JP6501958B1

JP6501958B1 - 圧電素子

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Publication number: JP6501958B1
Application number: JP2018167231A
Authority: JP
Inventors: 小笠原　健; 健小笠原; 清水　聡; 聡清水; 川戸　進; 進川戸; 光輔西川
Original assignee: Toho Kasei Co Ltd
Current assignee: Toho Kasei Co Ltd
Priority date: 2018-09-06
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2038-09-06
Also published as: EP3848986A1; US20210351337A1; WO2020049912A1; EP3848986A4; EP3848986B1; US11925121B2; JP2020043138A; CN112655100A

Abstract

【課題】全体として細長い線状の形態を有する圧電素子であって、柔軟性および耐屈曲性に優れた新規な圧電素子を提供する。【解決手段】樹脂線に少なくとも１層の金属箔が螺旋状に巻き付けられている芯線と、前記芯線を被覆する有機圧電体層と、前記有機圧電体層を被覆する導電体層とを含み、前記金属箔および前記導電体層が、それらの間に前記有機圧電体層が介挿された電極としてそれぞれ機能する、圧電素子。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子に関し、より詳細には、ケーブル状またはワイヤー状などと称され得る、全体として細長い線状の形態を有する圧電素子に関する。

圧電素子は、圧電体を使用した素子であり、例えば、圧電体の正圧電効果を利用する（圧電体に加えられた外力を電圧に変換する）ことによってセンサとして、また、圧電体の逆圧電効果を利用する（圧電体に印加された電圧を力に変換する）ことによってアクチュエータとして、さまざまな用途において使用されている。

かかる圧電素子のうち、全体として細長い線状の形態を有する圧電素子として、従来、同軸ケーブル状の圧電素子が知られている。例えば、非特許文献１には、芯線（内部導体）にＰＶＤＦピエゾフィルムテープ（圧電体）を螺旋状に巻き付け、これを銅の編み線（外部導体）で覆い、更に、ポリエチレンの外被で被覆した構成を有するピエゾケーブルが開示されている。また、特許文献１には、導電性ワイヤーと、導電性ワイヤーを被覆する高分子圧電体層と、高分子圧電体層の外側の表面に配置された導電体層を含む圧電ワイヤーであって、高分子圧電体層が、β型ポリフッ化ビニリデン共重合体を含み、導電性ワイヤーの線径が、１．０ｍｍ以下である圧電ワイヤーが開示されている。

特開２０１７−１８３５７０号公報

オンラインカタログ「PIEZO FILM PRODUCT INFORMATION」、p15、「ピエゾポリマー同軸ケーブル」、［online］、2012年4月、株式会社東京センサ、［平成30年8月23日検索］、インターネット＜URL:http://www.t-sensor.co.jp/catalog/PIEZO2012.pdf＞

しかしながら、非特許文献１に記載のピエゾケーブルは、芯線として、金属の撚り線（線径１．０２ｍｍ）を用いており、ポリエチレンの外被まで含めたケーブル全体の線径が２．６７ｍｍとなっている。かかるピエゾケーブルは、可撓性ではあるが、未だ硬くて、小さな曲率半径で曲げると芯線に歪みが残留し得、また、繰り返し曲げると芯線が破断して導通が切断され得、このため圧電素子として機能しなくなり得る。また、特許文献１に記載の圧電ワイヤーは、可撓性ではあるが、芯線として、金属の単線または撚り線を用いており（特許文献１の第００４５および００５０段落）、柔軟性および耐屈曲性の点で必ずしも十分ではない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、全体として細長い線状の形態を有する圧電素子であって、柔軟性および耐屈曲性に優れた新規な圧電素子を提供することを目的とする。

本発明によれば、
樹脂線に少なくとも１層の金属箔が螺旋状に巻き付けられている芯線と、
前記芯線を被覆する有機圧電体層と、
前記有機圧電体層を被覆する導電体層と
を含み、前記金属箔および前記導電体層が、それらの間に前記有機圧電体層が介挿された電極としてそれぞれ機能する、圧電素子が提供される。

すなわち、本発明によれば、樹脂線に少なくとも１層の金属箔が螺旋状に巻き付けられている芯線を用いており、かかる芯線を有機圧電体層で被覆し、更に導電体層で被覆して、圧電素子が構成される。かかる本発明の圧電素子は、全体として細長い線状の形態を有する圧電素子とすることができる。本発明の圧電素子は、樹脂線に少なくとも１層の金属箔が螺旋状に巻き付けられている芯線を用いているので、小さな曲率半径で曲げても芯線に歪みが残り難く、よって、柔軟性に優れ、かつ、繰り返し曲げても芯線が破断して導通が切断され難く、よって、耐屈曲性に優れる。

本発明の１つの態様において、前記樹脂線に２層以上の金属箔が螺旋状に巻き付けられていてよい。

本発明の１つの態様において、前記樹脂線に前記少なくとも１層の前記金属箔が螺旋状にギャップ巻されていてよい。かかる態様において、前記金属箔の螺旋ピッチに対するギャップの割合は、０．４〜５０％であり得る。

本発明の１つの態様において、前記樹脂線は、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリアミド、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリアリレート、ポリオレフィン、ポリウレタン、および炭素繊維からなる群より選択される少なくとも１種の材料から構成されていてよい。

本発明の１つの態様において、前記金属箔は、６〜１００μｍの厚さを有し得、および／または、０．０２〜２ｍｍの幅を有し得る。

本発明の１つの態様において、前記芯線は、０．０５〜１．５ｍｍの外形寸法を有し得る。

本発明の１つの態様において、前記有機圧電体層は、１〜２００μｍの厚さを有し得る。

本発明の１つの態様において、前記有機圧電体層は、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体、およびフッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンとの共重合体から成る群より選択される少なくとも１種を含むものであり得る。

本発明の１つの態様において、前記圧電素子は、前記導電体層を被覆する絶縁体層を更に含んでいてよい。

本発明の圧電素子は、例えばセンサおよびアクチュエータのいずれかまたは双方として使用され得る。

本発明によれば、全体として細長い線状の形態を有する圧電素子であって、柔軟性および耐屈曲性に優れた新規な圧電素子が提供される。

本発明の１つの実施形態における圧電素子を示す概略図であって、（ａ）は圧電素子の部分切除側面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図を示し、（ｃ）は（ｂ）の改変例を示す。本発明の１つの実施形態における圧電素子に使用可能な芯線を示す概略図であって、（ａ）は芯線の側面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図を示し、（ｃ）は（ｂ）の改変例を示す。本発明の実施例における圧電素子からの出力の一例を示す、電圧信号の経時変化グラフである。本発明の実施例における圧電素子からの出力の別の例を示す、電圧信号の経時変化グラフである。本発明の実施例における圧電素子からの出力の更に別の例を示す、電圧信号の経時変化グラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。なお、添付の図面中、電極端子を黒丸にて模式的に示す。

図１を参照して、本実施形態の圧電素子２０は、樹脂線１に少なくとも１層の金属箔３が螺旋状に巻き付けられている芯線５と、芯線５を被覆する有機圧電体層７と、有機圧電体層７を被覆する導電体層９とを有し、場合により、導電体層９を被覆する絶縁体層１１を更に有する。圧電素子２０において、金属箔３および導電体層９が、それらの間に有機圧電体層７が介挿された電極としてそれぞれ機能する（図１（ｂ）参照）。かかる圧電素子２０は、ケーブル状またはワイヤー状などと称され得る、全体として細長い線状の形態を有し、圧電素子全体として柔軟性を有するように構成される。圧電素子２０において、芯線５、有機圧電層７、導電体層９、および存在する場合には絶縁体層１１は、略同軸上に配置され得るが、本発明はかかる構成に限定されない。

本実施形態の圧電素子２０は以下のようにして製造され得る。

図２に示すように、本実施形態に使用可能な芯線５は、樹脂線１に少なくとも１層の金属箔３が螺旋状に巻き付けられた構成を有するものであればよい。芯線５は、かかる構成を有することにより、引っ張った場合に引張り応力が主として樹脂線１に作用して芯線５全体が伸長し得、好ましくは３％以上の引張伸度を示し得、比較的小さな曲率半径で曲げた場合（例えば、後述する柔軟性試験に付した場合）にも、芯線５に歪みが残留せず、優れた柔軟性を示す。また、芯線５は、かかる構成を有することにより、繰り返し曲げても導通が切断され難く（例えば、後述する耐屈曲性試験において５０００回以上の繰り返し曲げに付しても導通を維持でき）、優れた耐屈曲性を示す。従って、かかる芯線５を用いた本実施形態の圧電素子２０は、柔軟性および耐屈曲性に優れるという効果を奏し得る。

樹脂線１は、樹脂材料から構成される全体として線状の部材であればよい。かかる樹脂材料の例としては、芳香族ポリアミド（アラミド、例えばパラ型アラミド、メタ型アラミド等）、脂肪族ポリアミド（ナイロン）、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリアリレート、ポリオレフィン、ポリウレタン、および炭素繊維（例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）等）からなる群より選択される少なくとも１種の材料が挙げられる。

樹脂線１は、実質的に円形、楕円、矩形、多角形などの任意の断面形状を有し得、中空および中実のいずれであってもよく、単線、撚り線および編み線などであってもよい。樹脂線１の外形寸法Ｄ_１（非円形断面を有する場合は断面の最大の外形寸法、円形断面を有する場合は外径、以下同様）は、特に限定されず、芯線５に所望される外形寸法および樹脂線１に巻き付けられる金属箔３の厚さ（２層以上の金属箔の場合には、それらの総厚さ）等を考慮して適宜選択され得る。樹脂線１の外形寸法Ｄ_１は、例えば０．０５〜２ｍｍであり得、特に１ｍｍ以下、より特に０．５ｍｍ以下であり得る。

金属箔３は、金属材料から構成される箔状（または層状）の部材であればよい。金属材料としては、電極として機能するのに適した高い導電性を示す（従って、圧電素子全体として低い抵抗値を示すのに寄与する）任意の適切な金属材料を使用でき、単一の金属材料が使用されていても、複数の金属材料が使用されていても（例えば、ある金属材料の母材に他の金属材料のメッキが施されていても）よい。かかる金属材料の好ましい例としては、銅および銅含有合金（例えば銅錫合金、銅銀合金等）が挙げられ、例えば錫等のメッキを有していても、有していなくてもよい。これらは、高い導電性を示すうえ、銅が高い延性を示すことから機械的強度に優れ、圧電素子２０の柔軟性および耐屈曲性を一層高めることができる。

金属箔３は、金属箔の単層であっても、２層以上の金属箔が重ね合わされたもの（即ち、２層以上の金属箔の積層体）であってよい。後者の場合、樹脂線１に２層以上の金属箔が螺旋状に巻き付けられる。例えば、図２（ｃ）に示すように、金属箔３ａおよび金属箔３ｂが重ね合わされて、樹脂線１に螺旋状に巻き付けられ得る。互いに隣接する二層の金属箔は、少なくとも部分的に重ね合わさっていればよく（図２（ｃ）参照）、例えば金属箔の幅の２０％以上、特に４０％以上で重ね合わさっていればよい。

金属箔３として、２層以上の金属箔の積層体を使用する場合、例えば繰り返し曲げ等により、２層以上の金属箔のうちいずれかが破断しても、金属箔の積層体全体では導通が切断されることを回避できるため、圧電素子２０が故障することをより効果的に防止できる。金属箔の層数は、例えば２〜４層であり得、特に３層以下、より特に２層であり得る。

金属箔３の厚さおよび幅は、芯線５に所望される外形寸法、柔軟性および耐屈曲性等を考慮して適宜選択され得る。樹脂線１の外形寸法Ｄ_１に対する金属箔３の厚さの割合は、例えば０．４〜１００％であり得、金属箔３の厚さは、例えば６〜１００μｍであり得、特に３０μｍ以下、より特に１５μｍ以下であり得る。金属箔３の幅は、例えば０．０２〜２ｍｍであり得、特に１ｍｍ以下、より特に０．５ｍｍ以下であり得る。なお、金属箔３の厚さは、１層の金属箔が使用される場合には、その厚さを言い、２層以上の金属箔が重ね合わされて使用される場合には、それらの総厚さを言うものとする。金属箔３の幅は、樹脂線１に螺旋状に巻き付けられ得る金属箔３の長手方向に沿った中心線に対して垂直な方向における寸法（または金属箔３の長手方向に沿った両側部間の最短距離）を言うものとする。２層以上の金属箔が重ね合わされて使用される場合、各金属箔の厚さおよび幅は互いに同じであっても、異なっていてもよいが、典型的には同じであり得る。

芯線５において、樹脂線１に少なくとも１層の金属箔３が螺旋状に、好ましくは一定の螺旋ピッチＰで巻き付けられ、重ね巻きされていない。螺旋ピッチＰの寸法は、金属箔３の幅より大きければよく、特に限定されない。芯線５（または圧電素子２０）に応力が作用していない状態において、樹脂線１の外形寸法Ｄ_１に対する螺旋ピッチＰの割合は、例えば２〜４７００％、特に１００〜５００％であり得、かかる範囲において、芯線５ひいては圧電素子２０の柔軟性および耐屈曲性を一層高めることができる。螺旋ピッチＰは、例えば０．０３ｍｍ〜２．３５ｍｍ、特に０．０５〜０．６ｍｍであり得る。

芯線５において、樹脂線１に少なくとも１層の金属箔３が螺旋状にギャップ巻されていることが好ましい。「ギャップ巻」とは、間隔巻きとも呼ばれ、図１〜２に示すように、樹脂線１に金属箔３を螺旋状に巻き付ける際に、金属箔３にギャップＧ（図２（ａ）参照）を設けて巻き付けることを意味する。ギャップＧは、樹脂線１の露出部に一致し、ギャップＧの寸法は樹脂線１の露出部に基づいて計測され得る（特に、２層以上の金属箔が重ね合わされて使用され、かつこれら金属箔が互いにずれている場合に、かかる計測方法が適用される）。芯線５（または圧電素子２０）に応力が作用していない状態において、螺旋ピッチＰに対するギャップＧの割合は、例えば０．４〜５０％、特に５〜４０％であり得、かかる範囲において、芯線５ひいては圧電素子２０の柔軟性および耐屈曲性を一層高めることができる。ギャップＧは、例えば０．０１〜０．３５ｍｍ、特に０．１ｍｍ以下であり得る。

芯線５の外形寸法Ｄ_２（図２（ｂ）に示すように非円形断面を有する場合は断面の最大の外形寸法、円形断面を有する場合は外径、以下同様）は、特に限定されず、圧電素子２０に求められる仕様に応じて様々であり得る。芯線５は、極めて細くすることが可能であり、その外径寸法Ｄ_２は、例えば０．０５〜１．５ｍｍであり得、特に１．０ｍｍ以下、より特に０．５ｍｍ以下、より一層特に０．３ｍｍ以下であり得る。

再び図１を参照して、芯線５を有機圧電体層７により被覆する。有機圧電体層７は、芯線５の金属箔３と導電体層９との間に、これらが互いに接触しないように設けられ、かつ、好ましくは金属箔３と密着して設けられる。

有機圧電体層７は、有機圧電体として既知の任意の材料から構成され得る。有機圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスで代表される無機圧電体に比べて高い耐衝撃性および耐屈曲性を有する。有機圧電体層７を成す材料は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン系共重合体（フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ））、フッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンとの共重合体（Ｐ（ＶＤＦ／ＴｅＦＥ））を包含する）などを使用してよい。このうち、有機圧電体層７は、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）およびＰ（ＶＤＦ／ＴｅＦＥ）から成る群より選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。

有機圧電体層７の厚さは、特に限定されず、圧電素子２０に所望される圧電特性（正圧電効果および／または逆圧電効果）、柔軟性および耐屈曲性等を考慮して適宜選択され得る。有機圧電体層７の厚さは、例えば１〜２００μｍであり得、特に１００μｍ以下、より特に５０μｍ以下であり得る。

有機圧電体層７を成す材料は、実際に使用する材料に応じて、圧電性を発現するために必要な処理、例えば延伸および／または分極処理などが、芯線５を被覆する前、被覆形成している間およびその後の任意の適切なタイミングで施され得る。

例えば、有機圧電体層７を成す材料としてＰＶＤＦを用いる場合、有機圧電体層７は次のようにして形成され得る。ＰＶＤＦは、α、β、γの３種の結晶構造をとり得、通常は、エネルギー的に最も安定なα型であり得るが、α型の結晶構造を多く含むＰＶＤＦを、例えば一軸延伸することにより、β型の結晶構造を多く含むＰＶＤＦに変換することができる。β型の結晶構造を多く含むＰＶＤＦは、強誘電性を示し、これを分極処理に付すことによって、双極子が整列し、圧電性を示すものとなる。よって、ＰＶＤＦフィルムを一軸延伸して成る延伸ＰＶＤＦフィルムを芯線５の周囲に隙間無く巻き付け（好ましくは重ね巻きし）、その後、例えばコロナ放電などの分極処理に付すことによって、圧電性を示すＰＶＤＦ層を得ることができ、この結果、芯線５を有機圧電体層（より詳細にはＰＶＤＦ層）７で被覆することができる。

また例えば、有機圧電体層７を成す材料としてフッ化ビニリデン系共重合体を用いる場合、有機圧電体層７は次のようにして形成され得る。フッ化ビニリデン系共重合体、特にＰ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）およびＰ（ＶＤＦ／ＴｅＦＥ）は、ＰＶＤＦよりもβ型結晶構造を多く含み得る。よって、かかるフッ化ビニリデン系共重合体は、延伸なしに、分極処理を施すだけで、芯線５を有機圧電体層７で被覆した巻線７を容易に作製することができる。具体的には、下記の溶媒コーティング法または溶融押出法により有機圧電体層７を形成することができる。

溶媒コーティング法では、まず、フッ化ビニリデン系共重合体を溶媒に溶解または分散させた樹脂液を調製し、この樹脂液を芯線５の表面に適用（例えば塗布）し、これを加熱して溶媒を実質的に除去してフッ化ビニリデン系共重合体層を得、その後、例えばコロナ放電などの分極処理に付すことによって、圧電性を示すフッ化ビニリデン系共重合体層を得ることができ、この結果、芯線５を有機圧電体層（より詳細にはフッ化ビニリデン系共重合体層）７で被覆することができる。溶媒には、ケトン系溶媒（例えばメチルエチルケトン（ＭＥＫ）、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）、アセトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン）、エステル系溶媒（例えば酢酸エチル、酢酸メチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、乳酸エチル）、エーテル系溶媒（例えばテトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン）、アミド系溶媒（例えばジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルアセトアミド）、ピロリドン系溶媒（例えばＮ−メチルピロリドン）などを使用できる。加熱温度は、使用する溶媒に応じて様々であり得るが、例えば８０〜１８０℃であり得る。

溶融押出法では、まず、例えばペレット状のフッ化ビニリデン共重合体を加熱溶融して溶融樹脂を得る。加熱温度は、使用するフッ化ビニリデン共重合体の融点以上であればよいが、例えば１２０〜２５０℃であり得る。この溶融樹脂を芯線５の表面に適用（例えばその周囲に押出被覆）してフッ化ビニリデン系共重合体層を得、その後、例えばコロナ放電などの分極処理に付すことによって、圧電性を示すフッ化ビニリデン系共重合体層を得ることができ、この結果、芯線５を有機圧電体層（より詳細にはフッ化ビニリデン系共重合体層）７で被覆することができる。

ＰＶＤＦおよび／またはフッ化ビニリデン系共重合体を用いた有機圧電体層７は、例えば８５℃以上の高い耐熱性を示すので好ましい。ＰＶＤＦおよびフッ化ビニリデン系共重合体の分子量は特に限定されない。フッ化ビニリデン系共重合体は、フッ化ビニリデンと、フッ化ビニリデンと共重合可能な１種またはそれ以上のフッ素系モノマー（以下、単に他のフッ素系モノマーとも言う）との共重合体である。他のフッ素系モノマーは、トリフルオロエチレンおよびテトラフルオロエチレンの一方または双方であり得る。フッ化ビニリデン系共重合体において、フッ化ビニリデンに由来するユニットは、５０モル％以上であり得、好ましくは６０モル％以上であり、他のフッ素系モノマーに由来するユニットとフッ化ビニリデンに由来するユニットとのモル比は、適宜選択され得る。

しかしながら、有機圧電体層７を成す材料は、上記で詳述した材料に限定されず、任意の適切な他の成分（例えば圧電セラミックス等の添加剤）を例えば比較的少量で更に含んでいてもよく、あるいは、他の既知の圧電性を示す有機材料を用いてもよい。

かかる有機圧電体層７を導電体層９により被覆する。導電体層９は、有機圧電体層７を少なくとも部分的に被覆するように設けられ、好ましくは有機圧電体層７と密着して設けられる。

導電体層９は、少なくとも有機圧電体層７に接触する表面が導電性を示す材料から構成される可撓性部材であればよい。導電体層９には、シールドとして既知の導電体層を利用してよく、例えば金属素線の編組シールドおよび横巻きシールドを使用できる。また、導電体層９は、有機圧電体層７に螺旋状に巻き付けられた少なくとも１層の金属箔であってもよい。この場合、有機圧電体層７に少なくとも１層の金属箔９’が螺旋状に、好ましくは一定の螺旋ピッチＰで巻き付けられ、重ね巻きされていても、重ね巻きされていなくてもよく、更に、例えば図１（ｃ）に示すように、ギャップ巻されていてもよい。２層以上の金属箔が重ね合わされて使用される場合、互いに隣接する二層の金属箔は、少なくとも部分的に重ね合わさっていればよく、例えば金属箔の幅の２０％以上、特に４０％以上で重ね合わさっていればよい。金属素線や金属箔を構成する金属材料の好ましい例としては、銅および銅含有合金（例えば銅錫合金、銅銀合金等）が挙げられ、例えば錫等のメッキを有していても、有していなくてもよい。これらは、高い導電性を示すうえ、銅が高い延性を示すことから機械的強度に優れ、圧電素子２０の柔軟性および耐屈曲性を一層高めることができる。

導電体層９の厚さは、特に限定されず、圧電素子２０に所望される柔軟性および耐屈曲性等を考慮して適宜選択され得る。導電体層９の厚さは、例えば５〜５００μｍであり得、特に２００μｍ以下、より特に１００μｍ以下であり得る。

導電体層９の外形寸法は、圧電素子２０が絶縁体層１１を有しない場合の圧電素子２０の外形寸法に一致し得、特に限定されないが、例えば０．０５〜２．２ｍｍであり得、特に１．５ｍｍ以下、より特に１ｍｍ以下であり得る。

更に、本実施形態に必須ではないが、かかる導電体層９を絶縁体層１１により被覆してよい。絶縁体層１１は、圧電素子２０を電気的および／または物理的に保護するために設けられ得る。かかる絶縁体層１１は、シース（または外被）としても理解され得る。

絶縁体層１１は、少なくとも表面が絶縁性を示す材料から構成される可撓性部材であればよい。絶縁体層１１は、例えば、絶縁性素線（例えばナイロン、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ゴム、シリコーン、ウレタン、ポリアリレート、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリアミド等の絶縁性材料から成る素線）の組紐であってよい。また、絶縁体層１１は、導電体層９の周囲に絶縁性材料（例えばポリエチレン、ポリ塩化ビニル、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリオレフィン、フッ素樹脂（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）、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−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ＰＶＤＦ等）、ゴム等）を押出被覆することにより形成してもよい。

絶縁体層１１の厚さは、特に限定されず、圧電素子２０に所望される柔軟性および耐屈曲性等を考慮して適宜選択され得る。絶縁体層１１の厚さは、例えば１０〜１０００μｍであり得、特に７００μｍ以下、より特に４００μｍ以下であり得る。

絶縁体層１１の外形寸法は、圧電素子２０が絶縁体層１１を有する場合の圧電素子２０の外形寸法に一致し得、特に限定されないが、例えば０．０７〜４．２ｍｍであり得、特に１．５ｍｍ以下、より特に１ｍｍ以下であり得る。

導電体層９と絶縁体層１１との間には空気層が少なくとも部分的に存在していてよく、この場合、絶縁体層１１を、ワイヤーストリッパー等で容易に除去して導電体層９を露出させて電極端子を取り出すことができる。

以上のようにして本実施形態の圧電素子２０を得ることができる。本実施形態の圧電素子２０は、柔軟性および耐屈曲性に優れる。金属箔３および導電体層９は、電極として機能する（添付の図面中、電極端子を黒丸にて模式的に示す）。導電体層９は、グランドであってよく、その場合、シールドとしても機能し得る。

本実施形態の圧電素子２０は、各種のセンサおよび／またはアクチュエータとして利用可能である。

本実施形態の圧電素子２０は、圧電体の正圧電効果を利用してセンサとして利用可能である。圧電素子２０は、例えば、被検知対象物に取付および／または埋込等して、圧電素子２０に外力が加えられたときにこれを検知することが可能な感圧センサとして、あるいは、被検知対象物の内部疲労を検知するセンサとして利用され得る。また、複数の圧電素子２０を用いて編物または織物を構成して、繊維状圧電センサや振動型発電素子として利用することもできる。その他にも、例えば防犯センサ、介護／見守りセンサ、衝撃センサ、ウェアラブルセンサ、生体信号センサ（呼吸／脈拍）、車両用挟み込み防止センサ、車両用バンパー衝突センサ、車両用エア流量センサ、気象検知センサ（雨／雪）、火災検知センサ、水中音響センサ、ロボット用触覚センサ、医療機器用触覚センサ、繊維シート状圧力分布センサ、環境振動用発電ワイヤーなどの種々の用途に利用することができる。

本実施形態の圧電素子２０は、上記に代えて／加えて、圧電体の逆圧電効果を利用してアクチュエータとして利用可能である。圧電素子２０は、例えば、圧電素子２０に対して駆動電圧を加えた際に、振動を励振するアクチュエータとして利用され得、また更に、その振動をセンサとして利用したアクチュエータ駆動センサとしても利用され得る。その他にも、例えば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、圧電モーターなどの種々の用途に利用することができる。

以上、本発明の１つの実施形態における圧電素子について詳述したが、本実施形態は種々の改変が可能である。

（実施例１）
実施形態１にて図１〜２を参照して詳述した構成を有する圧電素子を下記の通り作製した。

樹脂線１として、パラ型アラミド繊維からなる直径約１５μｍの素線５０本を撚って構成されている直径約０．１５ｍｍの撚り線を使用し、この樹脂線１に、金属箔３として、錫メッキが施された銅錫合金から成る箔が２層積層された積層体であって、各箔の幅約０．１７ｍｍであり、積層体の総厚さ約０．０１２ｍｍであるものをギャップ巻きして、芯線５を準備した。芯線５の外径は約０．１７ｍｍであり、ピッチＰは約０．２７ｍｍであり、ギャップＧは約０．０８ｍｍであった（Ｇ／Ｐ＝約３０％）。

他方、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体３３ｇをメチルエチルケトン６７ｇに７０℃に加温しながら溶解し、日本エマソン社製の超音波ホモジナイザー“ＢＲＡＮＳＯＮＤｉｇｉｔａｌＳｏｎｉｆｉｒｅ”で３０分間攪拌して樹脂液を調製した。

上記で準備した芯線５に、上記樹脂液をディップコーティング法で塗工し、１５０℃で２分間加熱して、メチルエチルケトンを気化させて除去して、芯線５の表面にフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体層を形成した。このフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体層を、芯線５をグランド電極として、直流高圧安定化電源（エレメント有限会社製）により直流電圧１２ｋＶを３０秒間コロナ放電することにより、分極処理を施して、有機圧電体層７を得た。有機圧電体層７の厚さは、約４０μｍであった。

次に、この有機圧電体層７の周囲を、導電体層９として、錫メッキが施された錫銅合金から成る箔の単層を螺旋状に巻き付けて（ギャップなしで）被覆した。導電体層９の厚さは、約０．０１２ｍｍであった。

そして、この導電体層９の周囲を低密度ポリエチレンにより押出被覆し、絶縁体層１１を形成した。絶縁体層１１の厚さは約２００μｍであった。絶縁体層１１の外径（すなわち、圧電素子２０の外径）は、約０．６７ｍｍであった。

以上のようにして本実施例の圧電素子２０を作製した。

（実施例２）
樹脂線１として、パラ型アラミド繊維からなる直径約１４μｍの素線５０本を撚って構成されている直径約０．１４ｍｍの撚り線を使用し、この樹脂線１に、金属箔３として、銅銀合金から成る箔が２層積層された積層体であって、各箔の幅約０．１７ｍｍであり、積層体の総厚さ約０．０１２ｍｍであるものをギャップ巻きして、芯線５を準備した。芯線５の外径は約０．１６ｍｍであり、ピッチＰは約０．３４ｍｍであり、ギャップＧは約０．０４ｍｍであった（Ｇ／Ｐ＝約１２％）。

上記で準備した芯線を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、圧電素子を作製した。

（実施例３）
樹脂線１として、ポリエステルからなる直径約１５μｍの素線５０本を撚って構成されている直径約０．１５ｍｍの撚り線を使用し、この樹脂線１に、金属箔３として、銅錫合金から成る箔の単層であって、箔の幅約０．２７ｍｍであり、厚さ約０．０１９ｍｍであるものをギャップ巻きして、芯線５を準備した。芯線５の外径は約０．１９ｍｍであり、ピッチＰは約０．２３ｍｍであり、ギャップＧは約０．０２ｍｍであった（Ｇ／Ｐ＝約９％）。

（比較例１）
芯線として、表面に銀メッキを施したナイロン糸（外径約０．１１ｍｍ、ミツフジ株式会社製、商品名：ＡＧｐｏｓｓ（登録商標）銀メッキ繊維（フィラメント）、７０ｄ／３４ｆ、但し、ｄはデニール、ｆはフィラメント本数を意味する）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、圧電素子を作製した。

（比較例２）
芯線として、表面に銀メッキを施したナイロン糸（外径約０．１６ｍｍ、ミツフジ株式会社製、商品名：ＡＧｐｏｓｓ（登録商標）銀メッキ繊維（フィラメント）、１００ｄ／３４ｆ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、圧電素子を作製した。

（比較例３）
芯線として、表面に黄銅メッキを施した高張力ピアノ線の単線（外径約０．０５ｍｍ、日鉄住金ＳＧワイヤ株式会社製、品名：ＳＰＷＨ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、圧電素子を作製した。

（比較例４）
芯線として、表面に銀メッキを施した銅錫合金からなる素線７本を撚って構成されている撚り線（外径約０．０７５ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、圧電素子を作製した。

（比較例５）
芯線として、ＳＵＳ３１６（ＪＩＳＧ４３０９）の単線（外径約０．０６ｍｍ）を使用したこと以外は、実施例１と同様にして、圧電素子を作製した。

（測定および評価）
実施例１〜３および比較例１〜５で作製した各圧電素子について、下記に従って、抵抗値および引張伸度を測定すると共に柔軟性試験および耐屈曲性試験に付して評価した。結果を表１に示す。

・抵抗値測定
圧電素子から、芯線の金属箔（実施例）または金属部分（比較例）と、導電体層とを、それぞれ露出させて電極とし、テスター（株式会社カスタム製、デジタルマルチメータＣＤＭ−１１Ｄ）を使用して、これら電極間に電圧を印加して抵抗値を測定する。
圧電素子として実用に耐え得るには、抵抗値は低いほうがよく、具体的には、５０Ω／ｍ以下が好ましく、２０Ω／ｍ以下がより好ましい。

・引張伸度測定
引張試験機（島津製作所製、型番：ＡＧＳ−Ｈ）を使用して、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して、長さ約１００ｍｍに切り出した圧電素子の長手方向両端部をつかみ具でつかんで、１０ｍｍ／ｍｉｎで引っ張って、破断したときの圧電素子の長さを測定し、試験前の圧電素子の長さに対する、破断したときの圧電素子の伸びの割合（％）を求める（引張伸度は、破断伸度と同義である）。
圧電素子の柔軟性に寄与するには、引張伸度は大きいほうがよく、具体的には、３％以上が好ましい。

・柔軟性試験
長尺の圧電素子を、内径１０ｍｍの輪の形態に交差させて曲げ、その輪がほどけないように交差部をできるだけ維持しながら、輪が縮小するように圧電素子の長手方向両端部を反対方向に引っ張る。その後、圧電素子（より詳細には芯線）に歪みが残留しているか否かを目視により観察して判定する。
圧電素子として実用に耐え得るには、歪みが残留していないことが好ましい。

・耐屈曲性試験
耐久試験機（ユアサシステム機器株式会社製、型番：ＤＭＬＨＢ−Ｐ１５０）を使用して、荷重１００ｇおよび速度６０ｒｐｍで、圧電素子を±９０°繰り返し屈曲させて、圧電素子の電極間の導通が切断されるまでの回数を測定した。
圧電素子として実用に耐え得るには、５０００回以上の繰り返し曲げに付しても導通を維持できることが好ましく、１００００回以上の繰り返し曲げに付しても導通を維持できることがより好ましい。

表１から理解されるように、実施例１〜３の圧電素子は、５０Ω／ｍ以下の低い抵抗値を示し、３％以上の引張伸度を示し、柔軟性試験に付した場合にも歪みが残留せず、優れた柔軟性を示した。これは、曲げ応力が主に芯線の樹脂線に作用し、金属箔には直接作用しなかったため、樹脂線の弾性変形により、変形が生じても、元の状態に戻ることができたためであると考えられる。また、実施例１〜３の圧電素子は、耐屈曲性試験において５０００回以上の繰り返し曲げに付しても導通を維持でき、優れた耐屈曲性を示した。特に、実施例１〜２の圧電素子は、耐屈曲性試験において１５０００回以上の繰り返し曲げに付しても導通を維持でき、極めて優れた耐屈曲性を示した。これは、芯線に２層以上の金属箔の積層体を使用したため、繰り返し曲げにより、２層の金属箔のうちいずれかが破断しても、金属箔の積層体全体では導通が切断されることを回避できたためであると考えられる。他方、比較例１〜２の圧電素子は、抵抗値が高くて実用に適さなかった。比較例３〜５の圧電素子は、引張伸度が３％未満であり、柔軟性試験において芯線に歪みが残留した。歪みが残留したのは、曲げ応力が芯線の金属部分に直接作用し、金属の塑性変形が生じて、元の状態に戻れなくなったためであると考えられる。また、比較例３〜５の圧電素子は、耐屈曲性試験において、５０００回未満の繰り返し曲げにより導通が切断された。これは、芯線の金属部分に曲げ応力が直接作用し、金属の塑性変形の蓄積により容易に破断されたためであると考えられる。

（動作確認）
実施例１で作製した圧電素子について、下記の操作により動作確認を行った。

圧電素子２０のうち芯線５の金属箔３と導電体層９とからそれぞれ電極を取り出してインピーダンス変換回路に接続した。インピーダンス変換回路は、インピーダンスが高い圧電素子からの出力インピーダンスを下げることを目的としており、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、コンデンサおよび抵抗等で構成される回路であればよい。圧電素子２０からインピーダンス変換回路を経て出力される電圧信号を、オシロスコープによって経時的に計測することができるように、動作確認システムを構成した。

上記のように圧電素子からの電圧信号を計測しながら、圧電素子を指先で強くタッチしたり、弱くタッチしたりした。このときの、電圧信号の経時変化グラフを図３に示す。図３に示すように、圧電素子にタッチして外力を加えたときにマイナスの電圧が発生しマイナス側の電圧値上昇が見られ、外力を除くと逆方向すなわちプラスの電圧が発生しプラス側の電圧値上昇が見られた。また加えた外力の大きさに応じて電圧値ピークの大きさが異なり、加えた外力が大きいと電圧値ピークが大きくなった。

更に、圧電素子を指で２カ所つまんで反対方向に繰り返し軽く引っ張ったときの電圧信号の経時変化グラフを図４に示す。また、圧電素子を指先で押さえて右に２回ねじり、次いで左に２回ねじったときの電圧信号の経時変化グラフを図５に示す。

図３〜５から理解されるように、いずれの場合にも指から加えられた外力を敏感に感知し、よって、圧電素子として実際に機能し得ることが確認された。なお、外力の加え方によって（タッチ、引っ張り、ねじり）、電圧信号の波形が異なっていたことにも留意されたい。

本発明の圧電素子は、各種のセンサおよび／またはアクチュエータとして利用可能である。本発明を限定するものではないが、本発明の圧電素子は、柔軟性および耐屈曲性に優れ、極めて細い外形寸法を有し得、例えば、圧電素子に外力が加えられたときにこれを検知することが可能な感圧センサ等として利用され得る。

１樹脂線
３、３ａ、３ｂ金属箔
５芯線
７有機圧電体層
９導電体層
１１絶縁体層
２０圧電素子
Ｄ_１、Ｄ_２外形寸法
Ｐ螺旋ピッチ
Ｇギャップ

Claims

樹脂線に少なくとも１層の金属箔が螺旋状に巻き付けられている芯線と、
前記芯線を被覆する有機圧電体層と、
前記有機圧電体層を被覆する導電体層と
を含み、前記金属箔および前記導電体層が、それらの間に前記有機圧電体層が介挿された電極としてそれぞれ機能し、前記樹脂線に前記少なくとも１層の前記金属箔が螺旋状にギャップ巻され、前記金属箔の螺旋ピッチに対するギャップの割合が０．４〜５０％である、圧電素子。
前記樹脂線に２層以上の金属箔が螺旋状に巻き付けられている、請求項１に記載の圧電素子。
前記樹脂線が、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリアミド、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリアリレート、ポリオレフィン、ポリウレタン、および炭素繊維からなる群より選択される少なくとも１種の材料から構成される、請求項１または２に記載の圧電素子。
前記金属箔が、６〜１００μｍの厚さおよび０．０２〜２ｍｍの幅を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電素子。
前記芯線が、０．０５〜１．５ｍｍの外形寸法を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の圧電素子。
前記有機圧電体層が、１〜２００μｍの厚さを有する、請求項１〜５のいずれかに記載の圧電素子。
前記有機圧電体層が、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体、およびフッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンとの共重合体から成る群より選択される少なくとも１種を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の圧電素子。
前記導電体層を被覆する絶縁体層を更に含む、請求項１〜７のいずれかに記載の圧電素子。
センサおよびアクチュエータのいずれかまたは双方として使用される、請求項１〜８のいずれかに記載の圧電素子。