JP4736599B2 - 圧電素子 - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁性を有する基板の片面側又は両面側に圧電層や電極層が形成された圧電素子に関する。
特に、センサー及びアクチュエータ等に用いられる圧電素子において、部品点数と作業工数の増大を招くことなく、圧電素子の品質安定性を向上させるものである。
特に、センサー及びアクチュエータ等に用いられる圧電素子において、部品点数と作業工数の増大を招くことなく、圧電素子の品質安定性を向上させるものである。
近年、電子機器の小型化に伴い、圧電材料を応用したセンサー、アクチュエータ等の圧電素子も小型化、軽量化が要求されている。
これに応えるものとしてフィルム状の基板に薄膜化した圧電体層を形成した圧電素子の開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。
これに応えるものとしてフィルム状の基板に薄膜化した圧電体層を形成した圧電素子の開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。
一般的な圧電素子の構造としては、圧電体層を２つの電極層で挟み、圧電素子に入力された機械的信号を電気的信号に変換し電極から出力する（正圧電効果）もの、又は電極から入力された電気的信号を機械的信号に変換し圧電素子から出力する（逆圧電効果）ものが知られている。
この圧電素子の構造を具体的に、図１８に示す。
図に示すように、絶縁性基板１００上には電極層１０１Ａが形成され、この電極層１０１Ａ上に圧電体層１０２が形成され、更にこの圧電体層１０２上に電極層１０１Ｂが形成されている。
この圧電素子の構造を具体的に、図１８に示す。
図に示すように、絶縁性基板１００上には電極層１０１Ａが形成され、この電極層１０１Ａ上に圧電体層１０２が形成され、更にこの圧電体層１０２上に電極層１０１Ｂが形成されている。
このような圧電素子Ａは、近年の圧電体層１０２の薄膜化の要求に応じて、電極層１０１Ａ，１０１Ｂ間の絶縁性が低下してきており、また短絡の可能性が大きくなってきていた。
そのため、このような問題、すなわち絶縁性の低下及び短絡の問題を克服するために、圧電体層と電極層との間に絶縁性の短絡防止膜を介在させる提案（例えば、特許文献２参照）がされている。
そのため、このような問題、すなわち絶縁性の低下及び短絡の問題を克服するために、圧電体層と電極層との間に絶縁性の短絡防止膜を介在させる提案（例えば、特許文献２参照）がされている。
しかしながら、圧電体層と電極層との間に絶縁性の短絡防止膜を介在させた場合、部品点数や工数の増加を招き、結果としてコストの増加につながる。
また、基板が可撓性を有する場合には、絶縁層自体のクラックや剥離の問題が生じ、結果として絶縁性の低下及び短絡の原因となる。
また、基板が可撓性を有する場合には、絶縁層自体のクラックや剥離の問題が生じ、結果として絶縁性の低下及び短絡の原因となる。
本発明は、かかる背景技術をもとになされたもので、上記の背景技術の問題点を克服するためになされたものである。
すなわち、本発明は、部品点数や製造時の組立工数が増加することなく、高い信頼性を持って絶縁性の低下又は短絡の防止を可能とした圧電素子を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、部品点数や製造時の組立工数が増加することなく、高い信頼性を持って絶縁性の低下又は短絡の防止を可能とした圧電素子を提供することを目的とする。
かくして、本発明者は、このような課題背景に対して鋭意研究を重ねた結果、意外にも基板に絶縁性を持たせた絶縁性基板を用いてこれを電極層間に配置することにより、上記の問題点を解決することができることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は、（１）、絶縁性基板の少なくとも一方の面に圧電体層が形成され、該圧電体層と絶縁性基板とを挟み込むように第１電極層及び第２電極層が形成された圧電素子であって、前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、前記圧電素子の幅方向に沿って１回以上折り返して重ねた圧電素子に存する。
そして、（２）、絶縁性基板の片面に圧電体層が形成され、該圧電体層上に第１電極層が形成され、前記絶縁性基板の第１電極層が形成された面と反対側の面上に第２電極層が形成された圧電素子であって、前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、前記圧電素子の幅方向に沿って１回以上折り返して重ねた圧電素子に存する。
そしてまた、（３）、絶縁性基板の両面に圧電体層が形成され、一方の圧電体層上に第１電極層が形成され、他方の圧電体層上に第２電極層が形成された圧電素子であって、前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、前記圧電素子の幅方向に沿って１回以上折り返して重ねた圧電素子に存する。
そしてまた、（４）、絶縁性基板の少なくとも一方の面に圧電体層が形成され、該圧電体層と絶縁性基板とを挟み込むように第１電極層及び第２電極層が形成された圧電素子であって、前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、前記圧電素子を幅方向と該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねた圧電素子に存する。
そしてまた、（５）、絶縁性基板の片面に圧電体層が形成され、該圧電体層上に第１電極層が形成され、前記絶縁性基板の第１電極層が形成された面と反対側の面上に第２電極層が形成された圧電素子であって、前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、前記圧電素子を幅方向と該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねた圧電素子に存する。
そしてまた、（６）、絶縁性基板の両面に圧電体層が形成され、一方の圧電体層上に第１電極層が形成され、他方の圧電体層上に第２電極層が形成された圧電素子であって、前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、前記圧電素子を幅方向と該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねた圧電素子に存する。
そしてまた、（７）、上記折り曲げが真半分になるようにした上記（４）ないし（６）のいずれか１項に記載の圧電素子に存する。
そしてまた、（８）、前記絶縁性基板が高分子を主成分とするフィルムからなる上記（１）ないし（７）のいずれか１項に記載の圧電素子に存する。
そしてまた、（９）、前記高分子はポリイミド系である上記（８）に記載の圧電素子に存する。
そしてまた、（１０）、前記圧電体層が複合酸化物を主成分とする上記（１）ないし（９）のいずれか１項に記載の圧電素子に存する。
そしてまた、（１１）、前記複合酸化物が、チタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム［Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３］、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、又はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）である上記（１０）に記載の圧電素子に存する。
そしてまた、（１２）、前記圧電体層が、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分とする上記（１）ないし（１１）のいずれか１項記載の圧電素子に存する。
そしてまた、（１３）、前記ウルツ鉱型構造の化合物が、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛、又はヨウ化銀である上記（１２）に記載の圧電素子に存する。
なお、本発明の目的に添ったものであれば、上記請求項を適宜組み合わせた構成も採用可能である。
本発明によれば、基板に絶縁性を持たせた絶縁性基板を用いてこれを電極層間に配置するようにしたので、絶縁性のある短絡防止膜を別途形成する必要がなく、部品点数や組立工数を削減でき、また高い信頼性を持って絶縁性の低下及び短絡を防止することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第１実施形態の圧電素子Ａでは、絶縁性基板１の片面に圧電体層２が形成され、該圧電体層２上に第１電極層３Ａが形成され、絶縁性基板１の第１電極層３Ａが形成された面と反対側の面上に第２電極層３Ｂが形成されている。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第１実施形態の圧電素子Ａでは、絶縁性基板１の片面に圧電体層２が形成され、該圧電体層２上に第１電極層３Ａが形成され、絶縁性基板１の第１電極層３Ａが形成された面と反対側の面上に第２電極層３Ｂが形成されている。
そして、圧電素子Ａを圧力センサーとして使う形態の場合は、例えば、第１電極層３Ａ及び第２電極層３Ｂによって、圧電体層２が発生した電圧を電圧計Ｖで測定することとなる。
この場合、後述する実施例に示すようにチャージアンプで増幅しオシロスコープ６で測定する方法もある（以下他の実施の形態も同様）。
尚、第１電極層３Ａ及び第２電極層３Ｂのどちらが陰極とするか陽極とするかは当然自由である。
この場合、後述する実施例に示すようにチャージアンプで増幅しオシロスコープ６で測定する方法もある（以下他の実施の形態も同様）。
尚、第１電極層３Ａ及び第２電極層３Ｂのどちらが陰極とするか陽極とするかは当然自由である。
ここで、絶縁性基板１の材質は特に限定されるものではないが、可撓性があり、軽量であり、取り扱い安いといった特徴を有する高分子を主成分とするフィルムが好ましい。
特に、耐熱性、絶縁破壊強度、機械的強度に優れるポリイミド系のフィルムが好ましい。
特に、耐熱性、絶縁破壊強度、機械的強度に優れるポリイミド系のフィルムが好ましい。
圧電体層２の材質は、圧電性を有する物質であれば特に限定されるものではないが、一例としてペロブスカイト構造（ＡＢＯ３）の複合酸化物を主成分とする材料がある。
ペロブスカイト系複合酸化物の上記Ａサイトとしては通常、Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｂｉの中から選択される少なくとも１種の元素が採用される。
上記ＢサイトとしてはＴｉ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｓｂ，Ｔａ，Ｆｅの中から選択される少なくとも１種の元素が採用される。
このような複合酸化物の具体例としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴともいう），ＰｂＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３，ＬｉＮｂＯ３、ＴａＮｂＯ３等が挙げられる。
ペロブスカイト系複合酸化物の上記Ａサイトとしては通常、Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｂｉの中から選択される少なくとも１種の元素が採用される。
上記ＢサイトとしてはＴｉ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｓｂ，Ｔａ，Ｆｅの中から選択される少なくとも１種の元素が採用される。
このような複合酸化物の具体例としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴともいう），ＰｂＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３，ＬｉＮｂＯ３、ＴａＮｂＯ３等が挙げられる。
また、圧電体層２は上述した材料とは異なり、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分とする材料としても良い。
ウルツ鉱型構造としては具体的には窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛、又はヨウ化銀等があり、これらの中から１種選択すれば良い。
ウルツ鉱型構造としては具体的には窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛、又はヨウ化銀等があり、これらの中から１種選択すれば良い。
圧電体層２の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法、及びＭＯＣＶＤ法等が知られており、その中から好ましいものを適宜選択する。
圧電体層２の膜厚は通常、０．１〜１００μｍが好ましく、更に０．５〜３０μｍが特に好ましい。
すなわち、厚みが０．１μｍ未満では、例えばセンサーやアクチュエータ等に用いた場合に十分な出力が得られにくく、逆に１００μｍを超えると柔軟性が乏しくなりクラックや剥離を引き起こす恐れがある。
圧電体層２の膜厚は通常、０．１〜１００μｍが好ましく、更に０．５〜３０μｍが特に好ましい。
すなわち、厚みが０．１μｍ未満では、例えばセンサーやアクチュエータ等に用いた場合に十分な出力が得られにくく、逆に１００μｍを超えると柔軟性が乏しくなりクラックや剥離を引き起こす恐れがある。
第１及び第２電極層３Ａ，３Ｂの材料としては、Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等の金属や合金の導電材料、又は金属酸化物や金属窒化物の導電材料を用いることができる。
第１及び第２電極層３Ａ，３Ｂの形成方法は特に限定されるものではなく、例えば塗布処理、メッキ法、スパッタリング法、又は真空蒸着法等の物理蒸着法を用いることができる。
第１及び第２電極層３Ａ，３Ｂの形成方法は特に限定されるものではなく、例えば塗布処理、メッキ法、スパッタリング法、又は真空蒸着法等の物理蒸着法を用いることができる。
上述したように、従来の圧電素子Ａは図１８に示すように、絶縁性基板１００の上に電極層１０１Ａ、圧電体層１０２、電極層１０１Ｂが順に形成されている。
そのため、近年の圧電体膜の薄膜化の要求に応じて、電極の絶縁性が低下してきており、また短絡の可能性が大きくなってきていた。
そのため、近年の圧電体膜の薄膜化の要求に応じて、電極の絶縁性が低下してきており、また短絡の可能性が大きくなってきていた。
しかしながら、この第１実施形態の圧電素子Ａでは、２層の電極層３Ａ，３Ｂが圧電体層２と絶縁性基板１とを間に挟み込むので、絶縁性基板１の存在により絶縁性の低下や短絡の可能性を極めて小さくすることができる。
また、絶縁性基板１を用いて基板を絶縁層としたことで、従来のように、圧電体層と電極層との間に絶縁性の短絡防止膜を形成する必要がなくなり、部品点数や組立工数を削減することができる。
また、絶縁性基板１を用いて基板を絶縁層としたことで、従来のように、圧電体層と電極層との間に絶縁性の短絡防止膜を形成する必要がなくなり、部品点数や組立工数を削減することができる。
（第２実施形態）
図２は本発明の第２実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第２実施形態の圧電素子Ａは、絶縁性基板１の両面に圧電体層２が形成され、一方の圧電体層２上に第１電極層３Ａが形成され、他方の圧電体層２上に第２電極層３Ｂが形成されている。
そして、圧電素子Ａを圧力センサーとして使う形態の場合は、例えば、第１電極層３Ａ及び第２電極層３Ｂによって、圧電体層２が発生した電圧を電圧計Ｖで測定することとなる。
図２は本発明の第２実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第２実施形態の圧電素子Ａは、絶縁性基板１の両面に圧電体層２が形成され、一方の圧電体層２上に第１電極層３Ａが形成され、他方の圧電体層２上に第２電極層３Ｂが形成されている。
そして、圧電素子Ａを圧力センサーとして使う形態の場合は、例えば、第１電極層３Ａ及び第２電極層３Ｂによって、圧電体層２が発生した電圧を電圧計Ｖで測定することとなる。
この第２実施形態では、第１実施形態と同様の効果を奏する。
更に、第２実施形態では、絶縁性基板１の両面に圧電体層２が形成されるので、素子を圧力センサとして用いた場合、２倍の感度で圧力などの物理量を検知できる。
また、素子をアクチュエータとして用いた場合、２倍の変位量を発生させることができる。
更に、第２実施形態では、絶縁性基板１の両面に圧電体層２が形成されるので、素子を圧力センサとして用いた場合、２倍の感度で圧力などの物理量を検知できる。
また、素子をアクチュエータとして用いた場合、２倍の変位量を発生させることができる。
（第３実施形態）
図３は本発明の第３実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第３実施形態の圧電素子Ａは、第１実施形態の圧電素子Ａを折り返して重ねた構造（２つ折り）をしている。
より具体的には、第１電極層３Ａが内側になるようにし、第１電極層３Ａの上面同士が接触するように折り返されている。
そして、圧電素子Ａの外側に位置する第２電極層３Ｂは接地電位に接続され、第１電極層３Ａが陽極とされている。
図３は本発明の第３実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第３実施形態の圧電素子Ａは、第１実施形態の圧電素子Ａを折り返して重ねた構造（２つ折り）をしている。
より具体的には、第１電極層３Ａが内側になるようにし、第１電極層３Ａの上面同士が接触するように折り返されている。
そして、圧電素子Ａの外側に位置する第２電極層３Ｂは接地電位に接続され、第１電極層３Ａが陽極とされている。
この第３実施形態では、第１及び第２実施形態と同様の効果を奏する。
更に、第３実施形態では外側の第２電極層３Ｂが接地電位に接続されているために、圧電素子Ａを電磁的にシールドする機能を果たし、外部の雑音（ノイズ）を遮断する効果もある。
更に、第３実施形態では外側の第２電極層３Ｂが接地電位に接続されているために、圧電素子Ａを電磁的にシールドする機能を果たし、外部の雑音（ノイズ）を遮断する効果もある。
なお、第１電極層３Ａの上面同士を当接させるのでなく、該上面間に他の部材を介在させても良い。
このようにすれば、第１電極層３Ａや絶縁性基板１等の曲率半径を大きくすることができ、曲がり部で折損してしまうのを防ぐことができる。
このようにすれば、第１電極層３Ａや絶縁性基板１等の曲率半径を大きくすることができ、曲がり部で折損してしまうのを防ぐことができる。
（第４実施形態）
図４は本発明の第４実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第４実施形態の圧電素子Ａは、第１実施形態の圧電素子Ａを折り返して重ねた構造をしている。
より具体的には、第２電極層３Ｂが内側になるようにし、第２電極層３Ｂの上面同士が接触するように折り返されている。
すなわち、第３実施形態の圧電素子Ａと反対側に折り返されている。
そして、圧電素子Ａの外側に位置する第１電極層３Ａは接地電位に接続され、第２電極層３Ｂが陽極とされている。
図４は本発明の第４実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第４実施形態の圧電素子Ａは、第１実施形態の圧電素子Ａを折り返して重ねた構造をしている。
より具体的には、第２電極層３Ｂが内側になるようにし、第２電極層３Ｂの上面同士が接触するように折り返されている。
すなわち、第３実施形態の圧電素子Ａと反対側に折り返されている。
そして、圧電素子Ａの外側に位置する第１電極層３Ａは接地電位に接続され、第２電極層３Ｂが陽極とされている。
この第４実施形態では、第３実施形態と同様の効果を奏する。
なお、第１電極層３Ａの上面同士を当接させるのでなく、該上面間に他の部材を介在させても良いことは当然である。
なお、第１電極層３Ａの上面同士を当接させるのでなく、該上面間に他の部材を介在させても良いことは当然である。
（第５実施形態）
図５は本発明の第５実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第５実施形態の圧電素子Ａは、第２実施形態の圧電素子Ａを折り返して重ねた構造をしている。
より具体的には、第１電極層３Ａが内側になるようにし、第１電極層３Ａの上面同士が接触するように折り返されている。
そして、圧電素子Ａの外側に位置する第２電極層３Ｂは接地電位に接続され、第１電極層３Ａが陽極とされている。
図５は本発明の第５実施形態に係る圧電素子Ａを示している。
この第５実施形態の圧電素子Ａは、第２実施形態の圧電素子Ａを折り返して重ねた構造をしている。
より具体的には、第１電極層３Ａが内側になるようにし、第１電極層３Ａの上面同士が接触するように折り返されている。
そして、圧電素子Ａの外側に位置する第２電極層３Ｂは接地電位に接続され、第１電極層３Ａが陽極とされている。
この第５実施形態では、第１〜第４実施形態と同様の効果を奏する。
なお、第２電極層３Ｂが内側になるようにし、第２電極層３Ｂの上面同士が接触するように折り返しても良い。
この場合は、圧電素子Ａの外側に位置する第１電極層３Ａを接地電位に接続し、第２電極層３Ｂが陽極になるようにすると良い。
このような構成にしても外側の層が接地電位に接続されるため、電磁シールドの機能を果たすことができる。
この実施の形態の場合は、どちら側に折り返しても機能的には等価となり、折り曲げ操作に自由度がある。
なお、第２電極層３Ｂが内側になるようにし、第２電極層３Ｂの上面同士が接触するように折り返しても良い。
この場合は、圧電素子Ａの外側に位置する第１電極層３Ａを接地電位に接続し、第２電極層３Ｂが陽極になるようにすると良い。
このような構成にしても外側の層が接地電位に接続されるため、電磁シールドの機能を果たすことができる。
この実施の形態の場合は、どちら側に折り返しても機能的には等価となり、折り曲げ操作に自由度がある。
また、第１電極層３Ａの上面同士を当接させるのでなく、該上面間に他の部材を介在させても良いとは当然である。
以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した第１〜第５実施形態にのみ限定されるものではなく、その本質を逸脱しない範囲で、他の種々の変形が可能であることはいうまでもない。
例えば、第３〜第５実施形態では、圧電素子Ａは、その幅方向に沿って１回だけ折り返して重ねているが、図６〜図８に示すように２回折り返して重ねても良い（外三つ折り）。
例えば、第３〜第５実施形態では、圧電素子Ａは、その幅方向に沿って１回だけ折り返して重ねているが、図６〜図８に示すように２回折り返して重ねても良い（外三つ折り）。
また、２回だけでなく、図９〜図１１に示すように３回折り返して重ねても良い（外四つ折り）。
このように、１回以上折り返して重ねることが可能である。
また図１６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、圧電素子Ａをその幅方向及び該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねたものでも採用可能である。
ところで、このような幅方向に沿って折り返して重ねること、或いは幅方向及び該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねることにより形成される圧電素子Ａは、重ねる数が多くなるに応じて、圧力センサーとしての容量が大きくなる上、感度も向上する。
また、折り返しの回数が奇数の場合は、電極層によってシールドされる構造となるために、圧力センサーとしてのノイズが小さくなる利点がある。
このように、１回以上折り返して重ねることが可能である。
また図１６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、圧電素子Ａをその幅方向及び該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねたものでも採用可能である。
ところで、このような幅方向に沿って折り返して重ねること、或いは幅方向及び該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねることにより形成される圧電素子Ａは、重ねる数が多くなるに応じて、圧力センサーとしての容量が大きくなる上、感度も向上する。
また、折り返しの回数が奇数の場合は、電極層によってシールドされる構造となるために、圧力センサーとしてのノイズが小さくなる利点がある。
以下、実施例を挙げて説明するが、本発明は、当然、これらの実施例によって限定されるものではない。
［第１実施例］
図１２は、本発明の圧電素子Ａが作動することを確認するための実験装置を示している。
図に示すように、絶縁性基板１（８０ｍｍ×５０ｍｍ）として厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用い、その上面に圧電体層２として、１μｍの窒化アルミニウム、第１電極層３Ａとして２００ｎｍの白金を順次ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて形成した。
また、下面にも第２電極層３Ｂとして２００ｎｍの白金をＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて形成することで、圧電素子Ａを作製した。
この圧電素子Ａは第１実施形態の圧電素子Ａと同様のものである。
窒化アルミニウム及び白金はポリイミドフィルムに対し薄いので、上下の電極である白金同士は端面でも完全に絶縁されている。
図１２は、本発明の圧電素子Ａが作動することを確認するための実験装置を示している。
図に示すように、絶縁性基板１（８０ｍｍ×５０ｍｍ）として厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用い、その上面に圧電体層２として、１μｍの窒化アルミニウム、第１電極層３Ａとして２００ｎｍの白金を順次ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて形成した。
また、下面にも第２電極層３Ｂとして２００ｎｍの白金をＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて形成することで、圧電素子Ａを作製した。
この圧電素子Ａは第１実施形態の圧電素子Ａと同様のものである。
窒化アルミニウム及び白金はポリイミドフィルムに対し薄いので、上下の電極である白金同士は端面でも完全に絶縁されている。
このようにして作製した圧電素子Ａに、加振機４を用いて正弦的な荷重を負荷した。
加振機４の先端にはロードセル５が取り付けてあり負荷した荷重をオシロスコープ６でモニターした。
また圧電素子Ａから出力された信号はチャージアンプ７で増幅されオシロスコープ６でモニターした。
加振機４の先端にはロードセル５が取り付けてあり負荷した荷重をオシロスコープ６でモニターした。
また圧電素子Ａから出力された信号はチャージアンプ７で増幅されオシロスコープ６でモニターした。
実施例により測定された結果を図１３に示す。
図１３に示されるように、１２０Ｈｚの振幅で負荷された正弦荷重に対応し、正弦的な圧電出力信号が検出された。
この圧電出力信号の電圧値は、小刻みに震えるノイズが乗った状態で、−０．２Ｖ〜０．２Ｖの間を行き来している。
図１３に示されるように、１２０Ｈｚの振幅で負荷された正弦荷重に対応し、正弦的な圧電出力信号が検出された。
この圧電出力信号の電圧値は、小刻みに震えるノイズが乗った状態で、−０．２Ｖ〜０．２Ｖの間を行き来している。
［第２実施例］
図１４は、本発明の圧電素子Ａが作動することを確認するための実験装置を示している。
この圧電素子Ａは第１実施形態の圧電素子Ａをその幅方向に沿って３回折り返したものである。
そして、この圧電素子Ａに、加振機４を用いて正弦的な荷重を負荷した。
加振機４の先端にはロードセル５が取り付けてあり負荷した荷重をオシロスコープ６でモニターした。
また圧電素子Ａから出力された信号はチャージアンプ７で増幅されオシロスコープ６でモニターした。
図１４は、本発明の圧電素子Ａが作動することを確認するための実験装置を示している。
この圧電素子Ａは第１実施形態の圧電素子Ａをその幅方向に沿って３回折り返したものである。
そして、この圧電素子Ａに、加振機４を用いて正弦的な荷重を負荷した。
加振機４の先端にはロードセル５が取り付けてあり負荷した荷重をオシロスコープ６でモニターした。
また圧電素子Ａから出力された信号はチャージアンプ７で増幅されオシロスコープ６でモニターした。
実施例により測定された結果を図１５に示す。
なお、図１５には、ロードセル出力が等しい第１実施例のグラフも比較のために併せて記載した。
図１５に示されるように、第１実施例と同様に、１２０Ｈｚの振幅で負荷された正弦荷重に対応し、正弦的な圧電出力信号が検出された。
この圧電出力信号の電圧値は、小刻みに震えるノイズが第１実施例と比べてほとんど乗らない状態で、−０．５Ｖ〜０．５Ｖの間を行き来している。
この結果、第１実施例と比べて電圧の変動幅が大きく、圧力センサとしての感度が良いことと、ノイズがほとんど乗らない点から接地された第１電極層３Ａがノイズシールドの役割を果たすことが確認された。
なお、図１５には、ロードセル出力が等しい第１実施例のグラフも比較のために併せて記載した。
図１５に示されるように、第１実施例と同様に、１２０Ｈｚの振幅で負荷された正弦荷重に対応し、正弦的な圧電出力信号が検出された。
この圧電出力信号の電圧値は、小刻みに震えるノイズが第１実施例と比べてほとんど乗らない状態で、−０．５Ｖ〜０．５Ｖの間を行き来している。
この結果、第１実施例と比べて電圧の変動幅が大きく、圧力センサとしての感度が良いことと、ノイズがほとんど乗らない点から接地された第１電極層３Ａがノイズシールドの役割を果たすことが確認された。
［第３実施例］
この圧電素子Ａは第１実施形態の圧電素子Ａをその幅方向及び又は該幅方向と垂直方向に沿って折
り曲げて重ねたものである。
圧電素子Ａは絶縁性基板１（１００ｍｍ×６０ｍｍ）が厚さ８．５μｍである以外は、上記実施例１と同じ構造の圧電素子Ａを用いた。
図１６（ａ）は、圧電素子Ａをその幅方向に沿って１回折り曲げて重ねたものである。
この折り曲げは、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
この場合は、図３の圧電素子Ａの構造と同じである。
図１６（ｂ）は、圧電素子Ａをその幅方向に沿って１回、該幅方向と直角方向に沿って１回、折り曲げて重ねたものである。
この各折り曲げは、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
この圧電素子Ａは第１実施形態の圧電素子Ａをその幅方向及び又は該幅方向と垂直方向に沿って折
り曲げて重ねたものである。
圧電素子Ａは絶縁性基板１（１００ｍｍ×６０ｍｍ）が厚さ８．５μｍである以外は、上記実施例１と同じ構造の圧電素子Ａを用いた。
図１６（ａ）は、圧電素子Ａをその幅方向に沿って１回折り曲げて重ねたものである。
この折り曲げは、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
この場合は、図３の圧電素子Ａの構造と同じである。
図１６（ｂ）は、圧電素子Ａをその幅方向に沿って１回、該幅方向と直角方向に沿って１回、折り曲げて重ねたものである。
この各折り曲げは、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
図１６（ｃ）は、圧電素子Ａをその幅方向に沿って１回、該幅方向と直角方向に沿って１回、また幅方向に沿って１回、折り曲げて重ねたものである。
この各折り曲げも、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
図１６（ｄ）は、圧電素子Ａをその幅方向に沿って１回、該幅方向と直角方向に沿って１回、また幅方向に沿って１回、更にまた該幅方向と直角方向に沿って１回、折り曲げて重ねたものである。
この各折り曲げも、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
この各折り曲げも、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
図１６（ｄ）は、圧電素子Ａをその幅方向に沿って１回、該幅方向と直角方向に沿って１回、また幅方向に沿って１回、更にまた該幅方向と直角方向に沿って１回、折り曲げて重ねたものである。
この各折り曲げも、元の面積の半分の面積になるような真半分の折り曲げとなっている。
そして、実施例１や実施例２と同じような装置で荷重と電荷量との関係を調べた。
実施例により測定された結果を図１７に示す。
図１７は、縦軸に電荷量（ｐＣ）と横軸に荷重（Ｎ）をグラフ化したものである。
図中、黒丸印は折り曲げない場合の圧電素子のデータを示している。
同様に、白丸印は１回目折り曲げの場合〔図１６（ａ）参照〕、黒三角印は２回目折り曲げの場合 、〔図１６（ｂ）の場合〕、白三角印は３回目折り曲げ〔図１６（ｃ）〕、黒菱形印は４回目折り曲げ〔図１６（ｄ）の場合〕の各データを示している。
実施例により測定された結果を図１７に示す。
図１７は、縦軸に電荷量（ｐＣ）と横軸に荷重（Ｎ）をグラフ化したものである。
図中、黒丸印は折り曲げない場合の圧電素子のデータを示している。
同様に、白丸印は１回目折り曲げの場合〔図１６（ａ）参照〕、黒三角印は２回目折り曲げの場合 、〔図１６（ｂ）の場合〕、白三角印は３回目折り曲げ〔図１６（ｃ）〕、黒菱形印は４回目折り曲げ〔図１６（ｄ）の場合〕の各データを示している。
図から、折り曲げ回数が増加するにつれて角度が大きくなり、いわゆる感度が向上していることが分かる。
また、図１６に示すように折り曲げて重ねると、電極の端部が封鎖されるような状態になり、その結果、シールド効果が増大する利点がある。
また、図１６に示すように折り曲げて重ねると、電極の端部が封鎖されるような状態になり、その結果、シールド効果が増大する利点がある。
本発明は絶縁性を有する基板の片面側又は両面側に圧電体層や電極層が形成された圧電素子に関するものであるが、その原理を利用できる限り、民生用電子機器、家電・住宅用電子機器、セキュリティー機器、健康器具、オートメーションファクトリ、ロボット、自動車、事務機器、その他様々な分野で圧力センサー等として利用することができる。
更に、スピーカー、マイク、圧電リレー、超音波加工、及びマイクロアクチュエータ等への応用も、当然、可能である。
更に、スピーカー、マイク、圧電リレー、超音波加工、及びマイクロアクチュエータ等への応用も、当然、可能である。
１ 絶縁性基板
２ 圧電体層
３Ａ 第１電極層
３Ｂ 第２電極層
４ 加振機
５ ロードセル
６ オシロスコープ
７ チャージアンプ
１００ 絶縁性基板
１０１Ａ，１０１Ｂ 電極層
１０２ 圧電体層
Ａ 圧電素子
Ｖ 電圧計
２ 圧電体層
３Ａ 第１電極層
３Ｂ 第２電極層
４ 加振機
５ ロードセル
６ オシロスコープ
７ チャージアンプ
１００ 絶縁性基板
１０１Ａ，１０１Ｂ 電極層
１０２ 圧電体層
Ａ 圧電素子
Ｖ 電圧計
Claims (13)
- 絶縁性基板の少なくとも一方の面に圧電体層が形成され、該圧電体層と絶縁性基板とを挟み込むように第１電極層及び第２電極層が形成された圧電素子であって、
前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、
前記圧電素子の幅方向に沿って１回以上折り返して重ねたことを特徴とする圧電素子。 - 絶縁性基板の片面に圧電体層が形成され、該圧電体層上に第１電極層が形成され、前記絶縁性基板の第１電極層が形成された面と反対側の面上に第２電極層が形成された圧電素子であって、
前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、
前記圧電素子の幅方向に沿って１回以上折り返して重ねたことを特徴とする圧電素子。 - 絶縁性基板の両面に圧電体層が形成され、一方の圧電体層上に第１電極層が形成され、他方の圧電体層上に第２電極層が形成された圧電素子であって、
前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、
前記圧電素子の幅方向に沿って１回以上折り返して重ねたことを特徴とする圧電素子。 - 絶縁性基板の少なくとも一方の面に圧電体層が形成され、該圧電体層と絶縁性基板とを挟み込むように第１電極層及び第２電極層が形成された圧電素子であって、
前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、
前記圧電素子を幅方向と該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねたことを特徴とする圧電素子。 - 絶縁性基板の片面に圧電体層が形成され、該圧電体層上に第１電極層が形成され、前記絶縁性基板の第１電極層が形成された面と反対側の面上に第２電極層が形成された圧電素子であって、
前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、
前記圧電素子を幅方向と該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねたことを特徴とする圧電素子。 - 絶縁性基板の両面に圧電体層が形成され、一方の圧電体層上に第１電極層が形成され、他方の圧電体層上に第２電極層が形成された圧電素子であって、
前記絶縁性基板が可撓性を有する材料からなり、
前記圧電素子を幅方向と該幅方向と垂直方向に沿って折り曲げて重ねたことを特徴とする圧電素子。 - 前記折り曲げが真半分になるようにしたことを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の圧電素子。
- 前記絶縁性基板が高分子を主成分とするフィルムからな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１項に記載の圧電素子。
- 前記高分子はポリイミド系であることを特徴とする請求項８に記載の圧電素子。
- 前記圧電体層が複合酸化物を主成分とすることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の圧電素子。
- 前記複合酸化物が、チタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム［Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３］、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、又はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）であることを特徴とする請求項１０に記載の圧電素子。
- 前記圧電体層が、ウルツ鉱型構造の化合物を主成分とすることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項記載の圧電素子。
- 前記ウルツ鉱型構造の化合物が、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛、又はヨウ化銀であることを特徴とする請求項１２に記載の圧電素子。
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