(57)【要約】【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と鉛を含まない主成分がニオブ酸ナトリウム・カリウムとタンタル酸リチウムとアンチモン酸リチウムの固溶体の圧電体粒子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
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【特許請求の範囲】
【請求項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、主成分がニオブ酸ナトリウム・カリウムとタンタル酸リチウムとアンチモン酸リチウムの固溶体であるセラミック圧電体粒子とから構成されるケーブル状圧力センサ。
【請求項２】
有機高分子は、熱可塑性エラストマーである請求項１に記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項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。
【請求項４】
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１〜３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】
可撓性支持体は、高分子フィルムである請求項４に記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項６】
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５に記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項７】
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１〜６のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項８】
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１〜６のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項９】
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１〜８のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項１０】
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１〜９のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項１１】
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１０記載のケーブル状圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のケーブル状圧力センサは図６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。
【特許文献１】特開昭６２−２３００７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、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、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想定される。このような場合には可撓性感圧体４を構成している材料が、例えば鉛を含む酸化物からなる圧電材料であると、環境を汚染する可能性のある鉛の成分が溶出して、環境汚染の原因となることが懸念される。昨今の環境にやさしいものづくりをするにあたっては、部品として用いるセンサの材料成分も、環境汚染の可能性のない環境に配慮したものにする必要がある。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、環境汚染の可能性がなく、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、主成分がニオブ酸ナトリウム・カリウムとタンタル酸リチウムとアンチモン酸リチウムの固溶体であるセラミック圧電体粒子とから構成したものである。
【０００８】
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が溶出して環境を汚染する可能性はない。また、主成分がニオブ酸ナトリウム・カリウムとタンタル酸リチウムとアンチモン酸リチウムの固溶体の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。
【発明の効果】
【０００９】
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に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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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主成分がニオブ酸ナトリウム・カリウムとタンタル酸リチウムとアンチモン酸リチウムの固溶体である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、主成分がニオブ酸ナトリウム・カリウムとタンタル酸リチウムとアンチモン酸リチウムの固溶体の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。
【００１１】
第２の発明は、特に、第１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。
【００１２】
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の感度を高めることができる。
【００１３】
第４の発明は、特に、第１〜第３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。
【００１４】
第５の発明は、特に、第４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。
【００１５】
第６の発明は、特に、第５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。
【００１６】
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。
【００１７】
第８の発明は、特に、第１〜第７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。
【００１８】
第９の発明は、特に、第１〜第８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。
【００１９】
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。
【００２０】
第１１の発明は、特に、第１０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。
【００２１】
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。
【００２２】
（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外観図である。
【００２３】
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。
【００２４】
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、主成分がニオブ酸ナトリウム・カリウムとタンタル酸リチウムとアンチモン酸リチウムの固溶体が用いられる。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、塩化ビニール、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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
また、セラミック圧電体粒子１１として用いる主成分がニオブ酸ナトリウム・カリウムとタンタル酸リチウムとアンチモン酸リチウムの固溶体は、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
（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この導電性編組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。
【００３６】
図４に示すように、可撓性外側電極９が可撓性感圧体８の表面に間隔をあけながら巻回した後、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。
【００３７】
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。
【００３８】
（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外観図である。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１５の巻き付け構成にある。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
また、本実施の形態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。
【００４２】
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。
【００４３】
（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３の実施の形態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、第３の実施の形態と同一部材は同じ符号を付けている。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】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
【図２】本発明の実施の形態１における可撓性感圧体の内部構成を示す一部断面図
【図３】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
【図４】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
【図５】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
【図６】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
【図７】従来のケーブル状圧力センサの要部断面図
【符号の説明】
【００４８】
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
【図１】
2006208194.tif 000003
【図２】
2006208194.tif 000004
【図３】
2006208194.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006208194.tif 000007
【図６】
2006208194.tif 000008
【図７】
2006208194.tif 000009