CN117158133A - 高分子压电性膜元件、以及使用其的蓄电器件及载荷侦测器件 - Google Patents

高分子压电性膜元件、以及使用其的蓄电器件及载荷侦测器件 Download PDF

Info

Publication number
CN117158133A
CN117158133A CN202280026671.8A CN202280026671A CN117158133A CN 117158133 A CN117158133 A CN 117158133A CN 202280026671 A CN202280026671 A CN 202280026671A CN 117158133 A CN117158133 A CN 117158133A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric film
polymer piezoelectric
film element
polymer
element according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280026671.8A
Other languages
English (en)
Inventor
冈部润
须永忠弘
时任静士
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Chemicals Inc
Original Assignee
Mitsui Chemicals Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsui Chemicals Inc filed Critical Mitsui Chemicals Inc
Publication of CN117158133A publication Critical patent/CN117158133A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/302—Sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/857—Macromolecular compositions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)

Abstract

本发明提供一种高分子压电性膜元件，其对包括微弱的接触应力、或者如人类、动物的动作那样的例如10Hz以下的较低频率的振动、以及汽车、列车等运输机构、与建设相关的工程、制造业中的工厂设备等的10Hz以上的高频率的振动在内的宽频带的振动高灵敏度地起电，从而能够用作电力或传感器，且能够薄膜化，能够用作以高良品率进行稳定驱动的电力供给器件、测定脉搏波、心跳、呼吸波等生物电信号的生命体征传感器、触觉传感器。本发明涉及高分子压电性膜元件，其特征在于在高分子压电性膜的两面形成电极片，且具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构，涉及从外部受到应力并通过压电效应而起电，转换为电力的蓄电器件、侦测该应力的传感器、或者测定生物电信号的生命体征传感器。

Description

高分子压电性膜元件、以及使用其的蓄电器件及载荷侦测 器件
技术领域
本发明涉及一种高分子压电性膜元件、以及具有该高分子压电性膜元件的蓄电器件及载荷侦测器件，所述高分子压电性膜元件的特征在于，在高分子压电性膜的两面形成有电极片，且具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构。
背景技术
根据资源能源厅的综合能源统计，日本在第二次世界大战后由于自1950年代至1970年代的高度经济成长、之后的信息技术(information technology，IT)革命等，至2000年代初为止，一次能源的国内供给量日趋增加，在2011年的日本东北地区太平洋近海地震以后，至2019年为止，每年稳定在约20,000兆焦耳(petajoule)。近年来，随着社会的进一步电动化的发展，一次能源中作为电力供给的比例于1990年为41％，但于2018年超过了46％。
关于该电力，根据能源白皮书2019，2019年的用于供电的发电明细是液化天然气(以下，称为LNG(Liquid Natural Gas))为40％、煤炭为32％、石油为9％、水力为8％、核能为3％、可再生能源为8％的依赖比例。作为所述2011年以后的特征，随着一部分核能发电站的停止，对LNG及煤炭的依赖增加。但是，按照2016年巴黎协议所定目标，为了抑制全球变暖，削减以二氧化碳为主的温室效应气体的排放成为当务之急，特别是逐步摆脱煤炭火力发电，转化为可再生能源成为全世界共同的要求。再者，所谓可再生能源，在能源供给结构高度化法中，被定义为“太阳光、风力及其他非化石能源资源中，由政令规定为可认为能够持续作为能源资源利用的资源”，其规定了太阳光、风力、地热、太阳热、生物质(biomass)等。
放眼世界，电力供给量居世界第二位的美国在比例上分散地依赖于LNG、煤炭、核能，可再生能源为10％。电力供给量居世界第一位的中国大部分依赖于煤炭，可再生能源为9％。欧洲各国的依赖比例不同，德国34％依赖于可再生能源是值得一提的事实。上述主要国家的可再生能源以风力发电为主，另一方面日本的不同在于太阳光发电比例高。
一方面面临着要降低全球对利用LNG、煤炭、石油等化石燃料进行发电的依赖度，而应转化为可再生能源的课题，另一方面，与以汽车为中心的运输的自动驾驶化、计算机或移动终端的进一步普及相伴的经由大量数据的高速通讯、数字转换的加速、物联网(Internet of Things)(以下，称为IoT)的新颖的价值创造变得活跃，为了这种活动而正在使用更多的电子器件。而且，目前用于驱动该电子器件所需的电力不断增加。作为其结果而形成的社会被称为数据驱动型社会，其将多样且庞大的数据聚集于网络空间中并将其用于为人类提供的服务中。在该背景下，日常生活中使用着更多的电子器件，但驱动其的电力今后不应依赖于所述以化石燃料为中心的发电。
另外，包括水力、核能、风力等一部分可再生能源在内，不应仅被动地接受在大规模发电站中产生的电力的输电。即，理想的是存在可独立于所述电力源而将以往被忽视的能源资源转换为电力的器件。该器件将成为驱动设置于包括人类难以进入的山区、海洋、极地等在内的任何场所的电子机器或传感器的当地生产当地消耗的电力源。一次电池虽然是独立的电力源，但可使用的时间有限，在要求如上述的自动驾驶、数据的高速通讯、IoT那样的持续稳定驱动且不泄漏重要信息的今后的社会中，难以说是适当的电力源。二次电池在消耗电力后需要充电，因此也并不是适当的电力源。
若在身边的、常见的、半永久存在的物理现象中寻求以往被忽视的能源资源，并实现将该物理现象转换为电压而形成电力，则只要不受到机械性破损，就能够半永久地驱动电子机器或传感器。由此，不需要电池的更换、充电，在上述新的社会中，能够不泄漏重要信息地持续收集。进而，由于不需要设置用于供给发电站中产生的电力的输电网，因此对于在有限的资金中进行设备投资而言也是有效的。此外，可将身边的物理现象转换为电压本身就具有价值，可作为用于获得用以防范事故或灾害于未然的讯号的传感器来操作。
可转换为电力的身边的物理现象例如有光、应力、热、磁场。在由光转换为电力的情况下，如太阳能电池那样，使用由半导体带来的光伏效应。另一方面，为了将应力、热转换为电力，利用被称为铁电体的物质。将应力转换为电力的现象称为压电效应，将热转换为电力的现象称为热电效应，经由铁电体而显现出。但是，为了获得热电效应需要温度变化，难以在一定温度下的场所产生电力。另外，将磁场转换为电力的现象称为磁电效应，对于一并具有铁电性和铁磁性的材料的研究近年来正在推进，但由于地球上的磁场非常小，因此在实用性方面不充分。基于以上的理由，扩大压电效应的利用对于由以往被忽视的能源资源获得电力而言是重要的。由于振动等应力产生在人类、动物的动作、汽车、列车等运输机构、与建设相关的工程、制造业中的工厂设备等各种场所，因此可利用这些场所来转换为电力。进而，也能够设为侦测应力产生的传感器。以下，将利用该压电效应产生电荷并用作电力、传感器的情况称为“发电”。
利用振动的发电技术已经被研究多年。专利文献1中示出了包括支撑台、支撑该支撑台的多个弹性体、以及设置于该支撑台的多个发电元件的振动发电装置相对于输入的振动稳定地发电。该装置中，所述支撑台与所述多个弹性体成为第一共振器，所述多个发电元件成为第二共振器，通过使第一共振器与第二共振器的固有振动频率之差为±15％以下，从而能够进行稳定的发电。然而，专利文献1中所示的发电元件中，压电元件与一个末端自由摆动的板簧成为一体，构成该压电元件的压电体层使用选自锆钛酸铅(以下，称为PZT)、氮化铝、钽酸锂、铌酸锂等中的呈硬脆性质的无机的铁电体，因此不能说可施加的应力与诱发的位移范围大。
另外，关于该振动发电装置，复杂地构成有多个弹簧、压电元件、发电元件，其结果，厚度为厘米水平，由此若考虑到与上述日常生活中使用的电子机器、传感器连接，则存在体积增大而无法随意设置的问题。进而，生产率低，对振动的耐久性存在问题。
另外，专利文献2中，示出了一种振动发电元件，其包含具备压电元件的悬臂，在远离该悬臂的位置设置重锤，通过在外力作用时重锤朝向该悬臂发生碰撞而进行发电。与专利文献1同样地为该悬臂中仅一个末端固定于框体上的结构(以下，称为悬臂梁的结构)，且压电膜中使用了又硬又脆的PZT等钙钛矿型氧化物，因此不能说可施加的应力与诱发的位移的范围大。进而，固定于由硅、不锈钢制成的底座上的振动发电元件需要配置于真空中，这增加了生产成本，另外虽然可确保发电元件的初始性能，但担心悬臂及压电膜会因外力而发生故障。
专利文献1及专利文献2的悬臂梁的结构中，压电元件仅在特定的共振频率下振动，因此受到振动条件的制约。因此，为了能够适用于宽频带的振动，在专利文献3中介绍了具有固定了两末端的两端支撑梁的结构的振动发电器件。该器件为了形成两端支撑梁的结构，在具有狭缝的金属弹性板上载置多个压电体，用连结构件连接多个该金属弹性板。该器件是该金属弹性板因振动而位移并由压电体将该位移转换为电压的发电装置，作为车载应用系统而用于汽车内外。该发明的发电器件也利用非线性弹簧以将振动转换为电能。
专利文献1～3中，使用了无机的铁电体作为压电体，但自1969年由河合等人发现聚偏二氟乙烯的铁电性以来，开始进行显示出压电效应的高分子材料的研究开发(非专利文献1)。基于高分子材料的开发的动机在于，仅能够在高分子材料中显现出的、可取得特异的硬度与柔软度的平衡、具有韧性、可制成薄膜等机械物性上的魅力。不限于压电效应，将通过因使用无机材料所获得的性能置换为高分子材料从而创造出新的价值的尝试在多种领域中进行了多年，因此在材料开发中始终是重要的观点。例如，在汽车领域中，以前钢材的比例高，但由于聚丙烯等高分子材料的使用比例增加，从而实现了轻量化，由此产生了能够以少的能源行驶长距离的价值。在保健领域中，以前使用玻璃的眼镜镜片被置换为又薄又轻量且耐冲击性也优异的硫尿烷(thiourethane)这一高分子材料，由此使得很多人不会感觉重而能够轻松地使用眼镜。进而，在最近的电子领域中，利用由光阻剂涂布、蚀刻、镀敷等进行的表面处理来制作的电气配线受到近年来的柔性、自由设计性等需求，将硬的金属微粒化并含有聚氨酯等柔软性高分子材料和有机溶剂的、面向印刷的糊剂、油墨的研究开发活跃化，逐渐形成新的市场。如此，高分子材料在任何领域中都蕴藏着引起革新的可能性，可理解为以压电效应为目标的高分子材料的研究开发也是受到这种期待而开始的。
实际上，PZT等无机的铁电体通过制作单晶或多晶结构而显现出优异的压电效应，但由于脆的性质，存在容易受到可使用的条件的制约的缺点。另一方面，显示出压电效应的高分子材料(以下，称为高分子压电性材料)的特征在于在具有晶体结构的同时，也以某一定的比例包含非晶结构。非晶结构通常不显示出压电效应，因此高分子压电性材料与无机的铁电体相比压电效应差的情况多，但由于柔性、韧性优异，因此存在不易破损的优点。该优点是由于晶体结构与非晶结构混合存在而显现出来的(非专利文献2)。
作为使用高分子压电性材料的发明，例如有专利文献4中记载的柔性压电片，其利用使作为导电性高分子材料的聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)及聚(苯乙烯磺酸)等含浸于丝绸等基材纤维中而得的两张导电性布层来夹持聚氨基酸、多醣类、聚乳酸、聚偏二氟乙烯等高分子压电层而成。该发明是使用包含导电性高分子材料的布作为电极基材，并与高分子压电性材料组合而具有柔性的结构，但在导电性高分子材料与人体接触时的安全性方面仍然存在课题。
进而，作为使用高分子压电性材料的另一例，有专利文献5中记载的从潮流、潮汐、波浪等各种海洋能源获得电的层叠型发电体及其发电装置。该层叠型发电体是在由柔软性弹性原材料形成的基体的两面形成有压电性膜及电极的发电体，该柔软性弹性原材料使用硅橡胶、天然橡胶或合成橡胶，该压电性膜使用聚偏二氟乙烯或聚偏二氰乙烯。然而，仅可适用于平静的海洋，不能说能够克服可再生能源的课题。
现有技术文
专利文献
专利文献1：WO2020/230509
专利文献2：WO2020/235208
专利文献3：日本特开2020-61938
专利文献4：日本特开2020-119995
专利文献5：日本特开2014-111911
非专利文献
非专利文献1：H.Kawai；日本应用物理杂志(Jpn.J.Appl.Phys.)，8，975(1969)
非专利文献2：场响应性聚合物，第6章(Field Responsive Polymers,Chapter6)，pp88-103
非专利文献3：内野研二铁电体器件森北出版株式会社P.142
发明内容
发明想要解决的课题
然而，专利文献1中所示的发电元件中，板簧与压电元件成为一体，构成该压电元件的压电体层由选自PZT、氮化铝、钽酸锂、铌酸锂等中的无机的铁电体制成，但该压电体层为又硬又脆的性质，因此可施加的应力与诱发的位移的范围不大。
另外，专利文献2的振动发电元件由于压电膜使用了钙钛矿型氧化物，因此与上述同样地可施加的应力与诱发的位移的范围不大，载置有该压电膜且承受振动的悬臂大多使用铝、氧化锆等金属，不能说具有对于位移的对抗度、即韧性。进而，由于在远离该悬臂的位置设置有重锤，因此会增厚与远离的距离相应的量，因此若考虑在已有的设备中设置，则设计会发生变化，因而难以使用。
进而，专利文献3的振动发电器件采用两端支撑梁的结构，且为了避免超过压电体的弹性界限而花功夫设置止动件、特氟龙无电解镍等固定润滑层，但在结构上变得复杂。另外，压电体使用与专利文献1及专利文献2中记载的材料类似的选自氮化铝、含钪的氮化铝、含镁和铌的氮化铝、铌酸钾钠等中的材料，与上述同样地受到机械破坏。
专利文献4中，与上述专利文献1～专利文献3的由无机的铁电体形成的压电层不同，使用聚氨基酸、多醣类、聚乳酸、聚偏二氟乙烯等具有柔性的优点的高分子压电性材料，进而，设法在电极基材中也引入柔性，由此成为了能够适合于包括人体在内的各种场所、形状的压电片。但是，当使用高分子压电性材料时，面临必须处理比无机的铁电体低的输出电压的问题。与应力对应地输出的电压由以下式(1)表示，比例常数的压电d常数在将压电性材料水平放置并从垂直轴赋予应力的情况下，相当于材料固有的d33的数值。例如，无机的铁电体的PZT的d33为289pC/N，相对于此，高分子铁电体的聚偏二氟乙烯(PolyvinylideneFluoride，PVDF)仅为35pC/N(非专利文献3)。
即，高分子铁电体与无机的铁电体相比输出电压明显低，因此即使能够用作限定用途的传感器，也明显不足以用作可检测出多种频率及强度的振动的传感器、将所得的输出电压用作作为驱动其他电子机器的电力的蓄电。
[数1]
V＝d·t·σ/ε (1)
(V：输出电压，d：压电层的压电d常数，t：压电层的厚度，σ：应力，ε：介电常数)
而且，与经由单轴拉伸形成晶体结构、并通过施加电场而成为高分子铁电体的PVDF不同，聚乳酸是仅经由单轴拉伸形成晶体结构就显示出压电效应的高分子压电性材料，但并非铁电体。聚乳酸在材料特性上是d33为零，无法获得由垂直应力引起的输出电压。在该情况下，将膜拉伸，在相对于其拉伸方向为45°的方向上拉伸，由此产生输出电压。另外，如PVDF那样的高分子铁电体与无机的铁电体相比，输出电压非常低，就如聚乳酸那样仅通过在限定方向上进行拉伸才产生微弱输出电压的高分子压电性材料而言，包括输出电压低这一点在内，在实用上难以使用。
即，需要将输出电压提高至高分子压电性材料可部分代替无机的铁电体的水平，若实现了这一点，则在用作传感器的情况下，会使外来的噪声的影响最小化，另外，在用作蓄电器件的情况下，可从小应力获得大的发电，由此能够将迄今为止被丢弃的能源有效用作电力。即，提高所输出的电压的技术开发有助于使用高分子压电性材料的器件的普及。
再者，专利文献5中，通过使用聚偏二氟乙烯或聚偏二氰乙烯等高分子压电性材料的膜而成为能够应对各种大小的潮流、潮汐、波浪等海洋能源的发电体，适合利用如海水那样的流体的振动，但设想到若在陆地上受到来自人类、动物的动作、汽车、列车等的运输、与建设相关的工程、制造业中的工厂设备等那样的固体的振动，则排列了棒状的该发电体的发电装置在受到应力时会容易破损，因此难以应用。即，要求设计即使受到陆地上的各种振动也不会破损的器件。
如上所述，通过压电效应来使作为身边存在的物理现象的振动、例如人类、动物的动作、汽车、列车等运输机构、与建设相关的工程、制造业中的工厂设备等所产生的振动发电，是不使用发电站所形成的电力的、当地生产当地消耗的清洁发电，由其半永久地供给的电力不间断地驱动电子机器、传感器，由此能够实现数据驱动型社会，不需要电池的更换、充电、新的输电网的建设，在这一点上成本效益高。进而，该压电效应不仅可作为电力确保，也能够作为传递受到应力的振动检测传感器而发挥作用，也能够收集人类、动物、汽车的存在、移动量、建设、制造业中的噪音、异常现象的预兆等信息。
本发明的目的在于，提供一种高分子压电性膜元件，其对包括微弱的接触应力、或者如人类、动物的动作那样的例如10Hz以下的较低频率的振动、以及汽车、列车等运输机构、与建设相关的工程、制造业中的工厂设备等的10Hz以上的高频振动在内的宽频带的振动高灵敏度地起电，从而能够用作不容易破损地进行稳定驱动的检测振动、载荷的传感器、测定脉搏波、心跳、呼吸波等生物电信号的生命体征传感器、触觉传感器、或者将其作为驱动其他电子机器的电力的蓄电器件。
用于解决课题的手段
本发明涉及一种高分子压电性膜元件，其特征在于，在高分子压电性膜的两面形成有电极片，且具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构，本发明涉及该高分子压电性膜元件从外部受到应力并经由压电效应而起电，从而检测振动、载荷的传感器、测定脉搏波、心跳、呼吸波等生物电信号的生命体征传感器、触觉传感器、以及将其作为驱动其他电子机器的电力的蓄电器件。
发明的效果
根据本发明，通过使用具有薄膜性、柔性、韧性等优点的高分子压电性膜，从而能够使其简便地埋设于地板等地面上，由人类、陆地动物的行走、汽车的行驶起电，或者通过安装于火车、重型机械、制造装置上，由它们所产生的宽频带的振动等应力来发电。由此，能够提供一种检测振动的传感器、检测载荷的传感器、测定脉搏波、心跳、呼吸波等生物电信号的生命体征传感器、触觉传感器、或者将其作为驱动其他电子机器的电力的蓄电器件。
附图说明
[图1]说明制成在高分子压电性膜的两面形成有电极片并具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。
[图2]说明通过将导线放置于电极片上从而形成在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构并保持的截面结构。
[图3]说明通过将导线放置于电极片与高分子压电性膜之间从而形成在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构并保持的截面结构。
[图4]说明将具有凹凸结构或有峰谷的波形结构的成型体放置于电极片上从而形成凹凸结构或有峰谷的波形结构并保持的截面结构。
[图5]说明包含高分子压电性膜元件、由四个二极管元件形成的全波整流电路、蓄电器(condenser)及直流-直流转换器的蓄电器件电路。
[图6]说明使用高分子压电性膜元件测定作为生物电信号的一例的脉搏波的情况。
[图7]说明使用高分子压电性膜元件并根据所施加的载荷输出恒定电压的电路。
[图8]说明通过图7的电路向高分子压电性膜元件按照2.0kg、4.5kg、7.5kg、11kg的顺序各施加10秒钟静态载荷时输出恒定电压的情况。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。
自此处开始，使用图1对本实施方式的高分子压电性膜元件的结构进行说明。本实施方式的高分子压电性膜元件如下制作：通过在高分子压电性膜的两面形成上部电极片及下部电极片后，制成在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构。再者，上部电极片及下部电极片并非是指天地，仅为记载上的分类。该凹凸结构或有峰谷的波形结构的特征在于，相对于形成有上部电极片及下部电极片的高分子压电性膜的垂直轴，具有隆起的凸或峰、以及凹陷的凹或谷，但凸及凹、或者峰及谷也并非是指天地，仅为记载上的分类。
此处，所谓本实施方式的凹凸结构或有峰谷的波形结构，是具有高低差及宽度的凹凸或峰谷。着眼于一个凹或凸、或者一个峰或谷，利用触针式表面形状测定、激光显微镜等方法测定高分子压电性膜元件的最外表面的形状，将从最外表面为平坦的部位(以下，称为平坦部)至隆起的顶点的高度、或者至凹陷的最低点的深度定义为高低差。然后，将夹着一个凹或凸、或者一个峰或谷而从平坦部至平坦部为止的隆起的长度或者凹陷的长度定义为宽度。
本发明中，例如，该高低差优选为80μm以上，更优选为200μm以上。在高低差小于80μm的情况下，灵敏度或输出电压低，有时难以表现出凹凸结构或有峰谷的波形结构的效果。另外，凸凹或峰谷的宽度优选为0.1mm以上，更优选为1mm以上。在宽度小于0.1mm的情况下，有时难以表现出凹凸结构或有峰谷的波形结构的效果。另外，由于高低差或宽度的上限依赖于元件的大小、设计、使用方法决定，因此并无特别限制。
进而，只要能够形成该凹凸结构或有峰谷的波形结构，并且能够保持高分子压电性膜不会随着时间的经过而恢复至图1的原来的水平的状态，则该结构的形成方法并无特别限定。例如，有如下方法等：如图2所示，在下部电极片上和/或上部电极片上放置导线，并利用压接膜进行压接固定而进行保持的方法；如图3所示，在电极片与高分子压电性膜之间放置导线，利用压接膜进行压接固定的方法；如图4所示，将具有凹凸结构或有峰谷的波形结构的压纹成型等的成型体放置于电极片上，利用压接膜进行压接固定的方法；将如珠子般的粒状物体分散于电极片上和/或高分子压电性膜上并进行压接固定的方法。图2及图3中示出了在一个电极片上放置四根导线、或者在两个电极片上各放置两根导线的情况，本实施方式中可将导线放置于单个或两个电极片上，而且根数并无限定，设为放置一根以上。进而，两根以上的导线可以以相互平行的方式放置在表面内，或者也可以以交叉的方式放置。再者，并不限定于导线，也可使用金属丝、丝状的纤维。作为形成凹凸结构或有峰谷的波形结构并保持的方法，有一边手动加压一边粘贴压接膜的方法、使用层压机的方法、使用真空包装装置等方法，但并无特别限定。再者，在放置导线的情况下，不仅为直线性地放置一根以上的导线的结构，也可将导线成型为圆形、三角形、四边形、五边形、六边形等闭合的环状来放置，也可采取放置具有这种环状的间隙的网状结构物的形式。
而且，导线优选为由截面直径为0.10mm以上且1.0mm以下的圆形且杨氏模量为1GPa以上的原材料形成。在截面直径小于0.10mm时，无法形成具有为了使高分子压电性膜元件起电所充分的高低差及宽度的凹凸结构或有峰谷的波形结构。可知在截面直径超过1.0mm时，后述的高分子压电性膜元件的刚性变得显著，在电动势下降、实用性方面存在问题。再者，导线的截面的形状并无特别限定，但在三角形、四边形等锐角的情况下，在所述压接固定时有可能在电极片、高分子压电性膜产生龟裂，因此除了圆形之外，优选为五边形、六边形、椭圆形。进而，导线的材质并无特别限定，但由于需要将导线的形状转印至高分子压电性膜、下部电极片及上部电极片上而形成凹凸结构或有峰谷的波形结构，因此优选在芯部具有杨氏模量为1GPa以上的铁、铜、铝、镁、钛、锌、铬等金属、其合金、塑料、陶瓷。在杨氏模量小于1GPa的材质的导线的情况下，压接固定的应力被用于导线自身的变形，不会形成具有为了起电所充分的高低差及宽度的凹凸结构或有峰谷的波形结构。
再者，可通过对导线的内侧和/或外侧施加树脂、涂料、涂层等来免受金属的腐蚀、划伤。另外，形状也可为粒状的物体来代替导线。该粒状的物体的外径为0.10mm以上且1.0mm以下、优选由杨氏模量为1GPa以上的原材料形成。
本实施方式的高分子压电性膜以膜的状态的形式准备。高分子压电性膜只要是通过受到应力而输出电压的膜，就能够使用任何高分子化合物。例如有聚偏二氟乙烯(以下，称为PVDF)、偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(以下，称为P(VDF-TrFE)、聚-L-乳酸(以下，称为PLLA)、聚-D-乳酸(以下，称为PDLA)、聚-γ-甲基-L-谷氨酸酯、聚-γ-苄基-L-谷氨酸酯、聚环氧丙烷、尼龙11、聚氯乙烯、聚脲等高分子化合物，就获取容易性的观点而言，优选为选自PVDF、P(VDF-TrFE)及PLLA中。再者，关于PVDF，在利用单轴拉伸进行膜化时形成β型晶体结构，使该PVDF的膜的两面与电极接触并施加电场，通过极化处理而成为铁电体，由此具有压电效应。另一方面，P(VDF-TrFE)可与PVDF同样地通过施加电场对利用单轴拉伸而成为β型晶体结构的膜进行极化处理，但也可将使P(VDF-TrFE)的粉末溶解于甲基乙基酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、磷酸三乙酯、环戊酮等极性有机溶剂中而得的清漆涂敷于适当的基材上，进行P(VDF-TrFE)的极化消失的温度、即居里温度以上的加热，同时将有机溶剂加热去除，冷却至结晶化温度以下，由此形成β型晶体结构，且利用基于施加电场进行的极化处理而制成铁电体，由此获得压电效应。在利用涂敷清漆的方法进行膜化的情况下，P(VDF-TrFE)的高分子压电性膜从涂敷了所述清漆的基材剥离后使用。
通过所述工艺制作的PVDF膜的、从垂直轴赋予应力时的压电d常数即d33为35pC/N。在P(VDF-TrFE)的膜的情况下，示出依赖于共聚单体的三氟乙烯(以下，称为TrFE)的摩尔比率的压电d常数，例如在摩尔比率为20％的情况下，d33为27pC/N，在摩尔比率为30％的情况下，d33为22pC/N，在摩尔比率为45％的情况下，d33为20pC/N。PLLA及PDLA与PVDF、P(VDF-TrFE)不同，通过由单轴拉伸引起的分子链取向及结晶化而显示出压电效应，因此不会通过施加电场进行极化而成为铁电体。在PLLA的膜的情况下，当从垂直轴赋予的应力时不显示出d33的压电效应，而是通过相对于单轴拉伸方向朝向倾斜45°的水平轴对膜进行拉伸而显示出压电效应。在该情况下的压电d常数即d14为6.5pC/N。如此，压电效应的显现需要理解各高分子化合物的特征，并进行适当的处理。再者，该高分子压电性膜的厚度优选为5μm以上且100μm以下，更优选为40μm以上且100μm以下。通过该厚度范围，可形成具有为了起电所充分的高低差及宽度的凹凸结构或有峰谷的波形结构。
本实施方式的下部电极片及上部电极片并无特别限定，但优选杨氏模量为1MPa以上、厚度为100nm以上且100μm以下。作为杨氏模量为1MPa以上的材料，例如可使用铝、钛、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、银、铟、锡、钨、铂、金等金属、这些金属的氧化物、合金、石墨烯、碳纳米管等导电性的碳化合物、聚噻吩、聚乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔、聚对亚苯基、聚对亚苯基亚乙烯基等有机高分子导电性化合物。另外，在该高分子压电性膜上的形成方法也并无特别限定，可使用经由导电性的粘接层进行粘接的方法、真空蒸镀法、溅镀法、通过使用这些导电性材料的糊剂、油墨进行的软胶布凹版胶印印刷、喷墨印刷、分配器、网版印刷、凹版平板印刷、柔版印刷、凸版反转印刷、旋涂涂布、喷涂涂布、刮涂涂布、浸涂涂布、流延涂布、辊涂涂布、棒涂涂布、模涂涂布等印刷及其后的烧成来形成电极片等方法。
其中，在下部电极片及上部电极片的形成工艺中，需要注意高分子压电性膜的耐热性。关于PVDF及P(VDF-TrFE)，若赋予居里温度以上的加热，则极化消失，不再是铁电体，由此失去压电效应，因此以在居里温度以下的温度形成电极片的方式进行管理。该居里温度对于PVDF而言约为170℃。P(VDF-TrFE)的居里温度根据TrFE的摩尔比率而不同，因此在所使用的摩尔比率的共聚物的居里温度以下的温度形成电极片。例如，在TrFE的摩尔比率为20％的情况下，居里温度为130℃～140℃，在摩尔比率为30％的情况下，居里温度为95℃～105℃，在摩尔比率为45％的情况下，居里温度为57℃～62℃。掌握所使用的PVDF及P(VDF-TrFE)的居里温度，注意在小于该温度下进行处理。由于PLLA的压电效应在玻璃化转变温度的66℃以上开始下降，因此优选为在65℃以下的温度下形成电极。另外，不仅加热的温度，优选加热时间也尽力缩短。
再者，在下部电极片及上部电极片的杨氏模量小于1MPa的情况下，将导线的形状转印至高分子压电性膜而形成凹凸结构或有峰谷的波形结构时的应力会在电极片中缓和，从而产生无法形成具有为了起电所充分的高低差及宽度的凹凸结构或有峰谷的波形结构的问题。另外，若电极片的厚度为100nm以下，则在所述转印时有时在导线附近发生断裂而失去导电性，在100μm以上时，电极片过硬而无法将导线形状转印至高分子压电性膜上，变得难以赋予制成具有为了起电所充分的高低差及宽度的凹凸结构或有峰谷的波形结构的应力。再者，下部电极片与上部电极片可使用相互相同的原材料及形成方法，也可使用相互不同的原材料、形成方法。
通过所述方法制作的高分子压电性膜元件响应于图1中记载的从垂直轴施加的应力而输出电压。本发明中，对于由根据各种导线的配置设计而形成的凹凸结构或有峰谷的波形结构的差异引起的对输出电压的影响进行阐明。应力与输出电压的关系由以下式(2)所表示。
[数2]
V＝a·σ (2)
(V：输出电压，a：输出比例常数，σ：应力)
本发明中，一边改变各种截面直径、各种材质的导线、与导线的根数、或导线彼此的间隔、配置，一边从垂直轴对高分子压电性膜元件赋予应力，测定所输出的电压。基于该测定计算出式(2)的a。将其在本发明中定义为输出比例常数。若凹凸结构或有峰谷的波形结构所特有的输出比例常数大，则输出电压变高，因此作为高分子压电性膜元件的能力高。实验的详细情况记载于后述的实施例、比较例中，在使用了PVDF的高分子压电性膜元件中，如图2、图3及图4所示，由于通过放置导线、成型体而形成的PVDF的凹凸结构或有峰谷的波形结构，从而成为在图1中记载的水平的膜状态的PVDF时不会显现的高输出比例常数，为高的输出电压。进而，在图1中记载的水平的膜状态下，就对于来自垂直轴的应力几乎不发电的PLLA而言，由于通过放置导线、成型体而形成的凹凸结构或有峰谷的波形结构，从而显示出大的输出比例常数，可获得高的输出电压。据此，由导线引起的凹凸结构或有峰谷的波形结构能够增大高分子压电性膜的电动势、压电灵敏度等。
即，不限于PVDF、PLLA，通过在高分子压电性膜上形成凹凸结构或有峰谷的波形结构，从而使从垂直轴施加的应力集中于凸或峰、和/或凹或谷，在三个轴方向上增加电荷的产生量。本发明中明确了，此处增加的所产生的电荷向包含图1的水平轴的三个方向分散，由此电动势、压电灵敏度的水平大幅提高，增大了压电效应。再者，可在一张高分子压电性膜上放置电极片及导线或成型体，但通过利用导电性双面粘着片等夹着两张以上的高分子压电性膜进行层叠而放置导线或成型体，也可获得压电效应的增大效果。
进而，为一种蓄电器件，其特征在于，将通过对本实施方式的高分子压电性膜元件施加应力而产生的电力蓄电于蓄电器或电容器(capacitor)。若详细地进行说明，则可知通过从垂直轴对本发明的提高电动势的高分子压电性膜元件赋予应力而输出的电压作为电荷蓄积于双电层蓄电器等蓄电器、超级电容器等电子零件中，由此可利用以往电动势低且蓄电困难的高分子压电性膜进行电力的蓄电。高分子压电性膜元件输出的电压为具有正负双方的极性的正弦波电压，因此将负极性的电压反转为正极性，整流为正极性的电压并作为电力回收。作为整流的方法，例如有由一个二极管元件进行的半波整流、或者由四个二极管元件进行的全波整流等，但就效率方面而言，可优选地使用全波整流。如图5所示，整流后的电压设为回收至蓄电器等中的电路。进而，蓄电于蓄电器或电容器中的电压能够通过与直流-直流转换器(DCDC转换器)连接而作为直流电压升压，成为驱动其他电子机器的电力。
进而，可知本实施方式的高分子压电性膜元件例如通过缩小为15mm×15mm的电极片的尺寸，从而能够通过以柔软的触感轻轻接触手腕及颈部来检测出脉搏波。如图6所示，明确了本实施方式的高分子压电性膜元件检测出的脉搏波成为与将市售的光电容积脉搏计安装于手指尖上而取得的脉搏波的波形相同的形状及频率的波形。可作为小型且轻量、低成本的脉搏波检测元件来使用。
另外，为一种载荷侦测器件，其特征在于，通过对本实施方式的高分子压电性膜元件施加载荷而从运算放大器输出恒定电压。可知若与从垂直轴对高分子压电性膜元件赋予载荷并根据载荷值输出恒定电压的电子电路连接，则可输出与载荷值成比例的电压值而成为载荷侦测器件。电子电路并无特别限定，例如如图7所示，可设为将高分子压电性膜元件所输出的电压暂时回收至蓄电器中，通过使用运算放大器的电压跟随器来检测蓄电器的电压的方法。
实施例
以下，经由实施例对本发明进行具体说明，但本发明并不受这些限定。
[实施例1]
在80μm的厚度、82.5mm×82.5mm的聚偏二氟乙烯的高分子压电性膜、KF压电膜(KFPiezo Film)(注册商标)(吴羽(Kureha)(株)制造)的两面，以与高分子压电性膜接触的方式贴附由82.5mm×82.5mm的尺寸且杨氏模量为110GPa的铜箔与导电性粘着层层叠而成的铜箔电极片、代泰克(DAITAC)(注册商标)E20CU(DIC(株)制造)的导电性粘着层。在该电极片的一者上以82.5mm的长度且以与所述铜箔电极片的82.5mm的边平行的方式放置一根截面直径0.5mm且杨氏模量为110GPa的由铜制成的导线，利用胶带固定端部。利用桌面辊层压机(Desktop Roll Laminator)H355A3(日本爱可品牌(ACCO Brands Japan)(株)制造)，将其由压接膜从上下压接固定，制作具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。利用触针式表面形状测定装置DektakXT(布鲁克(Bruker)公司制造)测定压接膜表面的形状，结果高低差为200μm、宽度为4.0mm。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了14mV～29mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.93mV/Pa。在后述的比较例1的由KF压电膜(KF Piezo Film)(注册商标)制作的元件中，输出比例常数平均为0.036mV/Pa，与此相比，在本实施例的凹凸结构或有峰谷的波形结构的情况下，输出电压平均增加至26倍。
[实施例2]
与实施例1同样地在高分子压电性膜的两面贴附铜箔电极片。在该铜箔电极片上分别以82.5mm的长度、以与所述铜箔电极片的一者的82.5mm的边平行的方式且以两根导线之间的距离成为5mm的方式分别放置一根截面直径0.5mm且杨氏模量为110GPa的由铜制成的导线，利用胶带固定端部。利用桌面辊层压机(Desktop Roll Laminator)H355A3(日本爱可品牌(ACCO Brands Japan)(株)制造)，将其由压接膜从上下压接固定，制作具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。与实施例1同样地测定压接膜表面的形状，结果高低差为200μm、宽度为4.0mm。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了84mV～138mV的电压。其结果，输出比例常数平均为5.3mV/Pa。在后述的比较例1的由KF压电膜(KF Piezo Film)(注册商标)制作的元件中，输出比例常数平均为0.036mV/Pa，因此由于本实施例的凹凸结构或有峰谷的波形结构，输出电压平均增加至147倍。
[实施例3]
将实施例1的高分子压电性膜更改为50μm的厚度、82.5mm×82.5mm的聚-L-乳酸的高分子压电性膜、μFLEX(注册商标)(三井化学(株)制造)，制作具有在垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。与实施例1同样地测定压接膜表面的形状，结果高低差为290μm、宽度为4.0mm。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了3.1mV～14mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.33mV/Pa。在后述的比较例2的μFLEX(注册商标)中，输出比例常数为0mV/Pa，因此首次观测到了在聚-L-乳酸的高分子压电性膜元件的情况下的对于垂直应力的输出。
[实施例4]
将实施例2的高分子压电性膜更改为50μm的厚度、82.5mm×82.5mm的聚-L-乳酸的高分子压电性膜、μFLEX(注册商标)(三井化学(株)制造)，制作具有在垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。与实施例1同样地测定压接膜表面的形状，结果高低差为290μm、宽度为4.0mm。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了4.7mV～13mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.37mV/Pa。
[实施例5]
制作将实施例4中记载的导线更改为截面直径为0.26mm且杨氏模量为110GPa的由铜制成的导线的高分子压电性膜元件。与实施例1同样地测定压接膜表面的形状，结果高低差为136μm、宽度为3.5mm。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了4.4mV～16mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.41mV/Pa。
[实施例6]
制作将实施例4中记载的导线更改为截面直径为1.0mm且杨氏模量为110GPa的由铜制成的导线的高分子压电性膜元件。与实施例1同样地测定压接膜表面的形状，结果高低差为446μm、宽度为4.5mm。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了3.1mV～20mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.36mV/Pa。
[实施例7]
在实施例3的聚-L-乳酸的高分子压电性膜、μFLEX(注册商标)(三井化学(株)制造)的两面，以与高分子压电性膜接触的方式贴附由82.5mm×82.5mm的尺寸且杨氏模量为110GPa的铜箔与导电性粘着层层叠而成的铜箔电极片、代泰克(DAITAC)(注册商标)E20CU(DIC(株)制造)的导电性粘着层。将一根截面直径0.5mm的由铜制成的导线以成为15mm的内径的方式成型为圆形的环状并放置于该电极片的一者上。利用桌面辊层压机(DesktopRoll Laminator)H355A3(日本爱可品牌(ACCO Brands Japan)(株)制造)，将其由压接膜从上下压接固定，制作具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。与实施例3同样地测定压接膜表面的形状，结果高低差为290μm、宽度为4.0mm。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了2.7mV～12mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.24mV/Pa。
[比较例1]
在80μm的厚度、82.5mm×82.5mm的聚偏二氟乙烯的高分子压电性膜、KF压电膜(KFPiezo Film)(注册商标)(吴羽(Kureha)(株)制造)的两面，以与高分子压电性膜接触的方式贴附由82.5mm×82.5mm的尺寸且杨氏模量为110GPa的铜箔与导电性粘着层层叠而成的铜箔电极片、代泰克(DAITAC)(注册商标)E20CU(DIC(株)制造)的导电性粘着层。利用桌面辊层压机(Desktop Roll Laminator)H355A3(日本爱可品牌(ACCO Brands Japan)(株)制造)，由压接膜从上下压接固定，与实施例1同样地将该元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了0.50mV～1.2mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.036mV/Pa。
[比较例2]
使用50μm的厚度、82.5mm×82.5mm的聚-L-乳酸的高分子压电性膜、μFLEX(注册商标)(三井化学(株)制造)，与比较例1同样地贴附电极片，利用桌面辊层压机(Desktop RollLaminator)H355A3(日本爱可品牌(ACCO Brands Japan)(株)制造)，由压接膜从上下压接固定，与实施例1同样地将该元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果未产生电压。输出比例常数为0mV/Pa。
[实施例8]
在80μm的厚度、82.5mm×82.5mm的聚偏二氟乙烯的高分子压电性膜、KF压电膜(KFPiezo Film)(注册商标)(吴羽(Kureha)(株)制造)的一面，以与高分子压电性膜接触的方式贴附由82.5mm×82.5mm的尺寸且杨氏模量为110GPa的铜箔与导电性粘着层层叠而成的铜箔电极片、代泰克(DAITAC)(注册商标)E20CU(DIC(株)制造)的导电性粘着层。将其制作两张。对于其中的一张，在与KF压电膜(KF Piezo Film)的电极面相反的面上贴合与电极相同尺寸的导电性无纺布双面粘着带9720S(日本3M(株)制造)。进而，在该导电性无纺布双面粘着带的一面上贴合与剩下的带单侧电极的KF压电膜(KF Piezo Film)的电极面相反的面。在经由该导电性带而层叠有KF压电膜(KF Piezo Film)的铜箔电极片的各个面上，以82.5mm的长度、以与所述铜箔电极片的边平行且以两根导线之间的距离为5mm且相互平行的方式分别放置一根截面直径为0.5mm、且杨氏模量为110GPa的铜导线，利用胶带固定导线端部。利用桌面辊层压机(Desktop Roll Laminator)H355A3(日本爱可品牌(ACCO BrandsJapan)(株)制造)，将其由压接膜从上下压接固定，制作具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。与实施例1同样地测定压接膜表面的形状，结果高低差为240μm、宽度为3.5mm。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了12mV～42mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.93mV/Pa。
[比较例3]
与实施例8同样地制作经由导电性带而层叠有KF压电膜(KF Piezo Film)的元件，同样地，利用桌面辊层压机(Desktop Roll Laminator)H355A3(日本爱可品牌(ACCOBrands Japan)(株)制造)，由压接膜从上下压接固定，与实施例8同样地，以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了0.8mV～3.8mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.10mV/Pa。
[实施例9]
在80μm的厚度、38mm×38mm的聚偏二氟乙烯的高分子压电性膜、KF压电膜(KFPiezo Film)(注册商标)(吴羽(Kureha)(株)制造)的两面，以与高分子压电性膜接触的方式贴附由38mm×38mm的尺寸且杨氏模量为110GPa的铜箔与导电性粘着层层叠而成的铜箔电极片、代泰克(DAITAC)(注册商标)E20CU(DIC(株)制造)的导电性粘着层。在该铜箔电极片的各自的面上，以38mm的长度、以与所述铜箔电极片的38mm的边平行的方式且以两根导线在同一平面内正交交叉的方式分别放置一根截面直径0.5mm且杨氏模量为110GPa的由铜制成的导线，利用胶带固定端部。利用桌面辊层压机(Desktop Roll Laminator)H355A3(日本爱可品牌(ACCO Brands Japan)(株)制造)，将其由压接膜从上下压接固定，制作具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以19Pa～90Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了26mV～161mV的电压。其结果，输出比例常数平均为1.5mV/Pa。与后述的比较例4的由KF压电膜(KF Piezo Film)(注册商标)制作的元件的输出比例常数平均0.036mV/Pa相比，输出电压平均增加至42倍。
[实施例10]
在与实施例9相同的高分子压电性膜的各个面上，以38mm的长度、以两根导线在面内正交交叉的方式分别放置一根截面直径0.5mm且杨氏模量为110GPa的由铜制成的导线，利用胶带固定端部。进而，在该高分子压电性膜的两面，以与高分子压电性膜接触的方式且以覆盖导线的方式贴附由38mm×38mm的尺寸且杨氏模量为110GPa的铜箔与导电性粘着层层叠而成的铜箔电极片、代泰克(DAITAC)(注册商标)E20CU(DIC(株)制造)的导电性粘着层。利用桌面辊层压机(Desktop Roll Laminator)H355A3(日本爱可品牌(ACCO BrandsJapan)(株)制造)将其由压接膜从上下压接固定，制作具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以19Pa～90Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了75mV～748mV的电压。其结果，输出比例常数平均为5.3mV/Pa。如后述的比较例4所示，在水平的KF压电膜(KFPiezo Film)(注册商标)时，输出比例常数平均为0.036mV/Pa，因此通过本实施例的凹凸结构或有峰谷的波形结构，输出电压平均增加至147倍。
[实施例11]
除了涂敷聚乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸(贺利氏(Heraeus)公司制造)的水/醇溶液及利用加热使水/醇蒸发而制成两面电极，来代替实施例7的聚-L-乳酸的高分子压电性膜、μFLEX(注册商标)(三井化学(株)制造)的铜箔电极片以外，与实施例7同样地制作具有在垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。与实施例7同样地测定压接膜表面的形状，结果高低差为260μm、宽度为4.5mm。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了8.4mV～21mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.65mV/Pa。
[实施例12]
与实施例1同样地在高分子压电性膜的两面贴附铜箔电极片。将宽2mm、长80mm、高低差0.4mm的凸状的线以3mm间隔形成为格子状的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)成型体如图4所示以凸状表面与电极片接触的方式放置于该电极片的一者上，利用桌面辊层压机(Desktop Roll Laminator)H355A3(日本爱可品牌(ACCO Brands Japan)(株)制造)由压接膜从上下压接固定，制作具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构的高分子压电性膜元件。与实施例1同样地测定压接膜表面的形状，结果高低差为84μm、宽度为4.0mm。将该高分子压电性膜元件放置于水平的振动台上，利用加压件以13Pa～34Pa的范围从PET成型体的垂直轴施加应力，结果输出了25mV～29mV的电压。其结果，输出比例常数平均为1.2mV/Pa。如上述比较例1所示，在水平的KF压电膜(KF Piezo Film)(注册商标)的情况下，输出比例常数平均为0.036mV/Pa，因此在本实施例的凹凸结构或有峰谷的波形结构时，输出电压平均增加至33倍。
[实施例13]
将实施例2的高分子压电性膜元件的两张电极片与图5所示的由四个二极管元件形成的全波整流电路连接，进而，与以保护该整流电路为目的的齐纳二极管及对该高分子压电性膜元件输出的电压进行蓄电的10μF的蓄电器连接。将该高分子压电性膜元件放置于水平的台上，一边用手从垂直轴连续加压，一边利用示波器测定该蓄电器的电压，结果蓄积了4.0V的电压。
[实施例14]
在各个铜箔电极片上各放置7根实施例2的导线，利用与实施例2相同的方法制作高分子压电性膜元件。将该高分子压电性膜元件连接于与实施例13相同的电路，进而，将10μF的蓄电器连接于图5所示的直流-直流转换器LTC3108(Analog Devices公司制造)。将该高分子压电性膜元件放置于水平的台上，一边用手从垂直轴连续加压，一边利用示波器测定蓄电器的电压，结果在该蓄电器中蓄电4.0V之后，从LTC3108的输出端子输出了2.4V的升压后的直流电压。
[实施例15]
在各个面的铜箔电极片上各放置12根实施例4的导线，利用与实施例4相同的方法制作高分子压电性膜元件。将该高分子压电性膜元件连接于与实施例13相同的电路，一边用手从该高分子压电性膜元件的垂直轴连续加压，一边利用示波器测定该蓄电器的电压，结果蓄积了0.4V的电压。
[比较例4]
将比较例1的电极片变更为38mm×38mm的尺寸，在19Pa～90Pa的范围从垂直轴施加应力，结果输出了0.7mV～3.3mV的电压。其结果，输出比例常数平均为0.036mV/Pa。
[实施例16]
将导线的长度设为15mm、电极片的尺寸设为15mm×15mm，利用与实施例2相同的方法制作高分子压电性膜元件。使用导电性接着剂将两张电极片连接于同轴电缆上，并将该同轴电缆连接于示波器。作为参考，在指尖安装光电容积脉搏波计，一边光学测定脉搏波，一边使该高分子压电性膜元件轻轻接触手腕及颈部的脉搏发生部位，结果如图6所示，检测出清晰的脉搏波。作为参考的光电容积脉搏波的波形及频率与使用该高分子压电性膜元件的脉搏波一致。
[比较例5]
对于将电极片的尺寸设为15mm×15mm且利用与比较例1相同的方法制作的元件，利用与实施例16相同的方法使其与手腕及颈部的脉搏发生部位接触，结果未检测出脉搏波。
[实施例17]
如图7所示，将实施例15的高分子压电性膜元件连接于10kΩ的电阻器、10nF的蓄电器、包含运算放大器的电压跟随器，对该高分子压电性膜元件按照2.0kg、4.5kg、7.5kg、11kg的顺序施加静态载荷，测定此时的电压跟随器的输出电压。进而，测定按照11kg、7.5kg、4.5kg、2.0kg的顺序卸载时的电压跟随器的输出电压。其结果，如图8所示，在2.0kg时产生了150mV的输出电压，在4.5kg时产生了280mV的输出电压，在7.5kg时产生了400mV的输出电压，在11kg时产生了550mV的输出电压，输出了与载荷对应的恒定电压。在增加所施加的载荷时和卸载时为相同的输出电压。
[比较例6]
将比较例2的元件连接于与实施例17相同的电路上，对该元件按照2.0kg、4.5kg、7.5kg、11kg的顺序施加静态载荷，但从电压跟随器未产生输出电压。
本申请是主张2021年4月28日申请的日本特愿2021-076711号的优先权的申请。上述申请的说明书、权利要求书及附图中记载的内容被援用于本申请中。
产业上的可利用性
通过以本发明的具有在高分子压电性膜的表面的垂直轴上为凹凸的结构或有峰谷的波形结构为特征的高分子压电性膜元件，可制成片状的轻且柔软的发电器件及侦测应力或微小电动势的传感器，可提供对产生应力的部位的物理形状不会造成影响的能够简单设置的器件。可用于医疗福利用途的传感器、可穿戴器件用途、面向智能手机、平板终端、计算机、显示器等的晶体管用途传感器、面向医疗、护理床、防盗、育儿、汽车自动驾驶、宠物机器人、无人机等的传感器或控制零件用途、有机EL、液晶显示器、照明、汽车、机器人、电子眼镜、音乐播放器等电子零件用途。

Claims (11)

1.一种高分子压电性膜元件，其特征在于，在高分子压电性膜的两面形成有电极片，所述高分子压电性膜具有在该面的垂直轴上为凹凸的结构、或有峰谷的波形结构。
2.如权利要求1所述的高分子压电性膜元件，其特征在于，通过在所述电极片的一者或两者上放置导线并由压接膜进行压接固定，从而具有所述结构。
3.如权利要求1或2所述的高分子压电性膜元件，其特征在于，所述高分子压电性膜是对包含下述通式(1)所表示的结构单元的聚偏二氟乙烯的单轴拉伸膜进行了极化处理而得到的，
4.如权利要求1或2所述的高分子压电性膜元件，其特征在于，所述高分子压电性膜是对包含下述通式(2)所表示的结构单元的偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物的单轴拉伸膜进行了极化处理而得到的，
5.如权利要求1或2所述的高分子压电性膜元件，其特征在于，所述高分子压电性膜为包含下述通式(3)所表示的结构单元的聚-L-乳酸的单轴拉伸膜，
6.如权利要求1～5中任一项所述的高分子压电性膜元件，其特征在于，所述电极片的杨氏模量为1MPa以上，厚度为100nm以上且100μm以下。
7.如权利要求1～6中任一项所述的高分子压电性膜元件，其特征在于，具有配置于所述电极片的一者或两者上的导线，所述导线以直线的形式放置有一根以上。
8.如权利要求1～6中任一项所述的高分子压电性膜元件，其特征在于，具有配置于所述电极片的一者或两者上的导线，所述导线以环状的形式放置有一根以上。
9.如权利要求1～8中任一项所述的高分子压电性膜元件，其特征在于，具有配置于所述电极片的一者或两者上的导线，所述导线包含截面直径为0.10mm以上且1.0mm以下、杨氏模量为1GPa以上的原材料。
10.一种蓄电器件，其特征在于，将通过应力施加于权利要求1所述的高分子压电性膜元件而产生的电力蓄电于蓄电器或电容器中。
11.一种载荷侦测器件，其特征在于，通过载荷施加于权利要求1所述的高分子压电性膜元件而从运算放大器输出恒定电压。
CN202280026671.8A 2021-04-28 2022-04-18 高分子压电性膜元件、以及使用其的蓄电器件及载荷侦测器件 Pending CN117158133A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021076711 2021-04-28
JP2021-076711 2021-04-28
PCT/JP2022/018032 WO2022230707A1 (ja) 2021-04-28 2022-04-18 高分子圧電性フィルム素子と、それを用いた蓄電デバイスおよび荷重検知デバイス

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117158133A true CN117158133A (zh) 2023-12-01

Family

ID=83847062

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280026671.8A Pending CN117158133A (zh) 2021-04-28 2022-04-18 高分子压电性膜元件、以及使用其的蓄电器件及载荷侦测器件

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP4333086A1 (zh)
JP (1) JPWO2022230707A1 (zh)
KR (1) KR20230149316A (zh)
CN (1) CN117158133A (zh)
TW (1) TW202243294A (zh)
WO (1) WO2022230707A1 (zh)

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2009107305A1 (ja) * 2008-02-26 2011-06-30 敏孝 丈井 電気音響変換器
JP2011222679A (ja) * 2010-04-07 2011-11-04 Daikin Ind Ltd 透明圧電シート
EP2696163B1 (en) * 2011-04-08 2018-05-23 Murata Manufacturing Co., Ltd. Displacement sensor, displacement detecting apparatus, and operation device
JP2014111911A (ja) 2012-12-05 2014-06-19 Asahi Kasei Corp 発光素子を備えた積層型発電体及びその発電装置
JP6579365B2 (ja) * 2015-06-30 2019-09-25 帝人株式会社 エネルギーハーベスト装置
JP7395150B2 (ja) 2015-09-02 2023-12-11 大日本印刷株式会社 発電デバイス及び発電方法
JPWO2018181261A1 (ja) * 2017-03-27 2020-05-21 東邦化成株式会社 圧電素子
JP7280566B2 (ja) 2019-01-23 2023-05-24 味の素株式会社 圧電シートおよびその製造方法
JPWO2020230509A1 (zh) 2019-05-16 2020-11-19
WO2020235208A1 (ja) 2019-05-17 2020-11-26 富士フイルム株式会社 振動発電素子
EP3993442A4 (en) * 2019-06-28 2023-06-07 FUJIFILM Corporation ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER FILM AND ELECTROACOUSTIC TRANSDUCER
JP7330864B2 (ja) 2019-11-08 2023-08-22 株式会社コベルコE&M スクラップ画像撮影システム、スクラップ画像撮影方法、撮影支援装置、及びプログラム

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2022230707A1 (zh) 2022-11-03
KR20230149316A (ko) 2023-10-26
TW202243294A (zh) 2022-11-01
EP4333086A1 (en) 2024-03-06
WO2022230707A1 (ja) 2022-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Costa et al. Recent progress on piezoelectric, pyroelectric, and magnetoelectric polymer‐based energy‐harvesting devices
Deng et al. Ternary electrification layered architecture for high-performance triboelectric nanogenerators
Qin et al. Wearable and stretchable triboelectric nanogenerator based on crumpled nanofibrous membranes
Khan et al. Evolution from single to hybrid nanogenerator: a contemporary review on multimode energy harvesting for self-powered electronics
Sripadmanabhan Indira et al. Nanogenerators as a sustainable power source: state of art, applications, and challenges
Liu et al. Wireless single-electrode self-powered piezoelectric sensor for monitoring
Li et al. Triboelectric nanogenerators enabled internet of things: A survey
Chandrasekhar et al. Human interactive triboelectric nanogenerator as a self-powered smart seat
Fuh et al. Hybrid energy harvester consisting of piezoelectric fibers with largely enhanced 20 V for wearable and muscle-driven applications
US9419544B2 (en) Energy harvesting device having self-powered touch sensor
US9825558B2 (en) Vibration generator and stacked-structure generator
Xin et al. Shoes-equipped piezoelectric transducer for energy harvesting: A brief review
US10879817B2 (en) Paper-based triboelectric nanogenerator and method of manufacturing the same
KR101733277B1 (ko) 압전과 마찰을 이용한 전기에너지 수확소자
JP2016127286A (ja) 多層可変素子及び表示装置
KR20150027415A (ko) 직물 기반의 에너지 제너레이터
Gaur et al. Efficient energy harvesting using processed poly (vinylidene fluoride) nanogenerator
CN108054951B (zh) 一种基于多层结构的俘能/储能一体化微纳电池
CN109130426B (zh) 一种发电单元、复合纳米发电机、系统、传感器和纸张
Han et al. High-performance dual-mode triboelectric nanogenerator based on hierarchical auxetic structure
Liang et al. The Recent Progress in Cellulose Paper‐Based Triboelectric Nanogenerators
CN103346695A (zh) 一种r型复合式微纳发电机
Mondal et al. Nanogenerators‐Based Self‐Powered Sensors
Padha et al. An Insight into the Wearable Technologies Based on Novel Hybrid Piezoelectric‐Triboelectric Nanogenerators
KR20150134677A (ko) 다층구조로 적층된 압전소자를 이용한 발전장치

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination