(57)【要約】【課題】  本発明は、低い圧力の押圧力対しても優れた圧電性を示すエレクトレットシート及びこのエレクトレットシートを用いた圧電センサを提供する。【解決手段】  本発明のエレクトレットシートは、フッ素系樹脂を含む合成樹脂を含有し且つ帯電された発泡シートを含むことを特徴とするので、低い圧力の押圧力に対しても優れた圧電性を示す。従って、本発明のエレクトレットシートを用いた圧電センサは、小さな圧力によっても優れた感度を有し、脈波や呼吸などの微弱な押圧力に対しても優れた応答性を有し、生体信号を精度良く検知することができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素系樹脂を含む合成樹脂を含有し且つ帯電された発泡シートを含むことを特徴とするエレクトレットシート。
【請求項２】
フッ素系樹脂がポリフッ化ビニリデンであることを特徴とする請求項１に記載のエレクトレットシート。
【請求項３】
合成樹脂がオレフィン系樹脂を更に含有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエレクトレットシート。
【請求項４】
合成樹脂中におけるフッ素系樹脂の含有量が２０〜８０質量％であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のエレクトレットシート。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載のエレクトレットシートと、上記エレクトレットシートの第一の面に積層されたシグナル電極と、上記エレクトレットシートの第二の面に積層されたグランド電極とを含むことを特徴とする圧電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトレットシート及び圧電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトレットシートは絶縁性の高分子材料に電荷を注入することにより、内部に永久帯電を付与した材料である。
【０００３】
合成樹脂製の発泡シートは気泡を形成している気泡膜及びこの近傍部を帯電させることによってセラミックスに匹敵する非常に高い圧電性を示すことが知られている。このような合成樹脂製の発泡シートを用いたエレクトレットは、その優れた感度を利用して音響ピックアップや各種圧力センサなどへの応用が提案されている。
【０００４】
エレクトレットシートとして、特許文献１には、塩素化ポリオレフィンが付与されているシートであって、かつ、該シートが１×１０-10クーロン／ｃｍ2以上の表面電荷密度を有するエレクトレットシートが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２８４０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のエレクトレットシートは、低い圧力の押圧力に対して圧電性が低いという問題点を有している。
【０００７】
本発明は、低い圧力の押圧力対しても優れた圧電性を示すエレクトレットシート及びこのエレクトレットシートを用いた圧電センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のエレクトレットシートは、フッ素系樹脂を含む合成樹脂を含有し且つ帯電された発泡シートを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のエレクトレットシートは、上述の如き構成を有していることから、低い圧力の押圧力に対しても優れた圧電性を示す。従って、本発明のエレクトレットシートを用いた圧電センサは、小さな圧力によっても優れた感度を有し、脈波や呼吸などの微弱な押圧力に対しても優れた応答性を有し、生体信号を精度良く検知することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のエレクトレットシートは、フッ素系樹脂を含む合成樹脂を含有し且つ帯電された発泡シートを含む。
【００１１】
発泡シートを構成している合成樹脂はフッ素系樹脂を含む。フッ素系樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリテトラフルオロエチレン−ヘキシルフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などが挙げられ、ポリフッ化ビニリデンが好ましい。
【００１２】
合成樹脂はオレフィン系樹脂を更に含むことが好ましい。オレフィン系樹脂としては、例えば、エチレン系樹脂、プロピレン系樹脂などが挙げられる。
【００１３】
エチレン系樹脂としては、エチレン単独重合体、又は、エチレン成分を５０質量％を超えて含有するエチレンと少なくとも１種の炭素数が３〜２０のα―オレフィンとの共重合体を挙げることができる。エチレン単独重合体としては、高圧下でラジカル重合させた低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、中低圧で触媒存在下で重合させた中低圧法高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）などを挙げることができる。エチレンとα−オレフィンを共重合させることで直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）を得ることができ、α―オレフィンとしては、プロピレン、１−ブテン、１−ペンテン、１−ヘキセン、４−メチル−１−ペンテン、１−オクテン、１−ノネン、１−デセン、１−テトラデセン、１−ヘキサデセン、１−オクタデセン、１−エイコセンなどが挙げられ、炭素数が４〜１０のα−オレフィンが好ましい。なお、直鎖状低密度ポリエチレン中におけるα−オレフィンの含有量は通常、１〜１５質量％である。
【００１４】
プロピレン系樹脂としては、プロピレン成分を５０質量％を超えて含有しておれば、特に限定されず、例えば、プロピレン単独重合体（ホモポリプロピレン）、プロピレンと少なくとも１種のプロピレン以外の炭素数が２０以下のオレフィンとの共重合体などが挙げられる。なお、ポリプロピレン系樹脂は単独で用いられても二種以上が併用されてもよい。又、プロピレンと少なくとも１種のプロピレン以外の炭素数が２０以下のオレフィンとの共重合体は、ブロック共重合体、ランダム共重合体の何れであってもよい。
【００１５】
なお、プロピレンと共重合されるα−オレフィンとしては、例えば、エチレン、１−ブテン、１−ペンテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキセン、１−オクテン、１−ノネン、１−デセン、１−テトラデセン、１−ヘキサデセン、１−オクタデセン、１−エイコセンなどが挙げられる。
【００１６】
合成樹脂中におけるフッ素系樹脂の含有量は２０〜８０質量％が好ましく、４０〜６０質量％がより好ましい。フッ素系樹脂の含有量が２０質量％以上であると、低い圧力の押圧力に対してエレクトレットシートは優れた圧電性を有する。フッ素系樹脂の含有量が８０質量％以下であると、発泡シートの気泡径が均一となり、低い圧力の押圧力に対してエレクトレットシートは優れた圧電性を有する。
【００１７】
発泡シートの発泡倍率は２〜１５倍が好ましく、２〜１０倍がより好ましく、２〜７倍が特に好ましい。発泡シートの発泡倍率が２倍以上であると、エレクトレットシートの柔軟性が向上し、圧力に対する変形度合いが大きくなり、エレクトレットシートは、圧力の低い押圧力に対して優れた圧電性を示す。発泡シートの発泡倍率が１５倍以下であると、エレクトレットシートに高い圧力が加えられてもエレクトレットシートの圧電性が良好に維持されるので好ましい。なお、発泡シートの発泡倍率は、発泡シートを構成している合成樹脂全体の密度を発泡シートの密度で除した値をいう。
【００１８】
発泡シートの厚みは、１０〜３００μｍが好ましく、３０〜２５０μｍがより好ましく、３０〜２００μｍが特に好ましい。発泡シートの厚みが１０μｍ以上であると、厚み方向の気泡数を確保することができ、エレクトレットシートの圧電性が向上し好ましい。発泡シートの厚みが３００μｍ以下であると、エレクトレットシートの気泡壁に分極状態で効果的に帯電させることができ、エレクトレットシートの圧電性の安定性が向上し好ましい。
【００１９】
発泡シートは帯電されている。即ち、発泡シートに電荷を注入して帯電させることによってエレクトレットシートが構成されている。発泡シートを帯電させる方法としては、特に限定されず、例えば、発泡シートに直流電解を加える方法などが挙げられる。
【００２０】
発泡シートに直流電界を加える方法としては、特に限定されず、例えば、（１）発泡シートを一対の平板電極で挟持し、帯電させたい表面に接触させている平板電極を高圧直流電源に接続すると共に他方の平板電極をアースし、発泡シートに直流又はパルス状の高電圧を印加して合成樹脂に電荷を注入して発泡シートを帯電させる方法、（２）発泡シートの第一の面に、アースされた平板電極を密着状態に重ね合わせ、発泡シートの第二の面側に所定間隔を存して直流の高圧電源に電気的に接続された針状電極又はワイヤー電極を配設し、針状電極の先端又はワイヤー電極の表面近傍への電界集中によりコロナ放電を発生させ、空気分子をイオン化させて、針状電極又はワイヤー電極の極性により発生した空気イオンを反発させて発泡シートを帯電させる方法などが挙げられる。
【００２１】
発泡シートに直流電界を加える時の直流処理電圧の絶対値は、５〜４０ｋＶが好ましく、１０〜３０ｋＶがより好ましい。直流処理電圧を上記範囲に調整することによって、得られるエレクトレットシートの高温における圧電性の保持性が向上する。
【００２２】
エレクトレットシートの第一の面にシグナル電極を積層一体化し且つ第二の面にグランド電極を積層一体化することによって圧電センサが構成される。そして、グランド電極を基準電極としてシグナル電極の電位を測定することによって、圧電センサのエレクトレットシートにて発生した電位を測定することができる。
【００２３】
シグナル電極は、エレクトレットシートの第一の面に必要に応じて固定剤を介して積層一体化されている。同様に、グランド電極は、エレクトレットシートの第二の面に必要に応じて固定剤を介して積層一体化されている。なお、シグナル電極及びグランド電極としては、導電性を有しておれば、特に限定されず、例えば、銅箔、アルミニウム箔などの金属シート、導電性膜などが挙げられる。
【００２４】
シグナル電極及びグランド電極を導電性膜で構成する場合、導電性膜は、電気絶縁シート上に形成された上で、エレクトレットシート上に積層一体化されもよいし、又は、エレクトレットシートの表面に直接、形成されてもよい。電気絶縁シート又はエレクトレットシート上に導電性膜を形成する方法としては、例えば、（１）電気絶縁シート又はエレクトレットシート上に、バインダー中に導電性微粒子を含有させてなる導電ペーストを塗布、乾燥させる方法、（２）電気絶縁シート又はエレクトレットシート上に蒸着によって電極を形成する方法などが挙げられる。
【００２５】
電気絶縁シートとしては、電気絶縁性を有しておれば、特に限定されず、例えば、ポリイミドシート、ポリエチレンテレフタレートシート、ポリエチレンナフタレートシート、ポリ塩化ビニルシートなどが挙げられる。
【００２６】
固定剤層を構成している固定剤は、反応系・溶剤系・水系・ホットメルト系の接着剤又は粘着剤から構成されており、エレクトレットシートの感度を維持する観点から、誘電率の低い固定剤が好ましい。
【実施例】
【００２７】
次に本発明の実施例を説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００２８】
（実施例１〜５）
ポリフッ化ビニリデン（クレハ社製  商品名「ＫＦポリマー  Ｗ＃１１００」）、プロピレン−エチレンランダム共重合体（日本ポリプロ社製  商品名「ノバテックＥＧ８Ｂ」、エチレン単位の含有量：５質量％）、アゾジカルボンアミド、トリメチロールプロパントリメタクリレート及びフェノール系酸化防止剤を表１に示した所定量ずつ押出機に供給して溶融混練してＴダイからシート状に押出し、厚みが１８０μｍである発泡性樹脂シートを製造した。発泡性樹脂シートを一辺が３０ｃｍの平面正方形状に切り出した。
【００２９】
得られた発泡性樹脂シートの両面に電子線を加速電圧３００ｋＶ及び強度２５ｋＧｙの条件にて照射し、発泡性樹脂シートを構成している合成樹脂を架橋した。発泡性樹脂シートを２５０℃に加熱して発泡性樹脂シートを発泡させて発泡シートを得た。なお、発泡シートの発泡倍率及び厚みを表１に示した。
【００３０】
発泡シートの第一の面に、アースされた平板電極を密着状態に重ね合わせ、発泡シートの第二の面側に所定間隔を存して直流の高圧電源に電気的に接続された針状電極を配設し、針状電極の表面近傍への電界集中により、電圧−２０ｋＶ、放電距離１０ｍｍ及び電圧印可時間１分の条件下にてコロナ放電を発生させ、空気分子をイオン化させて、針状電極の極性により発生した空気イオンを反発させて発泡シートに直流電界を加えて電荷を注入して発泡シートを全体的に帯電させた。その後、電荷を注入した発泡シートを、接地されたアルミニウム箔で包み込んだ状態で３時間に亘って保持してエレクトレットシートを得た。
【００３１】
（比較例１、２）
ポリフッ化ビニリデン（クレハ社製  商品名「ＫＦポリマー  Ｗ＃１１００」）、プロピレン−エチレンランダム共重合体（日本ポリプロ社製  商品名「ノバテックＥＧ８Ｂ」、エチレン単位の含有量：５質量％）及びフェノール系酸化防止剤を表１に示した所定量ずつ押出機に供給して溶融混練してＴダイからシート状に押出し、厚みが０．２ｍｍである合成樹脂シートを製造した。合成樹脂シートを一辺が３０ｃｍの平面正方形状に切り出した。
【００３２】
合成樹脂シートの第一の面に、アースされた平板電極を密着状態に重ね合わせ、合成樹脂シートの第二の面側に所定間隔を存して直流の高圧電源に電気的に接続された針状電極を配設し、針状電極の表面近傍への電界集中により、電圧−２０ｋＶ、放電距離１０ｍｍ及び電圧印可時間１分の条件下にてコロナ放電を発生させ、空気分子をイオン化させて、針状電極の極性により発生した空気イオンを反発させて合成樹脂シートに直流電界を加えて電荷を注入して合成樹脂シートを全体的に帯電させた。その後、電荷を注入した合成樹脂シートを、接地されたアルミニウム箔で包み込んだ状態で３時間に亘って保持してエレクトレットシートを得た。
【００３３】
得られたエレクトレットシートについて、圧電定数ｄ３３及び出力電圧を下記の要領で測定し、その結果を表１に示した。
【００３４】
（圧電定数ｄ３３）
エレクトレットシートから一辺が１０ｍｍの平面正方形状の試験片を切り出し、試験片の両面に金蒸着を施して試験体を作製した。
【００３５】
試験体に加振機を用いて荷重Ｆが２Ｎ、動的荷重が±０．２５Ｎ、周波数が１１０Ｈｚの条件下にて押圧力を加え、その時に発生する電荷Ｑ（クーロン）を計測した。電荷Ｑ（クーロン）を荷重Ｆ（Ｎ）で除することによって圧電定数ｄ３３を算出した。なお、圧電定数ｄｉｊはｊ方向の荷重、ｉ方向の電荷を意味し、ｄ３３はエレクトレットシートの厚み方向の荷重及び厚み方向の電荷となる。
【００３６】
（出力電圧）
エレクトレットシートから一辺が１０ｃｍの平面正方形状の試験片を切り出した。一辺が１０ｃｍの平面正方形状で且つ厚みが１００μｍのポリエチレンテレフタレートシートの片面に厚みが２０μｍのアルミニウム箔を積層一体化してなる複合シートを３枚用意した。複合シートを第１〜３複合シートと称した。
【００３７】
試験片の第１の面に、アクリル系粘着剤によって第１複合シートを積層一体化する。なお、第１複合シートのアルミニウム箔が試験片側となるように積層一体化した。
【００３８】
次に、エレクトレットシートに積層一体化した第１複合シート上に、アクリル系粘着剤によって、厚みが５０μｍのポリエチレンテレフタレートシートからなる絶縁シートを積層一体化させた。
【００３９】
しかる後、上記絶縁シート上にアクリル系粘着剤によって、第２複合シートを積層一体化した。なお、第２複合シートのアルミニウム箔が試験片側となるように積層一体化した。
【００４０】
試験片の第２の面に、アクリル系粘着剤によって第３複合シートを積層一体化することによって圧電センサを作製した。なお、第３複合シートのアルミニウム箔が試験片側となるように積層一体化した。
【００４１】
上記圧電センサにおいて、第１複合シートのアルミニウム箔がシグナル電極、第２複合シートのアルミニウム箔が第１グランド電極、第３複合シートのアルミニウム箔が第２グランド電極とした。
【００４２】
第２複合シート及び第３複合シートのそれぞれには、これらの厚み方向に互いに重なり合うように一部が切り欠かかれて切欠き部が形成されており、第２複合シートの切欠き部から第１複合シートが外部に露出した状態に構成されていた。アクリル系粘着剤の厚みは全て３５μｍとした。第１複合シートには、一部が切り欠かかれて切欠き部が形成されていた。
【００４３】
シグナル電極に第２複合シート及び第３複合シートの切欠き部においてピアス端子を打ち込んだ。第１グランド電極及び第２グランド電極に第一複合シートの切欠き部においてピアス端子を打ち込み、第１グランド電極と第２グランド電極とを電気的に接続した。シグナル電極のピアス端子と、第１、第２グランド電極のピアス端子をそれぞれ、導電線を通じてオシロスコープに電気的に接続した。第１、第２グランド電極と、シグナル電極とは、電気的に絶縁状態となっていた。オシロスコープとしては、ＧＷ  ＩＮＳＴＥＫ社から商品名「ＧＤＳ−１０６２Ａ」にて市販されている装置を用いた。
【００４４】
圧電センサの表面の中央部に加振機を１N/ｃｍ２の保持力で固定した。圧電センサの雰囲気温度を２３℃に保持した後、圧電センサに加振機を用いて３０Ｈｚ、０．５Ｎ/ｃｍ2の周期振動を１分間に亘って与え、この周期振動によって発生する電圧をオシロスコープによって測定し、最大の発生電圧を出力電圧とした。なお、加振機は、Ｐｉｅｚｏｔｅｓｔ社から商品名「ＰＭ３００」にて市販されている加振機を用いた。
【００４５】
【表１】
2017179126.tif 000002