JP2018159581A - 状態検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】厳しい環境にも好適に対応可能な状態検出装置を提供する。【解決手段】状態検出装置１は、充電可能な全固体電池３０と、全固体電池３０に充電電力を供給する圧電素子２０と、全固体電池３０からの供給電力で動作する各種センサを含む集積回路４０と、を備える。全固体電池３０、圧電素子２０及び集積回路４０は、フレキシブル基板１０の一方の面に設けられる。被測定物である又は被測定空間の内面の少なくとも一部を構成する、可撓性を有する物体５０に、フレキシブル基板１０が取り付けられる。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば温度や圧力等の状態を検出する状態検出装置に関する。

温度や圧力を検出する装置において、二次電池や発電装置により温度センサや圧力センサに電力を供給することが知られている。

特許第５２６４８４２号公報

センサの置かれる環境は、高温になったり、変形したりすることがある。ここで、センサに電力を供給する二次電池が例えばボタン型電池であると、高温環境に耐えることが困難で、また小型化が難しいことから変形力が加わる環境での使用は困難であった。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、厳しい環境にも好適に対応可能な状態検出装置を提供することにある。

本発明のある態様は、状態検出装置である。この状態検出装置は、
充電可能な全固体電池と、
前記全固体電池に充電電力を供給する発電機と、
前記全固体電池からの供給電力で動作するセンサと、
前記全固体電池、前記発電機及び前記センサを設けたフレキシブル基板と、を備える。

被測定物である又は被測定空間の内面の少なくとも一部を構成する、可撓性を有する物体に、前記フレキシブル基板が取り付けられてもよい。

前記フレキシブル基板が移動体に取り付けられてもよい。

前記フレキシブル基板の、測定対象である物体側の面の少なくとも一部に、熱伝導パターンが設けられてもよい。

前記熱伝導パターンは、前記フレキシブル基板の反物体側の面に延出し、反物体側の面に設けられた前記センサの近傍に至ってもよい。

前記フレキシブル基板に、測定対象である物体の内部に入り込んだ熱伝導体と接触する熱伝導パターンが設けられ、
前記熱伝導パターンは、前記フレキシブル基板の前記センサを設けた側の面上において前記センサの近傍に位置し又は延在してもよい。

前記全固体電池、前記発電機及び前記センサが、前記フレキシブル基板にリフロー半田付けにより搭載されてもよい。

前記センサが、温度センサ、加速度センサ、圧力センサ、及び歪みセンサ、の少なくともいずれかを含んでもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、厳しい環境にも好適に対応可能な状態検出装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る状態検出装置１の概略斜視図。 状態検出装置１及びそれを装着した物体５０の概略斜視図。 同拡大断面図。 状態検出装置１を装着した物体５０が変形する様子を示す模式図。 互いに通信する状態検出装置１及び受信装置６０のブロック図。 本発明の実施の形態２に係る状態検出装置２及びそれを装着した物体５０の拡大断面図。 本発明の実施の形態３に係る状態検出装置３及びそれを装着した物体５０の拡大断面図。 本発明の実施の形態４に係る状態検出装置４及びそれを装着した物体５０の拡大断面図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

（実施の形態１）
図１〜図５を参照し、本発明の実施の形態１に係る状態検出装置１について説明する。状態検出装置１は、フレキシブル基板１０と、発電機としての圧電素子２０と、二次電池である全固体電池３０と、各種センサを包含する集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）４０と、を備える。

フレキシブル基板１０は、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）であり、圧電素子２０、全固体電池３０、及び集積回路４０を相互に電気的に接続する図示しない配線パターンが、フレキシブル基板１０に設けられる。圧電素子２０、全固体電池３０、及び集積回路４０は、フレキシブル基板１０の上面（一方の面）に、好ましくはリフロー半田付けにより一括して搭載（実装）される。フレキシブル基板１０の下面（他方の面）は、状態検出装置１の取付け先の物体５０との接触面となる。フレキシブル基板１０は、下面に粘着性を有してもよい。圧電素子２０、全固体電池３０、及び集積回路４０は、フレキシブル基板１０の上面に、記載順に一列に配置されてもよい。圧電素子２０、全固体電池３０、及び集積回路４０はいずれも、好ましくはフレキシブル基板１０の上面から１ｍｍ以内の高さである。

圧電素子２０は、例えば圧電セラミックスであり、状態検出装置１を取り付けた物体５０が振動することで発電する。なお、発電機は、圧電素子２０のように振動によって発電するものの他に、温度差によって発電する薄型チップ形状の温度差発電素子（http://www.micropelt.com/thermogenerator.php）等の他のものであってもよい。圧電素子２０の発電により得られた電力は、全固体電池３０に充電電力として供給され、又は集積回路４０に動作電力として供給される。全固体電池３０は、電解質に有機電解液を用いずに固体電解質を用いた電池であり、電解液の揮発や漏出に伴うリスクが無い、動作可能な温度範囲が広い、及びボタン型電池との比較でも小型化できる、といった特長がある。なお、全固体電池３０は、図示の例ではチップタイプとしているが、フィルムタイプ（薄膜タイプ）としてもよい。

集積回路４０は、図５に示す、電源ＩＣ４１、通信モジュール（通信手段）４２、制御部としてのマイコン（マイクロコントローラ）４３、及び各種センサ４４、を含む。集積回路４０は、図１〜図４では単一のチップ部品（ＩＣチップ）として示しているが、複数のチップ部品の組合せであってもよい。例えば、電源ＩＣ４１を、通信モジュール４２、マイコン４３、及び各種センサ４４とは別のチップ部品としてもよいし、集積回路４０を構成する図５の各ブロックを互いに別のチップ部品としてもよいし、各種センサ４４をセンサの種類ごとに別々のチップ部品としてもよい。

電源ＩＣ４１は、圧電素子２０及び全固体電池３０と共に状態検出装置１の電源１５を構成する。電源ＩＣ４１は、圧電素子２０から供給された電力を、全固体電池３０の充電電力に変換して全固体電池３０に供給する。全固体電池３０は、通信モジュール４２、マイコン４３、及び各種センサ４４に、動作電力を供給する。通信モジュール４２は、外部空間にある受信装置６０の通信モジュール６１と通信するものであって、各種センサ４４による検出結果を通信モジュール６１に送信する。マイコン４３は、通信モジュール４２を制御すると共に、各種センサ４４からの検出信号を受信し、必要な演算（信号処理等）を行う。各種センサ４４は、温度センサ、加速度センサ、圧力センサ、及び歪みセンサ、の少なくともいずれかを含む。受信装置６０は、被測定空間の外部にあり、通信モジュール６１及び制御部としてのマイコン（マイクロコントローラ）６２を含む。

物体５０は、ここではゴム等の可撓性（柔軟性）を有するものである。物体５０は、移動体であってもよい。移動体は、回転体を含む概念である。物体５０が移動体である場合の移動方向を図２に矢印で示す。物体５０は、自身が例えば温度や歪みについての被測定物（測定対象物）であってもよいし、例えば温度や圧力の測定対象となる被測定空間（測定対象空間）の内面の少なくとも一部を構成してもよいし、被測定物であって且つ被測定空間の内面の少なくとも一部を構成してもよい。状態検出装置１の配置される空間は、物体５０により、又は物体５０及び不図示の他の物体により、外部空間と仕切られ（隔てられ）、外部空間との間で有線での通信や電力送受信ができない又は困難な空間であってもよい。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 全固体電池３０は、ボタン型電池と異なり、圧電素子２０及び集積回路４０と同等のサイズまで小型化が可能なため、状態検出装置１の取付け先の物体５０が例えば図４に示すように大きく変形してフレキシブル基板１０が同様に変形しても耐えられる（フレキシブル基板１０との接続が切れない）。そのため、状態検出装置１は、従来は配置することが困難であった変形力が加わる環境にも対応可能である。また、全固体電池３０は、電解質に有機電解液を用いた電池と異なり、高温に強く、電解液の揮発や漏出に伴うリスクも無いため、状態検出装置１は、従来は配置することが難しかった高温環境にも対応可能である。このように、状態検出装置１は、厳しい環境にも好適に対応できるため、様々な用途（アプリケーション）に利用することができる。

(2) 全固体電池３０は、高温に強いため、圧電素子２０及び集積回路４０と共にフレキシブル基板１０に対してリフロー半田付けにより一括して装着（接続）でき、低コストで量産性に優れる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る状態検出装置２及びそれを装着した物体５０の拡大断面図である。状態検出装置２は、実施の形態１に示したものと比較して、フレキシブル基板１０に熱伝導パターン１１が設けられる点で相違し、その他の点で一致する。熱伝導パターン１１は、フレキシブル基板１０の下面（物体５０側の面）の少なくとも一部に設けられた第１部分１１ａと、第１部分１１ａから延びてフレキシブル基板１０を貫通する第２部分１１ｂと、フレキシブル基板１０の上面に設けられ、第２部分１１ｂに接続されると共に集積回路４０の近傍（温度センサの近傍）に至る第３部分１１ｃと、を含む。本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加え、物体５０の熱が熱伝導パターン１１の第１部分１１ａ、第２部分１１ｂ、第３部分１１ｃに順に伝達されて集積回路４０に含まれる温度センサの近傍まで移動するため、物体５０の温度をより正確に測定することができる。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３に係る状態検出装置３及びそれを装着した物体５０の拡大断面図である。状態検出装置３は、実施の形態１に示したものと比較して、フレキシブル基板１０に、物体５０の内部に入り込んだ（挿入された）熱伝導体５１と接触する熱伝導パターン１２が設けられる点で相違し、その他の点で一致する。熱伝導体５１は、熱伝導率の高い例えば銅等の金属からなる部品である。熱伝導体５１は、好ましくは集積回路４０の近傍（温度センサの近傍）においてフレキシブル基板１０を貫通し、物体５０の内部に入り込む。

熱伝導パターン１２は、フレキシブル基板１０の上面（反物体側の面）に設けられて集積回路４０の近傍（温度センサの近傍）に位置し又は延在し、ネジ形状の熱伝導体５１の頭部とフレキシブル基板１０の上面との間に挟まれる。熱伝導体５１は、ネジであって物体５０に埋め込まれた（例えば一体成型された）図示しないナットに螺着され、物体５０に対するフレキシブル基板１０の取付に寄与してもよい。本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加え、物体５０の熱が熱伝導体５１及び熱伝導パターン１２に順に伝達されて集積回路４０に含まれる温度センサの近傍まで移動するため、物体５０の温度をより正確に測定することができる。

（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４に係る状態検出装置４及びそれを装着した物体５０の拡大断面図である。状態検出装置４は、実施の形態１に示したものと比較して、フレキシブル基板１０に、物体５０の内部に例えば一体成型により埋め込まれた（埋設された）熱伝導体５２と接触する熱伝導パターン１３が設けられる点で相違し、その他の点で一致する。熱伝導体５２は、熱伝導率の高い例えば銅等の金属からなる部品である。熱伝導体５２は、好ましくは集積回路４０の近傍（温度センサの近傍）において、物体５０のフレキシブル基板１０側の面に部分的に露出する。

熱伝導パターン１３は、フレキシブル基板１０の下面（物体５０側の面）の少なくとも一部に設けられて熱伝導体５２に接触する第１部分１３ａと、第１部分１３ａから延びてフレキシブル基板１０を貫通する第２部分１３ｂと、フレキシブル基板１０の上面に設けられ、第２部分１３ｂに接続されると共に集積回路４０の近傍（温度センサの近傍）に至る第３部分１３ｃと、を含む。本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加え、物体５０の熱が熱伝導体５２、熱伝導パターン１３の第１部分１３ａ、第２部分１３ｂ、第３部分１３ｃに順に伝達されて集積回路４０に含まれる温度センサの近傍まで移動するため、物体５０の温度をより正確に測定することができる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。

１〜４ 状態検出装置、１０ フレキシブル基板（ＦＰＣ）、１１〜１３ 熱伝導パターン、２０ 圧電素子、３０ 全固体電池、４０ 集積回路、４１ 電源ＩＣ、４２ 通信モジュール、４３ マイコン（制御部）、４４ 各種センサ、５０ 物体、６０ 受信装置、６１ 通信モジュール、６２ マイコン（制御部）

Claims (8)

1. 充電可能な全固体電池と、
   前記全固体電池に充電電力を供給する発電機と、
   前記全固体電池からの供給電力で動作するセンサと、
   前記全固体電池、前記発電機及び前記センサを設けたフレキシブル基板と、を備える、状態検出装置。
2. 被測定物である又は被測定空間の内面の少なくとも一部を構成する、可撓性を有する物体に、前記フレキシブル基板が取り付けられる、請求項１に記載の状態検出装置。
3. 前記フレキシブル基板が移動体に取り付けられる、請求項２に記載の状態検出装置。
4. 前記フレキシブル基板の、測定対象である物体側の面の少なくとも一部に、熱伝導パターンが設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の状態検出装置。
5. 前記熱伝導パターンは、前記フレキシブル基板の反物体側の面に延出し、反物体側の面に設けられた前記センサの近傍に至る、請求項４に記載の状態検出装置。
6. 前記フレキシブル基板に、測定対象である物体の内部に入り込んだ熱伝導体と接触する熱伝導パターンが設けられ、
   前記熱伝導パターンは、前記フレキシブル基板の前記センサを設けた側の面上において前記センサの近傍に位置し又は延在する、請求項１から３のいずれか一項に記載の状態検出装置。
7. 前記全固体電池、前記発電機及び前記センサが、前記フレキシブル基板にリフロー半田付けにより搭載されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の状態検出装置。
8. 前記センサが、温度センサ、加速度センサ、圧力センサ、及び歪みセンサ、の少なくともいずれかを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の状態検出装置。