【手続補正書】
【提出日】平成19年6月8日(2007.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  可撓性圧電素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】  高分子母材中に圧電セラミック粉末を混入した複合圧電体シートと、前記複合圧電体シートの両面に配置された電極と、前記電極と前記複合圧電体シートの間に介在物を設けた可撓性圧電素子。
【請求項２】  介在物は部分的に穴の空いたシート形状である請求項１記載の可撓性圧電素子。
【請求項３】  介在物を複合圧電体シートの表面に部分的に設けた請求項１記載の可撓性圧電素子。
【請求項４】  介在物を球状とした請求項１記載の可撓性圧電素子。
【請求項５】  介在物は熱により溶解し、電極と複合圧電体シートとを接着する請求項１〜４のいずれか１項記載の可撓性圧電素子。
【請求項６】  介在物が塩素化ポリエチレンである請求項１〜５のいずれか１項記載の可撓性圧電素子。
【請求項７】  高分子母材が塩素化ポリエチレンである請求項１〜６のいずれか１項記載の可撓性圧電素子。
【請求項８】  圧電セラミック粉末がチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体である請求項１〜７のいずれか１項記載の可撓性圧電素子。
【請求項９】  圧電セラミック粉末がチタン酸鉛である請求項１〜７のいずれか１項記載の可撓性圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可撓性圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、可撓性圧電素子としては、図７に示すように高分子母材１と圧電セラミック粉末２とを混合しシート状に成形後、複合圧電体シート３表面に電極４を設ける。この際に、電極としては分極処理によって付与された圧電特性や高分子母材１の耐熱性等を考慮して一般に銅、アルミニウム、金等の金属蒸着電極や金属箔電極を接着剤５によって複合圧電体シート３の表面に全面貼付したものが用いられている。
【０００３】
また、特開平５−１０２５４８号公報では、複合圧電体シート３に金属を溶射した溶射電極を用いた可撓性圧電素子が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の可撓性圧電素子は信頼性に劣っていたり、又は感度が低いという課題を有していた。すなわち金属箔電極は、一般に６〜１００μｍ程度の厚さの金属箔をポリエステル系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂等からなる５〜４０μｍ程度の接着剤を介して複合圧電体シートに貼付されるが、金属箔電極は特に複合圧電体シート両面に設けた場合、複合圧電体の可撓性という重要な長所を損なうため感度が低いという課題があった。また、蒸着電極では一般に設けられる電極の厚みが０．０２〜０．１μｍ程度と非常に薄いため複合圧電体シートが撓んだ場合に電極内に亀裂が生じてしまい感度が低下あるいは、出力が得られないという課題があった。
【０００５】
さらに、溶射電極の場合は複合圧電体シートの耐熱性のため、容易に溶射成形できるのは低沸点の金属のみであり、用いられる電極材料が制限されるという課題があると同時に、溶射時に複合圧電体シートにエアー圧等の負荷が印加されるため、複合圧電体シートの信頼性に課題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、高分子母材中に圧電セラミック粉末を混入した複合圧電体シートと、前記複合圧電体シートの両面に配置された電極と、前記電極と前記複合圧電体シートの間に介在物を設けた可撓性圧電素子である。
【０００７】
上記発明によれば、電極と複合圧電体シートの間に介在物を設けることによって、電極と複合圧電体シート間に空気層が形成されることにより、可撓性圧電素子の静電容量が低下し、その結果感度の高い可撓性圧電素子を実現できる。さらに、高感度化のために膜厚の薄い蒸着電極等を使用する必要がないため、電極内の亀裂発生を抑制でき信頼性の高い可撓性圧電素子を簡単な構成で実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、高分子母材中に圧電セラミック粉末を混入した複合圧電体シートと、前記複合圧電体シートの両面に配置された電極と、前記電極と前記複合圧電体シートの間に介在物を設けた可撓性圧電素子である。
【０００９】
そして、電極と複合圧電体シートの間に介在物を設けることによって、電極と複合圧電体シート間に容易に空気層が形成され、感度及び信頼性の高い可撓性圧電素子を実現できる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、介在物を部分的に穴の空いたシート形状とした可撓性圧電素子である。
【００１１】
そして、介在物を部分的に穴の空いたシート形状にすることによって、この穴の空いた部分に空気層が形成できるため、簡単な構成で感度向上を図ることができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、介在物を複合圧電体シートの表面に部分的に設けた可撓性圧電素子である。
【００１３】
そして、介在物を複合圧電体シートの表面に部分的に設けることで、電極と複合圧電体シート間に容易に空気層を形成することができるため、静電容量が低下し、高感度な可撓性圧電素子を実現できる。さらに複合圧電体シート表面に設ける介在物の数を調整することで、容易に空気層の占める割合を制御することが可能となる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、介在物を球状とし、複合圧電体シートに部分的に設けた可撓性圧電素子である。
【００１５】
そして、介在物を球状とし複合圧電体シートに部分的に設けることで、電極と複合圧電体シート間に容易に空気層を形成することができる。このため、高感度な可撓性圧電素子を実現できる。さらに、空気層の厚みも球の直径で高精度に管理できるうえ、複合圧電体シートと電極との接点が点であるため、電極の可撓性が向上し高感度化が図れる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、介在物は熱により溶解し、電極と複合圧電体シートとを接着する可撓性圧電素子である。
【００１７】
そして、介在物に熱を加え複合圧電体シートと電極を熱溶着あるいは熱圧着することで、新たに接着剤を設ける必要がないため生産性が向上するとともに、薄型構成が可能となり可撓性が向上する。
【００１８】
請求項６記載の発明は、介在物が塩素化ポリエチレンで構成した可撓性圧電素子である。
【００１９】
そして、塩素化ポリエチレンは優れた耐熱性と優れた可撓性を有するのでこれらの特性を兼ね備えた可撓性圧電素子を構成できる。
【００２０】
請求項７記載の発明は、高分子母材が塩素化ポリエチレンで構成した可撓性圧電素子である。
【００２１】
そして、塩素化ポリエチレンは優れた耐熱性と優れた可撓性を有するのでこれらの特性を兼ね備えた複合圧電体シートが得られる。
【００２２】
請求項８記載の発明は、圧電セラミック粉末をチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体で構成した可撓性圧電素子である。
【００２３】
そして、粉末をチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体の圧電セラミック粉末は工業的に多量に利用されているので、安価であり入手も容易であるため、高感度で安価な可撓性圧電素子が提供できる。
【００２４】
請求項９記載の発明は、圧電セラミック粉末をチタン酸鉛で構成した可撓性圧電素子である。
【００２５】
そして、チタン酸鉛の誘電率は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体の誘電率よりも小さいので、圧電セラミック粉末の誘電率を小さくできるため、分極処理が容易になり、簡単に高感度な可撓性圧電素子が提供できる。
【００２６】
そして、電極を金属箔電極で構成することで、可撓性を維持し、信頼性の高い可撓性圧電素子が実現できる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図１から図６を参照して説明する。
【００２８】
（実施例１）
実施例１の発明を図１および図２を参照して説明する。
【００２９】
図１は本発明の可撓性圧電素子の斜視図であり、図２（ａ）は外力が印加させる前の可撓性圧電素子の断面図、図２（ｂ）は外力印加時の可撓性圧電素子の断面図である。図２において、可撓性圧電素子は高分子母材１中に圧電セラミック粉末２を分散して混入した後、厚さ０．５ｍｍのシートとし、熱プレスによって複合圧電体シート３の厚みを０．３ｍｍとした。この複合圧電体シート３の両面に介在物６を載置し、この介在物６の表面に電極４を載置した。複合圧電体シート３と電極４との接着は介在物６の表面に塗布した接着剤５によって行った。
【００３０】
本実施例では電極４としてアルミニウム１５μｍの金属箔電極、介在物６として可撓性に優れた導電性シートを用いた。この導電性シートはある間隔で穴の空いた構成のメッシュ形状とし、導電性シートの穴の占める割合は体積比で約５０％とした。この介在物６を設けることによって、複合圧電体シート３と電極４の両者間に空気層７が形成されるため、可撓性圧電素子の静電容量が低下するとともに、電極４が介在物６に部分的に接着されているため、電極４の引っ張り力が緩和され可撓性が向上した。特に介在物６の厚みを制御することによって、複合圧電体シート３と電極４との間に形成される空気層７の体積が制御可能となる。さらに、介在物６に設けた穴の大きさや穴の占める割合、また介在物６自身の厚みや材質を制御することによって電極４の可撓性も制御可能となる。
【００３１】
次に圧電特性を付与するために、電極４の間に直流高電圧を印加して圧電セラミック粉末２を分極し、可撓性圧電素子を構成した。圧電セラミック粉末２の分極については、電極４を載置した後に行ったが、複合圧電体シート３に熱プレスによって全面接着した電極を使用して分極を行った後、この電極を剥がして電極４を接着してもよい。この分極処理を施すことによって、可撓性圧電素子は外力の印加によって電荷を発生する。この電荷発生量Ｑは外力量によって定まるが、出力電圧Ｖは可撓性圧電素子自身の静電容量をｃとすると、Ｖ＝Ｑ／ｃの関係式で定まり、出力電圧Ｖは静電容量ｃに依存する。このため、静電容量ｃが小さいほど出力電圧Ｖは大きくなり見かけ上の感度が向上する。
【００３２】
また、静電容量ｃは電極４と複合圧電体シート３に形成された空気層７に依存し、空気層７の占める割合が大きいほど可撓性圧電素子の静電容量は低下し、感度が向上することとなる。本発明の可撓性圧電素子は外力が印加されない状態では図２（ａ）に示すよに複合圧電体シート３と電極４との接触面積は小さいが、外力が印加されると図２（ｂ）に示すように空気層７は除去され、外力印加面積に応じた電極４が複合圧電体シート３に接触し出力電圧が得られる。つまり、電極４と複合圧電体シート３を接着剤５により全面に完全接着させなくても、外力が印加されれば、電極４は複合圧電体シート３に接着するため、出力電圧は得られる。特に電極４と複合圧電体シート３とを接着剤５により完全に接着させた場合では外力印加部以外も電極４と複合圧電体シート３が接着しているため、可撓性圧電素子自身の静電容量は大きい。
【００３３】
しかし、本発明の可撓性圧電素子であれば電極４と複合圧電体シート３の間に介在物６を設けた構成であるため、最小限の容量に抑えることが可能となるため、出力電圧を高くできる。さらに部分的に電極４が接着されているため電極４自身の可撓性が向上し感度が向上する。
【００３４】
本実施例において、介在物６の穴の占める割合を変化させて、電極４と複合圧電体シート３の間に存在する空気層７の占める割合と可撓性圧電素子の出力電圧を測定した。この結果を図３に示す。この時、外力として可撓性圧電素子が１ｍｍ歪む圧力を印加し、印加面積は一定とした。この結果から介在物６を設けて空気層７を形成することによって感度が向上し、この傾向は空気層７の占める割合が大きいほど高いことが解った。よって本発明の可撓性圧電素子は電極４として蒸着電極を使用しなくても感度が高いうえ、蒸着電極特有の課題である電極内の亀裂発生の心配が無いため信頼性の高い可撓性圧電素子を実現することができた。
【００３５】
なお、本実施例において介在物６として導電性のシートを使用したが、介在物６は絶縁性材料でもよい。特に介在物６として塩素化ポリエチレンは耐熱性、可撓性に優れているため、これら両者の特徴を兼ね備えた可撓性圧電素子を実現できる。
【００３６】
さらに、本実施形態では複合圧電体シート３と介在物６と電極４とを接着剤５によって接着したが、熱圧着によって接着しても同様の効果が得られる。特に介在物６を熱により溶解し接着性を示すものである場合、接着剤５を用いなくても容易に複合圧電体シート３と電極４とを接着することが可能となるため、生産性が向上するとともに、接着剤５を除くことから可撓性圧電素子を薄型化でき可撓性も向上するため高感度化が図れる。
【００３７】
なお、本実施形態では介在物６を複合圧電体シート３の両面に設けたが、一方の面のみに設けても同様の効果が得られる。
【００３８】
また、圧電セラミック粉末２の材質は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体であることが望ましい。この組成の圧電セラミックは電子部品用セラミックとして工業的に多量に実用されているので、安価であり入手も容易である。
【００３９】
また、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体以外にも圧電セラミック粉末２の材質としてチタン酸鉛も好ましい。チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体の比誘電率はおよそ（８００〜３０００）程度の大きな値であるが、チタン酸鉛の比誘電率は（２００〜３００）程度の小さな値である。一般に複合圧電体シート３を分極する場合、複合圧電体シート３に印加した分極電圧は圧電セラミック粉末２と高分子母材１の両方に印加される。この時、圧電セラミック粉末２に印加される電圧は高分子母材１、圧電セラミック粉末２の比誘電率に依存する。
【００４０】
つまり、印加電圧は各々比誘電率の逆数に比例するため圧電セラミック粉末２に多くの電圧を印加するには圧電セラミック粉末２の比誘電率を低下させることが望ましい。このため、チタン酸鉛のような比誘電率が低い圧電セラミック粉末を使用することによって、圧電セラミック粉末２の分極が容易にできる。
【００４１】
また、高分子母材１としてエポキシ樹脂、ウレタン樹脂、クロロプレン樹脂、塩素化ポリエチレン樹脂などが用いられるが、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂の耐熱性は（６０〜８０℃）程度であるのに対し、塩素化ポリエチレンは、１２０℃の高耐熱を有する点で優れている。また、塩素化ポリエチレンは分子量や結晶化度等を適切に選ぶことにより、加硫無しでも上記高耐熱性を実現できる点でも好ましい。
【００４２】
また、塩素化ポリエチレンは可撓性に優れるため、外力による電極剥離等が抑制され信頼性及び感度が高い。
【００４３】
（実施例２）
本実施例の斜視図を図４に示す。実施例１と異なる点は、介在物６を１枚のシート形状ではなく、複合圧電体シート３の表面に複数個設けた点である。この構成においても、複合圧電体シート３と電極４の間に空気層７が形成できるため、実施例１と同様の結果が得られた。特に本構成においては、複合圧電体シート３表面に設ける介在物６の数を変化させるだけで、空気層７の占める割合を調整することができるので、シート形状の場合のような穴を形成するための打ち抜き工程や金型を用いる必要がない。このため容易、かつ安価に空気層７を形成することが可能となり、高感度な可撓性圧電素子を容易に提供できる。
【００４４】
（実施例３）
本実施例の斜視図を図５（ａ）、断面図を図５（ｂ）に示す。実施例１及び２と異なる点は、介在物６を球形状とした点である。この構成においても、介在物６を設けることによって複合圧電体シート３と電極４の間に空気層７が形成できるため、実施例１と同様の結果が得られた。特に本構成においては、介在物６を球状としたため、矩形状に比べ空気層７の厚み管理が高精度に行える。また、電極４と介在物６及び複合圧電体シート３の接着が点であるため、一定外力における電極４の可撓性が向上し高感度化が図れる。
【００４５】
（実施例４）
本実施例の断面図を図６に示す。実施例１〜３と異なる点は、電極４として、金属箔電極ではなく、複合導電体８を使用した点である。複合導電体８は電極用高分子８ａと導電性粒子８ｂとから構成される。このとき、導電性粒子８ｂは電極用高分子８ａ中に網目状に相互に接触して配列され、これらの接触を通して複合導電体８の導電性が確保され、電極用高分子８ｂによりそれ自身の可撓性を通して複合導電体８の可撓性が確保される。このため、金属箔電極４を使用した場合以上の可撓性が得られる。
【００４６】
また、電極用高分子８ａとして、高分子母材１と同様、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、クロロプレン樹脂、塩素化ポリエチレン樹脂などが用いられる。また、導電性粒子８ｂとして、カーボン粒子や銀粒子が用いられる。銀粒子を用いた場合、複合導電体８の比抵抗は５×１０−３Ω・ｃｍ程度の小さな値を示すが、カーボン粒子を用いた場合、同比抵抗値は約１桁以上の大きな値を示す。この圧電素子を人体検知に用いた場合の周波数範囲は約５Ｈｚ程度であるので、この時の複合圧電体シート３のインピーダンスは約１００ｋΩ以上であり、電極４の比抵抗値は１ｋΩ以下程度で充分であるので、導電性粒子８ｂとして低価格のカーボン粒子を用いることが望ましい。
【００４７】
また、電極用高分子８ａに塩素化ポリエチレンを使用することが望ましい。これは、実施例１における複合圧電体シート３の高分子母材１の説明で述べたように、塩素化ポリエチレンは可撓性に優れるため感度も高いうえに、耐熱性も優れているため信頼性も高い。
【００４８】
また、電極用高分子８ａと高分子母材１と介在物６を同質材料で構成することによって、可撓性圧電素子自身の信頼性が向上するとともに、接着剤５を用いなくても適切な温度を選定することにより、熱圧着等によって接着可能となる。とくに前にも述べたように、電極用高分子８ａ、高分子母材１、介在物６を塩素化ポリエチレンで構成することにより可撓性、耐熱性に優れた可撓性圧電素子を提供できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１記載の発明によれば、電極と複合圧電体シートの間に介在物を設けることによって、電極と複合圧電体シート間に容易に空気層が形成され、感度及び信頼性の高い可撓性圧電素子を簡単な構成で実現できる。
【００５０】
また、請求項２記載の発明によれば、介在物を部分的に穴の空いたシート形状にすることによって、穴の空いた部分に空気を形成できるため、簡単な構成で空気層を形成でき、かつ感度向上を図ることができる。
【００５１】
また、請求項３記載の発明によれば、介在物を複合圧電体シートの表面に部分的に設けることで、電極と複合圧電体シート間に容易に空気層を形成することができるため、静電容量が低下し、高感度な可撓性圧電素子を実現できる。
【００５２】
また、請求項４記載の発明によれば、介在物を球形状とし複合圧電体シートに部分的に設けることで、電極と複合圧電体シート間に容易に空気層を形成することができる。このため、高感度な可撓性圧電素子を実現できる。さらに、空気層の厚みも球の直径で高精度に管理できるうえ、複合圧電体シートと電極との接点が点であるため、電極の可撓性が向上し高感度化が図れる。
【００５３】
また、請求項５記載の発明によれば、介在物により熱溶着することで、新たに接着剤を設ける必要がないうえ、簡単な構成で空気層を形成することが可能となる。このため、容易に高感度な可撓性圧電素子を実現できる。
【００５４】
また、請求項６記載の発明によれば、介在物を塩素化ポリエチレンで構成するため耐熱性と優れた可撓性を有するのでこれらの特性を兼ね備えた可撓性圧電素子を構成できる。
【００５５】
また、請求項７記載の発明によれば、高分子母材を塩素化ポリエチレンで構成するため優れた耐熱性と優れた可撓性を有するのでこれらの特性を兼ね備えた複合圧電体シートが得られる。
【００５６】
また、請求項８記載の発明によれば、圧電セラミック粉末としてチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体を用いているので、安価であり、入手も容易である。
【００５７】
また、請求項９記載の発明によれば、圧電セラミック粉末としてをチタン酸鉛を用いているので、圧電セラミック粉末の誘電率を小さくできるため、分極処理が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施例１における可撓性圧力素子の分解斜視図
【図２】
（ａ）同可撓性圧電素子の外力印加前の断面図
（ｂ）同可撓性圧電素子の外力印加時の断面図
【図３】
同可撓性圧電素子の空気層比率と出力電圧との関係を示す特性図
【図４】
本発明の実施例２における可撓性圧電素子の分解斜視図
【図５】
（ａ）本発明の実施例３における可撓性圧電素子の分解斜視図
（ｂ）同可撓性圧電素子の断面図
【図６】
本発明の実施例４における可撓性圧電素子の断面図
【図７】
従来の可撓性圧電素子の断面図
【符号の説明】
１  高分子母材
２  圧電セラミック粉末
３  複合圧電体シート
４  電極
５  接着剤
６  介在物
７  空気層
８  複合導電体
８ａ  電極用高分子
８ｂ  導電性粒子