JP2017151038A

JP2017151038A - 圧電センサ

Info

Publication number: JP2017151038A
Application number: JP2016035920A
Authority: JP
Inventors: 菅原　康博; Yasuhiro Sugawara; 康博菅原; 中嶋　節男; Setsuo Nakajima; 節男中嶋
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-08-31

Abstract

【課題】圧電シートに発生した電荷を電位として正確に検出することができる圧電センサを提供する。【解決手段】圧電センサ１００は、シート状に形成された圧電シート１と、圧電シート１の第一面１Ｂに設けられたグランド電極と、圧電シート１の第一領域１１の第二面１Ｆに設けられたシグナル電極２と、圧電シート１の第二領域１２の第二面１Ｆに設けられ、シグナル電極２で測定した電位を外部に取り出す配線部３６，３７と、圧電シート１の第二領域１２の第二面１Ｆに設けられたトランジスタ３と、を備え、配線部３６，３７及びトランジスタ３が設けられる第二領域１２は、シグナル電極２が設けられる第一領域１１よりも分極しにくいことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電センサに関するするものである。

従来から、各種の用途に、圧電センサが用いられている。例えば、圧電効果を有する高分子材料に、有機トランジスタが設けられたものが提案されている（下記の特許文献１参照）。有機トランジスタがオン状態で、有機トランジスタのゲートに電圧を印加すると、印加された電圧パルスに対して高分子材料が振動することにより、超音波が送信される。また、超音波が照射されている状態で、有機トランジスタのゲートに電圧を印加して、有機トランジスタをオンとすると、高分子材料が振動し、この振動にともなって電圧パルスをソース側で検出することにより、超音波が受信される。

特許第５３８８０２５号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の圧電センサでは、有機トランジスタ自体が感度を有するため、超音波の送受信にともない高分子材料内で分極が起きると、有機トランジスタに誤動作が生じたり、ノイズが生じたりして、圧電センサの検出精度が低下する可能性がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、圧電シートに発生した電荷を電位として正確に検出することができる圧電センサを提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る圧電センサは、シート状に形成された圧電シートと、該圧電シートの第一面に設けられたグランド電極と、前記圧電シートの第一領域の第二面に設けられたシグナル電極と、前記圧電シートの第二領域の前記第二面に設けられ、前記シグナル電極で測定した電位を外部に取り出す配線部と、前記圧電シートの前記第二領域の前記第二面に設けられたトランジスタと、を備え、前記配線部及び前記トランジスタが設けられる前記第二領域は、前記シグナル電極が設けられる前記第一領域よりも分極しにくいことを特徴とする。

このように構成された圧電センサでは、配線部及びトランジスタが設けられる第二領域は、シグナル電極が設けられる第一領域よりも分極しにくい。よって、圧電シートの配線部及びトランジスタが設けられる第二領域では電荷の発生が抑制されるため、トランジスタの誤動作が抑制され、シグナル電極が配置された圧電シートの第一領域にて発生した電荷を電位として正確に検出することができる。

また、本発明に係る圧電センサでは、前記第二領域は、前記第一領域よりも出力感度が低いことが好ましい。

このように構成された圧電センサでは、第二領域は第一領域よりも出力感度が低いため、圧電シートの配線部及びトランジスタが設けられる第二領域での電荷の発生を確実に抑制することができる。

また、本発明に係る圧電センサでは、前記第一領域は、前記第二面に沿い互いに直交する二方向において、間隔を有して配置され、前記第二領域は、隣り合う前記第一領域間に配置され、前記シグナル電極は各前記第一領域に配置されていてもよい。

このように構成された圧電センサでは、第一領域は、第二面に沿い互いに直交する二方向において、間隔を有して配置され、第二領域は、隣り合う第一領域間に配置され、シグナル電極は各第一領域に配置されている。つまり、複数のシグナル電極が圧電シートに所定の間隔で配置されており、圧電シートの所望の箇所で発生した電荷を検出することができる。

本発明に係る圧電センサによれば、圧電シートに発生した電荷を電位として正確に検出することができる。

本発明の一実施形態に係る圧電センサの平面図である。本発明の一実施形態に係る圧電センサの断面図である。

本発明の一実施形態に係る圧電センサについて、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電センサの平面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る圧電センサの断面図である。なお、図１において、第一領域及び第二領域の配置を示すために圧電シートの断面図を添えて記載している。また、図２では、トランジスタは一箇所のみ示している。
図１及び図２に示すように、圧電センサ１００は、圧電シート１と、圧電シート１の表面（第二面）１Ｆに設けられたシグナル電極２及びトランジスタ３と、圧電シート１の裏面（第一面）１Ｂに設けられたグランド電極４と、を備えている。
本実施形態の圧電センサ１００は、例えば、水道、下水道等の配管や、薬液等が流通する配管等の内周面に設けられ、液体の漏水箇所等を検出するために使用されるものである。

圧電シート１としては、外力が加えられることによって表面１Ｆに電荷を発生させることができるシート（圧電現象を有するシート）であれば特に限定されず、例えば、ポリスチレン系樹脂、ポリエチレン系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸、液晶樹脂等の合成樹脂シートが挙げられる。

また、合成樹脂シートに分極を付与する方法としては、例えば、合成樹脂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ともに共に他方の平板電極をアースし、合成樹脂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する方法が挙げられる。また、電子線、Ｘ線等の電離性放射線や紫外線を合成樹脂シートの表面に照射して、合成樹脂シートの近傍部の空気分子をイオン化する方法が挙げられる。さらに、合成樹脂シートの一面に、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る方法等が挙げられる。

圧電シート１には、平面視において互いに直交する二方向において、高感度部（第一領域）１１と、低感度部（第二領域）１２とが交互に配置されている。高感度部１１は、圧電性が高く、出力感度が高い領域とされている。低感度部１２は、圧電性が低く、出力感度が低く分極しにくい領域とされている。

本実施形態では、圧電シート１の表面１Ｆに沿う直交するＸ方向及びＹ方向において、高感度部１１が間隔を有して配置されている。隣り合う高感度部１１の間に、低感度部１２が配置されている。つまり、高感度部１１は平面視矩形状とされ、低感度部１２は、Ｘ方向及びＹ方向に沿ってそれぞれ延びている。

低感度部１２は、例えば、圧電シート１を６０〜１２０℃に加熱して構成される。具体的には、圧電シート１の平面視の大きさと略同一の大きさまたは大きい大きさで形成され、高感度部１１に相当する領域を切除された加熱板（不図示。以下同じ。）を用意する。この加熱板を６０〜１２０℃に加熱して、加熱板を圧電シート１の表面１Ｆに押圧することで、圧電シート１の低感度部１２を６０〜１２０℃に加熱できる。

圧電シート１を加熱する場合の加熱温度は、圧電シート１を損なうことなく、圧電性を十分に低減させることができる温度として、６０〜１２０℃が好ましく、８０〜１００℃がより好ましい。

また、低感度部１２は、例えば、コロナ放電処理等の交流放電処理を施して構成される。具体的には、圧電シート１の高感度部１１を金属箔等の金属シート（不図示。以下同じ。）で保護した後に、圧電シート１に交流放電処理を施せばよい。

低感度部１２の圧電性を示す目安として出力感度があり、５ｍＶ／Ｎ以下であることが好ましく、２ｍＶ／Ｎ以下であることがさらに好ましい。一方、高感度部１１の出力感度は、１０ｍＶ／Ｎ以上であることが好ましく、１５ｍＶ／Ｎ以上であることがさらに好ましく、２０ｍＶ／Ｎ以上であることが特に好ましい。なお、圧電シート１の出力感度は、圧電シート１に１０ｋＰａの荷重を３０Ｈｚの周波数で加えた時に生ずる出力電圧をいう。圧電シート１の出力感度は、例えば、ＰＩＥＺＯＴＥＳＴ社から商品名「ＰｉｅｚｏｍｅｔｅｒｓｙｓｔｅｍＰＭ３００」で市販されている装置を用いて圧電シート１に１０ｋＰａの荷重を３０Ｈｚの周波数で加え、その時に生ずる出力電圧をインステック社から商品名「オシロスコープＧＤＳ−１０００Ａ」にて市販されている装置を用いて測定することができる。

シグナル電極２は、圧電シート１の各高感度部１１に設けられている。シグナル電極２は、導電性を有しておれば、特に限定されず、例えば、銅箔、アルミニウム箔等の金属シート、ステンレス等の金属から形成された金属網、導電性膜等が挙げられる。

シグナル電極２を導電膜で構成する場合、圧電シート１の表面１Ｆに汎用の印刷方法を用いて直接形成してもよい。通常、導電性膜は、センサ絶縁層２１上に形成された上で、圧電シート１の表面１Ｆ上にセンサ絶縁層２１を導電性膜が圧電シート１側となった状態で配設一体化されることが好ましい。圧電シート１またはセンサ絶縁層２１上に導電性膜を形成する方法としては、例えば、圧電シート１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、乾燥させる方法が挙げられる。また、圧電シート１またはセンサ絶縁層２１上に蒸着によって電極を形成する方法が挙げられる。さらに、センサ絶縁層２１に接着剤等を用いて金属箔を積層一体化させた後、金属箔の不要部分をエッチング法によって除去して電極を形成する方法等が挙げられる。

センサ絶縁層２１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等が挙げられる。

トランジスタ３は、各シグナル電極２と対になり、圧電シート１の各低感度部１２に設けられている。トランジスタ３は、ドレイン電極３１及びソース電極３２と、ドレイン電極３１及びソース電極３２を覆う半導体層３３と、半導体層３３を覆うゲート絶縁層３４と、ゲート絶縁層３４に設けられたゲート電極３５と、を有している。

ソース電極３２には、ソース配線（配線部）３６が接続されている。ゲート電極３５には、ゲート配線（配線部）３７が接続されている。これらソース配線３６及びゲート配線３７は、それぞれ測定モジュール（不図示）等に電気的に接続されている。

ソース配線３６は、Ｘ方向に間隔を有して配置されたトランジスタ３のソース電極３２どうしを接続している。換言すると、ゲート配線３７はＸ方向に延びている。また、ソース配線３６は、低感度部１２に配置されている。

ゲート配線３７は、Ｙ方向に間隔を有して配置されたトランジスタ３のゲート電極３５どうしを接続している。換言すると、ゲート配線３７はＹ方向に延びている。また、ゲート配線３７は、低感度部１２に配置されている。

圧電シート１の裏面１Ｂには、グランド電極４が設けられている。グランド電極４は、平面視において、シグナル電極２が配置される領域全体に配置されている。グランド電極４は、圧電シート１の裏面１Ｂに、一枚のシート状に設けられていてもよく、分割して設けられていてもよい。

上記の圧電センサ１００では、圧電シート１がその厚み方向に圧縮されると、圧電シート１内に分極状態で保持された正電荷と負電荷が互いに相対変位することによって圧電シート１に電荷が発生する。圧電シート１にて発生した電荷は電位としてグランド電極４を基準電極としてシグナル電極２を通じて測定される。

この際、圧電シート１における低感度部１２に荷重が加わった場合にあっても、低感度部１２の出力感度が５ｍＶ／Ｎ以下とされて圧電性が低減されているため、当該低感度部１２に電荷がほとんど発生しない。このため、低感度部１２に配置されたトランジスタ３が誤動作することがないとともに、ソース配線３６及びゲート配線３７にノイズがほとんど発生しない。

このように構成された圧電センサ１００では、ソース配線３６、ゲート配線３７及びトランジスタ３が設けられる低感度部１２は、シグナル電極２が設けられる高感度部１１よりも出力感度が低く、分極しにくい。よって、圧電シート１のソース配線３６、ゲート配線３７及びトランジスタ３が設けられる低感度部１２では電荷の発生が抑制されるため、トランジスタ３の誤動作が抑制され、シグナル電極２が配置された圧電シート１の高感度部１１にて発生した電荷を電位として正確に検出することができる。

また、高感度部１１は圧電シート１の表面１Ｆに沿い互いに直交するＸ方向及びＹ方向において間隔を有して配置され、低感度部１２は隣り合う高感度部１１間に配置され、シグナル電極２は各高感度部１１に配置されている。つまり、複数のシグナル電極２が圧電シート１に所定の間隔で配置されており、圧電シートの所望の箇所で発生した電荷を検出することができる。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１００…圧電センサ
１…圧電シート
１Ｆ…表面（第二面）
１Ｂ…裏面（第一面）
２…シグナル電極
３…トランジスタ
４…グランド電極
１１…高感度部（第一領域）
１２…低感度部（第二領域）
２１…センサ絶縁層
３１…ドレイン電極
３２…ソース電極
３３…半導体層
３４…ゲート絶縁層
３５…ゲート電極
３６…ソース配線
３７…ゲート配線

Claims

シート状に形成された圧電シートと、
該圧電シートの第一面に設けられたグランド電極と、
前記圧電シートの第一領域の第二面に設けられたシグナル電極と、
前記圧電シートの第二領域の前記第二面に設けられ、前記シグナル電極で測定した電位を外部に取り出す配線部と、
前記圧電シートの前記第二領域の前記第二面に設けられたトランジスタと、を備え、
前記配線部及び前記トランジスタが設けられる前記第二領域は、前記シグナル電極が設けられる前記第一領域よりも分極しにくいことを特徴とする圧電センサ。
前記第二領域は、前記第一領域よりも出力感度が低いことを特徴とする請求項１に記載の圧電センサ。
前記第一領域は、前記第二面に沿い互いに直交する二方向において、間隔を有して配置され、
前記第二領域は、隣り合う前記第一領域間に配置され、
前記シグナル電極は各前記第一領域に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電センサ。