(57)【要約】【課題】少子高齢化の進行によって、介護が必要な人が増加すると同時に、介護する人が不足している。介護人の起き上がりの見守りや、脈拍数、無呼吸モニタ、血圧など検出する低価格の各種のセンサの開発により、介護する人の作業を支援することを課題とする。【解決手段】抵抗とコイルと二つのＰＶＤＦ圧電素子を重ね合わせて一対にしたＰＶＤＦ圧電素子で構成した直列共振回路に、ＰＶＤＦ圧電素子の電圧の周波数を共振周波数近傍の一定周波数で一定振幅の正弦波電流で励振した。一対の圧電素子は外力の増減に応じて周波数が移動する。これに対応して、簡単な回路で差動出力電圧が得られ、検出感度も高いセンサが提供できる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子圧電材料からなり外部からの荷重または力を受ける２つの圧電素子（１）、（２）を重ね合わせた一対構成と、電極（４）、（５）の間に誘電体のポリエステル絶縁膜（８）、（９）から成る静電容量を並列接続した圧電素子（１）と、一対の圧電素子の電圧を急峻化する抵抗（１１）、コイル（１２）と、前記一対の圧電素子（１）、（２）の電圧を共振できる正弦波発生電源（１３）により、両者は僅かの共振周波数に差異が生じ、一対の圧電素子に荷重または力が加わったとき、圧電素子の電圧の周波数特性が変化し、両素子間電圧が差動電圧出力で検出でき、荷重または力の大きさを検出する検出手段（１４）を備えることを特徴とする荷重測定装置。
【請求項２】
前記荷重測定装置の一対のＰＶＤＦ圧電素子の共振周波数に差異を生じる手段として、電極を絶縁する目的の薄膜を誘電体とし、素子を一対化にすることでＰＶＤＦ圧電素子電極間に静電容量が形成され、これをＰＶＤＦ圧電素子の片方に付加することを特徴とする請求項１の荷重測定装置、
【請求項３】
前記一対のＰＶＤＦ圧電素子の共振周波数は僅かに差異が生じているので、一対の圧電素子の電圧の共振周波数近傍の一定周波数で一定振幅の正弦波電流で励振し、一対のＰＶＤＦ圧電素子に外力を加えると周波数が高い方に移動し、二つの素子間電圧は片方が増加し、反対側の素子間電圧が減少し、差動出力電圧が得られことを特徴とする請求項１、２の荷重測定装置。
【請求項４】
前記差動出力電圧を得る手段として、一対の圧電素子の電圧の共振点（図４参照ｆｓ０点）の周波数を、正弦波発生電源（１３）から印加し、ＰＶＤＦ圧電素子１の電極間電圧とＰＶＤＦ圧電素子２の電極間電圧が同電圧になるように、上記周波数を設定したことを特徴とした請求項３の荷重測定センサ。
【請求項５】
圧電素子の物性に起因する焦電効果の影響を軽減する手段として、圧電素子の電圧の周波数特性を合わせた上記一対の荷重測定センサを、温度検出用と荷重測定用とし利用することを特徴する請求項３の荷重測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、圧電体を用いた高感度のインピーダンス変化型の荷重測定装置に関するものである。例えば起き上がりの見守りや、脈拍数や呼吸数、血圧などの圧力や荷重・力の計測に適している。
【背景技術】
【０００２】  圧電体は、応力や力を受けると電荷が発生する。これを利用した圧電型の荷重や力センサとして利用されている。しかし、電荷が漏洩するため、静的感度を持たせるために工夫が必要である。【０００３】  振動型または共振型は、圧電体が応力を受けたときの共振周波数の変化を検出するもので静的な感度を有するが、ある特定の共振点の移動を追尾するため、検出回路は複雑となる。【０００４】  これらの問題を解決するものとして、たとえば特許第４１７８６００号に圧電体の共振点近傍で一定周波数かつ一定振幅の電流を与え、圧電体のインピーダンス変化を検出する荷重や力の測定を簡単な回路で実現する測定装置が提案されている。【０００５】  しかし、検出感度が小さく共振の尖鋭度Ｑを高くすると測定範囲が狭くなり、荷重や力の増減に対して十分な感度が得られないという欠点があった。また、素子の物性に起因する焦電効果に対する改善策が難しいなどの問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１７８６００号
【０００７】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】長田  佐著  「圧電セラミックによる圧力センサ」  自動化技術、１９８２年
【０００９】  大内英俊、長田  佐、河西敏雄共著「圧電素子を利用した力センサの静特性の改善」精密工学会誌、２００１年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  解決しようとする問題点は、ピエゾ効果には圧電効果と焦電効果がある。荷重や力の検出では、荷重や力の増減に対して圧電体自体のインピーダンスの変化が少なく、十分な感度が得られないという欠点があった。また、圧電素子の物性に起因する焦電効果に対する改善策が難しいなどの問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  本発明は、抵抗ＲとコイルＬとコンデンサＣの直列共振回路において、周波数が変化すると、リアクタンス分が変化する原理を用いた。周波数の変化に伴うリアクタンスＸの変化は次の通りである。
直列共振回路において、共振周波数ｆ０からΔｆに変化すると、
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となり、
電源電圧Ｅｍときの電流Ｉｍは（１）式となる。
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する。本発明は、この知見に基づいてなされている。【００１２】
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ると図２の直列共振回路におけるＥＬｍとＥｓｍは電源電圧Ｅｍより昇圧する。
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すなわち、（２）式より、ＰＶＤＦ圧電素子両端電圧Ｅｓｍとコイル両端電圧ＥＬｍは電源電圧Ｅｍと選択度Ｑの積となり電源電圧より昇圧するので、検出感度がＱで任意に得られる。【００１３】  荷重検出は図３（ａ）に示すように、二つのＰＶＤＦ圧電素子１とＰＶＤＦ圧電素子２を上下に重ね合わせた一対とした。同図（ｂ）は荷重測定センサの構成を略図で示した。絶縁膜ポリエステル薄膜コーティング面（８）をＣＳ１とし、もう一方のポリエステル薄膜コーティング面（９）をＣＳ２とすると電極（４）と電極（５）間の誘電体となる。その結果、合成静電容量  ＣＳ１＋ＣＳ２＝ＣＳとなり、一対化することでＰＶＤＦ圧電素子１に容量ＣＳが付加された形となる。【００１４】  電圧の共振特性を合わせたＰＶＤＦ圧電素子に上記の容量ＣＳをＰＶＤＦ圧電素子１に付加したときの、一対の共振周波数特性を調べた結果を図４に示した。正弦波発生電源Ｅｍの周波数をわずか変化させながら、かつ一定振幅の電流をＰＶＤＦ圧電素子１（１）とＰＶＤＦ圧電素子２（２）に別途に与え、両端子間電圧Ｅｓｍプロットした。図示したようにＰＶＤＦ圧電素子１の方は僅かに共振点が低い方に移動した。【００１５】  上記の、ＰＶＤＦ圧電素子１（１）とＰＶＤＦ圧電素子２（２）を重ね合わせた一対で構成した荷重測定センサであり、それぞれの出力電圧はＰＶＤＦ圧電素子１（１）の電極間電圧ＥＳｍ１とＶＤＦ圧電素子２（２）の電極間電圧ＥＳｍ２とする。【００１６】  図４のｆＳ０で示す点は、一対のＰＶＤＦ圧電素子の電極間電圧（ＥＳｍ１＝ＥＳｍ２）が同じ電圧になるように、正弦波発生電源（１３）の周波数を固定して設定した。【００１７】  同図より、一対のＰＶＤＦ圧電素子１（１）とＰＶＤＦ圧電素子２（２）に、外力が加わると素子の電圧の周波数はわずかにｆＳ０＋Δｆに移動する。ＰＶＤＦ圧電素子１（１）の端子間電圧Ｅｓｍ１は、周波数をｆＳ０のときより低い値となる。同様に、ＰＶＤＦ圧電素子２（２）の端子間電圧Ｅｓｍ２は、周波数をｆＳ０のときより高い値となり差動出力電圧が得られる。
本発明は、この知見に基づいてなされている。
【発明の効果】
【００１８】  本発明の荷重測定センサは、荷重や力を加えると電圧の周波数の高い方に移動する振動型センサの原理を利用している。圧電素子の直列共振回路の選択度Ｑの利用により、検出感度が任意に設定できる。【００１９】  ２つの圧電素子を重ね合わせた一対構成によって、生成した静電容量を利用すると両者に僅かの共振点の差異が生じた。一対の圧電素子に与える外力を増減するとそれに応じて周波数が移動し、これに対応して、両者の素子間電圧が増減するので、それぞれの端子間電圧は検出手段（１４）で外力の増減が高感度で検出できる荷重測定センサが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は直列共振回路の周波数変化と電流の関係を示した説明図である。
【図２】図２は圧電素子の等価回路を示した説明図である。
【図３】図３はＰＶＤＦ圧電素子の構成を示した説明図である。
【図４】図４は測定原理を示した説明図である。
【図５】図５は荷重測定センサの構成を示した説明図である。
【図６】図６は荷量測定センサの等価回路を示した説明図である。
【図７】図７は出力―荷重特性を示した。（実施例１）
【図８】図８は温度補正回路のブロック線図を示した。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００２１】  荷重測定センサは高分子圧電材料からなり、外力を受けるＰＶＤＦ圧電素子である。高分子圧電材料としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデンおよび／またはポリフッ化ビニルを主成分とする共重合体、奇数ナイロン、ポリ尿素、ビニリデンシシアナイドを主成分とする共重合体、ポリウレタン、アクリロニトリル系共重合体、およびポリ塩化ビニールの中から選択された材料などを採用できる。
【００２２】本発明の実施形態の荷重測定センサの構成を図５に示す。回路は抵抗（１１）とコイル（１２）と荷重測定センサとして高分子圧電材料を用いた直列共振回路である。
共振周波数を合わせた圧電素子２つを上下に重ね合わせ固定して、一対の荷重センサとした。圧電素子間の出力電圧を検出手段（１４）により荷重の大きさを検出した。
素子の電極表面はポリエステル薄膜（８）、（９）で絶縁されているので、２つの素子の電極同士は接触しない構成である。
【００２３】圧電素子の電圧の共振周波数を合わせた二つのＰＶＤＦ圧電素子のポリエステル薄膜コーティング面（８）をＣＳ１とし、もう一方のポリエステル薄膜コーティング面（９）をＣＳ２とすると電極（４）と電極（５）間ではポリエステル薄膜コーティング面が誘電体となり、静電容量  ＣＳ１＋ＣＳ２＝ＣＳが生成され、容量ＣＳはＰＶＤＦ圧電素子１に付加し、２つの圧電素子の共振周波数に僅かに差異を生じさせた荷重測定センサである。
【００２４】上記より、２つの圧電素子を一対にした荷重測定センサは、外部から荷重や力を同時に受けることとなる。外力が加わると共振特性により、図６に示す素子間電圧Ｅｓｍ２は増加し、もう一方の素子間電圧Ｅｓｍ１は減少するので差動出力電圧の荷重測定センサが提供できる。なお、コイルの両端の電圧振幅を取り出しても良い。
【００２５】  図４に示すように、ＰＶＤＦ圧電素子１（１）のΔｆ１の時の端子間電圧Ｅｓｍ１とＰＶＤ圧電素子２（２）のΔｆ２の端子間電圧Ｅｓｍ２が同電位になるように、正弦波発生電源（１３）周波数を可変して図中のｆＳ０点に固定して設定した。
【００２６】  圧電素子の出力電圧の周波数の急峻化により、ＰＶＤＦ圧電素子１（１）とＰＶＤＦ圧電素子２（２）に、外力が加わると周波数はわずか（ｆＳ０＋Δｆ（図４参照）に移動する。ＰＶＤＦ圧電素子１（１）の端子間電圧Ｅｓｍは、周波数をｆＳ０のときのより低い値となる。同様に、ＰＶＤＦ圧電素子２（２）の端子間電圧Ｅｓｍは、周波数をｆＳ０のときのより高い値となる。荷重測定センサの出力電圧は差動出力電圧が得られる。したがって、本発明によれば荷重や力が高感度での測定できる。
【実施例１】
【００２７】  図６は、本発明の１実施例の等価回路図であって、ＰＶＤＦ圧電素子（厚さ：２８μｍ、電極寸法：１０×１５ｍｍ）を２枚上下に重ね一対にして、抵抗（５０Ω）１１とコイル（１．５ｍＨ）１２を直列接続した直列共振回路に、ＰＶＤＦ圧電素子の共振点近傍の一定周波数ｆＳ０（約１６４ｋＨｚ、２Ｖｐ−ｐ）、振幅一定の電圧を正弦波発生電源１３で印加した。【００２８】  上記検出部の出力電圧ＥＳｍ１と出力電圧ＥＳｍ２の差動出力電圧を、検出手段１４で荷重の大きさの計測をした。【００２９】上記検出手段によって荷重を加えたときの出力電圧の関係を、出力電圧―荷重特性を図７に示す。加えた荷重に応じて出力電圧が直線的に変化し荷重測定装置として良好な結果が得られた。
【実施例２】
【００３０】圧電素子の物性に起因する焦電性は、温度を変えたとき外力を与えない状態で自発分極により、無荷重状態でも電圧が素子間に発生する。とくに、高感度が必要な微弱な荷重や力の測定において、焦電効果の影響は無視できない。【００３１】  図８に実施例２の、温度補正のブロック線図を示す。一対構成のセンサを２組によるもので、温度検出に荷重測定センサを利用した実施例を示す。ＰＶＤＦ圧電素子（厚さ：２８μｍ、電極寸法：１０×１５ｍｍ）１とＰＶＤＦ圧電素子（厚さ：２８μｍ、電極寸法：１０×１５ｍｍ）２を２枚上下に重ね一対にした。抵抗（５０Ω）１１とコイル（１．５ｍＨ）１２の直列共振回路に、ＰＶＤＦ圧電素子の共振点近傍の一定周波数ｆＳ０（約１６４ｋＨｚ）、一定振幅の電圧の正弦波発生電源１３で圧電素子を励振した。【００３２】  図に示すように、荷重測定センサ出力電圧（Ａ）と温度検出センサ出力電圧（Ｃ）は温度補正増幅器（Ｅ）入力であり、荷重測定センサ出力電圧（Ｂ）と温度検出センサ出力電圧（Ｄ）を温度補正増幅器（Ｆ）入力として、演算すると温度補正が行われ後、出力電圧は増幅回路（Ｇ）により荷重の大きさを検出した実施例である。なお、温度検出センサは荷重や力のダミーとして用いた。図には示していないが、約２０度から４０度の範囲までの増幅回路（Ｇ）の出力電圧の変化は数ｍＶ以内であることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００３３】  本荷重測定装置は、介護・医療監視用として起き上がり、胎児心拍モニター、無呼吸モニター、脈拍モニター、体圧分布センサ、血圧モニター、体温モニターなどに用いても好適である。
【符号の説明】
【００３４】１    ＰＶＤＦ圧電素子１
２    ＰＶＤＦ圧電素子２
３    ＰＶＤＦ圧電素子２の電極
４    ＰＶＤＦ圧電素子２の電極
５    ＰＶＤＦ圧電素子１の電極
６    ＰＶＤＦ圧電素子１の電極
７    ＰＶＤＦ圧電素子２のアクリルコーティング面
８    ＰＶＤＦ圧電素子２のポリエステル薄膜面
９    ＰＶＤＦ圧電素子１のポリエステル薄膜面
１０  ＰＶＤＦ圧電素子１のアクリルコーティング面
１１  抵抗
１２  コイル
１３  正弦波発生定電流電源
１４  検出手段
【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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【図７】
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【図８】
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