(57)【要約】【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、温度に依存しない安定した感度の圧力センサを実現する。【解決手段】内側電極としての芯電極１１と、芯電極１１に周設された可撓性感圧体１２と、可撓性感圧体１２の表面に周設された外側電極１３と、外側電極１３の表面に周設された絶縁層１４と、絶縁層１４の表面に周設された温度によって特性が変化する感温体１５と、感温体１５の表面に配設された被覆１６から圧力センサを構成することにより、圧力と同時に雰囲気温度も検知することができ、温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
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記外側電極の表面に設けた絶縁層と、前記絶縁層の表面に設け、温度によって特性が変化する感温体と、前記感温体の表面に設けた保護層を備えた圧力センサ。
【請求項２】
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、かつ外側電極を兼ねる温度によって特性が変化する感温体と、前記感温体の表面に設けた保護層を備えた圧力センサ。
【請求項３】
感温体の出力信号から雰囲気温度を算出し、圧力センサの温度特性による出力低下を補正する補正手段を設けた請求項１または２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
外側電極および感温体は有機高分子と導電性粒子とを有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
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４に記載の圧力センサ。
【請求項６】
可撓性感圧体は、少なくとも有機高分子と、一般式がＡＢＯ３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１〜５のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項７】
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、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６に記載の圧力センサ。
【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の構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のケ−ブル状に構成した圧力センサは、図６に示すようなものがある（例えば、特許文献１参照）。図６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−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。
【０００３】
そして、上記ケ−ブル状の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】
【０００４】
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、同時に温度検知を行うことができなかった。さらに圧力センサは、温度特性を有するため、温度によって出力が変動し、ある温度ではセンサとしての感度が低くなるという課題があった。
【０００５】
また、従来の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。従って、この圧力センサは、これを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、環境汚染の原因となることが懸念される。
【０００６】
上記従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとするの課題は、環境汚染がなく、温度に依存しない安定した感度の圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の圧力センサは内側電極と、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、前記外側電極の表面に設けた絶縁層と、前記絶縁層の表面に設け、温度によって特性が変化する感温体と、前記感温体の表面に設けた保護層を備えたものである。
【０００８】
これによって、圧力と同時に雰囲気温度も検知することができる。また、雰囲気温度を検出することでセンサの温度特性を補正することも可能になり、温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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の圧力センサは、圧力と同時に雰囲気温度も検知することができるとともに、雰囲気温度を検出することでセンサの温度特性を補正することも可能になり、温度に依存しない安定した感度の出力を得ることができる。
【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、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、前記外側電極の表面に設けた絶縁層と、前記絶縁層の表面に設け、温度によって特性が変化する感温体と、前記感温体の表面に設けた保護層を備えた圧力センサである。
【００１１】
この構成とすることにより、圧力と同時に雰囲気温度も検知することができる。また、雰囲気温度を検出することでセンサの温度特性を補正することも可能になり、温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。
【００１２】
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、かつ外側電極を兼ねる温度によって特性が変化する感温体と、前記感温体の表面に設けた保護層を備えた圧力センサとすることにより、センサの構成を簡素化及び小型化することができるため、センサのヤング率が低くなり、振動検知精度を向上させることができる。また、外側電極及び絶縁層を取り除くことで低コスト化も実現することができる。
【００１３】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、感温体の出力信号から雰囲気温度を算出し、センサの温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、圧力センサの温度特性を補正することができるので、温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。
【００１４】
第４の発明は、特に、第１〜第３の発明の外側電極および感温体を有機高分子と導電性粒子とを有する構成とすることによって、温度によって有機高分子が伸縮し、導電性粒子間の距離が変化することで抵抗値が変化する。この抵抗値変化を検出することで雰囲気温度を検出することが可能となる。
【００１５】
さらに、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、感度の優れた圧力センサを得ることができるとともに、可撓性感圧体と外側電極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。
【００１６】
第５の発明は、特に、第４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。
【００１７】
第６の発明は、特に、第１〜第５の発明のいずれかの可撓性感圧体を少なくとも有機高分子と、一般式がＡＢＯ３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ものである。
【００１８】
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。
【００１９】
第７の発明は、特に、第６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、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、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。
【００２０】
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。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態としてケ−ブル状に構成した圧力センサの要部断面図である。図１において、ケーブル状の圧力センサは内側電極としての芯電極１１の表面周囲に可撓性感圧体１２を形成し、さらに外側電極１３を可撓性感圧体１２の表面周囲に形成している。さらに、外側電極１２の表面周囲には絶縁層１４を形成している。さらに、絶縁層１４の表面周囲には、温度によって特性が変化する感温体１５を設けており、この感温体１５の表面周囲には保護層としての被覆１６を形成している。
【００２２】
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は、少なくとも有機高分子１７と鉛を含まないセラミック圧電体粒子１８とから構成され、前記有機高分子としては、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。前記セラミック圧電体粒子としては、一般式がＡＢＯ３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。
【００２３】
また、外側電極１３及び感温体１５は有機高分子１９と導電性粒子２０とを有し、前記有機高分子は、前述の有機高分子と同じ材料を用いている。感温体１５を構成する有機高分子は温度によって伸縮し、導電性粒子２０間の距離が変化することで抵抗値が変化する。この抵抗値変化を検出することで雰囲気温度を検出することが可能となる。特に導電性粒子２０は、Ｃ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒの少なくとも１種を用いることで、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。この誘起電圧を利用して圧力を検出することができる。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に取り付けられ、車体とドアやウィンドウの間にもの等が挟み込まれる事前に圧力を検知する圧力検出装置として利用される。また、感温体１５によって圧力センサが載置された雰囲気温度を検出することが可能になる。
【００２６】
図２に本実施の形態で使用した感温体１５を２０℃〜１００℃の雰囲気下に放置した時の抵抗値変化を示す。図２に示すように横軸に示す温度の上昇に伴って縦軸に示す抵抗値が増加していることが解る。この抵抗値変化から雰囲気温度を検出することが可能となる。
【００２７】
図３に、図６に示す従来の圧電ケーブルセンサの温度と静電容量の関係を示す。図３に示すように縦軸に示す静電容量は横軸に示す温度の上昇に伴って低下していることが解る。式（１）に示すように、圧力センサの出力電圧（Ｖ）はセンサの電荷量（Ｑ）を静電容量（Ｃ）で除したもので表すことができ、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温度特性を有することになる。
【００２８】
出力電圧Ｖ＝電荷量Ｑ／静電容量Ｃ---  式（１）
このため、図４に示すように感温体１５によって雰囲気温度を検出し、圧力センサが持つ静電容量の温度特性の影響を補正手段２１によって補正することで、温度に依存することなく安定した高感度の出力を得ることができる。
【００２９】
また、本実施の形態の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。
【００３０】
さらに、セラミック圧電体粒子１８として用いる一般式がＡＢＯ３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。
【００３１】
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。
【００３２】
なお、本実施の形態において感温体１５を有機高分子１９と導電性粒子２０で構成し、温度による抵抗値変化によって温度を検出したが、温度によって抵抗や静電容量など特性が変化するものであればこれに限るものではない。
【００３３】
（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態としてケーブル状の圧力センサの要部断面図である。図５に示す本実施の形態として第１の実施の形態と異なるところは、感温体１５は可撓性感圧体１２の表面周囲に周設され、外側電極１３を兼ねる構成とし、図１に示す絶縁層１４を除いた構成にしている点である。なお、実施の形態１と同一部材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。
【００３４】
外側電極１３を兼ねる感温体１５は、有機高分子１９と導電性粒子２０とで構成している。本構成にすることによって外側電極１３は温度上昇に伴い抵抗値が変化するので、実施の形態１で記載した感温体１５の機能を兼ねることができる。また、外側電極１３の表面には保護層として被覆１６を形成している。
【００３５】
本実施の形態において、感温体１５は外側電極１３を兼ねる構成にしているので、外側電極１３と感温体１５とを同電位にしないために設ける図１に示す絶縁層１４を設ける必要もない。従って、圧力センサを簡素化及び小型化することができるため、センサのヤング率が低くなり、振動検知精度を向上することができる。さらに、図１に示す外側電極１３と絶縁層１４を取り除くことで低コスト化も実現することができる。
【００３６】
なお、上記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はなく、シート状の形態でも本発明と同等の作用効果を期待できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明にかかる圧力センサは、温度に依存しない安定した感度の圧力センサを実現するとともに、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に人体の一部または物が挟み込まれるのを事前に検知して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】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態１におけるケ−ブル状の圧力センサの要部断面図
【図２】本発明の実施の形態１における圧力センサの感温体の出力と温度との関係を示す特性図
【図３】本発明の実施の形態１における圧力センサの静電容量と温度との関係を示す特性図
【図４】本発明の実施の形態１におけるケ−ブル状の圧力センサで温度補正機能備えた一部構成図
【図５】本発明の実施の形態２におけるケ−ブル状の圧力センサの要部断面図
【図６】従来のケ−ブル状の圧力センサの要部断面図
【符号の説明】
【００３９】
１１  芯電極（内側電極）
１２  可撓性感圧体
１３  外側電極
１４  絶縁層
１５  感温体
１６  被覆（保護層）
１７、１９  有機高分子
１８  セラミック圧電体粒子
１９  有機高分子
２１  補正手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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