JPS62183299A - 圧電素子および振動センサ - 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】 炎亙公ｊ 本発明は、取扱い性の優れた高分子圧電素子、特に機械
→電気変換型の高分子圧電素子、ならびにその特性を生
かした振動センサに関する。

筺」口り藷 、＋１：’、分子圧電素子は、その柔軟性、大きな変形
性、優れた低周波特性等を生かして、主としてバイモル
フ形状でスピーカ、マイクロホン、ファン等の用途にお
いて優れた振動体を構成することは良く知られている。

しかしながら、このような高分子圧電素子は一般に圧電
性高分子フィルムの両面にへ着等により電極を形成する
金属薄膜を形成するのが常であり、少なくとも圧電性高
分子フィルムに一様に金属の薄板を貼付したものはほと
んど用いられていなかった。（なお１本明細書で「電極
膜」ないし「金属薄膜」とは、従来の高分子圧電素子で
電極膜として用いられていたように、圧電性高分子フィ
ルムに比べて木質的に薄い厚さを有するものを指し、「
金属薄板Ｊとは、圧電性高分子フィルムに比べて同等以
上の厚さを有し、圧電性高分子フィルムと積層した際に
、積層体が曲げ弾性を有する範囲内でその曲げならびに
引張り弾性率の殆どを占めるような厚さのものを指す）
。これは、このような金属薄板を設けては、高分子圧電
素子の特徴である柔軟性、変形性が損なわれると考えら
れたためと考えられる。

他方、高分子圧電素子の一用途として、振動センサが知
られており、この高分子振動センサはセラミック圧電素
子を用いるものに比べて低周波特性ならびに曲面への追
随性等において優れるものの、その特性を良好に保つた
めには、例えば厚さが５〜１０ＪＬｍ程度と極めて薄く
する必要があり、その取扱い、特に振動測定体への取付
時における張力の維持、破断の防止等に困難性を有して
いた。また、セラミック製振動センサに比べて、出力も
必ずしも充分とはいえない。

ｉ見立１」 本発明の目的は、上述のｌ（情に鑑み、取扱い性の優れ
た高分子圧電素子を提供することにある。

本発明の別の目的は、取扱い性に加えて変換特性の優れ
た機械→電気変換型の高分子圧電素子を提供することに
ある。

本発明の更に別の目的は、出力特性ならびに周波数特性
が良好で構造も簡単な高分子振動センサを提供すること
にある。

ｉ更立且１ 本発明者等は、上述の目的で研究した結果、従来経験さ
れた。圧電性高分子フィルムに金属薄板を貼付すること
による高分子圧電素子の特性の阻害は、いずれも電気→
機械変換特性を利用する素子についてであって、機械→
電気変換素子についてではないことに着目した。そして
、実際に圧電性高分子フィルムに金属薄板を貼付して試
験した所、機械→電気変換素子については、取扱い性な
らびに耐久性の向上に加えて、特性の飛躍的向上も得ら
れることを知見した。また振動センサに関しては、出力
特性のみならず、周波数特性、ならびに構造の著しい簡
単化の効果も得られることを知見した。

すなわち１本発明の圧電素子および振動センサはいずれ
も圧電性高分子フィルムの少なくとも一面のほぼ全面に
曲げ弾性を右する金属薄板を貼付し［１つ圧電性高分子
フィルム両面からの電気的出力を取出可能とした積層体
を有することを特徴とするものである。

本発明において圧電性高分子フィルムに金属薄板を貼付
することにより取扱い性、耐久性が向上する以外にも、
次の様な１１ｉｙｔな効果が得られることがわかったの
である。すなわち、圧電性高分子フィルムに金属薄板を
貼付して得られた圧電素子に外力が作用すると、大部分
の周波数帯域においては圧電性高分子フィルムの変形が
抑制されるのであるが、金属薄板と圧電性高分子フィル
ムよりなる積層体の共振帯域においては大きな出力が得
られる。しかも高分子フィルムが広い周波数帯域におい
て周波数依存性が少ないためか積層体の共振帯域は金属
に較べればかなり広い周波数帯域において大きな出力が
得られる。また、このような構造の強化に伴ない、従来
は困難であった自由振動体構造の振動センナが可能とな
り、金属薄板による長さ、厚さおよびヤング率の制御に
より容易に共振周波数帯域を制御回走となり、これが、
振動センサの周波数特性の向上に結がっているものと考
えられる。より詳しくは、板状体の自由振動の共振周波
数Ｗ。は、次式により与えられる。

（ここでＪ、ｔ、ｙ、ρは、それぞれ積層体の長ざ、厚
さ、ヤング率および密度を表わす）。そして金属薄板は
、積層体について上記式のし、およびＹ、ρを支配し、
且つ構造の強化によりｌの調節を容易にする。従って個
々の積層体について共振周波数の調節が極めて容易にな
り、また複数の積層体の組合せにより、振動センサ全体
としての周波数特性の制御も容易になる。

又ｉ遺 以下、主として振動センサの実施例に沿って図面を参照
しつつ、本発明を更に具体的に説明する。

第１図（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明の圧電素子に
用いるｖＩ層体の端層構造の例を示す厚さ方向断面図で
ある。

第１図（ａ）は、圧電性高分子フィルムと金属薄板との
積層体そのものからなる本発明の振動センサの最も簡単
な層構成を示す、すなわち、この積層体１０ａは、ポリ
フッ化ビニリデン等ｔ１らなる圧電性高分子フィルム１
ａの片面に、エポキシ樹脂に代表さ・れる非導電性接着
剤或いは非導電性接着剤にカーボン、銅、アルミニウム
、銀、クローム等の導電性粉末を配合してなる導電性接
着剤（特に図示せず）により燐青銅板等からなる曲げ弾
性を有する金属薄板２を貼付してなるものである。この
ａ屠体１０ａは、第２図に示すように、振動の被検体３
ａが金属である場合に、それに直接に接着剤（図示せず
）を介してフィルムｌａ側で貼付し、該フィルムｌａを
挾持する金属薄板２と被検体３ａにリード線４ａと４ｂ
とを接続して圧電性高分子フィルム１ａに働く振動歪に
よる圧電気を検出する形態で使用される。圧電性高分子
フィルム１ａは、一般に単層で２〜ｌＯＯμｍ程度の厚
さであるが、必要に応じて接着剤を介して積層し４〜２
００μｍ程度のものを用いてもよい、金属薄板２は厚さ
がｌＯ〜２００７ｚｍ程度であり、好ましくは５〜５０
　ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ　２のヤング率ならびに曲率半径
的０．５ｃｍまでの曲げ変形に対し完全な弾性を示すも
のが好ましく用いられる。好ましい金属薄板材料として
は燐青銅のほか、銅、ニッケル、ステンレス等が用いら
れる。

上記第１図（ａ）の態様は構成が簡単ではあるが被検体
の材質の制約、取扱い性等の点でより好ましくは、第１
図（ｂ）に示すように圧電性高分子フィルムｌａの一面
に蒸着導電塗料等により厚さが０．０５〜５ｐｍ程度の
ＡＩ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ等からなる電極膜５を設け、そ
の逆側の面に金属薄板２を貼付した積層体１０ｂ、ある
いはより好ましくは第１図（Ｃ）に示すように、予め圧
電性高分子フィルム１ａの両面に蒸着等により電極膜５
を設けた圧電素子１を用意し、これに接着剤により金属
薄板２を貼付した積層体１０Ｃを使用するものが用いら
れる。また第１図（ｄ）に示すように、圧電素子１の両
面に金属薄板２および２ａを貼付した積層体１０ｄある
いは圧電性高分子フィルム１ａの両面に直接金属薄板２
，２ａを貼付した積層体ｌＯｅを用いてもよい。この場
合金属薄板２は−に述と同様なものであり、金属薄板２
ａは金属薄板２と同様な材質からなり、厚さがその１〜
１０倍の範囲で異ならせることもできる。

これら積層体１０　（１０ｂ−１０６）は、既に両面に
導電体を有するため、第３図に示すように任意の材質か
らなる振動被検体３に任意の接着剤により貼付し、両面
にリード線４ａ、４ｂを接続して圧電気を取り出す態様
で使用される０片面に金属薄板を有する積層体１０また
は１０ｂの場合、その金属薄板２側で被検体３に貼付し
ても、あるいはその逆面で被検体３に貼付してもよい。

−上記積層体ｆｏｂ〜１０ｅのなかでは１０ｂおよび１
０ｃが感度の点で好ましい。

但しこれらは、木質的に同様な使用態様で使用可能であ
るので、以下の説明においては積層体１０で包括し、そ
の積層構成の図示説明は省略する。

１−述の振動センサの説明は、積層体をいずれも被検体
に直接貼付して、振動を検出する態様で使用するもので
あったが、この肌、様は圧電性高分子フィルムの最も優
れた特性であるｄ３１（伸びの圧電係数）を必ずしも有
効に利用するものとは云い難い。本発明の振動センサは
、好ましい態様において、短冊状ないし矩形状の平面形
状をなす積層体を、その少なくとも１個所で固定して、
自由振動端を形成し、その自由振動によりｄ　３１の有
効利用による高感度検出を図るものである。前述したよ
うに、本発明の金属薄板の貼付による取扱い性、剛性の
向上がこの態様により最も有効に利用される。

第４図（ａ）および（ｂ）は、この態様に従う本発明の
振動センサの好ましい一例の正断面図および平面図であ
る。これら図面を参照して、この振動センサは、上述し
たごときａ履体１０の短冊形状（たとえば３ｍｍＸ　１
２〜２０ｍｍ）のほぼ中央部（たとえば巾約５　ｍ　ｍ
　）を、例えばＡＢＳ等のプラスチック製の固定治具６
および押え具７によりリード線、４　ａ、４ｂを介して
固定し、固定治具６の底部で振動被検体（図示せず）に
固定可能に構成してなる。また積層体１０の固定位置は
、第４図（ａ）に対応して第５図に示すようにその一端
でもよく、また第６図に示すように非中央部でもよい、
第４図〜第６図の振動センサの性能上の差異について述
べると、第５図の例は最も基本的な形態であり、一つの
共振周波数を示すのに対し、第４図の例は共振周波数は
一つであるが、第４図の例に比べて約２倍の出力が得ら
れる。これに対し、非対称長さの振動自由端を有する第
６図の例では２つの共振周波数を有するため、より広い
範囲での振動に対し感度を示す、また第４図の積層体に
、振巾０．８牌で上丁方向の振動を与えた場合、振動ｆ
ｉ６００Ｈｚで７００ｍＶ、振巾０．２ｇ（７）振動数
１２００Ｈｚで約４００ｍＶの出力が得られているのに
対し、積層体１０の代りに同一平面寸法の圧電素ｆｌの
みを用いた場合には、それぞれわずかに４０　ｍ　Ｖお
よび２０ｍＶの出力が得られるに過ぎない、すなわち本
発明により出力の著しい向上が得られることがわかる。

上記した自由振動端を有する振動センサにおいては、前
記共振周波数の計算式からもわかる通り、かなり狭い範
囲の振動数に対してのみ良好な感度を示す、従って、よ
り広い周波数の感度を示すようにするためには長さの異
なる振動端の数を増すことが好ましい、第６図の例は、
その−例であるが、これ以外にも第４図（ｂ、）に対応
して、第７図に示すように複数の積層体１０を水平に並
へて固定治具６および押え具７に固定することにより、
あるいは第４図（ａ）に対応して第８図に示すように複
数のｖＩ層体重Ｏを用いることにより、長さの異なる２
ｎ（ｎは積層体１０の枚数）の自由振動端を与えること
ができる。また第７図に示す例のような場合、複数の積
層体１０は相互に独立のものであってもよいが、連結部
ｆｏｒを有する積層体ｌＯを例えば打抜き等により形成
し、該連結部において治具等により固定してもよぃ。更
に第１０図に示すように積層体ｌＯの平面形状として三
角形のものを用い、その最大長辺の一点とその対角とを
結ぶ線りで固定して三角形の自由端を享えることにより
、振動選釈性を弱めて、より広い範囲の振動数に対して
感度をｔえるようにすることもできる。更に、第１１図
に示すように積層体１０の長手方向の二点以上において
、固定を行うことにより、（２つの）自由振動端と固定
（振動）部（１以上）との組合せにより、周波数領域を
広げることも可能である。また特に図示しないが、複数
の積層体を用いる場合に、それぞれ金属薄板の厚さを変
化させることによっても共振周波数の調整は可能である
。

」二記においては、本発明の圧電素子をその好ましい態
様としての振動センサに絞って説明をしたが、上記第４
図〜第１１図の例は、いずれも例えば、接触検知器、ブ
ザー、マイクロホン、ビクアンプとしても使用可能であ
り、機械→電気変換型圧電素子として広い適応性を示す
ものである。

ヱＪＬの詔り工 上記したように本発明によれば、圧電性高分子フィルム
の少なくとも一１ｎ１に曲げりｉ性を有する金属薄板を
貼付することにより、取扱性に優れるだけでなく、出力
特性、周波数特性の改善された機械→電気変換型圧’；
ｔｔ　、Ｒ子、特に振動センサが提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明の圧電素子に
用いる積層体の各種積層構造を示す厚さ方向模式断面図
：第２図および第３図は、それぞれ本発明の振動センサ
の密着型の例を示す断面図：第４図（ａ）および（ｂ）
は本発明の振動センサの自由端振動型の一例を示す厚さ
方向断面図および平面図；第５図、第６図、第８図、第
１１図は本発明振動センサの自由端振動型の他の例を示
す断面図、第７図、第１０図は、他の例を示す平面図；
第９図は積層体の平面形状の他の一例を示す図である。 ｌ・・・高分子圧電素子（ｌａ・・・圧電性高分子フィ
ルム）、 ２．２ａ・・・金属薄板、 ３．３ａ・・・振動被検体。 ４ａ、４ｂ・・・リード線、 ５・・・電極Ｈλ、 ６・・・ｌ２ｉＩ定治具、７・・・押え具。 １０　（１０ａ　〜１０　ｅ）　＝ｌ１層体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電性高分子フィルムの少なくとも一面のほぼ全面
   に曲げ弾性を有する金属薄板を貼付し且つ圧電性高分子
   フィルム両面から該圧電性高分子フィルムの伸び変形に
   伴なう電気的出力を取出可能とした積層体を有すること
   を特徴とする圧電定数ｄ＿３＿１を利用する機械→電気
   変換圧電素子。 ２、圧電性高分子フィルムの少なくとも一面のほぼ全面
   に曲げ弾性を有する金属薄板を貼付し且つ圧電性高分子
   フィルム両面から該圧電性高分子フィルムの伸び変形に
   伴なう電気的出力を取出可能とした積層体を有すること
   を特徴とする圧電定数ｄ＿３＿１を利用する振動センサ
   。 ３、前記積層体が前記圧電性高分子フィルムの一面に金
   属薄板を貼付してなる特許請求の範囲第２項に記載の振
   動センサ。 ４、前記積層体の金属薄板貼付面と逆側の面には電極膜
   が設けられてなる特許請求の範囲第３項に記載の振動セ
   ンサ。 ５、前記金属薄板が予め圧電性高分子フィルム上に設け
   た電極膜を介して圧電性高分子フィルムに貼付されてな
   る特許請求の範囲第２〜４項のいずれかに記載の振動セ
   ンサ。 ６、前記積層体が概ね短冊形状をなす特許請求の範囲第
   ２〜５項のいずれかに記載の振動センサ。 ７、前記積層体を、その少なくとも１個所で固定してな
   る特許請求の範囲第６項に記載の振動センサ。 ８、前記積層体をその延長方向の一端で固定し、他を自
   由振動端としてなる特許請求の範囲第７項に記載の振動
   センサ。 ９、前記積層体をその延長方向の中間部の１個所で固定
   し、その両側を自由振動端としてなる特許請求の範囲第
   ７項に記載の振動センサ。 １０、前記積層体をその中央部で固定してなる特許請求
   の範囲第９項に記載の振動センサ。 １１、前記積層体をその非中央部で固定し、その両側に
   非対称長さの自由振動体を形成してなる特許請求の範囲
   第９項に記載の振動センサ。 １２、前記積層体の複数を並列して治具に固定してなる
   特許請求の範囲第７〜１１項のいずれかに記載の振動セ
   ンサ。 １３、前記複数の積層体の長さが異なる特許請求の範囲
   第１２項に記載の振動センサ。 １４、前記複数の積層体の厚さが異なる特許請求の範囲
   第１２項または１３項に記載の振動センサ。 １５、前記積層体が概ね三角形をなし、その最長辺上の
   一点と対角を結ぶ線上で該積層体を固定してなる特許請
   求の範囲第２〜５項のいずれかに記載の振動センサ。