JPS596748A - 応力増大型電気機械変換器及びキ−ボ−ド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、活性エレメントが圧電または圧電抵抗材料か
ら成るフィルムにより構成されて°いる圧力センサ及び
変換器に関する。本発明による構成では適尚なエレメン
トを用いることにより、従来型構造で得られた圧電また
は圧電抵抗効果よりも実質的に高い効果が得られる。

圧電材料は、機械的応力に対応して２つの対向面間で電
位差を呈する特性を有する。圧電抵抗材料に関してはそ
れらの電気抵抗はこれらの材料に適用される機械的応力
によシ変更される。−次近似としてはこれらの電気特性
は圧電抵抗材料に適用される応力の一次関数である。外
部エネルギ源を必要とせずに機械的エネルギを電気エネ
ルギに転換させる変換器として圧電材料は特に興味が持
たれる。ある場合には、感度の問題に対し、或いは補助
電子デバイスによる電気効果の適用を避けるために最も
可能性の高い圧電または圧電抵抗材料によシ生起された
電気効果を有することは特に有利である。

たとえば応力中心距離によシ機械的効果を増大させるシ
ステムによυこの種の材料での電気効果の値を増大させ
ることが公知である。このようなシステムでは２つの明
確な部分がある。すなわち圧電または圧電抵抗材料と増
大システムである。

適用される力に関する高い電気応答を得るための別の手
段は曲げによシ応力を生起することである。

従って活性エレメントは一端で埋込まれ、他端で曲げ力
を受けるビームの形状にある。生起された電気効果と同
様、材料内でこのように生起された引張応力は非常に大
きい。

多くの適用では、たとえば静液圧センサの場合、測定さ
れる応力を機械的に増大させたシ或いは埋込ビームの形
状でのデバイスを使用することは不都合であシ、或いは
不可能ですらある。

これらの欠点を改善するため、本発明は、圧電活性フィ
ルムが２個の剛性変形可能な圧縮不可能なポデー間に挿
入される積重構造を提供する。この構造が力の作用を受
けて変形されると、フィルムの面に前記ポデーによシ応
力が生起され、ポデーが変形不可能であり或いはフィル
ムの面上を摺動し得る場合、前記応力は圧電または圧電
抵抗効果によシ同じ力が生起したものよシも強い電気量
変化に転換される。二次応力は、先行技術による構造で
期待され得る圧電または圧電抵抗効果よシも実質的に大
きいこれらの効果を誘導し得るということが経験によシ
示されている。

本発明は、圧電または圧電抵抗特性を有する第一材料か
ら成るフィルムの形状の少くとも１個の活性エレメント
を含んでおシ、前記フィルムに与えられる応力を増大さ
せる手段を含んでおシ、導電手段が前記フィルムの主要
面に与えられておシ、前記増大手段は体積的に非圧縮性
固体状及び変形可能な第２材料から成る少くとも１つの
層によシ構成されておシ、前記層は前記主！！間の１つ
と一体を成すことを特徴とする電気機械変換器を提供す
る。

本発明は以下の説明と添付図面からよシ良く理解される
であろう。

第１図は本発明の詳細な説明に関する。本図はスタック
を構成する３つのエレメントを含む平坦圧電変換器の等
自回である。２個のエレメント５及び６間にこれらのエ
レメントに接着する圧電フィルム４が挿入されているの
がみもれる。エレメント５及び６は変形可能な４ＦＢ、
〜椛な材料から作製されている。第１図に示されたよう
に該変換器は、側面が方向１．２及び３の正規直交座標
のシステムに平行な直角平行六面体の形状を有する。

Ｌは平行六面体の長さを示し、Ｌはその巾を示し、その
厚みはＸｐ＋　Ｘ、の合計であシ、−Ｘ８はエレメント
５及び６の全体の厚みであシ、 −Ｘｐは圧電フィルムの厚みである。

ｅ エレメント５及び６は同一厚み−を有していることが推
定されよう。変換（至）は、土面Ｂが軸１及び２によシ
規定される平面に平行な平面に位置している平坦ベース
７上に配置されている。変換器は軸３に平行な方向での
力Ｆ３を受ける。次の計算は次の推定に基きおζなわれ
るであろう。エレメント６が変形されるときエレメント
６それ自体の上表面Ｓ全体に力Ｆｍが適用される。ベー
ス７は変形されず、力Ｆ、の適用の結果生じる変形中エ
レメント５を保持しない。エレメント４，５及び６は機
械的に均質性であシ等方性であることも推定されよう。

従って変換器の寸法の方向１，２及び３での変化−はフ
ックの法則によシ与えられる。この法則は圧電材料に及
び変形可能なＩＩＷ饋１１ｉ、ＩＪｌな材料に適用され
ねばならない。すなわち 前記式ではＹはヤング（Ｙｏｕｎｇ）係数であ）、νは
ポアソン係数であシ、σ重は方向１での応力である。圧
電フィルムに関する特性は指数ｅを有し、エレメント５
及び６の材料に関する特性は指数ｐを有する。

エレメント５及び６０寸法変化は、これらのエレメント
が１個のブロックだけで構成されているかのように計算
される。フィルム４がエレメント５及び６に接着してい
るため、これらのエレメントの表面間では摺動はない。

端での条件は８Ｂ”　＝Ｊｐ及びｇ＠ｅ＝ａ＠ｐを可能
にする。方向１及び２では力は適用されず、異なるエレ
メζトの最初の厚みは軸１及び２に沿って夫々同一であ
る。

部分Ｓの上面に適用される力は Ｆ＄ σ＄・＝すｐ＝−＝σ口 である。

これらの式から が得られ、これは方向１で圧電フィルムに与えられた応
力である。この構造線方向１及び２で対称的であるため
、’１ｐ＝σ？が得られる。

ポリ弗化ビニリデン（ＰＶＦ嘗）のような圧電重合体フ
ィルムから構成された構造の例を考慮しながら、エレメ
ント５及び６が合成ポリイソプレンのようなエラストマ
で構成されているこの変換器で得られる圧電効果の利得
という概念が得られる。

このような変換器を構成するエレメントの幾何学的及び
機械的特性は次の通りである。

構造は方向１及び２で対称的であるため、σ１ｐ−σｌ
ｐが得られる。方向３で適用された力ＩＮに対し圧電フ
ィルムの主要面で生起された電荷はΔＱ　−ｔｌｐｄｌ
ｌ　＋ｆｆ黛ｐｄｓｓ＋σ５ｐｄＩである。

数字を適用すると、 ΔＱ　−−６３ｄｓｓ　　６３ｄｓｓ　＋　ｄ＠＠　−
９６２ｐＣとなる。

フィルム４とエレメント５及び６の界面に電極が与えら
れている場合、これらの電極の端子で収集され得る電位
差ΔＶは式Δｖ＝！３によシ与えられ、Ｃは電極間に存
在する容量であり、すなわち虐　は真空の誘電率を表わ
し、ＩｐＶＦ愈は選択例でのフィルムを構成するために
用いられる材料の相対誘電率を表わし、すなわち事、Ｖ
ＦＩｅ＝１２　　である。次にΔＶ＝２．８Ｖが得られ
る。同一特性を有する簡単なＰＶＦ＊フィルムに同じ力
（ＩＮ）が適用される場合フィルムΔＱの主要面で得ら
れる電荷の量はａｓｓ　％すなわち電位差ΔＶ＊５ｘｌ
Ｏ−’Ｖ。

だけに比例して得られるであろう。

該構造嬬、機械的エネルギを圧電フィルムだけに関して
得られるはるかに強い電気エネルギに転換させる転換利
得を得ることを可能にする。該実施例では転換利得は　
２８□−５６である。式関数として表わされ得、式中α
、β及びμは変換器を作製するのに用いられる材料の、
Ｑ９メータ特性である。この関係から高い転換利得を得
るためにはＸ、は（Ｘ、でなければならないことが理解
される。同一エラストマ厚みを維持することによシ、１
２ミクロンの、或いは６ミクロン程度の厚みを有する　
ＰＶＦＩ　フィルムを選択することによυ転換利得は増
大され得る。

反対に、電位差が変換器の電極間に適用される場合、結
果として生じる機械的効果はまた単独で用いられる圧電
フィルムの場合よシも大きい。変換器の及び単独で用い
られるフィルムの厚み変化は前に計算された転換利得に
等しい比である。

圧電フィルム４とプレート５及び６の界面に位置する電
極はフィルムにアルミニウムのような導電材料を沈積さ
せることによ多構成され得、エレメント５及び６Ｌフイ
ルムの導電面に接着される。

圧電フィルムの主要面を金属処理することを避けるため
、内部に導電粒子を組入れることによシエレメント５及
び６を導電性にすると有利である。

前記変換器の場合エレメント５及び６を構成するエラス
トマは、圧電フィルムの主要面に生起された電位差を送
電するために充分な導電をエレメントに提供するカーボ
ンブラックを含み得る。ＰＶＦｍフィルムへのエラス）
−ｒ層の接着は圧電変換器を構成する異なるエレメント
間の摺動を避けられるほど十分でなければなら々い。エ
ラストマとして合成イソプレンを用いる場合、強く接着
させるためアルコール或いはトリクロルエチレンでこれ
らのエレメント全体を洗浄するだけで十分である。

本発明による変換器は静液圧を測定するのに用いられ得
る。このために第１図に示された変換器が用いられ得る
。応力の計算は、端部での新しい条件を考慮することに
よシ前記フック方程式からおこなわれる。前と同様、圧
電材料フィルムと変形及び圧縮が可能な材料から成る眉
間に摺動はなく、＃−＝ａ１ｐ及びり０＝すｐでらる。

変換器が入れられている液体は方向１．２及び３で構造
のアセンブリに応力σを与えると推定される。すなわち
σ、ｐ−σｓｅ＝　σ が得られ、これは方向１で圧電フィルムに与えられる応
力である。方向１及び２での変換器の寸法が等しい（ｔ
＝Ｌ　）場合、σ１ｐ＝σ鵞ｐ　が得られる。前記電気
及び機械的特性を有する工２ストマ及び圧電材料ではり
１ｐ−σｍｐ−０，８５６が得られる。次に圧電フィル
ムの主要面で生起された電荷の量は０．５８　ｄｓｘ＋
　０．５８　ｄａｔ　＋　ｄｓｓ　＝　８ｐＣ／　Ｎで
ある。単独で用いられる同−ＰＶＦｓフィルムは靜液圧
電係数ｄＨ＋＝　ｄａｔ　＋　ｄａｔ　＋ｄｓｓ　−２
ｐＣ／　Ｎを生起する。本発明による構造で紘機械的エ
ネルイを電気エネルギに転換させる４に吟しい転換利得
が得られる。

第１図に示された構造はまた、軸１或いは２０１つに沿
って与えられた応力の増大に対応しながら電位差が圧電
フィルムの主要面で収集されるのを可能にする。変換器
をたとえば軸１に沿って伸ばすと、層５及び６の材料は
方向２でのフィルム４の収縮を太いに強めるのに役立つ
。この方向では構造の真中の方で強いフィルムの緊縮が
生じる。

用いられる材料の異表る特性を適轟に選択することによ
シ、フィルム４が方向１で与えられる応力よシもはるか
に強い応力σ雪を受けることが可能となる。フック方程
式が解かれるのを可能にする端部での新しい条件は 一フィルム４と層５及び６間に摺動がない：ａ１ｐ＝−
Ｉｅ及びりｐ＝、、ｅ 一方向３で応力がない：σ３ｅ＝σ３ｐ＝〇一方向１で
構造全体に応力σが適用されると推定される： σ１ｅＸｅ十０１１）Ｘｐ＝σ（Ｘｅ＋−Ｘ、）’。

が得られる。

次の／Ｑラメータ Ｘ６　＝　２　ｍ　＊νｅ”０．５＋　Ｙｅ＝１０’Ｎ
／ｘがＸｐ＝　１Ｑｎｊ−Ｑ＋ｏＪ’　ｌ’ｐ　ｍＱ、
３　＃　７ｐ＝　２．１０”Ｎ７ｍ”を選択することに
よりσ、ｐ＝−１１σが得られる。この場合圧電フィル
ムは方向１で適用される応力よりも１１倍も強い方向２
での応力を受ける。

前記の場合変換器に与えられる応力は、特に角の効果を
避けるため機械的効果の適用表面上で均等に分散されね
はならない。

第２図は本発明による圧電変換器の実際の適用例の等内
因である。変形可能で非圧縮性材料から成る２層１０及
びｌ１間で挾持されたたとえばＰＶＦ！のような圧電材
料から成るフィルム９から変換器が構成されているのが
理解される。層１０及び１１はカーボンブラックの存在
によシ導電性にされたポリイソプレンから構成され得る
。層１゜及び１１はアルコールまたはトリクロルエチレ
ンで簡単に洗浄することによシフイルム９と一体化され
る。変換器の主要面の広さは１ｃＦｉであシ、層１０及
び１１の厚みはたとえば８ｗ１Ｉ＋であυ、フィルムの
厚みは約３０ミクロンである。真鍮のスタッド１２は変
換器の主要面に直角な力Ｆｆｔ分配させる。スタッドは
たとえば導電接着剤によシ層１０に接着され得る。層１
１はまた剛性で平坦な導電支持体１３に固定される。接
続部１４及び１５は圧電効果によシ生起された電圧Ｖが
ピックアップされるのを可能にする。力Ｆを適用すると
、エレメント９．１０及び１１の水平面に位置する寸法
は変形される。エレメント１２及び１３は実際に変形不
可能であるため、それらは轟然構造を均等に変形させな
い傾向を示す。このことはカＦを受けた前回のと同一な
変換器の前面図である第３図に示されている。層１ｏ及
び１１が夫々スタッド１２及び支持体１３に接着されて
いるため力Ｆの効果の下で変換器の側面にふくらみが見
られることが注目される。実際変換器に適用され得る力
はエレメント９．１０及び１１の水平面での寸法を＃１
とんど変化させず、前記理論上の考察は大いに有効的で
ある。

９４図は統合応力センナを有する［サイレントブロック
ｊ　（５ｉｌｅｎｔｂｌｏｃ）ｆｉデバイスへの本発明
による変換器の適用の１つの具体例を示す。デノセイス
の形としては円筒形が選択された。該デ／々イスはポリ
イソプレンのような変形可能な圧縮不可能な材料から成
る２層３１及び３２間に挿入されたたとえばＰＶＦ、の
ような圧電材料フィルム３゜から構成されている。ニレ
メン）３０，３１及び３２はアルコールまたはトリクロ
ルエチレンで簡単に洗浄することによシ共に固定され得
る。ねじ切シされたロッド３４或いは３７と一体のウオ
ッシャ３Ｂ或いは３Ｂから構成される固定エレメント３
３及び３６を介して雑音または振動を吸収することが所
望されるシステムにデバイス全体が装着され得る。絶縁
ウオッシャ３９及び４０が固定エレメントと層３１及び
３２間に挿入されている。

固定エレメントが金属から作製され、層３１及び３２が
導電性にされるときこれらの絶縁ウオッシャが必要とさ
れ得る。エレメント３３．３９．３６及び４０は共に固
く固定され、接着によ９層３１及び３２と固定され得る
。層３１及び３２が導電性の場合、圧電効果によυ生起
された電圧を送電するように接続部４１及び４２が層に
固定され得る。従って統合応力センナを有するサイレン
トブロックが得られる。

従来型デバイスに関する感度を高めるためこれらの変換
器を圧電キーボードとして用いることも本発明の範囲内
である。キーは、応力が圧電フィルムに対し垂直に与え
られる複合構造によ多構成されていると有利である。

第５図は水平方向寸法の１つに沿って与えられる力を受
容し得る本発明による変換器を示す。変換器はフィルム
１６と一体の２層１７及び１８間に挾持されたフィルム
１６から構成されている。

これらのエレメントはたとえば前記エレメントと同一の
材料から構成されている。接続部２２及び２３は夫々導
電層１７及び１８を外側に接続させる。剛性絶縁エレメ
ント１９及び２１はエレメント１６．１７及び１８によ
多構成される複合構造の２つの対向端部に固定されてい
る。エレメント２１は固定ペース２０に固く固定されて
いる。エレメント１９は変換器が方向１で伸延力を受け
ることを可能にする。

第６図は第５図で説明したデバイスと同一のデバイスを
示す。変換器に方向１で伸延力Ｆが適用される。この場
合接続部２２及び２３の端子に電圧Ｖが出現する。計算
が示したように変形可能な圧縮不可能なエレメントを圧
電フィルムと密接な関係に配置する仁とによシ、フィル
ムが単独で用いられゐ場合よシも強い電圧■が発生可能
となる。

変換器を方向１に伸延させると方向１及び２によシ規定
される平面に平行な平面での断面がｉ形される。変換器
ニレメン）１９及び２１の界面ではこれらのエレメント
が剛性であるため断面は変化しないが、これは理論上の
結果にほとんど影響を及はさない。

第５図及び第６図は、電極に、或いは圧電効果によシ創
出された電圧を回復するために用いられる電極として役
立つエレメントに平行な方向で与えられる応力の増大を
可能にする構造を示す。平坦な積重構造について説明し
てきたが、第７図に示されたようにたとえは円筒形のよ
うな別の形を有する構造を作製することも本発明の範囲
内である。

第７図では構造は軸ｚｚ’の周シの回転の対称性を有す
ることが理解され石。チューブの形状の圧電フィルム５
０は変形可能な圧縮不可能な材料から作製された２個の
ニレメン）５１及び５２間に挾持されておシ、ニレメン
）５１はチューブ５０の内部を占める円筒部材であシ、
エレメント５２はチューブ３０を包囲している。構造の
異なる部分を構成する材料の例についてはすでに説明し
た。

この型の変換器では力は軸ｚｚ’に対し平行に与えられ
、構造全体に対し圧縮または伸延応力を生起する。

変換器に与えられる力が静液圧に起因する場合、単独で
用いられる圧電フィルムに関するエネルギ転換利得は４
０オーダであることが前記説明から理解された。静液圧
を測定するとき圧電効果によシ生起された電圧は、圧電
フィルムの表面が大きければ大きいはどそれだけ大きい
。センナの感度を高める丸めＫは寸法を減少させなけれ
ばなら々い。該構造は大きな表面を提供するのに非常に
適している。占められる空間を減少させるためアセンブ
リを巻き上げることが可能である。大きな表面を用いる
ことは圧電フィルムでの曲げ力を意味する。これらのこ
とは、フィルムの厚みが非常に小さいため（６乃至３０
ミクロンのオーダ）、及び構造の対称性のためフィルム
が変換器の中立ファイバにあるため、測定には影響しな
い。このことは水の運動による効果でなく圧力だけが測
定されることを意味する。

いくつかの圧電フィルムを含む変換器を作製するととも
本発明の範囲内であシ、各圧電フィルムは変形可能な非
圧縮性材料から成る層にょｐ分離されている。従って圧
電効果からの種々の電圧源が提供され得る。

該構造では圧電フィルムを圧電抵抗フィルムで置換し、
前記と同様に電気機械転換利得を得ることが可能である
。この場合圧電抵抗効果を用いるためには外部電気源が
使用されねばならない。

変換器には種々の形が可能である。すなわち変形可能で
非圧縮性材料から成る１つの層を用いてもよく、いくつ
かの圧電フィルムを並べて配置してもよく、いくつかの
フィルムの積重構造を構成してもよく、この場合各フィ
ルムは前記層によル他のフィルムから分離されておシ、
最後にこれらの種々の形の組合せを用いてもよい。

本発明による構造は構造に適用される応力がその１１多
少増大されるのを可能にする。高い圧電定数を有する材
料を用いることによシ、（鉛、ジルコニウム及び酸化チ
タンで構成された）ＰＺＴＷのセラミックから得られる
効果と同一の大きさめオーダの構造に対する圧電効果を
得ることが可能である。更に注目すべきことに完全に重
合的である線構造（カーボンブラックで充填された２つ
のエラストマ層間に挿入された分極されたＰＶＦ、　７
イルムの場合）は、圧電フィルムが非常に薄く（１０ミ
クロンのオーダ）、このフィルムが構造内に対称的に配
置されるとき、曲げ効果に対し不感性である。

本発明による構造は、圧電効果が低周波数である全ゆる
使用分野において従来型構造を置換し得ると有利である
。たとえばキーボード、圧電秤、統合応力センサ、静液
圧センサを有するサイレントブロック型のシステムに対
する場合がその例である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による原理を説明する圧電変換器の等角
図、第２図は機械効果が圧電フイ、ルムに対し垂直に与
えられる圧電変換器の等角図、第３図は機械的応力に従
続する変形を示す変換器の正面図、第４図は統合応力セ
ンサを有するサイレントブロック型デバイスの説明図、
第５図及び第６図は機械的効果が圧電フィルムに平行に
与えられる変換器の等角図、第７図は本発明による変換
器の変形を示す説明図である。 １、２．３・・・軸、４・・・圧電フィルム、５．６・
・・エレメント、７・・・ベース、９・・・フィルム、
１０．１１．１７．１８・・・層、１２・・・スタッド
、１３・・・支持体、１４、１５．２２．２３・・・接
続、 ３４．３７・・・ねじ切ルロッド、 ３５．３８・・・ウオッシャ。 代理人弁踵士今　　村　　　元

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電または圧電抵抗特性を有する第１材料から成
   るフィルムの形状の少くとも１つの活性エレメントを含
   み且つ前記フィルムに与えられる応力を増大させるため
   の手段を含む電気機械変換器であシ、導電手段が前記フ
   ィルムの主要面に与えられておシ、前記増大手段は体積
   的に非圧縮性の固体状及び変形可能な第２材料から成る
   少くとも１つの層によシ構成されており、前記層は前記
   主要面の１つに固定されていることを特徴とする電気機
   械変換器。
2. （２）前記層は導電手段として機能することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の電気機械変換器。
3. （３）前記層を構成する材料は中に導電粒子を組み入れ
   ることによシ導電性にされることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項に記載の電気機械変換器。
4. （４）前記導電粒子紘カーボンブラックであることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項に記載の電気機械変換器
   。
5. （５）前記第２材料は工２ストマであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の電気機械変換器。
6. （６）前記エジストマはポリイソプレンであることを特
   徴とする特許請求の範囲第５項に記載の電気機械変換器
   。
7. （７）前記フィルムは円筒形の少くとも１つの層に接着
   するチーーゾの形状を有しており、円筒形であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電気機械変換
   器。
8. （８）　　機械的効果社前記フィルムの主要面に垂直に
   与えられることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の電気機械変換器。
9. （９）機械的効果は前記フィルムの主要面に平行に与え
   られることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   電気機械変換器。 ＯＩ　　機械的効果は剛性エレメントを介して伝送され
   得ることを特徴とする特ＷＷｆ４求の範囲第１項に記載
   の電気機械変換器。 ａυ　圧電効果を用いるキーを含んでおり、前記キーは
   特許請求の範囲第１項に記載の電気機械変換器によシ構
   成されることを特徴とするキーボード。