JP2009103483A - Piezoelectric element using piezoelectric composition pressure-sensitive body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は有機高分子中に圧電セラミックス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、圧電セラミックス粉末と、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, 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、先ずカップリング剤と圧電体粉末と塩素化ポリエチレンをロールで混合、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荷が誘起され、この誘起電荷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。また、近年水熱合成されたナノサイズのチタン酸バリウムを用いて、マイクロ波燒結することで、微粒径のセラミックス粒子からなり、50nm程度の微小ドメインを有し、高い圧電性能を示すものが報告されているが、これに関する樹脂との複合圧電体は報告されていない。
しかしながら、上記の非特許文献1の微粒径、微細ドメインを有した圧電セラミックスは、圧電定数が大きいものの、微粒径であるが故に、有機高分子と複合化することが非常に難しく、このために圧電素子としての特性ばらつきも大きくなるという課題があった。また、複合圧電体を形成したとしても、圧電体との前記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。このため、圧電組成物感圧体の内部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、拡散した水蒸気は凝縮して水を生成し、圧電組成物感圧体を構成する圧電セラミックス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, although the piezoelectric ceramic having the fine particle size and the fine domain described in
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、圧力と圧電素子の歪み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, the piezoelectric composition pressure-sensitive body itself softens, and the relationship between the pressure and the distortion of the piezoelectric element changes. Since there is a possibility of detection, there is a problem that a complicated detection circuit is required.
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、耐久性に劣るという課題があった。 In addition, since the tensile strength of the piezoelectric element is reduced by the softening of the piezoelectric element, there is a problem that the durability is inferior.
特に、周期表のI族、II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ス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 I, group II alkali metal or alkaline earth metal of the periodic table has a low specific resistance and is likely to be eluted into water, so that a reduction in electric resistance becomes a problem.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複合圧電体の圧電特性バラツキが大幅に低減され、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圧電素子を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, greatly reduces the variation in piezoelectric characteristics of the composite piezoelectric body, and suppresses changes in electrical characteristics and softening even when used in a high-temperature and high-humidity environment, and is always stable. An object of the present invention is to provide a piezoelectric element that realizes the piezoelectric characteristics and strength.
前記従来の課題を解決するために、本発明の圧電組成物感圧体を用いた圧電素子は、圧電組成物感圧体として、チタンカップリング剤が共有結合することにより被覆層を形成した圧電セラミックス粉末を用い、これと可撓性を有する有機高分子とを混合して得られる。この際、前記圧電セラミックス粉末が概50nm以下のドメインを含んでなり、前記圧電セラミックス粉末の平均粒子径が2μm以下である構成とする。 In order to solve the above-described conventional problems, a piezoelectric element using the piezoelectric composition pressure-sensitive body of the present invention is a piezoelectric element in which a coating layer is formed by covalently bonding a titanium coupling agent as the piezoelectric composition pressure-sensitive body. It is obtained by mixing ceramic powder with a flexible organic polymer using ceramic powder. At this time, the piezoelectric ceramic powder includes a domain of approximately 50 nm or less, and the piezoelectric ceramic powder has an average particle diameter of 2 μm or less.
圧電セラミックス粉末表面に直接チタンカップリング剤が共有結合することによって、圧電セラミックス粉末と有機高分子との相溶性が上がり、これらの複合化の状態が安定化し、圧電素子としての特性バラツキも低減される。また、圧電セラミックス粉末が、微小なドメインを有しているために、高い圧電性能が実現され感度が高くなる。このためノイズも相対的に小さくなり、ノイズを低減するための複雑な回路が必要でなくなる。 By covalently bonding the titanium coupling agent directly to the surface of the piezoelectric ceramic powder, the compatibility between the piezoelectric ceramic powder and the organic polymer is improved, the composite state is stabilized, and the characteristic variation as a piezoelectric element is reduced. The In addition, since the piezoelectric ceramic powder has minute domains, high piezoelectric performance is realized and sensitivity is increased. For this reason, noise becomes relatively small, and a complicated circuit for reducing noise is not necessary.
さらに、圧電素子が高温高湿環境下で用いられ、圧電素子を構成する圧電組成物感圧体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ス粉末には被覆層が形成されているため圧電セラミックス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。 Furthermore, even if the piezoelectric element is used in a high-temperature and high-humidity environment, water is generated by condensation of water vapor in the piezoelectric composition pressure-sensitive body constituting the piezoelectric element. Since the coating layer is formed, the absorption of water into the piezoelectric ceramic powder is suppressed, and an increase in the capacitance and electrical resistance of the piezoelectric element can be prevented.
また、圧電セラミックス粉末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、初期の圧電特性を維持することができる。 In addition, since the piezoelectric ceramic powder does not absorb water, 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, and the initial piezoelectric characteristics can be maintained. .
また、圧電素子を構成する圧電組成物感圧体の軟化を抑制することができるので圧電組成物感圧体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る。 Further, since the softening of the piezoelectric composition pressure-sensitive body constituting the piezoelectric element can be suppressed, a decrease in the tensile strength of the piezoelectric composition pressure-sensitive body 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、微小ドメインを有する圧電セラミックス粉末に被覆層を形成することによって、圧電セラミックス粉末と有機高分子との複合化状態が安定化されるために、高感度で安定な特性が複雑な回路なしで実現でき、さらに、圧電組成物感圧体への水の浸透を抑制されるため初期の電気的特性、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。 In the piezoelectric element using the piezoelectric composition pressure sensitive body of the present invention, the composite state of the piezoelectric ceramic powder and the organic polymer is stabilized by forming a coating layer on the piezoelectric ceramic powder having a micro domain. In addition, highly sensitive and stable characteristics can be realized without complicated circuits, and further, since water penetration into the piezoelectric composition pressure sensitive body is suppressed, changes in the initial electrical characteristics, piezoelectric characteristics, and mechanical tensile strength can be achieved. Can be prevented, and excellent durability and reliability can be realized.
第1の発明は、圧電素子として粒子の表面にチタンカップリング剤が共有結合することにより被覆層が形成された圧電セラミックス粉末と、可撓性を有する有機高分子と、チタンカップリング剤が混合されたものであり、前記圧電セラミックス粉末が概50nm以下のドメインを含んでなり、前記圧電セラミックス粉末の平均粒子径が2μm以下である圧電組成物感圧体であることで構成される。 In the first invention, a piezoelectric ceramic powder in which a coating layer is formed by covalently bonding a titanium coupling agent to a particle surface as a piezoelectric element, a flexible organic polymer, and a titanium coupling agent are mixed. The piezoelectric ceramic powder is composed of a piezoelectric composition pressure-sensitive body comprising a domain having a size of approximately 50 nm or less and an average particle diameter of the piezoelectric ceramic powder of 2 μm or less.
圧電セラミックス粉末が、微小なドメインを有しているために、高い圧電性能が実現され感度が高くなる。このためノイズも相対的に小さくなり、ノイズを低減するための複雑な回路が必要でなくなる。 Since the piezoelectric ceramic powder has minute domains, high piezoelectric performance is realized and sensitivity is increased. For this reason, noise becomes relatively small, and a complicated circuit for reducing noise is not necessary.
また、チタンカップリング剤が共有結合することにより被覆層が形成された圧電セラミックス粉末を用いることで、有機高分子との混練が容易になり、短時間で、その混練状態が飽和するために、得られた複合圧電体の混練による分散状態のバラツキが減少し、圧電定数も安定し、結果的に圧電素子の特性の安定化を実現することができる。 In addition, by using the piezoelectric ceramic powder in which the coating layer is formed by covalently bonding the titanium coupling agent, kneading with the organic polymer is facilitated, and the kneading state is saturated in a short time. The dispersion of the dispersed state due to the kneading of the obtained composite piezoelectric material is reduced, the piezoelectric constant is also stabilized, and as a result, the characteristics of the piezoelectric element can be stabilized.
また、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ス粉末に被覆層を形成しているため、圧電セラミックス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。 In addition, even when the piezoelectric element is used in a high-temperature and high-humidity environment, even if water vapor is generated by the piezoelectric composition pressure-sensitive body constituting the piezoelectric element, the piezoelectric ceramic powder in the piezoelectric composition pressure-sensitive body is coated. Since the layer is formed, the absorption of water into the piezoelectric ceramic powder is suppressed, and an increase in the capacitance and electrical resistance of the piezoelectric element can be prevented. As a result, the initial electrical characteristics of the piezoelectric element can be maintained, and excellent durability and reliability can be realized.
また、圧電セラミックス粉末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、常に初期の高い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 the piezoelectric ceramic powder does not absorb water, 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, and the initial high piezoelectric characteristics can always be maintained. Can do. 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、圧電素子を構成する圧電組成物感圧体の軟化を抑制することができるので圧電組成物感圧体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、信頼性を実現することができる。 Moreover, since the softening of the piezoelectric composition pressure-sensitive body constituting the piezoelectric element can be suppressed, a decrease in the tensile strength of the piezoelectric composition pressure-sensitive body can be prevented, the initial strength can be maintained, and excellent durability can be maintained. And reliability can be realized.
第2の発明は、特に、第1の発明の被覆層として、蒸留水に対する接触角が130°以上の材料を用いることにより、特に優れた耐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 the second invention, in particular, by using a material having a contact angle with distilled water of 130 ° or more as the coating layer of the first invention, particularly excellent water resistance can be realized. Changes in electrical characteristics, piezoelectric characteristics, and mechanical strength can be further reduced, and more excellent durability and reliability of the piezoelectric element can be realized.
第3の発明は、特に、第1または第2の発明の被覆層を単分子層とすることにより、被覆層の厚みを数nmレベルの超薄膜とすることができるので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、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。また、被覆層を単分子層とすることでチタンカップリング剤の使用量を少なくすることができるので圧電素子の低コスト化が図れる。 In the third invention, in particular, by forming the coating layer of the first or second invention as a monomolecular layer, the thickness of the coating layer can be made an ultra-thin film of several nanometers level, so that piezoelectric characteristics can be expressed. The voltage drop that occurs in the monomolecular layer during the poling process in which a high DC voltage is applied can be reduced, the poling efficiency can be improved, and the processing time can be shortened or excellent piezoelectric characteristics can be realized. Moreover, since the amount of the titanium coupling agent used can be reduced by making the coating layer a monomolecular layer, the cost of the piezoelectric element can be reduced.
第4の発明は、特に、第1〜第3の発明の被覆層を形成した圧電セラミックス粉末を周期表第I族の元素、周期表II属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I族の元素、周期表II属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、圧電セラミックス粉末に含有するこれらアルカリ、アルカリ土類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。 The fourth invention is particularly a compound having a perovskite structure containing at least one element of Group I of the Periodic Table and Group II of the Periodic Table of the piezoelectric ceramic powder on which the coating layers of the first to third inventions are formed. By nature, alkali metals and alkaline earth metals of Group I of the periodic table and elements of Group II of the periodic table are easily eluted by water, but these alkali and alkaline earth components contained in the piezoelectric ceramic powder Can be suppressed, so that a significant decrease in electrical resistance can be suppressed.
第5の発明は、特に、第1〜第4の発明の被覆層を形成した圧電セラミックス粉末を主成分がチタン酸バリウムを含む化合物とすることにより、特に高感度化が実現されるとともに、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、環境を汚染することがない。また、圧電セラミックス粉末に被覆層を設け、圧電セラミックス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 fifth invention, in particular, the piezoelectric ceramic powder on which the coating layers of the first to fourth inventions are formed is a compound containing a barium titanate as a main component. Even if the device is disposed of and exposed to the environment such as acid rain, lead is not eluted and the environment is not polluted. Further, since the piezoelectric ceramic powder is provided with a coating layer to prevent the elution of the piezoelectric ceramic powder components, the elution of metals other than lead can be suppressed and the safety can be further improved.
第6の発明は、特に、第1〜第5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 sixth invention, in particular, by using the flexible organic polymer of the first to fifth inventions 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7の発明は、特に、第6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ス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 the seventh invention, in particular, the content of the piezoelectric ceramic powder in the piezoelectric composition pressure-sensitive body is obtained by using the thermoplastic elastomer of the sixth invention as at least one material of chlorinated polyethylene and chlorosulfonated polyethylene. Therefore, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element can be improved.
第8の発明は、特に、第1〜第7の発明のチタンカップリング剤を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種を含む材料とすることにより、圧電セラミックス粉末と有機高分子との混練性(混合・分散)を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 eighth invention, in particular, by using the titanium coupling agent of the first to seventh inventions as a material containing at least one of isopropoxytriisostearoyl titanate and isopropoxytris (dioctyl pyrophosphate) titanate, The kneadability (mixing / dispersion) between the piezoelectric ceramic powder and the organic polymer can be improved, so that 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. And can be easily molded into an arbitrary shape such as a sheet shape or a cable shape.
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圧電素子の断面図である。図1において、シート状圧電素子はシート状の圧電組成物感圧体1の両面に電極2を形成して構成される。
(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
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はチタンカップリング剤が共有結合することにより被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3と可撓性を有する有機高分子4とから構成され、被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3が有機高分子4と均一に分散された状態にある。このとき、被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3のうち、被覆層を除いた圧電セラミックス(下記図3の圧電セラミックス粉末B5)の平均粒径が2μm以下であること及び、50nm程度以下の微小ドメインを有することが特長である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a partial cross section of the piezoelectric composition pressure-
図3は、チタンカップリング剤が共有結合することにより被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3の1つ粒子の断面を示す模式図である。図3において、圧電セラミックス粉末A3は、圧電セラミックス粉末B5の表面に被覆層6が形成されている。露わには示されていないが、図2同様、圧電セラミックス粉末B5は、50nm程度以下の微小ドメインを有している。また、その平均粒径が2μm以下であることが特徴である。
FIG. 3 is a schematic view showing a cross section of one particle of piezoelectric ceramic powder A3 having a coating layer formed by covalent bonding of a titanium coupling agent. In FIG. 3, the piezoelectric ceramic powder A3 has a
第1の実施の形態におけるシート状圧電素子は以下のように作製される。先ず、圧電セラミックス粉末B5を、適切な溶媒で希釈して所定の濃度に調整したチタンカップリング剤を含む溶液に浸漬して乾燥するか、または圧電セラミックス粉末B5を所定量の液体のチタンカップリング剤と高速ミキサで混合することによって被覆層6を形成し、さらに高温で処理することにより、被覆層6のチタンカップリング剤と圧電セラミックスの間に共有結合を形成する。ここで用いたチタンカップリング剤を含めて、一般的なチタンカップリング剤は、アルコキシ基がチタンに結合した形をしており、共有結合形成時には、このアルコキシ基と圧電セラミックス粉末上の水酸基とから、対応するアルコールが脱離して、金属−酸素−チタンの共有結合を形成する。また、共有結合形成時には、酸、塩基等の
触媒を用いることもできる。また、形成された共有結合は、200℃程度までは安定であり、高温環境での劣化は小さい。
The sheet-like piezoelectric element in the first embodiment is manufactured as follows. First, the piezoelectric ceramic powder B5 is dipped in a solution containing a titanium coupling agent diluted to a predetermined concentration by dilution with a suitable solvent and dried, or the piezoelectric ceramic powder B5 is subjected to a titanium coupling of a predetermined amount of liquid. The
次に、被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3と可撓性を有する有機高分子4とニーダーやロールなどの加工機を用い、被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3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が作製される。尚、この混練工程時に、さらにチタンカップリング剤を混合してもよい。
Next, the piezoelectric ceramic powder A3 on which the coating layer is formed, the organic polymer 4 having flexibility, and a processing machine such as a kneader or a roll, and the piezoelectric ceramic powder A3 on which the coating layer is formed have flexibility. After kneading so that the organic polymer 4 is uniformly mixed and dispersed, it is processed using a processing machine such as a roll or a hot press to produce a sheet-shaped piezoelectric composition pressure-
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の塗布、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の融着、導電性材料の蒸着のいずれかの材料と形成方法によって電極2を形成する。
Application of conductive paste or conductive paint in which conductive powder and organic polymer are mixed on both surfaces of the sheet-like piezoelectric composition pressure-
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2間に直流高電圧を印加してポーリング処理を行い、シート状圧電素子を作製する。
Thereafter, a poling process is performed by applying a DC high voltage between the
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.
圧電素子の圧電特性は、前述したように電極2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、電極2間にはその部分に生じる加速度に応じた振動電荷が誘起される。この誘起電荷を利用して圧力を検出することができる。したがって、本発明の圧電素子は自動車ドアに設置し、挟み込みを検知するセンサや介護ベッドなどに設置し、体動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 piezoelectric element are manifested by applying a high DC voltage between the
圧電セラミックス粉末B5が、50nm程度以下の微小なドメインを形成しているために、圧電定数d33が大きくなり、上記の振動電荷も増大する。この結果、感度が上昇し、相対的にノイズが減少するために、ノイズ低減のための特別な回路が不要となる効果が得られる。 Since the piezoelectric ceramic powder B5 forms minute domains of about 50 nm or less, the piezoelectric constant d33 increases, and the vibration charge increases. As a result, the sensitivity is increased and the noise is relatively reduced, so that an effect that a special circuit for noise reduction is unnecessary is obtained.
また、圧電セラミックス粉末B5に被覆層6を形成することにより、圧電セラミックス粉末B5の表面に疎水性を発現させることができる。このため、もともと疎水性を有する有機高分子との相溶性が良好となり、両者の混練性が向上し、混練加工時間の短縮化など生産性を向上させることができる。また、本発明の圧電セラミックス粒子のように非常に小さな粒径を有している場合、混練は可能な場合でも、その状態が不安定になり易い。ところが、本実施の形態にように、チタンカップリング剤を圧電セラミックスに共有結合させることにより、格段に混練状態が改善され、得られる圧電素子の特性も顕著に安定化される。この際、有機高分子中にもカップリング剤が含まれれば、高分子と圧電セラミックスとの相溶性がさらに高くなり前記の効果はさらに大となる。
Further, by forming the
一方、前述のような感圧センサは、屋外で振動または感圧センサとして使用される場合や、自動車用のセンサとして搭載される場合であれば夏場の雨天などによる高温水蒸気環境、介護ベッドであれば失禁や汗による多湿環境、また寝具として衛生保持するための洗濯など高温高湿の環境下で使用される可能性が高い。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、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、この水によって圧電組成物感圧体を構成する圧電セラミックス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、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、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。特に、圧電セラミックスの粒子径が小さいときに上記の湿度の影響が顕著になり、例えば平均粒子径が2μm以下のような場合には、表面積が大きくなるため、吸湿が進み易くなる。
On the other hand, pressure sensors such as those described above may be used in outdoor environments such as vibration or pressure sensors, or in high-temperature steam environments due to rain in summer, nursing beds, etc. For example, it is highly likely to be used in a humid environment such as incontinence or sweat, or in a high-temperature and high-humidity environment such as washing for keeping hygiene as bedding. 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 inside the piezoelectric element. When the temperature of the piezoelectric composition pressure-sensitive body is lower than the outside or when the water vapor is supersaturated on the surface of the piezoelectric composition pressure-sensitive body, the diffused water vapor is condensed and water is generated. A phenomenon occurs in which components and impurities of the piezoelectric ceramic powder constituting the pressure body are eluted. As a result, there is a problem that the electrical characteristics such as an increase in the capacitance of the piezoelectric element and a decrease in the electrical resistance occur, resulting in poor durability and, when used as a sensor, for detection and control. It is necessary to make the circuit adaptable to the initial change in electrical characteristics, and the circuit has a complicated configuration. In particular, when the particle diameter of the piezoelectric ceramic is small, the above-mentioned influence of humidity becomes significant. For example, when the average particle diameter is 2 μm or less, the surface area becomes large, so that moisture absorption easily proceeds.
しかしながら、本発明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ス粉末B5にチタンカップリング剤が共有結合して形成される被覆層6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圧電組成物感圧体1への水の浸透と圧電セラミックス粉末B5の成分や不純物の溶出が抑制され、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、また、熱的にも安定である。その結果、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。
However, in the piezoelectric element of the present invention, the piezoelectric composition pressure-sensitive body is formed by forming the
また、従来の圧電素子は水を吸収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、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が、本発明の圧電素子を感圧センサとして使用した場合は、圧電セラミックス粉末B5を被覆している被覆層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、圧電特性の変化に応じた信号処理を必要としないため高い信頼性を実現できる。
In addition, when a conventional piezoelectric element absorbs water, the piezoelectric composition pressure-sensitive body softens, and the relationship between the pressure and the distortion of the piezoelectric element changes. Therefore, signal processing according to the change in the softness of the piezoelectric element is necessary. Although there is a possibility of erroneous detection, when the piezoelectric element of the present invention is used as a pressure-sensitive sensor, water is absorbed into the piezoelectric composition pressure-
また、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自身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-
また、被覆層6は、蒸留水に対する接触角が130°以上のものが高温高湿環境下で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ことができる。これは、蒸留水に対する接触角が130°以上のチタンカップリング剤であれば、温度が高い環境下でも凝縮した水に対して高い耐水性を得ることができると考えられる。望ましくは超撥水である蒸留水に対する接触角が150°以上のものがよい。
Further, the
圧電セラミックスB5にチタンカップリング剤を共有結合させることで、被覆層6の蒸留水に対する接触角を130°以上にすることが可能である。
By covalently bonding a titanium coupling agent to the piezoelectric ceramic B5, the contact angle of the
また、チタンカップリング剤の被覆層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、被覆層6を単分子の層とすることでカップリング剤の使用量を著しく少なくすることができるので圧電素子の低コスト化を図ることができる。
Moreover, the
なお、チタンカップリング剤を共有結合させた被覆層6は、先ず、圧電セラミックス粉末B5を、適切な溶媒で希釈して所定の濃度に調整したチタンカップリング剤を含む溶液に浸漬して乾燥するか、または圧電セラミックス粉末B5を所定量の液体のチタンカップ
リング剤と高速ミキサで混合することによって被覆層6を形成し、さらに高温で処理することにより、被覆層6のチタンカップリング剤と圧電セラミックスB5の間に共有結合を形成することで得られる。
The
また、チタンカップリング剤としては、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。 Moreover, as a titanium coupling agent, 1 type may be used independently and 2 or more types may be used in combination.
本発明に用いられる概50nm以下のドメインを有する圧電セラミックス粉末B5としては、水熱合成で作製された100nm程度の粉末を、マイクロ波焼成した粉末を好適に用いることができる。この際得られる、セラミックス粉末の粒子径は微細なものとなり、平均粒子径が2μm以下となる。 As the piezoelectric ceramic powder B5 having a domain of approximately 50 nm or less used in the present invention, a powder obtained by microwave firing of a powder of about 100 nm produced by hydrothermal synthesis can be suitably used. The particle size of the ceramic powder obtained at this time is fine, and the average particle size is 2 μm or less.
また、本発明に用いられる圧電セラミックス粉末B5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ス材料が挙げられる。 Further, the compound of the piezoelectric ceramic powder B5 used in the present invention is a compound having a perovskite structure such as lead titanate, lead zircon, lead zirconate titanate, bismuth / 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ス粉末B5は、水などの電解質と接触すると、圧電セラミックス粉末B5の成分や圧電セラミックス粉末B5に含有する不純物が溶出する。特に、周期表第I族の元素、周期表II属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、アルカリ土類成分を含むため、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ス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より低くなり、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 B5 come into contact with an electrolyte such as water, the components of the piezoelectric ceramic powder B5 and impurities contained in the piezoelectric ceramic powder B5 are eluted. In particular, a compound having a perovskite structure including at least one element of Group I of the periodic table and Group II of the periodic table, particularly compounds of bismuth / sodium titanate, barium titanate, sodium niobate, and potassium niobate are water. In the environment under high temperature and high humidity, the elution of the alkaline component is large and the change in electrical characteristics is large. In addition, piezoelectric ceramics containing alkali components have a lower specific resistance than, for example, lead zirconate titanate. Therefore, when the alkali components are eluted, the absolute value of the electrical resistance is lower, and a constant voltage is always applied to the piezoelectric element. Therefore, there is a possibility that the circuit configuration for detecting pressure cannot be used as a pressure-sensitive sensor.
本発明では、アルカリ、アルカリ土類成分を含む周期表第I族の元素、周期表II属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ス粉末B5に被覆層6を形成しているのでアルカリ、アルカリ土類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、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 invention, a compound having a perovskite structure including at least one element of Group I of the Periodic Table and elements of Group II of the Periodic Table including alkali and alkaline earth components, and the main component is bismuth sodium titanate, barium titanate Since the
また、圧電セラミックス粉末B5の化合物が、周期表第I族の元素、周期表II属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の主成分がチタン酸バリウムであることで、特に圧電定数が高く高感度な圧電素子が得られるとともに、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、環境を汚染することがない。また、圧電セラミックス粉末B5に被覆層6を設け、圧電セラミックス粉末B5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。
In addition, the piezoelectric ceramic powder B5 compound is composed of barium titanate as a main component of a compound having a perovskite structure including at least one element of Group I of the periodic table and Group II of the periodic table. In addition, a high-sensitivity piezoelectric element with high sensitivity can be obtained, and even if the piezoelectric element is disposed of and exposed to an environment such as acid rain, lead is not eluted and the environment is not contaminated. In addition, since the
本発明の電極2は、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1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を用いることができる。
The
本発明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。 Examples of the flexible organic polymer 4 used in the present invention include a material containing at least one of a thermoplastic elastomer and rubber. Since these organic polymers 4 having flexibility can impart excellent elasticity and flexibility to the piezoelectric element, the piezoelectric element can obtain a large repulsive force and displacement with respect to the applied pressure. 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中の被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3の含有量を増加させ、結果的に圧電セラミックス粉末B5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 particular, as the above-mentioned thermoplastic elastomer, chlorinated polyethylene and chlorosulfonated polyethylene increase the content of the piezoelectric ceramic powder A3 on which the coating layer in the piezoelectric composition pressure-
本発明の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、ジイソプロポキシジ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)チタネートとの他、高速ミキサによる圧電セラミックスとの均一被覆の容易さから、溶液化のための溶媒を必要としない液体のチタンカップリング剤を好適に用いることが好ましい。 In addition to isopropoxy triisostearoyl titanate, isopropoxy tris (dioctyl pyrophosphate) titanate, diisopropoxy diisostearoyl titanate, isopropoxy tris (dioctyl pyrophosphate) titanate as the titanium coupling agent of the present invention, high-speed mixer It is preferable to use a liquid titanium coupling agent that does not require a solvent for solution from the viewpoint of easy uniform coating with piezoelectric ceramics.
可撓性を有する有機高分子4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、被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3との相溶性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。 When chlorinated polyethylene or chlorosulfonated polyethylene is used as the organic polymer 4 having flexibility, the compatibility with the piezoelectric ceramic powder A3 on which the coating layer is formed is further improved, so that the kneading time is shortened. In addition, the piezoelectric characteristics can be improved, the piezoelectric characteristics can be stabilized, and the flexibility can be improved, and it can be easily molded into an arbitrary shape such as a sheet shape or a cable shape.
なお、上記の相溶性が良い理由は、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。 The reason why the compatibility is good is that the SP value (solubility parameter) of isopropoxytriisostearoyl titanate and 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.
(実施の形態2)
図4は、本発明の第2の実施の形態におけるシート状圧電素子の断面図である。図4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と電極2を保護する保護層7を設けた点である。なお、第1の実施の形態と同一部材には同じ符号を付けている。図4に示すように、圧電組成物感圧体1の両面に電極2を形成した後、圧電組成物感圧体1と電極2を覆う保護層7を設けた構成している。保護層7は圧電組成物感圧体1や電極2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7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。保護層7は、前述の有機高分子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、挟むことによって圧電組成物感圧体1と電極2を被覆する。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a cross-sectional view of the sheet-like piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention. 4 differs from the first embodiment in that a
本実施の形態でも、実施の形態1同様、圧電セラミックス粉末B5が、50nm程度以下の微小なドメインを形成しているために、圧電定数d33が大きくなり、感度が上昇して、相対的にノイズが減少するために、ノイズ低減のための特別な回路が不要となる効果が得られる。 Also in this embodiment, since the piezoelectric ceramic powder B5 forms a minute domain of about 50 nm or less as in the first embodiment, the piezoelectric constant d33 is increased, the sensitivity is increased, and the noise is relatively increased. As a result, a special circuit for reducing noise is not required.
また、実施の形態1と同様に、圧電セラミックス粉末B5に被覆層6を形成することにより、圧電セラミックス粒子が非常に小さな粒径を有しているにもかかわらず、混練状態が改善され、得られる圧電素子の特性も顕著に安定化される。
Similarly to the first embodiment, by forming the
上記構成の圧電素子が第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、保護層7が存在するため、水蒸気の圧電組成物感圧体1への拡散量を少なくすることができるが、保護層7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7の厚みが2mm以下レベルでは完全に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水蒸気が凝縮して圧電組成物感圧体1の表面に水が生成する。しかしながら、圧電組成物感圧体1を構成する圧電セラミックス粉末B5に被覆層6を形成しているので圧電組成物感圧体1への水の浸透が抑制され、圧電セラミックス粉末B5の成分の溶出を低減することができ、第1の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
When the piezoelectric element having the above configuration is used in a high-temperature and high-humidity environment as in the first embodiment, since the
(実施の形態3)
図5は、本発明の第3の実施の形態におけるケーブル状圧電素子の一部断面図である。図5において、ケーブル状圧電素子は芯電極8の外表面に可撓性の圧電組成物感圧体9を形成し、この圧電組成物感圧体9の外表面に可撓性外電極10を形成し、さらに電気絶縁性の弾性体からなる保護層11を形成している。
(Embodiment 3)
FIG. 5 is a partial cross-sectional view of a cable-like piezoelectric element according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, the cable-shaped piezoelectric element has a flexible piezoelectric composition pressure-sensitive body 9 formed on the outer surface of the
芯電極8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9は、前述の第1の実施の形態で述べた材料が用いられる。
The
可撓性外電極10は、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9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9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。
The flexible
保護層11は、第2の実施の形態で述べた保護層7と同じ材料が用いられ、この材料の押出成型により形成される。
The protective layer 11 is made of the same material as the
第3の実施の形態におけるケーブル状圧電素子は以下のように作製される。先ず、圧電セラミックス粉末B5と、チタンカップリング剤とを高速ミキサで混合し、さらに高温で処理することにより、圧電セラミックス粉末B5に被覆層6を形成し、被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3を作製する。被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3と可撓性を有する有機高分子4をニーダーやロールなどの加工機を用い、被覆層を形成された圧電セラミックス粉末A3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を行なった後、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、さらに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。次に、芯電極8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8の周囲に圧電組成物感圧体9を形成する。次に、ケーブル状の圧電組成物感圧体9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巻回するか、C、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少な
くとも1種の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により形成するか、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)を塗布するか、C、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種の導電性材料を真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの方法で形成した薄膜を形成するかのいずれかによって可撓性外電極10を形成する。さらに、電気絶縁性の弾性体を押出成型の加工機を用いて保護層11を形成する。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8と可撓性外電極10の間に直流高電圧を印加してポーリング処理を行う。なお、保護層11は前述のポーリング処理を行った後、設けてもよい。
The cable-like piezoelectric element according to the third embodiment is manufactured as follows. First, the piezoelectric ceramic powder B5 and the titanium coupling agent are mixed with a high-speed mixer and further processed at a high temperature to form the
このようにして作製された圧電ケーブルセンサは、その一端の保護層11と圧電組成物感圧体9を取り除き、芯電極8と可撓性外電極10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。
The piezoelectric cable sensor thus manufactured is connected to the control circuit by removing the protective layer 11 and the piezoelectric composition pressure-sensitive body 9 at one end and exposing the
以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.
圧電素子の圧電性は、芯電極8と可撓性外電極10の間に直流電圧を印加し、圧電組成物感圧体9をポーリング処理することにより発現する。圧電組成物感圧体9に圧電性を発現することにより、ケ−ブル状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8と可撓性外電極10間には、その部分のケーブル状圧電素子に生じる加速度に応じた振動電荷が誘起される。この誘起電荷を利用して圧力を検出することができる。
The piezoelectricity of the piezoelectric element is manifested by applying a DC voltage between the
本実施の形態でも、実施の形態1同様、圧電セラミックス粉末B5が、50nm程度以下の微小なドメインを形成しているために、圧電定数d33が大きくなり、感度が上昇して、相対的にノイズが減少するために、ノイズ低減のための特別な回路が不要となる効果が得られる。 Also in this embodiment, since the piezoelectric ceramic powder B5 forms a minute domain of about 50 nm or less as in the first embodiment, the piezoelectric constant d33 is increased, the sensitivity is increased, and the noise is relatively increased. As a result, a special circuit for reducing noise is not required.
また、実施の形態1と同様に、圧電セラミックス粉末B5に被覆層6を形成することにより、圧電セラミックス粒子が非常に小さな粒径を有しているにもかかわらず、混練状態が改善され、得られる圧電素子の特性も顕著に安定化される。
Similarly to the first embodiment, by forming the
上記構成のケーブル状圧電素子が第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11が存在するため、水蒸気の圧電組成物感圧体9への拡散量を少なくすることができるが、保護層11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11で完全に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可撓性外電極10を通過し、圧電組成物感圧体9の表面で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9を構成する圧電セラミックス粉末B5はチタンカップリング剤と共有結合を形成した被覆層6を有しているので水の浸透が抑制され、圧電セラミックス粉末B5の成分の溶出を低減することができ、第1の実施の形態と同様な作用と効果を得ることができる。
When the cable-shaped piezoelectric element having the above-described configuration is used as a pressure-sensitive sensor in a high-temperature and high-humidity environment as in the first embodiment, the protective layer 11 is present. However, since the gap of the three-dimensional network molecular structure of the protective layer 11 is larger than the size of one molecule of water vapor, the protective layer 11 can completely prevent the diffusion of water vapor. In the same manner as in the first embodiment, water passes through the flexible
なお、ケーブル状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用のセンサや、自動車のドアなどに組み込まれる挟み込みを検知のセンサとして最も適している。 The cable-shaped piezoelectric element is flexible and has a cable shape, so that it can be used for arrangements including bent portions and space-saving arrangements with limited mounting widths, and high temperature and high Even when used in a humid environment, it has excellent characteristics capable of maintaining the initial electrical characteristics, piezoelectric characteristics, and mechanical strength. Therefore, it is most suitable as an outdoor sensor that requires such arrangement conditions and characteristics, or a sensor for detecting pinching incorporated in an automobile door or the like.
また、介護用ベッドなどの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るので、また、ベッドのような寝具特有の使用環境、例えば使用中の失禁や汗、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。
The body motion sensor used for a nursing bed or the like needs to ensure detection of a large area, but the cable-like piezoelectric element of the present invention is arranged to meander on the bed, so In addition, it is possible to detect the body movement for a nursing bed in consideration of the usage environment peculiar to bedding such as a bed, for example, incontinence during use, sweat, and laundry for washing hygiene. It is an optimal configuration as a sensor.
(実施例1)
圧電セラミックス粉末として平均粒子径が約1.5μmのチタン酸バリウムを用い、下記に述べるチタンカップリング剤により、圧電セラミックス粉末の表面に以下の被覆層を形成し、撥水処理された圧電セラミックス粉末を作製した。また、上記圧電セラミックスは、SEM観察により50nm程度のドメインが形成されていることが確認された。
(Example 1)
Piezoelectric ceramic powder using barium titanate with an average particle diameter of about 1.5 μm as the piezoelectric ceramic powder, and having the following coating layer formed on the surface of the piezoelectric ceramic powder with the titanium coupling agent described below, and being water-repellent. Was made. Further, it was confirmed by SEM observation that a domain of about 50 nm was formed in the piezoelectric ceramic.
具体的には、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、このチタンカップリング剤を圧電セラミックス粉末に対して1.5wt%を高速ミキサで混合し、さらに180℃で1時間処理した。 Specifically, isopropoxy triisostearoyl titanate was used as a titanium coupling agent, 1.5 wt% of this titanium coupling agent was mixed with a piezoelectric ceramic powder with a high-speed mixer, and further treated at 180 ° C. for 1 hour. .
次に、圧電セラミックス粉末が約60体積%、塩素化ポリエチレンが約35体積%となるように、被覆層を形成された圧電セラミックス粉末と可撓性を有する有機高分子として塩素化ポリエチレンとロール機で混練し、圧電組成物感圧体を作製し、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作製した。 Next, the piezoelectric ceramic powder in which the coating layer is formed so that the piezoelectric ceramic powder is about 60% by volume and the chlorinated polyethylene is about 35% by volume, and chlorinated polyethylene as a flexible organic polymer and a roll machine. Were kneaded to prepare a piezoelectric composition pressure-sensitive body, and a piezoelectric composition pressure-sensitive sheet having a thickness of about 0.5 mm was prepared 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10個作製した。 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. A poling process was performed by applying a DC high voltage between the electrodes in air at 100 ° C. to produce 10 sheet-like piezoelectric elements having a width of 20 mm and a length of 120 mm.
以上のように作製したシート状圧電素子について、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20時間実施し、その前後で、感度に相当する圧電定数をd33メータ(ピエゾメータシステム PM300/ピエゾテスト社)により評価した。 The sheet-like piezoelectric element produced as described above was subjected to a high-temperature and high-humidity test for 20 hours using a high-temperature and high-humidity tank at 85 ° C. and a relative humidity of 85%. Evaluation was carried out using a d33 meter (piezometer system PM300 / Piezo Test).
(比較例1)
また、比較のため、前述の高速ミキサにより圧電セラミックス粉末にチタンカップリング剤の被覆層を形成したが、高温処理を行わないために、共有結合が形成されず、ファンデルワールス力により保持された圧電セラミックス粉末を用いて、同様なシート状圧電素子も作製し、同様に試験を実施した。
(Comparative Example 1)
For comparison, a coating layer of a titanium coupling agent was formed on the piezoelectric ceramic powder by the above-described high-speed mixer, but since no high-temperature treatment was performed, no covalent bond was formed, and the coating was held by van der Waals force. Using a piezoelectric ceramic powder, a similar sheet-like piezoelectric element was also produced and tested in the same manner.
(比較例2)
また、比較のために圧電体粉末として平均粒径3.5μmで、SEM観察により、100nm以下の微細ドメインを有さないチタン酸バリウム粉末を用いた他は、比較例1と同様にしてシート状圧電素子を作製し、試験を実施した。
(Comparative Example 2)
For comparison, a sheet-like material was used in the same manner as in Comparative Example 1 except that barium titanate powder having an average particle size of 3.5 μm and not having a fine domain of 100 nm or less was used as a piezoelectric powder. A piezoelectric element was fabricated and tested.
実施例の被覆層を形成した圧電セラミックス粉末は、ヘキサンによる溶媒抽出で約30%のチタンカップリング剤が圧電セラミックスに残り、これらが圧電セラミックス表面に共有結合していることが分かった。これに対し、比較例の場合は、同じ抽出作業で、全てのチタンカップリング剤が抽出され、共有結合ではなくファンデアワールス力で圧電セラミックスに保持されていることがわかった。 It was found that about 30% of the titanium coupling agent remained in the piezoelectric ceramic after the solvent extraction with hexane, and these were covalently bonded to the surface of the piezoelectric ceramic. On the other hand, in the case of the comparative example, it was found that all the titanium coupling agents were extracted by the same extraction operation and were held by the piezoelectric ceramics by van der Waals force, not by covalent bonds.
高温高湿試験前の圧電定数d33(実施例1の平均値を100とした相対値で示した。)と、各10個作製した圧電素子のd33とそのCv値は順に、実施例1、比較例1、比較例2の順に、(圧電定数d33(相対値)、d33のCv値)=(100、3%)、(
41、20%)、(48%、7%)であった。
The piezoelectric constant d33 before the high-temperature and high-humidity test (represented as a relative value with the average value of Example 1 being 100), d33 of each of the 10 produced piezoelectric elements, and their Cv values were compared with Example 1 in order. In order of Example 1 and Comparative Example 2, (piezoelectric constant d33 (relative value), Cv value of d33) = (100, 3%), (
41, 20%), (48%, 7%).
実施例の圧電定数d33のCv値が小さいのは、チタンカップリング剤が、圧電セラミックス表面に強固で安定に共有結合して被覆層を形成しているために、混練分散状態が安定となり、混練も容易に進むことで、バラツキが小さくなったと考えられる。また、比較例1の圧電定数d33が実施例よりも低くなるのは、混練分散状態にバラツキが生じるために、混練時に微細気泡を形成する等して、ポーリング処理で圧電体セラミックスに効果的に電圧が印加されず、残留分極が小さくなったためではないかと考えられる。 The Cv value of the piezoelectric constant d33 of the example is small because the titanium coupling agent is firmly and stably covalently bonded to the surface of the piezoelectric ceramic to form a coating layer, so that the kneading and dispersion state becomes stable, and the kneading and mixing are stable. However, it is thought that the variation was reduced by proceeding easily. Also, the piezoelectric constant d33 of Comparative Example 1 is lower than that of the example because the kneading and dispersion state varies, so that fine bubbles are formed at the time of kneading. This is probably because no voltage was applied and the remanent polarization was reduced.
また、実施例1の圧電定数d33が、比較例2に比べて大きいのは、実施例1で用いた圧電セラミックス粉末が50nm以下の微細なドメインを有するために、圧電セラミックス自体の圧電定数d33が上昇したためと考えられる。 Also, the piezoelectric constant d33 of Example 1 is larger than that of Comparative Example 2 because the piezoelectric ceramic powder used in Example 1 has a fine domain of 50 nm or less, so that the piezoelectric constant d33 of the piezoelectric ceramic itself is large. This is thought to be due to the rise.
また、実施例1では、高温高湿試験後の、圧電定数d33が、9%の増加であったのに対し、比較例1、比較例2では順に、26%、38%増加した。 In Example 1, the piezoelectric constant d33 after the high-temperature and high-humidity test increased by 9%, whereas in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, they increased by 26% and 38%, respectively.
これは、比較例1,2では、チタンカップリング剤が圧電セラミックス粉末にファンデアワールス力のみで保持されていたために、混練時に圧電体表面から塩素化ポリエチレン中に拡散したことと、また、もともとファンデアワールス力の結合力が弱いために、水蒸気の侵入防止の効果が小さくなったためと考えられる。圧電定数の増加は、水蒸気の侵入による塩素化ポリエチレンの軟化により、相対的に圧電セラミックスに外部からの圧力が伝わりやすくなったためと考えられる。 In Comparative Examples 1 and 2, since the titanium coupling agent was held in the piezoelectric ceramic powder only by van der Waals force, it was diffused from the surface of the piezoelectric body into the chlorinated polyethylene during the kneading. This is considered to be because the effect of preventing the invasion of water vapor is reduced because the binding force of the van der Waals force is weak. The increase in the piezoelectric constant is considered to be due to the pressure from the outside being relatively easily transmitted to the piezoelectric ceramic due to the softening of the chlorinated polyethylene due to the penetration of water vapor.
これに対し、実施例1では、チタンカップリング剤が、圧電セラミックス粉末に共有結合しているために、混練時に拡散することがなく、また、圧電セラミックス粉末との結合も強固であるため、水蒸気の侵入が抑制できたためと考えられる。圧電定数の増加が抑制されたのは、水蒸気の侵入による塩素化ポリエチレンの軟化の程度が小さく、圧電セラミックスへの外部からの圧力が伝わりやすさがあまり変化しなかったためと考えられる。 On the other hand, in Example 1, since the titanium coupling agent is covalently bonded to the piezoelectric ceramic powder, it does not diffuse during kneading, and the bond with the piezoelectric ceramic powder is strong. This is thought to be due to the fact that it was possible to suppress the intrusion. The increase in the piezoelectric constant was suppressed because the degree of softening of the chlorinated polyethylene due to the invasion of water vapor was small, and the ease with which the external pressure was transmitted to the piezoelectric ceramic did not change much.
以上のように、特性に差があるがチタンカップリング剤が圧電セラミックス粉末に共有結合して被覆層を形成することにより、圧電素子の電気的特性(圧電性能)の湿度による変化を抑制し、耐久性に優れるとともに、高い圧電定数を有し高感度な圧電素子を得ることができる。 As described above, there is a difference in characteristics, but the titanium coupling agent is covalently bonded to the piezoelectric ceramic powder to form a coating layer, thereby suppressing changes in the electrical characteristics (piezoelectric performance) of the piezoelectric element due to humidity, A highly sensitive piezoelectric element having excellent durability and high piezoelectric constant can be obtained.
以上のように、本発明にかかる圧電素子は、高感度であるために相対的にノイズが低減され、ノイズを低減するための回路が不要となる効果が得られる。また、圧電セラミックスと有機高分子との混練状態が安定となるために、安定した圧電特性が得られる効果が得られる。さらに、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る。以上により、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自動車のドアやウィンドウの挟み込みを防止する感圧センサや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など幅広い用途に適用できるものである。 As described above, since the piezoelectric element according to the present invention is highly sensitive, noise is relatively reduced, and an effect that a circuit for reducing noise is unnecessary is obtained. Moreover, since the kneading state of the piezoelectric ceramic and the organic polymer becomes stable, an effect of obtaining stable piezoelectric characteristics can be obtained. Furthermore, even when used in a high-temperature and high-humidity environment, water absorption of the piezoelectric composition pressure-sensitive body can be suppressed, so that changes in initial electrical characteristics, piezoelectric characteristics, and mechanical tensile strength can be prevented. . As described above, excellent durability and reliability can be realized. Therefore, it can be applied to a wide range of applications such as pressure-sensitive sensors that prevent car doors and windows from being caught in high-temperature, high-humidity environments, and pressure detection devices that detect the presence of a person by detecting the movement of a person with a nursing bed. is there.
1 圧電組成物感圧体
2 電極
3 圧電セラミックス粉末A
4 可撓性を有する有機高分子
5 圧電セラミックス粉末B
6 被覆層
7 保護層
8 芯電極
9 圧電組成物感圧体
10 可撓性外電極
11 保護層
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4 Flexible
6
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