JP6103074B2 - 圧電センサ - Google Patents
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Description
本発明は、圧電センサに関する。
センサおよびアクチュエータ等に用いられる一般的な圧電素子の構造としては、圧電体層を２つの電極層で挟んだ構造が知られている。圧電素子では、圧電素子に加えられた応力等の物理的信号が電気的信号に変換されて（正圧電効果）、電極から出力されるか、あるいは、圧電素子に入力された電気的信号が物理的信号に変換される（逆圧電効果）。
近年、電子機器の小型化に伴い、センサ等に用いられる圧電素子も小型化、軽量化が求められている。この要求に応えるものとして、フィルム状の基材に薄膜化した圧電体層を形成した圧電素子、または、圧電性をもつフィルム材料による圧電素子の開発が進められている。
このような圧電素子は、通常、ゴムモールドなどの保護部材で覆われた状態で、圧電センサとして製品化される。そして、圧電センサは、生体に貼り付けた状態で、その圧電センサが貼り付けられた部位の圧力変化を検出し、生体の各部位に生じる動きを測定するために応用することが検討されている。
圧電センサを生体に貼り付ける方法としては、種々の粘着剤等を用いて圧電センサを生体に密着させる方法が挙げられるが、この場合、粘着剤が密着した生体部位が汗等の水分により蒸れた状態となり、生体に不快感が生じると共に、該部位の皮膚にかぶれ等が生じたり、圧電センサが剥がれやすくなったりするという問題がある。通常、圧電センサを貼り付けた状態は長時間続く場合が多いため、これらの問題は、実用面において重要な問題である。
一方、特許文献１（特開２００９−１６０３０５号公報）には、生体の表面に取り付けられて、生体の呼吸状態を検出する呼吸器センサにおいて、センサの装着時の不快感を低減するために、検出素子を保持する板状の基体に複数の開口部を設けることが記載されている。しかしながら、特許文献１に記載のセンサは、装着型であり（貼り付け型ではなく）、生体に密着して貼り付けることができない。このため、このようなセンサは、生体に貼り付けた状態で使用される圧電センサには適用することが出来ない。
本発明は、生体に貼り付けた状態で使用する場合に、貼り付け部位に生じる蒸れを抑制し、生体に生じる不快感や生体への悪影響を低減できる圧電センサを提供することを目的とする。
［１］ 圧電フィルム、前記圧電フィルムの一方の主面に積層された信号電極層、および、前記圧電フィルムの他方の主面に積層された接地電極層を含む圧電素子と、
前記圧電素子を少なくとも部分的に覆う保護部材と、
前記保護部材の外表面の少なくとも一部に形成された粘着剤層とを備え、
前記圧電素子は、１つ以上の第１貫通孔を有し、
前記保護部材は、前記第１貫通孔と同じ位置に１つ以上の第２貫通孔を有し、
前記粘着剤層は、通気性を有する通気性粘着剤層であるか、または、前記第２貫通孔と同じ位置に１つ以上の第３貫通孔を有することを特徴とする、圧電センサ。
前記圧電素子を少なくとも部分的に覆う保護部材と、
前記保護部材の外表面の少なくとも一部に形成された粘着剤層とを備え、
前記圧電素子は、１つ以上の第１貫通孔を有し、
前記保護部材は、前記第１貫通孔と同じ位置に１つ以上の第２貫通孔を有し、
前記粘着剤層は、通気性を有する通気性粘着剤層であるか、または、前記第２貫通孔と同じ位置に１つ以上の第３貫通孔を有することを特徴とする、圧電センサ。
［２］ 前記通気性粘着剤層は、透湿性を有するゲルからなる、上記［１］に記載の圧電センサ。
［３］ 前記通気性粘着剤層は、メッシュ状である、上記［１］に記載の圧電センサ。
［４］ 前記圧電素子において、前記第１貫通孔およびその周囲を含む領域に、前記信号電極層および前記接地電極層が存在しない、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の圧電センサ。
［４］ 前記圧電素子において、前記第１貫通孔およびその周囲を含む領域に、前記信号電極層および前記接地電極層が存在しない、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の圧電センサ。
［５］ 前記第１貫通孔が前記第２貫通孔よりも大きく、前記圧電素子が前記第２貫通孔において外部に露出していない、上記［１］〜［４］のいずれかに記載の圧電センサ。
［６］ さらに、前記信号電極層に電気的に接続されたアンプを備え、
前記保護部材の内部に前記アンプが収容されている、上記［１］〜［５］のいずれかに記載の圧電センサ。
前記保護部材の内部に前記アンプが収容されている、上記［１］〜［５］のいずれかに記載の圧電センサ。
［７］ 生体に貼り付けた状態で使用される、上記［１］〜［６］のいずれかに記載の圧電センサ。
本発明によれば、生体に貼り付けた状態で使用する場合に、貼り付け部位に生じる蒸れを抑制し、生体に生じる不快感や生体への悪影響を低減できる圧電センサを提供することができる。また、生体と圧電センサの間の空気が抜け易く、汗などが溜まり難いため、圧電センサの生体への密着性を向上させることができる。
本発明の圧電センサは、圧電素子と、該圧電素子を少なくとも部分的に覆う保護部材と、前記保護部材の外表面の少なくとも一部に形成された粘着剤層とを備える。
本発明においては、圧電素子は、１つ以上の第１貫通孔を有し、
保護部材は、第１貫通孔と同じ位置に１つ以上の第２貫通孔を有し、
粘着剤層は、（ｉ）通気性を有する通気性粘着剤層であるか、または、（ｉｉ）第２貫通孔と同じ位置に１つ以上の第３貫通孔を有する。
保護部材は、第１貫通孔と同じ位置に１つ以上の第２貫通孔を有し、
粘着剤層は、（ｉ）通気性を有する通気性粘着剤層であるか、または、（ｉｉ）第２貫通孔と同じ位置に１つ以上の第３貫通孔を有する。
「圧電素子」は、少なくとも、圧電フィルム、圧電フィルムの一方の主面に積層された信号電極層、および、圧電フィルムの他方の主面に積層された接地電極層を含む。「圧電フィルム」は、例えば、絶縁性フィルム、および、該絶縁性フィルムの一方の主面に積層された圧電体層から構成される。また、「圧電体フィルム」は、圧電性を有するフィルム素材によって構成されるものであってもよい。
圧電センサに用いられる圧電フィルムは薄型（フィルム状）の部材であり、それを含む圧電素子も薄型（フィルム状）であることが好ましい。圧電センサ全体としても、薄型（フィルム状）の圧電センサであることがより好ましい。
絶縁性フィルムは、通常は可撓性を有するフィルムであり、軽量で、取り扱い易いといった特徴を有する高分子を主成分とするフィルムであることが好ましい。絶縁性フィルムの主成分として用いられる高分子は、特に限定されるものではないが、例えば、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂であり、好ましくは、耐熱性、絶縁破壊強度、機械的強度に優れるポリイミド系樹脂である。
圧電体層の構成材料は、圧電性を有する物質であれば特に限定されるものではないが、例えば、ウルツ鉱型構造を有する化合物やペロブスカイト構造（ＡＢＯ３）を有する複合酸化物（ペロブスカイト系複合酸化物）を主成分とする材料を用いることができる。
ウルツ鉱型構造を有する化合物としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛またはヨウ化銀が挙げられる。
ペロブスカイト系複合酸化物のペロブスカイト構造（ＡＢＯ３）のＡサイトとしては、例えば、Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｌａ，ＬｉおよびＢｉの中から選択される少なくとも１種の元素を採用することができる。ペロブスカイト構造（ＡＢＯ３）のＢサイトとしては、例えば、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｓｂ，ＴａおよびＦｅの中から選択される少なくとも１種の元素が採用される。
このようなペロブスカイト系複合酸化物の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］（ＰＺＴともいう）、ニオブ酸タンタル酸カリウム［Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３］、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３［チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）など］、等が挙げられる。
圧電体層の形成方法としては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、コーティング法や、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法等の化学蒸着法が知られており、その中から好ましいものを適宜選択することができる。
圧電体層の膜厚は、好ましくは０．１〜１００μｍであり、より好ましくは０．５〜３０μｍである。すなわち、厚みが０．１μｍ未満では、例えばセンサやアクチュエータ等に用いた場合に十分な出力が得られにくく、逆に１００μｍを超えると柔軟性が乏しくなりクラックや剥離を引き起こす恐れがある。
信号電極層は、圧電体層で発生した電気信号を出力するための電極からなる膜状の層であり、アンプに電気的に接続されることが好ましい。また、接地電極層は、通常、信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成される。
信号電極層および接地電極層の材料としては、例えば、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、ＣｕまたはＳｎ等の金属やこれらの合金から構成される導電性材料、または、金属酸化物や金属窒化物を含む導電性材料を用いることができる。
信号電極層および接地電極層の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、塗布処理、メッキ法またはスパッタリング法や、真空蒸着法等の物理蒸着法を用いることができる。なお、接地電極層は、他にも、例えば、上記材料からなる薄膜を積層することで形成してもよい。
本発明の圧電センサは、例えば、変位信号、音声信号などの物理信号を計測するためのセンサとして用いられる。圧電センサは、特に、生体に貼り付けられた状態で使用されるセンサとして好適に用いられる。なお、本発明の圧電センサと同様の構成を有する部材をアクチュエータとして用いることもできる。
以下、本発明の圧電素子の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
（実施形態１）
図１は、実施形態１の圧電センサの構成を説明するための斜視図であり、図２は、実施形態１の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。
図１は、実施形態１の圧電センサの構成を説明するための斜視図であり、図２は、実施形態１の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。
図２を参照して、本実施形態の圧電センサの一部を構成する圧電素子１は、圧電フィルム１１と、その両主面に積層された２つの電極層１２，１３とから構成される。圧電フィルム１１は、絶縁性フィルム、および、絶縁性フィルムの一方の主面に積層された圧電体層から構成されている。なお、圧電フィルム１１の一方の主面に積層される電極層１２が信号電極層となり、圧電フィルム１１の他方の面に積層される電極層１３が接地電極層となる。電極層１２は、引き出し配線３１に、電極層１３は引き出し配線３２に電気的に接続されている。ただし、信号電極層と接地電極層とは電気的に接続されていない。このように、人体側（通気性粘着剤層４１側）の電極層１３が接地電極層である方が好ましい。
圧電センサは、さらに、圧電素子の全体を覆う保護部材２と、保護部材２の一方の主面に形成された通気性粘着剤層４１とを備えている。通気性粘着剤層４１の保護部材２と反対側の表面には、剥離紙５が剥離可能なように貼り付けられおり、使用前の粘着剤層の表面を保護している。
保護部材としては、特に限定されないが、例えば、ゴムから形成されるモールド（成型体）が挙げられる。ゴムとしては、生体にアレルギー反応が生じ難い点で、シリコーンゴムを用いることが好ましい。なお、保護部材は、安全性の観点から、鋭利な角部がない形状（角部が丸い形状など）であることが好ましい。
通気性粘着剤層４１としては、例えば、透湿性を有するゲルからなる粘着剤層を用いることができる。透湿性を有するゲルとしては、例えば、透湿性ウレタンゲルなどが挙げられる。また、通気性粘着剤層は、メッシュ状の粘着剤層（メッシュ等の多孔性基材と粘着剤を含む層）であってもよい。メッシュ状の粘着剤層を用いる場合、材料を低コスト化でき、粘着剤の材質選択の自由度が増すため、粘着剤層の生体への低侵襲化等も可能となる。
ここで、図１および図２を参照して、本実施形態の圧電センサには、複数の貫通孔２ａが設けられている。この貫通孔２ａは、圧電素子が有する１つ以上の第１貫通孔と、保護部材２が有する１つ以上の第２貫通孔とを兼ねる孔である。従って、本実施形態では、第１貫通孔および第２貫通孔を貫通孔２ａとして同時に形成することもできる。貫通孔の形成方法としては、種々公知の方法を用いることができ、特に限定されない。
図２では、粘着剤層として通気性粘着剤層４１を用いている。このため、特に貫通孔を設ける必要はなく、製造面で有利である。ただし、図３に示されるように粘着剤層４２が貫通孔４ａ（第３貫通孔）を有していてもよい。なお、粘着剤層４２が通気性を有していない場合は、第３貫通孔を設ける必要がある。
なお、粘着剤層（通気性粘着剤層４１、粘着剤層４２）の保護部材（ゴムモールドなど）に対する接合力は、生体（皮膚表面など）に対する接合力よりも強いことが好ましい。センサを剥がしたときに粘着剤が生体に残ることを防ぐためである。
また、例えば、人体の喉頭隆起の皮膚表面に圧電センサを貼り付けるような場合は、粘着剤層にスリット等を設けることで、粘着剤層が皮膚の表面の凹凸に適合するようにすることが好ましい。
図２に示されるように、圧電素子１において、第１貫通孔（貫通孔２ａ）およびその周囲を含む領域に、電極層１２，１３（信号電極層および接地電極層）が存在しないように、電極層１２，１３の配線パターンが設計されている。このようにすることで、例えば、圧電素子１に第１貫通孔を形成する際に、２つの電極層１２，１３（信号電極層と接地電極層）が変形して貫通孔内で両者が接触するといった絶縁破壊の発生が防止され、絶縁性が向上する。
なお、図２および図３では、圧電素子１の全体が保護部材２で覆われているが、図４に示されるように、２つの保護部材２を圧電素子１の両主面のそれぞれに積層するようにしてもよい。
本実施形態では、圧電素子１および保護部材２に貫通孔（第１貫通孔および第２貫通孔）を設け、さらに、粘着剤層として通気性粘着剤層４１を用いるか、または、粘着剤層にも貫通孔（第３貫通孔）を設けることにより、生体に貼り付けた状態で使用する場合に、貼り付け部位に生じる蒸れを抑制し、生体に生じる不快感や生体への悪影響を低減できる圧電センサを提供することができる。また、生体と圧電センサの間の空気が抜け易く、汗などが溜まり難いため、圧電センサの生体への密着性を向上させることができる。
（実施形態２）
図５は、実施形態２の圧電センサの構成を説明するための模式断面図である。本実施形態は、図５に示されるように、電極層１２，１３（信号電極層および接地電極層）が、貫通孔２ａ（圧電素子１の第１貫通孔）の周囲に存在している点で、実施形態１とは異なるが、その他の点は実施形態１と同様である。
図５は、実施形態２の圧電センサの構成を説明するための模式断面図である。本実施形態は、図５に示されるように、電極層１２，１３（信号電極層および接地電極層）が、貫通孔２ａ（圧電素子１の第１貫通孔）の周囲に存在している点で、実施形態１とは異なるが、その他の点は実施形態１と同様である。
実施形態１では、貫通孔２ａを形成する前に、第１貫通孔（貫通孔２ａ）およびその周囲を含む領域に、電極層１２，１３（信号電極層および接地電極層）が存在しないように、電極層１２，１３の配線パターンを形成する必要があるが、本実施形態では、その必要がなく、簡易な方法により低コストで圧電センサを製造することができる。
（実施形態３）
図６は、実施形態３の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。実施形態１では、図２に示されるように、第１貫通孔（圧電素子１の貫通孔）の大きさは、第２貫通孔（保護部材２の貫通孔２ａ）の大きさと同じであったが、本実施形態では、第１貫通孔を第２貫通孔（貫通孔２ａ）よりも大きくし、圧電素子１（圧電フィルム１１）が第２貫通孔において外部に露出しないように設計されている。
図６は、実施形態３の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。実施形態１では、図２に示されるように、第１貫通孔（圧電素子１の貫通孔）の大きさは、第２貫通孔（保護部材２の貫通孔２ａ）の大きさと同じであったが、本実施形態では、第１貫通孔を第２貫通孔（貫通孔２ａ）よりも大きくし、圧電素子１（圧電フィルム１１）が第２貫通孔において外部に露出しないように設計されている。
本実施形態では、このように、圧電素子１が保護部材２で覆われているため、圧電素子の耐湿性等が向上し、圧電センサの劣化が抑制され、圧電センサの信頼性が向上する。なお、本実施形態は、圧電フィルムを構成する圧電体の材料として、腐食しやすい材料を用いる場合に、特に有用である。
（実施形態４）
図７は、実施形態４の圧電センサの構成を説明するための斜視図であり、図８は、実施形態４の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。
図７は、実施形態４の圧電センサの構成を説明するための斜視図であり、図８は、実施形態４の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。
本実施形態では、図８に示されるように、アンプ６２が搭載されたアンプ基板６１が、圧電素子１の一方の面に積層されている。アンプは、信号電極層からの電気信号を増幅する機能を有しており、電子回路に用いられる種々公知のアンプ（増幅器）を用いることができる。
圧電フィルム１１の両面の電極層１２，１３（信号電極層および接地電極層）は、導電性接着剤７を介して、アンプ基板６１に電気的に接続され、信号電極層（電極層１２）がアンプ６２と電気的に接続される。アンプ基板６１には引き出し配線３１，３２が接続され、一方の引き出し配線３１は、信号電極層（電極層１２）およびアンプ６２と電気的に接続され、他方の引き出し配線３２は、接地電極層（電極層１３）と電気的に接続されている。
そして、本実施形態において、アンプ６２は、保護部材２の内部に収容されている。本実施形態では、このように、アンプも保護部材で覆われていることにより、圧電フィルム１１（圧電素子）で発生し、信号電極層から出力された後、アンプで増幅される前の電気信号に、電磁ノイズが混入することを抑制できる。これにより、圧電センサの感度を向上させることができる。特に、生体で生じる物理信号を計測する場合は、生体が絶縁体であり誘導雑音を帯びているため、本実施形態が有効である。
また、アンプへの湿気等の混入を抑制できるため、アンプの特性変化を生じ難くなり、圧電センサの信頼性を向上させ、長寿命化することができる。
また、別途、圧電素子とアンプとを信号線（ワイヤ等）で接続する場合は、シールド体が大きくなってしまうが、本実施形態では、上述のような構成の圧電素子とアンプとを積層してアンプ基板を介して接続することにより、別途の信号線が必要なく、安価に、小型（薄型）のアンプ一体型の圧電センサを提供することができる。なお、圧電センサを小型化、薄型化する観点から、アンプ６２としてサイズの小さなアンプを用いることが好ましい。
また、アンプと圧電素子の接続部が、保護部材で覆われていることにより、外部からの応力が緩和され、該接合部における断線等を抑制することができる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 圧電素子、１１ 圧電フィルム、１２，１３ 電極層、２ 保護部材、２ａ，４ａ 貫通孔、３１，３２ 引き出し配線、４１ 通気性粘着剤層、４２ 粘着剤層、５ 剥離紙、６１ アンプ基板、６２ アンプ、７ 導電性接着剤。
Claims (7)
- 圧電フィルム、前記圧電フィルムの一方の主面に積層された信号電極層、および、前記圧電フィルムの他方の主面に積層された接地電極層を含む圧電素子と、
前記圧電素子を少なくとも部分的に覆う保護部材と、
前記保護部材の外表面の少なくとも一部に形成された粘着剤層とを備え、
前記圧電素子は、１つ以上の第１貫通孔を有し、
前記保護部材は、前記第１貫通孔と同じ位置に１つ以上の第２貫通孔を有し、
前記粘着剤層は、通気性を有する通気性粘着剤層であるか、または、前記第２貫通孔と同じ位置に１つ以上の第３貫通孔を有することを特徴とする、圧電センサ。 - 前記通気性粘着剤層は、透湿性を有するゲルからなる、請求項１に記載の圧電センサ。
- 前記通気性粘着剤層は、メッシュ状である、請求項１に記載の圧電センサ。
- 前記圧電素子において、前記第１貫通孔およびその周囲を含む領域に、前記信号電極層および前記接地電極層が存在しない、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電センサ。
- 前記第１貫通孔が前記第２貫通孔よりも大きく、前記圧電素子が前記第２貫通孔において外部に露出していない、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電センサ。
- さらに、前記信号電極層に電気的に接続されたアンプを備え、
前記保護部材の内部に前記アンプが収容されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電センサ。 - 生体に貼り付けた状態で使用される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電センサ。
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