JP2018087801A - センサ及びセンサシステム - Google Patents
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Abstract
Description
一方、柔軟な接触検知センサとして特許文献1にあるような接触帯電を利用したセンサが提案されている。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、柔軟かつ圧力を多段検知できるセンサを提供することを目的とする。
図1、図2に基づいて第1の実施形態を説明する。
素子である発電素子4は、図1に示すように、第1の電極1と第2の電極2とにより一対の電極が形成され、第1の電極1と第2の電極2の間に挟まれるように中間層3が設けられている。便宜的に、第1の電極1を上部電極、第2の電極2を下部電極と称する場合がある。
中間層3はゴム又はゴム組成物からなり、積層方向(厚み方向)における一方側3a(本実施形態では上部電極側)が、該一方側3aと他方側3b(本実施形態では下部電極側)とで同じ変形付与力(外力とも称する)に対する変形の度合いが異なるように、且つ電荷を蓄積できるように表面改質処理及び/又は不活性化処理がなされている。この点については後で詳細に説明する。
絶縁層5としては、材質、形状、大きさ、厚さ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
絶縁層5の材質としては、例えば、高分子材料、弾性体であるゴムなどが挙げられる。
前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。
前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレンなどが挙げられる。
図3、図4に基づいて第2の実施形態を説明する。
素子である発電素子4Aは、図3に示すように、第1の実施形態で説明した発電素子をカバー8で覆っている。つまり、発電素子4Aは、第1の電極1と第2の電極2とにより一対の電極が形成され、第1の電極1と第2の電極2の間に挟まれるように中間層3が設けられているとともに、第1の電極1、第2の電極2及び中間層3を覆うカバー8を有している。
カバー8は、第1の電極1と第2の電極2と中間層3の保護を主たる目的としており、材質、形状、大きさ、厚さ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
図4は、本実施形態に係る発電素子4Aを用いたセンサ10Aの構成を示す。このセンサ10Aは、絶縁層5を介して発電素子4Aを複数積層させて構成されている。本実施形態では、2つの発電素子4Aの間に絶縁層5を配置した構成とされている。図4中、絶縁層5よりも上方に配置された発電素子4を上層発電素子6Aと称し、絶縁層5よりも下方に配置された発電素子4を下層発電素子7Aと称する場合がある。
図5に基づいて第3の実施形態を説明する。
本実施形態に係るセンサ10Bは、発電素子4Aと発電素子4Aの間に支持体11を配置して空気層を形成して絶縁層5Aを形成している。つまり、本実施形態に係る絶縁層5Aは、複数の発電素子4Aの間に配置される支持体11と、支持体11によって生じる間隙9からなる空気層で形成されている。
前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。
前記支持体11の形態としては、例えば、シート、フィルム、織布、不織布、メッシュ、スポンジなどが挙げられる。
前記支持体11の形状、大きさ、厚み、設置場所は、素子の構造に応じて適宜選択することができる。
図6に基づいて第4の実施形態を説明する。
本実施形態に係るセンサ10Cは、発電素子4Aと発電素子4Aの間に絶縁層として発泡体12を配置し、積層して構成されている。
発泡体12としては、その材質、形態、形状、大きさなどについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記発泡体の材質としては、ウレタン、ポリエチレン、シリコーンなどが挙げられる。
[中間層]
中間層3は、表面改質処理を施したシリコーンゴムの作製
ベース材料としてのシリコーンゴム(TSE3033:モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン合同会社製)100部に、添加剤としてのチタン酸バリウム(和光純薬株式会社製、93−5640)40部を混合した。得られた混合物を、平均厚み150±20μm、縦40mm×横40mmを狙いとして、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上に、ブレード塗装を実施し、中間層前駆体を得た。
−表面改質処理−
それを、約120℃で30分間焼成した後、表面改質処理として、以下の条件でプラズマ処理を行った。
[プラズマ処理条件]
装置:ヤマト科学製:PR−500
出力:100W
処理時間:4分間
反応雰囲気:アルゴン99.999%
反応圧力:10Pa
電極1、2には平均厚み30μmの不織布導電シート(セーレン製、サイズ30mm×30mm)を用いた。
[カバー]
カバー8としては、厚さ75μmのPETラミネートフィルム(フェローズ製、サイズ50mm×50mm)を用いた。
前記中間層3を前記電極1、2の2枚で挟み、さらに前記PETラミネートフィルムで挟み、80℃でラミネートを施し、発電素子4Aを得た。
[絶縁層]
絶縁層12には、発泡体であるウレタンフォーム(富士ゴム産業製、厚さ2cm)を用いた。
図7に評価構成を示す。上層発電素子6Aと下層発電素子7Aのそれぞれの電極間に1MΩの負荷抵抗21、22を接続し、抵抗間の電圧をオシロスコープ20で記録する。
撫でるような弱い力(5.7kPa)で圧力Fを上層発電素子6A側から与えたときのセンサ10Cの模式図を図8に、そのときの発生信号を図9に示す。図9において、縦軸は上層発電素子6Aと下層発電素子7Aからの出力(電圧V)を示し、横軸は時間(s)を示す。
図8に示すように、弱い力を加えた場合は、上層発電素子6Aのみが変形する。そのため図9に示すように上層発電素子6Aのみ信号を発生し、下層発電素子7Aからは信号が発生しない。
図10に示すように、強い力で圧力Fを与えた場合は上層発電素子6Aも下層発電素子7Aも変形する。そのため、図11に示すように信号は両方の発電素子から発生する。
また、発電素子4、4Aは可撓性を有し、絶縁体も弾性を有しているので、発電素子4、4Aを積層しても、センサに加わる圧力F(荷重)に対応して下層発電素子7、7Aも十分に変形させることができる。このため、圧力Fの大きさをより安定して多段的に検知することができる。さらに、中間層3はゴム又はゴム組成物で構成されているので体積変形率が大きく、発電素子4、4Aからの出力が金属材を用いる場合よりも大きくなり、より確実な検知を行える。
図12を用いて第5の実施形態に係るセンサシステム100について説明する。
図12に示すように、本実施形態に係るセンサシステム100は、絶縁体であり中間層を構成する発泡体(弾性体)としてスポンジ12Aを用い、スポンジ12Aを介して積層された2つの発電素子4A、4Aを備えたセンサ10Dと、センサ10Dに外力である圧力Fが加わった際、センサ10D(発電素子4A、4A)から出力される出力信号を処理する処理部(以下「信号処理部と称す)30を備えている。図中、スポンジ12Aよりも上方に位置する発電素子4Aは上層発電素子6Aであり、スポンジ12Aよりも下方に位置する発電素子4Aは下層発電素子7Aとなる。
信号処理部30には、発電素子4A、4A(センサ10D)が信号線を介して接続されている。信号処理部30としては、発電素子4A、4Aそれぞれの出力信号を取り入れる入力端子を持ち、発電素子4A、4Aそれぞれの出力信号を処理できるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
センサ10Dは、多段的に圧力Fに応じた信号(電圧)を出力するので、ロボットなどの表面に設置して、表面に接触したものの判定に用いてもよい。あるいは、車両にセンサ10Dを装着し、車両に物体が接触あるいは衝突した際の検知に用いるようにしてもよい。
図18において、ロボットアーム装置200は、多関節型のロボットアーム201と、ロボットアーム201の動作を制御するアーム制御部210を備えている。ロボットアーム201は、所定の位置でワークを把持して、別な位置で解放することでワークの搬送処理を行なうものである。ロボットアーム201の動作は、アーム制御部210によって、アーム駆動源の動作が制御されることで行なわれる。
ロボットアーム装置200が設置される場所において、ロボットアーム201の稼働領域内には人の侵入が禁止されているが、メンテナンス時には、その可動範囲内に入って作業する場合や、誤って人が侵入してしまう場合がある。また、ロボットアーム装置200が複数台、隣接設置されている場合、ロボットアーム同士の接触(干渉)も考慮しなくてはならない。
信号処理部30には、信号処理部30で信号処理された各センサ10Dの出力に基づきロボットアーム201に接触した物体の種類を判定する判定部31が信号線を介して接続されている。判定部31は、CPU、ROM、RAMなどを備えたコンピュータで構成されている。判定部31の判定結果は、アーム制御部210に送信され、ロボットアーム201の動作制御にフィートバックされる。
判定部31には、ロボットアーム201に接触した物体や状態を判定するための判定値が設定されている。判定部31は、この判定値と信号処理部30から送られる出力信号とを比較することで、ロボットアーム201に接触した物体や近接している存在を判別する。図18の構成の場合、接触対象となるのは、人(人体)、人以外の物体とする。なお、ここでいう接触とは、センサ10Dに直に触れるだけでなく、センサ10Dの外側に保護層を備えている場合、当該保護層を介してセンサ10Dに接触する間接接触も含まれる。
例えば、「ロボットアーム同士の軽い接触はロボットアーム装置200を停止させずに回避動作をとる」、「ロボットアーム同士の強い接触は即時停止」、「人との接触(人の存在検知)は全て即時停止」などロボットアーム201を停止させるための接触状態(存在状態)の閾値を段階的に判断することができ、結果としてロボットアーム装置200の運用上の安全を確保した上で、生産性を向上させることに寄与することができる。
図19の構成のように、センサシステムを椅子300に適用する場合、判定部31は、予め設定されている判定値と信号処理部30から送られる出力信号とを比較することで、着座部301上でセンサ10Dに接触あるいは近接している物体を判別する。この接触、対象となるのは、人(人体)、人以外の物体である。検知する状態は、「人の存在(接触状態)」、「人とモノの判別」の2つの状態である。
すなわち、センサ10Dは、中間層が柔らかいゴムやスポンジ12A等の弾性体で形成されているため、人の脈動を含む人体の微細動を検出することが可能である。また下層発電素子7Aは、上層発電素子6Aを介して変形することにより、微細動よりも大きな圧力変化などを選択的に検知することが可能になる。このため、検知対象物に合わせた判定値を設定し、検出された微細動の値と判定値とを比較することで、人やモノの動静を判定して、座ったときの重心変化や荷重変化を検知できる。つまり、判定部31は、センサ10Dから出力される出力信号に基づき、人の存在と、加圧変化による人の動静であるかを分離して判定する。ここでいう接触とは、センサ10Dに直に臀部が触れるだけでなく、着座部301の表皮材やクッション材を介してセンサ10Dに接触する間接接触も含まれる。
図18、図19では、信号処理部30と判定部31と整流回路32を個別な構成として説明したが、信号処理部に判定部や整流回路32を組み込んで構成してもよい。また、整流回路32はセンサ自体に設けてもよい。
[第1の電極、及び第2の電極]
第1の電極、及び第2の電極の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
第1の電極、及び第2の電極において、その材質、形状、大きさ、構造は、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
第1の電極、及び第2の電極の材質としては、例えば、金属、炭素系導電材料、導電性ゴム組成物、導電性高分子、酸化物などが挙げられる。
金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、タンタル、ニッケル、リン青銅などが挙げられる。炭素系導電材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、炭素繊維、黒鉛などが挙げられる。導電性ゴム組成物としては、例えば、導電性フィラーと、ゴムとを含有する組成物などが挙げられる。導電性高分子としては、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)、ポリピロール、ポリアニリンなどが挙げられる。酸化物としては、例えば、酸化インジウム錫(ITO)、酸化インジウム・酸化亜鉛(IZO)、酸化亜鉛などが挙げられる。
前記導電性フィラーとしては、例えば、炭素材料(例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー(CF)、カーボンナノファイバー(CNF)、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェンなど)、金属フィラー(金、銀、白金、銅、アルミニウム、ニッケルなど)、導電性高分子材料(ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、及びポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、又は、これら誘導体にアニオン若しくはカチオンに代表されるドーパントを添加したものなど)、イオン液体などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
第1の電極の形状、及び第2の電極の形状としては、例えば、薄膜などが挙げられる。第1の電極の構造、及び第2の電極の構造としては、例えば、織物、不織布、編物、メッシュ、スポンジ、繊維状の炭素材料が重なって形成された不織布であってもよい。
前記電極の平均厚みは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、導電性及び可撓性の点から、0.01μm〜1mmが好ましく、0.1μm〜500μmがより好ましい。前記平均厚みが、0.01μm以上であると、機械的強度が適正であり、導電性が向上する。また、前記平均厚みが、1mm以下であると、素子が変形可能であり、発電性能が良好である。
中間層は、可撓性を有する。
中間層においては、以下の条件(1)及び条件(2)の少なくともいずれかを満たす。
条件(1):中間層の面に対して直交する方向から中間層が加圧された際に、中間層における第1の電極側(一方側)の変形量と、中間層における第2の電極側(他方側)の変形量とが、異なる。
条件(2):中間層の第1の電極側における10μm押し込み時のユニバーサル硬度(H1)と、中間層の第2の電極側における10μm押し込み時のユニバーサル硬度(H2)とが、異なる。
中間層においては、以上のように、両面での変形量、又は硬度が異なることにより、大きな発電量を得ることができる。
本発明において、変形量とは、以下の条件で中間層を押し付けた際の、圧子の最大押し込み深さである。
測定機:フィッシャー社製、超微小硬度計WIN−HUD
圧子:対面角度136°の四角錐ダイヤモンド圧子
初期荷重:0.02mN
最大荷重:1mN
初期荷重から最大荷重までの荷重増加時間:10秒間
{測定条件}
測定機:フィッシャー社製、超微小硬度計WIN−HUD
圧子:対面角度136°の四角錐ダイヤモンド圧子
押し込み深さ:10μm
初期荷重:0.02mN
最大荷重:100mN
初期荷重から最大荷重までの荷重増加時間:50秒間
中間層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ゴム、ゴム組成物などが挙げられる。ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、シリコーンゴムが好ましい。
前記シリコーンゴムとしては、シロキサン結合を有するゴムであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記シリコーンゴムとしては、例えば、ジメチルシリコーンゴム、メチルフェニルシリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、変性シリコーンゴム(例えば、アクリル変性、アルキッド変性、エステル変性、エポキシ変性)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記ゴム組成物としては、例えば、フィラーと前記ゴムとを含有する組成物などが挙げられる。これらの中でも、前記シリコーンゴムを含有するシリコーンゴム組成物は発電性能が高いため好ましい。
前記酸化物としては、例えば、シリカ、珪藻土、アルミナ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄、酸化マグネシウムなどが挙げられる。
前記水酸化物としては、例えば、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムなどが挙げられる。
前記炭酸塩としては、例えば、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、ハイドロタルサイトなどが挙げられる。
前記硫酸塩としては、例えば、硫酸アルミニウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウムなどが挙げられる。
前記ケイ酸塩としては、例えば、ケイ酸カルシウム(ウォラストナイト、ゾノトライト)、ケイ酸ジルコン、カオリン、タルク、マイカ、ゼオライト、パーライト、ベントナイト、モンモロナイト、セリサイト、活性白土、ガラス、中空ガラスビーズなどが挙げられる。
前記窒化物としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素などが挙げられる。
前記炭素類としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン(誘導体を含む)、グラフェンなどが挙げられる。
前記金属としては、例えば、金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルなどが挙げられる。
前記その他の化合物としては、例えば、チタン酸カリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ジルコン酸鉛、炭化ケイ素、硫化モリブテン、などが挙げられる。なお、前記無機フィラーは、表面処理をしていてもよい。
前記有機無機複合フィラーとしては、例えば、シリカ・アクリル複合微粒子、シルセスキオキサンなどが挙げられる。
前記フィラーの平均粒径は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.01μm〜30μmが好ましく、0.1μm〜10μmがより好ましい。前記平均粒径が、0.01μm以上であると、発電性能が向上することがある。また、前記平均粒径が、30μm以下であると、中間層が変形可能であり、発電性能の増加を図ることができる。
前記フィラーの含有量は、ゴム100質量部に対して、0.1質量部〜100質量部が好ましく、1質量部〜50質量部がより好ましい。前記含有量が、0.1質量部以上であると、発電性能が向上することがある。また、前記含有量が、100質量部以下であると、中間層が変形可能であり、発電性能の増加を図ることができる。
前記その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば添加剤などが挙げられる。前記その他の成分の含有量は、本発明の目的を損なわない程度で適宜選定することができる。
前記中間層を構成する材料の調製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、前記ゴム組成物の調製方法としては、前記ゴム及び前記フィラー、更に必要に応じて前記その他の成分を混合し、混錬分散することにより調製することができる。
前記中間層の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、前記ゴム組成物の薄膜の形成方法としては、前記ゴム組成物を、基材上にブレード塗装、ダイ塗装、ディップ塗装などで塗布し、その後、熱や電子線などで硬化する方法が挙げられる。
中間層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、変形追従性の点から、1μm〜10mmが好ましく、20μm〜1mmがより好ましい。また、平均厚みが、好ましい範囲内であると、成膜性が確保でき、かつ変形を阻害することもないため、良好な発電を行うことができる。
中間層は、絶縁性であることが好ましい。絶縁性としては、108Ωcm以上の体積抵抗率を持つことが好ましく、1010Ωcm以上の体積抵抗率を持つことがより好ましい。中間層は、複層構造であってもよい。
中間層において、両面での変形量、又は硬度を異ならせる方法としては、例えば、表面改質処理、不活性化処理などが挙げられる。これらの処理は、両方を行ってもよいし、片方のみを行ってもよい。
<表面改質処理>
表面改質処理としては、例えば、プラズマ処理、コロナ放電処理、電子線照射処理、紫外線照射処理、オゾン処理、放射線(X線、α線、β線、γ線、中性子線)照射処理などが挙げられる。これらの処理の中でも、処理スピードの点から、プラズマ処理、コロナ放電処理、電子線照射処理が好ましいが、ある程度の照射エネルギーを有し、材料を改質しうるものであれば、これらに限定されない。
《プラズマ処理》
プラズマ処理の場合、プラズマ発生装置としては、例えば、平行平板型、容量結合型、誘導結合型のほか、大気圧プラズマ装置でも可能である。耐久性の観点から、減圧プラズマ処理が好ましい。
プラズマ処理における反応圧力としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、0.05Pa〜100Paが好ましく、1Pa〜20Paがより好ましい。
プラズマ処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不活性ガス、希ガス、酸素などのガスが有効であるが、効果の持続性においてアルゴンが好ましい。
その際、酸素分圧を5,000ppm以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、5,000ppm以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
プラズマ処理における照射電力量は、(出力×照射時間)により規定される。前記照射電力量としては、5Wh〜200Whが好ましく、10Wh〜50Whがより好ましい。照射電力量が、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
コロナ放電処理における印加エネルギー(積算エネルギー)としては、6J/cm2〜300J/cm2が好ましく、12J/cm2〜60J/cm2がより好ましい。印加エネルギーが、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
電子線照射処理における照射量としては、1kGy以上が好ましく、300kGy〜10MGyがより好ましい。照射量が、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
電子線照射処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが充填し酸素分圧を5,000ppm以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、5,000ppm以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
紫外線照射処理における紫外線としては、波長365nm以下で200nm以上が好ましく、波長320nm以下で240nm以上がより好ましい。
紫外線照射処理における積算光量としては、5J/cm2〜500J/cm2が好ましく、50J/cm2〜400J/cm2がより好ましい。積算光量が、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
紫外線照射処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが充填し酸素分圧を5,000ppm以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、5,000ppm以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
さらに加えて「架橋密度向上による緻密化」に起因して離型性が向上すると考えられる。なお、本発明においても一部活性基は形成されてしまうが、後述するカップリング剤や風乾処理にて、活性基を不活性化させている。
中間層の表面は、各種材料を用いて、適宜不活性化処理が施されてもよい。
不活性化処理としては、中間層の表面を不活性化させる処理であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不活性化剤を前記中間層の表面に付与する処理が挙げられる。不活性化とは、中間層の表面を、化学反応を起こしにくい性質に変化させることを意味する。この変化は、プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外線照射処理、電子線照射処理などによる励起又は酸化によって発生した活性基(例えば、−OHなど)を不活性化剤と反応させて、中間層の表面の活性度を下げることで得られる。
不活性化剤としては、例えば、非晶質樹脂、カップリング剤などが挙げられる。非晶質樹脂としては、例えば、主鎖にパーフルオロポリエーテル構造を有する樹脂などが挙げられる。
金属アルコキシドとしては、例えば、下記一般式(1)で表される化合物や、重合度2〜10程度のそれらの部分加水分解重縮合物又はそれらの混合物などが挙げられる。
R1 (4−n)Si(OR2)n・・・一般式(1)
ただし、一般式(1)中、R1及びR2は、それぞれ独立に、炭素数1〜10の直鎖状又は分枝状のアルキル基、アルキルポリエーテル鎖、及びアリール基のいずれかを表す。nは、2〜4の整数を表す。
中間層前駆体としてシリコーンゴムを用いた場合は、前記表面改質処理を行った後に、空気中に静置して風乾することにより、失活させてもよい。
中間層の厚み方向における酸素濃度のプロファイルは、極大値を有することが好ましい。中間層の厚み方向における炭素濃度のプロファイルは、極小値を有することが好ましい。
中間層において、酸素濃度のプロファイルが極大値を示す位置と、炭素濃度のプロファイルが極小値を示す位置とは、一致することがより好ましい。
酸素濃度のプロファイル、及び炭素濃度のプロファイルは、X線光電子分光分析法(XPS)によって求めることができる。
測定方法は、例えば、以下の方法が挙げられる。
測定装置:Ulvac−PHI QuanteraSXM、アルバック・ファイ株式会社製
測定光源:Al(mono)
測定出力:100μmφ、25.1W
測定領域:500μm×300μm
パスエネルギー:55eV(narrow scan)
エネルギーstep:0.1eV(narrow scan)
相対感度係数:PHIの相対感度係数を使用
スパッタ源:C60クラスターイオン
Ion Gun 出力:10 kV、10 nA
Raster Control:(X=0.5、Y=2.0)mm
スパッタレート:0.9nm/min(SiO2換算)
XPSでは、光電子効果により飛び出す電子を捕捉することにより、測定対象物中の原子の存在濃度比や結合状態を知ることができる。
図13は、シリコーンゴムを用い、更に前記表面改質処理(プラズマ処理)及び前記不活性処理を行って得られた中間層のサンプルである。図13において、横軸は表面から内部方向への分析深さであり、縦軸は存在濃度比である。
その結果を図14に示す。図14の測定対象は、図13の測定に用いたサンプルである。図14において、横軸は結合エネルギーであり、縦軸は強度比である。また、下から上に向かっては深さ方向での測定スペクトルを示している。
一般に、ピークシフトの量は結合状態に依存することが知られており、本件に関するシリコーンゴムの場合、Si2p軌道において高エネルギー側にピークがシフトするということは、Siに結合している酸素の数が増えていることを示す。
さらに図13のαの位置で検出された酸素の極大値は、Si2p結合エネルギーシフトが高エネルギー側にシフトすることと一致(図14のαの位置)しており、酸素増加がSiに結合した酸素の数に起因することが示されている。
図15には、図13にみられたような酸素濃度の極大値、及び炭素濃度の極小値は見られない。更に、図16より、Si2p結合エネルギーシフトが高エネルギー側にシフトする様子もみられないことから、Siに結合した酸素の数も変化していないことが確認された。
結果として、中間層は、3つ〜4つの酸素原子と結合したケイ素原子を有するポリオルガノシロキサンを含有することとなる。
中間層は、静置状態において初期表面電位を持つ必要はない。なお、静置状態における初期表面電位は、以下の測定条件で測定できる。ここで、初期表面電位を持たないとは、下記測定条件で測定した際に、±10V以下を意味する。
前処理:温度30℃相対湿度40%雰囲気に24h静置後、除電を60sec(Keyence製のSJ−F300を使用)
装置:Treck Model344
測定プローブ:6000B−7C
測定距離:2mm
測定スポット径:直径10mm
素子は、中間層と、第1の電極及び第2の電極の少なくともいずれかとの間に空間を有することが好ましい。そうすることにより、発電量を増やすことができる。
前記空間を設ける方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、中間層と、第1の電極及び第2の電極の少なくともいずれかとの間にスペーサを配置する方法などが挙げられる。
前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。
前記スペーサの形態としては、例えば、シート、フィルム、織布、不織布、メッシュ、スポンジなどが挙げられる。
前記スペーサの形状、大きさ、厚み、設置場所は、素子の構造に応じて適宜選択することができる。
これにより、同じ変形付与力である加圧力Fが第1の電極a側と第2の電極c側に作用した場合、中間層bの第1の電極a側の変形の度合いが、第2の電極c側よりも小さくなる。
各発電素子の第1の電極1と第2の電極2の間に介装したゴム又はゴム組成物からなる中間層3の暑さ、材質などを上層発電素子6、6A側と下層発電素子7、7A側で異なるようにしてもよい。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
3 中間層
4、4A 素子
5、5A、12、12A 絶縁層
9 間隙
10、10A、10B、10C、10D センサ
11 支持体
30 信号処理部
31 判定部
100 センサシステム
Claims (8)
- 一対の電極と、前記一対の電極の間に配置され、ゴム又はゴム組成物から形成される中間層とを有し、変形することで発電する素子を、絶縁層を介して複数積層して構成されるセンサ。
- 前記絶縁層が、前記素子の間に配置される支持体により形成される間隙である請求項1に記載のセンサ。
- 前記絶縁層が弾性体で請求項1に記載のセンサ。
- 前記中間層がシリコーンゴムである請求項1ないし3の何れか1項に記載のセンサ。
- 前記シリコーンゴムが、シロキサン結合を有し、前記中間層の一方側と他方側のうち変形の度合いが小さい側から内部に向かって酸素が増加して極大値を持ち、且つ、変形の度合いが小さい側から内部に向かって炭素が減少して極小値を持つ濃度プロファイルを有する請求項1ないし4の何れか1項に記載のセンサ。
- 請求項1ないし5の何れか1項に記載のセンサと、
前記センサに外力が加わった際、前記センサから出力される出力信号を処理する処理部を有するセンサシステム。 - 前記センサから出力される出力信号から人体の脈動を含めた微細動の情報を取得し、当該取得した微細動の情報に基づき人の存在を判定する判定部を有する請求項6に記載のセンサシステム。
- 前記センサから出力される出力信号に基づき、人の存在と、加圧変化による人の動静であるかを分離して判定する判定部を有する請求項6に記載のセンサシステム。
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KR102432973B1 (ko) * | 2021-12-07 | 2022-08-16 | 재단법인 서울특별시 서울기술연구원 | 압력 센서 및 이를 포함하는 토압 계측 시스템 |
Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5745846A (en) * | 1980-09-02 | 1982-03-16 | Hitachi Maxell | Automatic blood pressure measuring apparatus |
JPS63142227A (ja) * | 1986-12-05 | 1988-06-14 | Nec Corp | 積層型圧電素子 |
JPH01121961U (ja) * | 1988-02-10 | 1989-08-18 | ||
JPH0428344A (ja) * | 1990-05-25 | 1992-01-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 在床モニタ装置 |
JP2002039873A (ja) * | 2000-07-28 | 2002-02-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧電センサ |
JP2009295788A (ja) * | 2008-06-05 | 2009-12-17 | Saginomiya Seisakusho Inc | 圧電素子および圧電素子を用いた力センサならびに力センサを用いた流量計 |
JP2012007911A (ja) * | 2010-06-22 | 2012-01-12 | Japan Science & Technology Agency | 物理量センサ及びその製造方法 |
JP2014515704A (ja) * | 2011-03-07 | 2014-07-03 | バイエル・マテリアルサイエンス・アクチェンゲゼルシャフト | 電気活性層を有する多層複合材料 |
JP2015141978A (ja) * | 2014-01-28 | 2015-08-03 | ムネカタ株式会社 | 圧電型振動発電装置 |
JP2016103967A (ja) * | 2014-11-13 | 2016-06-02 | 株式会社リコー | 素子、及び発電装置 |
US20160218272A1 (en) * | 2012-12-26 | 2016-07-28 | Applied Cavitation, Inc. | Piezoelectric devices |
WO2016156175A1 (en) * | 2015-03-31 | 2016-10-06 | Koninklijke Philips N.V. | Actuator or sensor device based on an electroactive polymer |
-
2017
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Patent Citations (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5745846A (en) * | 1980-09-02 | 1982-03-16 | Hitachi Maxell | Automatic blood pressure measuring apparatus |
JPS63142227A (ja) * | 1986-12-05 | 1988-06-14 | Nec Corp | 積層型圧電素子 |
JPH01121961U (ja) * | 1988-02-10 | 1989-08-18 | ||
JPH0428344A (ja) * | 1990-05-25 | 1992-01-30 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 在床モニタ装置 |
JP2002039873A (ja) * | 2000-07-28 | 2002-02-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 圧電センサ |
JP2009295788A (ja) * | 2008-06-05 | 2009-12-17 | Saginomiya Seisakusho Inc | 圧電素子および圧電素子を用いた力センサならびに力センサを用いた流量計 |
JP2012007911A (ja) * | 2010-06-22 | 2012-01-12 | Japan Science & Technology Agency | 物理量センサ及びその製造方法 |
JP2014515704A (ja) * | 2011-03-07 | 2014-07-03 | バイエル・マテリアルサイエンス・アクチェンゲゼルシャフト | 電気活性層を有する多層複合材料 |
US20160218272A1 (en) * | 2012-12-26 | 2016-07-28 | Applied Cavitation, Inc. | Piezoelectric devices |
JP2015141978A (ja) * | 2014-01-28 | 2015-08-03 | ムネカタ株式会社 | 圧電型振動発電装置 |
JP2016103967A (ja) * | 2014-11-13 | 2016-06-02 | 株式会社リコー | 素子、及び発電装置 |
WO2016156175A1 (en) * | 2015-03-31 | 2016-10-06 | Koninklijke Philips N.V. | Actuator or sensor device based on an electroactive polymer |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11539307B2 (en) | 2019-01-18 | 2022-12-27 | Boe Technology Group Co., Ltd. | Micro power generation device and electronic apparatus with the same |
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