WO2008059751A1 - Piezoelectric sensor and method for manufacturing the same - Google Patents

Piezoelectric sensor and method for manufacturing the same Download PDF

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Mitsuhiro Ando
Shunsuke Kogure
Hitoshi Takayanagi
Nobuhiro Moriyama
Iwao Matsunaga
Ryuichi Sudo
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Aisin Corp
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Kureha Corp
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Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric sensor including a piezoelectric body made of a polymer material, and a method for manufacturing the same.
  • a piezoelectric sensor including a piezoelectric material made of a polymer material, in particular, polyvinylidene fluoride (PVDF), has silver paste applied to both sides of the piezoelectric material, and one side is used as a signal electrode, and the other side It is known that the side is formed as a ground electrode! (See, for example, Patent Document 1).
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • an insulating layer and a shield layer are laminated on the side of the signal electrode of the piezoelectric body via an adhesive, respectively, and an insulating layer is formed on the side of the ground electrode of the piezoelectric body. It is laminated via an adhesive.
  • Such a piezoelectric sensor is used, for example, as a pressure sensor that detects a load applied to an elastic support such as a bed, mat, or sheet, and determines the presence or absence of a person, an animal, an object, or the like. It is done.
  • a piezoelectric sensor is used as such a pressure sensor, in order to accurately place the piezoelectric sensor at the load detection position on the support body, the piezoelectric body is formed according to the arrangement shape of the pressure sensor on the support body.
  • a pressure sensor is formed by providing electrodes and wiring on the surface.
  • an electrode is provided by directly applying a silver paste to the surface of a piezoelectric body.
  • PVDF's heat resistance temperature is as low as 120 ° C or less, so if the silver paste is dried at about 150 ° C, which is the normal drying temperature, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric body may be degraded.
  • a silver paste that can be dried at a low temperature of 100 ° C or lower Although the deterioration of electrical characteristics can be prevented, there is a problem that the drying takes time, so that the production efficiency is lowered and the manufacturing cost is increased.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an inexpensive piezoelectric sensor that hardly generates noise and a manufacturing method thereof.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 10-332509 (paragraph 0008, FIG. 4)
  • a first characteristic configuration of the piezoelectric sensor according to the present invention for achieving the above object is a piezoelectric body made of a polymer material, and disposed on one side of the piezoelectric body, the first insulator being A first electrode carrying part carrying a signal electrode; and a second electrode carrying part arranged on the other side of the piezoelectric body and carrying a ground electrode on a second insulator.
  • the electrode carrying part and the second electrode carrying part are arranged so that the signal electrode and the ground electrode overlap each other when viewed in the overlapping direction.
  • the piezoelectric sensor can be formed by arranging the piezoelectric body corresponding to the first electrode holding portion and the second electrode holding portion. For this reason, the amount of piezoelectric material used can be reduced and the product cost can be greatly reduced compared to the conventional case where a piezoelectric sensor is obtained by providing a piezoelectric material as a base and forming electrodes on the piezoelectric material.
  • the wiring to the piezoelectric sensor can be provided on the insulator carrying the electrode, so that the wiring does not have sensitivity and noise can be prevented.
  • the production method of the electrode is not limited, and the production efficiency can be improved.
  • a second characteristic configuration of the piezoelectric sensor according to the present invention is that the first electrode support portion and the second electrode support portion are configured as a first electrode support layer and a second electrode support layer, respectively.
  • the piezoelectric body is sandwiched between the first electrode support layer and the second electrode support layer.
  • a layered piezoelectric sensor can be formed by sandwiching a piezoelectric body between a first electrode carrier layer and a second electrode carrier layer.
  • a third characteristic configuration of the piezoelectric sensor according to the present invention is that the first electrode carrying layer and the second electrode carrying layer do not carry the electrode on the side carrying the electrode or the electrode! The insulator on the side is in close contact with the piezoelectric body.
  • a substance such as air having a low dielectric constant can be prevented from entering between the first electrode supporting layer and the second electrode supporting layer and the piezoelectric body, thereby The sensitivity of the sensor can be improved.
  • a fourth characteristic configuration of the piezoelectric sensor according to the present invention is that the first electrode carrying layer and the second electrode carrying layer do not carry the electrode on the side carrying the electrode or the electrode! /, The insulator on the side is fixed in close contact with the piezoelectric body through a fixing agent.
  • the piezoelectric sensor receives various external forces by fixing the first electrode supporting layer and the second electrode supporting layer and the piezoelectric body with the fixing agent as in this configuration, the distance between the piezoelectric body and the first electrode support layer and the second electrode support layer can be reliably maintained constant, and the sensitivity of the piezoelectric sensor becomes more stable.
  • the signal electrode is disposed on the piezoelectric body side of the first electrode support layer, and the ground electrode is disposed in front of the second electrode support layer.
  • the signal electrode and the ground electrode are arranged on the piezoelectric body side, and are adhered to the piezoelectric body.
  • the signal electrode is disposed on a side of the first electrode supporting layer opposite to the piezoelectric body, and the ground electrode is disposed on the second electrode supporting layer. Is located on the opposite side of the piezoelectric body.
  • the piezoelectric sensor can be used in various ways by bringing the first electrode supporting layer and the second electrode supporting layer on the side not supporting the electrode into close contact with the piezoelectric body via the fixing agent. Even when an external force is applied, the distance between the piezoelectric body and the first electrode carrier layer and the second electrode carrier layer can be reliably kept constant, and the sensitivity of the piezoelectric sensor becomes stable.
  • a seventh characteristic configuration of the piezoelectric sensor according to the present invention is that the first electrode supporting layer and the second electrode supporting layer are in close contact with each other on the piezoelectric body side.
  • the first characteristic means of the method for manufacturing a piezoelectric sensor according to the present invention includes a first supporting step of forming a first electrode supporting layer by supporting a signal electrode on one surface of the first insulating film.
  • a laminating step of laminating the second electrode supporting layer on the other side of the piezoelectric body includes a first supporting step of forming a first electrode supporting layer by supporting a signal electrode on one surface of the first insulating film.
  • a laminating step of laminating the second electrode supporting layer on the other side of the piezoelectric body includes a
  • the first electrode carrying layer carrying the signal electrode on the first insulating film and the second electrode carrying layer carrying the ground electrode on the second insulating film By laminating the piezoelectric material, the amount of piezoelectric material used can be reduced and the manufacturing cost can be reduced compared to the case where a piezoelectric sensor is formed by forming electrodes on the piezoelectric material that is the base of the conventional technology. Decrease by force S
  • the wiring of the piezoelectric sensor can be provided in each of the first electrode supporting layer and the second electrode supporting layer, the wiring does not have sensitivity, and generation of noise can be prevented.
  • the electrode manufacturing method is not limited, and the production efficiency is improved.
  • the second characteristic means of the method for manufacturing a piezoelectric sensor according to the present invention includes a surface carrying the electrodes of the first electrode carrying layer and the second electrode carrying layer, or the A fixing agent is attached to a surface that does not carry an electrode, and in the laminating step, the first electrode carrying layer and the second electrode carrying layer are electrodes on the surface carrying the electrode or the surface not carrying the electrode.
  • the insulating film is fixed in close contact with the piezoelectric body through a fixing agent.
  • the first electrode carrier layer and the second electrode carrier layer and the piezoelectric body are fixed in close contact with each other via a fixing agent, whereby the first electrode carrier layer and It is possible to prevent a substance having a low dielectric constant such as air from entering between the second electrode support layer and the piezoelectric body. Furthermore, the distance between the piezoelectric body and the first electrode support layer and the second electrode support layer can be kept constant, and a piezoelectric sensor maintaining high sensitivity can be obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a piezoelectric sensor according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a pressure sensor including a piezoelectric sensor
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a piezoelectric sensor according to a second embodiment
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a piezoelectric sensor according to a third embodiment
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a piezoelectric sensor according to a fourth embodiment.
  • the piezoelectric sensor 1 includes a piezoelectric body 2 made of polyvinylidene fluoride (PVDF), which is a planar polymer material, and a first insulation as a first insulator.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the first electrode support layer 3 supporting the signal electrode 3b on one surface of the film 3a and the second electrode supporting the ground electrode 4b on one surface of the second insulating film 4a as the second insulator.
  • an electrode support layer 4 Since the piezoelectric body 2 generates electric charges due to the piezoelectric effect, the electric charges generated by providing electrodes on the piezoelectric body 2 can be taken out as voltage signals.
  • the first electrode carrier layer 3 is disposed on one side of the piezoelectric body 2 (upper side in FIG. 1), and the second electrode carrier layer 4 is disposed on the other side of the piezoelectric body 2 (lower side in FIG. 1).
  • the layered piezoelectric sensor 1 is formed by sandwiching the piezoelectric body 2 between the first electrode support layer 3 and the second electrode support layer 4.
  • the first electrode carrier layer 3 and the second electrode carrier layer 4 have a signal electrode 3b and a ground electrode so that, when viewed in the overlapping direction, charges generated by the piezoelectric effect can be taken out as a voltage signal. It is arranged so as to overlap with 4b.
  • the piezoelectric body 2 can be disposed only at predetermined positions corresponding to the first electrode supporting layer 3 and the second electrode supporting layer 4, the amount of the piezoelectric body 2 used is reduced. Thus, the product cost can be reduced.
  • the first electrode carrier layer 3 and the second electrode carrier layer 4 constitute the ⁇ first electrode carrier part '' and the ⁇ second electrode carrier part '' in the present invention, respectively! /
  • the first electrode carrier layer 3 and the second electrode carrier layer 4 have a surface (side) carrying the signal electrode 3b and the ground electrode 4b on the piezoelectric body 2 respectively. It is layered toward the side of.
  • the first electrode support layer 3 and the second electrode support layer 4 have a fixing agent 5 attached to the surface (side) supporting the electrode, and the signal electrode 3b and the ground electrode 4b are connected to the piezoelectric body 2 via the fixing agent 5. It is fixed so as to be in close contact with.
  • the signal electrode 3b is formed to have a size within the region where the ground electrode 4b exists and the region where the piezoelectric body 2 exists when viewed in the overlapping direction.
  • the signal electrode 3b and the ground electrode 4b are supported by, for example, applying a metal paste such as silver on the surface of the first insulating film 3a and the second insulating film 4a, or attaching a metal film.
  • a metal paste such as silver on the surface of the first insulating film 3a and the second insulating film 4a, or attaching a metal film.
  • the power to do S As the first insulating film 3a and the second insulating film 4a, for example, a resin film such as polyethylene terephthalate (PET) or polyethylene naphthalate (PEN) can be used. Since such a resin film has high heat resistance, the metal paste applied to the surface as an electrode can be dried at a normal drying temperature of about 150 ° C, shortening the drying time. The power S can be improved to improve production efficiency.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • Fixing agent 5 can be a reaction system, a solution system, a hot melt system adhesive, an adhesive, etc. It is not limited to. However, from the viewpoint of maintaining sensitivity as the piezoelectric sensor 1, it is preferable to select a fixing agent having a high dielectric constant in order to exist between the electrodes. From the same viewpoint, it is preferable to fix the piezoelectric body 2 so that the distance between the first electrode carrier layer 3 and the second electrode carrier layer 4 is small.
  • a shield is provided on the opposite side of the first electrode carrying layer 3 from the side carrying the signal electrode 3b so that noise from the outside is not mixed into the signal electrode 3b.
  • Electrode 6 is provided.
  • a protective film 7 for protecting the shield electrode 6 from external mechanical stress is provided on the first electrode support layer 3 via a fixing agent 8.
  • the shield electrode 6 can be supported on the first electrode support layer 3 by the same method as the signal electrode 3b.
  • the protective film 7 is not particularly limited as long as it is an insulating film, but a resin film such as polyethylene terephthalate (PET) or polyethylene naphthalate (PEN) can be preferably used because of its high mechanical strength.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • the protective film 7 is made of the same material as that of the first insulating film 3a, even if heat treatment is performed when the two films are fixed, the thermal expansion coefficient is the same, so that warpage or the like occurs. It can be prevented.
  • the fixative 8 can be the same as the fixative 6, and may be the same or different.
  • Such a piezoelectric sensor 1 can be used for a pressure sensor 10 as shown in FIG. 2, for example.
  • the pressure sensor 10 includes a detection unit 10a including a plurality of piezoelectric sensors 1 and a wiring unit 10b that transmits an output signal of the piezoelectric sensor 1.
  • six piezoelectric sensors 1 are provided in the detection unit 10a, and slits 10d are provided around the piezoelectric sensor 1 so that deformation of the piezoelectric sensor 1 does not affect each other.
  • the detection unit 10a and the wiring unit 10b are formed integrally with the first electrode support layer 3 and the second electrode support layer 4 that constitute the piezoelectric sensor 1.
  • the wiring from the signal electrode 3b of the piezoelectric sensor 1 passes through the same plane as the signal electrode 3b of the first electrode support layer 3, and the wiring from the ground electrode 4b is the same as the ground electrode 4b of the second electrode support layer 4.
  • the first electrode support layer 3 (first insulating film 3a) and the second electrode support layer 4 (second insulating film 4a) are formed in an arrangement shape on the support.
  • the first electrode By arranging the piezoelectric body 2 so as to correspond to the holding layer 3 and the second electrode carrying layer 4, the position of the piezoelectric sensor 1 which is the detection position can be easily positioned. For this reason, the piezoelectric body 2 made of PVDF can be disposed only in the detection unit 10a, so that the amount of PVDF used can be suppressed, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the wiring portion 10b does not have the piezoelectric body 2
  • the wiring does not have sensitivity, and noise can be prevented.
  • Such a piezoelectric sensor 1 is, for example, a pressure sensor that detects a load applied to an elastic support such as a bed, mat, or sheet, and determines the presence or absence of a person, an animal, an object, or the like. Can be used.
  • the piezoelectric sensor 1 can also be used as a biometric information pressure sensor that detects the pulse of a human body seated on a seat or the like, minute vibrations such as breathing, movement of the human body due to load fluctuations, and the like.
  • the first electrode carrier layer 3 and the second electrode carrier layer 4 have a surface on which the signal electrode 3b and the ground electrode 4b are respectively supported as a piezoelectric body. Laminate toward the 2 side, and the signal electrode 3b and the ground electrode 4b are brought into direct contact with the piezoelectric body 2 and the first insulating film 3a, the second insulating film 4a and the piezoelectric body 2 are fixed to the fixing agent 5 It is fixed through.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the first electrode support layer 3 and the second electrode support layer 4 do not support the signal electrode 3b and the ground electrode 4b, respectively! /
  • the first insulating film 3a and the second insulating film 4b are fixed to each other with the surface facing the piezoelectric body 2 side. It is closely fixed to the piezoelectric body 2 via the agent 5.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the sensitivity of the piezoelectric sensor 1 can be improved by selecting a material having a high dielectric constant as the first insulating film 3a and the second insulating film 4a.
  • the first electrode support layer 3 and the second electrode support layer 4 do not support the signal electrode 3b and the ground electrode 4b, respectively! /
  • the first insulating film 3a and the second insulating film 4b are in direct contact with the piezoelectric body 2 by laminating the surfaces facing the piezoelectric body 2 and heat-sealing.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the first electrode carrier layer 3 and the second electrode carrier layer 4 are integrated by thermal fusion, the first electrode holding portion and the second electrode carrier portion 2 are respectively integrated. It becomes the electrode carrier.
  • the first electrode carrying layer 3 and the second electrode carrying layer 4 are both provided with an electrode carrying surface (side) or an electrode carrying surface! /, And a surface (side).
  • the force described in the example in which the first electrode support layer 3 and the second electrode support layer 4 are fixed by the fixing agent 5 or heat fusion is not particularly limited.
  • the piezoelectric body 2 can be covered and integrated with the insulator by insert molding or the like in which the insulator is injection-molded with respect to the piezoelectric body 2.
  • a signal electrode 3b and a ground electrode 4b are provided at corresponding positions on the surface of the insulator, and the first electrode holding portion and the second electrode respectively.
  • An electrode carrier is formed.
  • the piezoelectric sensor 1 is configured by the piezoelectric body 2 made of PVDF, but is not particularly limited.
  • the piezoelectric sensor 1 is made of, for example, polypropylene which is a planar polymer material. It may be made of a piezoelectric material! /
  • the piezoelectric sensor according to the present invention is, for example, a pressure sensor that detects a load applied to an elastic support such as a bed, mat, or sheet, and determines the presence or absence of a person, an animal, an object, or the like. Use with power S.
  • the piezoelectric sensor according to the present invention can be used as a biological information pressure sensor for detecting a human body sitting on a seat or the like, a pulse of a human body, minute vibrations such as breathing, movement of a human body due to load fluctuation, and the like.

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Description

明 細 書
圧電センサ及びその製造方法
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 従来、高分子材料、特にポリフッ化ビユリデン (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!/、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。
[0003] 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。
[0004] 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 つてノイズが発生するという問題もあった。
[0005] 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。し力、し、例えば、 PVDFの耐熱温度は 120°C以下と低いため、銀ペース トを通常の乾燥温度である 150°C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°C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、乾燥に時間が掛カ、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。
[0006] 本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ノイズが発生し難ぐ安価な圧電 センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
特許文献 1 :特開平 10— 332509号公報 (段落 0008、図 4)
発明の開示
[0007] 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、前記第 1の電極担持部と 前記第 2の電極担持部とは、重ね方向視において、前記シグナル電極と前記グラン ド電極とが重なるように配置した点にある。
[0008] 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 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、ノイズが発生し難ぐ安価な圧電センサを提供することができる。
[0009] 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の電極担持層とにより挟持さ れている点にある。
[0010] 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。 [0011] 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!/、側に おける絶縁体を前記圧電体に密着させた点にある。
[0012] 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。
[0013] 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!/、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。
[0014] 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。
[0015] 本発明に係る圧電センサの第 5特徴構成は、前記シグナル電極を前記第 1の電極 担持層の前記圧電体の側に配置し、前記グランド電極を前記第 2の電極担持層の前 記圧電体の側に配置し、前記シグナル電極と前記グランド電極とを前記圧電体に密 着させた点にある。
[0016] つまり、本構成のように、シグナル電極及びグランド電極を圧電体に直接密着させ ることにより、圧電センサが様々な外力を受けた場合でも影響を受けない良好な誘電 結合が形成される。このため、圧電体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、圧電センサとしての感度を向上させることができる。
[0017] 本発明に係る圧電センサの第 6特徴構成は、前記シグナル電極を前記第 1の電極 担持層の前記圧電体と反対の側に配置し、前記グランド電極を前記第 2の電極担持 層の前記圧電体と反対の側に配置した点にある。
[0018] つまり、本構成のように、第 1の電極担持層及び第 2の電極担持層の電極を担持し ない側を固定剤を介して圧電体に密着させることにより、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安定なものとなる。 [0019] 本発明に係る圧電センサの第 7特徴構成は、前記第 1の電極担持層と前記第 2の 電極担持層とを、前記圧電体の側において互いに密着させた点にある。
[0020] つまり、本構成によれば、第 1の電極担持層と第 2の電極担持層とを互いに密着さ せてあるため、固定剤等が不要となり圧電センサの製造コストを低減することができる
[0021] 本発明に係る圧電センサの製造方法の第 1特徴手段は、第 1の絶縁フィルムの一 方の面にシグナル電極を担持して第 1の電極担持層を作製する第 1担持工程と、第 2の絶縁フィルムの一方の面にグランド電極を担持して第 2の電極担持層を作製する 第 2担持工程と、高分子材料からなる圧電体の一方の側に前記第 1の電極担持層を 積層し、前記圧電体の他方の側に前記第 2の電極担持層を積層する積層工程とを 備えた点にある。
[0022] つまり、本手段のように、第 1の絶縁フィルムにシグナル電極を担持した第 1の電極 担持層と、第 2の絶縁フィルムにグランド電極を担持した第 2の電極担持層とを、圧電 体に積層させることで、従来のようなベースとなる圧電体に電極を形成して圧電セン サを形成する場合と比べて、圧電体の使用量を少なくすることができ、製造コストを低 減すること力 Sでさる。
圧電センサの配線は、それぞれ第 1の電極担持層及び第 2の電極担持層に設ける 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、シグナル電極及びグランド電極は、第 1の絶縁フィルム及び第 2の絶縁フィノレ ムに担持するため、電極の作製方法が制限を受けず、生産効率が向上する。
したがって、ノイズが発生し難ぐ安価な圧電センサを得ることができる。
[0023] 本発明に係る圧電センサの製造方法の第 2特徴手段は、前記積層工程の前に、前 記第 1の電極担持層及び前記第 2の電極担持層の電極を担持した面または前記電 極を担持しない面に固定剤を付着し、前記積層工程において、前記第 1の電極担持 層及び前記第 2の電極担持層を、前記電極を担持した面における電極または前記 電極を担持しない面における絶縁フィルム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。 [0024] つまり、本手段のように、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 定剤を介して密着させて固定することにより、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空気等の誘電率の低い物質が入り込むことを防止できる。さらに 、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一定に保つことがで き、高い感度を維持した圧電センサを得ることができる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]は、第一の実施形態に係る圧電センサを示す断面図であり、
[図 2]は、圧電センサを備えた圧力センサを示す構成図であり、
[図 3]は、第二の実施形態に係る圧電センサを示す断面図であり、
[図 4]は、第三の実施形態に係る圧電センサを示す断面図であり、
[図 5]は、第四の実施形態に係る圧電センサを示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0026] 〔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。
[0027] 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 1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!/、る。
[0028] 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及びダラ 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。
[0029] 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 4 b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。
[0030] 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力 S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°C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 向上させること力 Sでさる。
[0031] 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。
[0032] また、本実施形態におレ、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 担持すること力 S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。
[0033] 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。
[0034] 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
[0035] 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カできる。
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。
[0036] 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。
[0037] 〔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。
[0038] 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受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。
[0039] 〔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!/、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。
[0040] 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。
[0041] 〔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!/、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。
[0042] 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。
[0043] 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。
[0044] 〔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!/、面 (側）を圧電体 2の側に向けて積 層した例を説明した力 S、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。
[0045] 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力 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。 [0046] 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!/、。
産業上の利用可能性
[0047] 本発明に係る圧電センサは、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 して用いること力 Sでさる。
また、本発明に係る圧電センサは、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 用いること力 Sでさる。

Claims

請求の範囲
[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、
前記第 1の電極担持部と前記第 2の電極担持部とは、重ね方向視において、前記 シグナル電極と前記グランド電極とが重なるように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の電極担持層とにより挟持されて
V、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] 前記シグナル電極を前記第 1の電極担持層の前記圧電体の側に配置し、前記ダラ ンド電極を前記第 2の電極担持層の前記圧電体の側に配置し、前記シグナル電極と 前記グランド電極とを前記圧電体に密着させてある請求項 3に記載の圧電センサ。
[6] 前記シグナル電極を前記第 1の電極担持層の前記圧電体と反対の側に配置し、前 記グランド電極を前記第 2の電極担持層の前記圧電体と反対の側に配置してある請 求項 4に記載の圧電センサ。
[7] 前記第 1の電極担持層と前記第 2の電極担持層とを、前記圧電体の側において互 いに密着させてある請求項 2に記載の圧電センサ。
[8] 第 1の絶縁フィルムの一方の面にシグナル電極を担持して第 1の電極担持層を作 製する第 1担持工程と、 第 2の絶縁フィルムの一方の面にグランド電極を担持して第 2の電極担持層を作製 する第 2担持工程と、
高分子材料からなる圧電体の一方の側に前記第 1の電極担持層を積層し、前記圧 電体の他方の側に前記第 2の電極担持層を積層する積層工程とを備えた圧電セン サの製造方法。
前記積層工程の前に、前記第 1の電極担持層及び前記第 2の電極担持層の電極 を担持した面または前記電極を担持しない面に固定剤を付着し、
前記積層工程において、前記第 1の電極担持層及び前記第 2の電極担持層を、前 記電極を担持した面における電極または前記電極を担持しない面における絶縁フィ ルムを固定剤を介して前記圧電体に密着させて固定する請求項 8に記載の圧電セン サの製造方法。
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