(57)【要約】【課題】軽量であり、小さな力で大きく屈曲して大きな電力を得ることができ、しかも安価に製造することができる圧電素子を提供する。【解決手段】圧電素子１０は、圧電セラミックス薄板２１，２３の表裏面にそれぞれ電極膜２２ａ・２２ｂ，２４ａ・２４ｂを形成してなる圧電板１４ａ，１４ｂを、補強板として竹製薄板材１２の片面または両面に貼り合わせてなるモノモルフ型またはバイモルフ型の素子である。竹製薄板材１２そのものは絶縁体であるので、圧電素子１０における竹製薄板材１２側の電極膜２２ｂ，２４ｂから電極端子を取り出すために、竹製薄板材１２の表面に炭素粉末を含浸させた導電層１６を形成している。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料からなる板材の表裏面にそれぞれ電極膜を形成してなる圧電板を補強板の片面または両面に貼り合わせてなる圧電素子において、
前記補強板が竹材からなることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記補強板の表面に炭素粉末を含浸させた導電層を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記補強板の厚さは、０．５ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧の印加により屈曲変位を生じさせることができ、逆に、外力により屈曲変位を生じさせることにより発電させて電気を取り出すことができる圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電セラミックスからなる矩形薄板材の表面に電極膜を形成したもの（以下、「圧電板」という）を補強板の表面または表裏面に貼り付けた構造を有する、所謂、ユニモルフ素子やバイモルフ素子（以下「バイモルフ素子等」という）は、圧電板に所定の電圧を印加することにより屈曲変位を生じることを利用して、流体制御弁等に用いられている。また、バイモルフ素子等に外力を作用させて屈曲変位を生じさせることにより、圧電セラミックスに電気を発生させ、こうして得られる電力を利用して腕時計の電池を充電させたり、発光ダイオードを発光させる玩具等の電源として利用されたりしている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
補強板には、一般的に“シム材”と呼ばれる，バネ性を有する金属薄板が用いられている。また近時、シム材の代わりに、樹脂板に金属箔を貼り合わせてなるフレキシブルプリント配線基板を用いたバイモルフ素子等も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
バイモルフ素子等に用いられる補強板のバネ性（つまり、外力を加えたときには屈曲し、その外力が除去されると元の形状に戻る性質）は、発電性能を左右する極めて重要な特性である。
【０００５】
補強板として金属薄板を用いる場合、金属薄板に適切なバネ性をもたせるためには一定の厚さが必要であるため、圧電素子が重くなる。圧電素子の重量は多くの圧電素子を整列配置させて電力を得ようとする用途では、重要な特性の１つである。また、金属薄板が厚くなり過ぎると屈曲し難くなって、発電のために大きな外力が必要になる。薄くてバネ性に優れた金属材料もないわけではないが、高価であるという問題がある。
【０００６】
また、プリント配線基板を用いた場合、樹脂基板と金属箔との接着または溶着という製造工程が必要であること、製品廃棄時の材料分別が困難であること、基板そのものが高価であること等のデメリットがある。
【特許文献１】特開２００２−３１９７１７号公報（図１、段落［００１０］，［００１１］等）
【非特許文献１】内野 研二、「圧電・電歪アクチュエータ―基礎から応用まで」、森北出版 （1986）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、軽量であり、小さな力で大きく屈曲して大きな電力を得ることができ、しかも安価に製造することができる圧電素子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】
【０００８】
本発明に係る圧電素子は、圧電材料からなる板材の表裏面にそれぞれ電極膜を形成してなる圧電板を補強板の片面または両面に貼り合わせてなる圧電素子、つまり、所謂、モノモルフ素子，バイモルフ素子において、補強板に竹材を用いていることを特徴とする。竹材そのものは絶縁体であるので、圧電素子における補強板側の電極膜から電極端子を取り出すために、補強板の表面に炭素粉末を含浸させた導電層を形成することが好ましい。補強板の厚さは０．５ｍｍ〜３ｍｍが好適である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る圧電素子は、補強板に竹材を用いているために軽量である。したがって、特に複数の圧電素子を集積配置した装置において、その効果は特に顕著に現れる。また、従来は絶縁材料を補強板に用いた場合には圧電板の電極膜との導通のために補強板に金属箔を貼り付ける等しなければならなかったが、竹材は組織に気孔を備えているので、例えば、墨汁を塗布して乾燥させることで簡単にその表面に炭粉末（つまり、炭素粉末）からなる導電層を形成することができるので、製造が容易である。さらに、竹材に一定の厚みを確保することで屈曲時に圧電板に大きな内部応力が発生し、これにより小さな外力で大きな電力を得ることができる利点がある。竹は成長の早い植物であって資源が豊富であり、安価に製造することができる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１Ａに圧電素子の概略構造を示す断面図を、図１Ｂにこの圧電素子の概略構造を示す側面図を、図１Ｃにこの圧電素子の概略構造を示す平面図を、それぞれ示す。
【００１１】
圧電素子１０は、竹材からなる補強板（以下「竹製薄板材」という）１２の表裏面にそれぞれ圧電板１４ａ，１４ｂが貼り付けられた構造を有している。
【００１２】
竹製薄板材１２は植物の竹から切り出される。好ましくは竹の腹の部分のみを用い、節の部分が含まれないようにすることが、圧電素子１０の屈曲特性を均一に保つ観点から、好ましい。
【００１３】
竹製薄板材１２の厚さは０．５ｍｍ〜３ｍｍとすることが好ましく、１ｍｍ〜１．５ｍｍとすることが好適である。竹製薄板材１２の厚さがこのような範囲にある場合、竹製薄板材１２が屈曲することによって圧電板１４ａ，１４ｂに発生する歪みが大きくなり、大きな電気が発生するようになる。厚さが０．５ｍｍ未満の場合には、原料からの加工が容易ではなく、また、強度が弱くなるという問題がある。厚さが３ｍｍ超では、外力が作用したときの撓みが小さく、また、幅の広い材料を得ることが困難になる。
【００１４】
竹製薄板材１２の幅は、原料となる竹から容易に切り出せる範囲とすることが好ましい。幅の広い竹製薄板材１２は、例えば、曲率を有する板材を切り出して、これを水蒸気で蒸らしながら加圧する等の方法を用いれば、得られる。
【００１５】
竹製薄板材１２の一部（図１Ａ，１Ｂ，１Ｃの左側）には、炭素粉末からなる導電層１６が、竹製薄板材１２の幅方向と厚さ方向で一周するように、形成されている。炭素粉末からなる導電層１６は、竹材は気孔を備えた組織（繊維）を有しているので、例えば、墨汁を塗布し、乾燥するという作業を所定回数行うことで、炭粉末を容易に竹材の組織に含浸させ、炭粉末が脱落し難い導電層を形成することができ、安価に形成することができる。
【００１６】
導電層１６は、その抵抗によって取り出す電気が大きく消費されることのないように、一定の導電性を確保することが必要であり、例えば、表面電気抵抗が１ｋΩ／ｃｍ以下となるようにすることが好ましい。
【００１７】
なお、導電層１６は竹製薄板材１２全体を覆うように形成してもよい。またこのような導電層は、例えば、導電性樹脂ペーストを塗布して乾燥することによって形成してもよい。但し、導電性樹脂ペーストを用いた場合には、乾燥時に有機溶剤が蒸発するために、塗布作業の環境を整備する必要がある。上述したように導電層の形成に墨汁を用いると、有機溶剤の蒸発がなく、作業安全性の点で優れている。また、導電性樹脂ペーストでは複数の溶剤を混合してペーストを調製しなければならない場合があるが、墨汁を用いればこのような作業は必要なく、塗布作業を容易に行うことができるという利点がある。
【００１８】
圧電板１４ａは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなる圧電セラミックス薄板２１の表裏面に電極膜２２ａ，２２ｂを設けた構造を有しており、圧電板１４ｂもこれと同様に圧電セラミックス薄板２３の表裏面に電極膜２４ａ，２４ｂを設けた構造を有している。
【００１９】
圧電板１４ａは、電極膜２２ｂが導電層１６と接触するように接着剤を用いて竹製薄板材１２に貼り付けられており、圧電板１４ｂは、電極膜２４ｂが導電層１６と接触するように接着剤を用いて竹製薄板材１２に貼り付けられている。これは、電極膜２２ｂや導電層１６の表面には凹凸があるために、接着層を薄く形成することで、一方の凸部が他方の表面に接触する等して、これらの間に導通を生じさせる。なお、図１Ａ，Ｂでは接着層は図示していない。なお、接着剤として導電性接着剤を用いればより確実に電極膜２２ｂ，２４ｂと導電層１６との導通を確保することができる。
【００２０】
圧電素子１０に外力が作用して屈曲した際に圧電板１４ａ，１４ｂに大きな応力が掛かるようにするためには、圧電板１４ａ，１４ｂを竹製薄板材１２に接着するために用いる接着剤として、応力を吸収する性質が小さいもの、つまり硬質のものを用いることが好ましい。具体的には、デンプン糊、硬質エポキシ接着剤等が挙げられる。なお、竹材は液体を吸収する性質があるので、液状接着剤を用いる場合には、不要に竹製薄板材１２に接着剤が含浸することがないように、注意を要する。
【００２１】
図１Ａ〜１Ｃに示される符号２５ａは、電極膜２２ａと電極膜２４ａとを導通させ、リード線２７ａを取り付けるための端子用金属箔である。この端子用金属箔２５ａは、圧電素子１０の一方の側面を被うようにコの字型の形態で、接着剤を用いて圧電素子１０に取り付けられている。リード線２７ａは、例えば、半田付けにより、端子用金属箔２５ａに取り付けられる。
【００２２】
図１Ａ〜１Ｃに示される符号２５ｂは、リード線２７ｂを取り付けるための端子用金属箔である。ここでは、端子用金属箔２５ｂの形態を端子用金属箔２５ａに合わせて、圧電素子１０の一方の側面を被うコの字型としているが、前述の通り、電極膜２２ｂと電極膜２４ｂとは導電層１６により導通しているので、端子用金属箔２５ｂは、導電層１６の表面に接着剤を用いて取り付けられていればよい。リード線２７ｂは、例えば、半田付けにより、端子用金属箔２５ｂに取り付けられる。端子用金属箔２５ａ，２５ｂには、例えば、厚さが１０〜３０μｍ程度の銅箔等が好適に用いられる。
【００２３】
なお、リード線２７ａ，２７ｂは必ず必要なものではなく、例えば、圧電素子１０をケース等に固定する場合に、その固定治具の所定位置に端子用金属箔２５ａ，２５ｂに接触する端子を設けておけば、このようなリード線２７ａ，２７ｂは設けなくてもよい
例えば、圧電素子１０の両端を固定し、圧電素子１０の中央部に圧電素子の厚み方向に外力を作用させて圧電素子１０を屈曲させるとその屈曲時に、また、その外力を除去すると圧電素子１０が元の平坦な形状に戻る際に、圧電セラミックス薄板２１，２３が発電し、その電気をリード線２７ａ，２７ｂを通して取り出すことができる。
【００２４】
圧電素子１０の製造方法は、公知のバイモルフ素子の製造方法に準ずる。すなわち、圧電セラミックス粉末をシート状に成形、焼成して圧電セラミックス薄板２１，２３を製造する。圧電セラミックス薄板２１，２３の表裏面にスクリーン印刷法等により電極ペーストを塗布し、これを焼成して電極膜２２ａ・２２ｂ，２４ａ・２４ｂを形成する。形成した電極膜２２ａ・２２ｂ間，２４ａ・２４ｂ間にそれぞれ所定の電圧を印加して、圧電セラミックス薄板２１，２３を分極する。こうして圧電板１４ａ，１４ｂが得られる。
【００２５】
また、竹製薄板材１２の所定範囲に墨汁を塗布し、乾燥させる。この操作を、電気を取り出したときの損失が大きくならない導電率が得られるまで、所定回数繰り返す。なお、墨汁に粘結剤を溶解させておくことで、炭素（炭）粉末の脱落をより効果的に防止することができる。こうして導電層１６を形成した後に、導電層１６に端子用金属箔２５ｂを接着する。
【００２６】
そして、圧電板１４ａ，１４ｂを竹製薄板材１２の表裏面に接着剤で貼り付ける。このとき圧電セラミックス薄板２１，２３の分極の向きに注意し、厚さ方向に一定の圧力をかけて接着層を薄く形成する。次に、端子用金属箔２５ａを電極膜２２ａ，２４ａが導通するように接着する。これら２つの接着作業は同時に行うこともできる。そして、必要に応じて、リード線２７ａ，２７ｂを、端子用金属箔２５ａ，２５ｂにそれぞれ取り付ける。こうして、圧電素子１０を得ることができる。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態について、バイモルフ型素子を例に挙げて説明したが、本発明の圧電素子は、竹製薄板材の片側表面にのみ圧電板を設けたユニモルフ型素子であってもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】圧電素子の概略構造を示す断面図。
【図１Ｂ】圧電素子の概略構造を示す側面図。
【図１Ｃ】圧電素子の概略構造を示す平面図。
【符号の説明】
【００２９】
１０…圧電素子、１２…竹製薄板材、１４ａ・１４ｂ…圧電板、１６…導電層、２１・２３…圧電セラミックス薄板、２２ａ・２２ｂ・２４ａ・２４ｂ…電極膜、２５ａ・２５ｂ…端子用金属箔、２７ａ・２７ｂ…リード線。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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