JPWO2018096924A1 - 圧電積層体素子ならびにそれを用いた荷重センサおよび電源 - Google Patents

Abstract

従来の圧電素子では出力電圧が得られない静的な荷重であっても、一定の出力電圧が出力される圧電積層体素子を提供する。ポリ乳酸フィルムなどの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルム層を、複数層積層した圧電積層体を圧電積層体素子に用いる。圧電積層体を円筒状、角丸長方形などの一部に曲線部を有する形状としたところ、出力電圧が付加される荷重の増減に追随するとともに、一定の荷重が継続して付加された場合は、一定の出力電圧が継続して出力され、静的な荷重であっても一定の出力電圧が出力される圧電積層体素子が得られる。

Description

本発明は、圧電性高分子フィルムを用いた圧電積層体素子に関する。

延伸を施したポリ乳酸フィルムに導電層を設けることで、高分子圧電材料として用いられることが知られている。特許文献１にはこのような圧電材料を用いて、機械的な振動を電圧に変換して検出するセンサや、電極に信号電圧を加えることにより発生する振動を利用した圧電スピーカが提案されている。

従来の圧電素子では変位の加速度に応じて電圧が出力されるため、マイクロ秒レベルの短時間で瞬間的に変化する動的な荷重が加わると大きな出力電圧が得られる。しかし、数秒以上かけてゆっくりと変化する荷重や一定に保たれた荷重である静的な荷重では、圧電素子の変位の加速度は小さくなるため、圧電素子の出力電圧もほぼゼロになり、荷重を検知することが難しい。そこで、圧電素子の出力電圧がほぼゼロとなるような静的な荷重を検出するために、特許文献２のような非線形たわみ部材を設けた感圧センサや、特許文献３のような動的な荷重を生じさせる圧電素子を別途設けた荷重センサが提案されている。

特開２０１４−２７０３８号公報 特開２００３−１０６９１１号公報 実開平５−７５６３４号公報

特許文献２の感圧センサは、速度の遅い荷重変化を非線形たわみ部材の瞬間的な変形として検知する。このため、静的な荷重が継続して付加されていることを知るためには、圧電素子に加えて判定手段回路を必要とする。また、特許文献３の荷重センサは、検出部となる圧電素子の他に、交流電源が接続され伸縮を繰り返して振動する圧電素子を必要とする。このように、圧電素子により静的な荷重を検知するためには、他の回路、素子などを必要とし、圧電素子単体で静的な荷重を検知することは難しい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、従来の圧電素子では出力電圧が得られない静的な荷重であっても、加えられた静的な荷重に応じた略一定の出力電圧が、継続して出力される圧電積層体素子を提供することを目的とする。

本発明者らは、フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルム層を複数層積層した積層体では、荷重が一定となった後にも略一定の電圧が継続して出力されることを見出し、更なる検討の結果、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は以下の（１）〜（１１）の態様を含む。
（１）本発明の圧電積層体素子は、フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルム層が複数層積層された積層体を備え、出力電圧が前記積層体に付加される荷重の増減に追随し、前記付加される荷重が一定のとき前記出力電圧は略一定であることを特徴とする。
（２）（１）において、前記圧電性高分子フィルム層の断面は、少なくとも曲線部を有することを特徴とする。
（３）（２）において、前記圧電性高分子フィルム層の断面は、前記曲線部と前記曲線部に連続する直線部とを有することを特徴とする。
（４）（１）から（３）のいずれかにおいて、前記圧電性高分子フィルム層は、ポリＬ−乳酸フィルム層および／またはポリＤ−乳酸フィルム層であることを特徴とする。
（５）（１）から（４）のいずれかにおいて、前記積層体は、第１導電層と前記圧電性高分子フィルム層と第２導電層と絶縁層とが巻回された巻回積層体であることを特徴とする。
（６）（５）において、前記圧電性高分子フィルム層および前記絶縁層は、光学キラルな高分子からなるフィルム層であり、前記積層体は、前記圧電性高分子フィルム層に電圧を付加したときに圧電特性を示す方向と、前記絶縁層に前記電圧とは逆の電圧を付加したときの圧電特性を示す方向が同一方向になるように積層されていることを特徴とする。
（７）（５）または（６）において、前記巻回積層体の一方の側面に前記第１導電層と導通する第１電極が形成され、前記巻回積層体の他方の側面に前記第２導電層と導通する第２電極が形成されることを特徴とする。
（８）（５）から（７）のいずれかにおいて、前記巻回積層体の中心部は空間を有していないことを特徴とする。
（９）（５）から（７）のいずれかにおいて、前記巻回積層体の中心部は空間を有することを特徴とする。
（１０）（５）から（７）のいずれかにおいて、 前記巻回積層体の中心部に、コア部材が挿入されていることを特徴とする。
（１１）（５）から（７）のいずれかにおいて、高分子計器株式会社製のＡＳＫＥＲゴム硬度計Ｃ型で測定した硬度が、７０から１００の範囲であることを特徴とする。
（１２）（１）から（１１）のいずれかにおいて、前記圧電性高分子フィルム層の積層数が８０層以上であることを特徴とする。
（１３）また、本発明の荷重センサは、（１）から（１２）のいずれかに記載された圧電積層体素子及び前記圧電積層体素子に接続してその出力を検出する検出装置を含むことを特徴とする。
（１４）また、本発明の電源は、（１）から（１２）のいずれかに記載された圧電積層体素子を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、従来の圧電素子では出力電圧が得られない静的な荷重であっても、加えられた静的な荷重に応じた略一定の出力電圧が、継続して出力される圧電積層体素子を提供することができる。

圧電積層体素子を模式的に示す図である。 圧電積層体の層構成を示す図である。 圧電積層体素子の評価方法を示す図である。 実施例１の荷重と出力電圧の関係を示す図である。 実施例１の繰返し荷重に対する出力電圧を示す図である。 実施例２〜５の荷重と出力電圧の関係を示す図である。 比較例である平板圧電積層体素子の荷重と出力電圧の関係を示す図である。 円筒状の圧電積層体素子と出力電圧を示す図である。 ２個の圧電積層体素子を直列接続したときの出力電圧を示す図である。

本発明の圧電積層体素子は、フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルム層が複数層積層された積層体を備え、出力電圧が前記積層体に付加される荷重の増減に追随し、付加される荷重が一定のとき出力電圧は略一定であることを特徴とする。本発明における一定の荷重に対して出力電圧が略一定であるとは、一定の荷重が付加されている間、数秒間以上の間連続して同一極性の電圧が出力され続けることをいう。一定の荷重が付加されている間の出力電圧が時間と共に減少する場合、５秒間の出力電圧の減少率が５０％以下であればよい。５秒間の出力電圧の減少率が５０％以下であれば、同一極性の電圧が出力され続けていることにより、荷重が継続して付加されていることを出力電圧から判定できるので出力電圧が略一定であるという。本発明の圧電積層体素子は、静的な荷重を検知する他の手段を含まずに、付加される荷重が一定のときに略一定な出力電圧を提供することができる。

本発明において圧電性高分子フィルムは、フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルムである。また、圧電積層体素子は、フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルム層の断面の少なくとも一部に、曲線部が形成されるように積層された圧電積層体を備える。圧電積層体素子に荷重が加えられると、圧電性高分子フィルムの厚さ方向と面方向に応力が生じる。本発明の圧電積層体素子では、荷重が一定になった後も、面方向の応力による歪が曲線部に沿って継続的に発生し、それによって数秒以上の長時間で継続して出力電圧を維持することができると考えられる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態の圧電積層体素子１を、模式的に示す図である。実施形態の圧電積層体素子１は、フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルムを巻回して巻回積層体とした圧電積層体２の側面に、第１電極８および第２電極９を形成し、取出し電極３を配置したものである。圧電積層体２の形状は、図１（ａ）のような円筒状であってもよく、図１（ｂ）に示すような側面形状が曲線部と曲線部に連続した直線部を有する角丸長方形であってもよい。

角丸長方形の圧電積層体２は、円筒状に圧電性高分子フィルムを巻回後、プレス加工して作製することができる。図１（ｂ）のような角丸長方形では、上下に平面部が存在するため、圧電積層体素子１を安定して設置することが容易であり、圧電積層体素子１を荷重が加わる台座として利用できる。プレス加工の際は、圧電積層体素子１の中心部に空間が残らないようにプレス加工してもよいし、空間が残るようにプレス加工してもよい。

また、圧電積層体素子１の中心部にコア部材を挿入して巻回積層体が形成されていてもよい。コア部材としては、特に限定されないが、例えばウレタンゴムやシリコンゴム、プロピレンゴムなどのゴム類、アクリルエラストマー、ウレタンエラストマー、ポリエステルエラストマーなどのエラストマー類、あるいはその他、軟質塩ビなどの可塑剤を添加したプラスチック素材など、といった柔軟性を有する素材や、発泡スチロール、スポンジなどといった多孔体、あるいは、木材、金属、陶器、硬質塩ビ、アクリル、ポリカーボネートなどの硬質素材を挙げることができる。また、これら単一素材のみならず各種素材を組み合わせても構わない。ただし、柔軟な素材であることが比較的好ましい。また、形状も特に制限されるものではなく、円柱、楕円柱といった形状や、多角柱、異形のものであっても構わない。

圧電積層体２は図２（ａ）に模式的に示すように、長尺の第１導電層４、圧電性高分子フィルム層５、第２導電層６、および絶縁層７が重ねられ巻回された積層体である。圧電積層体２の積層構造の一部を図２（ｂ）に示す。巻回により、第１導電層４／圧電性高分子フィルム層５／第２導電層６／絶縁層７がこの順に積層された構造が、繰り返し複数積層される。圧電積層体２の側面には、第１電極８および第２電極９が形成され、圧電性高分子フィルム層５で生じた電圧信号は、第１電極８および第２電極９に取り付けられた取出し電極３から出力される。

第１導電層４および第２導電層６は、図２に示すようにそれぞれ圧電性高分子フィルム層５の一方または他方の端部から間隙を有するように形成される。より具体的には、第１導電層４は圧電積層体２の第１電極８側では側面に露出するが、第２電極９側の側面には露出しない。一方、第２導電層６は圧電積層体２の第２電極９側で側面に露出し、第１電極８側の側面には露出しない。このため、巻回後に圧電積層体２の側面に導電性物質の溶射（メタリコン）、めっき、蒸着などによる電極形成、または導電性ゴムなどの変形容易な材料による電極形成を行うことにより、第１導電層４と電気的に接続された第１電極８、および第２導電層６と電気的に接続された第２電極９を形成することができる。なお、第１電極８および第２電極９の材料としては、アルミニウム、亜鉛、錫、鉛、ニッケル、鉄、銅、真鍮などと、これらの合金を用いることができる。また、導電性ペーストや導電性接着剤の塗布、導電性シートなどの接着により形成しても構わない。

圧電性高分子フィルム層５は、フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルムによって形成される。すなわち、圧電性高分子フィルム層５は、フィルムの面方向に力が加わることによって、フィルムの厚み方向に電位差が生じる。フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルムの例としては、光学キラルな高分子であるポリＬ−乳酸（ＰＬＬＡ）フィルム、ポリＤ−乳酸（ＰＤＬＡ）フィルムなどがある。なお、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムは、フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルムではない。ＰＬＬＡ、ＰＤＬＡは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような、イオンの分極によって厚さ方向に圧電性を発現するものではなく、所定の軸方向に配向させることでフィルムの面方向に圧電性を発現する性質を有している。

圧電性高分子フィルム層５の１層の厚みは、０．５μｍ以上、１μｍ以上、３μｍ以上、５μｍ以上、又は１０μｍ以上であってもよく、１００μｍ以下、５０μｍ以下、３０２５μｍ以下、２０μｍ以下、１５μｍ以下、１０μｍ以下、又は８μｍ以下であってもよい。

ＰＬＬＡの配向フィルムの圧電性を発現する方向は、配向フィルム層における主配向方向で、簡単には延伸方向に対して４５°傾いた方向である。ＰＬＬＡの配向フィルム層の厚み方向に電圧を付与した場合、フィルムの延伸方向に対して４５°傾いた方向にずり変
形として発現する。

フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルムであるポリＬ−乳酸（ＰＬＬＡ）またはポリＤ−乳酸（ＰＤＬＡ）は、光学純度が８０モル％以上である。光学純度が８０モル％以上であれば、圧電特性が高く本発明の効果が発現されやすい。ポリ乳酸の光学純度は、好ましくは９０モル％以上、より好ましくは９５モル％以上、さらに好ましくは９８モル％以上である。実質的にＬ−乳酸単位のみから構成されるポリＬ−乳酸もしくはＤ−乳酸単位のみから構成されるポリＤ−乳酸が特に好ましい。光学純度は、以下の方法で決定される。

まず、ポリプロピレン製チューブに０．１ｇのサンプルを秤り込み、メタノール１ｍＬと、５ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液１ｍＬとを加える。次に、サンプル溶液が入った前記チューブを、温度６０℃の水浴に入れ、サンプルが完全に加水分解するまで、３０分間攪拌する。さらに、前記サンプル溶液を室温まで冷却後、０．２５ｍｏｌ／Ｌ硫酸を加えて中和し、サンプル溶液の０．１ｍＬを９ｃｃスクリュー管に取り分け、移動相で３ｍＬとしてＨＰＬＣ試料溶液を調製する。最後に、ＨＰＬＣ試料溶液を、ＨＰＬＣ装置に５μＬ注入し、下記ＨＰＬＣ条件で、ポリ乳酸のＤ／Ｌ体ピーク面積を求めてＬ体の量とＤ体の量を算出し、下記式にて光学純度を算出する：
光学純度（％ｅｅ）＝１００×｜Ｌ体量−Ｄ体量｜／（Ｌ体量＋Ｄ体量）

圧電性高分子フィルム層５には、ＰＬＬＡもしくはＰＤＬＡとその他のモノマーとの共重合体も用いることができる。Ｌ−（Ｄ−）乳酸単位以外の単位の含有量は、好ましくは０〜１０モル％、より好ましくは０〜５モル％、さらに好ましくは０〜２モル％である。

絶縁層７は、第１導電層４と第２導電層６を電気的に絶縁するための層であり、一般に用いられる絶縁材料を利用することができる。例えば、２軸延伸ポリプロピレン（ＯＰＰなどポリプロピレン系樹脂またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのポリエチレン系樹脂のフィルムを絶縁層７として利用できる。

また、絶縁層７にもフィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルムを用いて、第１導電層４／第１圧電性高分子フィルム層５／第２導電層６／第２圧電性高分子フィルム層７とした積層構造としてもよい。例えば、第１圧電性高分子フィルム層５をＰＬＬＡ層、第２圧電性高分子フィルム層７をＰＤＬＡ層とする。そして、ＰＬＬＡ層の厚み方向に電圧を加えたときに圧電特性を示す方向と、これとは逆の電圧をＰＤＬＡ層の厚み方向に加えたときの圧電特性を示す方向が、同一方向になるように積層する。つまり、ＰＬＬＡ層とＰＤＬＡ層は、同一方向の変形に対して、厚み方向に正反対の電荷が発生するように積層する。このように積層すれば、ＰＬＬＡ層で発生した電荷とＰＤＬＡ層で発生した電荷が打ち消し合うことなく、より大きな出力電圧を得ることが可能である。

第１圧電性高分子フィルム層５と、第２圧電性高分子フィルム層７の双方をＰＬＬＡ層とする場合、または双方をＰＤＬＡ層とする場合は、積層する際にフィルムの延伸方向を調整し、同一方向の変形に対して、第１圧電性高分子フィルム層５と第２圧電性高分子フィルム層７とが、厚み方向に正反対の電荷が発生するように積層する。このように積層すれば、お互いに発生した電荷を打ち消し合うことなく、より大きな出力電圧を得ることが可能である。

第１導電層４および第２導電層６は、導電性材料であれば特に限定されないが、インジウム、スズ、亜鉛、ガリウム、アンチモン、チタン、珪素、ジルコニウム、マグネシウム、アルミニウム、金、銀、銅、パラジウム、タングステンからなる群より選択される少なくとも１種の金属、または上記群より選択される少なくとも１種の金属の酸化物が好ましく用いられる。第１導電層４および第２導電層６の形成方法は特に限定されないが、導電性を均一に形成するためには、蒸着法またはスパッタリング法を採用することが好ましい。例えば、導電材料にアルミニウムを用い、圧電性高分子フィルム表面に蒸着法またはスパッタリング法でアルミニウム層を成膜すれば、比較的低温で成膜できるため圧電性高分子フィルムの熱ダメージを抑制でき生産性にも優れる。また、アルミニウム層を成膜する前に、密着性を向上させるためのコーティングを施すこともできる。なお、これらの手段の他に導電性ペーストや導電性接着剤の塗布、金属箔などの導電性シート状積層により形成してもよい。

第１導電層４および第２導電層６の厚さは特に制限されないが、その表面抵抗値が好ましくは１×１０^４Ω／□以下、より好ましくは５×１０^３Ω／□以下、さらに好ましくは１×１０^３ Ω／□以下となるような厚みを選択すればよく、例えば、厚さ１５ｎｍ以上とするのが好ましい。さらに、導電性と層形成のし易さの観点から、２０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍである。このような厚さの場合には、表面抵抗値が低くなり、かつ連続被膜としやすくなる。また、製膜時の熱で圧電性フィルムにダメージを与えることがなく、巻回して圧電積層体を形成することもよういであり、圧電積層体の層間の強度も確保できる傾向にある。

圧電積層体２は、巻回コンデンサと同様の製造方法で作製することができる。例えば、圧電性高分子フィルムの一方の面に第１導電層４、他方の面に第２導電層６を蒸着により形成したフィルムを、絶縁層７用のフィルムと重ねボビンに巻回して形成される。

圧電性高分子フィルム層５の積層数は８０層以上であることが好ましい。ここで積層数とは、圧電積層体２の直径方向に積層されている圧電性高分子フィルム層５の層数であり、巻回数の２倍に相当する。積層数が８０層以上であると安定した出力電圧が得られる傾向がある。積層数はより好ましくは４００層以上であり、さらに好ましくは８００層以上である。積層数が４００層以上であれば良好な出力電圧の維持性が得られ、さらに８００層以上とすることにより加えた荷重に対する出力電圧の荷重応答性を高くすることができる。圧電性高分子フィルム層５の積層数は５０００層以下、４０００層以下、３０００層以下、２０００層以下、又は１５００層以下であってもよい。

また、圧電積層体２はＡＳＫＥＲゴム硬度計Ｃ型（高分子計器株式会社製）で測定した硬度が、７０から１００の範囲であると安定した出力がえられるため好ましい。この範囲であれば、圧電性高分子フィルム層間の拘束が適切になり静的な荷重による継続的な歪が曲線部に与えやすい傾向にある。より高い出力電圧を得るためには、硬度を８０から９５の範囲とすることが好ましく、８３から９５の範囲とすることがより好ましい。一方、荷重の変化に対する応答速度を短くするためには、硬度は９４から１００の高めの範囲とすることが好ましく、９５から１００の範囲とすることがより好ましい。
静的な荷重に対して安定した出力電圧を得るためには、積層数、硬度を調整するとともに、圧電積層体素子の静電容量を大きくすることが好ましい。

（１）実施例１
・圧電積層体素子の作製
フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルム層５にポリＬ−乳酸（ＰＬＬＡ）フィルム、絶縁層７にポリＤ−乳酸（ＰＤＬＡ）フィルムを用いて、実施例１の圧電積層体素子１を作製した。実施例１は、絶縁層７のＰＤＬＡフィルムも面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルム層であるため、第１導電層４／第１圧電性高分子フィルム層５／第２導電層６／第２圧電性高分子フィルム層７の積層構造となる。

アルミニウム蒸着により膜厚が２５ｎｍとなるように一方の面に第１導電層４、他方の面に第２導電層６を形成したフィルム幅５４ｍｍ、厚さ９μｍのＰＬＬＡフィルムと、厚さ９μｍ、フィルム幅５４ｍｍのＰＤＬＡフィルムとを一対として重ねた多層フィルムを準備した。第１導電層４は絶縁マージンとしてＰＬＬＡフィルムの一方の端部から２ｍｍの間隙を開けて形成し、第２導電層６はＰＬＬＡフィルムの他方の端部から２ｍｍの間隙を開けて形成した。したがって、ＰＬＬＡフィルムを挟んで対向する第１導電層４と第２導電層６の重なり幅である有効電極幅は５０．０ｍｍである。ＰＬＬＡフィルムとＰＤＬＡフィルムは、同一方向の変形に対して、厚み方向に正反対の電荷が発生するように、各フィルムの延伸方向を調整して積層している。

準備した多層フィルムを５００回巻回し、得られた円筒状の巻回体を上下方向から平板で挟み、中心の空間が無くなるまでにプレス加工し、図１（ｂ）に示すような角丸長方形の積層体を形成した。角丸長方形の積層体を熱ラミネートして各層を固着し、アルミニウム溶射（メタリコン）により圧電積層体２の側面に第１電極層と第２電極層を形成した後、熱処理して実施例１の圧電積層体素子１を得た。実施例１の形状は表１に示す。表１における積層数は、ＰＬＬＡフィルムの積層数を示すもので巻回数の２倍の１０００層となる。ＰＬＬＡフィルム層（第１圧電性高分子フィルム層５）の積層数とＰＤＬＡフィルム層（第２圧電性高分子フィルム層７）を合わせた積層数は２０００層となる。以下、実施例、比較例においては、特段の説明がない限り積層数はＰＬＬＡフィルム層（第１圧電性高分子フィルム層５）の積層数である。

圧電積層体素子１の外形の幅は、表１におけるフィルム幅に側面の第１電極層８と第２電極層９の厚さを加えた値でフィルム幅に略等しい。有効電極幅は、ＰＬＬＡフィルム層を挟んで対向する第１導電層と第２導電層が重なる幅である。外長は角丸長方形の圧電積層体素子１の外形の長さであり、内長はプレス加工によって潰された中心部の長さである。硬度は熱処理した圧電積層体素子１をステンレス板の上に静置し、角丸長方形の平面部の中央をＡＳＫＥＲゴム硬度計Ｃ型（高分子計器株式会社製）で３点測定した平均値である。この硬度の測定は、ＪＩＳ Ｋ７３１２及びＪＩＳ Ｓ６０５０に記載の硬さ試験に準拠して行なわれた。ここで、この試験機は、試験片表面を加圧する加圧面、加圧面に設けた穴からばね圧力によって突き出している押針、及び押針が試験片面によって押し戻される距離を硬さとして示す目盛で構成されており、加圧面の中心穴の直径は５．５ｍｍで、加圧面の寸法が４４ｍｍ×１８ｍｍの大きさの長方形状であり、押針の形状が高さ２．５４ｍｍ、直径５．０８ｍｍの半球状であり、スプリング荷重が目盛０の時に５３９ｍＮ（５５ｇ）で、目盛１００の時に８３７９ｍＮ（８５５ｇ）であった。

・圧電積層体素子の評価
圧電積層体素子１について、荷重を加えたときの出力電圧を測定した。測定は図３に示すように圧電積層体素子１の一方の平面部を下側として剛体１１上に置き、上側の平面部に５０ｍｍ×６０ｍｍ、２５ｍｍ×３０ｍｍ、１２ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ各１．９ｍｍの３枚のアクリル板１０を重ねて置き、平面部全体に均一な荷重が加わるようにして荷重試験機１２で図の矢印方向に荷重を加えた。
測定結果から、圧電積層体素子１の出力電圧の維持性と、出力電圧の荷重応答性を評価した。出力電圧の維持性は、荷重試験機１２で圧電積層体素子１に加える荷重を一定とした後の出力電圧の減少率により評価した。出力電圧が最大となった時点から、５秒後の出力電圧の減少率が５０％以下であるものを△、２０％以下であるものを○、１０％以下であるものを◎とした。出力電圧の荷重応答性は、圧電積層体素子１に加える荷重を１５Ｎ、５０Ｎ、１００Ｎ、２００Ｎ、４００Ｎで一定として測定を行い、それぞれの荷重における出力電圧の最大値から評価した。１５Ｎ〜４００Ｎの範囲で、荷重の値と出力電圧の最大値に比例関係が認められたものを◎とし、低荷重では比例関係が認められるものの、荷重が大きくなるに従い出力電圧が飽和し、４００Ｎでは比例関係から外れるものを○とした。結果を表１に示す。

図４（ａ）〜（ｄ）は、実施例１の圧電積層体素子１に、１５Ｎ〜３００Ｎをピークとする静的な荷重を加えたときの出力電圧を、負荷１０ＭΩで測定した結果である。何れの測定においても、圧電積層体素子１からの出力電圧は、付加される荷重の増加に追随して上昇し、荷重をピーク荷重で固定すると出力電圧も略一定となる。ピーク荷重を付加し続けた後、荷重を減少させていくと、出力電圧も追随して減少し、荷重がゼロになると出力電圧はゼロとなる。図４（ａ）〜（ｄ）から、実施例１の圧電積層体素子１では、出力電圧が付加される荷重の増減に追随し、付加される荷重が一定になると、継続して略一定の出力電圧が得られることがわかる。

従来の圧電素子では、一定荷重のような変化しない静的な荷重の付加に対する出力電圧はほぼゼロとなる。しかし、実施例１では静的な荷重の付加に対して、出力電圧が得られる圧電積層体素子１が実現できている。

図５は実施例１の圧電積層体素子１に、周期的な荷重を加えたときの出力電圧である。図５（ａ）と（ｃ）は、それぞれ１０Ｎと２５Ｎの荷重を１０秒間加える作業を、１０回繰り返して付加したときの出力電圧である。図５（ｂ）と（ｄ）は、それぞれ１０Ｎと２５Ｎの荷重を５秒間加える作業を、２０回繰り返して付加したときの結果である。図５（ａ）〜（ｄ）のいずれにおいても、圧電積層体素子の出力電圧は、荷重の周期的な変化に追随して周期的に変化する。そして、荷重が一定の間は、出力電圧も略一定であることがわかる。

（２）実施例２〜５
実施例２〜５として、表１に示す積層数、有効電極幅、外長、内長、フィルム幅、厚さ、硬度を有する圧電積層体素子１を作製した。製造方法は実施例１と同様に、一方の面に第１導電層４、他方の面に第２導電層６をアルミニウム蒸着により形成した厚さ９μｍのＰＬＬＡフィルムと、厚さ９μｍのＰＤＬＡフィルムとを重ねた多層フィルムを巻回して作製した。

実施例２〜５について、荷重変動がない静的な荷重を付加したときの出力電圧を測定した。結果を図６に示す。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ実施例２、３、４、５の測定結果である。積層数が１００層の実施例２では、他の実施例に比べて荷重を一定にした後、出力電圧が低下する傾向が大きい。しかし、出力電圧がゼロになることはなく継続して一定の電圧が出力されており、静的な荷重の検出ができている。積層数が５００層である実施例３、および積層数が９００層である実施例４、５では実施例２と比べ、より静的な荷重に対応した電圧が出力されていることがわかる。実施例１と同じ方法で、実施例２〜５の出力電圧の維持性と、出力電圧の荷重応答性を評価した結果を表１に示す。

比較のため曲線部の無い平積圧電積層体素子を作製し、出力電圧の測定を行った。７０ｍｍ×３０ｍｍの短冊状で厚さ９μｍのＰＬＬＡフィルムとＰＤＬＡフィルムをそれぞれ１００枚準備し、アルミニウム蒸着によりＰＬＬＡフィルムの一方の面に第１導電層４、ＰＤＬＡフィルムの一方の面に第２導電層６を形成した。そして、ＰＬＬＡフィルムとＰＤＬＡフィルムを交互に積層し熱ラミネートで固着後、アルミニウム溶射（メタリコン）により、圧電積層体の長手方向の側面に第１電極層８と第２電極層９を形成して、比較例１の平積圧電積層体素子を得た。比較例１の積層構造は、図２（ｂ）に示す第１導電層４／第１圧電性高分子フィルム層５／第２導電層６／第２圧電性高分子フィルム層７と同じ構造であり、積層数１００層（ＰＬＬＡフィルムのみの積層数）、有効電極面積５０ｍｍ×３０ｍｍである。比較例１の中央で、ＡＳＫＥＲゴム硬度計Ｃ型（高分子計器株式会社製）で３点測定した硬度の平均値は９９．０であった。

図７は比較例１の平積圧電積層体素子に、２００Ｎの荷重を継続して加えたときの出力電圧を、１０ＭΩの負荷で測定した結果である。比較例１では荷重を２００Ｎで一定とした状態の出力電圧はほぼ０Ｖで、静的な荷重に応じた出力電圧は得られていない。曲線部の無い平積圧電積層体素子の比較例１では静的な荷重に応じた出力電圧は得られず、静的な荷重を検出できない。これに対し、一部に曲線部を有する実施例１〜５では、静的な荷重に応じた出力電圧が得られ、静的な荷重センサなどとして利用可能であることがわかる。

（３）実施例６
実施例６として、図１（ａ）の円筒型の圧電積層体素子１を作製し評価を行った。実施例１と同じように、アルミニウム蒸着により一方の面に第１導電層４、他方の面に第２導電層６を形成した厚さ９μｍ、幅５４ｍｍのＰＬＬＡフィルムと、厚さ９μｍ、幅５４ｍｍのＰＤＬＡフィルムとを重ねた多層フィルムを１５０回巻回し、中心に直径１２ｍｍの空洞がある円筒型の圧電積層体素子１を得た。実施例６の積層数は３００層、有効電極幅５０ｍｍである。円筒型の中心部の空洞には、荷重を加えても潰れないように、円柱状のウレタンゴムコア１３を設けた。ＡＳＫＥＲゴム硬度計Ｃ型（高分子計器株式会社製）で３点測定した硬度の平均値は８４．０であった。

実施例６の圧電積層体素子１を、図８（ａ）に示すように剛体１１の上に置き、上部にアクリル板１０を配置して、荷重試験機１２で図の矢印方向に荷重を加えた。荷重試験機１２で２００Ｎの荷重を加え、１０ＭΩの負荷で出力電圧を測定した結果を図８（ｂ）に示す。実施例６の圧電積層体素子１からの出力電圧は、荷重の増加に追随して上昇し、荷重が２００Ｎで一定になると、出力電圧も略一定で継続して出力される。その後、荷重を減少させると、出力電圧も追随して減少する。円筒型の圧電積層体素子１でも、静的な荷重に応じて電圧が出力され、静的荷重センサなどとして利用できることがわかる。

図９は剛体上においた実施例４の圧電積層体素子１上に、実施例５の圧電積層体素子１を重ねて置き、実施例５の平面部に荷重試験機で４００Ｎの荷重を加えた測定結果である。実施例４と実施例５は電気的に直列となるように接続し、１０ＭΩの負荷で出力電圧を測定した。

実施例４と実施例５の単体に４００Ｎの荷重を加えたときの出力電圧は、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように約１Ｖと約０．７Ｖである。図９では実施例４と実施例５を直列に接続することにより１．６Ｖの出力が得られている。従来の圧電素子では、出力が瞬間的で位相を一致させることが難しいため、複数の圧電素子を直列に接続しても、単体の圧電素子の場合より大きな出力電圧を得ることは困難である。しかし、本発明の圧電積層体素子では、静的な荷重によって継続的に出力が得られるため、複数の圧電積層体素子を直列に接続して静的な荷重を加えることにより、単体での出力より大きな出力電圧を得ることが容易である。

実施例１〜６の圧電積層体素子１は、静的な荷重に対しても電圧が出力されるため、圧電積層体素子１を荷重センサとして用いれば、簡単な回路構成で荷重検出システムを実現できる。したがって、本発明は、荷重センサとしての圧電積層体素子の使用又は使用方法にも関する。圧電積層体素子１を荷重センサとして用いる場合、その荷重センサは、圧電積層体素子から信号を取り出せる配線などの要素、検出装置などを含む。また、圧電性高分子フィルム単体より剛性が高く強度、耐久性に優れ、大きな荷重が加えられても破損するおそれが少ない。例えば、本発明の圧電積層体素子を、座席の台座などに用いれば、人が座ることによって数秒間以上一定の荷重が加わる状態の信号と、座席が蹴られるなど衝撃が加わったことによって生じるノイズ信号とを圧電積層体素子１の出力信号から判定できる。

また、圧電積層体素子１を荷重センサとして靴の底に設ければ、走っているときに生じる信号と、歩いているときに生じる信号を、出力電圧が継続する時間長さから判定することが可能である。

さらに、本発明の圧電積層体素子は、静的荷重によっても出力電圧が得られるため、これまで利用されていない、より低周期の振動を電気エネルギーに変換するエネルギーハーベスト装置としても利用可能である。したがって、本発明は、エネルギーハーベスト装置又は電源としての圧電積層体素子の使用又は使用方法にも関する。特に、整流回路や位相整合回路を設けることなく、複数の圧電積層体素子を直列に接続するだけで電圧が加算されるので、大きな出力電圧の電源として利用できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１ 圧電積層体素子
２ 圧電積層体
３ 取出し電極
４ 第１導電層
５ 圧電性高分子フィルム層、第１圧電性高分子フィルム層
６ 第２導電層
７ 絶縁層、第２圧電性高分子フィルム層
８ 第１電極
９ 第２電極
１０ アクリル板
１１ 剛体
１２ 荷重試験機
１３ ウレタンゴムコア

Claims (14)

1. フィルムの面方向に圧電性を発現する圧電性高分子フィルム層が複数層積層された積層体を備え、
   出力電圧が前記積層体に付加される荷重の増減に追随し、前記付加される荷重が一定のとき前記出力電圧は略一定であることを特徴とする圧電積層体素子。
2. 前記圧電性高分子フィルム層の断面は、少なくとも曲線部を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電積層体素子。
3. 前記圧電性高分子フィルム層の断面は、前記曲線部と前記曲線部に連続する直線部とを有することを特徴とする請求項２に記載の圧電積層体素子。
4. 前記圧電性高分子フィルム層は、ポリＬ−乳酸フィルム層および／またはポリＤ−乳酸フィルム層であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電積層体素子。
5. 前記積層体は、第１導電層と前記圧電性高分子フィルム層と第２導電層と絶縁層とが巻回された、巻回積層体であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電積層体素子。
6. 前記圧電性高分子フィルム層および前記絶縁層は、光学キラルな高分子からなるフィルム層であり、
   前記積層体は、前記圧電性高分子フィルム層に電圧を付加したときに圧電特性を示す方向と、前記絶縁層に前記電圧とは逆の電圧を付加したときの圧電特性を示す方向が同一方向になるように積層されていることを特徴とする請求項５に記載の圧電積層体素子。
7. 前記巻回積層体の一方の側面に前記第１導電層と導通する第１電極が形成され、前記巻回積層体の他方の側面に前記第２導電層と導通する第２電極が形成されることを特徴とする請求項５または６に記載の圧電積層体素子。
8. 前記巻回積層体の中心部は空間を有していないことを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の圧電積層体素子。
9. 前記巻回積層体の中心部は空間を有することを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の圧電積層体素子。
10. 前記巻回積層体の中心部に、コア部材が挿入されていることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の圧電積層体素子。
11. 高分子計器株式会社製のＡＳＫＥＲゴム硬度計Ｃ型で測定した硬度が、７０から１００の範囲であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧電積層体素子。
12. 前記圧電性高分子フィルム層の積層数が８０層以上であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の圧電積層体素子。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載された圧電積層体素子及び前記圧電積層体素子に接続してその出力を検出する検出装置を含む、荷重センサ。
14. 請求項１から１２のいずれか一項に記載された圧電積層体素子を用いた電源。

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