオーバーコート部材１５の厚みは、１０〜１００μｍ程度である。なお、ポリウレタン樹脂以外に、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等を用いても良い。このようにして、図１ないし図３に示すような複合圧電素子１０１が形成される。この複合圧電素子１０１の形成には、安易で安価なスクリーン印刷法を用いているので、複合圧電素子１０１を容易に作製することができ、しかも安価に作製することができる。

以上のように構成された本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１における、効果について、実際に作製した複合圧電素子１０１の実施例を参照しながら、以下に説明する。

＜実施例＞
先ず、測定に用いた複合圧電素子１０１の試料（サンプル）について、具体的に説明する。複合圧電素子１０１の試料（サンプル）は、ベースシート１９として、厚みが７５μｍのポリイミド（ＰＩ）フィルムを用いた。また、第１電極層１１及び第２電極層１２として、２６０℃で３０分間加熱して固化させて得られた膜が、その膜厚が５μｍで、フェノール樹脂中のマトリックス中に導電性の銀粉が４０（ｖｏｌ％）含有されているものを用いた。また、オーバーコート部材１５として、１５０℃で１０分間加熱して固化させて得られた膜が、その膜厚が１０μｍで、顔料が含有された絶縁性のポリウレタン樹脂をベースとしたものを用いた。

また、第１圧電体層１３Ａ及び第１圧電体層１３Ｂとして、２６０℃で２０分間加熱して固化させて得られた膜が、その膜厚が５μｍで、非晶性ポリエステル樹脂の熱可塑性樹脂中のマトリックス中に強誘電体粒子であるニオブ酸カリウムの粒体が６０（ｖｏｌ％）含有されているものを用いた。

図５は、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１に用いた圧電粒子の物性の測定結果であって、ニオブ酸カリウムの示差走査熱量測定（ＤＳＣ、Differential scanning calorimetry）のグラフである。横軸は温度を示し、縦軸は熱流量を示している。図５に示すように、ここで用いたニオブ酸カリウムの粒体は、平均粒子径が４００ｎｍで、斜方晶−正方晶の転移点温度が２２３．６℃で、正方晶−立方晶の転移点温度が４２４℃であった（図５に示すＡ１（実線）。また、比較を行うために、平均粒子径が２００ｎｍで、斜方晶−正方晶の転移点温度が２０８．６℃で、正方晶−立方晶の転移点温度が４１１．９℃のもの（図５に示すＣ１（破線））と、平均粒子径が２００ｎｍで、斜方晶−正方晶の転移点温度が２０８．６℃で、正方晶−立方晶の転移点温度が４１１．９℃のもの（図５に示すＣ２（一点鎖線））を用いて、比較サンプルも作製した。

また、第２圧電体層１３Ｃとして、２６０℃で２０分間加熱して固化させて得られた膜が、その膜厚が１０μｍで、非晶性ポリエステル樹脂の熱可塑性樹脂中のマトリックス中に強誘電体粒子であるニオブ酸カリウムの粒体が２０〜６０ｖｏｌ％含有されているものをいくつか用いた。また、比較を行うために、第２圧電体層１３Ｃを設けない構成とし、一層の圧電体のみの比較サンプルも作製した。

次に、上述のようにして作製された複合圧電素子１０１の試料（サンプル）に分極処理を行った。分極処理は、２５０℃に加熱して、図１及び図３に示す端子部１７１及び端子部１７２から、圧電体層１３に１００Ｖの直流電圧を１時間、印加することによって行った。

以上のようにして作製したサンプルについて、その感度について測定を行った。その測定は、圧電体層１３が形成された試料（サンプル）に、２Ｈｚの周波数で０．５ｍｍの変位が生じるような加振を加え、その時の出力電圧を測定した。そして、その出力電圧が大きい方が感度の高い圧電体であるとした。

図６は、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１に係わる測定結果であって、圧電粒子の体積パーセント濃度が変わった圧電素子に、加振を加えた時の出力電圧値のグラフである。横軸は圧電粒子が含有される体積パーセントであり、縦軸は出力電圧値である。図中のＳＰ１（実線）は、第２圧電体層１３Ｃにおけるニオブ酸カリウムの粒体の含有量を変えたサンプルの測定結果であって、図中のＣＳ１（破線）は、一層の圧電体のみの比較サンプルの測定結果である。図７は、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１に係わる測定結果であって、ニオブ酸カリウムの平均粒径が変わった圧電素子に、加振を加えた時の出力電圧値のグラフである。横軸はニオブ酸カリウムの平均粒径であり、縦軸は出力電圧値である。図中のＳＰ２は、本実施例で用いたニオブ酸カリウムの平均粒径が４００ｎｍの測定結果であって、図中のＣＳ２及びＣＳ３は、ニオブ酸カリウムの平均粒径が２００ｎｍ及び８００ｎｍの比較サンプルの測定結果である。

本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１は、図６に示すように、第２圧電体層１３Ｃにおけるニオブ酸カリウムの粒体の含有量が低下しても、一層の圧電体のみで構成された比較例のように大きく下がることがない。これは、圧電粒子の体積パーセント濃度が高い第１圧電体層１３Ａ及び第１圧電体層１３Ｂで挟んだ構造をしているので、この第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）による性能が優先され、圧電体層１３全体での圧電性能が大きく低下しないからである。更に、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１は、２つの第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）の間に配された第２圧電体層１３Ｃが第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）よりも圧電粒子の体積パーセント濃度が低いので、第２圧電体層１３Ｃの曲げに対する曲げ耐性が向上するようになる。このため、圧電体の性能を高めるために圧電粒子の体積パーセント濃度を高くした圧電体の単層で構成した場合と比較して、この第２圧電体層１３Ｃの曲げに対する曲げ耐性が向上するに伴い、圧電体層１３も曲げ耐性が向上するようになる。このことにより、圧電性能を維持しつつ、曲げに対する曲げ耐性が向上した複合圧電素子１０１を提供することができる。

また、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１は、第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）の圧電粒子の体積パーセント濃度が５０〜６５ｖｏｌ％であるので、圧電粒子が第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）に充分充填されることとなる。このことにより、第２圧電体層１３Ｃの圧電粒子の体積パーセント濃度を低くしても、高い圧電性能を得ることができる。例えば図６に示すように、第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）の圧電粒子の体積パーセント濃度が６０ｖｏｌ％で、第２圧電体層１３Ｃの圧電粒子の体積パーセント濃度が４０ｖｏｌ％であっても、２５０ｍＶ以上の出力電圧値が得られ、高い感度が得られる。

更に、圧電粒子がペロブスカイト構造の強誘電体粒子であるので、圧電体層１３の圧電性能を向上させることができる。このことにより、出力性能が優れた複合圧電素子１０１を提供することができる。

また、第１圧電体層１３Ａ及び第１圧電体層１３Ｂの圧電粒子の体積パーセント濃度を同じに調整しているので、体積パーセント濃度が低い方の第１圧電体層１３Ａか第１圧電体層１３Ｂかのいずれかの性能に、圧電体層１３の性能が引きずられることがない。このことにより、圧電体層１３の充分な圧電性能を確保することができる。また、圧電体層１３を製造する際に、同じ原材料を用いることができ、容易に圧電体層１３を製造することができる。このことにより、複合圧電素子１０１を安価に作製することができる。

また、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１は、圧電粒子である強誘電体粒子としてニオブ酸カリウムを用いたが、平均粒子径が４００〜５００ｎｍで、斜方晶−正方晶の転移点温度が２２３℃以上２２８℃以下で、正方晶−立方晶の転移点温度が４２０℃以上４３０℃以下のニオブ酸カリウムを用いるのが好適である。これにより、図７に示すように、圧電体層１３の圧電性能をより向上させることができる。このことにより、出力性能がより優れた複合圧電素子１０１を提供することができる。

また、上述した感度特性の測定用サンプルの他に、曲げ特性の測定用に、ニオブ酸カリウムの粒体が２０〜６０ｖｏｌ％含有されている皮膜サンプルのいくつかを作製し、引張試験機（島津製作所（株）製、型番；オートグラフＡＧＳ−Ｊ５００Ｎ）を用いて、いくつかの皮膜サンプルの弾性率及び降伏強度を測定した。測定の際の条件として、−４０℃の環境下で測定を行った。なお、用いた皮膜サンプルは、引張試験機で測定する都合上、実際に好適に用いる第２圧電体層１３Ｃの厚みである１０〜５０μｍより、厚い１００μｍ厚みのものを用いた。

この結果、皮膜サンプルＴＰ１（ニオブ酸カリウムが２０ｖｏｌ％含有）は、弾性率が０．３５Ｇｐａ、降伏強度が３５Ｍｐａで、皮膜サンプルＴＰ２（ニオブ酸カリウムが３５ｖｏｌ％含有）は、弾性率が０．９８Ｇｐａ、降伏強度が２５Ｍｐａで、皮膜サンプルＴＰ３（ニオブ酸カリウムが５０ｖｏｌ％含有）は、弾性率が１．４Ｇｐａ、降伏強度が１５．８Ｍｐａで、皮膜サンプルＴＰ４（ニオブ酸カリウムが６０ｖｏｌ％含有）は、弾性率が１．９Ｇｐａ、降伏強度が５．４Ｍｐａであった。この弾性率と降伏強度を用いて、皮膜サンプル（ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＰ３、ＴＰ４）の最少曲率半径を算出した。図８は、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１に係わる測定結果であって、圧電粒子の含有量に対する圧電体皮膜の算出した最少曲率半径を示したグラフである。

図８に示すように、ニオブ酸カリウムの粒体の含有量が５０ｖｏｌ％以下の場合において、最少曲率半径が大幅に小さくなっている。このニオブ酸カリウムの粒体の含有量が５０ｖｏｌ％の皮膜サンプルＴＰ３の弾性率が１．４Ｇｐａで、降伏強度が１５．８Ｍｐａなので、この近傍の弾性率及び降伏強度をもって第２圧電体層１３Ｃの皮膜特性とするのが良いと考える。また、より好ましくは、このニオブ酸カリウムの粒体の含有量が２０ｖｏｌ％の皮膜サンプルＴＰ１（弾性率が０．３５Ｇｐａで、降伏強度が３５Ｍｐａ）とニオブ酸カリウムの粒体の含有量が３５ｖｏｌ％の皮膜サンプルＴＰ２（弾性率が０．９８Ｇｐａで、降伏強度が２５Ｍｐａ）との間の弾性率及び降伏強度をもって第２圧電体層１３Ｃの皮膜特性とするのが良いと考える。

上記の結果から、第２圧電体層１３Ｃは、−４０℃環境下における弾性率が１．５ＧＰａ以下、好ましくは０．５ＧＰａ以下であるとともに、−４０℃環境下における降伏強度が１５ＭＰａ以上、好ましくは３０ＭＰａ以上であるのが好適である。これにより、本発明の第１実施形態の複合圧電素子１０１は、−４０℃環境下においても、第２圧電体層１３Ｃを小さい曲率半径で曲げることができるので、この第２圧電体層１３Ｃの充分な曲げ耐性に伴って、圧電体層１３の充分な曲げ耐性を得ることができる。しかも上記ベースシートとバインダーに樹脂を用いることで、−４０℃環境下においても、複合圧電素子１０１の充分な可撓性を得ることができる。

また、第２圧電体層１３Ｃが第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）よりも厚くなっているので、圧電体層１３全体において、第１圧電体層（１３Ａ、１３Ｂ）に比して曲げ耐性が高い第２圧電体層１３Ｃの割合が大きくなっている。このため、圧電体層１３全体での曲げ耐性がより一層向上することとなる。このことにより、曲げ耐性がより一層向上した複合圧電素子１０１を提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の技術的範囲に属する。

図９は、本発明の第１実施形態に係わる複合圧電素子１０１の変形例１を説明する図であって、図２と比較した複合圧電素子Ｃ１０１の側面図である。図１０は、本発明の第１実施形態に係わる複合圧電素子１０１の変形例２を説明する図であって、図３（ａ）と比較した複合圧電素子Ｃ１０２断面図である。

＜変形例１＞
上記第１実施形態では、ベースシート１９の片面側に、圧電体層１３を含む素子を積層する構成にしたが、図９に示すように、ベースシート１９の反対面側にも圧電体層Ｃ１３を含む素子を積層する構成にしても良い。

＜変形例２＞
上記第２実施形態では、圧電体層１３の第２圧電体層１３Ｃを１層で構成するようにしたが、これに限らず、例えば図１０に示すように、２層の第２圧電体層（２３Ｃ、３３Ｃ）で構成した圧電体層Ｃ２３であっても良いし、２層以上であっても良い。

本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

１１ 第１電極層
１２ 第２電極層
１３、Ｃ１３、Ｃ２３ 圧電体層
１３Ａ、１３Ｂ 第１圧電体層
１３Ｃ、２３Ｃ、３３Ｃ 第２圧電体層
１９ ベースシート
１０１、Ｃ１０１、Ｃ１０２ 複合圧電素子

Claims (8)

1. 可撓性のベースシートと、
   該ベースシート上に配された第１電極層と、
   該第１電極層上に配された樹脂と圧電粒子とを有する圧電体層と、
   該圧電体層上に配された第２電極層と、を備えた複合圧電素子において、
   前記圧電体層は、２つの第１圧電体層と、前記２つの第１圧電体層の間に配された第２圧電体層と、を有し、
   該第２圧電体層は、前記第１圧電体層よりも前記圧電粒子の体積パーセント濃度が低いことを特徴とする複合圧電素子。
2. 前記第１圧電体層の前記圧電粒子の前記体積パーセント濃度は、５０〜６５ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１に記載の複合圧電素子。
3. 前記圧電粒子は、結晶構造がペロブスカイト構造の強誘電体粒子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合圧電素子。
4. 前記強誘電体粒子がニオブ酸カリウムであり、
   前記ニオブ酸カリウムは、平均粒子径が４００ｎｍ〜５００ｎｍで、
   斜方晶−正方晶の転移点温度が２２３℃以上２２８℃以下で、
   正方晶−立方晶の転移点温度が４２０℃以上４３０℃以下であることを特徴とする請求項３に記載の複合圧電素子。
5. 前記ベースシートは、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＩ、ＰＥ、ＰＰＳ、アラミド樹脂のいずれかの材質を用いた絶縁性フィルムか、前記材質に無機フィラーを充填したフィラー入りフィルムのうちの何れかであり、
   前記樹脂は、非晶性ポリエステルまたはポリウレタンであり、
   前記第２圧電体層は、−４０℃環境下における弾性率が１．５ＧＰａ以下であるとともに、−４０℃環境下における降伏強度が１５ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の複合圧電素子。
6. 前記第２圧電体層は、−４０℃環境下における弾性率が０．５ＧＰａ以下であるとともに、−４０℃環境下における降伏強度が３０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項５に記載の複合圧電素子。
7. 前記２つの第１圧電体層の前記圧電粒子の前記体積パーセント濃度が同じであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の複合圧電素子。
8. 前記第２圧電体層は、前記第１圧電体層よりも厚くなっていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の複合圧電素子。