(57)【要約】【課題】可撓性感圧体を用いた圧力検出素子において、弱い圧力を検出する場合にも十分な感度が得られ、圧力検出のために複雑な回路やアルゴリズムを不要としたことを目的とする。【解決手段】可撓性感圧体２を二つの固定部３により固定し、その固定部３間の可撓性感圧体２を外部から支持しない状態として、圧力検出部４とする。この構成をとることで、可撓性感圧体２が本来有している固有振動に対応する振動数で、圧力Ｐｏ印加時の可撓性感圧体２撓みが大きくなり、この結果、高い感度で圧力を検出することが可能となり、複雑な回路やアルゴリズムが不要になる。また、上記の特有の周波数を有する圧力成分を抽出して検出することが可能となり、他の周波数成分のノイズの影響を受け難くなる効果も得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線状の可撓性感圧体からなり、感度の周波数依存性を有する圧力検出部を含んで構成された圧力検出素子。
【請求項２】
圧力検出部の両端が固定部において固定され、前記固定部間では外部から支持を受けないように設定した請求項１記載の圧力検出素子。
【請求項３】
圧力伝達部支持部に支持された圧力伝達部を介して外部から印加された圧力を圧力検出部へ伝達することにより圧力の検出を行なうようにした請求項１または２記載の圧力検出素子。
【請求項４】
圧力検出部において残留分極を有する複合圧電体と、前記複合圧電体の内部に接触して形成された内部電極と、前記複合圧電体の外部に接触して形成された外部電極とで線状の可撓性感圧体を構成した請求項１から３いずれか１項に記載の圧力検出素子。
【請求項５】
複数の圧力検出部を有するとともに、少なくとも二つの前記圧力検出部に対応する感度の周波数依存性が互いに異なるように設定した請求項１から４いずれか１項記載の圧力検出素子。
【請求項６】
圧力検出部両端の固定部間の距離を互いに異なるように設定した請求項５記載の圧力検出素子。
【請求項７】
複数の圧力検出部が連続した可撓性感圧体からなる請求項５または６に記載の圧力検出素子。
【請求項８】
感度の周波数依存性が互いに異なる複数の圧力検出部に、外部から印加された圧力を一つの圧力伝達部を介して伝達するようにした請求項５から７いずれか１項記載の圧力検出素子。
【請求項９】
複合圧電体が圧電セラミックス粉末と可撓性を有する有機高分子とを含んで構成され、前記圧電セラミックス粉末は、周期表第Ｉ族の元素、周期表第II属の元素の少なくとも１種を含むペロブスカイト構造を有する化合物である請求項４から８いずれか１項記載の圧力検出素子。
【請求項１０】
圧電セラミックス粉末は、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−チタン酸バリウム、ニオブ酸アルカリを含んでなる化合物である請求項９記載の圧力検出素子。
【請求項１１】
可撓性を有する有機高分子は、熱可塑性エラストマ、ゴムの少なくとも１種を含む請求項９または１０に記載の圧力検出素子。
【請求項１２】
熱可塑性エラストマは、塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンの少なくとも１種を含む請求項１１記載の圧力検出素子。
【請求項１３】
感度の周波数依存性を有する線状の圧力検出部を含んで構成される圧力検出素子を用いて、感度が概極大となる周波数の圧力を検出する圧力検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
可撓性を有する感圧体を用い、外部から印加される圧力を検出する圧力検出素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９に示すように、従来のこの種の圧力検出素子に用いられる可撓性感圧体１１は、複合圧電体１２の上下に電極１３が形成され、表面を保護層１４で覆う層状の構造を有している。
【０００３】
図９では、複合圧電体１２内の残留分極の方向は示していないが、通常、電極１３の間に高電圧を印加して分極を形成するために、これら電極１３の面の垂直方向に残留分極が形成される。
【０００４】
上記の複合圧電体１２として、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等の圧電セラミックス粉末を添加した複合体が用いられる。
【０００５】
電極１３は、複合圧電体１２に銅、アルミニウム、金等の金属箔を接着剤等により接着するか、蒸着されて構成されている。
【０００６】
上記の可撓性感圧体１１に外部から動的圧力が加えられると、複合圧電体１２に加速度を伴う歪みが発生し、同時に圧電効果により電圧が発生する。この電圧を二つの電極１３を介して応答電圧として測定することで動的圧力が検出される。
【０００７】
また、図１０に示すように、従来知られている圧力検出素子に用いられる可撓性感圧体１５として、ケーブル状のものもある。
【０００８】
具体的には、中心の内部電極１７の周りに複合圧電体１７を、さらにその外部に順に外部電極１８と、保護層１９が形成されている。
【０００９】
図１０では、複合圧電体１６内の残留分極の方向は示していないが、通常、内部電極１６と外部電極１８の間に高電圧を印加して分極を形成するために、内部電極１６から外部電極１８へ放射状に残留分極が形成される。
【００１０】
複合圧電体１７は、図９の可撓性感圧体１１と同様の複合体が、内部電極１６は、金属等の導電体を線状とした線状導電材が、外部電極１８は複合圧電体１６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それぞれ用いられている。
【００１１】
圧力の検出は、図９のシート状の可撓性感圧体１１と同様に、動的圧力の印加による加速度を伴う歪に起因して発生する応答電圧を測定することにより行われる。この応答電圧が感度に相当する（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
ここで、上記で使用した動的圧力と、これに対応する静的圧力に関して、その定義を説明する。
【００１３】
動的圧力は、対応する応力と釣り合っていない圧力であり、結果的に動的圧力が印加された物体に加速度を生じさせるものである。
【００１４】
これに対し、静的圧力は、対応する応力と完全に釣り合っている圧力であり、結果的に静的圧力の印加された物体には加速度は発生しない。
【００１５】
このため、静的圧力は、上記の可撓性感圧体を利用して応答電圧を測定する圧力検出素子では検出されない。
【００１６】
以下で用いる圧力は、特に断らない限り、可撓性感圧体を用いた圧力検出素子で検出可能な動的圧力を意味するものとする。
【００１７】
次に、実際に可撓性感圧体を用いて圧力を検出する場合、図１１に示すように、可撓性感圧体２０を用いて使用されていた。
【００１８】
図１１（ａ）では、可撓性感圧体２０が剛体の上に固定されている。この場合、上部から圧力Ｐｏが印加されると、可撓性感圧体２０に圧力Ｐｏが印加された部分が局所的に歪む。また、図１１（ｂ）では、可撓性感圧体２０の下部にゴムあるいはエラストマのような変形し易い材料で構成される部材が配置され、可撓性感圧体２０を下から支持している。
【００１９】
この場合、上部から圧力Ｐｏが印加されると、可撓性感圧体２０に圧力Ｐｏが印加された部分だけでなく、その周辺の部分も下部に撓んで歪む。
【００２０】
また、図１１（ｃ）では、可撓性感圧体２０の下部と上部に、ゴムあるいはエラストマのような変形し易い材料で構成される部材が配置され、可撓性感圧体２０を上下から支持している。
【００２１】
この場合、上部から圧力Ｐｏが印加されると、ゴムあるいはエラストマを介して、可撓性感圧体２０に圧力Ｐｏが印加され、図１１（ｂ）と同様に、圧力Ｐｏが印加された箇所の周辺の部分も下部に撓んで歪む。ここで、可撓性感圧体２０の撓る領域は、図１１（ｂ）に比較して広くなる。
【００２２】
上記の図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３つの例のように、従来は、可撓性感圧体２０が、下から、あるいは上下から支持されていた。
【００２３】
このため、可撓性感圧体２０は自由に変形し歪むことができなかった。言い換えれば、可撓性感圧体２０は、本来、特に振動が容易で、振幅が大きくなり易い固有振動に相当する周波数を有しているが、上記のように上下から支持され、動きが束縛されているために、固有振動に相当する周波数依存性が発現することはなかった。
【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】
【００２４】
しかしながら、前記従来の可撓性感圧体を用いた圧力検出素子は、微小な圧力を検出する場合に、ノイズに対して十分な応答電圧が得られず、圧力検出の精度を上げるために複雑な回路、アルゴリズムが必要になるという課題があった。
【００２５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、外部からの圧力印加により発生する応答電圧を増大させることで、複雑な回路、複雑なアルゴリズムが不必要となるような圧力検出素子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】
【００２６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の圧力検出素子は、線状の可撓性感圧体からなり、感度の周波数依存性を有する圧力検出部を含んで構成したものである。
【００２７】
こうすることにより、極めて高い感度で外部から印加される圧力を検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の圧力検出素子により、複雑な回路、アルゴリズムを用いることなく、外部からの圧力印加を精度良く検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
第１の発明の圧力検出素子は、線状の可撓性感圧体からなり、感度の周波数依存性を有する圧力検出部を含んで構成したものである。
【００３０】
上記の圧力検出素子を用いれば、感度が概極大を有する周波数で印加される圧力を検出することで、高い感度で、外部から印加される圧力を検出することが可能となる。
【００３１】
また、様々な圧力が印加される場合に、特定の周波数成分を抽出して検出することが可能であるため、他の周波数成分のノイズの影響を低減することができる。
【００３２】
第２の発明は、第１の発明において、圧力検出部の両端が固定部において固定され、前記固定部間では外部から支持を受けないように設定したものである。
【００３３】
この構成を用いることで、圧力検出部の可撓性感圧体は、変形する領域が固定され、その領域では外部から規制を受けることなく自由に変形することが可能となるため、可撓性感圧体が元来有する固有振動に対応する周波数特性が発現する。
【００３４】
この結果、この固有振動対応する周波数で可撓性感圧体の撓み歪みが大きくなり、結果として外部からの圧力印加を高感度に検出することが可能となる。
【００３５】
第３の発明は、第１または第２の発明において、圧力伝達部支持部に支持された圧力伝達部を介して外部から印加された圧力を圧力検出部へ伝達することで前記圧力の検出を行なう構成としたものである。
【００３６】
この構成をとることで、可撓性感圧体の圧力検出部への圧力印加の精度が向上し、高い精度で圧力を検出することが可能となる。
【００３７】
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、圧力検出部において残留分極を有する複合圧電体と、前記複合圧電体の内部に接触して形成された内部電極と、前記複合圧電体の外部に接触して形成された外部電極とで線状の可撓性感圧体を構成したものである。
【００３８】
このような構造を有することにより、連続的な押し出し工程で製造が可能であるため、より製造が容易となる効果が得られる。
【００３９】
また、線状で中心対称な構造を有しているため、残留分極は中心から放射状に形成される。このため、どの方向からの圧力印加に対しても等方的な検出が可能となる。
【００４０】
第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、複数の圧力検出部を有し、少なくとも二つの前記圧力検出部に対応する感度の周波数依存性が互いに異なる構成とした
ものである。
【００４１】
この構成をとることで、異なる場所において、異なる周波数の圧力を抽出して検出するという高度な圧力検出が可能となる効果が得られる。
【００４２】
第６の発明は、第５の発明において、少なくとも二つ以上の圧力検出部に対して、前記圧力検出部両端の固定部間の距離が互いに異なる構成としたものである。
【００４３】
この構成を有することで、感度の周波数依存性を調整することが可能となる効果が得られる。
【００４４】
第７の発明は、第５あるいは第６の発明において、複数の圧力検出部が連続した可撓性感圧体からなる構成としたものである。
【００４５】
この構成を有することにより、圧力検出部を構成する複数の可撓性感圧体同士を配線したり、あるいは別々に検出回路に配線をして応答電圧を検出する必要がなくなり、簡単な構成で異なる場所の圧力検出が可能となる効果が得られる。
【００４６】
第８の発明は、第５から第７のいずれかの発明において、一つの圧力伝達部により、感度の周波数依存性が互いに異なる複数の圧力検出部に、外部から印加された圧力を伝達する構成としたものである。
【００４７】
この構成をとることにより、異なる複数の場所での圧力検出が可能になることに加え、さらに、広い周波数領域で高感度に圧力検出を行なうことが可能となる効果が得られる。
【００４８】
第９の発明は、第４から第８の発明において、複合圧電体が、圧電セラミックス粉末と可撓性を有する有機高分子とを含んで構成され、前記圧電セラミックス粉末は、周期表第Ｉ族の元素、周期表II属の元素の少なくとも１種を含むペロブスカイト構造を有する化合物である構成とするものである。
【００４９】
この構成を有することで、圧電セラミックス粉末と、可撓性を有する有機高分子とを複合化した場合に、圧電セラミックス粉末の配向によらず、任意の方向に分極が可能となり、結果的に高い残留分極が得られるため、高い感度が実現される効果が得られる。
【００５０】
第１０の発明は、第９の発明において、圧電セラミックス粉末が、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−チタン酸バリウム、ニオブ酸アルカリを含んでなる化合物である構成とするものである。
【００５１】
この構成を有することで、圧電セラミックス粉末が鉛を含まなくなるため、廃棄時の環境負荷が低減できる効果が得られる。
【００５２】
第１１の発明は、第９または第１０の発明において、可撓性を有する有機高分子が、熱可塑性エラストマ、ゴムの少なくとも１種を含む構成とするものである。
【００５３】
この構成を有することにより、複合圧電体の十分な可撓性を実現でき、圧力検出素子としての配設性が高くなる効果が得られる。
【００５４】
第１２の発明は、第１１の発明において、熱可塑性エラストマが、塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンの少なくとも１種を含む構成とするものである。
【００５５】
この構成を有することで、混練性を改善し、圧電セラミックス粉末の充填量を増加させることができる。結果として高感度な圧力検出が可能となる効果が得られる。
【００５６】
第１３の発明は、感度の周波数依存性を有する線状の圧力検出部を含んで構成される圧力検出素子を用いて、感度が概極大となる周波数の圧力を検出する構成を有する圧力検出方法である。
【００５７】
この方法とすることで、高い感度で、外部からの圧力印加を検出することが可能となる。
【００５８】
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。
【００５９】
（実施の形態１）
図１の圧力検出素子１では、可撓性感圧体２が左右２カ所の固定部３によって固定されている。そして、この可撓性感圧体２のうち左右の固定部３の間にある部分が、外部から印加される圧力Ｐｏを検出する圧力検出部４を形成している。
【００６０】
次に、前記圧力検出素子１の作用を説明する。
【００６１】
外部から圧力Ｐｏが印加されると、左右の固定部３で挟まれた可撓性感圧体２の領域、つまり、圧力検出部４のみが下方に撓む。
【００６２】
このとき、圧力検出部４は、外部から支持されていないため、両端を固定された弦に相当する固有振動数を有し、その振動数が外部から印加される圧力Ｐｏの振動数に近くなると下部への撓みが大きくなる。
【００６３】
これは、図１１で説明した従来の可撓性感圧体の場合の撓み方とは明確に異なるものである。
【００６４】
既に説明したように、従来の場合は、可撓性感圧体が自由に撓もうとしても、剛体あるいはゴム、エラストマにより、上あるいは下から支持されていたため、自由に変形することが許されず、可撓性感圧体の固有振動数に対応する特定の振動数で撓みが大きくならことはなく、高い感度は得られなかった。
【００６５】
以下でさらに詳しく説明するように、可撓性感圧体２は、圧電セラミックスや有機の圧電体のような圧電材料を含んで構成される。
【００６６】
このため、上記の撓みの変形に伴う圧電効果により、可撓性感圧体２中に分極を生じ、それに応じて応答電圧が発生する。
【００６７】
この応答電圧が感度に相当するが、撓みが大きければ、この感度に相当する応答電圧も高くなる。
【００６８】
この応答電圧の周波数依存性を示したものが図２である。
【００６９】
図１１の従来の圧力検出素子に対応する応答電圧（ｂ）は、周波数依存性が小さいが、本実施形態の圧力検出素子に対応する応答電圧（ａ）は、周波数依存性が大きいことがわかる。
【００７０】
従って、応答電圧が極大となる周波数ｆｍａｘで、圧力検出を行うことにより極めて高い感度で圧力検出を行うことが可能となる。
【００７１】
この結果、複雑な回路や、アルゴリズミを用いなくとも、高い精度で圧力検出を行うことが可能となる。
【００７２】
また、印加される多くの圧力成分から、必要な振動数（ｆｍａｘ近傍の振動数）を有する圧力のみを抽出して検出することも可能となり、他の周波数のノイズの影響も低減される効果も得られる。
【００７３】
ここで、上記の応答電圧の測定方法に関して説明する。
【００７４】
まず、加振機に圧子をつけて、一定の周波数で上下に振動させることで、振動圧力を垂直に圧力検出部に加える。
【００７５】
このことにより可撓性感圧体の電極間には振動電圧が発生するが、その極大値と極小値との電圧差を測定してその半分の電圧をもって応答電圧とする。
【００７６】
この際、可撓性感圧体が有する静電容量よりも十分大きい入力容量を有する測定器を用いる。
【００７７】
このことで、回路の特性による周波数依存性をほぼなくすことができる。また、この時、印加電圧を一定にするために、振動圧力の最大値が一定になるように、振幅を調整する。引き続き、同様にして周波数を変えて測定を行うことで、応答電圧の周波数依存性を把握することができる。
【００７８】
このような圧力検出素子１は、微小な圧力を高い精度で検出可能であるため、外部から印加される圧力が小さな場合、例えば、特にセキュリティ用途に、バルコニーやフェンス等の家屋の外部に設置して、侵入者を検知する場合に、ゆっくり侵入する人を検知する場合適している。
【００７９】
また、自動車のドアへの人やものの挟みこみ検知をする場合には、特にゆっくり挟まれる場合の検出に適している。
【００８０】
また、自動車のドアハンドルに触れるだけでドアの施錠を解除するために、ドアハンドルへの接触を検知する用途に対しても、ゆっくり触れた場合の検出に適している。
【００８１】
また、他の振動ノイズがある場合に、その振動を除いて特定の周波数成分を有する圧力を抽出することでノイズを低減し、検出精度を向上させることができるため、屋外や、自動車などの近くで振動ノイズの多い場所での用途に適している。
【００８２】
ところで、上述のように、周波数依存性が大きくなる理由は、既に述べたように、本実施の形態では、可撓性感圧体２が他から支持されることなく自由に変形するために、固有振動数に対応する特定の振動数で撓みが大きくなるためである。
【００８３】
尚、上記の応答電圧が極大となる周波数は、以下の方法で調整することが可能である。従って、これらの方法組み合わせることで、高感度となる周波数をチューニングし、必要な周波数を高感度に検出することが可能となる。
【００８４】
（１）固定部４間の距離（距離が長いほど周波数が低い）
・固定部間の距離Ｌの調整で可能
（２）可撓性感圧体の線密度（面密度が高い程周波数が低い）
・使用する材料の密度、圧電セラミックスの重量％、可撓性感圧体の長手方向に垂直な断面の断面積あるいは直径を調整することで可能
（３）固定部４により固定された圧力検出部の可撓性感圧体の張力（張力が低い程周波数が低い）
・圧力検出部に上部から印加される静圧の大きさを調整することで、可撓性感圧体に生じる張力の調整が可能
ここで図１では説明を簡単にするために線状の可撓性感圧体２の断面の詳細構造は省略しているが、例えば、図３に示すような断面構造をとることができる。
【００８５】
すなわち、図３において、可撓性感圧体２は、中心に内部電極５を有し、これに接して複合圧電体６が形成され、その外側に外部電極７が形成されている。
【００８６】
さらに、全体を保護するために、最外層に保護層８が形成されているが、内部の強度が保たれていれば、この保護層８は必ずしも必要ではない。
【００８７】
ここで、図１で外部から圧力Ｐｏが印加されると、可撓性感圧体２が下方へ撓んで歪む。この歪みにより、図３に示したように、可撓性感圧体２中の複合圧電体６にも歪みが生じる。
【００８８】
この複合圧電体６は、圧電セラミックス粉末と可撓性を有する有機高分子とを含む複合体から構成されるため、上記の撓み歪みによる圧電効果により内部に分極が生じ、電圧が生じる。
【００８９】
この応答電圧を内部電極５と外部電極７との電位差として取り出すことにより、感度に対応する応答電圧が検出される。
【００９０】
線状の可撓性感圧体２の構造としては、ここで説明した線状のもの以外に、シート状のものもあり、形態に限定される訳ではない。
【００９１】
但し、以下の理由から線状のものが好ましいため、具体的な実施の形態では線状のものを用いた例に関して説明する。
【００９２】
上述の線状が好ましい理由は、以下の通りである。
【００９３】
つまり、連続的な押し出し工程に製造が可能であるため製造が容易となること、また、中心対称な構造を有しているため、残留分極は中心から放射状に形成され、どの方向からの圧力印加に対しても等方的な検出が可能となることである。
【００９４】
従って、圧力応答手段が配設時に回転したり捻れたりした場合でも、応答電圧に変化が生じ難い。
【００９５】
この結果、配設の自由度が高くなり、安定した圧力印加の有無の判定が可能となる効果が得られる。
【００９６】
図４は、本実施の形態の別の圧力検出素子を示し、図１と異なるのは、圧力伝達部９と圧力伝達部支持部１０とを有している点である。
【００９７】
なお、図１と同作用を有するものには同一符号を付し、具体的説明は図１のものを援用
する。
【００９８】
具体的には、図４（ａ）より、圧力伝達部９は圧力検出部４の上部に配置され、外部からの圧力Ｐｏが印加されると、下方へ移動して、圧力検出部４を下方へ押し下げることで、外部からの圧力Ｐｏを圧力検出部４へ伝える作用を有するものである。
【００９９】
また、図４（ｂ）より、圧力伝達部支持部１０は、圧力伝達部９を支持して一定の高さに保つ作用を有する。
【０１００】
具体的には、外部から圧力Ｐｏが圧力伝達部９に印加されると、圧力伝達部支持部１０にも下方の力が印加され、この圧力伝達部支持部１０が下方へ圧縮あるいは撓むことで、圧力伝達部９も下方へ押し下げられる。こうして、最終的に圧力伝達部４を押し下げることで、圧力Ｐｏを伝える。
【０１０１】
一方、圧力Ｐｏの印加が解除されると、圧力伝達部支持部１０も圧縮、撓みが解除されて、もとの形状に回復することで、圧力伝達部９を元の位置に回復させて保持する。
【０１０２】
このように、圧力伝達部支持部１０は、圧力伝達部９を圧力Ｐｏの印加に応じて可逆的に好ましい位置に支持する作用を有する。
【０１０３】
このような圧力伝達部９と圧力伝達部支持部１０を有することで、外部から圧力Ｐｏが印加される際に、印加される場所が左右にばらついた場合でも、圧力伝達部９が、圧力検出部３と接触する同じ領域にばらつかずに再現性良く圧力が伝達され、結果的に圧力検出部３の可撓性感圧体２の撓み歪みが再現性よく進行する。
【０１０４】
このため、応答電圧の再現性も向上して、圧力検出の再現性が向上する効果が得られるものである。
【０１０５】
次に、本実施の形態の圧力検出素子１に用いられる可撓性感圧体２、固定部３、圧力伝達部９、圧力伝達部支持部１０に用いられる材料に関して説明する。
【０１０６】
可撓性感圧体２中で圧電効果を司る複合圧電体６は、可撓性を有する有機高分子としての合成ゴムや合成樹脂の中に圧電セラミックス粉末が分散されて構成される。
【０１０７】
合成ゴムや合成樹脂としては、塩化ビニル、塩素化ポリエチレン等の熱可塑性エラストマ、ＥＰＤＭ等の加硫ゴム等が用いられる。
【０１０８】
また、圧電セラミックスとしては、チタン酸鉛、ジルコン鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、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−チタン酸バリウム、ニオブ酸アルカリ等のペロブスカイト構造を有する化合物、ビスマス層状構造を有する化合物、タングステンブロンズ構造を有する化合物等圧電性を発現するセラミック材料が用いられる。
【０１０９】
この中でもペロブスカイト構造を有する化合物が、特に好適に用いられる。
【０１１０】
これは、可撓性を有する有機高分子と複合化した場合に、圧電セラミックス粉末の配向によらず、任意の方向に分極が可能となり、結果的に高い残留分極が得られ、高い感度が実現されるためである。
【０１１１】
また、複合圧電体６中の圧電セラミックスとしては、廃棄時の処理を考えると、鉛を含
まないものが好ましい。例えば、チタン酸バリウム、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−チタン酸バリウム、ニオブ酸アルカリ等が好適に用いられる。
【０１１２】
さらに、セキュリティ用途等屋外で用いられる場合や、トイレ、風呂、台所等水を使用する環境では、上記圧電セラミックス粉体が撥水処理されて、水分の侵入が抑制されることがさらに好ましい。
【０１１３】
これは、上記のアルカリ金属を含む、圧電セラミックスは、水分を吸収し易く、そのことにより抵抗、静電容量等の電気特性も変動し易くなるためである。
【０１１４】
可撓性を有する有機高分子としては、熱可塑性エラストマおよびゴム材料が好適に用いられる。
【０１１５】
これらの材料を用いることで、圧電セラミックス粉末と複合化した際に、十分な可撓性が得られ、圧力検出素子の配設の自由度が向上する効果が得られる。
【０１１６】
さらに、熱可塑性エラストマとしては、特に塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンの少なくとも１種を含むものを用いることが特に好ましい。
【０１１７】
塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンを用いることにより、分散、混練性が向上するために、複合圧電体内の圧電セラミックス粉末の量を増やすことが可能となる。
【０１１８】
この結果、応答電圧を増大させ、高い感度を実現することが可能となる。
【０１１９】
保護層８は、複合圧電体６に用いられる熱可塑性エラストマ、加硫ゴムの他、一般的な熱可塑性の樹脂も用いることができる。
【０１２０】
また、これらの材料を発泡させたものが、可撓性を高めるために用いられる。
【０１２１】
外部電極７としては、Ｃ，Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレス等の線材あるいは線材を圧延して平たいテープ状にしたもの等が用いられる。
【０１２２】
あるいは、前記テープ状の高分子フィルムに前記金属線材あるいは線材をテープ状にしたものをラミネートしたものを用いれば、より可撓性の高い外部電極が得られる。
【０１２３】
また、金属細線を単独で編んで複合圧電体５を覆った電極も使用することができる。あるいは、上記金属を蒸着、スパッタ等により薄膜として形成したものも用いられる。
【０１２４】
内部電極５としては、外部電極７で用いられる単数、複数の金属細線、複数のポリエステル等の繊維に前記金属線を巻いたもの等が用いられる。
【０１２５】
上記では、可撓性感圧体として、図２の線状の形態のものに関して説明したが、シート状の形態の場合でも、電極として、外部電極７と同じものが用いられる他、複合圧電体、保護層も同様の材料が用いられる。
【０１２６】
次に、固定部４に関しては、可撓性感圧体２を動かずに固定するための剛性を有していれば、特に材料的な限定は受けず、一般的な、金属、高分子材料を用いることができるであろう。
【０１２７】
最後に、圧力伝達部９、圧力伝達部支持部１０を構成する材料に関して説明する。
【０１２８】
圧力伝達部９に関しては、外部からの圧力Ｐｏを伝えるために必要な強度を有していれば特に材質は限定されず、固定部３と同様に、一般的な金属、高分子材料等を用いることができる。
【０１２９】
また、圧力伝達部支持部１０に関しては、（１）外部からの圧力Ｐｏが印加された場合に容易に圧縮あるいは撓むことで、圧力伝達部９が下方へ移動して可撓性感圧体２に圧力を伝え、（２）圧力Ｐｏが解除されれば、速やかに形状を回復する必要がある。
【０１３０】
このため、軟らかく形状回復力にすぐれるエラストマやゴム材料、あるいは弾性率の低い様々な形態のバネ材、例えば薄い板バネ等を好適に用いることができる。
【０１３１】
また、複合圧電体６、保護層８、内部電極５、外部電極７、圧力伝達部９、圧力伝達部支持部１０に関しては、以下のものでも同様のものが適用可能である。
【０１３２】
まず、可撓性感圧体２の製造方法について述べる。
【０１３３】
圧電セラミックス粉末と、可撓性を有する有機高分子である合成ゴムや合成樹脂としての熱可塑性エラストマとを混練して複合体とする。
【０１３４】
次に、押し出し機を用いて、この複合体を内部電極５と共に押し出すことにより、その内部電極５を中心にして、その周囲に上記の複合体よりなる線状の複合圧電体６が形成される。
【０１３５】
さらに、周囲を覆う分極用電極を用意し、この電極と内部電極５との間に電圧を印加することにより、内部電極５から放射状に電界を形成し、対応する向きのセラミック圧電体中に分極を形成する。
【０１３６】
さらに、分極用電極を取り外した後、周りにテープ状の金属線材、テープ状金属、あるいはテープ状金属とテープ状高分子とがラミネートされたテープを巻き付けることにより、外部電極７を形成する。
【０１３７】
次に、この外部電極７を形成したあとに、押し出し機により、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマ、ゴム等を押し出し、保護層８を形成することで線状の可撓性感圧体２が得られる。
【０１３８】
また、分極は、外部電極７が形成された後に、この外部電極７と内部電極５との間に電圧を印加することでも可能である。
【０１３９】
尚、本実施の形態で記載した材料、工法は以下の実施の形態でも好適に適用できる。
【０１４０】
（実施の形態２）
次に図５を参照して実施の形態２について説明する。
【０１４１】
尚、図５において、図１，４と同作用をもつ部分については同一符号を付し、具体的説明は実施の形態１のものを援用する。
【０１４２】
本実施の形態の特徴は、複数の圧力検出部を有し、少なくとも二つの前記圧力検出部に
対応する感度の周波数依存性が互いに異なることである。
【０１４３】
すなわち、図５において、可撓性感圧体２の両端を固定部４によって固定された圧力検出部４ａ，４ｂが２箇所あり、その長さがＬａ、Ｌｂであり、これらが互いに異なるように設定してある。
【０１４４】
Ｌａ、Ｌｂが異なることで、図６に示したように、二つの圧力検出部４ａ，４ｂの応答電圧の周波数依存性に差異を発現させることが可能となる。
【０１４５】
今、Ｌａ＜Ｌｂであるから、応答電圧が極大となる周波数はＬａに相当する左側の圧力検出部４ａの方が大きくなる。具体的には、応答電圧が極大となる前記周波数はｆＬａ＞ｆＬｂとなる。
【０１４６】
このような構成を有することにより、領域毎に、異なる周波数の圧力成分を抽出して検出する高度な圧力検知が可能となる。
【０１４７】
例えば、圧力を検出したい領域を二つに分け、分けた左の領域に、図５（ａ）の左の圧力検出部４ａを配設し、右の領域に、図５（ａ）の右の圧力検出部４ｂを配設する。
【０１４８】
このことにより、右側の領域からは、高い周波数ｆＬａの印加圧力の成分を抽出して検出し、左側の領域からは低い周波数ｆＬｂの圧力を抽出して検出するという、高度な圧力検出が可能となる効果が得られる。
【０１４９】
また、圧力検知部４ａ，４ｂが複数個存在するために、より広い場所における圧力印加の検出が可能となる効果も得られる。
【０１５０】
（実施の形態３）
図７は実施の形態３を示し、図５と同作用をもつ部分については同一符号を付し、具体的説明は実施の形態２のものを援用する。
【０１５１】
本実施の形態の特徴は、外部から圧力が印加された場合に、同一の圧力伝達部により、感度の周波数依存性が互いに異なる複数の圧力検出部に圧力を伝達する構成を有することである。
【０１５２】
すなわち、圧力検出素子１は、可撓性感圧体２の両端が固定部３によって固定された圧力検出部４ａ、４ｂが左右２箇所あることが確認できる。また、その長さがＬａ１、Ｌｂ１であり互いに異なることがわかる。
【０１５３】
そして、２本の可撓性感圧体２が前後２本配置されている。
【０１５４】
さらに、特徴と言えるのは、一つの圧力伝達部９に対応する二つの圧力検出部４ａ、４ｂの長さが異なることである。
【０１５５】
例えば、図７（ｂ）の左側の圧力伝達部９に相当する二つの圧力検出部４ａ１、４ａ２の長さは、順に、Ｌａ１、Ｌａ２と異なった値をとっている。
【０１５６】
次に、上記構成をとることによる実施の形態２との作用の違いに関して説明を行なう。例として、図７（ａ）の右側に関して説明を行なう。
【０１５７】
外部から圧力Ｐｏ２が、右側の圧力伝達部９に印加された場合を考える。この圧力印加
に伴い、図７（ｃ）の圧力伝達部支持部１０が圧縮、あるいは撓むことにより、圧力伝達部９が下方へ押し下げられる。
【０１５８】
圧力伝達部９が下方へ押し下げられることにより、二つの圧力検出部４ｂ１、４ｂ２が下方へ撓むことで圧力が伝達される。
【０１５９】
このとき、上記二つの圧力検出部３ｂ１、４ｂ２に対応する幅は、順にＬｂ１、Ｌｂ２であり、Ｌｂ１＞Ｌｂ２である。このため、対応する応答電圧が極大となる周波数ｆＬｂ１、ｆＬｂ２に関してｆＬｂ１＜ｆＬｂ２が成立する。
【０１６０】
従って、実際に検出される応答電圧の周波数依存性は、圧力検出部４ｂ１、４ｂ２の応答電圧の周波数依存性を合成したものとなり、図８のような応答電圧が得られる。このように、二つの異なる周波数依存性を有する圧力検出部に一つの圧力伝達部から圧力を伝達することで、高感度で圧力検出が可能となる周波数の範囲が広がる効果が得られる。
【０１６１】
さらに、図７（ａ）左側の圧力伝達部９に関しても同様の作用、効果が得られる。
【０１６２】
従って、本実施の形態の圧力検出素子を用いることにより、簡単な構成で、異なる場所において同時に、広い周波数領域で高い感度の圧力検出が可能となる効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１６３】
以上のように本発明の圧力検出素子は、感度が高く、精度が高いために、例えば、特にセキュリティ用途に、バルコニーやフェンス等の家屋の外部に設置して、侵入者を検知する際に、特にゆっくり侵入する人を検知する用途に、また、自動車のドアへの人やものの挟みこみ検知において、特にゆっくり挟まれる場合の検出の用途に、さらに、自動車のドアハンドルに設置して、ドアハンドルに触れるだけでドアの施錠を解除する際に、特にゆっくり触れた場合の検出の用途に、好適に用いることができる。
【０１６４】
また、複数の場所で、異なる周波数領域の圧力を抽出して検出することが可能であるため、複数の場所に、振動数を変えて圧力を印加することにより、簡単な構成で、多岐に渡る信号を入力する入力装置として好適に用いることができる。
【０１６５】
さらに、他の振動ノイズがある場合に、その振動を除いて特定の振動成分の圧力を抽出することで、ノイズを低減し検出精度を向上させることができるため、屋外や、自動車などの近くで振動ノイズの多い場所での圧力検出の用途に適している。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本発明の実施の形態１の圧力検出素子の断面図
【図２】圧力検出素子の応答電圧の周波数依存性を示す説明図
【図３】（ａ）は同実施の形態１の圧力検出素子の側断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線正断面図
【図４】（ａ）は同実施の形態１の圧力検出素子の側断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線正断面図
【図５】（ａ）は本発明の実施の形態２の圧力検出素子の側断面図、（ｂ）はＤ−Ｄ線正断面図、（ｃ）は上面図
【図６】同実施の形態２の周波数依存性を示す説明図
【図７】（ａ）は本発明の実施の形態３の圧力検出素子の測断面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線正断面図、（ｃ）は上面図
【図８】同実施の形態３の圧力検出素子の周波数依存性を示す説明図
【図９】従来の圧力検出素子に用いられる線状の可撓性感圧体の測断面図
【図１０】（ａ）は従来の圧力検出素子に用いられる線状可撓性感圧体の測断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ―Ａ線正断面図
【図１１】従来の圧力検出素子の作用説明図
【符号の説明】
【０１６７】
１  圧力検出素子
２  可撓性感圧体
３  圧力検出部
４  固定部
５  内部電極
６  複合圧電体
７  外部電極
９  圧力伝達部
１０  圧力伝達部支持部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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