JP2006214846A

JP2006214846A - 圧電素子ユニット

Info

Publication number: JP2006214846A
Application number: JP2005027349A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Kobayashi; 達也小林
Original assignee: Geltec Co Ltd
Current assignee: Geltec Co Ltd
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】長期間にわたって十分な気密性を維持でき、さらに高エネルギー変換効率の維持と機械的強度を大幅に向上させ、かつ薄膜圧電素子と衝撃吸収材（衝撃緩衝材）とを組み合わせた外力に対して非線形な電圧出力特性を有する圧電素子ユニットの提供。
【解決手段】薄膜圧電素子を軟質樹脂で被覆した圧電素子ユニットであって、少なくとも薄膜圧電素子の外力感知側の軟質樹脂表面が凹凸状、好ましくは凸状体の断面が台形、三角形またはドーム型に形成されていることを特徴とする圧電素子ユニット。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜圧電素子を軟質樹脂で被覆した圧電素子ユニットに関し、詳しくは、薄膜圧電素子を軟質樹脂で被覆した外力に対して非線形な電圧出力特性を有する圧電素子ユニットに関する。

近年、様々な技術分野において圧電素子の利用が増加してきている。圧電素子の中でも、シングル（電極型）薄膜圧電素子は、外部電源が不要で、エネルギー変換効率が優れており、各種センサー分野に多用されてきている。しかしながら、上記薄膜圧電素子の電極部分は主にセラミックス製の薄膜から構成されているため、伸縮性に劣り、機械的強度が無いため、機械的外力に比較的弱いという欠点を有しその使用範囲は限定されているものとなっている。
このような薄膜圧電素子の欠点を解決するものとして、例えば、リード端子を取り付けた圧電素子の周囲に、シリコーンゴムなどの弾性材料を塗布して被覆し、その外周を外装樹脂で封止したもの（例えば、特許文献１参照。）、圧電素子を被覆するシリコーンゴムの硬化を短時間で行なう遠赤外線照射により硬化したもの（例えば、特許文献２参照。）等が知られている。さらに、長期間にわたって十分な機密性を維持でき、かつ圧電素子で発生した熱を速やかに外部に逃す等の目的でウレタンゲル等の樹脂材料で圧電素子を密封被覆したもの（例えば、特許文献３参照。）が知れれている。しかしながら、必ずしも外部衝撃力に十分に対応できるものではないという問題を有していた。

また、薄膜圧電素子をセンサー等に用いる際に、コネクタと振動検出部との機械的結合により発生する不要振動成分等を低減するために圧電素子の外周面を軟質の薄膜からなる緩衝材で外周面を密着させる方法（例えば、特許文献４参照。）、外部から作用する物理量の方向及び大きさを三次元的に測定するセンサにおいて、検出感度の低下を招くことなく、外部から加わる衝撃の作用による検出部の損傷等を防ぐために、吸収材を用いる方法（例えば、特許文献５参照。）が知られている。
しかしながら、未だ薄膜圧電素子と衝撃吸収材（衝撃緩衝材）とを組み合わせた、外力に対して非線形な電圧出力特性を有する圧電素子ユニットは得られていなかった。
特開平１−２２８３１０号公報特開２００１−２３２６４９号公報特開２０００−２７７８２４号公報特開平７−２５３３５７号公報特開２００１−４６５７号公報

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、長期間にわたって十分な気密性を維持でき、さらに高エネルギー変換効率の維持と機械的強度を大幅に向上させ、かつ薄膜圧電素子と衝撃吸収材（衝撃緩衝材）とを組み合わせた外力に対して非線形な電圧出力特性を有する圧電素子ユニットを提供することにある。

本発明者は、かかる課題を解決すべく鋭意検討した結果、薄膜圧電素子の上に軟質樹脂からなる特定形状の衝撃吸収材を設けることで、本来圧電素子単独の電圧出力特性（圧力と電力の関係）は線形（電圧は圧力に比例）であるものを、初期衝撃吸収力を熱エネルギーに変換して圧電素子に加わる力を防止し、一定圧力に達するまでは電圧出力はゼロで、一定圧力に達した後は電圧出力が非線形的に急激に増加した出力特性を有する圧電素子で、かつ長期間にわたって十分な気密性を維持でき、さらに高エネルギー変換効率の維持と機械的強度を大幅に向上させた圧電素子ユニットが得られることを見出し本発明を完成させた。

すなわち、本発明の第１の発明によれば、薄膜圧電素子を軟質樹脂で被覆した圧電素子ユニットであって、少なくとも薄膜圧電素子の外力感知側の軟質樹脂表面が凹凸状に形成されていることを特徴とする圧電素子ユニットが提供される。

また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、凹凸状の形状は、断面が台形、三角形またはドーム型であることを特徴とする圧電素子ユニットが提供される。

また、本発明の第３の発明によれば、第１又は２の発明において、軟質樹脂がシリコーンゲルまたはウレタンゲルであることを特徴とする圧電素子ユニットが提供される。

また、本発明の第４の発明によれば、第１〜３のいずれかの発明において、薄膜圧電素子は、シングル電極が金属プレートに積層され、金属プレート面が外力感知側であることを特徴とする圧電素子ユニットが提供される。

また、本発明の第５の発明によれば、第１〜４のいずれかの発明において、薄膜圧電素子の軟質樹脂による裏面被覆層が平板形状であることを特徴とする圧電素子ユニットが提供される。

また、本発明の第６の発明によれば、第１〜５のいずれかの発明の圧電素子ユニットからなる圧力スイッチが提供される。

また、本発明の第７の発明によれば、第６の発明の圧電素子スイッチを装着したスマートプレートが提供される。

本発明の圧電素子ユニットは、圧電素子を長期間にわたって十分な気密性を維持でき、高エネルギー変換効率の維持と機械的強度を大幅に向上させ、かつ一定圧力に達するまでは電圧出力はゼロで、一定圧力に達した後は急激に電圧出力が非線形的に急激に増加した出力特性を有する圧電素子ユニットである。

本発明は、薄膜圧電素子を軟質樹脂で被覆した圧電素子ユニットであって、薄膜圧電素子の外力感知側の軟質樹脂被覆表面が凹凸状に形成され、裏面が平板状に形成された圧電素子ユニットである。以下にその構成、製造、性能等について詳細に説明する。

本発明で用いる薄膜圧電素子は、シングル電極型薄膜圧電素子が好ましい。シングル電極型薄膜圧電素子としては、圧電性セラミックスや圧電性合成樹脂の素材からなるものが選択される。圧電性セラミックスとしては、チタン酸バリウムやチタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛等が挙げられる。

薄膜圧電素子を被覆する軟質樹脂としては、圧電素子を被覆でき、軟質である樹脂であれば特に限定されず、シリコーンゴム、ポリウレタン、合成ゴム等が好ましいが、特に、衝撃吸収材としての機能が最大限に発揮される、シリコーンゲル、ウレタンゲル、アクリルゲル等が好ましい。
上記シリコーンゲルとしては、従来から知られ、市販されている種々のシリコーン材料として一般的に使用されているものを適宜選択して用いることができる。よって、加熱硬化型あるいは常温硬化型のもの、硬化機構が縮合型あるいは付加型のものなど、いずれも用いることができる。また、珪素原子に結合する基も特に限定されるものではなく、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基等のアルキル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のシクロアルキル基、ビニル基、アリル基等のアルケニル基、フェニル基、トリル基等のアリール基のほか、これらの基の水素原子が部分的に他の原子又は結合基で置換されたものを挙げることができる。また、シリコーンゲルの硬度は、特に限定されず本発明の圧電素子を圧力センサー等として用いる用途分野において種々の硬度を選択できる。たとえば、微小圧力用の圧力センサー分野においては、硬化後におけるＪＩＳＫ２２０７−１９８０（５０ｇ荷重）の針入度が５〜２００であるものが好ましく、また、高めの圧力用圧力センサー分野においては、アスカーＣ硬度が１０〜８０であるものが好ましい。
ここで、針入度はＪＩＳＫ２２０７−１９８０に準拠して求める値であり、アスカーＣ硬度はＳＲＩＳ０１０１（日本ゴム協会規格）に準拠して求める値である。

上記ウレタンゲルとしては、ポリイソシアネートと活性水素をもった化合物で構成されるゲルであり、ポリイソシアネートにはトリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ポリメチレンポリフェニルポリイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、キシリレンイソシアネートなどがある。また、活性水素をもった化合物にはポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、アクリルポリオールが代表例であり具体的にはポリエチレングリコール、ポリオキシプロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、エポキシ樹脂、ひまし油などがある。ゲル化するには架橋密度を減らす必要があり、これは架橋点となる官能基の数を減らしたり架橋剤の添加量を減らすことにより硬度を調整できる。

本発明の圧電素子を被覆した軟質樹脂被覆膜表面は、少なくとも薄膜圧電素子の外力感知側の表面は凹凸形状に形成されている必要がある。これを図で説明する。
図１は、本発明の圧電素子ユニットの一例の斜視図であり、図２はその断面図であり、図３は凸状部の拡大断面図である。
図において、圧電素子ユニット１は、薄膜圧電素子１０の表面を軟質樹脂２で被覆し、外力感知側３を複数の凸状物５が連続的に形成されている凹凸面とし、裏側保護面４を平板状にして形成される。圧電素子１０で発生した電力はリード線１３、１４から取り出される。薄膜圧電素子１０は、凹凸が形成されている外力感知側３を金属プレート１２側とし、裏側保護面側４を電極１１側になるように軟質樹脂２で被覆される。

圧力感知側表面３は、外力を受けて被覆面が収縮する際、収縮する距離に応じてバネ定数が変化する形状が好ましい。そのために、外力感知側の表面を凹凸形状に形成することにより、一定の大きさの外力を吸収することができる。凹凸面の凸状体の形状は、特に限定されず、例えば、三角錘状、台形錘状、ドーム状、円柱状の図３の（ａ）〜（ｅ）に示すような三角形、台形、半円形（ドーム型）または長方形の断面を有するいずれであっても良いが、断面が台形、三角形またはドーム型であるものが好ましい。また、該凸状体から構成される凹凸面は、独立した凸状体からなるボルカノ状でもよく、連続した波紋状、波型状、帯型状であってもよい。
凸状体をこのような形状にすることにより、一定の大きさ以上になった外力の感知を行い、その外力をスムーズに圧電素子に伝達することができると同時に耐衝撃力を有するようになる。
ここで、バネ定数とは、衝撃吸収力として説明でき、軟質樹脂素材と凸状体の形状を変えることにより調節できる。

裏側保護面４は、外力感知側表面３と同様の凹凸面であっても良いが、平板形状であるものが好ましい。裏側保護面４が平板形状であることにより、薄膜圧電素子の保護効果がある。

なお、凸状体の形状、大きさは、軟質樹脂の有するバネ定数、本発明の圧電素子ユニットの用途等を考慮して、適宜選択することができる。

本発明の圧電素子ユニットにおいては、薄膜圧電素子上の軟質樹脂からなる特定形状の衝撃吸収材が圧電素子ユニットに加わる外力のうち一定の衝撃吸収力までは、熱エネルギーに変換して圧電素子に加わる力を防止する効果を有し、一定圧力に達するまでは電圧出力はゼロで、一定圧力に達した後は電圧出力が非線形的に急激に増加する出力特性を有する圧電素子となる。
また、軟質樹脂による被覆が行なわれているので、長期間にわたって十分な気密性を維持でき、エネルギー変換効率の維持と機械的強度が大幅に向上すると同時に、圧電素子ユニット自身が衝撃緩衝材として作用し、圧電素子ユニットに接する機器の緩衝効果（保護効果）を有する。

したがって、本発明の圧電素子ユニットは、圧力スイッチ等として用いることができる。圧電素子を被覆する軟質樹脂である衝撃吸収材の素材、例えば、シリコーンゲルを用いた場合では、ゲル硬度等を選択し、さらに凹凸の形状を選択することにより、用途に応じて希望する圧力スイッチを得ることができる。
また、本発明の圧電素子ユニットを用いた圧力スイッチは、自動制御、計測、警報器等の分野の機器に取り付け、一定圧力以上の圧力が加わったとき、または一定圧力がなくなったときに作用してその状況を知らせるセンサーとして用いることができる。
このようなセンサーは、特に自動車のナンバープレートにＩＤタグ等を取り付けて車両情報等を搭載した電子ナンバープレート（例えば、スマートプレート）に用い、取り付けられたＩＤタグを過酷な条件下で長期間保護すると同時に、重要なＩＤタグが無断で取り外された場合、圧縮開放時の出力電圧を活用し、ＩＤタグ内に内装するＩＣチップに記録・保存する車両情報等を消去するセンサーとして効果的に用いることができる。

本発明を以下に実施例を示して具体的に説明するが、本発明はその要旨を逸脱しない限りこれら実施例によって制約を受けるものではない。なお、物性測定法は、以下の通りである。
（１）針入度：ＪＩＳＫ２２０７−１９８０に準拠して求めた。
（２）アスカーＣ硬度：ＳＲＩＳ０１０１（日本ゴム協会規格）に準拠して求めた。
（３）５０％圧縮開放時の出力電圧：試料圧電素子ユニットを５０％に圧縮後１ｍｍ／秒の速度で圧力を開放した時の出力電圧を測定した。
（４）圧縮特性：圧縮量と加重の相関を求めた。
（５）落下衝撃時の出力電圧と衝撃加速度：錘（５００ｇ）を、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍの高さより、試料圧電素子ユニットに落下させた時の出力電圧を求め、衝撃加速度に対する出力電圧を求めた。

（実施例１）
針入度が９０〜１００（θ７）、２０〜３０（θ６）、アスカーＣ硬度が５０〜５５（θ８）のシリコーンゲル（θ６：ＣＦ５０５６、θ７：ＣＦ５０５７、θ８：ＣＦ５０５８、いずれも東レ・ダウコーニング・シリコーン社製）を用い、薄膜圧電素子（日本セラテック社製）を被覆し、薄膜圧電素子の金属プレート側表面を円柱状（高さ１５ｍｍ、直径２５ｍｍ）、台形状Ａ（高さ１５ｍｍ、底辺直径２５ｍｍ、上辺直径１５ｍｍ）、台形状Ｂ（高さ１５ｍｍ、底辺直径２５ｍｍ、上辺直径１０ｍｍ）、ドーム状（高さ１５ｍｍ、直径２５ｍｍ）の凹凸状に成形し、電極側表面を２．０ｍｍの厚さの平板状にした圧電素子ユニットを成形し、各ユニットについて、５０％圧縮開放時の出力電圧、圧縮特性、衝撃加速度と出力電圧を測定した。結果を図４〜１２に示す。

図４〜６は、θ７のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの５０％圧縮開放時の出力電圧（図４）、圧縮特性（図５）、衝撃加速度と出力電圧（図６）である。
図７〜９は、θ６のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの５０％圧縮開放時の出力電圧（図７）、圧縮特性（図８）、衝撃加速度と出力電圧（図９）である。
図１０〜１２は、θ８のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの５０％圧縮開放時の出力電圧（図１０）、圧縮特性（図１１）、衝撃加速度と出力電圧（図１２）である。
５０％圧縮開放時の出力電圧の結果からみると、バネ定数が大きいほど反発力が大きく復元スピードが速い結果、圧電素子の歪が大きくなり高い出力電圧を示していることがわかる。また、落下衝撃時の出力電圧と衝撃加速度の結果からみると、バネ定数が大きいほど反発力が大きく緩衝能力が低下する結果、圧電素子の歪が大きくなり高い出力電圧を示すことがわかる。

本発明の圧電素子ユニットは、一定圧力に達するまでは電圧出力はゼロで、一定圧力に達した後は電圧出力が非線形的に急激に増加した出力特性を有する圧電素子ユニットであり、機械的強度に優れ、圧電素子ユニット自身が衝撃緩衝材となる特徴を有し、圧力スイッチ等として好適に用いることができる。

本発明の圧電素子ユニットの一例の斜視図である。図１の断面図である。凸状体の形状を説明する図である。 θ７のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの５０％圧縮開放時の出力電圧の結果を示す図である。 θ７のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの圧縮特性の結果を示す図である。 θ７のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの衝撃加速度と出力電圧の結果を示す図である。 θ６のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの５０％圧縮開放時の出力電圧の結果を示す図である。 θ６のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの圧縮特性の結果を示す図である。 θ６のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの衝撃加速度と出力電圧の結果を示す図である。 θ８のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの５０％圧縮開放時の出力電圧の結果を示す図である。 θ８のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの圧縮特性の結果を示す図である。 θ８のシリコーンゲルを用いた各形状の圧電素子ユニットの衝撃加速度と出力電圧の結果を示す図である。

符号の説明

１圧電素子ユニット
２軟質樹脂
３外力感知側面
４裏面被覆面
５凸状体
１０圧電素子
１１電極
１２金属プレート
１３、１４リード線

Claims

薄膜圧電素子を軟質樹脂で被覆した圧電素子ユニットであって、少なくとも薄膜圧電素子の外力感知側の軟質樹脂表面が凹凸状に形成されていることを特徴とする圧電素子ユニット。
凹凸状の形状は、断面が台形、三角形またはドーム型であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子ユニット。
軟質樹脂がシリコーンゲルまたはウレタンゲルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子ユニット。
薄膜圧電素子は、シングル電極が金属プレートに積層され、金属プレート面が外力感知側であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電素子ユニット。
薄膜圧電素子の軟質樹脂による裏面被覆層が平板形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電素子ユニット。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電素子ユニットからなる圧力スイッチ。
請求項６に記載の圧電素子スイッチを装着したスマートプレート。