JP2000111423A - ケーブル状圧力センサとその製造方法および圧力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のケーブル状圧力センサを互いに近接し
て配設したときの誘起電圧の発生を防止する。 【解決手段】 可撓性圧電体４の一部の周囲に配置され
た可撓性誘電体層７を有する構成であるので、可撓性誘
電体層７の配置された部分の可撓性圧電体４に圧力が印
加されても、充分な誘起電圧が発生しない。可撓性誘電
体層７の配置されていない部分の可撓性圧電体４に圧力
が印加されたとき、充分な誘起電圧が発生する。従っ
て、複数のケーブル状圧力センサが近接して配置される
場合、この近接部分に可撓性誘電体層７を設けることに
より、近接部分に圧力が印加されても充分な誘起電圧が
発生しないので、複数のケーブル状圧力センサの近接配
置ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はケーブル圧力センサ
とその製造方法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
４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。

【０００４】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と外電極５間に電圧が誘起される。
上記圧力センサは、この誘起電圧を利用して圧力を検出
している。

【０００５】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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】複数のケーブル状圧力
センサを用いて、複数の場所のそれぞれの圧力を独立し
て検出する場合、複数のケーブル状圧力センサは、圧力
検出手段も含めた一個の制御手段に並列に接続される場
合が多い。各ケーブル状圧力センサ毎に別々の検出手段
や制御手段を設けてもよいが、この構成は複雑であり、
また、高価格になり勝ちであるからである。

【０００７】複数のケーブル状圧力センサが一個の制御
手段に並列に接続される場合、制御手段近傍の複数のケ
ーブル状圧力センサは互いに近接して配置される。しか
し、従来のケーブル状圧力センサは殆ど全長にわたり圧
力を検出できるので、近接して配置された複数のケーブ
ル状圧力センサの部分に圧力が印加されたとき、多くの
ケーブル状圧力センサに誘起電圧が発生する。このた
め、複数の場所のそれぞれの圧力を独立して検出できな
いという課題を有していた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、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
性圧電体の一部の周囲に配置された可撓性誘電体層と、
前記可撓性圧電体および前記誘電体層の周囲に配置され
た可撓性外電極とから成るケーブル状圧力センサであ
る。

【０００９】上記発明によれば、可撓性誘電体層の配置
された部分の可撓性圧電体は、分極時に充分な直流電圧
が印加されない、また、機械的インピーダンスが他の部
分に比べ大きくなる。このため可撓性誘電体層の配置さ
れた部分の可撓性圧電体の圧力感度は、他の可撓性圧電
体のそれに比べ充分に低くできる。以下、この可撓性誘
電体層の配置された部分を不感部と呼ぶ。従って、複数
のケーブル状圧力センサが近接して配置される場合、こ
の近接部分を不感部とすることにより、近接部に圧力が
印加されても充分な誘起電圧が発生しないので、複数の
ケーブル状圧力センサの近接配置ができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１にかかるケーブ
ル状圧力センサは、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一部の周囲
に配置された可撓性誘電体層と、前記可撓性圧電体およ
び前記誘電体層の周囲に配置された可撓性外電極とから
成るケーブル状圧力センサである。

【００１１】可撓性誘電体層の配置された部分の可撓性
圧電体は、分極時に充分な直流電圧が印加されない、ま
た、機械的インピーダンスが他の部分に比べ大きくな
る。このため可撓性誘電体層の配置された部分の可撓性
圧電体の圧力感度は、他の可撓性圧電体のそれに比べ充
分に低くできる。従って、複数のケーブル状圧力センサ
が近接して配置される場合、この近接部分を不感部とす
ることにより、近接部分に圧力が印加されても充分な誘
起電圧が発生しないので、複数のケーブル状圧力センサ
の近接配置ができる。

【００１２】本発明の請求項２にかかるケーブル状圧力
センサは、可撓性誘電体層が高分子フィルムで構成され
る。

【００１３】高分子フィルムを可撓性圧電体に巻き付け
ることにより、可撓性圧電体の任意の部分に容易に可撓
性誘電体層を形成できる。

【００１４】本発明の請求項３にかかるケーブル状圧力
センサは、可撓性誘電体層が熱収縮チューブで構成され
る熱収縮チューブを加熱することにより、可撓性圧電体
に小さな静電容量の可撓性誘電体層を形成できる。

【００１５】本発明の請求項４にかかる圧力制御装置
は、圧力検出手段を含む制御手段と、前記制御手段に並
列に接続された複数のケーブル状圧力センサとから成
り、前記複数のケーブル状圧力センサが互いに近接する
部分の各可撓性圧電体の周囲に可撓性誘電体層を配置し
た構成である。

【００１６】複数のケーブル状圧力センサが近接して配
置された部分は不感部であるので、この近接部分に圧力
が印加されても充分な誘起電圧が発生しない。従って、
複数の場所の圧力検出とその圧力に対応して、複数の場
所で独立して、例えば電源切断などの制御を実現でき
る。

【００１７】本発明の請求項５にかかる圧力制御装置
は、複数のケーブル状圧力センサの中で制御手段に最も
近接した場所に配置されたケーブル状圧力センサの可撓
性圧電体を除き、残りの可撓性圧電体の周囲に可撓性誘
電体層を配置した構成である。

【００１８】複数のケーブル状圧力センサが近接して配
置された部分に圧力が印加されたとき、制御手段に最も
近接した場所に配置されたケーブル状圧力センサの可撓
性圧電体は、誘起電圧を発生するので、制御手段に最も
近接した場所も含め複数の場所の圧力検出とその圧力に
対応した制御を実現できる。

【００１９】本発明の請求項６にかかるケーブル状圧力
センサの製造方法は、芯電極の周囲に未分極可撓性圧電
体を形成し、前記未分極可撓性圧電体の所定の位置に可
撓性誘電体層を形成し、前記未分極可撓性圧電体および
前記誘電体層の周囲に可撓性外電極を配置した後に前記
芯電極と前記可撓性外電極間に直流高電圧を印加して前
記未分極可撓性圧電体を分極する製造工程で構成され
る。

【００２０】前記芯電極と前記可撓性外電極間に高電圧
を印可したとき、未分極可撓性圧電体と可撓性誘電体層
の積層部分では、直流高電圧は可撓性誘電体層と未分極
可撓性圧電体に配分されるので、未分極可撓性圧電体に
充分な分極電圧が印加されない。従って、この部分は、
充分に分極されないので、分極後に圧力を印加しても誘
起電圧が殆ど発生しない不感部とすることができる。他
方、可撓性誘電体層の配置されてない部分の未分極可撓
性圧電体は、充分な高電圧が印加されるので、充分に分
極される。従って、分極後に圧力を印加したとき、大き
な誘起電圧を発生できる。以上のように、部分的に不感
部を有するケーブル状圧力センサを製造できる。

【００２１】本発明の請求項７にかかるケーブル状圧力
センサの製造方法では、可撓性誘電体層の静電容量が未
分極可撓性圧電体の静電容量以下にした製造工程であ
る。

【００２２】未分極可撓性圧電体と可撓性誘電体層の積
層部分の未分極可撓性圧電体に印加される直流電圧は、
可撓性誘電体層の配置されてない部分の未分極可撓性圧
電体に印加される直流電圧の１／２以下にできる製造工
程である。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を用い
て説明する。

【００２４】（実施例）図１は本発明の一実施例のケー
ブル状圧力センサの見取図である。

【００２５】同圧力センサは、芯電極３の周囲に可撓性
圧電体４を配置した後、可撓性圧電体４の一部の周囲に
配置された可撓性誘電体層７を配置し、可撓性圧電体４
および可撓性誘電体層７の周囲に可撓性外電極６を配置
して構成される。

【００２６】可撓性誘電体層７の配置された部分の可撓
性圧電体４は、後述するように、分極時に充分な直流電
圧が印加されない、また、可撓性誘電体層７により機械
的インピーダンスが他の部分に比べ大きくなる。このた
め可撓性誘電体層７の配置された部分の可撓性圧電体４
の圧力感度は、他の可撓性圧電体４のそれに比べ充分に
低くできる。従って、複数のケーブル状圧力センサが近
接して配置される場合、この近接部分を不感部とするこ
とにより、近接部分に圧力が印加されても充分な誘起電
圧が発生しないので、複数のケーブル状圧力センサの近
接配置ができる。

【００２７】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が用いられる。

【００２８】可撓性誘電体層７として、高分子フィルム
が優れている。高分子フィルムは、芯電極３の周囲に可
撓性圧電体４を形成した構成物の機械的インピーダンス
に比べ小さな機械的インピーダンスを有するので、可撓
性圧電体４に巻き付けられても全体の機械的インピーダ
ンスを増加させない。従って、外部からの圧力に応じ
て、容易に変形するからである。また、前述したよう
に、高分子フィルムを可撓性圧電体４に巻き付けること
により、可撓性誘電体７を容易に可撓性圧電体４の任意
の位置に形成できる。また、高分子フィルムは、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
テートなど種々の材料で構成されるが、これらの中でも
ポリエチレンテレフタレートは高耐熱性（最高使用温度
１５０℃）を有する点で優れている。

【００２９】しかし、高分子フィルムの厚さは数十μm
程度の比較的薄いフィルムが工業的に多く利用されてい
る。他方、後述するように、可撓性誘電体層７としての
高分子フィルムは、その静電容量が重要である。従っ
て、静電容量が比較的大きくてもよい場合、即ち、可撓
性誘電体層７の厚さが薄くてもよい場合には、高分子フ
ィルムが適している。しかし、静電容量が比較的小さい
ことが必要な場合、可撓性誘電体層７として、熱収縮チ
ューブが好ましい。熱収縮チューブの厚さは数百μm程
度であるので、その静電容量を容易に小さくできるから
である。

【００３０】なお、可撓性外電極５は、従来例で示した
ようなアルミニウム箔、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などが用
いられる。

【００３１】このような不感部を有するケーブル状圧力
センサを複数個用いて複数の場所の圧力を独立して検出
する場合、図２に示すように、圧力検出手段を含む制御
手段８に複数のケーブル状圧力センサ９、１０、１１を
並列に接続し、それぞれのケーブル状圧力センサはそれ
ぞれの場所９ａ、１０ａ、１１ａに配設される。制御手
段８の面積は、広い場所９ａ、１０ａ、１１ａに比べ遥
かに小さい場合、複数のケーブル状圧力センサ９、１
０、１１は、制御手段８への接続部近傍の狭い場所８ａ
に互いに近接して配設される。このとき、場所８ａの部
分の各ケーブル状圧力センサは、それらの各可撓性圧電
体４の周囲に可撓性誘電体層７を配置して、圧力制御装
置を構成することが望ましい。

【００３２】従来のケーブル状圧力センサは、その全長
にわたり圧力感度を有するので、場所８ａに圧力が印加
された場合、複数のケーブル状圧力センサに誘起電圧が
発生し、制御手段８の誤動作を招く。本発明の圧力制御
装置では、複数のケーブル状圧力センサが近接して配置
された部分の各可撓性圧電体４の周囲に可撓性誘電体層
７が配置されているので、各ケーブル状圧力センサの中
の場所８ａの部分は圧力に対して不感部である。従っ
て、場所８ａに圧力が印加されても、複数のケーブル状
圧力センサに誘起電圧が発生しない。

【００３３】場所８ａの面積は、他の場所９ａ、１０
ａ、１１ａの面積比べ小さいので、通常、場所８ａでの
圧力検出は不要であるが、場所８ａも含めて圧力検出す
る必要のある場合、複数のケーブル状圧力センサ９、１
０、１１の中でも最も場所８ａに近い場所１０ａにある
ケーブル状圧力センサ１０には不感部を有しないケーブ
ル状圧力センサを用い、他のケーブル状圧力センサ９、
１１には上記不感部と同じ不感部を有するケーブル状圧
力センサを用いることが望ましい。この構成により、ケ
ーブル状圧力センサ１０により場所８ａを含め圧力検出
ができる。

【００３４】なお、制御手段８は、各ケーブル状圧力セ
ンサからの誘起電圧に基づき圧力を検出すると共にその
圧力に応じて、電源の切断や投入あるいは警報の発生な
どの信号を制御する。

【００３５】次に、不部分的に感部を有するケーブル状
圧力センサの製造方法について述べる。

【００３６】本発明のケーブル状圧力センサは、芯電極
３に未分極可撓性圧電体４を形成し、未分極可撓性圧電
体４の所定の位置に可撓性誘電体層７を形成し、更に、
可撓性外電極５を未分極可撓性圧電体４および可撓性誘
電体層７の周囲に形成した後、芯電極３と可撓性外電極
５の間に直流高電圧（５〜１０kV／mm）を印加して未分
極可撓性圧電体４を分極する工程を経て製造される。

【００３７】ケーブル状圧力センサの断面構造は等価的
に図３（ａ）で示され、また、分極時の等価回路は図３
（ｂ）で示される。ケーブル状圧力センサであっても、
本質的には図３（ａ）で示すように、芯電極３に対応し
た平面状下部電極３ａ、未分極可撓性圧電体４に対応し
た平面状未分極可撓性圧電体４ａ、可撓性誘電体層７に
対応した平面状可撓性誘電体層７ａおよび可撓性外電極
５に対応した平面状可撓性外電極５ａから成るコンデン
サ型圧力センサと等価である。従って、分極時の等価回
路は図３（ｂ）のように示される。

【００３８】静電容量Ｃｄは可撓性誘電体層７の静電容
量、静電容量Ｃｐは未分極可撓性圧電体４の静電容量、
また、電圧Ｖ₀は直流高電圧である。可撓性誘電体層７
の積層されていない未分極可撓性圧電体４のみの部分で
は、未分極可撓性圧電体４に印加される電圧は、電圧Ｖ
₀に等しい。しかし、未分極可撓性圧電体４と可撓性誘
電体層７の積層された部分では、それぞれに分割され
る。即ち、未分極可撓性圧電体４に印加される電圧をＶ
ｐ、可撓性誘電体層７に印加される電圧をＶｄとする
と、Ｖｐ＋Ｖｄ＝Ｖ₀が成立する。従って、未分極可撓
性圧電体４と可撓性誘電体層７の積層部分の未分極可撓
性圧電体４に印加される電圧Ｖｐは、未分極可撓性圧電
体４のみの部分で同圧電体４に印加される電圧Ｖ₀より
も低くなる。積層部分の未分極可撓性圧電体４は、充分
な分極電圧が印加されないので、不充分な分極のままで
ある。従って、分極後にこの部分に圧力を印加しても殆
ど誘起電圧を発生しない。他方、未分極可撓性圧電体４
のみの部分の同圧電体４は、充分高い分極電圧が印加さ
れるので、充分に分極される。従って、分極後にこの部
分に圧力を印加したとき、大きな誘起電圧を発生でき
る。以上に示したように、本発明の製造方法によれば、
部分的に不感部を有するケーブル状圧力センサを製造す
ることができる。

【００３９】充分に低い電圧Ｖｐを得るには、静電容量
Ｃｄを静電容量Ｃｐ以下にすることが望ましい。これに
より、電圧Ｖｐを電圧Ｖ₀の１／２以下に低くできるか
らである。静電容量Ｃｐは、圧電体材料の誘電率、圧電
体の厚さおよび圧電体の面積に依存して決まるので、所
定の静電容量Ｃｄを得るには、可撓性誘電体層７とし
て、高分子フィルムや熱収縮チューブなどの材料やその
厚さなどを適切に選択すればよい。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
かかるケーブル状圧力センサは、可撓性圧電体の一部の
周囲に配置された可撓性誘電体層を有する構成されるの
で、可撓性誘電体層の配置された部分の可撓性圧電体
は、他の可撓性圧電体のそれに比べ充分に低くできる。
従って、複数のケーブル状圧力センサが近接して配置さ
れる場合、この近接部分を不感部とすることにより、近
接部分に圧力が印加されても充分な誘起電圧が発生しな
いので、複数のケーブル状圧力センサの近接配置ができ
る。

【００４１】また、本発明の請求項２にかかるケーブル
状圧力センサは、可撓性誘電体層が高分子フィルムで構
成されるので、高分子フィルムを可撓性圧電体に巻き付
けることにより、可撓性圧電体の任意の部分に容易に可
撓性誘電体層を形成できる。

【００４２】また、本発明の請求項３にかかるケーブル
状圧力センサは、可撓性誘電体層が熱収縮チューブで構
成されるので、小さな静電容量の可撓性誘電体層を形成
できる。

【００４３】また、本発明の請求項４にかかる圧力制御
装置は、複数のケーブル状圧力センサが互いに近接する
部分の各可撓性圧電体の周囲に可撓性誘電体層を配置し
た構成であるので、複数のケーブル状圧力センサが近接
して配置された部分を不感部にできる。従って、この近
接部分に圧力が印加されても充分な誘起電圧が発生しな
いので、複数の場所の圧力検出とその圧力に対応して、
複数の場所で独立して、例えば電源切断などの制御を実
現できる。

【００４４】また、本発明の請求項５にかかる圧力制御
装置は、複数のケーブル状圧力センサの中で制御手段に
最も近接した場所に配置されたケーブル状圧力センサの
可撓性圧電体を除き、残りの可撓性圧電体の周囲に可撓
性誘電体層を配置した構成であるので、複数のケーブル
状圧力センサが近接して配置された部分に圧力が印加さ
れたとき、制御手段に最も近接した場所に配置されたケ
ーブル状圧力センサの可撓性圧電体は、誘起電圧を発生
できる。従って、制御手段に最も近接した場所も含め複
数の場所の圧力検出とその圧力に対応した制御を実現で
きる。

【００４５】また、本発明の請求項６にかかるケーブル
状圧力センサの製造方法は、未分極可撓性圧電体の所定
の位置に可撓性誘電体層を形成し、未分極可撓性圧電体
および誘電体層の周囲に可撓性外電極を配置した後に、
芯電極と可撓性外電極間に直流高電圧を印加して未分極
可撓性圧電体を分極する工程で構成されるので、未分極
可撓性圧電体と可撓性誘電体層の積層部分の未分極可撓
性圧電体を不充分な分極に止め、他方、可撓性誘電体層
の配置されてない部分の未分極可撓性圧電体を充分に分
極できる。従って、前者の未分極可撓性圧電体を不感部
に、後者の未分極可撓性圧電体を大きな誘起電圧を発生
できる可撓性圧電体にできる。

【００４６】本発明の請求項７にかかるケーブル状圧力
センサの製造方法は、可撓性誘電体層の静電容量が未分
極可撓性圧電体の静電容量以下にしして分極する工程で
あるので、未分極可撓性圧電体と可撓性誘電体層の積層
部分の未分極可撓性圧電体に印加される直流電圧は、可
撓性誘電体層の配置されてない部分の未分極可撓性圧電
体に印加される直流電圧の１／２以下にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるケーブル状圧力セン
サの斜視図

【図２】本発明のケーブル状圧力センサを用いた圧力制
御装置の構成図

【図３】（ａ）ケーブル状圧力センサに等価なコンデン
サ型圧力センサの断面図 （ｂ）分極時の等価回路を示す図

【図４】従来のケーブル状圧力センサの斜視図

【符号の説明】

３ 芯電極 ４ 可撓性圧電体 ７ 可撓性誘電体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 雅彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 藤井 優子 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【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一部の周囲に配置
   された可撓性誘電体層と、前記可撓性圧電体および前記
   可撓性誘電体層の周囲に配置された可撓性外電極とから
   成るケーブル状圧力センサ。
2. 【請求項２】可撓性誘電体層が高分子フィルムである請
   求項１記載のケーブル状圧力センサ。
3. 【請求項３】可撓性誘電体層が熱収縮チューブであるで
   ある請求項１記載のケーブル状圧力センサ。
4. 【請求項４】圧力検出手段を含む制御手段と、前記制御
   手段に並列に接続された複数のケーブル状圧力センサと
   から成り、前記複数のケーブル状圧力センサが互いに近
   接する部分の各可撓性圧電体の周囲に可撓性誘電体層を
   配置した圧力制御装置。
5. 【請求項５】複数のケーブル状圧力センサの中で制御手
   段に最も近接した場所に配置されたケーブル状圧力セン
   サの可撓性圧電体を除き、残りの可撓性圧電体の周囲に
   可撓性誘電体層を配置した請求項４記載の圧力制御装
   置。
6. 【請求項６】芯電極の周囲に未分極可撓性圧電体を形成
   し、前記未分極可撓性圧電体の所定の位置に可撓性誘電
   体層を形成し、前記未分極可撓性圧電体および前記可撓
   性誘電体層の周囲に可撓性外電極を配置した後に前記芯
   電極と前記可撓性外電極間に直流高電圧を印加して前記
   未分極可撓性圧電体を分極するケーブル状圧力センサの
   製造方法。
7. 【請求項７】可撓性誘電体層の静電容量が未分極可撓性
   圧電体の静電容量以下である請求項６記載のケーブル状
   圧力センサの製造方法。