製品の紹介

圧電シートを利用したマットセンサー

1. はじめに2-2）従来型マットセンサーの検知メカニズム

当社ではこれまでにふっ素材料を用いた有機圧電シートのばれる手法を採用している。接点式は、センサー内部に設け開発１）及びその応用品として異常振動検知システムの開発られた接点同士が押圧によって接触することで導通が起こ２）り、押圧を検知するといったものである。検知メカニズムとしては非常にシンプルであり、理にかなった方式であると言える。一方、この方式では接点同士を隔てる構造（例えばスの有機系（ポリマー系）圧電材料では実現出来なかったペーサー）が必要であり、大面積のセンサーの場合は構造が100℃以上での高温でも利用可能となっている。また、高温複雑になることが想定される。また、構造の経時劣化による高湿環境（85℃・85%RH）においても圧電特性が失われない影響も考慮しなければならないと考えられる。

Summer 2021

当社のふっ素系有機圧電シートは、ふっ素材料自体の特徴と圧電特性を発現させるシート構造の工夫によって、従来バルカー技術誌を進めてきた。

多くのマットセンサーは、Figure2に示すような接点式と呼といった特徴がある。更に、有機系圧電材料共通の特徴である大面積化が容易であり、これらの特徴を生かしたアイテムとしてマットセンサーを開発したので紹介する。

2. 検知メカニズム
2-1）圧電シートの機能

Figure2No.41接点式センサーの検知メカニズム

最初に圧電シートの機能を簡単に説明する。圧電シートは圧電材料の一つの形態であり、圧電材料には多くの無機系・2-3）圧電シートによる検知メカニズム有機系材料が存在する。また、機能発現メカニズムも数種

Figure3に圧電シートによる検知メカニズムを示す。セン類あるが、ここでは簡単のために、当社の有機圧電シートのサーは、圧電シートとその両面に配置した電極といったシンプ機能発現メカニズムを例に説明する。

ルな構造であり、押圧を受けて圧電シート自体が厚さ方向にFigure1に示すように、圧電材料には、力を加えると電圧歪むことで発生する電圧を検知する。スペーサーを必要とせが発生するという圧電効果と、電圧を加えると変形するといず、また、薄型の大面積センサーを比較的容易に作製する

う逆圧電効果がある。今回のマットセンサー用途では、圧電ことが出来る。

効果を利用し、圧電シートに力を加えることによって発生する電圧を信号として利用している。

Figure3

圧電シートの検出メカニズム

当社の圧電シートは、シート面に対して垂直方向から力をFigure1

圧電シート機能発現メカニズム検知する。一方、他の圧電材料には、面方向への力（引っ16圧電シートを利用したマットセンサー

張り・圧縮・ねじり）の力を検知するタイプも存在する。マット

しかし、このセンサー自体は数百ミクロンという非常に薄いもセンサーとして利用する場合は、当社のタイプのように、垂直のであり、また、機械強度も十分ではない。機械的特性、耐方向の力のみを検知出来ることも用途によっては利点となる

候性（防水性能）、電気特性を満足するための種々の構造のではないかと考えられる。

を検討することによって最適構造を確定した。

次に、圧電シートによる力の検知方法について補足する。
一般に無機系・有機系を問わず、圧電材料は力が加わった瞬間に電圧を発生し、それによって力を検出することが出来る。逆に、力が加わり続けた状態では電圧を発生せず、静的な力の検知が出来ない。

Table1

試験項目・条件

試 験 項 目試

験条件

力 学 特 性
耐久性試験

200 万回

垂直・斜め 室温

100 万回

斜め14.5 度 −20℃、50℃

一方、マットセンサーとして利用する場合には、力が加えら

振 動 試 験1 ⇔ 30Hz/ 上下・左右・前後 /5 分間ずつれた瞬間に加え、力が加えられている状態（＝人・モノが乗っ

静荷重試験

Φ11/750N/8h、φ80/2000N/8h

耐衝撃試験

R：10mm/1kg/ 落下高さ：1000mmた状態）も継続的に検知したいというニーズも存在する。

バルカー技術誌

Figure4は、圧電材料の応答性と、マットセンサーとして利耐候性用する場合に求められる応答性の違いを図示したものであ防 水 試 験IP6X

サイクル 試 験−20℃（12h）⇔ 50℃（12h）×10る。図のように、継続的な力を検知するためには、圧電材料

熱老化試験

66℃ /90日 室温 8 年暴露相当

からの出力電圧波形をマットセンサーに適した形に変換する

高温高湿試験

40℃ /90-95%RH/56日必要がある。今回は、専用制御回路を設計して波形変換を行うことで対応した。

高 温 試 験50℃ /72 時間

低 温 試 験−30℃ /72 時間

電 気 特 性Summer 2021

絶縁耐圧試験

AC0.72kV/1mA、DC1kV/100MΩ以上3-3）性能評価方法と結果
性能試験は前出のJIS に準拠して実施した。各試験前後
及び試験中にマットセンサーに力を印加することで出力される電圧を測定し、マットセンサーの押圧検知性能を評価した。
耐久性試験については、JISに準拠した試験装置を作製

No.41

し試験を実施した。Figure5はその一例であり、これは垂直Figure4

圧電材料の応答性とマットセンサーの応答性方向の荷重に対する耐久性試験機であり、200 万回の耐久試験を実施した。

3. 開発内容

今回開発したマットセンサーは、Table1に示す特性を満足していることを確認している。

3-1）目標性能の設定
マットセンサーの性能指標として、JIS B 9717-1：2001（機械類の安全性－圧力検知保護装置－第 1 部：圧力検知マット及び圧力検知フロアの設計及び試験のための一般原則）
を参考とした。これは工場などに設置するマットセンサーに対する要求特性をまとめたJISである。今回は本 JISを参考に、Table1に示す特性を満足するマットセンサーの開発を進めた。
3-2）マットセンサー構造の検討
前記の要求特性を満たすマットセンサーの構造を検討した。押圧のセンシング自体は、前記の通り圧電シートと電極からなるセンサーというシンプルな構造で実現することが出来る。
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Figure5

耐久試験機
（一例）

製品の紹介4. 開発品の特徴

5. まとめFigure6に開発したマットセンサーシステムの外観を示す。

ふっ素系有機圧電シートを利用したマットセンサーについ本システムは、マットセンサー（右側）と制御回路（左側）からて紹介した。今回はJIS B 9717-1：2001の要求特性に準拠構成され、制御回路は出力波形変換を行うためのものであしたマットセンサーを開発することが出来た。圧電シート自体る。

はメカニカルな機構がなく長期に亘って利用することが可能

本システムでは、マットセンサーに押圧が加わると制御回で、マットセンサーとしても長期の性能安定性が期待出来る。

路のLEDランプが点灯する仕組みとなっている。制御回路

用途に応じて大きさや形、検出感度などの設計も可能であは、更なる小型化や機能拡張が可能である。
制御回路の機能拡張性としては、例えば、しきい値設定り、また、圧電センサー自体は数百ミクロンと非常に薄型でフレキシブルであるので、薄型マットセンサーとしての応用も考えられる。これらの特徴を活かし、安全・安心に関わるセキュリティ分野、ヘルスケア分野などへの活用が考えられ、読者パターン化することにより、力の分布を検知することも可能との皆さまからのご要望にも応えていきたいと考えている。

なる。更に、ワイヤレス通信機能を内蔵すれば、IoTデバイスとして利用出来、遠隔地でのモニタリングも可能となる。

6. 謝辞
今回のマットセンサー開発においては、出力電圧波形の変換回路の設計・開発において、関西大学 田實佳郎先生
事）から多大なるご協力をいただきました。感謝申し上げます。

7. 参考文献1）
田實 佳郎，米田 哲也：バルカー技術誌 . No.26，12-17（2014）
2）羽根田 誠、佐藤 央隆、米田 哲也、油谷 康：バルカー
Figure6

開発したマットセンサーシステム

技術誌 . No.36，3-6（2019）

米田 哲也
研究開発本部
先行技術開発部

新領域開発チーム

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Summer 2021

（システム理工学部電気電子情報学科教授・関西大学理

バルカー技術誌機能を追加することで任意の大きさの力に関してのみ検知することが可能となる。また、圧電シート両面に設置する電極を

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