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TWI821360B - 感測器系統及使用其之測定裝置 - Google Patents

感測器系統及使用其之測定裝置 Download PDF

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TWI821360B
TWI821360B TW108128573A TW108128573A TWI821360B TW I821360 B TWI821360 B TW I821360B TW 108128573 A TW108128573 A TW 108128573A TW 108128573 A TW108128573 A TW 108128573A TW I821360 B TWI821360 B TW I821360B
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神谷信人
加藤哲裕
葛山裕太
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日商積水化學工業股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種可檢測花費較長時期緩慢施加之應力、與短時間或瞬間施加之應力之兩者之感測器系統。本發明之感測器系統之特徵在於具備：壓電感測器，其具有於面方向上具有伸縮性之壓電片材、積層於上述壓電片材之一面且具有伸縮性之第1電極、及積層於上述壓電片材之另一面且具有伸縮性之第2電極；第1檢測部，其對由上述壓電感測器產生之電位進行測定；及第2檢測部，其對構成於上述壓電感測器之第1電極與第2電極之間的電容器之靜電電容之變化或壓電感測器之第1電極與第2電極之間的阻抗之變化進行檢測。

Description

感測器系統及使用其之測定裝置
本發明係關於一種感測器系統及使用其之測定裝置。
壓電片材係藉由對絕緣性高分子材料注入電荷，而對內部賦予永久帶電之材料。壓電片材期待利用其優異之感度向感測器用途展開。
於專利文獻1中，揭示一種負載測定裝置，其具有：一對構成，其等將由高分子壓電材料構成且接受來自外部之負載或力之2個壓電元件重疊；壓電元件，其於電極之間並聯連接由介電體之聚酯絕緣膜構成之靜電電容；電阻及線圈，其等使一對壓電元件之電壓急峻化；及正弦波產生電源，其可使一對壓電元件之電壓共振。
負載測定裝置進而具備檢測手段，其於一對壓電元件上施加有負載或力時，壓電元件之電壓之頻率特性發生變化，兩元件間電壓可以差動電壓輸出檢測，檢測負載或力之大小。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1] 日本專利特開2016-224020號公報
然而，專利文獻1中所記載之負載測定裝置具有如下問題點：雖可檢測花費較長時間施加之應力(頻率較小之應力)，但無法充分檢測短時間內施加之應力(頻率較大之應力)。又，無法充分檢測施加於壓電元件之面方向之應力(例如朝向壓電元件之面方向伸長)。
例如，隧道等混凝土構造物隨著經時劣化而產生裂紋。混凝土構造物之裂紋中，有由於經時性施加應變而緩慢形成之裂紋、與由於短時間內或瞬間對混凝土構造物施加應力而產生之裂紋。前者之裂紋因花費較長時間緩慢施加之應力，以裂紋寬度緩慢擴大之方式產生。後者之裂紋係於混凝土表面方向上裂紋瞬間擴大，或產生剝落。
為了檢測前者之裂紋，需要檢測沿著混凝土表面之花費較長時間緩慢施加之應力。另一方面，為了檢測後者之裂紋，除於面方向上短時間或瞬間施加之應力以外，亦需要檢測相對於混凝土表面正交之方向(厚度方向)上產生之應力。但是，於如專利文獻1所記載之負載測定裝置之習知之技術中，具有如下問題點：無法利用一個感測器檢測該等全部應力，需要配置複數個感測器。
本發明提供一種感測器系統，其可檢測壓電片材之厚度方向之壓力及面方向上產生之應力之兩者，並且可檢測花費較長時間緩慢施加之應力(頻率較小之應力)、與短時間或瞬間施加之應力(頻率較大之應力)之兩者。
本發明之感測器系統之特徵在於具備：壓電感測器，其具有於面方向上具有伸縮性之壓電片材、積層於上述壓電片材之一面且於上述壓電片材之面方向上具有伸縮性之第1電極、及積層於上述壓電片材之另一面且於上述壓電片材之面方向上具有伸縮性之第2電極；第1檢測部，其對由上述壓電感測器產生之電位進行測定；及第2檢測部，其對構成於上述壓電感測器之第1電極與第2電極之間的電容器 之靜電電容之變化或壓電感測器之第1電極與第2電極之間的阻抗之變化進行檢測。
本發明之感測器系統可檢測施加於壓電片材之厚度方向之壓力、與施加於壓電感測器之面方向之應力，除此以外，可檢測頻率較小之應力、與頻率較大之應力之兩者。故而，可適宜地用於需要檢測由於各種運動而產生之施加於厚度方向及面方向之應力、或頻率較小之應力及頻率較大之應力之用途。具體而言，可適宜地用於貼合於人體之皮膚表面而使用之用途(可穿戴用途)或混凝土構築物之檢查等用途。
本發明之感測器系統可進行施加於被測定體之於厚度方向及面方向上產生之應力、以及頻率較小之應力及頻率較大之應力之檢測。故而，無需如習知技術般準備檢測各者之應力之感測器，而可實現測定裝置之構造之簡略化及小型化。
A:壓電感測器
A1:壓電片材
A2:第1電極
A3:第2電極
A4:壓電感測器
A5:壓電感測器
B:第1檢測部
C:第2檢測部
S:感測器系統
圖1係表示壓電感測器之剖視圖。
圖2係表示感測器系統之功能構成之圖。
圖3係表示感測器系統之硬體構成之圖。
圖4係表示惠斯登電橋電路之電路圖。
一面參照圖式一面對本發明之感測器系統之一例進行說明。
感測器系統具備： 壓電感測器，其具有於面方向上具有伸縮性之壓電片材、積層於上述壓電片材之一面且於上述壓電片材之面方向上具有伸縮性之第1電極、及積層於上述壓電片材之另一面且於上述壓電片材之面方向上具有伸縮性之第2電極；第1檢測部，其對由上述壓電感測器產生之電位進行測定；及第2檢測部，其對構成於上述壓電感測器之第1電極與第2電極之間的電容器之靜電電容之變化或壓電感測器之第1電極與第2電極之間的阻抗之變化進行檢測。
構成感測器系統S之壓電感測器A之壓電片材A1係可藉由施加外力而產生電荷之片材，且於面方向上具有伸縮性。
作為此種壓電片材A1，並無特別限定，較佳為對合成樹脂發泡片材賦予極化而得之壓電片材。
作為構成合成樹脂發泡片材之合成樹脂，並無特別限定，例如可列舉：聚乙烯系樹脂、聚丙烯系樹脂等聚烯烴系樹脂、聚偏二氟乙烯、聚乳酸、液晶樹脂等。
合成樹脂較佳為絕緣性優異，作為合成樹脂，較佳為依據JIS K6911以施加電壓500V進行電壓施加1分鐘後之體積電阻率(以下簡稱為「體積電阻率」)為1.0×1010Ω‧m以上之合成樹脂。
合成樹脂之上述體積電阻率就壓電片材A1具有更加優異之壓電性而言，較佳為1.0×1012Ω‧m以上，更佳為1.0×1014Ω‧m以上。
作為對合成樹脂發泡片材賦予極化之方法，並無特別限定，例如可列舉：(1)~(3)之方法。
(1)該方法如下：利用一對平板電極夾持合成樹脂發泡片材，將與欲帶電之表面接觸之平板電極連接於高壓直流電源，並且將另一平板電極接地，對合成樹脂發泡片材施加直流或脈衝狀高電壓而對合成樹脂或無機材料 注入電荷而對合成樹脂發泡片材賦予極化。
(2)該方法如下：藉由將電子束、X射線等游離輻射或紫外線照射於合成樹脂發泡片材之表面，使合成樹脂發泡片材之附近部分之空氣分子離子化而對合成樹脂或無機系片材賦予極化。
(3)該方法如下：於合成樹脂發泡片材之一面，重疊接地之平板電極為密接狀態，於合成樹脂發泡片材之另一面側保留特定間隔地配設與直流高壓電源電性連接之針狀電極或導線電極。其次，由於朝向針狀電極之前端或導線電極之表面附近之電場集中而產生電暈放電，使空氣分子離子化，使由於針狀電極或導線電極之極性而產生之空氣離子反彈而對合成樹脂發泡片材賦予極化。
壓電片材A1之伸縮率較佳為0.5%以上，更佳為1%以上，更佳為1.5%以上，尤佳為1.8%以上。壓電片材A1之伸縮率較佳為30%以下，更佳為20%以下，更佳為10%以下，尤佳為7%以下。若壓電片材A1之伸縮率為0.5%以上，則可高精度地檢測頻率較小之應力。又，不僅可高精度地檢測壓縮等施加於壓電片材之厚度方向之應力，亦可高精度地檢測伸長等施加於壓電片材之面方向之應力。若壓電片材A1之伸縮率為30%以下，則壓電片材A1可長時期維持穩定之壓電性，高精度地檢測頻率較小之應力。再者，壓電片材A1之伸縮率(%)指按下述要領測得之值。首先，自壓電片材切割一邊為5cm之平面正方形狀之試片，以10N之力將該試片向任意緣邊之方向伸長，測定伸長時之伸長方向之試片之長度(cm)。壓電片材A1之伸縮率(%)指基於下述式算出之值。
伸縮率(%)=100×[伸長時之伸長方向之試片之長度(cm)-5]/5
如圖1所示，於壓電片材A1之一面(第1面)將第1電極A2積層一體化，並且於壓電片材A1之另一面(第2面)將第2電極A3積層一體化而構成壓電感測器A。並且，可藉由測定第1電極A2與第2電極A3之電位差，而測定由壓電感測器之壓電片材A1產生之電位。再者，壓電片材A1之一面(第1面)指壓電 片材之具有最大面積之面。壓電片材A1之另一面(第2面)指壓電片材之一面(第1面)之相反側之面。
於壓電片材A1之一面將具有伸縮性之第1電極A2積層一體化。第1電極A2於壓電片材A1之面方向上具有伸縮性即可。作為第1電極A2，並無特別限定，較佳為包含具有導電性微粒子及伸縮性之黏合樹脂。於第1電極A2由含有導電性微粒子之具有伸縮性之黏合樹脂構成之情形時，表現出更加優異之伸縮性，可更高精度地檢測施加於壓電感測器之頻率較小之應力。又，不僅可高精度地檢測壓縮等施加於壓電片材之厚度方向之應力，亦可高精度地檢測伸長等施加於壓電片材之面方向之應力。
同樣地，於壓電片材A1之另一面，亦將具有伸縮性之第2電極A3積層一體化。第2電極A3於壓電片材A1之面方向上具有伸縮性即可。作為第2電極A3，並無特別限定，較佳為包含具有導電性微粒子及伸縮性之黏合樹脂。於第2電極A3由含有導電性微粒子之具有伸縮性之黏合樹脂構成之情形時，表現出更加優異之伸縮性，可更高精度地檢測施加於壓電感測器之頻率較小之應力。又，不僅可高精度地檢測壓縮等施加於壓電片材之厚度方向之應力，亦可高精度地檢測伸長等施加於壓電片材之面方向之應力。
於第1電極A2或第2電極A3由含有導電性微粒子之黏合樹脂構成之情形時，只要可對第1電極A2及第2電極A3賦予導電性，則導電性微粒子無特別限定。作為導電性微粒子，例如可列舉：銀微粒子、鋁微粒子、銅微粒子、鎳微粒子、鈀微粒子等金屬微粒子；碳黑、石墨、碳奈米管、碳黑纖維、金屬被覆碳黑等碳黑系導電性微粒子；碳化鎢、氮化鈦、氮化鋯、碳化鈦等陶瓷系導電性微粒子；導電性鈦酸鉀須晶等。其中就導電性優異而言，較佳為金屬微粒子，更佳為銀微粒子。導電性微粒子可單獨使用，亦可兩種以上併用。再者，第1電極A2中所包含之導電性微粒子、與第2電極A3中所包含之導電性微粒子可相同，亦 可不同。
於第1電極A2由含有導電性微粒子之黏合樹脂構成之情形時，電極中之導電性微粒子之含量相對於黏合樹脂100質量份，較佳為40~90質量份，更佳為60~85質量份，尤佳為60~80質量份。於第2電極A3由含有導電性微粒子之黏合樹脂構成之情形時，電極中之導電性微粒子之含量相對於黏合樹脂100質量份，較佳為40~90質量份，更佳為60~85質量份，尤佳為60~80質量份。若第1電極A2及第2電極A3中所包含之導電性微粒子之含量為上述範圍內，則可維持第1電極A2及第2電極A3之伸縮性，並且對第1電極A2及第2電極A3賦予導電性。
於第1電極A2或第2電極A3由黏合樹脂構成之情形時，黏合樹脂只要可追隨朝向壓電片材A1之面方向之伸縮，不產生龜裂等損傷而將可伸縮之伸縮性賦予第1電極A2及第2電極A3即可，並無特別限定。
作為上述黏合樹脂，例如可列舉：改質矽酮、丙烯酸改質聚合物、苯乙烯系熱塑性彈性體、聚烯烴系熱塑性彈性體、聚氯乙烯系熱塑性彈性體、聚胺基甲酸酯系熱塑性彈性體、聚酯系熱塑性彈性體、聚醯胺系熱塑性彈性體、聚醯胺系熱塑性彈性體、1,2-聚丁二烯系熱塑性彈性體等熱塑性彈性體；聚氯丁二烯(CR)、EPDM、聚異戊二烯橡膠(IR)、聚丁二烯橡膠(BR)、苯乙烯-丁二烯共聚物橡膠(SBR)、丙烯腈-丁二烯共聚物橡膠(NBR)、乙烯-丙烯共聚物橡膠、丁基橡膠等橡膠材料等。再者，黏合樹脂可單獨使用，亦可兩種以上併用。
作為於壓電片材A1之表面將第1電極A2及第2電極A3積層一體化之方法，並無特別限定，例如可列舉：(1)及(2)之方法。
(1)該方法如下：於將使導電性微粒子及黏合樹脂分散或溶解於溶劑中而成之導電性塗料塗佈於壓電片材A1之表面之後，藉由去除導電性塗料之溶劑，而將第1電極A2或第2電極A3於壓電片材A1之表面積層一體化。
(2)該方法如下：於將使導電性微粒子分散於硬化性樹脂中而成之導電性 塗料塗佈於壓電片材A1之表面之後，利用加熱或游離輻射使硬化性樹脂硬化而製成黏合樹脂，將第1電極A2或第2電極A3於壓電片材A1之表面積層一體化。再者，作為游離輻射，例如可列舉：電子束、紫外線、α射線、β射線、γ射線等。
上述中，雖對將第1電極A2及第2電極A3於壓電片材A1之表面直接進行積層一體化之情形進行了說明，但積層一體化之方法並不僅限定於該等方法。作為其他方法，可列舉如下方法等：於將第1電極A2或第2電極A3擔載(積層一體化)於伸縮性合成樹脂片材之表面之後，視需要使用固定劑等公知之接著劑，將該第1電極A2或第2電極A3之形成面朝向壓電片材A1側而使伸縮性合成樹脂片材於壓電片材A1之表面積層一體化。
作為伸縮性合成樹脂片材，只要不產生龜裂等損傷，而可追隨壓電片材A1之面方向上之伸縮而伸縮，則無特別限定。作為構成伸縮性合成樹脂片材之合成樹脂，例如可列舉：苯乙烯系熱塑性彈性體、聚烯烴系熱塑性彈性體、聚氯乙烯系熱塑性彈性體、聚胺基甲酸酯系熱塑性彈性體、聚酯系熱塑性彈性體、聚醯胺系熱塑性彈性體、聚醯胺系熱塑性彈性體、1,2-聚丁二烯系熱塑性彈性體等熱塑性彈性體；聚氯丁二烯(CR)、EPDM、聚異戊二烯橡膠(IR)、聚丁二烯橡膠(BR)、苯乙烯-丁二烯共聚物橡膠(SBR)、丙烯腈-丁二烯共聚物橡膠(NBR)、乙烯-丙烯共聚物橡膠、丁基橡膠等橡膠材料等。再者，構成伸縮性合成樹脂片材之合成樹脂可單獨使用，亦可兩種以上併用。
作為於伸縮性合成樹脂片材之表面擔載第1電極A2或第2電極A3之方法，並無特別限定，例如可列舉：(1)及(2)之方法。
(1)該方法如下：於將使導電性微粒子及黏合樹脂分散或溶解於溶劑中而成之導電性塗料塗佈於伸縮性合成樹脂片材之表面之後，藉由去除導電性塗料之溶劑，而將第1電極A2或第2電極A3於伸縮性合成樹脂片材之表面積層一體化。
(2)該方法如下：於將使導電性微粒子分散於硬化性樹脂中而成之導電性塗料塗佈於伸縮性合成樹脂片材之表面之後，利用加熱或游離輻射使硬化性樹脂硬化而製成黏合樹脂，將第1電極A2或第2電極A3於伸縮性合成樹脂片材之表面積層一體化。
感測器系統S具備：壓電感測器A；第1檢測部B，其對由壓電感測器A產生之電位進行測定；及第2檢測部C，其對構成於壓電感測器A之第1電極與第2電極之間的電容器之靜電電容之變化或壓電感測器之第1電極與第2電極之間的阻抗之變化進行檢測。
如圖2所示，感測器系統S功能性地具有壓電感測器A、第1檢測部B、及第2檢測部C。
如圖3所示，感測器系統S物理定地具有壓電感測器A、CPU(Central Processing Unit)11、ROM(Read Only Memory)12、RAM(Random Access Memory)13、輔助記憶裝置14、第1測定模組15、第2測定模組16、輸出模組17、及溫度感測器18。
於CPU11以可通訊之方式電性連接有壓電感測器A、ROM12、RAM13、輔助記憶裝置14、第1測定模組15、第2測定模組16、輸出模組17及溫度感測器18。於CPU11、輔助記憶裝置14、第1測定模組、第2測定模組16、輸出模組17及溫度感測器18附帶或安裝通用之無線模組，以能夠互相通過無線通訊之方式電性連接。無線模組係進行通訊終端與無線資料通訊，且用於實現無線網(Wi-Fi)(註冊商標)或藍芽(註冊商標)[Bluetooth(註冊商標)]、W-CDMA規格、LTE規格、LPWA(Low Power Wide Area)規格等通常之無線通訊方式之模組。
作為輔助記憶裝置14，例如可列舉：SSD(Solid State Drive)或HDD(Hard Disk Drive)等。作為輸出模組17，例如可列舉：顯示器、揚聲器、 移動終端機器等。
第1測定模組15藉由對壓電感測器A之壓電片材A1於其厚度方向上施加頻率較大之應力，而測定由壓電片材A1產生之電位。進而，第1測定模組15藉由壓電感測器A之壓電片材A1於其面方向上短時間或瞬間伸長，而壓電片材A1於厚度方向上短時間或瞬間壓縮，藉此測定由壓電片材A1產生之電位。也就是第1測定模組15利用對壓電感測器A之壓電片材A1於其厚度方向或面方向上短時間或瞬間施加之頻率較大之應力而測定由壓電片材A1產生之電位。作為第1測定模組15，可使用電位之測定中所使用之公知之電位計。
第2測定模組16對構成於壓電感測器A之第1電極A2與第2電極A3之間的電容器之靜電電容進行測定。藉由利用第2測定模組16測定上述電容器之靜電電容，可檢測因壓電感測器A於其面方向上伸長，且壓電感測器A之厚度減小而產生之上述電容器之靜電電容之變化。進而，藉由利用第2測定模組16測定上述電容器之靜電電容，可檢測因對壓電感測器A於其厚度方向上施加推壓力，且壓電感測器A之厚度減小而產生之上述電容器之靜電電容之變化。第2測定模組16可適宜地用於檢測頻率較小之應力。作為第2測定模組16，可使用LCR測量計等公知之測定裝置。
第1測定模組15所檢測之頻率較大之應力較佳為頻率為0.01Hz以上之應力。藉由頻率為0.01Hz以上，容易檢測電位之變化。其結果，可高精度地檢測頻率較大之應力。上述頻率較大之應力更佳為0.1Hz以上之應力，進而較佳為1Hz以上之應力。較第1測定模組15所檢測之應力而言頻率較小之應力可適宜地利用第2測定模組16檢測。
感測器系統S係藉由如下方式實現：藉由於CPU11或RAM13上讀取特定之程式，而於CPU11之控制基礎下使第1測定模組15、第2測定模組16、輸出模組17及溫度感測器18運行，並且進行RAM13或輔助記憶裝置14中之資料之 讀出及寫入。
第1檢測部B及第2檢測部C於CPU11之控制基礎下，藉由執行ROM12等中所記憶之程式而發揮特定之功能。
壓電感測器之第1電極A2及第2電極A3經由導電線與第1測定模組15電性連接，將第2電極A3作為基準電位，以可利用第1測定模組15測定第1電極A2之電位之方式構成。再者，亦可將第1電極A2作為基準電位利用第1測定模組15測定第2電極A3之電位。
進而，壓電感測器A之第1電極A2及第2電極A3亦經由導電線與第2測定模組16電性連接，以構成於第1電極A2與第2電極A3之間的電容器之靜電電容可利用第2測定模組16進行測定之方式構成。
雖壓電感測器A之第1電極A2及第2電極A3與第1測定模組15及第2測定模組16之兩者電性連接，但由第1測定模組15測定之電位、與由第2測定模組16測定之靜電電容於測定時不干擾而獨立地進行測定。
由第1測定模組15測定之電位、及由第2測定模組16測定之靜電電容始終由CPU11監視。
並且，若由第1測定模組15測定之電位超過預先設定之閾值(電位閾值)，則CPU11判斷超過預先設定之大小之應力已施加於壓電感測器A，其意旨之警告訊號由CPU11發送至輸出模組17。輸出模組17進行顯示於顯示器或自揚聲器發出警告音等操作，通知管理感測器系統S之管理者。收到通知之管理者可基於通知採取必要之措施。又，視需要，亦可將由第1測定模組15測定之電位記憶於輔助記憶裝置14。
再者，利用CPU11所進行之將警告訊號發送至輸出模組17之操作可繼續進行直至由第1測定模組15測定之電位成為預先設定之閾值(電位閾值)以下為止，亦可經過固定時間後或由管理者停止。
又，若壓電感測器A於其面方向上伸長而壓電感測器A之厚度變薄，或施加使壓電感測器A於其厚度方向上壓縮之應力，則形成於壓電感測器之第1電極A2與第2電極A3之間的電容器之靜電電容變大。若由第2測定模組16測定之靜電電容超過預先設定之閾值(靜電電容閾值)，則藉由CPU11，判斷預先設定之大小以上之應力已施加於壓電感測器A。如此，CPU11將其意旨之警告訊號發送至輸出模組17。輸出模組17進行顯示於顯示器或自揚聲器發出警告音等操作，通知管理感測器系統之管理者。收到通知之管理者可基於通知採取必要之措施。又，視需要，亦可將由第2測定模組16測定之靜電電容記憶於輔助記憶裝置14。
再者，利用CPU11所進行之將警告訊號發送至輸出模組17之操作可繼續進行直至由第2測定模組16測定之靜電電容成為靜電電容閾值以下為止，亦可經過固定時間後或由管理者停止。
即便於由於花費較長時期緩慢施加於壓電感測器A之應力而壓電感測器A之厚度緩慢壓縮之情形時，亦可利用第2檢測部C，對形成於壓電感測器A之第1電極A2與第2電極A3之間的電容器之靜電電容之變化進行檢測。故而，藉由對形成於壓電感測器A之第1電極A2與第2電極A3之間的電容器之靜電電容進行測定，可高精度地檢測施加於壓電感測器A之花費較長時期緩慢施加之應力，即頻率較小之應力。
此處，由第2測定模組16測定之靜電電容根據測定環境(測定時之氛圍)之溫度發生變化。即，所測定之測定環境之溫度越高，則由第2測定模組16測定之靜電電容越小。因此，溫度感測器18始終對測定環境之溫度進行測定，由溫度感測器18測定之溫度作為電氣訊號發送至CPU11。
於輔助記憶裝置14中，記憶有測定環境之溫度、與測定環境之溫度下之靜電電容閾值之關係。具體而言，記憶有(1)表示測定環境之溫度、與 測定環境之溫度下之靜電電容閾值之關係之關係式，(2)表示測定環境之溫度、與測定環境之溫度下之靜電電容閾值之關係之圖表等。
並且，利用CPU11，基於由溫度感測器18測定之測定環境之溫度，根據輔助記憶裝置14中所記憶之測定環境之溫度、與測定環境之溫度下之靜電電容閾值之關係，確定測定環境之溫度下之靜電電容閾值，基於該靜電電容閾值進行上述判斷。
於上述中，雖基於測定環境之溫度確定預先設定之靜電電容閾值，基於該靜電電容閾值進行了判斷，但亦可藉由預先設定固定之值作為靜電電容閾值，並且按下述要領校正所測定之靜電電容，將該校正後之靜電電容與靜電電容閾值進行比較而進行上述判斷。
如上述所示，由於靜電電容自身根據溫度發生變化，故而校正由測定環境之溫度變化引起之靜電電容之變化。於輔助記憶裝置14中，記憶有用於校正所測定之靜電電容之成為基準之校正溫度T0、形成於壓電感測器之第1電極A2與第2電極A3之間的電容器之校正溫度T0中之靜電電容Ca、及靜電電容之溫度係數W(ppm/℃)。雖該校正溫度T0確定為任意溫度即可，並無特別限定，但較佳為接近感測器系統之測定環境溫度之平均值之溫度。
並且，利用CPU11，基於輔助記憶裝置14中所記憶之下述校正式來校正靜電電容。
校正後之靜電電容C=Ca+Ca×(測定環境之溫度-T0)×W/106
並且，亦可利用CPU11，比較並判斷以上述之方式校正之靜電電容與靜電電容閾值。
於上述中，將由第2測定模組16測定之靜電電容是否超過預先設定之閾值(靜電電容閾值)作為基準判斷了施加於壓電感測器之應力之有無，亦可將靜電電容之變化率是否超過預先設定之閾值(以下稱作「靜電電容變化率閾 值」)作為基準來判斷施加於壓電感測器之應力之有無。於利用該基準進行判斷之情形時，於考慮由溫度變化引起之靜電電容自身之變化之基礎上，需要確定靜電電容之變化率之閾值(靜電電容變化率閾值)。
具體而言，形成於壓電感測器A之第1電極A2與第2電極A3之間的電容器之靜電電容如上述所示，始終利用第2測定模組16進行測定。進而，測定環境之溫度如上述所示，始終利用溫度感測器18對測定環境之溫度進行測定。測得之靜電電容及測定環境之溫度作為電氣訊號始終發送至CPU11。並且，發送至CPU11之靜電電容及測定環境之溫度與測定時間(CPU11接收靜電電容及測定環境之溫度之時間)成對之後，記憶於輔助記憶裝置14之特定區域。
另一方面，利用CPU11，將自由第2測定模組16發送之靜電電容及測定環境之溫度之測定時間僅恢復預先設定之時間之時間中之靜電電容及測定環境之溫度自輔助記憶裝置14讀出。再者，將由第2測定模組16發送之靜電電容稱為「當前靜電電容」。將測定環境之溫度稱為「當前溫度」。將當前靜電電容及當前溫度之測定時間稱為「當前時間」。將自當前時間僅恢復預先設定之時間之時間稱為「基準時間」。將基準時間中之靜電電容稱為「基準靜電電容」。將基準時間中之測定環境之溫度稱為「基準溫度」。
如上述所示，由於靜電電容自身根據溫度發生變化，故而較佳為按上述要領校正由測定環境之溫度變化引起之靜電電容之變化。
並且，利用CPU11，使用以上述之方式校正之當前靜電電容及基準靜電電容基於輔助記憶裝置14中所記憶之下述式始終算出靜電電容之變化率。
靜電電容之變化率(%)=100×[(校正後之當前靜電電容)-(校正後之基準靜電電容)]/校正後之基準靜電電容
利用CPU11，若判斷算出之靜電電容之變化率超過靜電電容變化 率閾值，則由CPU11判斷預先設定之大小以上之應力施加於壓電感測器A。如此，CPU11將其意旨之警告訊號發送至輸出模組17。輸出模組17進行顯示於顯示器或自揚聲器發出警告音等操作，通知管理感測器系統之管理者。收到通知之管理者可基於通知採取必要之措施。又，視需要，亦可將由第2測定模組16測定之靜電電容之變化率記憶於輔助記憶裝置14。
再者，利用CPU11所進行之將警告訊號發送至輸出模組17之操作可繼續進行直至由第1測定模組15測定之電位成為電位閾值以下為止，或直至由第2測定模組16測定之靜電電容或者其變化率分別成為靜電電容閾值或者靜電電容變化率閾值以下為止。或利用CPU11所進行之將警告訊號輸出至輸出模組17之操作亦可經過固定時間後或由管理者停止。
於上述中，為了特別檢測施加於壓電感測器之頻率較小之應力，使用由壓電感測器A之第1電極A2與第2電極A3構成之電容器之靜電電容或靜電電容之變化率進行判斷。亦可利用第2測定模組16，對壓電感測器A之第1電極A2與第2電極A3之間的阻抗進行測定，基於該測得之阻抗進行判斷。再者，關於與上述感測器系統相同之構成，省略其說明。
若壓電感測器A於其面方向上伸長而壓電感測器A之厚度變薄，或施加使壓電感測器A於其厚度方向上壓縮之應力，則壓電感測器A之第1電極A2與第2電極A3之間的阻抗變小。因此，若基於由第2測定模組16測定之下述電位差V2算出之阻抗低於預先設定之閾值(阻抗閾值)，則利用CPU11，判斷預先設定之大小以上之應力已施加於壓電感測器A。如此，CPU11將其意旨之警告訊號發送至輸出模組17。輸出模組17進行顯示於顯示器或自揚聲器發出警告音等操作，通知管理感測器系統之管理者。收到通知之管理者可基於通知採取必要之措施。又，視需要，亦可將由第2測定模組16測定之阻抗記憶於輔助記憶裝置14。
再者，利用CPU11所進行之將警告訊號發送至輸出模組17之操作 可繼續進行直至由第2測定模組16測定之阻抗成為阻抗閾值以上，亦可經過固定時間後或由管理者停止。
此處，壓電感測器A之阻抗根據所測定之環境溫度發生變化。即，所測定之環境溫度越高，則壓電感測器A之阻抗越大。因此，溫度感測器18始終對測定環境之溫度進行測定，由溫度感測器18測定之溫度作為電氣訊號發送至CPU11。
於輔助記憶裝置14中，記憶有測定環境之溫度、與測定環境之溫度下之阻抗閾值之關係。具體而言，記憶有(1)表示測定環境之溫度、與測定環境之溫度下之阻抗閾值之關係之關係式，(2)表示測定環境之溫度、與測定環境之溫度下之阻抗閾值之關係之圖表等。
並且，利用CPU11，基於由溫度感測器18測定之測定環境之溫度，根據輔助記憶裝置14中所記憶之測定環境之溫度、與測定環境之溫度下之阻抗閾值之關係，確定測定環境之溫度下之阻抗閾值，基於該阻抗閾值進行上述判斷。
於上述中，基於測定環境之溫度確定預先設定之阻抗閾值，基於該阻抗閾值進行了判斷。亦可藉由預先設定固定之值作為阻抗閾值，並且按下述要領校正算出之壓電感測器A之阻抗，將該校正後之阻抗與阻抗閾值進行比較而進行上述判斷。
如上述所示，由於阻抗自身根據溫度發生變化，故而校正由測定環境之溫度變化引起之阻抗之變化。於輔助記憶裝置14中，記憶有用於校正所測定之阻抗之成為基準之校正溫度T1、校正溫度T1下之壓電感測器A之阻抗Za、及阻抗之溫度係數Y(ppm/℃)。雖該校正溫度T1確定為任意溫度即可，並無特別限定，但較佳為接近感測器系統之測定環境溫度之平均值之溫度。
並且，利用CPU11，基於輔助記憶裝置14中所記憶之下述校正式， 校正阻抗。
校正後之阻抗Z=Za+Za×(測定環境之溫度-T1)×Y/106
亦可利用CPU11，比較並判斷以上述之方式校正之阻抗與阻抗閾值。
檢測壓電感測器之第1電極A2與第2電極A3之間的阻抗之變化的第2檢測部C較佳為具有惠斯登電橋電路。即，壓電感測器A之第1電極A2與第2電極A3之間的阻抗較佳為使用惠斯登電橋電路算出。藉由使用惠斯登電橋電路，可更高精度地進行檢測。
即便於惠斯登電橋電路之中，亦較佳為具有測定用壓電感測器與基準用壓電感測器之2個以上之壓電感測器之惠斯登電橋電路。藉由使用此種惠斯登電橋電路，可更高精度地進行檢測。又，由於具有測定用與基準用壓電感測器，故而無需進行由溫度所引起之阻抗變化之校正，檢測精度更加優異。作為具有測定用壓電感測器與基準用壓電感測器之2個以上之壓電感測器之惠斯登電橋電路，可列舉有源虛擬法等。
對使用惠斯登電橋電路之阻抗之測定電路之一例進行說明。如圖4所示，準備2個壓電感測器A構成惠斯登電橋電路。2個壓電感測器A4、A5藉由將導電線與第1電極A2及第2電極A3之各者電性連接而組裝於電路。並且，2個壓電感測器A4、A5中之一者之壓電感測器成為測定用壓電感測器，另一者之壓電感測器成為基準用壓電感測器。進而，G1點與G3點之間及G3點與G4點之間分別組裝有阻抗值為已知之固定電阻(或基準用壓電感測器)R1及R2。由於測定精度提高，故而組裝於G1點與G3點之間及G3點與G4點之間的固定電阻(或基準用壓電感測器)R1及R2之阻抗值J1及J2較佳為分別與常態(未伸長之狀態)下之測定用壓電感測器之阻抗值J3為相同程度。具體而言，較佳為組裝於G1點與G3點之間及G3點與G4點之間的固定電阻(或基準用壓電感測器)R1及R2之阻抗值J1及J2、 與常態(未伸長之狀態)下之測定用壓電感測器之阻抗值J3滿足下述式。
0.8×J3≦J1≦1.2×J3
0.8×J3≦J2≦1.2×J3
再者，於下述說明中，壓電感測器A4構成測定用壓電感測器。
如圖4所示，惠斯登電橋電路，以包含測定用壓電感測器A4及基準用壓電感測器A5的一側之電路部分、與包含固定電阻R1及R2的另一側之電路部分並聯連接之方式構成。並且，於G1點與G4點之間每隔特定之時間間隔(較佳為固定之時間間隔)便施加交流電壓V1，利用第2測定模組16每隔特定之時間間隔便測定G2點與G3點之間的電位差V2，測得之電位差V2作為電氣訊號發送至CPU11。並且，基於電位差V2利用CPU11算出壓電感測器A4之阻抗。再者，電位差之測定使用公知之電位計等。
為了測定壓電感測器A之阻抗而於G1點與G4點之間施加交流電壓V1。由於該交流電壓V1、與由第1測定模組15測定之電位產生干擾，故而每隔特定之時間間隔便施加用於測定壓電感測器A4之阻抗之交流電壓V1，於施加交流電壓V1時，第1測定模組15之電位之測定中斷。另一方面，未施加交流電壓V1時，利用第1測定模組15始終測定由壓電片材A1產生之電位。
於上述中，以基於由第2測定模組16測定之電位V2算出之阻抗是否低於預先設定之閾值(阻抗閾值)作為基準來判斷預先設定之大小以上之應力是否施加於壓電感測器。亦可以阻抗之變化率是否超過預先設定之閾值(以下稱為「阻抗變化率閾值」)作為基準來判斷預先設定之大小以上之應力是否施加於壓電感測器。於利用該基準進行判斷之情形時，於考慮由溫度變化所引起之阻抗自身之變化之基礎上，需要確定阻抗變化率閾值。再者，於使用圖4所示之惠斯登電橋電路算出阻抗之情形時，下述當前阻抗及基準阻抗無需校正伴隨測定環境之溫度變化之阻抗自身之變化。
具體而言，如上述所示，利用第2測定模組16測定之電位差V2作為電氣訊號每隔特定之時間間隔(較佳為每隔固定時間間隔)發送至CPU11。並且，基於電位差V2利用CPU11算出壓電感測器A之阻抗。並且，利用CPU11算出之阻抗與測定時間(CPU11接收電位差V2之時間)成對之後，記憶於輔助記憶裝置14之特定區域。
另一方面，利用CPU11，將自基於自第2測定模組16發送之電位差V2算出之阻抗之測定時間僅恢復預先設定之時間之時間中之阻抗自輔助記憶裝置14讀出。再者，將基於自第2測定模組16發送之電位差V2算出之阻抗稱為「當前阻抗」。將當前阻抗之測定時間稱為「當前時間」。將自當前時間僅恢復預先設定之時間之時間稱為「基準時間」。將基準時間中之阻抗稱為「基準阻抗」。
並且，利用CPU11，使用當前阻抗及基準阻抗，基於輔助記憶裝置14中所記憶之下述式每隔特定之時間間隔(較佳為每隔固定之時間間隔)算出阻抗之變化率。再者，於當前阻抗與基準阻抗之間，於未考慮伴隨測定環境之溫度變化之阻抗自身之變化之情形時，基於上述校正式對當前阻抗及基準阻抗進行校正即可。
阻抗之變化率(%)=100×[(當前阻抗)-(基準阻抗)]/(基準阻抗)
利用CPU11，若判斷算出之阻抗之變化率超過預先設定之閾值(阻抗變化率閾值)，則判斷預先設定之大小以上之應力已施加於壓電感測器A。並且，CPU11將其意旨之警告訊號發送至輸出模組17。輸出模組17進行顯示於顯示器或自揚聲器發出警告音等操作，通知管理感測器系統之管理者。收到通知之管理者可基於通知採取必要之措施。又，視需要，亦可將由第2測定模組16測定之阻抗之變化率記憶於輔助記憶裝置14。
再者，利用CPU11所進行之將警告訊號發送至輸出模組17之操作可繼續進行直至由第1測定模組15測定之電位成為電位閾值以下為止，或直至由 第2測定模組16測定之阻抗或者其變化率分別成為阻抗閾值或者阻抗變化率閾值以上為止。或利用CPU11所進行之將警告訊號發送至輸出模組17之操作亦可經過固定時間後或由管理者停止。
上述感測器系統如上述般，由於可檢測花費較長時期緩慢施加之應力(頻率較小之應力)、與短時間或瞬間施加之應力(頻率較大之應力)之兩者，故而可檢測被檢測體中之兩種應力。又，不僅可檢測壓縮等施加於壓電片材之厚度方向之應力，亦可檢測伸長等施加於壓電片材之面方向之應力。
於上述中，對將壓電感測器A、ROM12、RAM13、輔助記憶裝置14、第1測定模組15、第2測定模組16、輸出模組17及溫度感測器18、與CPU11藉由有線或無線可通訊地電性連接之感測器系統進行了說明。準備具備CPU11、ROM12及RAM13之伺服器裝置、與作為輔助記憶裝置14之資料庫伺服器裝置。並且，將資料庫伺服器裝置與伺服器裝置可通訊地電性連接，並且亦可將伺服器裝置經由網際網路等網路，與壓電感測器A、第1測定模組15、第2測定模組16、輸出模組17及溫度感測器18可通訊地連接而構成感測器系統。
於經由上述網路之感測器系統中，由第1測定模組15、第2測定模組16及溫度感測器18測定之測定結果經由網路發送至伺服器裝置，利用CPU11，基於測定結果算出特定之值。再者，於以下，將測定結果、或基於測定結果算出之值稱為「比較值」。
利用CPU11，若判斷比較值超過或低於預先設定之上述各種閾值，則經由網路將警告訊號發送至輸出模組17。輸出模組17進行顯示於顯示器或自揚聲器發出警告音等操作，通知管理感測器系統之管理者。收到通知之管理者可基於警告訊號採取必要之措施。於經由上述網路之感測器系統中，其他動作由於與上述感測器系統相同，故而省略其說明。
又，由於花費較長時期緩慢施加於壓電感測器A之壓力或因伸長 而產生之電荷洩漏，故而於測定花費較長時期緩慢施加於壓電感測器A之壓力或伸長之情形時，較佳為利用由第2測定模組測定之靜電電容或阻抗進行檢測。
作為感測器系統為對象之被檢測體，例如可列舉：人體、機器人、無人航空機、混凝土構造物、橋樑及輸送機器(例如車輛等)等。
感測器系統可適宜地用於將其壓電感測器A貼合於人體之皮膚或安裝於人體而使用之用途，所謂可穿戴用途，可高精度地檢測脈搏波或呼吸訊號等生物訊號及皮膚表面之運動。
上述感測器系統亦可自身構成測定裝置，或可用作習知公知之測定裝置之感測器部或其一部分。
又，感測器系統藉由使其壓電感測器A於機器人或無人航空機等機械上貼合於表面，可高精度地檢測與其他物體之接觸或機械之可動部之運動。
又，感測器系統藉由使其壓電感測器A貼合於隧道等混凝土構造物之表面，可進行混凝土構造物上產生之裂紋之檢測。
具體而言，隧道等混凝土構造物隨著經時劣化而產生裂紋。混凝土構造物之裂紋中，有由於經時性施加應變而緩慢形成之裂紋、與由於短時間內或瞬間對混凝土構造物施加應力而產生之裂紋。
前者之裂紋係需要檢測沿著混凝土表面之運動。並且，由於前者之裂紋因經時性應變而產生，故而幾乎不產生振動而緩慢地發生並進行。
另一方面，後者之裂紋係由於對混凝土構造物施加應力而產生。故而，於後者之裂紋之形成時於混凝土構造物產生伴隨裂紋之振動。
根據上述感測器系統，可藉由對形成於壓電感測器A之第1電極A2與第2電極A3之間的電容器之靜電電容或阻抗之變化進行檢測，而檢測前者之裂紋。進而，根據上述感測器系統，可藉由檢測後者之裂紋之形成時產生之振動作為頻率較大之應力，而檢測後者之裂紋。
[產業上之可利用性]
感測器系統可檢測壓電片材之厚度方向之壓力及面方向上產生之應力之兩者。進而，感測器系統可檢測花費較長時間緩慢施加之應力(頻率較小之應力)、與短時間或瞬間施加之應力(頻率較大之應力)之兩者。感測器系統應用於人體、機器人、無人航空機、混凝土構造物、橋樑及輸送機器(例如車輛等)等各種被檢測體，可檢測施加於被檢測體之各種應力、或被檢測體之各種運動。
(相關申請之相互參照)
本申請案主張基於2018年8月10日申請之日本專利申請第2018-151257之優先權，該申請之公開藉由參照該等全部而包含於本說明書。
A1‧‧‧壓電片材
A2‧‧‧第1電極
A3‧‧‧第2電極

Claims (3)

  1. 一種感測器系統，其特徵在於具備：壓電感測器，其具有於面方向上具有伸縮性之壓電片材、積層於上述壓電片材之一面且於上述壓電片材之面方向上具有伸縮性之第1電極、及積層於上述壓電片材之另一面且於上述壓電片材之面方向上具有伸縮性之第2電極；第1檢測部，其對由上述壓電感測器產生之電位進行測定；及第2檢測部，其對上述壓電感測器之第1電極與第2電極之間的阻抗之變化進行檢測；對上述壓電感測器之第1電極與第2電極之間的阻抗之變化進行檢測之上述第2檢測部具有惠斯登電橋電路，該惠斯登電橋電路具有測定用壓電感測器與基準用壓電感測器之2個以上之壓電感測器，且包含上述測定用壓電感測器及上述基準用壓電感測器的一側之電路部分與另一側之電路部分並聯連接。
  2. 如請求項1所述之感測器系統，其將上述阻抗之變化作為阻抗之變化率而算出。
  3. 一種測定裝置，其特徵在於：包含如請求項1所述之感測器系統。
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