JP6275018B2 - 圧電材とその製造方法、接触検出装置、荷重検出装置及び異常状態検出装置 - Google Patents
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Description
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項1の発明は、図1〜図3に示すように、複数の圧電粒子(2)が母材(3)中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する圧電材であって、前記荷重が作用する圧電粒子が前記母材の表面(3a)から突出しており、圧電材を所定の形状に成形するための成形型(5)の容積に対する前記圧電粒子及び未硬化の前記母材の合計の充填量である充填率が77〜92%であり、前記圧電粒子と前記母材とが接触する面積である接触面積割合が30〜60%の範囲内であることを特徴とする圧電材(1)である。
以下、図面を参照して、この発明の第1実施形態について詳しく説明する。
図1〜図3に示す圧電材1は、複数の圧電粒子2が母材3中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する部材である。圧電材1は、圧電性能及び耐荷重性が向上するように、圧電粒子2が母材表面3aから突出するように母材3中に配列されている突出配向型の複合圧電材料である。圧電材1は、図4に示すように、母材3に加わる電界Eの方向と複数の圧電粒子2の分極方向とが同一になるように、この電界Eの方向にこれらの圧電粒子2が連続して配列されている。圧電材1は、例えば、図2に示すように、所定の直径及び厚さに形成された円板状の部材であり、シリコーンゴムなどの母材3内にチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電粒子2が厚さ方向に連続して配列された圧電ゴムの一種である。圧電材1は、図1〜図3に示すように、圧電粒子2と母材3などを備えている。
図4に示す電極4A,4Bは、圧電材1に電気的に接続された接点部分である。電極4A,4Bは、圧電粒子2と接触するように圧電材1の両面にそれぞれ積層されており、圧電材1の両面全域を被覆するように接合されている。電極4A,4Bは、例えば、互いに平行になるように圧電材1の両面に導電性材料を加硫接着して形成されたり、金属、金属酸化物又はカーボンなどの導電性材料を蒸着、シルクスクリーン印刷又はイオンスパッタリングなどの方法によって圧電材1の両面に形成されたり、導電性材料を含有する樹脂又は導電性高分子などの導電性樹脂を圧電材1の両面に多層化して形成されたりする。
図5及び図6に示す製造方法#100は、複数の圧電粒子2が母材3中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する圧電材1の製造方法である。製造方法#100では、図2(B)及び図3に示すように、母材表面3aから圧電粒子2が突出するように圧電材1を製造する。製造方法#100は、図5に示すように、分散工程#200と硬化工程#300などを含む。
(1) この第1実施形態では、荷重が作用する圧電粒子2が母材表面3aから突出している。このため、母材表面3aから圧電粒子2を突起状に突出させて、母材3中に配列されている複数の圧電粒子2に加わる力を大きくすることができる。その結果、母材表面3aから突出した圧電粒子2に荷重を作用させることによって、母材3中に配列されている複数の圧電粒子2に荷重を集中して作用させ、圧電性能を向上させることができる。また、母材3に柔らかい材料を選択する必要がなくなって、母材3として利用できる材料の選択の幅を広げることができる。さらに、圧電材1に荷重が加わったときにこの荷重を母材3に負担させずに、母材3中に配列している複数の圧電粒子2に荷重を負担させることができ、耐荷重性を向上させることができる。
以下では、図1〜図4に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付した詳細な説明を省略する。
図8に示す接触検出装置7は、検出対象物8との接触を検出する装置である。接触検出装置7は、検出対象物8との接触の有無を検知するセンサとして機能する。接触検出装置7は、図1〜図3に示す圧電材1と、図8に示す接触判定部10と、判定結果送信部11などを備えている。圧電材1は、この圧電材1と検出対象物8とが接触することによってこの圧電材1に発生する機械的な振動を電気信号に変換する機械電気変換部として機能する。圧電材1は、検出対象物8と接触したときに電力を発生し、この電力に応じた接触検出信号(電気信号)を電極4A,4Bから接触判定部10に出力する。圧電材1は、電極4A,4Bと、保護部9などを備えている。検出対象物8は、接触検出装置7によって圧電材1との接触の有無が検出される対象物である。
図中矢印方向に検出対象物8が移動して圧電材1に接触すると、母材3中に配列している圧電粒子2に荷重が作用し、圧電粒子2が電気分極して電界Eを発生し、電極4A,4B間に電力が発生する。その結果、電極4A,4B間に発生する電力が電気信号として接触判定部10に出力されて、接触判定部10がこの電力が所定値を超えるか否かを判定する。圧電材1が発生する電力が所定値を超えていると接触判定部10が判定したときには、接触判定部10が判定結果送信部11に判定結果信号を出力する。その結果、判定結果送信部11から外部機器に判定結果信号が送信されて、検出対象物8が圧電材1と接触したことがこの外部機器によって告知される。
この第2実施形態では、検出対象物8と接触したときに圧電材1が電力を発生する。このため、力に対して大きな電気信号を発生する圧電材1によって、圧電材1と検出対象物8との接触の有無を簡単に検出することができる。その結果、圧電材料として従来適用ができなかった箇所で、異物との接触を検知するセンサとして圧電材1を利用することができる。
図9に示す荷重検出装置12は、荷重Fを検出する装置である。荷重検出装置12は、圧電材1に作用する荷重Fを検知するセンサとして機能する。荷重検出装置12は、図1〜図3に示す圧電材1などを備えている。圧電材1は、この圧電材1に作用する荷重Fに応じて電力を発生する。圧電材1は、この圧電材1に荷重Fが作用することによってこの圧電材1に発生する機械的な振動を電気信号に変換する機械電気変換部として機能する。圧電材1は、荷重Fが作用したときに発生する電力に応じた荷重検出信号(電気信号)を電極4A,4Bから出力する。
図中矢印方向に荷重Fが圧電材1に作用すると、母材3中に配列している圧電粒子2が電気分極して電界Eを発生し、圧電材1に作用する荷重Fに応じて電極4A,4B間に電力が発生する。その結果、電極4A,4B間に発生する電力が電気信号として出力されて、圧電材1に作用する荷重Fが検出される。
この第3実施形態では、圧電材1に作用する荷重Fに応じてこの圧電材1が電力を発生する。このため、力に対して大きな電気信号を発生する圧電材1によって、圧電材1に作用する荷重Fを簡単に検出することができる。
図10〜図12に示す異常状態検出装置13は、検出対象物14の異常状態を検出する装置である。異常状態検出装置13は、検出対象物14の振動の状態を検知するセンサとして機能する。異常状態検出装置13は、図1〜図3に示す圧電材1と、図10〜図12に示す異常状態判定部16と、判定結果送信部17などを備えている。圧電材1は、検出対象物14を支持することによってこの圧電材1に発生する機械的な振動を電気信号に変換する機械電気変換部として機能する。圧電材1は、検出対象物14の振動によって電力を発生し、この電力に応じた振動検出信号(電気信号)を電極4A,4Bから異常状態判定部16に出力する。圧電材1は、電極4A,4Bと、保護部9などを備えており、図10及び図12に示すように、検出対象物14、支持部15及び圧電材1から加わる力を地盤に伝達する基礎Bと支持部15との間に挟み込まれており、図10及び図11に示すように支持部15の底面の角部をそれぞれ支持するように合計4個配置されている。図10及び図12に示す検出対象物14は、異常状態検出装置13によって異常状態の有無が検出される対象物である。検出対象物14は、例えば、圧縮装置、空調装置、発電装置又は冷凍装置のような動作するときに振動を発生する振動体である。図10〜図12に示す支持部15は、検出対象物14を支持する部分である。支持部15は、図11に示すように、平面形状が四角形の板状部材であり、図10及び図11に示すように検出対象物14の底面を支持した状態で圧電材1によって支持されている。
図10及び図12に示す検出対象物14が動作して振動が発生すると、この振動が支持部15を通じて圧電材1に伝達する。このため、図1〜図3に示す母材3中に配列している圧電粒子2に荷重が作用し、圧電粒子2が電気分極して電界Eを発生し、電極4A,4B間に電力が発生する。その結果、電極4A,4B間に発生する電力が電気信号として異常状態判定部16に出力されて、異常状態判定部16がこの電力が所定値を超えるか否かを判定する。圧電材1が発生する電力が所定値を超えていると異常状態判定部16が判定したときには、異常状態判定部16が判定結果送信部17に判定結果信号を出力する。その結果、判定結果送信部17から外部機器に判定結果信号が送信されて、検出対象物14が通常状態から異常状態に変化したことがこの外部機器によって告知される。
この第4実施形態では、検出対象物14の振動に応じて圧電材1が発生する電力に基づいて、検出対象物14の異常状態を異常状態判定部16が判定する。このため、力に対して大きな電気信号を発生する圧電材1によって検出対象物14の振動を検出して、検出対象物14の異常状態を正確に判定することができる。また、母材3との接触面積が少なくなるため、圧電材1のばね定数が低くなり防振材料としての使用が期待でき、母材3によって検出対象物14から基礎Bに伝わる振動を低減することができる。
図13(A)に示す横軸は、充填率(%)であり、縦軸は接触面積割合(%)である。ここで、充填率は、図6に示す成形型5の容積に対する圧電粒子2及び未硬化の母材3の合計の充填量である。接触面積割合は、図2(B)に示す圧電粒子2及び母材3の両方が接触している面積である。接触面積割合は、力が加わった箇所が変色する圧力測定フィルム(富士フィルム株式会社製 商品名:プレスケール超低圧用LLW)によって測定した。図13(B)に示す横軸は、接触面積割合(%)であり、縦軸は圧電ひずみ定数d33(pC/N)である。ここで、圧電ひずみ定数d33の添字は、力の入力及び分極方向がともに3軸(鉛直方向)であることを示す。圧電ひずみ定数d33は、高周波動特性測定装置(株式会社鷺宮製作所製 KC-V-2)を用いて、試料に2kN±1kNの荷重を周波数100 Hzで印加することによって測定した。
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、圧電材1の一方の母材表面3aから圧電粒子2を突出させる場合を例に挙げて説明したが、圧電材1の他方の母材表面3bから圧電粒子2を突出させたり、圧電材1の両方の母材表面3a,3bから圧電粒子2を突出させたりすることもできる。また、この実施形態では、硬化前の母材3が流体又は粘性体などの液体である場合を例に挙げて説明したが、母材3が流体及び粘性体の混合物である場合についてもこの発明を適用することができる。
2 圧電粒子
2a 粒子表面
2b 粒子端面
3 母材
3a,3b 母材表面
4A,4B 電極
5 成形型
5A〜5C 金型
5a 電極部
5b 絶縁部
6 加熱装置
7 接触検出装置
8 検出対象物
9 保護部
10 接触判定部
11 判定結果送信部
12 荷重検出装置
13 異常状態判定装置
14 検出対象物
15 支持部
16 異常状態判定部
17 判定結果送信部
E 電界
V1 交流電源
V2 直流電源
R 抵抗
Δ 隙間
F 荷重
Claims (9)
- 複数の圧電粒子が母材中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する圧電材であって、
前記荷重が作用する圧電粒子が前記母材の表面から突出しており、
圧電材を所定の形状に成形するための成形型の容積に対する前記圧電粒子及び未硬化の前記母材の合計の充填量である充填率が77〜92%であり、
前記圧電粒子と前記母材とが接触する面積である接触面積割合が30〜60%の範囲内であること、
を特徴とする圧電材。 - 請求項1に記載の圧電材において、
前記母材の表面から突出する圧電粒子の表面の一部がこの母材によって保持されていること、
を特徴とする圧電材。 - 請求項1又は請求項2に記載の圧電材において、
前記母材の表面から前記圧電粒子が所定のパターンで突出していること、
を特徴とする圧電材。 - 複数の圧電粒子が母材中に所定の方向に配列されており、この所定の方向に荷重が作用するときに電力を発生する圧電材の製造方法であって、
成形型との間に所定の隙間が形成されるように、前記複数の圧電粒子及び未硬化の母材をこの成形型内に充填する充填工程と、
前記荷重が作用する圧電粒子が前記母材の表面から前記隙間内に突出するように、前記複数の圧電粒子を前記未硬化の母材中に所定の方向に配列させて、この未硬化の母材を硬化させる硬化工程と、
を含む圧電材の製造方法。 - 請求項4に記載の圧電材の製造方法において、
前記硬化工程は、前記母材の表面から突出する圧電粒子の表面の一部がこの母材によって保持されるように、前記未硬化の母材を硬化させる工程を含むこと、
を特徴とする圧電材の製造方法。 - 請求項4又は請求項5に記載の圧電材の製造方法において、
前記硬化工程は、前記母材の表面から前記圧電粒子が所定のパターンで突出するように、前記未硬化の母材を硬化させる工程を含むこと、
を特徴とする圧電材の製造方法。 - 検出対象物との接触を検出する接触検出装置であって、
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の圧電材を備え、
前記圧電材は、前記検出対象物と接触したときに電力を発生すること、
を特徴とする接触検出装置。 - 荷重を検出する荷重検出装置であって、
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の圧電材を備え、
前記圧電材は、この圧電材に作用する荷重に応じて電力を発生すること、
を特徴とする荷重検出装置。 - 検出対象物の異常状態を検出する異常状態検出装置であって、
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の圧電材と、
前記検出対象物の振動に応じて前記圧電材が発生する電力に基づいて、前記検出対象物の異常状態を判定する異常状態判定部と、
を備える異常状態検出装置。
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