JP2005055242A - ケーブル状圧力センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来の鉛を含む圧電体粒子で構成される圧力センサは、環境を汚染させるとともに、電極の不安定さによりセンサとしての特性が安定しないという課題を有していた。
【解決手段】 有機高分子10と鉛を含まないタングステンブロンズ構造を有するセラミック圧電体粒子11からなる可撓性感圧体8と、可撓性感圧体8に電気絶縁性の可撓性支持体12の両面に金属層13を形成した可撓性外側電極9を巻回してケーブル状圧力センサを構成することにより、環境汚染を防止することができるとともに、安定した電気抵抗を有する電極を得ることができ、優れたセンサ特性を安定して実現することができる。
【選択図】 図1
【解決手段】 有機高分子10と鉛を含まないタングステンブロンズ構造を有するセラミック圧電体粒子11からなる可撓性感圧体8と、可撓性感圧体8に電気絶縁性の可撓性支持体12の両面に金属層13を形成した可撓性外側電極9を巻回してケーブル状圧力センサを構成することにより、環境汚染を防止することができるとともに、安定した電気抵抗を有する電極を得ることができ、優れたセンサ特性を安定して実現することができる。
【選択図】 図1
Description
本発明は有機高分子と鉛を含まないセラミック圧電体粒子を感圧体とした可撓性を有するケーブル状圧力センサの構成に関するものである。
従来、この種のケーブル状圧力センサは図7に示すようなものがある(例えば、特許文献1参照)。図7に示すように、線状導電材1と導電ゴム2とから構成された芯電極3の周囲に可撓性感圧体4を配置し、その周囲に外皮電極層5と熱収縮チューブ6を順次被覆して構成されている。可撓性感圧体4としては合成ゴムや合成樹脂の中にチタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛のセラミック圧電体粉末を添加した複合体が用いられ、外皮電極層5は可撓性感圧体4の表面に銀系ゴム塗料などの導電塗料を塗着したものが用いられている。上記ケーブル状圧力センサの一部あるいは全面に圧力が印加されたとき、その部分の圧力センサが歪む結果、芯電極3と外皮電極層5の間に電圧が誘起され、この誘起電圧を利用して圧力を検出している。
特開昭62−230071号公報
しかしながら、上記従来のケーブル状圧力センサは可撓性感圧体4に鉛を含む酸化物からなる圧電材料を含んでいる。このケーブル状圧力センサは、搭載した製品が廃棄処理される際、製品から取り外されて細かく裁断され廃棄されることが想定され、廃棄されたケーブル状圧力センサは酸性雨などの環境にさらされることもあり、このような場合には可撓性感圧体4を構成している鉛を含む酸化物からなる圧電材料から鉛が溶出し、環境汚染の原因となることが懸念される。
また、外皮電極層5は銀系ゴム塗料などの導電塗料を塗着して形成されるため膜厚が不均一となることにより電気抵抗が大きくなる部位が存在する可能性があり、センサとしての特性が悪くなるという課題を有していた。
また、外皮電極層5の周囲に被覆されている熱収縮チューブ6は熱収縮によって硬化するため、熱収縮チューブ6に圧力が印加されたとき、その部分の歪み量が少なくなるので芯電極3と外皮電極層5の間に誘起される電圧が小さくなり、センサとしての感度が低くなるという課題があった。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、環境汚染がなく、感度の高いケーブル状圧力センサを提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明のケーブル状圧力センサは芯電極に周設された可撓性感圧体とこの表面に巻回された電気絶縁性の可撓性支持体と前記可撓性支持体の両面に設けられた金属層とからなる可撓性外側電極で構成され、可撓性感圧体を少なくとも有機高分子と、一般式がAB2O6で表され、AサイトイオンがSr、Ba、Ca、Mgの少なくとも1種を含むタングステンブロンズ構造を有するセラミック圧電体粒子とから構成したものである。
また、本発明のケーブル状圧力センサは芯電極に周設された可撓性感圧体とこの表面に巻回された電気絶縁性の可撓性支持体と前記可撓性支持体の両面に設けられた金属層とからなる可撓性外側電極で構成され、可撓性感圧体を少なくとも有機高分子と、一般式が(A1)2(A2)B5O15で表されるタングステンブロンズ構造を有するセラミック圧電体粒子とから構成したものである。
これによって、可撓性感圧体に含まれるセラミック圧電体粒子は鉛を含まないので酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がない。また、タングステンブロンズ構造を有するセラミック圧電体粒子を用いることにより、従来の鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が低いので圧電特性を発現させる分極処理電圧を低くすることができ、製法の作業性、安全性を向上させることができる。また、可撓性外側電極は可撓性感圧体に巻回された構成であるので安定した電気抵抗を有する電極を得ることができる。
本発明のケーブル状圧力センサは、可撓性感圧体を構成するセラミック圧電体には鉛を含んでいないのでケーブル状圧力センサが廃棄処理され酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境汚染を防止することができるとともに、可撓性外側電極は可撓性感圧体に巻回された構成であるのでOLE_LINK1安定した電気抵抗を有する電極を得ることができ、優れたセンサ特性を安定して実現することができる。
第1の発明は、内側電極としての芯電極と、芯電極に周設された可撓性感圧体と、可撓性感圧体の表面に巻回される可撓性外側電極とから形成され、可撓性感圧体は少なくとも有機高分子と一般式がAB2O6で表されAサイトイオンがSr、Ba、Ca、Mgの少なくとも1種を含むタングステンブロンズ構造を有するセラミック圧電体粒子とから構成したものである。
第2の発明は、内側電極としての芯電極と、芯電極に周設された可撓性感圧体と、可撓性感圧体の表面に巻回される可撓性外側電極とから形成され、可撓性感圧体は少なくとも有機高分子と一般式が(A1)2(A2)B5O15で表されるタングステンブロンズ構造を有するセラミック圧電体粒子とから構成したものである。
第1の発明と第2の発明の構成によって、可撓性感圧体に含まれるセラミック圧電体粒子は鉛を含まないので酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境汚染を防止することができる。また、タングステンブロンズ構造を有するセラミック圧電体粒子を用いることにより、従来の鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が低いので圧電特性を発現させる分極処理電圧を低くすることができ、製法の作業性、安全性を向上させることができる。また、可撓性外側電極は可撓性感圧体に巻回された構成であるので一定の電気抵抗を有する電極を得ることができ、安定したセンサ特性を実現することができる。
第3の発明は、特に、第2の発明の一般式が(A1)2(A2)B5O15で表されるセラミック圧電体粒子において、A1サイトイオンがSr、Ba、Li、A2サイトイオンがNa、K、Biの少なくとも1種を含む構成とすることにより、圧電特性を向上させることができ、センサの感度を高めることができる。
第4の発明は、特に、第1〜第3のいずれか1つの発明の一般式がAB2O6、AB2O6、(A1)2(A2)B5O15で表されるセラミック圧電体粒子において、BサイトイオンがNb、Taの少なくとも1種を含む構成とすることにより、圧電特性を向上させることができ、センサとしての感度を高めることができる。
第5の発明は、特に、第1〜第4のいずれか1つの発明の有機高分子を熱可塑性エラストマーで構成することにより、感圧体自身に優れた弾性と可撓性を付与することができ、センサの感度を高めることができる。
第6の発明は、特に、第5の発明の熱可塑性エラストマーを塩素化ポリエチレンで構成することにより、セラミック圧電粒子の含有量を多くすることができるのでセンサの感度を高めることができる。
第7の発明は、特に、第1〜第6のいずれか1つの発明の可撓性外側電極を電気絶縁性の可撓性支持体と前記可撓性支持体の両面に設けられた金属層とから構成することにより、低い電気抵抗を有する電極を得ることができ、安定して優れたセンサ特性を実現することができるとともに、電気絶縁性の可撓性支持体によって外可撓性外側電極の張力を強くすることができるので強い張力で巻回しても可撓性外側電極が切断されることがなく、可撓性感圧体の可撓性外側電極の密着性を向上させることができ、センサの感度を高めることができる。
第8の発明は、特に、第7の発明の可撓性支持体を高分子フィルムで構成することにより、ケーブル状圧力センサ全体の機械的インピーダンスを低くすることができるのでセンサに圧力が加わった際に容易に変形させることができ、低い印加圧力下での誘起電圧の検出を可能とすることができる。
第9の発明は、特に、第8の発明の高分子フィルムをポリエチレンテレフタレートとすることにより、高分子フィルムの中でもポリエチレンテレフタレートフィルムは150℃の耐熱性を有しているので耐熱性に優れたケーブル状圧力センサを実現することができる。
第10の発明は、特に、第1〜第9のいずれか1つの発明の可撓性外側電極を可撓性感圧体の表面に金属層の一部が重なり合った状態で巻回することにより、可撓性感圧体の周囲全体を金属層で覆うことができるので金属層をアース電位にすることによって芯電極と可撓性外側電極間で発生する誘起電圧を検出することが可能となり、外部空間からの電気的ノイズを遮断することができる。
第11の発明は、特に、第1〜第9のいずれか1つの発明の可撓性外側電極を可撓性感圧体の表面に金属層が重ならない状態で巻回することにより、ケーブル状圧力センサ全体の機械的インピーダンスを低く保持できるのでセンサに圧力が加わった際に容易に変形させることができ、低い印加圧力下での誘起電圧の検出を可能とすることができる。
第12の発明は、特に、第1〜第11のいずれか1つの発明の可撓性外側電極の周囲を導電性編組で被覆することにより、可撓性外側電極をアース電位にして芯電極と可撓性外側電極間で発生する誘起電圧を検出することが可能となり、外部空間からの電気的ノイズを遮断することができる。
第13の発明は、特に、第1〜第12のいずれか1つの発明の可撓性外側電極の周囲を弾性体で被覆することにより、ケーブル状圧力センサの可撓性の低下を抑制することができるのでケーブル状圧力センサに圧力が印加されたとき、その部分での歪み量の低下を抑制することができるとともに、可撓性感圧体と可撓性外側電極の密着性が向上し、空気層を生じることがないのでセンサとしての感度の低下を防止することができる。
第14の発明は、特に、第12の発明の弾性体を熱可塑性エラストマー、加硫ゴムのいずれか1種で構成することにより、水蒸気のセンサ内部への浸透を抑制することが可能であり、弾性と可撓性を維持しつつ優れた耐湿性を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1におけるケーブル状圧力センサの要部外観図である。
図1は本発明の実施の形態1におけるケーブル状圧力センサの要部外観図である。
図1において、ケーブル状圧力センサは芯電極7の周囲に可撓性感圧体8を形成し、さらに可撓性外側電極9が可撓性感圧体8の表面に重ならない状態で巻回されて構成されている。図2は可撓性感圧体8の内部構造を示す一部断面図であり、可撓性感圧体8は有機高分子10の中に鉛を含まないセラミック圧電体粒子11が分散した状態にある。また、図3は可撓性外側電極9の構成を示す一部断面図であり、可撓性外側電極9は電気絶縁性の可撓性支持体12と可撓性支持体12の両面に形成された金属層13から構成されている。
芯電極7としては従来例で示した構成の芯電極、単数または複数の金属細線からなる芯電極、多数のポリエステル繊維の収束線に銅などの金属を巻回した芯電極などが用いられる。可撓性感圧体8を構成する有機高分子10としては、塩素化ポリエチレンを代表とする熱可塑性エラストマーが用いられる。鉛を含まないセラミック圧電体粒子11としては、タングステンブロンズ構造を有し、一般式がAB2O6、一般式が(A1)2(A2)B5O15で表される化合物が用いられる。また、可撓性外側電極9を構成する電気絶縁性の可撓性支持体12としてはポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリスチレン、塩化ビニル、ナイロン、ポリエチレン、トリアセテートなどの高分子フィルムが用いられ、金属層13の金属としてはアルミニウム、銅、ニッケルなどの箔もしくは蒸着膜が用いられる。
以上のように構成されたケーブル状圧力センサについて、以下その動作、作用を説明する。
前記構成とした後、芯電極7と可撓性外側電極9間に直流電圧を印加して、可撓性感圧体8を分極する工程により圧電性が付与される。可撓性感圧体8に圧電性を付与することにより、前記ケーブル状圧力センサの一部あるいは全面に時間的に変化する圧力が印加されたとき、芯電極7と可撓性外側電極9間にはその部分のケーブル状圧力センサに生じる加速度に応じた振動電圧が誘起される。この誘起電圧を利用して圧力を検出することができる。このケーブル状圧力センサは、例えば自動車用のドアやウィンドウなどに取り付けられ、圧力検出装置として利用される。
本実施の形態のケーブル状圧力センサを搭載した製品が使用済みになると、ケーブル状圧力センサは製品から取り外されて細かく切断された後、廃棄処理されることが考えられる。廃棄処理されたケーブル状圧力センサは酸性雨などの厳しい環境に曝されることもあり、酸性雨によりケーブル状圧力センサの構成材料が溶出する可能性を有するが、可撓性感圧体8を構成するセラミック圧電体粒子11は鉛を含まない材料を用いているので鉛の溶出がなく、環境を汚染することがない。
また、セラミック圧電体粒子11として用いるタングステンブロンズ構造を有する化合物は、従来の鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が低いので圧電特性を発現させる分極処理電圧を低くすることができ、製法の作業性、安全性を向上させることができる。
また、一般式がAB2O6で表されるセラミック圧電体粒子11のAサイトイオンをSr、Ba、Ca、Mgの少なくとも1種を含む化合物、一般式が(A1)2(A2)B5O15で表されるセラミック圧電体粒子11のA1サイトイオンをSr、Ba、Li、A2サイトイオンをNa、K、Biの少なくとも1種を含む化合物、さらに一般式がAB2O6、(A1)2(A2)B5O15で表されるセラミック圧電体粒子11のBサイトイオンをNb、Taの少なくとも1種を含む化合物とすることにより、圧電特性をさらに向上させることができ、センサとしての感度を高めることができる。特に一般式がAB2O6で表される化合物は、(Ba1−xSrx)Nb2O6、(Ca1−xSrx)Nb2O6、一般式が(A1)2(A2)B5O15で表される化合物は、Sr2NaNb5O15、(Ba1−xSrx)2NaNb5O15、(Ca1−xSrx)2NaNb5O15、Ba2Na1−xBix/3Nb5O15が有用である。ただし、xが0≦x≦1。
また、有機高分子10を熱可塑性エラストマーで構成することにより、可撓性感圧体8自身に優れた弾性と可撓性を付与することができるのでセンサの感度を高めることができる。特に、熱可塑性エラストマーを塩素化ポリエチレンで構成することにより、セラミック圧電粒子の含有量を多くすることができるのでセンサの感度をより高めることができる。
また、可撓性外側電極9を電気絶縁性の可撓性支持体12と可撓性支持体12の両面に設けられた金属層13とから構成することにより、一定でかつ低い電気抵抗を有する電極を得ることができるので常に安定した優れたセンサ特性を実現することができるとともに、可撓性支持体12によって可撓性外側電極9の張力を強くすることができるので強い張力で巻回しても可撓性外側電極が切断されることがなく、可撓性感圧体8と可撓性外側電極9の密着性を向上させることができ、センサの感度を高めることができる。
また、可撓性支持体12として用いる高分子フィルムは、芯電極7と可撓性感圧体8の構成物の機械的インピーダンスに比べ、低い機械的インピーダンスを有するので可撓性感圧体8に巻回してもセンサ全体の機械的インピーダンスの増加を抑制することができ、外部からの圧力に応じて容易に変形させることが可能となり、低い印加圧力下においても荷重を検出することができる。また、高分子フィルムの厚さはできるだけ薄い方が機械的インピーダンスも低くなるので好ましいが、工業的に多く利用されている数十μm以下の厚さが入手の容易性や価格の点でも好ましい。
また、高分子フィルムの中でも特にポリエチレンテレフタレートは最高使用温度が約150℃と他の高分子フィルムに比べ、耐熱性が高いので耐熱性に優れたケーブル状圧力センサを実現することができる。
また、金属層13の材料としてはアルミニウム、銅、ニッケルが挙げられるが、これらの中でも特にアルミニウムは銅に比べ熱的に酸化され難く、またニッケルに比べ柔らかいので機械的インピーダンスが低いことから最も適しており、金属層13の厚さも高分子フィルムと同様にできるだけ薄い方が好ましく、その点からも高分子フィルムにアルミニウムなどの金属を蒸着したものがよい。
また、可撓性外側電極9が可撓性感圧体8の表面に金属層13が重ならない状態で巻き付けることにより、ケーブル状圧力センサ全体の機械的インピーダンスを低く保持できるのでセンサに圧力が加わった際に容易に変形させることができ、低い印加圧力下においても感度よく誘起電圧を検出することができる。
(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2におけるケーブル状圧力センサの要部断面図である。図4において第1の実施の形態と異なるところはこの導電性編組14を設けた点である。なお、実施の形態1と同一部材は同じ符号を付けている。
図4は、本発明の実施の形態2におけるケーブル状圧力センサの要部断面図である。図4において第1の実施の形態と異なるところはこの導電性編組14を設けた点である。なお、実施の形態1と同一部材は同じ符号を付けている。
図4に示すように、可撓性外側電極9が可撓性感圧体8の表面に巻回した後、可撓性外側電極9に接触するように導電性編組14で被覆した構成としている。
導電性編組14がない場合、可撓性外側電極9は芯電極7の周囲を完全に覆っていないため、芯電極7と可撓性外側電極9間で発生する誘起電圧を検出する時、外部ノイズを拾い易い。従って、可撓性外側電極9の周囲を導電性編組14で被覆し、可撓性外側電極9と導電性編組14を短絡させ、かつ導電性編組14をアース電位に保持することにより、シールド機能を付加することができるので外部空間からの電気的ノイズを遮断することができる。
(実施の形態3)
図5は、本発明の実施の形態3におけるケーブル状圧力センサの要部外観図である。図5において、実施の形態1と異なるところは可撓性外側電極15の巻き付け構成にある。なお、実施の形態1と同一部材は同じ符号を付けている。
図5は、本発明の実施の形態3におけるケーブル状圧力センサの要部外観図である。図5において、実施の形態1と異なるところは可撓性外側電極15の巻き付け構成にある。なお、実施の形態1と同一部材は同じ符号を付けている。
図5に示すように、可撓性感圧体8の表面に可撓性外側電極15の一部が重なり合った状態で巻き付けられ、芯電極7と可撓性感圧体8は可撓性外側電極15によって覆われた構成としている。可撓性外側電極15は第1の実施の形態の可撓性外側電極9と同一構成、材料のものを用いている。
この構成によると、芯電極7と可撓性外側電極15の間で発生する誘起電圧を検出する時、可撓性外側電極15をアース電位とすることによって可撓性外側電極15がシールド機能を兼ねることができるので外部空間からの電気的ノイズを遮断することができ、センサとしての特性を安定化することができる。
また、実施の形態3のケーブル状圧力センサによれば、シールド構成を設ける必要がないため、簡素なセンサ構成とすることができる。
なお、ケーブル状圧力センサが外部圧力により変形する時、可撓性外側電極14の重なり合った部分の変形をより容易にするために重なり合う部分の幅をできるだけ短くすることが望ましい。
(実施の形態4)
図6は、本発明の実施の形態4におけるケーブル状圧力センサの要部断面図である。図6において、実施の形態3と異なるところは可撓性外側電極15の周囲を弾性体16で被覆した構成にある。なお、実施の形態3と同一部材は同じ符号を付けている。
図6は、本発明の実施の形態4におけるケーブル状圧力センサの要部断面図である。図6において、実施の形態3と異なるところは可撓性外側電極15の周囲を弾性体16で被覆した構成にある。なお、実施の形態3と同一部材は同じ符号を付けている。
可撓性外側電極15の周囲を弾性体16で被覆することにより、ケーブル状圧力センサの可撓性の低下を抑制することができるのでケーブル状圧力センサに圧力が印加されたとき、その部分での歪み量の低下を抑制することができるとともに、可撓性感圧体8と可撓性外側電極15の密着性が強固になり、空気層を生じることがないのでセンサとしての感度の低下を防止することができる。
また、弾性体16の材料は、前述の効果をより発揮させるために、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムのいずれか1種で構成することが望ましい。特に、これら材料は、水蒸気のセンサ内部への浸透を抑制することが可能であり、弾性と可撓性を維持しつつ優れた耐湿性を実現することができる。
以上のように、本発明にかかるケーブル状圧力センサは、セラミック圧電体粒子が鉛を含んでいないので環境汚染を防止するとともに、可撓性外側電極が安定した電気抵抗を有するので優れたセンサ特性を安定して実現することが可能となり、自動車のドアやウィンドウの挟み込み防止や介護ベッドの在床検知の圧力検出装置など幅広い用途に適用できるものである。
7 芯電極
8 可撓性感圧体
9、15 可撓性外側電極
10 有機高分子
11 セラミック圧電体粒子
12 絶縁性の可撓性支持体
13 金属層
14 導電性編組
16 弾性体
8 可撓性感圧体
9、15 可撓性外側電極
10 有機高分子
11 セラミック圧電体粒子
12 絶縁性の可撓性支持体
13 金属層
14 導電性編組
16 弾性体
Claims (14)
- 内側電極としての芯電極と、前記芯電極に周設された可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体の表面に巻回される可撓性外側電極とから形成され、前記可撓性感圧体は少なくとも有機高分子と、一般式がAB2O6で表され、AサイトイオンがSr、Ba、Ca、Mgの少なくとも1種を含むタングステンブロンズ構造を有するセラミック圧電体粒子とからなるケーブル状圧力センサ。
- 内側電極としての芯電極と、前記芯電極に周設された可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体の表面に巻回される可撓性外側電極とから形成され、前記可撓性感圧体は少なくとも有機高分子と、一般式が(A1)2(A2)B5O15で表されるタングステンブロンズ構造を有するセラミック圧電体粒子とからなるケーブル状圧力センサ。
- 一般式が(A1)2(A2)B5O15で表されるセラミック圧電体粒子は、A1サイトイオンがSr、Ba、Li、A2サイトイオンがNa、K、Biの少なくとも1種を含む請求項2記載のケーブル状圧力センサ。
- 一般式がAB2O6、(A1)2(A2)B5O15で表されるセラミック圧電体粒子は、BサイトイオンがNb、Taの少なくとも1種を含む請求項1、2または3記載のケーブル状圧力センサ。
- 有機高分子は、熱可塑性エラストマーである請求項1〜4のいずれか1項に記載のケーブル状圧力センサ。
- 熱可塑性エラストマーは、塩素化ポリエチレンである請求項5に記載のケーブル状圧力センサ。
- 可撓性外側電極は電気絶縁性の可撓性支持体と、前記可撓性支持体の両面に設けられた金属層とからなる請求項1〜6のいずれか1項に記載のケーブル状圧力センサ。
- 可撓性支持体は、高分子フィルムである請求項7に記載のケーブル状圧力センサ。
- 高分子フィルムは、ポリエチレンテレフタレートである請求項8に記載のケーブル状圧力センサ。
- 可撓性外側電極は、可撓性感圧体の表面に金属層の一部が重なり合った状態で巻回した請求項1〜9のいずれか1項に記載のケーブル状圧力センサ。
- 可撓性外側電極は、可撓性感圧体の表面に金属層が重ならない状態で巻回した請求項1〜9のいずれか1項に記載のケーブル状圧力センサ。
- 可撓性外側電極の周囲を導電性編組で被覆してなる請求項1〜11のいずれか1項に記載のケーブル状圧力センサ。
- 可撓性外側電極または導電性編組の周囲を弾性体で被覆してなる請求項1〜12のいずれか1項に記載のケーブル状圧力センサ。
- 弾性体は、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムのいずれか1種からなる請求項13記載のケーブル状圧力センサ。
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