JP6967390B2

JP6967390B2 - センサシート

Info

Publication number: JP6967390B2
Application number: JP2017150304A
Authority: JP
Inventors: 耕治岩田; 雅弘初田
Original assignee: Nitta Corp
Current assignee: Nitta Corp
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2021-11-17
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: JP2019028005A; WO2019026737A1

Description

本発明は、センサシートに関する。

特許文献１には、可撓性を有する基材と、基材上に形成された平行な電極群と、電極群を被覆する感熱性材料とによって構成された温度検出用のシート状のセンサが開示されている。特許文献１に記載の技術によると、電極の交点付近における温度に応じた感熱性材料の電気抵抗値の変化を検出することが可能である。

特開２０００−８８６７０号公報

ところで、近年は、温度のみならず、湿度を同時に測定できるセンサが要望されているが、現在のところ、温度と湿度を同時に測定できるシート状にセンサは、実現されていなかった。そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、温度と湿度を同時に測定することが可能なセンサシートを提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、下記に掲げる態様の発明を提供する。

項１．フィルム基材と、
前記フィルム基材上に設けられ、平行に延びる線状の複数の第１電極と、
前記フィルム基材上に設けられ、前記複数の第１電極と交差し、平行に延びる線状の複数の第２電極と、
すくなくとも前記第１電極と第２電極との交差箇所において、前記第１電極と第２電極との間に配置され、温度または湿度の高低に応じて電磁気特性が変化する導電性の検出材料であって、前記交差箇所が温度を検出する温度検出部または湿度を検出する湿度検出部を構成する、検出材料と、
少なくとも、前記温度検出部を、前記フィルム基材との間で密閉するカバー部材と、
を備えている、センサシート。

項２．前記カバー部材には、複数の開口が形成され、
前記各開口から、前記湿度検出部が外部に露出するように構成されている、項１に記載のセンサシート。

項３．前記湿度検出部と前記温度検出部とが隣接するように配置されている、項１または２に記載のセンサシート。

項４．隣接する前記第１電極上または前記第２電極上に、前記温度検出部及び湿度検出部がそれぞれ配置されている、請求項３に記載のセンサシート。

項５．前記各湿度検出部により測定される湿度は、当該湿度検出部に隣接する前記温度検出部によって測定される温度に基づいて、補正が行われる、項３または４に記載のセンサシート。

項６．前記カバー部材は、防湿性材料により形成されている、項１から５のいずれかに記載のセンサシート。

本発明の一実施形態に係るセンサシートの斜視分解図である。図１のセンサシートの平面図である。図２の一部断面図である。図１のセンサシートの製造方法を示す図である。センサシステムの構成図である。測定装置のブロック図である。図１のセンサシートの他の例を示す平面図である。

以下、本発明に係るセンサシートの一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

＜１．センサシートの概要＞
本実施形態によるセンサシートは、温度または湿度の高低に応じて抵抗値などの電磁気的特性が変化する複数の検出部が二次元的に格子状に配列されたものである。具体的には、以下のように構成されている。

図１はセンサシートの分解斜視図、図２はセンサシートの平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。図１〜図３に示すように、このセンサシート１００は、フィルム基材１と、このフィルム基材１の上に設けられる複数の線状の第１電極２と、各第１電極上にそれぞれ配置された複数の検出部材３と、この検出部材３上に配置され、且つ第１電極２と直交するように配置された複数の線状の第２電極４と、を備えている。さらに、このセンサシート１００は、これら両電極２，４及び検出部材３の一部を覆うカバー部材５を備えている。以下、これらの部材について、詳細に説明する。

上述した複数の第１電極２は線状に形成されており、これらがＸ方向に平行に、フィルム基材１上に配置されている。また、上述した複数の検出部材３も線状に形成されており、これら検出部材３は、各第１電極２を覆うように配置されている。すなわち、各検出部材３は、第１電極２と同様に、Ｘ方向に平行に配置されている。また、複数の第２電極４も線状に形成されており、これらはＹ方向に平行に、第１電極２及び検出部材３と直交するように配置されている。

そして、第１電極２と第２電極４とが交差する複数の箇所において、これらの間に配置されている検出部材３が、温度検出部３１または湿度検出部３２を構成する。すなわち、これら温度検出部３１及び湿度検出部３２の一つ一つが、それぞれ温度または湿度を検出するセンサとして機能する。本実施形態においては、第１電極２上及び第２電極４上に温度検出部３１及び湿度検出部３２が交互に配置されている。これにより、Ｘ方向及びＹ方向において、温度検出部３１と、湿度検出部３２が交互に配置されている。

上述したカバー部材５は、フィルム基材１全体を覆うように配置されている。但し、このカバー部材５には、複数の開口５１が形成されており、これら開口５１は、湿度検出部３２と対応する部分に形成されている。したがって、カバー部材５の開口５１からは、湿度検出部３２が外部に露出し、温度検出部３１は、フィルム基材１とカバー部材５との間で外部に露出しないように、密閉されている。

＜２．センサシートを構成する材料の例＞
フィルム基材１を形成する材料は、特には限定されないが、例えば、ポリイミド、ＰＥＴなどの可撓性を有する透明又は不透明の材料によって形成することができる。さらに、湿度の影響を低減するため、フィルム基材１に金属を蒸着させてもよい。

各電極２，４を構成する材料としては、例えば、銀箔、銅箔、アルミ箔等の金属箔や、導電性ポリマー等を用いることができるが、これに限定されず、導電率の高い材料を適宜採用することができる。

検出部材３は、導電性粒子と樹脂とを含み、温度の上昇と共に、電気抵抗値が上昇する特性を有している。すなわち、温度に応じて樹脂が膨張または収縮することによって、導電性粒子間の距離が変化し、抵抗値が変化する。例えば、少なくとも３０℃〜２００℃の範囲においては、温度が上昇すると電気抵抗値が高くなり、温度が低下すると電気抵抗値が低くなる特性を備えるものとすることができる。

また、この検出部材３は、温度のみならず、湿度の変化によっても電気抵抗値が上昇する特定を有している。すなわち、湿度に応じて樹脂が吸水し、膨張または収縮することによって、導電性粒子間の距離が変化し、抵抗値が変化する。例えば、おおよそ３０〜９０％の範囲においては、湿度が上昇すると電気抵抗値が高くなり、湿度が低下すると電気抵抗値が低くなる特性を備えるものとすることができる。

検出部材３に含まれる導電性粒子としては、導電性を備える粒子であれば特に制限されず、公知の導電性の感温材料に含まれる導電性粒子を用いることができる。導電性粒子の具体例としては、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、カーボンナノコイルなどの炭素系粒子（繊維状物も含む）；鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、マグネシウム、プラチナ、銀、金、及びこれらの金属のうち少なくとも１種を含む合金などの金属粒子；酸化スズ、酸化亜鉛、ヨウ化銀、ヨウ化銅、チタン酸バリウム、酸化インジウム錫、チタン酸ストロンチウムなどの導電性無機材料粒子などが挙げられる。これらの中でも、広い温度範囲にわたって被検体の温度を精度高く測定できる感温素子とする観点からは、導電性カーボンブラックが特に好ましい。導電性粒子は、１種類単独で使用してもよいし、２種類以上を組み合わせて使用してもよい。なお、このような導電性粒子は、湿度の測定にも同様に用いることができる。

導電性粒子の粒子径としては、特に制限されないが、好ましくは１μｍ以下、より好ましくは１００ｎｍ以下、さらに好ましくは５０ｎｍ以下が挙げられる。

検出部材３に含まれる導電性粒子の含有量としては、特に制限されず、所望の電気抵抗値や体積抵抗値となるように設定すればよいが、広い温度範囲または湿度範囲にわたって被検体の温度または湿度を精度高く測定できるように、好ましくは１５質量％未満、より好ましくは２〜９質量％程度が挙げられる。例えば、導電性粒子として、オイルファーネス法で製造された導電性カーボンブラックを用いる場合、同様の観点から、好ましくは１０質量％未満、より好ましくは１〜８質量％程度、さらに好ましくは２〜６質量％程度が挙げられる。また、アセチレン分解法で作製された導電性カーボンブラックを用いる場合であれば、同様の観点から、好ましくは１５質量％未満、より好ましくは４〜１２質量％程度、さらに好ましくは６〜９質量％程度が挙げられる。

検出部材３に含まれる樹脂としては、特に制限されず、公知の導電性の感温材料に含まれる樹脂を用いることができる。樹脂のガラス転移温度は、検出部材３の使用態様に応じて適宜選択することができる。広い温度範囲にわたって被検体の温度を精度高く測定できる感温素子とする観点からは、樹脂のガラス転移温度は、温度検出部３１の温度測定範囲の上限値以上であることが好ましい。すなわち、例えば、温度検出部３１の温度測定範囲の上限値が２００℃である場合には、樹脂のガラス転移温度は、２００℃以上であることが好ましく、温度検出部３１の温度測定範囲の上限値が１００℃である場合には、樹脂のガラス転移温度は、１００℃以上であることが好ましい。樹脂のガラス転移温度の調整法としては、例えば、樹脂の分子量や分子骨格などを調整する方法が挙げられる。樹脂のガラス転移温度としては、好ましくは８０〜４００℃程度が挙げられる。なお、導電性感温材料に複数種類の樹脂が含まれる場合には、樹脂のガラス転移温度は、導電性感温材料に含まれる樹脂全体としてのガラス転移温度を意味する。このようなガラス転移温度を有する樹脂は、例えば、上述した範囲の湿度の検出にも同様に用いることができる。

樹脂の具体例としては、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂；ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル樹脂などの熱可塑性樹脂が挙げられる。これらの中でも、広い温度範囲にわたって被検体の温度を精度高く測定できる感温素子とする観点からは、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂が好ましく、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂が特に好ましい。ガラス転移温度が２００℃以上の樹脂は、１種類単独で使用してもよいし、２種類以上を組み合わせて使用してもよい。

本実施形態において、樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ（℃））は、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）によって測定された値である。

検出部材３に含まれる樹脂の含有量としては、導電性粒子の種類などに応じて設定することができ、特に制限されないが、広い温度範囲または湿度範囲にわたって被検体の温度または湿度を精度高く測定するためには、好ましくは８５質量％以上、より好ましくは９１〜９８質量％程度が挙げられる。例えば、導電性粒子として、オイルファーネス法で製造された導電性カーボンブラックを用いる場合、同様の観点から、好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９２〜９９質量％程度、さらに好ましくは９４〜９８質量％程度が挙げられる。また、アセチレン分解法で製造された導電性カーボンブラックを用いる場合であれば、同様の観点から、好ましくは８５質量％以上、より好ましくは８８〜９６質量％程度、さらに好ましくは９１〜９４質量％程度が挙げられる。

検出部材３には、前述の導電性粒子及び樹脂に加えて、さらに添加剤を含んでいてもよい。添加剤としては、特に制限されず、酸化チタン、アルミナ、マイカなどのＰＴＣ特性を備える導電性の感温材料に含まれる公知の添加剤を使用することができる。

カバー部材５は、温度検出部３１をフィルム基材１との間で密閉できるものであれば、特には限定されず、例えば、フィルムを接着剤で貼り付けるなどを用いることができる。また、フッ素系、アクリル系、ウレタン系などの防湿性材料で表面を被覆することもできる。

＜３．センサシートの製造方法の例＞
次に、センサシートの製造方法について図４を参照しつつ説明する。センサシート１００は、例えば、以下のようにして製造される。まず、図４（ａ）に示すように、フィルム基材１の上に複数の第１電極２をスクリーン印刷により形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、各第１電極２の上に検出部材３をスクリーン印刷により形成する。

続いて、図４（ｃ）に示すように、検出部材３と直交するように、複数の第２電極４をスクリーン印刷により形成する。続いて、湿度検出部３２に対応する部分をマスクした上で、フィルム基材１上にカバー部材５をスクリーン印刷により形成する。その後、マスクを取り外せば、複数の開口５１を有するカバー部材５が形成される。そして、各開口５１からは湿度検出部３２が露出する。こうして、センサシート１００が完成する。

＜４．センサシステムの概要＞
次に、本実施形態のセンサシステム２００について説明する。このセンサシステム２００は、上述したセンサシート１００、測定装置３００、ディスプレイ４００、センサシート１００と測定装置３００とを接続するコネクタ５００、及び入力装置６００、を有している。

＜４−１．コネクタ＞
コネクタ５０は、センサシート１００に取り付けられている。センサシート１００の端部領域には、図示しない複数の端子が設けられており、各端子がコネクタ５０に設けられた複数の接点のいずれかと電気的に接続される。センサシート１００に設けられた複数の温度検出部３１及び湿度検出部３２の各々は、対応する端子と第１及び第２電極２，４を介して接続されている。

コネクタ５０は、温度検出部３１及び湿度検出部３２における電磁気的特性の変化を出力値として取得する。コネクタ５０には、複数の温度検出部３１及び湿度検出部３２に順番に電圧の印加等を行うために、マルチプレクサという電子素子が組み込まれている。

コネクタ５０は、複数の温度検出部３１及び湿度検出部３２に順番に電圧を印加することで、複数の温度検出部３１及び湿度検出部３２の各々から順番に出力を得る。具体的には、第１電極２と第２電極４のうち、一方をドライブ電極、他方をレシーブ電極とすると、コネクタ５０は、複数のドライブ電極に順番に電圧を印加し、印加された状態で複数のレシーブ電極の抵抗値を順番に測定することにより、それぞれの温度検出部３１及び湿度検出部３２の出力を得る。レシーブ電極の抵抗値は、オペアンプで反転増幅し、電圧値として取得する。印加電圧や出力の増幅率を設定することで、出力を任意に増幅することができる。

コネクタ５０は、センサシート１００の各温度検出部３１及び湿度検出部３２からそれぞれ出力された出力値（温度値または湿度値）を示すアナログ信号をデジタル信号に変換して測定装置３００へと出力する。

＜４−２．測定装置＞
図６は、本実施形態に係る測定装置を示すブロック図である。図６に示すように、本実施形態に係る測定装置３００は、制御部３０１、記憶部３０２、外部インターフェース３０３、及びドライブ３０４が電気的に接続されたコンピュータである。なお、図６では、外部インターフェース３０３をそれぞれ、「外部Ｉ／Ｆ」と記載している。

制御部３０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を含み、情報処理に応じて各構成要素の制御を行う。記憶部３０２は、例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ等の補助記憶装置であり、制御部３０１で実行される測定プログラム３２１、検出した温度、湿度などに関するデータ３２２等を記憶する。

外部インターフェース３０３は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ポート等であり、外部装置と接続するためのインタフェースである。この外部インターフェース３０３を介して、上述したコネクタ５００、入力装置６００、及びディスプレイ４００が接続されている。入力装置６００は、例えば、マウス、キーボード等の入力を行うための装置である。なお、プリンタ、スピーカなど、上記以外の外部装置を接続することもできる。また、この測定装置３００をネットワークを介して外部と接続するための通信インタフェースを設けることもできる。この通信インターフェースは、例えば、有線ＬＡＮ（Local Area Network）モジュール、無線ＬＡＮモジュール等であり、ネットワークを介した有線又は無線通信を行うためのインタフェースである。

ドライブ３０４は、例えば、ＣＤ（Compact Disk）ドライブ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）ドライブ等であり、記憶媒体３４１に記憶されたプログラムを読み込むための装置である。ドライブ３０４の種類は、記憶媒体３４１の種類に応じて適宜選択されてよい。上記測定プログラム３２１は、この記憶媒体３４１に記憶されていてもよい。

記憶媒体３４１は、コンピュータその他装置、機械等が記録されたプログラム等の情報を読み取り可能なように、このプログラム等の情報を、電気的、磁気的、光学的、機械的又は化学的作用によって蓄積する媒体である。

なお、測定装置３００は、提供されるサービス専用に設計された情報処理装置の他、汎用のデスクトップＰＣ（Personal Computer）、タブレットＰＣ等が用いられてもよい。

また、センサシステム２００は、センサシート１００と同じ雰囲気の温度を測定する図示しない熱電対（計測器）を有している。熱電対は、コネクタ５００に設置されているが、これに限定されず、センサシート１００の近傍に設置されてもよい。熱電対から出力された測定信号は、デジタル信号に変換されて測定装置３００に入力される。なお、センサシート１００と同じ雰囲気の温度を測定する手段は熱電対に限定されない。また、温度のみならず、センサシート１００と同じ雰囲気の湿度を測定する計測器を設けることもでき、この計測器を温度を計測する装置と一体化することもできる。

＜５．センサシステムの動作＞

次に、上記のように構成されたセンサシステムの動作について説明する。まず、測定装置３００は、複数の温度検出部３１の各々で得られた出力値から温度分布を算出するとともに、複数の湿度検出部３２の各々で得られた出力値から圧力分布を算出する算出部として機能する。複数の温度検出部２１の各々で得られた出力値から温度分布を算出することで、被検体の温度分布を測定することができる。また、複数の湿度検出部３２の各々で得られた出力値から湿度分布を算出することで、被検体の湿度分布を測定することができる。

また、測定装置３００は、温度検出部３１および湿度検出部３２の一方で得られた出力値に基づいて、他方で得られた出力値を補正する補正部として機能する。温度検出部３１で得られた出力値に基づいて、湿度検出部３２で得られた出力値を補正することで、湿度検出部３２の温度依存性を排除することができる。一方、温度検出部３１は、フィルム基材１とカバー部材５との間で密閉されているため、湿度０％の状態にすることができ、湿度の変化による影響を防止することができる。したがって、以下では、湿度検出部３２の補正について説明する。

湿度検出部３２の温度依存性は、具体的には以下の方法で排除することができる。まず、一定の湿度で温度を変化させたときの出力曲線より、湿度検出部３２の温度依存性を求める。これは、センサシート１００の工場出荷時に行ってもよいし、各ユーザーにより行ってもよい。また、すべての湿度検出部３２に対して実施してもよいし、代表値をすべての湿度検出部３２に適用してもよい。次に、温度検出部３１を用いて各温度点における出力を測定することで、温度検出部３１の校正を行う。このときの温度は、各湿度検出部３２に隣接する温度検出部３１の温度を用いる。これは、センサシート１００の工場出荷時に行ってもよいし、各ユーザーにより行ってもよい。また、すべての温度検出部３１に対して実施してもよいし、代表値をすべての温度検出部３１に適用してもよい。

そして、湿度検出部３２による湿度分布の測定時に、校正された温度検出部３１によって正確な温度値を取得し、先に求めた湿度検出部３２の温度依存曲線を用いて湿力分布を補正する。これにより、湿度検出部３２の温度依存性を排除することができる。この方法では、温度変化率と、湿度検出部３２の温度依存性による変化率とが一致していなくても、湿度検出部３２の補正が可能である。

＜５．特徴＞
以上のように、本実施形態によれば、一枚のセンサシートにより、温度と湿度の分布を測定することができる。特に、温度の検出と湿度の検出を同じ材料である検出部材３により行っているため、低コストで温度と湿度の両方を測定可能なセンサシートを構成することができる。

また、温度検出部３１はフィルム基材１とカバー部材５との間に密閉されているため、温度測定時の湿度の影響を抑制することができる。一方、湿度検出部３２は、湿度の検出をしやすくするため、カバー部材５の開口５１から外部に露出している。但し、湿度検出部３２は、温度検出部３１と隣接させているため、隣接する温度検出部３１によって測定された温度を用い、湿度検出部３２の温度依存性を正確に排除することができる。

＜６．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。なお、以下の変形例は、適宜組合せが可能である。

＜６−１＞
第１電極２と第２電極４とは必ずしも直交していなくてもよく、少なくとも４５度以上で交差していればよい。

＜６−２＞
温度検出部３１と湿度検出部３２とは、第１及び第２電極１，４上で交互に配置しているが、温度検出部３１と湿度検出部３２とが隣接するように配置されていればよい。したがって、例えば、図７に示すように、隣接する第１電極１上に温度検出部３１と湿度検出部３２とを交互に配置することができる。そして、カバー部材５には、湿度検出部３２が外部に露出するように、開口５１を形成する。

また、温度検出部３１と湿度検出部３２とは、必ずしも隣接していなくてもよく、センサシート１００上のいずれかの位置に温度検出部３１と及び湿度検出部３２が配置されていればよい。

＜６−３＞
カバー部材５は、少なくとも温度検出部３１を覆っていればよいため、上記実施形態のようにフィルム基材１全体に配置した上で、湿度検出部３２の対応する位置に開口５１を形成するのではなく、少なくとも温度検出部３１の設けられた箇所を覆うように配置することもできる。

１フィルム基材
２第１電極
３検出部材
３１温度検出部
３２圧力検出部
４第２電極
５カバー部材

Claims

フィルム基材と、
前記フィルム基材上に設けられ、平行に延びる線状の複数の第１電極と、
前記フィルム基材上に設けられ、前記複数の第１電極と交差し、平行に延びる線状の複数の第２電極と、
すくなくとも前記第１電極と第２電極との交差箇所において、前記第１電極と第２電極との間に配置され、温度または湿度の高低に応じて電磁気特性が変化する導電性の検出材料であって、前記交差箇所が温度を検出する温度検出部または湿度を検出する湿度検出部を構成する、検出材料と、
少なくとも、前記温度検出部を、前記フィルム基材との間で密閉するカバー部材と、
を備え、
前記温度検出部及び前記湿度検出部が、少なくとも１つずつ設けられている、センサシート。
前記カバー部材には、複数の開口が形成され、
前記各開口から、前記湿度検出部が外部に露出するように構成されている、請求項１に記載のセンサシート。
前記湿度検出部と前記温度検出部とが隣接するように配置されている、請求項１または２に記載のセンサシート。
隣接する前記第１電極上または前記第２電極上に、前記温度検出部及び湿度検出部がそれぞれ配置されている、請求項３に記載のセンサシート。
前記各湿度検出部により測定される湿度は、当該湿度検出部に隣接する前記温度検出部によって測定される温度に基づいて、補正が行われる、請求項３または４に記載のセンサシート。
前記カバー部材は、防湿性材料により形成されている、請求項１から５のいずれかに記載のセンサシート。