JP2008160045A - Flexible pressure-sensitive material, piezoelectric element using the same, and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は有機高分子中に圧電セラミック粉末を配合してなる可撓性感圧体に係わり、特に、可撓性のある感圧センサとして用いられる圧電素子とその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a flexible pressure-sensitive body obtained by blending a piezoelectric ceramic powder in an organic polymer, and more particularly to a piezoelectric element used as a flexible pressure-sensitive sensor and a manufacturing method thereof.
この可撓性感圧体は上記材料をニーダーやロールなどの加工機械を用い、均一に分散混合及び混練して得られるものであり、塩素化ポリエチレンなどの熱可塑性エラストマーを含んでいるため可撓性を有し、シート状やケーブル状に加工されて圧電素子として用いられている(例えば特許文献1参照)。 This flexible pressure-sensitive body is obtained by uniformly dispersing, mixing and kneading the above materials using a processing machine such as a kneader or a roll, and is flexible because it contains a thermoplastic elastomer such as chlorinated polyethylene. It is processed into a sheet shape or a cable shape and used as a piezoelectric element (see, for example, Patent Document 1).
シート状の圧電素子は、先ず圧電体粉末と塩素化ポリエチレンをロールで混練した後、可撓性感圧体をホットプレスでシート状に成型し、このシートの両面に銀ペーストを塗布処理もしくはゴムにカーボンを分散させた導電シートを融着させることにより1対の電極が形成され、その後、圧電性を発現させるために数十kVの直流電圧を両電極間に印加しポーリング処理を行うことによって得ることができる。この電極面の一部あるいは全面に圧力が印加されると、その部分の可撓性感圧体が歪み、その結果両電極間に電圧が誘起され、この誘起電圧を利用して圧力を検出することができるので圧力センサとして応用されている。
しかしながら、従来の圧電素子を高温高湿環境下で使用した場合、水蒸気が電極を通過し、圧電素子を構成する可撓性感圧体に到達する。可撓性感圧体の内部の温度が外側よりも低い場合や、可撓性感圧体の表面で水蒸気が過飽和状態になると、拡散した水蒸気は凝縮して水を生成し、可撓性感圧体を構成する圧電セラミック粉末の成分や不純物が水によって溶出し、イオン化する現象が発生する。その結果、電気抵抗や静電容量、圧電特性が変化するという問題が起こり、耐久性が劣るという課題があるとともに、センサとして用いる場合、検知や制御のための回路が複雑になるという課題があった。 However, when a conventional piezoelectric element is used in a high-temperature and high-humidity environment, water vapor passes through the electrode and reaches the flexible pressure-sensitive body constituting the piezoelectric element. When the temperature inside the flexible pressure sensing element is lower than the outside or when the water vapor becomes supersaturated on the surface of the flexible pressure sensing element, the diffused water vapor condenses to produce water, and the flexible pressure sensing element A phenomenon occurs in which components and impurities of the constituent piezoelectric ceramic powder are eluted by water and ionized. As a result, problems such as changes in electrical resistance, capacitance, and piezoelectric characteristics occur, resulting in inferior durability. In addition, when used as a sensor, a circuit for detection and control becomes complicated. It was.
特に、周期表の第1族、第2族のアルカリ金属、アルカリ土類の金属を含む圧電セラミック粉末は固有抵抗が低く、かつ水に溶出し易いため、電気抵抗の低下が大きな課題となる。
In particular, piezoelectric ceramic powders containing alkali metals and alkaline earth metals belonging to
なお、上記課題はシート状の圧電素子に対して述べたが、ケーブル状の場合や、他の形状でも同様の課題を有するとともに、可撓性感圧体のみでも同様の課題を有する。 In addition, although the said subject was described with respect to the sheet-like piezoelectric element, while it has the same subject also in a cable shape and another shape, it has the same subject only in a flexible pressure sensitive body.
本発明は、従来の課題を解決するもので、高温高湿環境下で使用されても電気的特性の変化を抑制し、常に安定した圧電特性を実現するとともに、複雑な回路を必要としない可撓性感圧体及び可撓性感圧体を用いた圧電素子とその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the conventional problems, and even when used in a high-temperature and high-humidity environment, it suppresses the change in electrical characteristics, always realizes stable piezoelectric characteristics, and does not require a complicated circuit. An object of the present invention is to provide a flexible pressure-sensitive body, a piezoelectric element using the flexible pressure-sensitive body, and a manufacturing method thereof.
前記従来の課題を解決するために、本発明の可撓性感圧体は、圧電セラミック粉末と可撓性を有する有機高分子とを含む可撓性感圧体において、前記圧電セラミック粉末は表面に水分の吸収を抑制する被覆層を設け、前記被覆層形成後に洗浄処理し、残留する金属元
素を含む化合物を除去した構成としている。
In order to solve the above-described conventional problems, the flexible pressure-sensitive body of the present invention is a flexible pressure-sensitive body including a piezoelectric ceramic powder and a flexible organic polymer, and the piezoelectric ceramic powder has moisture on the surface. A coating layer that suppresses the absorption of water is provided, and after the coating layer is formed, a cleaning process is performed to remove a compound containing a remaining metal element.
これによって、圧電素子が高温高湿環境下で用いられ、圧電素子の内部で水蒸気が凝縮して水を生成しても、圧電セラミック粉末表面に水分の吸収を抑制する被覆層を設けているので圧電セラミック粉末への水分の吸収が抑制される。さらに皮膜形成後に洗浄処理を施し、残留する金属元素を含む化合物を除去しているので、圧電セラミック粉末に残留する金属元素や被覆層に含まれる未反応の金属元素や金属元素を含む化合物の溶出が抑制され、静電容量、電気抵抗の変化が低減する。また、可撓性感圧体へ浸透する水の量が低減するので、圧電素子として用いた場合の電気的特性、圧電特性の変化がさらに低減する。 As a result, the piezoelectric element is used in a high-temperature and high-humidity environment, and even when water vapor is generated by condensation inside the piezoelectric element, a coating layer that suppresses moisture absorption is provided on the surface of the piezoelectric ceramic powder. Absorption of moisture into the piezoelectric ceramic powder is suppressed. Furthermore, since the cleaning process is performed after the film is formed to remove the compound containing the remaining metal element, the metal element remaining in the piezoelectric ceramic powder and the unreacted metal element and compound containing the metal element contained in the coating layer are eluted. Is suppressed, and changes in capacitance and electric resistance are reduced. In addition, since the amount of water penetrating into the flexible pressure sensitive body is reduced, changes in electrical characteristics and piezoelectric characteristics when used as a piezoelectric element are further reduced.
本発明の可撓性感圧体を用いた圧電素子とその製造方法は、圧電セラミック粉末及び圧電セラミック粉末表面の被覆層に残留した未反応成分を洗浄除去することによって、圧電セラミック粉末及び被覆層から溶出する金属元素や金属元素を含む化合物を低減することができるので、初期の電気的特性を維持することができて、時間経過による変化を防止することができ、優れた耐久性、信頼性を実現することができる。 The piezoelectric element using the flexible pressure-sensitive body of the present invention and the method for manufacturing the piezoelectric element are obtained by washing and removing unreacted components remaining in the piezoelectric ceramic powder and the coating layer on the surface of the piezoelectric ceramic powder. Since the eluted metal elements and compounds containing metal elements can be reduced, the initial electrical characteristics can be maintained, changes over time can be prevented, and excellent durability and reliability can be achieved. Can be realized.
第1の発明は、圧電セラミック粉末と可撓性を有する有機高分子とを含む可撓性感圧体において、前記圧電セラミック粉末は表面に水分の吸収を抑制する被覆層を設け、前記被覆層形成後に洗浄処理し、残留する金属元素を含む化合物を除去しているので、圧電セラミック粉末に残留する金属元素や被覆層に含まれる未反応の金属元素の溶出が抑制することができるため、信頼性の高い可撓性感圧体を実現できる。 The first invention is a flexible pressure-sensitive body comprising piezoelectric ceramic powder and a flexible organic polymer, wherein the piezoelectric ceramic powder is provided with a coating layer for suppressing moisture absorption on the surface, and the coating layer is formed. Since the compound containing the remaining metal element is removed after cleaning, the elution of the metal element remaining in the piezoelectric ceramic powder and the unreacted metal element contained in the coating layer can be suppressed. A highly flexible pressure sensitive body can be realized.
第2の発明は、圧電セラミック粉末は洗浄処理された後に圧電セラミック粉末表面に水分の吸収を抑制する被覆層を形成し、被覆層形成後にさらに洗浄処理を施し、残留する金属元素を含む化合物を除去している。そのため、効率よく圧電セラミック粉末に残留する金属元素を除去することができ、信頼性の高い可撓性感圧体を実現できる。 According to a second aspect of the present invention, after the piezoelectric ceramic powder is cleaned, a coating layer that suppresses moisture absorption is formed on the surface of the piezoelectric ceramic powder, and after the coating layer is formed, the cleaning process is further performed, and the compound containing the remaining metal element is formed. It has been removed. Therefore, the metal element remaining in the piezoelectric ceramic powder can be efficiently removed, and a highly reliable flexible pressure sensitive body can be realized.
第3の発明は、特に、第1の発明の圧電セラミック粉末の粒子表面の被覆層を撥水材料で構成することにより、撥水作用を薄膜の被覆層とすることができ、可撓性感圧体への浸透を防止することによる圧電特性の変化を防止することができるとともに、圧電性を発現するために行うポーリング処理において、印加電圧のロスを少なくすることができ、低い電圧でも優れた圧電特性を発現させることができる。 In the third invention, in particular, by forming the coating layer on the particle surface of the piezoelectric ceramic powder of the first invention with a water repellent material, the water repellent effect can be made into a thin film coating layer, and flexible pressure sensitive In addition to preventing changes in the piezoelectric characteristics due to prevention of penetration into the body, it is possible to reduce the loss of applied voltage in the poling process performed to develop piezoelectricity, and excellent piezoelectricity even at low voltages Characteristics can be developed.
また、圧電セラミック粉末に撥水材料を被覆することにより、圧電セラミック粉末表面が疎水性を示すので可撓性を有する有機高分子との馴染みが良好になり、両者の混練性が向上する。その結果、混練加工時間を短縮化することができ、生産性を向上させることができる。 Further, by coating the piezoelectric ceramic powder with a water-repellent material, the surface of the piezoelectric ceramic powder exhibits hydrophobicity, so that the compatibility with the organic polymer having flexibility is improved, and the kneadability of both is improved. As a result, the kneading process time can be shortened and the productivity can be improved.
第4の発明は、特に、被覆層を脂肪酸、脂肪酸塩、単分子層の少なくとも1種で構成することにより、優れた撥水性を実現することができる。特に、第1の被覆層を単分子層で構成することにより、被覆層の厚みを数nmレベルの単分子層にすると圧電特性を発現させるために高い直流電圧を印加するポーリング処理の際に単分子層で起こる電圧降下が低減され、ポーリングの効率を向上させることができるとともに、ポーリング処理時間の短縮化または優れた圧電特性を実現することができる。 In the fourth aspect of the invention, in particular, excellent water repellency can be realized by configuring the coating layer with at least one of fatty acid, fatty acid salt, and monomolecular layer. In particular, when the first coating layer is formed of a monomolecular layer, when the thickness of the coating layer is a monomolecular layer of several nanometers, a single DC layer is applied during poling to apply a high DC voltage in order to develop piezoelectric characteristics. The voltage drop that occurs in the molecular layer is reduced, and the poling efficiency can be improved, and the polling processing time can be shortened or excellent piezoelectric characteristics can be realized.
また、被覆層を単分子層とすることで撥水材料の使用量を少なくすることができるので撥水圧電素子の低コスト化が図れる。 Moreover, since the amount of the water repellent material used can be reduced by making the coating layer a monomolecular layer, the cost of the water repellent piezoelectric element can be reduced.
第5の発明は、特に、洗浄処理後の圧電セラミックスを煮沸処理し、その水溶液のpHは静電容量や電気抵抗、圧電特性等の電気特性の変化と相関があるため、pHを8.0以下にすることによって、残留する金属元素の影響を低減でき、長期にわたり安定した電気特性を維持することができる。さらに圧電素子として使用する場合は静電容量、電気抵抗、圧電特性の変化を防止することができるとともに、センサとして用いる場合の検知や制御のための回路を簡素化することができる。 In the fifth aspect of the invention, in particular, the piezoelectric ceramic after the cleaning treatment is boiled, and the pH of the aqueous solution has a correlation with changes in electric characteristics such as capacitance, electric resistance, and piezoelectric characteristics. By making it below, the influence of the remaining metal element can be reduced, and stable electrical characteristics can be maintained over a long period of time. Furthermore, when used as a piezoelectric element, it is possible to prevent changes in capacitance, electrical resistance, and piezoelectric characteristics, and to simplify a circuit for detection and control when used as a sensor.
第6の発明は、特に、洗浄処理後の圧電セラミックスを煮沸処理し、その水溶液の導電率は静電容量や電気抵抗、圧電特性等の電気特性の変化と相関があるため、導電率を50μS/cm以下にすることによって、残留する金属元素の影響を低減でき長期にわたり安定した電気特性を維持することができる。さらに圧電素子として使用する場合は静電容量、電気抵抗、圧電特性の変化を防止することができるとともに、センサとして用いる場合の検知や制御のための回路を簡素化することができる。 In the sixth aspect of the invention, in particular, the piezoelectric ceramic after the cleaning treatment is boiled, and the conductivity of the aqueous solution is correlated with changes in electrical characteristics such as capacitance, electrical resistance, and piezoelectric characteristics. By setting it to / cm or less, the influence of the remaining metal element can be reduced, and stable electrical characteristics can be maintained over a long period of time. Furthermore, when used as a piezoelectric element, it is possible to prevent changes in capacitance, electrical resistance, and piezoelectric characteristics, and to simplify a circuit for detection and control when used as a sensor.
第7の発明は、特に、洗浄処理後の圧電セラミックスを煮沸処理し、その水溶液のナトリウムイオンは静電容量や電気抵抗、圧電特性等の電気特性の変化と相関があるため、ナトリウムイオン濃度を300μg/g以下にすることによって、残留する金属元素の影響を低減でき長期にわたり安定した電気特性を維持することができる。さらに圧電素子として使用する場合は静電容量、電気抵抗、圧電特性の変化を防止することができるとともに、センサとして用いる場合の検知や制御のための回路を簡素化することができる。 In the seventh aspect of the invention, in particular, the piezoelectric ceramic after the cleaning treatment is boiled, and the sodium ions in the aqueous solution are correlated with changes in electrical characteristics such as capacitance, electrical resistance, and piezoelectric characteristics. By setting it to 300 μg / g or less, the influence of the remaining metal element can be reduced, and stable electrical characteristics can be maintained over a long period of time. Furthermore, when used as a piezoelectric element, it is possible to prevent changes in capacitance, electrical resistance, and piezoelectric characteristics, and to simplify a circuit for detection and control when used as a sensor.
第8の発明は、特に、第1の発明の圧電セラミック粉末を少なくとも周期表第1族、周期表第2族の元素を含む構成にすることによって、洗浄の効果をより得ることが出来る。特に、周期表の第1族、第2族のアルカリ金属、アルカリ土類の金属を含む圧電セラミック粉末は固有抵抗が低く、かつ水に溶出し易いため、湿度の影響を大きく受けていたが、被覆層および洗浄処理を施すことによって、湿度に対する変化を低減することができる。
In the eighth aspect of the invention, in particular, the piezoelectric ceramic powder of the first aspect of the invention can be more effective in cleaning by including at least the elements of
第9の発明は、特に、第8の発明の周期表第1族、周期表第2族の元素を含む圧電セラミック粉末をバリウム、ナトリウム、カリウム、ビスマス、リチウムの少なくとも1種を含む構成とすることにより、圧電セラミック粉末の比誘電率を低くすることができるので直流電圧を印加して圧電特性を発現させるためのポーリング処理を行う際に、圧電セラミック粉末へ高い電圧を印加することができるので、ポーリングの効率を高くすることができ、電圧出力定数を大きくすることができる。その結果、圧電素子を感圧センサとして用いた場合には、印加される圧力に対するセンサの出力電圧を高くすることができるので感度を向上させることができる。
In the ninth aspect of the invention, in particular, the piezoelectric ceramic powder containing the elements of
第10の発明は、特に、第8の発明の周期表第1族、周期表第2族の元素を含む圧電セラミック粉末をニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスの少なくとも1種を含む構成とすることにより、特に圧電セラミック粉末の誘電率をさらに小さくすることができるので、圧電特性を発現させるためのポーリング効率を一層高くすることができるとともに、シート状の圧電素子の高感度化により検知回路の増幅率を低くすることができるので圧電素子を感圧センサとして用いた場合には、印加される圧力に対するセンサの出力電圧を高くすることができるので感度を向上させることができるとともに、電気的ノイズに対し強い感圧センサを得ることができる。
In the tenth aspect of the invention, in particular, the piezoelectric ceramic powder containing the elements of
第11の発明は、特に、洗浄処理を水で行うことにより、圧電セラミック粉末に残留する周期表第1族、周期表第2族の元素を含む成分の除去効率を高くすることができる。
In the eleventh aspect of the invention, in particular, by performing the cleaning treatment with water, it is possible to increase the removal efficiency of the components including the elements of
第12の発明は、特に、第11の発明の洗浄処理を酸性水で行うことにより、除去の対
象となる圧電セラミック粉末に残留する周期表第1族、周期表第2族の元素を含む成分がアルカリ性であるため、効率的に酸性水に溶解することができ、水よりも短時間で高い除去効率を得ることができる。
In the twelfth aspect of the invention, in particular, a component containing the elements of the
第13の発明は、特に、第11または第12の発明の洗浄処理を行う水または酸性水を加温することにより、圧電セラミック粉末に残留する周期表第1族、周期表第2族の元素を含む成分の溶出を促進させることができ、なお一層高い除去効率を実現することができる。
In the thirteenth aspect of the invention, the elements of the
第14の発明は、特に、可撓性感圧体に接続された第1電極と、前記可撓性感圧体に接続され前記第1電極と絶縁された第2電極とを備えた圧電素子に構成することにより、電気出力を簡単に得ることができるため、センサ等の応用展開が容易となる。また、圧電素子を高温高湿環境下で用いた場合、圧電素子の内部で水蒸気が凝縮して水を生成しても、凝縮した水に圧電セラミック粉末に未反応の成分が残留していないので溶出が溶出を抑制することができる。そのため、圧電素子の静電容量、電気抵抗、圧電特性の変化を防止することができる。その結果、長期にわたり安定した電気特性を維持することができるとともに、センサとして用いる場合の検知や制御のための回路を簡素化することができる。 According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element comprising a first electrode connected to a flexible pressure sensitive body and a second electrode connected to the flexible pressure sensitive body and insulated from the first electrode. By doing so, since an electrical output can be obtained easily, application development of a sensor etc. becomes easy. In addition, when the piezoelectric element is used in a high-temperature and high-humidity environment, even if water vapor is condensed inside the piezoelectric element to produce water, no unreacted components remain in the piezoelectric ceramic powder in the condensed water. Elution can suppress elution. Therefore, changes in the capacitance, electrical resistance, and piezoelectric characteristics of the piezoelectric element can be prevented. As a result, stable electrical characteristics can be maintained over a long period of time, and a circuit for detection and control when used as a sensor can be simplified.
第15の発明は、特に、可撓性感圧体は第1電極を覆い、第2電極は前記可撓性感圧体を覆う構成としたケ−ブル状圧電素子に構成することで、上下方向の振動のみならず円心方向の振動検知ができるため、平板形状では使用が限られていた場合にもケーブル形状にすることで、応用展開が容易となる。さらに、可撓性を有しかつ形状がケーブル状であるので屈曲した部位を含んだ配設や取り付け幅に制限を有する省スペースの配設に対応可能である。また、圧電素子を高温高湿環境下で用いた場合、圧電素子の内部で水蒸気が凝縮して水を生成しても、凝縮した水に圧電セラミック粉末に未反応の成分が残留していないので溶出が溶出を抑制することができる。そのため、圧電素子の静電容量、電気抵抗、圧電特性の変化を防止することができる。その結果、長期にわたり安定した電気特性を維持することができるとともに、センサとして用いる場合の検知や制御のための回路を簡素化することができる。 According to the fifteenth aspect of the invention, in particular, the flexible pressure-sensitive body covers the first electrode, and the second electrode is a cable-shaped piezoelectric element configured to cover the flexible pressure-sensitive body. Since not only vibration but vibration in the direction of the center can be detected, even if the flat plate shape is limited in use, the cable can be applied to facilitate application development. Furthermore, since it has flexibility and is shaped like a cable, it can be used for arrangements including bent portions and space-saving arrangements with a limited mounting width. In addition, when the piezoelectric element is used in a high-temperature and high-humidity environment, even if water vapor is condensed inside the piezoelectric element to produce water, no unreacted components remain in the piezoelectric ceramic powder in the condensed water. Elution can suppress elution. Therefore, changes in the capacitance, electrical resistance, and piezoelectric characteristics of the piezoelectric element can be prevented. As a result, stable electrical characteristics can be maintained over a long period of time, and a circuit for detection and control when used as a sensor can be simplified.
第16の発明は、特に、圧電セラミック粉末及び圧電セラミック粉末表面の被覆層に残留した未反応成分を洗浄除去することによって、圧電セラミック粉末及び被覆層から溶出する金属元素や金属元素を含む化合物を低減することができるので初期の電気的特性、圧電特性を維持することができて、時間経過による変化を防止することができ、優れた耐久性、信頼性を実現することができる。 In the sixteenth aspect of the invention, in particular, the piezoelectric ceramic powder and the metal element eluting from the coating layer and the compound containing the metal element are removed by washing away unreacted components remaining in the coating layer on the surface of the piezoelectric ceramic powder. Since it can be reduced, initial electrical characteristics and piezoelectric characteristics can be maintained, changes with time can be prevented, and excellent durability and reliability can be realized.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施の形態におけるシート状の圧電素子の断面図である。図1において、シート状の圧電素子は、シート状の可撓性感圧体1の両面に第1電極である電極2Aと、第2電極である電極2Bを形成して構成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a sheet-like piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a sheet-like piezoelectric element is configured by forming an
図2は、可撓性感圧体1の一部断面を示す模式図である。図2において、シート状の可撓性感圧体1は周期表第1族、周期表第2族の元素を含む圧電セラミック粉末3と可撓性を有する有機高分子4とから構成されている。さらに圧電セラミック粉末3の表面には水分の吸収を抑制する被覆層5が形成され、圧電セラミック粉末3と有機高分子4とは均一に分散した状態にある。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a partial cross section of the flexible pressure-
本実施の形態に用いられる周期表第1族、周期表第2族の元素を含む圧電セラミック粉末3の化合物は、バリウム、ナトリウム、カリウム、ビスマス、リチウムの少なくとも1種を含むもの、具体的にはニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスの少なくとも1種を含むものでポーリング処理によって圧電性を発現するセラミック材料が挙げられる。
The compound of the piezoelectric ceramic powder 3 containing elements of
なお、周期表第1族、周期表第2族の元素を含む圧電セラミック粉末3は、所定の組成となるように周期表第1族、周期表第2族の元素を含む原材料(例えば、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩など)を反応させ、その後高温で焼成して製造される。このとき、焼成して造られたセラミックには圧電特性を発現する結晶構造を有する化合物の他に、不純物、未反応の元素や化合物、あるいは圧電特性を発現することができない組成の化合物が存在する。本発明では、圧電セラミック粉末3に存在する圧電特性を発現することができない化合物を残留する金属元素を含む化合物と定義している。
In addition, the piezoelectric ceramic powder 3 containing the elements of
第1の実施の形態におけるシート状の圧電素子は以下のように作製される。この製造工程を図3に示す。先ず、周期表第1族、周期表第2族の元素を含む圧電セラミック粉末3を適切な溶媒で希釈して所定の濃度に調整した撥水材料を含む溶液、または融解する温度に加熱された撥水材料の溶液に浸漬して乾燥、または圧電セラミック粉末3を所定量の撥水材料の粉末と混合することによって圧電セラミック粉末3に撥水材料の被覆層5を形成された圧電セラミック粉末3を作製する(S1)。
The sheet-like piezoelectric element according to the first embodiment is manufactured as follows. This manufacturing process is shown in FIG. First, the piezoelectric ceramic powder 3 containing the elements of
次に、被覆層5が形成された圧電セラミック粉末3を水の入った容器に漬浸し、撹拌しながら圧電セラミック粉末3及び被覆層5に含まれる残留する金属元素を含む化合物から金属元素を溶出させる洗浄処理を実施(S2)。必要に応じてこの洗浄処理を数回繰り返し、乾燥処理を行い、残留する金属元素を除去した圧電セラミック粉末3を作製する。
Next, the piezoelectric ceramic powder 3 on which the
次に、圧電セラミック粉末3と可撓性を有する有機高分子4とをニーダーやロールなどの加工機を用い、圧電セラミック粉末3が可撓性を有する有機高分子4に均一に混合・分散された状態となるように混練する(S3)。このとき、混練を向上させるためにチタンカップリング剤を添加してもよい。混練を行なった後、ロールまたはホットプレスなどの加工機を用いて加工し、シート状の可撓性感圧体1を作製する(S4)。
Next, the piezoelectric ceramic powder 3 and the flexible
次に、シート状の可撓性感圧体1の両面に導電性粉末と有機高分子が混合された導電性ペーストまたは導電塗料を塗布、導電性粉末をゴムや熱可塑性エラストマーなどの可撓性を有する有機高分子に混合・分散させた導電シートを融着、導電性材料を蒸着のいずれかの材料および形成方法によって互いに絶縁された電極2A、電極2Bを形成する(S5)。その後、圧電性を発現させるために空気中またはシリコンオイル浴中で電極2A、電極2B間に直流高電圧を印加してポーリング処理を行い(S6)、シート状の圧電素子を作製する。なお、ポーリング処理(S6)は、電極2A、電極2Bを形成(S5)した後行っているが、シート状の可撓性感圧体1を作製(S4)した後、2つの擬似電極を用いて行ってもよい。
Next, a conductive paste or conductive paint in which conductive powder and an organic polymer are mixed is applied to both surfaces of the sheet-like flexible pressure-
以上のように構成されたシート状の圧電素子について、以下その動作、作用を説明する。 The operation and action of the sheet-like piezoelectric element configured as described above will be described below.
シート状の圧電素子の圧電特性は、前述したように電極2A、電極2B間に高圧の直流電圧を印加し、可撓性感圧体1をポーリング処理することにより発現する。圧電特性を発現させたシート状の圧電素子の一部あるいは全面に時間的に変化する圧力が印加されたとき、第1電極2A、第2電極2B間にはその部分に生じる加速度に応じた振動電圧が誘起される。この誘起電圧を利用して圧力を検出することができる。自動車ドアに設置して挟
み込みを防止するセンサ、ドアハンドルに設置して解錠を制御するタッチセンサ、介護ベッドなどに設置して体動を検知するセンサ、ベランダの手すり等に配置して外部からの侵入を検知するセンサなど感圧センサとして利用することができる。
As described above, the piezoelectric characteristics of the sheet-like piezoelectric element are manifested by applying a high direct-current voltage between the electrodes 2A and 2B and poling the flexible pressure-
前述のような感圧センサは、屋外で使用される場合や自動車用に搭載される場合であれば梅雨時や夏場の雨天による高温水蒸気環境、介護ベッドに搭載される場合であれば失禁や汗による多湿環境、また寝具に搭載される場合であれば衛生保持するための洗濯、クリーニングなどによる高温高湿環境の下で使用される可能性が高い。 Pressure sensors such as those mentioned above may be used outdoors or when installed in automobiles, in high-temperature steam environments during rainy seasons or in the rain in summer, and incontinence or sweat when installed in nursing beds. If it is mounted on bedding, there is a high possibility that it will be used in a high-temperature and high-humidity environment such as washing and cleaning to maintain sanitation.
このような高温高湿環境下で感圧センサとして従来の圧電素子が使用されると、水蒸気が電極を通過し、シート状の圧電素子の内部に拡散する。可撓性感圧体の温度が外側よりも低い状態や可撓性感圧体の表面で水蒸気が過飽和状態になると、拡散した水蒸気が凝縮して水が生成し、この水が可撓性感圧体に浸透することにより圧電セラミック粉末3に残留する化合物や不純物が溶出する現象が発生する。その結果、シート状の圧電素子の静電容量が増加するとともに、電気抵抗が減少するなどの電気的特性が変化するという問題が発生し、耐久性が劣るとともに、感圧センサとして用いる場合、検知や制御のための回路を初期の電気特性の変化に対応できるようにする必要があり、回路が複雑な構成となる。 When a conventional piezoelectric element is used as a pressure-sensitive sensor in such a high temperature and high humidity environment, water vapor passes through the electrode and diffuses into the sheet-like piezoelectric element. When the temperature of the flexible pressure sensitive body is lower than the outside or when the water vapor is supersaturated on the surface of the flexible pressure sensitive body, the diffused water vapor is condensed and water is generated, and this water is generated in the flexible pressure sensitive body. Penetration causes a phenomenon in which compounds and impurities remaining in the piezoelectric ceramic powder 3 are eluted. As a result, the capacitance of the sheet-like piezoelectric element increases and the electrical characteristics change, such as a decrease in electrical resistance. This results in inferior durability and detection when used as a pressure sensor. In addition, it is necessary to make it possible to cope with the initial change in electrical characteristics of the control circuit, which makes the circuit a complicated configuration.
しかし、本実施の形態のシート状の圧電素子が高温高湿環境下で使用される場合、水蒸気が電極2A、電極2Bを通過し、可撓性感圧体1の表面で水蒸気が凝集して水が生成しても、圧電セラミック粉末3表面に水分の吸収を抑制する被覆層5を設けているので圧電セラミック粉末への水分の吸収自身を抑制できる。さらに被覆層5の形成後に洗浄処理を施し、圧電セラミック粉末3及び被覆層5に残留する金属元素を除去しているので可撓性感圧体1で水蒸気が凝縮して水が生成しても、圧電セラミック粉末3に残留する金属元素や被覆層5に含まれる未反応の金属元素の溶出が抑制され、シート状の圧電素子としての電気抵抗や圧電特性の変化を防止することができる。その結果、シート状の圧電素子の初期の電気的特性を維持することができ、優れた耐久性と信頼性を実現することができる。また、初期の電気特性の変化を防止できることにより、電気特性の変化を補正する回路構成を必要とせず、検知や制御のための回路を簡素化することができる。
However, when the sheet-like piezoelectric element of the present embodiment is used in a high-temperature and high-humidity environment, the water vapor passes through the electrodes 2A and 2B, and the water vapor is condensed on the surface of the flexible pressure-
本実施の形態に用いられるシート状の圧電素子の圧電特性は両電極間に高圧の直流電圧を印加し、ポーリング処理することで発現するが、本実施の形態のシート状の圧電素子を感圧センサとして用いる場合、重要となる圧電特性は発生電圧の指標となる電圧出力定数である。 The piezoelectric characteristics of the sheet-like piezoelectric element used in the present embodiment are manifested by applying a high DC voltage between both electrodes and performing a poling process. However, the sheet-like piezoelectric element of the present embodiment is pressure sensitive. When used as a sensor, an important piezoelectric characteristic is a voltage output constant that serves as an index of the generated voltage.
本実施の形態のシート状の圧電素子を構成する可撓性感圧体1は、圧電セラミック粉末3と可撓性を有する有機高分子4の複合体からなり、圧電セラミック粉末3の比誘電率(材料の誘電率/真空の誘電率)が数百から数千であるのに対し、可撓性を有する有機高分子4の比誘電率は数十である。ポーリング処理の際に印加された直流電圧は、圧電セラミック粉末3と可撓性を有する有機高分子4の誘電率の比に反比例して分配されるので、直流電圧は誘電率の低い可撓性を有する有機高分子4に高い電圧が印加されることになる。換言すれば、可撓性を有する有機高分子4として同じものを用いた場合、圧電セラミック粉末3の誘電率が高いほど可撓性を有する有機高分子4に高い電圧が印加されることになる。
A flexible pressure-
したがって、可撓性感圧体1の圧電セラミック粉末3として比誘電率が約2000のチタン酸ジルコン酸鉛と、比誘電率が約600のチタン酸ビスマス・ナトリウムを用いた場合、両者の可撓性感圧体1に一定の直流電圧を印加すると、比誘電率の低いチタン酸ビスマス・ナトリウムの方がチタン酸ジルコン酸鉛よりも高い電圧が印加され、ポーリングの効率を高くすることができるので電圧出力定数が大きくなる。その結果、シート状の圧電
素子を感圧センサとして用いた場合には、印加される圧力に対するセンサの出力電圧を高くすることができるので感度を向上させることができるとともに、シート状の圧電素子の高感度化により検知回路の増幅率を低くすることができるので電気的ノイズに対し強い感圧センサを得ることができる。
Therefore, when the piezoelectric ceramic powder 3 of the flexible pressure-
圧電セラミック粉末3の比誘電率は低ければ低いほど良いが、1000以下であればチタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミック粉末3を用いる場合よりも3倍以上の優れた電圧出力定数が得られる。その点から、有用な圧電セラミック粉末3は、周期表第1族、周期表第2族の元素を含む圧電セラミック粉末3の化合物は、バリウム、ナトリウム、カリウム、ビスマス、リチウムの少なくとも1種を含むもの、具体的にはニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスの少なくとも1種を含むものが挙げられる。
The lower the relative dielectric constant of the piezoelectric ceramic powder 3 is, the better. However, when the piezoelectric ceramic powder 3 is 1000 or less, a voltage output constant that is three times or more superior to that when the piezoelectric ceramic powder 3 of lead zirconate titanate is used is obtained. In that respect, the useful piezoelectric ceramic powder 3 includes at least one of barium, sodium, potassium, bismuth, and lithium as the compound of the piezoelectric ceramic powder 3 including elements of
また、本実施の形態に用いる圧電セラミック粉末3は鉛を含まないのでシート状の圧電素子が廃棄処理され、酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境汚染の可能性がない。 In addition, since the piezoelectric ceramic powder 3 used in the present embodiment does not contain lead, the sheet-like piezoelectric element is disposed of, and even if it is exposed to an environment such as acid rain, there is no elution of lead and there is a possibility of environmental pollution. Absent.
本実施の形態によれば、撥水材料の被覆層5は圧電セラミック粉末3の表面に形成している。可撓性感圧体1への水の浸透を抑制し、高温高湿環境下でのシート状の圧電素子の電気的特性、圧電特性、機械的強度の変化を著しく少なくするためには可撓性感圧体1の表面全体に優れた撥水性を発現させる必要があり、そのためには第1の被覆層5の撥水性を著しく高くする必要がある。そのために被覆層5は蒸留水に対する接触角が125°以上の撥水材料がよい。言い換えれば、被覆層5の蒸留水に対する接触角が125°以上であれば、可撓性感圧体1の表面が温度の高い環境下でも凝縮した水に対して高い撥水性を得ることができ、可撓性感圧体1への水の浸透を抑制する効果を高くすることができる。なお、接触角はその定義上、180°未満であるので、蒸留水に対する接触角が125°以上180°未満の撥水材料が好ましい。望ましくは蒸留水に対する接触角が150°以上の超撥水材料がよい。
According to the present embodiment, the
特に、撥水処理を施して成した第1の被覆層5の蒸留水に対する接触角が150°以上の撥水材料としては、前述の脂肪酸、脂肪酸塩、脂肪酸アミド、フッ素系樹脂、シリコン系樹脂、シラン化合物が挙げられる。
In particular, the water repellent material having a contact angle with respect to distilled water of the
特に、脂肪酸としては、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデシル酸、ラウリン酸、トリデシル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、ヘプタデシル酸、ステアリン酸、ノナデンカン酸、アラキン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、セロチン酸、ヘプタコサン酸、モンタン酸、アクリル酸、クロトン酸、イソクロトン酸、ウンデシレン酸、オレイン酸、エライジン酸、セトレイン酸、エルカ酸、プラシジン酸、ソルビン酸、リノール酸、リノレイン酸が挙げられる。 In particular, the fatty acids include caprylic acid, pelargonic acid, capric acid, undecyl acid, lauric acid, tridecyl acid, myristic acid, pentadecylic acid, palmitic acid, heptadecylic acid, stearic acid, nonadencanic acid, arachic acid, behenic acid, lignoceric acid , Serotic acid, heptacosanoic acid, montanic acid, acrylic acid, crotonic acid, isocrotonic acid, undecylenic acid, oleic acid, elaidic acid, cetreic acid, erucic acid, pracidic acid, sorbic acid, linoleic acid, linolenic acid.
また、脂肪酸塩としては、前述の各脂肪酸とカルシウム、亜鉛、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、銅、鉛の各金属元素の化合物が挙げられ、これらの少なくとも1種の脂肪酸塩が挙げられる。 Examples of the fatty acid salt include compounds of the above-described fatty acids and calcium, zinc, sodium, potassium, magnesium, copper, and lead metal elements, and at least one of these fatty acid salts.
また、脂肪酸アミドとしては、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデシル酸、ラウリン酸、トリデシル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、ヘプタデシル酸、ステアリン酸、ノナデンカン酸、アラキン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、セロチン酸、ヘプタコサン酸、モンタン酸、アクリル酸、クロトン酸、イソクロトン酸、ウンデシレン酸、オレイン酸、エライジン酸、セトレイン酸、エルカ酸、プラシジン酸、ソルビン酸、リノール酸、リノレイン酸の各脂肪酸の水素基をアミノ基に置換したものが用い
られる。
Examples of fatty acid amides include caprylic acid, pelargonic acid, capric acid, undecylic acid, lauric acid, tridecylic acid, myristic acid, pentadecylic acid, palmitic acid, heptadecylic acid, stearic acid, nonadencanic acid, arachic acid, behenic acid, lignoserine. Acid, serotic acid, heptacosanoic acid, montanic acid, acrylic acid, crotonic acid, isocrotonic acid, undecylenic acid, oleic acid, elaidic acid, cetoleic acid, erucic acid, pracidic acid, sorbic acid, linoleic acid, linolenic acid What substituted the hydrogen group by the amino group is used.
また、フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、パーフルオロアルキルエチルアクリレート、シリコン系樹脂としては、ジメチルポリシロキサン、ジエチルポリシロキサン、シリコン−アクリルブロック共重合体、アクリル系樹脂としては、メタクリル酸エステル、アクリル酸エステルの重合体が挙げられる。 In addition, as a fluorine-based resin, polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkylethyl acrylate, as a silicon-based resin, dimethylpolysiloxane, diethylpolysiloxane, a silicon-acrylic block copolymer, and as an acrylic resin, Examples include methacrylic acid esters and acrylic acid ester polymers.
また、シラン化合物としては、圧電セラミック粉末5の表面に少なくともシロキサン結合を有し、かつ少なくともアルキル基またはフルオロアルキル基を有するジアルキルシラン化合物、フルオロシラン化合物が挙げられる。前述のシラン化合物は撥水材料を施して成した被覆層5を単分子の層で形成することができる。単分子の層はその厚みが数nmレベルの超薄膜であるので可撓性感圧体1を作製後、圧電特性を発現させるために行うポーリング処理において高圧の直流電圧を印加した際、単分子層での電圧降下を少なくすることができるのでポーリングの効率を向上させることができ、処理時間の短縮化が可能であるとともに、優れた圧電特性を実現することができるとともに撥水材料の使用量を著しく少なくすることができるのでシート状の圧電素子の低コスト化を図ることができる。
Examples of the silane compound include dialkylsilane compounds and fluorosilane compounds having at least a siloxane bond on the surface of the piezoelectric
なお、S1においては撥水処理を施して成した第1の被覆層5は、撥水材料を加熱して溶融させた後、圧電セラミック粉末3を浸漬するか、撥水材料に適合した溶媒に撥水材料を入れ、適切な濃度に調整した溶液に圧電セラミック粉末3を浸漬し、その後乾燥処理を行うか、撥水材料が固体の場合には撥水材料の粉末と圧電セラミック粉末3を混合することのいずれかの方法で形成される。また、撥水材料は前述した1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
In S1, the
本実施の形態では、圧電セラミック粉末3及び被覆層5に残留する金属元素を除去する手段として水による洗浄処理を行うことにより、圧電セラミック粉末3の圧電特性を発現させることのできる結晶構造を破壊することなく、残留する金属元素を含む化合物から金属元素を溶出させることができる。特に被覆層5として撥水材料の脂肪酸塩を使用した場合、未反応の脂肪酸塩が残存すると塩としての金属元素が溶出する可能性もある。そのため、撥水処理後に洗浄を行うことで、被覆層5に残留する金属元素の溶出を抑制することができる。また、被覆層5の材料として脂肪酸塩ではなく、脂肪酸など塩を含まない撥水材料を使用した場合においても、被覆層5の形成後に洗浄を行うことで、未反応の撥水材料が有機高分子4中に溶出することも抑制することができるため、特性変化も発生しにくく信頼性が向上する。
In the present embodiment, as a means for removing the metal elements remaining in the piezoelectric ceramic powder 3 and the
また、上記水による洗浄処理において、水を沸騰させたり、50℃以上の温度にするなどのように加温することにより、残留する金属元素を含む化合物から金属元素の溶出を促進させることができ、加温しない場合よりも短時間で高い除去効率を実現することができる。 In addition, in the washing treatment with water, elution of the metal element from the compound containing the remaining metal element can be promoted by heating the water to a boiling temperature or a temperature of 50 ° C. or higher. Higher removal efficiency can be achieved in a shorter time than when no heating is performed.
また、洗浄処理を行う液体に酸性水を用いることにより、除去の対象となる圧電セラミック粉末に残留する周期表第1族、周期表第2族の元素を含む成分がアルカリ性であるため、効率的に酸性水に溶解することができるので水よりも短時間で高い除去効率を得ることができる。さらに、上記酸性水による洗浄処理において、酸性水を加温することにより、残留する金属元素を含む化合物から金属元素の溶出を促進させることができ、加温しない場合よりも短時間で高い除去効率を実現することができる。
In addition, by using acidic water as the liquid for the cleaning treatment, the components containing the elements of
本実施の形態に用いられる可撓性を有する有機高分子4としては、熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む材料が挙げられる。これらの可撓性を有する高分子4はシート状の圧電素子に優れた弾性と可撓性を付与することができるのでシート状の圧電素
子は印加された圧力に対して大きな反発力と変位量を得ることができ、圧電特性を向上させることができる。
Examples of the flexible
特に、前述の熱可塑性エラストマーとして、塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンは可撓性感圧体1の中の圧電セラミック粉末3の含有量を多くすることができるのでシート状の圧電素子の圧電特性を向上させることができる。
In particular, as the above-mentioned thermoplastic elastomer, chlorinated polyethylene and chlorosulfonated polyethylene can increase the content of the piezoelectric ceramic powder 3 in the flexible pressure-
本実施の形態のシート状の圧電素子の電極2A、電極2Bとして、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む弾性体と導電性粉末の導電層で構成することができる。この構成では、電極2A、電極2Bを伸びのある可撓性に優れた電極とすることができるので高い耐屈曲性を有し、耐久性に優れたシート状の圧電素子を得ることができる。この導電層は熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、ゴムの少なくとも1種を含む弾性体と導電性粉末を混練したものを押出機などの加工機を用いて、押し出し成型することによって可撓性感圧体1に形成される。 The electrode 2A and the electrode 2B of the sheet-like piezoelectric element of the present embodiment can be composed of an elastic body containing at least one of a thermoplastic resin, a thermoplastic elastomer, and rubber and a conductive layer of conductive powder. In this configuration, the electrode 2A and the electrode 2B can be extended and excellent in flexibility, so that a sheet-like piezoelectric element having high bending resistance and excellent durability can be obtained. This conductive layer is a flexible pressure-sensitive material obtained by extruding an elastic material containing at least one of a thermoplastic resin, a thermoplastic elastomer, and rubber and a conductive powder using a processing machine such as an extruder. 1 is formed.
また、電極2A、電極2Bとして、主成分が導電性粉末と有機高分子との混合物である導電塗料、もしくは導電ペーストの塗布膜で構成することもできる。この構成では、可撓性感圧体1と電極2A、電極2Bの密着性を高くすることができるとともに、電極2A、電極2Bと可撓性感圧体1の間に空気層の介在を少なくすることができるのでポーリング処理の際の電極2A、電極2Bと可撓性感圧体1との間の電圧降下を抑制することができ、ポーリング処理の実効電圧を高くすることができる。
Alternatively, the electrodes 2A and 2B may be formed of a conductive paint whose main component is a mixture of a conductive powder and an organic polymer, or a coating film of a conductive paste. In this configuration, the adhesiveness between the flexible pressure-
また、電極2A、電極2Bとして、導電性材料の蒸着膜で構成することもできる。この構成では、電極2A、電極2Bを薄膜で形成することができるので可撓性感圧体1の優れた可撓性を維持することができ、可撓性感圧体1の有する圧電特性の低下を防止することができる。この薄膜は真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの装置を用い、可撓性感圧体1に蒸着によって形成される。
Further, the electrode 2A and the electrode 2B can be formed of a vapor-deposited film of a conductive material. In this configuration, since the electrodes 2A and 2B can be formed as thin films, the excellent flexibility of the flexible pressure-
なお、前述の導電性粉末、導電性材料は、C、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種を用いることにより、特に優れた導電性と耐食性を実現することができる。 The conductive powder and conductive material described above can achieve particularly excellent conductivity and corrosion resistance by using at least one of C, Pt, Au, Pd, Ag, Cu, Al, and Ni. .
また、ポリエチレンテレフタレートなどの高分子フィルムの両面にC、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種の箔を接着し、両面を導通させた導電性フィルムからなる導電層を用いてもよい。 In addition, a conductive layer made of a conductive film in which at least one foil of C, Pt, Au, Pd, Ag, Cu, Al, and Ni is bonded to both surfaces of a polymer film such as polyethylene terephthalate and the both surfaces are made conductive is provided. It may be used.
上記の製造工程で製造した圧電素子を85℃85%の高温高湿下に20時間放置した後、静電容量、抵抗、圧電特性の変化を評価した結果、洗浄処理を施さない圧電素子に比べ、各々の変化を約60%低減することができた。よって、本発明の圧電素子は湿度特性に優れるため、長期にわたり安定した電気特性を維持することができるとともに、センサとして用いる場合の検知や制御のための回路を簡素化することができる。 As a result of evaluating the change in capacitance, resistance, and piezoelectric characteristics after leaving the piezoelectric element manufactured in the above manufacturing process at 85 ° C. and 85% high temperature and high humidity for 20 hours, it was compared with the piezoelectric element not subjected to cleaning treatment. Each change was reduced by about 60%. Therefore, since the piezoelectric element of the present invention is excellent in humidity characteristics, it can maintain stable electrical characteristics over a long period of time, and can simplify a circuit for detection and control when used as a sensor.
さらに、被膜層5を形成後に洗浄処理後を施し、残留する金属元素を含む化合物を除去した圧電セラミック粉末3を蒸留水またはイオン交換水で煮沸処理し、その煮沸溶液のpHと圧電素子を85℃85%の高温高湿下に20時間放置後の静電容量の変化率を図4に示す。
Further, after the
その結果、煮沸後の溶液のpHが低いほど静電容量の変化が低く、pHと静電容量の変化に相関が得られた。そのため静電容量の変化を抑制するためにはpHが低いことが望ましい。また、洗浄処理回数を重ねるとpHは低くなるため、残留元素の残存指標として処
理溶液のpHが有効であるとともに、pHは容易に測定できるので、残留元素の残存指標に適している。
As a result, the lower the pH of the solution after boiling, the lower the change in capacitance, and a correlation was obtained between the pH and the change in capacitance. Therefore, it is desirable that the pH is low in order to suppress changes in capacitance. In addition, since the pH decreases as the number of cleaning treatments is increased, the pH of the treatment solution is effective as a residual element residual index, and the pH can be easily measured, which is suitable for the residual element residual index.
圧電素子の出力電圧(V)と静電容量(C)は式(1)で表され、反比例の関係を示す。ここでQは電荷発生量であり材料に固有の値を示す。
V=Q/C ・・・(1)
式(1)から静電容量が増加することによって、出力電圧が低下することが解る。
The output voltage (V) and capacitance (C) of the piezoelectric element are expressed by the equation (1) and show an inversely proportional relationship. Here, Q is a charge generation amount, which is a value specific to the material.
V = Q / C (1)
It can be seen from equation (1) that the output voltage decreases as the capacitance increases.
特にスイッチセンサ等の用途に使用する場合、一般的にはある閾値を設け、閾値を超えるとON、閾値以下ならOFFという制御を行う。閾値を低くすると、他の振動や外部ノイズの影響を受けやすくなり、高くすると検出不能になる恐れがあるため、センサ出力は閾値の約1.3〜1.5倍に設定される場合が多い。その場合、静電容量が30%以上増加することでセンサ出力が閾値に低下し、誤作動を起こす場合が生じるので、少なくとも静電容量の変化は30%以下に抑制することが望ましく、pHを8.0以下に抑制することが望ましい。 In particular, when used for applications such as a switch sensor, a certain threshold value is generally provided, and control is performed such that the threshold value is ON when the threshold value is exceeded and OFF when the threshold value is not more than the threshold value. If the threshold value is lowered, the sensor output is likely to be affected by other vibrations and external noise. If the threshold value is increased, detection may be impossible. Therefore, the sensor output is often set to about 1.3 to 1.5 times the threshold value. . In that case, if the capacitance increases by 30% or more, the sensor output may drop to a threshold value and cause a malfunction. Therefore, it is desirable to suppress at least a change in the capacitance to 30% or less. It is desirable to suppress to 8.0 or less.
さらに望ましくは、静電容量の変化を20%以下に抑制できるpH7以下にすることがより検知精度向上と信頼性向上に繋がる。 More desirably, a pH of 7 or less that can suppress the change in capacitance to 20% or less leads to improved detection accuracy and reliability.
また静電容量の変化が大きい場合には、静電容量変化による出力電圧低下を加味した設計が必要となるため、出力電圧と閾値の比を高める必要があった。つまり高出力の圧電素子が必要であったものが、静電容量変化による出力電圧の低下を抑制できるので、センサ出力と閾値との比を下げることができ、高感度設計にしなくても同様の出力を得ることができるので、低コストに繋がる。 In addition, when the change in capacitance is large, a design that takes into account a decrease in output voltage due to the change in capacitance is required, and thus the ratio between the output voltage and the threshold needs to be increased. In other words, what required a high-power piezoelectric element can suppress the decrease in output voltage due to capacitance change, so the ratio between sensor output and threshold can be lowered, and the same can be achieved without a high-sensitivity design. Since an output can be obtained, it leads to low cost.
また、被膜層5を形成後に洗浄処理を施した圧電セラミック粉末3を蒸留水またはイオン交換水で煮沸処理し、その煮沸溶液の導電率と圧電素子を85℃85%の高温高湿下に20時間放置した後の静電容量の変化率を図5に示す。
In addition, the piezoelectric ceramic powder 3 subjected to the cleaning treatment after the
その結果、処理溶液の導電率が低いほど静電容量の変化が低く、導電率と静電容量の変化に相関が得られた。特に洗浄回数を重ねると導電率は低くなるため、残留元素の残存指標として処理溶液の導電率が有効であるとともに、導電率は容易に測定できるので、残留元素の残存指標に適している。 As a result, the lower the conductivity of the treatment solution, the lower the capacitance change, and a correlation was obtained between the conductivity and the capacitance change. In particular, when the number of washings is repeated, the conductivity decreases, so that the conductivity of the treatment solution is effective as a residual element residual index, and the conductivity can be easily measured, which is suitable as a residual element residual index.
前に述べたようにセンサとして用いる場合、静電容量の変化は30%以下に抑制する必要があるため、導電率は50μs/cm以下に抑制することが望ましい。 When used as a sensor as described above, the change in capacitance needs to be suppressed to 30% or less, and therefore, the conductivity is desirably suppressed to 50 μs / cm or less.
さらに望ましくは、静電容量の変化を20%以下に抑制できる40μs/cm以下にすることが検知精度向上と信頼性向上に繋がる。 More desirably, the detection accuracy is improved and the reliability is improved by setting the capacitance to 40 μs / cm or less that can suppress the change in capacitance to 20% or less.
また、被膜層5を形成後に洗浄処理を施した圧電セラミック粉末3を蒸留水またはイオン交換水で煮沸処理し、煮沸溶液のナトリウムイオン濃度と圧電素子を85℃85%の高温高湿下に20時間放置した後の静電容量の変化率を図6に示す。
In addition, the piezoelectric ceramic powder 3 subjected to the cleaning treatment after forming the
その結果、処理溶液のナトリウムイオン濃度が低いほど静電容量の変化が低く、導電率と静電容量の変化に相関が得られた。特に洗浄回数を重ねると導電率は低くなるため、残留元素の残存指標として処理溶液のナトリウムイオン濃度が有効でり、残留元素の残存指標に適している。 As a result, the lower the sodium ion concentration of the treatment solution, the lower the change in capacitance, and a correlation was obtained between the change in conductivity and capacitance. In particular, when the number of washings is repeated, the conductivity decreases, so the sodium ion concentration of the treatment solution is effective as a residual element residual index, which is suitable for the residual element residual index.
前に述べたようにセンサとして用いる場合、静電容量の変化は30%以下に抑制する必
要があるため、ナトリウムイオン濃度は300μg/g以下に抑制することが望ましい。
As described above, when used as a sensor, the change in capacitance needs to be suppressed to 30% or less, so that the sodium ion concentration is preferably suppressed to 300 μg / g or less.
さらに望ましくは、出力電圧の変化を20%以下に抑制できる200μg/g以下にすることが検知精度向上と信頼性向上に繋がる。 More desirably, the detection accuracy is improved and the reliability is improved by setting the output voltage to 200 μg / g or less that can suppress the change in the output voltage to 20% or less.
(実施の形態2)
図7は、本発明の第2の実施の形態におけるシート状の圧電素子の製造工程を説明する図であり、第1の実施の形態の製造方法と異なる点は、圧電セラミック粉末3を洗浄処理し、圧電セラミック粒子3中に残留する金属元素及び金属元素化合物から金属元素を除去後に、圧電セラミック粒子3表面に撥水材料の被覆層5を形成し、被覆層5を形成した圧電セラミック粉末に洗浄処理を施している点である。特に撥水処理材料として脂肪酸塩や金属セッケン等を使用した場合、未反応の塩が水によって溶出し、イオン化する現象が発生するために生じる静電容量、電気抵抗、圧電特性等の電気的特性の変化を抑制するものである。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a diagram for explaining the manufacturing process of the sheet-like piezoelectric element according to the second embodiment of the present invention. The difference from the manufacturing method of the first embodiment is that the piezoelectric ceramic powder 3 is cleaned. Then, after removing metal elements from the metal elements and metal element compounds remaining in the piezoelectric ceramic particles 3, a
本実施の形態におけるシート状の圧電素子は以下のように作製される。図7でその製造工程を説明する。先ず、周期表第1族、周期表第2族の元素を含む圧電セラミック粉末3を水の入った容器に漬浸し、撹拌しながら圧電セラミック粉末3に含まれる残留する金属元素を含む化合物から金属元素を溶出させる(S12)。必要に応じてこの洗浄処理を数回繰り返し、乾燥処理を行い、残留する金属元素を除去した圧電セラミック粉末3を作製する。
The sheet-like piezoelectric element in the present embodiment is manufactured as follows. The manufacturing process will be described with reference to FIG. First, the piezoelectric ceramic powder 3 containing the elements of
次に、洗浄処理された圧電セラミック粉末3を適切な溶媒で希釈して所定の濃度に調整した撥水材料を含む溶液、または融解する温度に加熱された撥水材料の溶液に浸漬して乾燥、または圧電セラミック粉末3を所定量の撥水材料の粉末と混合することによって圧電セラミック粉末3に撥水材料の被覆層5を形成し、撥水処理された圧電セラミック粉末3を作製する(S13)。
Next, the washed piezoelectric ceramic powder 3 is immersed in a solution containing a water repellent material diluted to a predetermined concentration by dilution with an appropriate solvent, or a solution of a water repellent material heated to a melting temperature and dried. Alternatively, the piezoelectric ceramic powder 3 is mixed with a predetermined amount of water-repellent material powder to form the water-repellent
次に撥水処理された圧電セラミック粉末3を水の入った容器に漬浸し、撹拌しながら圧電セラミック粉末3に含まれる残留する金属元素を含む化合物から金属元素を溶出させる洗浄処理を施す(S14)。必要に応じてこの洗浄処理を数回繰り返し、乾燥処理を行い、残留する金属元素を除去した圧電セラミック粉末3を作製する。 Next, the water-repellent piezoceramic powder 3 is immersed in a container containing water, and a cleaning process is performed to elute the metal element from the compound containing the remaining metal element contained in the piezoceramic powder 3 while stirring (S14). ). If necessary, this cleaning process is repeated several times and a drying process is performed to produce the piezoelectric ceramic powder 3 from which the remaining metal elements are removed.
次に、圧電セラミック粉末3と可撓性を有する有機高分子4とをニーダーやロールなどの加工機を用い、圧電セラミック粉末3が可撓性を有する有機高分子4に均一に混合・分散された状態となるように混練する(S15)。このとき、混練を向上させるためにチタンカップリング剤を添加してもよい。混練を行なった後、ロールまたはホットプレスなどの加工機を用いて加工し、シート状の可撓性感圧体1を作製する(S16)。
Next, the piezoelectric ceramic powder 3 and the flexible
次に、シート状の可撓性感圧体1の両面に導電性粉末と有機高分子が混合された導電性ペーストまたは導電塗料を塗布、導電性粉末をゴムや熱可塑性エラストマーなどの可撓性を有する有機高分子に混合・分散させた導電シートを融着、導電性材料を蒸着のいずれかの材料および形成方法によって互いに絶縁された電極2A、電極2Bを形成する(S17)。その後、圧電性を発現させるために空気中またはシリコンオイル浴中で電極2A、電極2B間に直流高電圧を印加してポーリング処理を行い(S18)、シート状の圧電素子を作製する。なお、ポーリング処理(S18)は、電極2A、電極2Bを形成(S17)した後行っているが、シート状の可撓性感圧体1を作製(S16)した後、2つの擬似電極を用いて行ってもよい。
Next, a conductive paste or conductive paint in which conductive powder and an organic polymer are mixed is applied to both surfaces of the sheet-like flexible pressure-
上記の製造工程で製造した圧電素子を85℃85%の高温高湿下に20時間放置した後
、静電容量、抵抗、圧電特性の変化を評価した結果、洗浄処理を施さない圧電素子に比べ、各々の変化を約70%低減することができた。よって、本発明の圧電素子は、撥水処理の被覆層5を形成した圧電セラミック粉末3を洗浄処理することによって、撥水処理材料の未反応成分の溶出を低減することが出来るため、より圧電素子の静電容量、電気抵抗の、圧電特性の変化を防止することができる。
As a result of evaluating the change in capacitance, resistance, and piezoelectric characteristics after leaving the piezoelectric element manufactured in the above manufacturing process at 85 ° C. and 85% high temperature and high humidity for 20 hours, it was compared with the piezoelectric element not subjected to cleaning treatment. Each change could be reduced by about 70%. Therefore, the piezoelectric element of the present invention can reduce elution of unreacted components of the water-repellent treatment material by washing the piezoelectric ceramic powder 3 on which the water-
その結果、圧電素子の初期の電気的特性を維持することができ、優れた耐久性と信頼性を実現することができる。 As a result, the initial electrical characteristics of the piezoelectric element can be maintained, and excellent durability and reliability can be realized.
なお、本実施の形態において、洗浄処理を水で行ったが、第1の実施の形態と同様、加熱した水や酸性水、あるいは加熱した酸性水を用いることにより、より効率的に未反応の残留成分を溶解することができるので短時間で高い除去効率を実現することができる。 In the present embodiment, the washing treatment is performed with water. However, as in the first embodiment, unreacted water can be efficiently reacted by using heated water, acidic water, or heated acidic water. Since residual components can be dissolved, high removal efficiency can be realized in a short time.
(実施の形態3)
図8は、本発明の第3の実施の形態におけるケーブル状の圧電素子の一部断面図である。図8に示すように、ケーブル状の圧電素子は、第1電極である芯電極6の外表面に可撓性の可撓性感圧体1を形成し、この可撓性感圧体1の外表面に第2電極である可撓性の外電極7を形成し、さらに電気絶縁性の弾性体からなる保護層8を形成して構成されている。芯電極6と外電極7とは可撓性感圧体1で絶縁されている。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a partial cross-sectional view of a cable-shaped piezoelectric element according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the cable-shaped piezoelectric element has a flexible flexible pressure-
芯電極6は、単数または複数の金属線、あるいは多数のポリエステル繊維の収束線に銅などの金属を巻回した構成のものが用いられる。
The
可撓性感圧体1は、周期表第1族、周期表第2族の元素を含む圧電セラミック粉末3と可撓性を有する有機高分子4で構成され、圧電セラミック粉末3は、第1の実施の形態の被覆層5と洗浄処理を行い、残留する金属元素を除去した材料が用いられる。
The flexible pressure-
外電極7は、実施の形態1における電極2A、電極2Bと同様に、ポリエチレンテレフタレ−トなどの高分子フィルムの両面にC、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種の箔を接着した導電性フィルムをケーブル状の可撓性感圧体7に巻回して形成した導電層、C、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種の導電性粉末とゴムや熱可塑性エラストマーなどの可撓性を有する有機高分子とを混練して作製した可撓性導電組成物を押出成型により形成した導電層、前述の導電性粉末を有機高分子に分散させた導電性塗料(ペースト)を塗布した導電膜、C、Pt、Au、Pd、Ag、Cu、Al、Niの少なくとも1種の導電性材料を可撓性感圧体7に真空蒸着、スパッタリング、CVDなどの方法で形成した薄膜の蒸着膜などが用いられる。
As with the electrodes 2A and 2B in the first embodiment, the
保護層8は、第1の実施の形態で述べた保護層5の材料が用いられ、この材料の押出成型により形成される。
The
本実施の形態におけるケーブル状の圧電素子の製造工程を図9を用いて説明する。先ず、圧電セラミック粉末3を適切な溶媒で希釈して所定の濃度に調整した撥水材料を含む溶液に浸漬して撹拌混合した後乾燥するか、または融解する温度に加熱された撥水材料の溶液に浸漬して混合した後冷却するか、または圧電セラミック粉末3を所定量の撥水材料の粉末と混合することのいずれかの方法によって圧電セラミック粉末3に撥水処理を施して被覆層5を形成(S14)する。
A manufacturing process of the cable-like piezoelectric element in the present embodiment will be described with reference to FIG. First, the piezoelectric ceramic powder 3 is immersed in a solution containing a water-repellent material diluted with an appropriate solvent and adjusted to a predetermined concentration, stirred and mixed, and then dried or heated to a melting temperature. The piezoelectric ceramic powder 3 is subjected to a water repellent treatment by either being immersed in a solution and then mixed and then cooled, or the piezoelectric ceramic powder 3 is mixed with a predetermined amount of a water repellent material powder to thereby coat the
次に、被覆層5が形成された圧電セラミック粉末3を水の入った容器に漬浸し、撹拌しながら圧電セラミック粉末3及び被覆層5に含まれる残留する金属元素を含む化合物から金属元素を溶出させる洗浄処理を実施(S15)。必要に応じてこの洗浄処理を数回繰り
返し、乾燥処理を行い、残留する金属元素を除去した圧電セラミック粉末3を作製する。
Next, the piezoelectric ceramic powder 3 on which the
次に、被覆層5が形成された圧電セラミック粉末3と有機高分子4とをニーダーやロールなどの加工機を用い、被覆層5が形成されたセラミック粉末3が有機高分子4に均一に混合・分散された状態となるように混練する(S16)。
Next, the piezoelectric ceramic powder 3 on which the
次にこの混練物をロールの加工機でシート状の可撓性物感圧体を作製し(S17)、このシート状の圧可撓性感圧体をペレタイザーなどの加工機を用いてペレット状に加工する(S18)。 Next, the kneaded product is made into a sheet-like flexible pressure-sensitive body using a roll processing machine (S17), and the sheet-like pressure-flexible pressure-sensitive body is formed into a pellet using a processing machine such as a pelletizer. Process (S18).
次に、芯電極6を芯材とし、ペレット状の可撓性感圧体を押出成型の加工機を用いて押し出し、芯電極6の周囲に可撓性感圧体1の層を形成する。すなわち、芯電極6に対し可撓性感圧体1の層を周設する(S19)。
Next, the
次に前述のいずれかの材料と加工手段を用いて外電極7を形成する(S20)。
Next, the
次に、弾性を有する熱可塑性エラストマーやゴムなどの有機高分子を用い、押出成型により保護層8を形成する(S21)。
Next, the
その後、圧電性を発現させるために空気中またはシリコンオイル浴中で芯電極6と外電極11との間に直流高電圧を印加してポーリング処理を行い(S22)、ケーブル状の圧電素子が作製される。
Thereafter, a poling process is performed by applying a DC high voltage between the
なお、ポーリング処理(S22)は、保護層12を形成(S21)した後行っているが、芯電極6の周囲に可撓性感圧体1の層を形成(S19)した後、芯電極と外側電極に該当する擬似電極を用いて行ってもよいし、外電極7を形成(S20)した後、行ってもよい。
The polling process (S22) is performed after forming the protective layer 12 (S21). However, after forming the layer of the flexible pressure-
このようにして作製されたケーブル状の圧電素子は、図8に示すようにその一端の保護層8と可撓性感圧体1を取り除き、芯電極6と外電極7とを露出させることにより制御回路に接続され、感圧センサとして使用される。
The cable-like piezoelectric element thus manufactured is controlled by removing the
上記のように構成されたケーブル状圧電素子について、以下その動作、作用を説明する。 The operation and action of the cable-shaped piezoelectric element configured as described above will be described below.
ケ−ブル状の圧電素子の一部あるいは全面に時間的に変化する圧力が印加されたとき、芯電極6と外電極7との間には、その部分のケーブル状の圧電素子に生じる加速度に応じた振動電圧が誘起される。この誘起電圧を利用して圧力を検出することができる。
When a time-varying pressure is applied to a part or the entire surface of the cable-shaped piezoelectric element, the acceleration generated in the cable-shaped piezoelectric element in that part is between the
上記構成のケーブル状の圧電素子が第1の実施の形態と同様に感圧センサとして高温高湿環境下で使用される場合、保護層8が存在するため、水蒸気の可撓性感圧体1への拡散量は少なくすることができる。しかしながら、保護層8の有機高分子の3次元網目分子構造の隙間は水蒸気1分子の大きさに比べて大きいため、保護層8で水蒸気の拡散を完全に防止することはできず、第1の実施の形態と同様に外電極6を通過し、可撓性感圧体7の表面に水蒸気が凝縮して水が生成する。
When the cable-shaped piezoelectric element having the above-described configuration is used as a pressure-sensitive sensor in a high-temperature and high-humidity environment as in the first embodiment, the
本実施の形態のケーブル状の圧電素子は、可撓性感圧体1を構成する圧電セラミック粉末3から残留する金属元素を含む化合物から金属元素を除去しているので可撓性感圧体1で水蒸気が凝縮して水が生成しても、圧電セラミック粉末3及び被覆層5に残留する金属元素を含む化合物から金属元素の溶出が抑制され、ケーブル状の圧電素子としての電気抵
抗や圧電特性の変化を防止することができる。その結果、シート状の圧電素子の初期の電気的特性を維持することができ、第1の実施の形態と同様な効果を実現することができる。
In the cable-shaped piezoelectric element of the present embodiment, the metal element is removed from the compound containing the metal element remaining from the piezoelectric ceramic powder 3 constituting the flexible pressure-
また、数km以上の長尺のケーブル状の圧電素子を加工する場合でも予め圧電セラミック粉末3の一つ一つの粒子から残留する金属元素を含む化合物から金属元素を除去することによって、ケーブルの切断面を含めケーブル状のどの部位でも上記効果を発揮させることができ、常に電気的特性の安定したケーブル状の圧電素子を得ることができる。 Further, even when a long cable-shaped piezoelectric element of several kilometers or more is processed, the cable is cut by removing the metal element from the compound containing the metal element remaining from each particle of the piezoelectric ceramic powder 3 in advance. The above-described effect can be exhibited at any part of the cable shape including the surface, and a cable-shaped piezoelectric element having always stable electrical characteristics can be obtained.
さらに、本発明のケーブル状の圧電素子は、可撓性を有しかつ形状がケーブル状であるので屈曲した部位を含んだ配設や取り付け幅に制限を有する省スペースの配設に対応可能であり、かつ高温高湿環境下で使用されても初期の電気的特性、圧電特性、機械的強度を維持できるという優れた特性を有している。したがってこのような配設条件や特性が要求される屋外使用の圧力、振動検知用のセンサとして最も適している。具体的には、特に車のスライドア、ハッチバックドア、トランク、パワーウィンドウなど開閉が伴う機器や部品に設置して挟み込みを検知するセンサや、車のドアハンドルに設置してドアの解錠を制御するタッチセンサが挙げられる。 Furthermore, since the cable-like piezoelectric element of the present invention has flexibility and is shaped like a cable, it can be applied to arrangements including bent portions and space-saving arrangements with a limited mounting width. In addition, even when used in a high-temperature and high-humidity environment, it has excellent characteristics that the initial electrical characteristics, piezoelectric characteristics, and mechanical strength can be maintained. Therefore, it is most suitable as a sensor for detecting pressure and vibration for outdoor use that requires such arrangement conditions and characteristics. Specifically, sensors are installed on devices and parts that require opening and closing, such as car sliding doors, hatchback doors, trunks, and power windows, and they are installed on car door handles to control door unlocking. Touch sensor.
また、介護用ベッドなどに使用される体動センサは大面積の検知を確保する必要があるが、本発明のケーブル状圧電素子は、ベッドの上に蛇行させて配設することにより大面積の検知を可能とすることができ、さらに、失禁や汗などの多湿環境や衛生保持のための洗濯などの使用状況も考慮すると介護ベッド用の体動センサとしても最適な構成である。 In addition, body motion sensors used for nursing beds and the like need to ensure a large area detection, but the cable-like piezoelectric element of the present invention has a large area by being meandered on the bed. In addition, it can be detected, and it is an optimum configuration as a body motion sensor for a nursing bed in consideration of usage conditions such as a humid environment such as incontinence and sweat and washing for hygiene maintenance.
また、屋外でもマンションや戸建てにおけるベランダの手すりや玄関のドアに配置して外部からの侵入を検知するセンサなど感圧センサとして利用することができる。この場合も屋外であるのでケーブル状圧電素子が高温多湿環境に暴露されるが、このような環境下でも安定した圧電特性を維持することができるので誤動作が防止でき、防犯用センサとしても十分使用することができる。 In addition, it can be used as a pressure-sensitive sensor such as a sensor for detecting an intrusion from the outside by placing it on a handrail of a veranda or an entrance door in an apartment or a detached house. In this case as well, the cable-shaped piezoelectric element is exposed to high-temperature and high-humidity environments because it is outdoors, but because it can maintain stable piezoelectric characteristics even in such an environment, malfunctions can be prevented and it can be used as a security sensor. can do.
また、本発明の製造方法で作製されたケーブル状の圧電素子は、ベッドの上に蛇行させて配設することにより大面積の検知が可能であり、介護用ベッドの体動センサとしても最適な構成である。 In addition, the cable-shaped piezoelectric element produced by the manufacturing method of the present invention can detect a large area by being meandered on the bed, and is optimal as a body motion sensor for a nursing bed. It is a configuration.
(実施例1)
撥水材料を被覆した圧電セラミック粉末3の撥水効果を調べるため、圧電セラミック粉末として平均粒径が約1μmのチタン酸ビスマス・ナトリウムとチタン酸バリウムの固溶体である(Bi1/2Na1/2)0.85Ba0.15TiO3と以下の各種水材料を用い、被覆層5を形成した圧電セラミック粉末3を作製した。
(Example 1)
In order to investigate the water-repellent effect of the piezoelectric ceramic powder 3 coated with the water-repellent material, the piezoelectric ceramic powder is a solid solution of bismuth sodium titanate and barium titanate having an average particle diameter of about 1 μm (Bi 1/2 Na 1 / 2 ) Piezoelectric ceramic powder 3 on which
次に、ガラス板の上に各種撥水材料による第1の被覆層を形成した圧電セラミック粉末3の膜を形成し、この膜の上に蒸留水を滴下することによってできた水玉の接触角を測定した。接触角の測定は協和界面科学社製の接触角計CA−DT型を用いた。なお、比較のため、圧電セラミック粉末のみのものについても接触角を測定している。 Next, a film of piezoelectric ceramic powder 3 in which a first coating layer made of various water repellent materials is formed on a glass plate, and the contact angle of polka dots formed by dropping distilled water on the film is determined. It was measured. The contact angle was measured using a contact angle meter CA-DT type manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd. For comparison, the contact angle is measured only for the piezoelectric ceramic powder.
測定に用いた撥水材料名と接触角の測定結果を(表1)に示す。 Table 1 shows the names of the water-repellent materials used for the measurement and the measurement results of the contact angle.
この結果より明らかなように、撥水材料による第1の被覆層を形成した圧電セラミック粉末3は大きな接触角を示すことがわかり、この大きな接触角を有することが圧電素子を構成する可撓性感圧体1への水の浸透を抑制する効果を発現させると考えられる。
As is clear from this result, it can be seen that the piezoelectric ceramic powder 3 formed with the first coating layer of the water repellent material exhibits a large contact angle, and this large contact angle has a flexible feeling that constitutes the piezoelectric element. It is considered that the effect of suppressing the penetration of water into the
(実施例2)
圧電セラミック粉末3として平均粒径が約1μmのチタン酸ビスマス・ナトリウムとチタン酸バリウムの固溶体である(Bi1/2Na1/2)0.85Ba0.15TiO3と平均粒子系が約1μmのチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体であるPb(Zr・Ti)O3を用い、撥水材料としてオレイン酸カルシウム(脂肪酸塩)とヘプタデカフルオロデシルトリクロロシラン(シラン化合物)を用い、実施例1と同様の方法で各圧電セラミック粉末3の表面に前述の撥水材料の被覆層5を形成し、撥水処理された圧電セラミック粉末3を製造した。
(Example 2)
The piezoelectric ceramic powder 3 is a solid solution of bismuth sodium titanate and barium titanate having an average particle size of about 1 μm (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 and an average particle system of about Using Pb (Zr · Ti) O 3 , a solid solution of 1 μm lead titanate and lead zirconate, using calcium oleate (fatty acid salt) and heptadecafluorodecyltrichlorosilane (silane compound) as water repellent materials The water-repellent-treated piezoelectric ceramic powder 3 was manufactured by forming the
次に、被覆層5が形成された圧電セラミック粉末3を水の入った容器に漬浸し、撹拌しながら圧電セラミック粉末3及び被覆層5に含まれる残留する金属元素を含む化合物から金属元素を溶出させる洗浄処理を行った。必要に応じてこの洗浄処理を数回繰り返し、乾燥処理を行い、残留する金属元素を除去した圧電セラミック粉末3を作製する。
Next, the piezoelectric ceramic powder 3 on which the
次に、撥水処理された圧電セラミック粉末3が約60体積%、可撓性を有する有機高分子4である塩素化ポリエチレンが約35体積%となるようにロール機で混練し、可撓性感圧体1のシートを作製し、ペレタイザーでペレットを製造した。
Next, the water-repellent piezoceramic powder 3 is kneaded with a roll machine so that the volume of the piezoceramic powder 3 is about 60% by volume and the
この可撓性感圧体1のペレットを用い、直径0.45mmの多数のポリエステル繊維の収束線に銅箔を巻回したものを芯電極とし、押出成型機を用いて芯電極の周囲に可撓性感圧体1を厚さ約0.6mmとなるように被覆処理した。
Using the flexible pressure-
次に、幅3mm、厚さ12μmのポリエチレンテレフタレ−トの高分子フィルムの両面に幅3mm、厚さ10μmのアルミニウム箔を接着した導電性フィルムを芯電極に被覆した可撓性感圧体1の表面に導電性フィルムの一部が重なるように巻回して外電極とした。さらに、外電極の周囲に押出成型機を用いてオレフィン系熱可塑性エラストマーを厚さ約0.5mmとなるように保護層を被覆処理し、ケーブル状圧電素子を製造し、圧電性を発現させるために100℃の空気中で芯電極と外電極に5kV/mmの直流電圧を印加してポーリング処理を行った。
Next, a flexible pressure-
以上のように作製した各種のケーブル状圧電素子を有効長さが150mmとなるように調整し、実施例1と同条件の高温高湿試験を20時間実施した。試験後、常温で電気抵抗、静電容量を測定した。測定器は日置電機社製LCRハイテスタ3522を用い、1kHzの周波数で測定した。さらに、圧電特性の指標として圧電定数d33の評価を行った。測定器はピエゾテスト製ピエゾメータシステムPM−3000を用い、110Hzの周波数で測定した。 Various cable-shaped piezoelectric elements produced as described above were adjusted so that the effective length was 150 mm, and a high-temperature and high-humidity test under the same conditions as in Example 1 was performed for 20 hours. After the test, the electrical resistance and capacitance were measured at room temperature. The measuring instrument was an LCR high tester 3522 manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., and measured at a frequency of 1 kHz. Further, the piezoelectric constant d33 was evaluated as an index of piezoelectric characteristics. The measurement was performed at a frequency of 110 Hz using a piezotest piezometer system PM-3000.
なお、比較のため、圧電セラミック粉末3に被覆層5を形成後に洗浄処理をしないもの、また、被覆層5を形成せず洗浄処理もしないものについてもケーブル状圧電素子を製造し、同様に試験を実施した。
For comparison, a cable-like piezoelectric element was also manufactured for the piezoelectric ceramic powder 3 that was not subjected to the cleaning treatment after the
(表2)に高温高湿試験20時間後の電気抵抗の変化率、(表3)に高温高湿試験20時間後の静電容量の変化率、(表4)に高温高湿試験20時間後の圧電定数d33の変化率を示す。 (Table 2) shows the rate of change of electrical resistance after 20 hours of high temperature and high humidity test, (Table 3) shows the rate of change of capacitance after 20 hours of high temperature and high humidity test, and (Table 4) shows 20 hours of high temperature and high humidity test. The rate of change of the subsequent piezoelectric constant d33 is shown.
この結果より明らかなように、被覆層5形成後に洗浄処理を施した圧電セラミック粉末3を用いたケーブル状圧電素子は電気抵抗の変化、静電容量の変化、圧電定数d33の変化が小さいことがわかり、形状が異なる圧電素子でもシート状の圧電素子と同様な効果を得ることができた。
As is apparent from this result, the cable-like piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder 3 that has been subjected to the cleaning treatment after the formation of the
ケーブル状圧電素子の電気抵抗は高温高湿環境下で減少する。これは、凝縮した水が可撓性感圧体1に浸透し、圧電セラミック粉末3の成分が浸透した水に溶解することが原因と考えられる。また、電気抵抗の変化は、(Bi1/2Na1/2)0.85Ba0.15TiO3の圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子の方がPb(Zr・Ti)O3の圧電セラミック粉末3を用いたケーブル状圧電素子よりも大きい結果と示しているが、これは圧電セラミック粉末に含有するアルカリ成分が水に溶解しやすいことを示している。
The electrical resistance of the cable-like piezoelectric element decreases under a high temperature and high humidity environment. It is considered that this is because condensed water penetrates into the flexible pressure-
一方、初期の両者の固有抵抗は、Pb(Zr・Ti)O3の圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子の方が(Bi1/2Na1/2)0.85Ba0.15TiO3の圧電セラミック粉末を用いたケーブル状圧電素子よりも約2倍高いことから、(Bi1/2Na1/2)0.85Ba0.15TiO3の圧電セラミック粉末3を用いたケーブル状圧電素子は固有抵抗が低く、かつ高温高湿環境下でさらに低下することがわかる。ケーブル状圧電素子が長くなると電気抵抗がさらに低下することから、圧電素子に常に一定電圧を印加して圧力を検知する回路構成では感圧センサとして使用することができなくなる可能性があり、アルカリ成分を含む圧電セラミック粉末3を用いた長尺のケーブル状圧電素子を高温高湿環境下で使用する場合はアルカリ成分の溶出を防止するため、圧電セラミック粉末の被覆層の形成が不可欠といえる。 On the other hand, the specific resistance of both of them is (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO in the cable-like piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder of Pb (Zr · Ti) O 3. Cable-shaped piezoelectric element using piezoelectric ceramic powder 3 of (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3. It can be seen that the piezoelectric element has a low specific resistance and further decreases in a high temperature and high humidity environment. If the cable-shaped piezoelectric element becomes longer, the electrical resistance further decreases, so it may not be possible to use it as a pressure-sensitive sensor in a circuit configuration in which a constant voltage is constantly applied to the piezoelectric element to detect pressure. In the case of using a long cable-shaped piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder 3 containing in a high temperature and high humidity environment, it can be said that formation of a coating layer of the piezoelectric ceramic powder is indispensable in order to prevent elution of alkali components.
また、静電容量の変化も(Bi1/2Na1/2)0.85Ba0.15TiO3の圧電セラミック粉末の方がPb(Zr・Ti)O3の圧電セラミック粉末よりも大きい結果と示しているが、これは圧電セラミック粉末に含まれる成分の水に対する吸湿性に差があるものと考えられる。 In addition, the change in capacitance is also larger for the piezoelectric ceramic powder of (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 than for the piezoelectric ceramic powder of Pb (Zr · Ti) O 3. However, it is considered that there is a difference in the hygroscopicity with respect to water of the components contained in the piezoelectric ceramic powder.
さらに、圧電定数d33の変化も(Bi1/2Na1/2)0.85Ba0.15TiO3の圧電セラミック粉末の方がPb(Zr・Ti)O3の圧電セラミック粉末よりも大きい結果と示しているが、これは圧電セラミック粉末3に含まれる成分の水に対する吸湿性に差があるものと考えられる。 Furthermore, the change of the piezoelectric constant d33 is also larger for the piezoelectric ceramic powder of (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 than for the piezoelectric ceramic powder of Pb (Zr · Ti) O 3. However, it is considered that there is a difference in the hygroscopicity with respect to water of the components contained in the piezoelectric ceramic powder 3.
なお、高温高湿試験を1000時間実施したが、20時間のレベルの電気抵抗、静電容量、圧電定数d33を維持しており、優れた撥水効果を有することを確認した。 The high-temperature and high-humidity test was conducted for 1000 hours, but the electrical resistance, capacitance, and piezoelectric constant d33 at the level of 20 hours were maintained, and it was confirmed that the water-repellent effect was excellent.
このように、圧電セラミック粉末3に撥水材料による被覆層5を形成後、圧電セラミック粉末3や被覆層5に含まれる未反応の金属元素の溶出させることによって、ケーブル状圧電素子の電気抵抗、静電容量、圧電定数d33ともに変化を少なくすることができることを確認した。
Thus, after forming the
(実施例3)
圧電セラミック粉末3として平均粒径が約1μmのチタン酸ビスマス・ナトリウムとチタン酸バリウムの固溶体である(Bi1/2Na1/2)0.85Ba0.15TiO3と平均粒子系が約1μmのチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体であるPb(Zr・Ti)O3の各々の圧電セラミックス粉末3を洗浄処理することによって、圧電セラミック粒子3中に残留する金属元素及び金属元素化合物から金属元素を除去した。その後、撥水材料としてオレイン酸カルシウム(脂肪酸塩)とヘプタデカフルオロデシルトリクロロシラン(シラン化合物)を用い、実施例2と同様の方法で洗浄処理された各圧電セラミック粉末3の表面に前述の撥水材料の被覆層5を形成し、撥水処理された圧電セラミック粉末3を製造した。
(Example 3)
The piezoelectric ceramic powder 3 is a solid solution of bismuth sodium titanate and barium titanate having an average particle size of about 1 μm (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 and an average particle system of about By washing each piezoelectric ceramic powder 3 of Pb (Zr · Ti) O 3 , which is a solid solution of 1 μm of lead titanate and lead zirconate, from the metal elements and metal element compounds remaining in the piezoelectric ceramic particles 3 Metal elements were removed. Thereafter, calcium oleate (fatty acid salt) and heptadecafluorodecyltrichlorosilane (silane compound) are used as the water repellent material, and the surface of each piezoelectric ceramic powder 3 washed by the same method as in Example 2 is applied to the surface. A water-based
次に、被覆層5が形成された圧電セラミック粉末3を水の入った容器に漬浸し、撹拌しながら圧電セラミック粉末3及び被覆層5に含まれる残留する金属元素を含む化合物から金属元素を溶出させる洗浄処理を行った。必要に応じてこの洗浄処理を数回繰り返し、乾燥処理を行い、残留する金属元素を除去した圧電セラミック粉末3を作製する。
Next, the piezoelectric ceramic powder 3 on which the
次に、撥水処理された圧電セラミック粉末3が約60体積%、可撓性を有する有機高分子4である塩素化ポリエチレンが約35体積%となるようにロール機で混練し、可撓性感圧体1のシートを作製し、ペレタイザーでペレットを製造した。
Next, the water-repellent piezoceramic powder 3 is kneaded with a roll machine so that the volume of the piezoceramic powder 3 is about 60% by volume and the
この可撓性感圧体1のペレットを用い、直径0.45mmの多数のポリエステル繊維の収束線に銅箔を巻回したものを芯電極とし、押出成型機を用いて芯電極の周囲に可撓性感圧体1を厚さ約0.6mmとなるように被覆処理した。
Using the flexible pressure-
次に、幅3mm、厚さ12μmのポリエチレンテレフタレ−トの高分子フィルムの両面に幅3mm、厚さ10μmのアルミニウム箔を接着した導電性フィルムを芯電極に被覆した可撓性感圧体1の表面に導電性フィルムの一部が重なるように巻回して外電極とした。さらに、外電極の周囲に押出成型機を用いてオレフィン系熱可塑性エラストマーを厚さ約0.5mmとなるように保護層を被覆処理し、ケーブル状圧電素子を製造し、圧電性を発現させるために100℃の空気中で芯電極と外電極に5kV/mmの直流電圧を印加してポーリング処理を行った。
Next, a flexible pressure-
以上のように作製した各種のケーブル状圧電素子を有効長さが150mmとなるように調整し、実施例1及び2と同条件の高温高湿試験を20時間実施した。試験後、常温で電気抵抗、静電容量を測定した。測定器は日置電機社製LCRハイテスタ3522を用い、1kHzの周波数で測定した。さらに、圧電特性の指標として圧電定数d33の評価を行った。測定器はピエゾテスト製ピエゾメータシステムPM−3000を用い、110Hzの周波数で測定した。 Various cable-shaped piezoelectric elements produced as described above were adjusted to have an effective length of 150 mm, and a high temperature and high humidity test under the same conditions as in Examples 1 and 2 was performed for 20 hours. After the test, the electrical resistance and capacitance were measured at room temperature. The measuring instrument was an LCR high tester 3522 manufactured by Hioki Electric Co., Ltd., and measured at a frequency of 1 kHz. Further, the piezoelectric constant d33 was evaluated as an index of piezoelectric characteristics. The measurement was performed at a frequency of 110 Hz using a piezotest piezometer system PM-3000.
(表5)に高温高湿試験20時間後の電気抵抗の変化率、(表6)に高温高湿試験20時間後の静電容量の変化率、(表7)に高温高湿試験20時間後の圧電定数d33の変化率を示す。 (Table 5) shows the rate of change in electrical resistance after 20 hours of high-temperature and high-humidity test, (Table 6) shows the rate of change of capacitance after 20 hours of high-temperature and high-humidity test, and (Table 7) shows 20 hours of high-temperature and high-humidity test. The rate of change of the subsequent piezoelectric constant d33 is shown.
この結果より明らかなように、被覆層5の形成前後に洗浄処理を施した圧電セラミック粉末3を用いたケーブル状圧電素子は電気抵抗の変化、静電容量の変化、圧電定数d33の変化が小さいことがわかり、形状が異なる圧電素子でもシート状の圧電素子と同様な効果を得ることができた。
As is clear from this result, the cable-like piezoelectric element using the piezoelectric ceramic powder 3 subjected to the cleaning treatment before and after the formation of the
なお、高温高湿試験を1000時間実施したが、20時間のレベルの電気抵抗、静電容量、圧電定数d33を維持しており、優れた撥水効果を有することを確認した。 The high-temperature and high-humidity test was conducted for 1000 hours, but the electrical resistance, capacitance, and piezoelectric constant d33 at the level of 20 hours were maintained, and it was confirmed that the water-repellent effect was excellent.
(実施例4)
圧電セラミック粉末3として平均粒径が約1μmのチタン酸ビスマス・ナトリウムとチタン酸バリウムの固溶体である(Bi1/2Na1/2)0.85Ba0.15TiO3を用い、撥水材料としてオレイン酸カルシウム(脂肪酸塩)とヘプタデカフルオロデシルトリクロロシラン(シラン化合物)を用い、実施例1と同様の方法で各圧電セラミック粉末3の表面に前述の撥水材料の被覆層5を形成し、撥水処理された圧電セラミック粉末3を製造した。
Example 4
The piezoelectric ceramic powder 3 is a water-repellent material using (Bi 1/2 Na 1/2 ) 0.85 Ba 0.15 TiO 3 which is a solid solution of bismuth sodium titanate and barium titanate having an average particle diameter of about 1 μm. Calcium oleate (fatty acid salt) and heptadecafluorodecyltrichlorosilane (silane compound) are used as the
次に、被覆層5が形成された圧電セラミック粉末3を水の入った容器に漬浸し、撹拌しながら圧電セラミック粉末3及び被覆層5に含まれる残留する金属元素を含む化合物から金属元素を溶出させる洗浄処理を行った。さらに乾燥処理を行い、残留する金属元素を除去した圧電セラミック粉末3を作製する。
Next, the piezoelectric ceramic powder 3 on which the
この時、洗浄処理を水、温水、酸性水で行い、洗浄後の圧電セラミックス粉末3を蒸留水またはイオン交換水で煮沸処理し、煮沸溶液のナトリウムイオン濃度を測定した結果を(表8)に示す。 At this time, the washing treatment is performed with water, warm water, and acidic water, and the washed piezoelectric ceramic powder 3 is boiled with distilled water or ion-exchanged water, and the sodium ion concentration of the boiling solution is measured (Table 8). Show.
この結果より明らかなように、洗浄に用いる水を温水あるいは酸性水にすることによって、残留する金属元素を含む化合物から金属元素の溶出を促進させることができ、短時間で高い除去効率を実現することができることが確認できた。 As is clear from this result, elution of the metal element from the compound containing the remaining metal element can be promoted by using warm water or acidic water for cleaning, and high removal efficiency is realized in a short time. It was confirmed that it was possible.
以上のように、本発明にかかる圧電素子は、高温高湿環境下で使用されても可撓性感圧体1の水の吸収を抑制することができるので初期の電気的特性、圧電特性、機械的引っ張り強度の変化を防止することができ、優れた耐久性、信頼性を実現することができるものである。したがって、高温高湿環境が起こり得る自動車のドアやウィンドウの挟み込みを防止する感圧センサや介護ベッドで人の体動を検知して在床を判断する圧力検出装置など幅広い用途に適用できるものである。
As described above, since the piezoelectric element according to the present invention can suppress the water absorption of the flexible pressure-
1 可撓性感圧体
2A 第1電極
2B 第2電極
3 圧電セラミック粉末
4 有機高分子
5 被覆層
6 芯電極
7 外電極
8 保護層
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