JP2015014550A - 圧電センサシート原反及び圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、圧電センサシート原反に関する。【解決手段】 本発明の圧電センサシート原反は、長尺状の圧電シート11の他面にグランド電極12が積層一体化されていると共に上記圧電シート11の一面にシグナル電極13が積層一体化されている長尺状の圧電センサシート原反であって、上記シグナル電極13は、上記圧電シートの幅方向の両端部を除いた部分に、上記圧電シート11の長さ方向に所定間隔毎に形成されていることを特徴とする。【選択図】 図４

Description

本発明は、圧電センサシート原反及び圧電素子に関する。

従来から、圧電シートにシグナル電極及び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を作製し、この圧電センサは、圧力センサや加速度センサなどとして用いられてきた。特許文献１には、長尺状の圧電センサシート原反を作製し、この圧電センサシート原反から所定長さの圧電センサシートを切り出す技術が開示されている。

又、特許文献１には、圧電シートの長さ方向に連続的に延びるシグナル電極が、圧電シートの幅方向に所定間隔毎に形成されてなる圧電センサシート原反が開示されている。

しかしながら、シグナル電極は、圧電シートの長さ方向に連続的に形成されていることから、圧電センサシート原反をその長さ方向の所定部分にて切断して圧電センサシートを切り出すと、シグナル電極が切断面に露出した状態となり、シグナル電極が外部の電磁波の影響を受けやすく、得られる圧電センサシートから得られるシグナルにノイズが入り易いという問題点を有する。

更に、圧電センサシート原反を切断する際に、シグナル電極とグランド電極とが短絡し、圧電センサにて発生する電位を測定することができないという問題も生じる虞れがある。

又、シグナル電極は、圧電センサシート原反の幅方向に所定間隔ごとに形成されている一方、圧電センサシート原反の幅を広くすれば、シグナル電極の数を増加させることも可能であるが、圧電センサシート原反の幅を広くすることに限界があり、圧電センサシート原反から切り出した圧電センサシートに含まれているシグナル電極の数にも限界がある。

ＷＯ０１／０２８２３号公報

本発明は、圧電シートの複数の箇所にて互いに独立して電気信号の取得が可能で且つ外部からの電磁波の影響を殆ど受けることなく電気信号を取得することができる圧電センサシートを作製することができる圧電センサシート原反を提供する。

本発明の圧電センサシート原反は、長尺状の圧電シートの一面にシグナル電極が積層一体化されている長尺状の圧電センサシート原反であって、上記シグナル電極は、上記圧電シートの幅方向の両端部を除いた部分に、上記圧電シートの長さ方向に所定間隔毎に形成されていることを特徴とする。

上記圧電センサシート原反において、圧電シートの他面にグランド電極が積層一体化されていることを特徴とする。

上記圧電センサシート原反において、グランド電極は、圧電シートの他面に上記圧電シートの長さ方向に連続的に形成されていることを特徴とする。

上記圧電センサシート原反において、圧電シートの他面に積層一体化されたグランド電極を第一グランド電極とする一方、シグナル電極上に第二グランド電極が積層一体化されていることを特徴とする。

本発明の圧電素子は、上記圧電センサシート原反から複数個のシグナル電極が含まれるように切り出された圧電センサシートのシグナル電極に導電線を電気的に接続すると共に、グランド電極に導電線を電気的に接続することによって構成された圧電素子であって、上記複数個のシグナル電極を複数個のシグナル電極群に区分けし、同一のシグナル電極群に含まれているシグナル電極を同一の導電線に接続させていることを特徴とする。

上記圧電素子において、圧電センサシートは、シグナル電極間において圧電センサシート原反を切断することによって形成されたものであることを特徴とする。

上記圧電素子において、圧電センサシートは、シグナル電極において切断して形成されたものであり、切断されたシグナル電極を残余のシグナル電極から電気的に絶縁させていることを特徴とする。

本発明の圧電センサシート原反は、長尺状の圧電シート上にシグナル電極が圧電シートの長さ方向に所定間隔をおいて断続的に形成されている。本発明の圧電センサシート原反を使用するには、先ず、本発明の圧電センサシート原反から圧電センサシートを切り出す。なお、圧電シートの他面にグランド電極が積層一体化されていない場合には、圧電センサシート原反から圧電センサシートを切り出す前又は切り出した後に圧電シートの他面にグランド電極を積層一体化する。

得られた圧電センサシートにおいて、互いに独立しているシグナル電極の中から所望のシグナル電極を選択することによって、圧電シートの任意の位置にて、圧電シートにて発生する電位を互いに独立して測定することができる。

又、本発明の圧電センサシート原反によれば、シグナル電極は、圧電シートの幅方向の両端部を除いた部分に形成されており、圧電センサシート原反から圧電センサシートを切り出すにあたって、互いに隣接するシグナル電極間において圧電センサシート原反を切断することによって、得られる圧電センサシートのシグナル電極が外部に露出した状態となる虞れはなく、外部の電磁波の影響を受けることなく、圧電シートにて発生した電位を正確に測定することができる。

圧電センサシート原反から圧電センサシートを切り出すにあたって、シグナル電極部分にて圧電センサシート原反を切断した場合にあっても、切断面に露出したシグナル電極は、残余のシグナル電極から電気的に絶縁されて独立しているので、切断面に露出したシグナル電極をグランド電極に電気的に接続することによって又は回路に電気的に接続しないことによって、切断面に露出したシグナル電極を遮蔽層とし、他のシグナル電極が外部からの電磁波の影響を受けるのを防止することができ、圧電シートにて発生した電位を正確に測定することができる。

圧電センサシート原反を示した縦断面図である。 圧電センサシート原反を示した模式分解斜視図である。 圧電センサシート原反を示した部分切欠き斜視図である。 圧電センサシート原反を示した模式平面図である。 圧電センサシートを示した平面図である。 圧電センサシートの他の一例を示した平面図である。

本発明の圧電センサシート原反の一例を図面を参照しながら説明する。本発明の圧電センサシート原反１は、図１〜３に示したように、長尺状の圧電シート11と、この圧電シート11の他面に積層一体化された第一グランド電極12と、上記圧電シート11の一面に積層一体化されたシグナル電極13と、このシグナル電極13上に積層一体化された第二グランド電極14とを有している。なお、本発明の圧電センサシート原反には、圧電シート11の他面に第一グランド電極12が積層一体化されていないものや、圧電シート11のシグナル電極13上に第二グランド電極14が積層一体化されていないものも含まれる。

圧電シート11としては、外力が加えられることによって電荷を発生させることができるシートであれば、特に限定されず、例えば、合成樹脂シート（合成樹脂発泡シート又は合成樹脂非発泡シート）に分極を付与した圧電シート、無機系圧電材料を樹脂に分散させた無機系シートに分極を付与した圧電シート、無機系圧電材料を含む無機系シートに分極を付与した圧電シートが挙げられ、脈波などの微弱な生体信号を精度良く検出でき、感度が高く、厚み方向の変形で電荷を発生しやすいことから、合成樹脂シート（合成樹脂発泡シート又は合成樹脂非発泡シート）に分極を付与した圧電シートが好ましく、合成樹脂発泡シートに分極を付与した圧電シートがより好ましい。

合成樹脂シートを構成する合成樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸、液晶樹脂などが挙げられる。無機系シートを構成する無機材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、リチウムテトラボレート、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₅，Ｐｂ₂ＫＮｂ₅Ｏ₁₅などが挙げられる。

合成樹脂シート又は無機系シートに分極を付与する方法としては、特に限定されず、例えば、（１）合成樹脂シート又は無機系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、合成樹脂シート又は無機系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又は無機材料に電荷を注入して合成樹脂シート又は無機系シートに分極を付与する方法、（２）電子線、Ｘ線などの電離性放射線や紫外線を合成樹脂シート又は無機系シートの表面に照射して、合成樹脂シート又は無機系シートの近傍部の空気分子をイオン化することによって合成樹脂又は無機系シートに分極を付与する方法、（３）合成樹脂シート又は無機系シートの一面に、アースされた平板電極を密着状態に重ね合わせ、合成樹脂シート又は無機系シートの他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合成樹脂又は無機系シートに分極を付与する方法などが挙げられる。

圧電シート11の他面にはその全面を被覆するように固定剤層16を介して電気絶縁シート17が積層一体化されている。圧電シート11の一面には固定剤層18を介して電気絶縁シート19が積層一体化されている。更に、電気絶縁シート19上には固定剤層20を介して電気絶縁シート21が積層一体化されている。なお、電気絶縁シート17、19、21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、ポリ塩化ビニルなどが挙げられる。

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、圧電シート11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。

電気絶縁シート17における圧電シート11側の面17aの全面には第一グランド電極12が一体的に形成され、電気絶縁シート19における圧電シート11側の面19aの全面にはシグナル電極13が一体的に形成されて、電気絶縁シート21における圧電シート11側の面21aには第二グランド電極14が一体的に形成されている。従って、圧電シート11の他面に固定剤層16を介して第一グランド電極12が積層一体化されていると共に、圧電シート11の一面に固定剤層18を介してシグナル電極13が積層一体化されており、シグナル電極13上には、電気絶縁シート19及び固定剤層20を介して第二グランド電極14が積層一体化されている。

電気絶縁シート上に電極を形成する方法としては、例えば、（１）電気絶縁シート上に、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）電気絶縁シート上に蒸着によって電極を形成する方法、（３）電気絶縁シート上に、銅シートなどの金属シートを電極として公知の粘着剤などを用いて積層一体化する方法などが挙げられる。

圧電シート11の一面には上述の通りシグナル電極13が固定剤層18を介して積層一体化されている。図４に示したように、長尺状の圧電シート11の一面には、複数個のシグナル電極13が圧電シート11の長さ方向に所定間隔を存して互いに電気的に絶縁した状態にて繰返し形成されている。なお、図４では、圧電シート11とシグナル電極13との相対的な位置関係が理解しやすいように、圧電シート11とシグナル電極13のみを記載した。

シグナル電極13は、圧電シート11の長さ方向の全長に亘って圧電シート11の幅方向の両端部を除いた部分に積層一体化されている。シグナル電極13の平面形状は、特に限定されず、例えば、長方形状、楕円形状などが挙げられ、長方形状が好ましい。

圧電シート11の他面には固定剤層16を介して全面的に又はその幅方向の両端部を除いた部分に第一グランド電極12が圧電シート11の長さ方向に連続的に、好ましくは一定幅でもって積層一体化されている。第一グランド電極12は、これを圧電シート11の厚み方向に投影したときに、圧電シート11の一面に積層一体化されたシグナル電極13が全面的に覆われる大きさに構成されている。

シグナル電極13上には上述のように第二グランド電極14が積層一体化されている。第二グランド電極14は、圧電シート11の一面に積層一体化されたシグナル電極13を全面的に覆うようにシグナル電極13上に積層一体化されている。具体的には、第二グランド電極14は、固定剤層18、シグナル電極13、電気絶縁シート19及び固定剤層20を介して圧電シート11の一面にその全面又は幅方向の両端部を除いた部分にその長さ方向に連続的に、好ましくは一定幅でもって積層一体化されている。

従って、圧電シート11の一面に積層一体化されたシグナル電極13は、第二グランド電極14によって全面的に被覆されて外部からの電磁波の影響を受けにくいように構成されている。

次に、圧電センサシート原反１の使用要領について説明する。圧電センサシート原反１をその長さ方向の所定位置において幅方向に切断することによって所望の大きさの圧電センサシート２を製造することができる（図５及び図６参照）。なお、上記圧電センサシート原反１では、圧電シート11のシグナル電極13上に第二グランド電極14が積層一体化され且つ圧電シート11の他面に第一グランド電極12が積層一体化されてなる場合を説明したが、圧電シート11の他面に第一グランド電極12が積層一体化されていない圧電センサシートの場合には、圧電センサシート原反１を切り出す前又は切り出した後に、圧電センサシート原反１の他面に第一グランド電極12を積層一体化する必要がある。又、圧電シート11のシグナル電極13上に第二グランド電極14が積層一体化されていない圧電センサシート原反１の場合には、圧電センサシート原反１を切り出す前又は切り出した後に、必要に応じて、シグナル電極13上に第二グランド電極14を積層一体化させればよい。

そして、得られた圧電センサシート２には、複数個のシグナル電極13が互いに独立した状態で形成されており、これらのシグナル電極13のうちの任意のシグナル電極13同士を電気的に導電線などを用いて接続し、複数個のシグナル電極13が電気的に接続されて形成されたシグナル電極群を複数組、形成する。図５では、二つのシグナル電極13を含むシグナル電極群13Aと、三つのシグナル電極13を含むシグナル電極群13Bとを形成した例を示した。図６では、三つのシグナル電極13を含むシグナル電極群13Aと、三つのシグナル電極13を含むシグナル電極群13Bと、二つのシグナル電極13を含むシグナル電極群13Cを形成した例を示した。なお、図５及び図６では、シグナル電極群を二つ又は三つ形成した場合を説明したが、四つ以上のシグナル電極群を形成してもよい。

本発明の圧電センサシート原反１は、その長さ方向に複数個のシグナル電極13が所定間隔毎に形成されていることから、圧電センサシート２を製造するにあたって、シグナル電極13の数を制限なく増加させることができ、必要な数のシグナル電極13が含まれた圧電センサシート２を容易に製造することができると共に、所望数のシグナル電極13を含むシグナル電極群を所望数だけ容易に形成することができる。

なお、得られた圧電センサシート２の第一グランド電極12には導電線が電気的に接続されており、この導電線を介してアースをとることによって第一グランド電極12を基準電極としてシグナル電極群に電気的に接続した導電線を通じて圧電シートで発生した電位を測定することができる。又、第二グランド電極14も第一グランド電極12と同様に導電線が電気的に接続されており、この導電線を介して第二グランド電極14にアースをとることによってシグナル電極13が遮蔽層となってシグナル電極13が外部からの電磁波の影響を受けるのを効果的に防止し、シグナル電極13から取り出された電気信号にノイズが入るのを効果的に防止することができる。

このように、シグナル電極群を互いに独立した状態に形成することによって、これらのシグナル電極群が、該シグナル電極群が積層一体化されている圧電シート部分にて発生した電位を他のシグナル電極群に影響を及ぼすことなく独立して測定することができ、一つの圧電シートの複数部分にて発生した電位を互いに独立した状態で測定することができる。従って、例えば、圧電センサシート２上に被験者が横臥などして接触した状態とし、脈波信号、呼吸信号の他、胸部、腹部又は大腿部などの部位からの生体信号をそれぞれ独立して測定することができる。

又、圧電センサシート原反１を切断するにあたって、圧電センサシート原反１における互いに隣接するシグナル電極13、13間において切断することによって、得られる圧電センサシート２の端面にシグナル電極13が露出することを防止することができ、外部からの電磁波に対して影響の受けにくい圧電センサシート２を得ることができる。

更に、圧電センサシート原反１を切断するにあたって、互いに隣接するシグナル電極13、13間において切断することによって、シグナル電極13と第一グランド電極12及び第二グランド電極14とが電気的に短絡することを防止することができ、シグナル電極13を通じて第一グランド電極12を基準として圧電シート11にて発生する電位を正確に測定することができる。加えて、第二グランド電極14によってシグナル電極13を外部からの電磁波から遮蔽し、シグナル電極13を通じて測定される圧電シート11にて発生する電位にノイズが入ることを防止して、圧電シート11にて発生する電位を正確に測定することができる。

又、圧電センサシート原反１を切断するにあたって、シグナル電極13において圧電センサシート原反１を切断した場合、得られた圧電センサシート２において、シグナル電極13の一部が切断面に露出した状態となるが、このような場合には、切断面に露出したシグナル電極を他のシグナル電極から電気的に絶縁された状態とし、好ましくは、切断面に露出したシグナル電極にアースをとることによって、切断面に露出したシグナル電極を残余のシグナル電極の遮光層として機能させ、シグナル電極が外部からの電磁波の影響を受けるのをより効果的に防止することができる。

１ 圧電センサシート原反
２ 圧電センサシート
11 圧電シート
12 第一グランド電極
13 シグナル電極
13A〜13C シグナル電極群
14 第二グランド電極
16 固定剤層
17 電気絶縁シート
18 固定剤層
19 電気絶縁シート
20 固定剤層
21 電気絶縁シート
１ 圧電センサシート原反
２ 圧電センサシート

Claims (7)

1. 長尺状の圧電シートの一面にシグナル電極が積層一体化されている長尺状の圧電センサシート原反であって、上記シグナル電極は、上記圧電シートの幅方向の両端部を除いた部分に、上記圧電シートの長さ方向に所定間隔毎に形成されていることを特徴とする圧電センサシート原反。
2. 圧電シートの他面にグランド電極が積層一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電センサシート原反。
3. グランド電極は、圧電シートの他面に上記圧電シートの長さ方向に連続的に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電センサシート原反。
4. 圧電シートの他面に積層一体化されたグランド電極を第一グランド電極とする一方、シグナル電極上に第二グランド電極が積層一体化されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電センサシート原反。
5. 請求項２に記載の圧電センサシート原反から複数個のシグナル電極が含まれるように切り出された圧電センサシートのシグナル電極に導電線を電気的に接続すると共に、グランド電極に導電線を電気的に接続することによって構成された圧電素子であって、上記複数個のシグナル電極を複数個のシグナル電極群に区分けし、同一のシグナル電極群に含まれているシグナル電極を同一の導電線に接続させていることを特徴とする圧電素子。
6. 圧電センサシートは、シグナル電極間において圧電センサシート原反を切断することによって形成されたものであることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。
7. 圧電センサシートは、シグナル電極において切断して形成されたものであり、切断されたシグナル電極を残余のシグナル電極から電気的に絶縁させていることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。

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