Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7385403B2 - sensor system - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7385403B2 - sensor system - Google Patents

sensor system Download PDF

Info

Publication number
JP7385403B2
JP7385403B2 JP2019151483A JP2019151483A JP7385403B2 JP 7385403 B2 JP7385403 B2 JP 7385403B2 JP 2019151483 A JP2019151483 A JP 2019151483A JP 2019151483 A JP2019151483 A JP 2019151483A JP 7385403 B2 JP7385403 B2 JP 7385403B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
layer
sensor element
conductor
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019151483A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021032643A (en
Inventor
健 小笠原
聡 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DAIKIN FINETECH, LTD.
Original Assignee
DAIKIN FINETECH, LTD.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DAIKIN FINETECH, LTD. filed Critical DAIKIN FINETECH, LTD.
Priority to JP2019151483A priority Critical patent/JP7385403B2/en
Publication of JP2021032643A publication Critical patent/JP2021032643A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7385403B2 publication Critical patent/JP7385403B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Description

本発明は、センサ素子を含むセンサシステムに関する。 The present invention relates to a sensor system including a sensor element.

従来、圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子を含むセンサシステムが知られている。かかるセンサシステムは、代表的には、圧電素子をセンサ素子として利用したものであり、より詳細には、圧電体の正圧電効果を利用して、センサ素子(より詳細には圧電体)に印加された外力を検知するように構成される。 Conventionally, a sensor system including a sensor element having a piezoelectric sensor function is known. Such a sensor system typically uses a piezoelectric element as a sensor element, and more specifically, uses the positive piezoelectric effect of a piezoelectric material to apply an electric current to the sensor element (more specifically, the piezoelectric material). is configured to detect external force applied to the sensor.

かかるセンサシステムにてセンサ素子として使用される圧電素子は、ケーブル状またはワイヤー状などと称され得る、全体として細長い線状の形態を有するものであり得る。例えば特許文献1に開示されるような、樹脂線に少なくとも1層の金属箔が螺旋状に巻き付けられている芯線と、芯線を被覆する有機圧電体層と、有機圧電体層を被覆する導電体層とを含み、金属箔および導電体層が、それらの間に有機圧電体層が介挿された電極としてそれぞれ機能する圧電素子が挙げられる。 A piezoelectric element used as a sensor element in such a sensor system may have a generally elongated linear shape, which may be referred to as cable-like or wire-like. For example, as disclosed in Patent Document 1, a core wire in which at least one layer of metal foil is spirally wound around a resin wire, an organic piezoelectric layer covering the core wire, and a conductor covering the organic piezoelectric layer A piezoelectric element includes a metal foil and a conductive layer, each of which functions as an electrode with an organic piezoelectric layer interposed therebetween.

特許第6501958号公報Patent No. 6501958 特開2017-120237号公報Japanese Patent Application Publication No. 2017-120237 特開2018-87726号公報JP2018-87726A

上述のような従来の圧電素子をセンサ素子として含むセンサシステムは、有機圧電体層が介挿された金属箔と導電体層との間の電位差(電圧)に基づいて、圧電体層に印加された外力を検知するように構成されている。かかる圧電素子では、外力が印加されると、電位差が急峻に変化した後に減衰していくため、電位差の変化(微分信号)により、外力が印加されたことを検知できるが、外力が継続的に印加されて外力が変化しないと、電位差の変化が生じないため、継続的な外力の有無を判断することはできない。例えば、人間がその場に存在しているか否かを判断する場合、人間がその場に定常的に存在していると、人間の重さによる外力は変化しないため電位差の変化として検知できず、外力の変化ひいては電位差の変化を生じ得るバイタルサイン(脈拍や呼吸)により検知するしかない。しかしながら、バイタルサインにより検知する場合、バイタル信号は低周波数(例えば、脈拍は約1kHz、呼吸は約0.3Hz)であるため、最低でも数秒~十数秒の時間に亘って電位差の変化(微分信号)を波形解析する必要があり、即時の判断は困難である。 A sensor system including a conventional piezoelectric element as a sensor element as described above applies a voltage to a piezoelectric layer based on a potential difference (voltage) between a metal foil in which an organic piezoelectric layer is interposed and a conductive layer. The sensor is configured to detect an external force. In such a piezoelectric element, when an external force is applied, the potential difference changes sharply and then attenuates, so the application of an external force can be detected by the change in potential difference (differential signal). If the applied external force does not change, the potential difference will not change, so it is not possible to determine whether there is a continuous external force. For example, when determining whether a person is present in a certain place, if the person is constantly present in the place, the external force due to the person's weight does not change, so it cannot be detected as a change in potential difference. The only way to detect it is by using vital signs (pulse and breathing) that can cause changes in external force and, in turn, changes in potential difference. However, when detecting by vital signs, the vital signals have a low frequency (for example, pulse is about 1 kHz, breathing is about 0.3 Hz), so changes in potential difference (differential signal ), which requires waveform analysis, making immediate judgment difficult.

そこで、圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子を含むセンサシステムに、静電容量式のセンサ機能を付加することができれば、人間等の物体がその場に存在しているか否かを簡便かつ即時に判断することが可能となるためより好都合である。 Therefore, if it is possible to add a capacitive sensor function to a sensor system that includes a sensor element that has a piezoelectric sensor function, it will be possible to easily and immediately check whether an object such as a person is present. This is more convenient because it allows judgment to be made.

圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子を含むセンサシステムであって、静電容量式のセンサ機能を付加したものが、特許文献2~3に開示されている。しかしながら、特許文献2~3に開示されているセンサシステムでは、圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子に加えて、該センサ素子との間で静電容量を測定するための別の導電体(特許文献2では「別の導電性繊維」であり、特許文献3では「電極体」である)を設ける必要がある。このような従来のセンサシステムでは、センサ素子と別の導電体とを組み合わせて構成する必要があり、システム構成が複雑になるという難点がある。圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子とは別の導電体を使用することなく、圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方を実現したセンサシステムは、これまで知られていない。 Sensor systems including a sensor element having a piezoelectric sensor function, to which a capacitive sensor function is added, are disclosed in Patent Documents 2 and 3. However, in the sensor systems disclosed in Patent Documents 2 and 3, in addition to a sensor element having a piezoelectric sensor function, another conductor (patent document) is used to measure capacitance between the sensor element and the sensor element. In Document 2, it is "another conductive fiber", and in Patent Document 3, it is an "electrode body"). Such conventional sensor systems have the disadvantage that they must be configured by combining a sensor element and another conductor, making the system configuration complex. Until now, no sensor system has been known that achieves both a piezoelectric sensor function and a capacitive sensor function without using a conductor separate from the sensor element having the piezoelectric sensor function.

本発明の目的は、圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方を有する新規なセンサシステムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a novel sensor system having both piezoelectric sensor function and capacitive sensor function.

本発明者らは、センサ素子を含むセンサシステムにおいて、圧電式のセンサ機能を有するセンサ素子の導電体を上手く利用することにより、圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方を提供するという独自の着想を得、鋭意研究および検証の結果、本発明を完成するに至った。 In a sensor system including a sensor element, the present inventors provide both a piezoelectric sensor function and a capacitive sensor function by effectively utilizing the conductor of the sensor element that has a piezoelectric sensor function. As a result of intensive research and verification, the present invention was completed.

本発明の1つの要旨によれば、
導電体の表面を有する芯線と、前記芯線を被覆する圧電体層と、前記圧電体層を被覆する導電体層とを含む可撓性のセンサ素子と、
前記導電体と前記導電体層との間の電位差に基づいて、該圧電体層に印加された外力を検知する圧電検知部と、
前記導電体および前記導電体層のいずれか一方における静電容量に基づいて、物体の存在を検知する静電容量検知部と
を含む、センサシステムが提供される。
According to one gist of the invention:
A flexible sensor element including a core wire having a conductive surface, a piezoelectric layer covering the core wire, and a conductive layer covering the piezoelectric layer;
a piezoelectric detection unit that detects an external force applied to the piezoelectric layer based on a potential difference between the conductor and the conductor layer;
A sensor system is provided, including a capacitance detection section that detects the presence of an object based on capacitance in either the conductor or the conductor layer.

本発明によれば、センサシステムにおいて、導電体の表面を有する芯線と、芯線を被覆する圧電体層と、圧電体層を被覆する導電体層とを含む可撓性のセンサ素子を使用し、該導電体と該導電体層との間の電位差に基づいて、圧電式のセンサ機能を実現し、該導電体および該導電体層のいずれか一方における静電容量に基づいて、静電容量式のセンサ機能を実現しており、これにより、圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方を有する新規なセンサシステムが提供される。 According to the present invention, a sensor system uses a flexible sensor element including a core wire having a conductive surface, a piezoelectric layer covering the core wire, and a conductive layer covering the piezoelectric layer, A piezoelectric sensor function is realized based on the potential difference between the conductor and the conductor layer, and a capacitive sensor function is realized based on the capacitance in either the conductor or the conductor layer. This provides a novel sensor system having both a piezoelectric sensor function and a capacitive sensor function.

本発明の1つの実施形態におけるセンサシステムを示す概略図であって、(a)はセンサ素子の部分切除側面図を示し、(b)は(a)のX-X線に沿った断面図を示し、(c)はセンサシステムの構成例(但し、センサ素子は電極引き出し部AおよびBのみを示す)を説明する図である。1 is a schematic diagram showing a sensor system in one embodiment of the present invention, in which (a) shows a partially cutaway side view of a sensor element, and (b) shows a cross-sectional view taken along line XX in (a). FIG. 2C is a diagram illustrating an example of the configuration of a sensor system (however, only electrode extension portions A and B are shown as sensor elements). 図1(c)に対応する図であって、本発明の1つの実施形態におけるセンサシステムの別の構成例を説明する図である。FIG. 1C is a diagram corresponding to FIG. 1C, and is a diagram illustrating another configuration example of the sensor system in one embodiment of the present invention. 本発明の1つの実施形態におけるセンサシステムに使用可能なセンサ素子を繊維製品と組み合わせたセンサデバイスであって、(a)~(c)はセンサデバイスの種々の例の概略上面図を示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sensor device in which a textile product is combined with a sensor element that can be used in a sensor system according to an embodiment of the present invention, in which (a) to (c) show schematic top views of various examples of the sensor device. 本発明の実施例のセンサシステムにて測定された、人間がセンサ素子に「乗る」動作を行った場合の静電容量および電位差の経時変化を示すグラフである。2 is a graph showing changes over time in capacitance and potential difference when a human performs a motion of "riding" on a sensor element, measured by the sensor system according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施例のセンサシステムにて測定された、人間がセンサ素子から「降りる」動作を行った場合の静電容量および電位差の経時変化を示すグラフである。3 is a graph showing changes over time in capacitance and potential difference when a human performs an action of "getting down" from a sensor element, as measured by the sensor system according to the embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

図1を参照して、本実施形態のセンサシステム30は、概略的には、センサ素子20と、圧電検知部21と、静電容量検知部23とを含む。なお、図1(a)および(b)に示すセンサ素子20の電極引き出し部AおよびBは、図1(c)に示すAおよびBと繋がっていることに留意されたい。 Referring to FIG. 1, a sensor system 30 of the present embodiment schematically includes a sensor element 20, a piezoelectric detection section 21, and a capacitance detection section 23. Note that the electrode extension parts A and B of the sensor element 20 shown in FIGS. 1(a) and 1(b) are connected to A and B shown in FIG. 1(c).

図1(a)および(b)に示すように、本実施形態に使用可能なセンサ素子20は、導電体3の表面を有する芯線5と、芯線5を被覆する圧電体層7と、圧電体層7を被覆する導電体層9とを含み、場合により、導電体層9を被覆する絶縁体層11を更に含む。センサ素子20において、導電体(内側導電体層)3および導電体層(外側導電体層)9が、それらの間に圧電体層7が介挿された電極としてそれぞれ機能する(図1(b)参照)。かかるセンサ素子20は、ケーブル状またはワイヤー状などと称され得る、全体として細長い線状の形態を有し、センサ素子全体として柔軟性を有するように構成される。センサ素子20において、芯線5、圧電体層7、導電体層9、および存在する場合には絶縁体層11は、略同軸上に配置され得るが、本発明はかかる構成に限定されない。 As shown in FIGS. 1A and 1B, the sensor element 20 that can be used in this embodiment includes a core wire 5 having a surface of a conductor 3, a piezoelectric layer 7 covering the core wire 5, and a piezoelectric layer 7 that covers the core wire 5. A conductor layer 9 covering layer 7 is included, and optionally an insulator layer 11 covering conductor layer 9 is further included. In the sensor element 20, the conductor (inner conductor layer) 3 and the conductor layer (outer conductor layer) 9 each function as an electrode with the piezoelectric layer 7 interposed therebetween (see FIG. 1(b) )reference). The sensor element 20 has an elongated linear shape as a whole, which may be referred to as a cable shape or a wire shape, and is configured to have flexibility as a whole. In the sensor element 20, the core wire 5, the piezoelectric layer 7, the conductor layer 9, and if present, the insulator layer 11 may be arranged substantially coaxially, but the present invention is not limited to such a configuration.

芯線5は、導電体3の表面を有するものであればよく、芯線5全体が導電体3から成っていても、芯線5の表面の全部または一部(芯線5の一方の端部から他方の端部に亘って連続して延在していれば特に限定されないが、例えば60%以上、好ましくは80%以上)が導電体3から成り、芯線5の内部が他の材料から成っていてもよい。導電体3の好ましい例としては、銅および銅含有合金(例えば銅錫合金、銅銀合金等)が挙げられ、例えば錫等のメッキを有していても、有していなくてもよい。これらは、高い導電性を示すうえ、銅が高い延性を示すことから機械的強度に優れ、センサ素子20の柔軟性および耐屈曲性を一層高めることができる。 The core wire 5 may have the surface of the conductor 3, and even if the entire core wire 5 is made of the conductor 3, all or part of the surface of the core wire 5 (from one end of the core wire 5 to the other There is no particular limitation as long as it extends continuously over the end, but even if the conductor 3 consists of at least 60% (preferably at least 80%) of the conductor 3 and the inside of the core wire 5 consists of other materials. good. Preferred examples of the conductor 3 include copper and copper-containing alloys (eg, copper-tin alloy, copper-silver alloy, etc.), and may or may not be plated with tin or the like. These materials exhibit high electrical conductivity, and since copper exhibits high ductility, they have excellent mechanical strength and can further enhance the flexibility and bending resistance of the sensor element 20.

例えば、芯線5は、樹脂線1を導電体3で被覆して構成されていてよい。より詳細には、芯線5は、樹脂線1に少なくとも1層の金属箔(導電体)3が螺旋状に(好ましくは一定の螺旋ピッチで)巻き付けられて構成されていてよく、重ね巻きされていても、重ね巻きされていなくてもよく、ギャップ巻きされていてもよい。芯線5は、かかる構成を有することにより、引っ張った場合に引張り応力が主として樹脂線1に作用して芯線5全体が伸長し得、好ましくは3%以上の引張伸度を示し得、比較的小さな曲率半径で曲げた場合にも、芯線5に歪みが残留せず、優れた柔軟性を示す。また、芯線5は、かかる構成を有することにより、繰り返し曲げても導通が切断され難く、優れた耐屈曲性を示す。 For example, the core wire 5 may be configured by covering the resin wire 1 with the conductor 3. More specifically, the core wire 5 may be configured by winding at least one layer of metal foil (conductor) 3 around the resin wire 1 in a spiral shape (preferably at a constant spiral pitch), and may be configured by winding the resin wire 1 in a spiral manner (preferably at a constant spiral pitch). However, it does not need to be wrapped in an overlapping manner, and may be wound in a gap. By having such a configuration, when the core wire 5 is pulled, the tensile stress mainly acts on the resin wire 1 and the entire core wire 5 can be elongated, preferably exhibiting a tensile elongation of 3% or more, and a relatively small Even when bent at the radius of curvature, no distortion remains in the core wire 5, and it exhibits excellent flexibility. Moreover, since the core wire 5 has such a configuration, conduction is hard to be broken even if it is repeatedly bent, and exhibits excellent bending resistance.

樹脂線1は、樹脂材料から構成される全体として線状の部材であればよい。かかる樹脂材料の例としては、芳香族ポリアミド(アラミド、例えばパラ型アラミド、メタ型アラミド等)、脂肪族ポリアミド(ナイロン)、ポリエステル、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリアリレート、ポリオレフィン、ポリウレタン、および炭素繊維(例えばカーボンナノチューブ(CNT)等)からなる群より選択される少なくとも1種の材料が挙げられる。 The resin wire 1 may be a generally linear member made of a resin material. Examples of such resin materials include aromatic polyamides (aramids, such as para-aramids, meta-aramids, etc.), aliphatic polyamides (nylons), polyesters, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, polyarylates, polyolefins, polyurethanes, and carbon fibers. (for example, carbon nanotubes (CNT), etc.).

芯線5の外形寸法(円形断面を有する場合は外径、非円形断面を有する場合は断面の最大の外形寸法、以下同様)は、特に限定されず、センサ素子20に求められる仕様に応じて様々であり得る。芯線5は、極めて細くすることが可能であり、その外形寸法は、例えば0.05~1.5mmであり得、特に1.0mm以下、より特に0.5mm以下、より一層特に0.3mm以下であり得る。 The outer dimensions of the core wire 5 (the outer diameter if it has a circular cross section, the maximum outer dimension of the cross section if it has a non-circular cross section, and the same applies hereinafter) are not particularly limited, and may vary depending on the specifications required for the sensor element 20. It can be. The core wire 5 can be made extremely thin, and its external dimensions can be, for example, from 0.05 to 1.5 mm, in particular 1.0 mm or less, more particularly 0.5 mm or less, even more particularly 0.3 mm or less. It can be.

圧電体層7は、導電体3と導電体層9との間に、これらが互いに接触しないように設けられる。圧電体層7は、可撓性を有する圧電材料から構成され得、例えば、有機圧電材料、有機圧電材料と無機圧電材料との複合体、または有機材料(有機圧電材料を除く)と無機圧電材料との複合体から構成され得る。 The piezoelectric layer 7 is provided between the conductor 3 and the conductor layer 9 so that they do not come into contact with each other. The piezoelectric layer 7 may be made of a flexible piezoelectric material, for example, an organic piezoelectric material, a composite of an organic piezoelectric material and an inorganic piezoelectric material, or an organic material (excluding the organic piezoelectric material) and an inorganic piezoelectric material. It can be composed of a complex with.

有機圧電材料は、高分子および低分子のいずれであってもよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ化ビニリデン系共重合体(フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとの共重合体(P(VDF/TrFE))、フッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンとの共重合体(P(VDF/TeFE))を包含する)、ポリシアン化ビニリデン、シアン化ビニリデン系共重合体、奇数ナイロン(ナイロン9、ナイロン11など)、芳香族ナイロン、ポリ乳酸、ポリヒドロキシカルボン酸、セルロース系誘導体、ポリウレアなどを使用してよい。このうち、圧電体層7は、P(VDF/TrFE)およびP(VDF/TeFE)から成る群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。 The organic piezoelectric material may be either a polymer or a low-molecular material, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride copolymer (copolymer of vinylidene fluoride and trifluoroethylene (P( VDF/TrFE)), vinylidene fluoride and tetrafluoroethylene copolymers (P(VDF/TeFE))), polyvinylidene cyanide, vinylidene cyanide copolymers, odd nylons (nylon 9, nylon 11), aromatic nylon, polylactic acid, polyhydroxycarboxylic acid, cellulose derivatives, polyurea, etc. may be used. Among these, the piezoelectric layer 7 preferably contains at least one selected from the group consisting of P(VDF/TrFE) and P(VDF/TeFE).

有機圧電材料と無機圧電材料との複合体は、複合体全体として可撓性を示すように有機圧電材料および無機圧電材料が複合化され、例えば分散混合(無機圧電材料の微粒子が有機圧電材料中に分散される)および/または積層される。当該複合体における無機圧電材料の含有量は、適宜選択され得るが、可撓性を向上させるためには、例えば複合体(圧電体層)の30質量%以下、好ましくは20質量%以下とされる。有機圧電材料は、上述したものと同様のものを使用してよい。無機圧電材料は、例えば、鉛系セラミックス圧電材料(チタン酸ジルコン酸鉛系、チタン酸鉛系など、これらの鉛の一部を希土類元素で置換したもの、例えばチタン酸ジルコン酸ランタン鉛なども含む)、非鉛系セラミックス圧電材料(アルカリニオブ酸系、ビスマスチタン酸系、チタン酸バリウム系など)、酸化亜鉛圧電材料(ZnO)などを使用してよく、これらの原料粉末(例えば酸化チタンを含む)が存在していてもよい。 A composite of an organic piezoelectric material and an inorganic piezoelectric material is a composite of an organic piezoelectric material and an inorganic piezoelectric material so that the composite as a whole exhibits flexibility. ) and/or stacked. The content of the inorganic piezoelectric material in the composite may be selected as appropriate, but in order to improve flexibility, it should be, for example, 30% by mass or less, preferably 20% by mass or less of the composite (piezoelectric layer). Ru. As the organic piezoelectric material, materials similar to those described above may be used. Inorganic piezoelectric materials include, for example, lead-based ceramic piezoelectric materials (lead zirconate titanate, lead titanate, etc.) in which some of the lead is replaced with rare earth elements, such as lead lanthanum zirconate titanate. ), lead-free ceramic piezoelectric materials (alkali niobate-based, bismuth titanate-based, barium titanate-based, etc.), zinc oxide piezoelectric materials (ZnO), etc. may be used. ) may exist.

有機材料(有機圧電材料を除く)と無機圧電材料との複合体は、複合体全体として可撓性を示すように有機材料および無機圧電材料が複合化され、例えば分散混合(無機圧電材料の微粒子が有機材料中に分散される)および/または積層される。当該複合体における無機圧電材料の含有量は、適宜選択され得るが、圧電性能を担保しつつ、可撓性を向上させるためには、例えば複合体(圧電体層)の70質量%以上90質量%以下とされる。有機材料は、圧電性を示さないものでなく、例えば、融点が200℃以上の耐熱性樹脂が、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK)、液晶ポリマー(LCP)およびシリコーン樹脂からなる群より選択される少なくとも1種であってよい。無機圧電材料は、上述したものと同様のものを使用してよい。 A composite of an organic material (excluding an organic piezoelectric material) and an inorganic piezoelectric material is a composite of an organic material and an inorganic piezoelectric material so that the composite as a whole exhibits flexibility. dispersed in an organic material) and/or layered. The content of the inorganic piezoelectric material in the composite may be selected as appropriate, but in order to improve flexibility while ensuring piezoelectric performance, for example, the content of the inorganic piezoelectric material in the composite (piezoelectric layer) should be 70% by mass or more and 90% by mass. % or less. The organic material does not exhibit piezoelectricity; for example, heat-resistant resins with a melting point of 200°C or higher include tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, etc. Polymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyphenylene sulfide resin (PPS), polyetheretherketone resin (PEEK), liquid crystal polymer (LCP) and silicone resin. The same inorganic piezoelectric materials as those described above may be used.

圧電体層7の形成方法は、溶媒コーティング法や溶融押出法により芯線5の上に直接的に形成してもよく、あるいは、圧電材料をフィルム状や繊維状にしたものをラッピングや編組等により芯線5を被覆するように形成してもよい。 The piezoelectric layer 7 may be formed directly on the core wire 5 by a solvent coating method or a melt extrusion method, or by wrapping or braiding a piezoelectric material in the form of a film or fiber. It may be formed to cover the core wire 5.

圧電体層7の厚さは、特に限定されず、センサ素子20に所望される圧電特性、柔軟性および耐屈曲性等を考慮して適宜選択され得る。圧電体層7の厚さは、例えば1~200μmであり得、特に100μm以下、より特に50μm以下であり得る。 The thickness of the piezoelectric layer 7 is not particularly limited, and can be appropriately selected in consideration of the piezoelectric properties, flexibility, bending resistance, etc. desired for the sensor element 20. The thickness of the piezoelectric layer 7 may be, for example, 1 to 200 μm, particularly 100 μm or less, more particularly 50 μm or less.

導電体層9は、圧電体層7を少なくとも部分的に被覆するように設けられ、好ましくは圧電体層7と密着して設けられる。 The conductor layer 9 is provided so as to at least partially cover the piezoelectric layer 7 , and is preferably provided in close contact with the piezoelectric layer 7 .

導電体層9は、少なくとも圧電体層7に接触する表面が導電性を示す材料から構成される可撓性部材であればよい。導電体層9には、シールドとして既知の導電体層を利用してよく、例えば金属素線の編組シールドおよび横巻きシールドを使用できる。また、導電体層9は、圧電体層7に螺旋状に巻き付けられた少なくとも1層の金属箔であってもよい。この場合、導電体層9は、圧電体層7に少なくとも1層の金属箔が螺旋状に(好ましくは一定の螺旋ピッチで)巻き付けられて構成されていてよく、重ね巻きされていても、重ね巻きされていなくてもよく、ギャップ巻きされていてもよい。金属素線や金属箔を構成する金属材料の好ましい例としては、銅および銅含有合金(例えば銅錫合金、銅銀合金等)が挙げられ、例えば錫や銀等のメッキを有していても、有していなくてもよい。これらは、高い導電性を示すうえ、銅が高い延性を示すことから機械的強度に優れ、センサ素子20の柔軟性および耐屈曲性を一層高めることができる。 The conductor layer 9 may be a flexible member as long as at least the surface in contact with the piezoelectric layer 7 is made of a material exhibiting conductivity. For the conductor layer 9, a conductor layer known as a shield may be used, and for example, a braided shield and a horizontally wound shield of metal wires can be used. Further, the conductor layer 9 may be at least one layer of metal foil spirally wound around the piezoelectric layer 7. In this case, the conductor layer 9 may be configured by winding at least one layer of metal foil around the piezoelectric layer 7 in a spiral shape (preferably at a constant spiral pitch), and even if the conductor layer 9 is wound in an overlapping manner, It may be unwound or gap-wound. Preferred examples of metal materials constituting metal wires and metal foils include copper and copper-containing alloys (e.g. copper-tin alloys, copper-silver alloys, etc.), even if they are plated with tin, silver, etc. , it is not necessary to have it. These materials exhibit high electrical conductivity, and since copper exhibits high ductility, they have excellent mechanical strength and can further enhance the flexibility and bending resistance of the sensor element 20.

導電体層9の厚さは、特に限定されず、センサ素子20に所望される柔軟性および耐屈曲性等を考慮して適宜選択され得る。導電体層9の厚さは、例えば5~500μmであり得、特に200μm以下、より特に100μm以下であり得る。 The thickness of the conductor layer 9 is not particularly limited, and can be appropriately selected in consideration of the flexibility, bending resistance, etc. desired for the sensor element 20. The thickness of the conductor layer 9 may be, for example, from 5 to 500 μm, in particular up to 200 μm, more particularly up to 100 μm.

導電体層9の外形寸法は、センサ素子20が絶縁体層11を有しない場合のセンサ素子20の外形寸法に一致し得、特に限定されないが、例えば0.05~2.2mmであり得、特に1.5mm以下、より特に1mm以下であり得る。 The outer dimensions of the conductor layer 9 may correspond to the outer dimensions of the sensor element 20 when the sensor element 20 does not have the insulator layer 11, and may be, for example, 0.05 to 2.2 mm, although not particularly limited, In particular it may be less than or equal to 1.5 mm, more particularly less than or equal to 1 mm.

更に、本実施形態に必須ではないが、かかる導電体層9を絶縁体層11により被覆してよい。絶縁体層11は、センサ素子20を電気的および/または物理的に保護するために設けられ得る。かかる絶縁体層11は、シース(または外被)としても理解され得る。 Further, although not essential to this embodiment, the conductor layer 9 may be covered with an insulator layer 11. Insulator layer 11 may be provided to protect sensor element 20 electrically and/or physically. Such an insulator layer 11 can also be understood as a sheath.

絶縁体層11は、少なくとも表面が絶縁性を示す材料から構成される可撓性部材であればよい。絶縁体層11は、例えば、絶縁性素線(例えばポリアミド、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ゴム、シリコーン、ウレタン、ポリアリレート、芳香族ポリアミド、脂肪族ポリアミド等の絶縁性有機材料から成る素線)の組紐であってよい。また、絶縁体層11は、導電体層9の周囲に絶縁性材料(例えばポリ塩化ビニル、エチレン-酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、フッ素樹脂(テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体(ETFE)、PVDF等)、ゴム等の絶縁性有機材料)を押出被覆することにより形成してもよい。また、絶縁体層11は、絶縁性材料(例えば上記で例示した絶縁性有機材料)をフィルム状やテープ状にしたもので芯線5を被覆すること(ラッピングやテープ巻き等)により形成してもよい。 The insulator layer 11 may be a flexible member as long as it is made of a material that exhibits insulation at least on its surface. The insulator layer 11 is made of, for example, an insulating wire (for example, a wire made of an insulating organic material such as polyamide, polyester, acrylic, polyolefin, rubber, silicone, urethane, polyarylate, aromatic polyamide, aliphatic polyamide, etc.). It may be a braided cord. The insulating layer 11 is made of an insulating material such as polyvinyl chloride, ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), polyolefin, polyester, polyamide, fluororesin (tetrafluoroethylene-perfluorocarbon resin) around the conductor layer 9. Extrusion coating of insulating organic materials such as alkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), PVDF, etc.), rubber, etc. It may also be formed by The insulating layer 11 may also be formed by covering the core wire 5 (by wrapping, tape wrapping, etc.) with an insulating material (for example, the above-mentioned insulating organic material) in the form of a film or tape. good.

絶縁体層11の厚さは、特に限定されず、センサ素子20に所望される柔軟性および耐屈曲性等を考慮して適宜選択され得る。絶縁体層11の厚さは、例えば10~1000μmであり得、特に700μm以下、より特に400μm以下であり得る。 The thickness of the insulator layer 11 is not particularly limited, and can be appropriately selected in consideration of the flexibility, bending resistance, etc. desired for the sensor element 20. The thickness of the insulator layer 11 may be, for example, from 10 to 1000 μm, in particular up to 700 μm, more especially up to 400 μm.

絶縁体層11の外形寸法は、センサ素子20が絶縁体層11を有する場合のセンサ素子20の外形寸法に一致し得、特に限定されないが、例えば0.07~4.2mmであり得、特に1.5mm以下、より特に1mm以下であり得る。 The outer dimensions of the insulator layer 11 may correspond to the outer dimensions of the sensor element 20 when the sensor element 20 has the insulator layer 11, and may be, for example, 0.07 to 4.2 mm, although not particularly limited, and in particular It may be less than or equal to 1.5 mm, more particularly less than or equal to 1 mm.

本実施形態におけるセンサ素子20は、柔軟性および耐屈曲性に優れる。なかでも、センサ素子20は、芯線5が樹脂線1を導電体3で被覆して構成され、圧電体層7が有機圧電材料から構成され、かつ、センサ素子20の外形が1mm以下であることが好ましく、これにより、圧電性能を発揮しつつ、より優れた柔軟性および耐屈曲性を実現することができる。本実施形態のセンサ素子20において、導電体3および導電体層9を任意の適切な方法で露出させるなどして、導電体3および導電体層9からそれぞれ電極が引き出される(図1中、電極引き出し部AおよびBとして示す)。 The sensor element 20 in this embodiment has excellent flexibility and bending resistance. In particular, the sensor element 20 is configured such that the core wire 5 is composed of a resin wire 1 covered with a conductor 3, the piezoelectric layer 7 is composed of an organic piezoelectric material, and the outer diameter of the sensor element 20 is 1 mm or less. is preferable, and as a result, it is possible to achieve superior flexibility and bending resistance while exhibiting piezoelectric performance. In the sensor element 20 of this embodiment, electrodes are drawn out from the conductor 3 and the conductor layer 9 by exposing the conductor 3 and the conductor layer 9 by any appropriate method (in FIG. (shown as drawers A and B).

本実施形態のセンサシステム30は、導電体3(電極引き出し部A)と導電体層9(電極引き出し部B)とが圧電検知部21に電気的に接続され、導電体層9(電極引き出し部B)が静電容量検知部23に電気的に接続されることにより構成される。 In the sensor system 30 of this embodiment, the conductor 3 (electrode extension part A) and the conductor layer 9 (electrode extension part B) are electrically connected to the piezoelectric detection part 21, and the conductor layer 9 (electrode extension part B) is configured by being electrically connected to the capacitance detection section 23.

圧電検知部21は、導電体3と導電体層9との間の電位差(電圧)に基づいて、圧電体層7に印加された外力を検知するものである。圧電検知部21は、電位差を測定して得られる電気信号を解析するための任意の適切な解析手段(例えばアンプ、微分フィルタ等)、データの格納および/または演算手段、解析結果の出力手段等を備え得る。 The piezoelectric detection unit 21 detects an external force applied to the piezoelectric layer 7 based on the potential difference (voltage) between the conductor 3 and the conductor layer 9. The piezoelectric detection unit 21 includes any suitable analysis means (for example, an amplifier, a differential filter, etc.) for analyzing the electric signal obtained by measuring the potential difference, a data storage and/or calculation means, an analysis result output means, etc. can be provided.

センサ素子20に外力が印加された場合、圧電体層7に外力が印加されることとなり、導電体3と導電体層9との間の電位差(電圧)の変化をもたらし、圧電検知部21で該変化を解析することにより、外力が印加されたことを検知することができる。逆に、センサ素子20に印加され続けていた外力が除去された場合、圧電体層7に印加され続けていた外力が除去されることとなり、導電体3と導電体層9との間の電位差(電圧)の上記と逆の変化をもたらし、圧電検知部21で該変化を解析することにより、外力が除去されたことを検知(判別)することができる。 When an external force is applied to the sensor element 20 , the external force is applied to the piezoelectric layer 7 , causing a change in the potential difference (voltage) between the conductor 3 and the conductor layer 9 , and causing a change in the potential difference (voltage) between the conductor 3 and the conductor layer 9 . By analyzing this change, it is possible to detect that an external force has been applied. Conversely, when the external force that has been continuously applied to the sensor element 20 is removed, the external force that has been continuously applied to the piezoelectric layer 7 is removed, and the potential difference between the conductor 3 and the conductor layer 9 is reduced. By causing a change in voltage (voltage) opposite to the above and analyzing the change using the piezoelectric detection unit 21, it is possible to detect (discriminate) that the external force has been removed.

静電容量検知部23は、導電体層9における静電容量に基づいて、物体の存在を検知するものである。静電容量検知部23は、導電体層9における静電容量を良好に測定し得るためには接地(GND)されていることが好ましい。静電容量検知部23は、静電容量を測定して得られる電気信号を解析するための任意の適切な解析手段(例えば抵抗器等)、データの格納および/または演算手段、解析結果の出力手段等を備え得る。 The capacitance detection unit 23 detects the presence of an object based on the capacitance in the conductor layer 9. The capacitance detection unit 23 is preferably grounded (GND) in order to be able to measure the capacitance in the conductor layer 9 well. The capacitance detection unit 23 includes any appropriate analysis means (for example, a resistor, etc.) for analyzing the electrical signal obtained by measuring capacitance, data storage and/or calculation means, and output of analysis results. Means etc. may be provided.

センサ素子20の付近に物体が存在する場合、物体が存在しない場合に比べて、導電体層9は該物体の存在により電気的環境が異なることとなり、導電体層9における静電容量のレベル(大きさ)の相違(差)が生じ、好ましくは接地(GND)されている静電容量検知部23で当該静電容量を解析すること、即ち、差が生じていることを検知すること(例えば、物体が存在しない場合を基準状態とし、基準状態における静電容量のレベルのデータを格納しておき、該データと、測定状態における静電容量のレベルのデータとを比較演算すること)により、物体が存在しているか否かを検知(判別)することができる。導電体層9における静電容量は、導電体層9の周囲の電気的環境に依存し、導電体3と導電体層9との間の電位差のように減衰しないため、物体の存在を即時に検知することができる。 When an object exists near the sensor element 20, the electrical environment of the conductor layer 9 differs due to the presence of the object compared to a case where the object does not exist, and the level of capacitance in the conductor layer 9 ( Analyzing the capacitance with the capacitance detection unit 23, which is preferably grounded (GND), that is, detecting that a difference has occurred (e.g. , by setting the case where no object exists as a reference state, storing data on the capacitance level in the reference state, and comparing and calculating the data with the data on the capacitance level in the measurement state. It is possible to detect (determine) whether an object exists or not. The capacitance in the conductor layer 9 depends on the electrical environment around the conductor layer 9 and does not attenuate like the potential difference between the conductor 3 and the conductor layer 9, so the presence of an object is immediately detected. Can be detected.

物体は、静電容量のレベルの相違をもたらし得る限り任意の適切な物体であり得、例えば人間であってもよい。 The object may be any suitable object as long as it can provide a difference in the level of capacitance, for example a human being.

従って、本実施形態のセンサシステム30によれば、導電体3と導電体層9との間の電位差に基づいて、圧電式のセンサ機能が実現され、導電体層9における静電容量に基づいて、静電容量式のセンサ機能が実現され、二つの異なる機能を備えるデュアル(または複合)センサシステムとして理解される。かかるセンサシステム30では、センサ素子20とは別に導電体を使用する必要がなく、シンプルなシステム構成で、物体の存在を簡便かつ即時に検知することができる。 Therefore, according to the sensor system 30 of this embodiment, the piezoelectric sensor function is realized based on the potential difference between the conductor 3 and the conductor layer 9, and the piezoelectric sensor function is realized based on the capacitance in the conductor layer 9. , a capacitive sensor function is realized and is understood as a dual (or combined) sensor system with two different functions. In such a sensor system 30, there is no need to use a conductor separately from the sensor element 20, and the presence of an object can be detected easily and instantly with a simple system configuration.

本実施形態のセンサシステムは、幅広く様々な用途に利用可能である。例えば、シート(椅子、座席、便座等を含む)、ベッド(介護ベッドを含む)、大型タッチパネルなどに利用でき、圧電式のセンサ機能により人間の着座、体動、バイタルサイン、タッチ操作などを検知でき、かつ、静電容量式のセンサ機能により人間の存在有無を、人間が定常的に存在する場合であっても即時に検知することができる。 The sensor system of this embodiment can be used for a wide variety of purposes. For example, it can be used for seats (including chairs, seats, toilet seats, etc.), beds (including nursing care beds), large touch panels, etc., and uses piezoelectric sensor functions to detect human sitting, body movements, vital signs, touch operations, etc. Moreover, the presence or absence of a human being can be instantly detected by the capacitive sensor function even when a human being is constantly present.

更に、本実施形態に必須ではないが、静電容量検知部23は、導電体層9における静電容量に基づいて、物体の近接を検知することも可能であるように構成され得る。センサ素子20に物体が近寄ってきた場合、導電体層9は該物体の近接により電気的環境が変化することとなり、導電体層9における静電容量の変化をもたらし、静電容量検知部23で該変化を解析することにより、物体が近寄ってきたことを検知することができる。逆に、センサ素子20の付近に存在していた物体が遠ざかった場合、導電体層9は該物体の離隔により電気的環境が変化することとなり、導電体層9における静電容量の変化をもたらし、静電容量検知部23で該変化を解析することにより、物体が遠ざかったことを検知することができる。 Further, although not essential to the present embodiment, the capacitance detection unit 23 may be configured to be able to detect the proximity of an object based on the capacitance in the conductor layer 9. When an object approaches the sensor element 20 , the electrical environment of the conductor layer 9 changes due to the proximity of the object, causing a change in capacitance in the conductor layer 9 , causing a change in the capacitance detection section 23 . By analyzing this change, it is possible to detect that an object is approaching. Conversely, when an object that was near the sensor element 20 moves away, the electrical environment of the conductive layer 9 changes due to the separation of the object, resulting in a change in capacitance in the conductive layer 9. By analyzing this change with the capacitance detection unit 23, it is possible to detect that the object has moved away.

以上、本発明の1つの実施形態におけるセンサシステムについて詳述したが、本実施形態は種々の改変が可能である。 Although the sensor system according to one embodiment of the present invention has been described above in detail, this embodiment can be modified in various ways.

例えば、上述したセンサシステム30では、導電体層9(電極引き出し部B)を静電容量検知部23に電気的に接続することとしたが、図2に示すセンサシステム30’のように、導電体3(電極引き出し部A)を静電容量検知部23に電気的に接続して、導電体3における静電容量に基づいて、物体の存在を検知するようにしてもよい。この場合にも、上述したセンサシステム30と同様の説明が当て嵌まり得る。但し、静電容量の測定感度は、センサシステム30’より、センサシステム30のほうが高いと考えられる。 For example, in the sensor system 30 described above, the conductor layer 9 (electrode extension part B) is electrically connected to the capacitance detection part 23, but as in the sensor system 30' shown in FIG. The body 3 (electrode extension part A) may be electrically connected to the capacitance detection part 23 to detect the presence of an object based on the capacitance in the conductor 3. In this case as well, the same explanation as for the sensor system 30 described above can be applied. However, the capacitance measurement sensitivity is considered to be higher in the sensor system 30 than in the sensor system 30'.

また例えば、上述したセンサシステム30および30’では、センサ素子20をそのまま使用することとしたが、センサシステム30および30’のいずれの場合にも、センサ素子20を繊維または繊維製品と組み合わせたセンサデバイスの形態で使用してもよい。センサ素子20は、全体として細長い線状の形態を有し、センサ素子全体として柔軟性を有し得るので、いわゆる「糸」のように使用することが可能である。また、センサ素子20の「糸」は、例えば片方の端部から電極引き出し部AおよびBを取ることができるので、もう片方の端部はフリーにでき、使用態様の自由度が極めて高い。 Further, for example, in the sensor systems 30 and 30' described above, the sensor element 20 is used as is, but in both the sensor systems 30 and 30', a sensor in which the sensor element 20 is combined with a fiber or a textile product is used. It may also be used in the form of a device. The sensor element 20 has an elongated linear shape as a whole and can have flexibility as a whole, so it can be used like a so-called "thread". Furthermore, since the electrode extension parts A and B can be taken from one end of the "thread" of the sensor element 20, the other end can be left free, giving an extremely high degree of freedom in usage.

より詳細には、センサ素子20が、繊維と組み合わされて、紐、ロープ、編物、織物および不織布からなる群より選択される繊維製品を構成していてよい。センサ素子20と組み合わされる繊維は、任意の適切な繊維であり得、天然繊維(例えば、コットン、リネンなどの植物繊維、シルクなどの動物繊維)、人造繊維(例えば、ビスコース・レーヨン、キュプラなどの再生繊維、ナイロン、ポリエステル、アクリル、ビニロン、ポリウレタンなどの合成繊維、アセテートなどの半合成繊維)等であり得る。センサ素子20を「糸」のように使用して、繊維と組み合わせることにより、紐、ロープ、編物、織物および不織布などの形態に加工することが可能である。紐は、例えば、センサ素子20の「糸」を繊維の糸と組み合わせて(例えば組紐として)構成され得る。ロープは、例えば、センサ素子20の「糸」またはセンサ素子20を含む「紐」を、繊維の糸または紐と、撚り合わせたり、編んだりして構成され得る。編物は、センサ素子20の「糸」と繊維の糸とを使用して、これらを編むことにより構成され得る。編み方(編物の組織)は、特に限定されないが、例えば、平編、ゴム編、パール編などの緯編み、またはダブルデンビーなどの経編みであり得る。織物は、縦糸および緯糸のいずれか1本以上の糸にセンサ素子20の「糸」を使用し、残りに繊維の糸を使用して、これらを織ることにより構成され得る。織り方(織物の組織)は、特に限定されないが、平織、綾織、繻子織、重ね織、パイル織などであり得る。不織布は、センサ素子20の「糸」と繊維の糸とを使用して、これらを結合させることにより構成され得る。結合方法は、特に限定されないが、接着剤、溶融繊維あるいは機械的方法(例えばスパンレース、ニードルパンチ、分散ろ過等)を使用できる。かかる繊維製品において、センサ素子20の「糸」は少なくとも1本存在していればよく、場合により、2本以上で使用されていてもよい。 More particularly, the sensor element 20 may be combined with fibers to constitute a textile product selected from the group consisting of strings, ropes, knits, woven fabrics and non-woven fabrics. The fibers combined with the sensor element 20 can be any suitable fibers, including natural fibers (e.g., vegetable fibers such as cotton, linen, animal fibers such as silk), man-made fibers (e.g., viscose rayon, cupro, etc.). synthetic fibers such as nylon, polyester, acrylic, vinylon, polyurethane, and semi-synthetic fibers such as acetate). By using the sensor element 20 like a "thread" and combining it with fibers, it is possible to process it into forms such as strings, ropes, knitted fabrics, woven fabrics, and non-woven fabrics. The string may be constructed, for example, by combining the "threads" of the sensor element 20 with fiber threads (eg, as a braid). The rope may be constructed by, for example, twisting or knitting a "thread" of the sensor element 20 or a "string" including the sensor element 20 with a fiber thread or string. The knitted fabric can be constructed by knitting the "threads" of the sensor element 20 and the fiber threads. The knitting method (knitted structure) is not particularly limited, and may be, for example, weft knitting such as plain knitting, rubber knitting, or purl knitting, or warp knitting such as double denby knitting. The woven fabric can be constructed by using the "thread" of the sensor element 20 as one or more of the warp and weft threads, and using fiber threads as the remaining threads, and weaving these. The weaving method (texture of the textile) is not particularly limited, but may be plain weave, twill weave, satin weave, layered weave, pile weave, or the like. The non-woven fabric may be constructed by using the "threads" of the sensor element 20 and the fiber threads and bonding them together. The bonding method is not particularly limited, but adhesives, molten fibers, or mechanical methods (eg, spunlace, needle punch, dispersion filtration, etc.) can be used. In such a textile product, at least one "thread" of the sensor element 20 may be present, and in some cases, two or more "threads" may be used.

あるいは、センサ素子20は、リボン状またはシート状の繊維製品に対して接合(または固定)されていてよい。ここで、繊維製品は、編物、織物および不織布について上述した説明を(センサ素子に関する説明を除外して)参照することにより理解され得る。リボン状の繊維製品とは、薄く細長い形態を有する繊維製品を言い、シート状の繊維製品とは、薄く二次元的な広がりを有する繊維製品を言い、これらの明確な境界はないが、例えば、縦横比が1:4以上を「リボン状」と言い、縦横比が1:4未満を「シート状」と称する。繊維製品へのセンサ素子20の接合(または固定)は、任意の適切な方法で実施され得るが、例えば接着、縫い付け、編み込みなどであってよい。接着方法は、特に限定されないが、接着剤、溶融繊維などを使用できる。縫い付け方法は、センサ素子20を「糸」のように使用して、繊維製品の厚さ方向に貫通して縫い付けてよく、あるいは、繊維製品がある程度の厚さを有する場合には、繊維製品の表面および/または裏面に露出することなく、繊維製品の内部を通って縫い付けてもよい。編み込み方法は、センサ素子20を「糸」のように使用して、繊維製品に対して(例えば、繊維製品を構成している繊維と交差または交絡させることにより)編み込んでよい。センサ素子20の接合形態は、所望により適宜選択され得る。例えば、図3(a)に示すようにリボン状の繊維製品31に対してセンサ素子20を直線的に接合させたセンサデバイス40であってよい。また例えば、図3(b)に示すようにリボン状の繊維製品31に対してセンサ素子20を波状に(またはジグザグに)接合させたセンサデバイス40’であってよい。また例えば、図3(c)に示すようにシート状の繊維製品33に対してセンサ素子20を渦巻状に接合させたセンサデバイス40’’であってよい。上述したように、センサ素子20の「糸」は、片方の端部から電極引き出し部AおよびBを取り、もう片方の端部はフリーにできるので、センサデバイス40’’のような形態も実現可能である。(尚、図3(a)~(c)において、センサ素子20を繊維製品に縫い付ける場合には、センサ素子20を示す実線は、繊維製品を透視して示したものと理解される。) Alternatively, the sensor element 20 may be bonded (or fixed) to a ribbon-like or sheet-like textile product. Here, textile products can be understood by referring to the explanations given above regarding knitted fabrics, woven fabrics and nonwoven fabrics (excluding the explanation regarding sensor elements). A ribbon-shaped textile product refers to a textile product that is thin and elongated, and a sheet-shaped textile product refers to a textile product that is thin and has a two-dimensional spread. Although there is no clear boundary between these, for example, When the aspect ratio is 1:4 or more, it is called "ribbon-like", and when the aspect ratio is less than 1:4, it is called "sheet-like". The joining (or fixing) of the sensor element 20 to the textile product can be carried out in any suitable manner, for example by gluing, sewing, knitting, etc. The bonding method is not particularly limited, but adhesives, molten fibers, etc. can be used. The sewing method may be to use the sensor element 20 like a "thread" and sew it through the textile product in the thickness direction, or if the textile product has a certain thickness, the fiber It may be sewn through the interior of the textile without being exposed on the front and/or back side of the product. The weaving method may use the sensor element 20 like a "thread" to weave into a textile (eg, by intersecting or interlacing with the fibers that make up the textile). The bonding form of the sensor element 20 can be appropriately selected as desired. For example, as shown in FIG. 3A, the sensor device 40 may be a sensor device 40 in which the sensor element 20 is linearly joined to a ribbon-shaped textile product 31. Alternatively, for example, as shown in FIG. 3(b), the sensor device 40' may be a sensor device 40' in which the sensor element 20 is joined to a ribbon-shaped textile product 31 in a wavy (or zigzag) manner. For example, as shown in FIG. 3(c), the sensor device 40'' may be a sensor device 40'' in which the sensor element 20 is spirally joined to a sheet-like textile product 33. As mentioned above, the "thread" of the sensor element 20 can have the electrode extension parts A and B taken from one end, and the other end can be left free, so a configuration like the sensor device 40'' can also be realized. It is possible. (In addition, in FIGS. 3(a) to 3(c), when the sensor element 20 is sewn onto a textile product, it is understood that the solid line indicating the sensor element 20 is shown through the textile product.)

このように、センサ素子20を繊維または繊維製品と組み合わせたセンサデバイスは、センサ素子20が、全体として細長い線状の形態を有し、センサ素子全体として柔軟性を有し得るので、センサ素子20を含むセンサデバイス全体が繊維製品として異物感や違和感のないものとなる。従って、例えば人間が、センサ素子20を含むセンサデバイスに接触(例えばシートに着座したり、ベッドに寝臥したり)しても、異物感や違和感を覚えることなく、センシングを実現することができる。 In this way, the sensor device in which the sensor element 20 is combined with fibers or textile products has an elongated linear shape as a whole, and the sensor element as a whole can have flexibility. The entire sensor device including the textile product does not feel like a foreign body or feels strange. Therefore, even if, for example, a human comes into contact with the sensor device including the sensor element 20 (for example, when sitting on a seat or lying down on a bed), sensing can be achieved without feeling a foreign body sensation or discomfort.

図1を参照して詳述した構成を有するセンサ素子を含むセンサシステムを下記の通り作製した。 A sensor system including a sensor element having the configuration detailed with reference to FIG. 1 was manufactured as follows.

樹脂線1として、パラ型アラミド繊維からなる直径約15μmの素線50本を撚って構成されている直径約0.15mmの撚り線を使用し、この樹脂線1に、導電体(金属箔)3として、錫メッキが施された銅錫合金から成る箔が2層積層された積層体であって、各箔の幅約0.17mmであり、積層体の総厚さ約0.012mmであるものをギャップ巻きして、芯線5を準備した。芯線5の外径は約0.17mmであり、ピッチPは約0.27mmであり、ギャップGは約0.08mmであった(G/P=約30%)。 As the resin wire 1, a stranded wire with a diameter of approximately 0.15 mm, which is constructed by twisting 50 strands of para-aramid fibers with a diameter of approximately 15 μm, is used. ) 3 is a laminate in which two foils made of tin-plated copper-tin alloy are laminated, each foil having a width of about 0.17 mm, and a total thickness of the laminate of about 0.012 mm. Core wire 5 was prepared by gap winding something. The outer diameter of the core wire 5 was approximately 0.17 mm, the pitch P was approximately 0.27 mm, and the gap G was approximately 0.08 mm (G/P = approximately 30%).

他方、フッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン共重合体33gをメチルエチルケトン67gに70℃に加温しながら溶解し、日本エマソン社製の超音波ホモジナイザー“BRANSON Digital Sonifire”で30分間攪拌して樹脂液を調製した。 On the other hand, 33 g of vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer was dissolved in 67 g of methyl ethyl ketone while heating it to 70°C, and the mixture was stirred for 30 minutes using an ultrasonic homogenizer "BRANSON Digital Sonifire" manufactured by Emerson Japan to prepare a resin liquid. did.

上記で準備した芯線5に、上記樹脂液をディップコーティング法で塗工し、150℃で2分間加熱して、メチルエチルケトンを気化させて除去して、芯線5の表面にフッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン共重合体層を形成した。このフッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン共重合体層を、芯線5をグランド電極として、直流高圧安定化電源(エレメント有限会社製)により直流電圧12kVを30秒間コロナ放電することにより、分極処理を施して、圧電体層(有機圧電体層)7を得た。圧電体層7の厚さは、約40μmであった。 The above-prepared resin liquid was coated on the core wire 5 using a dip coating method, heated at 150°C for 2 minutes to vaporize and remove methyl ethyl ketone, and the surface of the core wire 5 was coated with vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene. A copolymer layer was formed. This vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer layer was polarized by corona discharging a DC voltage of 12 kV for 30 seconds using a DC high voltage stabilized power supply (manufactured by Element Co., Ltd.) using the core wire 5 as a ground electrode. A piezoelectric layer (organic piezoelectric layer) 7 was obtained. The thickness of the piezoelectric layer 7 was approximately 40 μm.

次に、この圧電体層7の周囲を、導電体層9として、銀メッキが施された銅から成る線を螺旋状に巻き付けて(ギャップなしで)被覆した。導電体層9の厚さは、約0.03mmであった。 Next, the piezoelectric layer 7 was covered with a conductive layer 9 by winding a silver-plated copper wire helically (without gaps). The thickness of the conductor layer 9 was approximately 0.03 mm.

そして、この導電体層9の周囲をポリエステルテープで被覆(テープ巻き)し、絶縁体層11を形成した。絶縁体層11の厚さは約20μmであった。絶縁体層11の外径(すなわち、圧電素子20の外径)は、約0.35mmであった。 Then, the periphery of this conductive layer 9 was covered (tape-wrapped) with a polyester tape to form an insulating layer 11. The thickness of the insulator layer 11 was about 20 μm. The outer diameter of the insulator layer 11 (that is, the outer diameter of the piezoelectric element 20) was approximately 0.35 mm.

以上のようにして本実施例のセンサ素子20を作製した。 The sensor element 20 of this example was produced as described above.

長さ約1mとしたセンサ素子20の片方の端部をワイヤーストリッパーで加工して、導電体3および導電体層9を露出させて電極を引き出した。そして、導電体3(電極引き出し部A)と導電体層9(電極引き出し部B)とを圧電検知部21に電気的に接続し、導電体層9(電極引き出し部B)を静電容量検知部23に電気的に接続して、センサシステム30を構成した。圧電検知部21には、アナログ増幅回路を使用した。静電容量検知部23には、2MΩの抵抗器を備えた回路を使用した。 One end of the sensor element 20, which had a length of about 1 m, was processed with a wire stripper to expose the conductor 3 and the conductor layer 9, and the electrode was drawn out. Then, the conductor 3 (electrode extension part A) and the conductor layer 9 (electrode extension part B) are electrically connected to the piezoelectric detection part 21, and the conductor layer 9 (electrode extension part B) is used for capacitance detection. The sensor system 30 was configured by electrically connecting to the section 23. For the piezoelectric detection section 21, an analog amplifier circuit was used. For the capacitance detection section 23, a circuit equipped with a 2MΩ resistor was used.

センサ素子20を床の上に横たえて、その上に人間が「乗る」動作およびその後に「降りる(離れる)」動作を行い、そのときの導電体層7における静電容量を静電容量検知部23で経時的に測定すると共に、芯線3の導電体3と導電体層9との間の電位差を経時的に測定した。人間が「乗る」動作を行ったときの結果を図4に示し、その後に人間が「降りる」動作を行ったときの結果を図5に示す(図4および図5中の点線は、それぞれ、乗った時点および降りた時点を示す)。 The sensor element 20 is laid down on the floor, and a person performs an action of "getting on" it and then "getting off (leaving)" it, and the capacitance in the conductor layer 7 at that time is detected by the capacitance detection section. 23, and the potential difference between the conductor 3 of the core wire 3 and the conductor layer 9 was also measured over time. Figure 4 shows the results when a human performs the "get on" motion, and Figure 5 shows the results when the human performs the "get off" motion (the dotted lines in FIGS. 4 and 5 respectively indicate (Indicates when you got on and when you got off).

図4および図5から理解されるように、電位差は、人間が乗った時点および降りた時点から急峻に変化し、その後、減衰した(なお、電位差は、図4および図5に示していないが、更なる時間の経過により、上記動作前の元の値に戻ることが確認された)。これに対して、静電容量は、人間が乗った時点および降りた時点を境にレベルが変化し、その後、減衰することなく、変化後のレベルを実質的に維持していた。これらの結果から、電位差に基づいて、センサ素子20ひいては圧電体層7に印加された外力を検知でき、かつ、静電容量に基づいて、物体(本実施例では人間)の存在を検知できることが確認された。とりわけ、静電容量は、人間が乗った時点および降りた時点の後にも減衰することなく、変化後のレベルを実質的に維持していたことから、物体(人間)が定常的に存在する場合であっても、その存在の有無を即時に判断できることが理解される。 As understood from FIGS. 4 and 5, the potential difference changed sharply from the time the person got on and off the vehicle, and then attenuated (note that the potential difference is not shown in FIGS. 4 and 5). , it was confirmed that the value returned to the original value before the above operation with the passage of further time). On the other hand, the level of capacitance changes between the time a person gets on and the time a person gets off the vehicle, and thereafter substantially maintains the level after the change without attenuating. From these results, it is possible to detect the external force applied to the sensor element 20 and thus the piezoelectric layer 7 based on the potential difference, and to detect the presence of an object (a human being in this example) based on the capacitance. confirmed. In particular, the capacitance did not attenuate even after the human boarded the vehicle and dismounted, and substantially maintained the level after the change. It is understood that it is possible to immediately determine whether or not the object exists even if the object exists.

本発明のセンサシステムは、圧電式のセンサ機能および静電容量式のセンサ機能の双方が求められる幅広く様々な用途に利用可能である。本発明のセンサシステムは、例えば、シート(椅子、座席、便座等を含む)、ベッド(介護ベッドを含む)、大型タッチパネルなどに利用でき、圧電式のセンサ機能により人間の着座、体動、バイタルサイン、タッチ操作などを検知でき、かつ、静電容量式のセンサ機能により人間の存在有無を、人間が定常的に存在する場合であっても即時に検知することができる。 The sensor system of the present invention can be used in a wide variety of applications that require both piezoelectric sensor function and capacitive sensor function. The sensor system of the present invention can be used for, for example, seats (including chairs, seats, toilet seats, etc.), beds (including nursing care beds), large touch panels, etc., and uses piezoelectric sensor functions to monitor seating, body movements, and vital signs of humans. It can detect signs, touch operations, etc., and its capacitive sensor function can instantly detect the presence or absence of a human, even if a human is constantly present.

1 樹脂線
3 導電体(内側導電体層)
5 芯線
7 圧電体層
9 導電体層(外側導電体層)
11 絶縁体層
20 センサ素子
21 圧電検知部
23 静電容量検知部
30、30’ センサシステム
31、33 繊維製品
40、40’、40’’ センサデバイス
A、B 電極引き出し部
GND 接地
1 Resin wire 3 Conductor (inner conductor layer)
5 core wire 7 piezoelectric layer 9 conductor layer (outer conductor layer)
11 Insulator layer 20 Sensor element 21 Piezoelectric detection section 23 Capacitance detection section 30, 30' Sensor system 31, 33 Textile product 40, 40', 40'' Sensor device A, B Electrode extension GND Ground

Claims (6)

導電体の表面を有する芯線と、前記芯線を被覆する圧電体層と、前記圧電体層を被覆する導電体層とを含むセンサ素子と、
前記導電体と前記導電体層との間の電位差に基づいて、該圧電体層に印加された外力を検知する圧電検知部と、
前記導電体および前記導電体層のいずれか一方における静電容量の変化に基づいて、物体の存在を検知する静電容量検知部であって、ここで、前記静電容量の変化は前記導電体および前記導電体層のいずれか一方のそれ自体の電気的環境の変化に起因する変化である、静電容量検知部と、
を含み、前記導電体層の外形寸法は2.2mm以下である、センサシステム。
A sensor element including a core wire having a conductive surface, a piezoelectric layer covering the core wire, and a conductive layer covering the piezoelectric layer;
a piezoelectric detection unit that detects an external force applied to the piezoelectric layer based on a potential difference between the conductor and the conductor layer;
A capacitance detection unit that detects the presence of an object based on a change in capacitance in either the conductor or the conductor layer , wherein the change in capacitance is determined by the change in capacitance in either the conductor or the conductor layer. and a capacitance sensing unit whose change is caused by a change in the electrical environment of either one of the conductive layers;
, wherein the conductor layer has an external dimension of 2.2 mm or less.
前記センサ素子が、前記導電体層を被覆する絶縁体層を更に含む、請求項1に記載のセンサシステム。 The sensor system according to claim 1, wherein the sensor element further includes an insulator layer covering the conductor layer. 前記センサ素子は、繊維または繊維製品と組み合わせられている、請求項1または2に記載のセンサシステム。 3. Sensor system according to claim 1 or 2, wherein the sensor element is combined with a fiber or textile product. 前記センサ素子が、繊維と組み合わされて、紐、ロープ、編物、織物および不織布からなる群より選択される繊維製品を構成している、請求項1~3のいずれかに記載のセンサシステム。 The sensor system according to any one of claims 1 to 3, wherein the sensor element is combined with fibers to constitute a textile product selected from the group consisting of strings, ropes, knitted fabrics, woven fabrics and non-woven fabrics. 前記センサ素子が、リボン状またはシート状の繊維製品に対して接合されている、請求項1~3のいずれかに記載のセンサシステム。 The sensor system according to any one of claims 1 to 3, wherein the sensor element is bonded to a ribbon-shaped or sheet-shaped textile product. 前記圧電体層が、有機圧電材料または有機圧電材料と無機圧電材料との複合体から構成される、請求項1~5のいずれかに記載のセンサシステム。 6. The sensor system according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is composed of an organic piezoelectric material or a composite of an organic piezoelectric material and an inorganic piezoelectric material.
JP2019151483A 2019-08-21 2019-08-21 sensor system Active JP7385403B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019151483A JP7385403B2 (en) 2019-08-21 2019-08-21 sensor system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019151483A JP7385403B2 (en) 2019-08-21 2019-08-21 sensor system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021032643A JP2021032643A (en) 2021-03-01
JP7385403B2 true JP7385403B2 (en) 2023-11-22

Family

ID=74678092

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019151483A Active JP7385403B2 (en) 2019-08-21 2019-08-21 sensor system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7385403B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6501958B1 (en) * 2018-09-06 2019-04-17 東邦化成株式会社 Piezoelectric element

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008130366A (en) 2006-11-21 2008-06-05 Hitachi Cable Ltd Code switch and detection device using the same
WO2016175321A1 (en) 2015-04-30 2016-11-03 帝人株式会社 Piezoelectric element and device using same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6706189B2 (en) * 2016-11-28 2020-06-03 三井化学株式会社 Sensor module, sheet and sensor system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008130366A (en) 2006-11-21 2008-06-05 Hitachi Cable Ltd Code switch and detection device using the same
WO2016175321A1 (en) 2015-04-30 2016-11-03 帝人株式会社 Piezoelectric element and device using same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021032643A (en) 2021-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4504904B2 (en) Code switch and detection device using the same
JP6655196B2 (en) Mounting structure of piezoelectric substrate and sensor module
EP3264983B1 (en) Device in the form of a garment for monitoring a physiological parameter of a user
JP6501958B1 (en) Piezoelectric element
US11735334B2 (en) Stretchable wire tape for textile, wearable device, and method for producing textile having wires
JP6706189B2 (en) Sensor module, sheet and sensor system
JP7069335B2 (en) Human body detection device, bed device and human body detection system
JP5553032B2 (en) Position sensor code, position sensor, and planar position sensor
JP7385403B2 (en) sensor system
JP2019011965A (en) Tensile sensor
WO2019098182A1 (en) Composite wiring, capacitance sensor, multiplexing cable, and wiring for incorporation into element
JP7144088B2 (en) linear sensor
JP2018073997A (en) Braided string piezoelectric element and device using same
US20240035209A1 (en) Sensing Fiber Member
JP3195050U (en) Stretchable flat current conductor
JP6624968B2 (en) Piezoelectric sensor
JP7488156B2 (en) Mattress with sensors and bed equipped with same
KR102185565B1 (en) Conductive composite yarn capable of sensing the force in vertical and horizontal direction and textile sensor having the same
CN104515633B (en) Abrasive voltage power induction cable
JP6185855B2 (en) Pressure sensor
JP7594093B2 (en) Piezoelectric substrates, sensors, actuators, and bioinformation acquisition devices
JP2024136264A (en) Piezoelectric devices, sensors, actuators, and biometric information acquisition devices
JP2005265670A (en) Cable pressure sensor
JP2024136263A (en) Piezoelectric substrates, sensors, actuators, and bioinformation acquisition devices
JP2024136265A (en) Piezoelectric substrates, sensors, actuators, and bioinformation acquisition devices

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220512

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230307

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230502

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230822

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20231019

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231020

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231107

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231110

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7385403

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150