CN107924986A - 压电传感器 - Google Patents

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Abstract

压电传感器(1)具备压电元件(10)，该压电元件(10)具有含有弹性体及压电颗粒的压电层(11)、以及含有弹性体及导电材料的电极层(12a、12b)。压电元件(10)的断裂伸长率为10％以上，电极层(12a、12b)在自然状态下以及从该自然状态直至向单个轴向伸长10％的状态的伸长状态下的体积电阻率为100Ω·cm以下。压电元件(10)可伸缩、且即使在伸长状态下也具有压电性能。

Description

压电传感器
技术领域
本发明涉及具备可伸缩的压电元件的压电传感器。
背景技术
能够将机械能转换为电能的压电材料广泛利用于压力传感器、加速度传感器、振动传感器、冲击传感器等中。作为压电材料，已知有锆钛酸铅(PZT)等陶瓷、在聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乳酸等高分子、高分子基体中填充有压电颗粒的复合体等。例如，在专利文献1中，记载了在具有伸缩弹性的基板上形成有由导电性橡胶构成的电极和PZT等的压电体晶体薄膜的压电元件。在专利文献2中，记载了具有由氟化聚合物构成的压电层、由导电性聚合物构成的电极以及织物基材的压电元件。在专利文献3中，记载了具有在含有树脂及橡胶的基体中填充有压电颗粒的复合体和由导电性橡胶构成的电极的压电元件。在专利文献4中，记载了具有在氯化聚乙烯等树脂基体中填充有压电颗粒的压电片和在氯化聚乙烯中填充有碳的挠性电极的压电元件。在专利文献5中，记载了具有在氯丁橡胶中填充有钛酸铅粉末的复合体和由银浆构成的电极的压电元件。在专利文献6中，记载了具有PVDF制成的压电薄膜、在其两面配置的一对电极和在该电极上设置的应变放大部件的变动载荷检测用片。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-347364号公报
专利文献2：日本特表2014-529913号公报
专利文献3：日本特开2013-225608号公报
专利文献4：日本特开2002-111087号公报
专利文献5：日本特开平2-32574号公报
专利文献6：日本特开2006-153842号公报
发明内容
本发明要解决的问题
如专利文献1所记载的那样，在压电层中使用了PZT等陶瓷的压电元件中，压电层较硬而缺乏伸缩性。因此，在将压电元件应用于伸缩变形的被粘物的情况下，容易阻碍被粘物的运动。另外，在专利文献2、6所记载的压电元件中，在压电层中使用了树脂。因此，压电层具有可挠性，但是缺乏伸缩性。即使压电层能够伸长，也难以复原为原来的形状。因此，难以将压电元件应用于伸缩变形的被粘物。另一方面，在专利文献3-5所记载的压电元件中，在压电层中使用了高分子基体和压电颗粒的复合体。但是，在高分子基体中含有树脂的情况下，虽然具有可挠性，但是缺乏伸缩性。针对这一点，在专利文献5所记载的压电层中，在高分子基体中使用了氯丁橡胶。因此，使压电层具有伸缩性，但是在该压电层上层叠的电极由缺乏伸缩性的银浆构成。在这种情况下，压电层的伸缩因电极而受到限制，作为压电元件整体的伸缩性降低。另外，若电极伸长则电阻增大，因此在伸长时输出降低，不能准确地检测出对压电层施加的载荷。该问题对于上述其他专利文献所记载的压电元件而言也是共同的问题。例如，在专利文献3中，记载了在电极中使用导电性橡胶的内容。但是，在专利文献3中，关于电极的伸缩性能、伸长时的电阻的行为则没有任何研究。另外，如在专利文献3的[0020]段中记载有振动源的应变量为5％左右、且在实施例中记载有应变量为3％的情况下的应用例那样，在专利文献3中，并没有设想压电元件以10％以上的较大的伸长率变形的形态。
这样，以往并没有设想应用于较大地伸缩变形的被粘物的情况，因此，不仅没有对压电层的伸缩性进行过研究，对作为含有电极的压电元件整体的伸缩性也没有进行过研究。因此，尚未实现在伸长状态下也能够维持压电性能的压电元件。
本发明是鉴于这样的实际情况而提出的，其课题在于提供一种具备可伸缩、且即使在伸长状态下也能够使用的压电元件的压电传感器。
用于解决问题的手段
本发明的压电传感器具备压电元件，该压电元件具有含有弹性体及压电颗粒的压电层、以及含有弹性体及导电材料的电极层，该压电元件的断裂伸长率为10％以上，该电极层在自然状态下以及从该自然状态直至向单个轴向伸长10％的状态的伸长状态下的体积电阻率为100Ω·cm以下。
构成压电元件的压电层及电极层的基材(母材)均为弹性体。而且，压电元件的断裂伸长率为10％以上。压电元件柔软且可伸缩，因此，即使将压电元件配置于反复伸长或弯曲的被粘物、较大地伸缩变形的被粘物，也难以阻碍被粘物的运动。另外，即使在被粘物具有复杂的形状的情况下，也能够沿其形状而配置压电元件。
电极层在自然状态下以及从该自然状态直至向单个轴向伸长10％的状态的伸长状态下的体积电阻率为100Ω·cm以下。自然状态是指未施加载荷而未变形的状态。向单个轴向伸长10％的状态是指单个轴向上的长度为自然状态的1.1倍的状态。电极层不仅在自然状态下具有较高的导电性，即使在向单个轴向伸长至最大10％的伸长状态下，电阻的增加也较小而具有较高的导电性。因此，即使在伸长的状态下，也难以使输出降低，从而能够正确地检测出对压电层施加的载荷。在本发明中，在自然状态和向单个轴向伸长10％的状态这两种状态下测定电极的体积电阻率，若任一状态下的体积电阻率均为100Ω·cm以下，则判断为满足“在自然状态下以及从该自然状态直至向单个轴向伸长10％的状态的伸长状态下的体积电阻率为100Ω·cm以下”的条件。此外，在本发明的压电传感器中，压电元件不仅能够向单个轴向伸长，还能够向两个轴向、扩径方向等伸长。
这样，根据本发明的压电传感器，可配置于伴随弯曲、伸长、压缩等变形的被粘物，不仅在被粘物未变形的状态下，即使在变形时也能够检测出施加于被粘物的载荷。即，即使在被粘物的一次变形状态下进一步产生二次变形的情况下，也能够检测出施加于被粘物的载荷。另外，本发明的压电传感器与静电电容式传感器相比，传感器的灵敏度(S/N比(Signal-noise Ratio：信噪比))较高，因此容易对较小的载荷进行检测。例如，通过将本发明的压电传感器的压电元件直接或隔着衣服间接地配置于人体的皮肤上而能够测定脉搏数、呼吸数。
附图说明
图1是本发明的压电传感器的一个实施方式的俯视图。
图2是图1的II-II剖面图。
图3是将实施例2的压电元件伸长1％的状态下的电动势的曲线图。
图4是将实施例2的压电元件伸长10％的状态下的电动势的曲线图。
图5是表示压电颗粒由单颗粒构成的情况下的分散状态的示意图。
图6是表示压电颗粒由集合体构成的情况下的分散状态的示意图。
图7是烧制前的钛酸钡的粉末(单颗粒)的SEM照片。
图8是烧制及粉碎后的钛酸钡的粉末b(结合体)的SEM照片。
图9是在实施例中制造的压电元件的上下方向剖面图。
图10是表示钛酸钡颗粒的体积比例与产生电场之间的关系的曲线图。
符号说明
1：压电传感器；10：压电元件；11：压电层；12a、12b：电极层；13a、13b：保护层；20a、20b：配线；30：控制电路部。
40：压电元件；41：压电层；42a、42b：电极层；43a、43b：保护层。
80：压电颗粒；81：弹性体；82：压电颗粒的结合体。
具体实施方式
以下，对本发明的压电传感器的实施方式进行说明。此外，本发明的压电传感器并不限定于以下方式，可以在不脱离本发明的主旨的范围内以施加了本领域技术人员能够进行的变更、改良等的各种方式来实施。
本发明的压电传感器具备压电元件，该压电元件具有含有弹性体及压电颗粒的压电层、以及含有弹性体及导电材料的电极层。
<压电层>
作为构成压电层的弹性体，可以使用选自交联橡胶及热塑性弹性体中的一种以上。作为弹性模量较小且柔软的弹性体，可列举为聚氨酯橡胶、硅橡胶、丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(H-NBR)、丙烯酸橡胶、天然橡胶、异戊二烯橡胶、乙烯-丙烯-二烯烃橡胶(EPDM)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、乙烯-乙酸乙烯-丙烯酸酯共聚物、丁基橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、含氟橡胶、表氯醇橡胶、氯丁二烯橡胶、氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯等。另外，也可以使用通过引入官能团等而改性的弹性体。作为改性弹性体，例如可列举为羧基改性丁腈橡胶(X-NBR)、羧基改性氢化丁腈橡胶(XH-NBR)等。
对压电层施加载荷时产生的电场强度(V/m)，通过压电层的压电应变常数(C/N)、介电常数(F/m)以及所施加的载荷(N/m2)，由下式(a)表示。
电场强度＝压电应变常数/介电常数×载荷……(a)
在增大电场强度这一点上，压电层的介电常数优选为较小。在这种情况下，优选采用相对介电常数较小的弹性体。例如，作为相对介电常数为15以下(测定频率为100Hz)的弹性体，优选为聚氨酯橡胶、硅橡胶、NBR、H-NBR等。
压电颗粒是具有压电性的化合物的颗粒。作为具有压电性的化合物，已知具有钙钛矿型的晶体结构的铁电体，例如可列举为钛酸钡、钛酸锶、铌酸钾、铌酸钠、铌酸锂、铌酸钾钠、锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡锶(BST)、钛酸镧铋(BLT)、钽酸锶铋(SBT)等。作为压电颗粒，可以使用上述的一种或二种以上。
对压电颗粒的粒径没有特别限定。例如，若使用平均粒径不同的多种压电颗粒粉末，则能够使大粒径的压电颗粒和小粒径的压电颗粒混合存在于弹性体中。在这种情况下，小粒径的压电颗粒进入大粒径的压电颗粒之间，容易向压电颗粒传递压力。由此，能够使压电层的压电应变常数变大而增大电动势。
压电颗粒可以是单颗粒或多个颗粒集合而成的集合体。在含有由多个压电颗粒构成的集合体的情况下，容易取得柔软性和压电性的平衡。例如，若在弹性体中大量地配合压电颗粒，则压电性提高，但是由于弹性体的体积比例变小，因此柔软性降低。相反，若压电颗粒的配合量较少，则由于弹性体的体积比例变大而使柔软性提高，但是使压电性降低。根据本发明的发明人的研究，已确认：通过增大压电层的柔软性，具体而言通过增大断裂伸长率，即使反复伸缩，电动势的变化也较小，即，提高了伸缩耐久性。因此，优选尽可能减少压电颗粒的配合量地确保所期望的压电性。
为了获得较高的压电性，压电颗粒彼此的连接很重要。图5示意性地表示压电颗粒由单颗粒构成的情况下的分散状态。图6示意性地表示压电颗粒由集合体构成的情况下的分散状态。如图5所示，压电颗粒80填充在弹性体81中。各个压电颗粒80呈近似球状。因此，通常通过大量地配合压电颗粒80而接近最密填充结构，由此确保压电颗粒80彼此的连接。与其相对，如图6所示，若配合多个压电颗粒80集合而成的块状的集合体82，则其形状形成空间位阻，即使不形成紧密的填充结构也能够构建压电颗粒80彼此的连接。即，即使压电颗粒80的体积比例较小也能够确保所期望的压电性。由此，易于满足压电性、柔软性、伸缩耐久性的全部。例如，可以将压电传感器设为如下构成：具备压电元件，该压电元件具有含有弹性体及压电颗粒的压电层、以及含有弹性体及导电材料的电极层，该压电颗粒含有多个压电颗粒集合而成的集合体。根据该构成，能够实现柔软且高灵敏度的压电传感器。
作为多个压电颗粒集合而成的集合体，可列举为各个颗粒通过静电力等而凝集的凝集体、各个颗粒化学键合的结合体等。从各个颗粒难以分离而容易构建压电颗粒的连接结构的观点出发，优选为后者的结合体。对结合体的制造方法没有特别限定，例如，可以在对由单颗粒构成的粉末进行烧制后粉碎来制造。凝集体和结合体的差异可以通过如下方法进行分析。首先，对压电层进行加热去除弹性体成分。接着，使剩余的压电颗粒分散在良溶剂中并进行超声波处理。其结果是，若分离为各个颗粒则判断为凝集体，若不分离则判断为结合体。在这里，良溶剂是指在使压电颗粒分散的情况下难以发生沉降的极性溶剂。具体而言，以SP值(溶解度参数)为8以上且13以下、且能够溶解弹性体的溶剂为宜。例如，可列举为2-甲氧基乙醇。
可以将多个压电颗粒集合而成的集合体定义为具有比各个压电颗粒的平均粒径的2倍更大的直径的颗粒。在这里，作为集合体的直径(d2)，采用由激光衍射/散射式的粒径分布测定装置测定的中值粒径。作为压电颗粒的平均粒径(d1)，拍摄集合体的扫描型电子显微镜(SEM)照片，采用无偏差地任意地选出的100个以上的压电颗粒的最大直径的平均值。然后，满足2d1<d2的颗粒为集合体。
可以对压电颗粒进行表面处理等而使弹性体和压电颗粒化学键合。作为对压电颗粒进行表面处理的方法，可列举为预先使具有能够与弹性体聚合物反应的官能团的表面处理剂与压电颗粒反应并将该压电颗粒与弹性体聚合物混合的方法、用酸、碱或亚临界水将压电颗粒的表面溶解而生成羟基后，与具有能够与羟基反应的官能团的弹性体聚合物混合的方法等。若压电颗粒与弹性体化学键合，则即使反复伸缩压电颗粒也难以错位。另外，压电颗粒难以从弹性体剥离，因此，物性、输出相对于初始值的的变动较小。因此，输出稳定，并且压电层的耐老化性提高。另外，压电层的断裂伸长率增大，因此能够抑制在伸长时由局部破坏等引起的压电性能的降低。其结果是，即使在伸长状态下也能够维持较高的压电性能。
压电颗粒的配合量，考虑压电层进而压电元件的柔软性以及压电层的压电性能来决定即可。若压电颗粒的配合量增多，则压电层的压电性能提高，但柔软性降低。因此，优选对压电颗粒的配合量进行调整，以在所使用的弹性体和压电颗粒的组合中能够实现所期望的柔软性。
压电层可以在弹性体和压电颗粒的基础上含有相对介电常数小于压电颗粒的加强颗粒。加强颗粒的相对介电常数以小于压电颗粒的相对介电常数为条件，例如为100以下，进一步优选为30以下。
在相对介电常数较大的压电颗粒连接而成的结构中，外力容易向压电颗粒传递，因此可期待上述式(a)中的压电应变常数的提高。但是，相对介电常数较大的压电颗粒的连接导致作为压电层整体的介电常数升高。与其相对，当压电层中含有压电颗粒和加强颗粒的双方的情况下，相对介电常数较大的压电颗粒彼此的连接因与其相比相对介电常数较小的加强颗粒的存在而被割断。由此，能够抑制作为压电层整体的介电常数的升高。另一方面，通过加强颗粒和压电颗粒而维持颗粒的连接结构，因此能够维持压电应变常数。即，当压电层中含有加强颗粒的情况下，与仅含有压电颗粒的情况相比，能够在维持压电应变常数不变的状态下减小压电层整体的介电常数。因此，根据上述公式(a)，能够获得较大的电场强度。
作为加强颗粒，优选为电阻较大的颗粒。若加强颗粒的电阻较大，则压电层的绝缘破坏强度变大。由此，在后述的压电层的极化处理中，能够通过外加高电场而缩短处理时间。在此基础上，能够减少在极化处理中损坏的压电元件的数量，因此，提高生产率。
另外，优选加强颗粒与弹性体化学键合。在这种情况下，在弹性体中形成加强颗粒的网络，因此，交联剂、添加剂、空气中的水分等离子化而形成的杂质离子难以运动而使压电层的电阻增大。加强颗粒与弹性体的化学键合，例如可以通过对加强颗粒进行表面处理等来实现。作为表面处理的方法，可列举为预先使具有能够与弹性体聚合物反应的官能团的表面处理剂与加强颗粒反应并将该加强颗粒与弹性体聚合物混合的方法、用酸、碱或亚临界水将加强颗粒的表面溶解而生成羟基后，与具有能够与羟基反应的官能团的弹性体聚合物混合的方法等。若加强颗粒与弹性体化学键合，则即使反复伸缩加强颗粒也难以错位。另外，加强颗粒难以从弹性体剥离，因此，物性、输出相对于初始值的的变动较小。因此，输出稳定，并且压电层的耐老化性提高。另外，压电层的断裂伸长率增大，因此能够抑制在伸长时由局部破坏等引起的压电性能的降低。其结果是，即使在伸长状态下也能够维持较高的压电性能。
加强颗粒的种类没有特别限定。例如可以使用二氧化钛、二氧化硅、钛酸钡等氧化物、橡胶、树脂等的颗粒。但是，在含有橡胶颗粒等较柔软的颗粒的情况下，施加的载荷因树脂颗粒而衰减，有可能难以向压电颗粒传递。从使力容易向压电颗粒传递，增大上述式(a)中的压电层的压电应变常数而增大电场强度的观点出发，作为加强颗粒，以采用弹性模量大于基体的弹性体的弹性模量的颗粒为宜。例如，从相对介电常数较小、且耐绝缘破坏性能的提高效果较大等理由出发，优选为二氧化钛等金属氧化物颗粒。作为金属氧化物颗粒的制造方法，从可得到结晶性较低、且相对介电常数较小的颗粒的理由出发，优选为溶胶凝胶法。
使在弹性体聚合物中加入压电颗粒的粉末、交联剂等而形成的组合物在规定的条件下固化来制造压电层。之后，对压电层实施极化处理。即，对压电层外加电压，使压电颗粒的极化方向与规定的方向一致。
本发明的发明人经过研究，已确认：在薄膜状的压电元件中，与压电层的拉伸方向垂直的截面积越小，则针对所施加的载荷的灵敏度越大。因此，优选压电层较薄。例如，压电层的厚度优选为200μm以下，进一步优选为100μm以下。另一方面，若过薄，则在极化处理时容易破坏绝缘。因此，压电层的厚度为10μm以上，进一步优选为20μm以上。
[电极层]
作为构成电极层的弹性体，与压电层的弹性体同样地，可以使用选自交联橡胶及热塑性弹性体中的一种以上。作为弹性模量较小且柔软、且相对于压电层的粘合性良好的弹性体，可列举为丙烯酸橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶、尿素橡胶、含氟橡胶、H-NBR等。
导电材料的种类没有特别限定。例如，从由银、金、铜、镍、铑、钯、铬、钛、铂、铁以及它们的合金等构成的金属颗粒、由氧化锌、二氧化钛等构成的金属氧化物颗粒、由碳酸钛等构成的金属碳化物颗粒、由银、金、铜、铂及镍等构成的金属纳米线、炭黑、碳纳米管、石墨及石墨烯等导电性碳材料中适当地选择即可。另外，也可以使用银包覆铜颗粒等由金属包覆的颗粒。作为导电材料，可以单独使用上述材料的一种或者两种以上混合使用。此外，作为其他成分，电极层还可以含有交联剂、分散剂、加强材料、增塑剂、防老化剂、着色剂等。
电极层的体积电阻率，在自然状态下以及从该自然状态直至向单个轴向伸长10％的状态的伸长状态下均为100Ω·cm以下。更优选为10Ω·cm以下。若电极层的电阻较大，则在压电层中产生的电动势在电极层处下降，从而输出的电压变小。即，传感器的S/N比降低。另外，若使用因伸长而电阻大幅上升的电极层，则自然状态下的输出和伸长状态下的输出大幅不同而产生不能正确地检测出载荷的问题。因此，将可伸缩且即使伸长也能够维持压电性的柔软的压电层和可伸缩且即使伸长也能够维持导电性的柔软的电极层组合，由此能够实现即使在伸长的状态下也能够使用的压电元件。
可以适当地决定导电材料的配合量，以使电极层能够实现所期望的体积电阻率。若导电材料的配合量增多，则能够降低电极层的体积电阻率但柔软性降低。例如，在使用科琴黑(注册商标)作为导电材料的情况下，以弹性体为100质量份计，导电材料的配合量优选为5质量份以上且50质量份以下。
<压电元件>
将压电层和电极层层叠而形成压电元件。例如，将一对电极层以在压电层中的压电颗粒的极化方向上分开的方式配置即可。当压电颗粒在压电层的厚度方向上极化的情况下，将一对电极层在压电层的厚度方向的两个面各配置一个即可。当压电颗粒在与压电层的厚度方向交叉的面方向上极化的情况下，将一对电极层以在与压电层的厚度方向交叉的一个面上分开的方式配置即可。电极层可以形成于压电层的整个表面，也可以仅形成于局部。
压电元件的断裂伸长率为10％以上。更优选为30％以上。在本说明书中，断裂伸长率是通过在JIS(日本工业标准)K6251：2010中规定的拉伸试验而测定的断裂时的伸长率的值。拉伸试验使用哑铃状5号形的试验片，以100mm/min的拉伸速度来进行。
压电元件的弹性模量优选为10MPa以上且500MPa以下。在本说明书中，弹性模量是根据在JIS K7127：1999中规定的拉伸试验而得到的应力-伸长曲线计算出的值。拉伸试验使用试验片类型2的试验片，以100mm/min的拉伸速度来进行。
优选压电元件在向单个轴向伸长10％的状态下满足下式(I)。下式(I)是表示柔软性以及在伸长时是否也能够使用的指标。即，满足下式(I)的压电元件柔软、且在伸长时也能够通过变形而产生电动势。另一方面，在不满足下式(I)的情况下，伸长时的电动势的变化较大，从而难以进行正确的传感。
0.5<V2/V1……(I)
[式(I)中，V1是自然状态下的压电元件的电动势(V)，V2是向单个轴向伸长10％的状态下的压电元件的电动势(V)。]
自然状态下的电动势V1按照如下方式测定即可。首先，将压电元件以不伸长的自然状态设置在高分子计器(株)制造的回弹性试验机中。接着，使以2000mm的悬垂长度悬挂的直径为14mm、质量为300g的钢球，以15mm的摆动宽度(水平方向上的相对于试验片的距离)进行钟摆运动而与压电元件碰撞。然后，使用示波器(Tektronix公司制造的“TPS2012B”)测定碰撞时产生的电动势的峰值。重复五次该测定，将电动势的峰值的五次的平均值作为自然状态下的电动势V1。此外，将压电元件以向单个轴向伸长10％的状态设置在回弹性试验机(同上)中，将按照与上述相同的方法而测定的电动势的峰值的五次的平均值作为伸长状态下的电动势V2即可。
压电元件可以在压电层、电极层的基础上具有保护层。保护层配置为层叠在压电层及电极层中的至少电极层上即可。例如，在压电层与电极层的层叠体的层叠方向外侧的一方或两方配置保护层即可。另外，当多层层叠在一对电极层之间夹装有压电层而形成的单元的情况下，可以将保护层配置于在层叠方向上相邻的电极层之间。
优选保护层能够与压电层及电极层一起伸缩。优选在保护层中也使用选自交联橡胶及热塑性弹性体中的一种以上。通过配置弹性体制成的保护层，能够确保压电元件的绝缘性，并抑制由来自外部的机械应力而引起的压电元件的破坏。另外，如后所述，通过使保护层伸长，能够增加压电层的应变从而提高传感器的灵敏度。
作为弹性模量较小且柔软、且相对于电极层的粘合性良好的弹性体，可列举为天然橡胶、异戊二烯橡胶、丁基橡胶、丙烯酸橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶、尿素橡胶、含氟橡胶、NBR等。为了减小反复使用的情况下的传感器的灵敏度的变化，优选耐老化性优异的保护层。另外，保护层起到保护压电元件免于来自外部的机械应力的作用，因此优选磨损耐久性、撕裂耐久性优异的保护层。另外，为了防止伸长时保护层断裂而损坏压电元件，优选保护层的断裂伸长率大于压电层的断裂伸长率。
例如，在压电元件的层叠方向施加力的情况下(对压电元件进行压缩的情况下)，保护层在面方向上伸长，由此对压电层产生剪切力的作用。由此，在层叠方向的按压力的基础上，还对压电层施加面方向的拉伸力，由此，压电层的应变增大。其结果是，在压电层产生的电荷量增大，传感器的灵敏度提高。保护层的拉伸方向的弹性模量越小则由保护层带来的灵敏度提高的效果越显著。优选保护层的弹性模量小于与保护层相邻且由一对电极层和在该一对电极层之间夹装的压电层构成的一组层叠体的总弹性模量。在这里，一组层叠体的总弹性模量是指压电层的弹性模量和一对电极层的弹性模量之和。
弹性模量可以通过将纵轴设为应力、横轴设为伸长率(应变)的应力-伸长率(应变)曲线的斜率来得到。但是，在弹性体的情况下，伴随应变的增加，斜率发生变化，因此，弹性模量的值根据是在何处的应变区域求出斜率而有所不同。以往的PZT所代表的压电陶瓷、PVDF、聚乳酸所代表的压电树脂仅能够在伸长率极小的区域中使用，因此仅考虑应变量极小的区域的弹性模量即可。但是，本发明的压电传感器柔软且可伸缩，因此还需要考虑到伸长率较大(应变较大)的区域中的弹性模量而进行设计。
例如，保护层在伸长率为25％以下的区域能够弹性变形，该区域的保护层的弹性模量优选为小于50MPa。若以公式表示上述内容，则形成下式(α)。伸长率为25％以下的区域的保护层的弹性模量更优选为小于20MPa，进一步优选为小于10MPa。
[数1]
另外，保护层的拉伸方向的弹性模量与压电层的拉伸方向的弹性模量之差越小则由保护层带来的灵敏度提高效果越显著。因此，保护层、以及由一对电极层和在该一对电极层之间夹装的压电层构成的一组层叠体，在伸长率为25％以下的区域能够弹性变形，进一步的，伸长率为10％以上且25％以下的区域的保护层的弹性模量和一组层叠体的总弹性模量优选满足下式(β-1)。更优选满足下式(β-2)。在保护层和一组层叠体满足式(β-1)或式(β-2)的情况下，即使在伸长10％以上的状态下，也能够提高传感器的灵敏度。
[数2]
弹性体的泊松比约为0.5。因此，在保护层由弹性体构成的情况下，在厚度方向上施加的力直接作为面方向上的力而发挥作用。因此，保护层的厚度越大，则压电层的应变增大效果越大，传感器的灵敏度提高效果越大。另一方面，若保护层的厚度变大，则压电元件变大。因此，根据设置场所、用途而适当设定保护层的厚度即可。例如，以5μm以上5mm以下为宜。
<压电传感器>
使用附图对本发明的压电传感器的一个实施方式进行说明。图1表示本实施方式的压电传感器的俯视图。图2表示图1的II-II剖面图。在图1中，以透过保护层13a的方式来进行表示。如图1、图2所示，压电传感器1具备压电元件10和控制电路部30。压电元件10具备压电层11、一对电极层12a、12b和一对保护层13a、13b。压电元件10的断裂伸长率为50％。
压电层11含有X-NBR和钛酸钡颗粒。压电层11呈正方形的薄膜状。对压电层11实施了极化处理，钛酸钡颗粒在压电层11的厚度方向(上下方向)上极化。电极层12a含有丙烯酸橡胶、导电性炭黑以及碳纳米管。电极层12a呈正方形的薄膜状。电极层12a配置于压电层11的上表面。在电极层12a的右端连接有配线20a。电极层12b与电极层12a由相同的材料构成，呈正方形的薄膜状。电极层12b配置于压电层11的下表面。在电极层12b的右端连接有配线20b。从上方观察，压电层11和电极层12a、12b的大小相同。电极层12a、12b的自然状态下的体积电阻率为0.2Ω·cm，向左右方向(单个轴向)伸长10％的状态下的体积电阻率为0.1Ω·cm。保护层13a由硅橡胶制成，呈正方形的薄膜状。保护层13a比压电层11及电极层12a、12b大，并且从上方将压电层11和电极层12a、12b覆盖。保护层13b由硅橡胶制成，呈正方形的薄膜状。保护层13b比压电层11及电极层12a、12b大，将电极层12b的下表面覆盖。电极层12a与控制电路部30通过配线20a而电连接。电极层12b与控制电路部30通过配线20b而电连接。若对压电元件10施加载荷，则在压电层11中产生电荷。产生的电荷在控制电路部30中被检测为电压、电流的变化。由此，检测出所施加的载荷。
在本实施方式中，构成压电元件10的压电层11以及电极层12a、12b的基体均为弹性体。另外，保护层13a、13b也由弹性体制成。而且，压电元件10的断裂伸长率为10％以上。因此，压电元件10柔软且可伸缩。因此，即使将压电元件10配置于伸长或弯曲的被粘物，也难以阻碍被粘物的运动。另外，即使在被粘物具有复杂的形状的情况下，也能够沿其形状而配置压电元件10。
电极层12a、12b在自然状态下以及从该自然状态直至向单个轴向伸长10％的状态的伸长状态下的体积电阻率为100Ω·cm以下。即，电极层12a、12b不仅在自然状态下具有较高的导电性，即使在向单个轴向伸长到最大10％的伸长状态下，电阻的增加也较小且具有较高的导电性。因此，即使在伸长的状态下，输出也难以降低，能够正确地检测出施加在压电层11的载荷。
由此，根据压电传感器1，可配置于伴随弯曲、伸长、压缩等变形的被粘物，不仅在被粘物未变形的状态下，即使在变形时也能够检测出施加于被粘物的载荷。即，即使在被粘物的一次变形状态下进一步产生二次变形的情况下，也能够检测出施加于被粘物的载荷。
压电传感器1与静电电容式传感器相比，传感器的灵敏度(S/N比)较高，因此容易检测出较小的载荷。另外，以电压值、电流值检测出载荷，因此，与根据静电容量而检测出载荷的情况相比，能够简化电路结构。另外，不需要向压电元件10通电，因此，也不需要用于驱动的电源。另外，如果对压电元件10的静电容量也进行测定，还能够对压电传感器1附加作为静电电容式传感器的功能。例如，能够根据静电容量的变化检测面压分布等的静载荷，并且能够根据电压的变化检测振动等的动载荷。
实施例
下面，列举实施例对本发明进行更具体的说明。
<压电层的制造>
[压电层1-4]
首先，将100质量份的作为弹性体的羧基改性氢化丁腈橡胶聚合物(朗盛公司制造的“Therban(注册商标)XT8889”)溶解于乙酰丙酮中，制备聚合物溶液。接着，在制备的聚合物溶液中加入作为压电颗粒的钛酸钡的粉末(共立材料(株)制造的“BT9DX-400”)并进行混炼。以聚合物成分为100质量份计，钛酸钡粉末的配合量，如后述的表1、表2所示，在压电层1中为650质量份，在压电层2中为480质量份，在压电层3中为350质量份，在压电层4中为800质量份。接着，反复五次使混炼物通过三辊磨，得到浆料。然后，向得到的浆料中加入5质量份的作为交联剂的四(2-乙基己氧基)钛，使用空气搅拌机混炼后，通过棒式涂布法将浆料涂布在基材上。在150℃下对其加热1小时，制备厚度为50μm的压电层1-4。
[压电层5]
除了使用聚氨酯聚合物(东曹(株)制造的“N5139”)作为弹性体这一点、以及使用2质量份的聚异氰酸酯(东曹(株)制造的“CORONATE(注册商标)HX”)作为交联剂这一点以外，按照与压电层2同样的方法制备压电层5。
[压电层6]
首先，在将作为弹性体的硅橡胶聚合物(信越化学工业(株)制造的“KE-1935”)的A液和B液以相同质量混合而得到的混合液100质量份中，加入钛酸钡粉末(同上)480质量份并进行混炼。接着，反复五次使混炼物通过三辊磨，得到浆料。然后，通过棒式涂布法将得到的浆料涂布在基材上。在150℃下对其加热1小时，制备厚度为50μm的压电层6。
[压电层7]
除了使用1050质量份的锆钛酸铅粉末(林化学工业(株)制造的“PZT-ALT)作为压电颗粒以外，按照与压电层5同样的方法制备压电层7。
[压电层8]
除了使用350质量份的铌酸钾粉末(Furuuchi Chemical(株)制造的“PiezoFine”)作为压电颗粒这一点以外，按照与压电层5同样的方法制备压电层8。
[压电层9-11]
在压电层2的制备中使用的浆料中，加入5质量份的作为交联剂的四(2-乙基己氧基)钛和作为加强颗粒的二氧化钛溶胶并使用空气搅拌机进行混炼后，通过棒式涂布法将浆料涂布在基材上。在150℃下对其加热1小时，制备厚度为50μm的压电层9-11。以浆料中的聚合物成分为100质量份计，二氧化钛溶胶的配合量如后述的表2所示，在压电层9中为1质量份，在压电层10中为5质量份，在压电层11中为20质量份。
二氧化钛溶胶按照如下方式制备。首先，在0.01mol的作为有机金属化合物的四异丙氧基钛中加入0.02mol的乙酰丙酮使其螯合。接着，在得到的螯合物中一边添加0.083mol的异丙醇、0.139mol的甲基乙基酮和0.08mol水一边进行搅拌，在添加结束后升温到40℃并进一步搅拌2小时。然后，在室温下静置一夜，得到二氧化钛溶胶。
[压电层12、13]
在压电层2的制备中使用的浆料中，加入分散有加强颗粒的浆料，并进一步加入5质量份的作为交联剂的四(2-乙基己氧基)钛并使用空气搅拌机进行混炼后，通过棒式涂布法将浆料涂布在基材上。在150℃下对其加热1小时，制备厚度为50μm的压电层12、13。以浆料中的聚合物成分为100质量份计，分散有加强颗粒的浆料的配合量如后述的表2所示，在压电层12中为5质量份，在压电层13中为20质量份。
分散有加强颗粒的浆料按照如下方式制备。首先，向将羧基改性氢化丁腈橡胶聚合物(同上)溶解于乙酰丙酮而制备的聚合物溶液中，加入作为加强颗粒的二氧化钛粉末(锐钛矿型，和光纯药工业(株)，产品代码205-01715)并进行混炼。接着，反复五次使混炼物通过三辊磨，得到分散有加强颗粒的浆料。
[压电层14]
除了使用480质量份的钛酸钡颗粒的结合体的粉末a(日本化学工业(株)制造的“BTD-UP”)作为压电颗粒这一点以外，按照与压电层1-4同样的方法制备压电层14。
[压电层15]
除了使用480质量份的钛酸钡颗粒的结合体的粉末b作为压电颗粒这一点以外，按照与压电层1-4同样的方法制备压电层15。所使用的钛酸钡颗粒的结合体的粉末b是通过对钛酸钡粉末(单颗粒的粉末，日本化学工业(株)制造的“BT-UP2”)在1050℃下烧制180分钟之后使用球磨机进行粉碎而制造的。
图7表示烧制前的钛酸钡粉末(单颗粒)的SEM照片。图8表示烧制及粉碎后的钛酸钡粉末b(结合体)的SEM照片。如图7、图8所示，可确认：通过烧制及粉碎，生成了由多个钛酸钡颗粒集合而成的结合体。
[压电层a]
为了进行比较，将由PVDF(Kureha Elastomer(株)制造)构成的厚度为40μm的压电层作为压电层a。
[压电层b]
为了进行比较，将钛酸钡颗粒分散于环氧树脂而形成的压电层作为压电层b。压电层b按照如下方式制备。首先，向100质量份的双酚A(三菱化学(株)制造的“jER(注册商标)828”)中加入4.8质量份的作为固化剂的酚醛线型(Phenol novolac)树脂(昭和电工(株)制造的“BRG#558”，制备聚合物溶液。接着，在制备的聚合物溶液中，加入480质量份的钛酸钡粉末(同上)并进行混炼。接着，反复五次使混炼物通过三辊磨，得到浆料。然后，通过棒式涂布法将得到的浆料涂布在基材上。在150℃下对其加热1小时，制备厚度为50μm的压电层b。
<电极层的制备>
[电极层1]
首先，将100质量份的作为弹性体的含环氧基的丙烯酸橡胶聚合物(日本ZEON(株)制造的“Nipol(注册商标)AR42W”)溶解于丁基溶纤剂醋酸酯中，制备聚合物溶液。接着，在制备的聚合物溶液中，添加导电性炭黑(Lion(株)制造的“科琴黑EC600JD”)10质量份、碳纳米管(昭和电工(株)制造的“VGCF(注册商标)”)16质量份、以及作为分散剂的聚酯酸酰胺胺盐(Polyester acid amide amine salt)12质量份，并使用珠磨机使其分散，制备导电涂料。接着，通过棒式涂布法将导电涂料涂布在脱模处理后的由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的薄膜上。在150℃下对其加热1小时，制备厚度为20μm的电极层。
[电极层2]
除了未配合碳纳米管及分散剂而制备导电涂料这一点以外，按照与电极层1同样的方式制备电极层2。
[电极层3]
除了将导电性炭黑从Lion(株)制造的“科琴黑EC600JD”变更为三菱化学(株)制造的“#3050B”、且未配合碳纳米管及分散剂而制备导电涂料这一点以外，按照与电极层1同样的方式制备电极层3。
[电极层4]
通过棒式涂布法将银浆(藤仓化成(株)制造的“Dotite(注册商标)D-362”)涂布在脱模处理后的PET薄膜上。在150℃下对其加热1小时，制备厚度为20μm的电极层4。
<保护层的制备>
[保护层]
将硅橡胶聚合物(信越化学工业(株)制造的“KE1935”)的A液与B液以相同质量混合并进行真空脱泡去除气泡后，通过棒式涂布法涂布在脱模处理后的PET薄膜上。在150℃下对其加热1小时，制备厚度为10μm的保护层。
<压电元件的制备>
将制备的压电层、电极层、保护层适当组合，按照如下方式制备各种压电元件。首先，在压电层的厚度方向的两个表面(上表面和下表面)配置各个电极层，使用层压机(FUJIPLA(株)制造的“LPD3223”)将压电层和电极层压接。接着，将预先实施了准分子处理的保护层层叠在电极层上，使用层压机(同上)将保护层和电极层压接。在准分子处理中使用了滨松光子学(株)制造的准分子灯光源“FLAT EXCIMER”。在得到的由保护层/电极层/压电层/电极层/保护层构成的层叠体的电极层上连接直流电源，对压电层外加1小时的10V/μm的电场，进行极化处理。图9表示所制备的压电元件的上下方向剖面图。如图9所示，从上方依次层叠保护层43a、电极层42a、压电层41、电极层42b、保护层43b而形成压电元件40。制备的压电元件具有长、宽为30mm的正方形的检测部。
<压电元件的评价>
表1及表2表示制备的压电元件的结构、特性及评价结果。表1及表2中的ε(相对介电常数)、体积电阻率、弹性模量、断裂伸长率、电动势、伸缩耐久性的测定方法如下所述。
[弹性体的相对介电常数]
将未配合压电颗粒及加强颗粒而仅由聚合物制备的成形体设置于样品架(输力强公司制造，12962A型)，同时使用介电常数测定接口(同公司制造，1296型)以及频率响应分析仪(同公司制造，1255B型)测定相对介电常数(频率为100Hz)。
[压电颗粒、加强颗粒的相对介电常数]
在通过测定而已知相对介电常数的弹性体的聚合物中配合压电颗粒或加强颗粒而制备复合体。此时，制备配合量不同的各种复合体，并按照测定弹性体的相对介电常数时的相同方法测定各个复合体的相对介电常数。然后，由下式(b)算出所配合的颗粒的相对介电常数。
Logε＝VfLogεf+VpLogεp……(b)
[ε：复合体的相对介电常数，Vf：颗粒的体积比率(％)，εf：颗粒的相对介电常数，Vp：弹性体的体积比率(％)，εp：弹性体的相对介电常数。]
[电极层的体积电阻率]
(1)自然状态下的体积电阻率
将厚度为20μm的电极层切割为宽度为10mm、长度为40mm的长方形作为试验片，在长度方向上离开20mm的位置标记标线。在标线位置安装铜箔制成的端子，测定标线间的电阻。基于测定的电阻值和试验片的尺寸，由下式(c)算出体积电阻率作为电极层的自然状态下的体积电阻率。
体积电阻率(Ω·cm)＝电阻值(Ω)×试验片的截面积(cm2)/标线间距离(cm)……(c)
(2)伸长状态下的体积电阻率
使用拉伸试验机((株)岛津制作所制造)使电极层的试验片向长度方向伸长。在使试验片伸长10％的状态下，测定标线间的电阻，并由上式(c)算出体积电阻率，作为电极层伸长10％时的体积电阻率。对试验片伸长50％的情况下也同样地算出体积电阻率，作为电极层伸长50％时的体积电阻率。假定试验片的泊松比为0.5而算出伸长状态下的试验片的截面积。
[弹性模量]
对压电元件进行JIS K 7127：1999中规定的拉伸试验，根据得到的应力-伸长率曲线算出弹性模量。拉伸试验使用试验片类型2的试验片并以100mm/min的拉伸速度来进行。
[断裂伸长率]
对压电元件进行JIS K 6251：2010中规定的拉伸试验，算出断裂时的伸长率。拉伸试验使用哑铃状5号形的试验片并以100mm/min的拉伸速度来进行。
[电动势]
以类似于JIS K 6255：2013中规定的钟摆式试验的方法来测定电动势。首先，以自然状态将压电元件设置在高分子计器(株)制造的回弹性试验机中。接着，使以2000mm的悬垂长度悬挂的直径为14mm、质量为300g的钢球，以15mm的摆动宽度(水平方向上的相对于试验片的距离)进行钟摆运动而与压电元件碰撞。然后，使用示波器(Tektronix公司制造的“TPS2012B”)测定碰撞时产生的电动势的峰值。重复五次该测定，将电动势的峰值的五次的平均值作为自然状态下的电动势V1。另外，将压电元件以向单个轴向伸长10％的状态设置在回弹性试验机(同上)中，将按照与上述相同的方法而测定的电动势的峰值的五次的平均值作为伸长状态下的电动势V2。
[伸缩耐久性]
对压电元件进行伸缩试验，根据试验前后的电动势的变化对伸缩耐久性进行评价。在伸缩试验中，反复1万次使压电元件向面方向的一个方向伸长10％后复原的循环。伸缩以2个循环/秒的速度进行。而且，通过上述自然状态下的电动势的测定方法，测定试验前后的压电元件的电动势，并由下式(d)算出相对于初始的电动势的变化率。
电动势的变化率(％)＝V1/V3×100……(d)
[V1：初始(自然状态)的电动势(V)，V3：伸缩试验后的电动势(V)。]
首先，对压电层中不含有加强颗粒的实施例1-8的压电元件进行说明。如表1所示，根据实施例1-8的压电元件，压电元件的断裂伸长率为40％以上。电极层的体积电阻率在自然状态下以及伸长10％时为3Ω·cm以下，伸长50％时为5Ω·cm以下。由此，可以判断构成实施例1-8的压电元件的电极层满足在自然状态下以及从该自然状态直至向单个轴向伸长10％的状态的伸长状态下的体积电阻率为100Ω·cm以下的条件。另外，实施例1-8的压电元件的V2/V1的值大于0.5％，满足上述式(I)的条件。另外，已确认：反复伸缩之后的电动势的变化率也为150％以下，即使在反复伸缩之后电动势的变化也较小、且伸缩耐久性优异。另外，若压电元件的弹性模量较大，则有可能阻碍被粘物的运动。关于这一点，实施例1-8的压电元件的弹性模量为500MPa以下。因此，如表1中用○标记所示，已确认：实施例1-8的压电元件相对于被粘物的追随性良好，难以阻碍被粘物的运动。
与其相对，在具有PVDF制成的压电层的对比例1的压电元件以及具有将环氧树脂作为基体的压电层的对比例5的压电元件中，如表2所示，弹性模量较大，伸长后未能复原为原来的形状。因此，无法测定伸长状态下的电动势，未能对伸缩耐久性进行评价。另外，在对比例2的压电元件中，由于压电颗粒的配合量较多，因此压电元件的弹性模量变大，断裂伸长率也不足10％。因此，无法测定伸长状态下的电动势，未能对伸缩耐久性进行评价。另外，在对比例3的压电元件中，在伸长时电极层的体积电阻率大幅增加，因此电动势大幅降低。另外，在具有银浆制成的电极层的对比例4的压电元件中，在伸长时电极层的体积电阻率大幅增加而成为绝缘状态，因此，无法测定伸长状态下的电动势，未能对伸缩耐久性进行评价。
接着，对压电层中含有加强颗粒的实施例9-13的压电元件进行说明。如表2所示，实施例9-13的压电元件的构成除了在压电层中配合有加强颗粒这一点以外，与实施例3的压电元件的构成相同。因此，实施例9-13的压电元件与实施例3的压电元件同样地，即使在反复伸缩之后电动势的变化也较小、且伸缩耐久性优异。另外，在实施例9-13的压电元件中，与实施例3的压电元件相比，自然状态下的电动势变大。这是由于配合有加强颗粒而带来的显著效果。另外，加强颗粒在表面具有羟基而与弹性体化学键合。因此，使反复伸缩后的电动势的变化率变得更小。
接着，对使用各个颗粒化学键合而形成的结合体作为压电颗粒的实施例14、15的压电元件进行说明。如表1、表2所示，实施例14、15的压电元件的构成除了使用的压电颗粒不同这一点以外，与实施例3的压电元件的构成相同。根据实施例14、15的压电元件，与使用钛酸钡颗粒(单粒)的实施例3的压电元件相比，弹性模量较小，断裂伸长率变大。另一方面，实施例14、15的压电元件的电动势大于实施例3的压电元件的电动势。而且，实施例14、15的压电元件的伸缩耐久性与实施例3的压电元件的伸缩耐久性的水平相同。这样，根据实施例14、15的压电元件，能够在确保较高的压电性的同时大幅提高柔软性。这是因为，若使用压电颗粒的集合体，则容易形成压电颗粒彼此的连接构造，因此，即使不增加压电颗粒的配合量也能够获得较高的压电性。
图10表示钛酸钡颗粒的体积比例与产生电场的关系。如图10所示，可知：在压电层14中使用的结合体的情况下，与在压电层1中使用的单颗粒相比，即使是较低的填充率也可产生较大的电场。同样地，可知：在压电层15中使用的结合体的情况下，与烧制前的单颗粒相比，即使是较低的填充率也可产生较大的电场。
作为一个例子，示出对实施例2的压电元件施加振动时产生的电动势的曲线图。图3是使压电元件向面方向的一个方向伸长1％的状态下在厚度方向上施加振动的情况下的电动势的曲线图。图4是使压电元件向面方向的一个方向伸长10％的状态下在厚度方向上施加振动的情况下的电动势的曲线图。在图3、图4中以粗线表示电动势，以细线表示载荷。使用(有)旭制作所制造的疲劳耐久试验机“APC-1000”对压电元件施加载荷p-p为1.7N的正弦波状的振动。
如图3、图4所示，可知：压电元件在伸长状态下也能够维持压电性能，从而能够检测出施加的载荷。
<压电元件中的保护层的研究>
改变保护层的种类、厚度而制造压电元件，测定自然状态下以及伸长状态下的电动势。压电元件的结构为保护层/电极层/压电层/电极层/保护层，制造方法与上述相同。作为保护层，使用以下三种。
[保护层1]
将硅橡胶聚合物(信越化学工业(株)制造的“KE2004-5”)的A液与B液以相同质量混合并进行真空脱泡去除气泡后，通过棒式涂布法涂布在脱模处理后的PET薄膜上。在150℃下对其加热1小时，制备厚度为1mm的保护层1。
[保护层2]
将硅橡胶聚合物(信越化学工业(株)制造的“KE1935”)的A液与B液以相同质量混合并进行真空脱泡去除气泡后，通过棒式涂布法涂布在脱模处理后的PET薄膜上。在150℃下对其加热1小时，制备厚度为1mm的保护层2。此外，保护层2与在上述实施例1-15的压电元件中使用的保护层的厚度不同。
[保护层3]
使用市售的NBR片材(商品代码“07-012-02-04”，厚度为2mm)。
在表3中示出压电元件的构成、层叠体的总弹性模量、保护层的弹性模量及断裂伸长率、压电元件的电动势的测定结果。弹性模量、断裂伸长率、电动势的测定依照上述方法进行。层叠体的总弹性模量是分别求出压电层的弹性模量和电极层的弹性模量并将它们相加而得到的值。伸长20％状态下的电动势是将压电元件以向单个轴向伸长20％的状态设置在回弹性试验机(同上)中而测定的电动势的峰值的五次的平均值。
如表3所示，保护层1、2的弹性模量小于10MPa，保护层1、2满足上述弹性模量的式(α)。另外，具有保护层1的实施例17的压电元件、具有保护层2的实施例18的压电元件均满足式(β-1)及式(β-2)。因此，在实施例17、18的压电元件中，与不具有保护层的实施例16的压电元件相比，电动势变大。可知：在实施例17、18的压电元件中，可充分发挥由保护层带来的压电层的应变增大效果。另外，在保护层的厚度为1mm的实施例18的压电元件中，与保护层的厚度为10μm的实施例15的压电元件相比，电动势变大。可以认为这是因为保护层的厚度越大则相应地压电层的应变增大效果越大。另一方面，在参考例的压电元件中，保护层3虽然满足上述弹性模量的式(α)，但不满足式(β-1)。因此，参考例的压电元件的电动势与不具有保护层的实施例16的压电元件的电动势水平相同。另外，在具有PVDF制成的压电层的对比例6的压电元件中，若伸长率达到10％以上，则层叠体超出弹性区域。即，已确认：对比例6的压电元件虽然具有柔软的保护层，但压电层的柔软性不足，因此无法使用在较大地伸长的用途中。
产业上的利用可能性
本发明的压电传感器能够应用于伸长或弯曲(反复进行伸缩、弯曲)的被粘物，因此适合作为不会妨碍生物体的自然的运动地对脉搏数、呼吸数等进行测量的可佩戴的生物信息传感器等。另外，不限于未伸长状态，在伸长的状态下也能够使用(可测量)，因此，在人体、机器人的需要伸缩的关节部、制造工序中的传感器设置面伸长并恢复的工序中也可以使用。另外，适合作为机器人(包括工业用、通信用)、医疗用、看护用、健康用、运动设备、汽车等的压力传感器。
本发明的压电传感器特别适合于作为与人相互接触的人机接口(HMI)的应用。例如，只要配置于床垫、轮椅的座位等，便可获取脉搏、位置、运动的信息。另外，通过配置于体育用品例如运动装等与身体接触(鞋、手套等可佩戴的)用具、球、球棒、球拍、各种防护用具、重量训练、行驶器材等体育用品而对接触的位置、其强度、重量(加速度)等进行测定，由此能够不损害运动感受地将训练的效果等数值化。当然，不限于体育、医疗领域，对于日常用品(衣服、帽子、眼镜、鞋、皮带、口罩、挂饰等)也可以同样地适用。可以将数值化的数据、信息发送给IOT(Internet of Things)设备作为控制手段。

Claims (9)

1.一种压电传感器，具备压电元件，该压电元件具有含有弹性体及压电颗粒的压电层、以及含有弹性体及导电材料的电极层，
该压电元件的断裂伸长率为10％以上，
该电极层在自然状态下以及从该自然状态直至向单个轴向伸长10％的状态的伸长状态下的体积电阻率为100Ω·cm以下。
2.根据权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述压电元件在向单个轴向伸长10％的状态下满足下式(I)，
0.5<V2/V1……(I)
[式(I)中，V1是自然状态下的压电元件的电动势(V)，V2是向单个轴向伸长10％的状态下的压电元件的电动势(V)]。
3.根据权利要求1或2所述的压电传感器，其特征在于，所述压电元件具有层叠在所述压电层及所述电极层中的至少所述电极层上的保护层。
4.根据权利要求3所述的压电传感器，其特征在于，所述保护层的弹性模量小于与该保护层相邻且由一对所述电极层和在该一对电极层之间夹装的所述压电层构成的一组层叠体的总弹性模量。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的压电传感器，其特征在于，所述压电颗粒是多个压电颗粒集合而成的集合体。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的压电传感器，其特征在于，在所述压电层中，所述弹性体和所述压电颗粒化学键合。
7.根据权利要求6所述的压电传感器，其特征在于，所述压电颗粒经过表面处理。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的压电传感器，其特征在于，所述压电层含有相对介电常数为100以下的加强颗粒。
9.根据权利要求8所述的压电传感器，其特征在于，所述加强颗粒为金属氧化物。
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