TWI781207B - 感測器模組以及具備該感測器模組的壓力分佈感測器 - Google Patents
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Abstract
感測器模組10包括:保持構件20,包含彈性體;受壓面22,於保持構件20中承受壓力;鄰接面24,於保持構件20中,與由受壓面22受到的壓力對應地產生變形,且與受壓面22鄰接;以及長條狀的壓電基材12,配置於鄰接面24上。
Description
本發明是有關於一種感測器模組以及具備該感測器模組的壓力分佈感測器。
最近,正進行將具有壓電性的材料被覆於導體並加以利用的嘗試。 例如,已知有一種壓電電纜,其包含自中心朝向外側依序呈同軸狀配置的中心導體、壓電材料層、外側導體及外殼(例如,參照專利文獻1及專利文獻2)。專利文獻1及專利文獻2中記載的壓電電纜中,將壓電電纜其本身設為壓力偵測裝置。 另一方面,亦製作有將壓電電纜以感測器的形式組入的壓力偵測裝置。例如,於專利文獻3中揭示有將呈波型配置的壓電電纜組入至褥墊的可進行人體偵測的頭裝置。另外,例如,於專利文獻4中揭示有將呈波型配置的壓電電纜組入至胺基甲酸酯橡膠製的防水防塵構成的感測器墊內部的入侵警報裝置。 [專利文獻1]日本專利特開平10-132669號公報 [專利文獻2]日本專利特開2010-071840號公報 [專利文獻3]日本專利特開2005-351781號公報 [專利文獻4]日本專利特開2008-146528號公報
[發明所欲解決之課題] 然而,於專利文獻3或專利文獻4中所示的壓力偵測裝置中,為了擴大偵測範圍,而且,為了確保偵測感度,而將壓電電纜呈波型配置於加壓面上。另一方面,藉由將壓電電纜呈波型配置於加壓面上,而產生結構的複雜化或製造成本的增大這一問題。
本發明的一形態的目的在於提供一種當偵測壓力時,儘管為使用壓電基材的簡單的結構,亦可確保偵測範圍,且可提昇偵測感度的感測器模組以及具備該感測器模組的壓力分佈感測器。 [解決課題之手段]
用以達成所述課題的具體手段如下所述。 <1> 一種感測器模組,其包括: 保持構件,包含彈性體; 受壓面,於所述保持構件中承受壓力; 鄰接面,於所述保持構件中,與由所述受壓面受到的所述壓力對應地產生變形,且與所述受壓面鄰接;以及 長條狀的壓電基材,配置於所述鄰接面上。 <2> 如<1>所述的感測器模組,其中,所述壓電基材於所述鄰接面上以在所述壓力的受壓方向周圍包圍所述保持構件的方式設置。 <3> 一種感測器模組,其包括: 保持構件,包含彈性體; 受壓部,於所述保持構件中承受壓力; 交叉面,於所述保持構件中,與由所述受壓部受到的所述壓力對應地產生變形,且與所述壓力的受壓方向相交;以及 長條狀的壓電基材,沿所述交叉面的外緣部配置。 <4> 如<1>至<3>中任一項所述的感測器模組,其中,所述保持構件的施加負荷時的每單位負荷的變形量處於0.01 mm~1.0 mm的範圍內。 <5> 如<1>至<4>中任一項所述的感測器模組,其中,所述壓電基材包括長條狀的導體及相對於所述導體向一方向呈螺旋狀捲繞的長條狀的壓電體, 所述壓電體由有機壓電材料形成。 <6> 如<5>所述的感測器模組,其中,所述壓電體為具有光學活性的螺旋手性高分子(A)。 <7> 如<6>所述的感測器模組,其中,所述螺旋手性高分子(A)為聚乳酸。 <8> 如<1>至<7>中任一項所述的感測器模組,其中,於所述壓電基材的前端連接有帶狀的彈性物,所述彈性物與所述壓電基材一同配置於所述保持構件上。 <9> 如<1>至<8>中任一項所述的感測器模組,其包括設置於所述保持構件的外周部且包含彈性體的保護構件。 <10> 一種壓力分佈感測器,其是將多個如<1>至<9>中任一項所述的感測器模組呈格子狀配置而成。 [發明的效果]
根據本發明的一形態,當偵測壓力時,儘管為使用壓電基材的簡單的結構,亦可確保偵測範圍,且可提昇偵測感度。
以下,對本發明的實施形態進行說明。再者,本發明並不限定於以下的實施形態。 於本說明書中,使用「~」所表示的數值範圍是指包含「~」的前後所記載的數值作為下限值及上限值的範圍。 於本說明書中,所謂長條平板狀的壓電體(第1壓電體及第2壓電體)的「主面」,是指長條平板狀的壓電體的與厚度方向正交的面(換言之,包含長度方向及寬度方向的面)。 於本說明書中,只要事先無特別說明,則構件的「面」是指構件的「主面」。 於本說明書中,厚度、寬度及長度如通常的定義般,且滿足厚度<寬度<長度的關係。 於本說明書中,「接著」為包含「黏著」的概念。另外,「接著層」為包含「黏著層」的概念。 於本說明書中,兩個線段所形成的角度於0°以上、90°以下的範圍內表示。 於本說明書中,「膜」是不僅包含通常被稱為「膜」者,亦包含通常被稱為「片」者的概念。
<第1實施形態> 基於圖1~圖4,對作為第1實施形態的感測器模組10進行說明。 〔感測器模組〕 如圖1所示,本實施形態的感測器模組10包括包含圓柱狀的彈性體的保持構件20與長條狀的壓電基材12而構成。 關於保持構件20,例如於設置於地板面而自上方受到壓力的情況下,上表面作為承受壓力的受壓面22、下表面作為設置面26、與受壓面22及設置面26鄰接的側面(圓柱面)作為鄰接面24而構成。如上所述,保持構件20為彈性體,且鄰接面24與由受壓面22受到的壓力對應地產生變形。再者,本實施形態的受壓面22為平面,但並不限定於此,亦可具有曲面。例如,受壓面22具備與進行加壓的對象物的形狀相適合的面即可。 於鄰接面24上配置有呈長條狀即電纜狀形成的壓電基材12。詳細而言,壓電基材12以纏繞於作為圓柱面的鄰接面24上的狀態接著固定。換言之,壓電基材12於鄰接面24上以在壓力的受壓方向(圖1的箭頭P)周圍包圍保持構件20的方式設置。再者,於本實施形態中,壓電基材12於與鄰接面24的接觸部全部中經接著固定。本實施形態的壓電基材12於在長度方向被施加張力時,產生電壓。關於壓電基材12的詳細內容,將於後敘述。
此處,作為保持構件20,可採用以下材料。 可使用矽酮彈性體、丙烯酸彈性體、胺基甲酸酯彈性體、氟系彈性體、全氟彈性體、異戊二烯橡膠(isoprene rubber)、丁二烯橡膠、苯乙烯丁二烯橡膠、天然橡膠、氯丁二烯橡膠(chloroprene rubber)、腈橡膠、丁基橡膠、乙烯丙烯橡膠、表氯醇橡膠等彈性體;聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚醯胺、聚乙烯醇、聚縮醛、聚醯亞胺、聚酯、環狀聚烯烴、苯乙烯×丙烯腈共聚物、苯乙烯×丁二烯×丙烯腈共聚物、乙烯×乙酸乙烯酯共聚物、甲基丙烯酸×苯乙烯共聚物、丙烯酸樹脂、氟樹脂、胺基甲酸酯樹脂、酚樹脂、脲樹脂、環氧樹脂、纖維素系樹脂、不飽和聚酯樹脂、三聚氰胺樹脂、矽酮樹脂及該些的共聚物或摻合物(alloy)、改質體、發泡體(泡沫)等高分子材料等。
本實施形態的感測器模組10具有如下作用。即,於保持構件20中,若受壓面22自受壓方向(圖1的箭頭P)受到壓力,則於受壓面22與設置面26之間產生壓縮,結果鄰接面24朝向保持構件20的外側(圖1的箭頭S)膨脹變形。如上所述,於鄰接面24上設置有壓電基材12,因鄰接面24膨脹變形而於壓電基材12中產生張力,從而產生電壓。 另外,於保持構件20中,若受壓面22受到與受壓方向(圖1的箭頭P)相反的方向的壓力,則使受壓面22自設置面26分離,結果鄰接面24朝向保持構件20的內側(與圖1的箭頭S相反的方向)收縮變形。如上所述,於鄰接面24上設置有壓電基材12,因鄰接面24收縮變形而於壓電基材12中產生壓縮力,從而於壓電基材12中產生與被賦予張力時反向的電壓。 再者,於本實施形態中,承受壓力的部位(受壓部位)未必需要是受壓面22的中央部,另外,承受壓力的方向(受壓方向)無需垂直於受壓面22。即,當受到壓力時,只要為鄰接面24發生變形的形態,則受壓部位及受壓方向並不特定。 本實施形態的保持構件20理想為利用直徑10 mm的金屬製的圓柱壓入受壓面22時的每單位負荷的凹陷量成為0.01 mm~1.0 mm的範圍的硬度,更理想為凹陷量成為0.03 mm~0.5 mm的範圍的硬度。藉由設定為所述範圍,可以高感度檢測對受壓面22施加的壓力。
〔壓電基材〕 對本實施形態的感測器模組10中的用以檢測壓力的壓電基材的概要進行說明。 本實施形態的壓電基材具備長條狀的導體及相對於所述導體向一方向呈螺旋狀捲繞的長條狀的第1壓電體。 作為第1壓電體,可使用有機壓電材料,作為有機壓電材料,不論低分子材料、高分子材料,均可採用,例如可列舉:聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯系共聚物;聚偏二氰乙烯或偏二氰乙烯系共聚物;或者尼龍9、尼龍11等奇數尼龍;或者芳香族尼龍;脂環族尼龍;或者聚乳酸等螺旋手性高分子或聚羥基丁酸酯等聚羥基羧酸;纖維素系衍生物;聚脲等。 作為第1壓電體,就良好的壓電特性、加工性、獲取容易性等觀點而言,較佳為高分子的有機壓電材料、特別是具有光學活性的螺旋手性高分子。 所述本實施形態的壓電基材為如下的壓電基材: 所述第1壓電體包含具有光學活性的螺旋手性高分子(A)(以下,亦簡稱為「螺旋手性高分子(A)」), 所述第1壓電體的長度方向與所述第1壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的主配向方向大致平行, 根據X射線繞射測定,藉由下述式(a)而求出的所述第1壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0的範圍。 配向度F=(180°-α)/180° ··(a) 其中,α表示源自配向的峰值的半值寬。α的單位為°。
以下,於本實施形態的壓電基材的說明中,有時將「長條狀的導體」簡稱為「導體」進行說明,且有時將「長條狀的第1壓電體」簡稱為「第1壓電體」進行說明。再者,所謂「一方向」,是指當自導體的軸方向的一端側觀察本實施形態的壓電基材時,第1壓電體自導體的近前側朝向內側進行捲繞的方向。具體而言,是指右方向(右捲,即順時針)或左方向(左捲,即逆時針)。
此處,第1壓電體的配向度F是表示第1壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的配向的程度的指標,例如為c軸配向度,所述c軸配向度是藉由廣角X射線繞射裝置(理學(Rigaku)公司製造的RINT2550,附屬裝置:旋轉試樣台,X射線源:CuKα,輸出:40 kV、370 mA,檢測器:閃爍計數器(scintillation counter))而測定。 配向度F是使用所述廣角X射線繞射裝置,將樣品(緞帶狀壓電體、紗狀壓電體)固定於固定器上,並對結晶面峰值[(110)面/(200)面]的方位角分佈強度進行測定。 於所獲得的方位角分佈曲線(X射線干涉圖)中,根據結晶度及峰值的半值寬(α),並根據所述式(a)來算出螺旋手性高分子(A)的配向度F(c軸配向度)並加以評價。
本實施形態的壓電基材藉由具備所述構成,而壓電感度優異且壓電輸出的穩定性亦優異。 更詳細而言,於本實施形態的壓電基材中,第1壓電體包含螺旋手性高分子(A)、第1壓電體的長度方向與螺旋手性高分子(A)的主配向方向大致平行及第1壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0,藉此顯現壓電性。 而且,本實施形態的壓電基材形成所述第1壓電體相對於導體向一方向呈螺旋狀捲繞的構成。 於本實施形態的壓電基材中,藉由以所述方式配置第1壓電體,當在壓電基材的長度方向施加張力(應力)時,對螺旋手性高分子(A)施加剪切力,在壓電基材的徑方向產生螺旋手性高分子(A)的極化。該極化方向與電場的方向大致一致,所述電場是於將呈螺旋狀捲繞的第1壓電體視作相對於所述第一壓電體的長度方向視為平面的程度的微小區域的集合體的情況下,於所述第一壓電體所構成的微小區域的平面中,當對螺旋手性高分子施加因張力(應力)所引起的剪切力時,因壓電應力常數d14
所引起的電場。 具體而言,例如於聚乳酸中,當為分子結構包含左捲螺旋結構的L-乳酸的均聚物(PLLA)時,若對將PLLA的主配向方向與長度方向大致平行的第1壓電體相對於導體呈螺旋狀左捲捲繞的結構體施加張力(應力),則與徑方向平行地產生自和張力垂直的圓狀剖面的圓的中心向外側方向的電場(極化)。另外,與其相反地,當對將PLLA的主配向方向與長度方向大致平行的第1壓電體相對於導體呈螺旋狀右捲捲繞的結構體施加張力(應力)時,與徑方向平行地產生自和張力垂直的圓狀剖面的圓的外側向中心方向的電場(極化)。
另外,例如,當為分子結構包含右捲螺旋結構的D-乳酸的均聚物(PDLA)時,若對將PDLA的主配向方向與長度方向大致平行的第1壓電體相對於導體呈螺旋狀左捲捲繞的結構體施加張力(應力),則與徑方向平行地產生自和張力垂直的圓狀剖面的圓的外側向中心方向的電場(極化)。另外,與其相反地,若對將PDLA的主配向方向與長度方向大致平行的第1壓電體相對於導體呈螺旋狀右捲捲繞的結構體施加張力(應力),則與徑方向平行地產生自和張力垂直的圓狀剖面的圓的中心向外側方向的電場(極化)。 藉此,可認為當在壓電基材的長度方向施加張力時,於呈螺旋狀配置的第1壓電體的各部位中,與張力成比例的電位差於相位一致的狀態下產生,因此可有效地檢測與張力成比例的電壓信號。 因此,根據本實施形態的壓電基材,可獲得壓電感度優異且壓電輸出的穩定性亦優異的壓電基材。
特別是,作為螺旋手性高分子(A)而使用非熱電性的聚乳酸系高分子的壓電基材與使用熱電性的PVDF的壓電基材相比,壓電感度的穩定性及壓電輸出的穩定性(對於經時或溫度變化的穩定性)進一步提昇。 另外,於所述專利文獻4(日本專利特開2008-146528號公報)中所記載的具備壓電性纖維的壓電單元中,不僅不限定壓電性纖維相對於導電性纖維的捲繞方向,而且構成剪切力的力的起點、力的方向亦與本實施形態的壓電基材不同。因此,可認為即便對專利文獻4中所記載的壓電單元施加張力,亦不會在壓電單元的徑方向產生極化,即,不會在因壓電應力常數d14
而產生的電場的方向產生極化,因此壓電感度不足。
此處,第1壓電體的長度方向與螺旋手性高分子(A)的主配向方向大致平行具有第1壓電體向長度方向的拉伸強(即,長度方向的拉伸強度優異)這一優點。因此,即便相對於導體將第1壓電體向一方向呈螺旋狀捲繞,亦難以斷裂。 進而,第1壓電體的長度方向與螺旋手性高分子(A)的主配向方向大致平行於例如對經延伸的壓電膜進行縱切而獲得第1壓電體(例如縱切緞帶)時的生產性方面亦有利。 於本說明書中,所謂「大致平行」,是指兩個線段所形成的角度為0°以上、未滿30°(較佳為0°以上、22.5°以下,更佳為0°以上、10°以下,進而更佳為0°以上、5°以下,特佳為0°以上、3°以下)。 另外,於本說明書中,所謂螺旋手性高分子(A)的主配向方向,是指螺旋手性高分子(A)的主要的配向方向。螺旋手性高分子(A)的主配向方向可藉由測定第1壓電體的配向度F來確認。 另外,當於將原料熔融紡紗後將其延伸來製造第1壓電體時,所製造的第1壓電體中的螺旋手性高分子(A)的主配向方向是指主延伸方向。所謂主延伸方向,是指延伸方向。 同樣地,當形成膜的延伸及經延伸的膜的縱切來製造第1壓電體時,所製造的第1壓電體中的螺旋手性高分子(A)的主配向方向是指主延伸方向。此處,所謂主延伸方向,於單軸延伸的情況下是指延伸方向,於雙軸延伸的情況下是指延伸倍率高者的延伸方向。
以下,對本發明的壓電基材的第1實施形態進行詳細說明。
〔第1實施形態的壓電基材〕 第1實施形態的壓電基材較佳為長條狀的導體為內部導體,且長條狀的第1壓電體沿內部導體的外周面向一方向呈螺旋狀捲繞。 藉由使用內部導體作為導體,相對於內部導體的軸方向,第1壓電體容易保持螺旋角度β而向一方向呈螺旋狀配置。 此處,所謂「螺旋角度β」,是指導體的軸方向與相對於導體的軸方向第1壓電體所配置的方向(第1壓電體的長度方向)所形成的角度。 藉此,例如,當在壓電基材的長度方向施加張力時,螺旋手性高分子(A)的極化容易在壓電基材的徑方向產生。其結果,作為電特性,可有效地檢測與張力成比例的電壓信號(電荷信號)。 進而,所述構成的壓電基材成為與同軸電纜中所具備的內部結構(內部導體及電介質)相同的結構,因此例如當將所述壓電基材應用於同軸電纜時,可成為電磁屏蔽性高且對於雜訊而言強的結構。
第1實施形態的壓電基材較佳為進而具備向與所述一方向不同的方向呈螺旋狀捲繞的長條狀的第2壓電體。 進而較佳為,第2壓電體包含具有光學活性的螺旋手性高分子(A), 第2壓電體的長度方向與第2壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的主配向方向大致平行,且 根據X射線繞射測定,藉由所述式(a)而求出的第2壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0的範圍, 第1壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的手性與第2壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的手性相互不同。 藉此,例如,當在壓電基材的長度方向施加張力時,於第1壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)及第2壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)這兩者中產生極化。極化方向均為壓電基材的徑方向。 其結果,可更有效地檢測與張力成比例的電壓信號(電荷信號)。因此,壓電感度及壓電輸出的穩定性進一步提昇。 特別是,當第1實施形態的壓電基材具備第1外部導體,且形成壓電體具備第1壓電體及第2壓電體的二層結構時,相對於內部導體或第1外部導體,可使第1壓電體及第2壓電體空隙少地密接,因張力所產生的電場容易高效地傳遞至電極。因此,對於實現更高感度的感測器而言為適宜的形態。
就提昇壓電感度及壓電輸出的穩定性的觀點而言,第1實施形態的壓電基材較佳為進而具備沿內部導體的外周面呈螺旋狀捲繞的第1絕緣體, 自第1壓電體觀察,第1絕緣體配置於與內部導體相反之側。 例如,於第1實施形態的壓電基材具備第1外部導體的情況下,若反覆彎曲壓電基材或使壓電基材以小的曲率半徑彎曲,則容易於所捲繞的第1壓電體中形成間隙,而內部導體與第1外部導體有可能發生電性短路。於該情況下,藉由配置第1絕緣體,可將內部導體與第1外部導體更切實地電性遮蔽。另外,於進行彎曲而使用的用途中,亦可確保高可靠性。
第1實施形態的壓電基材較佳為進而具備向與一方向不同的方向呈螺旋狀捲繞的長條狀的第2壓電體,且 第2壓電體包含具有光學活性的螺旋手性高分子(A), 第2壓電體的長度方向與第2壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的主配向方向大致平行, 根據X射線繞射測定,藉由所述式(a)而求出的第2壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0的範圍, 形成第1壓電體與第2壓電體交替地交叉而成的編帶結構, 第1壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的手性與第2壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的手性相互不同。 藉此,例如,當在壓電基材的長度方向施加張力時,於第1壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)及第2壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)這兩者中產生極化。極化方向均為壓電基材的徑方向。 藉此,可更有效地檢測與張力成比例的電壓信號。其結果,壓電感度及壓電輸出的穩定性進一步提昇。 特別是,當第1實施形態的壓電基材具備第1外部導體,且形成壓電體具備第1壓電體及第2壓電體的編帶結構時,於第1壓電體及第2壓電體間有適當的空隙,因此當使壓電基材彎曲變形之類的力起作用時,空隙亦吸收變形,並容易柔軟地彎曲變形。因此,第1實施形態的壓電基材可適宜地用作沿三維平面之類的例如可穿戴製品的一構成構件。
就提昇壓電感度及壓電輸出的穩定性的觀點而言,第1實施形態的壓電基材較佳為進而具備沿內部導體的外周面呈螺旋狀捲繞的第1絕緣體,且 形成第1壓電體與第1絕緣體交替地交叉而成的編帶結構。 藉此,於壓電基材的彎曲變形時,容易保持相對於內部導體第1壓電體向一方向捲繞的狀態。於該形態的編帶結構中,就容易對第1壓電體施加張力的觀點而言,較佳為不存在第1壓電體與第1絕緣體的間隙。
於第1實施形態的壓電基材中,就提昇壓電感度及壓電輸出的穩定性的觀點而言,相對於內部導體的軸方向,第1壓電體較佳為保持15°~75°(45°±30°)的角度而捲繞,更佳為保持35°~55°(45°±10°)的角度而捲繞。
於第1實施形態的壓電基材中,就提昇壓電感度及壓電輸出的穩定性的觀點而言,第1壓電體具有包含單束或多束的纖維形狀,第1壓電體的剖面的長軸徑較佳為0.0001 mm~10 mm,更佳為0.001 mm~5 mm,進而更佳為0.002 mm~1 mm。 此處,當第1壓電體(較佳為纖維狀壓電體)的剖面為圓形狀時,「剖面的長軸徑」相當於「直徑」。 當第1壓電體的剖面為異形狀時,「剖面的長軸徑」設為剖面的寬度之中最長的寬度。 當第1壓電體為包含多束的壓電體時,「剖面的長軸徑」設為包含多束的壓電體的剖面的長軸徑。
於本實施形態的壓電基材(例如,第1實施形態的壓電基材)中,就提昇壓電感度及壓電輸出的穩定性的觀點而言,第1壓電體較佳為具有長條平板形狀。第1壓電體的厚度為0.001 mm~0.2 mm,第1壓電體的寬度為0.1 mm~30 mm,且第1壓電體的寬度相對於第1壓電體的厚度的比為2以上。 以下,對具有長條平板形狀的第1壓電體(以下,亦稱為「長條平板狀壓電體」)的尺寸(厚度、寬度、比(寬度/厚度、長度/寬度))進一步詳細說明。 第1壓電體的厚度較佳為0.001 mm~0.2 mm。 藉由厚度為0.001 mm以上,可確保長條平板狀壓電體的強度。進而,長條平板狀壓電體的製造適應性亦優異。 另一方面,藉由厚度為0.2 mm以下,長條平板狀壓電體的厚度方向的變形的自由度(柔軟性)提昇。
另外,第1壓電體的寬度較佳為0.1 mm~30 mm。 藉由寬度為0.1 mm以上,可確保第1壓電體(長條平板狀壓電體)的強度。進而,長條平板狀壓電體的製造適應性(例如,後述的縱切步驟中的製造適應性)亦優異。 另一方面,藉由寬度為30 mm以下,長條平板狀壓電體的變形的自由度(柔軟性)提昇。
另外,第1壓電體的寬度相對於第1壓電體的厚度的比(以下,亦稱為「比〔寬度/厚度〕」)較佳為2以上。 藉由比〔寬度/厚度〕為2以上,主面變得明確,因此容易遍及第1壓電體(長條平板狀壓電體)的長度方向,使方向一致來形成電極層(例如外部導體)。例如,容易於主面的至少一者上形成外部導體。因此,壓電感度優異,另外,壓電感度的穩定性亦優異。
第1壓電體的寬度更佳為0.5 mm~15 mm。 若寬度為0.5 mm以上,則第1壓電體(長條平板狀壓電體)的強度進一步提昇。進而,可進一步抑制長條平板狀壓電體的扭曲,因此壓電感度及其穩定性進一步提昇。 若寬度為15 mm以下,則長條平板狀壓電體的變形的自由度(柔軟性)進一步提昇。
第1壓電體較佳為長度相對於寬度的比(以下,亦稱為比〔長度/寬度〕)為10以上。 若比〔長度/寬度〕為10以上,則第1壓電體(長條平板狀壓電體)的變形的自由度(柔軟性)進一步提昇。進而,於應用長條平板狀壓電體的壓電裝置(壓電織物、壓電編物等)中,可遍及更廣的範圍賦予壓電性。
於本實施形態的壓電基材中,當第1壓電體具有長條平板形狀時,就提昇壓電感度及壓電輸出的穩定性的觀點而言,較佳為功能層配置於第1壓電體的至少一個主面側。
所述功能層較佳為包含易接著層、硬塗層、抗靜電層、抗黏連層、保護層及電極層中的至少一者。 藉此,更容易應用於例如壓電裝置(壓電織物、壓電編物等)、力感測器、致動器、生物資訊取得裝置。
所述功能層較佳為包含電極層。 藉此,當將壓電基材用作例如壓電裝置(壓電織物、壓電編物等)、力感測器、致動器、生物資訊取得裝置的構成要素之一時,可更簡單地進行第1外部導體與導體(較佳為內部導體)的連接,因此當對本實施形態的壓電基材施加張力時,容易檢測對應於張力的電壓信號。
於本實施形態的壓電基材中,包含第1壓電體與所述功能層的積層體的表面層的至少一者較佳為電極層。 藉此,當將壓電基材用作例如壓電裝置(壓電織物、壓電編物等)、力感測器、致動器、生物資訊取得裝置的構成要素之一時,可更簡單地進行第1外部導體或導體(較佳為內部導體)與積層體的連接,因此當對本實施形態的壓電基材施加張力時,容易檢測對應於張力的電壓信號。
本實施形態的壓電基材較佳為導體為錦紗線。 錦紗線的形態具有相對於纖維,壓延銅箔呈螺旋狀捲繞的結構,藉由使用導電率高的銅,可使輸出阻抗下降。因此,當對本實施形態的壓電基材施加張力時,容易檢測對應於張力的電壓信號。其結果,壓電感度及壓電輸出的穩定性進一步提昇。
本實施形態的壓電基材較佳為於導體及第1壓電體之間具備接著層。 藉此,導體與第1壓電體的相對位置難以偏離,因此容易對第1壓電體施加張力,且容易對第1壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)施加剪切應力。因此,可有效地自導體(較佳為信號線導體)中檢測與張力成比例的電壓輸出。另外,藉由具備接著層,每單位拉伸力的產生電荷量的絕對值進一步增加。
於本實施形態的壓電基材中,就進一步提昇壓電性的觀點而言,第1壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)較佳為光學純度為95.00%ee以上。
於本實施形態的壓電基材中,就進一步提昇壓電性的觀點而言,第1壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)較佳為包含D體或L體。
於本實施形態的壓電基材中,就進一步提昇壓電性的觀點而言,相對於第1壓電體的總量,第1壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的含量較佳為80質量%以上。
於本實施形態的壓電基材中,較佳為進而於外周具備第1外部導體。 此處,所謂「外周」,是指壓電基材的外周部分。 藉此,可進行靜電屏蔽,且因外部的靜電的影響所引起的導體(較佳為內部導體)的電壓變化得到抑制。
於本實施形態的壓電基材中,較佳為進而於所述第1外部導體的外周具備第2絕緣體。 藉由本實施形態的壓電基材具備第2絕緣體,可抑制來自外部的水或汗等液體的滲入、灰塵的滲入等。因此,可抑制因水、汗、灰塵等所引起的導體(較佳為內部導體)與外部導體間的漏電的產生。其結果,當將壓電基材用作例如壓電裝置(壓電織物、壓電編物等)、力感測器、致動器、生物資訊取得裝置的構成要素之一時,相對於各種環境的變動,亦可進行頑強的、感度難以變動的、穩定的輸出。
以下,一面參照圖式一面對第1實施形態的壓電基材的具體形態A進行說明。
〔具體形態A〕 圖2A是表示第1實施形態的壓電基材的具體形態A的側面圖。圖2B是圖2A的X-X'線剖面圖。 具體形態A的壓電基材12具備作為導體的長條狀的內部導體16A、長條狀的第1壓電體18A及配置於內部導體16A與第1壓電體18A之間的接著層(未圖示)。 如圖2A所示,第1壓電體18A沿內部導體16A的外周面,以螺旋角度β1自一端至另一端,以無間隙的方式向一方向呈螺旋狀捲繞。 所謂「螺旋角度β1」,是指內部導體16A的軸方向G1與第1壓電體18A相對於內部導體16A的軸方向的配置方向所形成的角度。 另外,於具體形態A中,第1壓電體18A相對於內部導體16A以左捲捲繞。具體而言,當自內部導體16A的軸方向的一端側(於圖2A的情況下為右端側)觀察壓電基材12時,第1壓電體18A自內部導體16A的近前側朝向內側以左捲捲繞。 另外,圖2A中,第1壓電體18A中所含的螺旋手性高分子(A)的主配向方向由雙向箭頭E1表示。即,螺旋手性高分子(A)的主配向方向與第1壓電體18A的配置方向(第1壓電體18A的長度方向)大致平行。 進而,於內部導體16A與第1壓電體18A之間配置有接著層(未圖示)。藉此,於具體形態A的壓電基材12中,即便在壓電基材12的長度方向施加張力,亦可以第1壓電體18A與內部導體16A的相對位置不偏離的方式構成。
以下,對具體形態A的壓電基材12的作用進行說明。 例如,若在壓電基材12的長度方向施加張力,則對第1壓電體18A中所含的螺旋手性高分子(A)施加剪切力,而螺旋手性高分子(A)進行極化。可認為該螺旋手性高分子(A)的極化如圖2B中箭頭所示般在壓電基材12的徑方向產生,且其分極方向的相位一致地產生。藉此,可有效地檢測與張力成比例的電壓信號。 進而,於具體形態A的壓電基材12中,於內部導體16A與第1壓電體18A之間配置有接著層,因此更容易對第1壓電體18A施加張力。 就以上所述的方面而言,根據具體形態A的壓電基材12,而成為壓電感度優異且壓電輸出的穩定性優異者。
繼而,一面參照圖式一面對第1實施形態的壓電基材的具體形態B進行說明。再者,於以下的說明中,對與具體形態A相同者標注相同符號,並省略重覆說明。
〔具體形態B〕 圖3是表示第1實施形態的壓電基材的具體形態B的側面圖。 具體形態B的壓電基材12A具備長條狀的第2壓電體18B的方面與第1形態的壓電基材12不同。 再者,第1壓電體18A中所含的螺旋手性高分子(A)的手性與第2壓電體18B中所含的螺旋手性高分子(A)的手性相互不同。 第1壓電體18A與具體形態A同樣地,沿內部導體16A的外周面,以螺旋角度β1自一端至另一端,以無間隙的方式向一方向呈螺旋狀捲繞。 另一方面,如圖3所示,第2壓電體18B沿第1壓電體18A的外周面,以與螺旋角度β1大致相同角度的螺旋角度β2向與第1壓電體18A的捲繞方向相反的方向呈螺旋狀捲繞。 「螺旋角度β2」與所述螺旋角度β1為相同含義。 此處,所謂具體形態B中的「與第1壓電體18A的捲繞方向相反的方向」是指右捲。即,當自內部導體16A的軸方向G2的一端側(於圖3的情況下為右端側)觀察壓電基材12A時,第2壓電體18B自內部導體16A的近前側朝向內側以右捲捲繞。 另外,圖3中,第2壓電體18B中所含的螺旋手性高分子(A)的主配向方向由雙向箭頭E2表示。即,第2壓電體18B中所含的螺旋手性高分子(A)的主配向方向與第2壓電體18B的配置方向(第2壓電體18B的長度方向)大致平行。
以下,對具體形態B的壓電基材12A的作用進行說明。 例如,若在壓電基材12A的長度方向施加張力,則對第1壓電體18A中所含的螺旋手性高分子(A)及第2壓電體18B中所含的螺旋手性高分子(A)兩者施加剪切應力,而產生極化。極化方向均為壓電基材12A的徑方向。藉此,可有效地檢測與張力成比例的電壓信號。 就以上所述的方面而言,根據具體形態B的壓電基材12A,壓電感度及壓電輸出的穩定性進一步提昇。 特別是,於具體形態B的壓電基材12A具備外部導體的情況下,壓電體具備第1壓電體及第2壓電體,且形成兩層結構,因此相對於內部導體或外部導體,可使第1壓電體及第2壓電體空隙少地密接,因張力所產生的電場容易高效地傳遞至電極。因此,對於實現更高感度的感測器而言為適宜的形態。
繼而,一面參照圖式一面對第1實施形態的壓電基材的具體形態C進行說明。再者,於以下的說明中,對與具體形態A及具體形態B相同者標注相同符號,並省略重覆說明。
〔具體形態C〕 圖4是表示第1實施形態的壓電基材的具體形態C的側面圖。 具體形態C的壓電基材12B中,第1壓電體18A及第2壓電體18B交替地交叉且形成編帶結構的方面與具體形態B的壓電基材12A不同。 再者,第1壓電體18A中所含的螺旋手性高分子(A)的手性與第2壓電體18B中所含的螺旋手性高分子(A)的手性相互不同。 如圖4所示,於具體形態C的壓電基材12B中,相對於內部導體16A的軸方向G3,第1壓電體18A以螺旋角度β1呈螺旋狀左捲捲繞,第2壓電體18B以螺旋角度β2呈螺旋狀右捲捲繞,並且第1壓電體18A及第2壓電體18B交替地交叉。 另外,於圖4所示的編帶結構中,第1壓電體18A中所含的螺旋手性高分子(A)的主配向方向(雙向箭頭E1)與第1壓電體18A的配置方向大致平行。同樣地,第2壓電體18B中所含的螺旋手性高分子(A)的主配向方向(雙向箭頭E2)與第2壓電體18B的配置方向大致平行。
以下,對具體形態C的壓電基材12B的作用進行說明。 與具體形態B同樣地,例如,若在壓電基材12B的長度方向施加張力,則於第1壓電體18A中所含的螺旋手性高分子(A)及第2壓電體18B中所含的螺旋手性高分子(A)兩者中產生極化。極化方向均為壓電基材12B的徑方向。藉此,可有效地檢測與張力成比例的電壓信號。 就以上所述的方面而言,根據具體形態C的壓電基材12B,壓電感度及壓電輸出的穩定性進一步提昇。 特別是,於具體形態C的壓電基材12B具備外部導體的情況下,當在壓電基材12B的長度方向施加張力時,對形成編帶結構的左捲的第1壓電體與右捲的第2壓電體施加剪切應力,其極化方向一致,且有助於內部導體與外部導體之間的絕緣體(即,第1壓電體及第2壓電體)中的壓電性能的體積分率增加,因此壓電性能進一步提昇。因此,具體形態C的壓電基材12B可適宜地用作沿三維平面之類的例如可穿戴製品的一構成構件。
繼而,對本實施形態的壓電基材中所含的導體、第1壓電體等進行說明。
<導體> 本實施形態的壓電基材具備長條狀的導體。 本實施形態中的導體(例如內部導體)較佳為信號線導體。 所謂信號線導體,是指用以自第1壓電體或第2壓電體有效率地檢測電氣信號的導體。具體而言,為如下導體:當對本實施形態的壓電基材施加張力時,用以檢測對應於所施加的張力的電壓信號(電荷信號)。 作為導體,較佳為電性良導體,例如可使用銅線、鋁線、不鏽鋼(SUS)線、經絕緣皮膜被覆的金屬線、碳纖維、與碳纖維一體化的樹脂纖維、錦紗線、有機導電材料等。所謂錦紗線,是指銅箔螺旋(spiral)地捲繞於纖維而成者。導體之中,就提昇壓電感度及壓電輸出的穩定性、賦予高彎曲性的觀點而言,較佳為錦紗線、碳纖維。 特別是,於電阻低且要求彎曲性、可撓性的用途(例如內裝於衣服中之類的可穿戴感測器等的用途)中,較佳為使用錦紗線。 另外,於要求非常高的彎曲性、柔軟度的織物或編物等的加工用途(例如壓電織物、壓電編物、壓電感測器(織物狀壓電感測器、編物狀壓電感測器))中,較佳為使用碳纖維。 另外,於將本實施形態的壓電基材用作纖維而加工成壓電織物或壓電編物的情況下,要求柔軟度、高彎曲性。於此種用途中,較佳為紗狀或纖維狀的信號線導體。具備紗狀、纖維狀的信號線導體的壓電基材具有高彎曲性,因此適宜的是利用織機或編機的加工。
<第1壓電體> 本實施形態的壓電基材具備長條狀的第1壓電體。 第1壓電體為包含具有光學活性的螺旋手性高分子(A)的壓電體。
(螺旋手性高分子(A)) 本實施形態中的第1壓電體包含具有光學活性的螺旋手性高分子(A)。 此處,所謂「具有光學活性的螺旋手性高分子」,是指分子結構為螺旋結構且具有分子光學活性的高分子。
作為所述螺旋手性高分子(A),例如可列舉:多肽、纖維素衍生物、聚乳酸系高分子、聚環氧丙烷、聚(β-羥基丁酸)等。 作為所述多肽,例如可列舉:聚(戊二酸γ-苄基)、聚(戊二酸γ-甲基)等。 作為所述纖維素衍生物,例如可列舉:乙酸纖維素、氰基乙基纖維素等。
就提昇第1壓電體的壓電性的觀點而言,螺旋手性高分子(A)較佳為光學純度為95.00%ee以上,更佳為96.00%ee以上,進而佳為99.00%ee以上,進而更佳為99.99%ee以上。理想的是100.00%ee。可認為藉由將螺旋手性高分子(A)的光學純度設為所述範圍,顯現壓電性的高分子結晶的堆積性變高,其結果,壓電性變高。
此處,螺旋手性高分子(A)的光學純度是藉由下述式所算出的值。 光學純度(%ee)=100×|L體量-D體量|/(L體量+D體量) 即,螺旋手性高分子(A)的光學純度為如下的值: 將『「螺旋手性高分子(A)的L體的量〔質量%〕與螺旋手性高分子(A)的D體的量〔質量%〕的量差(絕對值)」除以(除以)「螺旋手性高分子(A)的L體的量〔質量%〕與螺旋手性高分子(A)的D體的量〔質量%〕的合計量」所得的數值』乘以(乘)『100』所得的值。
再者,螺旋手性高分子(A)的L體的量〔質量%〕與螺旋手性高分子(A)的D體的量〔質量%〕使用藉由利用高速液相層析法(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)的方法所獲得的值。具體的測定的詳細情況將後述。
作為所述螺旋手性高分子(A),就提高光學純度且提昇壓電性的觀點而言,較佳為具有包含由下述式(1)所表示的重複單元的主鏈的高分子。
作為將所述式(1)所表示的重複單元作為主鏈的高分子,可列舉聚乳酸系高分子。 此處,所謂聚乳酸系高分子,是指「聚乳酸(僅包含源自選自L-乳酸及D-乳酸中的單體的重複單元的高分子)」、「L-乳酸或D-乳酸與可與該L-乳酸或D-乳酸進行共聚的化合物的共聚物」或兩者的混合物。 聚乳酸系高分子之中,較佳為聚乳酸,最佳為L-乳酸的均聚物(PLLA,亦簡稱為「L體」)或D-乳酸的均聚物(PDLA,亦簡稱為「D體」)。
聚乳酸是乳酸藉由酯鍵而進行聚合、且長長地連接而成的高分子。 已知有聚乳酸可藉由經由交酯的交酯法;於溶媒中且在減壓下對乳酸進行加熱,一面去除水一面進行聚合的直接聚合法等來製造。 作為聚乳酸,可列舉:L-乳酸的均聚物、D-乳酸的均聚物、包含L-乳酸及D-乳酸的至少一者的聚合體的嵌段共聚物、以及包含L-乳酸及D-乳酸的至少一者的聚合體的接枝共聚物。
作為所述「可與L-乳酸或D-乳酸進行共聚的化合物」,可列舉:乙醇酸、二甲基乙醇酸、3-羥基丁酸、4-羥基丁酸、2-羥基丙酸、3-羥基丙酸、2-羥基戊酸、3-羥基戊酸、4-羥基戊酸、5-羥基戊酸、2-羥基己酸、3-羥基己酸、4-羥基己酸、5-羥基己酸、6-羥基己酸、6-羥基甲基己酸、苦杏仁酸等羥基羧酸;乙交酯、β-甲基-δ-戊內酯、γ-戊內酯、ε-己內酯等環狀酯;草酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、壬二酸、癸二酸、十一烷二酸、十二烷二酸、對苯二甲酸等多元羧酸及該些多元羧酸的酐;乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇、1,9-壬二醇、3-甲基-1,5-戊二醇、新戊二醇、四亞甲基二醇、1,4-己烷二甲醇等多元醇;纖維素等多糖類;α-胺基酸等胺基羧酸等。
作為所述「L-乳酸或D-乳酸與可與該L-乳酸或D-乳酸進行共聚的化合物的共聚物」,可列舉具有可生成螺旋結晶的聚乳酸序列的嵌段共聚物或接枝共聚物。
另外,螺旋手性高分子(A)中的源自共聚物成分的結構的濃度較佳為20 mol%以下。 例如,當螺旋手性高分子(A)為聚乳酸系高分子時,相對於聚乳酸系高分子中的源自乳酸的結構與源自可與乳酸進行共聚的化合物(共聚物成分)的結構的莫耳數的合計,源自共聚物成分的結構的濃度較佳為20 mol%以下。
聚乳酸系高分子例如可藉由如下方法等來製造:日本專利特開昭59-096123號公報及日本專利特開平7-033861號公報中所記載的使乳酸直接進行脫水縮合來獲得聚乳酸系高分子的方法;美國專利2,668,182號及美國專利4,057,357號等中所記載的使用作為乳酸的環狀二聚體的交酯進行開環聚合的方法。
進而,為了將藉由所述各製造方法所獲得的聚乳酸系高分子的光學純度設為95.00%ee以上,例如當利用交酯法製造聚乳酸時,較佳為使藉由晶析操作而將光學純度提昇至95.00%ee以上的光學純度的交酯進行聚合。
-重量平均分子量- 螺旋手性高分子(A)的重量平均分子量(Mw)較佳為5萬~100萬。 藉由螺旋手性高分子(A)的Mw為5萬以上,第1壓電體的機械強度提昇。所述Mw較佳為10萬以上,更佳為20萬以上。 另一方面,藉由螺旋手性高分子(A)的Mw為100萬以下,利用成形(例如擠出成形、熔融紡紗)來獲得第1壓電體時的成形性提昇。所述Mw較佳為80萬以下,更佳為30萬以下。
另外,就第1壓電體的強度的觀點而言,螺旋手性高分子(A)的分子量分佈(Mw/Mn)較佳為1.1~5,更佳為1.2~4。進而更佳為1.4~3。
再者,螺旋手性高分子(A)的重量平均分子量(Mw)及分子量分佈(Mw/Mn)是指使用凝膠滲透層析儀(Gel Permeation Chromatograph,GPC)所測定的值。此處,Mn為螺旋手性高分子(A)的數量平均分子量。 以下示出利用GPC的螺旋手性高分子(A)的Mw及Mw/Mn的測定方法的一例。
-GPC測定裝置- 沃特世(Waters)公司製造的GPC-100 -管柱- 昭和電工公司製造,Shodex LF-804 -樣品的製備- 於40℃下使第1壓電體溶解於溶媒(例如,氯仿)中,而準備濃度1 mg/ml的樣品溶液。 -測定條件- 以溶媒〔氯仿〕、溫度40℃、1 ml/min的流速將樣品溶液0.1 ml導入至管柱中。
利用示差折射計測定經管柱分離的樣品溶液中的樣品濃度。 利用聚苯乙烯標準試樣製作通用校準曲線,並算出螺旋手性高分子(A)的重量平均分子量(Mw)及分子量分佈(Mw/Mn)。
作為螺旋手性高分子(A)的例子的聚乳酸系高分子,可使用市售的聚乳酸。 作為市售品,例如可列舉:普拉克(PURAC)公司製造的普拉素布(PURASORB)(PD、PL)、三井化學公司製造的萊西亞(LACEA)(H-100、H-400)、自然工作有限責任公司(NatureWorks LLC)製造的IngeoTM
biopolymer等。 當使用聚乳酸系高分子作為螺旋手性高分子(A)時,為了將聚乳酸系高分子的重量平均分子量(Mw)設為5萬以上,較佳為藉由交酯法或直接聚合法來製造聚乳酸系高分子。
本實施形態中的第1壓電體可僅含有一種所述螺旋手性高分子(A),亦可含有兩種以上。 相對於第1壓電體的總量,本實施形態的第1壓電體中的螺旋手性高分子(A)的含量(於兩種以上的情況下為總含量)較佳為80質量%以上。
<穩定劑> 第1壓電體較佳為進而含有一分子中具有選自由碳二醯亞胺基、環氧基及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基的重量平均分子量為200~60000的穩定劑(B)。藉此,可進一步提昇耐濕熱性。
作為穩定劑(B),可使用國際公開第2013/054918號的段落0039~段落0055中所記載的「穩定劑(B)」。
作為可用作穩定劑(B)的一分子中含有碳二醯亞胺基的化合物(碳二醯亞胺化合物),可列舉:單碳二醯亞胺化合物、聚碳二醯亞胺化合物、環狀碳二醯亞胺化合物。 作為單碳二醯亞胺化合物,適宜的是二環己基碳二醯亞胺、雙-2,6-二異丙基苯基碳二醯亞胺等。 另外,作為聚碳二醯亞胺化合物,可使用藉由各種方法所製造者。可使用藉由先前的聚碳二醯亞胺的製造方法(例如美國專利第2941956號說明書、日本專利特公昭47-33279號公報、「有機化學期刊(J.Org. Chem.)」28,2069-2075(1963)、「化學評論(Chemical Review)」1981,Vol.81 No.4、p619-621)所製造者。具體而言,亦可使用日本專利4084953號公報中所記載的碳二醯亞胺化合物。 作為聚碳二醯亞胺化合物,可列舉:聚(4,4'-二環己基甲烷碳二醯亞胺)、聚(N,N'-二-2,6-二異丙基苯基碳二醯亞胺)、聚(1,3,5-三異丙基伸苯基-2,4-碳二醯亞胺)等。 環狀碳二醯亞胺化合物可根據日本專利特開2011-256337號公報中所記載的方法等來合成。 作為碳二醯亞胺化合物,亦可使用市售品,例如可列舉:東京化成公司製造的B2756(商品名),日清紡化學公司製造的卡保迪來(Carbodilite)LA-1(商品名),萊茵化學(Rhein Chemie)公司製造的斯塔巴克索爾(Stabaxol)P、斯塔巴克索爾(Stabaxol)P 400、斯塔巴克索爾(Stabaxol)I(均為商品名)等。
作為可用作穩定劑(B)的一分子中含有異氰酸酯基的化合物(異氰酸酯化合物),可列舉:異氰酸3-(三乙氧基矽烷基)丙酯、2,4-甲苯二異氰酸酯、2,6-甲苯二異氰酸酯、間苯二異氰酸酯、對苯二異氰酸酯、4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、2,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、2,2'-二苯基甲烷二異氰酸酯、伸二甲苯基二異氰酸酯、氫化伸二甲苯基二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯等。
作為可用作穩定劑(B)的一分子中含有環氧基的化合物(環氧化合物),可列舉:苯基縮水甘油醚、二乙二醇二縮水甘油醚、雙酚A-二縮水甘油醚、氫化雙酚A-二縮水甘油醚、苯酚酚醛清漆型環氧樹脂、甲酚酚醛清漆型環氧樹脂、環氧化聚丁二烯等。
穩定劑(B)的重量平均分子量如上所述為200~60000,更佳為250~30000,進而更佳為300~18000。 若分子量為所述範圍內,則穩定劑(B)更容易移動,且可更有效地取得耐濕熱性改良效果。 穩定劑(B)的重量平均分子量特佳為200~900。再者,重量平均分子量為200~900與數量平均分子量為200~900大致一致。另外,當重量平均分子量為200~900時,存在分子量分佈為1.0的情況下,於該情況下,亦可將「重量平均分子量為200~900」簡稱為「分子量為200~900」。
當第1壓電體含有穩定劑(B)時,所述第1壓電體可僅含有一種穩定劑,亦可含有兩種以上。 當第1壓電體含有穩定劑(B)時,相對於螺旋手性高分子(A)100質量份,穩定劑(B)的含量較佳為0.01質量份~10質量份,更佳為0.01質量份~5質量份,進而更佳為0.1質量份~3質量份,特佳為0.5質量份~2質量份。 若所述含量為0.01質量份以上,則耐濕熱性進一步提昇。 另外,若所述含量為10質量份以下,則透明性的下降得到進一步抑制。
作為穩定劑(B)的較佳的形態,可列舉:將具有選自由碳二醯亞胺基、環氧基及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基,且數量平均分子量為200~900的穩定劑(B1)與1分子內具有兩個以上的選自由碳二醯亞胺基、環氧基及異氰酸酯基所組成的群組中的一種以上的官能基,且重量平均分子量為1000~60000的穩定劑(B2)併用這一形態。再者,數量平均分子量為200~900的穩定劑(B1)的重量平均分子量大致為200~900,穩定劑(B1)的數量平均分子量與重量平均分子量變成大致相同的值。 當併用穩定劑(B1)與穩定劑(B2)作為穩定劑時,就提昇透明性的觀點而言,較佳為含有大量的穩定劑(B1)。 具體而言,就使透明性與耐濕熱性併存這一觀點而言,相對於穩定劑(B1)100質量份,穩定劑(B2)較佳為10質量份~150質量份的範圍,更佳為50質量份~100質量份的範圍。
以下示出穩定劑(B)的具體例(穩定劑B-1~穩定劑B-3)。
以下,針對所述穩定劑B-1~穩定劑B-3,示出化合物名、市售品等。 ×穩定劑B-1…化合物名為雙-2,6-二異丙基苯基碳二醯亞胺。重量平均分子量(於該例中,僅等同於「分子量」)為363。作為市售品,可列舉:萊茵化學公司製造的「斯塔巴克索爾(Stabaxol)I」、東京化成公司製造的「B2756」。 ×穩定劑B-2…化合物名為聚(4,4'-二環己基甲烷碳二醯亞胺)。作為市售品,可列舉作為重量平均分子量約為2000者的日清紡化學公司製造的「卡保迪來(Carbodilite)LA-1」。 ×穩定劑B-3…化合物名為聚(1,3,5-三異丙基伸苯基-2,4-碳二醯亞胺)。作為市售品,可列舉作為重量平均分子量約為3000者的萊茵化學公司製造的「斯塔巴克索爾(Stabaxol)P」。另外,作為重量平均分子量為20000者,可列舉萊茵化學公司製造的「斯塔巴克索爾(Stabaxol)P400」。
<其他成分> 第1壓電體視需要亦可含有其他成分。 作為其他成分,可列舉:聚偏二氟乙烯、聚乙烯樹脂、聚苯乙烯樹脂等公知的樹脂;二氧化矽、羥基磷灰石、蒙脫石等公知的無機填料;酞菁等公知的結晶成核劑;穩定劑(B)以外的穩定劑等。 作為無機填料及結晶成核劑,亦可列舉國際公開第2013/054918號的段落0057~段落0058中所記載的成分。
(配向度) 如上所述,本實施形態中的第1壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0,較佳為0.7以上、未滿1.0,更佳為0.8以上、未滿1.0。 若第1壓電體的配向度F為0.5以上,則排列於延伸方向的螺旋手性高分子(A)的分子鏈(例如聚乳酸分子鏈)多,其結果,配向結晶的生成率變高,且可顯現更高的壓電性。 若第1壓電體的配向度F未滿1.0,則縱裂強度進一步提昇。
(結晶度) 本實施形態中的第1壓電體的結晶度是藉由所述X射線繞射測定(廣角X射線繞射測定)所測定的值。 本實施形態中的第1壓電體的結晶度較佳為20%~80%,更佳為25%~70%,進而更佳為30%~60%。 藉由結晶度為20%以上,而將壓電性維持得高。藉由結晶度為80%以下,而將第1壓電體的透明性維持得高。 藉由結晶度為80%以下,例如,當藉由延伸來製造成為第1壓電體的原料的壓電膜時,難以產生白化或斷裂,因此容易製造第1壓電體。另外,藉由結晶度為80%以下,例如,當於熔融紡紗後藉由延伸來製造第1壓電體的原料(例如聚乳酸)時,成為彎曲性高且具有柔軟的性質的纖維,且容易製造第1壓電體。
(透明性(內部霧度)) 於本實施形態中的第1壓電體中,未特別要求透明性,但當然可具有透明性。 第1壓電體的透明性可藉由測定內部霧度來評價。此處,所謂第1壓電體的內部霧度,是指除因第1壓電體的外表面的形狀所形成的霧度以外的霧度。 於要求透明性的情況下,第1壓電體較佳為相對於可見光線的內部霧度為5%以下,就進一步提昇透明性及縱裂強度的觀點而言,更佳為2.0%以下,進而更佳為1.0%以下。第1壓電體的所述內部霧度的下限值並無特別限定,作為下限值,例如可列舉0.01%。 第1壓電體的內部霧度是針對厚度0.03 mm~0.05 mm的第1壓電體,依據日本工業標準(Japanese Industrial Standards,JIS)-K7105,使用霧度測定機〔東京電色(有限)公司製造,TC-HIII DPK〕於25℃下進行測定時的值。 以下示出第1壓電體的內部霧度的測定方法的例子。 首先,準備於兩片玻璃板之間僅夾持矽油(信越化學工業股份有限公司製造的信越矽酮(Shin-Etsu Silicone)(商標),型號:KF96-100CS)的樣品1,並測定該樣品1的厚度方向的霧度(以下,設為霧度(H2))。 繼而,準備於所述兩片玻璃板之間無間隙地排列並夾持利用矽油均勻地塗抹表面的多個第1壓電體的樣品2,並測定該樣品2的厚度方向的霧度(以下,設為霧度(H3))。 繼而,如下述式般取得兩者的差,藉此獲得第1壓電體的內部霧度(H1)。 內部霧度(H1)=霧度(H3)-霧度(H2) 此處,霧度(H2)及霧度(H3)的測定分別於下述測定條件下使用下述裝置來進行。 測定裝置:東京電色公司製造,霧度計(HAZE METER)TC-HIIIDPK 試樣尺寸:寬度30 mm×長度30 mm 測定條件:依據JIS-K7105 測定溫度:室溫(25℃)
(第1壓電體的形狀、尺寸) 本實施形態的壓電基材具備長條狀的第1壓電體。 作為長條狀的第1壓電體,較佳為具有包含單束或多束的纖維形狀(紗形狀)的壓電體或具有長條平板形狀的壓電體。 以下,對具有纖維形狀的壓電體(以下,亦稱為纖維狀壓電體)、具有長條平板形狀的壓電體(以下,亦稱為長條平板狀壓電體)依序進行說明。
-纖維狀壓電體- 作為纖維狀壓電體,例如可列舉單絲紗、多絲紗。
×單絲紗 單絲紗的單紗纖度較佳為3 dtex~30 dtex,更佳為5 dtex~20 dtex。 若單紗纖度未滿3 dtex,則於織物準備步驟或編織步驟中,難以操作紗。另一方面,若單紗纖度超過30 dtex,則容易於紗間發生熔接。 若考慮到成本的方面,則單絲紗較佳為直接進行紡紗、延伸而獲得。再者,單絲紗亦可為已獲取者。
×多絲紗 多絲紗的總纖度較佳為30 dtex~600 dtex,更佳為100 dtex~400 dtex。 多絲紗例如除紡絲拉伸紗等單步驟紗以外,亦可採用將UDY(未延伸紗)或POY(高配向未延伸紗)等延伸而獲得的二步驟紗的任一者。再者,多絲紗亦可為已獲取者。 作為聚乳酸系單絲紗、聚乳酸多絲紗的市售品,可使用東麗製造的艾科迪亞(Ecodear)( R )
PLA、尤尼吉可(Unitika)製造的特勒馬克(Terramac)( R )
、可樂麗(Kuraray)製造的普拉斯塔奇(Plastarch)( R )
。
纖維狀壓電體的製造方法並無特別限定,可藉由公知的方法來製造。 例如,作為第1壓電體的絲紗(單絲紗、多絲紗)可藉由如下方式而獲得:將原料(例如聚乳酸)熔融紡紗後,將所得者延伸(熔融紡紗延伸法)。再者,較佳為於紡出後,將直至冷卻固化的紗條附近的環境溫度保持為一定溫度範圍。 另外,作為第1壓電體的絲紗例如亦可藉由如下方式而獲得:將利用所述熔融紡紗延伸法而獲得的絲紗進而進行分織。
×剖面形狀 作為纖維狀壓電體的剖面形狀,於纖維狀壓電體的與長邊方向垂直的方向的剖面中,可應用圓形狀、橢圓形狀、矩形狀、繭形狀、緞帶形狀、四葉形狀、星形狀、異形狀等各種剖面形狀。
-長條平板狀壓電體- 作為長條平板狀壓電體,例如可列舉藉由將利用公知的方法所製作的壓電膜或已獲取的壓電膜縱切而獲得的長條平板狀壓電體(例如縱切緞帶)等。 藉由使用長條平板狀壓電體作為第1壓電體,可相對於導體以面密接,因此可有效率地以電壓信號的形式對因壓電效果所產生的電荷進行檢測。
本實施形態中的長條平板狀壓電體(第1壓電體)較佳為具備配置於第1壓電體的至少一個主面側的功能層。 功能層可為單層結構,亦可為包含二層以上的結構。 例如,當於長條平板狀壓電體的兩個主面側配置功能層時,配置於一個主面(以下,為便於說明,亦稱為「表面」)側的功能層及配置於另一個主面(以下,為便於說明,亦稱為「背面」)側的功能層可分別獨立地為單層結構,亦可為包含二層以上的結構。
作為功能層,可列舉各種功能層。 作為功能層,例如可列舉:易接著層、硬塗層、折射率調整層、抗反射層、抗眩層、易滑層、抗黏連層、保護層、接著層、抗靜電層、散熱層、紫外線吸收層、抗牛頓環層、光散射層、偏光層、阻氣層、色相調整層、電極層等。 功能層亦可為包含該些層中的二層以上的層。 另外,作為功能層,亦可為兼具該些功能中的兩個以上的層。 當於長條平板狀壓電體的兩個主面上設置有功能層時,配置於表面側的功能層及配置於背面側的功能層可為相同的功能層,亦可為不同的功能層。
另外,於功能層的效果中,亦具有長條平板狀壓電體表面的模頭線或撞痕等缺陷得到彌補,外觀提昇這一效果。於該情況下,長條平板狀壓電體與功能層的折射率差越小,長條平板狀壓電體與功能層的界面的反射越減少,外觀進一步提昇。
所述功能層較佳為包含易接著層、硬塗層、抗靜電層、抗黏連層、保護層及電極層中的至少一者。藉此,更容易應用於例如壓電裝置(壓電織物、壓電編物等)、力感測器、致動器、生物資訊取得裝置。
所述功能層更佳為包含電極層。 電極層可與長條平板狀壓電體接觸來設置,亦可經由電極層以外的功能層來設置。
本實施形態中的長條平板狀壓電體(第1壓電體)的特佳的形態是於長條平板狀壓電體的兩個主面側具備功能層、且兩面的功能層均包含電極層的形態。
於本實施形態中的長條平板狀壓電體(第1壓電體)中,較佳為包含第1壓電體與功能層的積層體的表面層的至少一者為電極層。即,於本實施形態中的長條平板狀壓電體(第1壓電體)中,較佳為表面側的表面層及背面側的表面層的至少一者為電極層(換言之,電極層露出)。 藉此,當將長條平板狀壓電體用作例如壓電裝置(壓電織物、壓電編物等)、力感測器、致動器、生物資訊取得裝置的構成要素之一時,可更簡單地進行導體(較佳為內部導體)或第1外部導體與積層體的連接,因此壓電裝置(壓電織物、壓電編物等)、力感測器、致動器、生物資訊取得裝置的生產性提昇。
作為功能層的材料,並無特別限定,例如可列舉:金屬或金屬氧化物等無機物;樹脂等有機物;包含樹脂與微粒子的複合組成物等。作為樹脂,例如亦可利用藉由以溫度或活性能量線進行硬化所獲得的硬化物。即,作為樹脂,亦可利用硬化性樹脂。
作為硬化性樹脂,例如可列舉:選自由丙烯酸系化合物、甲基丙烯酸系化合物、乙烯基系化合物、烯丙基系化合物、胺基甲酸酯系化合物、環氧系化合物、環氧化物系化合物、縮水甘油基系化合物、氧雜環丁烷系化合物、三聚氰胺系化合物、纖維素系化合物、酯系化合物、矽烷系化合物、矽酮系化合物、矽氧烷系化合物、二氧化矽-丙烯酸混合化合物及二氧化矽-環氧樹脂混合化合物所組成的群組中的至少一種材料(硬化性樹脂)。 該些之中,更佳為丙烯酸系化合物、環氧系化合物、矽烷系化合物。 作為金屬,例如可列舉:選自Al、Si、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、In、Sn、W、Ag、Au、Pd、Pt、Sb、Ta及Zr中的至少一種,或該些的合金。 作為金屬氧化物,例如可列舉:氧化鈦、氧化鋯、氧化鋅、氧化鈮、氧化銻、氧化錫、氧化銦、氧化鈰、氧化鋁、氧化矽、氧化鎂、氧化釔、氧化鐿及氧化鉭、以及該些的複合氧化物的至少一種。 作為微粒子,可列舉如上所述的金屬氧化物的微粒子,或氟系樹脂、矽酮系樹脂、苯乙烯系樹脂、丙烯酸系樹脂等的樹脂微粒子等。進而,亦可列舉於該些微粒子的內部具有空孔的中空微粒子。 作為微粒子的平均一次粒徑,就透明性的觀點而言,較佳為1 nm以上、500 nm以下,更佳為5 nm以上、300 nm以下,進而更佳為10 nm以上、200 nm以下。藉由為500 nm以下,可見光的散射得到抑制,藉由為1 nm以上,微粒子的二次凝聚得到抑制,就維持透明性的觀點而言理想。
功能層的膜厚並無特別限定,但較佳為0.01 μm~10 μm的範圍。
所述厚度的上限值更佳為6 μm以下,進而更佳為3 μm以下。另外,下限值更佳為0.01 μm以上,進而更佳為0.02 μm以上。
於功能層為包含多個功能層的多層膜的情況下,所述厚度表示多層膜整體的厚度。另外,功能層可位於長條平板狀壓電體的兩面。另外,功能層的折射率分別可為不同的值。
長條平板狀壓電體的製造方法並無特別限定,可藉由公知的方法來製造。 另外,例如,作為由壓電膜來製造第1壓電體的方法,可藉由如下方式而獲得:將原料(例如聚乳酸)成形為膜狀而獲得未延伸膜,對所獲得的未延伸膜實施延伸及結晶化,並對所獲得的壓電膜進行縱切。 此處,所謂「進行縱切」,是指將所述壓電膜切割成長條狀。 再者,所述延伸及結晶化的任一者先實施均可。另外,亦可為對未延伸膜依次實施預結晶化、延伸及結晶化(退火)的方法。延伸可為單軸延伸,亦可為雙軸延伸。於雙軸延伸的情況下,較佳為提高一者(主延伸方向)的延伸倍率。 關於壓電膜的製造方法,可適宜參照日本專利第4934235號公報、國際公開第2010/104196號、國際公開第2013/054918號、國際公開第2013/089148號等公知文獻。
<第2壓電體> 第1實施形態的壓電基材有時具備長條狀的第2壓電體。 第2壓電體較佳為具有與第1壓電體相同的特性。 即,第2壓電體較佳為包含具有光學活性的螺旋手性高分子(A),且 第2壓電體的長度方向與第2壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的主配向方向大致平行, 根據X射線繞射測定,藉由所述式(a)而求出的第2壓電體的配向度F為0.5以上、未滿1.0的範圍。 第2壓電體較佳為於所述以外的特性中,亦具有與第1壓電體相同的特性。 其中,關於第1壓電體及第2壓電體的捲繞方向、以及第1壓電體及第2壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的手性,就進一步取得本實施形態的效果的觀點而言,只要根據壓電基材的形態來適宜選擇即可。 再者,關於第1壓電體及第2壓電體的捲繞方向、以及第1壓電體及第2壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的手性的較佳的組合的一例,如所述具體形態中所說明般。 另外,第2壓電體亦可具有與第1壓電體不同的特性。
<第1絕緣體> 第1實施形態的壓電基材亦可進而具備第1絕緣體。 第1絕緣體較佳為沿內部導體的外周面呈螺旋狀捲繞。 於該情況下,自第1壓電體觀察,第1絕緣體可配置於與內部導體相反之側,亦可配置於內部導體與第1壓電體之間。 另外,第1絕緣體的捲繞方向可為與第1壓電體的捲繞方向相同的方向,亦可為不同的方向。 特別是,於第1實施形態的壓電基材具備第1外部導體的情況下,第1實施形態的壓電基材具有如下優點:藉由進而具備第1絕緣體,當壓電基材發生彎曲變形時,容易抑制內部導體與外部導體的電性短路的發生。
作為第1絕緣體,並無特別限定,例如可列舉:氯乙烯樹脂、聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂、乙烯×四氟乙烯共聚物(ETFE)、四氟乙烯×六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯樹脂(PTFE)、四氟乙烯×全氟丙基乙烯基醚共聚物(PFA)、氟橡膠、聚酯樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚醯胺樹脂、聚對苯二甲酸乙二酯樹脂(PET)、橡膠(包含彈性體)等。 就相對於導體的捲繞的觀點而言,第1絕緣體的形狀較佳為長條形狀。 <第2絕緣體> 於本實施形態的壓電基材中,當於外周具備第1外部導體時,亦可進而於第1外部導體的外周具備第2絕緣體。 藉此,於作為壓電感測器而發揮功能的情況下,可對成為信號線的內部導體進行靜電屏蔽,且因外部的靜電的影響所引起的導體(較佳為內部導體)的電壓變化得到抑制。
第2絕緣體並無特別限定,例如可列舉作為第1絕緣體所例示的材料。 另外,第2絕緣體的形狀並無特別限定,只要為可被覆第1外部導體的至少一部分的形狀即可。
(第1外部導體) 本實施形態的壓電基材較佳為進而於外周具備第1外部導體。 於作為壓電感測器而發揮功能的情況下,本實施形態中的第1外部導體較佳為接地導體。 所謂接地導體,是指當檢測信號時,例如與導體(較佳為信號線導體)成對的導體。
接地導體的材料並無特別限定,根據剖面形狀,可主要列舉以下者。 例如,作為具有矩形剖面的接地導體的材料,可使用將圓形剖面的銅線壓延而加工成平板狀的銅箔緞帶或鋁箔緞帶等。 例如,作為具有圓形剖面的接地導體的材料,可使用銅線、鋁線、SUS線、經絕緣皮膜被覆的金屬線、碳纖維、與碳纖維一體化的樹脂纖維、銅箔螺旋地捲繞於纖維而成的錦紗線。 另外,作為接地導體的材料,亦可使用利用絕緣材料塗佈有機導電材料而成者。
為了不與信號線導體發生短路,接地導體較佳為以包裹導體(較佳為信號線導體)及第1壓電體的方式配置。 作為此種信號線導體的包裹方法,可選擇如下方法:將銅箔等呈螺旋狀捲繞而進行包裹的方法或將銅線等製成筒狀的編帶而包入至筒狀的編帶中的方法等。 再者,信號線導體的包裹方法並不限定於該些方法。藉由包裹住信號線導體,可進行靜電屏蔽,且可防止因外部的靜電的影響所引起的信號線導體的電壓變化。 另外,關於接地導體的配置,以將本實施形態的壓電基材的最小基本構成單元(即,導體及第1壓電體)呈圓筒狀包合的方式配置亦為較佳形態之一。
接地導體的剖面形狀可應用圓形狀、橢圓形狀、矩形狀、異形狀等各種剖面形狀。特別是,矩形剖面可相對於導體(較佳為信號線導體)、第1壓電體、視需要第1絕緣體、第2壓電體等以平面密接,因此可有效率地以電壓信號的形式對因壓電效果所產生的電荷進行檢測。
<形成接著層的接著劑> 本實施形態的壓電基材較佳為於導體及第1壓電體之間具備接著層。 形成接著層的接著劑用以將所述導體與所述第1壓電體之間機械性地一體化,或者於壓電基材具備外部導體的情況下,用以保持電極間(導體及外部導體間)的距離。 藉由於導體及第1壓電體之間具備接著層,當對本實施形態的壓電基材施加張力時,導體與第1壓電體的相對位置難以偏離,因此容易對第1壓電體施加張力。因此,可有效地自導體(較佳為信號線導體)檢測與張力成比例的電壓輸出。其結果,壓電感度及壓電輸出的穩定性進一步提昇。另外,藉由具備接著層,每單位拉伸力的產生電荷量的絕對值進一步增加。 另一方面,於在導體及第1壓電體之間不具備接著層的壓電基材中,由於在加工成壓電纖維等後,亦保持柔軟的性質,故當製成可穿戴感測器等時,佩戴感變得良好。
作為形成接著層的接著劑的材料,可使用以下的材料。 可使用環氧系接著劑、胺基甲酸酯系接著劑、乙酸乙烯酯樹脂系乳液形接著劑、(EVA)系乳液形接著劑、丙烯酸樹脂系乳液形接著劑、苯乙烯×丁二烯橡膠系乳膠形接著劑、矽酮樹脂系接著劑、α-烯烴(異丁烯-馬來酸酐樹脂)系接著劑、氯乙烯樹脂溶劑形接著劑、橡膠系接著劑、彈性接著劑、氯丁二烯橡膠系溶劑形接著劑、腈橡膠系溶劑形接著劑等、氰基丙烯酸酯系接著劑等。
-彈性係數- 本實施形態中的接著劑較佳為接合後的彈性係數與第1壓電體為相同程度以上。若使用相對於第1壓電體的彈性係數而彈性係數低的材料,則因對本實施形態的壓電基材施加的張力所引起的應變(壓電應變)於接著劑部分緩和,應變向第1壓電體的傳遞效率減小,因此當將本實施形態的壓電基材應用於例如感測器時,感測器的感度容易降低。
-厚度- 關於本實施形態中的接著劑的接合部位的厚度,若為無法於所接合的對象間形成空隙,且接合強度不下降的範圍,則越薄越佳。藉由減小接合部位的厚度,而因對壓電基材施加的張力所引起的應變難以於接著劑部分緩和,對第1壓電體的應變有效率地減小,因此當將本實施形態的壓電基材應用於例如感測器時,感測器的感度提昇。
-接著劑的塗佈方法- 接著劑的塗佈方法並無特別限定,可主要使用以下兩種方法。
×於加工後配置接著劑並加以接合的方法 例如可列舉:於導體(較佳為信號線導體)及第1壓電體的配置;以及信號線導體及接地導體的加工、配置結束後,利用浸漬塗佈或含浸等方法將接著劑配置於導體及第1壓電體的界面並加以接合的方法。 另外,藉由所述方法,除將導體及第1壓電體接合以外,視需要亦可將本實施形態的壓電基材中所具備的各構件間接合。
×於加工前配置未硬化的接著劑,並於加工後進行接合的方法 例如可列舉:預先利用凹版塗佈機或浸漬塗佈機等將光硬化性接著劑、熱硬化性接著劑、熱塑性接著劑等塗佈於第1壓電體的表面並加以乾燥,於導體及第1壓電體的配置結束後,藉由紫外線照射或加熱而使接著劑硬化,從而將導體及第1壓電體的界面接合的方法。 另外,藉由所述方法,除將導體及第1壓電體接合以外,視需要亦可將本實施形態的壓電基材中所具備的各構件間接合。 若使用所述方法,則具有如下特徵:於塗佈乾燥接著劑後,可進行乾式製程中的加工,而加工變得容易,另外容易形成均勻的塗膜厚,因此感測器感度等的偏差少。
<壓電基材的製造方法> 本實施形態的壓電基材的製造方法並無特別限定,例如可藉由如下方式來製造:準備第1壓電體,相對於另行準備的導體(較佳為信號線導體)將第1壓電體向一方向呈螺旋狀捲繞。 第1壓電體可為利用公知的方法所製造者,亦可為已獲取者。 另外,當本實施形態的壓電基材視需要具備第2壓電體、第1絕緣體時,所述壓電基材可依據將第1壓電體呈螺旋狀捲繞的方法來製造。 其中,關於第1壓電體及第2壓電體的捲繞方向、以及第1壓電體及第2壓電體中所含的螺旋手性高分子(A)的手性,如上所述,較佳為根據壓電基材的形態來適宜選擇。
另外,當本實施形態的壓電基材具備第1外部導體(例如接地導體)時,所述壓電基材可藉由利用所述方法或公知的方法來配置第1外部導體而製造。 再者,亦可藉由例如所述方法而經由接著劑將導體及第1壓電體之間、視需要本實施形態的壓電基材中所具備的各構件間貼合。 藉由對本實施形態的壓電基材施加拉伸力,與拉伸力成比例的剪切應變被施加至螺旋手性高分子(A),從而於導體(內部導體16A)側產生正電荷。另外,藉由對壓電基材施加壓縮力,與壓縮力成比例的剪切應變被施加至螺旋手性高分子(A),從而於導體(內部導體A)側產生負電荷。以上,於壓電基材中,可自導體(內部導體16A)檢測對應於所施加的力的正或負的電荷信號。
(第1實施形態的匯總) 於第1實施形態中,具有如下特徵:於包含彈性體的保持構件20上設置承受壓力的受壓面22,相對於與由受壓面22受到的壓力對應地產生變形的鄰接面24,設置可偵測張力的壓電基材12。例如,於平板狀的保持構件20中,若藉由物體等與受壓面22接觸來加壓(包含利用衝擊或振動的加壓),則鄰接面24膨脹變形,藉此張力作用於壓電基材12。而且,若壓電基材12受到張力,則壓電基材12輸出對應於張力的信號。另外,若藉由使受壓面22自設置面26分離而在與受壓方向相反的方向加壓(包含利用衝擊或振動的加壓),則鄰接面24收縮變形,藉此壓縮力作用於壓電基材12。而且,若壓電基材12受到壓縮力,則壓電基材12輸出對應於壓縮力的信號。
此處,於與變更了壓電基材12的配置的比較例的對比中,對本實施形態的效果進行說明。圖16A是將壓電基材12設置固定於作為彈性體的保持構件20的受壓面22的表面的例子(比較例1)。於比較例1中,藉由物體等與受壓面22接觸而於壓電基材12中產生壓力,但當自壓電基材12的上方加壓時,因壓電基材12而導致保持構件20失去作為彈性體的緩衝性。另外,由於直接對壓電基材12直接施加負載,故機械負載大。因此,若與尖銳的物體等接觸,則有產生斷線等破損之虞。 另外,圖16B是將壓電基材12設置固定於作為彈性體的保持構件20的受壓面22的背面即設置面26的例子(比較例2)。於比較例2中,壓電基材12一定經由保持構件20而被加壓。即,不會對壓電基材12直接加壓,因此斷線的可能性低,但是電壓感度低於比較例1。
而且,當為如比較例1及比較例2以及現有技術(專利文獻3及專利文獻4)般將壓電基材設置於受壓部位的正下方的構成時,於在遠離壓電基材的設置地點的地點受壓的情況下,存在未輸出電壓或電壓感度低的情況。 相對於此,於本實施形態中,於保持構件20中,壓電基材12纏繞於相對於由上方側的受壓面22受到的壓力而產生顯著變形的鄰接面24。即,本實施形態採用了有效利用彈性體的緩衝性的結構。而且,於本實施形態中,即便受壓面22的受壓部位或受壓方向偏離,只要作為彈性體的保持構件20發生變形,則於壓電基材12中產生電壓。因此,根據本實施形態的感測器模組10,當偵測壓力時,儘管為使用壓電基材的簡單的結構,亦可確保偵測範圍,且可提昇偵測感度。另外,於本實施形態中,經由彈性體而使壓電基材12發生變形,因此可減輕對於壓電基材12的機械負擔。
<第2實施形態> 基於圖5,對第2實施形態的感測器模組10A進行說明。 第2實施形態的保持構件的形狀與第1實施形態不同。再者,關於壓電基材12的結構,與第1實施形態相同,且省略說明。另外,關於與第1實施形態相同的構成,標注相同的符號。 如圖5所示,本實施形態的感測器模組10A包括包含長方體狀的彈性體的保持構件20A及長條狀的壓電基材12而構成。此處,本實施形態的保持構件20A可選擇與第1實施形態的保持構件20相同的材料。而且,關於硬度,亦理想為將利用直徑10 mm的金屬製的圓柱壓入受壓面22時的每單位負荷的凹陷量設為0.03 mm~0.5 mm的範圍。
本實施形態的保持構件20A為長方體狀,因此作為與受壓面22及設置面26鄰接的側面的鄰接面24有四個面。即,在壓力的受壓方向(圖5的箭頭P)周圍依序形成有第1鄰接面24A、第2鄰接面24B、第3鄰接面24C及第4鄰接面24D。 而且,於鄰接面24上配置有電纜狀的壓電基材12。詳細而言,自第1鄰接面24A至第4鄰接面24D配置有壓電基材12。即,以纏繞於鄰接面24上的狀態接著固定。換言之,壓電基材12於鄰接面24上以在壓力的受壓方向(圖5的箭頭P)周圍包圍保持構件20A的方式設置。
本實施形態的感測器模組10A具有與第1實施形態相同的作用。即,於保持構件20A中,若受壓面22自受壓方向(圖5的箭頭P)受到壓力,則於受壓面22與設置面26之間產生壓縮,結果鄰接面24朝向保持構件20A的外側(圖5的箭頭S)膨脹變形。因鄰接面24膨脹變形而於設置於鄰接面24上的壓電基材12中產生張力,從而產生電壓。另外,關於使受壓面22自設置面26分離的情況,因鄰接面24收縮變形而於設置於鄰接面24上的壓電基材12中產生壓縮力,從而於壓電基材12中產生與被賦予張力時反向的電壓。藉此取得與第1實施形態相同的效果。
<第3實施形態> 基於圖6,對第3實施形態的感測器模組10B進行說明。 第3實施形態的保持構件的形狀與第1實施形態及第2實施形態不同。再者,關於壓電基材12的結構,與第1實施形態及第2實施形態相同,且省略說明。另外,關於與第1實施形態及第2實施形態相同的構成,標注相同的符號。 如圖6所示,本實施形態的感測器模組10B包括包含球體狀的彈性體的保持構件30及長條狀的壓電基材12而構成。
關於保持構件30,例如於設置於地板面而自上方受到壓力的情況下,上端部作為承受壓力的受壓部32、下端部作成為設置部36、在將受壓部32與設置部36連結的線的中心正交的面作為交叉面34而構成。如上所述,保持構件30為彈性體,且若於受壓部32受到壓力,則於與受壓方向相交的交叉面34中,與由受壓部32受到的壓力對應地產生變形。此處,將交叉面34的外緣部設為外周部34A,伴隨交叉面34的變形,外周部34A亦發生變形。 此處,本實施形態的保持構件30可選擇與第1實施形態的保持構件20相同的材料。而且,關於硬度,亦理想為將利用直徑10 mm的金屬製的圓柱壓入受壓部32時的每單位負荷的凹陷量設為0.03 mm~0.5 mm的範圍。
於外周部34A配置有呈電纜狀形成的壓電基材12。詳細而言,壓電基材12以沿圓周狀的外周部34A纏繞的狀態接著固定。換言之,壓電基材12於保持構件30中以在壓力的受壓方向(圖6的箭頭P)周圍包圍保持構件30的方式設置。再者,於本實施形態中,壓電基材12於與外周部34A的接觸部全部中經接著固定。 本實施形態的感測器模組10B具有與第1實施形態及第2實施形態相同的作用。即,於保持構件30中,若受壓部32自受壓方向(圖6的箭頭P)受到壓力,則於受壓部32與設置部36之間產生壓縮,結果保持構件30的側部朝向外側(圖6的箭頭S)膨脹,藉此呈扁平狀變形。而且,交叉面34發生擴徑即外周部34A的周長延長。因外周部34A延長而於設置於該外周部34A的壓電基材12中產生張力,從而產生電壓。另外,關於使受壓部32自設置部36分離的情況,外周部34A的周長短縮,結果於壓電基材12中產生壓縮力,從而於壓電基材12中產生與被賦予張力時反向的電壓。
再者,於本實施形態中,上端部定義為承受壓力的受壓部32,但承受壓力的部位(受壓部位)未必需要是受壓部32,另外,承受壓力的方向(受壓方向)並不限於朝向球體的保持構件30的中心部的方向。即,只要為當受到壓力時,交叉面34發生擴徑,而外周部34A的周長延長的形態,則受壓部位及受壓方向並不特定。即,於本實施形態的情況下,只要在較交叉面34更靠上方處受壓,則可偵測壓力。
於第3實施形態中,具有如下特徵:於包含彈性體的保持構件30上設置承受壓力的受壓部32,相對於與由受壓部32受到的壓力對應地產生變形的交叉面34的外周部34A,設置可偵測張力的壓電基材12。例如,於球體狀的保持構件30中,若藉由物體等與受壓部32接觸來加壓(包含利用衝擊或振動的加壓),則外周部34A的周長延長,藉此張力作用於壓電基材12。而且,若壓電基材12受到張力,則壓電基材12輸出對應於張力的信號。即,本實施形態採用了有效利用彈性體的緩衝性的結構。 於本實施形態中,與第1實施形態同樣地,即便受壓部32的受壓部位或受壓方向偏離,只要作為彈性體的保持構件30發生變形,則於壓電基材12中產生電壓。因此,根據本實施形態的感測器模組10B,當偵測壓力時,儘管為使用壓電基材的簡單的結構,亦可確保偵測範圍,且可提昇偵測感度。另外,於本實施形態中,經由彈性體而使壓電基材12發生變形,因此可減輕對於壓電基材12的機械負擔。
<第4實施形態> 基於圖7,對第4實施形態的感測器模組10C進行說明。 第4實施形態的壓電基材12的配設方法與第1實施形態不同。再者,關於壓電基材12的結構,與第1實施形態相同,且省略說明。另外,關於與第1實施形態相同的構成,標注相同的符號。 如圖7所示,於本實施形態的感測器模組10C中,於壓電基材12的前端連接有作為帶狀的彈性物的橡膠帶14。而且,於本實施形態中,橡膠帶14與壓電基材12一同纏繞於作為圓柱面的鄰接面24上。其中,於本實施形態中,壓電基材12與鄰接面24的接觸部及橡膠帶14與鄰接面24的接觸部並非全部經接著固定。僅連接於壓電基材12的橡膠帶14的前端部A與和鄰接面24接觸的壓電基材12的後端部B經接著固定。
本實施形態的感測器模組10C具有與第1實施形態相同的作用。即,於保持構件20中,若受壓面22自受壓方向(圖7的箭頭P)受到壓力,則於受壓面22與設置面26之間產生壓縮,結果鄰接面24朝向保持構件20的外側(圖7的箭頭S)膨脹變形。因鄰接面24膨脹變形而於設置於鄰接面24上的壓電基材12及橡膠帶14中產生張力,從而於壓電基材12中產生電壓。藉此取得與第1實施形態相同的效果。 然而,壓電基材12根據內部導體16A的粗度或第1壓電體18A的厚度而於可應對的張力的方面有極限。因此,於為相對於受壓面22所受到的壓力而鄰接面24的變形量大的材質的情況下,存在壓電基材12因受到過大的張力而斷線的情況。因此,於本實施形態中,使可彈性變形的橡膠帶14連接於壓電基材12。藉此,即便於鄰接面24的變形量大而對壓電基材12施加過大的張力的情況下,亦可藉由橡膠帶14延伸而抑制壓電基材12的斷線。再者,亦可連接螺旋彈簧來代替橡膠帶14。
<第5實施形態> 基於圖8A及圖8B,對第5實施形態的感測器模組10D進行說明。 於第5實施形態中,基於第1實施形態的感測器模組10,而於保持構件20的外周部設置包含彈性體的保護構件28。具體而言,鄰接面24及配置於鄰接面24的壓電基材12由保護構件28覆蓋。再者,關於保護構件28以外的結構,與第1實施形態相同,且省略說明。 如圖8A所示,本實施形態的保護構件28為圓筒形狀,且內徑與保持構件20的外徑相等。另外,如圖8B所示,保護構件28的高度與保持構件20的高度相等。再者,保護構件28的高度並不限於此,只要可覆蓋壓電基材12,則無需自設置面26至受壓面22設置。
以所述方式構成的感測器模組10D具有與第1實施形態的感測器模組10相同的作用。即,藉由在受壓面22受到壓力,而於受壓面22與設置面26之間產生壓縮,結果鄰接面24膨脹變形。而且,因鄰接面24膨脹變形而於設置於鄰接面24上的壓電基材12中產生張力,從而產生電壓。另外,關於使受壓面22自設置面26分離的情況,因鄰接面24收縮變形而於設置於鄰接面24上的壓電基材12中產生壓縮力,從而於壓電基材12中產生與被賦予張力時反向的電壓。藉此取得與第1實施形態相同的效果。 另外,本實施形態除取得第1實施形態的作用效果以外,亦取得如下作用效果。即,於本實施形態中,藉由利用保護構件28保護壓電基材12,可防止障礙物對於以露出狀態使用感測器模組10時的壓電基材12的接觸。另外,藉由使保護構件28作為設置於保持構件20的圓柱面的「箍」發揮功能,於對受壓面22施加過大的壓力的情況下,可抑制鄰接面24的變形來抑制壓電基材12的斷線。
再者,就不會過度抑制鄰接面24的變形的觀點來看,本實施形態的保護構件28理想為由較保持構件20而言更軟質的材料形成。另一方面,亦可由與保持構件20相同的材料形成保護構件28。於該情況下,可一體地形成保護構件28與保持構件20。
<第6實施形態> 基於圖9A及圖9B,對第6實施形態的感測器模組10E進行說明。 第6實施形態與第5實施形態的感測器模組10D相比,除保護構件28的形狀不同以外,亦具有與第5實施形態相同的構成。再者,關於保護構件28以外的結構,與第1實施形態及第5實施形態相同,且省略說明。 如圖9A所示,本實施形態的保護構件28的外觀為長方體狀,且自上表面至下表面形成有圓形的孔。該孔的內徑與保持構件20的外徑相等。另外,如圖9B所示,保護構件28的高度與保持構件20的高度相等。再者,保護構件28的高度並不限於此,只要可覆蓋壓電基材12,則無需自設置面26至受壓面22設置。
以所述方式構成的感測器模組10E取得與第5實施形態的感測器模組10D相同的作用效果。 再者,就不會過度抑制鄰接面24的變形的觀點來看,本實施形態的保護構件28理想為由較保持構件20而言更軟質的材料形成。另一方面,亦可由與保持構件20相同的材料形成保護構件28。於該情況下,可一體地形成保護構件28與保持構件20。
另外,第5實施形態及第6實施形態所示的保護構件28為一例,只要不妨礙鄰接面24的變形且可覆蓋壓電基材12,則其形狀可自由設計。另外,亦可相對於如第2實施形態般具有長方體狀的保持構件20A的感測器模組10A,設置第5實施形態及第6實施形態所示的外觀的保護構件28。
<第7實施形態> 基於圖10A及圖10B,對第7實施形態的感測器模組10F進行說明。 於第7實施形態中,基於第3實施形態的感測器模組10B,於保持構件30的外周部設置包含彈性體的保護構件38。具體而言,保持構件30的受壓部32及設置部36附近除外的球面部分、以及配置於外周部34A的壓電基材12由保護構件38覆蓋。再者,關於保護構件38以外的結構,與第3實施形態相同,且省略說明。 如圖10A所示,本實施形態的保護構件38的外觀為圓柱形狀,且於內部形成有球狀的空間。該空間的內徑與保持構件30的外徑相等。另外,如圖10B所示,保護構件38的高度稍微低於保持構件30的高度,而受壓部32露出。再者,保護構件38的高度並不限於此,只要可覆蓋壓電基材12,則無需自設置部36至受壓部32設置。
以所述方式構成的感測器模組10F具有與第3實施形態的感測器模組10B相同的作用。即,藉由在受壓部32受到壓力,而於受壓部32與設置部36之間產生壓縮,結果外周部34A的周長延長。而且,因外周部34A的周長延長而於設置於外周部34A的壓電基材12中產生張力,從而產生電壓。另外,關於使受壓部32自設置部36分離的情況,外周部34A的周長短縮,結果於壓電基材12中產生壓縮力,從而於壓電基材12中產生與被賦予張力時反向的電壓。藉此取得與第3實施形態相同的效果。 另外,本實施形態除取得第3實施形態的作用效果以外,亦取得如下作用效果。即,於本實施形態中,藉由利用保護構件38保護壓電基材12,可防止障礙物對於以露出狀態使用感測器模組10B時的壓電基材12的接觸。另外,藉由使保護構件38作為設置於保持構件30的圓柱面的「箍」發揮功能,於對受壓部32施加過大的壓力的情況下,可抑制交叉面34及外周部34A的變形來抑制壓電基材12的斷線。
再者,就不會過度抑制交叉面34及外周部34A的變形的觀點來看,本實施形態的保護構件38理想為由較保持構件30而言更軟質的材料形成。另一方面,亦可由與保持構件30相同的材料形成保護構件38。於該情況下,可一體地形成保護構件38與保持構件30。
<第8實施形態> 基於圖11A及圖11B,對第8實施形態的感測器模組10G進行說明。 第8實施形態與第7實施形態的感測器模組10F相比,除保護構件38的形狀不同以外,亦具有與第7實施形態相同的構成。再者,關於保護構件38以外的結構,與第3實施形態及第7實施形態相同,且省略說明。 如圖11A所示,本實施形態的保護構件38的外觀為正方體狀,且於內部形成有球狀的空間。該空間的內徑與保持構件30的外徑相等。另外,如圖11B所示,保護構件38的高度稍微低於保持構件30的高度。再者,保護構件38的高度並不限於此,只要可覆蓋壓電基材12,則無需自設置部36至受壓部32設置。
以所述方式構成的感測器模組10G取得與第7實施形態的感測器模組10F相同的作用效果。 再者,就不會過度抑制交叉面34及外周部34A的變形的觀點來看,本實施形態的保護構件38理想為由較保持構件30而言更軟質的材料形成。另一方面,亦可由與保持構件30相同的材料形成保護構件38。於該情況下,可一體地形成保護構件38與保持構件30。 另外,第7實施形態及第8實施形態所示的保護構件38為一例,只要不妨礙交叉面34及外周部34A的變形且可覆蓋壓電基材12,則其形狀可自由設計。
(各實施形態的變形例) 再者,於各實施形態中,相對於保持構件20、保持構件20A、保持構件30的外周部(即,鄰接面24、外周部34A),將壓電基材12纏繞一周左右,但壓電基材12的配置並不限於此。具體而言,可配置成以下的變形例。
作為變形例1,壓電基材12可相對於保持構件20、保持構件20A、保持構件30纏繞幾周。於該情況下,壓電基材12可自保持構件20、保持構件20A、保持構件30的上方朝向下方呈螺旋狀纏繞。例如,相對於第1實施形態的保持構件20,可將壓電基材12自受壓面22至設置面26呈螺旋狀纏繞。根據變形例1,可將鄰接面24相對於受壓的變形的誤差調平,因此可減低由承受壓力的部位或方向的不同所引起的偵測誤差。
作為變形例2,壓電基材12可設置於保持構件20、保持構件20A、保持構件30的一部分。例如,於第2實施形態的保持構件20A中,可將壓電基材12僅設置於第1鄰接面24A。於該情況下,無需與受壓面22平行地設置壓電基材12,可相對於受壓面22而沿包含垂直的交叉方向設置壓電基材12。根據變形例2,可縮短設置壓電基材12時的長度。
作為變形例3,壓電基材12可於保持構件20、保持構件20A、保持構件30上設置多個。例如,相對於第1實施形態的保持構件20,可將多個壓電基材12連接後,繞鄰接面24而設置。另外,例如,於第2實施形態的保持構件20A中,亦可於各鄰接面24的每一面上設置壓電基材12。根據變形例3,藉由相對於保持構件20、保持構件20A、保持構件30而設置多個壓電基材12,即便於保持構件20、保持構件20A、保持構件30為軟質且變形量過大的情況下,亦可抑制壓電基材12的斷線。
再者,關於各實施形態及變形例,可分別組合使用,可於不脫離本發明的主旨的範圍內以各種形態實施。
〔壓力分佈感測器〕 各實施形態的感測器模組可應用於壓力分佈感測器50中。此處,以將第1實施形態的感測器模組10應用於壓力分佈感測器50中的情況為例進行說明。 如圖12A及圖12B所示,一實施形態的壓力分佈感測器50中,呈格子狀配置有多個感測器模組10。具體而言,於壓力分佈感測器50中,如圖12A所示,相對於包含與保持構件20相同或軟質的材料的基材58,配置有5列×5行的合計25個感測器模組10。此處,於圖12A及圖12B中,省略設置於保持構件20的周圍的壓電基材12及自保持構件20延伸出的壓電基材12的圖示。再者,感測器模組10的個數及配置形態並不限於此。
如圖12B所示,基材58的上表面52與各感測器模組10的受壓面22形成同一面,基材58的下表面56與各感測器模組10的設置面26形成同一面。再者,基材58的上表面52及下表面56的位置並不限於此,只要可固定各感測器模組,則未必需要自設置面26至受壓面22設置。 根據本實施形態的壓力分佈感測器50,於對上表面52施加壓力的情況下,於各感測器模組10中,藉由輸出與壓力對應的電壓,可得知對上表面52施加的壓力的分佈。 關於本實施形態的壓力分佈感測器50,例如設置於椅子的座面,藉此可測定人入座時的座面分佈。另外,例如設置於床墊上,藉此可測定人入睡時的體壓分佈。
(補足) 以上,各實施形態的感測器模組除可應用於如上所述之類的壓力分佈感測器中以外,亦可應用於觸控感測器等壓力偵測感測器;壓力偵測接觸感測器;舌壓測定、心搏、呼吸檢測等生物測定用感測器中。此外,各實施形態的感測器模組可用於以下的感測器中。作為感測器,例如有衝擊感測器、振動感測器等。 另外,可用於裝配有所述感測器或將該些感測器一體化而成的結構體中。例如,可用於汽車(例如,四輪汽車、二輪汽車等)、列車、貨車、船舶、飛機、自行車、台車、帶腳輪的手提箱、機器人、致動器等移動的結構體中。另外,可用於保護器、護具、鞋、衣服、帽子、頭盔等保護人的結構體中。進而,亦可用於壁材、窗框、地板材、地毯、坐墊、床、椅子、乘車用安全帶等固定物中。作為地板材,例如可列舉木材或塑膠、草墊、樹脂製的模擬草墊、金屬、玻璃等。 [實施例]
以下,藉由實施例對本發明進行更具體說明,但本發明只要不超出其主旨,則並不限定於以下的實施例。 關於實施例及比較例,製造多個配設有電纜狀的壓電基材12的感測器模組10。
(實施例1) 如圖1所示,實施例1的感測器模組10具備圓柱狀的保持構件20及纏繞於作為保持構件20的側面的鄰接面24的壓電基材12。此處,於實施例1中,壓電基材12於與鄰接面24的接觸部全部中經接著劑固定。即,於壓電基材12與鄰接面24的接觸部分中存在未圖示的接著劑層。
<壓電基材的製法> 根據壓電膜(PLA膜)而製作厚度50 μm、寬度0.6 mm的微縱切緞帶。繼而,相對於明清產業股份有限公司製造的錦紗線(型號:u24),將微縱切緞帶以相對於錦紗線的長邊方向朝向傾斜45°的方向且在S捲(逆時針)方向進行摩擦加工。進而,於外側,將作為外部導體的寬度0.3 mm、厚度30 μm的壓延銅箔以不使微縱切緞帶自外側露出的方式在Z捲方向致密地進行摩擦,從而製成壓電基材12。 進而,為了實際檢測壓力,將壓電基材12切割成70 mm,將60 mm設為實際測定應變的區域,將其餘的10 mm的部分作為連接電極部而連接於類比/數位(Analog/Digital,A/D)轉換器(美國國家儀器(National Instruments)公司:USB-6210)(參照圖14)來進行評價。
<感測器模組的製造> 如圖1所示,各實施例的感測器模組10為圓柱狀,且設為直徑為20 mm、高度為5 mm。此處,關於實施例1的感測器模組10,設置有壓電基材12的保持構件20是藉由如下方式而獲得:將使包含多元醇與二元酸酯的A液及包含4-4'-二苯基甲烷二異氰酸酯(diphenyl methane diisocyanate,MDI)與二元酸酯的B液以10:1混合而製作的胺基甲酸酯呈圓柱狀成形。而且,於所成形的保持構件20中,壓電基材12以與受壓面22平行且繞鄰接面24的上下中央一周的方式配置(參照圖1)。此時,利用接著劑((施敏打硬(Cemedine)公司:超級(Super)X_
No.8008)將壓電基材12固定於鄰接面24上。
(實施例2) 於實施例2的感測器模組10中,保持構件20是藉由如下方式而獲得:將使包含多元醇與二元酸酯的A液及包含4-4'-MDI與二元酸酯的B液以4:1混合而製作的胺基甲酸酯呈圓柱狀成形。而且,於所成形的保持構件20中,壓電基材12以與受壓面22平行且繞鄰接面24的上下中央一周的方式配置(參照圖1)。此時,利用接著劑((施敏打硬(Cemedine)公司:超級(Super)X_
No.8008)將壓電基材12固定於鄰接面24上。
(實施例3) 於實施例3的感測器模組10中,保持構件20是藉由將矽酮彈性體呈圓柱狀成形而獲得。而且,於所成形的保持構件20中,壓電基材12以與受壓面22平行且繞鄰接面24的上下中央一周的方式配置(參照圖1)。此時,利用接著劑((施敏打硬(Cemedine)公司:超級(Super)X_
No.8008)將壓電基材12固定於鄰接面24上。
(實施例4) 於實施例4的感測器模組10中,保持構件20是藉由將異戊二烯橡膠呈圓柱狀成形而獲得。而且,於所成形的保持構件20中,壓電基材12以與受壓面22平行且繞鄰接面24的上下中央一周的方式配置(參照圖1)。此時,利用接著劑((施敏打硬(Cemedine)公司:超級(Super)X_
No.8008)將壓電基材12固定於鄰接面24上。
(實施例5) 於實施例5的感測器模組10中,保持構件20是藉由將丙烯酸樹脂呈圓柱狀成形而獲得。而且,於所成形的保持構件20中,壓電基材12以與受壓面22平行且繞鄰接面24的上下中央一周的方式配置(參照圖1)。此時,利用接著劑((施敏打硬(Cemedine)公司:超級(Super)X_
No.8008)將壓電基材12固定於鄰接面24上。
(比較例1) 於比較例1的感測器模組100中,保持構件20使用與實施例2相同者。而且,如圖16A所示,將壓電基材12配置於作為保持構件20的表面(上表面)的受壓面22,並利用接著劑((施敏打硬(Cemedine)公司:超級(Super)X_
No.8008)加以固定。
(比較例2) 於比較例2的感測器模組110中,保持構件20使用與實施例2及比較例1相同者。而且,如圖16B所示,將壓電基材12配置於作為保持構件20的背面(下表面)的設置面26,並利用接著劑((施敏打硬(Cemedine)公司:超級(Super)X_
No.8008)加以固定。
<凹陷量測定> 為了把握以所述方式製造的各實施例及各比較例的保持構件20的物性,而測定每單位負荷的凹陷量(mm)。具體而言,使用拉伸試驗機(A&D公司:滕喜龍(Tensilon)RTG1250)來測定將直徑10 mm的金屬製的圓柱以1 N的負荷壓入保持構件20的受壓面22時的凹陷量(mm)。如圖13所示,拉伸試驗機200包括上下移動的十字頭210、固定於十字頭210的負載單元220、裝配於負載單元220的前端的推出棒225及設置測定物的支架230。此處,推出棒225的前端部呈直徑10 mm的圓柱狀形成。感測器模組10固定於支架230上,以使推出棒225與受壓面22的中心接觸。
另一方面,於AD轉換器240中,分別輸入有由負載單元220檢測的負荷及作為十字頭210的移動量的應變值。而且,經AD轉換器240數位化的資訊被輸出至解析用個人電腦(Personal Computer,PC)250,於解析用PC 250中算出各檢測值。 以上,針對各實施例及各比較例的感測器模組10,藉由拉伸試驗機200來求出保持構件20的每單位負荷的凹陷量。
<電壓感度測定> 為了把握以所述方式製造的各實施例及各比較例的感測器模組10的電壓感度,而求出每單位負荷的產生電壓。如圖14所示,電壓感度是使用測力計310(日本新寶(SHIMPO)公司:FGP-10)、AD轉換器320(美國國家儀器(National Instruments)公司:USB-6210)及解析用PC 330來測定。於測力計310上設置有具有直徑12 mm的圓盤狀的按壓部的按壓棒315。另外,於成為測定對象的感測器模組10中,壓電基材12連接於AD轉換器320。
然後,將感測器模組10設置於壓盤等的平面上,使按壓棒315垂直地接觸於感測器模組10的受壓面22的中心部並加以按壓。如此,伴隨保持構件20的變形,對配置於鄰接面24上的壓電基材12施加張力,藉由壓電效果而產生電荷。使藉由該電荷的產生而產生的電壓通過AD轉換器320,並利用解析用PC 330進行測定。 繼而,電壓感度是以如下方式算出。首先,當對受壓面22賦予5 N、10 N、15 N、20 N的負荷時,讀取解析用PC 330中所測定的產生電壓的最大值(Vp-p),於縱軸描繪產生電壓(Vp-p),於橫軸描繪負荷(N)。然後,進行利用最小二乘法的直線近似,將表示每單位負荷(N)的產生電壓(Vp-p)的直線的傾斜度設為電壓感度。
以下,示出與各實施例及各比較例相關的凹陷量的測定結果與電壓感度的算出結果。 表1為實施例1~實施例5的凹陷量的測定結果與電壓感度的算出結果。圖15中示出將表1中的凹陷量描繪於橫軸、將電壓感度描繪於縱軸而成的圖表。如表1所示可知,各實施例中,凹陷量越大,電壓感度越大。另外,如圖15所示,若觀察凹陷量與電壓感度的相關關係,則可知有比例關係。特別是,只要每單位負荷的凹陷量為0.01 mm~1.0 mm的範圍,則於凹陷量與電壓感度之間,比例關係成立。 以上,於實施例中,可稱為電壓感度與凹陷量所表示的保持構件20的硬度有比例關係。而且,藉由使用凹陷量為0.01 mm~1.0 mm的範圍、更理想為0.03 mm~0.5 mm的範圍的保持構件20,可以高感度檢測對受壓面22施加的壓力。 再者,僅供參考,於將瓊脂設為保持構件20的情況下,雖每單位負荷的凹陷量為2.097 mm/N而大於各實施例,但電壓感度繼實施例5之後而低至0.0258 V/N。其原因在於:瓊脂的保持構件20與各實施例中的保持構件20的材質相比而過軟質,由受壓面22受到的壓力未波及到鄰接面24。即,僅受壓面22產生變形,於鄰接面24中基本未產生變形,因此未對壓電基材12施加張力而未產生電壓。
再者,具有丙烯酸製的保持構件20的實施例5的電壓感度低於其他實施例,但作為測定大的壓力(例如,大於測定電壓感度時的負荷20 N的負荷)時的感測器模組而處於充分的實用範圍內。鑒於以上所述,於測定負荷小的情況下,採用具有柔軟的保持構件20的感測器模組10,於測定負荷大的情況下,採用具有硬的保持構件20的感測器模組10,藉此可提供適合於測定負荷的感測器模組。
表2為實施例2與比較例1及比較例2的電壓感度的算出結果。如表2所示可知,於將具有相同材質的保持構件20的實施例2與比較例1及比較例2加以比較的情況下,於作為保持構件20的側面的鄰接面24上設置有壓電基材12者的電壓感度大。另一方面,於作為保持構件20的表面的受壓面22上設置有壓電基材12的比較例1及於作為保持構件20的背面的設置面26上設置有壓電基材12的比較例2的電壓感度低於實施例2。另外,於比較例1與比較例2中,電壓感度產生差。即,於比較例1及比較例2中,相對於作為彈性體的保持構件20,將壓電基材12設置於表面與背面的任一者的情況下,電壓感度不同,因此當使用時,需要區別表背來使用。而且,於比較例1的情況下,由於直接對壓電基材12施加負載,故可稱為機械負載大。因此,若比較例1的感測器模組100與尖銳的物體等接觸,則壓電基材12斷線等,可稱為容易破損。 鑒於以上所述,實施例2與比較例1及比較例2相比,不僅無需區別表背來使用,而且可對應高負載,進而可稱為高感度的感測器模組。
關於使受壓面22自設置面26分離的情況,藉由實施例6來驗證。 (實施例6) 如圖1所示,實施例6的感測器模組10為圓柱狀,且設為直徑為50 mm、高度為20 mm。此處,實施例6的壓電基材12與所述各實施形態的壓電基材相同。另外,實施例6的保持構件20為天然橡膠海綿製。於保持構件20中,壓電基材12以與受壓面22平行且繞鄰接面24的上下中央一周的方式配置(參照圖1)。此時,利用接著劑((施敏打硬(Cemedine)公司:超級(Super)X_
No.8008)將壓電基材12固定於鄰接面24上。另外,於受壓面22及設置面26上分別設置有掛鉤(具體而言,三津谷製:懸掛模具BX1-16)。
所製造的實施例6的感測器模組10藉由拉伸試驗來進行電荷量與變形量的測定。變形量是使用拉伸試驗機(A&D公司:滕喜龍(Tensilon)RTG1250)來測定於受壓面22與設置面26之間施加5 N的拉伸負荷時的位移量而求出。另外,電荷量是將靜電計(吉時利(KEITHLEY)公司製:模型617)連接於壓電基材12來測定。 測定的結果,每單位負荷的變形量為0.205 mm/N,每單位負荷的電荷量為-30.26 pC/N。再者,關於電荷量,將壓縮受壓面22而對壓電基材12施加張力的情況設為正,因此於拉伸受壓面22而對壓電基材12施加壓縮力的實施例6的情況下,電荷量成為負。 如上所述,確認到:於使受壓面22自設置面26分離的情況下,因鄰接面24收縮變形而於設置於鄰接面24上的壓電基材12中產生壓縮力,從而於壓電基材12中產生與被賦予張力時反向的電荷(即,電壓)。
10、10A、10B、10C、10D、10E、10F、10G、100、110‧‧‧感測器模組12、12A、12B‧‧‧壓電基材14‧‧‧橡膠帶(彈性物)16A‧‧‧內部導體(導體)18A‧‧‧第1壓電體18B‧‧‧第2壓電體20、20A、30‧‧‧保持構件22‧‧‧受壓面24‧‧‧鄰接面24A‧‧‧第1鄰接面24B‧‧‧第2鄰接面24C‧‧‧第3鄰接面24D‧‧‧第4鄰接面26‧‧‧設置面28、38‧‧‧保護構件32‧‧‧受壓部34‧‧‧交叉面34A‧‧‧外周部(交叉面的外緣部)36‧‧‧設置部50‧‧‧壓力分佈感測器52‧‧‧上表面56‧‧‧下表面58‧‧‧基材200‧‧‧拉伸試驗機210‧‧‧十字頭220‧‧‧負載單元225‧‧‧推出棒230‧‧‧支架240、320‧‧‧AD轉換器250、330‧‧‧解析用PC310‧‧‧測力計315‧‧‧按壓棒β1、β2‧‧‧螺旋角度A‧‧‧前端部B‧‧‧後端部E1、E2‧‧‧雙向箭頭G1、G2、G3‧‧‧軸方向P、S‧‧‧箭頭
圖1是第1實施形態的感測器模組的立體圖。 圖2A是表示第1實施形態的壓電基材的具體形態A的側面圖。 圖2B是圖2A的X-X'線剖面圖。 圖3是表示第1實施形態的壓電基材的具體形態B的側面圖。 圖4是表示第1實施形態的壓電基材的具體形態C的側面圖。 圖5是第2實施形態的感測器模組的立體圖。 圖6是第3實施形態的感測器模組的立體圖。 圖7是第4實施形態的感測器模組的立體圖。 圖8A是第5實施形態的感測器模組的平面圖。 圖8B是第5實施形態的感測器模組的側面圖。 圖9A是第6實施形態的感測器模組的平面圖。 圖9B是第6實施形態的感測器模組的側面圖。 圖10A是第7實施形態的感測器模組的平面圖。 圖10B是第7實施形態的感測器模組的側面圖。 圖11A是第8實施形態的感測器模組的平面圖。 圖11B是第8實施形態的感測器模組的側面圖。 圖12A是壓力分佈感測器的平面圖。 圖12B是壓力分佈感測器的側面圖。 圖13是凹陷量測定用的拉伸試驗機的正面圖。 圖14是與電壓感度的測定相關的裝置的概念圖。 圖15是表示凹陷量與電壓感度的相關關係的圖表。 圖16A是比較例1的感測器模組的立體圖。 圖16B是比較例2的感測器模組的立體圖。
10‧‧‧感測器模組
12‧‧‧壓電基材
20‧‧‧保持構件
22‧‧‧受壓面
24‧‧‧鄰接面
26‧‧‧設置面
P、S‧‧‧箭頭
Claims (10)
- 一種感測器模組,其包括: 保持構件,包含彈性體; 受壓面,於所述保持構件中承受壓力; 鄰接面,於所述保持構件中,對應於所述受壓面受到的所述壓力產生變形,且與所述受壓面鄰接;以及 長條狀的壓電基材,配置於所述鄰接面上。
- 如申請專利範圍第1項所述的感測器模組,其中,所述壓電基材於所述鄰接面上,以在所述壓力的受壓方向周圍包圍所述保持構件的方式設置。
- 一種感測器模組,其包括: 保持構件,包含彈性體; 受壓部,於所述保持構件中承受壓力; 交叉面,於所述保持構件中,對應於所述受壓部受到的所述壓力產生變形,且與所述壓力的受壓方向相交;以及 長條狀的壓電基材,沿所述交叉面的外緣部配置。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的感測器模組,其中,所述保持構件的施加負荷時的每單位負荷的變形量處於0.01 mm~1.0 mm的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的感測器模組,其中,所述壓電基材包括長條狀的導體及相對於所述導體向一方向呈螺旋狀捲繞的長條狀的壓電體, 所述壓電體由有機壓電材料形成。
- 如申請專利範圍第5項所述的感測器模組,其中,所述壓電體為具有光學活性的螺旋手性高分子(A)。
- 如申請專利範圍第6項所述的感測器模組,其中,所述螺旋手性高分子(A)為聚乳酸。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的感測器模組,其中,於所述壓電基材的前端連接有帶狀的彈性物,所述彈性物與所述壓電基材一同配置於所述保持構件上。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的感測器模組,其包括設置於所述保持構件的外周部且包含彈性體的保護構件。
- 一種壓力分佈感測器,其是將多個如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的感測器模組呈格子狀配置而成。
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