特許 7589570 圧電素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-18

(45)【発行日】2024-11-26

(54)【発明の名称】圧電素子

(51)【国際特許分類】

   H10N 30/87 20230101AFI20241119BHJP

   H10N 30/857 20230101ALI20241119BHJP

   H10N 30/20 20230101ALI20241119BHJP

   H10N 30/30 20230101ALI20241119BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20241119BHJP

【ＦＩ】

H10N30/87

H10N30/857

H10N30/20

H10N30/30

H02N11/00 Z

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021013649

(22)【出願日】2021-01-29

(65)【公開番号】P2022117124

(43)【公開日】2022-08-10

【審査請求日】2023-09-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091292

【弁理士】

【氏名又は名称】増田 達哉

(74)【代理人】

【識別番号】100091627

【弁理士】

【氏名又は名称】朝比 一夫

(72)【発明者】

【氏名】米村 貴幸

(72)【発明者】

【氏名】加藤 治郎

【審査官】田邊 顕人

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／０７８１４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１６／０２７８１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０００－３１５８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０８４１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０７６４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／１４７０７４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ３０／８７

Ｈ１０Ｎ ３０／８５７

Ｈ１０Ｎ ３０／２０

Ｈ１０Ｎ ３０／３０

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに表裏の関係を持つ第１面および第２面を有し、圧電性を示すヘリカルキラル高分子結晶を含む圧電体層と、
前記圧電体層の前記第１面に設けられている第１電極層と、
前記圧電体層の前記第２面に設けられている第２電極層と、
前記第１電極層の前記圧電体層とは反対側に設けられている第１接続部と、
前記第２電極層の前記圧電体層とは反対側に設けられている第２接続部と、
を備え、
前記圧電体層の厚さ方向に沿って見たとき、前記圧電体層、前記第１電極層および前記第２電極層が互いに重なっている重複部分は、円形をなしており、
前記圧電体層の厚さ方向に沿って見たとき、前記第１接続部および前記第２接続部は、前記重複部分の中心と重なっており、
前記ヘリカルキラル高分子結晶は、分子構造が螺旋構造を有する結晶であり、
前記螺旋構造の進行軸をｃ軸としたとき、前記ｃ軸は、前記圧電体層の面内で一軸配向していることを特徴とする圧電素子。

【請求項2】

前記第１接続部は、前記第１電極層より剛性が高く、
前記第２接続部は、前記第２電極層より剛性が高い請求項１に記載の圧電素子。

【請求項3】

前記第１接続部は、前記圧電体層の厚さ方向に沿って見たとき、前記第１電極層より小さく、
前記第２接続部は、前記圧電体層の厚さ方向に沿って見たとき、前記第２電極層より小さい請求項１または２に記載の圧電素子。

【請求項4】

前記第１接続部は、前記重複部分の２０％の半径を持つ円の内側に配置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電素子。

【請求項5】

前記ヘリカルキラル高分子結晶は、ポリ乳酸結晶である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電素子。

【請求項6】

前記第１電極層および前記第２電極層は、円形をなしている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電素子。

【請求項7】

前記圧電体層は、円形をなしている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧電素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電素子に関するものである。

【背景技術】

【0002】

圧電性高分子は、高分子材料に特有な加工性を有しているため、様々な形態で用いられる。例えば、特許文献１には、導電性材料から形成された導電性繊維の表面に、圧電性高分子から形成した圧電性繊維を巻き付け、被覆した組紐状圧電素子が開示されている。このような組紐状圧電素子では、繊維軸方向に一軸配向した圧電性高分子を含む圧電性繊維が用いられている。また、特許文献１には、導電性繊維に対する圧電性繊維の巻き付け角度を１５°以上７５°以下の斜め方向にすることが開示されている。巻き付け角度をこのような範囲に設定することで、圧電性繊維にせん断応力が生じ、圧電効果によって導電性繊維を介して大きな電気信号を取り出すことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１６／１７５３２１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、組紐状圧電素子は、構造が複雑であり、製造難易度が高い。また、組紐状圧電素子は、形状が特殊であるため、圧電素子として取り扱いにくいという課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の適用例に係る圧電素子は、
互いに表裏の関係を持つ第１面および第２面を有し、圧電性を示すヘリカルキラル高分子結晶を含む圧電体層と、
前記圧電体層の前記第１面に設けられている第１電極層と、
前記圧電体層の前記第２面に設けられている第２電極層と、
前記第１電極層の前記圧電体層とは反対側に設けられている第１接続部と、
前記第２電極層の前記圧電体層とは反対側に設けられている第２接続部と、
を備え、
前記圧電体層の厚さ方向に沿って見たとき、前記圧電体層、前記第１電極層および前記第２電極層が互いに重なっている重複部分は、円形をなしており、
前記圧電体層の厚さ方向に沿って見たとき、前記第１接続部および前記第２接続部は、前記重複部分の中心と重なっており、
前記ヘリカルキラル高分子結晶は、分子構造が螺旋構造を有する結晶であり、
前記螺旋構造の進行軸をｃ軸としたとき、前記ｃ軸は、前記圧電体層の面内で一軸配向していることを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。

【図2】図１に示す圧電素子の断面図である。

【図3】図１に示す圧電素子の平面図である。

【図4A】ポリ乳酸結晶の分子構造を示す模式図である。

【図4B】ポリ乳酸結晶の分子構造を示す模式図である。

【図5】図１の積層体のみを示す平面図である。

【図6】比較例としての圧電素子が含む積層体の例であって、図５の積層体の形状を正方形に変更してなる積層体を示す平面図である。

【図7】図１に示す圧電素子の第１電極層と第２電極層との間に電圧を印加したとき、積層体の変位量の分布をシミュレーションした結果を示す図である。

【図8】ｃ軸が一軸配向しているポリ乳酸を含む圧電体層について、Ｘ線回折装置におけるθ－２θ測定により得られたθ－２θプロファイルの一例である。

【図9】図８に示すθ－２θプロファイルを取得した圧電体層について、２θ位置を１６．７°に固定して取得した極点図の一例である。

【図10】実施形態に係る圧電素子の変形例を示す平面図である。

【図11】実施形態に係る圧電素子の変形例を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、本発明の圧電素子を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、実施形態に係る圧電素子を示す斜視図である。図２は、図１に示す圧電素子の断面図である。図３は、図１に示す圧電素子の平面図である。

【0008】

１．圧電素子
図１および図２に示す圧電素子１００は、圧電体層２００と、第１電極層３００と、第２電極層４００と、を有する積層体５００を備える。圧電体層２００は、互いに表裏の関係を持つ第１面２０１および第２面２０２を有する。第１電極層３００は、圧電体層２００の第１面２０１に設けられている。第２電極層４００は、圧電体層２００の第２面２０２に設けられている。

【0009】

なお、圧電素子１００は、これらの部材以外の部材を備えていてもよい。例えば、圧電体層２００と第１電極層３００および第２電極層４００との間には、接着層等が介在していてもよい。また、積層体５００を覆う保護膜等が設けられていてもよい。

【0010】

図１および図２に示す積層体５００の平面視形状は、図３に示すように円形である。具体的には、圧電体層２００、第１電極層３００および第２電極層４００は、それぞれ平面視形状が円形であり、かつ、互いに同じ大きさである。

【0011】

円形には、例えば、真円、楕円、長円等が含まれるが、好ましくは真円とされる。真円とは、円形であって、かつ、長軸の長さと短軸の長さとの差が長軸の長さの１０％以下である形状をいう。長軸とは、平面視でとり得る最も長い軸であり、短軸とは、平面視で長軸の中点を通過し、長軸と直交する軸である。

【0012】

圧電素子１００には、第１配線８００および第２配線９００が接続されている。第１配線８００の一端は、円形をなす第１電極層３００の中心部に第１接続部６００を介して接続されている。第２配線９００の一端は、円形をなす第２電極層４００の中心部に第２接続部７００を介して接続されている。

【0013】

第１配線８００の他端および第２配線９００の他端は、それぞれ、例えば図示しない電源装置に接続される。これにより、第１電極層３００と第２電極層４００との間に電圧を印加し、圧電体層２００に逆圧電効果を発現させることができる。この場合、圧電素子１００は、例えばアクチュエーター、振動発生素子、超音波モーター等のデバイスに組み込まれて用いられる。

【0014】

また、第１配線８００の他端および第２配線９００の他端は、それぞれ、例えば図示しない電荷検出装置に接続されてもよい。これにより、圧電体層２００において圧電効果により発生した電荷を第１電極層３００および第２電極層４００から取り出して、電荷検出装置に電荷量を検出させることができる。検出した電荷量に基づき、圧電体層２００に印加された力を求めたり、スイッチ動作または発電に必要な電力を発生させたりすることができる。この場合、圧電素子１００は、例えば触覚センサー、力覚センサーのような各種力センサー、各種スイッチ、発電素子等のデバイスに組み込まれて用いられる。また、圧電素子１００は、電圧検出装置に接続されてもよい。これにより、圧電効果で生じる電圧を電圧検出装置により検出することができる。

【0015】

第１電極層３００および第２電極層４００の構成材料としては、例えば、金、銀、白金、銅、ニッケル、アルミニウム、インジウム、スズ、亜鉛、パラジウム等の金属元素の単体またはこれらの金属元素を含む合金や金属間化合物といった金属材料の他、導電性高分子等の樹脂材料等が挙げられる。

【0016】

図２に示す第１電極層３００の平均厚さｔ３および第２電極層４００の平均厚さｔ４は、特に限定されないが、それぞれ０．０５μｍ以上５００μｍ以下であるのが好ましく、０．５０μｍ以上３００μｍ以下であるのがより好ましい。

【0017】

第１接続部６００および第２接続部７００としては、例えば、はんだ、ろう材のような接合用金属材料、導電性ペースト、導電性接着剤等が用いられる。図２に示す第１接続部６００は、一例として、第１電極層３００と第１配線８００の双方に接着または接合され、第１配線８００を拡径させたような形状をなしている。同様に、図２に示す第２接続部７００は、一例として、第２電極層４００と第２配線９００の双方に接着または接合され、第２配線９００を拡径させたような形状をなしている。

【0018】

第１接続部６００および第２接続部７００の構成材料としては、例えば、金、銀、白金、銅、ニッケル、アルミニウム、インジウム、スズ、亜鉛、パラジウム等の金属元素の単体またはこれらの金属元素を含む合金や金属間化合物といった金属材料等の他、導電性高分子等の樹脂材料等が挙げられる。

【0019】

なお、第１接続部６００および第２接続部７００の構成材料は、第１電極層３００および第２電極層４００の構成材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

【0020】

圧電体層２００の平均厚さｔ２は、特に限定されないが、１０μｍ以上５０００μｍ以下であるのが好ましく、３０μｍ以上１０００μｍ以下であるのがより好ましく、５０μｍ以上５００μｍ以下であるのがさらに好ましい。これにより、圧電体層２００は十分な圧電性能を有するものとなる。

【0021】

圧電体層２００は、圧電性を示すヘリカルキラル高分子結晶を含む。ヘリカルキラル高分子とは、分子構造が螺旋構造を有し、かつ、分子光学活性を有する高分子のことをいう。そして、ヘリカルキラル高分子結晶とは、そのようなヘリカルキラル高分子の結晶のことを指す。

【0022】

ヘリカルキラル高分子としては、例えば、ポリペプチド、セルロース誘導体、ポリ乳酸、ポリプロピレンオキシド、ポリ－β－ヒドロキシ酪酸等が挙げられる。

【0023】

本実施形態に用いられるヘリカルキラル高分子結晶は、前述したように、分子構造が螺旋構造を有している結晶であるが、特に螺旋構造の進行軸をｃ軸としたとき、ｃ軸が圧電体層２００の面内で一軸配向している結晶であるのが好ましい。

【0024】

このような圧電体層２００では、ヘリカルキラル高分子のｃ軸が面内で一軸配向しているため、圧電体層２００の厚さ方向に大きな分極を発現させることができる。このため、第１電極層３００および第２電極層４００を用いた電場の印加や電荷の取り出しを、より効率よく行い得る圧電体層２００が得られる。

【0025】

ｃ軸が面内で一軸配向したヘリカルキラル高分子を含む圧電体層２００は、例えば一軸延伸法のような既存のフィルム製造方法により製造可能である。具体的には、原材料を溶融混練した後、押出成形法によりシート化する工程と、得られたシートを一軸延伸し、延伸後フィルムを得る工程と、を有する方法により圧電体層２００を製造することができる。このような方法によれば、ヘリカルキラル高分子のｃ軸を面内で一軸配向させた延伸後フィルムが得られる。この方法は、量産性に優れるため、圧電体層２００の低コスト化を容易に図ることができる。

【0026】

このうち、ヘリカルキラル高分子結晶は、ポリ乳酸結晶であるのが好ましい。ポリ乳酸結晶は、比較的高い機械的強度と、優れた成形性と、を有するため、圧電体層２００に含まれるヘリカルキラル高分子結晶として特に有用である。つまり、ポリ乳酸結晶を含むことにより、圧電体層２００の機械的強度および成形性を高めやすい。

【0027】

以下、ヘリカルキラル高分子としてポリ乳酸を例に説明する。光学活性を有するポリ乳酸としては、Ｌ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）およびＤ型ポリ乳酸（ＰＤＬＡ）が知られている。ここでは、Ｌ型ポリ乳酸、特にＬ型ポリ乳酸の結晶相の中でも安定なα相のＬ型ポリ乳酸を例に説明する。なお、以下の説明では、α相のＬ型ポリ乳酸を単に「ポリ乳酸」という。

【0028】

図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれポリ乳酸結晶の分子構造を示す模式図である。
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、ポリ乳酸結晶の分子構造は、螺旋構造を有している。ポリ乳酸結晶の結晶系は、直方晶（斜方晶）であり、単位格子のａ軸の長さは約１．０６ｎｍ、ｂ軸の長さは約０．６１ｎｍ、ｃ軸の長さは約２．８８ｎｍである。なお、図４Ａには、ポリ乳酸結晶のうち、ａ軸およびｃ軸を含む面について図示しており、図４Ｂには、ポリ乳酸結晶のうち、ａ軸およびｂ軸を含む面について図示している。

【0029】

圧電体層２００は、ポリ乳酸結晶を含んでいればよいが、好ましくはポリ乳酸結晶を主材料としている。圧電体層２００におけるポリ乳酸結晶の含有率は、３０質量％以上であるのが好ましく、５０質量％以上であるのがより好ましく、７０質量％以上であるのがさらに好ましい。なお、圧電体層２００には、ポリ乳酸結晶以外に、例えばポリ乳酸非晶質が含まれていてもよい。また、圧電体層２００には、前述したα相のＬ型ポリ乳酸以外に、準安定相であるα’相、β相等のＬ型ポリ乳酸が含まれていてもよいし、Ｄ型ポリ乳酸が含まれていてもよい。

【0030】

図５は、図１の積層体５００のみを示す平面図である。図６は、比較例としての圧電素子が含む積層体の例であって、図５の積層体５００の形状を正方形に変更してなる積層体５００’を示す平面図である。

【0031】

図６に示す積層体５００’では、配向方向Ｄｃに沿ってヘリカルキラル高分子のｃ軸、例えばポリ乳酸のｃ軸が配向している。このような積層体５００’では、図６に２本の矢印で示すように、ｃ軸に平行なずり応力が印加されたとき、螺旋構造内でＣ＝Ｏの電気双極子の回転運動が誘起され、印加された２本のずり応力ベクトルＳ１を含むずり平面に対して交差する方向に分極が現れる。つまり、積層体５００’が広がる面と交差する方向に分極が現れる。

【0032】

このような圧電性を示す積層体５００’に対して、ずり平面に交差する方向に電場を印加すると、逆圧電効果により、積層体５００’にずり変形が生じる。変形前の積層体５００’が図６に破線で示す正方形をなしていた場合、変形後の積層体５００’は、実線で示すように平行四辺形になる。このずり変形は、２本のずり応力ベクトルＳ１で表される応力に基づく変形であるが、２本のずり応力ベクトルＳ１の作用線は互いに異なっているため、積層体５００’を備える圧電素子においてこの変形を利用することは容易ではない。具体的には、積層体５００’の頂点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、図６に変位ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４で示すように、ずり応力ベクトルＳ１と平行に変位する。従来は、組紐状圧電素子のような特殊な形状に加工することで、ずり変形を利用した圧電素子を実現していたが、構造の複雑さ、製造難易度の観点で課題を抱えていた。

【0033】

そこで、本実施形態に係る圧電素子１００では、図５に示すように、圧電体層２００、第１電極層３００および第２電極層４００が互いに重なっている重複部分１０、すなわち積層体５００を、円形にしている。図５では、特に積層体５００を真円としている。このような積層体５００に対して、ずり平面に交差する方向に電場を印加すると、逆圧電効果により、図６に示す積層体５００’と同様のずり応力ベクトルＳ１に基づいてずり変形が生じる。このとき、積層体５００が円形をなしているため、ずり変形は伸縮変形に変換される。

【0034】

具体的には、図６の積層体５００’では、互いに対向する２つの頂点Ｐ１、Ｐ４に生じる変位ｄ１、ｄ４の作用線が互いに異なっている。具体的には、変位ｄ１の方向と変位ｄ４の方向とが、互いに異なる直線上にある。より具体的には、頂点Ｐ１と頂点Ｐ４とを結ぶ図示しない基準線を引いたとき、変位ｄ１の方向と基準線とのなす角度、および、変位ｄ４の方向と基準線とのなす角度が、それぞれ２０°超である。また、互いに対向する別の２つの頂点Ｐ２、Ｐ３に生じる変位ｄ２、ｄ３の作用線も互いに異なっている。具体的には、変位ｄ２の方向と変位ｄ３の方向とが、互いに異なる直線上にある。より具体的には、頂点Ｐ２と頂点Ｐ３とを結ぶ図示しない基準線を引いたとき、変位ｄ２の方向と基準線とのなす角度、および、変位ｄ３の方向と基準線とのなす角度が、それぞれ２０°超である。

【0035】

これに対し、図５の積層体５００では、外縁Ｅに生じる変位ｄ５、ｄ８の作用線が互いにほぼ重なっている。変位ｄ５は、基準線Ｌ１と変形前の積層体５００の外縁Ｅとの交点Ｐ５における変位である。変位ｄ８は、基準線Ｌ１と変形前の積層体５００の外縁Ｅとの交点Ｐ８における変位である。変位ｄ５、ｄ８の作用線がほぼ重なっているとは、変位ｄ５の方向と基準線Ｌ１とのなす角度、および、変位ｄ８の方向と基準線Ｌ１とのなす角度が、それぞれ２０°以下である状態をいう。基準線Ｌ１は、配向方向Ｄｃに対して４５°の角度をなし、変形前の積層体５００の中心Ｏを通過する直線である。

【0036】

また、図５の積層体５００では、外縁Ｅに生じる変位ｄ６、ｄ７の作用線が互いにほぼ重なっている。変位ｄ６は、基準線Ｌ２と変形前の積層体５００の外縁Ｅとの交点Ｐ６における変位である。変位ｄ７は、基準線Ｌ２と変形前の積層体５００の外縁Ｅとの交点Ｐ７における変位である。変位ｄ６、ｄ７の作用線がほぼ重なっているとは、変位ｄ６の方向と基準線Ｌ２とのなす角度、および、変位ｄ７の方向と基準線Ｌ２とのなす角度が、それぞれ２０°以下である状態をいう。基準線Ｌ２は、基準線Ｌ１と直交し、変形前の積層体５００の中心Ｏを通過する直線である。

【0037】

さらに、変位ｄ５、ｄ８は、向きが互いにほぼ反対であり、変位ｄ６、ｄ７も、向きが互いにほぼ反対である。このようなメカニズムにより、積層体５００では、ずり変形が伸縮変形に変換されている。

【0038】

また、図５の積層体５００では、平面視形状が円形であるため、変位ｄ５、ｄ６、ｄ７、ｄ８の向きは、それぞれ外縁Ｅと大きな角度で交差している、具体的には、図５に矢印で示す変位ｄ５、ｄ６、ｄ７、ｄ８の向きと、外縁Ｅと、のなす角度が、好ましくは７０°以上９０°以下になっている。これにより、積層体５００の変位をデバイス等で利用するとき、積層体５００の外縁Ｅが他の部材等に干渉しにくくなり、利用しやすさが向上する。

【0039】

図５に示す伸縮変形では、図５に示すように交点Ｐ５、Ｐ８が中心Ｏに近づく変位ｄ５、ｄ８が生じるように、圧電体層２００に電場が印加されたとき、交点Ｐ６、Ｐ７には中心Ｏから遠ざかる変位ｄ６、ｄ７が生じる。反対に、図示しないが、交点Ｐ５、Ｐ８が中心Ｏから遠ざかる変位が生じるように、圧電体層２００に電場が印加されたときには、交点Ｐ６、Ｐ７には中心Ｏに近づく変位が生じる。

【0040】

一方、積層体５００の中心Ｏは、ほとんど変位しない。このため、中心Ｏを固定しても、積層体５００の伸縮変形にはほとんど影響が及ばない。よって、本実施形態に係る圧電素子１００では、積層体５００を固定するため、平面視で中心Ｏに重なる位置に第１接続部６００および第２接続部７００が設けられている。

【0041】

第１接続部６００は、第１電極層３００の圧電体層２００とは反対側に設けられ、好ましくは第１電極層３００よりも剛性が高い部材である。第２接続部７００も、第２電極層４００の圧電体層２００とは反対側に設けられ、好ましくは第２電極層４００よりも剛性が高い部材である。このような剛性の高い部材で積層体５００を挟むことにより、簡単な構造で、かつ、伸縮変形に影響を及ぼすことなく、積層体５００を固定することができる。

【0042】

また、第１接続部６００は、第１配線８００と第１電極層３００とを電気的に接続している。第２接続部７００は、第２配線９００と第２電極層４００とを電気的に接続している。したがって、第１電極層３００および第２電極層４００には、第１配線８００および第２配線９００により電圧を印加することができ、また、第１電極層３００および第２電極層４００が取り出した電荷を、第１配線８００および第２配線９００に送り出すことができる。加えて、第１接続部６００および第２接続部７００は、上述の通りほとんど変位しない。このため、上記構造では、振動による第１配線８００や第２配線９００の破断や脱離を軽減することができる。

【0043】

また、圧電体層２００を厚さ方向に沿って見たとき、第１接続部６００は、積層体５００の中心Ｏと重なっていて、かつ、第１電極層３００より小さく構成されている。第１接続部６００が中心Ｏと重なっているとは、第１接続部６００の範囲の内側に中心Ｏが位置していることをいう。また、第１接続部６００が第１電極層３００より小さいとは、第１電極層３００の範囲の内側に第１接続部６００が収まっていることをいう。

【0044】

さらに、圧電体層２００を厚さ方向に沿って見たとき、第２接続部７００は、積層体５００の中心Ｏと重なっていて、かつ、第２電極層４００より小さく構成されている。第２接続部７００が中心Ｏと重なっているとは、第２接続部７００の範囲の内側に中心Ｏが位置していることをいう。また、第２接続部７００が第２電極層４００より小さいとは、第２電極層４００の範囲の内側に第２接続部７００が収まっていることをいう。

【0045】

以上の構成により、積層体５００は、第１接続部６００および第２接続部７００を介し、第１配線８００および第２配線９００によって空間の任意の位置に固定可能とされ、かつ、第１配線８００および第２配線９００と電気的に接続される。これにより、圧電素子１００は、伸縮変形を伴う圧電性を利用して、様々なデバイスに好適に用いられる素子となる。

【0046】

ここで、図７は、図１に示す圧電素子１００の第１電極層３００と第２電極層４００との間に電圧を印加したとき、積層体５００の変位量の分布をシミュレーションした結果を示す図である。シミュレーションには、ムラタソフトウェア株式会社製の解析シミュレーションソフトウェアＦｅｍｔｅｔを使用した。このシミュレーションでは、真円をなす積層体５００を第１接続部６００および図示しない第２接続部７００で固定し、その状態でポリ乳酸結晶を含む圧電体層２００に電場を印加したとき、積層体５００の各点の変位量を計算している。なお、図７では、圧電体層２００の配向方向Ｄｃを矢印で示している。また、図７では、変形前の積層体５００の外縁を実線で示し、変形後の積層体５００における各点の変位量を濃淡のパターンで示している。

【0047】

図７に示すように、ポリ乳酸のｃ軸が面内で配向方向Ｄｃに一軸配向しているとき、圧電素子１００は、配向方向Ｄｃに対して斜めに交差する方向、すなわち図７に一点鎖線で示す方向に伸びるととともに、その方向と交差する方向に縮むように変形する。また、図７における濃淡は、配向方向Ｄｃに対して斜めに交差する方向に沿って変化していることから、図７に示す各点の変位量は、配向方向Ｄｃに対して斜めに交差する方向に沿って傾斜するように分布している。

【0048】

以上のシミュレーション結果から、圧電素子１００においては、ずり変形を伸縮変形に変換可能であることがわかる。

【0049】

また、圧電体層２００においてヘリカルキラル高分子のｃ軸が面内で一軸配向していることは、圧電体層２００のＸ線回折プロファイルを取得し、解析することによって特定することができる。具体的には、まず、圧電体層２００についてＸ線回折装置を用いたθ－２θ測定を行い、θ－２θプロファイルを取得する。

【0050】

図８は、ｃ軸が一軸配向しているポリ乳酸を含む圧電体層について、Ｘ線回折装置におけるθ－２θ測定により得られたθ－２θプロファイルの一例である。ポリ乳酸のｃ軸が一軸配向している場合、θ－２θプロファイルにおいて、図８に示すように、ポリ乳酸の（２００）面および（１１０）面に対応するピークが観測される。このピークは、２θ＝１６．７°±１．０°に観測される。なお、このピーク位置は、波長１．５４０４ÅのＣｕＫα１の特性Ｘ線を用いたθ－２θ測定によるピーク位置である。

【0051】

次に、このピークについて極点図を取得する。図９は、図８に示すθ－２θプロファイルを取得した圧電体層について、２θ位置を１６．７°に固定して取得した極点図の一例である。この極点図では、図９に破線の矢印で示すように、ψ＝０°である中心を通過するように、回折強度を示す等高線がライン状に延びている。図９に示す極点図において、このような等高線の特徴を認めることができれば、ポリ乳酸のｃ軸が圧電体層の面内で一軸配向していることを特定することができる。

【0052】

以上のように、本実施形態に係る圧電素子１００は、圧電体層２００と、第１電極層３００と、第２電極層４００と、第１接続部６００と、第２接続部７００と、を備える。圧電体層２００は、互いに表裏の関係を持つ第１面２０１および第２面２０２を有し、圧電性を示すヘリカルキラル高分子結晶を含む。第１電極層３００は、圧電体層２００の第１面２０１に設けられている。第２電極層４００は、圧電体層２００の第２面２０２に設けられている。第１接続部６００は、第１電極層３００の圧電体層２００とは反対側に設けられている。第２接続部７００は、第２電極層４００の圧電体層２００とは反対側に設けられている。

【0053】

そして、圧電体層２００の厚さ方向に沿って見たとき、圧電体層２００、第１電極層３００および第２電極層４００が互いに重なっている重複部分１０、つまり積層体５００は、円形をなしている。また、圧電体層２００の厚さ方向に沿って見たとき、第１接続部６００および第２接続部７００は、積層体５００の中心Ｏ（重複部分１０の中心）と重なっている。

【0054】

このような構成によれば、重複部分１０の形状を円形にしたため、ヘリカルキラル高分子結晶の圧電性に伴って生じるずり変形を伸縮変形に変換することができる。このため、ヘリカルキラル高分子結晶の圧電性を利用しやすくした圧電素子１００を実現することができる。

【0055】

また、第１接続部６００は、圧電体層２００の厚さ方向に沿って見たとき、第１電極層３００より小さく、第２接続部７００は、圧電体層２００の厚さ方向に沿って見たとき、第２電極層４００より小さいことが好ましい。

【0056】

第１接続部６００および第２接続部７００が上記のような特徴を有することにより、第１接続部６００および第２接続部７００は、圧電体層２００に生じる伸縮変形を阻害することなく積層体５００を固定することができる。

【0057】

このような圧電素子１００は、伸縮変形を利用した様々なデバイスに用いられる。かかるデバイスとしては、例えば、アクチュエーター、振動発生素子、超音波モーター、触覚センサー、力覚センサー、発電素子、各種スイッチ等が挙げられる。

【0058】

また、圧電素子１００では、第１接続部６００および第２接続部７００によって積層体５００に対する電気的接続と機械的接続とを図ることができる。このため、圧電素子１００を各種デバイスに組み込む場合、圧電素子１００の固定構造を簡素化することができる。その結果、圧電素子１００を用いることにより、デバイスの設計自由度を容易に高めることができる。

【0059】

また、第１接続部６００は、第１電極層３００より剛性が高く、第２接続部７００は、第２電極層４００より剛性が高いことが好ましい。これにより、第１接続部６００および第２接続部７００は、特に変形しにくくなるため、積層体５００をより安定して固定することができる。

【0060】

第１接続部６００の剛性が第１電極層３００より高いとは、第１接続部６００の曲げ剛性が、第１電極層３００の曲げ剛性より大きいことをいう。同様に、第２接続部７００の剛性が第２電極層４００より高いとは、第２接続部７００の曲げ剛性が、第２電極層４００の曲げ剛性より大きいことをいう。曲げ剛性は、ヤング率と断面２次モーメントの積で表され、このうち、断面２次モーメントは、曲げる方向に対して薄ければ小さくなる。そこで、本実施形態では、積層体５００の厚さ方向において、第１接続部６００および第２接続部７００の厚さを、第１電極層３００および第２電極層４００に比べて十分に厚くしている。

【0061】

具体的には、図２に示すように、第１接続部６００の厚さをｔ６としたとき、厚さｔ６は、第１電極層３００の平均厚さｔ３の２倍以上であるのが好ましく、１０倍以上１０００倍以下であるのがより好ましい。これにより、第１接続部６００の曲げ剛性を第１電極層３００の曲げ剛性より大きくすることができる。

【0062】

また、第２接続部７００の厚さをｔ７としたとき、厚さｔ７は、第２電極層４００の平均厚さｔ４の２倍以上であるのが好ましく、１０倍以上１０００倍以下であるのがより好ましい。これにより、第２接続部７００の曲げ剛性を第２電極層４００の曲げ剛性より大きくすることができる。

【0063】

図３では、積層体５００（重複部分１０）の半径をＲ１とし、中心Ｏからｒ１の長さを半径とする円をＣ１とする。また、半径ｒ１は、半径Ｒ１の２０％とする。圧電体層２００の厚さ方向に沿って見たとき、第１接続部６００は、図３に示すように、円Ｃ１の内側に配置されているのが好ましい。

【0064】

このような構成によれば、第１接続部６００が占める範囲が必要以上に大きくなるのを防止することができる。つまり、第１接続部６００が占める範囲を、積層体５００を固定するのに必要かつ十分な大きさに設定することができる。これにより、伸縮変形を伴う圧電性を有効に利用可能な圧電素子１００を実現することができる。

【0065】

また、図示しないが、第２接続部７００も、円Ｃ１の内側に配置されているのが好ましい。これにより、第２接続部７００が占める範囲が必要以上に大きくなるのを防止することができる。

【0066】

なお、半径ｒ１は、好ましくは半径Ｒ１の２０％未満とされ、より好ましくは半径Ｒ１の１５％未満とされる。

【0067】

２．変形例
次に、変形例に係る圧電素子について説明する。

【0068】

図１０および図１１は、それぞれ実施形態に係る圧電素子１００の変形例を示す平面図である。

【0069】

以下、変形例について説明するが、以下の説明では、前記実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１０および図１１において、前記実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

【0070】

図１０に示す圧電素子１００Ａは、圧電体層２００Ａの形状が第１電極層３００と異なること以外、前記実施形態に係る圧電素子１００と同様である。

【0071】

すなわち、図１０に示す圧電体層２００Ａは、平面視形状が正方形である。また、第１電極層３００および図示しない第２電極層は、それぞれ、圧電体層２００Ａの範囲の内側に収まっている。したがって、圧電体層２００Ａ、第１電極層３００および第２電極層の互いに重なっている重複部分１０は、前記実施形態と同様、円形である。よって、図１０に示す圧電素子１００Ａでも、ずり変形を伸縮変形に変換するという効果、すなわち前記実施形態と同様の効果が得られる。

【0072】

このように、図１０に示す第１電極層３００および図示しない第２電極層は、それぞれ円形をなしている。これにより、上記の効果が得られるとともに、図１０に示す圧電体層２００Ａは、形状を問わないので、製造しやすいという利点を有する。したがって、圧電体層２００Ａの形状は、正方形に限定されず、いかなる形状であってもよい。

【0073】

図１１に示す圧電素子１００Ｂは、第１電極層３００Ｂの形状が圧電体層２００と異なること以外、前記実施形態に係る圧電素子１００と同様である。

【0074】

すなわち、図１１に示す第１電極層３００Ｂは、平面視形状が正方形である。また、図示しないが、第２電極層の平面視形状も、第１電極層３００Ｂと同様である。さらに、圧電体層２００は、第１電極層３００Ｂの範囲の内側に収まっている。したがって、圧電体層２００、第１電極層３００Ｂおよび第２電極層の互いに重なっている重複部分１０は、前記実施形態と同様、円形である。よって、図１１に示す圧電素子１００Ｂでも、ずり変形を伸縮変形に変換するという効果、すなわち前記実施形態と同様の効果が得られる。

【0075】

このように、図１１に示す圧電体層２００は、円形をなしている。これにより、上記の効果が得られるとともに、図１１に示す第１電極層３００Ｂおよび図示しない第２電極層は、形状を問わないので、製造しやすいという利点を有する。したがって、第１電極層３００Ｂおよび第２電極層の形状は、正方形に限定されず、いかなる形状であってもよい。

【0076】

なお、図１１では図示しないものの、図１１に示す第１電極層３００Ｂおよび図示しない第２電極層は、圧電体層２００の外側において互いに絶縁されている。

【0077】

また、図１１に示す圧電素子１００Ｂでは、圧電体層２００が第１電極層３００Ｂおよび第２電極層の内側に配置され、外部から保護されている。このため、圧電素子１００Ｂは、圧電体層２００が損傷を受けにくく、信頼性を高めやすいという利点を有する。

【0078】

以上、本発明の圧電素子を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明の圧電素子は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、前記実施形態の各部が同様の機能を有する任意の構成のものに置換されたものであってもよく、前記実施形態に任意の構成物が付加されたものであってもよい。

【符号の説明】

【0079】

１０…重複部分、１００…圧電素子、１００Ａ…圧電素子、１００Ｂ…圧電素子、２００…圧電体層、２００Ａ…圧電体層、２０１…第１面、２０２…第２面、３００…第１電極層、３００Ｂ…第１電極層、４００…第２電極層、５００…積層体、５００’…積層体、６００…第１接続部、７００…第２接続部、８００…第１配線、９００…第２配線、Ｃ１…円、Ｄｃ…配向方向、Ｅ……外縁、Ｌ１…基準線、Ｌ２…基準線、Ｏ……中心、Ｐ１…頂点、Ｐ２…頂点、Ｐ３…頂点、Ｐ４…頂点、Ｐ５…交点、Ｐ６…交点、Ｐ７…交点、Ｐ８…交点、Ｒ１…半径、Ｓ１…応力ベクトル、ｄ１…変位、ｄ２…変位、ｄ３…変位、ｄ４…変位、ｄ５…変位、ｄ６…変位、ｄ７…変位、ｄ８…変位、ｒ１…半径、ｔ２…平均厚さ、ｔ３…平均厚さ、ｔ４…平均厚さ、ｔ６…厚さ、ｔ７…厚さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】