(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯電極と、前記芯電極の周囲に配置された可撓性圧電体と、前記可撓性圧電体の表面に配置された可撓性外電極を含むケーブル状圧力センサと、前記芯電極の両端に接続された抵抗検出手段と、前記芯電極と前記可撓性外電極に接続された振動電圧検出手段とを備えた圧力検出装置。
【請求項２】
抵抗検出手段に、抵抗温度特性に基づき抵抗を温度に換算する温度算出手段を接続した請求項１記載の圧力検出装置。
【請求項３】
芯電極が絶縁性支持体に保持されたコイル状金属から成る請求項1項記載の圧力検出装置。
【請求項４】
絶縁性支持体がポリエステル繊維束から成る請求項３項記載の圧力検出装置。
【請求項５】
コイル状金属が平板状である請求項３項記載の圧力検出装置。
【請求項６】
コイル状金属が銅または銅合金から成る請求項５項記載の圧力検出装置。
【請求項７】
抵抗検出手段が直流抵抗を検出する請求項1項記載の圧力検出装置。
【請求項８】
振動電圧検出手段がコンデンサを介して芯電極と可撓性外電極に接続された請求項１項記載の圧力検出装置。
【請求項９】
可撓性外電極をアース電位とし、芯電極から振動電圧信号を取出す請求項１記載の圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はケーブル状圧力センサを用いた圧力検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のケーブル状圧力センサは以下のようなものであった。
【０００３】
特開昭６２−２３００７１号公報では図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の周囲に可撓性圧電体４を配置し、その周囲に可撓性外電極５を配置し、さらにその周囲に熱収縮チューブから成る外皮６を被覆して成るケーブル状圧力センサが開示されている。可撓性圧電体４として、合成ゴムや合成樹脂の中にチタン酸鉛などのセラミック圧電体粉末を添加した複合体あるいはビニリデンフルオロライド（ＶＤＦ）/トリフルオロエチレン（ＴｒＦＥ）共重合体系などの圧電性高分子が用いられる。また、可撓性外電極５として、アルミニウム箔や塗装法による銀系導電性塗膜が用いられる。６は外皮、７は振動電圧検出手段である。
【０００４】
類似のケーブル状圧力センサが特開平３−２５９５７７号公報にも開示されている。この公報では、可撓性圧電体４として、ポリエチレン、ポリプロピレンや塩化ビニルなどの樹脂の中にチタン酸鉛などのセラミック圧電体粉末を添加した複合体が開示されている。可撓性外電極５として、無電解メッキ法によるニッケル膜や銅膜、および蒸着法によるアルミニウム膜や銀膜が開示されている。
【０００５】
上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、その部分の圧力センサに生じる加速度に応じた振動電圧が芯電極３と外電極５間に誘起される。この振動電圧を振動電圧検出手段７で検出することにより、時間的に変化する圧力を検出していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のケーブル状圧力センサでは、時間的に変化する圧力を検出できるが、温度を検出できないという課題を有していた。可撓性圧電体４として前述した複合体を用いても、圧電性高分子を用いても、その最高使用温度は（８０〜１２０）℃程度である。可撓性圧電体４が最高使用温度以上に曝された場合、その圧電性能が低下する。従って、可撓性圧電体４の使用に当たっては充分な温度管理を必要とするが、従来のケーブル状圧力センサでは、温度センサを別途に準備していたので、（１）複雑な構成になる、（２）温度センサで検出される温度は必ずしも可撓性圧電体４の温度と一致しない、などの課題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、芯電極と、前記芯電極の周囲に配置された可撓性圧電体と、前記可撓性圧電体の表面に配置された可撓性外電極を含むケーブル状圧力センサと、前記芯電極の両端に接続された抵抗検出手段と、前記芯電極と前記可撓性外電極に接続された振動電圧検出手段とからなる圧力検出装置である。
【０００８】
芯電極の温度は、その周囲の可撓性圧電体の温度とほぼ等しい。上記発明によれば、抵抗検出手段により芯電極の抵抗が検出できるので、抵抗の温度依存性に基づき芯電極周囲の可撓性圧電体の平均温度を検出できると共に振動電圧検出手段により圧力もまた検出できる。従って、温度センサを特別に準備する必要がないので、簡素な構成で両者を検出できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１にかかる圧力検出装置は、芯電極と、前記芯電極の周囲に配置された可撓性圧電体と、前記可撓性圧電体の表面に配置された可撓性外電極を含むケーブル状圧力センサと、前記芯電極の両端に接続された抵抗検出手段と、前記芯電極と前記可撓性外電極に接続された振動電圧検出手段を備えたものである。
【００１０】
抵抗検出手段により芯電極の抵抗が検出できるので、芯電極周囲の可撓性圧電体の平均温度を抵抗の温度依存性に基づき検出できる。また、振動電圧検出手段により圧力もまた検出できる。従って、温度センサを特別に準備する必要がないので、簡素な構成で両者を検出できる。
【００１１】
本発明の請求項２にかかる圧力検出装置は、抵抗検出手段に、抵抗温度特性に基づき抵抗を温度に換算する温度算出手段を接続した構成である。
【００１２】
抵抗検出手段により検出された抵抗は、温度算出手段により温度に換算されるので、容易に温度を直読できある。
【００１３】
本発明の請求項３にかかる圧力検出装置は、芯電極が絶縁性支持体に保持されたコイル状金属から成る構成である。
【００１４】
抵抗検出手段により検出する抵抗は、コイル状金属の抵抗であるので、直線状の金属に比べ大きな抵抗を示す。従って、抵抗の検出が容易になる。
【００１５】
本発明の請求項４にかかる圧力検出装置は、絶縁性支持体がポリエステル繊維束から成る構成である。
【００１６】
ポリエステル繊維束は、電気的に絶縁性であり、且つ、可撓性に富むと共に機械的強度も大きいので、ケーブル状圧力センサ全体の可撓性を損なうことなくコイル状金属を支持できる。
【００１７】
本発明の請求項５にかかる圧力検出装置は、コイル状金属が平板状である構成である。
【００１８】
ケーブル状圧力センサの圧電性を得るために、前もって、芯電極と可撓性外電極間に直流の高電圧を印加して、可撓性圧電体を分極する必要がある。このときコイル状金属が平板状であるので、円筒状に比べ、芯電極と可撓性外電極間に均一な高電界が印加され易い。
【００１９】
本発明の請求項６にかかる圧力検出装置は、コイル状金属が銅または銅合金から成る構成である。
【００２０】
銅または銅合金は、可撓性に富むと共に工業的にも多く利用されているので、ケーブル状圧力センサ全体の可撓性を損なうことなく、量産できる。
【００２１】
本発明の請求項７にかかる圧力検出装置は、抵抗検出手段が直流抵抗を検出する構成である。
【００２２】
交流抵抗は周波数依存性を有するが、直流抵抗は周波数依存性を有しないので、コイル状金属のインダクタンスや浮遊容量の影響を受けることなく、コイル状金属の抵抗を検出できる。
【００２３】
本発明の請求項８にかかる圧力検出装置は、振動電圧検出手段がコンデンサを介して芯電極と可撓性外電極に接続された構成である。
【００２４】
直流抵抗を検出するとき芯電極の両端には直流電位が印加される。他方、振動電圧は交流信号である。振動電圧検出手段により振動電圧を検出するとき、コンデンサで直流成分を除去しているので、直流成分の影響を受けることなく振動電圧を検出できる。
【００２５】
本発明の請求項９にかかる圧力検出装置は、可撓性外電極をアース電位とし、芯電極から振動電圧信号を取出す構成である。
【００２６】
芯電極は、アース電位の可撓性外電極により外部空間からシールドされるので、抵抗や振動電圧の検出時に外部空間のノイズの影響を受けない。
【００２７】
【実施例】
以下、本本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２８】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の圧力検出装置の構成図である。
【００２９】
芯電極３の周囲に可撓性圧電体４を形成した後、可撓性外電極５を形成してケーブル状圧力センサを構成した。芯電極３として、従来例で示した構成の芯電極や複数の金属細線だけから成る芯電極などが用いられる。可撓性圧電体４として、ゴムや樹脂の中にチタン酸鉛、チタン酸鉛ジルコン酸鉛などのセラミック圧電体粉末を添加した複合体、あるいは、ビニリデンフルオロライド（ＶＤＦ）/トリフルオロエチレン（ＴｒＦＥ）共重合体系などの圧電性高分子が用いられる。また、可撓性外電極５として、アルミニウム箔や塗装法による銀系導電性塗膜、あるいは、ポリエチレンテレフタレート・フィルム上にアルミニウム層の形成された導電性フィルムが用いられる。ケーブル状圧力センサを上述のようにして形成した後、芯電極３と可撓性外電極５間に振動電圧検出手段７と抵抗検出手段８を接続して、本発明の圧力検出装置が構成される。
【００３０】
芯電極３の抵抗は、その両端間で抵抗検出手段８により検出される。芯電極３は上述したような導電性材料が用いられる。これらの導電性材料は特有の抵抗温度特性を示すので、検出された抵抗から温度を求めることができる。他方、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、その部分の圧力センサに生じる加速度に応じた振動電圧が芯電極３と外電極５間に誘起される。この振動電圧は振動電圧検出手段７により検出される。この振動電圧を利用して、時間的に変化する圧力が検出される。このように、図１に示した実施例１の構成は、温度と圧力を同時に検出できる。
【００３１】
検出された抵抗から温度を求めるには、抵抗温度特性を参照する必要がある。しかし、その度にいちいち参照することは、煩雑な作業であるので、図２に示すように、抵抗温度特性に基づき抵抗を温度に換算する温度算出手段を抵抗検出手段８に接続することが望ましい。これにより温度を直読できるからである。
【００３２】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の圧力検出装置の構成図である。
【００３３】
芯電極３は、絶縁性支持体１０に巻き付けられたコイル状金属１１から構成される。図６に示した従来例構成では、線状導電材１と導電ゴム２から成る芯電極３が開示されている。しかし、この場合、線状導電材１として、通常、複数の金属細線が用いられるので、芯電極３の両端間の抵抗はほぼ金属細線により決められる。従って、その抵抗は、多くの場合室温で０．１Ω／m以下と非常に低いので、抵抗の検出が困難になる。図３に示した実施例２の構成では、芯電極３が絶縁性支持体１０に巻き付けられたコイル状金属１１から構成されるので、芯電極３の両端間の抵抗はコイル状金属１１の両端間の抵抗により決められる。コイル状金属１１の有効長さは、ケーブル状圧力センサの長さよりもはるかに長いので、その両端間の抵抗は１Ω／m以上になる。従って、抵抗の検出が容易になる。例えば、銅と銀の合金線（０．３mmW×０．０５mmt）の場合、室温で２．７Ω／m以上である。
【００３４】
絶縁性支持体１０として、ポリエステル繊維束から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を有するので、ケーブル状圧力センサ全体の可撓性を損なうことなくコイル状金属を支持できる。また、その耐熱性も１２０℃以上であるので、可撓性圧電体４の最高使用温度［（８０〜１２０）℃程度］でも充分な安定性を示す。
【００３５】
また、コイル状金属１１は平板状であることが好ましい。ケーブル状圧力センサは、図１や図３に示した構成に形成された後、芯電極３と可撓性外電極５間に直流高電圧（５〜１０）kV/mm程度を印加して、可撓性圧電体４を分極する工程により圧電性を付与される。この分極工程では、芯電極３と可撓性外電極５間になるべく均一な高電界を印加する必要がある。コイル状金属１１が円筒状やそれと類似の形状の場合に比べ、平板状の場合均一な高電界が得られる。また、コイル状金属の材質として、銅または銅合金が優れている。これら材料は可撓性に富むので、絶縁性支持体に巻き付けて容易にコイル状に成形できると共にケーブル状圧力センサ全体の可撓性を損なはない。また、工業的にも多く利用されているので、量産性に優れる。
【００３６】
また、コイル状金属１１はその形状に基づくインダクタンスや浮遊容量を有するので、その交流抵抗は周波数依存性を有する。しかし、直流抵抗は周波数依存性を有しないので、コイル状金属のインダクタンスや浮遊容量の影響を受けることなく、コイル状金属の抵抗を検出できる点で直流抵抗が優れている。前述した銅と銀の合金線（０．３mmW×０．０５mmt）を用いて形成したケーブル状圧力センサ（長さ約７m）の芯電極３の両端間の直流抵抗、即ち、コイル状合金線の両端間の直流抵抗の抵抗温度特性を図４に示す。同図から明らかなように、０℃でも約１８Ω（約２．５Ω／m）の高い抵抗値を示すと共に約３８００ppm/℃の高い抵抗温度係数を示す。従って、抵抗の検出も、また、その抵抗温度特性に基づいて、芯電極３周辺の可撓性圧電体４の温度を算出することも容易である。
【００３７】
なお、図４に示した測定は、恒温槽内にケーブル状圧力センサを配置して行ったので、ケーブル状圧力センサの温度は均一である。しかし、実用状態では、必ずしも全体的に均一な温度にならない。このような場合、抵抗は平均的な値を示すので、温度も平均温度が検出される。実用状態での温度分布を把握することにより、例えば耐熱性１２０℃のケーブル状圧力センサであれば、平均温度が例えば８０℃になったときに、警報を発するなどの手段ができるので、平均温度検出は実用的にも有効である。
【００３８】
図３の構成から明らかなように、同構成は振動電圧検出手段７も有しているので、直流抵抗のみならず、時間的に変化する圧力に基づく振動電圧も検出できる。直流抵抗を検出するとき芯電極３の両端には直流電位が印加される。他方、振動電圧は交流信号である。振動電圧検出手段７により振動電圧を検出するとき、図５に示すように、振動電圧検出手段７がコンデンサを介して芯電極３と可撓性外電極５に接続された構成が望ましい。コンデンサで直流成分を除去しているので、直流成分の影響を受けることなく振動電圧を検出できるからである。
【００３９】
芯電極３と可撓性外電極５間に抵抗検出手段８と振動電圧検出手段７を接続する場合、可撓性外電極５をアース電位とし、芯電極３から電圧信号を取出すことが望ましい。芯電極３は、アース電位の可撓性外電極５により外部空間からシールドされるので、電圧信号はノイズから遮断されるからである。可撓性外電極５から信号を取出した場合、可撓性外電極５は外部空間からシールドされてないので、電圧信号は外部空間からのノイズの影響が大きくなる。
【００４０】
なお、上記実施例では、図６に示した従来例の外皮６について特に触れてないが、保護などの必要に応じて用いてもよいことは明らかである。また、外皮６として、熱収縮チューブ以外にも塩化ビニールやウレタン樹脂などを用いてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１にかかる圧力検出装置は、抵抗検出手段により芯電極の抵抗が検出できるので、抵抗の温度依存性に基づき芯電極周囲の可撓性圧電体の平均温度を検出できると共に振動電圧検出手段により圧力もまた検出できる。従って、温度センサを特別に準備する必要がないので、簡素な構成で両者を検出できる。
【００４２】
本発明の請求項２にかかる圧力検出装置では、抵抗検出手段により検出された抵抗は、温度算出手段により温度に換算されるので、容易に温度を直読できある。
【００４３】
本発明の請求項３にかかる圧力検出装置では、抵抗検出手段により検出する抵抗は、コイル状金属の抵抗であるので、直線状金属線に比べ大きな抵抗を示す。従って、抵抗の検出が容易になる。
【００４４】
本発明の請求項４にかかる圧力検出装置では、ポリエステル繊維束から成る絶縁性支持体は、電気的に絶縁性であり、且つ、可撓性に富むと共に機械的強度も大きいので、ケーブル状圧力センサ全体の可撓性を損なうことなくコイル状金属を支持できる。
【００４５】
本発明の請求項５にかかる圧力検出装置では、コイル状金属が平板状である。ケーブル状圧力センサの圧電性を得るために、前もって、芯電極と可撓性外電極間に直流の高電圧を印加して、可撓性圧電体を分極する必要がある。このときコイル状金属が平板状であるので、円筒状に比べ、芯電極と可撓性外電極間に均一な高電界が印加され易い。
【００４６】
本発明の請求項６にかかる圧力検出装置では、銅または銅合金は、可撓性に富むと共に工業的にも多く利用されているので、ケーブル状圧力センサ全体の可撓性を損なうことなく、量産できる。
【００４７】
本発明の請求項７にかかる圧力検出装置は、抵抗検出手段が直流抵抗を検出する構成である。交流抵抗は周波数依存性を有するが、直流抵抗は周波数依存性を有しないので、コイル状金属のインダクタンスや浮遊容量の影響を受けることなく、コイル状金属の抵抗を検出できる。
【００４８】
本発明の請求項８にかかる圧力検出装置は、振動電圧検出手段がコンデンサを介して芯電極と可撓性外電極に接続された構成である。直流抵抗を検出するとき芯電極の両端には直流電位が印加される。他方、振動電圧は交流信号である。振動電圧検出手段により振動電圧を検出するとき、コンデンサで直流成分を除去しているので、直流成分の影響を受けることなく振動電圧を検出できる。
【００４９】
本発明の請求項９にかかる圧力検出装置は、可撓性外電極をアース電位とし、芯電極から振動電圧信号を取出す構成である。芯電極は、アース電位の可撓性外電極により外部空間からシールドされるので、振動電圧の検出時に外部空間のノイズの影響を受けない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における圧力検出装置の構成図
【図２】本発明の実施例１における圧力検出装置の他の構成図
【図３】本発明の実施例２における圧力検出装置の構成図
【図４】同圧力検出装置のケーブル状圧力センサの直流抵抗の温度特性の一例を示す特性図
【図５】本発明の実施例２における圧力検出装置の他の構成図
【図６】従来のケーブル状圧力センサを用いた圧力検出装置の構成図
【符号の説明】
３  芯電極
４  可撓性圧電体
５  可撓性外電極
７  振動電圧検出手段
８  抵抗検出手段
９  温度算出手段
１０  絶縁性支持体
１１  コイル状金属
１２  コンデンサ
【図１】
0004051797.tif 000002
【図２】
0004051797.tif 000003
【図３】
0004051797.tif 000004
【図４】
0004051797.tif 000005
【図５】
0004051797.tif 000006
【図６】
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