JP2007231077A - 高分子物質の圧電・焦電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高い圧電率を有し、耐熱性、耐環境性に優れた高分子物質の圧電・焦電素子を提供すること。
【解決手段】テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）にホウ酸アルミニウを混合して発泡させ、独立気泡２を多数有するシートを作成し、このシートに電荷をトラップすることにより、圧電・焦電素子１を生成する。これにより電荷のトラップされた独立気泡２が巨大な双極子を構成するため、高い圧電率を有する、耐熱性、耐環境性に優れた圧電・焦電素子１を提供することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高分子物質の圧電・焦電素子のうち、特に耐熱性、耐環境性に優れた高分子物質の圧電・焦電素子に関する。

従来、高分子物質を材料とした圧電・焦電素子としては、ポリ弗化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、多孔質ポリプロピレン（Ｅ−ＰＰ）等を用いたものがある。これらの圧電・焦電素子は無機物質にはない可撓性、柔軟性、耐摩耗性を有しており広く使用されている。

ポリ弗化ビニリデン（ＰＶｄＦ）は、成形した無孔質のシートを延伸し、分極することによって、圧電・焦電素子として生成される（特許文献１）。

テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）は、無極性のポリマーであるが、ポリマー表面に電荷がトラップされることによって圧電・焦電素子となることが知られており、ＦＥＰの無孔質のシートにコロナ放電等によって電荷をトラップさせることによって圧電・焦電素子として生成される。

しかしながら、ＰＶｄＦ、ＦＥＰは無機材料の圧電・焦電素子に比べて圧電率が低いという難点があった。

これに対し、圧電率を向上させた高分子物質の圧電・焦電素子のひとつに多孔質ポリプロピレン（Ｅ−ＰＰ）がある。これは、ポリプロピレンのフィルムを延伸して繊維状にし、さらに窒素などのガスを圧入して連続する空孔が多数存在するフィルムに成形する。その後、フィルムの空孔の上下面に電荷をトラップさせることによって圧電・焦電素子として生成されたものである。Ｅ−ＰＰは、多数の空孔が巨大な双極子を構成し、フィルム面に圧力が加わると空孔が容易に圧縮されるため、双極子の値が大きく変化する。双極子の値が大きく変化するため、フィルムの両面の電極に誘導される電荷も大きく変化することになる。上記の仕組みにより、Ｅ−ＰＰの圧電・焦電素子は高い圧電率を有している。

特開昭６０−０５５０３４号公報

上述した圧電率を向上させた高分子物質の圧電・焦電素子は、ポリプロピレンを延伸して連続する空孔が多数存在する多孔質フィルムに成形し、多孔質フィルムの連続する空孔に電荷をトラップして圧電・焦電素子として生成している。

しかしながら、Ｅ−ＰＰは、圧電率ではＰＶｄＦ、ＦＥＰより優れていものの、耐熱性、耐環境性の面で問題があり、使用環境が限定される等の課題がある。特に耐環境性という面では、ＦＥＰの方がＥ−ＰＰより優れている。さらに、Ｅ−ＰＰは連続する空孔が多数存在する、つまり連続気泡が存在する多孔質フィルムであるため、無孔質フィルムに比べて圧縮応力が低くなり、潰れ易いという問題点がある。

本発明は、上記のような種々の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高い圧電率を有し、且つ耐熱性、耐環境性に優れた高分子物質の圧電・焦電素子を提供することにある。

上記目的達成のため、本発明の圧電・焦電素子では、無極性の高分子物質のシートに電荷をトラップすることによって生成される圧電・焦電素子であって、前記高分子物質は、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）であり、当該テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）に発泡の核材を混合し、発泡させたことを特徴としている。これにより、本発明の高分子物質の圧電・焦電素子は、発泡されたＦＥＰで生成されることになる。ＦＥＰは、耐熱性、耐環境性に優れた高分子物質であり、発泡させているため内部に空孔を多数有することになる。そして、この多数の空孔は、上述したように巨大な双極子を構成することになる。従って、本発明では、耐熱性、耐環境性に優れ、高い圧電率を有する高分子物質の圧電・焦電素子を提供することができる。

また、本発明の圧電・焦電素子では、前記高分子物質は独立気泡を有しているシートであることを特徴としている。これにより、ＦＥＰは、内部に多数存在する空孔が全て独立していることになる。従って、本発明では、圧縮に強く防水性を有する高分子物質の圧電・焦電素子を提供することができる。

また、本発明では、独立気泡を有する薄いＦＥＰのシートを使用した高い圧電率を有する高分子物質の圧電・焦電素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の成立に必須であるとは限らない。

まず、本実施形態の圧電・焦電素子１について図１を用いて説明する。図１（Ａ）は、本実施形態の圧電・焦電素子１の正面を示す図であり、図１（Ｂ）は、圧電・焦電素子１の概略断面を示す図である。

圧電・焦電素子１は、図１（Ａ）に示されているように、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）を発泡させたシートを切断して作成された矩形の板状部材に、コロナ放電を加えて電荷をトラップさせたものである。この圧電・焦電素子１は、図１（Ｂ）に示すように、針状の独立気泡２を多数有していることを特徴としており、コロナ放電を加えると素子上面１１、素子下面１２と、針状の独立気泡２の気泡上面２１、気泡下面２２とにそれぞれ電荷がトラップされる。

本実施形態では、素子上面１１と気泡下面２２にプラスの電荷がトラップされ、素子下面１２と気泡上面２１にマイナスの電荷がトラップされる。そして、この電荷をトラップした針状の独立気泡２は、圧電・焦電素子１の内部に多数存在しているため、圧電・焦電素子１の内部で巨大な双極子を構成することになる。次に、この圧電・焦電素子１となるＦＥＰを発泡させたシートの作成手順について説明する。

ＦＥＰを発泡させたシートは、第１の手順としてＦＥＰベースのペレットを作成し、第２の手順としてそのＦＥＰベースのペレットをシートとして成形することによって作成される。まず、第１の手順について説明する。

第１の手順であるＦＥＰベースのペレットの作成について説明する。本実施形態で使用するＦＥＰベースのペレットは、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）に、発泡の核材となるホウ酸アルミニウを混合し、二軸押出機により押し出すことによって作成される。ＦＥＰとホウ酸アルミニウムとの重量比は、ＦＥＰが１００に対して、ホウ酸アルミニウムが５であり、この割合で混合する。

発泡の核材であるホウ酸アルミニウムを用い、ＦＥＰベースのペレットを溶融、押出しすることによって、圧電・焦電素子１の独立気泡２は針状に形成される。この独立気泡２が形成される過程については次の第２の手順にて説明する。

なお、本実施形態では発泡の核材にホウ酸アルミニウムを使用しているが、本発明の発泡の核材はこれに限定されるものではない。本願の発泡の核材は、例えば窒化ホウ素であっても構わない。

次に、第２の手順であるＦＥＰを発泡させたシートの作成について説明する。ＦＥＰを発泡させたシートは、第１の手順で作成されたペレットを基に作成する。本実施形態では、窒素ガスをシリンダー途中から導入することが可能な押出機にＴ字型のダイを取り付け、この押出機にペレットをセットする。そして、一定の圧力で窒素ガスを加えながらペレットをシリンダーから押出し、ダイ温度より低い温度の熱ロールによって巻き取りながら冷却することにより、独立気泡２を有するシートとして成形される。なお、本実施形態では、ＦＥＰを発泡させた独立気泡２を有するシートは、幅１５０ｍｍ、厚さ２００μｍ、発泡率４０％で成形されている。

本実施形態の圧電・焦電素子１は、上述した第１、第２の手順を経て成形されたＦＥＰを発泡させたシートを矩形に切断し、コロナ放電を加えて電荷をトラップさせることによって生成される。この圧電・焦電素子１は、ＦＥＰを発泡させた針状の独立気泡２を多数有しているシートに電荷をトラップさせたものであり、可撓性を有し、針状の独立気泡２が巨大な双極子を構成している。この圧電・焦電素子１は、可撓性を有しているため、素子上面１１、素子下面１２に圧力が加わると容易に圧縮され変形する。この変形に伴い、圧電・焦電素子１内部の多数の独立気泡２も容易に圧縮されて変形する。そして、多数の独立気泡２の間隙が容易に圧縮されるので双極子の値が大きく変化し、素子上面１１、素子下面１２の誘導される電荷も大きく変化する。これにより、本実施形態の圧電・焦電素子１は、高い圧電率を有することが可能となり、耐熱性、耐環境性に優れたＦＥＰを発泡させたシートを基に生成されているため、耐熱性、耐環境性に優れた圧電・焦電素子１として生成することが可能となる。次に、この圧電・焦電素子１の圧電率を比較する試験を行ったので、その試験について図２乃至５を用いて説明する。

図２は、本試験で使用したコロナ放電装置３の図であり、図３は、圧電電圧波形の比較図であり、図４は、準静的圧電率ｄ_３３値の比較図であり、図５は、本実施形態の圧電・焦電素子１と他の高分子物質の圧電・焦電素子との比較図である。

図２に示すように、本試験では、圧電・焦電素子１の圧電率を調べるために、圧電・焦電素子１用の試験片１００を作成する。試験片１００は、本実施形態で作成されたＦＥＰを発泡させた幅１５０ｍｍ、厚さ２００μｍ、発泡率４０％のシートを６０ｍｍ×６０ｍｍの正方形に切断したものに、コロナ放電装置３で電荷をトラップさせたものである。なお、本実施形態の試験片１００には、電圧１５ｋＶで２分間電荷をトラップしている。次に、このコロナ放電装置３の構成について説明する。

コロナ放電装置３は、土台３１、側版３２、電極プレート３３、ワイヤ設置部３４、複数の電極ワイヤ３５、電源３６を備えている。土台３１の左右両端に側版３２が１枚づつ設けられており、中央上面に電極プレート３３が置かれている。側版３２にはそれぞれワイヤ設置部３４（一方側図示せず）が設けられており、両ワイヤ設置部３４から複数の電極ワイヤ３５が側版３２を掛け渡されている。そして、電源３６の一端がワイヤ設置部３４に接続され、もう一端が電極プレート３３に接続されている。この度使用したコロナ放電装置３は、土台３１、側版３２はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、電極プレート３３はステンレス、電極ワイヤ３５はタングステンでそれぞれ作成されている。しかし、土台３１、側版３２の材質は、ＰＴＦＥに限定されるものではなく、耐熱性があり電荷をトラップする際に影響を及ぼさないものであればかまわない。

そして、本試験では、このコロナ放電装置３の電極プレート３３の上に試験片１００を置いて電源３６から電圧を掛けることにより、試験片１００に電荷をトラップさせて圧電・焦電素子１として生成している。次に、図３を用いてこの試験片１００の圧電電圧波形について説明する。

図３は、試験片１００の圧電電圧波形を比較するための図である。これは、試験片１００にある一定の圧力を加えた時に発生する電圧の波形を測定したものである。なお、本試験では比較のため、厚さ２５０μｍの充実のＦＥＰを６０ｍｍ×６０ｍｍに切断し、試験片１００と同条件で電荷をトラップさせたものを、比較試験片２００として使用し、試験片１００と同様の試験を行った。

図３（Ａ）に示すように、試験片１００の圧電電圧波形は、約−１８０ｍＶから約１８０ｍＶの間で推移しているのに対し、図３（Ｂ）に示すように、比較試験片２００の圧電電圧波形は、約−６０ｍＶから約６０ｍＶの間で推移している。つまり圧電電圧波形で比較した場合、本実施形態の圧電・焦電素子１である試験片１００は、充実のＦＥＰを基に生成された比較試験片２００に比べて約３倍の圧電率を有していることになる。次に、図４を用いてこの試験片１００の準静的圧電率ｄ_３３値について説明する。

図４は、試験片１００の準静的圧電率ｄ_３３値の比較図であり、図４（Ａ）は試験片１００と比較試験片２００の準静的圧電率ｄ_３３値を計測結果の表、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の結果を示したグラフである。この試験は、試験片１００に圧力を加えた時に発生する準静的圧電率ｄ_３３値を測定したものであり、比較のために比較試験片２００を使用し、試験片１００と同様の試験を行った。

図４（Ｂ）に示すように、試験片１００の準静的圧電率ｄ_３３値は、比較試験片２００の準静的圧電率ｄ_３３値と比べて常に値が大きくなっている。特にＳｔａｔｉｃ ｓｔｒｅｓｓ（静的応力）が０．５９９ＫＰａ時に置いて準静的圧電率ｄ_３３値は、試験片１００の平均値が２７５．９ｐＣ／Ｎであるのに対し、比較試験片２００の平均値は５３ｐＣ／Ｎであり、試験片１００の値は比較試験片２００に比べて約５倍と大変大きな値になっている。さらに、Ｓｔａｔｉｃ ｓｔｒｅｓｓ（静的応力）が０．５９９ＫＰａ時に置いて、試験片１００の準静的圧電率ｄ_３３値の最大値は約３５０ｐＣ／Ｎに達する。

結果として、準静的圧電率ｄ_３３値の平均値、及び最大値で試験片１００と比較試験片２００とを比較した場合、本実施形態の圧電・焦電素子１である試験片１００は、充実のＦＥＰを基に生成された比較試験片２００に比べて約３〜５倍の圧電率を有していることになる。なお、静的応力が２０９ＫＰａ時は試験片１００、比較試験片２００共に値が０となっているが、これは両試験片とも可撓性を有するＦＥＰがベースになっているため、応力によって潰れてしまい、計測ができないためである。そして、１７．６ＫＰａ時では、試験片１００の圧電率は、比較試験片２００に比べて約９倍となっている。次に、図５を用いて試験片１００、比較試験片２００と他の高分子物質を使用した圧電・焦電素子との性能差について説明する。

図５は、本実施形態の圧電・焦電素子１である試験片１００と、比較試験片２００及び他の高分子物質を使用した圧電・焦電素子との性能差を示す図である。図５では、他の高分子物質を使用した圧電・焦電素子として、ポリ弗化ビリニデン（ＰＶｄＦ）を使用した圧電・焦電素子、多孔質ポリプロピレン（Ｅ−ＰＰ）を使用した圧電・焦電素子を記載しており、それぞれの準静的圧電率ｄ_３３値、耐環境性を合わせて記載した。

図５に示されているように、本実施形態の試験片１００は、準静的圧電率ｄ_３３値では上から２番目となっており、最も高い値を示しているのはＥ−ＰＰの圧電・焦電素子である。しかしながら、Ｅ−ＰＰは耐環境性に難点がある。耐環境性という課題に注目した場合、Ｅ−ＰＰ以外にＰＶｄＦも耐環境性に難点があり、本願の課題である耐環境性という課題を解決することは、Ｅ−ＰＰ、ＰＶｄＦでは不可能である。そして、耐環境性という課題を解決しているのは、試験片１００、比較試験片２００の２つということになる。

上述した各試験結果及び他の高分子物質の圧電・焦電素子との性能差の比較から、本実施形態の圧電・焦電素子１である試験片１００が、耐熱性、耐環境性に優れ、高い圧電率を有する圧電・焦電素子といえる。

以上、本実施形態の圧電・焦電素子１では、無極性の高分子物質のシートに電荷をトラップすることによって生成される圧電・焦電素子１であって、前記高分子物質は、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）であり、当該テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）にホウ酸アルミニウムとを混合し、発泡させたことを特徴としている。これにより、本実施形態の高分子物質の圧電・焦電素子１は、発泡されたＦＥＰで生成されることになる。ＦＥＰは、耐熱性、耐環境性に優れた高分子物質であり、発泡させているため内部に空孔を多数有することになる。そして、この多数の空孔は、上述したように巨大な双極子を構成することになる。従って、本実施形態では、耐熱性、耐環境性に優れ、高い圧電率を有する高分子物質の圧電・焦電素子１を提供することができる。

また、本実施形態の圧電・焦電素子１では、前記高分子物質は独立気泡２を有するシートであることを特徴としている。これにより、ＦＥＰは、内部に多数存在する空孔が全て独立していることになる。従って、本実施形態では、圧縮に強く防水性を有する高分子物質の圧電・焦電素子１を提供することができる。

また、本実施形態の圧電・焦電素子１では、ＦＥＰの内部の空孔は、全て針状の独立した空孔となる。そのため、ＦＥＰを薄いシートとして成形した場合でも針状の空孔がシートの伸ばされた方向に合わせて並ぶため、独立した空孔を有することが可能となる。また、独立気泡２が小さくなるため独立気泡２の数を多くすることが可能となり、双極子を構成する要素が増えるため圧電率を高めることができる。従って、本発明では、独立気泡２を有する薄いＦＥＰのシートを使用した高い圧電率を有する高分子物質の圧電・焦電素子１を提供することができる。

可撓性を有する圧電・焦電素子を備えた機器であれば、どのような機器でも適応可能である。例えば、計算機、コンピュータ、携帯電話等の電子機器でも適用可能であり、さらに、自動車、飛行機等の制御機器を狭小部に搭載する必要のある機械の制御回路にも適応可能である。

本実施形態の圧電・焦電素子１を説明する図である。 本実施形態の試験用のコロナ放電装置３の図である。 試験片１００、比較試験片２００の圧電電圧波形の比較図である。 試験片１００、比較試験片２００の準静的圧電率ｄ_３３値の比較図である。 試験片１００と、比較試験片２００及び他の高分子物質の圧電・焦電素子との性能差の比較図である。

符号の説明

１ 圧電・焦電素子
２ 独立気泡
３ コロナ放電装置
１１ 素子上面
１２ 素子下面
２１ 気泡上面
２２ 気泡下面
３１ 土台
３２ 側版
３３ 電極プレート
３４ ワイヤ設置部
３５ 電極ワイヤ
３６ 電源
１００ 試験片
２００ 比較試験片

Claims (2)

1. 無極性の高分子物質のシートに電荷をトラップすることによって生成される圧電・焦電素子であって、
   前記高分子物質は、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）であり、当該テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）に発泡の核材を混合し、発泡させたことを特徴とする高分子物質の圧電・焦電素子。
2. 前記高分子物質は独立気泡を有しているシートであることを特徴とする請求項１に記載の圧電・焦電素子。
   

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