JP2008192671A - Piezoelectric element - Google Patents

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Yu Fukuda
祐 福田
Taku Hashida
卓 橋田
Yuko Fujii
優子 藤井
Hiroyuki Ogino
弘之 荻野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems, wherein a piezoelectric composition pressure sensitive element constituting a piezoelectric element absorbs water, electrical resistance, capacitance, and piezoelectric characteristics changes, and the durability and reliability deteriorate, when a conventional piezoelectric element is used under a high-temperature and high-humidity environment. <P>SOLUTION: The piezoelectric element comprises the piezoelectric composition pressure sensitive element 1, containing a first coating layer 6 by a water-repellent material, piezoelectric ceramic powder 3 where a second coating layer 7 by a coupling agent is formed, and an organic polymer 4; a first electrode 2A, connected to the piezoelectric composition pressure-sensitive element 1; and a second electrode 2B that is connected to the piezoelectric composition pressure-sensitive element 1 and is insulated from the first electrode 2A. Thus, since the penetration of water to the piezoelectric composition pressure-sensitive element 1 is suppressed, even under high temperature and high humidity, the softening of the piezoelectric composition pressure-sensitive element 2 is prevented, and elution of the constituent of the piezoelectric ceramic powder 3 can be prevented, thus preventing electrical characteristics, such as electrical resistance and capacitance from changing, preventing mechanical strength from decreasing and realizing improved durability and reliability. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は有機高分子中に圧電セラミック粉末を配合してなる圧電組成物感圧体に係わり、特に、可撓性のある感圧センサとして用いられる圧電素子に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric composition pressure-sensitive body obtained by blending a piezoelectric ceramic powder in an organic polymer, and more particularly to a piezoelectric element used as a flexible pressure-sensitive sensor.

従来、この種の圧電組成物感圧体は、チタンカップリング剤と、圧電セラミック粉末と、塩素化ポリエチレンまたはクロロスルホン化ポリエチレンの少なくとも一方とを含んだ材料を混合、混練して構成されるものがある(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, this type of piezoelectric composition pressure-sensitive body is constituted by mixing and kneading a material containing a titanium coupling agent, a piezoelectric ceramic powder, and at least one of chlorinated polyethylene or chlorosulfonated polyethylene. (For example, refer to Patent Document 1).

この圧電組成物感圧体は上記材料をニーダーやロールなどの加工機械を用い、均一に分散混合及び混練して得られるものであり、塩素化ポリエチレンなどの熱可塑性エラストマーを含んでいるため可撓性を有し、シート状やケーブル状に加工されて圧電素子として用いられている。   This piezoelectric composition pressure-sensitive body is obtained by uniformly dispersing and kneading the above materials using a processing machine such as a kneader or a roll, and is flexible because it contains a thermoplastic elastomer such as chlorinated polyethylene. Therefore, it is processed into a sheet shape or a cable shape and used as a piezoelectric element.

シート状の圧電素子は、先ず圧電体粉末と塩素化ポリエチレンとカップリング剤をロールで混合、混練した圧電組成物感圧体をホットプレスでシート状に成型し、このシートの両面に銀ペーストを塗布処理もしくはゴムにカーボンを分散させた導電シートを融着させることにより1対の電極が形成され、その後、圧電性を発現させるために数十kVの直流電圧を両電極間に印加しポーリング処理を行うことによって得ることができる。この電極面の一部あるいは全面に圧力が印加されると、その部分の圧電組成物感圧体が歪み、その結果両電極間に電圧が誘起され、この誘起電圧を利用して圧力を検出することができるので圧力センサとして応用されている。   A sheet-like piezoelectric element is prepared by first forming a piezoelectric composition pressure-sensitive body in which piezoelectric powder, chlorinated polyethylene and a coupling agent are mixed and kneaded with a roll into a sheet shape by hot pressing, and silver paste is applied to both sides of the sheet. A pair of electrodes is formed by fusing a conductive sheet in which carbon is dispersed in a coating process or rubber, and then a tens of kV DC voltage is applied between both electrodes in order to develop piezoelectricity. Can be obtained by doing When pressure is applied to a part or the whole of this electrode surface, the piezoelectric composition pressure-sensitive body in that part is distorted, and as a result, a voltage is induced between both electrodes, and the pressure is detected using this induced voltage. Therefore, it is applied as a pressure sensor.

また、上記のような圧電組成物感圧体において、鉛を含む圧電セラミック粉末に被覆層を形成し、これを有機高分子に分散混合させたものがある(例えば、特許文献2参照)。   In addition, there is a piezoelectric composition pressure-sensitive body as described above in which a coating layer is formed on a piezoelectric ceramic powder containing lead, and this is dispersed and mixed in an organic polymer (see, for example, Patent Document 2).

この被覆層は、鉛を含む圧電セラミックを含む圧電組成物感圧体が廃棄され、酸性雨などの環境に暴露されても圧電セラミック粉末からの鉛の溶出を抑制し、環境汚染を防止しようとするものである。この被覆層の材料は、無機系、有機系化合物による被膜、有機系の単分子膜から構成され、いずれの材料でも圧電セラミック粉末からの鉛の溶出防止の効果が得られるとしている。
特開平11−201835号公報 特開2003−106910号公報
This coating layer is intended to prevent environmental pollution by suppressing the elution of lead from the piezoelectric ceramic powder even when the piezoelectric composition pressure-sensitive body containing the piezoelectric ceramic containing lead is discarded and exposed to the environment such as acid rain. To do. The material of the coating layer is composed of a coating film made of an inorganic or organic compound, or an organic monomolecular film, and any material can prevent the elution of lead from the piezoelectric ceramic powder.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-201835 JP 2003-106910 A

しかしながら、特許文献1で示した従来の圧電素子を高温高湿環境下で使用した場合、水蒸気が電極を通過し、圧電素子を構成する圧電組成物感圧体に到達する。圧電組成物感圧体の内部の温度が外側よりも低い場合や、圧電組成物感圧体の表面で水蒸気が過飽和状態になると、拡散した水蒸気は凝縮して水を生成し、圧電組成物感圧体の水の吸収による軟化や圧電組成物感圧体を構成する圧電セラミック粉末の成分や不純物が水によって溶出する現象が発生する。その結果、圧電素子の静電容量が増加するとともに、電気抵抗が減少したりするなどの電気的特性が変化するという問題が起こり、耐久性が劣るという課題があるとともに、センサとして用いる場合、検知や制御のための回路が複雑になるという課題があった。   However, when the conventional piezoelectric element shown in Patent Document 1 is used in a high-temperature and high-humidity environment, water vapor passes through the electrode and reaches the piezoelectric composition pressure-sensitive body constituting the piezoelectric element. When the temperature inside the piezoelectric composition pressure-sensitive body is lower than the outside or when the water vapor becomes supersaturated on the surface of the piezoelectric composition pressure-sensitive body, the diffused water vapor condenses to produce water, Softening due to water absorption of the pressure body and a phenomenon in which components and impurities of the piezoelectric ceramic powder constituting the piezoelectric composition pressure sensitive body are eluted by water occur. As a result, there is a problem that the electrical characteristics change, such as an increase in the capacitance of the piezoelectric element and a decrease in electrical resistance, and there is a problem that durability is inferior. There is a problem that the circuit for control and control becomes complicated.

また、圧電素子が水を吸収すると圧電組成物感圧体自体が軟化した場合は圧力と圧電素
子の歪みとの関係が変化するため、圧電素子の柔らかさの変化に応じた信号処理が必要となり、誤検知の可能性があるため複雑な検知回路になるという課題があった。
In addition, when the piezoelectric element absorbs water and the piezoelectric composition pressure sensitive body itself softens, the relationship between the pressure and the distortion of the piezoelectric element changes, so signal processing according to the change in the softness of the piezoelectric element is required. Because of the possibility of erroneous detection, there is a problem that it becomes a complicated detection circuit.

また、圧電素子が軟化することにより圧電素子の引っ張り強度が低下するため、耐久性が劣るという課題があった。   Further, since the tensile strength of the piezoelectric element is reduced by the softening of the piezoelectric element, there is a problem that durability is inferior.

特に、周期表の1族、2A族のアルカリ金属、アルカリ土類の金属を含む圧電セラミック粉末は固有抵抗が低く、かつ水に溶出し易いため、電気抵抗の低下が課題となる。   In particular, a piezoelectric ceramic powder containing a group 1 or group 2A alkali metal or alkaline earth metal in the periodic table has a low specific resistance and is easily eluted into water, so that a reduction in electrical resistance becomes a problem.

なお、上記課題はシート状の圧電素子に対して述べたがケーブル状の場合や他の形状でも同様の課題を有する。   Although the above-described problem has been described with respect to the sheet-like piezoelectric element, the same problem exists in the case of a cable or other shapes.

一方、特許文献2で示した圧電セラミックの粉末に被覆層を形成した圧電素子は、酸性雨などの環境に暴露された場合、被覆層によって圧電セラミックの粉末から鉛などの溶出が抑制され、溶出した金属イオンが原因で起こる電気抵抗の変化は防止されるが、水の圧電体組成物感圧体への吸収は抑制できず、圧電体組成物感圧体の軟化による圧電特性の変化、機械的引っ張り強度の低下、水の吸収によって起こる静電容量の変化は防止できず、上述の課題は解決できるものではなかった。   On the other hand, when the piezoelectric element having a coating layer formed on the piezoelectric ceramic powder shown in Patent Document 2 is exposed to an environment such as acid rain, elution of lead and the like from the piezoelectric ceramic powder is suppressed by the coating layer. Although the electrical resistance change caused by the metal ions is prevented, the absorption of water into the piezoelectric composition pressure-sensitive body cannot be suppressed, and the piezoelectric characteristics change due to the softening of the piezoelectric composition pressure-sensitive body. The above-mentioned problem has not been solved because a change in electrostatic capacity caused by a decrease in the tensile strength and the absorption of water cannot be prevented.

特許文献2の圧電組成物感圧体が水を吸収している理由は次のように考えられる。圧電セラミック粉末から鉛の溶出を抑制する材料として、アルミナ、シリカ、ジルコニア、リチウムシリケートの無機化合物を用いているが、これらは親水性を示すものであり、撥水性のもつ水を弾く作用はない。したがって、これら材料の被覆層はバリア層としての作用、すなわち、水と圧電セラミック粉末の接触を妨げるように作用する。これにより、鉛の溶出を抑制することができるが、被覆層が撥水性を有さないため、圧電組成物感圧体自身は水を吸収するものと考えられる。   The reason why the piezoelectric composition pressure-sensitive body of Patent Document 2 absorbs water is considered as follows. Inorganic materials such as alumina, silica, zirconia, and lithium silicate are used as materials to suppress lead elution from piezoelectric ceramic powder, but these are hydrophilic and have no water repellent action. . Therefore, the covering layer of these materials acts as a barrier layer, that is, acts to prevent contact between water and the piezoelectric ceramic powder. Thereby, elution of lead can be suppressed, but since the coating layer does not have water repellency, it is considered that the piezoelectric composition pressure-sensitive body itself absorbs water.

一方、被覆層材料として、有機化合物や単分子膜を用いたものは親水性こそないが、鉛の溶出の抑制効果を無機化合物と比較すると、鉛の溶出量は同等かむしろ劣る結果を示していることから、無機化合物も有機化合物も単分子膜も前述のバリア層としての作用によって鉛の溶出を抑制していると考えられる。したがって、特許文献2の被覆層を設けた構成は被覆層の材料に関係なく、圧電組成物感圧体は同等の水を吸収し、軟化していると考えられる。   On the other hand, organic materials and monomolecular films that use organic compounds as coating layer materials are not hydrophilic, but the amount of lead elution is comparable or rather inferior when compared to inorganic compounds. Therefore, it is considered that the elution of lead is suppressed by the action of the above-described barrier layer in all of the inorganic compound, the organic compound, and the monomolecular film. Therefore, it is considered that the structure provided with the coating layer of Patent Document 2 absorbs equivalent water and is softened regardless of the material of the coating layer.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高温高湿環境下で使用されても電気的特性の変化や軟化を抑制し、常に安定した圧電特性や強度を実現するとともに、複雑な回路を必要としない圧電組成物感圧体を用いた圧電素子を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, suppresses changes in electrical characteristics and softening even when used in a high-temperature and high-humidity environment, and always realizes stable piezoelectric characteristics and strength, and a complicated circuit. An object of the present invention is to provide a piezoelectric element using a piezoelectric composition pressure-sensitive body that does not require the above.

前記従来の課題を解決するために、本発明の圧電素子は、圧電セラミック粉末と可撓性を有する有機高分子とを含む圧電組成物感圧体と、圧電組成物感圧体に接続された第1電極と、圧電組成物感圧体に接続され第1電極と絶縁された第2電極と、圧電セラミック粉末の表面に設けられ、前記圧電セラミック粉末への水分の吸収を抑制する第1の被覆層と、第1の被覆層の表面に設けられ、セラミック圧電体粉末と有機高分子の馴染みの向上と水分の吸収を抑制するカップリング剤からなる第2の被覆層とからなる構成としている。   In order to solve the above-described conventional problems, the piezoelectric element of the present invention is connected to a piezoelectric composition pressure-sensitive body including a piezoelectric ceramic powder and a flexible organic polymer, and the piezoelectric composition pressure-sensitive body. A first electrode, a second electrode connected to the piezoelectric composition pressure-sensitive body and insulated from the first electrode, and a first electrode provided on a surface of the piezoelectric ceramic powder to suppress moisture absorption into the piezoelectric ceramic powder; A coating layer is provided on the surface of the first coating layer, and is composed of a ceramic coating powder and a second coating layer made of a coupling agent that suppresses the familiarity of the organic polymer and the absorption of moisture. .

これによって、圧電素子が高温高湿環境下で用いられ、圧電素子の内部で水蒸気が凝縮して水を生成しても圧電素子を構成する圧電セラミック粉末には水の吸収を抑制する材料による第1の被覆層が形成されているため、圧電組成物感圧体および圧電セラミック粉末への水の吸収が抑制される。その結果、状圧電素子の静電容量の増加、電気抵抗の減少、
及び圧電組成物感圧体の軟化が抑制され、軟化が原因で起こる圧電特性の大きな変化を防止することができ、初期の圧電特性を維持することができる。
As a result, even when the piezoelectric element is used in a high temperature and high humidity environment, water is generated by condensation of water vapor inside the piezoelectric element, so that the piezoelectric ceramic powder constituting the piezoelectric element is made of a material that suppresses water absorption. Since one coating layer is formed, absorption of water into the piezoelectric composition pressure-sensitive body and the piezoelectric ceramic powder is suppressed. As a result, the capacitance of the piezoelectric element increases, the electrical resistance decreases,
In addition, the softening of the piezoelectric composition pressure sensitive body is suppressed, a large change in the piezoelectric characteristics caused by the softening can be prevented, and the initial piezoelectric characteristics can be maintained.

また、第1の被覆層の表面に形成している第2の被覆層も水分の吸収を抑制する作用を有するので前述の圧電特性の変化の防止効果をさらに高めることができるとともに、第2の被覆層はカップリング剤で構成されるため、圧電セラミック粉末と可撓性を有する高分子の馴染みが向上し、可撓性有機高分子中に圧電セラミック粉末を均一に分散混合することができ、圧電特性を発現させるための分極処理の安定化、圧電特性の安定化を図ることができる。   In addition, since the second coating layer formed on the surface of the first coating layer also has an action of suppressing moisture absorption, the effect of preventing the above-described change in piezoelectric characteristics can be further enhanced, and the second coating layer Since the coating layer is composed of a coupling agent, the familiarity between the piezoelectric ceramic powder and the flexible polymer is improved, and the piezoelectric ceramic powder can be uniformly dispersed and mixed in the flexible organic polymer. It is possible to stabilize the polarization treatment for expressing the piezoelectric characteristics and stabilize the piezoelectric characteristics.

さらに、第1の被覆層と第2の被覆層によって圧電組成物感圧体の軟化を抑制することもできるので引っ張り強度の低下が防止され、初期の強度を維持することができる。   Further, since the softening of the piezoelectric composition pressure sensitive body can be suppressed by the first coating layer and the second coating layer, a decrease in tensile strength can be prevented and the initial strength can be maintained.

本発明の圧電組成物感圧体を用いた圧電素子は、圧電セラミック粉末に、圧電セラミック粉末への水分の吸収を抑制する第1の被覆層と、この第1の被覆層の表面に設けられ、セラミック圧電体粉末と有機高分子の馴染みの向上と水分の吸収を抑制するカップリング剤からなる第2の被覆層を設けることによって圧電セラミック粉末および圧電組成物感圧体への水の浸透を抑制することができるので初期の電気的特性、圧電特性、機械的引っ張り強度などの特性を維持することができて、時間経過による変化を防止することができ、優れた耐久性、信頼性を実現することができる。また、第2の被覆層により、圧電セラミック粉末と有機高分子との混練性を向上させることができるので常に安定した圧電特性を得ることができる。   A piezoelectric element using the piezoelectric composition pressure sensitive body of the present invention is provided on a piezoelectric ceramic powder, a first coating layer that suppresses absorption of moisture into the piezoelectric ceramic powder, and a surface of the first coating layer. The penetration of water into the piezoelectric ceramic powder and the piezoelectric composition pressure sensitive body is improved by providing a second coating layer made of a coupling agent that improves the familiarity of the ceramic piezoelectric powder and the organic polymer and suppresses moisture absorption. Since it can be suppressed, the initial electrical characteristics, piezoelectric characteristics, mechanical tensile strength, and other characteristics can be maintained, changes over time can be prevented, and excellent durability and reliability can be achieved. can do. Further, since the kneadability between the piezoelectric ceramic powder and the organic polymer can be improved by the second coating layer, stable piezoelectric characteristics can be obtained at all times.

第1の発明は、圧電セラミック粉末と可撓性を有する有機高分子とを含む圧電組成物感圧体と、前記圧電組成物感圧体に接続された第1電極と、前記圧電組成物感圧体に接続され前記第1電極と絶縁された第2電極と、前記圧電セラミック粉末の表面に設けられ、前記圧電セラミック粉末への水分の吸収を抑制する第1の被覆層と、第1の被覆層の表面に設けられ、セラミック圧電体粉末と有機高分子の馴染みの向上と水分の吸収を抑制するカップリング剤からなる第2の被覆層とを備えた構成とすることにより、圧電素子が高温高湿環境下で使用され、圧電素子を構成する圧電組成物感圧体の部分で水蒸気が凝縮して水を生成しても、圧電組成物感圧体中の圧電セラミック粉末には水を吸収しない第1の被覆層を形成しているため、圧電組成物感圧体および圧電セラミック粉末への水の吸収が抑制され、圧電素子の静電容量の増加、電気抵抗の減少を防止することができる。その結果、圧電素子の初期の電気的特性を維持して、時間経過による変化を防止することができ、優れた耐久性と信頼性を実現することができる。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric composition pressure sensing element including piezoelectric ceramic powder and a flexible organic polymer, a first electrode connected to the piezoelectric composition pressure sensing element, and the piezoelectric composition feeling. A second electrode connected to a pressure body and insulated from the first electrode; a first coating layer provided on a surface of the piezoelectric ceramic powder; and suppressing absorption of moisture into the piezoelectric ceramic powder; The piezoelectric element is provided on the surface of the coating layer by including a second coating layer made of a coupling agent that suppresses the absorption of moisture and absorption of ceramic piezoelectric powder and organic polymer. Even if water vapor is generated in the portion of the piezoelectric composition pressure-sensitive body that is used in a high-temperature, high-humidity environment and forms water, water is not added to the piezoelectric ceramic powder in the piezoelectric composition pressure-sensitive body. Since the first coating layer that does not absorb is formed, the piezoelectric assembly Is suppressed absorption of water into the objects pressure sensitive substance and piezoelectric ceramic powder, it is possible to prevent an increase in the capacitance of the piezoelectric element, the decrease in electrical resistance. As a result, it is possible to maintain the initial electrical characteristics of the piezoelectric element, prevent changes over time, and achieve excellent durability and reliability.

また、特に第1の被覆層によって圧電セラミック粉末および圧電組成物感圧体が水を吸収しないので圧電組成物感圧体の軟化が抑制され、軟化が原因で起こる圧電特性の大きな変化を防止することができ、常に初期の圧電特性を維持することができる。その結果、同じ印加圧力でも圧電特性の変化に応じた信号処理を必要としないので誤検知を防止できる信頼性の高い検知、制御回路を設計することができる。   In particular, since the piezoelectric ceramic powder and the piezoelectric composition pressure-sensitive body do not absorb water due to the first coating layer, softening of the piezoelectric composition pressure-sensitive body is suppressed, and a large change in piezoelectric characteristics caused by the softening is prevented. The initial piezoelectric characteristics can always be maintained. As a result, it is possible to design a highly reliable detection and control circuit that can prevent erroneous detection because signal processing corresponding to changes in piezoelectric characteristics is not required even at the same applied pressure.

また、第2の被覆層はカップリング剤で構成されるため、圧電セラミック粉末と可撓性を有する高分子の馴染みが向上し、可撓性有機高分子中に圧電セラミック粉末を均一に分散混合することができ、圧電特性を発現させるための分極処理の安定化、圧電特性の安定化を図ることができるとともに、圧電セラミック粉末と可撓性を有する高分子の馴染みが向上することにより、混練加工時間を短縮化することができ、生産性を向上させることができる。   In addition, since the second coating layer is composed of a coupling agent, familiarity between the piezoelectric ceramic powder and the flexible polymer is improved, and the piezoelectric ceramic powder is uniformly dispersed and mixed in the flexible organic polymer. It is possible to stabilize the polarization treatment for expressing the piezoelectric characteristics, stabilize the piezoelectric characteristics, and improve the familiarity of the piezoelectric ceramic powder and the flexible polymer, thereby kneading. Processing time can be shortened and productivity can be improved.

また、第2の被覆層は第1の被覆層ほどの水分の吸収を抑制する効果はないが撥水作用を有するので第1の被覆層単独よりも圧電セラミック粉末への水の浸透を抑制することができる。   In addition, the second coating layer is not as effective in suppressing water absorption as the first coating layer, but has a water repellent action, so that the water penetration into the piezoelectric ceramic powder is suppressed more than in the first coating layer alone. be able to.

第2の発明は、特に、第1の発明の第1の被覆層を撥水材料で構成することにより、撥水作用を薄膜の被覆層とすることができ、圧電組成物感圧体への浸透を防止することによる圧電特性の変化を防止することができるとともに、圧電性を発現するために行うポーリング処理において、印加電圧のロスを少なくすることができ、低い電圧でも優れた圧電特性を発現させることができる。   In the second invention, in particular, the first coating layer of the first invention is made of a water-repellent material, so that the water-repellent action can be made into a thin film coating layer. In addition to preventing changes in piezoelectric properties due to prevention of permeation, the loss of applied voltage can be reduced in the poling process performed to express piezoelectricity, and excellent piezoelectric properties are exhibited even at low voltages. Can be made.

また、第1の被覆層を圧電セラミック粉末の表面に形成した構成とすることにより、撥水材料の第1の被覆層が圧電セラミック粉末の粒子一つ一つに施されているので水との接触を極めて少なくすることができ、圧電セラミック粉末の成分が水に溶出することが原因で起こる電気抵抗の減少を防止する効果は大なるものである。   Moreover, since the first coating layer is formed on the surface of the piezoelectric ceramic powder, the first coating layer of the water repellent material is applied to each particle of the piezoelectric ceramic powder, so The contact can be extremely reduced, and the effect of preventing a decrease in electrical resistance caused by the dissolution of the components of the piezoelectric ceramic powder into water is great.

また、第1の被覆層を形成した圧電セラミック粉末が圧電組成物感圧体の表面に多数存在することにより、圧電組成物感圧体の表面に優れた撥水性を発現させることができ、圧電組成物感圧体への水の浸透を抑制することができるので圧電組成物感圧体の軟化が抑制され、軟化が原因で起こる圧電特性の大きな変化を防止することができ、常に初期の圧電特性を維持することができる。その結果、同じ印加圧力でも圧電特性の変化に応じた信号処理を必要としないので誤検知を防止できる信頼性の高い検知、制御回路を設計することができる。   In addition, since a large number of piezoelectric ceramic powders on which the first coating layer is formed are present on the surface of the piezoelectric composition pressure-sensitive body, excellent water repellency can be expressed on the surface of the piezoelectric composition pressure-sensitive body. Since the penetration of water into the composition pressure-sensitive body can be suppressed, softening of the piezoelectric composition pressure-sensitive body can be suppressed, and a large change in piezoelectric characteristics caused by the softening can be prevented. Characteristics can be maintained. As a result, it is possible to design a highly reliable detection and control circuit that can prevent erroneous detection because signal processing corresponding to changes in piezoelectric characteristics is not required even at the same applied pressure.

また、予め圧電セラミック粉末に撥水処理を施すことにより、圧電素子の形状、大きさが変わってもそれに対応した撥水処理工程が必要なく、圧電素子の生産性を高くすることができるとともに、圧電素子の形状、大きさによらず、常に安定した撥水効果を実現することができる。   In addition, by applying water-repellent treatment to the piezoelectric ceramic powder in advance, even if the shape and size of the piezoelectric element changes, there is no need for a corresponding water-repellent treatment step, and the productivity of the piezoelectric element can be increased. Regardless of the shape and size of the piezoelectric element, a stable water repellent effect can always be realized.

第3の発明は、特に、第1または第2の発明の撥水処理を施して成した第1の被覆層として蒸留水に対する接触角が125°以上180°未満の材料を用いることにより、特に優れた撥水性を実現することができるので初期の圧電素子の電気的特性、圧電特性、機械的強度の変化をさらに低減することができ、より優れた圧電素子の耐久性、信頼性を実現することができる。   In particular, the third invention uses a material having a contact angle with respect to distilled water of 125 ° or more and less than 180 ° as the first coating layer formed by performing the water repellent treatment of the first or second invention. Excellent water repellency can be achieved, so that changes in the electrical characteristics, piezoelectric characteristics, and mechanical strength of the initial piezoelectric element can be further reduced, and more excellent durability and reliability of the piezoelectric element can be realized. be able to.

第4の発明は、特に、第1〜第3の発明の第1の被覆層を脂肪酸、脂肪酸塩、単分子層の少なくとも1種で構成することにより、優れた撥水性を実現することができる。特に、第1の被覆層を単分子層で構成することにより、被覆層の厚みを数nmレベルの単分子層にすると圧電特性を発現させるために高い直流電圧を印加するポーリング処理の際に単分子層で起こる電圧降下が低減され、ポーリングの効率を向上させることができるとともに、ポーリング処理時間の短縮化または優れた圧電特性を実現することができる。   In the fourth aspect of the invention, particularly, the first coating layer of the first to third aspects of the invention can be realized with at least one of fatty acid, fatty acid salt, and monomolecular layer, thereby realizing excellent water repellency. . In particular, when the first coating layer is formed of a monomolecular layer, when the thickness of the coating layer is a monomolecular layer of several nanometers, a single DC layer is applied during poling to apply a high DC voltage in order to develop piezoelectric characteristics. The voltage drop that occurs in the molecular layer is reduced, and the poling efficiency can be improved, and the polling processing time can be shortened or excellent piezoelectric characteristics can be realized.

また、第1の被覆層を単分子層とすることで撥水材料の使用量を少なくすることができるので撥水圧電素子の低コスト化が図れる。   Further, since the amount of the water repellent material used can be reduced by making the first coating layer a monomolecular layer, the cost of the water repellent piezoelectric element can be reduced.

第5の発明は、特に、第1〜第4の発明の第2の被覆層をチタンカップリング剤で形成することにより、圧電セラミック粉末との馴染みを向上させることができ、圧電セラミック粉末と可撓性を有する有機高分子の混練性を向上させることができる。これはチタンカップリング剤が有機化合物との親和性が高いことに起因している。   In the fifth invention, in particular, by forming the second coating layer of the first to fourth inventions with a titanium coupling agent, the familiarity with the piezoelectric ceramic powder can be improved. The kneadability of the organic polymer having flexibility can be improved. This is because the titanium coupling agent has high affinity with the organic compound.

第6の発明は、特に、第1〜第5の発明の第2の被覆層としてイソプロポキシトリイソステアロイルチタネート、イソプロポキシトリス(ジオクチルパイロフォスフェート)チタネートの少なくとも1種を含む材料を用いることにより、圧電セラミック粉末と有機高分子との混練性(混合・分散)を一層向上させることができるので混練加工時間の短縮化、圧電特性の向上、圧電特性の安定化、可撓性の向上を実現することができるとともに、シート状、ケーブル状など任意の形状に容易に成型することができる。   In the sixth invention, in particular, by using a material containing at least one of isopropoxytriisostearoyl titanate and isopropoxytris (dioctylpyrophosphate) titanate as the second coating layer of the first to fifth inventions. The kneadability (mixing / dispersion) between the piezoelectric ceramic powder and organic polymer can be further improved, shortening the kneading process time, improving the piezoelectric properties, stabilizing the piezoelectric properties, and improving the flexibility And can be easily molded into an arbitrary shape such as a sheet shape or a cable shape.

第7の発明は、特に、第1〜第6の発明の圧電セラミック粉末を周期表第1族の元素、周期表第2A族の元素の少なくとも1種を含むペロブスカイト構造を有する化合物とすることにより、本来、周期表第1族の元素、周期表2A族の元素のアルカリ金属やアルカリ土類金属は水により溶出しやすいが、圧電セラミック粉末に含有するこれらアルカリ成分の溶出を抑制することができるため、電気抵抗の大幅な低下を抑制することができる。特に、アルカリ成分を含む圧電素子は固有抵抗が低く、さらに電気抵抗値が低くなると圧電素子として使用できない場合もあり、アルカリ成分を含む圧電素子の電気抵抗の低下を防止することは高い実用性を有する。   According to a seventh aspect of the present invention, in particular, the piezoelectric ceramic powder according to the first to sixth aspects is a compound having a perovskite structure including at least one element of Group 1A of the periodic table and Group 2A of the periodic table. Originally, alkali metals and alkaline earth metals of Group 1A of the periodic table and Group 2A of the periodic table are easily eluted by water, but the elution of these alkali components contained in the piezoelectric ceramic powder can be suppressed. Therefore, a significant decrease in electrical resistance can be suppressed. In particular, a piezoelectric element containing an alkali component has a low specific resistance, and if the electric resistance value is further lowered, it may not be used as a piezoelectric element. Preventing a decrease in the electric resistance of a piezoelectric element containing an alkali component is highly practical. Have.

第8の発明は、特に、第1〜第7の発明の圧電セラミック粉末の主成分がチタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムの少なくとも1種を含むことにより、圧電素子が廃棄処理され酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境汚染の可能性がない。また、圧電セラミック粉末に第1の被覆層と第2の被覆層を設け、圧電セラミック粉末成分の溶出を防止しているので鉛以外の金属の溶出も抑制され、安全性を一層向上させることができる。   In the eighth aspect of the invention, in particular, the piezoelectric ceramic powder of the first to seventh aspects contains at least one of bismuth sodium titanate, barium titanate, sodium niobate, and potassium niobate. Even if the device is disposed of and exposed to the environment such as acid rain, lead is not eluted and there is no possibility of environmental pollution. In addition, since the piezoelectric ceramic powder is provided with the first coating layer and the second coating layer to prevent elution of the piezoelectric ceramic powder components, the elution of metals other than lead can be suppressed and safety can be further improved. it can.

第9の発明は、特に、第1〜第8の発明の第1電極と第2電極を熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む弾性体と導電性粉末の導電層とすることにより、伸びのある可撓性に優れた外電極とすることができるので優れた耐屈曲性を実現することができる。   In the ninth invention, in particular, the first electrode and the second electrode of the first to eighth inventions are made of an elastic body containing at least one of a thermoplastic resin, a thermoplastic elastomer and rubber, and a conductive layer of conductive powder. As a result, it is possible to obtain an extended outer electrode with excellent flexibility, and thus excellent bending resistance can be realized.

第10の発明は、特に、第1〜第8の発明の第1電極と第2電極を主成分が導電性粉末と有機高分子に混合物である導電塗料もしくは導電ペーストの塗布膜とすることにより、圧電組成物感圧体と第1電極、第2電極の密着性を高くすることができとともに、第1電極、第2電極と圧電組成物感圧体の間に空気層の介在を少なくすることができるのでポーリング処理の際の圧電組成物感圧体間の電圧降下を抑制することができ、ポーリング処理の実効電圧を高くすることができる。   In a tenth aspect of the invention, in particular, the first electrode and the second electrode of the first to eighth aspects are formed as a coating film of a conductive paint or conductive paste whose main component is a mixture of conductive powder and organic polymer. The adhesion between the piezoelectric composition pressure-sensitive body and the first electrode and the second electrode can be increased, and the air layer is less interposed between the first electrode, the second electrode and the piezoelectric composition pressure-sensitive body. Therefore, the voltage drop between the piezoelectric composition pressure sensitive bodies during the poling process can be suppressed, and the effective voltage of the poling process can be increased.

第11の発明は、特に、第1〜第8の発明の第1電極と第2電極を導電性材料の蒸着膜とすることにより、第1電極、第2電極を薄膜で形成することができるので圧電組成物感圧体の優れた可撓性を維持することができ、圧電組成物感圧体の有する圧電特性の低下を防止することができる。   In the eleventh aspect of the invention, in particular, the first electrode and the second electrode can be formed as a thin film by using the first electrode and the second electrode of the first to eighth inventions as vapor-deposited films of a conductive material. Therefore, the excellent flexibility of the piezoelectric composition pressure-sensitive body can be maintained, and the deterioration of the piezoelectric characteristics of the piezoelectric composition pressure-sensitive body can be prevented.

第12の発明は、特に、第11〜第13の発明の導電性材料または導電性粉末を、C、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種を含むものとすることにより、特に優れた導電性と耐食性を実現することができる。   In a twelfth aspect of the invention, in particular, the conductive material or conductive powder of the eleventh to thirteenth aspects of the invention contains at least one of C, Pt, Au, Pd, Ag, Cu, Al, and Ni. Particularly excellent electrical conductivity and corrosion resistance can be realized.

第13の発明は、特に、第1〜第12の発明の可撓性を有する有機高分子を熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む材料とすることにより、圧電素子に優れた弾性と可撓性を付与することができるので圧電素子は印加された圧力に対して大きな反発力と変位量を得ることができ、圧電特性を向上させることができる。   In the thirteenth aspect of the invention, in particular, by using the flexible organic polymer of the first to twelfth aspects of the invention as a material containing at least one of a thermoplastic elastomer and rubber, the piezoelectric element has excellent elasticity and flexibility. Since flexibility can be imparted, the piezoelectric element can obtain a large repulsive force and displacement with respect to the applied pressure, and can improve the piezoelectric characteristics.

第14の発明は、特に、第13の発明の熱可塑性エラストマーを塩素化ポリエチレン、
クロルスルホン化ポリエチレンの少なくとも1種の材料とすることにより、圧電組成物感圧体中の圧電セラミック粉末の含有量を多くすることができるので圧電素子の圧電特性を向上させることができる。
In a fourteenth aspect of the invention, in particular, the thermoplastic elastomer of the thirteenth aspect of the invention is chlorinated polyethylene,
By using at least one material of chlorosulfonated polyethylene, the content of the piezoelectric ceramic powder in the piezoelectric composition pressure-sensitive body can be increased, so that the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element can be improved.

第15の発明は、特に、第1〜第14の発明の圧電素子を構成している第1の電極、第2の電極、圧電組成物感圧体を覆う保護層を形成した構成とすることにより、保護層自体が水蒸気の拡散を妨げ、圧電組成物感圧体への水の浸透を抑制することができるので圧電素子の電気的特性、圧電特性の変化を一層低減することができる。   In the fifteenth aspect of the invention, in particular, the first electrode, the second electrode, and the protective layer that covers the piezoelectric composition pressure-sensitive body constituting the piezoelectric element of the first to fourteenth aspects of the invention are formed. Thus, the protective layer itself prevents the diffusion of water vapor and can suppress the penetration of water into the piezoelectric composition pressure-sensitive body, so that changes in the electrical characteristics and piezoelectric characteristics of the piezoelectric element can be further reduced.

第16の発明は、特に、第15の発明の保護層を電気絶縁性の熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む材料とすることにより、圧電組成物感圧体と電極の密着性を向上させることができるのでセンサの感度を向上させることができるとともに、外部からの機械的な力による圧電素子の破損を防止することができる。   In the sixteenth aspect of the invention, in particular, the protective layer of the fifteenth aspect of the invention is made of a material containing at least one of an electrically insulating thermoplastic elastomer and rubber, thereby improving the adhesion between the piezoelectric composition pressure-sensitive body and the electrode. Therefore, the sensitivity of the sensor can be improved, and damage to the piezoelectric element due to an external mechanical force can be prevented.

第17の発明は、特に、第1〜第16の発明の圧電セラミック粉末として比誘電率が0を超え1000以下のものを用いることにより、圧電素子に圧電性を発現させるために直流高電圧を印加してポーリング処理した場合、圧電セラミック粉末に印加される電圧の割合を大きくすることができるので圧電素子の電圧出力定数を高くすることができ、圧電素子の感度を高くすることができる。   In the seventeenth aspect of the invention, in particular, by using a piezoelectric ceramic powder of the first to sixteenth aspects of the invention having a relative dielectric constant of more than 0 and 1,000 or less, a direct current high voltage is applied in order to make the piezoelectric element exhibit piezoelectricity. When the poling process is applied, the ratio of the voltage applied to the piezoelectric ceramic powder can be increased, so that the voltage output constant of the piezoelectric element can be increased and the sensitivity of the piezoelectric element can be increased.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態におけるシート状の圧電素子の断面図である。図1において、シート状の圧電素子は、シート状の圧電組成物感圧体1の両面に第1電極である電極2Aと、第2電極である電極2Bを形成して構成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a sheet-like piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a sheet-like piezoelectric element is configured by forming an electrode 2 </ b> A as a first electrode and an electrode 2 </ b> B as a second electrode on both surfaces of a sheet-like piezoelectric composition pressure-sensitive body 1.

図2は、圧電組成物感圧体1の一部断面を示す模式図である。図2において、シート状の圧電組成物感圧体1は第1と第2の被覆層が形成された圧電セラミック粉末3と可撓性を有する有機高分子4とから構成され、被覆層が形成された圧電セラミック粉末3が有機高分子4中に均一に分散した状態にある。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a partial cross section of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1. In FIG. 2, a sheet-like piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 is composed of a piezoelectric ceramic powder 3 on which first and second coating layers are formed, and a flexible organic polymer 4 to form a coating layer. The piezoelectric ceramic powder 3 is in a state of being uniformly dispersed in the organic polymer 4.

図3は、被覆層が形成された圧電セラミック粉末3の1つの粒子の断面を示す模式図である。図3において、被覆層が形成された圧電セラミック粉末3は、圧電セラミック粉末5の表面に水の吸収を抑制する撥水材料からなる第1の被覆層6とこの第1の被覆層6の表面にさらにカップリング剤からなる第2の被覆層7が形成された構成となっている。   FIG. 3 is a schematic view showing a cross section of one particle of the piezoelectric ceramic powder 3 on which a coating layer is formed. In FIG. 3, the piezoelectric ceramic powder 3 on which the coating layer is formed includes a first coating layer 6 made of a water-repellent material that suppresses water absorption on the surface of the piezoelectric ceramic powder 5, and the surface of the first coating layer 6. Further, a second coating layer 7 made of a coupling agent is formed.

第1の実施の形態におけるシート状の圧電素子は以下のように作製される。この製造工程を図4に示す。先ず、圧電セラミック粉末5を適切な溶媒で希釈して所定の濃度に調整した撥水材料を含む溶液に浸漬して撹拌混合した後乾燥するか、または融解する温度に加熱された撥水材料の溶液に浸漬して混合した後冷却するか、または圧電セラミック粉末5を所定量の撥水材料の粉末と混合することのいずれかの方法によって圧電セラミック粉末5に撥水処理を施して第1の被覆層6を形成(S1)する。次に、第1の被服層6が形成された圧電セラミック粉末5を適切な溶媒で希釈し所定の濃度に調整したカップリング剤を含む溶液に浸漬して撹拌混合した後乾燥するか、または第1の被服層6が形成された圧電セラミック粉末5と所定量のカップリング剤をミキサーなどの攪拌機で撹拌混合することのいずれかの方法によって第1の被服層6の表面にカップリン剤からなる第2の被覆層7を形成(S2)し、第1の被服層6と第2の被服層7が形成された圧電セラミック粉末3を作製する。次に、それぞれの被覆層が形成された圧電セラミック粉末3と可撓性を有
する有機高分子4とをニーダーやロールなどの加工機を用い、被覆層が形成された圧電セラミック粉末3が可撓性を有する有機高分子4に均一に混合・分散された状態となるように混練する(S3)。混練を行なった後、ロールまたはホットプレスなどの加工機を用いて加工し、シート状の圧電組成物感圧体1を作製する(S4)。次に、シート状の圧電組成物感圧体1の両面に導電性粉末と有機高分子が混合された導電性ペーストまたは導電塗料を塗布、導電性粉末をゴムや熱可塑性エラストマーなどの可撓性を有する有機高分子に混合・分散させた導電シートを融着、導電性材料を蒸着のいずれかの材料および形成方法によって互いに絶縁された電極2A、電極2Bを形成する(S5)。その後、圧電性を発現させるために空気中またはシリコンオイル浴中で電極2A、電極2B間に直流高電圧を印加してポーリング処理を行い(S6)、シート状の圧電素子を作製する。なお、ポーリング処理(S6)は、電極2A、電極2Bを形成(S5)した後行っているが、シート状の圧電組成物感圧体1を作製(S4)した後、2つの擬似電極を用いて行ってもよい。
The sheet-like piezoelectric element according to the first embodiment is manufactured as follows. This manufacturing process is shown in FIG. First, the piezoelectric ceramic powder 5 is diluted with a suitable solvent and immersed in a solution containing a water repellent material adjusted to a predetermined concentration, stirred and mixed, and then dried or heated to a melting temperature. The piezoelectric ceramic powder 5 is subjected to a water repellent treatment by either being immersed in a solution and then cooled, or by mixing the piezoelectric ceramic powder 5 with a predetermined amount of water repellent powder. The coating layer 6 is formed (S1). Next, the piezoelectric ceramic powder 5 on which the first coating layer 6 is formed is diluted with an appropriate solvent and immersed in a solution containing a coupling agent adjusted to a predetermined concentration and stirred and mixed, or dried. The surface of the first clothing layer 6 is made of a coupling agent by any method of stirring and mixing the piezoelectric ceramic powder 5 on which one clothing layer 6 is formed and a predetermined amount of a coupling agent with a stirrer such as a mixer. The 2nd coating layer 7 is formed (S2), and the piezoelectric ceramic powder 3 in which the 1st clothing layer 6 and the 2nd clothing layer 7 were formed is produced. Next, the piezoelectric ceramic powder 3 on which the coating layer is formed is flexible by using the piezoelectric ceramic powder 3 on which the respective coating layers are formed and the organic polymer 4 having flexibility using a processing machine such as a kneader or a roll. The organic polymer 4 having a property is kneaded so as to be uniformly mixed and dispersed (S3). After kneading, it is processed using a processing machine such as a roll or a hot press to produce a sheet-like piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 (S4). Next, a conductive paste or conductive paint in which conductive powder and an organic polymer are mixed is applied to both surfaces of the sheet-like piezoelectric composition pressure-sensitive body 1, and the conductive powder is made of flexible material such as rubber or thermoplastic elastomer. Electrodes 2A and 2B insulated from each other are formed by fusing a conductive sheet mixed / dispersed in an organic polymer having the above, and depositing the conductive material by any material and forming method (S5). Thereafter, a poling process is performed by applying a DC high voltage between the electrodes 2A and 2B in the air or in a silicon oil bath in order to develop piezoelectricity (S6), and a sheet-like piezoelectric element is manufactured. The polling process (S6) is performed after the electrodes 2A and 2B are formed (S5). However, after the sheet-shaped piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 is fabricated (S4), two pseudo electrodes are used. You may go.

以上のように構成されたシート状の圧電素子について、以下その動作、作用を説明する。   The operation and action of the sheet-like piezoelectric element configured as described above will be described below.

シート状の圧電素子の圧電特性は、前述したように電極2A、電極2B間に高圧の直流電圧を印加し、圧電組成物感圧体1をポーリング処理することにより発現する。圧電特性を発現させたシート状の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、第1電極2A、第2電極2B間にはその部分に生じる加速度に応じた振動電圧が誘起される。この誘起電圧を利用して圧力を検出することができる。したがって、本願発明は自動車ドアに設置して挟み込みを防止するセンサ、ドアハンドルに設置して解錠を制御するタッチセンサ、介護ベッドなどに設置して体動を検知するセンサ、ベランダの手すり等に配置して外部からの侵入を検知するセンサなど感圧センサとして利用することができる。   As described above, the piezoelectric characteristics of the sheet-like piezoelectric element are manifested by applying a high direct-current voltage between the electrodes 2A and 2B and poling the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1. When a temporally changing pressure is applied to a part or the entire surface of a sheet-like piezoelectric element that exhibits piezoelectric characteristics, vibration corresponding to the acceleration generated in that part is applied between the first electrode 2A and the second electrode 2B. A voltage is induced. The pressure can be detected using this induced voltage. Therefore, the invention of the present application is a sensor installed on a car door to prevent pinching, a touch sensor installed on a door handle to control unlocking, a sensor installed on a care bed to detect body movement, a handrail on a veranda, etc. It can be used as a pressure-sensitive sensor such as a sensor that is arranged and detects intrusion from the outside.

前述のような感圧センサは、屋外で使用される場合や自動車用に搭載される場合であれば梅雨時や夏場の雨天による高温水蒸気環境、介護ベッドに搭載される場合であれば失禁や汗による多湿環境、また寝具に搭載される場合であれば衛生保持するための洗濯、クリーニングなどによる高温高湿環境の下で使用される可能性が高い。   Pressure sensors such as those mentioned above may be used outdoors or when installed in automobiles, in high-temperature steam environments during rainy seasons or in the rain in summer, and incontinence or sweat when installed in nursing beds. If it is mounted on bedding, there is a high possibility that it will be used in a high-temperature and high-humidity environment such as washing and cleaning to maintain sanitation.

このような高温高湿環境下で感圧センサとして従来の圧電素子が使用されると、水蒸気が電極を通過し、シート状の圧電素子の内部に拡散する。圧電組成物感圧体の温度が外側よりも低い状態や圧電組成物感圧体の表面で水蒸気が過飽和状態になると、拡散した水蒸気が凝縮して水が生成し、この水が圧電組成物感圧体に浸透することにより圧電セラミック粉末の成分や不純物が溶出する現象が発生する。その結果、シート状の圧電素子の静電容量が増加するとともに、電気抵抗が減少するなどの電気的特性が変化するという問題が発生し、耐久性が劣るとともに、感圧センサとして用いる場合、検知や制御のための回路を初期の電気特性の変化に対応できるようにする必要があり、回路が複雑な構成となる。   When a conventional piezoelectric element is used as a pressure-sensitive sensor in such a high temperature and high humidity environment, water vapor passes through the electrode and diffuses into the sheet-like piezoelectric element. When the temperature of the piezoelectric composition pressure-sensitive body is lower than the outside or when the water vapor becomes supersaturated on the surface of the piezoelectric composition pressure-sensitive body, the diffused water vapor condenses to produce water, and this water is Penetration into the pressure body causes a phenomenon in which components and impurities of the piezoelectric ceramic powder are eluted. As a result, the capacitance of the sheet-like piezoelectric element increases and the electrical characteristics change, such as a decrease in electrical resistance. This results in inferior durability and detection when used as a pressure sensor. In addition, it is necessary to make it possible to cope with the initial change in electrical characteristics of the control circuit, which makes the circuit a complicated configuration.

本実施の形態のシート状の圧電素子が高温高湿環境下で使用される場合、水蒸気が電極2A、電極2Bを通過し、圧電組成物感圧体1表面で水蒸気が凝集して水が生成する。しかしながら、図3のように本実施の形態のシート状の圧電素子は圧電組成物感圧体1を構成する圧電セラミック粉末5に撥水処理を施して成した第1の被覆層6とカップリング剤からなる第2の被服層7を形成することにより、圧電組成物感圧体1で水蒸気が凝縮して水が生成しても、第1の被覆層6の撥水作用により圧電組成物感圧体1には水が浸透しないので圧電セラミック粉末5の成分や不純物の溶出が抑制され、シート状の圧電素子としての静電容量の増加、電気抵抗の減少を防止することができる。その結果、シート状の圧電素子の初期の電気的特性を維持することができ、優れた耐久性と信頼性を実現することができる。また、初期の電気特性の変化を防止できることにより、電気特性の変化を補正
する回路構成を必要とせず、信頼性の高い感圧センサを実現することができる。
When the sheet-like piezoelectric element of the present embodiment is used in a high-temperature and high-humidity environment, water vapor passes through the electrodes 2A and 2B, and the water vapor is aggregated on the surface of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 to generate water. To do. However, the sheet-like piezoelectric element of the present embodiment as shown in FIG. 3 is coupled to the first coating layer 6 formed by subjecting the piezoelectric ceramic powder 5 constituting the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 to a water repellent treatment. By forming the second coating layer 7 made of an agent, even if water vapor is generated by the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 and water is generated, the piezoelectric composition feels due to the water-repellent action of the first coating layer 6. Since water does not penetrate into the pressure body 1, elution of the components and impurities of the piezoelectric ceramic powder 5 is suppressed, and an increase in capacitance and a decrease in electrical resistance as a sheet-like piezoelectric element can be prevented. As a result, the initial electrical characteristics of the sheet-like piezoelectric element can be maintained, and excellent durability and reliability can be realized. Further, since it is possible to prevent an initial change in electrical characteristics, a highly reliable pressure-sensitive sensor can be realized without the need for a circuit configuration for correcting the change in electrical characteristics.

特に、撥水処理を施して成した第1の被覆層6は圧電セラミック粉末5の粒子一つ一つに形成されているので水との接触を極めて少なくすることができ、圧電セラミック粉末5の成分が水に溶出することで起こる電気抵抗の減少を防止する効果は大なるものである。   In particular, since the first coating layer 6 formed by performing the water repellent treatment is formed on each particle of the piezoelectric ceramic powder 5, contact with water can be extremely reduced. The effect of preventing the decrease in electrical resistance caused by the elution of components into water is great.

圧電組成物感圧体1は、被覆層が形成された圧電セラミック粉末3と有機高分子4とから構成されるが、優れた圧電特性を発現させるために、被覆層が形成された圧電セラミック粉末3の含有量を多くした組成としている。この構成により、圧電組成物感圧体1は被覆層が形成された圧電セラミック粉末3が多数存在するので優れた撥水性を有する表面とすることができるので、圧電組成物感圧体1への凝縮した水の浸透を抑制し、圧電組成物感圧体1の軟化を防止することができる。特に、圧電感圧組成物1が優れた撥水性を発現させるため、圧電セラミック粉末3の表面に形成された第1の被覆層6は撥水性に優れた材料が必要となる。   The piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 is composed of a piezoelectric ceramic powder 3 having a coating layer formed thereon and an organic polymer 4. In order to develop excellent piezoelectric properties, the piezoelectric ceramic powder having a coating layer formed thereon 3 is increased in composition. With this configuration, the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 can have a surface having excellent water repellency since there are a large number of piezoelectric ceramic powders 3 on which a coating layer is formed. Penetration of condensed water can be suppressed, and softening of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 can be prevented. In particular, since the piezoelectric pressure-sensitive composition 1 exhibits excellent water repellency, the first coating layer 6 formed on the surface of the piezoelectric ceramic powder 3 requires a material having excellent water repellency.

なお、特許文献2で開示されているように、鉛を含む圧電セラミック粉末に被覆層を形成し、これを有機高分子に分散混合させて造られた圧電組成物感圧体がある。この被覆層の材料は、無機系、有機系化合物による被膜、有機系の単分子膜から構成され、いずれの材料でも圧電セラミック粉末からの鉛の溶出防止の効果が得られるものであるが、圧電組成物感圧体自身は水の吸収は防止できるものではない。その理由は次のように考えられる。   In addition, as disclosed in Patent Document 2, there is a piezoelectric composition pressure-sensitive body produced by forming a coating layer on lead-containing piezoelectric ceramic powder and dispersing and mixing it with an organic polymer. The material of the coating layer is composed of a coating made of an inorganic or organic compound, or an organic monomolecular film, and any material can prevent the elution of lead from the piezoelectric ceramic powder. The composition pressure-sensitive body itself cannot prevent water absorption. The reason is considered as follows.

特許文献2において、被覆層の材料は、アルミナ、シリカ、ジルコニア、リチウムシリケートの無機化合物を用いているが、これらは親水性を示すものであり、撥水性のもつ水を弾く作用はなく、水と圧電セラミック粉末の接触を妨げるというバリア層としての作用である。これにより、鉛の溶出を抑制することができるが、被覆層が撥水性を有さないため、圧電組成物感圧体自身は水を吸収するものと考えられる。   In Patent Document 2, the material of the coating layer uses an inorganic compound of alumina, silica, zirconia, or lithium silicate, but these show hydrophilicity, have no water repellent action, This acts as a barrier layer that prevents contact between the piezoelectric ceramic powder and the piezoelectric ceramic powder. Thereby, elution of lead can be suppressed, but since the coating layer does not have water repellency, it is considered that the piezoelectric composition pressure-sensitive body itself absorbs water.

また、特許文献2によると被覆層の材料として、有機化合物や単分子膜を用いたものは親水性こそないが、鉛の溶出の抑制効果を無機化合物と比較すると、鉛の溶出量は同等かむしろ劣る結果を示していることから、無機化合物も有機化合物も単分子膜も前述のバリア層としての作用によって鉛の溶出を抑制していると考えられる。また、有機化合物としてアクリル樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂などの材料、単分子膜として有機珪素化合物、有機チタン化合物の記述があるが、特許文献2で用いている有機化合物、単分子膜は本願発明のように優れた撥水性を有するものではなく、異なる組成や分子構造を持つ化合物であるか、被覆層の性状が異なっていると推定される。   Further, according to Patent Document 2, materials using an organic compound or a monomolecular film as a material for the coating layer are not hydrophilic, but when the lead elution suppression effect is compared with an inorganic compound, is the amount of lead elution equivalent? Since the results are rather inferior, it is considered that the elution of lead is suppressed by the action of the above-described barrier layer in the inorganic compound, the organic compound, and the monomolecular film. Further, there are descriptions of materials such as acrylic resin, silicon resin, and fluorine resin as organic compounds, and organic silicon compounds and organic titanium compounds as monomolecular films, but the organic compounds and monomolecular films used in Patent Document 2 are the present invention. Thus, it is presumed that the compound does not have excellent water repellency and is a compound having a different composition or molecular structure, or the properties of the coating layer are different.

したがって、特許文献2の被覆層を設けた構成は被覆層の材料に関係なく、圧電組成物感圧体は同等の水を吸収し、軟化していると考えられ、さらに特許文献2には被覆層が撥水性を有するという記述もないことから、本発明のように撥水作用によって圧電セラミック粉末の成分の溶出を防止するものではない。また、特許文献2の被覆層は、圧電体組成物感圧体の軟化による圧電特性の変化、機械的引っ張り強度の低下、水の吸収によって起こる静電容量の変化は防止できず、本発明の課題は解決できるものではないと考えられる。   Therefore, the structure provided with the coating layer of Patent Document 2 is considered to absorb the equivalent water and soften the piezoelectric composition pressure sensitive body regardless of the material of the coating layer. Since there is no description that the layer has water repellency, the elution of the components of the piezoelectric ceramic powder is not prevented by the water repellency as in the present invention. In addition, the coating layer of Patent Document 2 cannot prevent a change in piezoelectric characteristics due to softening of the piezoelectric composition pressure-sensitive body, a decrease in mechanical tensile strength, and a change in capacitance caused by water absorption. It seems that the problem cannot be solved.

また、従来の圧電素子は水が浸透すると圧電組成物感圧体が軟化し、圧力と圧電素子の歪みの関係が変化するため、このままでは誤検知の可能性がある。誤検知を無くするためには圧電組成物感圧体1の柔らかさの変化に応じた信号処理が必要となるが、本実施の形態のシート状の圧電素子を感圧センサとして使用した場合は、圧電セラミック粉末5を被覆している撥水処理を施して成した第1の被覆層6によって圧電組成物感圧体1への水の
吸収を防止することができるので圧電組成物感圧体1の軟化が抑制され、常に初期の圧電特性を維持することができる。その結果、同じ印加圧力でも圧電特性の変化に応じた信号処理を必要としないので誤検知を防止できるなど信頼性の高い検知、制御回路を設計することができる。
Further, in the conventional piezoelectric element, when water penetrates, the piezoelectric composition pressure-sensitive body softens and the relationship between the pressure and the distortion of the piezoelectric element changes. In order to eliminate erroneous detection, signal processing corresponding to the change in the softness of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 is necessary. However, when the sheet-like piezoelectric element of the present embodiment is used as a pressure-sensitive sensor. Since the first coating layer 6 formed by performing the water repellent treatment covering the piezoelectric ceramic powder 5 can prevent water absorption into the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1, the piezoelectric composition pressure-sensitive body. 1 is suppressed, and the initial piezoelectric characteristics can always be maintained. As a result, it is possible to design a highly reliable detection and control circuit, such as preventing erroneous detection because signal processing corresponding to changes in piezoelectric characteristics is not required even at the same applied pressure.

また、第1の被覆層6を撥水材料で構成することにより、薄膜とすることができるので圧電組成物感圧体1への浸透を防止することによる圧電特性の変化を防止することができるとともに、圧電特性を発現するために行うポーリング処理において、印加電圧のロスを少なくすることができ、低い電圧でも優れた圧電特性を発現させることができる。   In addition, since the first coating layer 6 is made of a water repellent material, it can be formed into a thin film, so that it is possible to prevent a change in piezoelectric characteristics due to prevention of penetration into the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1. At the same time, in the poling process performed to develop the piezoelectric characteristics, the loss of the applied voltage can be reduced, and excellent piezoelectric characteristics can be exhibited even at a low voltage.

また、シート状の圧電素子を構成する圧電組成物感圧体1の軟化を抑制することができるので圧電組成物感圧体1の引っ張り強度の低下が防止され、初期の強度を維持することができ、優れた耐久性を実現することができる。   Moreover, since the softening of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 constituting the sheet-like piezoelectric element can be suppressed, a decrease in the tensile strength of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 can be prevented and the initial strength can be maintained. And excellent durability can be realized.

また、予め圧電セラミック粉末5に撥水処理によって第1の被覆層6を形成することにより、シート状の圧電素子の形状、大きさが変わってもそれに対応した撥水処理工程が必要なく、シート状の圧電素子の生産性を高くすることができるとともに、シート状の圧電素子の形状、大きさによらず、常に安定した撥水効果をもたせることができる。   Further, by forming the first coating layer 6 on the piezoelectric ceramic powder 5 by water repellent treatment in advance, even if the shape and size of the sheet-like piezoelectric element changes, there is no need for a corresponding water repellent treatment step. The productivity of the piezoelectric element can be increased, and a stable water-repellent effect can always be provided regardless of the shape and size of the sheet-like piezoelectric element.

本実施の形態の第1の被覆層6の撥水材料としては、主成分が脂肪酸、脂肪酸塩、脂肪酸アミド、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂、アクリル系樹脂、シラン化合物が挙げられる。   Examples of the water repellent material of the first coating layer 6 of the present embodiment include fatty acids, fatty acid salts, fatty acid amides, fluorine-based resins, silicon-based resins, acrylic resins, and silane compounds.

特に、脂肪酸としては、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデシル酸、ラウリン酸、トリデシル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、ヘプタデシル酸、ステアリン酸、ノナデンカン酸、アラキン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、セロチン酸、ヘプタコサン酸、モンタン酸、アクリル酸、クロトン酸、イソクロトン酸、ウンデシレン酸、オレイン酸、エライジン酸、セトレイン酸、エルカ酸、プラシジン酸、ソルビン酸、リノール酸、リノレイン酸が挙げられる。   In particular, the fatty acids include caprylic acid, pelargonic acid, capric acid, undecyl acid, lauric acid, tridecyl acid, myristic acid, pentadecylic acid, palmitic acid, heptadecylic acid, stearic acid, nonadencanic acid, arachic acid, behenic acid, lignoceric acid , Serotic acid, heptacosanoic acid, montanic acid, acrylic acid, crotonic acid, isocrotonic acid, undecylenic acid, oleic acid, elaidic acid, cetreic acid, erucic acid, pracidic acid, sorbic acid, linoleic acid, linolenic acid.

また、脂肪酸塩としては、前述の各脂肪酸とカルシウム、亜鉛、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、銅、鉛の各金属元素の化合物が挙げられ、これらの少なくとも1種の脂肪酸塩が挙げられる。   Examples of the fatty acid salt include compounds of the above-described fatty acids and calcium, zinc, sodium, potassium, magnesium, copper, and lead metal elements, and at least one of these fatty acid salts.

また、脂肪酸アミドとしては、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデシル酸、ラウリン酸、トリデシル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、ヘプタデシル酸、ステアリン酸、ノナデンカン酸、アラキン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、セロチン酸、ヘプタコサン酸、モンタン酸、アクリル酸、クロトン酸、イソクロトン酸、ウンデシレン酸、オレイン酸、エライジン酸、セトレイン酸、エルカ酸、プラシジン酸、ソルビン酸、リノール酸、リノレイン酸の各脂肪酸の水素基をアミノ基に置換したものが用いられる。   Examples of fatty acid amides include caprylic acid, pelargonic acid, capric acid, undecylic acid, lauric acid, tridecylic acid, myristic acid, pentadecylic acid, palmitic acid, heptadecylic acid, stearic acid, nonadencanic acid, arachic acid, behenic acid, lignoserine. Acid, serotic acid, heptacosanoic acid, montanic acid, acrylic acid, crotonic acid, isocrotonic acid, undecylenic acid, oleic acid, elaidic acid, cetoleic acid, erucic acid, pracidic acid, sorbic acid, linoleic acid, linolenic acid What substituted the hydrogen group by the amino group is used.

また、フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルキルエチルアクリレート、シリコン系樹脂としては、ジメチルポリシロキサン、ジエチルポリシロキサン、シリコン−アクリルブロック共重合体、アクリル系樹脂としては、メタクリル酸エステル、アクリル酸エステルの重合体が挙げられる。   In addition, as a fluorine-based resin, polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkylethyl acrylate, as a silicon-based resin, dimethylpolysiloxane, diethylpolysiloxane, a silicon-acrylic block copolymer, and as an acrylic resin, Examples include methacrylic acid esters and acrylic acid ester polymers.

また、シラン化合物としては、圧電セラミック粉末5の表面に少なくともシロキサン結合を有し、かつ少なくともアルキル基またはフルオロアルキル基を有するジアルキルシラン化合物、フルオロシラン化合物が挙げられる。   Examples of the silane compound include dialkylsilane compounds and fluorosilane compounds having at least a siloxane bond on the surface of the piezoelectric ceramic powder 5 and having at least an alkyl group or a fluoroalkyl group.

前述のシラン化合物は撥水材料を施して成した第1の被覆層6を単分子の層で形成することができる。単分子の層はその厚みが数nmレベルの超薄膜であるので圧電組成物感圧体1を作製後、圧電特性を発現させるために行うポーリング処理において高圧の直流電圧を印加した際、単分子層での電圧降下を少なくすることができるのでポーリングの効率を向上させることができ、処理時間の短縮化が可能であるとともに、優れた圧電特性を実現することができる。また、撥水処理を施して成した第1の被覆層6を単分子層とすることで撥水材料の使用量を著しく少なくすることができるのでシート状の圧電素子の低コスト化を図ることができる。   The above-described silane compound can form the first coating layer 6 formed by applying a water repellent material as a monomolecular layer. Since the monomolecular layer is an ultra-thin film having a thickness of several nanometers, after the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 is produced, when a high DC voltage is applied in a poling process performed to develop piezoelectric characteristics, the monomolecular layer Since the voltage drop in the layer can be reduced, the efficiency of polling can be improved, the processing time can be shortened, and excellent piezoelectric characteristics can be realized. Moreover, since the amount of the water-repellent material used can be remarkably reduced by making the first coating layer 6 formed by performing the water-repellent treatment into a monomolecular layer, the cost of the sheet-like piezoelectric element can be reduced. Can do.

本実施の形態によれば、撥水材料の第1の被覆層6は圧電セラミック粉末5の表面に形成している。圧電組成物感圧体1への水の浸透を抑制し、高温高湿環境下でのシート状の圧電素子の電気的特性、圧電特性、機械的強度の変化を著しく少なくするためには圧電組成物感圧体1の表面全体に優れた撥水性を発現させる必要があり、そのためには第1の被覆層6の撥水性を著しく高くする必要がある。そのために第1の被覆層6は蒸留水に対する接触角が125°以上の撥水材料がよい。言い換えれば、第1の被覆層6の蒸留水に対する接触角が125°以上であれば、圧電組成物感圧体1の表面が温度の高い環境下でも凝縮した水に対して高い撥水性を得ることができ、圧電組成物感圧体1への水の浸透を抑制する効果を高くすることができる。なお、接触角はその定義上、180°未満であるので、蒸留水に対する接触角が125°以上180°未満の撥水材料が好ましい。望ましくは蒸留水に対する接触角が150°以上の超撥水材料がよい。   According to the present embodiment, the first covering layer 6 of the water repellent material is formed on the surface of the piezoelectric ceramic powder 5. Piezoelectric composition in order to suppress the penetration of water into the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 and to significantly reduce the changes in electrical characteristics, piezoelectric characteristics, and mechanical strength of the sheet-like piezoelectric element in a high temperature and high humidity environment It is necessary to develop an excellent water repellency on the entire surface of the pressure-sensitive body 1, and for this purpose, the water repellency of the first coating layer 6 needs to be remarkably increased. Therefore, the first coating layer 6 is preferably a water repellent material having a contact angle with distilled water of 125 ° or more. In other words, if the contact angle of the first coating layer 6 with distilled water is 125 ° or more, the surface of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 has high water repellency with respect to condensed water even in a high temperature environment. It is possible to increase the effect of suppressing the penetration of water into the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1. Since the contact angle is less than 180 ° by definition, a water repellent material having a contact angle with distilled water of 125 ° or more and less than 180 ° is preferable. Desirably, a super water-repellent material having a contact angle with distilled water of 150 ° or more is preferable.

特に、撥水処理を施して成した第1の被覆層6の蒸留水に対する接触角が150°以上の撥水材料としては、前述の脂肪酸、脂肪酸塩、脂肪酸アミド、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂、シラン化合物が挙げられる。   In particular, as the water repellent material having a contact angle with respect to distilled water of the first coating layer 6 formed by performing the water repellent treatment of 150 ° or more, the above-mentioned fatty acid, fatty acid salt, fatty acid amide, fluorine resin, silicon resin And silane compounds.

なお、S1においては撥水処理を施して成した第1の被覆層6は、撥水材料を加熱して溶融させた後、圧電セラミック粉末5を浸漬するか、撥水材料に適合した溶媒に撥水材料を入れ、適切な濃度に調整した溶液に圧電セラミック粉末5を浸漬し、その後乾燥処理を行うか、撥水材料が固体の場合には撥水材料の粉末と圧電セラミック粉末5を混合することのいずれかの方法で形成される。また、撥水材料は前述した1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   In S1, the first coating layer 6 formed by performing the water repellent treatment is prepared by immersing the piezoelectric ceramic powder 5 after heating the water repellent material and melting it, or in a solvent suitable for the water repellent material. Put the water repellent material and immerse the piezoelectric ceramic powder 5 in a solution adjusted to an appropriate concentration, and then dry or mix the water repellent material powder and the piezoelectric ceramic powder 5 if the water repellent material is solid. Formed by any of the methods. Moreover, the water repellent material may be used alone or in combination of two or more.

シラン化合物に適した溶媒としては、活性水素を含まない非水系溶媒を用いるのが好ましく、水を含まない炭化水素系溶媒、フッ化炭素系溶媒、シリコン系溶媒などが用いられる。なお、石油系の溶剤の他に具体的に使用可能なものは、石油ナフサ、ソルベントナフサ、石油エーテル、石油ベンジン、イソパラフィン、ノルマルパラフィン、デカリン、工業ガソリン、灯油、リグロイン、ジメチルシリコン、フェニルシリコン、アルキル変性シリコン、ポリエステルシリコンなどを挙げることができる。また、フッ化炭素系溶媒には、フロン系溶媒や、パーフロロオクタン、トリスパーフルオロn−ブチルアミン系溶媒などがある。なお、これらは1種単独で用いてもよいし、よく混合するものなら2種以上を組み合わせて用いてもよい。   As a solvent suitable for the silane compound, a non-aqueous solvent containing no active hydrogen is preferably used, and a hydrocarbon solvent, a fluorocarbon solvent, a silicon solvent, or the like not containing water is used. In addition to petroleum-based solvents, those that can be specifically used include petroleum naphtha, solvent naphtha, petroleum ether, petroleum benzine, isoparaffin, normal paraffin, decalin, industrial gasoline, kerosene, ligroin, dimethyl silicone, phenyl silicone, Examples thereof include alkyl-modified silicon and polyester silicon. In addition, the fluorocarbon solvent includes a fluorocarbon solvent, perfluorooctane, tris-perfluoron-butylamine solvent, and the like. In addition, these may be used individually by 1 type and may be used in combination of 2 or more type as long as it mixes well.

なお、圧電セラミック粉末5と可撓性を有する有機高分子4に撥水材料を添加してニーダーやロールなどの加工機を用いて混合・分散しても圧電セラミック粉末5の粒子一つ一つを完全に撥水材料で被覆することができないため、優れた撥水性を得ることができない。したがって、優れた撥水性を実現するためには圧電セラミック粉末5の粒子一つ一つの表面に撥水材料の第1の被覆層6を設ける必要がある。   Even if the piezoelectric ceramic powder 5 and the organic polymer 4 having flexibility are added with a water-repellent material and mixed and dispersed using a processing machine such as a kneader or a roll, the particles of the piezoelectric ceramic powder 5 are one by one. Cannot be completely covered with a water-repellent material, so that excellent water repellency cannot be obtained. Therefore, in order to realize excellent water repellency, it is necessary to provide the first coating layer 6 of the water repellent material on the surface of each particle of the piezoelectric ceramic powder 5.

本実施の形態に示す第2の被覆層7はカップリング剤によって形成されている。特に、
カップリング剤として用いられるチタンカップリング剤は、図2のように圧電セラミック粉末5に撥水処理されて形成された第1の被覆層6の表面を覆い、外側に疎水性の側鎖有機官能基をもたせることにより、可撓性を有する有機高分子4との馴染み(濡れ性)を改善し、全体の粘度を下げ、加工性、可撓性、さらに被覆層が形成された圧電セラミック粉末3の分散性を向上させることにより圧電特性の発現を顕著に改善することができる。
The second coating layer 7 shown in this embodiment is formed of a coupling agent. In particular,
The titanium coupling agent used as the coupling agent covers the surface of the first coating layer 6 formed by subjecting the piezoelectric ceramic powder 5 to water repellency treatment as shown in FIG. 2, and has a hydrophobic side chain organic functional group on the outside. By providing a group, the piezoelectric ceramic powder 3 with improved flexibility (wetting) with the organic polymer 4 having flexibility, lowering the overall viscosity, workability, flexibility, and a coating layer is further formed. By improving the dispersibility, the expression of piezoelectric characteristics can be remarkably improved.

また、チタンカップリング剤としてイソプロポキシトリイソステアロイルチタネート、イソプロポキシトリス(ジオクチルパイロフォスフェート)チタネート、可撓性を有する有機高分子として塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンを用いた場合は、被覆層が形成された圧電セラミック粉末3との馴染みが一層改善されるので混練加工時間の短縮化、圧電特性の向上、圧電特性の安定化、可撓性の向上を実現することができるとともに、シート状、ケーブル状など任意の形状に容易に成型することができる。   Also, when isopropoxytriisostearoyl titanate, isopropoxytris (dioctylpyrophosphate) titanate is used as the titanium coupling agent, and chlorinated polyethylene or chlorosulfonated polyethylene is used as the flexible organic polymer, the coating layer Since the familiarity with the piezoelectric ceramic powder 3 on which is formed is further improved, the kneading process time can be shortened, the piezoelectric characteristics can be improved, the piezoelectric characteristics can be stabilized, and the flexibility can be improved. It can be easily molded into an arbitrary shape such as a cable shape.

なお、上記の馴染みが良い理由は、イソプロポキシトリイソステアロイルチタネート、イソプロポキシトリス(ジオクチルパイロフォスフェート)チタネートのSP値(溶解性パラメーター)が8〜9の値を有し、一方塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンのSP値は9〜9.5の値であり、類似したSP値を有していることにあると考えられる。その理由から、カップリング剤としてチタンカップリング剤だけでなく、シリカカップリング剤など可撓性を有する有機高分子と類似したSP値を有するカップリング剤であればすべて適用可能である。   The reason why the above-mentioned familiarity is good is that the SP value (solubility parameter) of isopropoxytriisostearoyl titanate, isopropoxytris (dioctyl pyrophosphate) titanate has a value of 8 to 9, while chlorinated polyethylene, The SP value of chlorosulfonated polyethylene is 9 to 9.5, which is considered to have a similar SP value. For that reason, not only a titanium coupling agent but also a coupling agent having an SP value similar to a flexible organic polymer such as a silica coupling agent is applicable as a coupling agent.

また、第2の被覆層7は第1の被覆層6ほどの水分の吸収を抑制する効果はないが撥水作用を有するので第1の被覆層6単独よりも圧電セラミック粉末5への水の浸透を抑制することができ、より一層優れた耐久性と信頼性を実現することができる。   Further, the second coating layer 7 is not as effective in suppressing moisture absorption as the first coating layer 6 but has a water repellent effect, so that the water to the piezoelectric ceramic powder 5 is more than the first coating layer 6 alone. Penetration can be suppressed, and even better durability and reliability can be realized.

本実施の形態に用いられる圧電セラミック粉末5の化合物は、チタン酸鉛、ジルコン鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸アルカリなどのペロブスカイト構造を有する化合物、ビスマス層状構造を有する化合物、タングステンブロンズ構造を有する化合物などポーリング処理によって圧電性を発現するセラミック材料が挙げられる。   The compound of the piezoelectric ceramic powder 5 used in this embodiment is a compound having a perovskite structure such as lead titanate, lead zircon, lead zirconate titanate, bismuth sodium sodium titanate, barium titanate, alkali niobate, etc., bismuth Examples thereof include a ceramic material that exhibits piezoelectricity by poling treatment, such as a compound having a layered structure and a compound having a tungsten bronze structure.

これら圧電セラミック粉末5は水などの電解質と接触すると、圧電セラミック粉末5の成分や圧電セラミック粉末5に含有する不純物が溶出する。特に、周期表第1族の元素、周期表第2A族の元素の少なくとも1種を含むペロブスカイト構造を有する化合物、中でもチタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムの化合物は水に溶出し易いアルカリ成分を含むため、高温高湿下の環境ではアルカリ成分の溶出が大きく、電気的特性の変化が大きくなる。さらに、アルカリ成分を含む圧電セラミックは固有抵抗が例えばチタン酸ジルコン酸鉛に比べ、低い値を示すのでアルカリ成分が溶出すると電気抵抗の絶対値がさらに低くなり、シート状の圧電素子に常に一定電圧を印加して圧力を検知する回路構成では感圧センサとして使用することができなくなる可能性がある。   When these piezoelectric ceramic powders 5 come into contact with an electrolyte such as water, the components of the piezoelectric ceramic powder 5 and impurities contained in the piezoelectric ceramic powder 5 are eluted. In particular, compounds having a perovskite structure including at least one element of Group 1A of the periodic table and Group 2A of the periodic table, among them compounds of bismuth sodium titanate, barium titanate, sodium niobate, potassium niobate are Since an alkaline component that is easily eluted in water is contained, the alkaline component is largely eluted in an environment of high temperature and high humidity, and the change in electrical characteristics becomes large. Furthermore, the piezoelectric ceramic containing an alkali component has a lower specific resistance than, for example, lead zirconate titanate. Therefore, when the alkali component is eluted, the absolute value of the electrical resistance is further reduced, and a constant voltage is always applied to the sheet-like piezoelectric element. There is a possibility that it cannot be used as a pressure-sensitive sensor in a circuit configuration in which pressure is detected by applying.

本実施の形態では、アルカリ成分を含む周期表第1族の元素、周期表第2A族の元素の少なくとも1種を含むペロブスカイト構造を有する化合物や主成分がチタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムの少なくとも1種を含む化合物からなる圧電セラミック粉末5に撥水処理を施して成した第1の被覆層6とカップリング剤からなる第2の被覆層7を形成しているのでアルカリ成分の溶出を抑制することができ、電気抵抗の大幅な低下を防止することができるとともに、シート状の圧電素子に常に一定電圧を印加して圧力を検知する回路構成でも感圧センサとして使用でき、高い実用性を有する。   In the present embodiment, a compound having a perovskite structure including at least one element of Group 1A of the periodic table, Group 2A of the periodic table containing an alkali component, or a main component thereof is bismuth sodium titanate, barium titanate, A first coating layer 6 formed by subjecting a piezoelectric ceramic powder 5 made of a compound containing at least one of sodium niobate and potassium niobate to a water repellent treatment and a second coating layer 7 made of a coupling agent are formed. As a result, elution of alkali components can be suppressed, and a significant decrease in electrical resistance can be prevented. In addition, pressure is detected even in a circuit configuration in which a constant voltage is constantly applied to a sheet-like piezoelectric element to detect pressure. It can be used as a sensor and has high practicality.

また、圧電セラミック粉末5として周期表第1族の元素、周期表第2A族の元素の少なくとも1種を含むペロブスカイト構造を有する化合物や主成分がチタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムの少なくとも1種を含む化合物を用いることにより、シート状の圧電素子が廃棄処理され、酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境汚染の可能性がない。また、圧電セラミック粉末5に撥水処理を施して成した第1の被覆層6とカップリング剤からなる第2の被覆層7を形成し、圧電セラミック粉末5の成分の溶出を防止しているので鉛以外の金属の溶出も抑制され、安全性を一層向上させることができる。   Further, as the piezoelectric ceramic powder 5, a compound having a perovskite structure including at least one element of Group 1 of the periodic table and Group 2A of the periodic table, and main components thereof are bismuth / sodium titanate, barium titanate, sodium niobate. By using a compound containing at least one kind of potassium niobate, the sheet-like piezoelectric element is discarded and lead is not eluted even when exposed to an environment such as acid rain, and there is no possibility of environmental pollution. In addition, the first coating layer 6 formed by subjecting the piezoelectric ceramic powder 5 to water repellent treatment and the second coating layer 7 made of a coupling agent are formed to prevent the components of the piezoelectric ceramic powder 5 from being eluted. Therefore, elution of metals other than lead is suppressed, and safety can be further improved.

また、圧電特性は両電極間に高圧の直流電圧を印加し、ポーリング処理することで発現するが、本実施の形態のシート状の圧電素子を感圧センサとして用いる場合、重要となる圧電特性は発生電圧の指標となる電圧出力定数である。   In addition, piezoelectric characteristics are manifested by applying a high-voltage DC voltage between both electrodes and performing a poling process. However, when the sheet-like piezoelectric element of this embodiment is used as a pressure-sensitive sensor, the important piezoelectric characteristics are This is a voltage output constant that serves as an index of the generated voltage.

本実施の形態のシート状の圧電素子を構成する圧電組成物感圧体1は、主として圧電セラミック粉末5と可撓性を有する有機高分子4の複合体から構成されている。圧電セラミック粉末5の比誘電率(材料の誘電率/真空の誘電率)が数百から数千であるのに対し、可撓性を有する有機高分子4の比誘電率は数十程度である。ポーリング処理の際に印加された直流電圧は、圧電セラミック粉末5と可撓性を有する有機高分子4の誘電率の比に反比例して分配されるので、直流電圧は誘電率の低い可撓性を有する有機高分子4に高い電圧が印加されることになる。換言すれば、可撓性を有する有機高分子4として同じものを用いた場合、圧電セラミック粉末5の誘電率が高いほど可撓性を有する有機高分子4に高い電圧が印加されることになる。   The piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 constituting the sheet-like piezoelectric element of the present embodiment is mainly composed of a composite of a piezoelectric ceramic powder 5 and a flexible organic polymer 4. The dielectric constant (dielectric constant of material / dielectric constant of vacuum) of the piezoelectric ceramic powder 5 is several hundred to several thousands, whereas the relative dielectric constant of the organic polymer 4 having flexibility is about several tens. . The DC voltage applied during the poling process is distributed in inverse proportion to the ratio of the dielectric constant of the piezoelectric ceramic powder 5 and the organic polymer 4 having flexibility, so that the DC voltage is flexible with a low dielectric constant. A high voltage is applied to the organic polymer 4 having In other words, when the same organic polymer 4 having flexibility is used, a higher voltage is applied to the organic polymer 4 having flexibility as the dielectric constant of the piezoelectric ceramic powder 5 is higher. .

したがって、圧電組成物感圧体1の圧電セラミック粉末5として比誘電率が約2000のチタン酸ジルコン酸鉛と、比誘電率が約600のチタン酸ビスマス・ナトリウムを用いた場合、両者の圧電組成物感圧体1に一定の直流電圧を印加すると、比誘電率の低いチタン酸ビスマス・ナトリウムの方がチタン酸ジルコン酸鉛よりも高い電圧が印加され、ポーリングの効率を高くすることができるので電圧出力定数が大きくなる。その結果、シート状の圧電素子を感圧センサとして用いた場合には、印加される圧力に対するセンサの出力電圧を高くすることができるので感度を向上させることができるとともに、シート状の圧電素子の高感度化により検知回路の増幅率を低くすることができるので電気的ノイズに対し強い感圧センサを得ることができる。   Accordingly, when piezoelectric zirconate titanate having a relative dielectric constant of about 2000 and bismuth / sodium titanate having a relative dielectric constant of about 600 are used as the piezoelectric ceramic powder 5 of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1, the piezoelectric composition of both is used. When a constant DC voltage is applied to the object pressure sensing element 1, a higher voltage is applied to bismuth / sodium titanate having a lower relative dielectric constant than lead zirconate titanate, and the efficiency of poling can be increased. The voltage output constant increases. As a result, when a sheet-like piezoelectric element is used as a pressure-sensitive sensor, the output voltage of the sensor with respect to the applied pressure can be increased, so that the sensitivity can be improved and the sheet-like piezoelectric element can be improved. Since the amplification factor of the detection circuit can be lowered by increasing the sensitivity, a pressure-sensitive sensor that is strong against electrical noise can be obtained.

圧電セラミック粉末5の比誘電率は低ければ低いほど良いが、1000以下であればチタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミック粉末5を用いる場合よりも3倍以上の優れた電圧出力定数が得られる。その点から、有用な圧電セラミック粉末5は、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムを主成分とするものが挙げられる。   The dielectric constant of the piezoelectric ceramic powder 5 is preferably as low as possible. However, if it is 1000 or less, an excellent voltage output constant of 3 times or more than that obtained when the piezoelectric ceramic powder 5 of lead zirconate titanate is used can be obtained. From this point, useful piezoelectric ceramic powder 5 includes bismuth sodium titanate, barium titanate, sodium niobate, and potassium niobate.

すなわち、圧電セラミック粉末5の比誘電率は0より大きく1000以下であることが好ましい。ただし、実用的に最も比誘電率が低いのはニオブ酸ナトリウム(比誘電率が120)であるので圧電セラミック粉末5の比誘電率は120以上1000以下であることが好ましい。このような比誘電率の好ましい範囲は、後述する他の実施の形態でも同様である。   That is, the relative dielectric constant of the piezoelectric ceramic powder 5 is preferably greater than 0 and 1000 or less. However, since the practically lowest relative dielectric constant is sodium niobate (relative dielectric constant is 120), the relative dielectric constant of the piezoelectric ceramic powder 5 is preferably 120 or more and 1000 or less. Such a preferable range of the relative dielectric constant is the same in other embodiments described later.

また、チタン酸ビスマス・ナトリウムやチタン酸バリウムからなる圧電セラミック粉末5はニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムからなる圧電セラミック粉末5よりも残留するフリーのアルカリ成分が少ないため、撥水材料の第1の被覆層6と第2の被覆層7を通して溶出するアルカリ成分の量をより少なくすることができ、電気的特性の変化をより少
なくすることができる。
The piezoelectric ceramic powder 5 made of bismuth / sodium titanate or barium titanate contains less free alkaline components than the piezoelectric ceramic powder 5 made of sodium niobate or potassium niobate, and therefore is the first water-repellent material. The amount of the alkaline component eluted through the coating layer 6 and the second coating layer 7 can be reduced, and the change in electrical characteristics can be further reduced.

一方、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムからなる圧電セラミック粉末5はチタン酸鉛、ジルコン鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウムからなる圧電セラミック粉末5よりも比誘電率が低いため、可撓性を有する有機高分子4を含む圧電組成物感圧体1を作製し、圧電特性を発現させるために行うポーリング処理の際、圧電セラミック粉末5に印加される直流電圧を高くすることができ、電圧出力定数を高くすることができる。   On the other hand, the piezoelectric ceramic powder 5 made of sodium niobate and potassium niobate has a dielectric constant higher than that of the piezoelectric ceramic powder 5 made of lead titanate, lead zirconate, lead zirconate titanate, bismuth / sodium titanate, and barium titanate. Since the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 including the flexible organic polymer 4 is produced and the poling treatment is performed to develop the piezoelectric characteristics, the DC voltage applied to the piezoelectric ceramic powder 5 is increased. The voltage output constant can be increased.

したがって、圧電セラミック粉末5はシート状の圧電素子の使用される環境や、必要とする感度に応じて適宜選択されるものである。   Therefore, the piezoelectric ceramic powder 5 is appropriately selected according to the environment in which the sheet-like piezoelectric element is used and the required sensitivity.

本実施の形態のシート状の圧電素子の電極2A、電極2Bとして、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む弾性体と導電性粉末の導電層で構成することができる。この構成では、電極2A、電極2Bを伸びのある可撓性に優れた電極とすることができるので高い耐屈曲性を有し、耐久性に優れたシート状の圧電素子を得ることができる。この導電層は熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む弾性体と導電性粉末を混練したものを押出機などの加工機を用いて、押し出し成型することによって圧電組成物感圧体1に形成される。   The electrode 2A and the electrode 2B of the sheet-like piezoelectric element of the present embodiment can be composed of an elastic body containing at least one of a thermoplastic resin, a thermoplastic elastomer, and rubber and a conductive layer of conductive powder. In this configuration, the electrode 2A and the electrode 2B can be extended and excellent in flexibility, so that a sheet-like piezoelectric element having high bending resistance and excellent durability can be obtained. This conductive layer is formed by extruding an elastic material containing at least one of a thermoplastic resin, a thermoplastic elastomer, and a rubber and a conductive powder using a processing machine such as an extruder, so that the pressure sensitivity of the piezoelectric composition is increased. Formed on the body 1.

また、電極2A、電極2Bとして、主成分が導電性粉末と有機高分子との混合物である導電塗料、もしくは導電ペーストの塗布膜で構成することもできる。この構成では、圧電組成物感圧体1と電極2A、電極2Bの密着性を高くすることができるとともに、電極2A、電極2Bと圧電組成物感圧体1の間に空気層の介在を少なくすることができるのでポーリング処理の際の電極2A、電極2Bと圧電組成物感圧体1との間の電圧降下を抑制することができ、ポーリング処理の実効電圧を高くすることができる。   Alternatively, the electrodes 2A and 2B may be formed of a conductive paint whose main component is a mixture of a conductive powder and an organic polymer, or a coating film of a conductive paste. In this configuration, the adhesiveness between the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 and the electrodes 2A and 2B can be increased, and an air layer is less interposed between the electrodes 2A and 2B and the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1. Therefore, the voltage drop between the electrodes 2A and 2B and the piezoelectric composition pressure sensitive body 1 during the poling process can be suppressed, and the effective voltage of the poling process can be increased.

また、電極2A、電極2Bとして、導電性材料の蒸着膜で構成することもできる。この構成では、電極2A、電極2Bを薄膜で形成することができるので圧電組成物感圧体1の優れた可撓性を維持することができ、圧電組成物感圧体1の有する圧電特性の低下を防止することができる。この薄膜は真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの装置を用い、圧電組成物感圧体1に蒸着によって形成される。   Further, the electrode 2A and the electrode 2B can be formed of a vapor-deposited film of a conductive material. In this configuration, since the electrodes 2A and 2B can be formed as thin films, the excellent flexibility of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 can be maintained, and the piezoelectric characteristics of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 can be maintained. A decrease can be prevented. This thin film is formed on the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 by vapor deposition using an apparatus such as vacuum vapor deposition, sputtering, or CVD.

なお、前述の導電性粉末、導電性材料は、C、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種を用いることにより、特に優れた導電性と耐食性を実現することができる。   The conductive powder and conductive material described above can achieve particularly excellent conductivity and corrosion resistance by using at least one of C, Pt, Au, Pd, Ag, Cu, Al, and Ni. .

ポリエチレンテレフタレートなどの高分子フィルムの両面にC、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種の箔を接着し、両面を導通させた導電性フィルムからなる導電層を用いてもよい。   Using a conductive layer made of a conductive film in which at least one foil of C, Pt, Au, Pd, Ag, Cu, Al, and Ni is bonded to both surfaces of a polymer film such as polyethylene terephthalate and the both surfaces are made conductive. Also good.

本実施の形態に用いられる可撓性を有する有機高分子4としては、熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む材料が挙げられる。これらの可撓性を有する有機高分子4はシート状の圧電素子に優れた弾性と可撓性を付与することができるのでシート状の圧電素子は印加された圧力に対して大きな反発力と変位量を得ることができ、圧電特性を向上させることができる。   Examples of the flexible organic polymer 4 used in the present embodiment include a material containing at least one of a thermoplastic elastomer and rubber. The organic polymer 4 having flexibility can impart excellent elasticity and flexibility to the sheet-like piezoelectric element, so that the sheet-like piezoelectric element has a large repulsive force and displacement with respect to the applied pressure. The amount can be obtained and the piezoelectric characteristics can be improved.

特に、前述の熱可塑性エラストマーとして、塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンは圧電組成物感圧体1の中の圧電セラミック粉末3の含有量を多くすることができるのでシート状の圧電素子の圧電特性を向上させることができる。   In particular, as the above-mentioned thermoplastic elastomer, chlorinated polyethylene and chlorosulfonated polyethylene can increase the content of the piezoelectric ceramic powder 3 in the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1, so that the piezoelectric characteristics of the sheet-like piezoelectric element are increased. Can be improved.

(実施の形態2)
図5は、本発明の第2の実施の形態におけるシート状の圧電素子の断面図である。図5において第1の実施の形態と異なるところは、圧電組成物感圧体1と第1電極である電極2A、第2電極である電極2Bを覆い保護するための保護層8を設けた点である。なお、第1の実施の形態と同一部材は同じ符号を付けている。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a sectional view of a sheet-like piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the difference from the first embodiment is that a protective layer 8 is provided to cover and protect the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1, the electrode 2A as the first electrode, and the electrode 2B as the second electrode. It is. The same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

図5に示すように、第1の実施の形態で述べた被覆層が形成された圧電セラミック粉末3と可撓性を有する有機高分子4とからなるシート状の圧電組成物感圧体1に電極2A、電極2Bが設け、さらに圧電組成物感圧体1、電極2A、電極2Bを覆う保護層8を設けた構成としている。   As shown in FIG. 5, a sheet-shaped piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 comprising a piezoelectric ceramic powder 3 on which a coating layer described in the first embodiment is formed and a flexible organic polymer 4 is formed. The electrode 2A and the electrode 2B are provided, and the protective layer 8 that covers the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1, the electrode 2A, and the electrode 2B is further provided.

本実施の形態におけるシート状の圧電素子は以下のように作製される。図6でその製造工程を説明する。先ず、圧電セラミック粉末5を適切な溶媒で希釈して所定の濃度に調整した撥水材料を含む溶液に浸漬して撹拌混合した後乾燥するか、または融解する温度に加熱された撥水材料の溶液に浸漬して混合した後冷却するか、または圧電セラミック粉末5を所定量の撥水材料の粉末と混合することのいずれかの方法によって圧電セラミック粉末5に撥水処理を施して第1の被覆層6を形成(S7)する。次に、第1の被服層6が形成された圧電セラミック粉末5を適切な溶媒で希釈し所定の濃度に調整したカップリング剤を含む溶液に浸漬して撹拌混合した後乾燥するか、または第1の被服層6が形成された圧電セラミック粉末5と所定量のカップリング剤をミキサーなどの攪拌機で撹拌混合することのいずれかの方法によって第1の被服層6の表面にカップリン剤からなる第2の被覆層7を形成(S8)し、第1の被服層6と第2の被服層7が形成された圧電セラミック粉末3を作製する。次に、それぞれの被覆層が形成された圧電セラミック粉末3と可撓性を有する有機高分子4とをニーダーやロールなどの加工機を用い、被覆層が形成された圧電セラミック粉末3が可撓性を有する有機高分子4に均一に混合・分散された状態となるように混練する(S9)。混練を行なった後、ロールまたはホットプレスなどの加工機を用いて加工し、シート状の圧電組成物感圧体1を作製する(S10)。次に、シート状の圧電組成物感圧体1の両面に導電性粉末と有機高分子が混合された導電性ペーストまたは導電塗料を塗布、導電性粉末をゴムや熱可塑性エラストマーなどの可撓性を有する有機高分子に混合・分散させた導電シートを融着、導電性材料を蒸着のいずれかの材料および形成方法によって互いに絶縁された電極2A、電極2Bを形成する(S11)。さらに、保護層8の材料をロールやホットプレスなどの加工機を用いてシート状に加工し、このシートを折りたたむか、挟むことによって撥水処理された圧電組成物感圧体1と電極2A、電極2Bを被覆する(S12)。その後、圧電特性を発現させるために空気中またはシリコンオイル浴中で電極2A、2B間に直流高電圧を印加してポーリング処理を行い(S13)、シート状の圧電素子を作製する。なお、ポーリング処理(S13)は、保護層8を形成(S12)した後行っているが、シート状の感圧体1を作製(S10)した後、2つの擬似電極を用いて行ってもよいし、電極2A、電極2Bを形成(S11)した後、行ってもよい。   The sheet-like piezoelectric element in the present embodiment is manufactured as follows. The manufacturing process will be described with reference to FIG. First, the piezoelectric ceramic powder 5 is diluted with a suitable solvent and immersed in a solution containing a water repellent material adjusted to a predetermined concentration, stirred and mixed, and then dried or heated to a melting temperature. The piezoelectric ceramic powder 5 is subjected to a water repellent treatment by either being immersed in a solution and then cooled, or by mixing the piezoelectric ceramic powder 5 with a predetermined amount of water repellent powder. The coating layer 6 is formed (S7). Next, the piezoelectric ceramic powder 5 on which the first coating layer 6 is formed is diluted with an appropriate solvent and immersed in a solution containing a coupling agent adjusted to a predetermined concentration and stirred and mixed, or dried. The surface of the first clothing layer 6 is made of a coupling agent by any method of stirring and mixing the piezoelectric ceramic powder 5 on which one clothing layer 6 is formed and a predetermined amount of a coupling agent with a stirrer such as a mixer. The 2nd coating layer 7 is formed (S8), and the piezoelectric ceramic powder 3 in which the 1st clothing layer 6 and the 2nd clothing layer 7 were formed is produced. Next, the piezoelectric ceramic powder 3 on which the coating layer is formed is flexible by using the piezoelectric ceramic powder 3 on which the respective coating layers are formed and the organic polymer 4 having flexibility using a processing machine such as a kneader or a roll. The organic polymer 4 having the property is kneaded so as to be uniformly mixed and dispersed (S9). After kneading, it is processed using a processing machine such as a roll or a hot press to produce a sheet-like piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 (S10). Next, a conductive paste or conductive paint in which conductive powder and an organic polymer are mixed is applied to both surfaces of the sheet-like piezoelectric composition pressure-sensitive body 1, and the conductive powder is made of flexible material such as rubber or thermoplastic elastomer. Electrodes 2A and 2B insulated from each other are formed by fusing a conductive sheet mixed / dispersed in an organic polymer having a conductive material, and depositing the conductive material by any material and forming method (S11). Further, the material of the protective layer 8 is processed into a sheet shape using a processing machine such as a roll or a hot press, and the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 and the electrode 2A, which are water-repellent treated by folding or sandwiching the sheet, The electrode 2B is covered (S12). Thereafter, a poling process is performed by applying a DC high voltage between the electrodes 2A and 2B in the air or in a silicon oil bath in order to develop the piezoelectric characteristics (S13), thereby producing a sheet-like piezoelectric element. The polling process (S13) is performed after the protective layer 8 is formed (S12). However, after the sheet-shaped pressure sensitive body 1 is manufactured (S10), it may be performed using two pseudo electrodes. However, this may be performed after the electrodes 2A and 2B are formed (S11).

保護層8は圧電組成物感圧体1や電極2A、電極2Bのもつ可撓性を損なわないように弾性を有する有機高分子が用いられ、特に、熱可塑性エラストマー、ゴム材料が適している。保護層8の厚みは限定されるものではないが、圧電組成物感圧体1の圧電特性を損なわないためには、0.2〜2mmの厚みとすることが好ましい。   The protective layer 8 is made of an organic polymer having elasticity so as not to impair the flexibility of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 and the electrodes 2A and 2B. In particular, thermoplastic elastomers and rubber materials are suitable. Although the thickness of the protective layer 8 is not limited, in order not to impair the piezoelectric characteristics of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1, it is preferable to set the thickness to 0.2 to 2 mm.

上記構成のシート状の圧電素子が第1の実施の形態と同様に高温高湿環境下で使用される場合、圧電素子を構成している第1の電極、第2の電極、圧電組成物感圧体に保護層8を設けることにより、保護層8自体が水蒸気の拡散を妨げ、圧電組成物感圧体への水の浸透を抑制することができ、浸透した水も圧電セラミック粉末5に第1の被覆層6と第2の
被覆層7を形成しているので圧電セラミック粉末5への水の浸透をさらに抑制することができるので圧電素子の電気的特性、圧電特性の変化を一層低減することができる。
When the sheet-like piezoelectric element having the above configuration is used in a high-temperature and high-humidity environment as in the first embodiment, the first electrode, the second electrode, and the piezoelectric composition feeling constituting the piezoelectric element. By providing the protective layer 8 on the pressure body, the protective layer 8 itself can prevent the diffusion of water vapor and suppress the penetration of water into the piezoelectric composition pressure sensitive body. Since the first coating layer 6 and the second coating layer 7 are formed, the penetration of water into the piezoelectric ceramic powder 5 can be further suppressed, so that changes in the electrical characteristics and piezoelectric characteristics of the piezoelectric element are further reduced. be able to.

また、保護層8として電気絶縁性の熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む材料を用いることにより、圧電組成物感圧体1と電極の密着性を向上させることができるのでセンサの感度を向上させることができるとともに、外部からの機械的な力による圧電素子の破損を防止することができ、耐久性と信頼性に優れたシート状の圧電素子を実現することができる。   Further, by using a material containing at least one of an electrically insulating thermoplastic elastomer and rubber as the protective layer 8, the adhesion between the piezoelectric composition pressure sensitive body 1 and the electrode can be improved, so that the sensitivity of the sensor can be improved. While being able to improve, the damage of the piezoelectric element by the external mechanical force can be prevented, and the sheet-like piezoelectric element excellent in durability and reliability can be implement | achieved.

また、電極2A、電極2Bも水の浸透を抑制することができるので電極2A、電極2Bの電気抵抗の変化を防止することができ、常に安定した圧電組成物感圧体1の圧電特性を検知回路に伝達することができる。   Further, since the electrodes 2A and 2B can also suppress water permeation, it is possible to prevent changes in the electrical resistance of the electrodes 2A and 2B, and to detect the piezoelectric characteristics of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 1 that is always stable. Can be transmitted to the circuit.

(実施の形態3)
図7は、本発明の第3の実施の形態におけるケーブル状の圧電素子の一部断面図である。図7に示すように、ケーブル状の圧電素子は、第1電極である芯電極9の外表面に可撓性の圧電組成物感圧体10を形成し、この圧電組成物感圧体10の外表面に第2電極である可撓性の外電極11を形成し、さらに電気絶縁性の弾性体からなる保護層12を形成して構成されている。芯電極9と外電極11とは圧電組成物感圧体10で絶縁されている。
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a partial cross-sectional view of a cable-like piezoelectric element according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the cable-shaped piezoelectric element has a flexible piezoelectric composition pressure-sensitive body 10 formed on the outer surface of the core electrode 9 that is the first electrode. A flexible outer electrode 11 as a second electrode is formed on the outer surface, and a protective layer 12 made of an electrically insulating elastic body is further formed. The core electrode 9 and the outer electrode 11 are insulated by the piezoelectric composition pressure sensitive body 10.

芯電極9は、単数または複数の金属線、あるいは多数のポリエステル繊維の収束線に銅などの金属を巻回した構成のものが用いられ、圧電組成物感圧体10は、第1の実施の形態で述べた組成の材料が用いられる。   The core electrode 9 has a structure in which a metal such as copper is wound around one or a plurality of metal wires, or converging wires of a large number of polyester fibers, and the piezoelectric composition pressure-sensitive body 10 is used in the first embodiment. The material having the composition described in the form is used.

外電極11は、実施の形態1における電極2A、電極2Bと同様に、ポリエチレンテレフタレ−トなどの高分子フィルムの両面にC、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種の箔を接着した導電性フィルムをケーブル状の圧電組成物感圧体10に巻回して形成した導電層、C、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種の導電性粉末とゴムや熱可塑性エラストマーなどの可撓性を有する有機高分子とを混練して作製した可撓性導電組成物を押出成型により形成した導電層、前述の導電性粉末を有機高分子に分散させた導電性塗料(ペースト)を塗布した導電膜、C、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種の導電性材料を圧電組成物感圧体10に真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの方法で形成した薄膜の蒸着膜などが用いられる。   As with the electrodes 2A and 2B in the first embodiment, the outer electrode 11 has at least one of C, Pt, Au, Pd, Ag, Cu, Al, and Ni on both surfaces of a polymer film such as polyethylene terephthalate. A conductive layer formed by winding a conductive film with a seed foil attached around the pressure-sensitive body 10 in the form of a cable, and at least one type of conductive material selected from C, Pt, Au, Pd, Ag, Cu, Al, and Ni. A conductive layer formed by extrusion molding a flexible conductive composition prepared by kneading a flexible powder and a flexible organic polymer such as rubber or thermoplastic elastomer, and the conductive powder described above into an organic polymer A conductive film coated with a dispersed conductive paint (paste), at least one conductive material of C, Pt, Au, Pd, Ag, Cu, Al, and Ni is vacuum-deposited on the piezoelectric composition pressure sensitive body 10; Sputtering, C Vapor deposition film of thin film formed by a method such as D is used.

保護層12は、第2の実施の形態で述べた保護層8の材料が用いられ、この材料の押出成型により形成される。   The protective layer 12 uses the material of the protective layer 8 described in the second embodiment, and is formed by extrusion molding of this material.

本実施の形態におけるケーブル状の圧電素子は以下のようにして作製される。図8でその製造工程を説明する。先ず、先ず、圧電セラミック粉末5を適切な溶媒で希釈して所定の濃度に調整した撥水材料を含む溶液に浸漬して撹拌混合した後乾燥するか、または融解する温度に加熱された撥水材料の溶液に浸漬して混合した後冷却するか、または圧電セラミック粉末5を所定量の撥水材料の粉末と混合することのいずれかの方法によって圧電セラミック粉末5に撥水処理を施して第1の被覆層6を形成(S14)する。次に、第1の被服層6が形成された圧電セラミック粉末5を適切な溶媒で希釈し所定の濃度に調整したカップリング剤を含む溶液に浸漬して撹拌混合した後乾燥するか、または第1の被服層6が形成された圧電セラミック粉末5と所定量のカップリング剤をミキサーなどの攪拌機で撹拌混合することのいずれかの方法によって第1の被服層6の表面にカップリン剤からなる第2の被覆層7を形成(S15)し、第1の被服層6と第2の被服層7が形成された圧電セラミック粉末3を作製する。次に、被覆層が形成された圧電セラミック粉末3と有機
高分子4とをニーダーやロールなどの加工機を用い、被覆層が形成されたセラミック粉末5が有機高分子4に均一に混合・分散された状態となるように混練する(S16)。次にこの混練物をロールの加工機でシート状の圧電組成物感圧体を作製し(S17)、このシート状の圧電組成物感圧体をペレタイザーなどの加工機を用いてペレット状に加工する(S18)。次に、芯電極9を芯材とし、ペレット状の圧電組成物感圧体を押出成型の加工機を用いて押し出し、芯電極9の周囲に圧電組成物感圧体10の層を形成する。すなわち、芯電極9に対し圧電組成物感圧体10の層を周設する(S19)。次に前述のいずれかの材料と加工手段を用いて外電極11を形成する(S20)。次に、弾性を有する熱可塑性エラストマーやゴムなどの有機高分子を用い、押出成型により保護層12を形成する(S21)。その後、圧電性を発現させるために空気中またはシリコンオイル浴中で芯電極9と外電極11との間に直流高電圧を印加してポーリング処理を行い(S22)、ケーブル状の圧電素子が作製される。なお、ポーリング処理(S22)は、保護層12を形成(S21)した後行っているが、芯電極9の周囲に圧電組成物感圧体10の層を形成(S19)した後、芯電極と外側電極に該当する擬似電極を用いて行ってもよいし、外電極11を形成(S20)した後、行ってもよい。
The cable-shaped piezoelectric element in the present embodiment is manufactured as follows. The manufacturing process will be described with reference to FIG. First, first, the piezoelectric ceramic powder 5 is diluted with an appropriate solvent and immersed in a solution containing a water-repellent material adjusted to a predetermined concentration, stirred and mixed, and then dried or heated to a melting temperature. The piezoelectric ceramic powder 5 is subjected to a water repellent treatment by either being immersed in a solution of the material and then cooled, or by mixing the piezoelectric ceramic powder 5 with a predetermined amount of powder of the water repellent material. 1 covering layer 6 is formed (S14). Next, the piezoelectric ceramic powder 5 on which the first coating layer 6 is formed is diluted with an appropriate solvent and immersed in a solution containing a coupling agent adjusted to a predetermined concentration and stirred and mixed, or dried. The surface of the first clothing layer 6 is made of a coupling agent by any method of stirring and mixing the piezoelectric ceramic powder 5 on which one clothing layer 6 is formed and a predetermined amount of a coupling agent with a stirrer such as a mixer. The 2nd coating layer 7 is formed (S15), and the piezoelectric ceramic powder 3 in which the 1st clothing layer 6 and the 2nd clothing layer 7 were formed is produced. Next, the piezoelectric ceramic powder 3 with the coating layer and the organic polymer 4 are uniformly mixed and dispersed in the organic polymer 4 using a processing machine such as a kneader or a roll. The mixture is kneaded so as to be in a finished state (S16). Next, a sheet-shaped piezoelectric composition pressure-sensitive body is produced from the kneaded product using a roll processing machine (S17), and the sheet-shaped piezoelectric composition pressure-sensitive body is processed into a pellet using a processing machine such as a pelletizer. (S18). Next, using the core electrode 9 as a core material, a pellet-shaped piezoelectric composition pressure-sensitive body is extruded using an extrusion molding machine, and a layer of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 10 is formed around the core electrode 9. That is, a layer of the piezoelectric composition pressure sensitive body 10 is provided around the core electrode 9 (S19). Next, the outer electrode 11 is formed using any of the materials and processing means described above (S20). Next, the protective layer 12 is formed by extrusion molding using an organic polymer such as a thermoplastic elastomer or rubber having elasticity (S21). Thereafter, a poling process is performed by applying a DC high voltage between the core electrode 9 and the outer electrode 11 in the air or in a silicon oil bath in order to develop piezoelectricity (S22), and a cable-shaped piezoelectric element is manufactured. Is done. The polling process (S22) is performed after the protective layer 12 is formed (S21). However, after the layer of the piezoelectric composition pressure sensitive body 10 is formed around the core electrode 9 (S19), the core electrode and It may be performed using a pseudo electrode corresponding to the outer electrode, or may be performed after forming the outer electrode 11 (S20).

このようにして作製されたケーブル状の圧電素子は、図7に示すようにその一端の保護層12と圧電組成物感圧体10を取り除き、芯電極9と外電極11とを露出させることにより制御回路に接続され、感圧センサとして使用される。   As shown in FIG. 7, the cable-shaped piezoelectric element thus manufactured is formed by removing the protective layer 12 and the piezoelectric composition pressure-sensitive body 10 at one end and exposing the core electrode 9 and the outer electrode 11. It is connected to the control circuit and used as a pressure sensitive sensor.

上のように構成されたケーブル状圧電素子について、以下その動作、作用を説明する。   The operation and action of the cable-shaped piezoelectric element configured as described above will be described below.

ケーブル状の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、芯電極9と外電極11との間には、その部分のケーブル状の圧電素子に生じる加速度に応じた振動電圧が誘起される。この誘起電圧を利用して圧力を検出することができる。   When a time-varying pressure is applied to a part or the entire surface of the cable-shaped piezoelectric element, a gap between the core electrode 9 and the outer electrode 11 corresponds to the acceleration generated in the cable-shaped piezoelectric element of that part. An oscillating voltage is induced. The pressure can be detected using this induced voltage.

上記構成のケーブル状の圧電素子が第1の実施の形態と同様に感圧センサとして高温高湿環境下で使用される場合、保護層12が存在するため、水蒸気の圧電組成物感圧体10への拡散量は少なくなるが、保護層12の有機高分子の3次元網目分子構造の隙間は水蒸気1分子の大きさに比べて大きいため、保護層12で水蒸気の拡散を防止することはできず、第1の実施の形態と同様に外電極11を通過し、圧電組成物感圧体10の表面に水蒸気が凝縮して水が生成する。しかしながら、圧電組成物感圧体10を構成する圧電セラミック粉末5には撥水処理を施して成した第1の被覆層6とカップリング剤からなる第2の被覆層7を形成しているので圧電組成物感圧体10への水の浸透が抑制され、圧電組成物感圧体10の軟化と圧電セラミック粉末5の成分の溶出を低減することができる。したがって、第1の実施の形態と同様に初期のケーブル状の圧電素子の電気的特性、圧電特性、機械的強度の変化を低減することができ、耐久性と信頼性に優れたケーブル状の圧電素子を実現することができる。   When the cable-shaped piezoelectric element having the above configuration is used as a pressure-sensitive sensor in a high-temperature and high-humidity environment as in the first embodiment, since the protective layer 12 is present, the piezoelectric composition pressure-sensitive body 10 of water vapor is present. However, the protective layer 12 can prevent the diffusion of water vapor because the gap between the organic polymer three-dimensional network molecular structure of the protective layer 12 is larger than the size of one molecule of water vapor. In the same manner as in the first embodiment, water passes through the outer electrode 11, and water vapor is condensed on the surface of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 10 to generate water. However, the piezoelectric ceramic powder 5 constituting the piezoelectric composition pressure sensitive body 10 is formed with a first coating layer 6 formed by water repellent treatment and a second coating layer 7 made of a coupling agent. The penetration of water into the piezoelectric composition pressure-sensitive body 10 is suppressed, and the softening of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 10 and the elution of the components of the piezoelectric ceramic powder 5 can be reduced. Therefore, similar to the first embodiment, it is possible to reduce changes in the electrical characteristics, piezoelectric characteristics, and mechanical strength of the initial cable-shaped piezoelectric element, and the cable-shaped piezoelectric element that is excellent in durability and reliability. An element can be realized.

また、数km以上の長尺のケーブル状の圧電素子を加工する場合でも予め圧電セラミック粉末5に撥水処理を施し、第1の被覆層6を形成することによって、一つ一つの粒子に撥水作用を付与することができるのでケーブル状のどの部位も撥水作用を発揮させることができ、常に安定した撥水効果を実現することができる。   Further, even when a long cable-shaped piezoelectric element having a length of several kilometers or more is processed, the piezoelectric ceramic powder 5 is subjected to water repellent treatment in advance to form the first coating layer 6, thereby repelling each particle. Since a water action can be imparted, any part of the cable shape can exhibit a water repellency, and a stable water repellency can always be realized.

本実施の形態において、外電極11を導電性粉末と有機高分子とを混練して作製した可撓性導電組成物を押出成型したもの、導電性粉末を有機高分子に分散させた導電性塗料(ペースト)の塗布、導電性材料を真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの蒸着で形成した場合は、圧電組成物感圧体10との密着性に優れているのでケーブル状の圧電素子を別の部材で保護する手段がある場合は保護層12を形成しなくてもよい。   In this embodiment, the outer electrode 11 is formed by extruding a flexible conductive composition prepared by kneading a conductive powder and an organic polymer, and a conductive paint in which the conductive powder is dispersed in the organic polymer. (Paste) application, when the conductive material is formed by vapor deposition such as vacuum vapor deposition, sputtering, CVD, etc., because it has excellent adhesion to the piezoelectric composition pressure sensitive body 10, the cable-like piezoelectric element is separated from another member. If there is a means to protect with, the protective layer 12 may not be formed.

以上の実施の形態では、撥水材料の第1の被覆層6とカップリング剤による第2の被覆層7を設けることにより、圧電セラミックス粉末や不純物の水による溶出を抑制する効果や圧電組成物感圧体の内部への水の浸透を抑制し、軟化を防止する効果について説明した。これ以外に、それらの効果を他の構成でも実現することができる。   In the above embodiment, by providing the first coating layer 6 of the water repellent material and the second coating layer 7 of the coupling agent, the piezoelectric ceramic powder and the effect of suppressing the elution of impurities by water or the piezoelectric composition The effect of suppressing the penetration of water into the pressure sensitive body and preventing the softening has been described. In addition to this, those effects can be realized with other configurations.

すなわち、前述の第1の被覆層6と第2の被覆層7以外に、保護層8、12を厚く形成して水蒸気の透過に対する抵抗を大きくすることでも圧電組成物感圧体1、10への水の浸透が抑制され軟化を防止できるとともに、圧電セラミックス粉末5や不純物の溶出を抑制することができる。あるいは、物理蒸着(スパッタリング、蒸着)や化学蒸着、化学合成処理により水蒸気の分子が通過し難い緻密な膜を被覆層として形成してもよい。物理蒸着や化学蒸着、化学合成処理による緻密な膜は、水蒸気そのものの侵入を抑制することができるので圧電素子の最外層にも設けても圧電組成物感圧体1、10の軟化を防止できるとともに、圧電セラミックス粉末5や不純物の溶出を防止する効果を実現することができる。   That is, in addition to the first coating layer 6 and the second coating layer 7 described above, the protective layers 8 and 12 are formed thick to increase the resistance to water vapor permeation to the piezoelectric composition pressure-sensitive bodies 1 and 10. Water can be suppressed to prevent softening, and elution of the piezoelectric ceramic powder 5 and impurities can be suppressed. Alternatively, a dense film in which water vapor molecules hardly pass can be formed as a coating layer by physical vapor deposition (sputtering, vapor deposition), chemical vapor deposition, or chemical synthesis. A dense film formed by physical vapor deposition, chemical vapor deposition, or chemical synthesis treatment can suppress the intrusion of water vapor itself, so that the piezoelectric composition pressure-sensitive bodies 1 and 10 can be prevented from being softened even when provided on the outermost layer of the piezoelectric element. At the same time, the effect of preventing the elution of the piezoelectric ceramic powder 5 and impurities can be realized.

ただし、上記被覆層が厚いと、圧電素子の感度が低下するので厳密に設計する必要がある。また緻密な膜はピンホールがあると効果が損なわれるので高い精度で形成する必要がある。   However, if the coating layer is thick, the sensitivity of the piezoelectric element is lowered, so it is necessary to design it strictly. In addition, a dense film needs to be formed with high accuracy because the effect is lost if there is a pinhole.

なお、本発明の製造方法で作製されたケーブル状の圧電素子は、可撓性を有しかつ形状がケーブル状であるので屈曲した部位を含んだ配設や取り付け幅に制限を有する省スペースの配設に対応可能であり、かつ高温高湿環境下で使用されても初期の電気的特性、圧電特性、機械的強度を維持できるという優れた特性を有している。したがってこのような配設条件や特性が要求される屋外使用の圧力、振動検知用のセンサとして最も適している。具体的には、特に車のスライドア、ハッチバックドア、トランク、パワーウィンドウなど開閉が伴う機器や部品に設置して挟み込みを検知するセンサや、車のドアハンドルに設置してドアの解錠を制御するタッチセンサが挙げられる。   The cable-shaped piezoelectric element manufactured by the manufacturing method of the present invention is flexible and has a cable shape, so that the arrangement including the bent portion and the mounting width are limited. It has excellent characteristics that it can be arranged and can maintain the initial electrical characteristics, piezoelectric characteristics, and mechanical strength even when used in a high temperature and high humidity environment. Therefore, it is most suitable as a sensor for detecting pressure and vibration for outdoor use that requires such arrangement conditions and characteristics. Specifically, sensors are installed on devices and parts that require opening and closing, such as car sliding doors, hatchback doors, trunks, and power windows, and they are installed on car door handles to control door unlocking. Touch sensor.

また、介護用ベッドなどに使用される体動センサは大面積の検知を確保する必要があるが、本発明のケーブル状圧電素子は、ベッドの上に蛇行させて配設することにより大面積の検知を可能とすることができ、さらに、失禁や汗などの多湿環境や衛生保持のための洗濯などの使用状況も考慮すると介護ベッド用の体動センサとしても最適な構成である。   In addition, body motion sensors used for nursing beds and the like need to ensure a large area detection, but the cable-like piezoelectric element of the present invention has a large area by being meandered on the bed. In addition, it can be detected, and it is an optimum configuration as a body motion sensor for a nursing bed in consideration of usage conditions such as a humid environment such as incontinence and sweat and washing for hygiene maintenance.

また、屋外でもマンションや戸建てにおけるベランダの手すりや玄関のドアに配置して外部からの侵入を検知するセンサなど感圧センサとして利用することができる。この場合も屋外であるのでケーブル状圧電素子が高温多湿環境に暴露されるが、このような環境下でも安定した圧電特性を維持することができるので誤動作が防止でき、防犯用センサとしても十分使用することができる。   In addition, it can be used as a pressure-sensitive sensor such as a sensor for detecting an intrusion from the outside by placing it on a handrail of a veranda or an entrance door in an apartment or a detached house. In this case as well, the cable-shaped piezoelectric element is exposed to high-temperature and high-humidity environments because it is outdoors, but because it can maintain stable piezoelectric characteristics even in such an environment, malfunctions can be prevented and it can be used as a security sensor. can do.

また、本発明の製造方法で作製されたケーブル状の圧電素子は、ベッドの上に蛇行させて配設することにより大面積の検知が可能であり、介護用ベッドの体動センサとしても最適な構成である。   In addition, the cable-shaped piezoelectric element produced by the manufacturing method of the present invention can detect a large area by being meandered on the bed, and is optimal as a body motion sensor for a nursing bed. It is a configuration.

(実施例1)
撥水材料を被覆した圧電セラミック粉末の撥水効果を調べるため、圧電セラミック粉末として平均粒径が約1μmのチタン酸ビスマス・ナトリウムとチタン酸バリウムの固溶体である(Bi1/2Na1/20.85Ba0.15TiOと以下の各種水材料を用い、第1の被覆層を形成した圧電セラミック粉末を作製した。
(Example 1)
In order to investigate the water-repellent effect of the piezoelectric ceramic powder coated with the water-repellent material, the piezoelectric ceramic powder is a solid solution of bismuth sodium titanate and barium titanate having an average particle diameter of about 1 μm (Bi 1/2 Na 1/2 ) Piezoelectric ceramic powder having a first coating layer was prepared using 0.85 Ba 0.15 TiO 3 and the following various water materials.

次に、ガラス板の上に各種撥水材料による第1の被覆層を形成した圧電セラミック粉末の膜を形成し、この膜の上に蒸留水を滴下することによってできた水玉の接触角を測定した。接触角の測定は協和界面科学社製の接触角計CA−DT型を用いた。なお、比較のため、チタンカップリング剤としてイソプロポキシトリイソステアロイルチタネートを用いて圧電セラミック粉末に第2の被覆層のみを形成したもの、圧電セラミック粉末のみのものについても接触角を測定している。   Next, a piezoelectric ceramic powder film having a first coating layer made of various water repellent materials is formed on a glass plate, and the contact angle of polka dots formed by dropping distilled water on the film is measured. did. The contact angle was measured using a contact angle meter CA-DT type manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd. For comparison, the contact angle is also measured for a piezoelectric ceramic powder having only a second coating layer using isopropoxytriisostearoyl titanate as a titanium coupling agent and a piezoelectric ceramic powder only. .

測定に用いた撥水材料名と接触角の測定結果を(表1)に示す。   Table 1 shows the names of the water-repellent materials used for the measurement and the measurement results of the contact angle.

Figure 2008192671
Figure 2008192671

この結果より明らかなように、撥水材料による第1の被覆層を形成した圧電セラミック粉末は大きな接触角を示すことがわかり、この大きな接触角を有することが圧電素子を構成する圧電組成物感圧体への水の浸透を抑制する効果を発現させると考えられる。   As is clear from this result, it can be seen that the piezoelectric ceramic powder formed with the first coating layer of the water repellent material has a large contact angle, and that this large contact angle has a feeling of the piezoelectric composition constituting the piezoelectric element. It is considered that the effect of suppressing the penetration of water into the pressure body is expressed.

圧電セラミック粉末にチタンカップリング剤による第2の被覆層のみを形成したものに
ついても第1の被覆層による撥水効果には劣るが圧電セラミック粉末に比べ撥水性が向上しており、水の浸透を抑制する効果を有することがわかる。
The piezoelectric ceramic powder in which only the second coating layer with the titanium coupling agent is formed is also inferior in water repellency by the first coating layer, but has improved water repellency compared to the piezoelectric ceramic powder, and water penetration. It turns out that it has the effect which suppresses.

実施例1の結果を参照すると圧電素子の電気的特性の変化を抑制する撥水材料は、特に蒸留水の接触角が125°以上のものが良好であり、さらには150°以上であることがより好ましい。   Referring to the results of Example 1, the water repellent material that suppresses changes in the electrical characteristics of the piezoelectric element is particularly good when the contact angle of distilled water is 125 ° or more, and more preferably 150 ° or more. More preferred.

(実施例2)
圧電セラミック粉末として平均粒径が約1μmのチタン酸ビスマス・ナトリウムとチタン酸バリウムの固溶体である(Bi1/2Na1/20.85Ba0.15TiOを用い、下記に述べる撥水材料を用い、圧電セラミック粉末の表面に以下の撥水材料による第1の被覆層を形成した。
(Example 2)
As the piezoelectric ceramic powder, (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 , which is a solid solution of bismuth sodium titanate and barium titanate having an average particle diameter of about 1 μm, is used. A water material was used to form a first coating layer of the following water repellent material on the surface of the piezoelectric ceramic powder.

撥水材料は、オレイン酸カルシウム(脂肪酸塩)、ポリテトラフルオロエチレン(フッ素系樹脂)、ヘプタデカフルオロデシルトリクロロシラン(シラン化合物)メタクリル酸エステル(アクリル系樹脂)の4種を用い、オレイン酸カルシウムは加熱溶解させた溶液、ポリテトラフルオロエチレンは溶剤メチルエチルケトンで希釈した溶液、ヘプタデカフルオロデシルトリクロロシランは溶媒ヘキサメチルジシロキサンを含む溶液、メタクリル酸エステルは溶剤キシレンで希釈した溶液に圧電セラミック粉末を浸漬処理し、その後乾燥することで撥水材料の被覆層を形成した。   As the water repellent material, four kinds of calcium oleate (fatty acid salt), polytetrafluoroethylene (fluorine resin), heptadecafluorodecyltrichlorosilane (silane compound) methacrylate ester (acrylic resin) are used. Is a solution dissolved by heating, polytetrafluoroethylene is a solution diluted with the solvent methylethylketone, heptadecafluorodecyltrichlorosilane is a solution containing the solvent hexamethyldisiloxane, and methacrylate is a solution diluted with the solvent xylene. The coating layer of the water repellent material was formed by dipping treatment and then drying.

次に、第1の被覆層を形成した圧電セラミック粉末と所定量のチタンカップリング剤として実施例1で用いたイソプロポキシトリイソステアロイルチタネートをヘンシルミキサーで混合撹拌し、第1の被覆層上にチタンカップリング剤の第2の被覆層を形成した。   Next, the piezoelectric ceramic powder on which the first coating layer was formed and the isopropoxy triisostearoyl titanate used in Example 1 as a predetermined amount of titanium coupling agent were mixed and stirred with a Hensyl mixer, and the first coating layer was The 2nd coating layer of the titanium coupling agent was formed in this.

次に、圧電セラミック粉末が約60体積%、塩素化ポリエチレンが約35体積%となるように、第1の被覆層と第2の被覆層を形成した圧電セラミック粉末と、可撓性を有する有機高分子である塩素化ポリエチレンをロール機で混練し、圧電組成物感圧体を製造し、ホットプレス機を用いて厚み約0.5mmの圧電組成物感圧体のシートを製造した。   Next, the piezoelectric ceramic powder in which the first coating layer and the second coating layer are formed so that the piezoelectric ceramic powder is about 60% by volume and the chlorinated polyethylene is about 35% by volume; A chlorinated polyethylene as a polymer was kneaded with a roll machine to produce a piezoelectric composition pressure-sensitive body, and a piezoelectric composition pressure-sensitive body sheet having a thickness of about 0.5 mm was produced using a hot press machine.

次に、塩素化ポリチレンにカーボンを充填し導電性を付与した厚み0.2mmの導電シートを圧電組成物感圧体のシートの両面に融着し、電極を形成し、圧電性を発現させるために100℃の空気中で電極間に5kV/mmの直流高電圧を印加してポーリング処理を行い、幅20mm、長さ120mmのシート状圧電素子を製造した。   Next, a conductive sheet having a thickness of 0.2 mm, which is obtained by filling carbon in chlorinated polyethylene and imparting conductivity, is fused to both sides of the sheet of the piezoelectric composition pressure-sensitive body to form electrodes, thereby expressing piezoelectricity. Then, a poling process was performed by applying a DC high voltage of 5 kV / mm between the electrodes in air at 100 ° C. to produce a sheet-like piezoelectric element having a width of 20 mm and a length of 120 mm.

以上のように製造した第1の被覆層4種のシート状の圧電素子について、高温高湿槽を用いて85℃、相対湿度85%の条件で高温高湿試験を実施し後、シート状の圧電素子の両端を挟み、引っ張り強度を測定した。引っ張り強度はシート状の圧電素子が2mm伸びる力の値とした。測定器はイマダ社製のデジタルフォースゲージDPS−50を用いた。なお、比較のため、イソプロポキシトリイソステアロイルチタネートのチタンカップリング剤を用いて圧電セラミック粉末に第2の被覆層のみを形成したものについてもシート状の圧電素子を製造し、同様に試験を実施した。   For the four types of sheet-shaped piezoelectric elements of the first coating layer manufactured as described above, a high-temperature and high-humidity test was performed using a high-temperature and high-humidity tank at 85 ° C. and a relative humidity of 85%. The both ends of the piezoelectric element were sandwiched and the tensile strength was measured. The tensile strength was set to the value of the force by which the sheet-like piezoelectric element extends 2 mm. As a measuring instrument, a digital force gauge DPS-50 manufactured by Imada Corporation was used. For comparison, a sheet-like piezoelectric element was also produced for a piezoelectric ceramic powder in which only the second coating layer was formed using a titanium coupling agent of isopropoxy triisostearoyl titanate, and the same test was performed. did.

その結果を(表2)に示す。   The results are shown in (Table 2).

Figure 2008192671
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この結果より明らかなように、第1の被覆層を形成したシート状の圧電素子の引っ張り強度が高く、圧電組成物感圧体への水の浸透を防止できることがわかる。したがって、初期の引っ張り強度の低下を防止することができ、機械的強度に優れた圧電素子を実現することができる。   As is clear from this result, it can be seen that the tensile strength of the sheet-like piezoelectric element on which the first coating layer is formed is high, and the penetration of water into the piezoelectric composition pressure sensitive body can be prevented. Accordingly, it is possible to prevent the initial tensile strength from being lowered and to realize a piezoelectric element having excellent mechanical strength.

(実施例3)
圧電セラミック粉末として平均粒径が約1μmのチタン酸ビスマス・ナトリウムとチタン酸バリウムの固溶体である(Bi1/2Na1/20.85Ba0.15TiOと平均粒子系が約1μmのチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体であるPb(Zr・Ti)Oを用い、撥水材料としてオレイン酸カルシウム(脂肪酸塩)とヘプタデカフルオロデシルトリクロロシラン(シラン化合物)を用い、実施例2と同様の方法で各圧電セラミック粉末の表面に前述の撥水材料の被覆層を形成し、撥水処理された圧電セラミック粉末を製造した。
(Example 3)
Piezoelectric ceramic powder is a solid solution of bismuth sodium titanate and barium titanate with an average particle diameter of about 1 μm (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 and an average particle system of about 1 μm. Pb (Zr · Ti) O 3 , which is a solid solution of lead titanate and lead zirconate, and calcium oleate (fatty acid salt) and heptadecafluorodecyltrichlorosilane (silane compound) as water repellent materials 2 was formed on the surface of each piezoelectric ceramic powder to produce a water-repellent-treated piezoelectric ceramic powder.

次に、実施例2と同様に第1の被覆層を形成した圧電セラミック粉末と所定量のチタンカップリング剤であるイソプロポキシトリイソステアロイルチタネートをヘンシルミキサーで混合撹拌し、第1の被覆層上にチタンカップリング剤の第2の被覆層を形成した。   Next, in the same manner as in Example 2, the piezoelectric ceramic powder on which the first coating layer was formed and isopropoxytriisostearoyl titanate, which is a predetermined amount of titanium coupling agent, were mixed and stirred with a hensil mixer, and the first coating layer was then stirred. A second coating layer of a titanium coupling agent was formed thereon.

次に、撥水処理された圧電セラミック粉末が約60体積%、塩素化ポリエチレンが約35体積%となるように所定量の各撥水処理された圧電セラミック粉末と、可撓性を有する有機高分子である塩素化ポリエチレンとをロール機で混練し、圧電組成物感圧体のシートを作製した後、ペレタイザーでペレットを製造した。   Next, a predetermined amount of each water-repellent-treated piezoelectric ceramic powder so that the water-repellent-treated piezoelectric ceramic powder is about 60% by volume and chlorinated polyethylene is about 35% by volume; A chlorinated polyethylene as a molecule was kneaded with a roll machine to produce a piezoelectric composition pressure-sensitive sheet, and then a pellet was produced with a pelletizer.

この圧電組成物感圧体のペレットを用い、直径0.45mmの多数のポリエステル繊維の収束線に銅箔を巻回したものを芯電極とし、押出成型機を用いて芯電極の周囲に圧電組成物感圧体を厚さ約0.6mmとなるように被覆処理した。次に、幅3mm、厚さ12μmのポリエチレンテレフタレ−トの高分子フィルムの両面に幅3mm、厚さ10μmのアルミニウム箔を接着した導電性フィルムを芯電極に被覆した圧電組成物感圧体の表面に導電性フィルムの一部が重なるように巻回して外電極とした。さらに、外電極の周囲に押出成型機を用いてオレフィン系熱可塑性エラストマーを厚さ約0.5mmとなるように保護層を被覆処理し、ケーブル状圧電素子を製造し、圧電性を発現させるために100℃の空気中で芯電極と外電極に5kV/mmの直流電圧を印加してポーリング処理を行った。   Using the piezoelectric composition pressure-sensitive pellets, a core electrode is obtained by winding a copper foil around a converging line of a number of polyester fibers having a diameter of 0.45 mm, and using an extrusion molding machine, a piezoelectric composition is formed around the core electrode. The physical pressure body was coated so as to have a thickness of about 0.6 mm. Next, a piezoelectric composition pressure-sensitive body in which a core electrode is coated with a conductive film in which an aluminum foil having a width of 3 mm and a thickness of 10 μm is bonded to both surfaces of a polymer film of polyethylene terephthalate having a width of 3 mm and a thickness of 12 μm. The outer electrode was wound by winding so that a part of the conductive film overlapped on the surface. In addition, the outer layer of the outer electrode is coated with a protective layer so that the thickness of the olefinic thermoplastic elastomer becomes about 0.5 mm by using an extrusion molding machine, to produce a cable-shaped piezoelectric element, and to express piezoelectricity. A poling treatment was performed by applying a DC voltage of 5 kV / mm to the core electrode and the outer electrode in air at 100 ° C.

以上のように作製した各種のケーブル状圧電素子を有効長さが150mmとなるように調整し、実施例2と同条件の高温高湿試験を20時間実施した。試験後、常温で電気抵抗
、静電容量を測定した。測定器は日置電機社製LCRハイテスタ3522を用い、1kHzの周波数で測定した。なお、比較のため、イソプロポキシトリイソステアロイルチタネートのチタンカップリング剤を用いて圧電セラミック粉末に第2の被覆層のみを形成したものについてもケーブル状圧電素子を製造し、同様に試験を実施した。
Various cable-shaped piezoelectric elements produced as described above were adjusted so that the effective length was 150 mm, and a high-temperature and high-humidity test under the same conditions as in Example 2 was performed for 20 hours. After the test, the electrical resistance and capacitance were measured at room temperature. The measuring instrument was an LCR high tester 3522 manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., and measured at a frequency of 1 kHz. For comparison, a cable-shaped piezoelectric element was also manufactured for a piezoelectric ceramic powder in which only the second coating layer was formed using a titanium coupling agent of isopropoxytriisostearoyl titanate, and the test was performed in the same manner. .

(表3)に高温高湿試験20時間後の電気抵抗の変化率、(表4)に高温高湿試験20時間後の静電容量の変化率を示す。   Table 3 shows the rate of change in electrical resistance after 20 hours of high-temperature and high-humidity test, and Table 4 shows the rate of change in capacitance after 20 hours of high-temperature and high-humidity test.

Figure 2008192671
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Figure 2008192671
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この結果より明らかなように、第1の被覆層と第2の被覆層を形成した圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子は電気抵抗の変化、静電容量の変化が小さいことがわかり、形状が異なる圧電素子でもシート状の圧電素子と同様な効果を得ることができた。   As is clear from this result, it is understood that the cable-like piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder on which the first coating layer and the second coating layer are formed has little change in electrical resistance and capacitance, The same effect as that of the sheet-like piezoelectric element could be obtained even with piezoelectric elements having different values.

ケーブル状圧電素子の電気抵抗は高温高湿環境下で減少する。これは、凝縮した水が圧電組成物感圧体に浸透し、圧電セラミック粉末の成分が浸透した水に溶解することが原因と考えられる。また、電気抵抗の変化は、(Bi1/2Na1/20.85Ba0.15TiOの圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子の方がPb(Zr・Ti)Oの圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子よりも大きい結果と示しているが、これは圧電セラミック粉末に含有するアルカリ成分が水に溶解しやすいことを示している。 The electrical resistance of the cable-like piezoelectric element decreases under a high temperature and high humidity environment. It is considered that this is because condensed water penetrates into the piezoelectric composition pressure-sensitive body, and the components of the piezoelectric ceramic powder dissolve in the penetrated water. In addition, the change in electric resistance is such that the cable-like piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder of (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 has Pb (Zr · Ti) O 3 . Although the result is larger than that of the cable-shaped piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder, this indicates that the alkali component contained in the piezoelectric ceramic powder is easily dissolved in water.

一方、初期の両者の固有抵抗は、Pb(Zr・Ti)Oの圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子の方が(Bi1/2Na1/20.85Ba0.15TiOの圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子よりも約2倍高いことから、(Bi1/
Na1/20.85Ba0.15TiOの圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子は固有抵抗が低く、かつ高温高湿環境下でさらに低下することがわかる。ケーブル状圧電素子が長くなると電気抵抗がさらに低下することから、圧電素子に常に一定電圧を印加して圧力を検知する回路構成では感圧センサとして使用することができなくなる可能性があり、アルカリ成分を含む圧電セラミック粉末を用いた長尺のケーブル状圧電素子を高温高湿環境下で使用する場合はアルカリ成分の溶出を防止するため、圧電セラミック粉末の被覆層の形成が不可欠といえる。
On the other hand, the specific resistance of both of them is (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO in the cable-like piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder of Pb (Zr · Ti) O 3. 3 is about twice as high as the cable-like piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder (Bi 1 /
2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 piezoceramic powder using a piezoelectric ceramic powder has a low specific resistance and further decreases in a high temperature and high humidity environment. If the cable-shaped piezoelectric element becomes longer, the electrical resistance further decreases, so it may not be possible to use it as a pressure-sensitive sensor in a circuit configuration in which a constant voltage is constantly applied to the piezoelectric element to detect pressure. When a long cable-shaped piezoelectric element using a piezoelectric ceramic powder containing is used in a high-temperature and high-humidity environment, it can be said that formation of a coating layer of the piezoelectric ceramic powder is indispensable in order to prevent elution of alkali components.

また、静電容量の変化も(Bi1/2Na1/20.85Ba0.15TiOの圧電セラミック粉末の方がPb(Zr・Ti)Oの圧電セラミック粉末よりも大きい結果と示しているが、これは圧電セラミック粉末に含まれる成分の水に対する吸湿性に差があるものと考えられる。 In addition, the change in capacitance is also larger for the piezoelectric ceramic powder of (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 than for the piezoelectric ceramic powder of Pb (Zr · Ti) O 3. However, it is considered that there is a difference in the hygroscopicity with respect to water of the components contained in the piezoelectric ceramic powder.

なお、高温高湿試験を1000時間実施したが、20時間のレベルの電気抵抗、静電容量を維持しており、優れた撥水効果を有することを確認した。   In addition, although the high temperature high humidity test was implemented for 1000 hours, it confirmed that it maintained the electrical resistance and electrostatic capacitance of the level for 20 hours, and had the outstanding water-repellent effect.

このように、圧電セラミック粉末に撥水材料による第1の被覆層とカップリング剤による第2の被覆層を形成することにより、ケーブル状圧電素子の電気抵抗、静電容量ともに変化を少なくすることができる。この現象は圧電組成物感圧体の硬さが変化していないことから、撥水材料で被覆した圧電セラミック粉末によって圧電組成物感圧体の撥水性が高くなり、凝縮した水を圧電組成物感圧体が吸収しないことに起因していると考えられる。   Thus, by forming the first coating layer made of the water repellent material and the second coating layer made of the coupling agent on the piezoelectric ceramic powder, both the electric resistance and capacitance of the cable-like piezoelectric element are reduced. Can do. Since this phenomenon does not change the hardness of the piezoelectric composition pressure sensitive body, the piezoelectric ceramic powder coated with the water repellent material increases the water repellency of the piezoelectric composition pressure sensitive body, and the condensed water is removed from the piezoelectric composition. This is thought to be due to the fact that the pressure sensitive body does not absorb.

また、実施例2で説明した撥水処理されたシート状の圧電素子の引っ張り強度が撥水処理していないシート状の圧電素子のそれよりも高くなっていることから、圧電セラミック粉末に撥水材料の被覆層を形成して造られた圧電組成物感圧体は凝縮した水の吸収が抑制されるので軟化が防止され、初期の硬さを維持していると判断することができ、上記考察が正しいことを示している。   Further, the tensile strength of the water-repellent sheet-like piezoelectric element described in Example 2 is higher than that of the sheet-like piezoelectric element not subjected to the water-repellent treatment. The piezoelectric composition pressure-sensitive body produced by forming a coating layer of the material can be determined to be softened and prevented from maintaining the initial hardness because absorption of condensed water is suppressed. Indicates that the consideration is correct.

(実施例4)
実施例3で試験したケーブル状圧電素子について、圧電特性を評価した。圧電特性はケーブル状圧電素子の中央部に一定の荷重を印加した状態で一定の周波数で荷重を変化させながら加振させ、そのときに発生する電圧と荷重の関係から算出した電荷発生量で評価した。
Example 4
The cable-shaped piezoelectric element tested in Example 3 was evaluated for piezoelectric characteristics. Piezoelectric characteristics are evaluated by the amount of charge generated from the relationship between the voltage and load generated at that time, with the load being changed at a constant frequency with a constant load applied to the center of the cable-shaped piezoelectric element. did.

(表5)に高温高湿試験20時間後の電荷発生量の変化率を示す。   Table 5 shows the rate of change in the amount of charge generated after 20 hours of the high temperature and high humidity test.

Figure 2008192671
Figure 2008192671

この結果より明らかなように、撥水処理による第1の被覆層とカップリング剤による第2の被覆層を形成した圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子の電荷発生量の変化が小さく、高温高湿環境下でも安定した圧電特性を得ることができた。圧電特性は圧電組成物感圧体の弾性率によって変化する。すなわち、圧電組成物感圧体が水を吸収して軟化すれば弾性率は低くなり、圧電特性は高くなる傾向となる。(表5)のカップリング剤による第2の被覆層のみの圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子において、電荷発生量の変化が高くなっている理由は、ケーブル状圧電素子を構成する圧電組成物感圧体が水を吸収し、軟化することによって弾性が低下し、その結果、電荷発生量が高くなったことにある。一方、第1の被覆層と第2の被覆層を形成した圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子の電荷発生量は変化が少なく、圧電組成物感圧体に水が吸収されていないことを示している。   As is clear from this result, the change in charge generation amount of the cable-shaped piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder in which the first coating layer by the water repellent treatment and the second coating layer by the coupling agent are formed is small, and the high temperature Stable piezoelectric characteristics could be obtained even in a high humidity environment. The piezoelectric characteristics vary depending on the elastic modulus of the piezoelectric composition pressure-sensitive body. That is, if the piezoelectric composition pressure sensitive body absorbs water and softens, the elastic modulus decreases and the piezoelectric characteristics tend to increase. In the cable-like piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder of only the second coating layer by the coupling agent shown in Table 5, the reason why the change in the amount of generated charge is high is that the piezoelectric composition constituting the cable-like piezoelectric element The pressure-sensitive material absorbs water and softens, whereby the elasticity is lowered, and as a result, the charge generation amount is increased. On the other hand, the charge generation amount of the cable-shaped piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder on which the first coating layer and the second coating layer are formed is little changed, and water is not absorbed by the piezoelectric composition pressure-sensitive body. Show.

(実施例5)
ケーブル状圧電素子において、比誘電率の異なる圧電セラミック粉末を用い、電圧出力定数を評価した。
(Example 5)
In the cable-shaped piezoelectric element, piezoelectric ceramic powders having different relative dielectric constants were used, and the voltage output constant was evaluated.

比誘電率の異なる圧電セラミック粉末として、Pb(Zr・Ti)O、(Bi1/2Na1/20.85Ba0.15TiO、NaNbO、を用い、圧電セラミック粉末が約60体積%、塩素化ポリエチレンが約35体積%となるように実施例4のケーブル状圧電素子の製造法と同様に圧電素子を製造した。次に、製造した圧電素子に圧電性を発現させるために100℃の空気中で芯電極と外電極に5kV/mmの直流電圧を印加し、ポーリング処理を行った。 Pb (Zr · Ti) O 3 , (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 , and NaNbO 3 are used as piezoelectric ceramic powders having different relative dielectric constants. A piezoelectric element was manufactured in the same manner as the cable-shaped piezoelectric element manufacturing method of Example 4 so that 60% by volume and chlorinated polyethylene were about 35% by volume. Next, in order to develop the piezoelectricity in the manufactured piezoelectric element, a DC voltage of 5 kV / mm was applied to the core electrode and the outer electrode in air at 100 ° C. to perform a poling process.

以上にように製造したケーブル状圧電素子を有効長さが150mmとなるように調整し、電圧出力定数を評価した。測定器はPiezotest社製のPiezometerを用いて測定した。   The cable-shaped piezoelectric element manufactured as described above was adjusted so that the effective length was 150 mm, and the voltage output constant was evaluated. The measurement was performed using a Piezometer manufactured by Piezotest.

(表6)にPb(Zr・Ti)Oを用いたケーブル状圧電素子の電圧出力係数を基準とした時の他の圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子の電圧出力定数の比率を示す。 Table 6 shows the ratio of the voltage output constants of the cable-shaped piezoelectric elements using other piezoelectric ceramic powders based on the voltage output coefficient of the cable-shaped piezoelectric elements using Pb (Zr · Ti) O 3. .

Figure 2008192671
Figure 2008192671

この結果から明らかなように、圧電セラミック粉末の比誘電率が低いほど電圧出力定数が高くなっており、圧電セラミック粉末の比誘電率が小さいほど大きな電圧が印加され、ポーリングの効率が向上することがわかる。   As is clear from this result, the lower the relative dielectric constant of the piezoelectric ceramic powder is, the higher the voltage output constant is, and the smaller the relative dielectric constant of the piezoelectric ceramic powder is, the larger voltage is applied, and the poling efficiency is improved. I understand.

したがって、比誘電率の低いセラミック粉末を用いることにより、圧電素子の電圧出力定数、すなわち感圧センサとしての感度を向上させることができる。   Therefore, by using ceramic powder having a low relative dielectric constant, the voltage output constant of the piezoelectric element, that is, the sensitivity as a pressure sensitive sensor can be improved.

以上のように、本発明にかかる圧電素子は、高温高湿環境下で使用されても圧電組成物
感圧体の水の吸収を抑制することができるので初期の電気的特性、圧電特性、機械的引っ張り強度の変化を防止することができ、優れた耐久性、信頼性を実現することができるものである。したがって、高温高湿環境が起こり得るような、屋外にあるベランダの手すりや玄関などに設置して外部からの侵入を防止するセンサ、自動車のスライドドア、ハッチバックドア、パワーウィンドウなど開閉が伴う機器や部品に設置して挟み込みを検知するセンサ、車のドアハンドルに設置してドアの解錠を制御するタッチセンサ、介護ベッドで人の体動を検知して在床を判断する圧力検出装置のセンサなど幅広い用途に適用できるものである。
As described above, the piezoelectric element according to the present invention can suppress water absorption of the piezoelectric composition pressure-sensitive body even when used in a high-temperature and high-humidity environment. It is possible to prevent a change in the tensile strength, and to realize excellent durability and reliability. Therefore, sensors that can be installed on the handrails and entrances of the outdoor veranda where high-temperature and high-humidity environments can occur to prevent intrusion from the outside, automobile sliding doors, hatchback doors, power windows, etc. Sensors installed on parts to detect pinching, touch sensors installed on car door handles to control unlocking of doors, sensors for pressure detection devices that detect the presence of a person by detecting the movement of a person on a nursing bed It can be applied to a wide range of uses.

本発明の実施の形態1におけるシート状の圧電素子の断面図Sectional drawing of the sheet-like piezoelectric element in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1における圧電組成物感圧体の一部断面を示す模式図Schematic diagram showing a partial cross-section of the piezoelectric composition pressure-sensitive body according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1における被覆層が形成された圧電セラミック粉末の断面を示す模式図Schematic diagram showing a cross section of the piezoelectric ceramic powder on which the coating layer in Embodiment 1 of the present invention is formed 本発明の実施の形態1における圧電組成物感圧体を用いた圧電素子の製造工程を説明する図The figure explaining the manufacturing process of the piezoelectric element using the piezoelectric composition pressure sensing element in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるシート状の圧電素子の断面図Sectional drawing of the sheet-like piezoelectric element in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態2における圧電組成物感圧体を用いた圧電素子の製造工程を説明する図The figure explaining the manufacturing process of the piezoelectric element using the piezoelectric composition pressure sensing element in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3におけるケーブル状の圧電素子の断面図Sectional drawing of the cable-shaped piezoelectric element in Embodiment 3 of this invention 本発明の実施の形態3における圧電組成物感圧体を用いた圧電素子の製造工程を説明する図The figure explaining the manufacturing process of the piezoelectric element using the piezoelectric composition pressure sensing element in Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、10 圧電組成物感圧体
2A 第1電極
2B 第2電極
3 被覆層が形成された圧電セラミック粉末
4 有機高分子
5 圧電セラミック粉末
6 第1の被覆層
7 第2の被覆層
8、12 保護層
9 芯電極
11 外電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 10 Piezoelectric composition pressure sensitive body 2A 1st electrode 2B 2nd electrode 3 Piezoelectric ceramic powder in which the coating layer was formed 4 Organic polymer 5 Piezoelectric ceramic powder 6 1st coating layer 7 2nd coating layer 8, 12 Protective layer 9 Core electrode 11 External electrode

Claims (17)

圧電セラミック粉末と可撓性を有する有機高分子とを含む圧電組成物感圧体と、前記圧電組成物感圧体に接続された第1電極と、前記圧電組成物感圧体に接続され前記第1電極と絶縁された第2電極と、前記圧電セラミック粉末の表面に設けられ、前記圧電セラミック粉末への水分の吸収を抑制する第1の被覆層と、前記第1の被覆層の表面に設けられ、前記セラミック圧電体粉末と前記有機高分子の馴染みの向上と水分の吸収を抑制するカップリング剤からなる第2の被覆層とを備えた圧電素子。 Piezoelectric composition pressure-sensitive body containing piezoelectric ceramic powder and flexible organic polymer, first electrode connected to the piezoelectric composition pressure-sensitive body, and connected to the piezoelectric composition pressure-sensitive body A second electrode insulated from the first electrode; a first coating layer provided on a surface of the piezoelectric ceramic powder; and suppressing absorption of moisture into the piezoelectric ceramic powder; and a surface of the first coating layer. A piezoelectric element provided with a second coating layer comprising a coupling agent that is provided and improves the familiarity of the ceramic piezoelectric powder and the organic polymer and suppresses moisture absorption. 第1の被覆層は、撥水材料で構成される請求項1に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the first coating layer is made of a water repellent material. 第1の被覆層は、蒸留水に対する接触角が125°以上180°未満である請求項1または2に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the first coating layer has a contact angle with respect to distilled water of 125 ° or more and less than 180 °. 第1の被覆層は、脂肪酸、脂肪酸塩、単分子層の少なくとも1種で形成されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the first coating layer is formed of at least one of fatty acid, fatty acid salt, and monomolecular layer. 第2の被覆層は、チタンカップリング剤で構成される請求項1〜4記載のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the second coating layer is made of a titanium coupling agent. 第2の被覆層は、イソプロポキシトリイソステアロイルチタネート、イソプロポキシトリス・ジオクチルパイロフォスフェート・チタネートの少なくとも1種で形成されている請求項1〜5のいずれか1項に記載の圧電素子。 6. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the second coating layer is formed of at least one of isopropoxy triisostearoyl titanate and isopropoxy tris dioctyl pyrophosphate titanate. 圧電セラミック粉末は、周期表第1族の元素、周期表第2A族の元素の少なくとも1種を含むペロブスカイト構造を有する化合物である請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric ceramic powder is a compound having a perovskite structure including at least one element of Group 1A of the periodic table and Group 2A of the periodic table. 圧電セラミック粉末は、主成分がチタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウムの少なくとも1種を含む請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric ceramic powder contains at least one of bismuth sodium titanate, barium titanate, sodium niobate, and potassium niobate as a main component. 第1電極と第2電極は、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む弾性体と導電性粉末の導電層である請求項1〜8のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 8, wherein the first electrode and the second electrode are a conductive layer of an elastic body containing at least one of a thermoplastic resin, a thermoplastic elastomer, and rubber and a conductive powder. . 第1電極と第2電極は、主成分が導電性粉末と有機高分子に混合物である導電塗料もしくは導電ペーストの塗布膜である請求項1〜8のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 8, wherein the first electrode and the second electrode are coating films of a conductive paint or conductive paste whose main components are a mixture of conductive powder and organic polymer. 第1電極と第2電極は、導電性材料の蒸着膜で構成した請求項1〜8のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 8, wherein the first electrode and the second electrode are configured by a vapor deposition film of a conductive material. 導電性材料または導電性粉末は、C、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種を含むものである請求項9〜11のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to any one of claims 9 to 11, wherein the conductive material or conductive powder contains at least one of C, Pt, Au, Pd, Ag, Cu, Al, and Ni. 有機高分子は、熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む請求項1〜12のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 12, wherein the organic polymer contains at least one of a thermoplastic elastomer and rubber. 熱可塑性エラストマーは、塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンの少なくとも1種を含む請求項13に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 13, wherein the thermoplastic elastomer contains at least one of chlorinated polyethylene and chlorosulfonated polyethylene. 第1の電極、第2の電極、圧電組成物感圧体を覆う保護層を設けた請求項1〜14のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 1, further comprising a protective layer that covers the first electrode, the second electrode, and the piezoelectric composition pressure-sensitive body. 保護層は、電気絶縁性の熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む請求項15に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to claim 15, wherein the protective layer contains at least one of an electrically insulating thermoplastic elastomer and rubber. 圧電セラミック粉末の比誘電率が0を超え1000以下である請求項1〜16のいずれか1項に記載の圧電素子。 The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 16, wherein the dielectric constant of the piezoelectric ceramic powder is more than 0 and 1000 or less.
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