特許 7156324 変形検知センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-11

(45)【発行日】2022-10-19

(54)【発明の名称】変形検知センサ

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20221012BHJP

   G01L 1/16 20060101ALN20221012BHJP

【ＦＩ】

G01B7/16 Z

G01L1/16 B

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020035491

(22)【出願日】2020-03-03

(65)【公開番号】P2020190543

(43)【公開日】2020-11-26

【審査請求日】2021-07-12

(31)【優先権主張番号】P 2019091095

(32)【優先日】2019-05-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000970

【氏名又は名称】弁理士法人 楓国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山川 博雄

(72)【発明者】

【氏名】森 健一

【審査官】山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／０１７４０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０６０３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２１８４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０５６１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１２２２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０３１０８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ ７／００－７／３４

Ｇ０１Ｌ １／００－１／２６、２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

変形検知の対象物に貼り付けられる変形検知センサであって、
圧電フィルムと、
前記圧電フィルムの主面に配置された電極と、
を備え、
前記圧電フィルムは、前記対象物の変形方向に対して交差する様にスリットが設けられていて、
前記圧電フィルムは、第１領域および第２領域を有し、
前記スリットは、前記第１領域に配置され、平面視してミアンダ状に形成された第１スリットと、前記第２領域に配置され、平面視して螺旋状に形成された第２スリットと、を有する、
変形検知センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、検知対象の対象物の変形を検知する変形検知センサに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、検知対象の対象物に貼り付けられ、該対象物に対する変形操作を検知する変形検知センサが開示されている。特許文献１の圧電素子は、一軸延伸されたポリ乳酸フィルムが示されている。ポリ乳酸等のキラル高分子は、延伸方向と対象物の歪み方向とが４５°または１３５°を成す場合に電荷が発生する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１０／１４３５２８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

変形の大きい対象物の変形量を検知しようとすると、変形検知センサが対象物から剥がれる、または変形検知センサが対象物の変形に追従できずに破壊される可能性がある。

【0005】

そこで、この発明は、変形の大きい対象物に貼り付けた場合でも、剥がれまたは破壊を防止する変形検知センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

変形検知センサは、変形検知の対象物に貼り付けられる。変形検知センサは、圧電フィルムと、前記圧電フィルムの主面に配置された電極と、を備える。圧電フィルムは、前記対象物の変形方向に対して交差する様にスリットが設けられていることを特徴とする。

【0007】

この様に、本発明の変形検知センサは、対象物が変形しても、スリットにより圧電フィルムが広がるため、圧電フィルム自体の変形量を抑えることができる。したがって、本発明の変形検知センサは、変形の大きい対象物に貼り付けられた場合でも、剥がれまたは破壊を防止することができる。

【発明の効果】

【0008】

この発明によれば、変形の大きい対象物に貼り付けた場合でも、剥がれまたは破壊を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】変形検知センサ４０を備えたベッド５０の外観斜視図である。

【図2】図２（Ａ）は、Ａ－Ａ断面図であり、図２（Ｂ）は、圧電フィルム１１の平面図である。

【図3】圧電フィルム１１の平面図である。

【図4】圧電フィルム１１が法線方向に沿って伸縮した際の変形態様を示す模式図である。

【図5】図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、スリットの変形例を示す図である。

【図6】図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、スリットの変形例を示す図である。

【図7】変形検知センサ４０をタイヤ５５に取り付ける場合のタイヤ５５の外観概要図である。

【図8】変形検知センサ４０の断面図である。

【図9】変形検知センサ４０の断面図である。

【図10】圧電フィルム１１の平面図である。

【図11】図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、変形例に係る変形検知センサ４０Ａの断面図である。

【図12】変形検知センサ４０Ｂの断面図である。

【図13】図１３（Ａ）は圧電フィルム１１の平面図であり、図１３（Ｂ）は、ＸＹ平面で視てＬ字型の対象物９０の内面に変形検知センサ４０を貼り付ける例を示す斜視図である。

【図14】図１４（Ａ）は圧電フィルム１１の平面図であり、図１４（Ｂ）は、ＸＹ平面で視てＬ字型の対象物９０の内面に変形検知センサ４０を貼り付ける例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は、本発明の変形検知センサ４０の実施形態について説明する。図１は、変形検知センサ４０が取り付けられたベッド５０の外観斜視図である。図２（Ａ）は、Ａ－Ａ断面図であり、図２（Ｂ）は、圧電フィルム１１の延伸方向を示した平面図である。本実施形態では、ベッド５０の幅方向（横方向）をＸ方向とし、長さ方向（縦方向）をＹ方向とし、厚み方向をＺ方向とする。

【0011】

本実施形態の変形検知センサ４０は、ベッド５０の上面（マットレスの上面）に配置されている。変形検知センサ４０は、ベッド５０の上面のうち、平面視して中央からＹ方向の端部側に配置されている。すなわち、変形検知センサ４０は、利用者の腰部から頭部付近に対応する位置に配置されている。ただし、変形検知センサ４０は、複数に分割されていてもよい。例えば、利用者の腰部付近に第１の変形検知センサ４０が配置され、利用者の頭部付近に第２の変形検知センサ４０が配置されていてもよい。

【0012】

ベッド５０の上面は、利用者がベッド５０を利用した際に大きく変形する。ベッド５０の上面は、平面方向に伸縮したり、法線方向に伸縮したり、様々な方向に大きく変形する。

【0013】

変形検知センサ４０は、図２（Ａ）に示す様に、圧電フィルム１１と、圧電フィルム１１の第１主面に配置される第１電極１２と、圧電フィルム１１の第２主面に配置される第２電極１３と、第２電極の下面側に配置される薄い板状の基材１４と、第１電極１２を覆う保護層１５と、を備えている。

【0014】

第１電極１２および第２電極１３は、不図示の粘着剤を介して圧電フィルム１１に貼り付けられる。また、第２電極１３の下面は、粘着剤等を介して基材１４に貼り付けられる。ただし、第２電極１３は、基材１４の上面に蒸着される等して、基材１４の上面に形成されていてもよい。第１電極１２の上面は、粘着剤等を介して保護層１５に貼り付けられる。第１電極１２も、保護層１５の下面に蒸着等により形成されていてもよい。また、保護層１５の端部は、基材１４に貼り付けられる。これにより、保護層１５は、変形検知センサ４０を保護する。ただし、保護層１５は、本発明において必須の構成ではない。

【0015】

基材１４は、粘着剤または接着剤等でベッド５０に貼り付けられ、ベッド５０の変形に伴って変形する。したがって、変形検知センサ４０は、基材１４の変形を検知することで、ベッド５０の変形を検知する。ただし、基材１４は、本発明において必須の構成ではない。なお、基材１４が伸縮性を有する場合、ベッド５０の変形に対して、変形検知センサ４０の変形を緩和することができる。

【0016】

圧電フィルム１１は、例えばＰＶＤＦまたはポリ乳酸（ＰＬＡ）等の圧電材料からなる。圧電フィルム１１がＰＶＤＦである場合、圧電フィルム１１は、基材１４の平面方向の伸縮に応じて電荷を生じる。

【0017】

圧電フィルム１１がポリ乳酸である場合、圧電フィルム１１は、基材１４のずり変形に応じて電荷を生じる。ポリ乳酸は、主鎖が螺旋構造を有し、一軸延伸されて分子が配向すると、圧電性を有する。圧電フィルム１１がポリ乳酸である場合、圧電フィルム１１は、図２（Ｂ）に示す様に、Ｘ方向を０°とすると、延伸方向が４５°または１３５°となるように配置されている。これにより、圧電フィルム１１は、基材１４のＸ方向またはＹ方向の伸縮に応じた電荷を生じる。発生する電荷は、第１電極１２または第２電極１３で検知される。なお、延伸方向は、４５°または１３５°に対して±１０°程度ずれていてもよい。

【0018】

なお、ポリ乳酸は、焦電性がないため、ベッド５０の様に、利用者の体温が伝わる場合であっても、検出される電荷量が変化することがない。また、一軸延伸されたＰＬＬＡの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。さらに、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に変動することがなく、極めて安定している。

【0019】

図３は、圧電フィルム１１の平面図である。図３に示す様に、圧電フィルム１１は、第１スリット１１４Ａおよび第２スリット１１４Ｂを有する。第１スリット１１４Ａは、平面視してミアンダ状に形成されている。第２スリット１１４Ｂは、平面視して螺旋状に形成されている。

【0020】

圧電フィルム１１のＹ方向の端部は、第１の配列パターンとして、Ｘ方向の中心において１つの第１スリット１１４Ａが形成され、Ｘ方向の第１端部および第２端部に第２スリット１１４Ｂが形成されている。Ｙ方向に隣接する位置においては、第２の配列パターンとして、Ｘ方向の中心において１つの第２スリット１１４Ｂが形成され、Ｘ方向の第１端部および第２端部に第１スリット１１４Ａが形成されている。

【0021】

圧電フィルム１１は、Ｙ方向に沿って、第１の配列パターンと、第２の配列パターンと、が交互に形成されている。本実施形態では、７つの第１スリット１１４Ａ、および８つの第２スリット１１４Ｂが形成されている。ただし、第１スリット１１４Ａおよび第２スリット１１４Ｂの数はこの例に限らない。また、配列パターンも、本実施形態に示した例に限らない。

【0022】

第１スリット１１４Ａは、圧電フィルム１１がＸ方向またはＹ方向に沿って伸縮した際に間隔が広がる。したがって、圧電フィルム１１のＸ方向またはＹ方向に沿った変形量は、第１スリット１１４Ａが無い場合に比べて抑えられる。

【0023】

第２スリット１１４Ｂは、図４に示す様に、圧電フィルム１１が法線方向に沿って伸縮した際に間隔が広がる。したがって、圧電フィルム１１の法線方向に沿った変形量は、第２スリット１１４Ｂが無い場合に比べて抑えられる。

【0024】

圧電フィルム１１は、ベッド５０の上面が大きく変形したとしても、第１スリット１１４ＡによりＸ方向およびＹ方向の変形を緩和する。また、圧電フィルム１１は、ベッド５０の上面が大きく変形したとしても、第２スリット１１４Ｂにより法線方向の変形を緩和する。

【0025】

したがって、変形検知センサ４０は、ベッド５０の様な様々な方向に大きく変形する対象物の変形に追従しつつ、ベッド５０のＸ方向またはＹ方向の伸縮を検知することができる。これにより、変形検知センサ４０は、利用者の寝返り、起き上がり等、様々な動作を検知することができる。

【0026】

なお、本実施形態の変形検知センサ４０は、第１スリット１１４Ａおよび第２スリット１１４Ｂが規則的に配置されているが、ランダムに配置されてもよい。また、変形検知センサ４０は、平面方向の変形が大きい第１領域に第１スリット１１４Ａを配置し、法線方向の変形が大きい第２領域に第２スリット１１４Ｂを配置してもよい。この場合、変形の緩和効果がより大きくなる。例えば、変形検知センサ４０は、利用者の頭の位置に対応する箇所に第２スリット１１４Ｂを配置して、ベッド５０の法線方向の大きい変形に追従しつつ、ベッド５０の変形を検知する。また、変形検知センサ４０は、利用者の腰の位置に対応する箇所に第１スリット１１４Ａを配置して、ベッド５０の平面方向の大きい変形に追従しつつ、ベッド５０の変形を検知する。

【0027】

また、変形検知センサ４０は、スリット毎に分割されていてもよい。これにより、変形検知センサ４０は、平面方向の変形が大きい第１領域の変形と、法線方向の変形が大きい第２領域の変形と、を別々に検知することができる。また、変形検知センサ４０は、圧電フィルム１１を１枚備え、検知用の第１電極１２または第２電極１３を複数に分割してもよい。

【0028】

スリットの形状は、上述の例に限らない。例えば、図５（Ａ）に示す様に、変形方向に対して、斜め４５°にミアンダ状のスリットが並んでいる態様であってもよい。また、図５（Ｂ）に示す様に、スリットの長さが一様ではなく、位置により異なる態様であってもよい。また、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示す変形検知センサ４０は、面方向に対して垂直な方向への変形に対しても変形を検知できる。

【0029】

また、平面方向の変形を緩和するスリットの平面視した形状はミアンダ状に限らない。例えば、図６（Ａ）に示す様に、複数の線分が並ぶ形状であってもよい。

【0030】

また、「スリット」とは、図５（Ａ）、図５（Ｂ）および図６（Ａ）に示す様な切り込みであってもよいし、図６（Ｂ）に示す様な、開口部であってもよい。

【0031】

本発明の変形検知センサ４０は、ベッドに限らず、様々な対象物に貼り付けて利用できる。例えば、図７に示す様に、変形検知センサ４０は、タイヤ５５の内面に貼り付けられていてもよい。

【0032】

タイヤ５５は、走行状態に応じて、様々な方向に大きく変形する。変形検知センサ４０は、タイヤ５５が大きく変形したとしても、第１スリット１１４Ａおよび第２スリット１１４Ｂにより、変形検知センサ４０自体の変形を緩和する。したがって、変形検知センサ４０は、タイヤ５５の様な様々な方向に大きく変形する対象物の変形に追従しつつ、タイヤ５５の周方向（平面方向）の伸縮または径方向（法線方向）の伸縮を検知することができる。これにより、変形検知センサ４０は、走行状態に応じてタイヤ５５がどの様に変形するか、検知することができる。

【0033】

また、変形検知センサ４０は、卓球のラケットに貼り付けられてもよい。この場合、変形検知センサ４０は、ラケット本体と、ラバーとの間に配置される。また、変形検知センサ４０は、テニスラケットのガットに貼り付けられてもよい。この場合、変形検知センサ４０は、ガットの芯材と、保護フィルムとの間に配置される。これにより、変形検知センサ４０は、どの箇所にどの程度の強さで打球がなされたか、検知することができる。

【0034】

また、変形検知センサ４０は、空気膜構造屋根を持つドーム球場の屋根に貼り付けられてもよい。これにより、変形検知センサ４０は、内部空気圧、外気圧等の環境により、どの様に天井が変形するかを検知することができる。

【0035】

なお、スリットは、圧電フィルムだけに設ける必要はない。スリットは、圧電フィルム、電極、および粘着剤の全てに設けられていてもよい。例えば、図８の断面図では、圧電フィルム１１、第１電極１２、および第２電極１３に第１スリット１１４Ａが設けられている。さらに、図８の例では、圧電フィルム１１と第１電極１２を貼り付ける粘着剤１０１、および圧電フィルム１１と第２電極１３を貼り付ける粘着剤１０２にも、同じ箇所に第１スリット１１４Ａが設けられている。

【0036】

この様に、粘着材および電極にもスリットを形成することで、変形検知センサ全体の柔軟性が向上し、対象物の大きな変形に対してさらに追従しやすくなる。また、圧電フィルムの破壊も防止し易くなる。さらに、図８の構造では、圧電フィルムに粘着材および電極を積層した後にスリットを形成するので、圧電フィルム１１にのみスリットがある構成に比べて、スリット付近の気泡の発生を抑えることができる。また、圧電フィルム１１にのみスリットがある構成に比べて、粘着剤を貼り付ける際に、スリット付近の圧電フィルム１１が変形してスリットを跨いで重畳されてしまうことを防止することができる。

【0037】

ただし、対象物に対して変形検知センサ４０を貼り付けるための粘着剤には、スリットを設けなくてもよい。例えば、図９では、変形検知センサ４０をベッド５０に貼り付けるための粘着剤１０３には、スリットが設けられていない。

【0038】

開口であるスリットには、水分またはホコリ等の不純物が侵入し易い。特に、変形量の大きい対象物に変形検知センサを貼り付けると、対象物および変形検知センサを貼り付ける粘着剤１０３には大きな負荷が生じる。仮に、粘着剤１０３にもスリットを設けると、特に負荷の大きい粘着剤１０３に付着した不純物の影響により、変形検知センサが対象物から剥がれる可能性がある。

【0039】

しかし、図９の様に、粘着剤１０３にスリットを設けない構成とすることで、不純物は、粘着剤１０３と対象物との間に侵入し難い。したがって、変形検知センサが対象物から剥がれる可能性を低減できる。また、粘着剤１０３以外の構成にはスリットが設けられているため、対象物の大きな変形に対する追従を維持することができる。

【0040】

次に、図１０は、圧電フィルム１１の延伸方向とスリットの方向の関係を示す平面図である。図１０の例では、スリットの方向は、Ｙ方向に沿っていて、圧電フィルム１１の延伸方向はＹ方向に対して４５°または１３５°となるように配置されている。

【0041】

図１０に示すように、スリットの方向は、圧電フィルム１１の延伸方向に平行でないことが好ましい。１軸延伸された圧電フィルムは、延伸方向に垂直な方向（以下、ＴＤ方向と称する。）に対して最も破壊されやすい。したがって、仮にスリットが圧電フィルム１１の延伸方向に沿っている場合、ＴＤ方向に沿って引張変形が生じると、スリットを基点にして圧電フィルムが破壊され易くなる。これに対して、図１０に示す様に、スリットの方向が圧電フィルムの延伸方向に対して平行でない場合、ＴＤ方向の引張変形に対する強度が向上し、圧電フィルムの破壊が抑えられる。

【0042】

図１１（Ａ）は、変形例に係る変形検知センサ４０Ａの断面図である。変形例に係る変形検知センサ４０Ａでは、第１電極１２および粘着剤１０１に設けられたスリットの幅が、圧電フィルム１１、第２電極１３、および粘着剤１０２に設けられたスリットの幅より大きくなっている。すなわち、第１電極１２および粘着剤１０１の存在する面積は、第２電極１３および粘着剤１０２の存在する面積よりも少ない。

【0043】

したがって、図１１（Ｂ）に示す様に、大きな変形が生じ、第１電極１２および第２電極１３が近づいた場合でも、第１電極１２および第２電極１３の平面方向の距離が遠くなっているため、接触する可能性を低減できる。

【0044】

図１２は、さらなる変形例に係る変形検知センサ４０Ｂの断面図である。変形例に係る変形検知センサ４０Ｂでは、第２電極１３および粘着剤１０２に設けられたスリットの幅が、圧電フィルム１１、第１電極１２、および粘着剤１０１に設けられたスリットの幅より大きくなっている。また、第１電極１２には、粘着剤１０４を介して絶縁体６０が積層され、さらに絶縁体６０には粘着剤１０５を介して第３電極１７が積層されている。

【0045】

この場合、第２電極１３および第３電極１７は、グランド電極であり、シールドとして機能する。第１電極１２は、シグナル電極である。この構成によれば、最外層にグランド電極が配置されているため、シグナル電極に対するノイズから保護することができる。また、第２電極１３および第３電極１７ともにスリットの幅が大きくなっている。したがって、大きな変形が生じた場合でも、シグナル電極である第１電極１２に接触する可能性は低い。

【0046】

図１３（Ａ）は、圧電フィルム１１の平面図である。図１３（Ａ）に示す圧電フィルム１１は、複数の第１スリット１１４Ａが設けられている。圧電フィルム１１は、スリットの配置数の少ない２つの疎領域７１およびスリットの配置数の多い１つの密領域７０を有する。

【0047】

図１３（Ｂ）は、ＸＹ平面で視てＬ字型の対象物９０の内面に変形検知センサ４０を貼り付ける例を示す斜視図である。図１３（Ｂ）に示す様に、変形検知センサ４０は、対象物９０のうち、２つの平面部分にまたがって配置される。２つの疎領域７１はそれぞれの平面部分に配置され、密領域７０は２つの平面が交わる角部分の内面側に配置される。密領域７０における変形検知センサ４０は、曲げられて、変形検知センサ４０に接触しない状態となる。言い換えると、疎領域７１は対象物９０の平面部分に拘束され、密領域７０は対象物９０に拘束されていない。ここで、対象物９０のうち２つの平面部分がそれぞれ逆方向に変形すると、密領域７０は非常に大きく変形する。しかし、密領域７０には、相対的に多くのスリットが設けられている。したがって、密領域７０は、大きな変形に追従することができ、変形検知センサ４０は、大きな出力を得ることができる。

【0048】

図１４（Ａ）は、圧電フィルム１１の平面図である。図１４（Ａ）に示す圧電フィルム１１は、複数の第１スリット１１４Ａが設けられている。圧電フィルム１１は、第１辺９５から第２辺９７にかけて、スリットの配置数が多くなっていく。

【0049】

図１４（Ｂ）は、ＸＹ平面で視てＬ字型の対象物９０の内面に変形検知センサ４０を貼り付ける例を示す斜視図である。図１４（Ｂ）に示す様に、変形検知センサ４０は、対象物９０のうち、２つの平面部分にまたがって配置される。圧電フィルム１１の第１辺９５側は、対象物９０の２つの平面のうち第１部分９０Ａに貼り付けられる。圧電フィルム１１の第２辺９７側は、対象物９０の２つの平面のうち第２部分９０Ｂに貼り付けられる。

【0050】

この例では、第１部分９０Ａは、大きく変形しない。第２部分９０Ｂは、大きく変形する。そして、圧電フィルム１１は、第１辺９５から第２辺９７にかけて、スリットの配置数が多くなっていく。すなわち、大きな変形量を生じる箇所ほど、スリットの量が多く配置される。したがって、圧電フィルム１１は、大きな変形に追従することができ、変形検知センサ４０は、大きな出力を得ることができる。

【0051】

また、第１部分９０Ａが剛体であり、ほとんど変形しない場合、変形検知センサ４０は、第２部分９０Ｂにのみ貼り付けられていてもよい。この場合、第１辺９５は、第１部分９０Ａに近い側に配置され、第２辺９７は第１部分９０Ａに遠い側に配置されることが好ましい。この場合も、大きな変形量を生じる箇所ほど、スリットの量が多く配置される。したがって、圧電フィルム１１は、大きな変形に追従することができ、変形検知センサ４０は、大きな出力を得ることができる。

【0052】

本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0053】

１１…圧電フィルム
１２…第１電極
１３…第２電極
１４…基材
１５…保護層
４０…変形検知センサ
５０…ベッド
５５…タイヤ
１１４Ａ…第１スリット
１１４Ｂ…第２スリット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】