JP2007101338A

JP2007101338A - 圧力センサ装置

Info

Publication number: JP2007101338A
Application number: JP2005290931A
Authority: JP
Inventors: Yuko Fujii; 優子藤井; Yu Fukuda; 祐福田; Taku Hashida; 卓橋田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】従来の圧力センサに用いている鉛を含む圧電体粒子による環境の汚染を防止するとともに、圧力と湿度を同時に検出でき、さらに湿度に依存しない安定した感度のケーブル状圧力センサを実現する。
【解決手段】内側電極１１と内側電極１１の表面に設けた可撓性感圧体１２と可撓性感圧体１２の表面に設けた外側電極１３と外側電極１３の表面に設けた被覆１４とで圧力センサを形成し、可撓性感圧体１２が圧力によって発生する電圧を検出する振動検出手段１５と、可撓性感圧体１２の静電容量、抵抗、誘電損失のいずれかを検出して湿度を検出する湿度検出手段１６とを設けたことにより、圧力と同時に雰囲気湿度も検知することができ、湿度に依存しない安定した感度の圧力センサを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セラミック圧電体粒子を感圧体とした可撓性を有する圧力センサを使用した装置に関するものである。

従来、この種の圧力センサは図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、同軸ケーブル状をなす圧力センサの構成としたものであるが、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−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−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、従来の圧力センサは圧力のみの検知であり、同時に湿度検知を行うことができなかった。さらに圧電センサは湿度特性を有するため、湿度の変化によって出力が変動し、ある湿度雰囲気下ではセンサとしての感度が高くなるという課題があった。

また、従来の圧電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、環境汚染の原因になることが懸念される。

上記従来の課題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、湿度に依存しない安定した感度の圧力センサ装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の圧力センサ装置は、内側電極と前記内側電極の表面に設けた可撓性感圧体と前記可撓性感圧体の表面に設けた外側電極とで圧力センサを形成し、前記可撓性感圧体が圧力によって発生する電圧を検出する振動検出手段と、前記可撓性感圧体の静電容量、または抵抗、または誘電損失のいずれかを検出して湿度を検出する湿度検出手段とを設けたものである。

これによって、一つの圧力センサで圧力とともに湿度も検知することができるとともに、湿度を検出することで圧力センサの湿度特性を補正することが可能となり、湿度に依存することなく安定した感度の出力を得ることができる。

本発明の圧力センサ装置は、圧力とともに湿度も検知することができ、この湿度を検出することで圧力センサの湿度特性を補正することが可能になり、湿度に依存することのない安定した感度の出力を得ることができる。

第１の発明は、内側電極と前記内側電極の表面に設けた可撓性感圧体と前記可撓性感圧体の表面に設けた外側電極とで圧力センサを形成し、前記可撓性感圧体が圧力によって発生する電圧を検出する振動検出手段と、前記可撓性感圧体の静電容量を検出して湿度を検出する湿度検出手段とを設けた圧力センサ装置を構成することにより、圧力と湿度を一つの圧力センサで検知することができるとともに、湿度を検出することで圧力センサの湿度特性を補正することが可能になり、湿度に依存することのない安定した感度の出力を得ることができる。

さらに、湿度検出手段は静電容量を検出することによって測定範囲が広く（０〜１００％ＲＨ）、応答速度が速いとともに、常温付近の温度特性が低いので精度良い湿度検知が可能となる。

第２の発明は、内側電極と前記内側電極の表面に設けた可撓性感圧体と前記可撓性感圧体の表面に設けた外側電極とで圧力センサを形成し、前記可撓性感圧体が圧力によって発生する電圧を検出する振動検出手段と、前記可撓性感圧体の抵抗を検出して湿度を検出する湿度検出手段とを設けた圧力センサ装置を構成することにより、圧力と湿度を一つの圧力センサで検知することができるとともに、湿度を検出することで圧力センサの湿度特性を補正することが可能になり、湿度に依存することのない安定した感度の出力を得ることができる。

さらに、湿度検出手段は抵抗を検出することによって、簡単な構成で且つ、低コストで湿度を検出することができる。

第３の発明は、内側電極と前記内側電極の表面に設けた可撓性感圧体と前記可撓性感圧体の表面に設けた外側電極とで圧力センサを形成し、前記可撓性感圧体が圧力によって発生する電圧を検出する振動検出手段と、前記可撓性感圧体の誘電損失を検出して湿度を検出する湿度検出手段とを設けた圧力センサ装置を構成することにより、圧力と湿度を一つの圧力センサで検知することができるとともに、湿度を検出することで圧力センサの湿度特性を補正することが可能になり、湿度に依存することのない安定した感度の出力を得ることができる。

さらに、湿度検出手段は誘電損失を検出することによって、幅広い測定範囲（０〜１００％ＲＨ）での検知が可能となる。

第４の発明は、特に、第１〜第３の発明において、湿度検出手段の出力信号から湿度を算出し、圧力センサの湿度特性による出力低下を補正する補正手段を設けることによって、検知した圧力値は湿度補正を適宜行うことができるので、湿度に依存することのない安定した感度の圧力の検知出力を得ることができる。

第５の発明は、特に、第１〜第４の発明の可撓性感圧体を、少なくとも有機高分子と、一般式がＡＢＯ_３で表され、ＡサイトイオンがＢａ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｉ、Ｌｉの少なくとも１種、ＢサイトイオンがＴｉ、Ｎｂ、Ｎｉの少なくとも１種を含むセラミック圧電体粒子とから構成することにより、可撓性感圧体に含まれるセラミック圧電体粒子が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、上記の鉛を含まないセラミック圧電体粒子は、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、分極作業の安全性を向上させることができる。

第６の発明は、特に、第５の発明のセラミック圧電体粒子としてニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム・カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、ニッケル酸チタン酸ビスマスの少なくとも１種を用いることにより、圧力センサの圧電特性を高めることができるのでセンサとしての特性をより向上させることができる。

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。また、各実施の形態の説明において、同一構成で、同じ作用効果を奏する部分については重複した説明を行わないものとする。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるケ−ブル状の圧力センサを使用した装置の要部断面図である。

図１において、ケーブル状の圧力センサは内側電極としての芯電極１１と、その周囲の表面に可撓性感圧体１２を形成し、さらに外側電極１３を可撓性感圧体１２の表面に形成している。また、可撓性感圧体１２が圧力によって発生する電圧を検出するために芯電極１１と外側電極１３に端子をそれぞれ接続された振動検出手段１４と、湿度を検出するために可撓性感圧体１２の静電容量を検出する芯電極１１と外側電極１３に端子をそれぞれ接続された湿度検出手段１５を備えている。

さらに、外側電極１３は可撓性で、有機高分子と導電性粒子からなり、その表面には保護層として被覆１６を形成している。芯電極１１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１２を構成する有機高分子１７としては、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムが用いられる。鉛を含まないセラミック圧電体粒子１８としては、一般式がＡＢＯ_３で表され、ＡサイトイオンがＢａ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｉ、Ｌｉの少なくとも１種、ＢサイトイオンがＴｉ、Ｎｂ、Ｎｉの少なくとも１種を含むセラミック圧電体粒子が用いられる。

以上のように構成されたケーブル状の圧力センサについて、以下その動作、作用を説明する。

ケーブル状の圧力センサを前述の構成とした後、芯電極１１と外側電極１３間に直流の高電圧を印加することにより分極し、圧電性を付与する。可撓性感圧体１２に圧電性を付与することにより、ケ−ブル状の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１１と外側電極１３間にはその部分のケーブル状の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。
この誘起電圧を振動検出手段１４によって検出することで圧力検出が可能となる。このケーブル状の圧力センサは、例えば自動車用のドアやウィンドウなどの外周縁に取り付けられ、圧力検出装置として利用される。また、可撓性感圧体１２の静電容量の変化を湿度検出手段１５によって検出することで、圧力センサが設置された所における大気の相対湿度を検出することが可能になる。

図２に本実施の形態で使用した可撓性感圧体１２の相対湿度と静電容量の変化の関係を示す。本実施の形態において可撓性感圧体１２を構成する有機高分子は塩素化ポリエチレ
ンを使用し、鉛を含まないセラミック圧電体粒子１８としてはチタン酸ビスマスナトリウムとチタン酸バリウムの固溶体を使用した。図２に示すように相対湿度が高くなるに伴って静電容量が増加していることが解る。これは可撓性感圧体１２が吸湿して誘電率が増加したためと考えられる。
静電容量の変化で湿度を検知する場合、測定範囲が広く（０〜１００％ＲＨ）、応答速度が速いとともに、常温付近の温度特性が低いので、精度良く静電容量の変化を検出することができる。この静電容量の変化を湿度検出手段１５によって検出することによって、相対湿度を検出することが可能となる。

また、可撓性感圧体１２の抵抗変化を湿度検出手段１５によって検出することでも、同様に湿度を検出することが可能である。本実施の形態の可撓性感圧体１２を用いた場合での相対湿度と抵抗値との関係を図３に示す。このように大気中の湿度の増加によって抵抗が減少することが解る。

さらに、可撓性感圧体１２の誘電損失の変化を湿度検出手段１５によって検出することでも、同様に湿度を検出することが可能である。本実施の形態の可撓性感圧体１２を用いた場合の相対湿度と誘電損失との関係を図４に示す。このように大気中の湿度の増加によって誘電損失が増加することが解る。

以上の結果から、可撓性感圧体１２の静電容量、または抵抗、または誘電損失のいずれかを湿度検出手段１５によって検出することによって相対湿度を検出することができ、一つの圧力センサで圧力と湿度の両方を検出することができ、湿度を検出することで圧力センサの湿度特性を補正することも可能になり、湿度に依存することのない安定した感度の出力を得ることが可能になる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態におけるケーブル状の圧力センサを使用した装置の要部断面図である。図５において、実施の形態１と異なるところは、湿度検出手段１５の信号から、湿度を算出し、圧力センサの湿度特性による出力変化を補正する補正手段１９を設けている点であり、実施の形態１と同一部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。

図６は、図７に示す従来の圧力センサの湿度と静電容量の関係を示す。図６に示すように静電容量は湿度が高くなるに伴って増加していることが解る。

圧力センサの出力電圧（Ｖ）は圧力センサの電荷量（Ｑ）を静電容量（Ｃ）で除した、出力電圧Ｖ＝電荷量Ｑ／静電容量、で表すことができ、静電容量が変化すると出力電圧も変化することになり、結果として出力電圧は静電容量の変化に応じた湿度特性を有することになる。

このため、図５に示すように湿度検出手段１５によって湿度を検出し、圧力センサが持つ静電容量の湿度特性の影響を補正手段１９によって補正することで、湿度に依存することのない安定した感度の出力を得ることができる。すなわち、補正手段１９は入力側を湿度検出手段１５に接続し、出力側を振動検出手段１４に接続し、湿度検出手段１５の検出した湿度変化による出力を取り込み、これに基づく補正出力を振動検出手段に１４に印加して、振動検出手段に１４からの出力を補正するものである。

また、本実施の形態にあって、ケーブル状の圧力センサを搭載した製品が使用済みになると、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の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１２を構成するセラミック圧電体粒子１８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。

さらに、セラミック圧電体粒子１８として用いる一般式がＡＢＯ_３で表される化合物は、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、分極作業時の安全性を向上させることができる。

また、セラミック圧電体粒子１８は、特に、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム・カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、ニッケル酸チタン酸ビスマスの少なくとも１種を含む化合物を用いることにより、圧電特性をさらに向上させることができ、センサ感度を高めることができる。

なお、本実施の形態では圧力センサが持つ静電容量の湿度特性の影響を補正手段１９によって補正する構成にしたが、これに限らず圧力センサが持つ抵抗または誘電損失の湿度特性の影響を補正手段１９によって補正するように構成しても、本実施の形態と同等の作用効果を期待できる。

なお、上記各実施の形態では、圧力センサとしてケーブル状のものを例に説明したが、これに限定されるものでなく、可撓性圧電体をシート状のものとし１対の電極をその両面に形成し、シート形状の圧力センサとしても本発明と同等の作用効果を期待できるものである。

また、本発明の圧力センサ装置は湿度の影響をうけることなく、安定した圧力検知が可能となるので、室内だけではなく湿度の影響を受けやすい屋外のフェンス等に圧力センサを配設し、不審者の侵入を圧力によって検知するセキュリティシステムにすることも可能である。

以上のように、本発明にかかる圧力センサ装置は、圧力と湿度を同時に検出できるとともに、湿度に依存しない安定した感度の圧力センサを実現できる。さらに、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ことができるので、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。湿度の影響を受けやすい屋外に配設することも可能である。例えば、屋外のフェンス等に配設して不審者の侵入を圧力によって検知するようなセキュリティシステムにも応用が可能である。

本発明の実施の形態１におけるケ−ブル状の圧力センサを使用した装置の要部断面図本発明の実施の形態１における圧力センサ装置の湿度と可撓性感圧体の静電容量の関係を示す特性図本発明の実施の形態１における圧力センサ装置の湿度と可撓性感圧体の抵抗の関係を示す特性図本発明の実施の形態１における圧力センサ装置の湿度と可撓性感圧体の誘電損失の関係を示す特性図本発明の実施の形態２におけるケ−ブル状の圧力センサを使用した装置の要部断面図従来のケ−ブル状の圧力センサの湿度と静電容量との関係を示す特性図従来のケ−ブル状圧力センサの要部断面図

符号の説明

１１芯電極
１２可撓性感圧体
１３外側電極
１４振動検出手段
１５湿度検出手段
１６被覆
１７有機高分子
１８セラミック圧電体粒子
１９補正手段

Claims

内側電極と前記内側電極の表面に設けた可撓性感圧体と前記可撓性感圧体の表面に設けた外側電極とで圧力センサを形成し、前記可撓性感圧体が圧力によって発生する電圧を検出する振動検出手段と、前記可撓性感圧体の静電容量を検出して湿度を検出する湿度検出手段を備えた圧力センサ装置。
内側電極と前記内側電極の表面に設けた可撓性感圧体と前記可撓性感圧体の表面に設けた外側電極とで圧力センサを形成し、前記可撓性感圧体が圧力によって発生する電圧を検出する振動検出手段と、前記可撓性感圧体の抵抗を検出して湿度を検出する湿度検出手段を備えた圧力センサ装置。
内側電極と前記内側電極の表面に設けた可撓性感圧体と前記可撓性感圧体の表面に設けた外側電極とで圧力センサを形成し、前記可撓性感圧体が圧力によって発生する電圧を検出する振動検出手段と、前記可撓性感圧体の誘電損失を検出して湿度を検出する湿度検出手段を備えた圧力センサ装置。
湿度検出手段の信号から、湿度を算出し、可撓性感圧体の湿度特性による出力変化を補正する補正手段を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ装置。
可撓性感圧体は、少なくとも有機高分子と、一般式がＡＢＯ_３で表され、ＡサイトイオンがＢａ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｉ、Ｌｉの少なくとも１種、ＢサイトイオンがＴｉ、Ｎｂ、Ｎｉの少なくとも１種を含むセラミック圧電体粒子とからなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサ装置。
セラミック圧電体粒子は、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム・カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、ニッケル酸チタン酸ビスマスの少なくとも１種からなる請求項５に記載の圧力センサ装置。