JP2002022560A - 可撓性圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子周囲の温度を別に設けた温度センサ
で管理する必要がないようにする。 【解決手段】 高分子中母材１に圧電セラミック粉体２
を混入した平板状複合圧電体３と、この平板状複合圧電
体３の両面に配置された電極用高分子９と導電粒子１０
からなる複合導電体からなる可撓性電極４、５とからな
り、複合圧電体３の振動電圧検出手段６と可撓性電極４
または５の抵抗温度特性に基づく抵抗検出手段７と温度
換算手段８を有している。これによって、圧力と温度を
簡易構造で同時に検出する可撓性圧電素子を提供でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可撓性圧電素子に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、可撓性圧電素子としては、図４に
示すように高分子母材１と圧電セラミック粉体２とを混
合しシート状に成形後、この複合圧電シート３表面に電
極１２を設ける。この際、電極としては分極処理によっ
て付与された圧電特性や高分子母材１の耐熱性等を考慮
して一般に銅、アルミニウム、金等の金属蒸着あるいは
接着剤により貼付した金属の箔電極が用いられている。

【０００３】また、特開平５−１０２５４８号公報で
は、平板状複合圧電体３に金属を溶射した溶射電極を用
いた可撓性圧電素子が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
可撓性圧電素子は信頼性や感度、及び複雑な製造工程を
有するという課題を有していた。すなわち、蒸着電極で
は一般に設けられる電極の厚みが０．０２〜０．１μm
と程度と非常に薄いため平板状複合圧電体が撓んだ場合
に電極内に亀裂が生じてしまい感度が低下あるいは、出
力が得られないという課題があった。

【０００５】また、金属箔電極は、一般に６〜１００μ
m程度の厚さの金属箔を、ポリエステル系樹脂、ウレタ
ン系樹脂、エポキシ系樹脂等からなる５〜４０μm程度
の接着剤を介して、平板状複合圧電体に貼付される。し
かし、この金属箔電極は、特に平板状複合圧電体両面に
設けた場合、複合圧電体の可撓性という重量な長所を損
ない、感度が低いという課題があった。

【０００６】また、溶射電極の場合は複合圧電体の耐熱
性のため、容易に溶射成形できるのは低沸点の金属のみ
であり、用いられる電極材料が制限されるという課題が
あると同時に、溶射時に平板状複合圧電体にエアー圧等
の負荷が印加されるため、平板状複合圧電体の信頼性に
課題があった。

【０００７】さらに、従来の平板状の可撓性圧電素子で
は時間的に変化する圧力を検出できるが、温度を検出で
きないという課題を有していた。前記平板状複合圧電体
３をもちいた場合でも、その最高使用温度は８０〜１２
０℃程度である。この平板状可撓性圧電体３が最高使用
温度以上に放置される環境になった場合、その圧電性能
が劣化する。従って、平板状複合圧電体３の使用にあた
っては十分な温度管理画筆用である。この点、従来の可
撓性圧電素子では、温度センサを別途に準備する必要が
ある。しかし、構成が複雑になる、温度センサで検出さ
れる温度は必ずしも可撓性複合圧電体３の温度と一致し
ない、の課題があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、高分子中母材に圧電セラミック粉体を混
入した平板状複合圧電体と、前記平板状複合圧電体の両
面に密着して配置された可撓性電極とからなり、前記両
可撓性電極に接続された振動電圧検出手段と、前記可撓
性電極の少なくとも一方に接続された抵抗検出手段とか
らなる可撓性圧電素子である。

【０００９】上記発明によれば、平板状複合圧電体に圧
力が印加されたとき、前記平板状複合圧電体両面に配置
された可撓性電極間に発生する平板状複合圧電体の振動
電圧を検出することにより圧力検知をする。

【００１０】また、２つの可撓性電極の少なくとも一方
に接続された抵抗検出手段で、可撓性電極の抵抗温度特
性に基づいて抵抗値の温度依存性を測定して可撓性複合
圧電体の温度を検出することができる。従って、温度セ
ンサを特別に準備する必要がない。このため、温度検出
も可能な可撓性圧電素子を簡単な構成で実現できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】上記課題を解決するために請求項
１記載の発明は、高分子母材中に圧電セラミック粉体を
混入した平板状複合圧電体と、前記平板状複合圧電体の
両面に密着して配置された可撓性電極とからなり、前記
両可撓性電極に接続された振動電圧検出手段と、可撓性
電極の少なくともどちらか一方に接続された抵抗検出手
段とからなる可撓性圧電素子である。前記可撓性電極と
前記平板状複合圧電体が密着する構成であるので可撓性
が向上すると同時に、抵抗検出手段により可撓性電極の
抵抗が検出できるので、可撓性電極で挟持されている平
板状複合圧電体の平均温度を可撓性電極抵抗の温度依存
性に基づいて検出できる。従って、温度センサを別に準
備する必要がないので簡素な構成で圧力と温度の両者を
検知できる可撓性圧電素子を提供できる。

【００１２】請求項２記載の発明は、抵抗検出手段に可
撓性電極の抵抗温度特性に基づいて抵抗値を温度に換算
する温度換算手段を接続してなる可撓性圧電素子であ
る。

【００１３】抵抗検出手段により検出された抵抗値は、
温度換算手段により温度に換算されるので容易に温度を
直読できる。

【００１４】請求項３記載の発明は、高分子母材を塩素
化ポリエチレンで構成した可撓性圧電素子である。塩素
化ポリエチレンは優れた耐熱性と優れた可撓性を有する
のでこれらの特性を兼ね備えた平板状複合圧電体が得ら
れる。

【００１５】請求項４記載の発明は、圧電セラミック粉
体をチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体で構成した可撓
性圧電素子である。チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体
の圧電セラミック粉体は工業的に多量に利用されている
ので、安価であり、入手も容易であるため、高感度で安
価な可撓性圧電素子が提供できる。

【００１６】請求項５の発明は、圧電セラミック粉体を
チタン酸鉛で構成した可撓性圧電素子である。チタン酸
鉛の誘電率は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体の誘
電率よりも小さいので、圧電セラミック粉体の誘電率を
小さくできるため、分極処理が容易になり、簡単に高感
度な可撓性圧電素子が提供できる。

【００１７】請求項６の発明は、可撓性電極が電極用高
分子材と導電性粒子とからなる複合導電体で構成した可
撓性圧電素子である。導電性粒子の接触を通して複合導
電体の導電性が確保される。また、電極用高分子自身の
可撓性を通して複合導電体の可撓性が確保される。ま
た、複合導電体電極の電極用高分子と、平板状複合圧電
体中の高分子母材の軟化温度を適切に選択することによ
り、容易に熱圧着で接着できる。

【００１８】請求項７の発明は、電極用高分子が高分子
母材と同質材料で構成した可撓性圧電素子である。電極
用高分子が高分子母材と同質材料であるので、電極を平
板状複合圧電体に容易に強固接着でき、信頼性が向上す
る。

【００１９】請求項８の発明は、導電性粒子がカーボン
ブラックで構成された可撓性圧電素子である。カーボン
粒子は工業的に多量に利用されているので、安価であ
り、入手も容易である。

【００２０】

【実施例】以下、本説明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００２１】（実施例１）図１は本発明の実施例１にお
ける可撓性圧電素子の断面図である。この可撓性圧電素
子は高分子母材１中に圧電セラミック粉体２を、オープ
ンロール装置で混合して均一に分散させた後、熱プレス
装置により平板金型で厚さ０．５mmのシートに成形し
て、複合圧電体３を得た。この平板状複合圧電体３の両
面に平板状金型を使用して熱プレスにより、平板状複合
圧電体３と可撓性電極４と可撓性電極５をそれぞれ熱圧
着した。

【００２２】次に圧電特性を付与するために、可撓性電
極４と５の間に直流高電圧を印加して圧電セラミック粉
体２を分極し、可撓性圧電素子を構成した。

【００２３】以上の可撓性圧電素子構成の中で、高分子
母材１に塩素化ポリエチレン、圧電セラミック粉体２に
チタン酸ジルコン酸鉛を用いた。高分子母材１としてエ
ポキシ樹脂、ウレタン樹脂、クロロプレン樹脂、塩素化
ポリエチレン樹脂などが用いられるが、エポキシ樹脂、
ウレタン樹脂の耐熱性は（６０〜８０℃）程度であるの
に対し、塩素化ポリエチレンは、１２０℃の高耐熱を有
する点で優れている。また、塩素化ポリエチレンは分子
量や結晶化度等を適切に選ぶことにより、加硫無しでも
上記高耐熱性を実現できる点で有効である。また、塩素
化ポリエチレンは可撓性に優れるため、外力による電極
剥離等が抑制され、信頼性及び感度が高い。また、圧電
セラミック粉体２の材質は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛
の固溶体であることが望ましい。この組成の圧電セラミ
ックは電子部品用セラミックとして工業的に多量に実用
されているので、安価であり入手も容易である。

【００２４】また、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体
以外にも圧電セラミック粉体２の材質としてチタン酸鉛
も好ましい。チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体の比誘
電率はおよそ（８００〜３０００）程度の大きな値であ
るが、チタン酸鉛の比誘電率は（２００〜３００）程度
の小さな値である。この場合、圧電セラミック粉体２と
可撓性電極４、５の間に高分子母材１に起因する静電容
量は、圧電セラミック粉体２に起因する静電容量と同程
度にできる。従って、圧電セラミック粉体の分極が容易
にできる。

【００２５】可撓性圧電素子の一部あるいは全面に時間
的に変化する圧力が印加されたときその部分の圧電素子
に生じる加速度に応じた振動電圧が可撓性電極４及び５
間に誘起される。この振動電圧は振動電圧検出手段６に
より検出される。この振動電圧を用いて、時間的に変化
する圧力を検知する。

【００２６】他方、可撓性電極４及び５は、平板状複合
圧電体３に密着して構成されているので、可撓性電極４
及び５の温度は殆ど平板状複合圧電体３の温度に等し
い。可撓性電極４、５は、その構成材料特有の抵抗温度
特性を示すので、検出された抵抗から温度を求めること
ができる。検出された抵抗から温度を求めるには、抵抗
温度特性を参照する必要がある。しかし、その都度参照
する事は煩雑な作業であるので、図１に示すように抵抗
温度特性に基づき抵抗を温度に換算する温度換算手段８
を抵抗検出手段７に接続することが望ましい。これによ
り温度を直読できる。

【００２７】このように図１に示した実施例１の構成
は、温度と圧力を同時に検出することができる。

【００２８】（実施例２）図２は本発明実施例２の可撓
性圧電素子の構成図である。

【００２９】可撓性電極４および可撓性電極５の構成材
料として、複合導電体１１を用いた。この複合導電体１
１は、電極用高分子９と導電性粒子１０とから構成され
る。このとき、導電性粒子１０は電極用高分子９中に網
目状に相互に接触して配列され、これらの接触を通して
複合導電体１１の導電性が確保される。

【００３０】また、電極用高分子９により、それ自身の
可撓性を通して複合導電体１１の可撓性が確保される。
このため、電極に金属箔電極を張り付けた構成の圧電素
子よりも高い可撓性が得られる。電極用高分子９とし
て、高分子母材１と同様、エポキシ樹脂、ウレタン樹
脂、クロロプレン樹脂、塩素化ポリエチレン樹脂などが
用いられる。

【００３１】また、導電性粒子１０として、カーボン粒
子や銀粒子が用いられる。銀粒子を用いた場合、複合導
電体電極７の比抵抗は５×１０ー³Ω・cm程度の小さな値
を示すが、カーボン粒子を用いた場合、同比抵抗値は約
１桁以上の大きな値を示す。この圧電素子を人体検知に
用いた場合の周波数範囲は約５Ｈｚ程度であるので、こ
の時の平板状複合圧電体３のインピーダンスは約１００
kΩ以上であり、両可撓性電極４、５の比抵抗値は１kΩ
以下程度で充分であるので、導電性粒子１０として低価
格のカーボン粒子を用いることが有効である。

【００３２】ここでは、カーボン粒子として導電性カー
ボンブラック粉体（商品名：ケッチェンブラックＥＣ製
造元：ケッチェン・ブラック・インターナショナル株式
会社）を用いた。

【００３３】高分子母材１と電極用高分子９は同質材料
で形成することが望ましい。

【００３４】これは、熱によって接着する場合、同質材
料同志が容易に接着しやすいため、接着強度が高く接着
剤等を使用しないため信頼性も高い。この時、高分子母
材１と電極用高分子９に塩素化ポリエチレンを使用する
ことが望ましい。これは、平板状複合圧電体３の高分子
母材１で述べたように、塩素化ポリエチレンは可撓性に
優れるため、感度も高い上、耐熱性も優れているため、
信頼性も高い。

【００３５】図２に示す実施例２の平板状複合圧電体３
は高分子母材１に塩素化ポリエチレンを用い、圧電セラ
ミック粉体２にチタン酸ジルコン酸鉛粉体を用いて、オ
ープンロール装置で混練り後、熱圧縮装置で幅１０mm×
長さ７５mm×厚み０．５mmの大きさに成形した。また、
可撓性電極４及び５の複合導電体１１（は塩素化ポリエ
チレンに対してケッチェンブラックＥＣを１０重量％添
加してオープンロール装置で混練り後、熱圧縮装置で幅
１０mm×長さ７５mm×厚み０．３mmの大きさに成形し、
前記作成の平板状複合圧電体３両面に熱圧着して可撓性
圧電素子を得た。

【００３６】複合導電体１１からなる可撓性電極４また
は５の直流抵抗温度特性を図３に示す。図３から、約６
９００ppm／℃の高い抵抗温度係数を示す。従って、抵
抗検出手段７による抵抗検出と、この抵抗温度特性に基
づいて可撓性電極４または５に挟持された平板状複合圧
電体３の温度を温度換算手段８を用いて算出することが
容易である。実用状態で、可撓性圧電素子が一定の温度
以上になった場合に素子を保護するために、警報手段で
知らせるということが可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１記載の発明によれば、可撓性電極と前記平板状複合圧
電体が密着する構成であるので可撓性が向上すると同時
に、抵抗検出手段により可撓性電極の抵抗が検出できる
ので、可撓性電極で挟持されている平板状複合圧電体の
平均温度を可撓性電極抵抗の温度依存性に基づいて検出
できる。従って、温度センサを別に準備する必要がない
ので簡素な構成で圧力と温度の両者を検知できる可撓性
圧電素子を提供できる。

【００３８】また、請求項２記載の発明によれば、抵抗
検出手段に可撓性電極の抵抗温度特性に基づいて抵抗値
を温度に換算する温度換算手段を接続してなる可撓性圧
電素子であるので、抵抗検出手段により検出された抵抗
値は、温度換算手段により温度に換算されて容易に温度
を直読できる。

【００３９】また、請求項３記載の発明によれば、高分
子母材を塩素化ポリエチレンで構成したので、優れた耐
熱性と優れた可撓性を兼ね備えた平板状複合圧電体が得
られる。

【００４０】また、請求項４記載の発明によれば、圧電
セラミック粉体としてチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶
体を用いているので、安価であり、入手も容易であるた
め、高感度で安価な可撓性圧電素子が提供できる。

【００４１】また、請求項５記載の発明によれば、圧電
セラミック粉体としてをチタン酸鉛を用いているので、
圧電セラミック粉体の誘電率を小さくできるため、分極
処理が容易になる。

【００４２】また、請求項６記載の発明によれば、可撓
性圧電素子の電極を電極用高分子と導電性粒子とからな
る複合導電体で構成したため、電極用高分子自身の可撓
性を通して複合導電体の可撓性が確保されるとともに、
容易に熱プレス等の熱溶着により接着できる。

【００４３】また、請求項７記載の発明によれば、電極
用高分子と高分子母材とを同質材料で構成したので、電
極を平板状複合圧電体に容易に強固接着でき、信頼性が
向上する。

【００４４】また、請求項８記載の発明によれば、導電
性粒子をカーボンで構成したので、安価であり、入手も
容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における振動電圧検出手段と
温度検出手段に接続された可撓性圧電素子の断面図

【図２】本発明の実施例２における可撓性電極の断面図

【図３】本発明の抵抗値温度特性の一例を示す特性図

【図４】従来の可撓性圧電素子の断面図

【符号の説明】

１ 高分子母材 ２ 圧電セラミック粉体 ３ 平板状複合圧電体 ４ ５ 可撓性電極 ６ 振動電圧検出手段 ７ 抵抗検出手段 ８ 温度換算手段 ９ 電極用高分子 １０ 導電性粒子 １１ 複合導電体

フロントページの続き (72)発明者 金澤 成寿 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 藤井 優子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 中谷 直史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 荻野 弘之 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 吉野 浩二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 原 由美子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高分子母材中に圧電セラミック粉体を混
   入した平板状複合圧電体と、前記平板状複合圧電体の両
   面に密着して配置された可撓性電極とからなり、前記両
   可撓性電極に接続された振動電圧検出手段と、前記可撓
   性電極の少なくとも一方に接続された抵抗検出手段とか
   らなる可撓性圧電素子。
2. 【請求項２】 抵抗検出手段に可撓性電極の抵抗温度特
   性に基づいて抵抗値を温度に換算する温度換算手段を接
   続してなる請求項１記載の可撓性圧電素子。
3. 【請求項３】 高分子母材が塩素化ポリエチレンである
   請求項１記載の可撓性圧電素子。
4. 【請求項４】 圧電セラミック粉体がチタン酸鉛とジル
   コン酸鉛の固溶体である請求項１記載の可撓性圧電素
   子。
5. 【請求項５】 圧電セラミック粉体がチタン酸鉛である
   請求項１記載の可撓性圧電素子。
6. 【請求項６】 平板状可撓性電極が電極用高分子材と導
   電性粒子とからなる複合導電体である請求項１記載の可
   撓性圧電素子。
7. 【請求項７】 電極用高分子材が高分子母材と同質材料
   である請求項６記載の可撓性圧電素子。
8. 【請求項８】 導電性粒子がカーボンブラックである請
   求項６記載の可撓性圧電素子。