CN112655100A

CN112655100A - 压电元件

Info

Publication number: CN112655100A
Application number: CN201980058204.1A
Authority: CN
Inventors: 小笠原健; 清水聪; 川户进; 西川光辅
Original assignee: Toho Kasei Co Ltd
Current assignee: Toho Kasei Co Ltd
Priority date: 2018-09-06
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-04-13
Also published as: EP3848986A1; US20210351337A1; WO2020049912A1; JP6501958B1; JP2020043138A; EP3848986B1; US11925121B2; EP3848986A4

Abstract

本发明的目的在于提供具有整体呈细长的线状的形态的压电元件，其是柔软性和耐弯曲性优异的新的压电元件。该压电元件包括：在树脂线螺旋状地卷绕至少1层金属箔而得到的芯线；包覆所述芯线的有机压电体层；和包覆所述有机压电体层的导电体层，所述金属箔和所述导电体层作为在它们之间插入了所述有机压电体层的电极分别发挥作用，在所述树脂线螺旋状地间隙卷绕所述至少1层所述金属箔，间隙相对于所述金属箔的螺旋节距的比例为0.4～50％。

Description

压电元件

技术领域

本发明涉及压电元件，更详细而言，涉及能够成为电缆状或金属线状等的、具有整体呈细长的线状的形态的压电元件。

背景技术

压电元件是使用了压电体的元件，例如通过利用压电体的正压电效应(将施加至压电体的外力转换为电压)作为传感器，此外，利用压电体的逆压电效应(将施加至压电体的电压转换为力)作为致动器，在各种各样的用途中使用。

该压电元件中，作为具有整体呈细长的线状的形态的压电元件，现有技术已知有同轴电缆状的压电元件。例如，在非专利文献1中，公开有一种压电电缆，其具有在芯线(内部导体)螺旋状地卷绕PVDF压电薄膜胶带(压电体)并利用铜编织线(外部导体)进行覆盖，进一步利用聚乙烯外覆进行包覆的结构。此外，在专利文献1中，公开有一种压电金属线，其包括导电性金属线、包覆导电性金属线的高分子压电体层和在高分子压电体层的外侧的表面配置的导电体层，该压电金属线的高分子压电体层含有β型聚偏二氟乙烯共聚物，导电性金属线的线径为1.0mm以下。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-183570号公报

非专利文献

非专利文献1：オンラインカタログ“PIEZO FILM PRODUCT INFORMATION”，p15，“ピエゾポリマー同軸ケーブル”，[online]，2012年4月，株式会社東京センサ，[平成30年8月23日検索]，インターネット＜URL:http://www.t-sensor.co.jp/catalog/PIEZO2012.pdf＞

发明内容

发明要解决的课题

但是，非专利文献1中记载的压电电缆，使用金属的绞线(线径1.02mm)作为芯线，包含至聚乙烯的外覆的整个电缆的线径成为2.67mm。该压电电缆虽然具有可挠性，不过还是很硬，当以小的曲率半径弯折时可能在芯线残留变形痕迹，此外，当反复弯折时芯线可能断裂而导通被截断，因此不能再作为压电元件发挥作用。此外，专利文献1中记载的压电金属线，虽然具有可挠性，使用金属的单线或绞线但是作为芯线(专利文献1的第0045和0050段)，柔软性和耐弯曲性不够。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供具有整体呈细长的线状的形态的压电元件，其是柔软性和耐弯曲性优异的新的压电元件。

用于解决课题的方法

根据本发明，提供一种压电元件，其包括：

在树脂线螺旋状地卷绕至少1层金属箔而得到的芯线；

包覆所述芯线的有机压电体层；和

包覆所述有机压电体层的导电体层，

所述金属箔和所述导电体层作为在它们之间插入了所述有机压电体层的电极分别发挥作用，在所述树脂线螺旋状地间隙卷绕所述至少1层所述金属箔，间隙相对于所述金属箔的螺旋节距的比例为0.4～50％。

即，根据本发明，使用在树脂线螺旋状地卷绕至少1层金属箔而得到的芯线，利用有机压电体层包覆该芯线，并进一步利用导电体层进行包覆，构成压电元件。该本发明的压电元件能够作为具有整体呈细长的线状的形态的压电元件。本发明的压电元件因为使用在树脂线螺旋状地卷绕有至少1层金属箔的芯线，使用即使以小的曲率半径弯曲也不易在芯线残留变形痕迹，由此，柔软性优异，且即使反复弯曲芯线也不易断裂而使得导通被截断，由此，耐弯曲性优异。

在本发明的1个方式中，也可以在所述树脂线螺旋状地卷绕2层以上金属箔。

在本发明的1个方式中，所述树脂线也可以由选自芳香族聚酰胺、脂肪族聚酰胺、聚酯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚芳酯、聚烯烃、聚氨酯和碳纤维的至少1种材料构成。

在本发明的1个方式中，所述金属箔能够具有6～100μm的厚度和/或能够具有0.02～2mm的宽度。

在本发明的1个方式中，所述芯线能够具有0.05～1.5mm的外形尺寸。

在本发明的1个方式中，所述有机压电体层能够具有1～200μm的厚度。

在本发明的1个方式中，所述有机压电体层能够为包含选自偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物和偏二氟乙烯与四氟乙烯的共聚物的至少1种共聚物的材料。

在本发明的1个方式中，所述压电元件也可以进一步包括包覆所述导电体层的绝缘体层。

本发明的压电元件例如能够作为传感器和致动器的任一种器件或两者使用。

发明的效果

根据本发明，提供具有整体呈细长的线状的形态的压电元件，其是柔软性和耐弯曲性优异的新的压电元件。

附图说明

图1是表示本发明的1个实施方式的压电元件的概略图，(a)表示压电元件的部分切除侧视图，(b)表示沿(a)的A-A线的截面图，(c)表示(b)的变形例。

图2是表示本发明的1个实施方式的压电元件中能够使用的芯线的概略图，(a)表示芯线的侧视图，(b)表示沿(a)的B-B线的截面图，(c)表示(b)的变形例。

图3是表示来自本发明的实施例的压电元件的输出的一个例子的、电压信号的时间变化曲线。

图4是表示来自本发明的实施例的压电元件的输出的另一个例子的、电压信号的时间变化曲线。

图5是表示来自本发明的实施例的压电元件的输出的又一个例子的、电压信号的时间变化曲线。

具体实施方式

以下，参照附图，详细说明本发明的实施方式。另外，所附的图中，利用黑色圆圈示意地表示电极端子。

参照图1，本实施方式的压电元件20具有在树脂线1螺旋状地卷绕至少1层金属箔3而得到的芯线5、包覆芯线5的有机压电体层7和包覆有机压电体层7的导电体层9，根据情况，进一步具有包覆导电体层9的绝缘体层11。在压电元件20，金属箔3和导电体层9作为在它们之间插入了有机压电体层7的电极分别发挥作用(参照图1(b))。该压电元件20具有能够称为电缆状或金属线状等的、整体呈细长的线状的形态，以作为整个压电元件具有柔软性的方式构成。在压电元件20，芯线5、有机压电体层7、导电体层9，以及在存在的情况下绝缘体层11，能够在大致同轴上配置，不过本发明并不限定于该结构。

本实施方式的压电元件20能够如以下那样制造。

如图2所示，本实施方式中能够使用的芯线5具有在树脂线1螺旋状地卷绕有至少1层金属箔3的结构即可。芯线5通过具有该结构，能够在在拉伸的情况下拉伸应力主要对树脂线1发挥作用而整个芯线5伸展，优选能够表现出3％以上的拉伸度，在以比较小的曲率半径弯折的情况下(例如在实施后述的柔软性试验的情况下)，也不会在芯线5残留变形痕迹，表现出优异的柔软性。此外，芯线5通过具有该结构，即使反复弯曲导通也不易被截断(例如，即使在后述的耐弯曲性试验中实施5000次以上的反复弯曲也能够维持导通)，表现出优异的耐弯曲性。因此，使用该芯线5的本实施方式的压电元件20能够获得柔软性和耐弯曲性优异的效果。

树脂线1作为由树脂材料构成的整体为线状的部件即可。作为该树脂材料的例子，能够列举选自芳香族聚酰胺(芳纶，例如对位型芳纶、元型芳纶等)、脂肪族聚酰胺(尼龙)、聚酯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚芳酯、聚烯烃、聚氨酯和碳纤维(例如碳纳米管(CNT)等)的至少1种材料。

树脂线1实质上能够具有圆形、椭圆、矩形、多边形等任意的截面形状，既可以为空心和实心的任一种，也可以为单线、绞线和编织线等。树脂线1的外形尺寸D₁(在具有非圆形截面的情况下为截面的最大的外形尺寸，在具有圆形截面的情况下为外径，以下相同)没有特别限定，能够考虑对芯线5期望的外形尺寸和在树脂线1卷绕的金属箔3的厚度(在为2层以上的金属箔的情况下，为它们的总厚度)等，适当地选择。树脂线1的外形尺寸D₁例如能够为0.05～2mm，特别能够为1mm以下，尤其能够为0.5mm以下。

金属箔3为由金属材料构成的箔状(或层状)的部件即可。作为金属材料，能够使用表现出适合于作为电极发挥作用的高的导电性的(因此，有助于作为整个压电元件全体表现出低的电阻值)任意的适当的金属材料，无论使用单一的金属材料，还是使用多个金属材料(例如，对某实施种金属材料的母材其它金属材料的镀层)均可。作为该金属材料的优选例，能够列举铜和含铜合金(例如铜锡合金、铜银合金等)，例如既可以具有也可以不具有锡等的镀层。它们在表现出高的导电性的基础上，由于铜表现出高的延展性，所以机械强度优异，能够进一步提高压电元件20的柔软性和耐弯曲性。

金属箔3既可以为金属箔的单层，也可以为2层以上的金属箔重叠而成的箔(即，2层以上金属箔的层叠体)。在后者的情况下，在树脂线1螺旋状地卷绕有2层以上的金属箔。例如，能够如图2(c)所示那样，金属箔3a和金属箔3b重叠地螺旋状地于树脂线1。彼此相邻的二层金属箔至少部分重叠即可(参照图2(c))，例如金属箔的宽度的20％以上，特别是40％以上重叠即可。

则金属箔3，在使用2层以上金属箔的层叠体的情况下，例如，即使由于反复弯折等，2层以上金属箔中任一层断裂，也能够避免在金属箔的整个层叠体导通被截断，因此能够更有效地防止压电元件20发生故障。金属箔的层数例如能够为2～4层，特别能够为3层以下，尤其能够为2层。

金属箔3的厚度和宽度能够考虑对芯线5期望的外形尺寸、柔软性和耐弯曲性等地，适当地选择。金属箔3的厚度相对于树脂线1的外形尺寸D₁的比例例如能够为0.4～100％，金属箔3的厚度例如能够为6～100μm，特别能够为30μm以下，尤其能够为15μm以下。金属箔3的宽度例如能够为0.02～2mm，特别能够为1mm以下，尤其能够为0.5mm以下。另外，金属箔3的厚度，在使用1层金属箔的情况下，是指其厚度，在重叠地使用2层以上金属箔的情况下，是指它们的总厚度。金属箔3的宽度是指，能够在树脂线1螺旋状地卷绕的金属箔3的相对于沿长度方向的中心线垂直的方向上的尺寸(或金属箔3的沿长度方向的两侧部间的最短距离)。在重叠地使用2层以上的金属箔的情况下，各金属箔的厚度和宽度既可以彼此相同，也可以不同，通常能够相同。

在芯线5，在树脂线1，至少1层金属箔3螺旋状地、优选按一定的螺旋节距P卷绕，不重叠卷绕(不交叠)。螺旋节距P的尺寸比金属箔3的宽度大即可，没有特别限定。在不对芯线5(或压电元件20)施加应力的状态，螺旋节距P相对于树脂线1的外形尺寸D₁的比例例如能够为2～4700％，特别能够为100～500％，该范围，能够进一步提高芯线5甚至压电元件20的柔软性和耐弯曲性。螺旋节距P例如能够为0.03mm～2.35mm，特别能够为0.05～0.6mm。

进一步，在芯线5，在树脂线1螺旋状地间隙卷绕至少1层金属箔3。“间隙卷绕”还称为间隔卷绕，是指，如图1～2所示那样，在树脂线1螺旋状地卷绕金属箔3时，在金属箔3设置间隙G(参照图2(a))进行卷绕。间隙G与树脂线1的露出部一致，间隙G的尺寸能够基于树脂线1的露出部测量(特别是在重叠地使用2层以上的金属箔，且这些金属箔彼此错开的情况下，适合使用该测量方法)。在不对芯线5(或压电元件20)施加应力的状态，间隙G相对于螺旋节距P的比例为0.4～50％，特别能够为5～40％，该范围，能够进一步提高芯线5甚至压电元件20的柔软性和耐弯曲性。特别是通过使间隙G相对于金属箔3的螺旋节距P的比例为0.4％以上，使压电元件20弯曲的情况下，也能够有效地防止相邻的金属箔3的端部交叠或接触，并且通过树脂线1的伸缩，高度保持柔软性和耐弯曲性。而且，通过使间隙G相对于金属箔3的螺旋节距P的比例为50％以下，能够在一定程度上大幅确保与导电体层9(参照图1)相对的金属箔3的面积，实现将金属箔3和导电体层9作为电极有效地使用的、具有整体呈细长的线状的形态的压电元件20。间隙G例如能够为0.01～0.35mm，特别能够为0.1mm以下。

芯线5的外形尺寸D₂(在具有图2(b)所示非圆形截面的情况下为截面的最大的外形尺寸，在具有圆形截面的情况下为外径，以下相同)没有特别限定，能够与压电元件20所要求的规格相应地为各种各样的尺寸。芯线5能够极细，其外形尺寸D₂例如能够为0.05～1.5mm，特别能够为1.0mm以下，尤其能够为0.5mm以下，更尤其能够为0.3mm以下。

再次参照图1，利用有机压电体层7包覆芯线5。有机压电体层7在芯线5的金属箔3与导电体层9之间，以使得它们变成不接触的方式设置，且优选与金属箔3紧贴设置。

有机压电体层7能够由作为有机压电体已知的任意的材料构成。有机压电体与以锆钛酸铅(PZT)等压电陶瓷为代表的无机压电体及无机压电体(具有代表性的是压电陶瓷)与其它材料(通常为有机材料)的混合物即压电复合体相比具有高的耐冲击性和耐弯曲性。构成有机压电体层7的材料例如也可以使用聚偏二氟乙烯(PVDF)、偏二氟乙烯类共聚物(包含偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物(P(VDF/TrFE))、偏二氟乙烯与四氟乙烯的共聚物(P(VDF/TeFE)))等。其中，有机压电体层7优选包含选自P(VDF/TrFE)和P(VDF/TeFE)的至少1种共聚物。

有机压电体层7的厚度没有特别限定，能够考虑对压电元件20期望的压电特性(正压电效应和/或逆压电效应)、柔软性和耐弯曲性等地，适当地选择。有机压电体层7的厚度例如能够为1～200μm，特别能够为100μm以下，尤其能够为50μm以下。

构成有机压电体层7的材料能够与实际使用的材料相应地，在包覆芯线5之前、正在包覆形成的期间和之后的任意的恰当的定时，实施用于发现压电性所需的处理，例如延伸和/或极化处理等。

例如，在使用PVDF作为构成有机压电体层7的材料的情况下，有机压电体层7能够如以下那样形成。PVDF能够取α、β、γ这3种晶体结构，通常能够为能量上最稳定的α型，不过能够将含有大量α型的晶体结构的PVDF，例如通过单轴拉伸，转换为含有大量β型的晶体结构的PVDF。含有大量β型的晶体结构的PVDF表现出强介电性，通过对其实施极化处理，偶极子对直线，成为表现出压电性的PVDF。由此，在芯线5的周围无间隙地卷绕(优选重叠卷绕)将PVDF薄膜单轴拉伸而构成的延伸PVDF薄膜，之后，例如实施电晕放电等极化处理，由此能够得到表现出压电性的PVDF层，其结果是，能够利用有机压电体层(更详细而言为PVDF层)7包覆芯线5。

此外，例如在使用偏二氟乙烯类共聚物作为构成有机压电体层7的材料的情况下，有机压电体层7能够如以下那样形成。偏二氟乙烯类共聚物，特别是P(VDF/TrFE)和P(VDF/TeFE)，能够含有比PVDF多的β型晶体结构。由此，该偏二氟乙烯类共聚物能够不延伸，而仅通过实施极化处理，容易地制作利用有机压电体层7包覆芯线5的绕组7。具体而言，能够利用下述的溶剂涂敷法或熔融挤出法形成有机压电体层7。

在溶剂涂敷法中，首先，调制使偏二氟乙烯类共聚物溶解或分散至溶剂中的树脂液，将该树脂液应用(例如涂敷)于芯线5的表面，对其进行加热而将溶剂实质上除去，得到偏二氟乙烯类共聚物层，之后，例如实施电晕放电等极化处理，由此能够得到表现出压电性的偏二氟乙烯类共聚物层，其结果是，能够利用有机压电体层(更详细偏二氟乙烯类共聚物层)7包覆芯线5。在溶剂中，能够使用酮类溶剂(例如甲基乙基酮(MEK)，甲基异丁基酮(MIBK)，丙酮，二乙基酮，二丙基酮)、酯类溶剂(例如醋酸乙酯，醋酸甲酯，醋酸丙酯，醋酸丁酯，乳酸乙酯)、醚类溶剂(例如四氢呋喃，甲基四氢呋喃，二恶烷)、酰胺类溶剂(例如二甲基甲酰胺(DMF)，二甲基乙酰胺)、吡咯烷酮类溶剂(例如N-甲基吡咯烷酮)等。加热温度能够与使用的溶剂相应地为各种各样的温度，例如能够为80～180℃。

在熔融挤出法中，首先，例如能够对团状的偏二氟乙烯类共聚物进行加热熔融而得到熔融树脂。加热温度为使用的偏二氟乙烯类共聚物的融点以上即可，例如能够为120～250℃。将该熔融树脂应用(例如在其周围挤压包覆)于芯线5的表面而得到偏二氟乙烯类共聚物层，之后，例如实施电晕放电等极化处理，由此能够得到表现出压电性的偏二氟乙烯类共聚物层，其结果是，能够利用有机压电体层(更详细而言为偏二氟乙烯类共聚物层)7包覆芯线5。

使用PVDF和/或偏二氟乙烯类共聚物的有机压电体层7，例如优选表现出85℃以上的高的耐热性。PVDF和偏二氟乙烯类共聚物的分子量没有特别限定。偏二氟乙烯类共聚物是偏二氟乙烯和能够与偏二氟乙烯共聚的1种或其以上的氟类单体(以下，还简单地称为其它氟类单体)的共聚物。其它氟类单体能够为三氟乙烯和四氟乙烯的一者或两者。在偏二氟乙烯类共聚物中，来自于偏二氟乙烯的单元能够为50摩尔％以上，优选为60摩尔％以上，来自于其它氟类单体的单元与来自于偏二氟乙烯的单元的摩尔比能够适当地选择。

但是，构成有机压电体层7的材料并不限定于上述详述的材料，也可以例如以比较少的量进一步包含任意的、适当的其它成分(例如压电陶瓷等添加剂)，或者，还可以使用表现出其他已知的压电性的有机材料。不过，在构成有机压电体层7的材料包含压电陶瓷的情况下，压电陶瓷的含有量为有机压电体层7的30体积％以下，优选为20体积％以下。

利用导电体层9包覆该有机压电体层7。导电体层9以至少部分地包覆有机压电体层7的方式设置，优选与有机压电体层7紧贴地设置。

导电体层9为至少与有机压电体层7接触的表面由表现出导电性的材料构成的可挠性部件即可。在导电体层9，可以利用已知的导电体层作为遮护部件，例如能够使用金属线料的编织型遮护部件和横向卷绕型遮护部件。此外，导电体层9也可以为在有机压电体层7螺旋状地卷绕的至少1层金属箔。在这种情况下，在有机压电体层7螺旋状地，优选按一定的螺旋节距P缠绕，既可以重叠地卷绕、也可以不重叠地卷绕至少1层金属箔9’，进一步，例如也可以如图1(c)所示那样，间隙卷绕。在重叠地使用2层以上金属箔的情况下，彼此相邻的二层金属箔至少部分地重叠即可，例如以金属箔的宽度的20％以上，特别是40％以上重叠即可。作为构成金属线料及金属箔的金属材料的优选例，能够列举铜和含铜合金(例如铜锡合金，铜银合金等)，例如既可以具有也可以不具有锡等的镀层。它们在表现出高的导电性的基础上，由于铜表现出高的延展性，所以机械强度优异，能够进一步提高压电元件20的柔软性和耐弯曲性。

导电体层9的厚度没有特别限定，能够考虑对压电元件20期望的柔软性和耐弯曲性等，适当地选择。导电体层9的厚度例如能够为5～500μm，特别能够为200μm以下，尤其能够为100μm以下。

导电体层9的外形尺寸能够与压电元件20不具有绝缘体层11的情况下的压电元件20的外形尺寸一致，没有特别限定，例如能够为0.05～2.2mm，特别能够为1.5mm以下，尤其能够为1mm以下。

进一步，虽然对本实施方式并非必须，但是也可以利用绝缘体层11包覆该导电体层9。绝缘体层11能够为了电和/或物理地保护压电元件20而设置。该绝缘体层11还能够作为蒙皮(或外覆)来理解。

绝缘体层11为由至少表面表现出绝缘性的材料构成的可挠性部件即可。绝缘体层11例如也可以为绝缘性线料(例如由尼龙、聚酯、丙烯酸纤维、聚烯烃、橡胶、硅酮、聚氨酯、聚芳酯、芳香族聚酰胺、脂肪族聚酰胺等绝缘性材料构成的线料)的编线。此外，绝缘体层11也可以通过在导电体层9的周围挤压包覆绝缘性材料(例如聚乙烯，聚氯乙烯，乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，聚烯烃，氟树脂(四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)，四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)，四氟乙烯-乙烯共聚物(ETFE)，PVDF等)，橡胶等)而形成。

绝缘体层11的厚度没有特别限定，能够考虑对压电元件20期望的柔软性和耐弯曲性等，适当地选择。绝缘体层11的厚度例如能够为10～1000μm，特别能够为700μm以下，尤其能够为400μm以下。

绝缘体层11的外形尺寸能够与压电元件20具有绝缘体层11的情况下的压电元件20的外形尺寸一致，没有特别限定，例如能够为0.07～4.2mm，特别能够为1.5mm以下，尤其能够为1mm以下。

在导电体层9与绝缘体层11之间可以至少部分地存在空气层，在这种情况下，能够利用剥线钳等将绝缘体层11容易地除去，使导电体层9露出，取出电极端子。

像以上那样，能够得到本实施方式的压电元件20。本实施方式的压电元件20的柔软性和耐弯曲性优异。金属箔3和导电体层9作为电极发挥作用(所附的图中，以黑色圆圈示意地表示电极端子)。导电体层9可以为接地部，在这种情况下，还能够作为遮护部件发挥作用。

本实施方式的压电元件20能够作为各种传感器和/或致动器利用。

本实施方式的压电元件20能够利用压电体的正压电效应作为传感器利用。压电元件20例如能够作为安装和/或埋入被检测对象物等、在对压电元件20施加了外力时能够检测该外力的感压传感器，或者，作为检测被检测对象物的内部疲劳的传感器来利用。此外，还能够使用多个压电元件20构成编物或织物，作为纤维状压电传感器或振动型发电元件来利用。此外，例如还能够用于安防传感器，护理/看护传感器，碰撞传感器，可穿戴传感器，生物信号传感器(呼吸/脉搏)，车辆用防夹传感器，车辆用保险杠碰撞传感器，车辆用风量传感器，气象检测传感器(雨/雪)，火灾检测传感器，水声传感器，机器人用触觉传感器，医疗设备用触觉传感器，纤维片状压力分布传感器，环境振动用发电线等各种用途。

本实施方式的压电元件20能够代替上述方式/在上述方式的基础上，利用压电体的逆压电效应作为致动器来利用。压电元件20例如能够作为在对压电元件20施加驱动电压时激发振动的致动器来利用，此外，还能够进一步作为将其振动作为传感器利用的致动器驱动传感器来利用。除此以外，例如还能够在机器人关节驱动致动器、人造肌肉致动器、医疗设备操作线用驱动致动器、纤维镜用驱动致动器、超声波电动机、压电电动机等各种各样的用途中加以利用。

以上，对本发明的1个实施方式的压电元件进行了详细说明，不过本实施方式能够进行各种改变。

(实施例)

(实施例1)

如下述那样制作具有实施方式1中参照图1～2详细说明的结构的压电元件。

作为树脂线1，使用将50支由对位型芳纶纤维构成的直径约15μm的线料绞合而构成的直径约0.15mm的绞线，在该树脂线1，作为金属箔3，间隙卷绕层叠2层由被实施了镀锡的铜锡合金构成的箔的层叠体，且各箔的宽度为大约0.17mm，层叠体的总厚度为大约0.012mm的金属箔，准备芯线5。芯线5的外径为大约0.17mm，节距P为大约0.27mm，间隙G为大约0.08mm(G/P＝约30％)。

另一方面，将偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物33g加温至70℃并溶解于甲基乙基酮67g，利用日本艾默生公司制的超声波均质机“BRANSON Digital Sonifire”搅拌30分钟，调制出树脂液。

在通过上述方式准备的芯线5，利用浸涂法涂敷上述树脂液，在150℃加热2分钟，使甲基乙基酮气化而将其除去，在芯线5的表面形成偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物层。对该偏二氟乙烯-四氟乙烯共聚物层，以芯线5为接地电极，利用直流高压稳定电源(エレメント有限会社(Element Co.,Ltd.)制)以直流电压12kV进行30秒钟电晕放电，由此实施极化处理，得到有机压电体层7。有机压电体层7的厚度为大约40μm。

接着，将该有机压电体层7的周围，作为导电体层9，螺旋状地卷绕(无间隙)由实施了镀锡的锡铜合金构成的箔的单层而包覆。导电体层9的厚度为大约0.012mm。

然后，利用低密度聚乙烯对该导电体层9的周围进行挤压包覆，形成绝缘体层11。绝缘体层11的厚度为大约200μm。绝缘体层11的外径(即，压电元件20的外径)为大约0.67mm。

像以上那样，制作本实施例的压电元件20。

(实施例2)

作为树脂线1，使用将50支由对位型芳纶纤维构成的直径约14μm的线料绞合而构成的直径约0.14mm的绞线，在该树脂线1，作为金属箔3，间隙卷绕层叠2层由铜银合金构成的箔的层叠体，且各箔的宽度为大约0.17mm，层叠体的总厚度为大约0.012mm的金属箔，准备芯线5。芯线5的外径为大约0.16mm，节距P为大约0.34mm，间隙G为大约0.04mm(G/P＝约12％)。

除使用按上述方式准备的芯线以外，与实施例1同样地制作压电元件。

(实施例3)

作为树脂线1，使用将50支由聚酯构成的直径约15μm的线料绞合而构成的直径约0.15mm的绞线，在该树脂线1，作为金属箔3，间隙卷绕由铜锡合金构成的箔的单层，且各箔的宽度为大约0.27mm，厚度为大约0.019mm的金属箔，准备芯线5。芯线5的外径为大约0.19mm，节距P为大约0.23mm，间隙G为大约0.02mm(G/P＝约9％)。

(比较例1)

作为芯线，使用在表面实施了镀银的尼龙丝(外径约0.11mm，ミツフジ(Mitsufuji)株式会社制，商品名：AGposs(注册商标)镀银纤维(细丝)，70d/34f，其中，d是指旦尼尔，f是指细丝个数)，除此以外，与实施例1同样地制作压电元件。

(比较例2)

作为芯线，使用在表面实施了镀银的尼龙丝(外径约0.16mm，ミツフジ(Mitsufuji)株式会社制，商品名：AGposs(注册商标)镀银纤维(细丝)，100d/34f)，除此以外，与实施例1同样地制作压电元件。

(比较例3)

作为芯线，使用在表面实施了黄铜镀层的高张力钢琴线的单线(外径约0.05mm，日铁住金SG电线(日鉄住金SGワイヤ)株式会社制，品名：SPWH)，除此以外，与实施例1同样地制作压电元件。

(比较例4)

作为芯线，使用将7支由在表面实施了镀银的铜锡合金构成的线料绞合而构成的绞线(外径约0.075mm)，除此以外，与实施例1同样地制作压电元件。

(比较例5)

作为芯线，使用SUS316(JIS G4309)的单线(外径约0.06mm)，除此以外，与实施例1同样地制作压电元件。

(测量和评估)

对实施例1～3和比较例1～5中制作的各压电元件，如下述那样，测量电阻值和拉伸度并且实施柔软性试验和耐弯曲性试验进行了评估。将结果在表1中表示。

·电阻值测量

从压电元件，使芯线的金属箔(实施例)或金属部分(比较例)和导电体层分别露出而作为电极，使用测试仪(株式会社カスタム(custom)制，数字万用表CDM-11D)，对这些电极间施加电压测量电阻值。

为了能够作为压电元件承受实际应用，电阻值越低越好，具体而言，优选为50Ω/m以下，更优选为20Ω/m以下。

·拉伸度测量

使用拉伸试验机(岛津制作所制，型号：AGS-H)，依据JIS Z2241，利用夹持具夹持裁成长度约100mm的压电元件的长度方向两端部，按10mm/min拉伸，测量断裂时的压电元件的长度，求取相对于试验前的压电元件的长度的、断裂时的压电元件的伸长的比例(％)(拉伸度与断裂伸度同意)。

为了有助于压电元件的柔软性，拉伸度越大越好，具体而言，优选为3％以上。

·柔软性试验

使长的压电元件，以内径10mm的圆环的形态交叉而弯折，尽量维持交叉部以使得该圆环不散开，并以使得圆环缩小的方式将压电元件的长度方向两端部向相反方向拉伸。之后，通过目视观察而判定在压电元件(更详细而言，芯线)是否残留有变形痕迹。

为了能够作为压电元件承受实际应用，优选不残留变形痕迹。

·耐弯曲性试验

使用耐力试验机(尤阿萨系统设备(ユアサシステム機器)株式会社制，型号：DMLHB-P150)，按载荷100g和速度60rpm，使压电元件±90°反复弯曲，测量达到压电元件的电极间的导通截断的次数。

为了能够作为压电元件承受实际应用，优选即使实施5000次以上的反复弯折也能够维持导通，更优选即使实施10000次以上的反复弯折也能够维持导通。

【表1】

从表1可以看出，实施例1～3的压电元件表现出50Ω/m以下低的电阻值，表现出3％以上的拉伸度，在实施柔软性试验的情况下也不残留变形痕迹，表现出优异的柔软性。认为这是因为，弯折应力主要作用于芯线的树脂线，对金属箔并不直接起作用，因此即使由于树脂线的弹性变形而发生变形，也能够恢复到原来的状态。此外，实施例1～3的压电元件在耐弯曲性试验中即使实施5000次以上的反复弯曲也能够维持导通，表现出优异的耐弯曲性。特别是实施例1～2的压电元件，在耐弯曲性试验中即使实施15000次以上的反复弯曲也能够维持导通，表现出极为优异的耐弯曲性。认为这是因为，由于在芯线使用2层以上的金属箔的层叠体，所以即使因反复弯折而2层金属箔中的任1层断裂，也能够在整个金属箔的层叠体避免导通被截断。另一方面，比较例1～2的压电元件的电阻值高，不适合于实际应用。比较例3～5的压电元件的拉伸度不到3％，在柔软性试验中在芯线残留了变形痕迹。认为残留变形痕迹是因为，弯折应力直接作用于芯线的金属部分，发生金属的塑性变形，不能回复到原来的状态。此外，比较例3～5的压电元件，在耐弯曲性试验中，通过不到5000次的反复弯曲导通就被截断。认为这是因为，弯折应力直接作用于芯线的金属部分，该部分由于金属的塑性变形的蓄积而容易地断裂。

(动作确认)

对实施例1中制作的压电元件，通过下述的操作进行动作确认。

从压电元件20中的芯线5的金属箔3和导电体层9分别取出电极与阻抗转换电路连接。阻抗转换电路以降低来自阻抗高的压电元件的输出阻抗为目，例如为由电场效应晶体管(FET)、电容器和电阻等构成的电路即可。以能够通过示波器经时测量从压电元件20经阻抗转换电路输出的电压信号的方式，构成动作确认系统。

一边上述那样测量来自压电元件的电压信号，一边用指尖强触或弱触压电元件。在图3表示此时的电压信号的时间变化曲线。如图3所示，在触碰压电元件施加外力时，产生负的电压，可见负侧的电压值上升，当卸去外力时产生反方向即正的电压，可见正侧的电压值上升。此外，根据所施加的外力的大小，电压值峰值的大小不同，当所施加的外力大时电压值峰值变大。

进一步，在图4表示用手指抓住压电元件2个部位向相反方向反复拉伸时的电压信号的时间变化曲线。此外，在图5表示用指尖按压压电元件向右拧动2次，然后向左拧动2次时的电压信号的时间变化曲线。

从图3～5可以看出，在任何情况下都灵敏地感知从手指施加的外力，由此，确认能够作为压电元件实际发挥作用。另外，还希望留意，根据外力的施加方法(触碰，拉伸，拧动)，电压信号的波形不同。

工业上的可利用性

本发明的压电元件能够作为各种传感器和/或致动器加以利用。本发明的压电元件能够具有柔软性和耐弯曲性优异、极细的外形尺寸，例如，能够作为在向压电元件施加外力时能够检测该外力的感压传感器等进行利用，不过这并不限定本发明。

本申请主张基于2018年9月6日在日本国提出申请的日本特愿2018-167231的优先权，其记载内容全部作为参考在本说明书中引用。

附图标记说明

1 树脂线

3、3a、3b 金属箔

5 芯线

7 有机压电体层

9 导电体层

11 绝缘体层

20 压电元件

D₁、D₂ 外形尺寸

P 螺旋节距

G 间隙(gap)。

Claims

1.一种压电元件，其特征在于，包括：

在树脂线上螺旋状地卷绕至少1层金属箔而得到的芯线；

包覆所述芯线的有机压电体层；和

包覆所述有机压电体层的导电体层，

所述金属箔和所述导电体层作为在它们之间插入了所述有机压电体层的电极分别发挥作用，在所述树脂线上螺旋状地间隙卷绕所述至少1层所述金属箔，间隙相对于所述金属箔的螺旋节距的比例为0.4～50％。

2.如权利要求1所述的压电元件，其特征在于：

在所述树脂线上螺旋状地卷绕2层以上金属箔。

3.如权利要求1或2所述的压电元件，其特征在于：

所述树脂线由选自芳香族聚酰胺、脂肪族聚酰胺、聚酯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚芳酯、聚烯烃、聚氨酯和碳纤维的至少1种材料构成。

4.如权利要求1～3中的任一项所述的压电元件，其特征在于：

所述金属箔具有6～100μm的厚度和0.02～2mm的宽度。

5.如权利要求1～4中的任一项所述的压电元件，其特征在于：

所述芯线具有0.05～1.5mm的外形尺寸。

6.如权利要求1～5中的任一项所述的压电元件，其特征在于：

所述有机压电体层具有1～200μm的厚度。

7.如权利要求1～6中的任一项所述的压电元件，其特征在于：

所述有机压电体层包含选自偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物和偏二氟乙烯与四氟乙烯的共聚物的至少1种共聚物。

8.如权利要求1～7中的任一项所述的压电元件，其特征在于：

还包括包覆所述导电体层的绝缘体层。

9.如权利要求1～8中的任一项所述的压电元件，其特征在于：

所述压电元件作为传感器和致动器的任一者或两者使用。