(57)【要約】  従来技術では、変形検知装置の構成、被測定対象に対する設置場所や設置方法が配慮されていない。このため、被測定対象に貼り付けられる第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面とを有するフィルム状の弾性体であり、変形前の前記被測定対象に前記第１の面が貼り付けられた状態において、前記第２の面は第１の方向に少なくとも１組の凹部と凸部を有する前記弾性体と、前記第２の面の前記凹部の領域に形成される第１の電極と、前記第２の面の前記凸部の領域に形成される第２の電極と、前記弾性体の前記第２の面に沿って配置される第３の面と、前記第３の面に対向する第４の面とを有する厚みが均一なフィルム状の圧電体であり、前記弾性体に比してせん断弾性係数が高い前記圧電体と、前記第４の面のうち前記第１の電極に対向する領域に形成される第３の電極と、前記第４の面のうち前記第２の電極に対向する領域に形成される第４の電極と、を有する変形検知装置を提供する（図１）。
2017065074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象に貼り付けられる第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面とを有するフィルム状の弾性体であり、静状態において、前記第２の面は第１の方向に少なくとも１組の凹部と凸部を有する前記弾性体と、
前記第２の面の前記凹部の領域に形成される第１の電極と、
前記第２の面の前記凸部の領域に形成される第２の電極と、
前記弾性体の前記第２の面に沿って配置される第３の面と、前記第３の面に対向する第４の面とを有する厚みが均一なフィルム状の圧電体であり、前記弾性体に比してせん断弾性係数が高い前記圧電体と、
前記第４の面のうち前記第１の電極に対向する領域に形成される第３の電極と、
前記第４の面のうち前記第２の電極に対向する領域に形成される第４の電極と、
を有する変形検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の変形検知装置において、
前記第１の電極と前記第４の電極との間に生じる第１の信号と前記第２の電極と前記第３の電極との間に生じる第２の信号の両方又は一方についての情報を検出データとして取り出す回路を更に有する
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項３】
請求項１に記載の変形検知装置において、
前記凹部と前記凸部は前記第１の方向に交互に配置される
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項４】
請求項１に記載の変形検知装置において、
前記凹部と前記凸部は前記第１の方向に連続的に配置される
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項５】
請求項１に記載の変形検知装置において、
前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第３の電極と、前記第４の電極はいずれも、複数の櫛歯状電極で構成される櫛歯形状を有し、
前記第１の電極を構成する前記櫛歯状電極と前記第２の電極を構成する前記櫛歯状電極とは、前記第１の方向に互い違いに配置され、
前記第３の電極を構成する前記櫛歯状電極と前記第４の電極を構成する前記櫛歯状電極とは、前記第１の方向に互い違いに配置される
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項６】
請求項１に記載の変形検知装置において、
前記弾性体はゴム弾性体である
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項７】
請求項６に記載の変形検知装置において、
前記弾性体はシリコーンゴムである
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項８】
請求項１に記載の変形検知装置において、
前記圧電体はゲル膜である
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項９】
請求項１に記載の変形検知装置において、
前記圧電体はスパッタ膜である
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の変形検知装置において、
前記圧電体は有機圧電シートである
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の変形検知装置において、
前記圧電体、前記第３の電極、前記第４の電極の表面を覆う保護膜を更に有する
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項１２】
請求項２に記載の変形検知装置において、
前記回路は、前記第１の信号と前記第２の信号の積算値を前記検出データとして取り出す
ことを特徴とする変形検知装置。
【請求項１３】
請求項２に記載の変形検知装置において、
前記回路から取り出された前記検出データを外部に送信する無線通信部
を更に有することを特徴とする変形検知装置。
【請求項１４】
請求項２に記載の変形検知装置において、
前記回路から取り出された前記検出データを外部に送信する有線通信部
を更に有することを特徴とする変形検知装置。
【請求項１５】
被測定対象に取り付けられる１つ又は複数の変形検知装置と、
被測定対象における正常稼働時のデータを記憶する記憶装置と、１つ又は複数の前記変形検知装置から入力される検出データと前記正常稼働時のデータとの比較結果に基づいて前記被測定対象の状態を判定する処理部とを有する集中管理装置と
を有し、
前記変形検知装置は、
被測定対象に貼り付けられる第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面とを有するフィルム状の弾性体であり、静状態において、前記第２の面は第１の方向に少なくとも１組の凹部と凸部を有する前記弾性体と、
前記第２の面の前記凹部の領域に形成される第１の電極と、
前記第２の面の前記凸部の領域に形成される第２の電極と、
前記弾性体の前記第２の面に沿って配置される第３の面と、前記第３の面に対向する第４の面とを有する厚みが均一なフィルム状の圧電体であり、前記弾性体に比してせん断弾性係数が高い前記圧電体と、
前記第４の面のうち前記第１の電極に対向する領域に形成される第３の電極と、
前記第４の面のうち前記第２の電極に対向する領域に形成される第４の電極と、
前記第１の電極と前記第４の電極との間に生じる第１の信号と前記第２の電極と前記第３の電極との間に生じる第２の信号の両方又は一方についての情報を検出データとして取り出す回路と
を有する
ことを特徴とする診断システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の診断システムにおいて、
前記処理部は、前記検出データとして前記第１の信号と前記第２の信号の積算値を入力する
ことを特徴とする診断システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、被測定対象の変形をモニタリングする変形検知装置、及び、その検知結果に基づいて被測定対象の状態を診断する診断システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
IoE(Internet of Everything)のようにあらゆる物をネットワークに繋いだ高度情報化社会では、人やペットの健康管理から生産設備や家電の保守管理、自然環境の保全に至るまで、あらゆる物の状態を数値化してコンピューターで分析することにより、不測の事態に陥る前の予兆を捉え、ひいては正常な状態に維持することを目指している。【０００３】
この目的の実現には、様々なモノの状態をモニタリングするシステムが重要な要素となっており、各種センサ（画像センサや振動センサなど）を用いた診断システムの開発が進められている。例えば生産現場や生産プラント等においては、稼働しているポンプや圧縮機などを定期的に検査する従前の管理手法から、センサから出力される状態監視データに基づいて故障の発生を予測する診断システムへの移行が試みられており、保守管理コストの低減や不測の故障による損失の抑止が期待されている。【０００４】
この種の診断システムには、モニタリング対象とする装置から観察される温度や振動状態の数値と通常状態における数値との差異に基づいて故障の前兆を捉え、保守管理の最適化を図るものがある（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１０−５１９５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ポンプや圧縮機、製造装置、分析装置など、生産現場で活用される設備では、定期的な保守点検により、所定の性能を維持することで、安定した生産を行っている。しかし、これを実施するには、コストが嵩む上に、故障等の不具合を防止しきれるわけではなく、作業の遅れ等の損失を生んでいる。【０００７】
特許文献１は、パイプラインの構造劣化を予測するため、パイプラインに振動発生器と振動センサを装着し、その振動応答から劣化状態を診断する。しかし、センサの構成や設置場所、設置方法など対する具体的な配慮は記載されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を有する変形検知装置が提案される。ここで、本発明者は、圧電体を面内方向に引き伸ばすよりも厚み方向に折り曲げる方が、同じ力の印加によって圧電体の表面に現れる最大電位差を大きくとれる点に着目し、同原理の適用が可能な構成を有する変形検知装置を提案する。具体的には、本発明者は、静状態において圧電体の表面に出現する凹凸パターンに沿って電極を形成し、電位の変化特性が一致する電極どうしの間に現れる信号を大きくする手法を提案する。【０００９】
具体的には、「(1)被測定対象に貼り付けられる第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面とを有するフィルム状の弾性体であり、静状態において、前記第２の面は第１の方向に少なくとも１組の凹部と凸部を有する前記弾性体と、(2)前記第２の面の前記凹部の領域に形成される第１の電極と、(3)前記第２の面の前記凸部の領域に形成される第２の電極と、(4)前記弾性体の前記第２の面に沿って配置される第３の面と、前記第３の面に対向する第４の面とを有する厚みが均一なフィルム状の圧電体であり、前記弾性体に比してせん断弾性係数が高い前記圧電体と、(5)前記第４の面のうち前記第１の電極に対向する領域に形成される第３の電極と、(6)前記第４の面のうち前記第２の電極に対向する領域に形成される第４の電極と、を有する変形検知装置。」を提案する。また、本発明者は、前述の変形検知装置を用いる診断システムも提案する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、変形検知装置の設置場所や設置方法によらず被測定対象の変形（伸縮）を検知することができる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に係る検知装置の断面構成と、検知装置を構成する圧電体の上下面の電極構造を示す図。
【図２】実施例１に係る検知装置の電極間の接続構造を説明する図。
【図３Ａ】実施例１に係る検知装置に負荷が印加される前の最小単位構造の断面形状を示す図。
【図３Ｂ】実施例１に係る検知装置に負荷が印加された後の最小単位構造の断面形状を示す図。
【図４Ａ】実施例１に係る検知装置に負荷が印加される前の電位関係を説明する図。
【図４Ｂ】実施例１に係る検知装置に負荷が印加された後の電位関係を説明する図。
【図５Ａ】比較例に係る検知装置に負荷が印加される前の最小単位構造の断面形状を示す図。
【図５Ｂ】比較例に係る検知装置に負荷が印加された後の最小単位構造の断面形状を示す図。
【図６】実施例２に係る変形検知装置の回路構成を説明する図。
【図７】実施例２に係る変形検知装置の平面構成を説明する図。
【図８】実施例２に係る変形検知装置における検知装置の接続部分を説明する図。
【図９】実施例３に係る診断システムにおける変形検知装置の取り付け例を説明する図。
【図１０】実施例３に係る診断システムの構築例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本開示の実施例を説明する。後述する各実施例は一部構成の削除、相互の置換、組み合わせが可能である。本開示は、後述する実施例に限定解釈されるものではない。
【００１３】
（１）用語
まず、本明細書で使用する用語について説明する。
・被測定対象は、ポンプや圧縮機を組み込んだ生産装置だけでなく、分析装置、構造物なども含む広義の意味で使用する。例えば被測定対象は、装置や構造物のみならず、人体その他の動物も含んでいる。なお、具体例については後述する。
・被測定対象への変形検知装置の貼り付け位置には、例えば冷却水を集中配管系から装置に導入する部分、装置内に用いるゴム配管がある。
・圧電体は、被測定対象に貼り付けられる弾性体に比してせん断弾性係数が高い材料で形成されている。圧電体には、例えば圧電フィルム、ゲル膜、スパッタ膜を使用する。後述する実施例では有機圧電シートを使用する。
・弾性体は、ゴム弾性を有する材料（いわゆるゴム弾性体）で形成されている。後述する実施例ではゴム弾性シート（シリコーンゴム製のシート）を使用する。
・変形検知装置は、被測定対象との貼り付け面と同一内方向の変形を主な検出対象とする。なお、貼り付け面は、例えば装置の状態変化に伴う振動特性の変化が表れやすい部位、人や動物の心拍を計測し易い部位であることが好ましい。
・静状態とは、被測定対象が面方向に変形していない状態、すなわち被測定対象（又は弾性体）に面方向の負荷が加わっていない状態をいう。
・変形時とは、面方向に印加された負荷により被測定対象が面方向に変形している状態をいう。
・静状態において出現する凹凸パターン（凹部と凸部）は、必ずしも長手方向に連続的に配置される必要はなく、凹凸パターンを構成する凹部と凸部が一定間隔又は所定距離だけ離れて配置されていても良い。一定間隔又は所定距離は、検知したい変形が顕著に表れる位置に応じて定める。
【００１４】
（２）実施例１
（２−１）全体構成
図１に、本実施例に係る変形検知装置を構成する検知装置１０１の断面構造と、当該検知装置を構成する圧電体の上下面の電極構造を示す。検知装置１０１は、断面図（Ａ−Ａ’断面）に示すように、被測定対象に貼り付けられる下面側から順番に、ゴム弾性シート１０６、接着層（粘着層）１０５、電極１０７と電極１０８、有機圧電シート１０４、電極１０２と電極１０３、不図示の保護膜（補強材）を積層した構造を有している。すなわち、ゴム弾性シート１０６が底面側、有機圧電シート１０４が上面側である。保護膜により有機圧電シート１０４の長手方向の伸張量が制限され、有機圧電シート１０４の材質によらず、電極１０２、１０３、１０７、１０８の断線を抑制することができる。
【００１５】
有機圧電シート１０４とゴム弾性シート１０６は、いずれも均一な厚みを有するフィルム状の部材である。有機圧電シート１０４とゴム弾性シート１０６とは、その界面において接着層１０５を介して接着されている。このため、有機圧電シート１０４は、下地を構成するゴム弾性シート１０６の上面（特許請求の範囲おける第２の面）に現れる表面形状と相似の断面形状になる。断面図（Ａ−Ａ’断面）に示すように、ゴム弾性シート１０６の上面には、静状態において、凹部と凸部がゴム弾性シート１０６の長辺方向へ連続して繰り返す構造（凹凸パターン）が形成されている。なお、ゴム弾性シート１０６の短辺方向についての膜厚は同じである。従って、有機圧電シート１０４は、静状態において、ゴム弾性シート１０６の長手方向について凹部と凸部が列状に交互に並ぶ凹凸パターン（いわゆる波板パターン）を採る。有機圧電シート１０４に現れる凹部と凸部の高さＨは、ゴム弾性シート１０６が面内方向に拡張（伸張）する際の弾性変形により小さくなり、反対に縮小（圧縮）する際の弾性変形により大きくなる。
【００１６】
有機圧電シート１０４の上面側に形成される電極１０２及び１０３はいずれも櫛歯形状を有し、電極１０２を構成する複数の櫛歯状電極と、電極１０３を構成する複数の櫛歯状電極とは隙間を空けて互い違いに（すなわち入れ子状に）配列されている。検知装置１０１は、櫛歯形状の配列方向についての被測定対象の変形を検知対象とする。ここで、有機圧電シート１０４の表面側は、特許請求の範囲における第４の面に相当する。また、電極１０２は特許請求の範囲における第４の電極に相当し、電極１０３は特許請求の範囲における第３の電極に相当する。
【００１７】
有機圧電シート１０４の下面側に形成される電極１０７及び１０８も櫛歯形状を有し、電極１０７を構成する複数の櫛歯状電極と、電極１０８を構成する複数の櫛歯状電極とは隙間を空けて互い違いに（すなわち入れ子状に）配列されている。検知装置１０１は、櫛歯形状の配列方向についての被測定対象の変形を検知対象とする。ここで、有機圧電シート１０４の下面側は、特許請求の範囲における第３の面に相当する。また、電極１０７は特許請求の範囲における第２の電極に相当し、電極１０８は特許請求の範囲における第１の電極に相当する。
【００１８】
電極１０３と電極１０７とは有機圧電シート１０４を挟んで対面する位置に形成され、電極１０２と電極１０８とは有機圧電シート１０４を挟んで対面する位置に形成されている。図１の場合、電極１０３と電極１０７は有機圧電シート１０４の凸部の領域に形成され、電極１０２と電極１０８は有機圧電シート１０４の凹部の領域に形成される。４つの電極は、有機圧電シート１０４又は同一面内における隣接電極間の隙間によって電気的に分離（絶縁）されている。なお、電極１０２の一端には引出電極パッド１０９が接続され、電極１０３の一端には引出電極パッド１１０が接続され、電極１０７の一端には引出電極パッド１１１が接続され、電極１０８の一端には引出電極パッド１１２が接続されている。
【００１９】
本実施例の場合、図２に示すように、対角方向に位置する電極対（電極１０３と電極１０８、電極１０２と電極１０７）に対応する引出電極パッド間が配線によって接続されており、当該電極間に流れる電流又は電極間に発生する電圧を計測できるようになっている。図２では、２つの電圧計１２１が配置された例を表している。なお、計測する電流又は電圧は、図２に示す例のように２つの電極対に対応する値である必要は無く、一方の電極対に対応する値のみでも良い。このような配線とする理由については後述の説明により明らかになる。
【００２０】
なお、本実施例で用いられる有機圧電シート１０４は、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン共重合体、及び、フッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン共重合体の少なくとも１つを含み、せん断弾性係数Ｇが0.3〜4［GPa］程度の圧電材料を任意に採用できる。また、ゴム弾性シート１０６は、シリコーンゴムなど微細な型取りが容易な材料を用いて、被測定対象１１３に応じた硬度を選択して作製する。なお、ゴム弾性シート１０６のせん断弾性係数Ｇは、有機圧電シート１０４に比して小さい必要がある。
【００２１】
（２−２）最小単位の構成
図３Ａ及びＢを使用して、検知装置１０１の最小単位の構成を説明する。最小単位に対応する凹凸パターンは、１つの凹部と凸部で与えられる。図３Ａは、図１と同じく静状態（検知装置１０１に負荷が加わっていない状態）における形状を示し、図３Ｂは、被測定対象の変形時（変形検知装置１０１の長辺方向に負荷が加わってゴム弾性シート１０６が伸びた時）における形状を示す。
【００２２】
検知装置１０１を被測定対象１１３に貼り付けると、その表面の伸縮速度に比例した電流が電極１０３と電極１０８の間と、電極１０２と電極１０７の間を流れる。このため、これら２系統の電流から被測定対象１１３の伸縮速度（≒力の変化率）を検知することができる。
【００２３】
図３Ａのように、負荷が加わっていない状態においては、電極１０３の直下と電極１０８の直下に位置する有機圧電シート１０４の表面には曲がり（凸形状）に起因する引張応力が働いている。また、電極１０２の直下と電極１０７の直下に位置する有機圧電シート１０４の表面には曲りに（凹形状）起因する圧縮応力が働いている。以下では、これらの応力によって有機圧電シート１０４に生じる分極の方向を図４Ａのように規定する。すなわち、有機圧電シート１０４のうちゴム弾性シート１０６の側を負電荷（δ−）側、その反対側を正電荷（δ＋）側とする。
【００２４】
図４Ａ（静状態）では、引張応力が働く電極１０３の直下の正電荷（δ＋）と電極１０８の直下の負電荷（δ−）は応力がない状態より増加し、圧縮応力が働く電極１０２の直下の正電荷（δ＋）と電極１０７の直下の負電荷（δ−）は応力がない状態より減少している。
【００２５】
この状態から被測定対象１１３に対してゴム弾性シート１０６を長手方向に引き伸ばす力１１６が働いた場合（すなわち、図４Ｂの場合）、各電極の直下の電荷（δ）が本来の電荷δに戻ろうとする。すなわち、前述した電荷（δ）の増減方向とは逆方向に電荷（δ）が増減する。
【００２６】
例えば図４Ｂに示すように、電極１０３の直下の正電荷（δ＋）と電極１０８の直下の負電荷（δ−）がともに減少する方向に変化する。この際、電荷のバランスを保つように、図２に示す配線を通じ、電極１０３から電極１０８へ電子が流れ、電圧計１２１を構成する抵抗の両端に電圧が発生する。一方、電極１０２の直下の正電荷（δ＋）と電極１０７の直下の負電荷（δ−）がともに増加する方向に変化する。この際、電荷のバランスを保つように、図２に示す配線を通じ、電極１０７から電極１０２へ電子が流れ、電圧計１２１を構成する抵抗の両端に電圧が発生する。
【００２７】
本実施例における検知装置１０１は、これら２系統の電子の流れに起因して発生する電位の足し算結果（積算値）を、被測定対象１１３の伸縮速度（≒力の変化率）信号として出力する。なお、この出力形態は一例であり、これら２系統のうちいずれか一方の電位のみを伸縮速度信号として出力しても良い。
【００２８】
（２−３）ゴム弾性シート１０６による技術的効果
ここでは、ゴム弾性シート１０６による技術的効果について説明する。まず、ゴム弾性シート１０６が存在しない場合について検討する。検知装置１０１を貼り付けた被測定対象１１３が大きく変形する場合において、ゴム弾性シート１０６が存在しないと、有機圧電シート１０４の表面に形成された電極１０２、１０３、１０７、１０８や有機圧電シート１０４と被測定対象１１３との界面１１５に大きな力が働くことになる。
【００２９】
この事態を回避するため、本実施例では、有機圧電シート１０４と被測定対象１１３との間にゴム弾性シート１０６を配置している。本実施例では、有機圧電シート１０４のせん断弾性係数Ｇが4［GPa］程度であるのに対して、ゴム弾性シート１０６のせん断弾性係数Ｇは0.04［GPa］以下である。勿論、これらの数値は一例である。このように、ゴム弾性シート１０６のせん断弾性係数Ｇは、有機圧電シート１０４のせん断弾性係数Ｇの100分に1以下であるため、被測定対象１１３が大きく変形したとしてもゴム弾性シート１０６に発生する応力は有機圧電シート１０４を被測定対象１１３に直接貼り付ける場合よりも小さくすることができる。
【００３０】
また、例えばゴム弾性シート１０６の上面に、その長手方向に連続する凹凸パターンが形成されていない場合について検討する。この場合、被測定対象１１３が1％の伸びを示した場合でも、有機圧電シート１０４に伝達される歪は0.01%より小さくなる。これにより、有機圧電シート１０４の表面に形成された４つの電極に大きな歪が加わることを防ぐことができる。ただし、貼付界面に加わる応力の伝播を低減できるということは、検知装置１０１に対する入力も小さくなることを意味する。
【００３１】
この技術的課題の解決のため、本実施例では、ゴム弾性シート１０６の上面側に長手方向に連続する凹凸パターンを形成し、有機圧電シート１０４の表面の電極や貼付界面の負荷を抑えつつも、同時に、有機圧電シート１０４に加わる歪を増加させている。この凹凸パターン（ピッチＰと高さＨ）により、静状態の有機圧電シート１０４の両表面には、前述した応力に対応した初期歪が発生し、被測定対象１１３の伸びに伴い（有機圧電シート１０４が平坦状態へと戻る過程で）歪の大きさがゼロへと変化し、その変化が伸縮速度信号として電圧計１２１により計測される。
【００３２】
例えば、凸凹パターンのピッチＰが1［mm］の場合に波高さＨが0.04［mm］、ゴム弾性シート１０６の厚みが0.1［mm］の場合、初期歪は±0.16%となり、被測定対象１１３が1%伸びた場合に、有機圧電シート１０４の両表面の歪の大きさはゼロになる。このとき、有機圧電シート１０４は、元の平坦な状態に戻る。この時の歪の変化は、有機圧電シート１０４の寸法を揃えた場合、凹凸パターンが存在しない場合の16倍以上となり、センサの感度の向上につながる。センサを設計する際には、被測定対象１１３の最大伸び率からゴム弾性シート１０６の剛性率（硬度10〜70）や凹凸パターンのピッチＰと波高さＨを決定し、電極に加わる歪が0.2%以下となるようにしつつ、最大伸び率となった場合に有機圧電シート１０４が平坦化する力が加わるように設計する。
【００３３】
（２−４）比較例
比較例として、有機圧電シート１０４の上面と下面に全面電極を配置する場合について説明する。図５Ａは静状態（無負荷状態）における最小単位構成の形状を示し、図５Ｂは被測定対象１１３の長手方向に負荷が加わって伸びた状態における最小単位構成の形状を示す。この例の場合、全面電極であるので、上面側の凹部に位置する電極３０２と凸部に位置する電極３０３は導通しており、下面側の凹部に位置する電極３０７と凸部に位置する電極３０８は導通している。ここでは、上面側に配置される全面電極のうち凹部に対応する部分を電極３０２と呼び、凸部に対応する部分を電極３０３と呼ぶ。同様に、上面側に配置される全面電極のうち凹部に対応する部分を電極３０７と呼び、凸部に対応する部分を電極３０８と呼ぶ。
【００３４】
静状態の場合、凸部に位置する電極３０３の直下の有機圧電シート１０４の表面には曲がりに起因する引張応力が、凹部に位置する電極３０２の直下の有機圧電シート１０４の表面には圧縮応力が働いている。このため、引張応力の作用する領域部分の正電荷（δ＋）は応力がない状態より増加する一方、圧縮応力の作用する領域部分の正電荷（δ＋）は減少するが、これらの電極は互いに導通しているので、各電極に発生する正電荷（δ＋）の増減が相殺される。同様に、凹部に位置する電極３０７の直下の有機圧電シート１０４の表面には曲がりに起因する圧縮応力が、凸部に位置する電極３０８の直下の有機圧縮シート１０４の表面には曲がりに起因する引張応力が働いている。このため、圧縮応力の作用する領域部分の負電荷（δ−）は応力がない状態より減少する一方、引張応力の作用する領域部分の負電荷（δ−）は増加するが、これらの電極は互いに導通しているので、各電極に発生する負電荷（δ−）の増減が相殺される。
【００３５】
従って、静状態から被測定対象１１３に力１１６が働いて検知装置１０１の長手方向に伸びた状態に移行した時の各電極の直下の電荷δの変化も相殺される。もっとも、応力に対する電荷δの増減量は引張応力と圧縮応力では異なるので、本実施例の電極構成を有する場合の10分の１程度の信号は得られる。
【００３６】
（２−５）効果
本実施例によれば、検知装置１０１の装着状態に経時変化のない安定した計測が可能となる。また、検知装置１０１として有機圧電シート１０４を用いることで、これまで検知装置１０１を設置し難かった部位などの計測が可能となる。例えば装置の状態変化に伴う振動特性の変化が現れやすい部位に検知装置１０１を貼り付け、継続的に（リアルタイムで）収集されるデータを分析して危険な状態に至る前兆現象を検出し、予防処置を施し、装置の故障などによる生産の中断などによる損失を防ぐことができる。また、人の心拍を計測しやすい部位人体に検知装置１０１を貼り付けて、過剰な負荷が加わったことによる健康障害などを防ぐことができる。また、凹凸パターンが形成されたゴム弾性シート１０６の上面に有機圧電シート１０４を貼り付けることにより、凹凸パターンを有しない他の検知装置に比して、被測定対象１１３の変化を数倍した信号として検出することができる。
【００３７】
（３）実施例２       
図６に、検知装置１０１（センサ部）からの信号６０９を外部装置（外部リーダ（Ｒ／Ｗ）部６０１）に無線で取り出す変形検知装置６１０の回路構成を示す。もっとも、検知装置１０１（センサ部）からの信号６０９を外部装置に取り出す方法は、システムの信頼性やコストの影響を受ける。従って、有線通信方式により信号６０９を外部装置に取り出すこともできる。この場合は、後述するＲＦ部６０４に代えて有線通信部を使用する。無線通信方式により信号６０９を外部装置に取り出す利点は、被測定対象１１３に配線を繋がなくてよい点である。また、無線通信方式であれば、被測定対象１１３が動くことで配線接続部に加わる負荷による断線を回避でき、かつ、配線を引き回す手間を省くことでき、装着コストを削減しつつ、貼り付ける場所の自由度を上げることができる。
【００３８】
変形検知装置６１０は、センサ部としての検知装置１０１（図１）と、検査装置１０１から出力されるアナログ信号６０９（対角方向に位置する電極対間に現れる信号）からノイズ成分をカットして被測定対象１１３の振動信号のみを抽出し、その振動信号を増幅するアナログ部６０８と、アナログ部６０８で処理された振動信号６０７をサンプリング時間毎に数値化し、その数値を二進数に変換する制御部６０６と、制御部６０６から受け取った二進数（２値データ）６０５を通信規格に従って変換してアンテナ６０３から発信するＲＦ(Radio Frequency)部６０４とから構成される。ここでの二進数が、特許請求の範囲における検出データに相当する。なお、電圧計１２１はセンサ部１０１に実装されていても良いし、アナログ部６０８に含まれていても良い。
【００３９】
ＲＦ部６０４のアンテナ６０３は、外部リーダ（Ｒ/Ｗ）部６０１のアンテナ６０２から出力される電力を受け取る役目も担っている。ＲＦ部６０４は、受け取った電力で動作すると共に、当該電力を制御部６０６及びアナログ部６０８にも供給する。この回路構成では、二進数として、被測定対象１１３の表面の伸縮速度（≒力の変化率）に比例した電圧が出力されるが、アナログ部６０８以降のデータ処理系の何処かにチャージアンプ機能を追加することで、伸縮量（≒力）に比例した電圧を出力することもできる。
【００４０】
図７に、外部との通信に無線通信方式を使用する変形検知装置６１０を、矩形形状のゴム弾性シート１０６上に形成する場合の平面構成例を示す。すなわち、センサ部としての検知装置１０１（図１）、アナログ部６０８、制御部６０６、ＲＦ部６０４、アンテナ６０３を全てゴム弾性シート１０６上に実装する場合の構成例を示す。なお、ゴム弾性シート１０６の上面のうち、センサ部としての検知装置１０１（図１）が配置される領域部分のみ凹凸パターンが形成され、その他の領域部分は平坦に形成されている。この平坦面に、アナログ部６０８、制御部６０６、ＲＦ部６０４が貼り付けられる。
【００４１】
凹凸パターンが形成された領域部分には、上面と下面のそれぞれに２つずつ計４つの櫛歯状電極が形成された有機圧電シート１０４が貼り付けられている。その他の領域部分には、半導体製造技術を用いてシリコン基板上に形成されたアナログ回路６０８、制御部６０６、ＲＦ部６０４の各回路が貼り付けられている。被測定対象１１３の表面が曲面の場合には、回路が形成されるシリコンを薄膜化し、曲面に沿って貼り付けられるようにする。
【００４２】
なお、有機半導体の製造技術を使用して、樹脂シート上に印刷技術を用いて回路を形成しても良い。例えば有機圧電シート１０４も分極処理をしなければ、圧電性を持たない樹脂シートとなる。そこで、検知装置１０１を配置する領域部分にのみ分極処理を施し、その他の圧電性を持たない領域部分には回路を印刷によって形成しても良い。
【００４３】
また、検知装置１０１のみをゴム弾性シート１０６上に配置し、アナログ部６０８、制御部６０６、ＲＦ部６０４、アンテナ６０３は電子回路基板に実装しても良い。このように、検知装置１０１と電子回路基板とを別の基体上に形成する場合には、図８に示すようなフレキシブル配線８０１を介して接続すれば良い。フレキシブル配線８０１の配線帳を長くすれば、曲面部に検知装置１０１を貼り付ける一方で、局面部から離れた平坦部に電子回路基板を貼り付けることができ、使い方の自由度を向上することができる。
【００４４】
この場合、検知装置１０１とフレキシブル配線８０１とは、ワイヤボンディンクではなく面接触により接続する。具体的には、検知装置１０１の上面側に設けられた引出電極パッド１０９（電極１０２用）と引出電極パッド１１０（電極１０３用）とを、低融点半田、異方性導電シート、Ａｇペーストなどを用いた面接触により、フレキシブル配線８０１側の電極８０２と電極８０３に電気的に接続する。また、検知装置１０１の下面側に設けられた引出電極パッド１１１（電極１０７用）と引出電極パッド１１２（電極１０８用）とを、同様の手法でフレキシブル配線８０１側の不図示の２つの電極に電気的に接続する。
【００４５】
有機圧電シート１０４は、80℃程度の比較的低い温度で圧電性が劣化するため、配線接続後に分極処理ができない場合には、室温硬化型のＡｇペーストなどを用いて、有機圧電シート１０４の許容温度以下で電気的に接続する。なお、有機圧電シート１０４を電子回路基板と接続して用いる場合には、電子回路基板を取りつける足場となる部分が被測定対象１１３に必要となるが、前述した通り、フレキシブル配線８０１の配線帳を長くすることで、無線を用いた変形検知装置６１０と電子回路基板の設置位置を離すことにより、その不便さを解消することができる。
【００４６】
（４）実施例３
図９に、被測定対象１１３としての装置への変形検知装置６１０Ａ、６１０Ｂの装着例を示す。勿論、変形検知装置６１０Ａ及び６１０Ｂは、無線通信方式により外部装置と通信する。図９では、装置カバー（筐体）に変形検知装置６１０Ａを貼り付ける一方、廃液が流れる配管９０３に変形検知装置６１０Ｂを貼り付けている。なお、排水は、配管９０３を通って排水孔９０４に吐出される。これにより、変形検知装置６１０Ａ及び６１０Ｂは、被測定対象１１３としての装置が稼働している時の各部の振動を計測することができる。
【００４７】
装置カバーに貼り付けられた変形検知装置６１０Ａは、被測定対象１１３の振動が通常と異なる状態になっているかを監視する目的で貼り付けられており、配管９０３に貼り付けられた変形検知装置６１０Ｂは、配管９０３の振動状態から排水系に異常が発生していないか、配管９０３が暴れて排水孔９０４から飛び出したりしていないかを監視する目的で貼り付けられている。この例の場合、変形検知装置６１０Ａと６１０Ｂからそれぞれ無線で送信された信号は、中継器９０１により一端集められ、その後、集中管理装置（不図示）へと転送される。ここでの変形検知装置６１０Ａ、６１０Ｂと、集中管理装置とで診断システムが構成される。検出データに基づく被測定対象１１３の状態の監視は集中管理装置が実行する。
【００４８】
この診断システムの場合、受信した検出データが、どの変形検知装置６１０Ａ、６１０Ｂから送られてきたデータか区別できなければ、被測定対象１１３の状態を診断することができない。このため、個々のデータには、変形検知装置６１０Ａ、６１０Ｂの取り付け場所や装置ＩＤを示すタグ信号をアナログ部６０８、制御部６０６、ＲＦ部６０４の何れかの信号処理系にて付与する。なお、装置ＩＤを付与する場合には、取付位置との対応関係を記録したテーブル情報が集中管理装置等に格納されている必要がある。
【００４９】
なお、図９では、排水が流れる配管９０３を被測定対象１１３としているが、同様の方式で冷却水を監視しても良い。例えば、冷却水に気泡が混入していると、本来の冷却性能が得られないだけでなく、気泡の存在により流体から配管９０３に加わる慣性力が変化するため、配管９０３の振動が大きくなり、配管９０３の劣化が加速される。そのため、冷却水に気泡が混入していない安定状態にあることをモニタリングすることは重要であり、配管９０３に変形検知装置６１０を貼り付けることの意義は大きい。また、冷却水を集中配管から個別の装置に引き込む部分や装置内部には、折り曲げが容易なゴム配管が使われることが多く、折り曲げられたゴム配管表面に数％の歪が加わるだけでなく、装置の立ち上げ時などの冷却水の流し始めにおいて、装置を停止している間に冷却系内部に付着した気泡がゴム配管内を流れて、大きく振動するなど、冷却系に不具合がなくてもそこに貼り付けた変形検知装置６１０には大きな歪が加わることが多い。このことから装置へ冷却水を導入する配管系や装置内部の配管系など、ゴム配管が使われている部分に使うことが可能な変形検知装置６１０は非常に有用である。
【００５０】
また、変形検知装置６１０は、装置の監視に使用する用途以外にも用いることができる。例えば、皮膚に貼り付けて、人体に加わっている負荷を計測する用途にも用いることができる。伸縮性の高い皮膚に貼り付けた変形検知装置６１０には大きな歪が加わるため、負荷の計測には有用である。この場合の計測対象は、人体のバイタルデータになるが、特に、心拍や呼吸などのデータは、人が感じているストレスを推定するのに適しており、２４時間連続して心拍信号を取ることで、どういった環境に対してストレスを感じているかなどの分析をすることで生活の改善を図ることが可能となる。また、膝や肘といった関節部に貼り付けることで、従来の加速度センサを用いた活動量計などのデータに無線を用いた変形検知装置６１０のデータを付与することで、より詳細な運動量データを取得できるようになり、生活管理の質を向上させることが可能となる。
【００５１】
図１０に、生産ラインの監視に使用する診断システム１００４の全体構成例を示す。なお、図１０は、変形検知装置６１０Ａ〜６１０Ｅが有線通信方式で中継器９０１Ａに接続され、変形検知装置６１０Ｆ〜６１０Ｊが中継器９０１Ｂに接続され、中継器９０１Ａ及びＢを通じて集中管理装置１００３と通信する場合について表している。集中管理装置１００３は、個々の被測定対象１１３における正常稼働時のデータを記憶する記憶装置１００３Ａと、個々の変形検知装置６１０Ａ〜６１０Ｊから入力される検出データと正常稼働時のデータとの比較結果に基づいて被測定対象１１３の状態を判定する処理部１００３Ｂと、個々の変形検知装置６１０Ａ〜６１０Ｊからの受信した検出データを格納する不図示の記憶装置とで構成される。もっとも、このシステム構成は無線通信方式で外部と通信する場合にも適用できる。無線通信方式を採用する場合には、マルチホップ方式による通信が一般に用いられる。
【００５２】
生産ラインには、製造装置や生産品を管理する分析装置など監視対象とする複数の装置が存在する。それらを一つの中継器で管理することは困難となる。その場合には、装置毎に個別のタグ（装置ＩＤ）を持った中継器９０１を設け、中継器９０１のタグと変形検知装置６１０のタグ（取り付け場所や装置ＩＤ）の組み合わせにより、どの変形検知装置６１０からのデータかを管理する。
【００５３】
図１０の例では、変形検知装置６１０Ａ〜６１０Ｅまでのデータは中継器９０１Ａが収集し、変形検知装置６１０Ｆ〜６１０Ｊまでのデータは中継器９０１Ｂが収集し、その後、変形検知装置６１０Ａ〜Ｊのタグに中継器９０１Ａ又は９０１Ｂのタグを付加した識別可能な合成タグ（例えば（９０１Ａ，６１０Ａ）等）を付けて、集中管理装置１００３にデータを送信する。すなわち、２台の中継器９０１Ａ及び９０１Ｂを用いて、１０個の変形検知装置６１０Ａ〜６１０Ｊからのデータを集中管理装置１００３に送信し、被測定対象１１３とする複数の装置の状態を診断する診断システム１００４を示している。
【００５４】
また、複数の変形検知装置６１０が秩序なく信号を送信すると混信等の問題を起こすため、中継器９０１から命令を受けた変形検知装置６１０のみが規格化された長さの信号を送信する、又は、中継器９０１毎にデータを乗せる搬送波を変える仕組みを採用するなどすることが好ましい。
【００５５】
（５）応用装置例
前述の実施例で説明した変形検知装置６１０は、前述の通り、様々な用途に適用することができる。例えば変形検知装置６１０は、酸化炉、スパッタ、ダイサーなどの冷却水を流す装置の配管に設置することができる。また、変形検知装置６１０は、生化学自動分析装置やエッチング装置などの液体を流す装置の配管に設置することができる。また、変形検知装置６１０は、人体やペット動物に貼り付けることができ、これにより体温、心拍、湿り気等を計測する健康管理システムを構築することができる。さらに、変形検知装置６１０は、ペットのシーツなどの柔軟性の高いものへの組み込む又は貼り付けるこができ、これにより、見守り対象の状態を間接的にモニタリングする見守りシステムを構築することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０１…検知装置
１０２…有機圧電シートの上面側の電極
１０３…有機圧電シートの上面側の電極
１０４…有機圧電シート
１０５…接着層
１０６…ゴム弾性シート
１０７…有機圧電シートの下面側の電極
１０８…有機圧電シートの下面側の電極
１０９…有機圧電シートの上面側の引出電極パッド
１１０…有機圧電シートの上面側の引出電極パッド
１１１…有機圧電シートの下面側の引出電極パッド
１１２…有機圧電シートの下面側の引出電極パッド
１１３…被測定対象
１１４…有機圧電シートとゴム弾性シートの接着界面
１１５…ゴム弾性シートと計測対象装置の接着界面
１１６…計測対象装置に加わる力
６０１…外部リーダ（Ｒ/Ｗ）部
６０２…アンテナ（リーダ側）
６０３…アンテナ（変形検知装置側）
６０４…ＲＦ部
６０５…ＲＦ部から制御部へ向かう信号と電力と制御部からＲＦ部へ向かう信号
６０６…制御部
６０７…アナログ部から制御部へ向かう信号と制御部からアナログ部へ向かう電力
６０８…アナログ部
６０９…センサ部からアナログ部へ向かう信号
６１０…変形検知装置
６１０Ａ…変形検知装置Ａ
６１０Ｂ…変形検知装置Ｂ
６１０Ｃ…変形検知装置Ｃ
６１０Ｄ…変形検知装置Ｄ
６１０Ｅ…変形検知装置Ｅ
６１０Ｆ…変形検知装置Ｆ
６１０Ｇ…変形検知装置Ｇ
６１０Ｈ…変形検知装置Ｈ
６１０Ｉ…変形検知装置Ｉ
６１０Ｊ…変形検知装置Ｊ
８０１…フレキシブル配線
８０２…フレキシブル配線の電極１
８０３…フレキシブル配線の電極２
９０１…中継器
９０３…廃液用の配管
９０４…排水孔
１００１Ａ…変形検知装置Ａの制御／センサ信号および電力の流れ
１００１Ｂ…変形検知装置Ｂの制御／センサ信号および電力の流れ
１００１Ｃ…変形検知装置Ｃの制御／センサ信号および電力の流れ
１００１Ｄ…変形検知装置Ｄの制御／センサ信号および電力の流れ
１００１Ｅ…変形検知装置Ｅの制御／センサ信号および電力の流れ
１００１Ｆ…変形検知装置Ｆの制御／センサ信号および電力の流れ
１００１Ｇ…変形検知装置Ｇの制御／センサ信号および電力の流れ
１００１Ｈ…変形検知装置Ｈの制御／センサ信号および電力の流れ
１００１Ｉ…変形検知装置Ｉの制御／センサ信号および電力の流れ
１００１Ｊ…変形検知装置Ｊの制御／センサ信号および電力の流れ
１００３…集中管理装置
１００３Ａ…記憶装置
１００３Ｂ…処理部
１００４…診断システム
【図１】
2017065074.tif 000003
【図２】
2017065074.tif 000004
【図３Ａ】
2017065074.tif 000005
【図３Ｂ】
2017065074.tif 000006
【図４Ａ】
2017065074.tif 000007
【図４Ｂ】
2017065074.tif 000008
【図５Ａ】
2017065074.tif 000009
【図５Ｂ】
2017065074.tif 000010
【図６】
2017065074.tif 000011
【図７】
2017065074.tif 000012
【図８】
2017065074.tif 000013
【図９】
2017065074.tif 000014
【図１０】
2017065074.tif 000015
【国際調査報告】
2017065074.tif 000016
2017065074.tif 000017
2017065074.tif 000018
2017065074.tif 000019