JP2019062124A - 耐熱性圧電ワイヤー及びその耐熱性圧電ワイヤーを備えた圧電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性が高く、屈曲性に優れ、高感度の圧電ワイヤーを提供する。【解決手段】本発明の圧電ワイヤーは、導電性ワイヤー１１と、導電性ワイヤー１１を被覆する耐熱性圧電体層１２とを備え、耐熱性圧電体層１２は、融点が２００℃以上の耐熱性樹脂と、圧電セラミックス粉末とを含み、耐熱性圧電体層１２における上記圧電セラミックス粉末の含有量が、７０質量％以上９０質量％以下である。前記圧電セラミックス粉末は、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、酸化チタン、チタン酸バリウム及び酸化亜鉛からなる群から選択される少なくとも１種が好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、耐熱性圧電ワイヤー及びその耐熱性圧電ワイヤーを備えた圧電装置に関する。

圧電素子は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに、又は機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する物質からなる圧電体を利用した素子であり、その電気エネルギーを機械的エネルギーに変換する逆圧電効果を利用して各種アクチュエータ等に利用され、また、その機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する正圧電効果を利用して各種センサー、振動型発電素子等に利用されている。

近年、圧電素子を利用する装置の小型化等に伴い、装置への取り付けの自由度が高いケーブル状の圧電素子が注目されている。例えば、特許文献１では、内部導体、可撓性絶縁体、圧電体層と金属層とを含む外部導体、及び可撓性のシースからなり、上記圧電体層にセラミックス圧電体膜を用いたケーブル状の圧電センサーが提案されている。

しかし、特許文献１では、圧電体層に用いるセラミックス圧電体膜は、物理気相成長法又は化学気相成長法で形成されるため、高価な製造設備が必要となり、製造工程も煩雑となる。

また、特許文献２には、導体上に、圧電セラミックス微粉末と高分子材料を混合した圧電材料からなる圧電体層が形成された圧電ワイヤーが提案されている。特許文献２に記載の圧電体層の製造方法は比較的簡易である。しかし、特許文献２では、圧電体層を形成する高分子材料として、ポリフッ化ビニリデン等の融点が２００℃以下の材料が用いられているため、圧電体層が高分子材料の融点近くまで加熱されると、高分子材料の配向が崩れ、圧電性能が消失する問題がある。

特開２００５−３５１６６４号公報 特開平３−２５９５７７号公報

本発明は、上記問題を解消するためになされたものであり、融点が２００℃以上の耐熱性樹脂と、圧電セラミックス粉末とを用いた耐熱性圧電ワイヤーを提供するものである。

本発明の耐熱性圧電ワイヤーは、導電性ワイヤーと、前記導電性ワイヤーを被覆する耐熱性圧電体層とを含む耐熱性圧電ワイヤーであって、前記耐熱性圧電体層は、融点が２００℃以上の耐熱性樹脂と、圧電セラミックス粉末とを含み、前記耐熱性圧電体層における前記圧電セラミックス粉末の含有量が、７０質量％以上９０質量％以下であることを特徴とする。

また、本発明の圧電装置は、上記本発明の耐熱性圧電ワイヤーを含むことを特徴とする。

本発明により、耐熱性が高く、屈曲性に優れ、高感度の圧電ワイヤーを提供できる。

図１は、本発明の耐熱性圧電ワイヤーの一例を示す拡大正面図である。 図２は、図１に示した耐熱性圧電ワイヤーの斜視図である。 図３は、本発明の耐熱性圧電ワイヤーの他の例を示す拡大正面図である。 図４は、図３に示した耐熱性圧電ワイヤーの斜視図である。 図５は、本発明の耐熱性圧電ワイヤーの他の例を示す拡大正面図である。 図６は、図５に示した耐熱性圧電ワイヤーの斜視図である。 図７は、本発明の耐熱性圧電ワイヤーの正圧電効果を測定している状態の模式図である。

（本発明の耐熱性圧電ワイヤー）
先ず、本発明の耐熱性圧電ワイヤー（以下、単に圧電ワイヤーとも言う。）について説明する。本発明の圧電ワイヤーは、導電性ワイヤーと、上記導電性ワイヤーを被覆する耐熱性圧電体層とを備えている。また、上記耐熱性圧電体層は、融点が２００℃以上の耐熱性樹脂と、圧電セラミックス粉末とを含み、上記耐熱性圧電体層における上記圧電セラミックス粉末の含有量は、７０質量％以上９０質量％以下である。

本発明の圧電ワイヤーでは、上記耐熱性圧電体層が、融点が２００℃以上の耐熱性樹脂と圧電セラミックス粉末とを用いて形成されているため、耐熱性が高い。具体的には、上記耐熱性圧電体層が１５０〜１９０℃程度の高温となっても、上記耐熱性圧電体層が溶融せず、上記耐熱性圧電体層を構成する上記耐熱性樹脂の配向が崩れないため圧電性能を維持できる。

上記融点が２００℃以上の耐熱性樹脂としては、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）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）及びシリコーン樹脂からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。これらの樹脂は、融点が高く、導電性ワイヤーとの密着性が高いからである。

上記圧電セラミックス粉末は、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化亜鉛からなる群から選択される少なくとも１種からなることが好ましい。これらの材料は、粉末にしても圧電性能が高いからである。

上記圧電セラミックス粉末の平均粒子径は、０．０１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。上記圧電セラミックス粉末の平均粒子径が上記範囲であれば、上記耐熱性圧電体層の厚さを薄くして、上記圧電ワイヤーの柔軟性及び感度を向上できるからである。即ち、本発明の圧電ワイヤーは、柔軟性圧電素子として、小さな電気的エネルギーでも確実に機械的エネルギーに変換可能となり、また、小さな機械的エネルギーでも確実に電気的エネルギーに変換可能となる。

上記耐熱性圧電体層の厚さは特に限定されないが、通常０．１μｍ以上２００μｍ以下に設定される。上記耐熱性圧電体層の厚さが厚すぎると、上記圧電ワイヤーの柔軟性及び感度が低下する傾向にあるからである。

上記導電性ワイヤーの線径は、１．０ｍｍ以下が好ましく、０．５ｍｍ以下の極細であることがより好ましい。これにより、より柔軟性に富み、逆圧電効果及び正圧電効果を発揮する感度がより高い圧電ワイヤーを実現できる。また、上記導電性ワイヤーの線径の下限値は特に限定されず、導電性ワイヤーが製造できる線径であればよく、例えば、ワイヤーの取り扱い及び製造が容易となる０．００８ｍｍ以上に設定される。

上記導電性ワイヤーの種類は、導電性を有していれば特に限定されず、例えば、金属ワイヤー、樹脂ワイヤーの表面を導電層で被覆した導電性被覆ワイヤー、導電性高分子ワイヤー等を用いることができるが、引っ張り強度が大きい金属ワイヤーが好ましい。上記導電性ワイヤーに金属ワイヤーを用いる場合、用いる金属の種類は特に限定されず、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等を使用できる。

上記導電性ワイヤーの形態も特に限定されず、例えば、単線、撚り線等を用いることができる。

本発明の圧電ワイヤーは、上記耐熱性圧電体層の外側の表面に導電層を更に備えていてもよい。上記導電層を形成する材料は特に限定されず、例えば、金属、導電性高分子等を使用できる。

また、本発明の圧電ワイヤーは、上記導電層の外側の表面に絶縁層を更に備えていてもよい。これにより、本発明の圧電ワイヤーを装置等へ取り付ける際の配置の自由度が向上する。上記絶縁層を形成する材料は特に限定されず、例えば、有機材料、無機材料等を用いることができるが、柔軟性を有する樹脂材料が好ましい。

以下、本発明の圧電ワイヤーを図面に基づき説明する。図１は、本発明の耐熱性圧電ワイヤーの一例を示す拡大正面図であり、図２は、図１に示した耐熱性圧電ワイヤーの斜視図である。図１及び図２において、本発明の圧電ワイヤー１０は、導電性ワイヤー１１と、導電性ワイヤー１１を被覆する耐熱性圧電体層１２とを備えている。導電性ワイヤー１１のワイヤー端部１１ａには、耐熱性圧電体層は形成されていない。耐熱性圧電体層１２は、融点が２００℃以上の耐熱性樹脂と、圧電セラミックス粉末とを含んでいる。

上記圧電ワイヤーは、分極処理されており、圧電性を有し、逆圧電効果及び正圧電効果を発揮する。

図３は、本発明の耐熱性圧電ワイヤーの他の例を示す拡大正面図であり、図４は、図３に示した耐熱性圧電ワイヤーの斜視図である。図３及び図４に示した圧電ワイヤー２０は、図１及び図２に示した圧電ワイヤー１０の耐熱性圧電体層１２の外側の表面に更に導電層１３を形成したものである。導電層１３を形成することにより、分極処理が容易となる。

図５は、本発明の耐熱性圧電ワイヤーの更に他の例を示す拡大正面図であり、図６は、図５に示した耐熱性圧電ワイヤーの斜視図である。図５及び図６に示した圧電ワイヤー３０は、図３及び図４に示した圧電ワイヤー２０の導電層１３の外側の表面に更に絶縁層１４を形成したものである。絶縁層１４を形成することにより、圧電ワイヤー３０を装置等へ取り付ける際の配置の自由度が向上する。

次に、本発明の圧電ワイヤーの製造方法について説明するが、本発明の圧電ワイヤーの製造方法は、下記の製造方法に限定されるものではない。

本発明の圧電ワイヤーの製造方法は、例えば、融点が２００℃以上の耐熱性樹脂と、圧電セラミックス粉末とを溶剤と共に混合して圧電体層形成用塗布液を調製する工程と、上記圧電体層形成用塗布液を導電性ワイヤーに塗布する塗布工程と、上記圧電体層形成用塗布液を塗布した上記導電性ワイヤーを加熱して、上記導電性ワイヤーの表面に耐熱性圧電体層を形成する工程と、上記耐熱性圧電体層を分極処理する工程とを備えている。

また、本発明の圧電ワイヤーの他の製造方法は、融点が２００℃以上の耐熱性樹脂と、圧電セラミックス粉末とを混合して加熱し、上記耐熱性樹脂を溶融させて圧電粉末含有樹脂溶融体を作製する工程と、上記圧電粉末含有樹脂溶融体により導電性ワイヤーを押出被覆して、上記導電性ワイヤーの表面に耐熱性圧電体層を形成する工程と、上記耐熱性圧電体層を分極処理する分極工程とを備えている。

上記いずれの製造方法でも、上記耐熱性圧電体層の表面に導電層を形成する工程を更に備えることができる。上記導電層の形成方法は特に限定されないが、例えば、蒸着法又はスパッタリング法、コーティング法、金属線の編組等を採用できる。

また、上記いずれの製造方法でも、上記導電層の表面に絶縁層を形成する工程を更に備えることができる。上記絶縁層の形成方法も特に限定されないが、上記耐熱性圧電体層の形成と同様に塗布工程又は押出被覆工程、収縮チューブ被覆工程等により形成できる。

上記製造方法における分極処理は、例えば、前述の図１及び図２の形態の導電層がない圧電ワイヤーであれば、既知のコロナ放電により分極処理を行うことができる。また、図３及び図４の導電層を形成した圧電ワイヤーであれば、導電性ワイヤー１１と導電層１３との間に直流電圧又は交流電圧を印加する方法で分極処理を行うことができる。

（本発明の圧電装置）
本発明の圧電装置は、上記本発明の耐熱性圧電ワイヤーを備えている。本発明の圧電装置は、圧電素子として機能する耐熱性圧電ワイヤーを備えているので、高温環境下において使用しても圧電性能が低下しない。

上記圧電装置としては、高温環境下で使用できるが、勿論、室温環境下でも使用できる。具体的には、センサー用途として例えば、衝撃センサー、感圧センサー、焦電センサー、超音波センサー、生体信号検知センサー、構造物歪検知センサー、マイクロフォン、ピックアップセンサー、加速度センサー、曲率センサー、キーボードスイッチ、防犯センサー、介護／見守りセンサー、ウェアラブルセンサー、車両用挟み込み防止センサー、車両用バンパー衝突センサー、車両用エア流量センサー、気象（雨／雪）検知センサー、水中音響センサー、ロボット用触覚センサー、医療機器用触覚センサー、繊維シート状圧力分布センサー、環境振動用発電ワイヤー等；アクチュエータ用途として例えば、スピーカー、ヘッドフォン、補聴器、ダイヤフラム、小型ポンプ、シャッター、ロボット関節駆動アクチュエータ、人工筋肉アクチュエータ、医療機器操作ワイヤー用駆動アクチュエータ、ファイバースコープ用駆動アクチュエータ、超音波モーター、圧電モーター等；等が該当する。

以下、本発明を実施例により説明する。但し、本発明は、下記の実施例により限定されない。

（実施例１）
先ず、日立化成株式会社製のポリアミドイミド樹脂溶液“ＨＰＣ−１０００−２８”（商品名、樹脂固形分量：２８質量％、溶媒：Ｎ−メチルピロリドンと水との質量比５２：４８の混合液）：１００質量部に、林化学工業株式会社製の圧電セラミックス粉末〔ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃）〕“ＨＩＺＩＲＣＯ ＡＣ７５０”（商品名、粒径Ｄ５０：０．４９μｍ）：６５質量部を加え、株式会社エスエヌディ製の超音波洗浄機“ＵＳ−４”（型式）を用いて２０分間攪拌して、圧電体層形成用塗布液を調製した。

次に、線径０．０６ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス鋼製の単線ワイヤーに、上記圧電体層形成用塗布液をディップコーティング法で塗工し、１００℃で１分間加熱して乾燥した後、３５０℃で３分間焼成して上記ワイヤーの表面に厚さ１．５μｍの耐熱性圧電体層を形成して塗工ワイヤーを作製した。但し、上記塗工ワイヤーの一端部には、未塗工のワイヤー端部を残した。

続いて、上記塗工ワイヤーの耐熱性圧電体層の全面にアルミニウムを蒸着させて、アルミニウム導電層を形成した。次に、上記アルミニウム導電層をグランド電極として、未塗工のワイヤー端部を対極として、対極からグランド電極へ、トレック社製の高圧電源“６１０Ｄ”により直流電圧３００Ｖを２分間印加することにより、耐熱性圧電体層の分極処理を行い、実施例１の圧電ワイヤーを得た。本実施例の耐熱性圧電体層における圧電セラミックス粉末の含有量は、７０質量％であった。

（実施例２）
圧電セラミックス粉末“ＨＩＺＩＲＣＯ ＡＣ７５０”の使用量を１１２質量部に変更した以外は、実施例１と同様にして実施例２の圧電ワイヤーを作製した。本実施例の耐熱性圧電体層における圧電セラミックス粉末の含有量は、８０質量％であった。

（実施例３）
圧電セラミックス粉末“ＨＩＺＩＲＣＯ ＡＣ７５０”の使用量を２５２質量部に変更した以外は、実施例１と同様にして実施例３の圧電ワイヤーを作製した。本実施例の耐熱性圧電体層における圧電セラミックス粉末の含有量は、９０質量％であった。

（比較例１）
圧電セラミックス粉末“ＨＩＺＩＲＣＯ ＡＣ７５０”の使用量を１２質量部に変更した以外は、実施例１と同様にして比較例１の圧電ワイヤーを作製した。本比較例の耐熱性圧電体層における圧電セラミックス粉末の含有量は、３０質量％であった。

（比較例２）
圧電セラミックス粉末“ＨＩＺＩＲＣＯ ＡＣ７５０”の使用量を２８質量部に変更した以外は、実施例１と同様にして比較例２の圧電ワイヤーを作製した。本比較例の耐熱性圧電体層における圧電セラミックス粉末の含有量は、５０質量％であった。

上記の実施例１〜３及び比較例１〜２の圧電ワイヤーについて下記のようにして、正圧電効果を評価した。

＜正圧電効果＞
図７に示すように、オシロスコープ４１とアンプ４２とを接続し、更にアンプ４２と、圧電ワイヤー２０のワイヤー端部１１ａと導電層１３とを電気接続した。次に、加圧ゴム材４３を用いて２Ｎの力で圧電ワイヤー２０を押圧し、その際の圧電出力（電圧）を検出し、その出力をアンプ４２で３０倍に増幅し、オシロスコープ４１で発生電圧を圧電出力Ｖｐ−ｐとして測定した。

以上の結果を表１に示す。表１では、圧電出力Ｖｐ−ｐと合わせて、圧電ワイヤーの耐熱性圧電体層における圧電セラミックス粉末の含有量及び耐熱性圧電体層の厚さも示した。

表１より、圧電ワイヤーの耐熱性圧電体層における圧電セラミックス粉末の含有量を７０〜９０質量％とした実施例１〜３では圧電出力Ｖｐ−ｐが観察でき、正圧電効果が発揮できることが確認できた。一方、上記圧電セラミックス粉末の含有量を３０〜５０質量％とした比較例１〜２では圧電出力Ｖｐ−ｐが観察できなかった。

本発明は、耐熱性が高く、屈曲性に優れ、高感度の圧電ワイヤーを提供でき、自動車、産業機器等の高温環境下において使用される各種センサーやアクチュエータ等の圧電装置に適用できる。

１０、２０、３０ 圧電ワイヤー
１１ 導電性ワイヤー
１１ａ ワイヤー端部
１２ 耐熱性圧電体層
１３ 導電層
１４ 絶縁層
４１ オシロスコープ
４２ アンプ
４３ 加圧ゴム材

Claims (10)

1. 導電性ワイヤーと、前記導電性ワイヤーを被覆する耐熱性圧電体層とを含む耐熱性圧電ワイヤーであって、
   前記耐熱性圧電体層は、融点が２００℃以上の耐熱性樹脂と、圧電セラミックス粉末とを含み、
   前記耐熱性圧電体層における前記圧電セラミックス粉末の含有量が、７０質量％以上９０質量％以下であることを特徴とする耐熱性圧電ワイヤー。
2. 前記耐熱性樹脂が、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）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）及びシリコーン樹脂からなる群から選択される少なくとも１種である請求項１に記載の耐熱性圧電ワイヤー。
3. 前記圧電セラミックス粉末が、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、酸化チタン、チタン酸バリウム及び酸化亜鉛からなる群から選択される少なくとも１種からなる請求項１又は２に記載の耐熱性圧電ワイヤー。
4. 前記圧電セラミックス粉末の平均粒子径が、０．０１μｍ以上１０μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐熱性圧電ワイヤー。
5. 前記耐熱性圧電体層の厚さが、０．１μｍ以上２００μｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の耐熱性圧電ワイヤー。
6. 前記導電性ワイヤーの線径が、０．００８ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の耐熱性圧電ワイヤー。
7. 前記導電性ワイヤーが、金属ワイヤーである請求項１〜６いずれか１項に記載の耐熱性圧電ワイヤー。
8. 前記耐熱性圧電体層の外側の表面に導電層を更に含む請求項１〜７いずれか１項に記載の耐熱性圧電ワイヤー。
9. 前記導電層の外側の表面に絶縁層を更に含む請求項８に記載の耐熱性圧電ワイヤー。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の耐熱性圧電ワイヤーを含むことを特徴とする圧電装置。

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