JP6234858B2 - 圧電センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧電センサに関する。

従来から、圧電シートを用いた圧電センサが医療施設や介護施設などにおいて用いられている。このような圧電センサとしては、特許文献１に、高分子材料からなる圧電シートの両側に銀ペーストを塗布し、一方をシグナル電極とし、他方をグランド電極とした圧電センサが開示されている。

上記圧電センサによれば、圧電シートに加わる荷重によって圧電シートにて発生する電荷を電位として測定することにより、人や動物などの生体又は物体などが存在しているか否かを検出することができる。

圧電シートの表面に形成されるシグナル電極は、荷重を検出したい位置に形成され、シグナル電極にはシグナル電極を通じて測定された電位を外部に取り出すために配線部が電気的に接続されている。

特開平１０−３３２５０９号公報

しかしながら、シグナル電極に接続された配線部も感度を有するため、配線部が配設された圧電シート部分に荷重が加わった場合、シグナル電極が配設された圧電シート部分に荷重が加わっていないにもかかわらず、シグナル電極が配設された圧電シート部分に荷重が加わった場合と同様に電荷が発生しノイズとなってしまい、圧電センサの検出精度が低いという問題点を有する。

本発明は、ノイズの発生が殆どなくシグナル電極が配設された圧電シート部分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圧電センサを提供する。

本発明の圧電センサは、一枚の圧電シートの一面にシグナル電極が配設一体化されていると共に、上記圧電シートの他面に上記シグナル電極に対応させてグランド電極が配設一体化され、更に、上記圧電シートの一面には、上記シグナル電極で測定され電位を外部に取り出すための配線部が上記シグナル電極に電気的に接続されており、上記圧電シートにおける上記配線部の配設部分の出力感度が５ｍＶ／Ｎ以下であることを特徴とする。

上記圧電センサにおいて、一枚の圧電シートの一面に複数個のシグナル電極が互いに独立して配設一体化されていると共に、配線部が上記シグナル電極に互いに独立して電気的に接続されていることを特徴とする。

上記圧電センサにおいて、圧電シートにおける配線部の配設部分に６０〜１２０℃の加熱処理を施していることを特徴とする。

上記圧電センサにおいて、圧電シートにおける配線部の配設部分に交流放電処理を施していることを特徴とする。

本発明の圧電センサは、上述の如き構成を有しており、圧電シートにおける配線部の配設部分の出力感度を５ｍＶ／Ｎ以下としているので、圧電シートにおける配線部の配設部分に荷重が加わることによる電荷の発生を概ね抑制しており、シグナル電極が配設された圧電シート部分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。

上記圧電センサにおいて、一枚の圧電シートの一面に複数個のシグナル電極が互いに独立して配設一体化されていると共に、配線部が上記シグナル電極に互いに独立して電気的に接続されている場合には、複数個所に加えられる荷重のそれぞれを独立して一つの圧電センサを用いて検出することができる。

上記圧電センサにおいて、圧電シートにおける配線部の配設部分に６０〜１２０℃の加熱処理を施し、又は、圧電シートにおける配線部の配設部分に交流放電処理を施している場合には、圧電シートの配線部の配設部分における荷重に対する感度を所定以下に抑制しており、シグナル電極が配設された圧電シート部分にて発生した電荷を電位として正確に測定することができる。

圧電センサを示す斜視図である。 図１のII-II線断面図である。 圧電センサの他の一例を示す断面図である。

本発明の圧電センサの一例を図面を参照しながら説明する。圧電センサＡは、図１及び図２に示したように、一枚の圧電シート１の一面にシグナル電極２が配設されていると共に、上記圧電シート１の他面にはシグナル電極２の電位を測定するための基準電極となるグランド電極４が配設されている。

本発明の圧電シート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、特に限定されないが、脈波などの微弱な生体信号を精度良く検出でき、感度が高く、厚み方向の変形で電荷を発生しやすいことから、合成樹脂シート（合成樹脂発泡シート又は合成樹脂非発泡シート）に分極を付与した圧電シートが好ましく、合成樹脂発泡シートに分極を付与した圧電シートがより好ましく、ポリオレフィン系樹脂を含む合成樹脂発泡シートに分極を付与した圧電シートが特に好ましい。

合成樹脂シートを構成する合成樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸、液晶樹脂などが挙げられ、ポリオレフィン系樹脂が好ましい。

合成樹脂シートに分極を付与する方法としては、特に限定されず、例えば、（１）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して合成樹脂シートに分極を付与する方法、（２）電子線、Ｘ線など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ことによって合成樹脂シートに分極を付与する方法、（３）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て合成樹脂に分極を付与する方法などが挙げられる。

圧電シート１の一面1aにはシグナル電極２が必要に応じて固定剤層（図示せず）を介して配設一体化されている。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、アルミニウム箔などの金属シート、導電性膜などが挙げられる。

シグナル電極２を導電性膜で構成する場合、圧電シート１の一面1aに汎用の印刷方法を用いて直接形成してもよいが、導電性膜は、通常、電気絶縁シート上に形成された上で、圧電シート１の一面1a上に電気絶縁シート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又は電気絶縁シート上に導電性膜を形成する方法としては、例えば、（１）圧電シート１又は電気絶縁シート上に、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、（２）圧電シート１又は電気絶縁シート上に蒸着によって電極を形成する方法、（３）電気絶縁シートに接着剤など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などが挙げられる。

電気絶縁シートとしては、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などが挙げられる。

固定剤層を構成している固定剤は、反応系・溶剤系・水系・ホットメルト系の接着剤又は粘着剤から構成されており、圧電シート１の感度を維持する観点から、誘電率の低い固定剤が好ましい。

圧電シート１の一面1aには１個又は複数個のシグナル電極２が互いに電気的に接続されずに独立した状態にて配設又は配設一体化されている。なお、図１においては、複数個のシグナル電極２が碁盤目状に配設されている。

そして、各シグナル電極２には、圧電シート１にて発生した電荷を電位としてシグナル電極２を通じて圧電センサＡ外に取り出すための配線部３（以下、シグナル電極に電気的に接続している配線部を「第一配線部」という）が電気的に接続している。各第一配線部３は、圧電シート１の一面1a上に配設又は配設一体化されており、好ましくは、圧電シート１の一面1aの外周端縁に達するまで形成されている。各シグナル電極２に接続している第一配線部３同士も互いに電気的に接続しておらず独立した状態となっている。第一配線部３は、導電性を有しておれば、特に限定されず、例えば、銅箔、アルミニウム箔などの金属シート、導電性膜などが挙げられる。第一配線部３の形成要領は、シグナル電極２の形成要領と同様であるので省略する。

又、圧電シート１の他面1bには、圧電シート１の厚み方向においてシグナル電極２を投影した部分の全てを含む大きさの１個のグランド電極４が、必要に応じて固定剤層（図示せず）を介して、配設又は配設一体化されている。即ち、圧電シート１の他面1bには、圧電シート１の厚み方向においてシグナル電極２を投影した部分にグランド電極４が配設されている。なお、圧電シート１の厚み方向においてシグナル電極２を投影した部分にグランド電極４が配設されていることが好ましく、グランド電極４は複数個に分割されていてもよい。グランド電極４は、シグナル電極２の電位を測定するにあたって基準電極となるように配設されておればよい。なお、固定剤層は上記と同様であるのでその説明を省略する。

グランド電極４は、導電性を有しておれば、特に限定されず、例えば、銅箔、アルミニウム箔などの金属シート、ステンレスなどの金属から形成された金属網、導電性膜などが挙げられる。グランド電極４を導電膜で構成する場合、その要領は、シグナル電極２の場合と同様であるのでその説明を省略する。

そして、各グランド電極４には配線部５（以下、グランド電極に電気的に接続している配線部を「第二配線部」という）が電気的に接続されている。第二配線部５は、圧電シート１の他面1b上に配設又は配設一体化されており、好ましくは、圧電シート１の他面1bの外周端縁に達するまで形成されている。第二配線部５は、導電性を有しておれば、特に限定されず、例えば、銅箔、アルミニウム箔などの金属シート、ステンレスなどの金属から形成された金属網、導電性膜などが挙げられる。第二配線部５の形成要領は、グランド電極４の形成要領と同様であるので省略する。

図１では、グランド電極４を圧電シート１の他面1b上にのみ配設一体化している場合を説明したが、図３に示したように、導電性シート６によって圧電シート１を包んだ状態とし、導電性シート６のうち、圧電シート１の他面1b側に配設され且つシグナル電極の電位を測定するにあたって基準電極となる部分61をグランド電極とし、シグナル電極２上に配設された部分62を電磁波シールド層とし、シグナル電極２が外部からの電磁波の影響を受けることを抑制できる構造としてもよい。なお、導電性シート６とシグナル電極２とは、これらの間に電気絶縁シート７などが介在されることによって電気絶縁性が保持されている必要がある。なお、導電性シート６としては、例えば、銅箔、アルミニウム箔などの金属シート、ステンレスなどの金属から形成された金属網、導電性膜などが挙げられる。図１の圧電センサと同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。

又、グランド電極４に接続された第二配線部５は必要に応じて配設されればよく、後述する導電線をグランド電極４に第二配線部を介することなく直接、電気的に接続させてもよい。

更に、圧電シート１において、第一配線部３の配設部分1cの圧電性が低減されている。詳細には、圧電シート１の一面1aに配設された第一配線部３を圧電シート１の厚み方向に投影した圧電シート部分1cの圧電性が低減されている。このように、圧電シート１において、第一配線部３の配設部分の圧電性を低減させることによって、第一配線部３が配設されている圧電シート部分1cに荷重が加わった場合にあっても、第一配線部３が配設されている圧電シート部分1cにおいて電荷が殆ど発生しないように構成し、圧電シート１においてノイズが発生することを効果的に抑制している。

圧電シート１において、第一配線部３の配設部分の圧電性を示す目安として出力感度がある。圧電シート１において、第一配線部３の配設部分の出力感度は、圧電シートにおいてノイズを効果的に抑制できるので、５ｍＶ／Ｎ以下であり、２ｍＶ／Ｎ以下が好ましい。一方、圧電シート１において、シグナル電極２の配設部分（シグナル電極２を圧電シート１の厚み方向に投影した圧電シート部分）1dの出力感度は、圧電シートの圧電性に優れているので、１０ｍＶ／Ｎ以上が好ましく、１５ｍＶ／Ｎ以上がより好ましく、２０ｍＶ／Ｎ以上が特に好ましい。なお、圧電シートの出力感度は、圧電シートに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。圧電シートの出力感度は、例えば、ＰＩＥＺＯＴＥＳＴ社から商品名「Ｐｉｅｚｏｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ＰＭ３００」で市販されている装置を用いて圧電シートに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。

圧電シート１において、第一配線部３の配設部分1cの圧電性を低減する方法としては、特に限定されないが、（１）圧電シートにおける第一配線部を配設する部分1cを６０〜１２０℃に加熱する方法、（２）圧電シートにおける第一配線部を配設する部分1cにコロナ放電処理などの交流放電処理を施す方法が好ましい。具体的には、上記（１）の方法としては、例えば、圧電シートの平面大きさ又はこれよりも大きな大きさを有し且つ圧電シートにおけるシグナル電極の配設部分に対応する部分を切除してなる加熱板を用意し、この加熱板を６０〜１２０℃に加熱した上で加熱板を圧電シートの表面に押圧し、圧電シートにおける第一配線部を配設する部分を６０〜１２０℃に加熱する方法が挙げられる。上記（２）の方法としては、例えば、圧電シート上のシグナル電極を金属箔などの金属シートで保護した後、圧電シートに交流放電処理を施す方法が挙げられる。

上記（１）の方法において、圧電シートにおける第一配線部を配設する部分1cの加熱温度は、圧電シートを損なうことなく、圧電シートにおける第一配線部３の配線部分の圧電性を十分に低減させることができるので、６０〜１２０℃が好ましく、８０〜１００℃がより好ましい。

次に、上記圧電センサＡの使用要領について説明する。圧電センサＡにおける各シグナル電極２の第一配線部３に導電線を電気的に接続し、この導電線を測定モジュールに電気的に接続する一方、グランド電極４の第二配線部５に、又は、グランド電極３に直接、導電線を電気的に接続し、グランド電極４に電気的に接続させた導電線を、第一配線部３を接続させている測定モジュールに電気的に接続させる。

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における第一配線部３の配設部分1cに荷重が加わった場合にあっても、第一配線部３の配設部分1c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ことから、圧電シート１において電荷が殆ど発生することはなく、ノイズは殆ど発生しない。

従って、上記圧電センサＡによれば、圧電シート１におけるシグナル電極２の配設部分1dに加わった荷重によっ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、圧電センサＡは荷重の検出精度に優れていると共に、荷重を検出したい位置における荷重の有無を正確に検出することができる。

又、圧電シート１の一面にシグナル電極２を複数個、配設一体化することによって、荷重を検出したい位置における荷重の有無を独立して正確に検出することができるので、圧電シート１に加わる荷重の圧力分布を正確に検出することができると共に、圧電シート１に加わる荷重の変化を正確に捉えることができる。

１ 圧電シート
1c 圧電シートにおける第一配線部の配設部分
1d 圧電シートにおけるシグナル電極の配設部分
２ シグナル電極
３ 第一配線部
４ グランド電極
５ 第二配線部
Ａ 圧電センサ

Claims (3)

1. 一枚の圧電シートの一面にシグナル電極が配設されていると共に、上記圧電シートの他面にグランド電極が配設され、更に、上記圧電シートの一面には、上記シグナル電極で測定された電位を外部に取り出すための配線部が上記シグナル電極に電気的に接続されており、上記圧電シートにおける上記配線部の配設部分に６０〜１２０℃の加熱処理を施しており、上記圧電シートにおける上記配線部の配設部分の出力感度が５ｍＶ／Ｎ以下であることを特徴とする圧電センサ。
2. 一枚の圧電シートの一面にシグナル電極が配設されていると共に、上記圧電シートの他面にグランド電極が配設され、更に、上記圧電シートの一面には、上記シグナル電極で測定された電位を外部に取り出すための配線部が上記シグナル電極に電気的に接続されており、上記圧電シートにおける上記配線部の配設部分に交流放電処理を施しており、上記圧電シートにおける上記配線部の配設部分の出力感度が５ｍＶ／Ｎ以下であることを特徴とする圧電センサ。
3. 一枚の圧電シートの一面に複数個のシグナル電極が互いに独立して配設一体化されていると共に、配線部が上記シグナル電極に互いに独立して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電センサ。

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