(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電フィルム、前記圧電フィルムの一方の主面に積層された信号電極層、および、前記圧電フィルムの他方の主面に積層された接地電極層を含む圧電素子と、
前記圧電素子の一方の主面側に形成された吸水性粘着層とを備え、
前記吸水性粘着層は、吸水材層と、該吸水材層の前記圧電素子と反対側の主面に積層された透湿性を有する粘着剤層とから構成される、圧電センサ。
【請求項２】
前記吸水性粘着層は、吸水性を有する粘着剤組成物からなる単層である、請求項１に記載の圧電センサ。
【請求項３】
前記信号電極層および前記接地電極層は、耐腐食性の金属からなる、請求項１または２に記載の圧電センサ。
【請求項４】
前記吸水性粘着層の厚さが０．６ｍｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電センサ。
【請求項５】
前記吸水材層の厚さが０．５ｍｍ以下である、請求項１に記載の圧電センサ。
【請求項６】
生体に貼り付けた状態で使用される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサおよびアクチュエータ等に用いられる一般的な圧電素子の構造としては、圧電体層を２つの電極層で挟んだ構造が知られている。圧電素子では、圧電素子に加えられた応力等の物理的信号が電気的信号に変換されて（正圧電効果）、電極から出力されるか、あるいは、圧電素子に入力された電気的信号が物理的信号に変換される（逆圧電効果）。【０００３】
近年、電子機器の小型化に伴い、センサ等に用いられる圧電素子も小型化、軽量化が求められている。この要求に応えるものとして、フィルム状の基材に薄膜化した圧電体層を形成した圧電素子、または、圧電性をもつフィルム材料による圧電素子の開発が進められている。【０００４】
さらに、このような圧電素子を用いた圧電センサは、生体に貼り付けた状態で、その圧電センサが貼り付けられた部位の圧力変化を検出し、生体の各部位に生じる動きを測定するためのセンサとして、応用することが検討されている。【０００５】
圧電センサを生体に貼り付ける方法としては、種々の粘着剤等を用いて圧電センサを生体に密着させる方法が挙げられる（例えば、特許文献１（特許第４６７４３６３号公報）参照）が、この場合、粘着剤が密着した生体部位が汗等の水分により蒸れた状態となり、生体に不快感が生じると共に、該部位の皮膚にかぶれ等が生じたり、圧電センサが剥がれやすくなったりするという問題がある。通常、圧電センサを貼り付けた状態は長時間続く場合が多いため、これらの問題は、実用面において重要な問題である。【０００６】
なお、特許文献２（特開２０１１−４５４９４号公報）には、創傷部位を治療するために生体の皮膚に貼り付けられる創傷被覆材において、粘着剤として用いられるハイドロコロイド型組成物が開示され、この組成物は、水や創傷部位からの浸出液を吸収できる旨記載されている。しかし、該組成物を絆創膏等の創傷被覆材以外に用いることは想定されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４６７４３６３号公報
【特許文献２】特開２０１１−４５４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、生体に貼り付けた状態で使用する場合に、汗などの水分による剥がれを抑制し、生体に生じる不快感や生体への悪影響を低減できる圧電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】
【０００９】
［１］  圧電フィルム、前記圧電フィルムの一方の主面に積層された信号電極層、および、前記圧電フィルムの他方の主面に積層された接地電極層を含む圧電素子と、
前記圧電素子の一方の主面側に形成された吸水性粘着層とを備えることを特徴とする、圧電センサ。【００１０】
［２］  前記吸水性粘着層は、吸水材層と、該吸水材層の前記圧電素子と反対側の主面に積層された透湿性を有する粘着剤層とから構成される、上記［１］に記載の圧電センサ。【００１１】
［３］  前記吸水性粘着層は、吸水性を有する粘着剤組成物からなる単層である、上記［１］に記載の圧電センサ。【００１２】
［４］  前記信号電極層および前記接地電極層は、耐腐食性の金属からなる、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の圧電センサ。【００１３】
［５］  前記吸水性粘着層の厚さが０．６ｍｍ以下である、上記［１］〜［４］のいずれかに記載の圧電センサ。【００１４】
［６］  前記吸水材層の厚さが０．５ｍｍ以下である、上記［２］に記載の圧電センサ。【００１５】
［７］  生体に貼り付けた状態で使用される、上記［１］〜［６］のいずれかに記載の圧電センサ。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、生体に貼り付けた状態で使用する場合に、汗などの水分による剥がれを抑制し、生体に生じる不快感や生体への悪影響を低減できる圧電センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態１の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。
【図２】実施形態２の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。
【図３】実施形態３の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。
【図４】実施例１で、シリコーン樹脂層と吸水性粘着槽の合計の厚さが０．１ｍｍの場合における脈拍測定時の信号強度の変化を示すグラフである。
【図５】実施例１で、シリコーン樹脂層と吸水性粘着槽の合計の厚さが０．５ｍｍの場合における脈拍測定時の信号強度の変化を示すグラフである。
【図６】実施例１で、シリコーン樹脂層と吸水性粘着槽の合計の厚さが１．５ｍｍの場合における脈拍測定時の信号強度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の圧電センサは、圧電素子と、圧電素子の一方の主面側に形成された吸水性粘着層とを備える。
【００１９】
（圧電素子）
「圧電素子」は、少なくとも、圧電フィルム、圧電フィルムの一方の主面に積層された信号電極層、および、圧電フィルムの他方の主面に積層された接地電極層を含む。「圧電フィルム」は、例えば、絶縁性フィルム、および、該絶縁性フィルムの一方の主面に積層された圧電体層から構成される。また、「圧電体フィルム」は、圧電性を有するフィルム素材によって構成されるものであってもよい。
【００２０】
圧電フィルムは薄型（フィルム状）の部材であり、それを含む圧電素子も薄型（フィルム状）であることが好ましい。圧電センサ全体としても、薄型（フィルム状）の圧電センサであることがより好ましい。
【００２１】
絶縁性フィルムは、通常は可撓性を有するフィルムであり、軽量で、取り扱い易いといった特徴を有する高分子を主成分とするフィルムであることが好ましい。絶縁性フィルムの主成分として用いられる高分子は、特に限定されるものではないが、例えば、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂であり、好ましくは、耐熱性、絶縁破壊強度、機械的強度に優れるポリイミド系樹脂である。
【００２２】
圧電体層の構成材料は、圧電性を有する物質であれば特に限定されるものではないが、例えば、ウルツ鉱型構造を有する化合物やペロブスカイト構造（ＡＢＯ３）を有する複合酸化物（ペロブスカイト系複合酸化物）を主成分とする材料を用いることができる。
【００２３】
ウルツ鉱型構造を有する化合物としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛またはヨウ化銀が挙げられる。
【００２４】
ペロブスカイト系複合酸化物のペロブスカイト構造（ＡＢＯ３）のＡサイトとしては、例えば、Ｐｂ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｌａ，ＬｉおよびＢｉの中から選択される少なくとも１種の元素を採用することができる。ペロブスカイト構造（ＡＢＯ３）のＢサイトとしては、例えば、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｗ，Ｎｂ，Ｓｂ，ＴａおよびＦｅの中から選択される少なくとも１種の元素が採用される。
【００２５】
このようなペロブスカイト系複合酸化物の具体例としては、チタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３］（ＰＺＴともいう）、ニオブ酸タンタル酸カリウム［Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３］、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３［チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）など］、等が挙げられる。
【００２６】
圧電体層の形成方法としては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、コーティング法や、ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法等の化学蒸着法が知られており、その中から好ましいものを適宜選択することができる。
【００２７】
圧電体層の膜厚は、好ましくは０．１〜１００μｍであり、より好ましくは０．５〜３０μｍである。すなわち、厚みが０．１μｍ未満では、例えばセンサやアクチュエータ等に用いた場合に十分な出力が得られにくく、逆に１００μｍを超えると柔軟性が乏しくなりクラックや剥離を引き起こす恐れがある。
【００２８】
信号電極層は、圧電体層で発生した電気信号を出力するための電極からなる膜状の層であり、アンプに電気的に接続されることが好ましい。また、接地電極層は、通常、信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成される。
【００２９】
信号電極層および接地電極層の材料としては、例えば、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、ＣｕまたはＳｎ等の金属やこれらの合金から構成される導電性材料、または、金属酸化物や金属窒化物を含む導電性材料を用いることができる。
【００３０】
信号電極層および接地電極層は、耐腐食性の金属からなることが好ましい。これにより、電極の腐食による圧電センサの特性劣化が少なく、信頼性の高い圧電センサを得ることができる。耐腐食性の金属としては、例えば、Ｔｉや貴金属（Ｐｔなど）が挙げられる。
【００３１】
信号電極層および接地電極層の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、塗布処理、メッキ法またはスパッタリング法や、真空蒸着法等の物理蒸着法を用いることができる。なお、接地電極層は、他にも、例えば、上記材料からなる薄膜を積層することで形成してもよい。
【００３２】
（吸水性粘着層）
「吸水性粘着層」は、所望の水分（生体の汗など）を吸収することができ、水分を吸収した後においても所望の粘着性を有する層である。吸水性粘着層の吸水能力は、好ましくは２４時間後の重量吸水率が１００％以上であり、より好ましくは３００％以上である。
【００３３】
吸水性粘着層の厚さは、生体から発せられる振動等の圧力信号を減衰しないように、十分に薄いことが好ましい。具体的な吸水性粘着層の厚さは、好ましくは０．６ｍｍ以下であり、より好ましくは０．１〜０．４ｍｍである。なお、吸水性粘着層および圧電素子の厚さの合計は、好ましくは１ｍｍ以下であり、より好ましくは０．２〜０．５ｍｍである。
【００３４】
吸水性粘着層の一例としては、吸水材層と、該吸水材層の圧電素子と反対側の主面に積層された粘着剤層とから構成される２層構造の粘着層が挙げられる。この場合において、通常、粘着剤層は、透水性を有する材料から構成されるか、または、複数の貫通孔が設けられている。
【００３５】
吸水材層を構成する材料としては、例えば、ハイドロコロイド、ハイドロゲルが挙げられる。吸水材層の厚さは、好ましくは０．５ｍｍ以下であり、より好ましくは０．１〜０．４ｍｍである。吸水材層の厚さが０．５ｍｍを超える場合、吸水性粘着層の厚さが厚くなり、生体から発せられる振動等の圧力信号が減衰されやすくなる。一方、吸水材層の厚さが０．１ｍｍ未満の場合は、十分な吸水性が得られにくい。
【００３６】
粘着剤層を構成する材料としては、例えば、アクリル系粘着剤が挙げられる。粘着剤層の厚さは、好ましくは０．１ｍｍ以下であり、より好ましくは０．０３ｍｍ以下である。
【００３７】
吸水性粘着層の他の例としては、吸水性を有する粘着剤組成物からなる単層構造の粘着剤層が挙げられる。吸水性を有する粘着剤組成物としては、例えば、特許文献２に開示されるハイドロコロイド型粘着剤組成物が挙げられる。
【００３８】
本発明の圧電センサは、例えば、変位信号、音声信号などの物理信号を計測するためのセンサとして用いられる。圧電センサは、特に、生体に貼り付けられた状態で使用されるセンサとして好適に用いられる。なお、本発明の圧電センサと同様の構成を有する部材をアクチュエータとして用いることもできる。
【００３９】
以下、本発明の圧電素子の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００４０】
（実施形態１）
図１は、実施形態１の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。図１を参照して、本実施形態の圧電センサの一部を構成する圧電素子１は、圧電フィルム１１と、その両主面に積層された２つの電極層１２，１３とから構成される。圧電フィルム１１は、絶縁性フィルム、および、絶縁性フィルムの一方の主面に積層された圧電体層から構成されている。なお、圧電フィルム１１の一方の主面に積層される電極層１２が信号電極層となり、圧電フィルム１１の他方の面に積層される電極層１３が接地電極層となる。電極層１２は、引き出し配線４１に、電極層１３は引き出し配線４２に電気的に接続されている。ただし、信号電極層と接地電極層とは電気的に接続されていない。
【００４１】
電極層１２，１３（信号電極層および接地電極層）は、耐腐食性の金属（チタンや白金など）から構成されている。このため、吸水材層２１が汗などの水分を吸収しても電極層１２，１３（特に、吸水材層２１と接している電極層１３）が錆び難く、圧電センサの特性が劣化し難い。
【００４２】
本実施形態の圧電センサは、圧電素子１の一方の主面上に吸水性粘着層２を備えている。なお、圧電素子１の他方の主面上には、シリコーンゴムやＰＥＴフィルムなどから構成されるカバーフィルム３を備えている。なお、このようなカバーフィルムを設ける代わりに、例えば、圧電素子１全体をゴムモールド等の保護部材で被覆してもよい。
【００４３】
吸水性粘着層２は、圧電素子１に接した吸水材層２１と、吸水材層２１の圧電素子１と反対側の主面に積層された粘着剤層２２とから構成される２層構造の粘着層である。ここで、吸水性粘着層２（吸水材層２１）の厚さを適切な薄さ（例えば、０．５ｍｍ以下）にしているため、皮膚が発した物理的信号を感度良く検出することができる。
【００４４】
吸水材層２１の材質は、例えば、所望の吸水性を有するハイドロコロイドである。吸水材層２１が汗などの水分を吸収するため、生体に貼り付けた圧電センサが剥れにくく、圧電センサを貼り付けた生体部位が蒸れにくくなる。
【００４５】
粘着剤層２２は、透湿性を有する粘着剤層である。これにより、汗などの水分を吸水材層２１で吸収することが可能となる。透湿性を有する粘着剤層としては、例えば、メッシュ状の粘着剤層（メッシュ等の多孔性基材と粘着剤を含む層）を用いることができ、粘着剤としてはアクリル系の粘着剤を用いることができる。また、透湿性を有するゲルからなる粘着剤層や、複数の貫通孔を有する粘着剤層などを用いることもできる。
【００４６】
なお、例えば、人体の喉頭隆起の皮膚表面に圧電センサを貼り付けるような場合は、粘着剤層２２にスリット等を設けることで、粘着剤層が皮膚の表面の凹凸に適合するようにすることが好ましい。
【００４７】
なお、使用前の圧電センサにおいて、粘着剤層２２（吸水性粘着層２）の圧電素子１と反対側の表面には、通常、剥離紙（図示せず）が剥離可能なように貼り付けられおり、使用前の吸水性粘着層２の表面を保護している。
【００４８】
本実施形態の圧電センサは、吸水材層２１を含む吸水性粘着層２を介して生体に貼り付けられるため、生体に貼り付けた状態で使用する場合に、汗などの水分による剥がれを抑制し、生体に生じる不快感や生体への悪影響を低減できる圧電センサを提供することができる。
【００４９】
（実施形態２）
図２は、実施形態２の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。本実施形態は、アンプ一体型の圧電センサである。すなわち、図２に示されるように、シールドケース５３の内部にアンプ５２が搭載されたアンプ基板５１（プリント基板）が、カバーフィルム３の圧電素子１と反対側に積層されている。圧電フィルムの上側の電極層１２（信号電極層）は、アンプ基板５１の入力端子に導電性接着剤６で接合されている。その他の点は、実施形態１と同様である。
【００５０】
アンプ５２は、信号電極層（電極層１２）からの電気信号を増幅する機能を有しており、電子回路に用いられる種々公知のアンプ（増幅器）を用いることができる。シールドケース５３は、信号電極層と電気的に接続されておらず、接地された導体から構成される。このシールドケース５３により、アンプ５２に電磁ノイズが混入することを抑制できる。また、圧電素子１とアンプ５２が近接しているため、アンプ５２で増幅される前の電気信号に、電磁ノイズが混入することを抑制できる。なお、ゴムモールドなどの保護部材で圧電センサを被覆する場合は、アンプも保護部材で被覆することで、電気信号への電磁ノイズの混入をさらに抑制することができる。
【００５１】
また、使用時に、アンプも吸水性粘着層で生体に貼り付けて支持されることになるため、アンプと圧電素子の電極層との接合部にかかるストレス（外部応力）が緩和され、該接合部における断線等を抑制することができる。
【００５２】
（実施形態３）
図３は、実施形態３の圧電センサの構成を説明するための断面模式図である。本実施形態では、図３に示されるように、圧電素子１を構成する圧電フィルム１１および一方の電極層１３が折り曲げられた形状である点で実施形態１と異なるが、それ以外は実施形態１と同様である。
【００５３】
このように、本実施形態の圧電センサは、圧電素子１が電極層１３に覆われた構造を有しているため、圧電素子が電磁的にシールドされ、電磁ノイズの影響を受けにくくなるため、圧電センサの感度が向上する。なお、このような圧電素子１は、圧電フィルム１１と電極層１２，１３の積層体を折り曲げることにより、製造することができる。
【００５４】
また、内側の電極層１２が圧電フィルム１１で覆われているため、内側の電極層１２の材料として、耐腐食性の低い金属を用いることもできる。耐腐食性の高い金属材料としては、ＴｉやＰｔ等の貴金属が挙げられるが、Ｔｉは導電率が低く、貴金属は高価であるという問題があるが、本実施形態は、耐腐食性は低いものの導電率が高く安価なＣｕ等を電極材料として選択することができるため、圧電センサの感度を向上させることができ、製造コストを低減することができる。
【実施例】
【００５５】
（実施例１）
本実施例では、実施形態１と同様の構成を有する圧電センサを作製し、吸水材層２１の厚さを０．１ｍｍ、０．５ｍｍおよび１．５ｍｍと変化させたときの圧電センサで生じる信号強度の変化を調べる試験を行った。【００５６】
圧電素子１としては、ＰＥＴフィルム上に窒化アルミを成形したフィルムを用いた。吸水材層は、上記のとおり厚さが０．１ｍｍ、０．５ｍｍおよび１．５ｍｍの２種類のものを用意した。粘着剤層２２としては、アクリル系粘着剤によって厚さ０．０５ｍｍの粘着剤層を形成した。カバーフィルム３としては、ポリオレフィンフィルムを用いた。これらの部材を積層し、電極層１２に引き出し配線４１を接続し、電極層１３に引き出し配線４２を接続して、圧電センサを作製した。【００５７】
このようにして得た圧電センサを、粘着剤層で人体の手首の皮膚表面に貼り付け、脈拍により圧電素子で発生する電気信号を測定した。この測定では、オペアンプを用いたチャージアンプを接続して信号強度（電圧）を測定した。【００５８】
シリコーン樹脂層（吸水材層）の厚さが０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１．５ｍｍの場合における脈拍測定時の信号強度の変化を示すグラフをそれぞれ図４〜図６に示す。図４〜図６から、吸水材層（吸水性粘着層）の厚さが薄い程、信号強度が強くなっており、圧電センサの感度が高くなることが分かる。【００５９】
今回開示された実施形態および実施例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。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、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】
【００６０】
１  圧電素子、１１  圧電フィルム、１２，１３  電極層、２  吸水性粘着層、２１  吸水材層、２２  粘着剤層、３  カバーフィルム、４１，４２  引き出し配線、５１  アンプ基板、５２  アンプ、５３  シールドケース、６  導電性接着剤。
【図１】
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【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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