【手続補正書】
【提出日】平成16年3月26日(2004.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】ケーブル状圧力センサおよびその製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】導電性を有する芯電極と、この芯電極の表面を順次被覆するチューブ状の可撓性複合圧電体層および可撓性外側電極層とを有し、前記可撓性複合圧電体層には少なくとも合成樹脂とセラミック圧電体とステアリン酸亜鉛とを含むケーブル状圧力センサ。
【請求項２】合成樹脂とセラミック圧電体との混合物にステアリン酸亜鉛を０．５重量部を上限とする範囲で添加した可撓性複合圧電体層を有する請求項１記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項３】合成樹脂とセラミック圧電体との混合物に、０．０１重量部以上０．５重量部以下のステアリン酸亜鉛を添加した可撓性複合圧電体層を有する請求項１に記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項４】可撓性支持体の両面に金属層を形成した可撓性外側電極層を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項５】可撓性構造体に平板状の金属線を螺旋状に巻回した芯電極を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項６】導電性を有する線状の芯電極の表面に、少なくとも合成樹脂とセラミック圧電体とステアリン酸亜鉛とを含む複合圧電体を押し出してチューブ状の可撓性複合圧電体層を形成し、この可撓性複合圧電体層の表面に可撓性外側電極層を形成するケーブル状圧力センサの製造方法。
【請求項７】合成樹脂とセラミック圧電体に、０．０１重量部以上０．５重量部以下のステアリン酸亜鉛を添加して混練し押し出してチューブ状の可撓性複合圧電体層を形成する請求項６記載のケーブル状圧力センサの製造方法。
【請求項８】合成樹脂とセラミック圧電体との混合物の表面に、０．０１重量部以上０．５重量部以下のステアリン酸亜鉛を付着させて押し出してチューブ状の可撓性複合圧電体層を形成する請求項６記載のケーブル状圧力センサの製造方法。
【請求項９】少なくとも合成樹脂とセラミック圧電体とステアリン酸亜鉛とを含む複合圧電体を、１００℃以下の成形温度で押し出してチューブ状の可撓性複合圧電体層を形成する請求項６記載のケーブル状圧力センサの製造方法。
【請求項１０】少なくとも合成樹脂とセラミック圧電体とステアリン酸亜鉛とを含む複合圧電体を、１ｍ／分以上３ｍ／分以下の線速度で移動する芯電極の表面に押し出してチューブ状の可撓性複合圧電体層を形成する請求項６記載のケーブル状圧力センサの製造方法。
【請求項１１】両面に金属層を形成した可撓性支持体を可撓性複合圧電体層の表面に螺旋状に巻回して可撓性外側電極層を形成する請求項６記載のケーブル状圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長尺でもチュービング加工が容易なケーブル状圧力センサおよびそれを製造する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来におけるケーブル状圧力センサの構成については、例えば、特開昭６２−２３００７１号公報に開示されており、図８を参照して説明する。線状導電材１の表面を導電ゴム層２により被覆して芯電極３を形成し、この芯電極３の表面を、可撓性複合圧電体層４と、可撓性外側電極層５と、熱収縮性チューブよりなる外皮６とにより順次してケーブル状圧力センサを形成している。そして、可撓性複合圧電体層４としては、合成ゴム、合成樹脂などにチタン酸鉛のようなセラミック圧電体粉末を添加した複合圧電体が用いられ、可撓性外電極層５としては、アルミニウム箔や塗装により形成した銀系導電性塗膜などが用いられている。
【０００３】
このように形成したケーブル状圧力センサの一部もしくは全体に外部から圧力が印加されると、その部分が歪んで芯電極３と可撓性外側電極層５と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することができる。
【０００４】
また、可撓性複合圧電体層４として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどの合成樹脂に、チタン酸鉛のようなセラミック圧電体粉末を添加した複合圧電体を用い、可撓性外側電極層５として、無電解メッキにより形成したニッケル膜や銅膜など、あるいは、蒸着により形成したアルミニウム膜や銀膜などを用いることが開示されている（例えば、特開平３−２５９５７７号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のケーブル状圧力センサにあっては、可撓性複合圧電体層４として、合成ゴム、合成樹脂などにセラミック圧電体粉末を添加した複合圧電体が用いられているので、芯電極３の表面を可撓性複合圧電体層４によりケーブル状に被覆する場合、射出成形押し出し加工装置により被覆加工、すなわちチュービング加工をすると、射出成形押し出し加工装置の中において、複合圧電体の流動性が悪くて滞留し、良好な被覆ができないという問題点があった。
【０００６】
また、射出成形押し出し加工装置によりチュービング加工ができたとしても、射出成形押し出し加工装置内での複合圧電体の流動性が一定になり難いので、芯電極３の表面を途切れ途切れの不均質に被覆するようになり、均質に被覆された径が一定のケーブル状圧力センサを得ることができないという問題点もあった。
【０００７】
また、射出成形押し出し加工装置から複合圧電体を押し出して芯電極３の表面を可撓性複合圧電体層４によりケーブル状に被覆する場合、所定の温度範囲に維持してチュービング加工する必要があり、もし、所定の温度よりも高い温度でチュービング加工すると、可撓性複合圧電体層４の表面に、亀裂や割れが発生して圧電体としての機能を発揮し難くなるという問題点もあった。
【０００８】
また、チュービング加工する場合、芯電極３の引き取り線速度を所定に維持しないと、可撓性複合圧電体層４と芯電極３との密着性が悪くなり、可撓性複合圧電体層４が芯電極３から抜けて圧電特性が低下するという問題点もあった。
【０００９】
さらに、可撓性外側電極層５としてアルミニウム箔を用いた場合、アルミニウム箔は引っ張り強度が弱いので、可撓性複合圧電体層４の表面にアルミニウム箔を螺旋状に巻回して被覆する際に充分な張力により巻回することができなく、強い張力により巻回するとアルミニウム箔が切断され易く、弱い張力で巻回するとアルミニウム箔と可撓性複合圧電体層４との密着性が悪くなるという問題点があった。
【００１０】
そこで、可撓性外側電極層５として、塗装、メッキ、蒸着などにより形成した金属膜を用いると、可撓性複合圧電体層４との密着性は向上するが、製造工程が複雑となり、１０ｍ以上の長尺のケーブル状圧力センサを製造するには不向きであるという問題点があった。
【００１１】
本発明は、上記の問題点を解決するために、長尺でも圧電特性に優れたケーブル状圧力センサを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明のケーブル状圧力センサおよびその製造方法においては、導電性を有する芯電極と、この芯電極の表面を順次被覆するチューブ状の可撓性複合圧電体層および可撓性外側電極層を備え、可撓性複合圧電体層にはステアリン酸亜鉛を含有させることとし、この可撓性複合圧電体層を形成するには、芯電極の表面にステアリン酸亜鉛を含有する複合圧電体を押し出してチューブ状に成形することとしている。
【００１３】
そして、押し出し装置に投入、供給される複合圧電体にステアリン酸亜鉛が混入されることにより潤滑性を有するようになるので、押し出し装置内での流動性が良好となって均質に押し出されるようになり、芯電極を均質な可撓性複合圧電体層でチューブ状に確実に被覆することができ、可撓性を有し、圧力の検知感度に優れたケーブル状圧力センサを得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、それぞれの請求項に記載したような形態で実施することができ、以下にその構成に作用、効果を併記して実施の形態を説明する。
【００１５】
本発明のケーブル状圧力センサにあっては、請求項１に記載したように、可撓性および導電性を有する芯電極と、この芯電極の表面を順次被覆するチューブ状の可撓性複合圧電体層および可撓性外側電極層とを有し、前記可撓性複合圧電体層には少なくとも合成樹脂とセラミック圧電体とステアリン酸亜鉛とを含ませている。
【００１６】
そして、ステアリン酸亜鉛は、ステアリン酸部分に基づく非極性部分と、亜鉛との結合部分に基づく極性部分とを有するので、界面活性機能を有し、また、水に不溶性で撥水性を有し、溶融状態および粉体状態にあっては滑性を有している。そこで、混入されたステアリン酸亜鉛が内部離型作用を示して潤滑性を有するようになるので、押し出し装置内での可撓性複合圧電体の流動性が良好となり、均質に押し出されてチュービング加工をすることができるようになり、芯電極を均質な可撓性複合圧電体層でチューブ状に確実に被覆することができ、可撓性を有し、圧力の検知感度に優れたケーブル状圧力センサを得ることができる。
【００１７】
また、請求項２に記載したように、合成樹脂とセラミック圧電体との混合物を形成したのちに、ステアリン酸亜鉛を０．５重量部を上限とする範囲で添加した可撓性複合圧電体層を有している。そこで、合成樹脂とセラミック圧電体により決定される圧電特性に、ステアリン酸亜鉛が影響を与えることがなくなる。
【００１８】
また、請求項３に記載したように、合成樹脂とセラミック圧電体との混合物に、０．０１重量部以上０．５重量部以下のステアリン酸亜鉛を添加した可撓性複合圧電体層を有している。なお、ステアリン酸亜鉛の配合量が０．０１重量部以下では、押し出し装置内での流動性が悪く、均質に押し出して均質な厚みのチュービング加工をすることができなく、０．５重量部以上では、ステアリン酸亜鉛が析出したりして圧力の検知感度を低下させて好ましくない。
【００１９】
そこで、合成樹脂とセラミック圧電体粉体とをオープンロール装置などの混合工程で一度に混合することができ、可撓性複合圧電体層と可撓性外側電極層との界面に生成物が析出されることもなく、また、均質にチュービング加工されて優れた圧電特性が得られる。
【００２０】
また、請求項４に記載したように、可撓性支持体の両面に金属層を形成した可撓性外側電極層を有している。
【００２１】
そこで、可撓性支持体の存在により、可撓性複合圧電体層の表面に可撓性外側電極層を充分な張力をもたせて巻き付けることができ、電極の形成に塗装法のような複雑な工程が不要となる。また、可撓性外側電極層の機械的インピーダンスは、可撓性複合圧電体層のそれよりも小さいので、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し、圧力が印加されたときに容易に変形して確実に検知することができる。
【００２２】
さらに、請求項５に記載したように、可撓性構造体に平板状の金属線を螺旋状に巻回して芯電極を形成すると、芯電極は可撓性を有し、均一な高電界を備えたものとなる。
【００２３】
また、本発明のケーブル状圧力センサの製造方法にあっては、請求項６に記載したように、可撓性および導電性を有する線状の芯電極の表面に、少なくとも合成樹脂とセラミック圧電体とステアリン酸亜鉛とを含む複合圧電体を押し出してチューブ状の可撓性複合圧電体層を形成し、この可撓性複合圧電体層の表面に可撓性外側電極層を形成するものである。
【００２４】
そこで、複合圧電体を押し出すことにより、圧電セラミックが優れた圧電性を発生させるように配向された可撓性複合圧電体層が得られ、また、複合圧電体をスムーズに流動させ、均一に押し出してチュービング加工するので、芯電極を均質な可撓性複合圧電体層でチューブ状に確実に被覆することができ、可撓性を有し、圧力の検知感度に優れたケーブル状圧力センサを得ることができる。
【００２５】
また、複合圧電体をスムーズに流動させ、均一に押し出してチュービング加工し、優れた圧電特性を得るには、ステアリン酸亜鉛を０．０１重量部以上０．５重量部以下添加すると効果的であり、それを添加するには、請求項７に記載したように、合成樹脂とセラミック圧電体にステアリン酸亜鉛を添加して混練し押し出してチュービング加工か、請求項８に記載したように、合成樹脂とセラミック圧電体との混合物の表面に付着させ押し出してチュービング加工するのが好ましい。
【００２６】
また、請求項９に記載したように、少なくとも合成樹脂とセラミック圧電体とステアリン酸亜鉛とを含む複合圧電体を、１００℃以下の成形温度で押し出してチューブ状の可撓性複合圧電体層を形成すると、合成樹脂の変質、分解などによって複合圧電体が劣化し難くなり、圧電特性に優れた可撓性複合圧電体層を形成することができる。
【００２７】
また、請求項１０に記載したように、合成樹脂とセラミック圧電体とステアリン酸亜鉛とを含む複合圧電体を押し出してチューブ状の可撓性複合圧電体層を形成する場合、芯電極を引っ張って移動させる線速度が速すぎると、可撓性複合圧電体層に亀裂、割れが発生して圧電特性の点から好ましくなく、また、均質な厚みになり難く、表面が平滑になり難いので、芯電極は１ｍ／分以上３ｍ／分以下の線速度で移動させるのが効果的である。
【００２８】
さらに、請求項１１に記載したように、両面に金属層を形成した可撓性支持体を可撓性複合圧電体層の表面に、螺旋状に巻回して可撓性外側電極層を形成すると、可撓性外側電極層が充分な張力を維持した状態で可撓性複合圧電体層の表面に保持されるので、優れた圧電特性を得ることができて効果的である。
【００２９】
【実施例】
その実施例について、図１ないし図７を参照して以下に詳述する。
【００３０】
（実施例１）
実施例１について、図１ないし４を参照して説明する。
【００３１】
図１は、本発明の実施例１におけるケーブル状圧力センサの説明図である。
【００３２】
図１において、７は内側電極を構成する芯電極で、長尺で電気絶縁性の可撓性構造体８の表面に平板状の金属線９を螺旋状に巻回して形成している。なお、芯電極７は、金属線の束を捻ったより線で形成したものでもよい。１０は芯電極７の表面をチューブ状に被覆する可撓性複合圧電体層で、合成樹脂にチタン酸鉛、チタン酸鉛ジルコン酸鉛などのセラミック圧電体粉体を添加した複合体を主成分とし、これにステアリン酸亜鉛粉体を添加した複合圧電体により形成されている。そして、合成樹脂としては、機械的インピーダンスが小さく、外部より圧力が印加された場合、容易に変形するような可撓性を有する塩素化ポリエチレン、クロロプレンゴムのような熱可塑性樹脂が用いられる。１１は可撓性外側電極で、内側金属層１２と外側金属層１３との間に可撓性支持体１４を介在させてテープ状に構成し、可撓性複合圧電体層１０の表面に内側金属層１２を接触させながら螺旋状に巻回して可撓性複合圧電体層１０の表面をチューブ状に被覆している。そして、外部より圧力が印加され、その圧力により可撓性複合圧電体１０が変形すると、添加されているセラミック圧電体にも圧力が印加され、芯電極７と可撓性外側電極１１との間に電圧が誘起されるので、その誘起電圧により圧力を検知することができる。
【００３３】
つぎに、芯電極７の表面を可撓性複合圧電体層１０によりチューブ状に被覆するチュービング加工について、フローチャートを示す図２を参照して説明する。
【００３４】
合成樹脂とセラミック圧電体粉体とステアリン酸亜鉛粉体とをオープンロール装置により混練したのちシート状に加工する。ついで、チュービング加工する押し出し装置の投入口に供給し易くするために、シート状に加工したものをペレット加工してペレット状の複合圧電体とする。
【００３５】
そして、このペレット状の複合圧電体を用いて可撓性複合圧電体層１０を形成するには、ペレット状の複合圧電体を押し出し装置に供給すると、複合圧電体はシリンダ内でスクリュウにより混練されて流動性を有するようになるので、所定の線速度で移動する芯電極７の表面に押し出すと、芯電極７の表面をチューブ状に被覆して可撓性複合圧電体層１０を形成する。そして、その上を可撓性外側電極１１により被覆すればケーブル状圧力センサが得られる。
【００３６】
合成樹脂として塩素化ポリエチレン、セラミック圧電体としてチタン酸ジルコン酸鉛を用い、塩素化ポリエチレンに対しチタン酸ジルコン酸鉛を９０重量％添加して混練した複合体に、ステアリン酸亜鉛を１．０重量部を上限とする範囲で配合した複合圧電体を用いて形成した可撓性複合圧電体層１０を備えたケーブル状圧力センサについて、圧力検知感度を測定した結果は図４に示す通りとなる。なお、測定条件は、線長２０ｃｍのケーブル状圧力センサを用い、１２０℃雰囲気中で芯電極７と可撓性外側電極１１との間に、５ＫＶ／ｍｍの直流電圧を３０分間印加した後の感度を、図３に示す感度測定系を用いて測定した。
【００３７】
感度測定系では、加振機１５の変位を変位計１６で測定し、その変位計出力１７をオシロスコープ１８により測定する。ケーブル状圧力センサ１９に外力が印加されたときに発生する出力は、加振機１５によりフイルタ２０を介してオシロスコープ１８の回路出力２１として測定される。一定の変位計出力１７に対する回路出力２１を測定してケーブル状圧力センサ１９の感度を測定し、その結果は、図４に示す通りであった。なお、感度は、単位振幅あたりに発生する電荷量ｑｏ（クーロン／ｍｍ）を用いて比較している。
【００３８】
ステアリン酸亜鉛の配合量１．０重量部では、押し出し装置より押し出された複合圧電体が芯電極７の表面で途切れ途切れになり、芯電極７の表面をチューブ状の可撓性複合圧電体層１０により被覆するのが難くなり、また、ステアリン酸亜鉛が配合されていない場合は、流動性が付与されないので、複合圧電体が押し出されるまでに相当の時間を要し、しかも被覆した可撓性複合圧電体層１０の厚みは不均一であった。
【００３９】
また、ステアリン酸亜鉛の配合量を増加させると、流動性が増加して可撓性複合圧電体がノズルより押し出されるまでに要する時間は、半分位まで減少できるが、図４に示すように、配合量が０．１重量部より多くなると、感度が低下する傾向にある。
【００４０】
そして、ステアリン酸亜鉛の作用、効果は、混練された複合圧電体が、押し出し装置のシリンダ内のスクリュウによりノズルより押し出される際に、配合したステアリン酸亜鉛が表面に露出して被膜を形成し、この被膜が、複合圧電体の表面と押し出し装置のシリンダ内壁との界面において潤滑剤として機能することにより、シリンダ内壁との摩擦係数を低減させて複合圧電体の押し出しが容易になるものと思われる。
【００４１】
一方、感度が低下するのは、ステアリン酸亜鉛の配合量が多くなると、押し出し工程において複合圧電体の表面に露出する以外に内部に残留する量も増加して複合圧電体内の組成の均一性が損なわれ、圧電性能が低下するためと思われる。
【００４２】
そこで、押し出し装置により容易にチュービング加工ができるようにするには、実用的感度を５×１０−１１クーロン／ｍｍ以上とすると、ステアリン酸亜鉛の配合量は、合成樹脂とセラミック圧電体との複合体に対して０．０１重量部以上で０．５重量部以下の範囲が好ましくなる。
【００４３】
（実施例２）
実施例２について、図５を参照して説明する。
【００４４】
実施例１の場合とは、芯電極７の表面を可撓性複合圧電体層１０によりチューブ状に被覆するチュービング加工の工程が異なっており、図５はそのチュービング加工のフローチャートを示している。
【００４５】
合成樹脂として塩素化ポリエチレン、セラミック圧電体粉体としてチタン酸ジルコン酸鉛粉体を用い、塩素化ポリエチレンに対しチタン酸ジルコン酸鉛を９０重量％添加し、オープンロール装置により混練してシート状に加工する。ついで、チュービング加工する押し出し装置の投入口に供給し易くするために、シート状に加工したものをペレット加工して約３ｍｍ角のペレット状複合圧電体とする。このペレット状複合圧電体の表面に、ステアリン酸亜鉛粉体を１．０重量部を上限とする範囲でまぶして均一に付着させる。このペレット状の複合圧電体を用い、実施例１の場合と同様に押し出し装置により混練し、押し出して可撓性複合圧電体層１０を形成し、その上を可撓性外側電極１１により被覆してケーブル状圧力センサとする。
【００４６】
このケーブル状圧力センサについて、実施例１の場合と同じ条件で感度を測定した結果は、実施例１の場合と同じ結果となり、また、押し出し装置のノズルより押し出して可撓性複合圧電体層１０を形成する場合の現象も実施例１の場合と同じとなり、ケーブル状圧力センサの特性には、ステアリン酸亜鉛の添加方法は影響を及ぼさないことがわかった。
【００４７】
また、この場合でも、好ましいステアリン酸亜鉛の添加量は、合成樹脂とセラミック圧電体との複合体に対して０．０１重量部以上で０．５重量部以下の範囲である。
【００４８】
（実施例３）
実施例３について、図１および図６を参照して説明する。
【００４９】
図６は芯電極７の表面に可撓性複合圧電体層１０をチューブ状に被覆させるチュービング加工装置についての構成概略図を示している。
【００５０】
図６において、２２は芯電極７を巻き付けている芯電極ドラム、２３は芯電極７の表面に可撓性複合圧電体層１０をチューブ状に被覆させた線体を巻き取る巻き取りドラム２４を有する巻き取り装置、２５は芯電極７および線体を保持する滑車、２６は芯電極ドラム２２と巻き取り装置２３との間に位置させて芯電極７の表面に可撓性複合圧電体層１０をチューブ状に被覆させる押し出し装置である。そして、押し出し装置２６は、ペレット状の複合圧電体を投入するホッパー２７と、投入されたペレット状の複合圧電体を混練する２軸もしくは１軸のスクリュウを格納したシリンダ２８と、混練された複合圧電体を押し出す口を有するダイ２９とを備えている。なお、スクリュウはモータ３０に接続されて回転し、複合圧電体を混練させてダイ２９に移送して押し出すことにより、芯電極７の表面を被覆する（図７参照）。ここでは、ダイ２９に円形の開口を設け、この開口の中心部に芯電極７を貫通させ、芯電極７の表面に複合圧電体を均一に押し出すことにより、均質でチューブ状の可撓性複合圧電体層１０を被覆させている。なお、シリンダ２８の長さは約６０ｃｍとしている。
【００５１】
そして、芯電極７の表面を被覆するチューブ状の可撓性複合圧電体層１０の上に、可撓性外側電極１１を巻き付けて形成したケーブル状圧力センサは、芯電極７と可撓性外側電極１１との間に直流電圧を印加することにより発生する分極は、可撓性複合圧電体層１０の中心部から全体に均一に分極されるので、セラミック圧電体を圧電性が発生するように効果的に配向させることができる。
【００５２】
シリンダ２８の温度設定ゾーンを、ダイ２９より離れた部分から近い部分に向けてＣ１、Ｃ２、Ｃ３の３部分に分割し、Ｃ１を３０℃、Ｃ２を５０℃、Ｃ３を７０℃に設定し、複合圧電体が押し出されるダイ２９の温度を８０℃から１４０℃まで変化させた場合、ダイ２９の押し出し温度が高くなると、感度は低下する傾向にある。これは、ダイ２９の温度が高くなると、シリンダ２８内での複合圧電体の流動性は良くなるが、合成樹脂の分解温度近傍まで高温になると、複合圧電体が劣化して可撓性複合圧電体層１０に割れなどの亀裂が発生し、ケーブル状圧力センサの圧電性能が劣化することに因ると思われる。
【００５３】
そこで、芯電極７を押し出し装置２６によりチュービング加工する場合、実用的感度を５×１０−１１クーロン／ｍｍ以上とすると、押し出し装置２６の温度は１００℃を越えないように設定することが好ましい。
【００５４】
なお、複合圧電体の組成、配合割合は実施例１の場合と同じで、ステアリン酸亜鉛は、実施例２の場合と同じように、ペレット状の可撓性複合圧電体の表面に０．１重量部を均一にまぶして付着させている。
【００５５】
また、押し出し装置２６のダイ２９の温度を１００℃に設定し、以上で説明した組成、配合割合の複合圧電体を用い、巻き取りドラム２４の回転数、すなわち芯電極７が引き取られる速度である線速度を１ｍ／分以上５ｍ／分にしてチュービング加工してケーブル状圧力センサを形成し、芯電極７と可撓性複合圧電体層１０との間に５ＫＶ／ｍｍの直流電圧を印加した場合、表１に示すような結果が得られた。
【００５６】
【表１】
2001099723.tif 000001
【００５７】
複合圧電体の圧電特性を発現させるには、分極によりチタン酸ジルコン酸鉛を充分に配向させる必要があり、そのためには、芯電極７と可撓性複合圧電体層１０との間に５ＫＶ／ｍｍの直流電圧を最低３０分以上は印加することが必要になる。
【００５８】
線速度が３ｍ／分以下では、３０分以上印加して分極することができたが、線速度４ｍ／分以上では１０分以上印加すると、芯電極７と可撓性複合圧電体層１０との間が短絡状態となって印加できなくなり、分極させることができなくなった。これは、芯電極７に可撓性複合圧電体層１０を４ｍ／分以上の線速度でチュービング加工した場合、線速度が速すぎて可撓性複合圧電体層１０の表面に割れや亀裂が発生し、分極時に直流電圧がこの亀裂部分などに集中し、この部分を起点として可撓性複合圧電体層１０が破壊されて、芯電極７と可撓性複合圧電体層１０とが短絡してしまうことに因る。そこで、この押し出し装置２６により、芯電極７に可撓性複合圧電体層１０をチュービング加工する場合の線速度は１ｍ／分以上３ｍ／分を越えない範囲が好ましいことになる。
【００５９】
（実施例４）
実施例４について、図１および図７を参照して説明する。
【００６０】
チュービング加工装置により、可撓性複合圧電体層を被覆させた状態の断面を示す図７において、内側電極を構成する芯電極７は、長尺で電気絶縁性の可撓性構造体８の表面に平板状の金属線９を螺旋状に巻回して形成しているが、可撓性構造体８としては、ポリエステル繊維の束により構成されることが好ましい。ポリエステル繊維は、高い機械的強度と可撓性とを有するので、ケーブル状圧力センサとしての可撓性を損なうことなく金属線９を支持することができ、また、耐熱性も１２０℃以上あるので、可撓性複合圧電体層１０の最高使用温度である８０〜１２０℃近傍でも充分に安定性を示すことができる。
【００６１】
ケーブル状圧力センサは、芯電極７と可撓性外側電極１１との間に、５〜１０ＫＶ／ｍｍ程度の直流電圧を印加して可撓性複合圧電体層１０を分極させることにより圧電性が付与され、この分極工程では、芯電極７と可撓性外側電極１１との間に均一に高電界を印加する必要がある。そして、金属線９の形状が、円筒状またはそれに類似した形状の場合と比較して平板状の場合には、均一な高電界が得られるので、金属線９は平板状が好ましい。また、金属線９の材質としては、可撓性に富み、可撓性構造体８に螺旋状に巻き付けても可撓性を損なうことがなく、しかも、工業的に多く利用されて量産性に優れている銅合金が好ましい。
【００６２】
ここでは、金属線９として幅０．３ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの平板状の銅−銀合金を用い、ポリエステル繊維の束により構成された可撓性構造体８に螺旋状に巻回して芯電極７を形成している。押し出し装置２６（図６参照）を用い、巻き取りドラム２４の回転数を調整して芯電極７の線速度を制御し、芯電極７の表面を可撓性複合圧電体層１０によりチューブ状に被覆する。なお、金属線９として銅のより線の束を用いた場合は、平板状の金属線を用いた場合とは異なる線速度となるように、巻き取りドラム２４の回転数を調整する必要がある。
【００６３】
可撓性外側電極１１は、内側金属層１２と外側金属層１３とを可撓性支持体１４の両面に形成させてテープ状に構成し、可撓性複合圧電体層１０の表面に内側金属層１２を接触させながら螺旋状に巻回して可撓性複合圧電体層１０の表面をチューブ状に被覆している。
【００６４】
可撓性支持体１４としては高分子フイルムが優れている。芯電極７の表面を可撓性複合圧電体層１０によりチューブ状に被覆した状態の機械的インピーダンスに比べ、高分子フイルムの機械的インピーダンスは小さいので、可撓性複合圧電体層１０の表面に、可撓性外側電極１１を螺旋状に巻回しても全体の機械的インピーダンスを増加させることがなく、外部からの圧力に応じて容易に変形される。その高分子フイルムの機械的インピーダンスを小さくするには、できるだけ薄い方が効果的であり、工業的に多く利用されている数十μｍ以下の厚さのものが、入手の容易性、価格面から好ましい。
【００６５】
また、高分子フイルムとしては、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、ポリ塩化ビニール、ナイロン、ポリエチレン、トリアセテートなどを用いることができ、ポリエチレンテレフタレートは最高使用温度が１５０℃と耐熱性を有するので効果的である。
【００６６】
内側金属層１２および外側金属層１３としては、アルミニウム、銅、ニッケルなどを用いることができるが、アルミニウムが優れている。アルミニウムは、銅と比べて酸化され難く、ニッケルと比べて柔らかく、機械的インピーダンスが小さく優れている。
【００６７】
内側金属層１２および外側金属層１３は、接着剤により接着したり、スパッタ法や蒸着法により形成したりして可撓性支持体１４の両面に設けることができ、その厚さはできるだけ薄い方が好ましいが、入手の容易性、価格面から１０μｍ以下が好ましい。
【００６８】
可撓性外側電極１１の内側金属層１２と外側金属層１３とをアルミニウム層により形成し、可撓性複合圧電体層１０の表面に内側金属層１２を接触させながら螺旋状に巻回して可撓性複合圧電体層１０の表面をチューブ状に被覆した圧力センサＡと、アルミニウム層のみで構成した外部電極を可撓性複合圧電体層１０の表面に螺旋状に巻回した圧力センサＢとについて、室温で荷重を徐々に増加させて印加し、圧力センサＡの場合は芯電極７と可撓性外側電極１１との間、圧力センサＢの場合は芯電極７とアルミニウム層との間で短絡が発生するときの荷重を測定した。なお、アルミニウム層の厚みは１０μｍとし、可撓性支持体１４としては厚みが１０μｍのポリエチレンテレフタレートフイルムを用い、可撓性複合圧電体層１０は、ポリエチレン系合成樹脂である塩素化ポリエチレンにチタン酸ジルコン酸鉛粉体を添加して形成している。
【００６９】
そして、圧力センサの外径を約２ｍｍとした場合、圧力センサＡの短絡荷重は約１５０ｋｇｆであり、圧力センサＢは約１０ｋｇｆでアルミニウム層が断線した。
【００７０】
圧力センサＡにおいては、可撓性外側電極１１を構成する内側金属層１２と外側金属層１３とが可撓性支持体１４に支持されていることにより、強度が増加して大きな荷重を印加しても破損することがない。したがって、このような可撓性外側電極１１を用いることにより、大きな負荷荷重をかけることができるケーブル状圧力センサが得られる。
【００７１】
なお、以上に記載した実施例においては、図８における外皮６について説明していないが、保護などのために必要に応じて用いてもよく、ポリ塩化ビニール、ウレタン樹脂などを用いて被覆することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００７３】
請求項１によれば、可撓性複合圧電体層を形成する複合圧電体にステアリン酸亜鉛を含んでいるので、押し出し装置内での流動性が増加して均一に押し出され、均質な可撓性複合圧電体層によりチュービング加工して優れた圧力検知の感度を有するものとなる。
【００７４】
また、請求項２によれば、合成樹脂とセラミック圧電体との混合物にステアリン酸亜鉛を添加することにより、合成樹脂とセラミック圧電体とにより決定される圧電特性が、ステアリン酸亜鉛の添加により影響されることがなくなる。
【００７５】
また、請求項３によれば、可撓性複合圧電体層と可撓性外側電極との界面に生成物が析出されることもなく、均質なチュービング加工をすることができる。
【００７６】
また、請求項４によれば、可撓性外側電極を充分な張力をもたせて螺旋状に巻回することができるので、印加された圧力を容易に感知することができる。
【００７７】
また、請求項５によれば、芯電極は可撓性を有し、均一な高電界を備えたものとなる。
【００７８】
また、請求項６によれば、セラミック圧電体が効果的に配向された可撓性複合圧電体層を形成し、可撓性を有し、圧力の検知感度に優れたケーブル状圧力センサが得られる。
【００７９】
また、請求項７および請求項８によれば、複合圧電体を均質に押し出して良好な可撓性複合圧電体層を形成させることができるステアリン酸亜鉛を、効果的に添加することができる。
【００８０】
また、請求項９によれば、可撓性複合圧電体層を形成する複合圧電体の成分である合成樹脂の変質、分解がなくなり、圧電特性に優れた可撓性複合圧電体層を形成させることができる。
【００８１】
また、請求項１０によれば、亀裂、割れの発生がなく、厚みが均一で表面が平滑で圧電特性に優れた可撓性複合圧電体層が形成され、また、セラミック圧電体に圧電性を発生させるに充分な分極電圧を一様に印加させることができるので、圧電特性に優れたものとなる。
【００８２】
さらに、請求項１１によれば、ケーブル状圧力センサの機械的インピーダンスを低く保持した状態で、可撓性外側電極は充分な張力を付与されて巻回することができるので、圧電特性に優れたものが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるケーブル状圧力センサの説明図
【図２】同ケーブル状圧力センサにおけるチュービング加工を説明するフローチャート
【図３】同ケーブル状圧力センサにおける圧力検知の感度測定に用いた感度測定系の構成概略図
【図４】同ケーブル状圧力センサの感度とステアリン酸亜鉛の添加量との関係を示すグラフ
【図５】本発明の実施例２におけるケーブル状圧力センサのチュービング加工を説明するフローチャート
【図６】本発明の実施例３において用いるチュービング加工装置の構成概略図で、（ａ）はその側面図（ｂ）はその要部上面図
【図７】同チュービング加工装置により、可撓性複合圧電体層を被覆させた状態で断面した図
【図８】従来におけるケーブル状圧力センサの説明図
【符号の説明】
７  芯電極
８  可撓性構造体
９  金属線
１０  可撓性複合圧電体層
１１  可撓性外側電極
１２  内側金属層
１３  外側金属層
１４  可撓性支持体