JP5044196B2 - 圧電センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高分子材料からなる圧電体を備えた圧電センサ、及びその製造方法に関する。

従来、高分子材料、特にポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる圧電体を備えた圧電センサは、圧電体の両側に銀ペーストを塗布して、一方の側をシグナル電極とし、他方の側をグランド電極として形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の圧電センサでは、圧電体のシグナル電極の側に、さらに絶縁層とシールド層とがそれぞれ接着剤を介して積層してあり、圧電体のグランド電極の側には、絶縁層が接着剤を介して積層してある。

このような圧電センサは、例えば、ベッドやマット、シート等の弾力性のある支持体に掛かる荷重を検出し、人や動物、物体等の存在の有無を判定する圧力センサとして用いられる。圧電センサをこのような圧力センサとして用いる場合には、圧電センサを支持体における荷重検出位置に正確に配置するため、圧電体を圧力センサの支持体への配置形状に合わせて形成し、その表面に電極及び配線を設けることにより圧力センサを形成している。

特開平１０−３３２５０９号公報（段落０００８、図４）

しかし、圧電体として用いる高分子材料、特にＰＶＤＦは非常に高価であるため、前記従来の圧電センサのように圧電センサとして使用しない配線部分等にも圧電体を使用することにより、製品コストが高くなるという問題があった。圧電体の表面に配線を設けると、この配線も若干の感度を持ってしまうため、配線部分が変形することによってノイズが発生するという問題もあった。

また、従来の圧電センサでは、圧電体の表面に銀ペーストを直接塗布して電極を設けている。しかし、例えば、ＰＶＤＦの耐熱温度は１２０℃以下と低いため、銀ペーストを通常の乾燥温度である１５０℃程度で乾燥すると圧電体の圧電特性が劣化する虞があった。一方、１００℃以下の低温で乾燥できる銀ペーストを用いた場合には、圧電特性の劣化を防止することはできるものの、乾燥に時間が掛かるため生産効率が低下し、製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ノイズが発生し難く、安価な圧電センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る圧電センサの第１特徴構成は、高分子材料からなる圧電体と、前記圧電体の一方の側に配置され、第１の絶縁体にシグナル電極を担持した第１の電極担持部と、前記圧電体の他方の側に配置され、第２の絶縁体にグランド電極を担持した第２の電極担持部とを備え、前記圧電体と前記第１の電極担持部と前記第２の電極担持部との重ね方向視において、前記シグナル電極が前記圧電体の領域内に収まり、且つ、前記圧電体全体が前記グランド電極の領域内に収まるかあるいは前記グランド電極の領域に重なり合うよう配置した点にある。

つまり、本構成よれば、第１の電極担持部及び第２の電極担持部に対応させて圧電体を配置することで、圧電センサを形成することができる。このため、従来のように圧電体をベースとして設け、圧電体に電極を形成して圧電センサを得る場合と比べて、圧電体の使用量を少なくすることができ、製品コストを大幅に低減することができる。
圧電センサへの配線は、電極を担持した絶縁体に設けることができるため、配線が感度を有することがなくなり、ノイズの発生を防止することができる。
また、電極は絶縁フィルムに担持させるため、電極の作製方法が制限されることがなくなり、生産効率を向上させることができる。
したがって、ノイズが発生し難く、安価な圧電センサを提供することができる。

本発明に係る圧電センサの第２特徴構成は、前記第１の電極担持部及び前記第２の電極担持部を、それぞれ第１の電極担持層及び第２の電極担持層として構成してあり、前記圧電体を、前記第１の電極担持層と前記第２の電極担持層とで挟持した点にある。

つまり、本構成のように、圧電体を第１の電極担持層と第２の電極担持層とで挟持することにより、層状の圧電センサを形成することができる。

本発明に係る圧電センサの第３特徴構成は、前記第１の電極担持層及び前記第２の電極担持層は、電極を担持した側における電極または前記電極を担持しない側における絶縁体を前記圧電体に密着させた点にある。

つまり、本構成によれば、例えば、第１の電極担持層及び第２の電極担持層と圧電体との間に誘電率の低い空気等の物質が入り込むことを防止して、圧電センサの感度を向上させることができる。

本発明に係る圧電センサの第４特徴構成は、前記第１の電極担持層及び前記第２の電極担持層は、電極を担持した側における電極または前記電極を担持しない側における絶縁体を固定剤を介して前記圧電体に密着させて固定した点にある。

つまり、本構成のように、固定剤によって、第１の電極担持層及び第２の電極担持層と圧電体とを固定することで、圧電センサが様々な外力を受けた場合でも、圧電体と第１の電極担持層及び第２の電極担持層との距離を確実に一定に保つことができ、圧電センサの感度がより安定なものとなる。

本発明に係る圧電センサの第５特徴構成は、前記第１の電極担持部における前記圧電体と対向する側の面にシグナル電極を設け、前記第１の電極担持部における前記圧電体と対向する側とは反対の側の面に、前記重ね方向視において前記シグナル電極の領域よりも大きく設定されたシールド電極を設けてある点にある。

本発明に係る圧電センサの第６特徴構成は、前記重ね方向視において前記シールド電極の領域を前記圧電体の領域よりも大きく設定してある点にある。

〔第一の実施形態〕
以下に、本発明に係る圧電センサの第一の実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る圧電センサ１は、図１に示すように、面状の高分子材料であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる圧電体２と、第１の絶縁体としての第１の絶縁フィルム３ａの一方の面にシグナル電極３ｂを担持した第１の電極担持層３と、第２の絶縁体としての第２の絶縁フィルム４ａの一方の面にグランド電極４ｂを担持した第２の電極担持層４とを備える。圧電体２は、圧電効果によって電荷を発生するものであるため、圧電体２に電極を設けることによって発生した電荷を電圧信号として取り出すことができる。

第１の電極担持層３は圧電体２の一方の側（図１における上側）に配置し、第２の電極担持層４は圧電体２の他方の側（図２における下側）に配置してあり、圧電体２を第１の電極担持層３と第２の電極担持層４とで挟持して層状の圧電センサ１を形成している。また、第１の電極担持層３と第２の電極担持層４とは、重ね方向視においては、圧電効果によって発生した電荷を電圧信号として取り出すことができるように、シグナル電極３ｂとグランド電極４ｂとが重なるように配置してある。このように、本実施形態に係る圧電センサでは、圧電体２を、第１の電極担持層３及び第２の電極担持層４に対応させた所定の位置のみに配置することができるため、圧電体２の使用量を少なくして製品コストを低減することができる。尚、本実施形態においては、第１の電極担持層３及び第２の電極担持層４がそれぞれ本発明における「第１の電極担持部」及び「第２の電極担持部」を構成している。

本実施形態に係る圧電センサ１では、第１の電極担持層３と第２の電極担持層４とは、それぞれシグナル電極３ｂ及びグランド電極４ｂを担持した面（側）を圧電体２の側に向けて積層してある。第１の電極担持層３及び第２の電極担持層４は、電極を担持した面（側）に固定剤５を付着させ、シグナル電極３ｂ及びグランド電極４ｂが固定剤５を介して圧電体２に密着するように固定してある。このようにシグナル電極３ｂ及びグランド電極４ｂを圧電体２に密着させて固定することにより、例えば、圧電センサ１に外力が付与されて圧電センサ１が大きく変形した場合でも良好な誘電結合が形成され、圧電体２において発生した電荷を確実に電圧信号として取り出すことができるため、圧電センサ１としての感度を向上させることができる。

本実施形態においては、シグナル電極３ｂを、重ね方向視において、グランド電極４ｂが存在する領域内、及び圧電体２が存在する領域内に入る大きさに形成してある。これにより、シグナル電極３ｂの面には、必ず圧電体２及びグランド電極４ｂの対応する面が存在するため、圧電体２の圧電効果によって発生した電荷をシグナル電極３ｂの全面から無駄なく、電圧信号として取り出して検出することができる。

シグナル電極３ｂ及びグランド電極４ｂは、例えば、第１の絶縁フィルム３ａ及び第２の絶縁フィルム４ａの表面に銀等の金属ペーストを塗布したり、金属フィルムを貼付したりすることによって担持することができる。第１の絶縁フィルム３ａ及び第２の絶縁フィルム４ａとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の樹脂フィルムを用いることができる。このような樹脂フィルムであれば耐熱性が高いため、電極として表面に塗布した金属ペーストを乾燥させる際にも、通常の乾燥温度である１５０℃程度で乾燥することができ、乾燥時間を短縮して生産効率を向上させることができる。

固定剤５は、反応系・溶液系・ホットメルト系等の接着剤や粘着剤等が使用でき、特に限定されない。但し、圧電センサ１としての感度を維持する観点からは、電極間に存在させるため、誘電率が高い固定剤を選択することが好ましい。また、同様の観点から、圧電体２と第１の電極担持層３及び第２の電極担持層４との距離が小さくなるように固定することが好ましい。

また、本実施形態においては、第１の電極担持層３のシグナル電極３ｂを担持した側と反対の側に、外部からのノイズがシグナル電極３ｂに混入しないようにシールド電極６が設けてある。第１の電極担持層３には、シールド電極６を外部の機械的応力から保護する保護フィルム７が固定剤８を介して設けてある。
シールド電極６は、シグナル電極３ｂと同様の方法によって、第１の電極担持層３に担持することができる。保護フィルム７は、絶縁フィルムであれば特に限定されないが、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等の樹脂フィルムであれば、機械的強度も高いため好ましく用いることができる。特に、保護フィルム７を第１の絶縁フィルム３ａと同一の材質のものを使用すれば、両者を固定する際に熱処理を行ったとしても、熱膨張率が同一であるため反り等の発生を防止することができる。また、固定剤８は、固定剤６と同様のものが使用でき、同じであっても異なっていてもよい。

このような圧電センサ１は、例えば、図２に示すような圧力センサ１０に用いることができる。圧力センサ１０は、圧電センサ１を複数備える検出部１０ａと、圧電センサ１の出力信号を伝達する配線部１０ｂとを備える。本実施形態においては、検出部１０ａには６つの圧電センサ１が設けてあり、圧電センサ１の周囲には圧電センサ１の変形が互いに影響しないようにスリット１０ｄが設けてある。

検出部１０ａと配線部１０ｂとは、圧電センサ１を構成する第１の電極担持層３及び第２の電極担持層４で一体化して形成してある。圧電センサ１のシグナル電極３ｂからの配線は、第１の電極担持層３のシグナル電極３ｂと同一面を通り、グランド電極４ｂからの配線は、第２の電極担持層４のグランド電極４ｂと同一面を通って、端子部１０ｃへ至る。

このような構成により、第１の電極担持層３（第１の絶縁フィルム３ａ）及び第２の電極担持層４（第２の絶縁フィルム４ａ）を、支持体への配置形状に形成し、第１の電極担持層３及び第２の電極担持層４に対応させて圧電体２を配置することにより、検出位置である圧電センサ１の位置を容易に位置決めできる。このため、ＰＶＤＦからなる圧電体２は、検出部１０ａにのみ配置することにより、ＰＶＤＦの使用量を抑えることができ、製造コストを低減することができる。
また、配線部１０ｂには、圧電体２を有していないため、配線が感度を有することがなくなり、ノイズの発生を防止することもできる。

このような圧電センサ１は、例えば、ベッドやマット、シート等の弾力性のある支持体に掛かる荷重を検出し、人や動物、物体等の存在の有無を判定する圧力センサとして用いることができる。
また、圧電センサ１は、シート等に着座する人体の脈拍、呼吸等の微小振動、荷重変動による人体の動きなどを検出する生体情報用圧力センサとしても用いることができる。

〔第二の実施形態〕
次に本発明に係る圧電センサの第二の実施形態について説明する。本実施形態に係る圧電センサ１では、図３に示すように、第１の電極担持層３と第２の電極担持層４とは、それぞれシグナル電極３ｂ及びグランド電極４ｂを担持した面を圧電体２の側に向けて積層し、シグナル電極３ｂとグランド電極４ｂとを圧電体２に直接密着させると共に、第１の絶縁フィルム３ａと第２の絶縁フィルム４ａと圧電体２とを固定剤５を介して固定してある。その他の構成は、第一の実施形態と同様である。

このようにシグナル電極３ｂ及びグランド電極４ｂを圧電体２に直接密着させることにより、仮に圧電センサ１が曲げ変形しても影響を置けない良好な誘電結合が形成される。このため、圧電体２において発生した電荷を確実に電圧信号として取り出すことができ、圧電センサ１としての感度を向上させることができる。

〔第三の実施形態〕
次に本発明に係る圧電センサの第三の実施形態について説明する。本実施形態に係る圧電センサ１では、図４に示すように、第１の電極担持層３と第２の電極担持層４とは、それぞれシグナル電極３ｂ及びグランド電極４ｂを担持しない面を圧電体２の側に向けて積層してあり、第１の絶縁フィルム３ａ及び第２の絶縁フィルム４ｂを、固定剤５を介して圧電体２に密着固定してある。その他の構成は、第一の実施形態と同様である。

このように積層した場合でも、第１の絶縁フィルム３ａ及び第２の絶縁フィルム４ａとして、誘電率の高い材質を選択することにより、圧電センサ１の感度を向上させることができる。

〔第四の実施形態〕
次に本発明に係る圧電センサ１の第四の実施形態について説明する。本実施形態に係る圧電センサ１では、図５に示すように、第１の電極担持層３と第２の電極担持層４とは、それぞれシグナル電極３ｂ及びグランド電極４ｂを担持しない面を圧電体２の側に向けて積層して熱融着してあり、第１の絶縁フィルム３ａと第２の絶縁フィルム４ｂとを圧電体２に直接密着させてある。その他の構成は、第一の実施形態と同様である。

本構成であれば、固定剤が不要になり、圧電センサ１の製造コストを低減することができる。

尚、本実施形態においては、第１の電極担持層３と第２の電極担持層４とは熱融着によって一体化しているため、それぞれ第１の電極端持部及び第２の電極担持部となる。

〔その他の実施形態〕
上記の各実施形態においては、第１の電極担持層３と第２の電極担持層４とを、共に電極を担持した面（側）または電極を担持しない面（側）を圧電体２の側に向けて積層した例を説明したが、一方の電極担持層については、電極を担持した面（側）を圧電体２の側に向け、他方の電極担持層については、電極を担持しない面（側）を圧電体２の側に向けて積層することもできる。

上記の各実施形態においては、第１の電極担持層３及び第２の電極担持層４を固定剤５または熱融着によって固定した例を説明したが、特に限定されない。例えば、絶縁体を圧電体２に対して射出成形するインサート成形等によって圧電体２を絶縁体で被覆し一体化させることできる。この場合には、圧電体２を絶縁体で被覆した後、絶縁体の表面の対応する位置にシグナル電極３ｂ及びグランド電極４ｂを設けて、それぞれ第１の電極担持部及び第２の電極担持部を形成する。

上記の各実施形態においては、圧電センサ１をＰＶＤＦからなる圧電体２から構成した例を示したが、特に限定されず、例えば、面状の高分子材料であるポリプロピレン等からなる圧電体から構成してもよい。

第一の実施形態に係る圧電センサを示す断面図 圧電センサを備えた圧力センサを示す構成図 第二の実施形態に係る圧電センサを示す断面図 第三の実施形態に係る圧電センサを示す断面図 第四の実施形態に係る圧電センサを示す断面図

符号の説明

１ 圧電センサ
２ 圧電体
３ 第１の電極担持層（第１の電極担持部）
３ａ 第１の絶縁フィルム（第１の絶縁体）
３ｂ シグナル電極
４ 第２の電極担持層（第２の電極担持部）
４ａ 第２の絶縁フィルム（第２の絶縁体）
４ｂ グランド電極
５ 固定剤

Claims (6)

1. 高分子材料からなる圧電体と、
   前記圧電体の一方の側に配置され、第１の絶縁体にシグナル電極を担持した第１の電極担持部と、
   前記圧電体の他方の側に配置され、第２の絶縁体にグランド電極を担持した第２の電極担持部とを備え、
   前記圧電体と前記第１の電極担持部と前記第２の電極担持部との重ね方向視において、前記シグナル電極が前記圧電体の領域内に収まり、且つ、前記圧電体全体が前記グランド電極の領域内に収まるかあるいは前記グランド電極の領域に重なり合うよう配置してある圧電センサ。
2. 前記第１の電極担持部及び前記第２の電極担持部は、それぞれ第１の電極担持層及び第２の電極担持層として構成してあり、
   前記圧電体は、前記第１の電極担持層と前記第２の電極担持層とで挟持してある請求項１に記載の圧電センサ。
3. 前記第１の電極担持層及び前記第２の電極担持層は、電極を担持した側における電極または前記電極を担持しない側における絶縁体を前記圧電体に密着させてある請求項２に記載の圧電センサ。
4. 前記第１の電極担持層及び前記第２の電極担持層は、電極を担持した側における電極または前記電極を担持しない側における絶縁体を固定剤を介して前記圧電体に密着させて固定してある請求項２に記載の圧電センサ。
5. 前記第１の電極担持部における前記圧電体と対向する側の面にシグナル電極を設け、前記第１の電極担持部における前記圧電体と対向する側とは反対の側の面に、前記重ね方向視において前記シグナル電極の領域よりも大きく設定されたシールド電極を設けてある請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電センサ。
6. 前記重ね方向視において前記シールド電極の領域を前記圧電体の領域よりも大きく設定してある請求項５に記載の圧電センサ。

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