JP2008151638A - ケーブル状圧力センサ - Google Patents

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、電極の不安定さによるセンサ感度の低下を防止する。
【解決手段】芯電極７の周囲に有機高分子１０と鉛を含まない化学式が（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３・ＢａＴｉＯ_３で表される複合酸化物と化学式がＣａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３で表される複合酸化物の少なくとも１種との固溶体からなるセラミック圧電体粒子１１で構成された可撓性感圧体８と、この可撓性感圧体８の周囲に有機高分子１２と導電性粒子１３とからなる可撓性外側電極９を設けた構成とすることにより、環境汚染を防止することができるとともに、安定した電気抵抗と可撓性を有する電極を得ることができ、優れたセンサ感度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、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周設された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、化学式が（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３・ＢａＴｉＯ_３で表される複合酸化物と化学式がＣａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３で表される複合酸化物の少なくとも１種との固溶体からなるセラミック圧電体粒子とから構成され、かつ可撓性外側電極は有機高分子と導電性粒子とから構成したものである。

これによって、可撓性感圧体を構成す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を防止することができるとともに、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に比べ、比誘電率が著しく低いこと、また特に化学式が（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３・ＢａＴｉＯ_３で表される複合酸化物と化学式がＣａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３で表される複合酸化物の少なくとも１種との固溶体からなる圧電体粒子は抗電界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る。また、可撓性外側電極を有機高分子と導電性粒子で構成することにより、外側電極として低い電気抵抗とケーブル状圧力センサ全体の可撓性の低下を防止することができる。さらに、可撓性感圧体８と可撓性外側電極９に同じ有機高分子を用いているので密着性を向上させることができ、耐久性を向上させることができる。

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粒子が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。また、本発明に適用されるセラミック圧電体粒子は、従来の鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が低く、かつ化学式が（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３・ＢａＴｉＯ_３で表される複合酸化物と化学式がＣａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３で表される複合酸化物の少なくとも１種との固溶体からなる圧電体粒子は抗電界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、分極処理時の安全性を向上させることができる。また、外側電極として有機高分子と導電性粒子の複合体を用いることにより、低い電気抵抗と可撓性を両立させることができるので圧力センサとしての感度を向上させることができる。

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周設された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、化学式が（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３・ＢａＴｉＯ_３で表される複合酸化物と化学式がＣａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３で表される複合酸化物の少なくとも１種との固溶体からなるセラミック圧電体粒子とから構成し、可撓性外側電極を有機高分子と導電性粒子で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く、化学式が（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３・ＢａＴｉＯ_３で表される複合酸化物と化学式がＣａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３で表される複合酸化物の少なくとも１種との固溶体からなる圧電体粒子は抗電界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。また、可撓性外側電極は有機高分子と導電性粒子で構成しているので安定した低い電気抵抗と可撓性を有する電極を実現することができ、感度に優れた圧力センサを得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９に同じ有機高分子を用いているので密着性を向上させることができ、耐久性を向上させることができる。

第２の発明は、特に第１の発明の有機高分子を熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種から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圧力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３の発明は、特に第２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の発明の導電性粒子をＣ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒの少なくとも１種で構成す
ることにより、優れた導電性を発現させることができ、電極としての性能を向上させることができる。

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６の発明は、特に第５の発明の導電性編組をＣ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒの少なくとも１種で構成することにより、導電性編組の機械的強度を高めることができるので圧力センサとしての耐久性を向上させることができる。

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または導電性編組の周囲を絶縁性弾性体で被覆することにより、可撓性感圧体と可撓性外側電極の密着性が向上し、空気層の発生を防止することができるとともに、圧力センサ全体の可撓性の低下を抑制することができるので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、センサ感度の低下を防止することができる。

第８の発明は、特に第７の発明の絶縁性弾性体を主成分が有機高分子から構成することにより、水蒸気の圧力センサ内部への浸透を抑制することが可能となり、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。

第９の発明は、特に第７または第８の発明の絶縁性弾性体を熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種で構成することにより、圧力センサ全体の弾性と可撓性の低下を抑制することができるのでセンサ感度の低下を防止することができる。

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は本発明の第１の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの要部断面図である。

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を可撓性感圧体８の表面に形成している。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と有機高分子１０の中に分散させた鉛を含まないセラミック圧電体粒子１１とから構成されている。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は有機高分子１２と有機高分子１２の中に分散させた導電性粒子１３と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、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１１としては、化学式が（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３・ＢａＴｉＯ_３で表される複合酸化物と化学式がＣａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３で表される複合酸化物の少なくとも１種との固溶体からなるセラミック圧電体粒子が用いられる。また、可撓性外側電極９を構成する有機高分子１２は、前述の有機高分子１０と同じ材料が用いられ、導電性粒子１３は、Ｃ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒの少なくとも１種が用いられる。

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。

ケーブル状圧力センサを前述の構成とした後、芯電極７と可撓性外側電極９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８に圧電性を付与することにより、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は鉛を含まない化学式が（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３・ＢａＴｉＯ_３で表される複合酸化物と化学式がＣａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３で表される複合酸化物の少なくとも１種との固溶体からなる圧電体粒子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として用いる化学式が（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３・ＢａＴｉＯ_３で表される複合酸化物と化学式がＣａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３で表される複合酸化物の少なくとも１種との固溶体からなる圧電体粒子は、従来の鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が著しく低く、抗電界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、有機高分子１０として熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫後ゴムの少なくとも１種を用いることにより、可撓性感圧体８自身の機械的インピーダンスを低くすることができるので圧力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。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１１の含有量を多くすることができるのでセンサ感度をより高めることができる。

また、可撓性外側電極９を有機高分子１２と導電性粒子１３とから構成することにより、一定でかつ低い電気抵抗と優れた可撓性を有する電極を実現することができるので感度の高い圧力センサを得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９に同じ有機高分子１０、１２を用いているので密着性を向上させることができ、耐久性を向上させることができる。

また、導電性粒子として、特に、Ｃ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒの少なくとも１種を用いることにより、優れた導電性を発現させることができ、電極としての性能一層向上させることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態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、可撓性外側電極９の周囲に導電性編組１４を設けた点である。なお、第１の実施の形態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を可撓性感圧体８の表面に形成した後、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の材料としては、Ｃ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒの少なくとも１種が用いられる。

導電性編組１４がない場合、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の周囲を可撓性外側電極９よりも導電性に優れた導電性編組１４を被覆し、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完全に遮断することができる。

導電性編組１４の材料として、特に、Ｃ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒの少なくとも１種で構成することにより優れたシールド効果を実現できるとともに、導電性編組１４の機械的強度を高めることができるので圧力センサの引っ張り強度を強くすることができ、耐久性を向上させることができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの要部断面図である。図５において、第１の実施の形態と異なるところは、可撓性外側電極９の周囲を絶縁性弾性体１５で被覆した点である。なお、第１の実施の形態と同一部材は同じ符号を付けている。

絶縁性弾性体１５は、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種からなる主成分が有機高分子から構成されている。

可撓性外側電極９の周囲を絶縁性弾性体１５で被覆することにより、可撓性感圧体８と可撓性外側電極９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感度をより向上させることができる。また、絶縁性弾性体１５が優れた可撓性を有するので圧力センサ全体の可撓性の低下を抑制することができる。従って、圧力センサに圧力が印加された場合、その部分での歪み量の低下を抑制することができるのでセンサ感度の低下を防止することができる。

また、絶縁性弾性体１５の有機高分子は、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となり、優れた耐湿性を実現することができるとともに、圧力センサ全体の弾性と可撓性の低下を抑制することができるのでセンサ感度の低下を防止することができる。

なお、絶縁性弾性体１５は、耐熱性を向上させるため、有機高分子に絶縁性の金属酸化物などの充填剤を混合したものも用いることができる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の第４の実施の形態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、第２の実施の形態および第３の実施の形態と異なるところは、導電性編組１４と絶縁性弾性体１５の両方を設けた点である。なお、第１の実施の形態と同一部材は同じ符号を付けている。

可撓性外側電極９の周囲に導電性編組１４を設け、さらに導電性編組１４の周囲に絶縁性弾性体１５を形成した構成としている。この構成により、第２の実施の形態および第３の実施の形態の両方の効果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と可撓性を有するので優れたセンサ感度を安定して実現することが可能となるので、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。

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断面図 本発明の実施の形態１における可撓性感圧体の構成を示す一部断面図 本発明の実施の形態１における可撓性外側電極の構成を示す一部断面図 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 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断面図 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 従来のケーブル状圧力センサの要部断面図

符号の説明

７ 芯電極
８ 可撓性感圧体
９ 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 有機高分子
１３ 導電性粒子
１４ 導電性編組
１５ 絶縁性弾性体

Claims (9)

1. 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周設された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、化学式が（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３・ＢａＴｉＯ_３で表される複合酸化物と化学式がＣａＴｉＯ_３、ＢａＺｒＯ_３で表される複合酸化物の少なくとも１種との固溶体からなるセラミック圧電体粒子とから構成され、前記可撓性外側電極は少なくとも有機高分子と導電性粒子とからなるケーブル状圧力センサ。
2. 有機高分子は、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種からなる請求項１に記載のケーブル状圧力センサ。
3. 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２に記載のケーブル状圧力センサ。
4. 導電性粒子は、Ｃ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒの少なくとも１種からなる請求項１〜３いずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
5. 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１〜４のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
6. 導電性編祖は、Ｃ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒの少なくとも１種からなる請求項５に記載のケーブル状圧力センサ。
7. 可撓性外側電極または導電性編組の周囲を絶縁性弾性体で被覆してなる請求項１〜６のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
8. 絶縁性弾性体は、主成分が有機高分子からなる請求項７に記載のケーブル状圧力センサ。
9. 有機高分子は、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種からなる請求項７または８に記載のケーブル状圧力センサ。

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