(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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６のいずれかに記載の圧電素子。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１５２６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。
【発明の効果】
【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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２】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３】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４】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５】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。
【図６】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７】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。
【図８】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９】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１０】図９を２次元平面的に示した図である。
【図１１】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１２】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１３】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１４】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１５】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。
【図１６】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１７】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１８】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１９】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２０】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。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
なお、電極５４〜５７の各々は、理想電極とし、厚みは０とした。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
次に、この発明に係る圧電素子の用途について説明する。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【符号の説明】
【０１０１】
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
【図１】
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【図２】
0005473905.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005473905.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0005473905.tif 000018
【図１８】
0005473905.tif 000019
【図１９】
0005473905.tif 000020
【図２０】
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