(57)【要約】  複合圧電体が曲面形状を有する成形樹脂体に支持され、高い出力が得られる圧電デバイスを提供することを目的とする。圧電デバイスは、可撓性で熱変形が可能な基材３と、基材３上に配設された複合圧電体５と、を備え、複合圧電体５の変形に応じた出力が得られ、複合圧電体５が、有機バインダに圧電体粒子が含有された圧電体層５５と、圧電体層５５の一面５５ａ側に積層された第１電極層１５と、圧電体層５５の他面５５ｂ側に積層された第２電極層２５と、を有し、基材３がインサート成形されて、曲面形状を有する成形樹脂体１と一体になっていることを特徴としている。
2016117450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性で熱変形が可能な基材と、該基材上に配設された複合圧電体と、を備え、前記複合圧電体の変形に応じた出力が得られる圧電デバイスであって、
前記複合圧電体は、有機バインダに圧電体粒子が含有された圧電体層と、該圧電体層の一面側に積層された第１電極層と、前記圧電体層の他面側に積層された第２電極層と、を有し、
前記基材がインサート成形されて、曲面形状を有する成形樹脂体と一体になっていることを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
前記圧電体粒子が分極された強誘電体であり、前記圧電体粒子のキュリー温度が２５０℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記圧電体粒子のキュリー温度が３７５℃以上の温度であることを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記基材は、熱可塑性樹脂からなり、
前記有機バインダは、熱可塑性樹脂からなり、
前記第１電極層は、熱可塑性樹脂の第１バインダ樹脂と、該第１バインダ樹脂中に分散した第１導電性粒子と、を有し、
前記第２電極層は、熱可塑性樹脂の第２バインダ樹脂と、該第２バインダ樹脂中に分散した第２導電性粒子と、を有し、
前記有機バインダは、２５０℃における溶融粘度が３００Ｐａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電デバイス。
【請求項５】
前記複合圧電体が配設された前記基材は、前記インサート成形される前に加熱及び加圧されて曲面形状に変形されており、
前記有機バインダは、１４０℃における貯蔵弾性率が１ＭＰａ以上で、かつ損失弾性率が０．１ＭＰａ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圧電デバイス。
【請求項６】
前記複合圧電体が配設された前記基材の一面側とは反対の他面側で、前記基材と前記成形樹脂体とが一体になっていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の圧電デバイス。
【請求項７】
前記基材の一面側には、前記複合圧電体を覆う熱可塑性樹脂からなるオーバーコート層が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の圧電デバイス。
【請求項８】
前記第１電極層及び前記第２電極層の表面粗さの最大高さ（Ｒｙ）が、前記圧電体層の厚さの半分以下であ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圧電デバイス。
【請求項９】
前記圧電体粒子がニオブ酸カリウムであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種センサ等に用いられる圧電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
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行うことができ、このような圧電素子が各種センサに広く用いられている。一般的に知られている圧電素子は、セラミック誘電体を用いたものが多く、高温で焼結して作製されたタイプが用いられている。【０００３】
このような圧電デバイスとして、特許文献１（従来例１）では、図８に示すような誘電体の粉体を混ぜて固めて高温で焼結したタイプの圧電素子８００が開示されている。図８は、従来例１の圧電素子８００を模式的に示した断面図である。従来例１の圧電素子８００は、図８に示すように、基材８０１に例えばジルコニアを用い、上下の導電層（第１導電層８１０、第２導電層８３０）に例えばインジウム‐すず‐酸化物を用い、圧電体層（誘電体層）８２０に例えばチタン酸鉛やチタン酸ジルコニウム酸鉛を用い、４５０℃から８００℃という高温で熱処理を行って作製している。【０００４】
従来例１のような圧電素子８００では、焼成して焼き固めた誘電体を利用しているので、可撓性が要求されるような各種センサや発電に利用する用途には、殆ど使用できなかった。そこで、特許文献２（従来例２）で提案されるような複合圧電体（高分子複合圧電体９１０）が注目されてきた。図９は、従来例２の高分子複合圧電体９１０を模式的に示した断面図である。【０００５】
従来例２の高分子複合圧電体（圧電コンポジット）９１０は、図９に示すように、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）からなる高分子マトリックス９１２中に、強誘電体材料からなる圧電体粒子９１４が均一に分散されている複合体９１６から構成されており、複合体９１６の下面９１６ｂに下部電極９２０が設けられているとともに、上面９１６ａに上部電極９２２が設けられている。そして、複合体９１６が上下方向に分極処理（ポーリング）されている。このように、高分子複合圧電体９１０は、高分子マトリックス９１２中に圧電体粒子９１４が均一に分散されたコンポジット体で柔軟性を有しているので、可撓性が要求されるような用途に適用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１５１２８５号公報
【特許文献２】特開２０１２−１４２５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、このような複合圧電体（高分子複合圧電体９１０）に対して、得られる出力をより大きくしたいという要望があった。しかしながら、複合圧電体はコンポジット体なので、出力に対して大きく効いてくる厚みを従来例１の圧電素子８００のように容易に大きくすることができないという課題があった。【０００８】
一方、このような複合圧電体を曲面形状で用いたいという要望もあり、この要望に対して、発明者等は、複合圧電体を基材に形成し、この基材を曲面形状を有する基体に貼り付けることを試みた。しかしながら、貼り付ける際に塗布した接着層の厚みにバラツキが生じ、出力される特性に悪影響を及ぼすことがあった。しかも２次元以上の曲面形状の場合には、曲面形状に倣ったように基材を貼り付けることが難しく、出力される特性に更に悪影響を及ぼすという課題があった。【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するもので、複合圧電体が曲面形状を有する成形樹脂体に支持され、高い出力が得られる圧電デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題を解決するために、本発明の圧電デバイスは、可撓性で熱変形が可能な基材と、該基材上に配設された複合圧電体と、を備え、前記複合圧電体の変形に応じた出力が得られる圧電デバイスであって、前記複合圧電体が、有機バインダに圧電体粒子が含有された圧電体層と、該圧電体層の一面側に積層された第１電極層と、前記圧電体層の他面側に積層された第２電極層と、を有し、前記基材がインサート成形されて、曲面形状を有する成形樹脂体と一体になっていることを特徴としている。【００１１】
これによれば、本発明の圧電デバイスは、成形樹脂体が複合圧電体のベース基材となり、ベース基材の厚みが増すこととなる。このため、圧電デバイスを同じ量だけ変形させた場合に得られる出力が大きくなる。また、２次元以上の曲面形状であっても、その形状に倣って複合圧電体が形成されることとなる。これらのことにより、複合圧電体が曲面形状を有する成形樹脂体に支持され、高い出力が得られる圧電デバイスを提供することができる。【００１２】
また、本発明の圧電デバイスは、前記圧電体粒子が分極された強誘電体であり、前記圧電体粒子のキュリー温度が２５０℃以上であることを特徴としている。【００１３】
これによれば、成形樹脂体のインサート成形の際に、２５０℃程度に加熱された溶融樹脂が金型内に流されたとしても、金型内の圧電体層の温度をキュリー温度以下とすることができる。このため、分極処理が行われた圧電体粒子の分極が消失されるのを抑制することが可能となる。【００１４】
また、本発明の圧電デバイスは、前記圧電体粒子のキュリー温度が３７５℃以上の温度であることを特徴としている。【００１５】
これによれば、成形樹脂体のインサート成形の際に、２５０℃程度に加熱された溶融樹脂が金型内に流されたとしても、金型内の圧電体層の温度をキュリー温度の２／３以下とすることができる。このため、一般的に強誘電体の脱分極の起こり始める脱分極温度がキュリー点の２／３程度であるとされているので、成形樹脂体のインサート成形の際の熱で、圧電体粒子の分極が確実に消失されなく、確実な圧電性能を有した圧電デバイスを得ることができる。【００１６】
また、本発明の圧電デバイスは、前記基材が熱可塑性樹脂からなり、前記有機バインダが熱可塑性樹脂からなり、前記第１電極層が、熱可塑性樹脂の第１バインダ樹脂と、該第１バインダ樹脂中に分散した第１導電性粒子と、を有し、前記第２電極層が、熱可塑性樹脂の第２バインダ樹脂と、該第２バインダ樹脂中に分散した第２導電性粒子と、を有し、前記有機バインダが２５０℃における溶融粘度が３００Ｐａ・ｓ以上であることを特徴としている。【００１７】
これによれば、基材、有機バインダ、第１バインダ樹脂及び第２バインダ樹脂がいずれも熱可塑性樹脂からなるので、成形樹脂体のインサート成形の際に、基材、第１電極層、圧電体層、第２電極層が軟化することで、基材及び複合圧電体の形状を金型の形状に倣ったものとすることができる。また、第１電極層と第２電極層との間に位置する圧電体層の有機バインダとして、２５０℃における溶融粘度が３００Ｐａ・ｓ以上であるものを用いたので、成形樹脂体のインサート成形の際に、２５０℃程度に加熱された溶融樹脂が金型内に流されたとしても、圧電体層の有機バインダの剛性がある程度保たれるので、インサート成形時の熱で、第１電極層と第２電極層とが短絡するのを防ぐことができる。【００１８】
また、本発明の圧電デバイスは、前記複合圧電体が配設された前記基材が、前記インサート成形される前に加熱及び加圧されて曲面形状に変形されており、前記有機バインダが、１４０℃における貯蔵弾性率が１ＭＰａ以上で、かつ損失弾性率が０．１ＭＰａ以上であることを特徴としている。【００１９】
これによれば、複合圧電体が配設された基材を曲面形状に熱変形するプレフォーミングにおいて、１４０℃前後の加熱と加圧による圧力とが複合圧電体にかけられたとしても、圧電体層が加圧に耐えられる剛性を有しており、第１電極層と第２電極層間が短絡することを防止できる。このことにより、確実な圧電性能を有した複合圧電体が得られ、出力性能がより優れた圧電デバイスを提供することができる。【００２０】
また、本発明の圧電デバイスは、前記複合圧電体が配設された前記基材の一面側とは反対の他面側で、前記基材と前記成形樹脂体とが一体になっていることを特徴としている。【００２１】
これによれば、成形樹脂体の厚みに加え基材の厚みがベース基材の厚みとなる。このため、ベース基材のより増した厚みに応じて圧電体層の伸びが大きくなるので、複合圧電体からの出力がより大きくなる。このことにより、より感度の大きい圧電デバイスを提供することができる。【００２２】
また、本発明の圧電デバイスは、前記基材の一面側には、前記複合圧電体を覆う熱可塑性樹脂からなるオーバーコート層が設けられていることを特徴としている。【００２３】
これによれば、オーバーコート層が熱可塑性樹脂からなるので、インサート成形時において、オーバーコート層が軟化することで、成形樹脂体の形状に倣って変形することができる。また、基材の一面側の最も外側にオーバーコート層を設けたので、このオーバーコート層で複合圧電体を保護することができる。【００２４】
また、本発明の圧電デバイスは、前記第１電極層及び前記第２電極層の表面粗さの最大高さ（Ｒｙ）が、前記圧電体層の厚さの半分以下であることを特徴としている。【００２５】
これによれば、第１電極層と第２電極層との互いに対向する向きにおいて、最も突出する位置が重なったとしても、第１電極層と第２電極層とが圧電体層内で短絡することを防ぐことができる。【００２６】
また、本発明の圧電デバイスは、前記圧電体粒子がニオブ酸カリウムであることを特徴としている。【００２７】
これによれば、より感度特性が良い複合圧電体が得られ、出力性能がより優れた圧電デバイスを提供することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の圧電デバイスは、成形樹脂体が複合圧電体のベース基材となり、ベース基材の厚みが増すこととなる。このため、圧電デバイスを同じ量だけ変形させた場合に得られる出力が大きくなる。また、２次元以上の曲面形状であっても、その形状に倣って複合圧電体が形成されることとなる。これらのことにより、複合圧電体が曲面形状を有する成形樹脂体に支持され、高い出力が得られる圧電デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態の圧電デバイスを説明する斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態の圧電デバイスを説明する構成図であって、図１に示すＹ１側から見た側面図である。
【図３】本発明の第１実施形態の圧電デバイスを説明する構成図であって、図２に示すＰ部分の縦断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係わる圧電デバイスの複合圧電体を説明する模式図であって、複合圧電体の部分の断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係わる圧電デバイスの工程を説明する模式図であって、工程順に並べた断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係わる圧電デバイスの工程を説明する模式図であって、図５に続く工程を工程順に並べた断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係わる圧電デバイスのシミュレーション結果を示したグラフである。
【図８】従来例１の圧電素子を模式的に示した断面図である。
【図９】従来例２の高分子複合圧電体を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の圧電デバイス１０１を説明する斜視図である。図２は、図１に示すＹ１側から見た圧電デバイス１０１の側面図である。図３は、図２に示すＰ部分の縦断面図である。図４は、圧電デバイス１０１の複合圧電体５の部分を示した断面模式図である。図４では、説明を分かり易くするため、断面を示すハッチングは入れていない。なお、図１ないし図４は、説明を分かり易くするために模式的に示しているので、実際のサイズとは異なっており、特に、厚み方向（図３に示すＺ方向）のサイズは大きく異なっている。
【００３２】
本発明の第１実施形態の圧電デバイス１０１は、図１及び図２に示すように、上面側にドーム状の曲面形状を有し全体が六角形状に形成されており、図３に示すように、曲面形状を有する成形樹脂体１と、成形樹脂体１と一体になっている基材３と、基材３の一面３ａ上に配設された複合圧電体５と、複合圧電体５を覆うオーバーコート層７と、から構成されている。他に、本発明の第１実施形態では、成形樹脂体１と基材３との間に、接着を確実なものにするための薄い粘着剤Ｎ２が用いられている。そして、圧電デバイス１０１は、操作者がドーム状の曲面形状の部分を押圧等の操作を行うことによりその部分が変形し、その部分の複合圧電体５が変形してその変形に応じた出力が得られるものである。
【００３３】
先ず、圧電デバイス１０１の成形樹脂体１は、その材質として、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ、Polymethyl methacrylate）やポリカーボネート樹脂（ＰＣ、polycarbonate）、或いはそれらのポロマーアロイ樹脂等の合成樹脂を用い、射出成形機で射出成形して作製されている。そして、図１に示すように、全体が六角形状でドーム状の曲面形状を有した形状で形成されている。その際には、基材３を金型に同時にセットして、インサート成形している。
【００３４】
次に、圧電デバイス１０１の基材３は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、Polyethylene terephthalate）等の熱可塑性樹脂からなるシート状のフィルム基材であり、可撓性を有し、図３に示すように、成形樹脂体１の曲面形状の凸側に配設され、基材３の他面３ｚ側（一面３ａ側とは反対側）で、基材３と成形樹脂体１とが一体になっている。その際には、前述したように、成形樹脂体１と基材３との間に、接着を確実なものにするための薄い粘着剤Ｎ２が設けられている。
【００３５】
また、基材３は、熱可塑性樹脂を用いているので、熱変形が可能であり、前述したインサート成形される前に加熱及び加圧されて、成形樹脂体１の上面における曲面形状に倣った形状で変形されている。なお、可撓性の基材３に、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のフィルム基材を好適に用いたが、他の熱可塑性の合成樹脂、例えば、ポリエチレン（ＰＥ、Polyethylene）、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）等のフィルム基材であっても良い。また、熱変形が可能な基材３であれば良く、例えば、熱硬化性樹脂である、ポリイミド（ＰＩ、polyimide）、アラミド樹脂（芳香族ポリアミド、Aromatic polyamid）等のフィルム基材であっても良いし、前述した材質に無機フィラーを充填したフィラー入りのフィルム基材であっても良い。また、合成樹脂に限るものでもない。
【００３６】
次に、圧電デバイス１０１の複合圧電体５は、図３に示すように、基材３の一面３ａ側に設けられており、基材３の一面３ａ上に積層された第１電極層１５と、第１電極層１５上に積層された圧電体層５５と、圧電体層５５上に積層された第２電極層２５と、を備えて構成されている。なお、この複合圧電体５は、所望のパターンで基材３上に形成されているが、図１及び図２では、説明を容易にするため、複合圧電体５の詳細なパターンは図示していない。
【００３７】
先ず、複合圧電体５の第１電極層１５は、図４に示すように、例えばポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂からなる第１バインダ樹脂Ｂ１と、第１バインダ樹脂Ｂ１中のマトリックスに分散した、例えば導電性のカーボン粉等の第１導電性粒子Ｃ１と、を有して構成されている。その際には、第１バインダ樹脂Ｂ１中の第１導電性粒子Ｃ１の含有率は、５〜７０（ｖｏｌ％）になるように調整され、その厚みは、５〜２０μｍ程度である。
【００３８】
次に、複合圧電体５の圧電体層５５は、図４に示すように、例えばポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂からなる有機バインダＢ５と、有機バインダＢ５のマトリックス中に分散した圧電体粒子Ｐ５と、を有して構成されている。そして、圧電体層５５は、有機バインダＢ５に圧電体粒子Ｐ５が含有された層を形成しており、層厚方向に分極処理がされている。
【００３９】
また、本発明の第１実施形態では、この有機バインダＢ５として、２５０℃における溶融粘度が３００Ｐａ・ｓ以上で、１４０℃における貯蔵弾性率が１ＭＰａ以上で、かつ損失弾性率が０．１ＭＰａ以上である、特性を有した合成樹脂を用いている。
【００４０】
また、本発明の第１実施形態では、この圧電体粒子Ｐ５として、ペロブスカイト構造の結晶構造であるニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）を好適に用いている。これにより、より感度特性が良い複合圧電体５が得られ、出力性能がより優れたものとなる。なお、圧電体粒子Ｐ５として、圧電体粒子Ｐ５のキュリー温度が２５０℃以上、好ましくは３７５℃以上の温度の特性を有した圧電体（強誘電体）を用いるのが良い。例えば、３７５℃以上のキュリー温度を有した、４３５℃のニオブ酸カリウム、４９０℃のチタン酸鉛、５７０℃のメタニオブ酸鉛、５７３℃の水晶及び１２１０℃のニオブ酸リチウム等や、例えば、２５０℃以上のキュリー温度を有した、３２０℃のチタン酸ジルコン酸鉛（所謂ＰＺＴ）及び３６５℃のニオブ酸ナトリウム等が挙げられる。
【００４１】
最後に、複合圧電体５の第２電極層２５は、第１電極層１５と同様に、図４に示すように、例えばポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂からなる第２バインダ樹脂Ｂ２と、第２バインダ樹脂Ｂ２中のマトリックスに分散した、例えば導電性のカーボン粉等の第２導電性粒子Ｃ２と、を有して構成されている。その際には、第２バインダ樹脂Ｂ２中の第２導電性粒子Ｃ２の含有率は、５〜７０（ｖｏｌ％）になるように調整され、その厚みは、５〜２０μｍ程度である。なお、第１バインダ樹脂Ｂ１及び第２バインダ樹脂Ｂ２として、熱可塑性樹脂を好適に用いたが、これに限るものではなく、エポキシ樹脂やフェノール樹脂等の熱硬化樹脂を用いても良い。
【００４２】
以上のように構成された複合圧電体５は、図３及び図４に示すように、圧電体層５５を挟むようにして、圧電体層５５の一面５５ａ側に第１電極層１５、他面５５ｚ側に第２電極層２５が設けられており、圧電体層５５の変形に応じた出力が第１電極層１５と第２電極層２５との間に得られるものである。その際には、第１電極層１５及び第２電極層２５の表面粗さの最大高さ（Ｒｙ）を、圧電体層５５の厚さの半分以下にするのがより好適である。なお、最大高さ（Ｒｙ）は、ＪＩＳ規格、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１（１９９４）で規定されている方法で測定した値とする。また、ここで云う圧電体層５５の厚さ（Ａ膜厚）とは、基材３に形成された第１電極層１５の平均膜厚（Ｂ膜厚）を測定し、更に第１電極層１５上に圧電体層５５を形成した２層の平均膜厚（Ｃ膜厚）を測定し、Ｃ膜厚からＢ膜厚を引いた値をＡ膜厚（圧電体層５５の厚さ）としている。
【００４３】
これにより、第１電極層１５と第２電極層２５との互いに対向する向きにおいて、最も突出する位置が重なったとしても、第１電極層１５と第２電極層２５とが圧電体層５５内で短絡することを防ぐことができる。
【００４４】
最後に、圧電デバイス１０１のオーバーコート層７は、例えばアクリル樹脂等の熱可塑性樹脂からなる合成樹脂材料を用いており、図３に示すように、基材３の一面３ａ側に複合圧電体５を覆うようにして設けられている。このため、成形樹脂体１の曲面形状に倣って変形することができ、凸状形状の曲面形状を有した成形樹脂体１の形状においても、このオーバーコート層７で複合圧電体５を保護することができる。
【００４５】
以上のように構成された圧電デバイス１０１は、複合圧電体５が配設された基材３が曲面形状を有する成形樹脂体１と一体になっているので、成形樹脂体１が複合圧電体５のベース基材となり、ベース基材の厚みが増すこととなる。このため、圧電デバイス１０１を同じ量だけ変形させた場合に得られる出力が大きくなる。
【００４６】
更に、複合圧電体５が配設された基材３の一面３ａ側とは反対の他面３ｚ側で、基材３と成形樹脂体１とが一体になっているので、成形樹脂体１の厚みに加え基材３の厚みがベース基材の厚みとなる。このため、ベース基材のより増した厚みに応じて圧電体層５５の伸びが大きくなるので、複合圧電体５からの出力がより大きくなる。このことにより、より感度の大きい圧電デバイス１０１を提供することができる。
【００４７】
次に、本発明の第１実施形態に係わる圧電デバイス１０１の製造方法について、工程図を用いて、具体的な数値例を交えながら説明する。図５は、本発明の第１実施形態に係わる圧電デバイス１０１の工程を説明する模式図であって、図５（ａ）は、準備工程Ｐ１終了後を示した断面図であり、図５（ｂ）は、圧電体形成工程Ｐ２の第１電極工程Ｐ２１終了後を示した断面図であり、図５（ｃ）は、圧電体形成工程Ｐ２の圧電体積層工程Ｐ２２終了後を示した断面図であり、図５（ｄ）は、圧電体形成工程Ｐ２の第２電極工程Ｐ２３終了後を示した断面図であり、図５（ｅ）は、圧電体形成工程Ｐ２のコート層形成工程Ｐ２４終了後を示した断面図であり、図５（ｆ）は、圧電体形成工程Ｐ２の粘着剤工程Ｐ２５終了後を示した断面図である。図６は、図５（ｆ）に続く工程を説明した模式図であって、図６（ａ）は、分極工程Ｐ３終了後を示した断面図であり、図６（ｂ）は、フォーミング工程Ｐ４終了後を示した断面図であり、図６（ｃ）は、成形工程Ｐ５終了後を示した断面図である。なお、図５及び図６は、説明を分かり易くするために模式的に示しているので、厚み方向（図５及び図６の上下方向）のサイズは実際のサイズと大きく異なっている。
【００４８】
本発明の第１実施形態に係わる圧電デバイス１０１の製造方法は、図５に示すように、基材３を準備する準備工程Ｐ１と、基材３の一面３ａに複合圧電体５を形成する圧電体形成工程Ｐ２と、図６に示すように、複合圧電体５に分極処理を行う分極工程Ｐ３と、基材３を熱変形させるフォーミング工程Ｐ４と、基材３をインサート成形する成形工程Ｐ５と、を有して構成されている。
【００４９】
先ず、基材３となるフィルム基材を準備する準備工程Ｐ１を行う。この準備工程Ｐ１は、可撓性で熱変形が可能なフィルム基材を準備し、ひずみを緩和するためのアニール工程を行った後、所望の箇所に穴明けを行う穴加工工程を行う。そして、フィルム基材を所望のサイズに切断する切断工程を行い、図５（ａ）に示す基材３を準備する。
【００５０】
次に、基材３の一面３ａに複合圧電体５を形成する圧電体形成工程Ｐ２を行う。この圧電体形成工程Ｐ２は、基材３の一面３ａ上に第１電極層１５を形成する第１電極工程Ｐ２１と、第１電極層１５上に圧電体層５５を積層する圧電体積層工程Ｐ２２と、圧電体層５５上に第２電極層２５を積層する第２電極工程Ｐ２３と、複合圧電体５を覆うようにして基材３の一面３ａ側にオーバーコート層７を形成するコート層形成工程Ｐ２４と、基材３の他面３ｚ側に粘着剤Ｎ２を設ける粘着剤工程Ｐ２５と、有して構成されている。そして、いずれの工程においても、スクリーン印刷法を用いて、各層を形成している。
【００５１】
圧電体形成工程Ｐ２の第１電極工程Ｐ２１は、先ず、ポリエステル樹脂等の第１バインダ樹脂Ｂ１と、カルビトールアセテート等の溶剤と、カーボンブラックやグラファイト等のカーボン粉と、を混合して導電性のカーボンペーストとし、このカーボンペーストを所望のパターンで基材３の一面３ａ上に印刷する。そして、このカーボンペーストを加熱して乾燥及び固化させ、図５（ｂ）に示すように、基材３の一面３ａ上に第１電極層１５を形成する。その際の第１電極層１５の厚みは、５μｍ〜２０μｍ程度である。また、第１電極層１５における表面粗さの最大高さ（Ｒｙ）は、３μｍ〜８μｍ程度である。なお、カーボン粉としてグラファイトを用いた場合には、この最大高さ（Ｒｙ）を小さく抑えるために、グラファイトの平均粒径を小さくすることが好適であり、具体的には、平均粒径が１μｍ以下のグラファイトを用いるのが良い。
【００５２】
圧電体形成工程Ｐ２の圧電体積層工程Ｐ２２は、先ず、ポリエステル樹脂等の有機バインダＢ５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（ＫＮｂＯ３）の圧電体粒子Ｐ５とを混合して圧電体ペーストとし、この圧電体ペーストを所望のパターンで第１電極層１５上に印刷する。そして、この圧電体ペーストを加熱して乾燥及び固化させ、図５（ｃ）に示すように、第１電極層１５上に圧電体層５５を積層して形成する。その際の圧電体層５５の厚みは、１０μｍ〜２５μｍ程度である。なお、この圧電体層５５の印刷工程を繰り返して行うことで、圧電体層５５の厚みを１００μｍ程度にすることができる。
【００５３】
圧電体形成工程Ｐ２の第２電極工程Ｐ２３は、ポリエステル樹脂等の第２バインダ樹脂Ｂ２とカルビトールアセテート等の溶剤とカーボンブラックやグラファイト等のカーボン粉とを混合して導電性のカーボンペーストとし、このカーボンペーストを所望のパターンで圧電体層５５上に印刷する。そして、このカーボンペーストを加熱して乾燥及び固化させ、図５（ｄ）に示すように、圧電体層５５上に第２電極層２５を積層して形成する。その際の第２電極層２５の厚みは、第１電極層１５と同様に、５μｍ〜２０μｍ程度である。
【００５４】
圧電体形成工程Ｐ２のコート層形成工程Ｐ２４は、カルビトール等の溶剤にアクリル樹脂等の合成樹脂が溶かされた絶縁インクを用い、この絶縁インクを基材３の一面３ａ側に複合圧電体５を覆うようにして印刷する。そして、この絶縁インクを加熱して乾燥及び固化させ、図５（ｅ）に示すように、基材３の一面３ａ側にオーバーコート層７を形成する。その際のオーバーコート層７の厚みは、５μｍ〜１５μｍ程度である。
【００５５】
圧電体形成工程Ｐ２の粘着剤工程Ｐ２５は、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）やポリカーボネート樹脂（ＰＣ）との接着性が良好な粘着剤Ｎ２を用い、この粘着剤Ｎ２を基材３の他面３ｚ側に印刷する。そして、この粘着剤Ｎ２を乾燥させ、図５（ｆ）に示すように、基材３の他面３ｚ側に粘着剤Ｎ２を形成する。
【００５６】
次に、複合圧電体５の圧電体層５５に分極処理を行う分極工程Ｐ３を行う。この分極工程Ｐ３は、圧電体層５５を１３０℃前後の温度に加熱して、第１電極層１５及び第２電極層２５間に圧電体層５５の厚みに応じた直流電圧を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１５と第２電極層２５との間を図示しない端子部において短絡させて余分な容量を除去して処理を終了する。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５５は、図６（ａ）に示すような分極された状態へと、簡単に処理を行うことができる。なお、図６（ａ）に示す一点鎖線は、分極の方向を示している。
【００５７】
次に、基材３を熱変形させて曲面形状を形成するフォーミング工程Ｐ４を行う。このフォーミング工程Ｐ４は、先ず、複合圧電体５が形成された基材３を金型に挟み込んで型締めを行い、次に、金型で、１４０℃前後の加熱と６ｋＮ前後の加圧を行う。そして、金型に形成された曲面形状に倣うようにして基材３を熱変形し、図６（ｂ）に示すように、曲面形状を有した基材３が形成される。この際に、本発明の第１実施形態では、圧電体層５５の有機バインダＢ５として、１４０℃における貯蔵弾性率が１ＭＰａ以上でかつ損失弾性率が０．１ＭＰａ以上であるものを用いたので、１４０℃前後の加熱と加圧による圧力とが複合圧電体５にかけられたとしても、圧電体層５５が加圧に耐えられる剛性を有しており、第１電極層１５と第２電極層２５間が短絡することを防止できる。なお、この金型の曲面形状は、成形樹脂体１の曲面形状に倣った形状で作製されている。
【００５８】
最後に、成形樹脂体１を成形する成形工程Ｐ５を行う。この成形工程Ｐ５は、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）等の熱可塑性樹脂を用い、曲面形状を有した基材３を８０℃程度に加熱された成形金型にセットして、インサート成形を行う。そして、図６（ｃ）に示すように、成形金型で形成された成形樹脂体１の曲面形状に倣うようにして基材３が熱変形し、曲面形状を有する成形樹脂体１と基材３とが一体になって形成される。この際には、２５０℃程度に加熱された溶融樹脂が金型内に流されて、複合圧電体５が形成された基材３に対して加熱及び加圧が行われる。このような場合であっても、圧電体粒子Ｐ５のキュリー温度が２５０℃以上であるので、金型内の圧電体層５５の温度をキュリー温度以下とすることができる。このため、分極処理が行われた圧電体粒子Ｐ５の分極が消失されるのを抑制することが可能となる。しかも、圧電体粒子Ｐ５のキュリー温度が３７５℃以上の場合は、金型内の圧電体層５５の温度をキュリー温度の２／３以下とすることができる。このため、一般的に強誘電体の脱分極の起こり始める脱分極温度がキュリー点の２／３程度であるとされているので、成形樹脂体１のインサート成形の際の熱で、圧電体粒子Ｐ５の分極が確実に消失されなく、確実な圧電性能を有した圧電デバイス１０１を得ることができる。
【００５９】
また、基材３、有機バインダＢ５、第１バインダ樹脂Ｂ１、第２バインダ樹脂Ｂ２及びオーバーコート層７がいずれも熱可塑性樹脂からなるので、成形樹脂体１のインサート成形の際に、基材３、第１電極層１５、圧電体層５５、第２電極層２５及びオーバーコート層７が軟化することで、基材３及び複合圧電体５の形状を金型の形状に倣ったものとすることができる。このことにより、２次元以上の曲面形状であっても、その形状に倣って複合圧電体５が形成されることとなる。
【００６０】
また、第１電極層１５と第２電極層２５との間に位置する圧電体層５５の有機バインダＢ５として、２５０℃における溶融粘度が３００Ｐａ・ｓ以上であるものを用いたので、成形樹脂体１のインサート成形の際に、２５０℃程度に加熱された溶融樹脂が金型内に流されたとしても、圧電体層５５の有機バインダＢ５の剛性がある程度保たれるので、インサート成形時の熱で、第１電極層１５と第２電極層２５とが短絡するのを防ぐことができる。
【００６１】
また、基材３の一面３ａ側に形成された最も外側にオーバーコート層７を設けているので、インサート成形時において、オーバーコート層７で複合圧電体５を保護することができる。
【００６２】
以上のように構成された本発明の第１実施形態の圧電デバイス１０１における、効果について、検証結果を交えながら、以下に纏めて説明する。図７は、本発明の第１実施形態に係わる圧電デバイス１０１のシミュレーション結果を示したグラフである。横軸はベース基材の厚みであり、縦軸は出力電圧値である。ここで云うベース基材の厚みとは、基材３の厚みと成形樹脂体１の厚みを合わせた厚みである。
【００６３】
本発明の第１実施形態の圧電デバイス１０１は、複合圧電体５が配設された基材３がインサート成形されて、曲面形状を有する成形樹脂体１と一体になっているので、成形樹脂体１が複合圧電体５のベース基材となり、ベース基材の厚みが増すこととなる。このため、図７に示すように、圧電デバイス１０１を同じ量だけ変形させた場合に得られる出力がベース基材の厚みに応じて大きくなる。また、２次元以上の曲面形状であっても、その形状に倣って複合圧電体５が形成されることとなる。これらのことにより、複合圧電体５が曲面形状を有する成形樹脂体１に支持され、高い出力が得られる圧電デバイス１０１を提供することができる。
【００６４】
また、圧電体粒子Ｐ５のキュリー温度が２５０℃以上であるので、成形樹脂体１のインサート成形の際に、２５０℃程度に加熱された溶融樹脂が金型内に流されたとしても、金型内の圧電体層５５の温度をキュリー温度以下とすることができる。このため、分極処理が行われた圧電体粒子Ｐ５の分極が消失されるのを抑制することが可能となる。
【００６５】
また、圧電体粒子Ｐ５のキュリー温度が３７５℃以上であるので、成形樹脂体１のインサート成形の際に、２５０℃程度に加熱された溶融樹脂が金型内に流されたとしても、金型内の圧電体層５５の温度をキュリー温度の２／３以下とすることができる。このため、一般的に強誘電体の脱分極の起こり始める脱分極温度がキュリー点の２／３程度であるとされているので、成形樹脂体１のインサート成形の際の熱で、圧電体粒子Ｐ５の分極が確実に消失されなく、確実な圧電性能を有した圧電デバイス１０１を得ることができる。
【００６６】
また、基材３、有機バインダＢ５、第１バインダ樹脂Ｂ１及び第２バインダ樹脂Ｂ２がいずれも熱可塑性樹脂からなるので、成形樹脂体１のインサート成形の際に、基材３、第１電極層１５、圧電体層５５、第２電極層２５が軟化することで、基材３及び複合圧電体５の形状を金型の形状に倣ったものとすることができる。また、第１電極層１５と第２電極層２５との間に位置する圧電体層５５の有機バインダＢ５として、２５０℃における溶融粘度が３００Ｐａ・ｓ以上であるものを用いたので、成形樹脂体１のインサート成形の際に、２５０℃程度に加熱された溶融樹脂が金型内に流されたとしても、圧電体層５５の有機バインダＢ５の剛性がある程度保たれるので、インサート成形時の熱で、第１電極層１５と第２電極層２５とが短絡するのを防ぐことができる。
【００６７】
また、有機バインダＢ５として、１４０℃における貯蔵弾性率が１ＭＰａ以上でかつ損失弾性率が０．１ＭＰａ以上であるものを用いたので、複合圧電体５が配設された基材３を曲面形状に熱変形するプレフォーミングにおいて、１４０℃前後の加熱と加圧による圧力とが複合圧電体５にかけられたとしても、圧電体層５５が加圧に耐えられる剛性を有しており、第１電極層１５と第２電極層２５間が短絡することを防止できる。このことにより、確実な圧電性能を有した複合圧電体５が得られ、出力性能がより優れた圧電デバイス１０１を提供することができる。
【００６８】
また、複合圧電体５が配設された基材３の一面３ａ側とは反対の他面３ｚ側で、基材３と成形樹脂体１とが一体になっているので、成形樹脂体１の厚みに加え基材３の厚みがベース基材の厚みとなる。このため、ベース基材のより増した厚みに応じて圧電体層５５の伸びが大きくなるので、複合圧電体５からの出力がより大きくなる。このことにより、より感度の大きい圧電デバイス１０１を提供することができる。
【００６９】
また、オーバーコート層７が熱可塑性樹脂からなるので、インサート成形時において、オーバーコート層７が軟化することで、成形樹脂体１の形状に倣って変形することができる。また、基材３の一面３ａ側の最も外側にオーバーコート層７を設けたので、このオーバーコート層７で複合圧電体５を保護することができる。
【００７０】
また、電極層（第１電極層１５及び第２電極層２５）の表面粗さの最大高さ（Ｒｙ）が圧電体層５５の厚さの半分以下なので、第１電極層１５と第２電極層２５との互いに対向する向きにおいて、最も突出する位置が重なったとしても、第１電極層１５と第２電極層２５とが圧電体層５５内で短絡することを防ぐことができる。
【００７１】
また、圧電体粒子Ｐ５がニオブ酸カリウムであるので、より感度特性が良い複合圧電体５が得られ、出力性能がより優れた圧電デバイス１０１を提供することができる。
【００７２】
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。
【００７３】
＜変形例１＞
上記第１実施形態では、上面側にドーム状の曲面形状を有した形状の成形樹脂体１であったが、これに限るものではない。例えば、曲面形状が凹状の形状であっても良いし、曲面形状が細長い形状であっても良いし、角部に曲面形状を有した形状であっても良いし、全体が曲面形状であっても良い。
【００７４】
＜変形例２＞
上記第１実施形態では、成形樹脂体１の材質に熱可塑性樹脂を用いて、射出成形を行ない成形樹脂体１を成形したが、熱硬化性樹脂を用いても良い。その際には、トランスファー成形を行い成形樹脂体を成形する。このトランスファー成形の場合は、溶融樹脂の金型内での温度が１７０〜１８０℃程度なので、２５０℃以上のキュリー温度よりも低くなっており、インサート成形の場合と比較して、分極処理が行われた圧電体粒子Ｐ５の分極が消失される虞をより低減されている。
【００７５】
＜変形例３＞
上記第１実施形態では、インサート成形される前に、複合圧電体５が配設された基材３を予め加熱及び加圧するフォーミング工程Ｐ４を行ったが、このフォーミング工程Ｐ４を行わないこともできる。その際には、成形樹脂体１の成形時の熱と圧力で、基材３を曲面形状を有する形状にすることとなる。
【００７６】
＜変形例４＞
上記第１実施形態では、複合圧電体５が配設された基材３の他面３ｚ側で、基材３と成形樹脂体１とを一体にした構成であったが、複合圧電体５が配設された基材３の一面３ａ側で、基材３と成形樹脂体１とを一体にした構成であっても良い。
【００７７】
＜変形例５＞
上記第１実施形態では、成形樹脂体１と基材３との接着を確実なものにするため、薄い粘着剤Ｎ２を用いた構成としたが、粘着剤Ｎ２を用いなく、成形樹脂体１と基材３とを、直に接着して一体化しても良い。
【００７８】
＜変形例６＞
上記第１実施形態では、複合圧電体５として、圧電体層５５を挟んで第１電極層１５及び第２電極層２５の一組で構成したが、これに限るものではない。例えば、第２電極層２５の上層に新たな圧電体層及び新たな電極層を設け、第２電極層２５を第１電極層とし、新たな電極層を第２電極層として、２層の圧電体層（圧電体層５５と新たな圧電体層）を設ける構成でも良い。これにより、複合圧電体から得られる出力を大きくすることができる。また、このようにして積層した２層の圧電体層の構成に限らず、３層以上の複数層の圧電体層を構成しても良い。
【００７９】
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。
【符号の説明】
【００８０】
１      成形樹脂体
３      基材
３ａ    一面（基材）
３ｚ    他面（基材）
５      複合圧電体
１５    第１電極層
Ｂ１    第１バインダ樹脂
Ｃ１    第１導電性粒子
２５    第２電極層
Ｂ２    第２バインダ樹脂
Ｃ２    第２導電性粒子
５５    圧電体層
５５ａ  一面（圧電体層）
５５ｚ  他面（圧電体層）
Ｂ５    有機バインダ
Ｐ５    圧電体粒子
７      オーバーコート層
１０１  圧電デバイス
【図１】
2016117450.tif 000003
【図２】
2016117450.tif 000004
【図３】
2016117450.tif 000005
【図４】
2016117450.tif 000006
【図５】
2016117450.tif 000007
【図６】
2016117450.tif 000008
【図７】
2016117450.tif 000009
【図８】
2016117450.tif 000010
【図９】
2016117450.tif 000011
【国際調査報告】
2016117450.tif 000012
2016117450.tif 000013