JP2009001689A

JP2009001689A - 高分子物質の圧電・焦電素子

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Publication number: JP2009001689A
Application number: JP2007164434A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Nagata; 邦裕永田; Noriyuki Nanba; 典之難波; Yukihiko Hayashi; 志彦林
Original assignee: Junkosha Co Ltd
Current assignee: Junkosha Co Ltd
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: JP5112758B2

Abstract

【課題】高い圧電性及び剛性を有する高分子物質の圧電・焦電素子を提供すること。さらに、耐環境性、耐熱性に優れた安価な高分子物質の圧電・焦電素子を提供すること。
【解決手段】圧電・焦電素子１は、複数の独立気泡２を含有する高分子物質で成り、紫外線照射されつつ分極処理されている。これにより、紫外線が独立気泡内の放電をアシストし、該放電で発生した多くの電荷が独立気泡内壁に帯電することになるので、当該素子の圧電性を高めることができる。そして、素子内部に多数存在する気泡が全て独立しているので、圧縮応力が掛かっても潰れ難く、当該素子の剛性を高めることができる。
【選択図】図２

Description

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

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

ＰＶｄＦは、成形した無孔質のシートを延伸し、分極することによって、圧電・焦電素子として作成される（特許文献１）。ＦＥＰは、無極性のポリマーであるが、ポリマー表面に電荷がトラップされることによって圧電・焦電素子となることが知られており、ＦＥＰの無孔質のシートにコロナ放電等によって電荷をトラップさせることによって圧電・焦電素子として作成される。しかしながら、ＰＶｄＦ、ＦＥＰは、無機材料の圧電・焦電素子に比べて圧電性が低いという難点があった。

これに対し、Ｅ−ＰＰは、ポリプロピレンのフィルムを延伸して、窒素などのガスを利用して独立する空孔が多数存在するフィルムに成形し、該フィルムの空孔の上下面に電荷をトラップさせることによって圧電・焦電素子として作成されたものである。Ｅ−ＰＰは、多数の空孔が巨大な双極子を構成し、フィルム面に圧力が加わると空孔が圧縮されるため、フィルムの両面の電極に誘導される電荷も変化することになる。上記の仕組みにより、Ｅ−ＰＰの圧電・焦電素子は高い圧電性を有している。

特開昭６０−０５５０３４号公報

上述したＥ−ＰＰは、耐環境性、耐熱性の面で問題があり、使用環境が限定される。そして、作成に手間が掛かるため高価である。
本発明は、上記のような種々の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高い圧電性を有する高分子物質の圧電・焦電素子を提供することにある。さらに、耐環境性、耐熱性に優れた安価な高分子物質の圧電・焦電素子を提供することにある。

上記目的達成のため、本発明の圧電・焦電素子では、複数の独立気泡を含有する高分子物質の圧電・焦電素子であって、紫外線照射されつつ分極処理されていることを特徴としている。これにより、紫外線が独立気泡内の放電をアシストし、該放電で発生した多くの電荷が独立気泡内壁に帯電することになるので、当該素子の圧電性を高めることができる。そして、素子内部に多数存在する気泡が全て独立しているので、圧縮応力が掛かっても潰れ難く、当該素子の剛性を高めることができる。

また、本発明の圧電・焦電素子では、前記高分子物質は、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）であり、該ＦＥＰに発泡の核材を混合し、前記独立気泡を生成したことを特徴としている。これにより、耐環境性、耐熱性に優れた素子とすることができ、該素子に内包される独立気泡を簡易に生成することができる。

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

まず、本実施形態の圧電・焦電素子について図１を用いて説明する。
図１（Ａ）は、本実施形態の圧電・焦電素子の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１のα−α線断面図である。
この圧電・焦電素子１は、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）を発泡させて成形した発泡ＦＥＰ（Ｆ−ＦＥＰ）のシートを図１（Ａ）に示すように矩形状に切断し、本発明の特徴的な部分である紫外線（以下、ＵＶ光という）を照射しつつコロナ放電を加えて電荷をトラップ（分極）させることにより作成されている。

このような圧電・焦電素子１は、図１（Ｂ）に示すように、針状の独立気泡２を多数有している。この圧電・焦電素子１にＵＶ光を照射しつつコロナ放電を加えると、素子上面１１、素子下面１２と、針状の独立気泡２の気泡上面２１、気泡下面２２とにそれぞれ電荷がトラップされる。本実施形態では、素子上面１１と気泡下面２２にプラスの電荷がトラップされ、素子下面１２と気泡上面２１にマイナスの電荷がトラップされている。そして、この電荷をトラップした針状の独立気泡２は、圧電・焦電素子１の内部に多数存在しているため、圧電・焦電素子１の内部で巨大な双極子を構成することになる。

次に、この圧電・焦電素子１の作成手順について説明する。
この圧電・焦電素子１は、第１の手順としてＦＥＰベースのペレットを作成する。第２の手順としてそのＦＥＰベースのペレットをシートとして成形して矩形状に切断し矩形シートを作成する。第３の手順としてその矩形シートにＵＶ光を照射しつつコロナ放電を加えて電荷をトラップさせ圧電・焦電素子１を作成する。

先ず、第１の手順であるＦＥＰベースのペレットの作成について説明する。
ＦＥＰに発泡の核材となるホウ酸アルミニウを混合し、二軸押出機により押し出すことによってＦＥＰベースのペレットを作成する。ＦＥＰとホウ酸アルミニウムとの重量比は、ＦＥＰが１００に対して、ホウ酸アルミニウムが５である。なお、本実施形態では発泡の核材にホウ酸アルミニウムを使用しているが、これに限定されるものではなく、例えば窒化ホウ素であっても構わない。

次に、第２の手順であるＦＥＰを発泡させたＦ−ＦＥＰの矩形シートの作成について説明する。
窒素ガスをシリンダー途中から導入することが可能な押出機にＴ字型のダイを取り付け、この押出機に第１の手順で作成されたペレットをセットする。そして、一定の圧力で窒素ガスを加えながらペレットをシリンダーから押出し、ダイ温度より低い温度の熱ロールによって巻き取りながら冷却することにより、針状の独立気泡２を有するシートを成形する。そして、そのシートを矩形状に切断して矩形シートを作成する。なお、本実施形態では、ＦＥＰを発泡させた独立気泡２を有するシートは、幅１５０ｍｍ、厚さ２００μｍ、発泡率４０％で成形されている。また、矩形シートは、６０ｍｍ×６０ｍｍの正方形に切断されている。

最後に、第３の手順であるＵＶ光照射分極による圧電・焦電素子１の作成ついて説明する。
図２は、ＵＶ光照射分極に使用するコロナ放電装置を示す概略図である。
このコロナ放電装置４は、土台４１、側板４２、電極プレート４３、グリッド電極４４、複数のワイヤ電極４５、高圧水銀ランプ４６を備えている。土台４１の左右両端に側板４２が１枚づつ設けられており、中央上面に電極プレート４３が置かれている。２枚の側板４２間には、グリッド電極４４と複数のワイヤ電極４５が掛け渡されている。複数のワイヤ電極４５は、側板４２間に所定間隔をあけて平行に掛け渡されている。

グリッド電極４４は、矩形シート３の表面を均一に帯電して分極させるため、矩形シート３の表面から上方に距離ａ（例えば３ｍｍ）を空けて配置されている。ワイヤ電極４５は、矩形シート３の表面から上方に距離ｂ（例えば３５ｍｍ）を空けて配置されている。ワイヤ電極４５には正電圧が印加され、グリッド電極４４には負電圧が印加され、電極プレート４３は接地されている。高圧水銀ランプ４６は、矩形シート３の表面から上方に距離ｃ（例えば３００ｍｍ）を空けて配置されている。

そして、この度使用したコロナ放電装置４は、土台４１、側板４２はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、電極プレート４３はステンレス、グリッド電極４４とワイヤ電極４５はタングステンでそれぞれ作成されている。ただし、土台４１、側板４２の材質は、ＰＴＦＥに限定されるものではなく、耐熱性があり電荷をトラップする際に影響を及ぼさないものであればかまわない。

このようなコロナ放電装置４の電極プレート４３の上に矩形シート３を置いて、２５０Ｗの高圧水銀ランプ４６を用いてＵＶ光（波長は２５０ｎｍ〜４４０ｎｍ）を照射しながら、ワイヤ電極４５に１６ｋＶ〜２０ｋＶの正電圧を印加し、グリッド電極４４に１．５ｋＶ〜３ｋＶの負電圧を印加して分極し、矩形シート３に電荷をトラップさせて圧電・焦電素子１を作成する。なお、グリッド電極４４によるＵＶ光の減衰は３０％以下である。

次に、ＵＶ光を照射したときと照射しないときの圧電・焦電素子１の準静的圧電率ｄ_３３値の試験結果について図３を参照して説明する。
図３は、ＵＶ光を照射したときと照射しないときの圧電・焦電素子１の準静的圧電率ｄ_３３値（ｐＣ／Ｎ）の比較図であり、図３（Ａ）はグリッド電極４４の電圧（Ｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅ（ｋＶ））を変化させたときの圧電・焦電素子１の準静的圧電率ｄ_３３値を示したグラフ、図３（Ｂ）は分極時間（分）を変化させたときの圧電・焦電素子１の準静的圧電率ｄ_３３値を示したグラフである。この試験は、圧電・焦電素子１に圧力を加えた時に発生する準静的圧電率ｄ_３３値を測定したものである。

図３（Ａ）に示すように、ワイヤ電極４５の電圧（Ｃｏｒｏｎａｖｏｌｔａｇｅ（ｋＶ））は２０ｋＶ、分極時間は４分間と一定である。ＵＶ光を照射しない場合、グリッド電極４４の電圧が１．５ｋＶのときの準静的圧電率ｄ_３３値は３４９ｐＣ／Ｎ±１８ｐＣ／Ｎ、グリッド電極４４の電圧が３ｋＶのときの準静的圧電率ｄ_３３値は２９８ｐＣ／Ｎ±８９ｐＣ／Ｎであった。

一方、ＵＶ光を照射した場合、グリッド電極４４の電圧が１．５ｋＶのときの準静的圧電率ｄ_３３値は４５２ｐＣ／Ｎ±１８ｐＣ／Ｎ、グリッド電極４４の電圧が３ｋＶのときの準静的圧電率ｄ_３３値は３７５ｐＣ／Ｎ±４５ｐＣ／Ｎであった。このように、準静的圧電率ｄ_３３値は、ＵＶ光を照射した方がＵＶ光を照射しない方に比べ、約２５％から約３０％上昇しており、ＵＶ光による効果は大であると考えられる。

図３（Ｂ）に示すように、ワイヤ電極４５の電圧（Ｃｏｒｏｎａｖｏｌｔａｇｅ（ｋＶ））は１６ｋＶ、グリッド電極４４の電圧は１．５ｋＶと一定である。ＵＶ光を照射しない場合、分極時間が８分のときの準静的圧電率ｄ_３３値は２６６ｐＣ／Ｎ±４０ｐＣ／Ｎであった。

一方、ＵＶ光を照射した場合、分極時間が２分のときの準静的圧電率ｄ_３３値は３８８ｐＣ／Ｎ±５０ｐＣ／Ｎ、分極時間が８分のときの準静的圧電率ｄ_３３値は４２０ｐＣ／Ｎ±３７ｐＣ／Ｎであった。このように、準静的圧電率ｄ_３３値は、ＵＶ光を照射した方がＵＶ光を照射しない方に比べ、約６０％上昇しており、ＵＶ光による効果は大であると考えられる。

ここで、ＵＶ光の照射による準静的圧電率ｄ_３３値の上昇は次のように推測される。ＵＶ光のエネルギは約２ｅＶ〜６ｅＶであり、圧電・焦電素子１のエネルギバンドに比べるとやや小さい。このため、圧電・焦電素子１の表面にてＵＶ光が吸収されることなく、圧電・焦電素子１の独立気泡２内部にまでＵＶ光が届く。これにより以下の効果が期待できる。すなわち、独立気泡２近傍部で発生したキャリアが放電をアシストする。独立気泡２内に達したＵＶ光が独立気泡２内のガスを励起し放電の発生を容易にする。圧電・焦電素子１の抵抗率を減少させ、独立気泡２に印加される電圧を相対的に上昇させる。これらの効果により、圧電・焦電素子１の分極処理が進行し、圧電性が向上したと推測される。

図４は、本実施形態と従来の圧電・焦電素子の性能差を示す図である。図４では、ＵＶ光を照射したときのＦ−ＦＥＰを使用した圧電・焦電素子、ＵＶ光を照射しないときのＦ−ＦＥＰを使用した圧電・焦電素子、ソリッドのＦＥＰを使用した圧電・焦電素子、ポリ弗化ビリニデン（ＰＶｄＦ）を使用した圧電・焦電素子、多孔質ポリプロピレン（Ｅ−ＰＰ）を使用した圧電・焦電素子それぞれの準静的圧電率ｄ_３３値、剛性、耐環境性、耐熱性について記載した。

図４に示されているように、本実施形態のＵＶ光を照射したときのＦ−ＦＥＰの圧電・焦電素子１は、準静的圧電率ｄ_３３値では上から２番目となっており、最も高い値を示しているのはＥ−ＰＰの圧電・焦電素子である。しかしながら、Ｅ−ＰＰは剛性、耐環境性、耐熱性に難点がある。したがって、本実施形態のＵＶ光を照射したときのＦ−ＦＥＰの圧電・焦電素子１が、圧電性及び剛性が高く、耐環境性、耐熱性に優れていることが分かる。

以上のように、本実施形態の圧電・焦電素子１によれば、複数の独立気泡２を含有する高分子物質で成り、ＵＶ光照射されつつ分極処理されているので、ＵＶ光が独立気泡２内の放電をアシストし、該放電で発生した多くの電荷が独立気泡２内壁に帯電することになり、当該素子１の圧電性を高めることができる。そして、素子１内部に多数存在する気泡２が全て独立しているので、圧縮応力が掛かっても潰れ難く、当該素子１の剛性を高めることができる。

また、上記高分子物質は、ＦＥＰであり、該ＦＥＰにホウ酸アルミニウムや窒化ホウ素等の発泡の核材を混合し、独立気泡２を生成しているので、耐環境性、耐熱性に優れた素子１とすることができ、該素子１に内包される独立気泡２を簡易に生成することができる。

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

本実施形態の圧電・焦電素子を説明する図である。図１の圧電・焦電素子を分極するコロナ放電装置の図である。ＵＶ光を照射したときと照射しないときの圧電・焦電素子の準静的圧電率ｄ_３３値の比較図である。本実施形態と従来の圧電・焦電素子の性能差を示す図である。

符号の説明

１圧電・焦電素子
２独立気泡
３矩形シート
４コロナ放電装置
１１素子上面
１２素子下面
２１気泡上面
２２気泡下面
４１土台
４２側板
４３電極プレート
４４グリッド電極
４５ワイヤ電極

Claims

複数の独立気泡を含有する高分子物質の圧電・焦電素子であって、
紫外線照射されつつ分極処理されていることを特徴とする高分子物質の圧電・焦電素子。
前記高分子物質は、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）であり、該ＦＥＰに発泡の核材を混合し、前記独立気泡を生成したことを特徴とする高分子物質の圧電・焦電素子。