JP4039387B2

JP4039387B2 - 圧電変換器

Info

Publication number: JP4039387B2
Application number: JP2004126637A
Authority: JP
Inventors: 美幸山内; 拓生嶋田; 志郎竹下
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: JP2004286755A

Description

寝具または椅子などの人体の接触する部分に配設して振動を検知する圧電素子に関するものである。

従来この種の圧電変換器は例えば同軸ケーブル状の形状のものであれば、図１１に示すように、チューブ状の圧電素子１と、圧電素子１の中心を通る中心導体２と、圧電素子１の外側を被覆してシールドする外側導体３の電極部と、外側導体３の外側を被覆する被覆材４より構成されていた。この被覆材４はポリウレタンなどの可撓性のある材料を用いていた。この被覆材４のポリウレタンに付加した力が外側導体３の内側の圧電素子１に伝達し、圧電素子１が歪みを生じて電圧や電荷などの出力信号を発生する構造となっていた（例えば、特許文献１参照）。よって、この圧電変換器を寝具や椅子に配設すると、人体側より発生した振動をうけて圧電素子１が歪みを生じて信号を出力していた。この振動信号を処理し、寝具や椅子上の人体の有無を検知したり、人体の状態を判定していた。
特開平２−１８１６２１号公報

しかし、従来の圧電変換器では、出力電圧が小さいので信号処理回路に入力するまでに環境によってはノイズに影響されてしまうという課題があった。

寝具内に圧電変換器を配設した場合、寝具と人体との間で生じる圧力が圧電変換器のある部分で大きくなり、健康を損なうことはないものの、接触感のよいものではなかった。

また、人体の有無の判定に関して、寝具上の人体が死亡した際には、死亡したことを検知する必要がある。しかし、圧電素子のみでは死亡して振動を発しない人体があることを検知できないために、感圧センサを併用して人体があることを判定する必要があった。

人体と接触して、人体の振動検知に適用する場合、接触感がポリウレタンの柔軟性に依存し、ポリウレタン材の柔軟性が高いほうが好ましい。しかし柔軟性が高すぎると外部から加えられた力がポリウレタンに吸収されてしまい内部の圧電素子まで伝達しないので、柔軟性の高いゴム材料などで、感触のよい圧電変換器の被覆材料を製造すると、出力信号をさらに小さくすることになった。

また、圧電素子の圧電性は温度に依存して変化するので、使用環境における温度条件がノイズになることがあった。

上記、従来の課題を解決するために、中心に電極である中心導体を設けた圧電素子と、前記圧電素子の外側を被覆するもうひとつの電極である外側導体と、前記外側導体の外側から被覆する絶縁膜とを有し、前記圧電素子と絶縁膜との間に弾性体を内包する中空部と、前記中空部の温度を検知する温度センサと、前記中空部に内包した弾性体の温度を制御する温度制御装置とを設けたものである。

これによって、弾性体が圧電素子の全周囲を被覆して、圧電素子の温度環境を一定に保つようにし、圧電特性が損なわれないような温度環境にすることができる。

以上のように本発明の圧電変換器は、圧電素子と絶縁膜との間に弾性体を内包するので、圧電素子の温度環境を一定に保つようにし、温度条件によるノイズを除いて、圧電特性が損なわれないようにすることができる。

第１の発明は、中心に電極である中心導体を設けた圧電素子と、前記圧電素子の外側を被覆するもうひとつの電極である外側導体と、前記外側導体の外側から被覆する絶縁膜とを有し、前記圧電素子と絶縁膜との間に弾性体を内包する中空部と、前記中空部の温度を検知する温度センサと、前記中空部に内包した弾性体の温度を制御する温度制御装置とを設けたものである。これにより、圧電素子の特性に影響しないように圧電素子の温度環境を一定にし、温度センサを設けて中空部の温度を制御するので、温度条件によるノイズを除くことができる。

以下本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を示す圧電変換器である。５はチューブ状の圧電素子、６は電極のひとつであるチューブの中心を通る中心導体、７はもうひとつの電極であるチューブの外側を被覆してシールドする外側導体、８は外側導体の外側を被覆するゴム製の絶縁膜である。本実施の形態では、チューブ状の圧電素子５と絶縁膜８との間にもうけた中空部に空気９を内包させる。

上記構成により以下のように作用する。圧電変換器の絶縁膜８に力がかかると、絶縁膜８と圧電素子５の間の中空部に内包された空気９の圧力が変わり、中空内の空気の圧力が変化し、圧電素子５に周囲から力を伝達する。このとき、圧電素子５は全方向から力をうけ、それによって生じた歪みに応じて信号を出力する。図２に圧電変換器の作用の説明図と、図３に本発明の作用の説明図を示す。図２に示すような従来の圧電変換器であれば、被覆材４に付加された１方向性の力Ｆ０は、１方向性でチューブ状圧電素子１に歪みを生じさせる。しかし、本発明の圧電変換器では図３に示すように中空状の絶縁膜８に付加された力Ｆ１は１方向であっても、全方向に対する力Ｆ２〜Ｆ７に変換されるので、全方向からチューブ状圧電素子５へ力が付加されることになる。よって、１方向より付加された場合に比較してより大きな出力が得られることになる。このとき、信号レベルの大きさは、付加した力と中空の絶縁膜８の内側表面積に依存する。このように上記作用によって、圧電変換器の出力信号は大きくなる。本実施の形態では内包物を空気９としたが、この圧電変換器を寝具や椅子などに配設して人体の振動検知に用いた場合には空気９の圧力分散効果により就寝者や着席者の就寝感、着席感をよくすることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２を図４に示す。本実施の形態では、圧電素子５の周囲をとりまく電極の外側導体７の周囲に、空気９を内包する絶縁性チューブ１０を巻き付けた構造とした。力を受ける部位Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４という特定部位にチューブ１０が巻きつくように構成した。

この構成で次のように作用する。力を受ける部位Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の少なくとも１部に力をうければ、チューブ１０の内包物の空気９の圧力が変化し、圧電素子５へ力を付加するので、その力に応じて信号が出力される。

この実施の形態のチューブ１０を力をうける特定部位にまきつける構成にすると、内包物の少量化が可能でコスト低減となる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、図５に示すように、内包物を水１１とし、圧電変換器の信号導出部でもあり絶縁膜８の端部でもある中空部の口部７に、圧力センサ１３と水１１の圧力を調節する圧力調節装置１４をとりつけてある。

上記構成により、次のように作用する。圧電変換器に静的に圧力が付加すると、水１１の圧力が変わる。このとき、圧力変化の際には圧電素子５より圧力変化に応じた信号が出力されるが、静的に圧力が付加され続けると圧電素子５より圧力に相当する信号は出力されない。しかし、圧力センサ１３によって絶縁膜８がうける静的な圧力を検知する。さらに、圧力調節装置１４は、圧力センサ１３の検知した圧力をモニターしながら水１１の圧力を調節する。

上記作用により、絶縁膜８の口部７にとりつけた圧力センサ１３が内包物の圧力を検知することができるので、圧電変換器全体に付加される静的圧力を検知することが可能になる。例えばこの圧電素子を寝具内に配設すると、人体が発生する振動と静的な圧力とを圧電変換器のみで同時に検知することができる。よって、さらに複数の感圧センサを配設する必要はない。また、絶縁膜８自身が破損し内包物が外部に流れでると、一定の内圧よりも低下するので、圧力センサ１３で内包物の圧力を検知すれば、絶縁膜８が破損したことがわかる。よって、圧力センサ１３を用いて圧電変換器の自己破損チェックにも用いることができる。また、圧電変換器が寝具内に配設されていると、水１１の圧力の違いで就寝感がかわり、個人間でその好みの圧力が異なるので、圧力調節装置１４によって好みの圧力に変えることができる。このように、より人体の接触感を向上させることができる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４を図６に示す。圧電変換器の内包する水１１の温度を検知する温度センサ１５と、水１１の温度を調節する温度調節装置１６を絶縁体４の端部７に設けた。

上記構成により、温度センサ１５は、水１１の温度を検知するが、これは圧電素子５の環境温度であり、この温度に影響されて圧電素子５の出力がかわることになる。よって、温度特性を参照しながら、圧電素子５の環境温度である水１１の温度状態を検知すれば、圧電素子５からの出力を補正するのに使用できる。また、圧電特性を損なうような温度環境になったことがわかるので、圧電素子５の特性チェックに使用することもできる。また、圧電変換器が寝具内に配設された場合、寝具上の人体の体温を検知することも可能となる。

温度調節装置１６は温度センサ１５の検知した温度にもとづいて水１１の温度を調節することができる。温度調節装置１６は、温度センサ１５によって圧電素子５の圧電特性が損なわれるような温度にならないように水１１の温度を調節し、圧電特性が損なわれないようにすることができる。また、圧電変換器の特性を一定にたもつために、温度センサ１５で温度をモニターしながら圧電素子５の温度環境を一定にすることもできる。圧電変換器が寝具内に配設される場合には、この一定温度が寝床内の温度を左右することになるので、就寝者が快適と感じられる温度に調節することもできる。例えば温度調節装置１６が加熱部であれば、冬期の暖房に、また、冷却部であれば、夏期の冷房に用いることができる。

なお、本発明の実施の形態４では、圧力センサ１３や温度センサ１５を圧電変換器の中空部の口部１２に設けたが、絶縁膜８の内壁の外側導体７側やその反対側、内包物の中央に設けるような構成としてもよい。

なお、実施の形態４では、内包物を空気９、または水１１としたが、他の気体や液体などの弾性体でも、人体との接触感の向上がえられる。

さらに、本発明の実施の形態４ではチューブ状の圧電素子５を示したが、図７〜図１０の他の実施の形態に示すように、他の形状の圧電素子において圧電変換器を構成してもよい。圧電素子５自体の形状が、チューブ状でなく、角柱であったり、中心導体の位置や、圧電素子の絶縁体の位置関係あＨ、断面の中央部でなく偏心していてもよい。また、圧電素子５がフィルム状であれば、中心導体６や外側導体７の電極の位置は図１０のような構成でもよい。

本発明の実施の形態１の圧電変換器の構成図従来の圧電変換器の力の作用の説明図本発明の圧電変換器の力の作用の説明図本発明の実施の形態２の圧電変換器の構成図本発明の実施の形態３の圧電変換器の構成図本発明の実施の形態４の圧電変換器の構成図本発明の他の実施の形態の圧電変換器の構成図本発明の他の実施の形態の圧電変換器の構成図本発明の他の実施の形態の圧電変換器の構成図本発明の他の実施の形態の圧電変換器の構成図従来の圧電変換器の構成図

符号の説明

５圧電素子
６内側導体
７外側導体
８絶縁膜
９空気
１０チューブ
１１水
１３圧力センサ
１４圧力調節装置
１５温度センサ
１６温度調節装置

Claims

中心に電極である中心導体を設けた圧電素子と、前記圧電素子の外側を被覆するもうひとつの電極である外側導体と、前記外側導体の外側から被覆する絶縁膜とを有し、前記圧電素子と絶縁膜との間に弾性体を内包する中空部と、前記中空部の温度を検知する温度センサと、前記中空部に内包した弾性体の温度を制御する温度制御装置とを設けた圧電変換器。