JP6275018B2 - 圧電材とその製造方法、接触検出装置、荷重検出装置及び異常状態検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の圧電粒子が母材中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する圧電材とその製造方法、検出対象物との接触を検出する接触検出装置、荷重を検出する荷重検出装置、及び検出対象物の異常状態を検出する異常状態検出装置に関する。

従来の複合圧電材料は、母材中に圧電材料が孤立しており、圧電性能の向上が困難であった。このため、従来の複合圧電材料に比べて圧電性能が向上するように、母材中に圧電材料を一定方向に配列した配向型の複合圧電材料が注目されている。従来の配向型の複合圧電材料は、貫通孔を有する合成ゴム又は合成樹脂材料の保持シートと、強誘電体セラミックスを柱状に形成してこの貫通孔内に整列して埋設される圧電粒子とを備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の配向型の複合圧電材料は、保持シート内に圧電粒子を緊密かつ一体的に埋設して、保持シートによって圧電材を強固に保持している。

特開昭63-164483号公報

従来の配向型の圧電材料の圧電性能は、力が加わった際に母材中の配列した圧電セラミックス粒子から発生する電圧及び電荷によるものであり、その量が大きいほど圧電性能が高い。大きな電圧及び電荷を発生させるためには、配列した圧電セラミックス粒子に大きな力を加える必要があり、その方法として母材を柔らかくして配向した粒子列に力が加わり易くする手法がある。実際に柔らかい母材を用いた場合に圧電性能が大幅に向上することを見出しているが、柔らかい材料の場合、耐荷重性に劣り実用的でない。

従来の配向型の複合圧電材料は、荷重が加わる側の保持シートの表面と、この保持シートに埋設されている圧電粒子の端面とが同一面である。このため、従来の配向型の複合圧電材料では、この圧電材に荷重を加えたときに、圧電粒子に加わる荷重よりも、母材である保持シートに加わる荷重のほうが大きくなる。その結果、従来の配向型の複合圧電材料では、圧電シートが荷重の多くを分担してしまうため、圧電性能を向上させることが困難になってしまう問題点がある。また、従来の配向型の複合圧電材料では、圧電性能を向上させるためには、母材である保持シートを柔らかくする必要がある。しかし、従来の配向型の複合圧電材料では、保持シートを柔らかくすると耐荷重性が劣り実用性が低下してしまう問題点がある。さらに、従来の配向型の複合圧電材料では、圧電性能を向上させるためには、選択可能な母材が限定されてしまい、それ以外の母材では圧電性能の向上が困難になってしまう問題点がある。

この発明の課題は、圧電性能及び耐荷重性を向上させることができる圧電材とその製造方法、接触検出装置、荷重検出装置及び異常状態検出装置を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１〜図３に示すように、複数の圧電粒子（２）が母材（３）中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する圧電材であって、前記荷重が作用する圧電粒子が前記母材の表面（３ａ）から突出しており、圧電材を所定の形状に成形するための成形型（５）の容積に対する前記圧電粒子及び未硬化の前記母材の合計の充填量である充填率が77〜92%であり、前記圧電粒子と前記母材とが接触する面積である接触面積割合が30〜60%の範囲内であることを特徴とする圧電材（１）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電材において、前記母材の表面から突出する圧電粒子の表面（２ａ）の一部がこの母材によって保持されていることを特徴とする圧電材である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の圧電材において、図２（Ａ）に示すように、前記母材の表面から前記圧電粒子が所定のパターンで突出していることを特徴とする圧電材である。

請求項４の発明は、図５及び図６に示すように、複数の圧電粒子（２）が母材（３）中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する圧電材の製造方法であって、成形型（５）との間に所定の隙間（Δ）が形成されるように、前記複数の圧電粒子及び未硬化の母材をこの成形型内に充填する充填工程（＃２００）と、前記荷重が作用する圧電粒子が前記母材の表面から前記隙間内に突出するように、前記複数の圧電粒子を前記未硬化の母材中に所定の方向に配列させて、この未硬化の母材を硬化させる硬化工程（＃３００）とを含む圧電材の製造方法（＃１００）である。

請求項５の発明は、請求項４に記載の圧電材の製造方法において、前記硬化工程は、前記母材の表面から突出する圧電粒子の表面の一部がこの母材によって保持されるように、前記未硬化の母材を硬化させる工程を含むことを特徴とする圧電材の製造方法である。

請求項６の発明は、請求項４又は請求項５に記載の圧電材の製造方法において、図２（Ａ）に示すように、前記硬化工程は、前記母材の表面から前記圧電粒子が所定のパターンで突出するように、前記未硬化の母材を硬化させる工程を含むことを特徴とする圧電材の製造方法である。

請求項７の発明は、図８に示すように、検出対象物（８）との接触を検出する接触検出装置であって、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の圧電材（１）を備え、前記圧電材は、前記検出対象物と接触したときに電力を発生することを特徴とする接触検出装置（７）である。

請求項８の発明は、図９に示すように、荷重（Ｆ）を検出する荷重検出装置であって、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の圧電材（１）を備え、前記圧電材は、この圧電材に作用する荷重に応じて電力を発生することを特徴とする荷重検出装置（１２）である。

請求項９の発明は、図１０〜図１２に示すように、検出対象物（１４）の異常状態を検出する異常状態検出装置であって、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の圧電材（１）と、前記検出対象物の振動に応じて前記圧電材が発生する電力に基づいて、前記検出対象物の異常状態を判定する異常状態判定部（１６）とを備える異常状態検出装置（１３）である。

この発明によると、圧電性能及び耐荷重性を向上させることができる。

この発明の第１実施形態に係る圧電材を模式的に示す透視図である。 この発明の第１実施形態に係る圧電材を模式的に示す外観図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）はII-IIB線で切断した状態を示す断面図である。 図２（Ｂ）のIII部分を拡大して示す断面図である。 この発明の第１実施形態に係る圧電材の作用を示す模式図であり、（Ａ）は機械電気変換部としての作用を示し、（Ｂ）は電源が交流であるときの電気機械変換部としての作用を示し、（Ｃ）は電源が直流であるときの電気機械変換部としての作用を示す。 この発明の第１実施形態に係る圧電材の製造方法の工程図である。 この発明の第１実施形態に係る圧電材の製造工程を模式的に示す概念図である。 この発明の第１実施形態に係る圧電材の製造工程で使用される成形型を模式的に示す外観図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）はVII-VIIB線で切断した状態を示す断面図である。 この発明の第２実施形態に係る接触検出装置を概略的に示す構成図である。 この発明の第３実施形態に係る荷重検出装置を概略的に示す構成図である。 この発明の第４実施形態に係る異常状態検出装置の使用状態を模式的に示す斜視図である。 この発明の第４実施形態に係る異常状態検出装置を概略的に示す全体図である。 この発明の第４実施形態に係る異常状態検出装置を概略的に示す構成図である。 この発明の実施例及び比較例に係る圧電材の充填率と接触面積割合及び圧電性能の関係を示すグラフであり、（Ａ）は充填率と接触面積割合との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は接触面積割合と圧電性能との関係を示すグラフである。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１〜図３に示す圧電材１は、複数の圧電粒子２が母材３中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する部材である。圧電材１は、圧電性能及び耐荷重性が向上するように、圧電粒子２が母材表面３ａから突出するように母材３中に配列されている突出配向型の複合圧電材料である。圧電材１は、図４に示すように、母材３に加わる電界Ｅの方向と複数の圧電粒子２の分極方向とが同一になるように、この電界Ｅの方向にこれらの圧電粒子２が連続して配列されている。圧電材１は、例えば、図２に示すように、所定の直径及び厚さに形成された円板状の部材であり、シリコーンゴムなどの母材３内にチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電粒子２が厚さ方向に連続して配列された圧電ゴムの一種である。圧電材１は、図１〜図３に示すように、圧電粒子２と母材３などを備えている。

圧電材１は、荷重が作用する圧電粒子２が母材表面３ａから突出している。圧電材１は、母材表面３ａ側が凹凸に形成されており、母材表面３ｂ側が平坦に形成されている。圧電材１は、一方の母材表面３ａと他方の母材表面３ｂとの間（圧電材１の厚み方向）に圧電粒子２が配列されており、母材３中に配列されている複数の圧電粒子２のうち最も端に位置する圧電粒子２のみがこの母材表面３ａから突出している。圧電材１は、図３に示すように、母材表面３ａから突出する圧電粒子２の粒子表面２ａの一部が母材３によって保持されている。圧電材１は、母材表面３ａから突出している圧電粒子２の粒子端面２ｂのみが母材３から僅かに露出している。圧電材１は、母材表面３ａから突出している圧電粒子２の粒子端面２ｂ以外のこの圧電粒子２の粒子表面２ａが母材３によって被覆され保護されている。圧電材１は、図２（Ａ）に示すように、母材表面３ａから圧電粒子２が所定のパターンで突出している。圧電材１は、例えば、母材表面３ａから突出している圧電粒子２が母材表面３ａの縦方向及び横方向に所定の間隔をあけて、複数行及び複数列に配置されている。圧電材１は、圧電粒子２と母材３とが接触する面積の割合（接触面積割合）が30%を下回ると、圧電粒子２を母材３によって保持することが困難となるため耐荷重性が低下する。一方、圧電材１は、接触面積割合が49%を超えると、圧電材１に加わる荷重の殆どを母材３が負担して圧電粒子２に荷重が加わり難くなるため圧電性能が低下する。このため、圧電材１は、接触面積割合を30%以上49%以下の範囲内に設定することが好ましい。

図１〜図３に示す圧電粒子２は、圧電効果を示す粒子である。圧電粒子２は、図４（Ａ）に示すように、機械的応力が加わると応力に応じた電気分極を発生して電界Ｅを発生（正効果）し、図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように電界Ｅを加えて電気分極を発生させると電界Ｅの大きさに応じた歪みを発生（逆効果）する圧電効果を示す。圧電粒子２は、例えば、母材３中に連続して配列されている圧電セラミックスである。圧電粒子２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(商品名PZT)、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン又は水晶などの粒子である。圧電粒子は、平均粒径が100μm未満であると粒子配列を保持することが困難となるなどの問題点があり、平均粒径が1000μmを超えると粒子配列を直線的に形成することが困難になるなどの問題がある。このため、圧電粒子は、平均粒径が100μm以上1000μm以下であることが好ましい。

図１〜図３に示す母材３は、圧電粒子２を保持する媒体（マトリックス）である。母材３は、図２（Ｂ）に示すように、圧電粒子２が突出している側の母材表面（圧電材表面）３ａと、この母材表面３ａとは反対側の表面であり圧電粒子２が突出していない側の母材表面（圧電材表面）３ｂなどを備えている。母材３は、図４に示すように、この母材３に加わる電界Ｅの方向に複数の圧電粒子２が連続して配列するようにこれらの圧電粒子２を保持しており、複数の圧電粒子２が複数列になって並ぶように保持されている。母材３は、ゴム、合成樹脂又は高分子材料などによって形成されている。このような母材３としては、例えば、シリコーンゴム、ウレタンゴム又はフッ素ゴムなどの熱硬化型又は二液硬化型のゴム、スチレン系、オレフィン系又は塩化ビニル系の熱可塑性エラストマー、ポリエチレン又はポリプロピレンなどのオレフィン系又は塩化ビニルなどの熱可塑性樹脂、加熱硬化前のエポキシ又はポリエステルなどの熱硬化性樹脂、シリコーンオイル又はエチレングリコール（不凍液）などの液体が好ましい。母材３は、柔軟性及びたわみ性を確保することができる高分子材料が好ましく、ゴムに比べて柔軟性及びたわみ性の利点は失われるが寸法及び成型の自由度があり、圧電セラミックスに比べてもろくなく、高たわみを示す材料が好ましい。このような母材３としては、熱硬化性シリコーンゴムが好ましく、耐荷重性などを考慮すると弾性率の高いウレタンゴム又はアクリル樹脂なども好ましい。

次に、この発明の第１実施形態に係る圧電材の作用について説明する。
図４に示す電極４Ａ，４Ｂは、圧電材１に電気的に接続された接点部分である。電極４Ａ，４Ｂは、圧電粒子２と接触するように圧電材１の両面にそれぞれ積層されており、圧電材１の両面全域を被覆するように接合されている。電極４Ａ，４Ｂは、例えば、互いに平行になるように圧電材１の両面に導電性材料を加硫接着して形成されたり、金属、金属酸化物又はカーボンなどの導電性材料を蒸着、シルクスクリーン印刷又はイオンスパッタリングなどの方法によって圧電材１の両面に形成されたり、導電性材料を含有する樹脂又は導電性高分子などの導電性樹脂を圧電材１の両面に多層化して形成されたりする。

図４（Ａ）に示すように、圧電材１の母材表面３ａに荷重が作用して圧電材１が振動すると、圧電材１に応力が加わり変形し、圧電粒子２にせん断力が作用して歪みが発生し、母材３内の各圧電粒子２が電気分極する。母材３に加わる電界Ｅの方向と複数の圧電粒子２の分極方向とが同一になるように、この電界Ｅの方向にこれらの圧電粒子２が母材３内に連続して配列されている。その結果、図４（Ａ）に示すように、連続して配列されている複数の圧電粒子２の集合体が一つの圧電体として大きな電界Ｅを発生し、電極４Ａ，４Ｂ間に抵抗Ｒを接続したときには電極４Ａ，４Ｂ間に発生する電力がこの抵抗Ｒによって消費される。このため、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する機械電気変換部として圧電材１が機能し、この電気エネルギーを熱エネルギーに抵抗Ｒが変換して、圧電材１の振動が抑えられる。

一方、図４（Ｂ）に示すように、電極４Ａ，４Ｂ間に交流電源Ｖ₁によって電圧を加えて圧電材１に電界Ｅを発生させると、母材３内の各圧電粒子２が電気分極し電界Ｅの大きさに応じた歪みを発生して圧電材１が伸縮して振動する。また、図４（Ｃ）に示すように、電極４Ａ，４Ｂ間に直流電源Ｖ₂によって電圧を加えて圧電材１に電界Ｅを発生させると、母材３内の各圧電粒子２が電気分極し電界Ｅの大きさに応じた歪みを発生して、電極４Ａ，４Ｂ間の電圧が正であるときには圧電材１が伸び、電極４Ａ，４Ｂ間の電圧が負であるときには圧電材１が縮む。母材３に加わる電界Ｅの方向と複数の圧電粒子２の分極方向とが同一になるように、この電界Ｅの方向にこれらの圧電粒子２が母材３内に連続して配列されている。その結果、図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように、連続して配列されている複数の圧電粒子２の集合体が一つの圧電体として大きな電界Ｅを発生し、圧電材１のたわみが大きくなる。このため、図４（Ｂ）に示すように、電気エネルギーを振動エネルギーに変換する電気機械変換部として圧電材１が機能し、圧電材１が所定の振幅で振動する。また、図４（Ｃ）に示すように、電気エネルギーを弾性エネルギーに変換する電気機械変換部として圧電材１が機能し、圧電材１が所定のたわみ量だけ弾性変形する。

次に、この発明の第１実施形態に係る圧電材の製造方法について説明する。
図５及び図６に示す製造方法＃１００は、複数の圧電粒子２が母材３中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する圧電材１の製造方法である。製造方法＃１００では、図２（Ｂ）及び図３に示すように、母材表面３ａから圧電粒子２が突出するように圧電材１を製造する。製造方法＃１００は、図５に示すように、分散工程＃２００と硬化工程＃３００などを含む。

図６に示す成形型５は、圧電材１を所定の形状に成形するための部材である。成形型５は、圧電材１の上面を成形する金型５Ａと、圧電材１の下面を成形する金型５Ｂと、圧電材１の外周面を成形する金型５Ｃなどを備えている。金型５Ａ，５Ｂは、圧電材１を成形する機能を有するとともに、複数の圧電粒子２を所定の方向に配列させる電極としての機能も有する。金型５Ａは、正電極として機能し、金型５Ｂは接地電極（負電極）として機能する。金型５Ａ，５Ｂは、いずれも略同一構造であり、以下では図７に示す金型５Ａについて説明し、図６に示す金型５Ｂについては詳細な説明を省略する。金型５Ａ，５Ｂは、図７に示すように、電極部５ａと絶縁部５ｂなどを備えている。

図７に示す電極部５ａは、複数の圧電粒子２を母材３中に所定の方向に配列させるために、この母材３に電力を印加する部分である。電極部５ａは、例えば、図２（Ａ）に示すようなパターンで母材表面３ａから圧電粒子２を突出させるときには、図７に示すように圧電粒子２と対向する位置に縦方向及び横方向に所定の間隔をあけて、複数行及び複数列にわたり形成されている。絶縁部５ｂは、電極部５ａの周囲を電気的に絶縁する部分である。絶縁部５ｂは、例えば、図２（Ａ）に示すようなパターンで母材表面３ａから圧電粒子２を突出させるときには、図７に示すように母材３と対向する位置（圧電粒子２と対向する位置以外の位置）に形成されている。図６に示す金型５Ｃは、金型５Ａと金型５Ｂとを電気的に絶縁する絶縁材である。金型５Ｃは、金型５Ａと金型５Ｂとの間の隙間が圧電材１の厚さと同じになるように、金型５Ａと金型５Ｂとの間に挟み込まれる。金型５Ｃは、円形の貫通孔を有する板状に形成されておりスペーサとして機能する。

図６（Ｃ）に示す加熱装置６は、圧電材１を加熱する装置である。加熱装置６は、成形型５内で複数の圧電粒子２が母材３中で配列した状態で、圧電粒子２及び母材３を加熱してこれらを硬化させる。加熱装置６は、成形型５を直接又は間接に加熱することによって、成形型５内の未硬化の母材３及び圧電粒子２を加熱する。

図５に示す充填工程＃２００は、成形型５との間に所定の隙間Δが形成されるように、複数の圧電粒子２及び未硬化の母材３をこの成形型５内に充填する工程である。充填工程＃２００では、図６（Ａ）に示すように、未硬化のシリコーンゴムのような流動性を有する未硬化の母材３とチタン酸ジルコン酸鉛のような圧電粒子２とを成形型５内に充填し、未硬化の母材３中に複数の圧電粒子２を分散させる。充填工程＃２００では、複数の圧電粒子２及び未硬化の母材３と金型５Ａとの間に所定の隙間Δを形成するように、複数の圧電粒子２及び未硬化の母材３を成形型５内に充填する。

硬化工程＃３００は、荷重が作用する圧電粒子２が母材表面３ａから隙間Δ内に突出するように、複数の圧電粒子２を未硬化の母材３中に所定の方向に配列させて、この未硬化の母材３を硬化させる工程である。硬化工程＃３００では、図６に示すように、母材３に加わる電界Ｅの方向と複数の圧電粒子２の分極方向とが同一になるように、この電界Ｅの方向にこれらの圧電粒子２が連続して配列させる。硬化工程＃３００では、図６（Ａ）に示すように、未硬化の母材３の上部と金型５Ａとの間に所定の隙間Δを形成した状態で、図６（Ｂ）に示すように未硬化の母材３に電圧を加えながら、図６（Ｃ）に示すようにこの未硬化の母材３を加熱し硬化させる。硬化工程＃３００では、図３に示すように、母材表面３ａから突出する圧電粒子２の粒子表面２ａの一部が母材３によって保持されるように、未硬化の母材３を硬化させる。硬化工程＃３００では、図２（Ａ）に示すように、母材表面３ａから圧電粒子２が所定のパターンで突出するように、未硬化の母材３を硬化させる。硬化工程＃３００は、図５に示すように、配列工程＃３１０と加熱工程＃３２０などを含む。

配列工程＃３１０は、未硬化の母材３中に複数の圧電粒子２を所定の方向に配列させる工程である。配列工程＃３１０は、図６（Ｂ）に示すように、金型５Ａと金型５Ｂとの間に直流電源Ｖ₂によって電圧を印加して未硬化の母材３に電圧を加える電圧印加工程である。配列工程＃３１０では、金型５Ａと金型５Ｂとの間に電界Ｅを加えると母材３中に分散している各圧電粒子２が電気分極して、隣接する圧電粒子２の双極子モーメントの方向が同一方向になり、隣接する圧電粒子２が互に引力（クーロン力）を受けて、電界Ｅの方向に連続して配列する。図６（Ａ）に示すように、金型５Ａ，５Ｂ間に電界Ｅを加えると、圧電粒子２が未硬化の母材３内を移動して、未硬化の母材３の液面から隙間Δ内に移動する。このとき、図３に示すように、圧電粒子２の粒子表面２ａに未硬化の母材３が付着した状態で、圧電粒子２が隙間Δ内を移動して金型５Ａと接触する。その結果、金型５Ａに圧電粒子２が接触すると、この圧電粒子２が金型５Ａと接触する粒子端面（接触面）２ｂ以外の部分の粒子表面２ａが未硬化の母材３によって被覆されるとともに、この圧電粒子２に付着している未硬化の母材３の一部が金型５Ａに付着する。

加熱工程＃３２０は、未硬化の母材３を加熱する工程である。加熱工程＃３２０は、図６（Ｃ）に示すように、電界Ｅの方向に圧電粒子２が連続して配列した状態で未硬化の母材３を加熱して硬化させる加熱硬化工程である。加熱工程＃３２０では、複数の圧電粒子２が電界Ｅの方向に連続して配列した状態で、未硬化の母材３を加熱して硬化させすることによって、母材３中に圧電粒子２が保持される。その後に、図６に示す成形型５を分解して成形型５から圧電材１を取り出して、図２に示すような所定の形状の圧電材１が成形される。

この発明の第１実施形態に係る圧電材とその製造方法には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、荷重が作用する圧電粒子２が母材表面３ａから突出している。このため、母材表面３ａから圧電粒子２を突起状に突出させて、母材３中に配列されている複数の圧電粒子２に加わる力を大きくすることができる。その結果、母材表面３ａから突出した圧電粒子２に荷重を作用させることによって、母材３中に配列されている複数の圧電粒子２に荷重を集中して作用させ、圧電性能を向上させることができる。また、母材３に柔らかい材料を選択する必要がなくなって、母材３として利用できる材料の選択の幅を広げることができる。さらに、圧電材１に荷重が加わったときにこの荷重を母材３に負担させずに、母材３中に配列している複数の圧電粒子２に荷重を負担させることができ、耐荷重性を向上させることができる。

(2) この第１実施形態では、母材表面３ａから突出する圧電粒子２の粒子表面２ａの一部が母材３によって保持されている。このため、母材表面３ａから突出する圧電粒子２に荷重が作用しても、高強度の材料を用いた母材３によってこの圧電粒子２を強固に保持することができ、圧電性能を向上させつつ耐荷重性も向上させることができる。

(3) この第１実施形態では、母材表面３ａから圧電粒子２が所定のパターンで突出している。このため、母材表面３ａの任意の箇所に圧電粒子２を配列することができる。

(4) この第１実施形態では、成形型５との間に所定の隙間Δが形成されるように、複数の圧電粒子２及び未硬化の母材３をこの成形型５内に充填工程＃２００において充填する。また、この第１実施形態では、荷重が作用する圧電粒子２が母材表面３ａから隙間Δ内に突出するように、複数の圧電粒子２を未硬化の母材３中に所定の方向に配列させて、この未硬化の母材３を硬化工程＃３００において硬化させる。このため、母材３中に配列されている圧電粒子２を簡単な作製方法によって母材表面３ａから突起状に突出させることができる。その結果、圧電材１を安価に短時間で大量に製造することができる。

(5) この第１実施形態では、母材表面３ａから突出する圧電粒子２の粒子表面２ａの一部がこの母材３によって保持されるように、未硬化の母材３を硬化工程＃３００において硬化させる。このため、母材３に荷重を負担させずに、母材３中に配列している複数の圧電粒子２に荷重が負担するような構造に、圧電材１を簡単に製造することができる。

(6) この第１実施形態では、母材表面３ａから圧電粒子２が所定のパターンで突出するように、未硬化の母材３を硬化工程＃３００において硬化させる。このため、任意の配置パターンで圧電粒子２を母材表面３ａから簡単に突出させることができる。

（第２実施形態）
以下では、図１〜図４に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付した詳細な説明を省略する。
図８に示す接触検出装置７は、検出対象物８との接触を検出する装置である。接触検出装置７は、検出対象物８との接触の有無を検知するセンサとして機能する。接触検出装置７は、図１〜図３に示す圧電材１と、図８に示す接触判定部１０と、判定結果送信部１１などを備えている。圧電材１は、この圧電材１と検出対象物８とが接触することによってこの圧電材１に発生する機械的な振動を電気信号に変換する機械電気変換部として機能する。圧電材１は、検出対象物８と接触したときに電力を発生し、この電力に応じた接触検出信号（電気信号）を電極４Ａ，４Ｂから接触判定部１０に出力する。圧電材１は、電極４Ａ，４Ｂと、保護部９などを備えている。検出対象物８は、接触検出装置７によって圧電材１との接触の有無が検出される対象物である。

保護部９は、圧電材１及び電極４Ａ，４Ｂを保護する部分である。保護部９は、例えば、電気絶縁性を有するフッ素樹脂製の被覆材などである。保護部９は、圧電材１及び電極４Ａ，４Ｂの表面全域を被覆するように形成されている。保護部９は、圧電材１及び電極４Ａ，４Ｂを被覆することによって、検出対象物８との接触により圧電材１及び電極４Ａ，４Ｂが損傷するのを防ぐ。

接触判定部１０は、検出対象物８と圧電材１とが接触したときにこの圧電材１が発生する電力に基づいて、この検出対象物８との接触の有無を判定する部分である。接触判定部１０は、圧電材１が発生する電力が所定値（しきい値）を超えるときには、圧電材１と検出対象物８とが接触したと判定する。接触判定部１０は、圧電材１と検出対象物８とが接触したと判定したときには、判定結果信号（判定結果情報）を判定結果送信部１１に出力する。

判定結果送信部１１は、接触判定部１０の判定結果を送信する部分である。判定結果送信部１１は、例えば、検出対象物８との接触を音声又は表示画面などによって告知する告知装置などの外部機器に、接触判定部１０が出力する判定結果信号を有線又は無線によって送信する。

次に、この発明の第２実施形態に係る接触検出装置の作用について説明する。
図中矢印方向に検出対象物８が移動して圧電材１に接触すると、母材３中に配列している圧電粒子２に荷重が作用し、圧電粒子２が電気分極して電界Ｅを発生し、電極４Ａ，４Ｂ間に電力が発生する。その結果、電極４Ａ，４Ｂ間に発生する電力が電気信号として接触判定部１０に出力されて、接触判定部１０がこの電力が所定値を超えるか否かを判定する。圧電材１が発生する電力が所定値を超えていると接触判定部１０が判定したときには、接触判定部１０が判定結果送信部１１に判定結果信号を出力する。その結果、判定結果送信部１１から外部機器に判定結果信号が送信されて、検出対象物８が圧電材１と接触したことがこの外部機器によって告知される。

この発明の第２実施形態に係る接触検出装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第２実施形態では、検出対象物８と接触したときに圧電材１が電力を発生する。このため、力に対して大きな電気信号を発生する圧電材１によって、圧電材１と検出対象物８との接触の有無を簡単に検出することができる。その結果、圧電材料として従来適用ができなかった箇所で、異物との接触を検知するセンサとして圧電材１を利用することができる。

（第３実施形態）
図９に示す荷重検出装置１２は、荷重Ｆを検出する装置である。荷重検出装置１２は、圧電材１に作用する荷重Ｆを検知するセンサとして機能する。荷重検出装置１２は、図１〜図３に示す圧電材１などを備えている。圧電材１は、この圧電材１に作用する荷重Ｆに応じて電力を発生する。圧電材１は、この圧電材１に荷重Ｆが作用することによってこの圧電材１に発生する機械的な振動を電気信号に変換する機械電気変換部として機能する。圧電材１は、荷重Ｆが作用したときに発生する電力に応じた荷重検出信号（電気信号）を電極４Ａ，４Ｂから出力する。

次に、この発明の第３実施形態に係る荷重検出装置の作用について説明する。
図中矢印方向に荷重Ｆが圧電材１に作用すると、母材３中に配列している圧電粒子２が電気分極して電界Ｅを発生し、圧電材１に作用する荷重Ｆに応じて電極４Ａ，４Ｂ間に電力が発生する。その結果、電極４Ａ，４Ｂ間に発生する電力が電気信号として出力されて、圧電材１に作用する荷重Ｆが検出される。

この発明の第３実施形態に係る荷重検出装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第３実施形態では、圧電材１に作用する荷重Ｆに応じてこの圧電材１が電力を発生する。このため、力に対して大きな電気信号を発生する圧電材１によって、圧電材１に作用する荷重Ｆを簡単に検出することができる。

（第４実施形態）
図１０〜図１２に示す異常状態検出装置１３は、検出対象物１４の異常状態を検出する装置である。異常状態検出装置１３は、検出対象物１４の振動の状態を検知するセンサとして機能する。異常状態検出装置１３は、図１〜図３に示す圧電材１と、図１０〜図１２に示す異常状態判定部１６と、判定結果送信部１７などを備えている。圧電材１は、検出対象物１４を支持することによってこの圧電材１に発生する機械的な振動を電気信号に変換する機械電気変換部として機能する。圧電材１は、検出対象物１４の振動によって電力を発生し、この電力に応じた振動検出信号（電気信号）を電極４Ａ，４Ｂから異常状態判定部１６に出力する。圧電材１は、電極４Ａ，４Ｂと、保護部９などを備えており、図１０及び図１２に示すように、検出対象物１４、支持部１５及び圧電材１から加わる力を地盤に伝達する基礎Ｂと支持部１５との間に挟み込まれており、図１０及び図１１に示すように支持部１５の底面の角部をそれぞれ支持するように合計４個配置されている。図１０及び図１２に示す検出対象物１４は、異常状態検出装置１３によって異常状態の有無が検出される対象物である。検出対象物１４は、例えば、圧縮装置、空調装置、発電装置又は冷凍装置のような動作するときに振動を発生する振動体である。図１０〜図１２に示す支持部１５は、検出対象物１４を支持する部分である。支持部１５は、図１１に示すように、平面形状が四角形の板状部材であり、図１０及び図１１に示すように検出対象物１４の底面を支持した状態で圧電材１によって支持されている。

図１０〜図１２に示す異常状態判定部１６は、検出対象物１４の振動に応じて圧電材１が発生する電力に基づいて、検出対象物１４の異常状態を判定する部分である。異常状態判定部１６は、圧電材１が発生する電力が所定値（しきい値）未満であるときには、検出対象物１４が発生する振動が通常の範囲内であって検出対象物１４が異常状態ではないと判定する。一方、異常状態判定部１６は、圧電材１が発生する電力が所定値（しきい値）を超えるときには、検出対象物１４が発生する振動が大きくなって検出対象物１４が異常状態であると判定する。異常状態判定部１６は、検出対象物１４が異常状態であると判定したときには、判定結果信号（判定結果情報）を判定結果送信部１７に出力する。

判定結果送信部１７は、異常状態判定部１６の判定結果を送信する部分である。判定結果送信部１７は、例えば、検出対象物１４の異常状態の発生を音声又は表示画面などによって告知する告知装置などの外部機器に、異常状態判定部１６が出力する判定結果信号を有線又は無線によって送信する。

次に、この発明の第３実施形態に係る異常状態検出装置の作用について説明する。
図１０及び図１２に示す検出対象物１４が動作して振動が発生すると、この振動が支持部１５を通じて圧電材１に伝達する。このため、図１〜図３に示す母材３中に配列している圧電粒子２に荷重が作用し、圧電粒子２が電気分極して電界Ｅを発生し、電極４Ａ，４Ｂ間に電力が発生する。その結果、電極４Ａ，４Ｂ間に発生する電力が電気信号として異常状態判定部１６に出力されて、異常状態判定部１６がこの電力が所定値を超えるか否かを判定する。圧電材１が発生する電力が所定値を超えていると異常状態判定部１６が判定したときには、異常状態判定部１６が判定結果送信部１７に判定結果信号を出力する。その結果、判定結果送信部１７から外部機器に判定結果信号が送信されて、検出対象物１４が通常状態から異常状態に変化したことがこの外部機器によって告知される。

この発明の第４実施形態に係る接触検出装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第４実施形態では、検出対象物１４の振動に応じて圧電材１が発生する電力に基づいて、検出対象物１４の異常状態を異常状態判定部１６が判定する。このため、力に対して大きな電気信号を発生する圧電材１によって検出対象物１４の振動を検出して、検出対象物１４の異常状態を正確に判定することができる。また、母材３との接触面積が少なくなるため、圧電材１のばね定数が低くなり防振材料としての使用が期待でき、母材３によって検出対象物１４から基礎Ｂに伝わる振動を低減することができる。

次に、この発明の実施例について説明する。
図１３（Ａ）に示す横軸は、充填率(％)であり、縦軸は接触面積割合(％)である。ここで、充填率は、図６に示す成形型５の容積に対する圧電粒子２及び未硬化の母材３の合計の充填量である。接触面積割合は、図２（Ｂ）に示す圧電粒子２及び母材３の両方が接触している面積である。接触面積割合は、力が加わった箇所が変色する圧力測定フィルム（富士フィルム株式会社製 商品名:プレスケール超低圧用LLW）によって測定した。図１３（Ｂ）に示す横軸は、接触面積割合(％)であり、縦軸は圧電ひずみ定数ｄ₃₃(pC/N)である。ここで、圧電ひずみ定数ｄ₃₃の添字は、力の入力及び分極方向がともに３軸(鉛直方向)であることを示す。圧電ひずみ定数ｄ₃₃は、高周波動特性測定装置(株式会社鷺宮製作所製 KC-V-2）を用いて、試料に2kN±1kNの荷重を周波数100 Hzで印加することによって測定した。

表１は、実施例１〜５及び比較例に係る圧電材の緒元である。図１３及び表１に示す実施例１〜５は、図１〜図３に示すような突起配向型の圧電材であり、図１３及び表１に示す比較例は突起のない従来の配向型の圧電材である。実施例１〜５及び比較例は、圧電粒子として平均粒径が約1mmのPZT粒子(セラテックエンジニアリング株式会社製 商品名:Z-711 圧電ひずみ定数ｄ₃₃:約600pC/N)を使用し、母材として熱硬化性シリコーンゴム(信越化学工業株式会社製 商品名:KE-109)を使用し、これらの圧電粒子と母材とを組み合わせで作製した。

図６に示すような成形型の中にPZT粒子を加えておき、このPZT粒子の上からみ硬化のシリコーンゴムを加え、正電極の金型で蓋をした。成形型は、内径50mm、深さ2mm、容積1963mmm³の金型を使用した。成形型は、図６に示すような金型５Ｂに、内径50mm、厚さ2mmの孔をあけたベークライト板の金型５Ｃを接着し、金型５Ａと金型５Ｂとの間で実施例１〜５及び比較例に係る圧電材を作製した。実施例１〜５については、成形型の上部に隙間が空くようにシリコーンゴムの割合を変化させて、表１に示すように充填率を71〜92%に変化させた。一方、比較例については、成形型の上部に隙間が空かないように成形型の上部までシリコーンゴムを加えて、表１に示すように充填率を100%にした。その後、上下の金型間に約2kV/mmの電場を加えながら、加熱装置によって100℃で加熱し約1時間静置して、実施例１〜５及び比較例に係る圧電材を製作した。表１に示すように、PZT粒子量については成形型に対して約30vol%の一定とし、シリコーンゴムの量を調整した。

図１３（Ａ）に示すように、実施例１〜５に係る圧電材を充填率が71〜92%の範囲内にして製造すると接触面積割合が27〜60%の範囲内になり、図１３（Ｂ）に示すように接触面積割合が27〜60%の範囲内では圧電性能を示す圧電ひずみ定数ｄ₃₃が36〜54pC/Nの範囲内になることが確認された。その結果、図１３（Ｂ）に示すように、比較例の圧電ひずみ定数ｄ₃₃は約10pC/Nであったが、実施例１〜５の圧電ひずみ定数ｄ₃₃は比較例の５倍の約50pC/Nまで増加することが確認された。また、実施例１〜５では、比較例に比べて圧電性能を増加させつつ、母材であるシリコーンゴムの量を低減可能であることが確認された。

充填率が75%を下回り、接触面積割合が20%を下回る圧電材を作製したところ、母材となるシリコーンゴムの量が低下し電気的な絶縁破壊の可能性が高くなることに加え、圧電粒子を母材によって保持することが困難になり耐荷重性の低下が確認された。さらに、充填率が92%を上回り、接触面積が60%を上回る圧電材を作製したところ、荷重のほとんどを母材が負担し、圧電粒子に力が加わり難くなるため圧電性能の低下が確認された。このため、突起配向型の圧電材を製造するには、母材の影響を低減させながら、耐荷重性を向上させ、圧電性能を比較例よりも増加させるために、充填率を77〜92%の範囲内に設定し、接触面積割合を30〜60%の範囲内に設定することが好ましい。特に、図１３（Ｂ）に示すように、圧電性能を略一定にするためには、充填率を77〜86%の範囲内に設定し、接触面積割合を30〜49%の範囲内に設定することが好ましい。

（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、圧電材１の一方の母材表面３ａから圧電粒子２を突出させる場合を例に挙げて説明したが、圧電材１の他方の母材表面３ｂから圧電粒子２を突出させたり、圧電材１の両方の母材表面３ａ，３ｂから圧電粒子２を突出させたりすることもできる。また、この実施形態では、硬化前の母材３が流体又は粘性体などの液体である場合を例に挙げて説明したが、母材３が流体及び粘性体の混合物である場合についてもこの発明を適用することができる。

(2) この実施形態では、圧電材１の厚さ方向に圧電粒子２が４つ配列している場合を例に挙げて説明したが、配列個数を４つに限定するものではなく、圧電材１の厚さ方向に圧電粒子２を２個以上配列させることができる。また、この第１実施形態では、圧電材１を利用して振動を抑える場合を例に挙げて説明したが、圧電材１によって騒音を受けて振動を電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを抵抗素子によって熱エネルギーに変換して騒音を低減することもできる。

１ 圧電材
２ 圧電粒子
２ａ 粒子表面
２ｂ 粒子端面
３ 母材
３ａ，３ｂ 母材表面
４Ａ，４Ｂ 電極
５ 成形型
５Ａ〜５Ｃ 金型
５ａ 電極部
５ｂ 絶縁部
６ 加熱装置
７ 接触検出装置
８ 検出対象物
９ 保護部
１０ 接触判定部
１１ 判定結果送信部
１２ 荷重検出装置
１３ 異常状態判定装置
１４ 検出対象物
１５ 支持部
１６ 異常状態判定部
１７ 判定結果送信部
Ｅ 電界
Ｖ₁ 交流電源
Ｖ₂ 直流電源
Ｒ 抵抗
Δ 隙間
Ｆ 荷重

Claims (9)

1. 複数の圧電粒子が母材中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する圧電材であって、
   前記荷重が作用する圧電粒子が前記母材の表面から突出しており、
   圧電材を所定の形状に成形するための成形型の容積に対する前記圧電粒子及び未硬化の前記母材の合計の充填量である充填率が77〜92%であり、
   前記圧電粒子と前記母材とが接触する面積である接触面積割合が30〜60%の範囲内であること、
   を特徴とする圧電材。
2. 請求項１に記載の圧電材において、
   前記母材の表面から突出する圧電粒子の表面の一部がこの母材によって保持されていること、
   を特徴とする圧電材。
3. 請求項１又は請求項２に記載の圧電材において、
   前記母材の表面から前記圧電粒子が所定のパターンで突出していること、
   を特徴とする圧電材。
4. 複数の圧電粒子が母材中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する圧電材の製造方法であって、
   成形型との間に所定の隙間が形成されるように、前記複数の圧電粒子及び未硬化の母材をこの成形型内に充填する充填工程と、
   前記荷重が作用する圧電粒子が前記母材の表面から前記隙間内に突出するように、前記複数の圧電粒子を前記未硬化の母材中に所定の方向に配列させて、この未硬化の母材を硬化させる硬化工程と、
   を含む圧電材の製造方法。
5. 請求項４に記載の圧電材の製造方法において、
   前記硬化工程は、前記母材の表面から突出する圧電粒子の表面の一部がこの母材によって保持されるように、前記未硬化の母材を硬化させる工程を含むこと、
   を特徴とする圧電材の製造方法。
6. 請求項４又は請求項５に記載の圧電材の製造方法において、
   前記硬化工程は、前記母材の表面から前記圧電粒子が所定のパターンで突出するように、前記未硬化の母材を硬化させる工程を含むこと、
   を特徴とする圧電材の製造方法。
7. 検出対象物との接触を検出する接触検出装置であって、
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の圧電材を備え、
   前記圧電材は、前記検出対象物と接触したときに電力を発生すること、
   を特徴とする接触検出装置。
8. 荷重を検出する荷重検出装置であって、
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の圧電材を備え、
   前記圧電材は、この圧電材に作用する荷重に応じて電力を発生すること、
   を特徴とする荷重検出装置。
9. 検出対象物の異常状態を検出する異常状態検出装置であって、
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の圧電材と、
   前記検出対象物の振動に応じて前記圧電材が発生する電力に基づいて、前記検出対象物の異常状態を判定する異常状態判定部と、
   を備える異常状態検出装置。

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