(57)【要約】【課題】  本発明は、使用環境下にて発生する電磁波ノイズを遮蔽するためのシールド構造を必要とせず、簡単な構造であると共に、圧電センサにて発生した電位信号を精度良く取得することができる圧電センサ構造を提供する。【解決手段】  本発明の圧電センサ構造は、圧電シート、上記圧電シートの一面に積層一体化されたシグナル電極、及び、上記圧電シートの他面に積層一体化されたグランド電極を有する圧電センサと、上記圧電センサのシグナル電極及びグランド電極と電気的に接続され、一対の差動入力回路を有し且つ入力インピーダンスが１００ＭΩ以上に設定された第一増幅回路とを有することを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電シート、上記圧電シートの一面に積層一体化されたシグナル電極、及び、上記圧電シートの他面に積層一体化されたグランド電極を有する圧電センサと、
上記圧電センサのシグナル電極及びグランド電極と電気的に接続され、差動入力回路を有し且つ入力インピーダンスが１００ＭΩ以上に設定された第一増幅回路とを有することを特徴とする圧電センサ構造。
【請求項２】
第一増幅回路の同相信号除去値が６０ｄＢ以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電センサ構造。
【請求項３】
第一増幅回路のゲインが１０ｄＢ以上に設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電センサ構造。
【請求項４】
第一増幅回路に、圧電センサにて発生した電位信号から特定周波数の電位信号を抽出するフィルタ回路を介して第二増幅回路が接続していることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の圧電センサ構造。
【請求項５】
第一増幅回路が計装アンプであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の圧電センサ構造。
【請求項６】
第一増幅回路における圧電シートのシグナル電極及びグランド電極からの電位信号の入力回路部分のそれぞれにＡＣ結合のためのコンデンサが配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の圧電センサ構造。
【請求項７】
第一増幅回路の入力回路部分と圧電シートのシグナル電極とを接続しているシグナル回路部分と、上記第一増幅回路の入力回路部分と圧電シートのグランド電極とを接続しているグランド回路部分との間に、上記圧電シートのシグナル電極から入力回路部分に入力される入力バイアス電流のグランド回路部分へのリターン・パスが設けられており、上記リターン・パスは抵抗を含むことを特徴とする請求項６に記載の圧電センサ構造。
【請求項８】
圧電センサは、シグナル電極を電磁波ノイズから遮蔽するためのシールド電極を有していないことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の圧電センサ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電センサ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電シートをセンサとして用いた圧電センサが従来から様々な用途において利用されている。圧電センサは、圧電シートに圧力が加わると圧力に応じた大きさの電気信号が発生し、この電気信号に基づいて圧力を検出している。
【０００３】
圧電センサとして、特許文献１には、高分子材料からなる圧電体と、前記圧電体の一方の側に配置され、第１の絶縁体にシグナル電極を担持した第１の電極担持部と、前記圧電体の他方の側に配置され、第２の絶縁体にグランド電極を担持した第２の電極担持部とを備え、前記圧電体と前記第１の電極担持部と前記第２の電極担持部との重ね方向視において、前記シグナル電極が前記圧電体の領域内に収まり、且つ、前記圧電体全体が前記グランド電極の領域内に収まるかあるいは前記グランド電極の領域に重なり合うよう配置してある圧電センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５０４４１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記圧電センサは、シグナル電極の外側に、使用環境下にて発生する電磁波ノイズを遮蔽するためのシールド電極が配設されている。更に、上記圧電センサには、通常、導電線を介して増幅回路が接続されているが、導電線も電磁波ノイズの影響を受けることから、導電線にも電磁波ノイズを遮蔽するための遮蔽構造を設ける必要がある。従って、従来の圧電センサはその構造が複雑になるという問題点を有している。
【０００６】
本発明は、使用環境下にて発生する電磁波ノイズを遮蔽するためのシールド構造を必要とせず、簡単な構造であると共に、圧電センサにて発生した電位信号を精度良く取得することができる圧電センサ構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電センサ構造は、圧電シート、上記圧電シートの一面に積層一体化されたシグナル電極、及び、上記圧電シートの他面に積層一体化されたグランド電極を有する圧電センサと、上記圧電センサのシグナル電極及びグランド電極と電気的に接続され、一対の差動入力回路を有し且つ入力インピーダンスが１００ＭΩ以上に設定された第一増幅回路とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の圧電センサ構造は、上述の如き構成を有しているので、使用環境下において発生する電磁波ノイズの影響を考慮する必要がなく、電磁波ノイズを遮蔽するための構造の省略を可能としており、構造の簡略化による製造効率の向上及び軽量化を図ることができると共に、圧電センサにおいて発生した電位信号を精度良く取得することができる。
【０００９】
本発明の圧電センサ構造は、入力インピーダンスが１００ＭΩ以上に設定されているので、圧電センサが高インピーダンスセンサであっても圧電センサからの電位信号を精度良く検知することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の圧電センサ構造体の一例を説明する。圧電センサ構造は、圧電センサと、この圧電センサに電気的に接続された第一増幅回路とを有する。
【００１１】
圧電センサは、圧電シートと、この圧電シートの一面に積層一体化されたグランド電極と、圧電シートの他面に積層一体化されたシグナル電極とを有しており、シグナル電極の外側には、使用環境下にて発生する電磁波ノイズからシグナル電極を遮蔽するためのシールド電極は配設されていない。なお、グランド電極、シグナル電極及びシールド電極は、アルミニウム、銅などの導電性材料から形成されており、シート状又は薄膜状に形成されている。なお、シグナル電極及びグランド電極は、圧電シートの表面に固定剤層を介して積層一体化されている。固定剤層を構成している固定剤は、反応系・溶剤系・水系・ホットメルト系の接着剤又は粘着剤から構成されており、圧電シートの感度を維持する観点から、誘電率の低い固定剤が好ましい。
【００１２】
圧電シートとしては、外力が加えられることによって電荷を発生させることができるシートであれば、特に限定されないが、微弱な圧力を精度良く検出でき、感度が高く、厚み方向の変形で電荷を発生しやすいことから、合成樹脂シート（合成樹脂発泡シート又は合成樹脂非発泡シート）に分極を付与した圧電シートが好ましく、合成樹脂発泡シートに分極を付与した圧電シートがより好ましい。
【００１３】
合成樹脂シートを構成する合成樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのポリオレフィン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、ポリ乳酸、液晶樹脂などが挙げられる。
【００１４】
合成樹脂シートに分極を付与する方法としては、特に限定されず、例えば、（１）合成樹脂シートを一対の平板電極で挟持し、帯電させたい表面に接触させている平板電極を高圧直流電源に接続すると共に他方の平板電極をアースし、合成樹脂シートに直流又はパルス状の高電圧を印加して合成樹脂に電荷を注入して合成樹脂シートに分極を付与する方法、（２）電子線、Ｘ線などの電離性放射線や紫外線を合成樹脂シートの表面に照射して、合成樹脂シートの近傍部の空気分子をイオン化することによって合成樹脂シートに分極を付与する方法、（３）合成樹脂シートの一面に、アースされた平板電極を密着状態に重ね合わせ、合成樹脂シートの他面側に所定間隔を存して直流の高圧電源に電気的に接続された針状電極又はワイヤー電極を配設し、針状電極の先端又はワイヤー電極の表面近傍への電界集中によりコロナ放電を発生させ、空気分子をイオン化させて、針状電極又はワイヤー電極の極性により発生した空気イオンを反発させて合成樹脂に分極を付与する方法などが挙げられる。
【００１５】
圧電センサのシグナル電極及びグランド電極には第一増幅回路が電気的に接続されている。第一増幅回路によって、圧電センサにて発生した電位信号が増幅され、脈拍信号や呼吸信号などの微弱な電位信号も精度良く検知することができる。第一増幅回路としては、例えば、計装アンプ、ＯＰアンプ（operational amplifier）などが挙げられ、計装アンプが好ましい。第一増幅回路としては、市販されているものを用いることができ、例えば、アナログ・デバイス社から商品名「ＡＤ６２３」にて市販されている計装アンプを用いることができる。
【００１６】
第一増幅回路は、差動入力回路（差動第一増幅回路）を有している。差動入力回路とは、第一増幅回路に入力される入力信号に含まれている不要なコモンモード・ノイズ（同相雑音）を除去し、必要な電位信号だけを取り出す回路をいう。即ち、差動入力回路は、第一増幅回路に入力された入力信号の差動成分だけを取り出して同相成分を除去する回路をいう。
【００１７】
第一増幅回路には、圧電センサにて発生した電位信号が入力される。一方、圧電センサは、使用環境下において、電子機器、通信機器、タップ及び送電線などから発生する電磁波ノイズの影響を受け、圧電センサにて発生した電子信号には電磁波ノイズが混入する。
【００１８】
更に、圧電センサのシグナル電極及びグランド電極と、第一増幅回路とは、導電線などの導電部材を介して電気的に接続されているため、第一増幅回路に入力される電位信号には、シグナル電極と第一増幅回路とを接続している導電部材と、グランド電極と第一増幅回路とを接続している導電部材の双方を介しても電磁波ノイズが混入する。
【００１９】
圧電センサに直接影響を及ぼす電磁波ノイズと、シグナル電極と第一増幅回路とを接続している導電部材を通じて混入した電磁波ノイズと、グランド電極と第一増幅回路とを接続している導電部材を通じて混入した電磁波ノイズは、コモンモード・ノイズ（同相雑音）であることから、第一増幅回路の差動入力回路は、第一増幅回路に入力された入力信号に混入した電磁波ノイズをコモンモード・ノイズとして除去し、圧電センサにて発生した電位信号だけを取り出す。
【００２０】
このように、第一増幅回路の差動入力回路は、圧電センサに直接影響を及ぼす電磁波ノイズ並びにシグナル電極及びグランド電極と第一増幅回路とを接続している導電部材を通じて混入した電磁波ノイズをコモンモード・ノイズとして除去し、電磁波ノイズの影響を排除することができるので、圧電センサ及び導電部材に電磁波ノイズの遮蔽構造を設ける必要はなく、圧電センサ構造の簡略化及び軽量化を図ることができる。圧電センサの電磁波ノイズの遮蔽構造としては、シグナル電極の外側にシールド電極を配設する構造などが挙げられる。導電部材の電磁波ノイズの遮蔽構造としては、導電部材を銅などの導電性材料で被覆した構造などが挙げられる。
【００２１】
第一増幅回路の入力インピーダンスは好ましくは１００ＭΩ以上に設定することによって、圧電センサにて発生した微弱な電位信号も容易に取り出すことができ、上記圧電センサ構造によれば、呼吸信号や脈波信号などの微弱な生体信号も精度良く検出することができる。
【００２２】
第一増幅回路の入力インピーダンスは、１ＧΩ以上が好ましい。第一増幅回路の入力インピーダンスを上記範囲とすることによって、微弱な生体信号であっても精度良く検出することができる。
【００２３】
第一増幅回路の同相信号除去値（ＣＭＲ、Common Mode Rejection）は６０ｄＢ以上が好ましく、７０ｄＢ以上がより好ましい。第一増幅回路の入力インピーダンスを上記範囲とすることによって、微弱な生体信号であっても精度良く検出することができる。
【００２４】
第一増幅回路のゲインは１０ｄＢ以上が好ましく、２０ｄＢ以上がより好ましい。第一増幅回路のゲインは４０ｄＢ以下が好ましい。第一増幅回路のゲインを上記範囲とすることによって、微弱な生体信号であっても精度良く検出することができる。
【００２５】
圧電センサには上述の通り第一増幅回路が電気的に接続されているが、圧電センサの第一増幅回路にフィルタ回路を電気的に接続させてもよい。フィルタ回路は、圧電センサにて発生した電位信号から特定周波数の電位信号を抽出する回路である。このようなフィルタ回路としては、例えば、（１）必要な周波数領域の電位信号のみを通過させるフィルタ回路、（２）第一増幅回路で減衰した電磁波ノイズの影響を更に低減させるためのバンドエリミネーションフィルタなどが挙げられる。例えば、圧電センサ上に被験者が乗っており、被験者の生体信号を圧電センサによって測定しているときには、圧電センサから出力される電位信号には、脈波信号（約０．８〜３Ｈｚ）及び呼吸信号（約０．１５〜０．５Ｈｚ）などの生体信号が含まれており、圧電センサから出力される電位信号は、複数の生体信号の合成波となっている。上記（１）のフィルタ回路は、複数種類の混在した生体信号をそれぞれの生体信号に分離して所望の生体信号のみを通過させる。
【００２６】
このように、圧電センサに第一増幅回路を介してフィルタ回路を電気的に接続させている場合には、圧電センサにて測定された電位信号を第一増幅回路にて増幅した上で、所望の電位信号を抽出することができ、圧電センサが測定する電位信号が微弱な電位信号であっても、所望の電位信号を精度良く検出することができる。
【００２７】
更に、第一増幅回路における圧電シートのシグナル電極及びグランド電極からの電位信号の入力回路部分のそれぞれにＡＣ結合のためのコンデンサが配置されていると共に、第一増幅回路の入力回路部分と圧電シートのシグナル電極とを接続しているシグナル回路部分と、上記第一増幅回路の入力回路部分と圧電シートのグランド電極とを接続しているグランド回路部分との間に、上記圧電シートのシグナル電極から入力回路部分に入力される入力バイアス電流のグランド回路部分へのリターン・パスが設けられており、上記リターン・パスは抵抗を含む場合には、圧電センサに不安定な直流バイアス電流が印加され、圧電センサの出力が不安定になるのを防止することができ、圧電センサにて測定された電位信号を安定的に取り出すことができる。