JP7380323B2 - 動き検出デバイス及び動き検出デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、動きを検出する対象物の動きを検出する動き検出デバイス、及び動き検出デバイスの製造方法に関する。
従来、圧電素子を用いて生体情報を測定する装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
圧電素子は電荷出力型の受動素子であるため、圧電素子を皮膚に密着させた場合に、容量結合によるノイズの影響を受けやすく、測定結果に誤差が生じやすいという問題が生じていた。
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、圧電素子で物体の動きを測定する場合の測定精度を向上させることを目的とする。
本発明の第１の態様に係る動き検出デバイスは、ベース基板と、前記ベース基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた第１圧電素子と、前記下部電極上に設けられた第２圧電素子と、前記第１圧電素子上に設けられた第１上部電極と、前記第２圧電素子上に設けられた第２上部電極と、前記下部電極の電位を基準とする前記第１上部電極の電圧である第１電圧と、前記下部電極の電位を基準とする前記第２上部電極の電圧である第２電圧との差分電圧を出力する電圧出力部と、を有し、前記第１圧電素子に前記第１上部電極側から圧力が加えられた場合に、前記第１圧電素子は第１極性の前記第１電圧を発生し、前記第２圧電素子に前記第２上部電極側から圧力が加えられた場合に、前記第２圧電素子は前記第１極性と反対の第２極性の前記第２電圧を発生する。
前記動き検出デバイスは、前記第１圧電素子と前記第２圧電素子との間に設けられた絶縁体をさらに有してもよい。
前記第１上部電極は、外周が前記第１圧電素子の外周の内側になる領域に設けられており、前記第２上部電極は、外周が前記第２圧電素子の外周の内側になる領域に設けられていてもよい。
前記動き検出デバイスは、長方形の複数の前記第１圧電素子及び複数の前記第２圧電素子を有し、前記複数の第１圧電素子のうちの少なくとも１つの前記第１圧電素子の四辺それぞれの隣に前記第２圧電素子が設けられており、前記複数の第２圧電素子のうちの少なくとも１つの前記第２圧電素子の四辺それぞれの隣に前記第１圧電素子が設けられていてもよい。
前記動き検出デバイスにおいては、前記複数の第１圧電素子上に設けられた複数の前記第１上部電極が同電位になるように、前記複数の第１上部電極それぞれが他の少なくとも１つの前記第１上部電極と結合しており、前記複数の第２圧電素子上に設けられた複数の前記第２上部電極が同電位になるように、前記複数の第２上部電極それぞれが他の少なくとも１つの前記第２上部電極と結合していてもよい。
本発明の第２の態様に係る動き検出デバイスの製造方法は、ベース基板を準備する工程と、前記ベース基板上に下部電極を設ける工程と、前記下部電極上に第１圧電素子を設ける工程と、前記下部電極上に第２圧電素子を設ける工程と、前記第１圧電素子上に第１上部電極を設ける工程と、前記第２圧電素子上に第２上部電極を設ける工程と、前記第１圧電素子に前記第１上部電極側から圧力が加えられた場合に、前記第１圧電素子が、前記下部電極の電位を基準として第１極性の第１電圧を発生するように前記第１圧電素子をポーリングする工程と、前記第２圧電素子に前記第２上部電極側から圧力が加えられた場合に、前記第２圧電素子が、前記下部電極の電位を基準として前記第１極性と反対の第２極性の第２電圧を発生するように前記第２圧電素子をポーリングする工程と、を有する。
本発明は、圧電素子で物体の動きを測定する場合の測定精度が向上するという効果を奏する。
［動き検出デバイス１の構成］
図１は、本実施形態に係る動き検出デバイス１の構成を示す図である。動き検出デバイス１は、ベース基板１１と、下部電極１２と、第１圧電素子１３と、第２圧電素子１４と、第１上部電極１５と、第２上部電極１６と、絶縁体１７と、チャージアンプ部１８と、差動アンプ１９と、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２０と、を有する。
図１は、本実施形態に係る動き検出デバイス１の構成を示す図である。動き検出デバイス１は、ベース基板１１と、下部電極１２と、第１圧電素子１３と、第２圧電素子１４と、第１上部電極１５と、第２上部電極１６と、絶縁体１７と、チャージアンプ部１８と、差動アンプ１９と、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２０と、を有する。
ベース基板１１は、板状の基板であり、例えばポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）又はポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）のように可撓性を有する樹脂材料により形成されている。ベース基板１１の上方に、下部電極１２、第１圧電素子１３、第２圧電素子１４、第１上部電極１５、第２上部電極１６及び絶縁体１７が設けられている。
下部電極１２は、基準電位となる電極であり、グラウンドに接続される。下部電極１２は、例えばベース基板１１の上面にスクリーン印刷法によって導電性材料が印刷されることにより形成されている。下部電極１２は、例えば銀、又はポリチオフェン系の導電性塗料であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳにより形成されている。
第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４は、圧力が加わることにより電荷を発生する素子である。第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４は、例えば、下部電極１２の上面にスクリーン印刷法によって有機圧電材料が印刷されることにより形成されている。第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４は、例えば強誘電ポリマーのＰ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）により形成されている。
第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４は、物理的には同一の構造を有するが、分極処理（ポーリング）をされる際に、それぞれ逆極性の電圧が印加されている。その結果、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４は、圧力が加えられた場合に、それぞれ逆極性の電荷を発生するように構成されている。
第１圧電素子１３は、第１上部電極１５の側から圧力が加えられた場合に、第１極性の第１電圧を発生する。第１圧電素子１３は、例えば、圧力が加えられた場合に正の電荷を第１上部電極１５に対して放出する。一方、第２圧電素子１４は、第２上部電極１６の側から圧力が加えられた場合に、第１極性と反対の第２極性の第２電圧を発生する。第２圧電素子１４は、圧力が加えられた場合に負の電荷を第２上部電極１６に対して放出する。
図１に示すように、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４は、下部電極１２の上面だけではなく、下部電極１２の側面に接しており、端部がベース基板１１に接していてもよい。このように第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４が下部電極１２を覆うように形成されていることにより、下部電極１２が第１上部電極１５及び第２上部電極１６と接触してしまうことを防止できる。
第１上部電極１５は、第１圧電素子１３の上に設けられている。第１上部電極１５は、例えば第１圧電素子１３の上面にスクリーン印刷法によって導電性材料が印刷されることにより形成されている。第１上部電極１５は、外周が第１圧電素子１３の外周の内側になる領域に設けられている。第１上部電極１５がこのような領域に設けられていることにより、第１上部電極１５が下部電極１２と接触することを防げる。
第２上部電極１６は、第２圧電素子１４の上に設けられている。第２上部電極１６は、例えば第２圧電素子１４の上面にスクリーン印刷法によって導電性材料が印刷されることにより形成されている。第２上部電極１６は、外周が第２圧電素子１４の外周の内側になる領域に設けられている。第２上部電極１６がこのような領域に設けられていることにより、第２上部電極１６が下部電極１２と接触することを防げる。第１上部電極１５及び第２上部電極１６は、例えば銀、又はポリチオフェン系の導電塗料であるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳにより形成されている。
絶縁体１７は、第１圧電素子１３と第２圧電素子１４とを絶縁するために、下部電極１２の上方における第１圧電素子１３と第２圧電素子１４との間に設けられている。絶縁体１７は、例えばポリエチレンテレフタラート又はポリエチレンナフタレート等の樹脂材料により形成されている。
チャージアンプ部１８は、第１上部電極１５及び第２上部電極１６から放出された電荷を電圧に変換する。チャージアンプ部１８は、例えばチャージアンプ１８１及びチャージアンプ１８２の２つの増幅器を有している。チャージアンプ１８１は、第１上部電極１５が発生した電荷に基づいて発生した電圧を差動アンプ１９の正側電極に入力する。チャージアンプ１８２は、第２上部電極１６が発生した電荷に基づいて発生した電圧を差動アンプ１９の負側電極に入力する。
差動アンプ１９は、正側電極の電圧と負側電極の電圧との差分の電圧を出力する。具体的には、差動アンプ１９は、下部電極１２の電位を基準とする第１上部電極１５の電圧である第１電圧と、下部電極１２の電位を基準とする第２上部電極１６の電圧である第２電圧との差分電圧を出力する電圧出力部として機能する。差動アンプ１９は、差分電圧を低域通過フィルタ２０へと出力する。
差動アンプ１９の正側電極には、第１上部電極１５から出力される第１電圧とともに、商用電源等の外部機器に起因するノイズ電圧が印加される。差動アンプ１９の負側電極には、第２上部電極１６から出力される第２電圧とともに、ノイズ電圧が印加される。差動アンプ１９は、正側電極に印加された電圧と負側電極に印加された電圧との差分電圧を生成することで、コモンモードのノイズを除去することができる。一方、第１電圧と第２電圧とは逆極性なので、差動アンプ１９は、第１電圧の絶対値と第２電圧の絶対値とを加算した電圧を差分電圧として出力することができる。第１電圧と第２電圧の絶対値が等しい場合、差動アンプ１９は、第１電圧の２倍の電圧を差分電圧として出力することができる。
低域通過フィルタ２０は、差動アンプ１９から入力された差分電圧に含まれている高周波成分を遮断して、所定のカットオフ周波数以下の成分を含む出力信号（Ｖｏｕｔ）を出力する。
動き検出デバイス１が以上の構成を有することにより、動き検出デバイス１は、外部から混入するコモンモードのノイズに起因する電圧成分を除去するとともに、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４に圧力が加わったことにより生じる電圧を増幅することができるので、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４に加えられた圧力の大きさの検出精度を向上させることができる。
動き検出デバイス１が以上の構成を有することにより、動き検出デバイス１は、外部から混入するコモンモードのノイズに起因する電圧成分を除去するとともに、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４に圧力が加わったことにより生じる電圧を増幅することができるので、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４に加えられた圧力の大きさの検出精度を向上させることができる。
［動き検出デバイス１００の構成］
図２は、複数の動き検出デバイス１を組み合わせて構成された動き検出デバイス１００の構成を示す図である。図２（ａ）は、動き検出デバイス１００の上面視図であり、図２（ｂ）は、Ａ－Ａ線断面図である。図２（ａ）においては、絶縁体１７を破線で示している。
図２は、複数の動き検出デバイス１を組み合わせて構成された動き検出デバイス１００の構成を示す図である。図２（ａ）は、動き検出デバイス１００の上面視図であり、図２（ｂ）は、Ａ－Ａ線断面図である。図２（ａ）においては、絶縁体１７を破線で示している。
動き検出デバイス１００は、長方形（例えば正方形）の複数の第１圧電素子１３及び複数の第２圧電素子１４を有する。動き検出デバイス１００においては、複数の第１圧電素子１３のうちの少なくとも１つの第１圧電素子１３の四辺それぞれの隣に第２圧電素子１４が設けられている。また、複数の第２圧電素子１４のうちの少なくとも１つの第２圧電素子１４の四辺それぞれの隣に第１圧電素子１３が設けられている。すなわち、動き検出デバイス１００においては、複数の第１圧電素子１３及び複数の第２圧電素子１４が格子状に形成されている。
さらに、複数の第１圧電素子１３上に設けられた複数の第１上部電極１５が同電位になるように、複数の第１上部電極１５それぞれが他の少なくとも１つの第１上部電極１５と結合している。同様に、複数の第２圧電素子１４上に設けられた複数の第２上部電極１６が同電位になるように、複数の第２上部電極１６それぞれが他の少なくとも１つの第２上部電極１６と結合している。
図３は、複数の第１上部電極１５及び複数の第２上部電極１６の結合部分の拡大図である。複数の第１上部電極１５は、導電性材料により形成された配線２１により結合されている。また、複数の第２上部電極１６は、導電性材料により形成された配線２２により結合されている。配線２１と配線２２とが短絡しないように、配線２１と配線２２とが交差する位置には、絶縁性を有する樹脂により形成された絶縁体２３が設けられている。
動き検出デバイス１００がこのように格子状に配置された多数の第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４を有することで、ノイズの影響を受けにくい大面積の圧力検知デバイスを実現することができる。
［動き検出デバイス１の製造方法］
動き検出デバイス１は、以下の複数の工程を実行することにより製造することができる。
まず、ベース基板１１を準備する工程を実行する。続いて、ベース基板１１の上面に下部電極１２を設ける工程を実行する。この工程においては、例えばベース基板１１の上面に導電性材料をスクリーン印刷することにより下部電極１２を設けることができる。
動き検出デバイス１は、以下の複数の工程を実行することにより製造することができる。
まず、ベース基板１１を準備する工程を実行する。続いて、ベース基板１１の上面に下部電極１２を設ける工程を実行する。この工程においては、例えばベース基板１１の上面に導電性材料をスクリーン印刷することにより下部電極１２を設けることができる。
続いて、下部電極１２の上面に第１圧電素子１３を設ける工程と、下部電極１２の上面に第２圧電素子１４を設ける工程と、を実行する。これらの工程は同時に実行することが可能であり、例えば下部電極１２の上面に有機圧電材料をスクリーン印刷することにより第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４を設けることができる。
続いて、第１圧電素子１３の上面に第１上部電極１５を設ける工程と、第２圧電素子１４の上面に第２上部電極１６を設ける工程と、を実行する。これらの工程は同時に実行することが可能であり、例えば第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４の上面に導電性材料をスクリーン印刷することにより第１上部電極１５及び第２上部電極１６を設けることができる。
続いて、第１圧電素子１３に第１上部電極１５の側から圧力が加えられた場合に、第１圧電素子１３が、下部電極１２の電位を基準として第１極性の第１電圧を発生するように第１圧電素子１３をポーリングする工程を実行する。また、第２圧電素子１４に第２上部電極１６の側から圧力が加えられた場合に、第２圧電素子１４が、下部電極１２の電位を基準として第１極性と反対の第２極性の第２電圧を発生するように第２圧電素子１４をポーリングする工程を実行する。これらのポーリング工程を同時に実行してもよく、いずれか一方のポーリング工程を先に実行してもよい。これらのポーリング工程により、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４が、それぞれ逆極性の電圧を発生することが可能になる。
［実験例］
図４及び図５は、上記の製造方法により製造した動き検出デバイス１によるノイズ低減効果を確認するための実験結果を示す図である。図４は、１つの圧電素子に圧力を印加した場合の測定結果を示す図である。図５は、本実施形態に係る動き検出デバイス１に圧力を印加した場合の測定結果を示す図である。
図４及び図５は、上記の製造方法により製造した動き検出デバイス１によるノイズ低減効果を確認するための実験結果を示す図である。図４は、１つの圧電素子に圧力を印加した場合の測定結果を示す図である。図５は、本実施形態に係る動き検出デバイス１に圧力を印加した場合の測定結果を示す図である。
図４（ａ）及び図５（ａ）の横軸は時間を示しており、縦軸はノイズの電圧レベルを示している。図４（ｂ）及び図５（ｂ）の横軸は周波数を示しており、縦軸は信号レベルを示している。
図４（ａ）と図５（ａ）とを比較すると、図４（ａ）におけるノイズの電圧は約１．７Ｖ（ｐ－ｐ）であるのに対して、図５（ａ）におけるノイズの電圧は約０．４Ｖ（ｐ－ｐ）である。このように、本実施形態に係る動き検出デバイス１は、１つの圧電素子に比べて、出力電圧に含まれるノイズの電圧を低減していることがわかる。
図４（ｂ）と図５（ｂ）とを比較すると、図４（ｂ）における５０Ｈｚの信号のレベルが－３．０ｄＢＶであるのに対して、図５（ｂ）における５０Ｈｚの信号のレベルは－１６ｄＢＶである。このように、本実施形態に係る動き検出デバイス１は、１つの圧電素子に比べて、５０Ｈｚの商用電源のノイズを約１３ｄＢ低減していることがわかる。
［動き検出デバイス１による効果］
以上説明したように、本実施形態に係る動き検出デバイス１は、互いに極性が異なる第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４を有しており、それぞれが出力する電荷に基づく電圧が差動アンプ１９に入力される。その結果、動き検出デバイス１が出力する信号に含まれるコモンモードノイズが低減するとともに、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４が発生する電圧が増幅されるので、動き検出デバイス１を用いて物体の動きを測定する場合の測定精度が向上する。このような動き検出デバイス１は、微小な動きを検出する必要がある生体情報の測定に好適である。
以上説明したように、本実施形態に係る動き検出デバイス１は、互いに極性が異なる第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４を有しており、それぞれが出力する電荷に基づく電圧が差動アンプ１９に入力される。その結果、動き検出デバイス１が出力する信号に含まれるコモンモードノイズが低減するとともに、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４が発生する電圧が増幅されるので、動き検出デバイス１を用いて物体の動きを測定する場合の測定精度が向上する。このような動き検出デバイス１は、微小な動きを検出する必要がある生体情報の測定に好適である。
なお、以上の説明においては、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４が正方形である場合を例示したが、第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４の形状は任意である。第１圧電素子１３及び第２圧電素子１４は、三角形、六角形等のように長方形以外の形状であってもよく、円形又は楕円形であってもよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。
１ 動き検出デバイス
１１ ベース基板
１２ 下部電極
１３ 第１圧電素子
１４ 第２圧電素子
１５ 第１上部電極
１６ 第２上部電極
１７ 絶縁体
１８ チャージアンプ部
１９ 差動アンプ
２０ 低域通過フィルタ
２０ 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
２１ 配線
２２ 配線
２３ 絶縁体
１００ 動き検出デバイス
１８１ チャージアンプ
１８２ チャージアンプ
１１ ベース基板
１２ 下部電極
１３ 第１圧電素子
１４ 第２圧電素子
１５ 第１上部電極
１６ 第２上部電極
１７ 絶縁体
１８ チャージアンプ部
１９ 差動アンプ
２０ 低域通過フィルタ
２０ 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
２１ 配線
２２ 配線
２３ 絶縁体
１００ 動き検出デバイス
１８１ チャージアンプ
１８２ チャージアンプ
Claims (5)
- ベース基板と、
前記ベース基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられた第１圧電素子と、
前記下部電極上に設けられた第２圧電素子と、
前記第１圧電素子上に設けられた第１上部電極と、
前記第２圧電素子上に設けられた第２上部電極と、
前記下部電極の電位を基準とする前記第１上部電極の電圧である第１電圧と、前記下部電極の電位を基準とする前記第２上部電極の電圧である第２電圧との差分電圧を出力する電圧出力部と、
を有し、
前記第１圧電素子に前記第１上部電極側から圧力が加えられた場合に、前記第１圧電素子は第１極性の前記第１電圧を発生し、
前記第２圧電素子に前記第２上部電極側から圧力が加えられた場合に、前記第２圧電素子は前記第１極性と反対の第２極性の前記第２電圧を発生し、
前記第１上部電極は、外周が前記第１圧電素子の外周の内側になる領域に設けられており、
前記第２上部電極は、外周が前記第２圧電素子の外周の内側になる領域に設けられている、
動き検出デバイス。 - 前記第１圧電素子と前記第２圧電素子との間に設けられた絶縁体をさらに有する、
請求項１に記載の動き検出デバイス。 - 長方形の複数の前記第１圧電素子及び複数の前記第２圧電素子を有し、
前記複数の第１圧電素子のうちの少なくとも１つの前記第１圧電素子の四辺それぞれの隣に前記第２圧電素子が設けられており、
前記複数の第２圧電素子のうちの少なくとも１つの前記第２圧電素子の四辺それぞれの隣に前記第１圧電素子が設けられている、
請求項１又は２に記載の動き検出デバイス。 - 前記複数の第１圧電素子上に設けられた複数の前記第１上部電極が同電位になるように、前記複数の第１上部電極それぞれが他の少なくとも１つの前記第１上部電極と結合しており、
前記複数の第２圧電素子上に設けられた複数の前記第２上部電極が同電位になるように、前記複数の第２上部電極それぞれが他の少なくとも１つの前記第２上部電極と結合している、
請求項３に記載の動き検出デバイス。 - ベース基板を準備する工程と、
前記ベース基板上に下部電極を設ける工程と、
前記下部電極上に第１圧電素子を設ける工程と、
前記下部電極上に第２圧電素子を設ける工程と、
前記第１圧電素子上に第１上部電極を設ける工程と、
前記第２圧電素子上に第２上部電極を設ける工程と、
前記第１圧電素子に前記第１上部電極側から圧力が加えられた場合に、前記第１圧電素子が、前記下部電極の電位を基準として第１極性の第１電圧を発生するように前記第１圧電素子をポーリングする工程と、
前記第２圧電素子に前記第２上部電極側から圧力が加えられた場合に、前記第２圧電素子が、前記下部電極の電位を基準として前記第１極性と反対の第２極性の第２電圧を発生するように前記第２圧電素子をポーリングする工程と、
を有し、
前記第１圧電素子上に第１上部電極を設ける工程において、前記第１上部電極の外周が前記第１圧電素子の外周の内側になる領域に前記第１上部電極を設け、
前記第２圧電素子上に第２上部電極を設ける工程において、前記第２上部電極の外周が前記第２圧電素子の外周の内側になる領域に前記第２上部電極を設ける、動き検出デバイスの製造方法。
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