復合壓電元件的制作方法
復合壓電元件的制作方法
【專利摘要】一種復合壓電元件，目的在于提高對于彎曲的彎曲耐受性。復合壓電元件(101)具備撓性的基片(19)、配設在基片(19)上的第1電極層(11)、配設在第1電極層(11)上的具有樹脂和壓電粒子的壓電體層(13)、和配設在壓電體層(13)上的第2電極層(12)；其特征在于，壓電體層(13)具有兩個第1壓電體層(13A、13B)、和配設在兩個第1壓電體層(13A、13B)之間的第2壓電體層(13C)；第2壓電體層(13C)與第1壓電體層(13A、13B)相比，壓電粒子的體積百分比濃度較低。
【專利說明】復合壓電元件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及在致動器、各種傳感器及發(fā)電等中使用的壓電元件。
【背景技術】
[0002]壓電元件被用于電能與機械能之間的能量變換，被廣泛地用在致動器或各種傳感器中。進而，近年來還研究了在發(fā)電中的應用。
[0003]考慮將這樣的壓電元件層疊在膜基材上、應用到被要求撓性的各種制品中的情況。在專利文獻1(以往例1)中，公開了圖11所示那樣的層疊在柔性基板的支承體832的表面832a上的壓電元件810。圖11是表示使用以往例1的壓電元件810的電子零件830的示意圖。圖11所示的壓電元件810由層疊在支承體832的表面832a上的第1導電性彈性體基材822、層疊在第1導電性彈性體基材822上的壓電體820、和設在壓電體820的表面820a上的第2導電性彈性體基材824構成。
[0004]但是，在以往例1的壓電元件810中，在壓電體820中使用壓電性單結晶或壓電陶瓷的情況下，由于壓電體820較脆，所以僅能夠將支承體832稍稍彎曲。此外，即使是將在高分子矩陣中均勻地分散混合了壓電體粒子的壓電混合物(composite)用在壓電體820中的情況，當支承體832被較大地彎曲時，在壓電體820上發(fā)生裂紋的可能性較大。另一方面，在壓電體820中使用壓電性高分子的情況下，對于彎曲的彎曲耐受性有可能提高，但在壓電性高分子中，不能得到希望的壓電特性。
[0005]所以，在專利文獻2(以往例2)中，作為壓電混合物的高分子矩陣，在圖12中提出了使用彈性體的發(fā)電元件901。圖12是表示以往例2的靜電容量變化型的發(fā)電元件901的結構的厚度方向概略剖視圖，圖12中(a)表示在發(fā)電元件901上被沿層疊方向施加壓縮力之前的狀態(tài)A，圖12中(b)表示被施加了壓縮力的狀態(tài)B。圖12所示的發(fā)電元件901具備在介電彈性體910中分散強電介質粒子911而成的混合物(composite)層912、和作為裝備在混合物層912的兩面上的一對電極即電極921及電極922而構成。
[0006]并且，發(fā)電元件901如果從圖12中(a)所示的狀態(tài)A起，在發(fā)電元件901上被沿層疊方向施加壓縮力，則介電彈性體910彈性變形，成為圖12中(b)所示的狀態(tài)B。另一方面，如果壓縮力被解除，則要從狀態(tài)B回到狀態(tài)A。在以往例2的發(fā)電元件901中，為了在厚度方向上較大地伸縮，作為介電彈性體910而使用熱硬化性彈性體或熱塑性彈性體。特別通過從該狀態(tài)A向狀態(tài)B、或相反從狀態(tài)B向狀態(tài)A變化，在電極921與電極922之間發(fā)生電位差，發(fā)電元件901能夠將該電位差的變化作為電力取出。
[0007]為了將該電力更多地取出，使發(fā)電元件901的混合物層912的強電介質粒子911的體積百分比濃度(vol%)變大、使表面電荷密度變大是有效的。另一方面，如果強電介質粒子911的體積百分比濃度過大，則混合物層912的楊氏模量變高，給彈性變形帶來不良影響，并且耐久性有可能變低。所以，記述了混合物層912中的強電介質粒子911的體積百分比濃度優(yōu)選的是10?60%左右。
[0008]專利文獻1:特開2013 - 21176號公報
[0009]專利文獻2:特開2012 - 164917號公報
[0010]但是，在以往例2的發(fā)電元件901中，關于彎曲方向的強度沒有做出公開，可以認為對于彎曲較弱。特別是，如果為了提高性能而將強電介質粒子911的體積百分比濃度提高到50%左右，則混合物層912的楊氏模量變高，有對于彎曲的耐受性確實下降的問題。
【發(fā)明內容】
[0011]本發(fā)明是解決上述問題的，目的是提供一種對于彎曲的耐受性提高的復合壓電元件。
[0012]為了解決該問題，本發(fā)明的復合壓電元件具備:撓性的基片;第1電極層，配設在該基片上；壓電體層，配設在該第1電極層上，具有樹脂和壓電粒子；第2電極層，配設在該壓電體層上；其特征在于，上述壓電體層具有兩個第1壓電體層、和配設在上述兩個第1壓電體層之間的第2壓電體層；該第2壓電體層與上述第1壓電體層相比，上述壓電粒子的體積百分比濃度低。
[0013]據此，本發(fā)明的復合壓電元件由于第2壓電體層的壓電粒子的體積百分比濃度較低，所以第2壓電體層的對于彎曲的耐受性提高。因此，與由壓電粒子的體積百分比濃度較高的壓電體層的單層構成的情況相比，伴隨該第2壓電體層的對于彎曲的耐受性提高，壓電體層也彎曲耐受性提高。并且，由于做成了用壓電粒子的體積百分比濃度較高的第1壓電體層夾著的構造，所以使該第1壓電體層的性能為優(yōu)先，壓電體層整體壓電性能不會較大地下降。由此，能夠提供在維持壓電性能的同時、對于彎曲的耐受性提高的復合壓電元件。
[0014]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述第1壓電體層的上述壓電粒子的上述體積百分比濃度是50?65vol%。
[0015]據此，壓電粒子被充分填充到第1壓電體層中，所以能夠得到較高的壓電性能。
[0016]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述壓電粒子是結晶構造為鈣鈦礦結構的強電介質粒子。
[0017]據此，能夠使壓電體層的壓電性能提高。由此，能夠提供輸出性能良好的復合壓電元件。
[0018]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述強電介質粒子是鈮酸鉀；上述鈮酸鉀的平均粒子徑是400nm?500nm，斜方晶一正方晶的轉變溫度是223°C以上且228°C以下，正方晶一立方晶的轉變溫度是420°C以上且430°C以下。
[0019]據此，通過使用上述鈮酸鉀，能夠使壓電體層的壓電性能進一步提高。由此，能夠提供輸出性能更好的復合壓電元件。
[0020]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述基片是使用PET、PEN、P1、PE、PPS、芳香族聚酰胺樹脂(日語:7 S F'樹脂)的某種材質的絕緣性膜、或在上述材質中填充了無機填充物的裝有填充物的膜中的某種；上述樹脂是非晶性聚酯或聚氨酯；上述第2壓電體層的_40°C環(huán)境下的彈性模量是1.5GPa以下，優(yōu)選的是0.5GPa以下，并且_40°C環(huán)境下的屈服強度是15MPa以上，優(yōu)選的是30MPa以上。
[0021]據此，即使在_40°C環(huán)境下，也能夠將第2壓電體層以較小的曲率半徑彎曲。因此，伴隨該第2壓電體層的充分的彎曲耐受性，能夠得到壓電體層的充分的彎曲耐受性。并且，通過使用上述基片和樹脂，即使在_40°C環(huán)境下，也能夠得到復合壓電元件的充分的撓性。
[0022]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述兩個第1壓電體層的上述壓電粒子的上述體積百分比濃度相同。
[0023]據此，壓電體層的性能不會被體積百分比濃度較低的第1壓電體層的性能拖累(影響、日語:引務十6 )。由此，能夠確保壓電體層的充分的壓電性能。此外，在制造壓電體層時能夠使用原材料，能夠容易地制造壓電體層。
[0024]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述第2壓電體層比上述第1壓電體層厚。
[0025]據此，在壓電體層整體中，與第1壓電體層相比，彎曲耐受性較高的第2壓電體層的比例較大，所以壓電體層整體的彎曲耐受性進一步提高。由此，能夠提供彎曲耐受性進一步提高的復合壓電元件。
[0026]本發(fā)明的復合壓電元件由于第2壓電體層的壓電粒子的體積百分比濃度較低，所以第2壓電體層的對于彎曲的耐受性提高。因此，與由壓電粒子的體積百分比濃度較高的壓電體層的單層構成的情況相比，伴隨該第2壓電體層的對于彎曲的耐受性提高，壓電體層也彎曲耐受性提高。并且，由于做成了用壓電粒子的體積百分比濃度較高的第1壓電體層夾著的構造，所以使該第1壓電體層的性能為優(yōu)先，壓電體層的壓電性能不會較大地下降。由此，能夠提供在維持壓電性能的同時、對于彎曲的耐受性提高的復合壓電元件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的結構圖，是其平面圖。
[0028]圖2是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的結構圖，是從圖1所示的Y2側觀察的側視圖。
[0029]圖3(a)是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的圖，是圖1所示的III 一III線的剖視圖。
[0030]圖3(b)是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的圖，是圖1所示的IV -1V線的剖視圖。
[0031]圖4是說明分極處理的方法及原理的概念圖，圖4中(a)表示壓電體層的初始的狀態(tài)，圖4中(b)表示在壓電體層的厚度方向上施加了電壓的狀態(tài)，圖4中(c)表示分極處理結束的狀態(tài)。
[0032]圖5是在本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件中使用的壓電粒子的物性的測量結果，是鈮酸鉀的差示掃描熱量測量的曲線圖。
[0033]圖6是有關本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的測量結果，是對壓電粒子的體積百分比濃度變化了的壓電元件施加振蕩時的輸出電壓值的曲線圖。
[0034]圖7是有關本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的測量結果，是對鈮酸鉀的平均粒徑變化了的壓電元件施加了振蕩時的輸出電壓值的曲線圖。
[0035]圖8是有關本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的測量結果，是表示與壓電粒子的含有量對應的壓電體皮膜的計算出的最小曲率半徑的曲線圖。
[0036]圖9是說明有關本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的變形例1的圖，是與圖2比較的側視圖。
[0037]圖10是說明有關本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的變形例2的圖，是與圖3(a)比較的剖視圖。
[0038]圖11是表示使用以往例1的壓電元件的電子零件的示意圖。
[0039]圖12是表示以往例2的靜電容量變化型的發(fā)電元件的結構的厚度方向概略剖視圖，圖12中(a)表示在發(fā)電元件上被沿層疊方向施加壓縮力前的狀態(tài)A，圖12中(b)表示被施加了壓縮力的狀態(tài)B。
【具體實施方式】
[0040]以下，參照【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明的實施方式。
[0041][第1實施方式]
[0042]圖1是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件101的結構圖，是其平面圖。另夕卜，在圖1中，為了使說明容易理解，將外覆部件15的一部分省略。圖2是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件101的結構圖，是從圖1所示的Y2側觀察的側視圖。圖3(a)是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件101的圖，是圖1所示的II1-1II線的剖視圖，圖3(b)是圖1所示的IV — IV線的剖視圖。另外，圖1至圖3(b)是用來使說明容易理解的結構圖，所以厚度方向(Z1 — Z2方向)的尺寸與實際有較大地不同。
[0043]本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件101如圖1至圖3(b)所示，具備撓性的基片19、配設在基片19上的第1電極層11、配設在第1電極層11上的壓電體層13和配設在壓電體層13上的第2電極層12而構成。除此以外，還具備用來將復合壓電元件101從外部環(huán)境保護的外覆部件15、和用來對復合壓電元件101供給電力或從復合壓電元件101取出電力的兩個端子部(171、172)。
[0044]復合壓電元件101的基片19使用聚酰亞胺(PI，Polyimide)膜，在厚度25?125 μ m左右具有撓性。特別是，對于半徑為幾_1?左右的彎曲也具有充分的耐受性。另夕卜，對于撓性的基片19優(yōu)選的是使用聚酰亞胺膜(PI)，但也可以是其他合成樹脂、例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET, Polyethylene terephthalate)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN,Polyethylene naphthalate)、聚苯硫醚(PPS, Poly Phenylene Sulfide)、聚乙烯(PE,Polyethylene)、芳香族聚酰胺樹脂(芳香族聚酰胺,Aromatic polyamid)的絕緣性膜。此夕卜，也可以是在上述材質中填充了無機填充物的裝有填充物的膜。
[0045]復合壓電元件101的第1電極層11如圖1至圖3(b)所示，層疊設在基片19的單面?zhèn)?，在酚醛樹脂中的矩陣中?5?70(Vol% )分散著導電性的銀的粉體，其厚度是5?15 μ m左右。
[0046]復合壓電元件101的第2電極層12如圖1至圖3(b)所示，層疊設在基片19的單面?zhèn)?，如圖3 (a)、圖3 (b)所示，與第1電極層11夾著壓電體層13而層疊形成在壓電體層13上。此外，第2電極層12與第1電極層11同樣，在酚醛樹脂中的矩陣中以20?70(VOl% )分散著導電性的銀的粉體，其厚度是5?20 μ m左右。作為這些第1電極層11及第2電極層12的導電性部件的材質，優(yōu)選的是使用銀，但也可以是碳。在設為碳的情況下，在酚醛樹脂中的矩陣中以5?70(vol% )分散著導電性的碳的粉體。
[0047]此外，第1電極層11及第2電極層12的制作是將含有硬化劑的酚醛樹脂、甘醇丁醚醋酸酯(Carbitol acetate)等的溶劑與銀粉混合而做成導電性銀膏、并使用絲網印刷等的方法來進行的。具體而言，第I電極層11是將該導電性銀膏涂敷在基片19上，進行加熱，并使其干燥及硬化而形成的，并且第2電極層12是將該導電性銀膏涂敷在壓電體層13上，進行加熱，并使其干燥及硬化而形成的。
[0048]此外，在與第I電極層11相同的工序中，制作圖1及圖3(a)所示的端子部171，并在與第2電極層12相同的工序中，制作圖1及圖3(b)所示的端子部172。該端子部171及端子部172以從第I電極層11的端部或第2電極層12的端部引出到基片19的端部的方式來形成，以便容易進行電力的供給或取出。
[0049]另外，使用酚醛樹脂作為導電性銀膏的粘合劑，但也可以是其他合成樹脂，例如作為熱硬化性樹脂的聚氨酯樹脂、環(huán)氧樹脂等、或作為熱塑性樹脂的聚酯樹脂、丙烯樹脂等。此外，使用銀粉作為導電性銀膏的導電性填充物，但也可以是其他的導電性填充物，例如石墨、納米碳等的碳粉、或銅、鎳等的金屬粉。
[0050]復合壓電元件101的壓電體層13如圖1至圖3(b)所示，設在基片19的單面?zhèn)?，層疊形成在第I電極層11上。并且，壓電體層13構成為具有兩個第I壓電體層(13A、13B)、和配設在兩個第I壓電體層(13A、13B)之間的第2壓電體層13C。
[0051]此外，壓電體層13在非晶性聚酯樹脂或聚氨酯樹脂的矩陣中分散有壓電粒子，在本發(fā)明的第I實施方式中，使用鈣鈦礦結構的結晶構造的強電介質粒子作為該壓電粒子。由此，能夠使壓電體層13的壓電性能提高，能夠提供輸出性能良好的復合壓電元件101。
[0052]此外，在本發(fā)明的第I實施方式中，作為該強電介質粒子，特別優(yōu)選的是使用鈮酸鉀(KNbO3)。該鈮酸鉀使用平均粒子徑為400?500nm、斜方晶一正方晶的轉變溫度為223°C以上且228°C以下、正方晶一立方晶的轉變溫度為420°C以上且430°C以下的粒子。由此，能夠使壓電體層13的壓電性能進一步提高。由此，能夠提供輸出性能更好的復合壓電元件101。
[0053]此外，該壓電體層13由于是這樣的與合成樹脂的復合材，所以具有撓性。特別是，由于非晶性聚酯樹脂或聚氨酯樹脂在常溫下具有適度的柔性，所以即使壓電體層13變形，也能夠抑制在壓電體層13中發(fā)生的裂紋等。進而，非晶性聚酯樹脂及聚氨酯樹脂被普遍廣泛地使用，能夠容易且便宜地獲得，所以能夠優(yōu)選地使用。
[0054]壓電體層13的第I壓電體層(13A、13B)中，壓電粒子(在本發(fā)明的第I實施方式中是鈮酸鉀)的體積百分比濃度調整為50?65ν01%。由此，壓電粒子被充分填充到第I壓電體層(13A、13B)中，能夠得到較高的壓電性能。此外，第I壓電體層13A和第I壓電體層13B將壓電粒子的體積百分比濃度調整為相同。
[0055]另一方面，壓電體層13的第2壓電體層13C將壓電粒子的體積百分比濃度調整得比第I壓電體層(13A、13B)低。具體而言，可以設為0.01?60vol %，優(yōu)選的是設為10?50vol%。另外，在第2壓電體層13C的壓電粒子的體積百分比濃度是50vol%以上的情況下，也將第I壓電體層(13A、13B)的壓電粒子的體積百分比濃度調整為比第2壓電體層13C高的體積百分比濃度。
[0056]由此，該第2壓電體層13C的壓電粒子的體積百分比濃度較低，所以第2壓電體層13C的對于彎曲的彎曲耐受性提高。因此，與由壓電粒子的體積百分比濃度較高的壓電體的單層構成的情況相比，伴隨第2壓電體層13C的對于彎曲的彎曲耐受性的提高，壓電體層13也彎曲耐受性提高。并且，由于為被壓電粒子的體積百分比濃度較高的第I壓電體層13A及第I壓電體層13B夾著的構造，所以使該第I壓電體層(13A、13B)的性能為優(yōu)選，壓電體層13整體的壓電性能不會較大地下降。由此，能夠提供在維持壓電性能的同時、對于彎曲的彎曲耐受性提高的復合壓電元件101。此外，通過夾著壓電粒子的體積百分比濃度較低的層，能夠構成在減少昂貴的壓電粒子的使用量的同時維持壓電性能的壓電體層13。
[0057]此外，在本發(fā)明的第I實施方式中使用的第2壓電體層13C的_40°C環(huán)境下的彈性模量E是1.5GPa以下，優(yōu)選的是0.5GPa以下，并且_40°C環(huán)境下的屈服強度σ是15MPa以上，優(yōu)選的是30MPa以上。這里，在第2壓電體層13C具有某種厚度t的情況下，可以根據彈性模量E和屈服強度σ，通過以下的式(A)計算第2壓電體層13C的最小曲率半徑R。
[0058](A) σ = EXt/(2XR)
[0059]σ:屈服強度，E:彈性模量，t:厚度，R:最小曲率半徑
[0060]例如，在第2壓電體層13C的厚度t是20 μ m的情況下，如果彈性模量E是1.5GPa、屈服強度σ是15MPa,則最小曲率半徑R可以計算為1mm。
[0061]由此，在-40°C環(huán)境下，也能夠將第2壓電體層13C以較小的曲率半徑彎曲。因此，伴隨該第2壓電體層13C的充分的彎曲耐受性，能夠得到壓電體層13的充分的彎曲耐受性。并且，通過在上述基片19和粘合劑中使用樹脂，在-40°C環(huán)境下也能夠得到復合壓電元件101的充分的撓性。另外，作為壓電粒子，優(yōu)選的是使用強電介質的鈮酸鉀(KNbO3)，但可以使用鈮酸鋰(LiNbO3),鈮酸鈉(NaNbO3)、鈦酸鋇(BaT13)、鋅酸鈦酸鉍(Bi (Zn/Ti) O3)、鈷酸鉍(BiCoO3)、鈦酸鋯酸鉛(Pb(Zr/Ti)03)等。
[0062]此外，在本發(fā)明的第I實施方式中，將第I壓電體層13A及第I壓電體層13B的壓電粒子的體積百分比濃度調整為相同。由此，壓電體層13的性能不會被體積百分比濃度較低的第I壓電體層13A或第I壓電體層13B的某個的性能拖累(影響)。由此，能夠確保壓電體層13的充分的壓電性能。此外，在制造壓電體層13時，能夠使用相同的原材料，能夠容易地制造壓電體層13。由此,能夠便宜地制作復合壓電元件101。
[0063]此外，在本發(fā)明的第I實施方式中，如圖3(a)、圖3(b)所示，第2壓電體層13C變得比第I壓電體層(13A、13B)厚。由此，在壓電體層13整體中，相比第I壓電體層(13A、13B)、彎曲耐受性較高的第2壓電體層13C的比例變大，所以壓電體層13整體的彎曲耐受性進一步提聞。由此，能夠提供彎曲耐受:性進一步提聞的復合壓電兀件101。
[0064]壓電體層13的制作首先在溶劑中使用可溶的非晶性聚酯樹脂或聚氨酯樹脂，將該粘合劑樹脂和甘醇丁醚醋酸酯等的溶劑與鈮酸鉀的粒體以希望的配合比混合，用3條輥等的混合機使其均勻地分散，制作電介質膏。此時，以對應于第I壓電體層(13A、13B)的壓電粒子的體積百分比濃度的方式來制作將粘合劑樹脂和鈮酸鉀的粒體以希望的比例配合的第I電介質膏。同樣，以對應于第2壓電體層13C的壓電粒子的體積百分比濃度的方式來制作將粘合劑樹脂和鈮酸鉀的粒體以希望的比例配合的第2電介質膏。
[0065]接著，使用絲網印刷等的方法，以使第I電極層11覆蓋到基片19的單面?zhèn)鹊姆绞酵糠笤摰贗電介質膏，并使其干燥及硬化而制作第I壓電體層13A。該硬化后的第I壓電體層13A的厚度優(yōu)選的是3?10 μ m左右。接著，同樣使用絲網印刷等的方法，以使第I壓電體層13A覆蓋到基片19的單面?zhèn)鹊姆绞酵糠蟮?電介質膏，并使其干燥及硬化而制作第2壓電體層13C。該硬化后的第2壓電體層13C的厚度優(yōu)選的是10?50 μ m左右。
[0066]接著，以使第2壓電體層13C覆蓋到基片19的單面?zhèn)鹊姆绞蕉糠蟮贗電介質膏，并使其干燥及硬化而制作第I壓電體層13B。該硬化后的第I壓電體層13B的厚度與第I壓電體層13A同樣，優(yōu)選的是3?ΙΟμπι左右。另外，在上述電介質膏(第I電介質膏、第2電介質膏)中，也可以適當使用少量的硬化劑，也可以添加消泡劑。此外，也可以進行使鈮酸鉀的粒體的表面擔載硅烷耦聯劑的處理。特別是，通過進行消泡劑的添加或硅烷耦聯劑處理，能夠防止在壓電體層13中發(fā)生氣泡等的缺陷，能夠減少壓電體層13的厚度方向的導通不良。
[0067]最后，對所形成的壓電體層13進行分極處理。圖4是說明分極處理的方法及原理的概念圖，圖4中(a)表示壓電體層13的初始的狀態(tài)，圖4中(b)表示在壓電體層13的厚度方向上施加了電壓的狀態(tài)，圖4中(c)表示分極處理結束的狀態(tài)。另外，在圖中，作為壓電體層13而表示了鈮酸鉀的粒體NB和粘合劑樹脂(聚酯樹脂或聚氨酯樹脂)PP。
[0068]在分極處理中，將形成的壓電體層13加熱到居里點附近的溫度，從圖1及圖3 (a)、圖3(b)所示的端子部171及端子部172，如圖4中(b)所示，對壓電體層13以I?10 (V/μπι)左右施加與壓電體層13的厚度對應的直流電壓。并且，在回到常溫后，使第I電極層11與第2電極層12之間短路，將多余的電容除去而結束。另外，直流電壓的施加優(yōu)選的是4?6(ν/μπι)。這樣，壓電體層13能夠從圖4中(a)所示的初始狀態(tài)向圖4中(c)所示的分極的狀態(tài)簡單地進行處理。
[0069]如以上這樣，第I電極層11、壓電體層13及第2電極層12是在合成樹脂中分散有填充物的結構，所以能夠與基片19的撓性相對應地具有充分的撓性。
[0070]最后，在本發(fā)明的第I實施方式中，為了將復合壓電元件101從外部環(huán)境保護而設有外覆部件15。另外，在第I電極層11及第2電極層12中代替銀的粉體而使用導電性的碳的粉體的情況下，有也可以不設置該外覆部件15的情況。
[0071]此外，在外覆部件15的制作中，使用以含有顏料的絕緣性的聚氨酯樹脂為基礎的絕緣性膏，同樣使用絲網印刷等的方法將該絕緣性膏以覆蓋到第2電極層12整體上的方式而涂敷地層疊，并進行加熱，使其干燥及硬化。該硬化后的外覆部件15的厚度是10?ΙΟΟμπι左右。另外，在聚氨酯樹脂以外，也可以使用丙烯酸樹脂、聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等。如此這樣，形成圖1至圖3(b)所示那樣的復合壓電元件101。由于在該復合壓電元件101的形成中使用簡單而便宜的絲網印刷法，所以能夠將復合壓電元件101容易地制作、并且能夠便宜地制作。
[0072]對于如以上那樣構成的本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的效果，以下參照實際制作的復合壓電元件101的實施例進行說明。
[0073]<實施例>
[0074]首先，對在測量中使用的復合壓電元件101的試樣(樣本)具體地說明。復合壓電元件101的試樣(樣本)使用厚度為75 μ m的聚酰亞胺(PI)膜作為基片19。此外，作為第I電極層11及第2電極層12，使用在260°C下加熱30分鐘使其固化而得到的膜，其膜厚為5 μ m，在酚醛樹脂中的矩陣中含有40 (vol% )的導電性的銀粉。此外，作為外覆部件15，使用在150°C下加熱10分鐘使其固化而得到的膜，其膜厚為10 μ m，以含有顏料的絕緣性的聚氨酯樹脂為基礎。
[0075]此外，作為第I壓電體層13A及第I壓電體層13B，使用在260°C下加熱20分鐘使其固化而得到的膜，其膜厚為5 μ m，在非晶性聚酯樹脂的熱塑性樹脂中的矩陣中含有60(vol%)作為強電介質粒子的鈮酸鉀的粒體。
[0076]圖5是在本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101中使用的壓電粒子的物性的測量結果，是銀酸鉀的差示掃描量熱法(DSC, Differential scanning calorimetry)的曲線圖。橫軸表示溫度，縱軸表示熱流量。如圖5所示，這里使用的鈮酸鉀的粒體的平均粒子徑是400nm，斜方晶一正方晶的轉變溫度是223.6 °C，正方晶一立方晶的轉變溫度是424V (圖5所示的Al(實線))。此外，為了進行比較，使用平均粒子徑為200nm、斜方晶一正方晶的轉變溫度為208.6°C、正方晶一立方晶的轉變溫度為411.9°C的粒子(圖5所示的Cl (虛線))和平均粒子徑為200nm、斜方晶一正方晶的轉變溫度為208.6°C、正方晶一立方晶的轉變溫度為411.9°C的粒子(圖5所示的C2(單點劃線))，也制作出比較試樣。
[0077]此外，作為第2壓電體層13C，使用一些在260°C下加熱20分鐘使其固化而得到的膜，其膜厚為10 μ m，在非晶性聚酯樹脂的熱塑性樹脂中的矩陣中含有20?60Vol%的作為強電介質粒子的鈮酸鉀的粒體。此外，為了進行比較，做成沒有設置第2壓電體層13C的結構，還制作僅一層的壓電體的比較試樣。
[0078]接著，對如上述那樣制作出的復合壓電元件101的試樣(樣本)進行分極處理。分極處理通過加熱到250°C、從圖1及圖3(a)、圖3(b)所示的端子部171及端子部172對壓電體層13施加I小時100V的直流電壓來進行。
[0079]對于如以上那樣制作出的試樣，對其感度進行測量。在該測量中，對形成有壓電體層13的試樣(樣本)以2Hz的頻率施加發(fā)生0.5mm的變位那樣的振蕩，測量此時的輸出電壓。并且，假設該輸出電壓較大者是感度較高的壓電體。
[0080]圖6是有關本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的測量結果，是對壓電粒子的體積百分比濃度變化的壓電元件施加振蕩時的輸出電壓值的曲線圖。橫軸是含有壓電粒子的體積百分比，縱軸是輸出電壓值。圖中的SPl (實線)是改變了第2壓電體層13C中的鈮酸鉀的粒體的含有量的試樣的測量結果，圖中的CSl (虛線)是僅一層的壓電體的比較試樣的測量結果。圖7是有關本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的測量結果，是對鈮酸鉀的平均粒徑變化了的壓電元件施加振蕩時的輸出電壓值的曲線圖。橫軸是鈮酸鉀的平均粒徑，縱軸是輸出電壓值。圖中的SP2是在本實施例中使用的鈮酸鉀的平均粒徑為400nm的測量結果，圖中的CS2及CS3是鈮酸鉀的平均粒徑為200nm及800nm的比較試樣的測量結果。
[0081]本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101如圖6所示，即使第2壓電體層13C中的鈮酸鉀的粒體的含有量下降，也不會如僅由一層的壓電體構成的比較例那樣較大地下降。這是因為，由于做成了用壓電粒子的體積百分比濃度較高的第I壓電體層13A及第I壓電體層13B夾著的構造，所以使該第I壓電體層(13A、13B)的性能為優(yōu)先，壓電體層13整體的壓電性能不會較大地下降。進而，本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101由于配設在兩個第I壓電體層(13A、13B)之間的第2壓電體層13C與第I壓電體層(13A、13B)相比壓電粒子的體積百分比濃度較低，所以第2壓電體層13C的對于彎曲的彎曲耐受性提高。因此，與為了提高壓電體的性能而由提高了壓電粒子的體積百分比濃度的壓電體的單層構成的情況相比，伴隨該第2壓電體層13C的對于彎曲的彎曲耐受性提高，壓電體層13也彎曲耐受性提高。由此，能夠提供在維持壓電性能的同時、對于彎曲的彎曲耐受性提高的復合壓電元件101。
[0082]此外，本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101由于第I壓電體層(13A、13B)的壓電粒子的體積百分比濃度是50?65ν01%，所以壓電粒子被充分填充到第I壓電體層(13AU3B)中。由此，即使使第2壓電體層13C的壓電粒子的體積百分比濃度變低，也能夠得到較高的壓電性能。例如如圖6所示，即使第I壓電體層(13A、13B)的壓電粒子的體積百分比濃度是60vol%、第2壓電體層13C的壓電粒子的體積百分比濃度是40vol%，也能夠得到250mV以上的輸出電壓值，能夠得到較高的感度。
[0083]進而，由于壓電粒子是鈣鈦礦結構的強電介質粒子，所以能夠使壓電體層13的壓電性能提高。由此，能夠提供輸出性能良好的復合壓電元件101。
[0084]此外，由于將第I壓電體層13A及第I壓電體層13B的壓電粒子的體積百分比濃度調整為相同，所以壓電體層13的性能不會被體積百分比濃度較低的第I壓電體層13A或第I壓電體層13B的某個的性能拖累(影響)。由此，能夠確保壓電體層13的充分的壓電性能。此外，在制造壓電體層13時，能夠使用相同的原材料，能夠容易地制造壓電體層13。由此，能夠便宜地制作復合壓電元件101。
[0085]此外，本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101作為是壓電粒子的強電介質粒子而使用鈮酸鉀，但優(yōu)選的是使用平均粒子徑為400?500nm、斜方晶一正方晶的轉變溫度為223°C以上且228°C以下、正方晶一立方晶的轉變溫度為420°C以上且430°C以下的鈮酸鉀。由此，如圖7所示，能夠使壓電體層13的壓電性能進一步提高。由此，能夠提供輸出性能更好的復合壓電元件101。
[0086]此外，除了上述感度特性的測量用試樣以外，還為了彎曲特性的測量用而制作一些含有20?60Vol%鈮酸鉀的粒體的皮膜試樣，使用拉伸試驗機(島津制作所(株)制，型號:才一卜7 97 AGS— J500N)，測量一些皮膜試樣的彈性模量及屈服強度。作為測量時的條件，在_40°C的環(huán)境下進行測量。另外，使用的皮膜試樣為了由拉伸試驗機測量的方便，使用比作為實際優(yōu)選地使用的第2壓電體層13C的厚度10?50 μ m厚的100 μ m厚度的試樣。
[0087]結果，皮膜試樣TPl (含有鈮酸鉀20vol % )的彈性模量是0.35Gpa，屈服強度是35Mpa ;皮膜試樣TP2 (含有鈮酸鉀35vol % )的彈性模量是0.98Gpa，屈服強度是25Mpa ;皮膜試樣TP3(含有鈮酸鉀50VOl% )的彈性模量是1.4Gpa，屈服強度是15.8Mpa ;皮膜試樣TP4 (含有鈮酸鉀60vol % )的彈性模量是1.9Gpa，屈服強度是5.4Mpa。使用該彈性模量和屈服強度，計算皮膜試樣(TP1、TP2、TP3、TP4)的最小曲率半徑。圖8是有關本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的測量結果，是表示與壓電粒子的含有量對應的壓電體皮膜的計算出的最小曲率半徑的曲線圖。
[0088]如圖8所示，在鈮酸鉀的粒體的含有量為50VOl%以下的情況下，最小曲率半徑大幅地變小。由于該鈮酸鉀的粒體的含有量為50vol %的皮膜試樣TP3的彈性模量是1.4Gpa、屈服強度是15.8Mpa，所以可以認為由該附近的彈性模量及屈服強度作為第2壓電體層13C的皮膜特性。此外，更優(yōu)選的是，由該鈮酸鉀的粒體的含有量為20Vol%的皮膜試樣TPl (彈性模量是0.35Gpa，屈服強度是35Mpa)與鈮酸鉀的粒體的含有量為35V01%的皮膜試樣TP2 (彈性模量是0.98Gpa，屈服強度是25Mpa)之間的彈性模量及屈服強度作為第2壓電體層13C的皮膜特性。
[0089]根據上述結果，第2壓電體層13C在_40°C環(huán)境下的彈性模量是1.5GPa以下，優(yōu)選的是0.5GPa以下，并且在-40°c環(huán)境下的屈服強度是15MPa以上，優(yōu)選的是30MPa以上。由此，本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101在_40°C環(huán)境下也能夠將第2壓電體層13C以較小的曲率半徑彎曲，所以伴隨該第2壓電體層13C的充分的彎曲耐受性，能夠得到壓電體層13的充分的彎曲耐受性。并且，通過在上述基片和粘合劑中使用樹脂，在_40°C環(huán)境下也能夠得到復合壓電元件101的充分的撓性。
[0090]此外，由于第2壓電體層13C比第I壓電體層(13A、13B)厚，所以在壓電體層13整體中，相比第I壓電體層(13A、13B)，彎曲耐受性較高的第2壓電體層13C的比例變大。因此，壓電體層13整體的彎曲耐受性進一步提高。由此，能夠提供彎曲耐受性進一步提高的復合壓電元件101。
[0091]另外，本發(fā)明并不限定于上述實施方式，例如可以如以下這樣變形而實施，這些實施方式也屬于本發(fā)明的技術范圍。
[0092]圖9是說明有關本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的變形例I的圖，是與圖2比較的復合壓電元件ClOl的側視圖。圖10是說明有關本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的變形例2的圖，是與圖3(a)比較的復合壓電元件C102剖視圖。
[0093]<變形例1>
[0094]在上述第I實施方式中，做成了在基片19的單面?zhèn)葘盈B包括壓電體層13的元件的結構，但如圖9所示，也可以做成在基片19的相反面?zhèn)纫矊盈B包括壓電體層C13的元件的結構。
[0095]<變形例2>
[0096]在上述第2實施方式中，將壓電體層13的第2壓電體層13C用I層構成，但并不限定于此，例如如圖10所示，也可以是由2層的第2壓電體層(23C、33C)構成的壓電體層C23，也可以是2層以上。
[0097]本發(fā)明并不限定于上述實施方式，在不脫離本發(fā)明的目的的范圍內能夠適當地變更。
[0098]標號說明
[0099]11第I電極層
[0100]12第2電極層
[0101]13、C13、C23 壓電體層
[0102]13AU3B第I壓電體層
[0103]13C、23C、33C 第 2 壓電體層
[0104]19 基片
[0105]101、C101、C102 復合壓電元件
【權利要求】
1.一種復合壓電元件，具備: 撓性的基片； 第I電極層，配設在該基片上； 壓電體層，配設在該第I電極層上，具有樹脂和壓電粒子；以及 第2電極層，配設在該壓電體層上； 該復合壓電元件的特征在于， 上述壓電體層具有兩個第I壓電體層、和配設在上述兩個第I壓電體層之間的第2壓電體層； 該第2壓電體層與上述第I壓電體層相比，上述壓電粒子的體積百分比濃度低。
2.如權利要求1所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述第I壓電體層的上述壓電粒子的上述體積百分比濃度是50?65Vol%。
3.如權利要求1或2所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述壓電粒子是結晶構造為鈣鈦礦結構的強電介質粒子。
4.如權利要求3所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述強電介質粒子是鈮酸鉀； 上述鈮酸鉀的平均粒子徑是400nm?500nm，斜方晶一正方晶的轉變溫度是223 °C以上且228°C以下，正方晶一立方晶的轉變溫度是420°C以上且430°C以下。
5.如權利要求1?4中任一項所述的復合壓電兀件,其特征在于， 上述基片是使用聚對苯二甲酸乙二醇酯即PET、聚萘二甲酸乙二醇酯即PEN、聚酰亞胺即P1、聚乙烯即PE、聚苯硫醚即PPS、芳族聚酰胺樹脂的某種材質的絕緣性膜、或在上述材質中填充了無機填料的加有填料的膜中的某種； 上述樹脂是非晶性聚酯或聚氨酯； 上述第2壓電體層在_40°C環(huán)境下的彈性模量是1.5GPa以下，優(yōu)選的是0.5GPa以下，并且在_40°C環(huán)境下的屈服強度是15MPa以上，優(yōu)選的是30MPa以上。
6.如權利要求1?4中任一項所述的復合壓電兀件,其特征在于， 上述兩個第I壓電體層的上述壓電粒子的上述體積百分比濃度相同。
7.如權利要求1?4中任一項所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述第2壓電體層比上述第I壓電體層厚。
8.如權利要求5所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述兩個第I壓電體層的上述壓電粒子的上述體積百分比濃度相同。
9.如權利要求5所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述第2壓電體層比上述第I壓電體層厚。
10.如權利要求6所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述第2壓電體層比上述第I壓電體層厚。
【文檔編號】H01L41/18GK104425702SQ201410391861
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月11日 優(yōu)先權日:2013年9月4日
【發(fā)明者】不藤平四郎, 后藤厚志 申請人:阿爾卑斯電氣株式會社
【專利摘要】一種復合壓電元件，目的在于提高對于彎曲的彎曲耐受性。復合壓電元件(101)具備撓性的基片(19)、配設在基片(19)上的第1電極層(11)、配設在第1電極層(11)上的具有樹脂和壓電粒子的壓電體層(13)、和配設在壓電體層(13)上的第2電極層(12)；其特征在于，壓電體層(13)具有兩個第1壓電體層(13A、13B)、和配設在兩個第1壓電體層(13A、13B)之間的第2壓電體層(13C)；第2壓電體層(13C)與第1壓電體層(13A、13B)相比，壓電粒子的體積百分比濃度較低。
【專利說明】復合壓電元件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及在致動器、各種傳感器及發(fā)電等中使用的壓電元件。
【背景技術】
[0002]壓電元件被用于電能與機械能之間的能量變換，被廣泛地用在致動器或各種傳感器中。進而，近年來還研究了在發(fā)電中的應用。
[0003]考慮將這樣的壓電元件層疊在膜基材上、應用到被要求撓性的各種制品中的情況。在專利文獻1(以往例1)中，公開了圖11所示那樣的層疊在柔性基板的支承體832的表面832a上的壓電元件810。圖11是表示使用以往例1的壓電元件810的電子零件830的示意圖。圖11所示的壓電元件810由層疊在支承體832的表面832a上的第1導電性彈性體基材822、層疊在第1導電性彈性體基材822上的壓電體820、和設在壓電體820的表面820a上的第2導電性彈性體基材824構成。
[0004]但是，在以往例1的壓電元件810中，在壓電體820中使用壓電性單結晶或壓電陶瓷的情況下，由于壓電體820較脆，所以僅能夠將支承體832稍稍彎曲。此外，即使是將在高分子矩陣中均勻地分散混合了壓電體粒子的壓電混合物(composite)用在壓電體820中的情況，當支承體832被較大地彎曲時，在壓電體820上發(fā)生裂紋的可能性較大。另一方面，在壓電體820中使用壓電性高分子的情況下，對于彎曲的彎曲耐受性有可能提高，但在壓電性高分子中，不能得到希望的壓電特性。
[0005]所以，在專利文獻2(以往例2)中，作為壓電混合物的高分子矩陣，在圖12中提出了使用彈性體的發(fā)電元件901。圖12是表示以往例2的靜電容量變化型的發(fā)電元件901的結構的厚度方向概略剖視圖，圖12中(a)表示在發(fā)電元件901上被沿層疊方向施加壓縮力之前的狀態(tài)A，圖12中(b)表示被施加了壓縮力的狀態(tài)B。圖12所示的發(fā)電元件901具備在介電彈性體910中分散強電介質粒子911而成的混合物(composite)層912、和作為裝備在混合物層912的兩面上的一對電極即電極921及電極922而構成。
[0006]并且，發(fā)電元件901如果從圖12中(a)所示的狀態(tài)A起，在發(fā)電元件901上被沿層疊方向施加壓縮力，則介電彈性體910彈性變形，成為圖12中(b)所示的狀態(tài)B。另一方面，如果壓縮力被解除，則要從狀態(tài)B回到狀態(tài)A。在以往例2的發(fā)電元件901中，為了在厚度方向上較大地伸縮，作為介電彈性體910而使用熱硬化性彈性體或熱塑性彈性體。特別通過從該狀態(tài)A向狀態(tài)B、或相反從狀態(tài)B向狀態(tài)A變化，在電極921與電極922之間發(fā)生電位差，發(fā)電元件901能夠將該電位差的變化作為電力取出。
[0007]為了將該電力更多地取出，使發(fā)電元件901的混合物層912的強電介質粒子911的體積百分比濃度(vol%)變大、使表面電荷密度變大是有效的。另一方面，如果強電介質粒子911的體積百分比濃度過大，則混合物層912的楊氏模量變高，給彈性變形帶來不良影響，并且耐久性有可能變低。所以，記述了混合物層912中的強電介質粒子911的體積百分比濃度優(yōu)選的是10?60%左右。
[0008]專利文獻1:特開2013 - 21176號公報
[0009]專利文獻2:特開2012 - 164917號公報
[0010]但是，在以往例2的發(fā)電元件901中，關于彎曲方向的強度沒有做出公開，可以認為對于彎曲較弱。特別是，如果為了提高性能而將強電介質粒子911的體積百分比濃度提高到50%左右，則混合物層912的楊氏模量變高，有對于彎曲的耐受性確實下降的問題。
【發(fā)明內容】
[0011]本發(fā)明是解決上述問題的，目的是提供一種對于彎曲的耐受性提高的復合壓電元件。
[0012]為了解決該問題，本發(fā)明的復合壓電元件具備:撓性的基片;第1電極層，配設在該基片上；壓電體層，配設在該第1電極層上，具有樹脂和壓電粒子；第2電極層，配設在該壓電體層上；其特征在于，上述壓電體層具有兩個第1壓電體層、和配設在上述兩個第1壓電體層之間的第2壓電體層；該第2壓電體層與上述第1壓電體層相比，上述壓電粒子的體積百分比濃度低。
[0013]據此，本發(fā)明的復合壓電元件由于第2壓電體層的壓電粒子的體積百分比濃度較低，所以第2壓電體層的對于彎曲的耐受性提高。因此，與由壓電粒子的體積百分比濃度較高的壓電體層的單層構成的情況相比，伴隨該第2壓電體層的對于彎曲的耐受性提高，壓電體層也彎曲耐受性提高。并且，由于做成了用壓電粒子的體積百分比濃度較高的第1壓電體層夾著的構造，所以使該第1壓電體層的性能為優(yōu)先，壓電體層整體壓電性能不會較大地下降。由此，能夠提供在維持壓電性能的同時、對于彎曲的耐受性提高的復合壓電元件。
[0014]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述第1壓電體層的上述壓電粒子的上述體積百分比濃度是50?65vol%。
[0015]據此，壓電粒子被充分填充到第1壓電體層中，所以能夠得到較高的壓電性能。
[0016]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述壓電粒子是結晶構造為鈣鈦礦結構的強電介質粒子。
[0017]據此，能夠使壓電體層的壓電性能提高。由此，能夠提供輸出性能良好的復合壓電元件。
[0018]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述強電介質粒子是鈮酸鉀；上述鈮酸鉀的平均粒子徑是400nm?500nm，斜方晶一正方晶的轉變溫度是223°C以上且228°C以下，正方晶一立方晶的轉變溫度是420°C以上且430°C以下。
[0019]據此，通過使用上述鈮酸鉀，能夠使壓電體層的壓電性能進一步提高。由此，能夠提供輸出性能更好的復合壓電元件。
[0020]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述基片是使用PET、PEN、P1、PE、PPS、芳香族聚酰胺樹脂(日語:7 S F'樹脂)的某種材質的絕緣性膜、或在上述材質中填充了無機填充物的裝有填充物的膜中的某種；上述樹脂是非晶性聚酯或聚氨酯；上述第2壓電體層的_40°C環(huán)境下的彈性模量是1.5GPa以下，優(yōu)選的是0.5GPa以下，并且_40°C環(huán)境下的屈服強度是15MPa以上，優(yōu)選的是30MPa以上。
[0021]據此，即使在_40°C環(huán)境下，也能夠將第2壓電體層以較小的曲率半徑彎曲。因此，伴隨該第2壓電體層的充分的彎曲耐受性，能夠得到壓電體層的充分的彎曲耐受性。并且，通過使用上述基片和樹脂，即使在_40°C環(huán)境下，也能夠得到復合壓電元件的充分的撓性。
[0022]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述兩個第1壓電體層的上述壓電粒子的上述體積百分比濃度相同。
[0023]據此，壓電體層的性能不會被體積百分比濃度較低的第1壓電體層的性能拖累(影響、日語:引務十6 )。由此，能夠確保壓電體層的充分的壓電性能。此外，在制造壓電體層時能夠使用原材料，能夠容易地制造壓電體層。
[0024]此外，本發(fā)明的復合壓電元件的特征在于，上述第2壓電體層比上述第1壓電體層厚。
[0025]據此，在壓電體層整體中，與第1壓電體層相比，彎曲耐受性較高的第2壓電體層的比例較大，所以壓電體層整體的彎曲耐受性進一步提高。由此，能夠提供彎曲耐受性進一步提高的復合壓電元件。
[0026]本發(fā)明的復合壓電元件由于第2壓電體層的壓電粒子的體積百分比濃度較低，所以第2壓電體層的對于彎曲的耐受性提高。因此，與由壓電粒子的體積百分比濃度較高的壓電體層的單層構成的情況相比，伴隨該第2壓電體層的對于彎曲的耐受性提高，壓電體層也彎曲耐受性提高。并且，由于做成了用壓電粒子的體積百分比濃度較高的第1壓電體層夾著的構造，所以使該第1壓電體層的性能為優(yōu)先，壓電體層的壓電性能不會較大地下降。由此，能夠提供在維持壓電性能的同時、對于彎曲的耐受性提高的復合壓電元件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的結構圖，是其平面圖。
[0028]圖2是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的結構圖，是從圖1所示的Y2側觀察的側視圖。
[0029]圖3(a)是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的圖，是圖1所示的III 一III線的剖視圖。
[0030]圖3(b)是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的圖，是圖1所示的IV -1V線的剖視圖。
[0031]圖4是說明分極處理的方法及原理的概念圖，圖4中(a)表示壓電體層的初始的狀態(tài)，圖4中(b)表示在壓電體層的厚度方向上施加了電壓的狀態(tài)，圖4中(c)表示分極處理結束的狀態(tài)。
[0032]圖5是在本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件中使用的壓電粒子的物性的測量結果，是鈮酸鉀的差示掃描熱量測量的曲線圖。
[0033]圖6是有關本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的測量結果，是對壓電粒子的體積百分比濃度變化了的壓電元件施加振蕩時的輸出電壓值的曲線圖。
[0034]圖7是有關本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的測量結果，是對鈮酸鉀的平均粒徑變化了的壓電元件施加了振蕩時的輸出電壓值的曲線圖。
[0035]圖8是有關本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的測量結果，是表示與壓電粒子的含有量對應的壓電體皮膜的計算出的最小曲率半徑的曲線圖。
[0036]圖9是說明有關本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的變形例1的圖，是與圖2比較的側視圖。
[0037]圖10是說明有關本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件的變形例2的圖，是與圖3(a)比較的剖視圖。
[0038]圖11是表示使用以往例1的壓電元件的電子零件的示意圖。
[0039]圖12是表示以往例2的靜電容量變化型的發(fā)電元件的結構的厚度方向概略剖視圖，圖12中(a)表示在發(fā)電元件上被沿層疊方向施加壓縮力前的狀態(tài)A，圖12中(b)表示被施加了壓縮力的狀態(tài)B。
【具體實施方式】
[0040]以下，參照【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明的實施方式。
[0041][第1實施方式]
[0042]圖1是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件101的結構圖，是其平面圖。另夕卜，在圖1中，為了使說明容易理解，將外覆部件15的一部分省略。圖2是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件101的結構圖，是從圖1所示的Y2側觀察的側視圖。圖3(a)是說明本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件101的圖，是圖1所示的II1-1II線的剖視圖，圖3(b)是圖1所示的IV — IV線的剖視圖。另外，圖1至圖3(b)是用來使說明容易理解的結構圖，所以厚度方向(Z1 — Z2方向)的尺寸與實際有較大地不同。
[0043]本發(fā)明的第1實施方式的復合壓電元件101如圖1至圖3(b)所示，具備撓性的基片19、配設在基片19上的第1電極層11、配設在第1電極層11上的壓電體層13和配設在壓電體層13上的第2電極層12而構成。除此以外，還具備用來將復合壓電元件101從外部環(huán)境保護的外覆部件15、和用來對復合壓電元件101供給電力或從復合壓電元件101取出電力的兩個端子部(171、172)。
[0044]復合壓電元件101的基片19使用聚酰亞胺(PI，Polyimide)膜，在厚度25?125 μ m左右具有撓性。特別是，對于半徑為幾_1?左右的彎曲也具有充分的耐受性。另夕卜，對于撓性的基片19優(yōu)選的是使用聚酰亞胺膜(PI)，但也可以是其他合成樹脂、例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET, Polyethylene terephthalate)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN,Polyethylene naphthalate)、聚苯硫醚(PPS, Poly Phenylene Sulfide)、聚乙烯(PE,Polyethylene)、芳香族聚酰胺樹脂(芳香族聚酰胺,Aromatic polyamid)的絕緣性膜。此夕卜，也可以是在上述材質中填充了無機填充物的裝有填充物的膜。
[0045]復合壓電元件101的第1電極層11如圖1至圖3(b)所示，層疊設在基片19的單面?zhèn)?，在酚醛樹脂中的矩陣中?5?70(Vol% )分散著導電性的銀的粉體，其厚度是5?15 μ m左右。
[0046]復合壓電元件101的第2電極層12如圖1至圖3(b)所示，層疊設在基片19的單面?zhèn)?，如圖3 (a)、圖3 (b)所示，與第1電極層11夾著壓電體層13而層疊形成在壓電體層13上。此外，第2電極層12與第1電極層11同樣，在酚醛樹脂中的矩陣中以20?70(VOl% )分散著導電性的銀的粉體，其厚度是5?20 μ m左右。作為這些第1電極層11及第2電極層12的導電性部件的材質，優(yōu)選的是使用銀，但也可以是碳。在設為碳的情況下，在酚醛樹脂中的矩陣中以5?70(vol% )分散著導電性的碳的粉體。
[0047]此外，第1電極層11及第2電極層12的制作是將含有硬化劑的酚醛樹脂、甘醇丁醚醋酸酯(Carbitol acetate)等的溶劑與銀粉混合而做成導電性銀膏、并使用絲網印刷等的方法來進行的。具體而言，第I電極層11是將該導電性銀膏涂敷在基片19上，進行加熱，并使其干燥及硬化而形成的，并且第2電極層12是將該導電性銀膏涂敷在壓電體層13上，進行加熱，并使其干燥及硬化而形成的。
[0048]此外，在與第I電極層11相同的工序中，制作圖1及圖3(a)所示的端子部171，并在與第2電極層12相同的工序中，制作圖1及圖3(b)所示的端子部172。該端子部171及端子部172以從第I電極層11的端部或第2電極層12的端部引出到基片19的端部的方式來形成，以便容易進行電力的供給或取出。
[0049]另外，使用酚醛樹脂作為導電性銀膏的粘合劑，但也可以是其他合成樹脂，例如作為熱硬化性樹脂的聚氨酯樹脂、環(huán)氧樹脂等、或作為熱塑性樹脂的聚酯樹脂、丙烯樹脂等。此外，使用銀粉作為導電性銀膏的導電性填充物，但也可以是其他的導電性填充物，例如石墨、納米碳等的碳粉、或銅、鎳等的金屬粉。
[0050]復合壓電元件101的壓電體層13如圖1至圖3(b)所示，設在基片19的單面?zhèn)?，層疊形成在第I電極層11上。并且，壓電體層13構成為具有兩個第I壓電體層(13A、13B)、和配設在兩個第I壓電體層(13A、13B)之間的第2壓電體層13C。
[0051]此外，壓電體層13在非晶性聚酯樹脂或聚氨酯樹脂的矩陣中分散有壓電粒子，在本發(fā)明的第I實施方式中，使用鈣鈦礦結構的結晶構造的強電介質粒子作為該壓電粒子。由此，能夠使壓電體層13的壓電性能提高，能夠提供輸出性能良好的復合壓電元件101。
[0052]此外，在本發(fā)明的第I實施方式中，作為該強電介質粒子，特別優(yōu)選的是使用鈮酸鉀(KNbO3)。該鈮酸鉀使用平均粒子徑為400?500nm、斜方晶一正方晶的轉變溫度為223°C以上且228°C以下、正方晶一立方晶的轉變溫度為420°C以上且430°C以下的粒子。由此，能夠使壓電體層13的壓電性能進一步提高。由此，能夠提供輸出性能更好的復合壓電元件101。
[0053]此外，該壓電體層13由于是這樣的與合成樹脂的復合材，所以具有撓性。特別是，由于非晶性聚酯樹脂或聚氨酯樹脂在常溫下具有適度的柔性，所以即使壓電體層13變形，也能夠抑制在壓電體層13中發(fā)生的裂紋等。進而，非晶性聚酯樹脂及聚氨酯樹脂被普遍廣泛地使用，能夠容易且便宜地獲得，所以能夠優(yōu)選地使用。
[0054]壓電體層13的第I壓電體層(13A、13B)中，壓電粒子(在本發(fā)明的第I實施方式中是鈮酸鉀)的體積百分比濃度調整為50?65ν01%。由此，壓電粒子被充分填充到第I壓電體層(13A、13B)中，能夠得到較高的壓電性能。此外，第I壓電體層13A和第I壓電體層13B將壓電粒子的體積百分比濃度調整為相同。
[0055]另一方面，壓電體層13的第2壓電體層13C將壓電粒子的體積百分比濃度調整得比第I壓電體層(13A、13B)低。具體而言，可以設為0.01?60vol %，優(yōu)選的是設為10?50vol%。另外，在第2壓電體層13C的壓電粒子的體積百分比濃度是50vol%以上的情況下，也將第I壓電體層(13A、13B)的壓電粒子的體積百分比濃度調整為比第2壓電體層13C高的體積百分比濃度。
[0056]由此，該第2壓電體層13C的壓電粒子的體積百分比濃度較低，所以第2壓電體層13C的對于彎曲的彎曲耐受性提高。因此，與由壓電粒子的體積百分比濃度較高的壓電體的單層構成的情況相比，伴隨第2壓電體層13C的對于彎曲的彎曲耐受性的提高，壓電體層13也彎曲耐受性提高。并且，由于為被壓電粒子的體積百分比濃度較高的第I壓電體層13A及第I壓電體層13B夾著的構造，所以使該第I壓電體層(13A、13B)的性能為優(yōu)選，壓電體層13整體的壓電性能不會較大地下降。由此，能夠提供在維持壓電性能的同時、對于彎曲的彎曲耐受性提高的復合壓電元件101。此外，通過夾著壓電粒子的體積百分比濃度較低的層，能夠構成在減少昂貴的壓電粒子的使用量的同時維持壓電性能的壓電體層13。
[0057]此外，在本發(fā)明的第I實施方式中使用的第2壓電體層13C的_40°C環(huán)境下的彈性模量E是1.5GPa以下，優(yōu)選的是0.5GPa以下，并且_40°C環(huán)境下的屈服強度σ是15MPa以上，優(yōu)選的是30MPa以上。這里，在第2壓電體層13C具有某種厚度t的情況下，可以根據彈性模量E和屈服強度σ，通過以下的式(A)計算第2壓電體層13C的最小曲率半徑R。
[0058](A) σ = EXt/(2XR)
[0059]σ:屈服強度，E:彈性模量，t:厚度，R:最小曲率半徑
[0060]例如，在第2壓電體層13C的厚度t是20 μ m的情況下，如果彈性模量E是1.5GPa、屈服強度σ是15MPa,則最小曲率半徑R可以計算為1mm。
[0061]由此，在-40°C環(huán)境下，也能夠將第2壓電體層13C以較小的曲率半徑彎曲。因此，伴隨該第2壓電體層13C的充分的彎曲耐受性，能夠得到壓電體層13的充分的彎曲耐受性。并且，通過在上述基片19和粘合劑中使用樹脂，在-40°C環(huán)境下也能夠得到復合壓電元件101的充分的撓性。另外，作為壓電粒子，優(yōu)選的是使用強電介質的鈮酸鉀(KNbO3)，但可以使用鈮酸鋰(LiNbO3),鈮酸鈉(NaNbO3)、鈦酸鋇(BaT13)、鋅酸鈦酸鉍(Bi (Zn/Ti) O3)、鈷酸鉍(BiCoO3)、鈦酸鋯酸鉛(Pb(Zr/Ti)03)等。
[0062]此外，在本發(fā)明的第I實施方式中，將第I壓電體層13A及第I壓電體層13B的壓電粒子的體積百分比濃度調整為相同。由此，壓電體層13的性能不會被體積百分比濃度較低的第I壓電體層13A或第I壓電體層13B的某個的性能拖累(影響)。由此，能夠確保壓電體層13的充分的壓電性能。此外，在制造壓電體層13時，能夠使用相同的原材料，能夠容易地制造壓電體層13。由此,能夠便宜地制作復合壓電元件101。
[0063]此外，在本發(fā)明的第I實施方式中，如圖3(a)、圖3(b)所示，第2壓電體層13C變得比第I壓電體層(13A、13B)厚。由此，在壓電體層13整體中，相比第I壓電體層(13A、13B)、彎曲耐受性較高的第2壓電體層13C的比例變大，所以壓電體層13整體的彎曲耐受性進一步提聞。由此，能夠提供彎曲耐受:性進一步提聞的復合壓電兀件101。
[0064]壓電體層13的制作首先在溶劑中使用可溶的非晶性聚酯樹脂或聚氨酯樹脂，將該粘合劑樹脂和甘醇丁醚醋酸酯等的溶劑與鈮酸鉀的粒體以希望的配合比混合，用3條輥等的混合機使其均勻地分散，制作電介質膏。此時，以對應于第I壓電體層(13A、13B)的壓電粒子的體積百分比濃度的方式來制作將粘合劑樹脂和鈮酸鉀的粒體以希望的比例配合的第I電介質膏。同樣，以對應于第2壓電體層13C的壓電粒子的體積百分比濃度的方式來制作將粘合劑樹脂和鈮酸鉀的粒體以希望的比例配合的第2電介質膏。
[0065]接著，使用絲網印刷等的方法，以使第I電極層11覆蓋到基片19的單面?zhèn)鹊姆绞酵糠笤摰贗電介質膏，并使其干燥及硬化而制作第I壓電體層13A。該硬化后的第I壓電體層13A的厚度優(yōu)選的是3?10 μ m左右。接著，同樣使用絲網印刷等的方法，以使第I壓電體層13A覆蓋到基片19的單面?zhèn)鹊姆绞酵糠蟮?電介質膏，并使其干燥及硬化而制作第2壓電體層13C。該硬化后的第2壓電體層13C的厚度優(yōu)選的是10?50 μ m左右。
[0066]接著，以使第2壓電體層13C覆蓋到基片19的單面?zhèn)鹊姆绞蕉糠蟮贗電介質膏，并使其干燥及硬化而制作第I壓電體層13B。該硬化后的第I壓電體層13B的厚度與第I壓電體層13A同樣，優(yōu)選的是3?ΙΟμπι左右。另外，在上述電介質膏(第I電介質膏、第2電介質膏)中，也可以適當使用少量的硬化劑，也可以添加消泡劑。此外，也可以進行使鈮酸鉀的粒體的表面擔載硅烷耦聯劑的處理。特別是，通過進行消泡劑的添加或硅烷耦聯劑處理，能夠防止在壓電體層13中發(fā)生氣泡等的缺陷，能夠減少壓電體層13的厚度方向的導通不良。
[0067]最后，對所形成的壓電體層13進行分極處理。圖4是說明分極處理的方法及原理的概念圖，圖4中(a)表示壓電體層13的初始的狀態(tài)，圖4中(b)表示在壓電體層13的厚度方向上施加了電壓的狀態(tài)，圖4中(c)表示分極處理結束的狀態(tài)。另外，在圖中，作為壓電體層13而表示了鈮酸鉀的粒體NB和粘合劑樹脂(聚酯樹脂或聚氨酯樹脂)PP。
[0068]在分極處理中，將形成的壓電體層13加熱到居里點附近的溫度，從圖1及圖3 (a)、圖3(b)所示的端子部171及端子部172，如圖4中(b)所示，對壓電體層13以I?10 (V/μπι)左右施加與壓電體層13的厚度對應的直流電壓。并且，在回到常溫后，使第I電極層11與第2電極層12之間短路，將多余的電容除去而結束。另外，直流電壓的施加優(yōu)選的是4?6(ν/μπι)。這樣，壓電體層13能夠從圖4中(a)所示的初始狀態(tài)向圖4中(c)所示的分極的狀態(tài)簡單地進行處理。
[0069]如以上這樣，第I電極層11、壓電體層13及第2電極層12是在合成樹脂中分散有填充物的結構，所以能夠與基片19的撓性相對應地具有充分的撓性。
[0070]最后，在本發(fā)明的第I實施方式中，為了將復合壓電元件101從外部環(huán)境保護而設有外覆部件15。另外，在第I電極層11及第2電極層12中代替銀的粉體而使用導電性的碳的粉體的情況下，有也可以不設置該外覆部件15的情況。
[0071]此外，在外覆部件15的制作中，使用以含有顏料的絕緣性的聚氨酯樹脂為基礎的絕緣性膏，同樣使用絲網印刷等的方法將該絕緣性膏以覆蓋到第2電極層12整體上的方式而涂敷地層疊，并進行加熱，使其干燥及硬化。該硬化后的外覆部件15的厚度是10?ΙΟΟμπι左右。另外，在聚氨酯樹脂以外，也可以使用丙烯酸樹脂、聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等。如此這樣，形成圖1至圖3(b)所示那樣的復合壓電元件101。由于在該復合壓電元件101的形成中使用簡單而便宜的絲網印刷法，所以能夠將復合壓電元件101容易地制作、并且能夠便宜地制作。
[0072]對于如以上那樣構成的本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的效果，以下參照實際制作的復合壓電元件101的實施例進行說明。
[0073]<實施例>
[0074]首先，對在測量中使用的復合壓電元件101的試樣(樣本)具體地說明。復合壓電元件101的試樣(樣本)使用厚度為75 μ m的聚酰亞胺(PI)膜作為基片19。此外，作為第I電極層11及第2電極層12，使用在260°C下加熱30分鐘使其固化而得到的膜，其膜厚為5 μ m，在酚醛樹脂中的矩陣中含有40 (vol% )的導電性的銀粉。此外，作為外覆部件15，使用在150°C下加熱10分鐘使其固化而得到的膜，其膜厚為10 μ m，以含有顏料的絕緣性的聚氨酯樹脂為基礎。
[0075]此外，作為第I壓電體層13A及第I壓電體層13B，使用在260°C下加熱20分鐘使其固化而得到的膜，其膜厚為5 μ m，在非晶性聚酯樹脂的熱塑性樹脂中的矩陣中含有60(vol%)作為強電介質粒子的鈮酸鉀的粒體。
[0076]圖5是在本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101中使用的壓電粒子的物性的測量結果，是銀酸鉀的差示掃描量熱法(DSC, Differential scanning calorimetry)的曲線圖。橫軸表示溫度，縱軸表示熱流量。如圖5所示，這里使用的鈮酸鉀的粒體的平均粒子徑是400nm，斜方晶一正方晶的轉變溫度是223.6 °C，正方晶一立方晶的轉變溫度是424V (圖5所示的Al(實線))。此外，為了進行比較，使用平均粒子徑為200nm、斜方晶一正方晶的轉變溫度為208.6°C、正方晶一立方晶的轉變溫度為411.9°C的粒子(圖5所示的Cl (虛線))和平均粒子徑為200nm、斜方晶一正方晶的轉變溫度為208.6°C、正方晶一立方晶的轉變溫度為411.9°C的粒子(圖5所示的C2(單點劃線))，也制作出比較試樣。
[0077]此外，作為第2壓電體層13C，使用一些在260°C下加熱20分鐘使其固化而得到的膜，其膜厚為10 μ m，在非晶性聚酯樹脂的熱塑性樹脂中的矩陣中含有20?60Vol%的作為強電介質粒子的鈮酸鉀的粒體。此外，為了進行比較，做成沒有設置第2壓電體層13C的結構，還制作僅一層的壓電體的比較試樣。
[0078]接著，對如上述那樣制作出的復合壓電元件101的試樣(樣本)進行分極處理。分極處理通過加熱到250°C、從圖1及圖3(a)、圖3(b)所示的端子部171及端子部172對壓電體層13施加I小時100V的直流電壓來進行。
[0079]對于如以上那樣制作出的試樣，對其感度進行測量。在該測量中，對形成有壓電體層13的試樣(樣本)以2Hz的頻率施加發(fā)生0.5mm的變位那樣的振蕩，測量此時的輸出電壓。并且，假設該輸出電壓較大者是感度較高的壓電體。
[0080]圖6是有關本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的測量結果，是對壓電粒子的體積百分比濃度變化的壓電元件施加振蕩時的輸出電壓值的曲線圖。橫軸是含有壓電粒子的體積百分比，縱軸是輸出電壓值。圖中的SPl (實線)是改變了第2壓電體層13C中的鈮酸鉀的粒體的含有量的試樣的測量結果，圖中的CSl (虛線)是僅一層的壓電體的比較試樣的測量結果。圖7是有關本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的測量結果，是對鈮酸鉀的平均粒徑變化了的壓電元件施加振蕩時的輸出電壓值的曲線圖。橫軸是鈮酸鉀的平均粒徑，縱軸是輸出電壓值。圖中的SP2是在本實施例中使用的鈮酸鉀的平均粒徑為400nm的測量結果，圖中的CS2及CS3是鈮酸鉀的平均粒徑為200nm及800nm的比較試樣的測量結果。
[0081]本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101如圖6所示，即使第2壓電體層13C中的鈮酸鉀的粒體的含有量下降，也不會如僅由一層的壓電體構成的比較例那樣較大地下降。這是因為，由于做成了用壓電粒子的體積百分比濃度較高的第I壓電體層13A及第I壓電體層13B夾著的構造，所以使該第I壓電體層(13A、13B)的性能為優(yōu)先，壓電體層13整體的壓電性能不會較大地下降。進而，本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101由于配設在兩個第I壓電體層(13A、13B)之間的第2壓電體層13C與第I壓電體層(13A、13B)相比壓電粒子的體積百分比濃度較低，所以第2壓電體層13C的對于彎曲的彎曲耐受性提高。因此，與為了提高壓電體的性能而由提高了壓電粒子的體積百分比濃度的壓電體的單層構成的情況相比，伴隨該第2壓電體層13C的對于彎曲的彎曲耐受性提高，壓電體層13也彎曲耐受性提高。由此，能夠提供在維持壓電性能的同時、對于彎曲的彎曲耐受性提高的復合壓電元件101。
[0082]此外，本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101由于第I壓電體層(13A、13B)的壓電粒子的體積百分比濃度是50?65ν01%，所以壓電粒子被充分填充到第I壓電體層(13AU3B)中。由此，即使使第2壓電體層13C的壓電粒子的體積百分比濃度變低，也能夠得到較高的壓電性能。例如如圖6所示，即使第I壓電體層(13A、13B)的壓電粒子的體積百分比濃度是60vol%、第2壓電體層13C的壓電粒子的體積百分比濃度是40vol%，也能夠得到250mV以上的輸出電壓值，能夠得到較高的感度。
[0083]進而，由于壓電粒子是鈣鈦礦結構的強電介質粒子，所以能夠使壓電體層13的壓電性能提高。由此，能夠提供輸出性能良好的復合壓電元件101。
[0084]此外，由于將第I壓電體層13A及第I壓電體層13B的壓電粒子的體積百分比濃度調整為相同，所以壓電體層13的性能不會被體積百分比濃度較低的第I壓電體層13A或第I壓電體層13B的某個的性能拖累(影響)。由此，能夠確保壓電體層13的充分的壓電性能。此外，在制造壓電體層13時，能夠使用相同的原材料，能夠容易地制造壓電體層13。由此，能夠便宜地制作復合壓電元件101。
[0085]此外，本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101作為是壓電粒子的強電介質粒子而使用鈮酸鉀，但優(yōu)選的是使用平均粒子徑為400?500nm、斜方晶一正方晶的轉變溫度為223°C以上且228°C以下、正方晶一立方晶的轉變溫度為420°C以上且430°C以下的鈮酸鉀。由此，如圖7所示，能夠使壓電體層13的壓電性能進一步提高。由此，能夠提供輸出性能更好的復合壓電元件101。
[0086]此外，除了上述感度特性的測量用試樣以外，還為了彎曲特性的測量用而制作一些含有20?60Vol%鈮酸鉀的粒體的皮膜試樣，使用拉伸試驗機(島津制作所(株)制，型號:才一卜7 97 AGS— J500N)，測量一些皮膜試樣的彈性模量及屈服強度。作為測量時的條件，在_40°C的環(huán)境下進行測量。另外，使用的皮膜試樣為了由拉伸試驗機測量的方便，使用比作為實際優(yōu)選地使用的第2壓電體層13C的厚度10?50 μ m厚的100 μ m厚度的試樣。
[0087]結果，皮膜試樣TPl (含有鈮酸鉀20vol % )的彈性模量是0.35Gpa，屈服強度是35Mpa ;皮膜試樣TP2 (含有鈮酸鉀35vol % )的彈性模量是0.98Gpa，屈服強度是25Mpa ;皮膜試樣TP3(含有鈮酸鉀50VOl% )的彈性模量是1.4Gpa，屈服強度是15.8Mpa ;皮膜試樣TP4 (含有鈮酸鉀60vol % )的彈性模量是1.9Gpa，屈服強度是5.4Mpa。使用該彈性模量和屈服強度，計算皮膜試樣(TP1、TP2、TP3、TP4)的最小曲率半徑。圖8是有關本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的測量結果，是表示與壓電粒子的含有量對應的壓電體皮膜的計算出的最小曲率半徑的曲線圖。
[0088]如圖8所示，在鈮酸鉀的粒體的含有量為50VOl%以下的情況下，最小曲率半徑大幅地變小。由于該鈮酸鉀的粒體的含有量為50vol %的皮膜試樣TP3的彈性模量是1.4Gpa、屈服強度是15.8Mpa，所以可以認為由該附近的彈性模量及屈服強度作為第2壓電體層13C的皮膜特性。此外，更優(yōu)選的是，由該鈮酸鉀的粒體的含有量為20Vol%的皮膜試樣TPl (彈性模量是0.35Gpa，屈服強度是35Mpa)與鈮酸鉀的粒體的含有量為35V01%的皮膜試樣TP2 (彈性模量是0.98Gpa，屈服強度是25Mpa)之間的彈性模量及屈服強度作為第2壓電體層13C的皮膜特性。
[0089]根據上述結果，第2壓電體層13C在_40°C環(huán)境下的彈性模量是1.5GPa以下，優(yōu)選的是0.5GPa以下，并且在-40°c環(huán)境下的屈服強度是15MPa以上，優(yōu)選的是30MPa以上。由此，本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101在_40°C環(huán)境下也能夠將第2壓電體層13C以較小的曲率半徑彎曲，所以伴隨該第2壓電體層13C的充分的彎曲耐受性，能夠得到壓電體層13的充分的彎曲耐受性。并且，通過在上述基片和粘合劑中使用樹脂，在_40°C環(huán)境下也能夠得到復合壓電元件101的充分的撓性。
[0090]此外，由于第2壓電體層13C比第I壓電體層(13A、13B)厚，所以在壓電體層13整體中，相比第I壓電體層(13A、13B)，彎曲耐受性較高的第2壓電體層13C的比例變大。因此，壓電體層13整體的彎曲耐受性進一步提高。由此，能夠提供彎曲耐受性進一步提高的復合壓電元件101。
[0091]另外，本發(fā)明并不限定于上述實施方式，例如可以如以下這樣變形而實施，這些實施方式也屬于本發(fā)明的技術范圍。
[0092]圖9是說明有關本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的變形例I的圖，是與圖2比較的復合壓電元件ClOl的側視圖。圖10是說明有關本發(fā)明的第I實施方式的復合壓電元件101的變形例2的圖，是與圖3(a)比較的復合壓電元件C102剖視圖。
[0093]<變形例1>
[0094]在上述第I實施方式中，做成了在基片19的單面?zhèn)葘盈B包括壓電體層13的元件的結構，但如圖9所示，也可以做成在基片19的相反面?zhèn)纫矊盈B包括壓電體層C13的元件的結構。
[0095]<變形例2>
[0096]在上述第2實施方式中，將壓電體層13的第2壓電體層13C用I層構成，但并不限定于此，例如如圖10所示，也可以是由2層的第2壓電體層(23C、33C)構成的壓電體層C23，也可以是2層以上。
[0097]本發(fā)明并不限定于上述實施方式，在不脫離本發(fā)明的目的的范圍內能夠適當地變更。
[0098]標號說明
[0099]11第I電極層
[0100]12第2電極層
[0101]13、C13、C23 壓電體層
[0102]13AU3B第I壓電體層
[0103]13C、23C、33C 第 2 壓電體層
[0104]19 基片
[0105]101、C101、C102 復合壓電元件
【權利要求】
1.一種復合壓電元件，具備: 撓性的基片； 第I電極層，配設在該基片上； 壓電體層，配設在該第I電極層上，具有樹脂和壓電粒子；以及 第2電極層，配設在該壓電體層上； 該復合壓電元件的特征在于， 上述壓電體層具有兩個第I壓電體層、和配設在上述兩個第I壓電體層之間的第2壓電體層； 該第2壓電體層與上述第I壓電體層相比，上述壓電粒子的體積百分比濃度低。
2.如權利要求1所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述第I壓電體層的上述壓電粒子的上述體積百分比濃度是50?65Vol%。
3.如權利要求1或2所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述壓電粒子是結晶構造為鈣鈦礦結構的強電介質粒子。
4.如權利要求3所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述強電介質粒子是鈮酸鉀； 上述鈮酸鉀的平均粒子徑是400nm?500nm，斜方晶一正方晶的轉變溫度是223 °C以上且228°C以下，正方晶一立方晶的轉變溫度是420°C以上且430°C以下。
5.如權利要求1?4中任一項所述的復合壓電兀件,其特征在于， 上述基片是使用聚對苯二甲酸乙二醇酯即PET、聚萘二甲酸乙二醇酯即PEN、聚酰亞胺即P1、聚乙烯即PE、聚苯硫醚即PPS、芳族聚酰胺樹脂的某種材質的絕緣性膜、或在上述材質中填充了無機填料的加有填料的膜中的某種； 上述樹脂是非晶性聚酯或聚氨酯； 上述第2壓電體層在_40°C環(huán)境下的彈性模量是1.5GPa以下，優(yōu)選的是0.5GPa以下，并且在_40°C環(huán)境下的屈服強度是15MPa以上，優(yōu)選的是30MPa以上。
6.如權利要求1?4中任一項所述的復合壓電兀件,其特征在于， 上述兩個第I壓電體層的上述壓電粒子的上述體積百分比濃度相同。
7.如權利要求1?4中任一項所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述第2壓電體層比上述第I壓電體層厚。
8.如權利要求5所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述兩個第I壓電體層的上述壓電粒子的上述體積百分比濃度相同。
9.如權利要求5所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述第2壓電體層比上述第I壓電體層厚。
10.如權利要求6所述的復合壓電元件，其特征在于， 上述第2壓電體層比上述第I壓電體層厚。
【文檔編號】H01L41/18GK104425702SQ201410391861
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月11日 優(yōu)先權日:2013年9月4日
【發(fā)明者】不藤平四郎, 后藤厚志 申請人:阿爾卑斯電氣株式會社
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