(57)【要約】【課題】Ｓ／Ｎ比が高い圧電センサ及びセンサユニットを提供すること。【解決手段】圧電センサ１は、圧電フィルム７、及び変形制御層５を含む積層体３、５を備える。前記変形制御層は、前記変形制御層の第１面１７が凸となる変形に比べて、前記第１面とは反対側の第２面１９が凸となる変形を生じ難い。前記第１面は、例えば、前記圧電センサの表面である。前記変形制御層は、例えば、前記第１面から前記第２面に向かう切り込み２１を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電センサ（１）であって、
圧電フィルム（７）、及び変形制御層（５）を含む積層体（３、５）を備え、
前記変形制御層は、前記変形制御層の第１面（１７）が凸となる変形に比べて、前記第１面とは反対側の第２面（１９）が凸となる変形を生じ難い圧電センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電センサであって、
前記第１面は、前記圧電センサの表面であり、
前記変形制御層は、前記第１面から前記第２面に向かう切り込み（２１）を備える圧電センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電センサであって、
前記第２面は前記積層体における他の層（１３）に接着され、
前記変形制御層に引張応力が存在する圧電センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の圧電センサであって、
前記第１面は前記積層体における他の層（１５）に接着され、
前記変形制御層に圧縮応力が存在する圧電センサ。
【請求項５】
取付対象面に取り付けられるセンサユニットであって、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電センサである第１センサ（１Ａ）と、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電センサである第２センサ（１Ｂ）と、
を備え、
前記第１センサ及び前記第２センサは、前記取付対象面（２３）に沿って並列に配置され、
前記第１センサは、前記第１面が前記取付対象面と対向する向きに配置され、
前記第２センサは、前記第２面が前記取付対象面と対向する向きに配置されたセンサユニット（１０１）。
【請求項６】
請求項５に記載のセンサユニットであって、
前記取付対象面を基準とする前記第１センサの高さ（ＨＡ）は、前記取付対象面を基準とする前記第２センサの高さ（ＨＢ）よりも大きいセンサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は圧電センサ及びセンサユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に圧電センサが開示されている。圧電センサは圧電フィルムを備える。圧電センサに圧力が加わったとき、圧電センサは、圧力に応じた出力信号を生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６２０６５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電センサを用いて、検出対象の圧力を検出することができる。圧電センサに対し、検出対象とは反対方向から、ノイズ圧力が加わることがある。圧電センサは、検出対象の圧力とノイズ圧力との両方を反映した出力信号を生じる。そのため、圧電センサのＳ／Ｎ比は低かった。本開示の１つの局面は、Ｓ／Ｎ比が高い圧電センサ及びセンサユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の１つの局面は、圧電センサ（１）であって、圧電フィルム（７）、及び変形制御層（５）を含む積層体（３、５）を備え、前記変形制御層は、前記変形制御層の第１面（１７）が凸となる変形に比べて、前記第１面とは反対側の第２面（１９）が凸となる変形を生じ難い圧電センサである。本開示の１つの局面である圧電センサは、Ｓ／Ｎ比が高い。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】圧電センサの構成を表す平面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ断面での断面を表す断面図である。
【図３】第１変形が生じた圧電センサを表す断面図である。
【図４】第２変形が生じた圧電センサを表す断面図である。
【図５】第２実施形態の圧電センサの構成を表す断面図である。
【図６】第３実施形態の圧電センサの構成を表す断面図である。
【図７】第４実施形態の圧電センサの構成を表す断面図である。
【図８】第５実施形態のセンサユニットの電気的構成を表すブロック図である。
【図９】第５実施形態のセンサユニットの構成を表す断面図である。
【図１０】第６実施形態のセンサユニットの構成を表す断面図である。
【図１１】切り込みの別形態を表す平面図である。
【図１２】切り込みの別形態を表す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
１．圧電センサ１の構成
圧電センサ１の構成を、図１〜図４に基づき説明する。図１、図２に示すように、圧電センサ１は、矩形の板状の形態を有する。図２に示すように、圧電センサ１は、本体層３と、変形制御層５とを備える。本体層３と変形制御層５とは積層されている。本体層３及び変形制御層５は積層体に対応する。
【０００８】
本体層３は、圧電フィルム７、第１電極層９、第２電極層１１、第１カバーフィルム１３、及び第２カバーフィルム１５を備える。圧電フィルム７として、例えば、公知の圧電フィルムを使用することができる。圧電フィルム７は、例えば、ポリフッ化ビニリデンを含む。圧電フィルム７は単層であってもよいし、複数の層から成る積層体であってもよい。
【０００９】
第１電極層９及び第２電極層１１は圧電フィルム７を両側から挟んでいる。第１電極層９及び第２電極層１１は、それぞれ、金属の薄膜である。圧電フィルム７が曲がったとき、第１電極層９と第２電極層１１との間に電位差が生じる。電位差は、圧電センサ１の出力信号である。
【００１０】
第１カバーフィルム１３は第１電極層９を覆っている。第２カバーフィルム１５は第２電極層１１を覆っている。第１カバーフィルム１３及び第２カバーフィルム１５の材質は、例えば、樹脂である。樹脂として、例えば、ＰＥＴ等が挙げられる。第１カバーフィルム１３及び第２カバーフィルム１５の厚みは、それぞれ、例えば、１０〜１０００μｍである。
【００１１】
変形制御層５における一方の面を第１面１７とする。変形制御層５における第１面１７とは反対側の面を第２面１９とする。第１面１７は圧電センサ１の表面である。第２面１９は第１カバーフィルム１３と接着されている。
【００１２】
変形制御層５の材質として、例えば、樹脂、ゴム、金属等が挙げられる。樹脂として、例えば、発泡樹脂等が挙げられる。発泡樹脂として、例えば、発泡ウレタン等が挙げられる。変形制御層５の厚みは、例えば、０．１ｍｍ〜１ｃｍである。
【００１３】
変形制御層５は、第１面１７から第２面１９に向かう切り込み２１を備える。切り込み２１の数は単数であってもよいし、複数であってもよい。切り込み２１の数は複数であることが好ましい。切り込み２１の数が複数である場合、後述する第１変形が一層生じ易くなる。切り込み２１の幅は適宜設定できる。切り込み２１において対向する端面同士は、接していてもよいし、離間していてもよい。
【００１４】
切り込み２１は、第２面１９に達していてもよいし、達していなくてもよい。図１に示すように、変形制御層５の厚み方向から見たとき、例えば、直線形状の複数の切り込み２１が互いに平行に配列されている。
【００１５】
２．圧電センサ１が奏する効果
図２に示すように、圧電センサ１を取付対象面２３に取り付けることができる。圧電センサ１の向きは、第１面１７が取付対象面２３に対向する向きである。取付対象面２３は、例えば、弾性変形可能な材料から成る部材の表面である。取付対象面２３は、例えば、車両のシートの座面又は背面である。
【００１６】
図３に示すように、第２カバーフィルム１５に対し、測定対象による圧力（以下では信号圧力Ｐ１とする）が加わる。測定対象は、例えば、車両のシートに座る乗員等である。信号圧力Ｐ１が加わった場合、切り込み２１が広がることにより、変形制御層５及び圧電センサ１は、第１面１７が凸となる変形（以下では第１変形とする）を容易に生じさせる。その結果、信号圧力Ｐ１が加わった場合、圧電フィルム７は大きく屈曲し、圧電センサ１の出力信号が大きくなる。すなわち、信号圧力Ｐ１に対する圧電センサ１の出力信号は大きい。
【００１７】
図４に示すように、第１面１７に対し、ノイズ圧力Ｐ２が加わることがある。ノイズ圧力Ｐ２は、例えば、車両の振動等に起因する圧力である。車両の振動は、例えば、ロードノイズ等に起因する振動である。
【００１８】
第２面１９は第１カバーフィルム１３と接着されているため、ノイズ圧力Ｐ２が加わった場合でも、切り込み２１は広がらない。そのため、ノイズ圧力Ｐ２が加わった場合でも、変形制御層５及び圧電センサ１は、第１変形と比べて、第２面１９が凸となる変形（以下では第２変形とする）を生じ難い。
【００１９】
すなわち、ノイズ圧力Ｐ２の大きさと信号圧力Ｐ１の大きさとが同じである場合、第２変形の変形量は、第１変形の変形量より小さい。その結果、ノイズ圧力Ｐ２が加わった場合、圧電フィルム７は屈曲し難く、出力信号は小さくなる。すなわち、ノイズ圧力Ｐ２に対する圧電センサ１の出力信号は小さい。よって、圧電センサ１は、Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。
＜第２実施形態＞
１．第１実施形態との相違点
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
【００２０】
前述した第１実施形態では、本体層３とは別に変形制御層５を備えていた。これに対し、第２実施形態では、図５に示すように、第１カバーフィルム１３が変形制御層に対応する点で、第１実施形態と相違する。
【００２１】
第１カバーフィルム１３における一方の面を第１面１１７とする。第１カバーフィルム１３における第１面１１７とは反対側の面を第２面１１９とする。第１面１１７は取付対象面２３に対向する。第２面１１９は第１電極層９に接する面である。第１面１１７は圧電センサ１の表面である。
【００２２】
第１カバーフィルム１３は、第１面１１７から第２面１１９に向かう切り込み１２１を備える。切り込み１２１の数は単数であってもよいし、複数であってもよい。切り込み１２１の数は複数であることが好ましい。切り込み１２１の数が複数である場合、第１変形が一層生じ易くなる。切り込み１２１の幅は適宜設定できる。切り込み１２１において対向する端面同士は、接していてもよいし、離間していてもよい。
【００２３】
切り込み１２１は、第２面１１９に達していてもよいし、達していなくてもよい。第１カバーフィルム１３の厚み方向から見たときの切り込み１２１の形態は、例えば、第１実施形態における切り込み２１の形態と同様である。
【００２４】
２．圧電センサ１が奏する効果
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果を奏する。
＜第３実施形態＞
１．第１実施形態との相違点
第３実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
【００２５】
前述した第１実施形態では、変形制御層５は切り込み２１を備えていた。これに対し、第３実施形態では、図６に示すように、変形制御層５は切り込み２１を備えず、変形制御層５に引張応力Ｓ１が存在する点で、第１実施形態と相違する。
【００２６】
第２面１９は第１カバーフィルム１３に接着している。第１カバーフィルム１３は、積層体における他の層に対応する。例えば、変形制御層５を加熱した状態で、変形制御層５を第１カバーフィルム１３に接着し、その後、変形制御層５を冷却することで、変形制御層５に引張応力Ｓ１が生じる。引張応力Ｓ１が存在するため、変形制御層５及び圧電センサ１は、第１変形に比べて、第２変形を生じ難い。
【００２７】
２．圧電センサ１が奏する効果
以上詳述した第３実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果を奏する。
＜第４実施形態＞
１．第１実施形態との相違点
第４実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
【００２８】
前述した第１実施形態では、変形制御層５は切り込み２１を備えていた。また、前述した第１実施形態では、第１面１７は圧電センサ１の表面であり、第２面１９は第１カバーフィルム１３に接着されていた。
【００２９】
これに対し、第４実施形態では、図７に示すように、変形制御層５は切り込み２１を備えない。また、第４実施形態では、第１面１７は第２カバーフィルム１５に接着され、第２面１９は圧電センサ１の表面である。第２カバーフィルム１５は、積層体における他の層に対応する。
【００３０】
また、第４実施形態では、第１カバーフィルム１３が取付対象面２３に対向する向きで、圧電センサ１を取付対象面２３に取り付ける。そのため、第２面１９に対し、信号圧力Ｐ１が加わる。第１カバーフィルム１３に対し、ノイズ圧力Ｐ２が加わる。
【００３１】
また、第４実施形態では、変形制御層５に圧縮応力Ｓ２が存在する。例えば、第２カバーフィルム１５を加熱した状態で、変形制御層５を第２カバーフィルム１５に接着し、その後、第２カバーフィルム１５を冷却することで、変形制御層５に圧縮応力Ｓ２が生じる。圧縮応力Ｓ２が存在するため、変形制御層５及び圧電センサ１は、第１変形に比べて、第２変形を生じ難い。
【００３２】
２．圧電センサ１が奏する効果
以上詳述した第４実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果を奏する。
＜第５実施形態＞
１．センサユニット１０１の構成
センサユニット１０１の構成を、図８、図９に基づき説明する。図８に示すように、センサユニット１０１は、第１センサ１Ａ、第２センサ１Ｂ、及び制御部２５を備える。第１センサ１Ａ及び第２センサ１Ｂは、それぞれ、第１実施形態における圧電センサ１と同様の構成を有する。
【００３３】
制御部２５は、ＣＰＵ２７と、例えば、ＲＡＭ又はＲＯＭ等の半導体メモリ（以下、メモリ２９とする）と、を有するマイクロコンピュータを備える。
制御部２５の各機能は、ＣＰＵ２７が非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、メモリ２９が、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムが実行されることで、プログラムに対応する方法が実行される。なお、制御部２５は、１つのマイクロコンピュータを備えてもよいし、複数のマイクロコンピュータを備えてもよい。センサユニット１０１は外部装置３０と接続している。
【００３４】
図９に示すように、センサユニット１０１は、第１センサ１Ａ及び第２センサ１Ｂに加えて、ベースフィルム３１を備える。ベースフィルム３１は、例えば、樹脂等から成る。第１センサ１Ａ及び第２センサ１Ｂは、ベースフィルム３１の表面３１Ａ上に並列に配置されている。第１センサ１Ａは、第１面１７が表面３１Ａに接するように、ベースフィルム３１に固定されている。第２センサ１Ｂは、第２カバーフィルム１５が表面３１Ａに接するように、ベースフィルム３１に固定されている。すなわち、第２センサ１Ｂの向きは、第１センサ１Ａの向きとは反対である。
【００３５】
図９に示すように、センサユニット１０１を取付対象面２３に取り付けることができる。センサユニット１０１の向きは、ベースフィルム３１の裏面３１Ｂが取付対象面２３に対向する向きである。裏面３１Ｂは表面３１Ａの反対側の面である。取付対象面２３は、例えば、第１実施形態と同様のものである。
【００３６】
第１センサ１Ａの向きは、第１面１７が取付対象面２３と対向する向きである。第２センサ１Ｂの向きは、第２面１９が取付対象面２３と対向する向きである。なお、第２面１９が取付対象面２３と対向する向きとは、第２面１９の方が第１面１７よりも取付対象面２３に近くなる向きを意味する。第２面１９と取付対象面２３との間に他の層が存在する場合でも、第２面１９が取付対象面２３と対向する向きに該当する。
【００３７】
２．センサユニット１０１が実行する処理
図９に示すように、第１センサ１Ａ及び第２センサ１Ｂに対し、それぞれ、信号圧力Ｐ１及びノイズ圧力Ｐ２が加わる。
【００３８】
第１センサ１Ａは、第１信号を出力する。第１信号は、信号圧力Ｐ１に起因する成分（以下では、信号成分Ｐ１Ａとする）と、ノイズ圧力Ｐ２に起因する成分（以下では、ノイズ成分Ｐ２Ａとする）とを含んでいる。第１センサ１Ａは、信号圧力Ｐ１に応じて第１変形を生じさせ、ノイズ圧力Ｐ２に応じて第２変形を生じさせる。第１センサ１Ａは、第１変形を生じ易く、第２変形を生じ難いので、信号成分Ｐ１Ａは大きく、ノイズ成分Ｐ２Ａは小さい。
【００３９】
第２センサ１Ｂは、第２信号を出力する。第２信号は、信号圧力Ｐ１に起因する成分（以下では、信号成分Ｐ１Ｂとする）と、ノイズ圧力Ｐ２に起因する成分（以下では、ノイズ成分Ｐ２Ｂとする）とを含んでいる。第２センサ１Ｂは、信号圧力Ｐ１に応じて第２変形を生じさせ、ノイズ圧力Ｐ２に応じて第１変形を生じさせる。第２センサ１Ｂは、第１変形を生じ易く、第２変形を生じ難いので、信号成分Ｐ１Ｂは小さく、ノイズ成分Ｐ２Ｂは大きい。
【００４０】
制御部２５は、第１センサ１Ａから第１信号を取得し、第２センサ１Ｂから第２信号を取得する。制御部２５は、以下の式（１）で表される補正後信号ＣＸを算出する。
式（１）  ＣＸ＝Ｘ１−αＸ２
式（１）においてＸ１は第１信号である。Ｘ２は第２信号である。αは予め設定された係数である。αは、ノイズ成分Ｐ２Ａとノイズ成分Ｐ２Ｂとが相殺されるように予め調整された固定値である。制御部２５は、算出された補正後信号ＣＸを外部装置３０に出力する。
【００４１】
３．センサユニット１０１が奏する効果
センサユニット１０１は、補正後信号ＣＸを算出することができる。補正後信号ＣＸを算出するとき、ノイズ成分Ｐ２Ａとノイズ成分Ｐ２Ｂとが相殺されている。そのため、補正後信号ＣＸのＳ／Ｎ比は高い。また、信号成分Ｐ１Ｂは小さいので、補正後信号ＣＸと、信号成分Ｐ１Ａとの差は小さい。
＜第６実施形態＞
１．第５実施形態との相違点
第６実施形態は、基本的な構成は第５実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第５実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
【００４２】
前述した第５実施形態では、第１センサ１Ａ及び第２センサ１Ｂは、ベースフィルム３１に直接取りつけられていた。これに対し、第６実施形態では、図１０に示すように、第１センサ１Ａは、スペーサ３３を介して、ベースフィルム３１に取り付けられている。スペーサ３３は、例えば、樹脂等から成る。樹脂として、例えば、発泡ウレタン等が挙げられる。
【００４３】
取付対象面２３を基準とする第１センサ１Ａの高さをＨＡとする。ＨＡは、第１センサ１Ａのうち、取付対象面２３から最も遠い部分と、取付対象面２３との距離である。取付対象面２３を基準とする第２センサ１Ｂの高さをＨＢとする。ＨＢは、第２センサ１Ｂのうち、取付対象面２３から最も遠い部分と、取付対象面２３との距離である。ＨＡはＨＢより大きい。
【００４４】
２．センサユニット１０１が奏する効果
以上詳述した第６実施形態によれば、前述した第５実施形態の効果を奏し、さらに以下の効果（６Ａ）を奏する。
【００４５】
（６Ａ）ＨＡはＨＢより大きいので、測定対象は、第１センサ１Ａには接触し易く、第２センサ１Ｂには接触し難い。そのため、信号成分Ｐ１Ｂは一層小さい。その結果、補正後信号ＣＸと、信号成分Ｐ１Ａとの差は一層小さい。
＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
【００４６】
（１）変形制御層５の厚み方向から見たときの切り込み２１の形態は、検出したい信号の特性に応じて適宜設定することができる。変形制御層５の厚み方向から見たときの切り込み２１の形態として、例えば、図１１、図１２に示す形態が挙げられる。図１１に示す形態では、切り込み２１が格子状に配置されている。図１２に示す形態では、切り込み２１が同心円状に配置されている。切り込み１２１の形態も、切り込み２１の形態と同様に、適宜設定することができる。
【００４７】
（２）第５、第６実施形態において、第１センサ１Ａ及び第２センサ１Ｂは、第２〜第４実施形態のいずれかにおける圧電センサ１であってもよい。
（３）本開示に記載の制御部２５及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部２５及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部２５及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されてもよい。制御部２５に含まれる各部の機能を実現する手法には、必ずしもソフトウェアが含まれている必要はなく、その全部の機能が、一つあるいは複数のハードウェアを用いて実現されてもよい。
【００４８】
（４）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。
【００４９】
（５）上述した圧電センサ、センサユニットの他、圧電センサ又はセンサユニットを構成要素とするシステム、制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、信号検出方法、ノイズ低減方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。
【符号の説明】
【００５０】
１…圧電センサ、１Ａ…第１センサ、１Ｂ…第２センサ、３…本体層、５…変形制御層、７…圧電フィルム、９…第１電極層、１１…第２電極層、１３…第１カバーフィルム、１５…第２カバーフィルム、１７…第１面、１９…第２面、２１…切り込み、２３…取付対象面、３３…スペーサ、１０１…センサユニット、１１７…第１面、１１９…第２面、１２１…切り込み
【図１】
2020165873.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020165873.tif 000009
【図８】
2020165873.tif 000010
【図９】
2020165873.tif 000011
【図１０】
2020165873.tif 000012
【図１１】
2020165873.tif 000013
【図１２】
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