CN109952496A - 压电层叠体元件以及使用了其的载荷传感器和电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供即使是利用以往的压电元件也无法获得输出电压的静态载荷的情况下，也可输出恒定的输出电压的压电层叠体元件。将在聚乳酸膜等的面方向表现出压电性的压电性高分子膜层层叠多层而成的压电层叠体用于压电层叠体元件。将压电层叠体制成圆筒状、圆角长方形等一部分具有曲线部的形状时，能够获得如下的压电层叠体元件：其输出电压追随着施加载荷的增减，并且，在持续施加恒定载荷的情况下，持续输出恒定的输出电压，即使是静态载荷也会输出恒定的输出电压。

Description

压电层叠体元件以及使用了其的载荷传感器和电源
技术领域
本发明涉及使用了压电性高分子膜的压电层叠体元件。
背景技术
已知通过对实施了拉伸的聚乳酸膜设置导电层而用作高分子压电材料。专利文献1提出了：使用这种压电材料将机械振动转换成电压并进行检测的传感器、利用了通过对电极施加信号电压而产生的振动的压电扬声器。
以往的压电元件根据位移的加速度而输出电压，因此，若施加在微秒水平的短时间内瞬间变化的动态载荷，则可获得大的输出电压。但是，在经数秒以上而缓慢变化的载荷、保持恒定的载荷的静态载荷的条件下，压电元件的位移的加速度变小，因此，压电元件的输出电压也几乎变为零，难以检测载荷。因而，为了检测压电元件的输出电压几乎变为零那样的静态载荷，提出了专利文献2那样的设置有非线形挠曲构件的压敏传感器、专利文献3那样的另行设置有会产生动态载荷的压电元件的载荷传感器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-27038号公报
专利文献2：日本特开2003-106911号公报
专利文献3：日本实开平5-75634号公报。
发明内容
发明要解决的课题
专利文献2的压敏传感器以非线形挠曲构件的瞬间变形的形式检测速度缓慢的载荷变化。因此，为了获知持续施加有静态载荷这一情况，在压电元件的基础上需要判定手段电路。此外，专利文献3的载荷传感器中，除了成为检测部的压电元件之外，还需要连接有交流电源且反复伸缩并振动的压电元件。像这样，为了利用压电元件来检测静态载荷，需要其它电路、元件等，难以单独利用压电元件来检测静态载荷。
本发明是鉴于这种情况而做出的，其目的在于，提供即使是利用以往的压电元件无法获得输出电压的静态载荷，也可持续输出与所施加的静态载荷相符的大致恒定的输出电压的压电层叠体元件。
用于解决课题的手段
本发明人等发现：对于将在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜层层叠多层而成的层叠体，在载荷变得恒定后，也持续输出大致恒定的电压，并进一步研究，结果完成了本发明。
即，本发明包括以下的(1)~(11)的技术方案。
(1)本发明的压电层叠体元件，其特征在于，具备层叠有多层在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜层的层叠体，输出电压追随着对前述层叠体施加的载荷的增减，在前述施加的载荷为恒定载荷时，前述输出电压大致恒定。
(2)在(1)中，其特征在于，前述压电性高分子膜层的截面至少具有曲线部。
(3)在(2)中，其特征在于，前述压电性高分子膜层的截面具有前述曲线部以及与前述曲线部相连的直线部。
(4)在(1)~(3)的任一者中，其特征在于，前述压电性高分子膜层为聚L-乳酸膜层和/或聚D-乳酸膜层。
(5)在(1)~(4)的任一者中，其特征在于，前述层叠体是卷绕有第一导电层、前述压电性高分子膜层、第二导电层和绝缘层的卷绕层叠体。
(6)在(5)中，其特征在于，前述压电性高分子膜层和前述绝缘层是包含光学手性高分子的膜层，前述层叠体以对前述压电性高分子膜层施加电压时显现出压电特性的方向与对前述绝缘层施加与前述电压相反的电压时显现出压电特性的方向为相同方向的方式进行层叠。
(7)在(5)或(6)中，其特征在于，在前述卷绕层叠体的一个侧面形成与前述第一导电层导通的第一电极，在前述卷绕层叠体的另一个侧面形成与前述第二导电层导通的第二电极。
(8)在(5)~(7)的任一者中，其特征在于，前述卷绕层叠体的中心部不具有空间。
(9)在(5)~(7)的任一者中，其特征在于，前述卷绕层叠体的中心部具有空间。
(10)在(5)~(7)的任一者中，其特征在于，在前述卷绕层叠体的中心部插入有芯构件。
(11)在(5)~(7)的任一者中，其特征在于，利用高分子计器株式会社制的ASKER橡胶硬度计C型测定的硬度为70~100的范围。
(12)在(1)~(11)的任一者中，其特征在于，前述压电性高分子膜层的层叠数为80层以上。
(13)此外，本发明的载荷传感器，其特征在于，其包含(1)~(12)中任一项所述的压电层叠体元件以及与前述压电层叠体元件连接并检测其输出的检测装置。
(14)此外，本发明的电源，其特征在于，其使用了(1)~(12)中任一项所述的压电层叠体元件。
发明效果
根据本发明，能够提供即使是利用以往的压电元件无法获得输出电压的静态载荷，也可持续输出根据所施加的静态载荷而大致恒定的输出电压的压电层叠体元件。
附图说明
图1是示意性地示出压电层叠体元件的图。
图2是表示压电层叠体的层构成的图。
图3是表示压电层叠体元件的评价方法的图。
图4是表示实施例1的载荷与输出电压的关系的图。
图5是表示实施例1的输出电压相对于反复载荷的图。
图6是表示实施例2~5的载荷与输出电压的关系的图。
图7是表示作为比较例的平板压电层叠体元件的载荷与输出电压的关系的图。
图8是表示圆筒状的压电层叠体元件与输出电压的图。
图9是表示串联有2个压电层叠体元件时的输出电压的图。
具体实施方式
本发明的压电层叠体元件的特征在于，具备层叠有多层在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜层的层叠体，输出电压追随着对前述层叠体施加的载荷的增减，在所施加的载荷为恒定载荷时，输出电压大致恒定。本发明中，相对于恒定载荷输出电压大致恒定是指：在施加有恒定载荷的期间，持续输出在数秒钟以上的期间连续且同一极性的电压。在施加有恒定载荷的期间，输出电压随着时间而减少的情况下，5秒钟期间的输出电压的减少率为50%以下即可。如果5秒钟期间的输出电压的减少率为50%以下，则由于持续输出同一极性的电压，能够由输出电压判定持续施加有载荷，因此输出电压大致恒定。本发明的压电层叠体元件不包括检测静态载荷的其它手段，而能够提供在所施加的载荷为恒定载荷时大致恒定的输出电压。
本发明中，压电性高分子膜是在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜。此外，压电层叠体元件具备以在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜层的截面的至少一部分形成曲线部的方式层叠而成的压电层叠体。若对压电层叠体元件施加载荷，则在压电性高分子膜的厚度方向和面方向产生应力。认为本发明的压电层叠体元件在载荷变得恒定后，也会沿着曲线部持续产生由面方向的应力导致的形变，由此能够在长达数秒以上的时间内持续维持输出电压。
以下，针对本发明的实施方式，参照附图进行说明。图1是示意性地示出本发明的实施方式的压电层叠体元件1的图。对于本实施方式的压电层叠体元件1，在将在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜卷绕而制成卷绕层叠体的压电层叠体2的侧面形成第一电极8和第二电极9，并配置有取出电极3。压电层叠体2的形状可以为图1(a)那样的圆筒状，也可以为图1(b)所示那样的侧面形状具有曲线部以及与曲线部相连的直线部的圆角长方形。
圆角长方形的压电层叠体2可通过将压电性高分子膜卷绕成圆筒状后，进行压制加工来制作。图1(b)那样的圆角长方形在上下存在平面部，因此，容易稳定地设置压电层叠体元件1，能够将压电层叠体元件1用作施加载荷的底座。在压制加工时，可以以压电层叠体元件1的中心部不残留空间的方式进行压制加工，也可以以残留空间的方式进行压制加工。
此外，可以向压电层叠体元件1的中心部插入芯构件而形成卷绕层叠体。作为芯构件，没有特别限定，可列举出例如聚氨酯橡胶、硅橡胶、丙烯橡胶等橡胶类；丙烯酸类弹性体、聚氨酯弹性体、聚酯弹性体等弹性体类；或者其它添加有软质氯乙烯等增塑剂的塑料原材料等之类的具有柔软性的原材料；发泡苯乙烯、海绵等之类的多孔体；或者木材、金属、陶器、硬质氯乙烯、丙烯酸类、聚碳酸酯等硬质原材料。此外，不仅可以是这些单一的原材料，也可以将各种原材料加以组合。其中，比较优选为柔软的原材料。此外，形状也没有特别限定，可以为圆柱、椭圆柱之类的形状、多棱柱、不规则的形状。
如图2(a)中示意性示出的那样，压电层叠体2是长条的第一导电层4、压电性高分子膜层5、第二导电层6和绝缘层7重叠卷绕而成的层叠体。将压电层叠体2的层叠结构的一部分示于图2(b)。通过卷绕而依次层叠有第一导电层4/压电性高分子膜层5/第二导电层6/绝缘层7的结构反复层叠多层。在压电层叠体2的侧面形成第一电极8和第二电极9，自安装于第一电极8和第二电极9的取出电极3输出在压电性高分子膜层5中产生的电压信号。
第一导电层4和第二导电层6如图2所示那样地分别以自压电性高分子膜层5的一个端部或另一个端部起具有间隙的方式形成。更具体而言，第一导电层4在压电层叠体2的第一电极8侧向侧面露出，在第二电极9侧的侧面不露出。另一方面，第二导电层6在压电层叠体2的第二电极9侧向侧面露出，在第一电极8侧的侧面不露出。因此，在卷绕后通过对压电层叠体2的侧面进行利用导电性物质的喷镀(金属喷镀)、镀敷、蒸镀等的电极形成、或者利用导电性橡胶等易变形材料的电极形成，由此能够形成与第一导电层4电连接的第一电极8以及与第二导电层6电连接的第二电极9。需要说明的是，作为第一电极8和第二电极9的材料，可以使用铝、锌、锡、铅、镍、铁、铜、黄铜等以及它们的合金。此外，也可以通过涂布导电性糊剂、导电性粘接剂、粘接导电性片等来形成。
压电性高分子膜层5利用在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜来形成。即，压电性高分子膜层5通过对膜的面方向施加力而在膜的厚度方向产生电位差。作为在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜的例子，有作为光学手性高分子的聚L-乳酸(PLLA)膜、聚D-乳酸(PDLA)膜等。需要说明的是，聚偏二氟乙烯(PVDF)膜不是在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜。PLLA、PDLA不是聚偏二氟乙烯(PVDF)那样的通过离子极化而在厚度方向表现出压电性的物质，其具有通过使其沿着规定的轴方向发生取向而在膜的面方向表现出压电性的性质。
压电性高分子膜层5的1层的厚度可以为0.5μm以上、1μm以上、3μm以上、5μm以上或10μm以上，也可以为100μm以下、50μm以下、3025μm以下、20μm以下、15μm以下、10μm以下或8μm以下。
PLLA的取向膜表现出压电性的方向是取向膜层的主取向方向，简单来说，是相对于拉伸方向倾斜45°的方向。对PLLA的取向膜层的厚度方向施加电压的情况下，沿着相对于膜的拉伸方向倾斜45°的方向以剪切变形的形式表现出压电性。
作为在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜的聚L-乳酸(PLLA)或聚D-乳酸(PDLA)的光学纯度为80摩尔%以上。如果光学纯度为80摩尔%以上，则压电特性高、容易表现出本发明的效果。聚乳酸的光学纯度优选为90摩尔%以上、更优选为95摩尔%以上、进一步优选为98摩尔%以上。特别优选实质上仅由L-乳酸单元构成的聚L-乳酸或仅由D-乳酸单元构成的聚D-乳酸。光学纯度利用下述方法来确定。
首先，向聚丙烯制的管中称量0.1g样品，添加甲醇1mL和5mol/L的氢氧化钠水溶液1mL。接着，将装有样品溶液的前述管放入温度60℃的水浴中，搅拌30分钟直至样品完全水解为止。进而，将前述样品溶液冷却至室温后，添加0.25mol/L的硫酸进行中和，将0.1mL样品溶液分取至9cc螺管中，利用3mL流动相制备HPLC试样溶液。最后，将5μL的HPLC试样溶液注入至HPLC装置中，利用下述HPLC条件求出聚乳酸的D/L体峰面积，算出L体的量和D体的量，并利用下述式算出光学纯度：
光学纯度(%ee)＝100×｜L体量-D体量｜/(L体量＋D体量)
压电性高分子膜层5也可以使用PLLA或PDLA与其它单体的共聚物。除了L-(D-)乳酸单元之外的单元的含量优选为0~10摩尔%、更优选为0~5摩尔%、进一步优选为0~2摩尔%。
绝缘层7是用于使第一导电层4与第二导电层6电绝缘的层，可以利用通常使用的绝缘材料。例如，可以将双轴拉伸聚丙烯(OPP等聚丙烯系树脂或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等聚乙烯系树脂的膜用作绝缘层7。
此外，也可以是绝缘层7使用在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜，制成第一导电层4/第一压电性高分子膜层5/第二导电层6/第二压电性高分子膜层7的层叠结构。例如，将第一压电性高分子膜层5作为PLLA层，将第二压电性高分子膜层7作为PDLA层。并且，以对PLLA层的厚度方向施加电压时显现出压电特性的方向与对PDLA层的厚度方向施加与其相反的电压时显现出压电特性的方向为同一方向的方式进行层叠。换言之，PLLA层和PDLA层以相对于同一方向的变形在厚度方向产生正相反的电荷的方式进行层叠。如果这样进行层叠，则PLLA层中产生的电荷与PDLA层中产生的电荷不会相互抵消，能够得到更大的输出电压。
将第一压电性高分子膜层5和第二压电性高分子膜层7这两者制成PLLA层时或者将两者制成PDLA层时，在进行层叠时调整膜的拉伸方向，以第一压电性高分子膜层5与第二压电性高分子膜层7相对于同一方向的变形在厚度方向产生正相反的电荷的方式进行层叠。如果这样进行层叠，则不会使产生的电荷彼此相互抵消，能够得到更大的输出电压。
第一导电层4和第二导电层6只要是导电性材料即可，没有特别限定，优选使用选自铟、锡、锌、镓、锑、钛、硅、锆、镁、铝、金、银、铜、钯、钨中的至少1种金属、或者选自上述组中的至少1种金属的氧化物。第一导电层4和第二导电层6的形成方法没有特别限定，为了均匀地形成导电性，优选采用蒸镀法或溅射法。例如，如果导电材料使用铝，并利用蒸镀法或溅射法在压电性高分子膜表面成膜铝层，则能够在较低温度下进行成膜，因此，能够抑制压电性高分子膜的热损伤，生产率也优异。此外，在成膜铝层之前，也可以实施用于提高密合性的涂布。需要说明的是，除了这些手段之外，也可以通过导电性糊剂、导电性粘接剂的涂布、金属箔等导电性片状层叠来形成。
第一导电层4和第二导电层6的厚度没有特别限定，选择其表面电阻值优选为1×104Ω/□以下、更优选为5×103Ω/□以下、进一步优选为1×103Ω/□以下那样的厚度即可，例如，厚度优选设为15nm以上。进而，从导电性和层形成容易度的观点出发，优选为20nm~200nm、更优选为20nm~100nm。在这种厚度的情况下，表面电阻值变低且容易制成连续覆膜。此外存在如下倾向：不会因制膜时的热而对压电性膜造成损伤，容易进行卷绕而形成压电层叠体，还可确保压电层叠体的层间强度。
压电层叠体2可通过与卷绕电容器相同的制造方法进行制作。例如，将通过蒸镀在压电性高分子膜的一个面形成有第一导电层4且在另一个面形成有第二导电层6的膜与绝缘层7用的膜重叠并卷绕于线轴来形成。
压电性高分子膜层5的层叠数优选为80层以上。此处，层叠数是指在压电层叠体2的直径方向上层叠的压电性高分子膜层5的层数，相当于卷绕数的2倍。若层叠数为80层以上，则存在能够获得稳定的输出电压的倾向。层叠数更优选为400层以上，进一步优选为800层以上。如果层叠数为400层以上，则能够获得良好的输出电压的维持性，进而，通过设为800层以上，能够提高输出电压相对于所施加的载荷的载荷响应性。压电性高分子膜层5的层叠数可以为5000层以下、4000层以下、3000层以下、2000层以下或1500层以下。
此外，若压电层叠体2的利用ASKER橡胶硬度计C型(高分子计器株式会社制)测定的硬度为70~100的范围，则能够获得稳定的输出，故而优选。如果为该范围，则存在压电性高分子膜层间的束缚变得适当、容易对曲线部施加基于静态载荷的持续性形变的倾向。为了获得更高的输出电压，优选将硬度设为80~95的范围，更优选设为83~95的范围。另一方面，为了缩短相对于载荷变化的响应速度，硬度优选设为94~100的较高范围，更优选设为95~100的范围。
为了获得相对于静态载荷稳定的输出电压，优选在调整层叠数、硬度的同时，增大压电层叠体元件的静电容量。
实施例
(1)实施例1
・压电层叠体元件的制作
在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜层5使用聚L-乳酸(PLLA)膜，绝缘层7使用聚D-乳酸(PDLA)膜，制作实施例1的压电层叠体元件1。实施例1中，绝缘层7的PDLA膜也为在面方向表现出压电性的压电性高分子膜层，因此呈现第一导电层4/第一压电性高分子膜层5/第二导电层6/第二压电性高分子膜层7的层叠结构。
准备将通过铝蒸镀而以膜厚达到25nm的方式在一个面形成有第一导电层4且在另一个面形成有第二导电层6的膜宽54mm、厚度9μm的PLLA膜与厚度9μm、膜宽54mm的PDLA膜作为一对并重叠而成的多层膜。第一导电层4自PLLA膜的一个端部起隔开2mm间隙来作为绝缘边缘而形成，第二导电层6自PLLA膜的另一个端部隔开2mm间隙而形成。因此，夹着PLLA膜而相对的第一导电层4与第二导电层6的重合宽度、即有效电极宽度为50.0mm。PLLA膜与PDLA膜以相对于同一方向的变形在厚度方向产生正相反的电荷的方式调整各膜的拉伸方向而层叠。
将准备的多层膜卷绕500次，将所得圆筒状的卷绕体自上下方向用平板夹住，压制加工至中心的空间消失为止，形成图1(b)所示那样的圆角长方形的层叠体。将圆角长方形的层叠体进行热层压而将各层紧固，通过铝喷镀(金属喷镀)在压电层叠体2的侧面形成第一电极层和第二电极层后，进行热处理而得到实施例1的压电层叠体元件1。实施例1的形状示于表1。表1中的层叠数表示PLLA膜的层叠数，达到卷绕数的2倍、即1000层。PLLA膜层(第一压电性高分子膜层5)的层叠数与PDLA膜层(第二压电性高分子膜层7)的总层叠数达到2000层。以下，在实施例、比较例中，只要没有特别说明，则层叠数是PLLA膜层(第一压电性高分子膜层5)的层叠数。
压电层叠体元件1的外形的宽度是表1中的膜宽加上侧面的第一电极层8和第二电极层9的厚度而得的值，约等于膜宽。有效电极宽度是夹着PLLA膜层而相对的第一导电层与第二导电层的重合宽度。外长为圆角长方形的压电层叠体元件1的外形的长度，内长为通过压制加工而被压扁的中心部的长度。硬度是将经热处理的压电层叠体元件1静置在不锈钢板上，并利用ASKER橡胶硬度计C型(高分子计器株式会社制)对圆角长方形的平面部的中央测定3处而得的平均值。该硬度的测定按照JIS K7312和JIS S6050中记载的硬度试验来进行。此处，该试验机由对试验片表面进行加压的加压面、因弹簧压力而从设置于加压面的孔突出的抵针、以及将抵针被试验片面顶回的距离示作硬度的刻度构成，加压面的中心孔的直径为5.5mm，加压面的尺寸为44mm×18mm这一大小的长方形，抵针的形状是高度2.54mm、直径5.08mm的半球状，弹簧载荷在刻度0时为539mN(55g)，在刻度100时为8379mN(855g)。
[表1]
No. 层叠数(卷绕数量) 有效电极宽度[mm] 外长[mm] 内长[mm] 膜宽[mm] 厚度[mm] 硬度 维持性 响应性
实施例1 1000层(500次) 50.0 75.0 53.0 54.0 20.0 98.5 ◎ ◎
实施例2 100层(50次) 50.0 64.0 61.0 54.0 3.0 96.0 △ ○
实施例3 500层(250次) 15.0 64.5 53.0 19.0 10.5 97.2 ○ ○
实施例4 900层(450次) 50.0 38.5 20.0 54.0 19.0 92.5 ◎ ◎
实施例5 900层(450次) 50.0 39.0 20.0 54.0 18.9 88.5 ◎ ◎
・压电层叠体元件的评价
测定对压电层叠体元件1施加载荷时的输出电压。测定如图3所示，以压电层叠体元件1的一个平面部作为下侧并放置在刚体11上，在上侧的平面部重叠放置50mm×60mm、25mm×30mm、12mm×15mm、厚度各为1.9mm的3片丙烯酸类板10，以对平面部整体施加均匀载荷的方式，利用载荷试验机12在图的箭头方向上施加载荷。
由测定结果评价压电层叠体元件1的输出电压的维持性和输出电压的载荷响应性。输出电压的维持性通过将利用载荷试验机12对压电层叠体元件1施加的载荷设为恒定载荷后的输出电压的减少率来进行评价。将自输出电压达到最大的时刻起5秒后的输出电压的减少率为50%以下的情况记作△，将所述减少率为20%以下的情况记作○，将所述减少率为10%以下的情况记作◎。输出电压的载荷响应性通过将对压电层叠体元件1施加的载荷设为15N、50N、100N、200N、400N且保持恒定来进行测定，由各个载荷下的输出电压的最大值进行评价。将在15N~400N的范围内载荷的值与输出电压的最大值确认有比例关系的情况记作◎，将在低载荷下确认有比例关系但随着载荷变大输出电压饱和而在400N下不存在比例关系的情况记作○。将结果示于表1。
图4(a)~(d)是以10MΩ的负荷测定对实施例1的压电层叠体元件1施加以15N~300N作为峰值的静态载荷时的输出电压的结果。在所有测定中，压电层叠体元件1所输出的输出电压均随着所施加的载荷的增加而上升，若将载荷固定为峰值载荷，则输出电压也大致恒定。若在持续施加峰值载荷后逐渐减少载荷，则输出电压也随之减少，若载荷变为零，则输出电压也变为零。由图4(a)~(d)可知：在实施例1的压电层叠体元件1中，输出电压追随着所施加的载荷的增减，若所施加的载荷达到恒定载荷，则能够持续获得大致恒定的输出电压。
对于以往的压电元件而言，相对于施加恒定载荷那样的无变化的静态载荷，输出电压几乎为零。但是，实施例1可实现相对于静态载荷的施加，能够获得输出电压的压电层叠体元件1。
图5为对实施例1的压电层叠体元件1施加有周期性载荷时的输出电压。图5(a)和(c)分别是反复进行10次将10N和25N的载荷施加10秒钟这一作业时的输出电压。图5(b)和(d)分别是反复进行20次将10N和25N的载荷施加5秒钟这一作业时的结果。图5(a)~(d)中，压电层叠体元件的输出电压均追随着载荷的周期性变化而发生周期性变化。并且可知：在载荷恒定的期间内，输出电压也大致恒定。
(2)实施例2~5
作为实施例2~5，制作具有表1所示的层叠数、有效电极宽度、外长、内长、膜宽、厚度、硬度的压电层叠体元件1。关于制造方法，与实施例1同样地将通过铝蒸镀在一个面形成有第一导电层4且在另一个面形成有第二导电层6的厚度9μm的PLLA膜与厚度9μm的PDLA膜重叠并将由此得到的多层膜进行卷绕来制作。
关于实施例2~5，测定施加无载荷变动的静态载荷时的输出电压。将结果示于图6。图6(a)、(b)、(c)、(d)分别是实施例2、3、4、5的测定结果。在层叠数为100层的实施例2中，与其它实施例相比，在载荷恒定后，输出电压降低的倾向明显。但是，不使输出电压成为零而是持续地输出恒定的电压，能够实现静态载荷的检测。可知：与实施例2相比，层叠数为500层的实施例3和层叠数为900层的实施例4、5输出了与静态载荷更相符的电压。利用与实施例1相同的方法对实施例2~5的输出电压的维持性和输出电压的载荷响应性进行评价而得的结果示于表1。
为了对比而制作没有曲线部的平叠压电层叠体元件，进行输出电压的测定。将70mm×30mm的短条状且厚度9μm的PLLA膜和PDLA膜分别准备100片，并通过铝蒸镀在PLLA膜的一个面形成第一导电层4，并在PDLA膜的一个面形成第二导电层6。并且，将PLLA膜与PDLA膜交替层叠并通过热层压进行紧固后，利用铝喷镀(金属喷镀)，在压电层叠体的长度方向的侧面形成第一电极层8和第二电极层9，得到比较例1的平叠压电层叠体元件。比较例1的层叠结构是与图2(b)所示的第一导电层4/第一压电性高分子膜层5/第二导电层6/第二压电性高分子膜层7相同的结构，层叠数为100层(仅PLLA膜的层叠数)，有效电极面积为50mm×30mm。在比较例1的中央处，利用ASKER橡胶硬度计C型(高分子计器株式会社制)测定3处而得的硬度的平均值为99.0。
图7是以10MΩ的负荷测定对比较例1的平叠压电层叠体元件持续施加200N载荷时的输出电压的结果。比较例1中，使载荷恒定为200N的状态下的输出电压大致为0V，无法获得与静态载荷相符的输出电压。在没有曲线部的平叠压电层叠体元件的比较例1中，无法获得与静态载荷相符的输出电压，无法检测静态载荷。与此相对可知：在一部分具有曲线部的实施例1~5中，能够获得与静态载荷相符的输出电压，可用作静态载荷传感器等。
(3)实施例6
作为实施例6，制作图1(a)的圆筒型的压电层叠体元件1并进行评价。与实施例1同样地，将通过铝蒸镀而在一个面形成有第一导电层4且在另一个面形成有第二导电层6的厚度9μm、宽度54mm的PLLA膜与厚度9μm、宽度54mm的PDLA膜重叠并将由此得到的多层膜卷绕150次，得到在中心具有直径12mm的空洞的圆筒型的压电层叠体元件1。实施例6的层叠数为300层、有效电极宽度为50mm。为了即使施加载荷也不会压扁圆筒型的中心部的空洞而设置圆柱状的聚氨酯橡胶芯13。利用ASKER橡胶硬度计C型(高分子计器株式会社制)测定3处而得的硬度的平均值为84.0。
将实施例6的压电层叠体元件1如图8(a)所示那样地放置在刚体11上，在上部配置丙烯酸类板10，利用载荷试验机12在图的箭头方向上施加载荷。将利用载荷试验机12施加200N的载荷并以10MΩ的负荷测定输出电压的结果示于图8(b)。实施例6的压电层叠体元件1所输出的输出电压随着载荷的增加而上升，若载荷恒定为200N，则输出电压也大致恒定并持续输出。其后，若减少载荷，则输出电压也随之减少。可知：圆筒型的压电层叠体元件1也可根据静态载荷而输出电压，可用作静态载荷传感器等。
图9是在放置于刚体上的实施例4的压电层叠体元件1上重叠放置实施例5的压电层叠体元件1，并利用载荷试验机对实施例5的平面部施加400N载荷的测定结果。实施例4和实施例5以电串联的方式进行连接，并以10MΩ的负荷测定输出电压。
如图6(c)、(d)所示，对实施例4和实施例5的单体施加400N载荷时的输出电压为约1V和约0.7V。图9中，通过将实施例4与实施例5串联连接，能够得到1.6V的输出。对于以往的压电元件而言，由于难以使输出瞬间性地与相位保持一致，因此，即使将多个压电元件串联连接，也难以获得与单体的压电元件的情况相比更大的输出电压。但是，本发明的压电层叠体元件通过静态载荷而能够持续获得输出，因此，通过将多个压电层叠体元件串联连接并施加静态载荷，容易获得与单体形式的输出相比更大的输出电压。
实施例1~6的压电层叠体元件1即使对于静态载荷也输出电压，因此，如果将压电层叠体元件1用作载荷传感器，则能够利用简单的电路构成来实现载荷检测系统。因此，本发明还涉及作为载荷传感器的压电层叠体元件的使用或使用方法。将压电层叠体元件1用作载荷传感器时，该载荷传感器包括从压电层叠体元件取出信号的配线等要素、检测装置等。此外，与压电性高分子膜单体相比刚性更高，强度、耐久性更优异，即使施加大的载荷，发生破损的风险也小。例如，如果将本发明的压电层叠体元件用于座席的底座等，则能够根据压电层叠体元件1的输出信号判断因人就座而施加数秒钟以上的恒定载荷的状态的信号和因踢打座席等而施加冲击所产生的噪音信号。
此外，如果将压电层叠体元件1作为载荷传感器而设置于鞋底，则能够根据输出电压的持续时间长度来判断跑动时产生的信号和行走时产生的信号。
进而，本发明的压电层叠体元件通过静态载荷也能够获得输出电压，因此可作为至今未曾利用的将更低周期的振动转换成电能的能量收集装置而使用。因此，本发明还涉及作为能量收集装置或电源的压电层叠体元件的使用或使用方法。尤其是，无需设置整流电路、相位匹配电路而仅通过将多个压电层叠体元件串联连接即可累加电压，因此，能够用作大的输出电压的电源。
以上，针对本发明的优选实施方式进行详述，但本发明不限定于上述实施方式，可以在权利要求书所记载的本发明的主旨范围内进行各种变形、变更。
附图标记说明
1 压电层叠体元件
2 压电层叠体
3 取出电极
4 第一导电层
5 压电性高分子膜层、第一压电性高分子膜层
6 第二导电层
7 绝缘层、第二压电性高分子膜层
8 第一电极
9 第二电极
10 丙烯酸类板
11 刚体
12 载荷试验机
13 聚氨酯橡胶芯。

Claims (14)

1.压电层叠体元件，其特征在于，具备层叠有多层在膜的面方向表现出压电性的压电性高分子膜层的层叠体，
输出电压追随着对所述层叠体施加的载荷的增减，在所述施加的载荷为恒定载荷时，所述输出电压大致恒定。
2.根据权利要求1所述的压电层叠体元件，其特征在于，所述压电性高分子膜层的截面至少具有曲线部。
3.根据权利要求2所述的压电层叠体元件，其特征在于，所述压电性高分子膜层的截面具有所述曲线部以及与所述曲线部连接的直线部。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的压电层叠体元件，其特征在于，所述压电性高分子膜层为聚L-乳酸膜层和/或聚D-乳酸膜层。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的压电层叠体元件，其特征在于，所述层叠体是卷绕有第一导电层、所述压电性高分子膜层、第二导电层和绝缘层的卷绕层叠体。
6.根据权利要求5所述的压电层叠体元件，其特征在于，所述压电性高分子膜层和所述绝缘层是包含光学手性高分子的膜层，
所述层叠体以对所述压电性高分子膜层施加电压时显现出压电特性的方向与对所述绝缘层施加与所述电压相反的电压时显现出压电特性的方向为相同方向的方式进行了层叠。
7.根据权利要求5或6所述的压电层叠体元件，其特征在于，在所述卷绕层叠体的一个侧面形成与所述第一导电层导通的第一电极，在所述卷绕层叠体的另一个侧面形成与所述第二导电层导通的第二电极。
8.根据权利要求5~7中任一项所述的压电层叠体元件，其特征在于，所述卷绕层叠体的中心部不具有空间。
9.根据权利要求5~7中任一项所述的压电层叠体元件，其特征在于，所述卷绕层叠体的中心部具有空间。
10.根据权利要求5~7中任一项所述的压电层叠体元件，其特征在于，在所述卷绕层叠体的中心部插入有芯构件。
11.根据权利要求1~10中任一项所述的压电层叠体元件，其特征在于，利用高分子计器株式会社制的ASKER橡胶硬度计C型测定的硬度为70~100的范围。
12.根据权利要求1~11中任一项所述的压电层叠体元件，其特征在于，所述压电性高分子膜层的层叠数为80层以上。
13.载荷传感器，其包含权利要求1~12中任一项所述的压电层叠体元件以及与所述压电层叠体元件连接并检测其输出的检测装置。
14.电源，其使用了权利要求1~12中任一项所述的压电层叠体元件。
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