(57)【要約】【課題】圧電特性に優れた新規な圧電性樹脂膜を提供する。【解決手段】圧電性樹脂膜は、少なくとも圧電性樹脂とシラン系化合物とを含み、粒状の結晶体が等方的に分散した結晶構造を有する。粒状の結晶体のサイズは、０．１μｍよりも大きく１０μｍよりも小さい。また、結晶構造の結晶化度は、５０％よりも大きく８０％よりも小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電性樹脂膜において、
少なくとも圧電性樹脂とシラン系化合物とを含み、
前記圧電性樹脂膜は、粒状の結晶体が等方的に分散した結晶構造を有することを特徴とする圧電性樹脂膜。
【請求項２】
前記粒状の結晶体のサイズは、０．１μｍよりも大きく１０μｍよりも小さいことを特徴とする圧電性樹脂膜。
【請求項３】
前記結晶構造の結晶化度は、５０％よりも大きく８０％よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載された圧電性樹脂膜。
【請求項４】
一対の電極と、
前記一対の電極によって挟まれた圧電性樹脂膜とを有し、
前記圧電性樹脂膜は、請求項１から３のいずれかに記載された圧電性樹脂膜であることを特徴とする圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電性樹脂膜および圧電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電効果を有する樹脂系の圧電素子が知られている。例えば、特許文献１には、予め製造されたα型の結晶構造を有する圧電性樹脂膜に対して延伸処理を施し、分子鎖を引き伸ばすことにより、ＴＧＴＧ’構造をＴＴ構造に変換する圧電性フィルムの製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５５−１５７８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、圧電性樹脂膜の製造方法については様々なものが提案されているが、その結晶状態に着目した構造上の改良に関しては、未だ十分な研究や検討がなされていない。
【０００５】
本発明の目的は、圧電特性に優れた新規な圧電性樹脂膜を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決すべく、第１の発明は、圧電性樹脂膜の新規な構造を提供する。この圧電性樹脂膜は、少なくとも圧電性樹脂とシラン系化合物とを含み、粒状の結晶体が等方的に分散した結晶構造を有する。
【０００７】
ここで、第１の発明において、上記粒状の結晶体のサイズは、０．１μｍよりも大きく１０μｍよりも小さいことが好ましく、また、上記結晶構造の結晶化度は、５０％よりも大きく８０％よりも小さいことが好ましい。
【０００８】
第２の発明は、一対の電極と、圧電性樹脂膜とを有する圧電デバイスを提供する。この圧電性樹脂膜は、一対の電極によって挟まれていると共に、上記第１の発明に係る圧電性樹脂膜である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、粒状の結晶体が等方的に分散した結晶構造を圧電性樹脂膜が有するので、圧電特性に優れた圧電性樹脂膜を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】圧電デバイスの概略図
【図２】本実施形態に係る圧電性樹脂膜の断面写真
【図３】第１の比較例に係る圧電性樹脂膜の断面写真
【図４】第２の比較例に係る圧電性樹脂膜の断面写真
【図５】圧電特性の比較グラフ
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、圧電デバイスの概略図である。この圧電デバイス１は、下部電極２と、上部電極３と、これらの電極２，３によって挟まれた圧電性樹脂膜４とを主体に構成されている。圧電デバイス１は、センサ、発電、アクチュエータ、開閉バルブなどの用途で広く用いることができる。
【００１２】
図２は、本実施形態に係る圧電性樹脂膜の断面写真である。同図（ａ）は、電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影したグレースケール写真であり、同図（ｂ）は、これを二値化したものである（後述する図面についても同様。）。圧電素子は、少なくとも圧電性樹脂とシラン系化合物とを含む圧電性樹脂膜の上下に一対の電極を配置した構成を有しているが、同写真は、上側の電極（銀ペースト）を剥離した状態を示している。また、同写真の上部に散見される比較的大きな粒は、剥離した銀ペーストの残存物である。
【００１３】
同図（ｂ）において、圧電性樹脂膜内に存在する粒状の白色斑（高輝度領域）は、圧電性樹脂膜の結晶体であり、それ以外の黒い領域（低輝度領域）は、結晶していない非晶質部分である。この写真から分かるように、粒状の結晶体は、特定の方向に偏在することなく、圧電性樹脂膜の全体に亘って、ほぼ均一に分散している。すなわち、圧電性樹脂膜の構造上の特徴として、粒状の結晶体が等方的に分散した結晶構造を有することが挙げられる。
【００１４】
また、第２の特徴として、結晶体が微細な粒状であることが挙げられる。具体的には、粒状の結晶体のサイズは、０．１μｍよりも大きく１０μｍよりも小さい。粒状の結晶体のサイズは、ＳＥＭやデジタルマイクロスコープ（顕微鏡）などを用いて算出することができる。
【００１５】
さらに、第３の特徴として、結晶構造の結晶化度が５０％よりも大きく８０％よりも小さいことが挙げられる。結晶化度は、圧電性樹脂膜の全体に占める結晶体領域の割合であり、Ｘ線回折法やＤＳＣ（示差走査熱量計）などを用いて算出することができる。
【００１６】
以上のような特徴的な構成を有する圧電性樹脂膜は、スプレーコーティング法を用いて生成することができる。スプレーコーティング法の概略は、以下のとおりである。
【００１７】
まず、圧電性樹脂の粉末を溶媒にて溶解し、この溶解液にシラン系カップリング剤を添加することによって、コーティング溶液を作成する。具体的には、圧電性樹脂との反応基であるアミノ基又はエポキシ基、メルカプト基、ウレイド基、ビニル基、メタクリル基又はアミノ基とエポキシ基とメルカプト基、ウレイド基、ビニル基、メタクリル基のいずれか２種を複合したもの、かつ、被コーティング物との反応性の加水分解性基とを有するシラン系カップリング剤を、圧電性樹脂の溶解液に０．００１〜１質量％ほど添加し、常温下で攪拌・混合した後、さらに、シラン系カップリング剤が添加される。
【００１８】
つぎに、コーティング溶液をスプレーで噴霧して、被コーティング物（上述した電極を含む。）の表面に圧電性樹脂膜を形成する。被コーティング物に噴霧されたコーティング溶液に対して、熱風、遠赤外線ヒーター、ハロゲンランプ等を当てることによって、コーティング溶液中の溶媒成分を揮発させる。この過程において、圧電性樹脂とシラン系カップリング剤との間で架橋反応が生じる。この架橋反応は、圧電性樹脂の持つ分子鎖の双極子がシラン系カップリング剤の圧電性樹脂との反応基であるアミノ基又はエポキシ基、メルカプト基又はアミノ基とエポキシ基とメルカプト基のいずれか２種を複合したものとが結合し、規則性を持って配列する。また、被コーティング物と反応性を持つ加水分解基が被コーティング物と結合し、配列と同一の方向性を持って配列する。これにより、圧電性樹脂膜と被コーティング物との層間において、圧電性樹脂の持つ分子鎖の全双極子が被コーティング物に対して垂直に配向することになる。そして、その配向に伴って、圧電性を示すβ型結晶構造が形成され、かつ、膜全体中でβ型結晶構造の占める割合が何も添加していないものと比べて増加するため、シラン系カップリング剤の添加により圧電率が著しく向上する。
【００１９】
そして、圧電性樹脂膜を乾燥させた後、この圧電性樹脂膜に高電圧を印加して分極処理を行う。圧電性樹脂膜内のβ型結晶構造のうち、完全に配向しきれていなかったものは、高電圧印加による電界の力で一方向に揃えられる。これにより、圧電性樹脂膜の圧電率を高める。
【００２０】
以上のようなスプレーコーティング法を用いることで、圧電性樹脂とシラン系化合物とを主成分とした圧電性樹脂膜を得ることができる（溶媒は揮発して消失する。）。ただし、スプレーコーティング法を用いても、条件を最適化しなければ、上述した結晶構造を得ることはできない。本発明者らが実験を重ねて鋭意検討した結果、スプレーのエア条件によって、圧電塗料を噴霧した際の微粒化が変わることから、上述した結晶構造を得るための最も重要な条件はスプレーのエア圧であることが判明した。微粒化の度合いが膜断面の微小な結晶体を作り上げるファクターとして効いてくるので、微粒化が上がれば微小な結晶を形成し易くなる。このような着眼から、スプレーのエア圧は比較的高く設定すべきであり、具体的には、０．０５ＭＰａよりも大きく、かつ、０．５ＭＰａよりも小さい範囲にすることが好ましい。図２に示した断面写真は、エア圧を０．３ＭＰａに設定して生成したものである。なお、噴霧すべき圧電塗料の粘度は、使用環境等を考慮して適宜調整すればよい。
【００２１】
条件の最適化を前提にスプレーコーティング法にて生成される圧電性樹脂膜は、その他の製造方法にて生成されるものとは、構造上明確に相違する。図３は、第１の比較例として、印刷コーティング法で生成された圧電性樹脂膜の断面写真である。この圧電性樹脂膜では、白色斑（結晶体）が中間層に局所的に存在するものの、上層および下層は非晶質部分が大半を占めている。また、圧電性樹脂膜の結晶化度は、４５％よりも大きく５０％よりも小さい。すなわち、この圧電性樹脂膜では、結晶体が全体的に分散するものでもなく、また、等方性を有するものでもない。以上のことから、スプレーコーティング法で生成された圧電性樹脂膜は、本実施形態に係る圧電性樹脂膜とは構造的に大きく相違する。
【００２２】
図４は、第２の比較例として、延伸フィルム法で生成された圧電性樹脂膜の断面写真である。この圧電性樹脂膜では、粒状の結晶体はほとんど存在せず、）、延伸処理が施されている関係上、非晶質部分が横方向（フィルムの延伸方向）に延在しており、異方的な波模様になっている（横縞模様）。また、圧電性樹脂膜の結晶化度は、４０％よりも大きく４５％よりも小さい。すなわち、この圧電性樹脂膜における結晶体も、全体的に分散するものでもなく、また、等方性を有するものでもない。以上のことから、延伸フィルム法で生成された圧電性樹脂膜も、本実施形態に係る圧電性樹脂膜とは構造的に大きく相違する。
【００２３】
図５は、圧電特性の比較グラフである。本実施形態（スプレーコーティング法）、第１の比較例（印刷コーティング法）、および、第２の比較例（延伸フィルム法）について、圧電性樹脂膜の膜厚に対する発生電圧をプロットしたものである。膜厚の大きさに関わりなく、第１および第２の比較例よりも本実施形態の方が発生電圧が大きいこと、すなわち、圧電特性が優れていることが分かる。
【００２４】
このように、本実施形態によれば、圧電性樹脂膜の全体を等方的かつ粒状の結晶構造とすることで、圧電特性に優れた圧電性樹脂膜を実現できる。
【符号の説明】
【００２５】
１  圧電デバイス
２  下部電極
３  上部電極
４  圧電性樹脂膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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