CN104425702B

CN104425702B - 复合压电元件

Info

Publication number: CN104425702B
Application number: CN201410391861.7A
Authority: CN
Inventors: 不藤平四郎; 后藤厚志
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2034-08-11
Also published as: JP2015050432A; CN104425702A; JP6099096B2

Abstract

一种复合压电元件，目的在于提高对于弯曲的弯曲耐受性。复合压电元件(101)具备挠性的基片(19)、配设在基片(19)上的第1电极层(11)、配设在第1电极层(11)上的具有树脂和压电粒子的压电体层(13)、和配设在压电体层(13)上的第2电极层(12)；其特征在于，压电体层(13)具有两个第1压电体层(13A、13B)、和配设在两个第1压电体层(13A、13B)之间的第2压电体层(13C)；第2压电体层(13C)与第1压电体层(13A、13B)相比，压电粒子的体积百分比浓度较低。

Description

复合压电元件

技术领域

本发明涉及在致动器、各种传感器及发电等中使用的压电元件。

背景技术

压电元件被用于电能与机械能之间的能量变换，被广泛地用在致动器或各种传感器中。进而，近年来还研究了在发电中的应用。

考虑将这样的压电元件层叠在膜基材上、应用到被要求挠性的各种制品中的情况。在专利文献1(以往例1)中，公开了图11所示那样的层叠在柔性基板的支承体832的表面832a上的压电元件810。图11是表示使用以往例1的压电元件810的电子零件830的示意图。图11所示的压电元件810由层叠在支承体832的表面832a上的第1导电性弹性体基材822、层叠在第1导电性弹性体基材822上的压电体820、和设在压电体820的表面820a上的第2导电性弹性体基材824构成。

但是，在以往例1的压电元件810中，在压电体820中使用压电性单结晶或压电陶瓷的情况下，由于压电体820较脆，所以仅能够将支承体832稍稍弯曲。此外，即使是将在高分子矩阵中均匀地分散混合了压电体粒子的压电混合物(composite)用在压电体820中的情况，当支承体832被较大地弯曲时，在压电体820上发生裂纹的可能性较大。另一方面，在压电体820中使用压电性高分子的情况下，对于弯曲的弯曲耐受性有可能提高，但在压电性高分子中，不能得到希望的压电特性。

所以，在专利文献2(以往例2)中，作为压电混合物的高分子矩阵，在图12中提出了使用弹性体的发电元件901。图12是表示以往例2的静电容量变化型的发电元件901的结构的厚度方向概略剖视图，图12中(a)表示在发电元件901上被沿层叠方向施加压缩力之前的状态A，图12中(b)表示被施加了压缩力的状态B。图12所示的发电元件901具备在介电弹性体910中分散强电介质粒子911而成的混合物(composite)层912、和作为装备在混合物层912的两面上的一对电极即电极921及电极922而构成。

并且，发电元件901如果从图12中(a)所示的状态A起，在发电元件901上被沿层叠方向施加压缩力，则介电弹性体910弹性变形，成为图12中(b)所示的状态B。另一方面，如果压缩力被解除，则要从状态B回到状态A。在以往例2的发电元件901中，为了在厚度方向上较大地伸缩，作为介电弹性体910而使用热硬化性弹性体或热塑性弹性体。特别通过从该状态A向状态B、或相反从状态B向状态A变化，在电极921与电极922之间发生电位差，发电元件901能够将该电位差的变化作为电力取出。

为了将该电力更多地取出，使发电元件901的混合物层912的强电介质粒子911的体积百分比浓度(vol％)变大、使表面电荷密度变大是有效的。另一方面，如果强电介质粒子911的体积百分比浓度过大，则混合物层912的杨氏模量变高，给弹性变形带来不良影响，并且耐久性有可能变低。所以，记述了混合物层912中的强电介质粒子911的体积百分比浓度优选的是10～60％左右。

专利文献1：特开2013－21176号公报

专利文献2：特开2012－164917号公报

但是，在以往例2的发电元件901中，关于弯曲方向的强度没有做出公开，可以认为对于弯曲较弱。特别是，如果为了提高性能而将强电介质粒子911的体积百分比浓度提高到50％左右，则混合物层912的杨氏模量变高，有对于弯曲的耐受性确实下降的问题。

发明内容

本发明是解决上述问题的，目的是提供一种对于弯曲的耐受性提高的复合压电元件。

为了解决该问题，本发明的复合压电元件具备：挠性的基片；第1电极层，配设在该基片上；压电体层，配设在该第1电极层上，具有树脂和压电粒子；第2电极层，配设在该压电体层上；其特征在于，上述压电体层具有两个第1压电体层、和配设在上述两个第1压电体层之间的第2压电体层；该第2压电体层与上述第1压电体层相比，上述压电粒子的体积百分比浓度低。

据此，本发明的复合压电元件由于第2压电体层的压电粒子的体积百分比浓度较低，所以第2压电体层的对于弯曲的耐受性提高。因此，与由压电粒子的体积百分比浓度较高的压电体层的单层构成的情况相比，伴随该第2压电体层的对于弯曲的耐受性提高，压电体层也弯曲耐受性提高。并且，由于做成了用压电粒子的体积百分比浓度较高的第1压电体层夹着的构造，所以使该第1压电体层的性能为优先，压电体层整体压电性能不会较大地下降。由此，能够提供在维持压电性能的同时、对于弯曲的耐受性提高的复合压电元件。

此外，本发明的复合压电元件的特征在于，上述第1压电体层的上述压电粒子的上述体积百分比浓度是50～65vol％。

据此，压电粒子被充分填充到第1压电体层中，所以能够得到较高的压电性能。

此外，本发明的复合压电元件的特征在于，上述压电粒子是结晶构造为钙钛矿结构的强电介质粒子。

据此，能够使压电体层的压电性能提高。由此，能够提供输出性能良好的复合压电元件。

此外，本发明的复合压电元件的特征在于，上述强电介质粒子是铌酸钾；上述铌酸钾的平均粒子径是400nm～500nm，斜方晶－正方晶的转变温度是223℃以上且228℃以下，正方晶－立方晶的转变温度是420℃以上且430℃以下。

据此，通过使用上述铌酸钾，能够使压电体层的压电性能进一步提高。由此，能够提供输出性能更好的复合压电元件。

此外，本发明的复合压电元件的特征在于，上述基片是使用PET、PEN、PI、PE、PPS、芳香族聚酰胺树脂(日语：アラミド樹脂)的某种材质的绝缘性膜、或在上述材质中填充了无机填充物的装有填充物的膜中的某种；上述树脂是非晶性聚酯或聚氨酯；上述第2压电体层的-40℃环境下的弹性模量是1.5GPa以下，优选的是0.5GPa以下，并且-40℃环境下的屈服强度是15MPa以上，优选的是30MPa以上。

据此，即使在-40℃环境下，也能够将第2压电体层以较小的曲率半径弯曲。因此，伴随该第2压电体层的充分的弯曲耐受性，能够得到压电体层的充分的弯曲耐受性。并且，通过使用上述基片和树脂，即使在-40℃环境下，也能够得到复合压电元件的充分的挠性。

此外，本发明的复合压电元件的特征在于，上述两个第1压电体层的上述压电粒子的上述体积百分比浓度相同。

据此，压电体层的性能不会被体积百分比浓度较低的第1压电体层的性能拖累(影响、日语：引きずられる)。由此，能够确保压电体层的充分的压电性能。此外，在制造压电体层时能够使用原材料，能够容易地制造压电体层。

此外，本发明的复合压电元件的特征在于，上述第2压电体层比上述第1压电体层厚。

据此，在压电体层整体中，与第1压电体层相比，弯曲耐受性较高的第2压电体层的比例较大，所以压电体层整体的弯曲耐受性进一步提高。由此，能够提供弯曲耐受性进一步提高的复合压电元件。

本发明的复合压电元件由于第2压电体层的压电粒子的体积百分比浓度较低，所以第2压电体层的对于弯曲的耐受性提高。因此，与由压电粒子的体积百分比浓度较高的压电体层的单层构成的情况相比，伴随该第2压电体层的对于弯曲的耐受性提高，压电体层也弯曲耐受性提高。并且，由于做成了用压电粒子的体积百分比浓度较高的第1压电体层夹着的构造，所以使该第1压电体层的性能为优先，压电体层的压电性能不会较大地下降。由此，能够提供在维持压电性能的同时、对于弯曲的耐受性提高的复合压电元件。

附图说明

图1是说明本发明的第1实施方式的复合压电元件的结构图，是其平面图。

图2是说明本发明的第1实施方式的复合压电元件的结构图，是从图1所示的Y2侧观察的侧视图。

图3(a)是说明本发明的第1实施方式的复合压电元件的图，是图1所示的III－III线的剖视图。

图3(b)是说明本发明的第1实施方式的复合压电元件的图，是图1所示的IV－IV线的剖视图。

图4是说明分极处理的方法及原理的概念图，图4中(a)表示压电体层的初始的状态，图4中(b)表示在压电体层的厚度方向上施加了电压的状态，图4中(c)表示分极处理结束的状态。

图5是在本发明的第1实施方式的复合压电元件中使用的压电粒子的物性的测量结果，是铌酸钾的差示扫描热量测量的曲线图。

图6是有关本发明的第1实施方式的复合压电元件的测量结果，是对压电粒子的体积百分比浓度变化了的压电元件施加振荡时的输出电压值的曲线图。

图7是有关本发明的第1实施方式的复合压电元件的测量结果，是对铌酸钾的平均粒径变化了的压电元件施加了振荡时的输出电压值的曲线图。

图8是有关本发明的第1实施方式的复合压电元件的测量结果，是表示与压电粒子的含有量对应的压电体皮膜的计算出的最小曲率半径的曲线图。

图9是说明有关本发明的第1实施方式的复合压电元件的变形例1的图，是与图2比较的侧视图。

图10是说明有关本发明的第1实施方式的复合压电元件的变形例2的图，是与图3(a)比较的剖视图。

图11是表示使用以往例1的压电元件的电子零件的示意图。

图12是表示以往例2的静电容量变化型的发电元件的结构的厚度方向概略剖视图，图12中(a)表示在发电元件上被沿层叠方向施加压缩力前的状态A，图12中(b)表示被施加了压缩力的状态B。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

[第1实施方式]

图1是说明本发明的第1实施方式的复合压电元件101的结构图，是其平面图。另外，在图1中，为了使说明容易理解，将外覆部件15的一部分省略。图2是说明本发明的第1实施方式的复合压电元件101的结构图，是从图1所示的Y2侧观察的侧视图。图3(a)是说明本发明的第1实施方式的复合压电元件101的图，是图1所示的III－III线的剖视图，图3(b)是图1所示的IV－IV线的剖视图。另外，图1至图3(b)是用来使说明容易理解的结构图，所以厚度方向(Z1－Z2方向)的尺寸与实际有较大地不同。

本发明的第1实施方式的复合压电元件101如图1至图3(b)所示，具备挠性的基片19、配设在基片19上的第1电极层11、配设在第1电极层11上的压电体层13和配设在压电体层13上的第2电极层12而构成。除此以外，还具备用来将复合压电元件101从外部环境保护的外覆部件15、和用来对复合压电元件101供给电力或从复合压电元件101取出电力的两个端子部(171、172)。

复合压电元件101的基片19使用聚酰亚胺(PI，Polyimide)膜，在厚度25～125μm左右具有挠性。特别是，对于半径为几mmR左右的弯曲也具有充分的耐受性。另外，对于挠性的基片19优选的是使用聚酰亚胺膜(PI)，但也可以是其他合成树脂、例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，Polyethylene terephthalate)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN，Polyethylenenaphthalate)、聚苯硫醚(PPS，Poly Phenylene Sulfide)、聚乙烯(PE，Polyethylene)、芳香族聚酰胺树脂(芳香族聚酰胺，Aromatic polyamid)的绝缘性膜。此外，也可以是在上述材质中填充了无机填充物的装有填充物的膜。

复合压电元件101的第1电极层11如图1至图3(b)所示，层叠设在基片19的单面侧，在酚醛树脂中的矩阵中以25～70(vol％)分散着导电性的银的粉体，其厚度是5～15μm左右。

复合压电元件101的第2电极层12如图1至图3(b)所示，层叠设在基片19的单面侧，如图3(a)、图3(b)所示，与第1电极层11夹着压电体层13而层叠形成在压电体层13上。此外，第2电极层12与第1电极层11同样，在酚醛树脂中的矩阵中以20～70(vol％)分散着导电性的银的粉体，其厚度是5～20μm左右。作为这些第1电极层11及第2电极层12的导电性部件的材质，优选的是使用银，但也可以是碳。在设为碳的情况下，在酚醛树脂中的矩阵中以5～70(vol％)分散着导电性的碳的粉体。

此外，第1电极层11及第2电极层12的制作是将含有硬化剂的酚醛树脂、甘醇丁醚醋酸酯(Carbitol acetate)等的溶剂与银粉混合而做成导电性银膏、并使用丝网印刷等的方法来进行的。具体而言，第1电极层11是将该导电性银膏涂敷在基片19上，进行加热，并使其干燥及硬化而形成的，并且第2电极层12是将该导电性银膏涂敷在压电体层13上，进行加热，并使其干燥及硬化而形成的。

此外，在与第1电极层11相同的工序中，制作图1及图3(a)所示的端子部171，并在与第2电极层12相同的工序中，制作图1及图3(b)所示的端子部172。该端子部171及端子部172以从第1电极层11的端部或第2电极层12的端部引出到基片19的端部的方式来形成，以便容易进行电力的供给或取出。

另外，使用酚醛树脂作为导电性银膏的粘合剂，但也可以是其他合成树脂，例如作为热硬化性树脂的聚氨酯树脂、环氧树脂等、或作为热塑性树脂的聚酯树脂、丙烯树脂等。此外，使用银粉作为导电性银膏的导电性填充物，但也可以是其他的导电性填充物，例如石墨、纳米碳等的碳粉、或铜、镍等的金属粉。

复合压电元件101的压电体层13如图1至图3(b)所示，设在基片19的单面侧，层叠形成在第1电极层11上。并且，压电体层13构成为具有两个第1压电体层(13A、13B)、和配设在两个第1压电体层(13A、13B)之间的第2压电体层13C。

此外，压电体层13在非晶性聚酯树脂或聚氨酯树脂的矩阵中分散有压电粒子，在本发明的第1实施方式中，使用钙钛矿结构的结晶构造的强电介质粒子作为该压电粒子。由此，能够使压电体层13的压电性能提高，能够提供输出性能良好的复合压电元件101。

此外，在本发明的第1实施方式中，作为该强电介质粒子，特别优选的是使用铌酸钾(KNbO₃)。该铌酸钾使用平均粒子径为400～500nm、斜方晶－正方晶的转变温度为223℃以上且228℃以下、正方晶－立方晶的转变温度为420℃以上且430℃以下的粒子。由此，能够使压电体层13的压电性能进一步提高。由此，能够提供输出性能更好的复合压电元件101。

此外，该压电体层13由于是这样的与合成树脂的复合材，所以具有挠性。特别是，由于非晶性聚酯树脂或聚氨酯树脂在常温下具有适度的柔性，所以即使压电体层13变形，也能够抑制在压电体层13中发生的裂纹等。进而，非晶性聚酯树脂及聚氨酯树脂被普遍广泛地使用，能够容易且便宜地获得，所以能够优选地使用。

压电体层13的第1压电体层(13A、13B)中，压电粒子(在本发明的第1实施方式中是铌酸钾)的体积百分比浓度调整为50～65vol％。由此，压电粒子被充分填充到第1压电体层(13A、13B)中，能够得到较高的压电性能。此外，第1压电体层13A和第1压电体层13B将压电粒子的体积百分比浓度调整为相同。

另一方面，压电体层13的第2压电体层13C将压电粒子的体积百分比浓度调整得比第1压电体层(13A、13B)低。具体而言，可以设为0.01～60vol％，优选的是设为10～50vol％。另外，在第2压电体层13C的压电粒子的体积百分比浓度是50vol％以上的情况下，也将第1压电体层(13A、13B)的压电粒子的体积百分比浓度调整为比第2压电体层13C高的体积百分比浓度。

由此，该第2压电体层13C的压电粒子的体积百分比浓度较低，所以第2压电体层13C的对于弯曲的弯曲耐受性提高。因此，与由压电粒子的体积百分比浓度较高的压电体的单层构成的情况相比，伴随第2压电体层13C的对于弯曲的弯曲耐受性的提高，压电体层13也弯曲耐受性提高。并且，由于为被压电粒子的体积百分比浓度较高的第1压电体层13A及第1压电体层13B夹着的构造，所以使该第1压电体层(13A、13B)的性能为优选，压电体层13整体的压电性能不会较大地下降。由此，能够提供在维持压电性能的同时、对于弯曲的弯曲耐受性提高的复合压电元件101。此外，通过夹着压电粒子的体积百分比浓度较低的层，能够构成在减少昂贵的压电粒子的使用量的同时维持压电性能的压电体层13。

此外，在本发明的第1实施方式中使用的第2压电体层13C的-40℃环境下的弹性模量E是1.5GPa以下，优选的是0.5GPa以下，并且-40℃环境下的屈服强度σ是15MPa以上，优选的是30MPa以上。这里，在第2压电体层13C具有某种厚度t的情况下，可以根据弹性模量E和屈服强度σ，通过以下的式(A)计算第2压电体层13C的最小曲率半径R。

(A)σ＝E×t/(2×R)

σ：屈服强度，E：弹性模量，t：厚度，R：最小曲率半径

例如，在第2压电体层13C的厚度t是20μm的情况下，如果弹性模量E是1.5GPa、屈服强度σ是15MPa，则最小曲率半径R可以计算为1mm。

由此，在-40℃环境下，也能够将第2压电体层13C以较小的曲率半径弯曲。因此，伴随该第2压电体层13C的充分的弯曲耐受性，能够得到压电体层13的充分的弯曲耐受性。并且，通过在上述基片19和粘合剂中使用树脂，在-40℃环境下也能够得到复合压电元件101的充分的挠性。另外，作为压电粒子，优选的是使用强电介质的铌酸钾(KNbO₃)，但可以使用铌酸锂(LiNbO₃)，铌酸钠(NaNbO₃)、钛酸钡(BaTiO₃)、锌酸钛酸铋(Bi(Zn/Ti)O₃)、钴酸铋(BiCoO₃)、钛酸锆酸铅(Pb(Zr/Ti)O₃)等。

此外，在本发明的第1实施方式中，将第1压电体层13A及第1压电体层13B的压电粒子的体积百分比浓度调整为相同。由此，压电体层13的性能不会被体积百分比浓度较低的第1压电体层13A或第1压电体层13B的某个的性能拖累(影响)。由此，能够确保压电体层13的充分的压电性能。此外，在制造压电体层13时，能够使用相同的原材料，能够容易地制造压电体层13。由此，能够便宜地制作复合压电元件101。

此外，在本发明的第1实施方式中，如图3(a)、图3(b)所示，第2压电体层13C变得比第1压电体层(13A、13B)厚。由此，在压电体层13整体中，相比第1压电体层(13A、13B)、弯曲耐受性较高的第2压电体层13C的比例变大，所以压电体层13整体的弯曲耐受性进一步提高。由此，能够提供弯曲耐受性进一步提高的复合压电元件101。

压电体层13的制作首先在溶剂中使用可溶的非晶性聚酯树脂或聚氨酯树脂，将该粘合剂树脂和甘醇丁醚醋酸酯等的溶剂与铌酸钾的粒体以希望的配合比混合，用3条辊等的混合机使其均匀地分散，制作电介质膏。此时，以对应于第1压电体层(13A、13B)的压电粒子的体积百分比浓度的方式来制作将粘合剂树脂和铌酸钾的粒体以希望的比例配合的第1电介质膏。同样，以对应于第2压电体层13C的压电粒子的体积百分比浓度的方式来制作将粘合剂树脂和铌酸钾的粒体以希望的比例配合的第2电介质膏。

接着，使用丝网印刷等的方法，以使第1电极层11覆盖到基片19的单面侧的方式涂敷该第1电介质膏，并使其干燥及硬化而制作第1压电体层13A。该硬化后的第1压电体层13A的厚度优选的是3～10μm左右。接着，同样使用丝网印刷等的方法，以使第1压电体层13A覆盖到基片19的单面侧的方式涂敷第2电介质膏，并使其干燥及硬化而制作第2压电体层13C。该硬化后的第2压电体层13C的厚度优选的是10～50μm左右。

接着，以使第2压电体层13C覆盖到基片19的单面侧的方式而涂敷第1电介质膏，并使其干燥及硬化而制作第1压电体层13B。该硬化后的第1压电体层13B的厚度与第1压电体层13A同样，优选的是3～10μm左右。另外，在上述电介质膏(第1电介质膏、第2电介质膏)中，也可以适当使用少量的硬化剂，也可以添加消泡剂。此外，也可以进行使铌酸钾的粒体的表面担载硅烷耦联剂的处理。特别是，通过进行消泡剂的添加或硅烷耦联剂处理，能够防止在压电体层13中发生气泡等的缺陷，能够减少压电体层13的厚度方向的导通不良。

最后，对所形成的压电体层13进行分极处理。图4是说明分极处理的方法及原理的概念图，图4中(a)表示压电体层13的初始的状态，图4中(b)表示在压电体层13的厚度方向上施加了电压的状态，图4中(c)表示分极处理结束的状态。另外，在图中，作为压电体层13而表示了铌酸钾的粒体NB和粘合剂树脂(聚酯树脂或聚氨酯树脂)PP。

在分极处理中，将形成的压电体层13加热到居里点附近的温度，从图1及图3(a)、图3(b)所示的端子部171及端子部172，如图4中(b)所示，对压电体层13以1～10(V/μm)左右施加与压电体层13的厚度对应的直流电压。并且，在回到常温后，使第1电极层11与第2电极层12之间短路，将多余的电容除去而结束。另外，直流电压的施加优选的是4～6(V/μm)。这样，压电体层13能够从图4中(a)所示的初始状态向图4中(c)所示的分极的状态简单地进行处理。

如以上这样，第1电极层11、压电体层13及第2电极层12是在合成树脂中分散有填充物的结构，所以能够与基片19的挠性相对应地具有充分的挠性。

最后，在本发明的第1实施方式中，为了将复合压电元件101从外部环境保护而设有外覆部件15。另外，在第1电极层11及第2电极层12中代替银的粉体而使用导电性的碳的粉体的情况下，有也可以不设置该外覆部件15的情况。

此外，在外覆部件15的制作中，使用以含有颜料的绝缘性的聚氨酯树脂为基础的绝缘性膏，同样使用丝网印刷等的方法将该绝缘性膏以覆盖到第2电极层12整体上的方式而涂敷地层叠，并进行加热，使其干燥及硬化。该硬化后的外覆部件15的厚度是10～100μm左右。另外，在聚氨酯树脂以外，也可以使用丙烯酸树脂、聚酯树脂、环氧树脂等。如此这样，形成图1至图3(b)所示那样的复合压电元件101。由于在该复合压电元件101的形成中使用简单而便宜的丝网印刷法，所以能够将复合压电元件101容易地制作、并且能够便宜地制作。

对于如以上那样构成的本发明的第1实施方式的复合压电元件101的效果，以下参照实际制作的复合压电元件101的实施例进行说明。

<实施例>

首先，对在测量中使用的复合压电元件101的试样(样本)具体地说明。复合压电元件101的试样(样本)使用厚度为75μm的聚酰亚胺(PI)膜作为基片19。此外，作为第1电极层11及第2电极层12，使用在260℃下加热30分钟使其固化而得到的膜，其膜厚为5μm，在酚醛树脂中的矩阵中含有40(vol％)的导电性的银粉。此外，作为外覆部件15，使用在150℃下加热10分钟使其固化而得到的膜，其膜厚为10μm，以含有颜料的绝缘性的聚氨酯树脂为基础。

此外，作为第1压电体层13A及第1压电体层13B，使用在260℃下加热20分钟使其固化而得到的膜，其膜厚为5μm，在非晶性聚酯树脂的热塑性树脂中的矩阵中含有60(vol％)作为强电介质粒子的铌酸钾的粒体。

图5是在本发明的第1实施方式的复合压电元件101中使用的压电粒子的物性的测量结果，是铌酸钾的差示扫描量热法(DSC，Differential scanning calorimetry)的曲线图。横轴表示温度，纵轴表示热流量。如图5所示，这里使用的铌酸钾的粒体的平均粒子径是400nm，斜方晶－正方晶的转变温度是223.6℃，正方晶－立方晶的转变温度是424℃(图5所示的A1(实线))。此外，为了进行比较，使用平均粒子径为200nm、斜方晶一正方晶的转变温度为208.6℃、正方晶－立方晶的转变温度为411.9℃的粒子(图5所示的C1(虚线))和平均粒子径为200nm、斜方晶－正方晶的转变温度为208.6℃、正方晶－立方晶的转变温度为411.9℃的粒子(图5所示的C2(单点划线))，也制作出比较试样。

此外，作为第2压电体层13C，使用一些在260℃下加热20分钟使其固化而得到的膜，其膜厚为10μm，在非晶性聚酯树脂的热塑性树脂中的矩阵中含有20～60vol％的作为强电介质粒子的铌酸钾的粒体。此外，为了进行比较，做成没有设置第2压电体层13C的结构，还制作仅一层的压电体的比较试样。

接着，对如上述那样制作出的复合压电元件101的试样(样本)进行分极处理。分极处理通过加热到250℃、从图1及图3(a)、图3(b)所示的端子部171及端子部172对压电体层13施加1小时100V的直流电压来进行。

对于如以上那样制作出的试样，对其感度进行测量。在该测量中，对形成有压电体层13的试样(样本)以2Hz的频率施加发生0.5mm的变位那样的振荡，测量此时的输出电压。并且，假设该输出电压较大者是感度较高的压电体。

图6是有关本发明的第1实施方式的复合压电元件101的测量结果，是对压电粒子的体积百分比浓度变化的压电元件施加振荡时的输出电压值的曲线图。横轴是含有压电粒子的体积百分比，纵轴是输出电压值。图中的SP1(实线)是改变了第2压电体层13C中的铌酸钾的粒体的含有量的试样的测量结果，图中的CS1(虚线)是仅一层的压电体的比较试样的测量结果。图7是有关本发明的第1实施方式的复合压电元件101的测量结果，是对铌酸钾的平均粒径变化了的压电元件施加振荡时的输出电压值的曲线图。横轴是铌酸钾的平均粒径，纵轴是输出电压值。图中的SP2是在本实施例中使用的铌酸钾的平均粒径为400nm的测量结果，图中的CS2及CS3是铌酸钾的平均粒径为200nm及800nm的比较试样的测量结果。

本发明的第1实施方式的复合压电元件101如图6所示，即使第2压电体层13C中的铌酸钾的粒体的含有量下降，也不会如仅由一层的压电体构成的比较例那样较大地下降。这是因为，由于做成了用压电粒子的体积百分比浓度较高的第1压电体层13A及第1压电体层13B夹着的构造，所以使该第1压电体层(13A、13B)的性能为优先，压电体层13整体的压电性能不会较大地下降。进而，本发明的第1实施方式的复合压电元件101由于配设在两个第1压电体层(13A、13B)之间的第2压电体层13C与第1压电体层(13A、13B)相比压电粒子的体积百分比浓度较低，所以第2压电体层13C的对于弯曲的弯曲耐受性提高。因此，与为了提高压电体的性能而由提高了压电粒子的体积百分比浓度的压电体的单层构成的情况相比，伴随该第2压电体层13C的对于弯曲的弯曲耐受性提高，压电体层13也弯曲耐受性提高。由此，能够提供在维持压电性能的同时、对于弯曲的弯曲耐受性提高的复合压电元件101。

此外，本发明的第1实施方式的复合压电元件101由于第1压电体层(13A、13B)的压电粒子的体积百分比浓度是50～65vol％，所以压电粒子被充分填充到第1压电体层(13A、13B)中。由此，即使使第2压电体层13C的压电粒子的体积百分比浓度变低，也能够得到较高的压电性能。例如如图6所示，即使第1压电体层(13A、13B)的压电粒子的体积百分比浓度是60vol％、第2压电体层13C的压电粒子的体积百分比浓度是40vol％，也能够得到250mV以上的输出电压值，能够得到较高的感度。

进而，由于压电粒子是钙钛矿结构的强电介质粒子，所以能够使压电体层13的压电性能提高。由此，能够提供输出性能良好的复合压电元件101。

此外，由于将第1压电体层13A及第1压电体层13B的压电粒子的体积百分比浓度调整为相同，所以压电体层13的性能不会被体积百分比浓度较低的第1压电体层13A或第1压电体层13B的某个的性能拖累(影响)。由此，能够确保压电体层13的充分的压电性能。此外，在制造压电体层13时，能够使用相同的原材料，能够容易地制造压电体层13。由此，能够便宜地制作复合压电元件101。

此外，本发明的第1实施方式的复合压电元件101作为是压电粒子的强电介质粒子而使用铌酸钾，但优选的是使用平均粒子径为400～500nm、斜方晶－正方晶的转变温度为223℃以上且228℃以下、正方晶－立方晶的转变温度为420℃以上且430℃以下的铌酸钾。由此，如图7所示，能够使压电体层13的压电性能进一步提高。由此，能够提供输出性能更好的复合压电元件101。

此外，除了上述感度特性的测量用试样以外，还为了弯曲特性的测量用而制作一些含有20～60vol％铌酸钾的粒体的皮膜试样，使用拉伸试验机(岛津制作所(株)制，型号：オートグラフAGS－J500N)，测量一些皮膜试样的弹性模量及屈服强度。作为测量时的条件，在-40℃的环境下进行测量。另外，使用的皮膜试样为了由拉伸试验机测量的方便，使用比作为实际优选地使用的第2压电体层13C的厚度10～50μm厚的100μm厚度的试样。

结果，皮膜试样TP1(含有铌酸钾20vol％)的弹性模量是0.35Gpa，屈服强度是35Mpa；皮膜试样TP2(含有铌酸钾35vol％)的弹性模量是0.98Gpa，屈服强度是25Mpa；皮膜试样TP3(含有铌酸钾50vol％)的弹性模量是1.4Gpa，屈服强度是15.8Mpa；皮膜试样TP4(含有铌酸钾60vol％)的弹性模量是1.9Gpa，屈服强度是5.4Mpa。使用该弹性模量和屈服强度，计算皮膜试样(TP1、TP2、TP3、TP4)的最小曲率半径。图8是有关本发明的第1实施方式的复合压电元件101的测量结果，是表示与压电粒子的含有量对应的压电体皮膜的计算出的最小曲率半径的曲线图。

如图8所示，在铌酸钾的粒体的含有量为50vol％以下的情况下，最小曲率半径大幅地变小。由于该铌酸钾的粒体的含有量为50vol％的皮膜试样TP3的弹性模量是1.4Gpa、屈服强度是15.8Mpa，所以可以认为由该附近的弹性模量及屈服强度作为第2压电体层13C的皮膜特性。此外，更优选的是，由该铌酸钾的粒体的含有量为20vol％的皮膜试样TP1(弹性模量是0.35Gpa，屈服强度是35Mpa)与铌酸钾的粒体的含有量为35vol％的皮膜试样TP2(弹性模量是0.98Gpa，屈服强度是25Mpa)之间的弹性模量及屈服强度作为第2压电体层13C的皮膜特性。

根据上述结果，第2压电体层13C在-40℃环境下的弹性模量是1.5GPa以下，优选的是0.5GPa以下，并且在-40℃环境下的屈服强度是15MPa以上，优选的是30MPa以上。由此，本发明的第1实施方式的复合压电元件101在-40℃环境下也能够将第2压电体层13C以较小的曲率半径弯曲，所以伴随该第2压电体层13C的充分的弯曲耐受性，能够得到压电体层13的充分的弯曲耐受性。并且，通过在上述基片和粘合剂中使用树脂，在-40℃环境下也能够得到复合压电元件101的充分的挠性。

此外，由于第2压电体层13C比第1压电体层(13A、13B)厚，所以在压电体层13整体中，相比第1压电体层(13A、13B)，弯曲耐受性较高的第2压电体层13C的比例变大。因此，压电体层13整体的弯曲耐受性进一步提高。由此，能够提供弯曲耐受性进一步提高的复合压电元件101。

另外，本发明并不限定于上述实施方式，例如可以如以下这样变形而实施，这些实施方式也属于本发明的技术范围。

图9是说明有关本发明的第1实施方式的复合压电元件101的变形例1的图，是与图2比较的复合压电元件C101的侧视图。图10是说明有关本发明的第1实施方式的复合压电元件101的变形例2的图，是与图3(a)比较的复合压电元件C102剖视图。

<变形例1>

在上述第1实施方式中，做成了在基片19的单面侧层叠包括压电体层13的元件的结构，但如图9所示，也可以做成在基片19的相反面侧也层叠包括压电体层C13的元件的结构。

<变形例2>

在上述第2实施方式中，将压电体层13的第2压电体层13C用1层构成，但并不限定于此，例如如图10所示，也可以是由2层的第2压电体层(23C、33C)构成的压电体层C23，也可以是2层以上。

本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的目的的范围内能够适当地变更。

标号说明

11 第1电极层

12 第2电极层

13、C13、C23 压电体层

13A、13B 第1压电体层

13C、23C、33C 第2压电体层

19 基片

101、C101、C102 复合压电元件

Claims

1.一种复合压电元件，具备：

挠性的基片；

第1电极层，配设在该基片上；

压电体层，配设在该第1电极层上，具有树脂和压电粒子；以及

第2电极层，配设在该压电体层上；

该复合压电元件的特征在于，

上述压电体层具有两个第1压电体层、和配设在上述两个第1压电体层之间的第2压电体层；

该第2压电体层与上述第1压电体层相比，上述压电粒子的体积百分比浓度低。

2.如权利要求1所述的复合压电元件，其特征在于，

上述第1压电体层的上述压电粒子的上述体积百分比浓度是50～65vo1％。

3.如权利要求1所述的复合压电元件，其特征在于，

上述压电粒子是结晶构造为钙钛矿结构的强电介质粒子。

4.如权利要求2所述的复合压电元件，其特征在于，

上述压电粒子是结晶构造为钙钛矿结构的强电介质粒子。

5.如权利要求3所述的复合压电元件，其特征在于，

上述强电介质粒子是铌酸钾；

上述铌酸钾的平均粒子径是400nm～500nm，斜方晶－正方晶的转变温度是223℃以上且228℃以下，正方晶－立方晶的转变温度是420℃以上且430℃以下。

6.如权利要求4所述的复合压电元件，其特征在于，

上述强电介质粒子是铌酸钾；

7.如权利要求1～6中任一项所述的复合压电元件，其特征在于，

上述基片是使用聚对苯二甲酸乙二醇酯即PET、聚萘二甲酸乙二醇酯即PEN、聚酰亚胺即PI、聚乙烯即PE、聚苯硫醚即PPS、芳族聚酰胺树脂的任一种材质的绝缘性膜、或在上述材质中填充了无机填料的加有填料的膜中的任一种；

上述树脂是非晶性聚酯或聚氨酯；

上述第2压电体层在-40℃环境下的弹性模量是1.5GPa以下，并且在-40℃环境下的屈服强度是15MPa以上。

8.如权利要求1～6中任一项所述的复合压电元件，其特征在于，

上述树脂是非晶性聚酯或聚氨酯；

上述第2压电体层在-40℃环境下的弹性模量是0.5GPa以下，并且在-40℃环境下的屈服强度是30MPa以上。

9.如权利要求1～6中任一项所述的复合压电元件，其特征在于，

上述两个第1压电体层的上述压电粒子的上述体积百分比浓度相同。

10.如权利要求1～6中任一项所述的复合压电元件，其特征在于，

上述第2压电体层比上述第1压电体层厚。

11.如权利要求7所述的复合压电元件，其特征在于，

12.如权利要求8所述的复合压电元件，其特征在于，

13.如权利要求7所述的复合压电元件，其特征在于，

上述第2压电体层比上述第1压电体层厚。

14.如权利要求8所述的复合压电元件，其特征在于，

上述第2压电体层比上述第1压电体层厚。

15.如权利要求9所述的复合压电元件，其特征在于，

上述第2压电体层比上述第1压电体层厚。