JP2002185053A - 可撓性圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の可撓性圧電素子は動圧検知しかできな
いという課題があった。 【解決手段】 高分子母材２１中に圧電セラミック粉体
２２を混入した複合圧電体シート２３と、前記複合圧電
体シート２３の一方の面に形成された動圧検出電極２４
と、他方の面に形成された動圧静圧検出電極２５と、動
圧静圧検出電極２５に部分的に形成された絶縁層２６
と、前記絶縁層２６を介して動圧静圧検出電極２５の対
向面に設けられた可撓性シート２７と、前記可撓性シー
ト２７に形成され、動圧静圧検出電極２５の対向面に配
設された静圧検出電極２８とから可撓性圧電素子を構成
し、動圧検出電極と動圧静圧検出電極間に発生する出力
電圧を検出することにより動圧を検知する。さらに、動
圧静圧検出電極と静圧検出電極間の静電容量を検知する
ことによって静圧を検出ことができる。

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６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、この複合圧電体シート３表面に
電極４を設けることによって可撓性圧電素子に印加され
た振動を検知する。この際に、電極４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、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、従来の
可撓性圧電素子では時間的に変化する動圧は検出できる
が、時間的に変化しない静圧は検出できないという課題
を有していた。このため、従来の可撓性圧電素子では静
圧を検知するため、新たに静圧検知センサを設ける必要
があり複雑な構成となっていた。

【０００５】

【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、高分子母材中に圧電セラミック粉体を混
入した複合圧電体シートと、前記複合圧電体シートの一
方の面に形成された動圧検出電極と、他方の面に形成さ
れた動圧静圧検出電極と、動圧静圧検出電極に部分的に
形成された絶縁層と、前記絶縁層を介して動圧静圧検出
電極の対向面に設けられた可撓性シートと、前記可撓性
シートに形成され、動圧静圧検出電極の対向面に配設さ
れた静圧検出電極とからなる可撓性圧電素子である。

【０００６】上記発明によれば、複合圧電体シートに圧
力が印加されたとき圧電効果によって複合圧電体シート
に電圧が発生する。この出力電圧を複合圧電体シートの
両面に配置された動圧検出電極と動圧静圧検出電極で検
出することにより動圧を検知する。また、動圧静圧検出
電極と絶縁層を介して可撓性シートに形成された静圧検
出電極間の静電容量を検知することによって静圧を検出
する。つまり静圧によって変化する複合圧電体シートの
撓み量の変化を静電容量の変化として検知し、静圧を検
出することができるため、新たに静圧センサを準備する
必要がない。このため、静圧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。

【０００７】請求項２記載の発明は、前記絶縁層は樹脂
ペーストで形成した可撓性圧電素子である。

【０００８】そして、絶縁層を樹脂ペーストで形成し、
動圧静圧検出電極に部分的に印刷などによって形成し、
焼成することで簡単に絶縁層を形成することができると
ともに、複合圧電体シートと可撓性シートを容易に接合
できる。

【０００９】請求項３記載の発明は、絶縁層の樹脂ペー
ストの中に球状のガラスビーズを混入した可撓性圧電素
子である。

【００１０】そして、ガラスビーズによって動圧静圧検
出電極と静圧検出電極間の電極間距離を一定に保つこと
ができるため、初期容量のばらつきを抑制することがで
きる。このため精度良い静圧検知が可能となる。

【００１１】請求項４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。

【００１２】そして、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。

【００１３】請求項５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。

【００１４】そして、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。

【００１５】請求項６記載の発明は、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。

【００１６】そして、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７記載の発明は、可撓性シートを導
電性シートで構成した可撓性圧電素子である。

【００１８】そして、可撓性シートを導電性シートで構
成することにより、新たに静圧検出電極を形成する必要
がないため簡単な構成で可撓性圧電素子を提供できる。

【００１９】

【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。

【００２０】（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２１中に圧電セラミック粉体２２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０．２mmのシートに成形
して、複合圧電体シート２３を得た。この複合圧電体シ
ート２３の一方の面に動圧検出電極２４、他方の面に動
圧静圧検出電極２５を形成した。本実施例では動圧検出
電極２４及び動圧静圧検出電極２５は金蒸着により形成
した。次に圧電特性を付与するために、動圧検出電極２
４及び動圧静圧検出電極２５間に直流高電圧を印加して
圧電セラミック粉体２２を分極した。

【００２１】以上の可撓性圧電素子構成の中で、高分子
母材２１に塩素化ポリエチレン、圧電セラミック粉体２
２にチタン酸ジルコン酸鉛を用いた。高分子母材２１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。

【００２２】また、圧電セラミック粉体２２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。

【００２３】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２２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。一般に複合圧電体シート２３を分極する場
合、複合圧電体シート２３に印加した分極電圧は圧電セ
ラミック粉末２２と高分子母材２１の両方に印加され
る。この時、圧電セラミック粉末２２に印加される電圧
は高分子母材２１、圧電セラミック粉末２２の比誘電率
に依存する。つまり、印加電圧は各々比誘電率の逆数に
比例するため圧電セラミック粉末２２に多くの電圧を印
加するには圧電セラミック粉末２２の比誘電率を低下さ
せることが望ましい。このため、チタン酸鉛のような比
誘電率が低い圧電セラミック粉末２２を使用することに
よって、圧電セラミック粉末２２の分極が容易にでき
る。

【００２４】上記構成によって形成した複合圧電体シー
ト２３の上に人間を載置した。この時、複合圧電体シー
ト２３には心拍による血流の振動が僅かな体動となっ
て、動圧として印加されることとなる。図２に動圧検出
電極２４と動圧静圧検出電極２５の出力結果を示す。こ
の結果、心拍に対応した約１Ｈｚの出力信号が得られ
た。これは、複合圧電体シート２３に心拍による動圧力
が印加されることによって圧電効果が生じ、複合圧電体
シート２３に電圧が発生したためである。この出力電圧
を複合圧電体シート２３の両面に配置された動圧検出電
極２４と動圧静圧検出電極２５によって検出することで
動圧検知が実現できた。

【００２５】次に、動圧静圧検出電極２５に部分的に絶
縁層２６を形成した。本実施例では絶縁層２６として樹
脂ペーストであるエポキシ樹脂を使用した。この樹脂ペ
ーストをスクリーン印刷によって、動圧静圧検出電極２
５に部分的に形成した。また、可撓性シート２７の一方
の面に静圧検出電極２８を形成し、動圧静圧検出電極２
５に対向するように複合圧電体シート２３に配設し、絶
縁層２６により複合圧電体シート２３と接着し焼成し
た。このため複合圧電体シート２３に形成された動圧静
圧検出電極２５と可撓性シート２７に形成された静圧検
出電極２８とは絶縁層２６が形成されていない部分で空
間が形成される。さらにこの空間に適合する様に可撓性
シートには大気孔２９を設けた。本実施例では静圧検出
電極２８は金蒸着により形成し、可撓性シート２７はＰ
ＥＴフィルムを使用した。

【００２６】図３に動圧静圧検出電極２５と静圧検出電
極２８の電極間における静電容量の変化量と印加荷重と
の関係を示した。図３に示すように印加荷重の増加に伴
って容量変化が増加することが解る。これは、印加荷重
によって複合圧電体シート２３の撓み量が変化するた
め、動圧静圧検出電極２５と静圧検出電極２８の電極間
距離が変化し、その変化を静電容量の変化として検知し
ているためである。この結果、本発明の可撓性圧電素子
は簡単な構成で動圧と静圧を検知することが可能とな
る。また、複合圧電体シート２３の撓み量は絶縁層２６
の形状によって制御できる。つまり絶縁層２６の面積を
増加あるいは多数設けることによって動圧静圧検出電極
２５と静圧検出電極２８の間に形成した空間面積を低減
させ、複合圧電体シート２３の撓み径を小さくすること
で、容量変化率を低減できる。

【００２７】なお、本実施例では動圧検出電極２４、動
圧静圧検出電極２５、静圧検出電極２８は蒸着により形
成したがこれに限るものではない。

【００２８】（実施例２）図４は本発明実施例２の可撓
性圧電素子の構成図である。本実施例２において、実施
例１と異なる点は、絶縁層２６の樹脂ペーストの中に球
状のガラスビーズ３０を混入した点である。この場合、
動圧静圧検出電極２５と静圧検出電極２８との電極間距
離がガラスビーズ３０で決定できるため、両電極間の初
期静電容量のばらつきを抑制することができる。このた
め精度良い静圧検知が可能となる。

【００２９】ガラスビーズ３０を用いなかった場合、初
期容量のばらつきは約３０％であったがガラスビーズ３
０を混入した絶縁層２６を使用した本実施例では、初期
容量のばらつきは約８％になり約１／４に低減する事が
できた。

【００３０】（実施例３）図５は本発明実施例３の可撓
性圧電素子の構成図である。本実施例３において、実施
例１及び２と異なる点は、可撓性シートを導電性シート
３１で構成した点である。本実施例では導電性シート３
１として塩素化ポリエチレンにカーボンを混入した導電
性シートを用いた。本構成では導電性シート３１が静圧
検出電極２８として兼ねることが出来るため、新たに静
圧検出電極２８を設ける必要が無いた。このため簡単な
構成で動圧と静圧が検知可能な可撓性圧電素子を実現で
きた。

【００３１】

【発明の効果】上記実施例から明らかなように、請求項
１の発明によれば、複合圧電体シートに圧力が印加され
たときに動圧検出電極と動圧静圧検出電極間に発生する
出力電圧を検出することにより動圧を検知する。さら
に、動圧静圧検出電極と絶縁層を介して可撓性シートに
形成された静圧検出電極間の静電容量を検知することに
よって静圧を検出ことができるため、新たに静圧センサ
を準備する必要がない。その結果、静圧検出も可能な可
撓性圧電素子を簡単な構成で実現できる。

【００３２】また、請求項２記載の発明によれば、絶縁
層を樹脂ペーストで形成し、動圧静圧検出電極に部分的
に印刷などによって形成するため簡単に絶縁層を形成で
きるうえ、可撓性シートと複合圧電体シートを容易に接
合することが可能となる。

【００３３】また、請求項３記載の発明によれば、ガラ
スビーズによって動圧静圧検出電極と静圧検出電極間の
電極間距離を一定に保つことができるため、初期容量の
ばらつきを抑制することができる。このため精度良い静
圧検知が可能となる。

【００３４】また、請求項４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複合圧電体シートが得
られる。

【００３５】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。

【００３６】また、請求項６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。

【００３７】また、請求項７記載の発明によれば、可撓
性シートを導電性シートで構成することにより、新たに
静圧検出電極を形成する必要がないため簡単な構成で可
撓性圧電素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における可撓性圧電素子の断
面図

【図２】同実施例１の動圧検出電極と動圧静圧検出電極
の出力結果を示す特性図

【図３】同実施例１の動圧静圧検出電極と静圧検出電極
の出力結果を示す特性図

【図４】本発明の実施例２における可撓性圧電素子の断
面図

【図５】本発明の実施例３における可撓性圧電素子の断
面図

【図６】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 複合圧電体シート ４ 可撓性電極 ２１ 高分子母材 ２２ 圧電体セラミック粉体 ２３ 複合圧電体シート ２４ 動圧検出電極 ２５ 動圧静圧検出電極 ２６ 絶縁層 ２７ 可撓性シート ２８ 静圧検出電極 ２９ 大気孔 ３０ ガラスビーズ ３１ 導電性シート

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 伊藤 雅彦 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 (7)

【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
   入した複合圧電体シートと、前記複合圧電体シートの一
   方の面に形成された動圧検出電極と、他方の面に形成さ
   れた動圧静圧検出電極と、動圧静圧検出電極に部分的に
   形成された絶縁層と、前記絶縁層を介して動圧静圧検出
   電極の対向面に設けられた可撓性シートと、前記可撓性
   シートに形成され動圧静圧検出電極の対向面に配設され
   た静圧検出電極とからなる可撓性圧電素子。
2. 【請求項２】 前記絶縁層は樹脂ペーストで形成した請
   求項１記載の可撓性圧電素子。
3. 【請求項３】 前記絶縁層は樹脂ペーストの中に球状の
   ガラスビーズを混入した請求項２記載の可撓性圧電素
   子。
4. 【請求項４】 高分子母材が塩素化ポリエチレンである
   請求項１または３のいずれか１項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とジル
   コン酸鉛の固溶体である請求項１ないし４のいずれか１
   項記載の可撓性圧電素子。
6. 【請求項６】 圧電セラミック粉体がチタン酸鉛である
   請求項１ないし４のいずれか１項記載の可撓性圧電素
   子。
7. 【請求項７】 可撓性シートを導電性シートで構成した
   請求項１ないし６のいずれか１項記載の可撓性圧電素
   子。