JP2001004462A5 - - Google Patents

Description

【書類名】 明細書
【発明の名称】 ケーブル状圧力センサおよびその製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】 内側電極である芯電極の周囲に、樹脂と圧電セラミック粉体、および潤滑剤を混合した可撓性複合圧電体を押し出し加工して形成し、前記可撓性複合圧電体の表面に可撓性外側電極を配置したケーブル状圧力センサの製造方法。
【請求項２】 内側電極である芯電極と、前記芯電極の周囲に配置された可撓性複合圧電体と、前記可撓性複合圧電体の表面に配置された可撓性外側電極とから成り、前記可撓性複合圧電体を樹脂と圧電セラミック粉体、および潤滑剤からなる混合物として成るケーブル状圧力センサ。
【請求項３】 潤滑剤が、シリコーンオイルである請求項２記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項４】 シリコーンオイルを樹脂と圧電セラミック粉体の混合物に対して２重量部以上１０重量部以下の混練り配合した請求項３記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項５】 可撓性構造体を有し、芯電極が可撓性構造体と前記可撓性構造体の周囲に形成された同軸上のコイル状金属線からなる請求項２ないし４のいずれか１項記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項６】 可撓性構造体が長尺状のポリエステル繊維束からなる請求項５記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項７】 コイル状金属線が平角状の銅合金金属線である請求項５または６記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項８】 可撓性支持体が高分子フィルムである請求項２ないし７のいずれか１項記載のケーブル状圧力センサ。
【請求項９】 可撓性支持体がポリエチレンテレフタレートフィルムである請求項８記載のケーブル状圧力センサ。
【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５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の周囲に可撓性複合圧電体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。可撓性複合圧電体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ー２５９５７７号公報にも開示されている。この公報では、可撓性複合圧電体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】
しかしながら、従来のケーブル状圧力センサでは、可撓性複合圧電体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ので、可撓性複合圧電体４をケーブル状にチュービング加工するために、射出成形押し出し加工装置を使用した場合、押し出し加工装置の中で、可撓性複合圧電体４が滞留してしまい、チュービング加工ができなくなる。
【０００７】
また、押し出し加工装置から可撓性複合圧電体４をチュービング加工できたとしても、押し出し加工装置内の可撓性複合圧電体４の流動性が一定でないために、芯電極３上で途切れ途切れのチュービング加工になり、ケーブル状の可撓性複合圧電体４が形成できない。
【０００８】
また、線状導電材１と導電ゴム２から構成された芯電極３では可撓性複合圧電体４を金属より線周囲上に形成するとき、可撓性複合圧電体４が芯電極３に密着せず、可撓性複合圧電体４が芯電極３から抜けてしまうという課題があった。これは、芯電極３を金属より線の束をもちいても同じである。
【０００９】
また可撓性外側電極５として、アルミニウム箔を用いた場合、アルミニウム箔は引っ張り強度が弱いので、可撓性複合圧電体４にアルミニウム箔を巻き付けるとき充分な張力で巻き付けることができないという課題を有していた。充分な張力で巻き付けると、アルミニウム箔は切断され易く、また、低い張力で巻き付けると、アルミニウム箔は可撓性複合圧電体４に密着しない。
【００１０】
また、可撓性外側電極５として、塗装法、メッキ法、蒸着法による金属膜を用いた場合、可撓性複合圧電体４に密着し易いという利点はあるが、製造工程が複雑になり、１０ｍ以上の長いケーブル状圧力センサの製造に不適であるという課題を有していた。
【００１１】
【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、内側電極である芯電極の周囲に、樹脂と圧電セラミック粉体、および潤滑剤を混合した可撓性複合圧電体を押し出し加工して形成し、前記可撓性複合圧電体の表面に可撓性外側電極を配置したケーブル状圧力センサの製造方法としたものである。
【００１２】
上記発明によれば、可撓性複合圧電体に潤滑剤を配合しているので、押し出し加工装置内で流動性が増し、均一に押し出され可撓性複合圧電体を芯電極周囲にケーブル状チュービング加工することが容易に可能となる。
【００１３】
【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の製造方法は、内側電極である芯電極の周囲に、樹脂と圧電セラミック粉体、および潤滑剤を混合した可撓性複合圧電体を押し出し加工して形成し、前記可撓性複合圧電体の表面に可撓性外側電極を配置したものである。そして、可撓性複合圧電体に潤滑剤を配合しているので、押し出し加工装置内で流動性が増し、均一に押し出され、可撓性複合圧電体を芯電極周囲にケーブル状チュービング加工することが容易に可能となる。
【００１４】
本発明の請求項２にかかるケーブル状圧力センサは、内側電極である芯電極と、前記芯電極の周囲に配置された可撓性複合圧電体と、前記可撓性複合圧電体の表面に配置された可撓性外側電極とから成り、前記可撓性複合圧電体を樹脂と圧電セラミック粉体、および潤滑剤からなる混合物としたケーブル状圧力センサである。そして、可撓性複合圧電体に潤滑剤を配合しているので、押し出し加工装置内で流動性が増し、均一に押し出され、可撓性複合圧電体を芯電極周囲にケーブル状チュービング加工した構成とすることが容易に可能となる。
【００１５】
本発明の請求項３にかかるケーブル状圧力センサは、請求項２記載の発明に加えて、潤滑剤がシリコーンオイルで構成される。そして、シリコーンオイルは比較的工業に利用されており、化学的安定性も高く、樹脂と圧電セラミック粉体の混合物に対してオープンロール装置で容易に混練り配合することができ、可撓性複合圧電体に接触する可撓性外側電極表面への電気的生成物を形成することがなく、また、可撓性複合圧電体自体の圧電特性に影響を与えることもない。
【００１６】
本発明の請求項４にかかるケーブル状圧力センサは、請求項３記載の発明に加えて、シリコーンオイルを樹脂と圧電セラミック粉体の混合物に対して２から１０重量部混練り配合して構成される。樹脂と圧電セラミック粉体の混合物に配合するシリコーンオイル量は、可撓性複合圧電体の機械強度を損なわない量を有している。そのため、可撓性を有するケーブル状圧力センサの構成要素として提供する事ができる。
【００１７】
本発明の請求項５にかかるケーブル状圧力センサは、請求項２ないし４のいずれか１項記載の発明に加えて、芯電極が可撓性構造体の周囲に形成された同軸上のコイル状金属線から構成される。そしてコイル状金属線は直線状金属線と比較して、内側電極として可撓性複合圧電体と接触する面積が大きくなる。
【００１８】
本発明の請求項６にかかるケーブル状圧力センサは、請求項５記載の発明に加えて、可撓性構造体が長尺状のポリエステル繊維束から構成される。そしてポリエステルの繊維束は、電気的絶縁性を有し、可撓性を有し且つ機械強度も大きいので、ケーブル状圧力センサ全体の可撓性を損なうことなく、コイル状金属線を周囲に巻くことができる。
【００１９】
本発明の請求項７にかかるケーブル状圧力センサは、請求項５または６記載の発明に加えて、コイル状金属線が平角状の銅合金金属線から構成される。ケーブル状圧力センサの圧電特性を得るために、前もって、芯電極と可撓性外側電極に直流高電圧を印加して可撓性複合圧電体を分極する必要がある。このとき、コイル状金属が平角状の銅合金金属線であるので、円筒状に比べ芯電極と可撓性外側電極間に均一な高電界が印加されやすい。
【００２０】
また、コイル状金属線が銅合金金属線であるので、機械強度も高く電極抵抗を低くする事ができる。
【００２１】
本発明の請求項８にかかるケーブル状圧力センサは、請求項２ないし５のいずれか１項記載の発明に加えて、可撓性支持体が高分子フィルムで構成される。
【００２２】
高分子フィルムとして、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネイト、ポリスチレンなど多くの種類のフィルムが様々な用途に供せられている。これら高分子フィルムの機械的インピーダンスは、可撓性複合圧電体のそれに比べ小さいので、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。従って、ケーブル状圧力センサに圧力が印加されたとき、容易に変形する。また、市販されているので容易に入手できると共に低価格である。
【００２３】
本発明の請求項９にかかるケーブル状圧力センサは、請求項８記載の発明に加えて、可撓性支持体がポリエチレンテレフタレートフィルムで形成されている。
【００２４】
種々の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℃の高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が実現できる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２６】
（実施例１）
図１は本発明である実施例１のケーブル状圧力センサの斜視図である。尚、従来例と同一の部分には同一番号を付与して説明を省略する。
【００２７】
芯電極２１は、絶縁性の可撓性構造体１１に巻き付けられたコイル状金属線１２から構成される。芯電極２１の周囲に可撓性複合圧電体４を形成した後、可撓性支持体９と前記可撓性支持体９を挟持して内側金属層７と外側金属層８を形成する。このように、可撓性支持体９と内側金属層７および外側金属層８から成る可撓性外側電極１０が可撓性複合圧電体４の周囲に巻き付けられる。このとき、可撓性外側電極１０の内側金属層７が可撓性複合圧電体４の表面と接触するように巻き付けられる。
【００２８】
可撓性複合圧電体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体を添加した複合体が用いられる。ゴムや樹脂は機械的インピーダンスが小さく、外部から圧力が印加されたとき、容易に変形する。この変形を通じてゴムや樹脂の中に添加された圧電体粉末に応力が印可される結果、芯電極２１と可撓性外側電極１０間に電圧が誘起されるので、圧力が検出できる。このようにゴムや樹脂は可撓性を実現する上で不可欠である。
【００２９】
上記複合体にオープンロール装置を用いて潤滑剤１３を混練り加工した組成物が可撓性複合圧電体４として完成する。
【００３０】
潤滑剤１３として、シリコーンオイルを用いる。シリコーンオイル種類のなかでは、メチルフェニルシリコーンオイルやジメチルシリコーンオイル等がある。
【００３１】
これは、熱劣化に対する安定性が非常に優れていて、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体を添加した複合体中に混練り配合すると、他の物質が粘着するのを防止する。すなわち離型性が増大する。
【００３２】
普通、可撓性複合圧電体４を芯電極２１上にチュービング加工するために、図２（ａ）に示す押し出し加工装置１４とケーブル巻き取り装置１５を組み合わせた装置を用いてケーブル状に加工する。図２（ｂ）は上から見た押し出し加工装置１４の概要平面図である。
【００３３】
この押し出し加工装置１４は、１軸または２軸のスクリューが内蔵され、可撓性複合圧電体４を形成する組成物を供給するホッパー１６とスクリューと連結したモーター１７、及び材料を被覆するダイ部１８から構成され、モーター１７の回転により、連結されたスクリューが組成物を前に押しだし、ダイ部１８内を通過している芯電極２１周囲に組成物を均等に被覆して、可撓性複合圧電体４を形成する。ケーブル巻き取り装置１５は、芯電極２１を巻き付けた芯電極ドラム１９と、可撓性複合圧電体４を被覆した芯電極２１を巻き取る巻き取りドラム２０から構成されている。
【００３４】
ここでは、可撓性複合圧電体４の組成物として、塩素化ポリエチレンとチタン酸ジルコン酸鉛の粉体の混合物に潤滑剤１３としてジメチルシリコーンオイルを用いた。塩素化ポリエチレンに対してチタン酸ジルコン酸鉛粉体を重量比率で９０％を配合し、この組成物に対して、ジメチルシリコーンオイルを重量比率で１０％配合した。
【００３５】
ジメチルシリコーンオイルを混練り配合した可撓性複合圧電体４の組成物は、流動性がよく、温度が１００℃のダイ部１８から芯電極２１の周囲に均一に可撓性複合圧電体４が被覆されてチュービング加工が実施できた。潤滑剤１３を混練り配合せずに、塩素化ポリエチレンとチタン酸ジルコン酸鉛の粉体の混合物を押し出した場合には、流動性が低いために押し出し加工装置１４内のスクリューに組成物が嵌合してしまい、モーター１７の回転が停止してしまった。また、たとえ押し出しができても芯電極２１上で可撓性複合圧電体４が途切れ途切れに被覆されてしまい、圧電ケーブルとして形成できなかった。
【００３６】
以上のことは、混合組成物がスクリュー内で押し出されるとき、混合組成物からジメチルシリコーンオイルがにじみ出されスクリュー内と組成物の接触面に塗膜を形成し、スクリュー内の流動性がよくなったためである。ジメチルシリコーンオイルは耐熱１５０℃以下では、熱酸化に対する安定性が優れているため、１００℃のダイ部１８でも安定して組成物を押し出すことができ、芯電極２１周囲に均一に可撓性複合圧電体４を形成することができる。
【００３７】
（実施例２）
樹脂とセラミック圧電粉体の組成物に対してシリコーンオイルの配合量を変化させたときの可撓性複合圧電体４の引っ張り強度の変化を図３に示す。
【００３８】
これは、実施例１と同じように塩素化ポリエチレンに重量比９０％のチタン酸ジルコン酸鉛をオープンロール装置で混合した組成物に、潤滑剤１３としてジメチルシリコーンオイルを混合組成物に対して重量比０から３０％まで変化させて、オープンロール装置で配合混練りして厚み０．５ｍｍのシート状に作成しダンベル片を形成し、このダンベル片の室温での静的弾係数を測定した結果である。
【００３９】
図３から、ジメチルシリコーンオイルを配合していない複合圧電体組成物シートの弾性率は、約２０Ｍｐａである。ジメチルシリコーンオイルを配合量の増加に伴い、弾性係数が低下する。ケーブル状圧力センサとして実用上問題ない基準をジメチルシリコーンオイルの配合なしと比較して、弾性係数の２０％低下までとした場合、ジメチルシリコーンオイルは樹脂と圧電セラミック粉体混合組成物に対して２から１０重量部までの範囲で配合する。配合量が０から２重量部未満では、機械強度に問題はないが、押し出しチュービング加工ができない。１０重量部より配合量が増えれば、弾性係数が基準より低下し、機械強度面で可撓性ケーブル状圧力センサとして実用上問題がある。このため、配合するシリコーンオイルは２樹脂と圧電セラミック粉体の混合物に対して２重量部以上１０重量部以下が適当範囲量である。
【００４０】
（実施例３）
図４に芯電極２１上に複合圧電体４が被覆形成された断面形状の概念図を示す。尚、実施例１と同一部分には同一番号を付与して、説明を省略する。
【００４１】
実施例１でも述べたように芯電極２１は、絶縁性の可撓性構造体１１に巻き付けられた平角形状の平角コイル状金属線２２から構成される。可撓性構造体１１として、ポリエステル繊維束から構成されることが望ましい。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平角コイル状金属線２２を支持できる。また、その耐熱性も１２０℃以上であるので、可撓性複合圧電体４の最高使用温度（８０〜１２０℃程度）でも充分な安定性を示す。
【００４２】
また、平角コイル状金属線２２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４に示した構成に形成された後、芯電極２１と可撓性外側電極５間に直流高電圧（５〜１０ｋＶ／ｍｍ程度）を印加して、可撓性複合圧電体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２１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。平角コイル状金属線２２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、平角コイル状金属線２２の材質として、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わない。また、工業的にも広く利用されているので、量産性に優れる。
【００４３】
ここでは、銅と銀の合金線（０．３ｍｍ^Ｗｘ０．０５ｍｍ^ｔ）をポリエステル繊維束に巻き付けて芯電極２１を構成した。この芯電極２１を用いて実施例１で述べたような押し出し加工装置１４を用いて、可撓性複合圧電体４の組成物押し出加工をすると、芯電極２１の円周上に均等に可撓性複合圧電体４が形成された。芯電極２１の代わりに、銅の金属より線の束を用いて同じように押し出加工をすると、ダイ部１８から均一に可撓性複合圧電体４が銅金属より線に被覆されない。これは、銅金属より線では、可撓性複合圧電体４との密着性が低いため、可撓性複合圧電体４が銅金属より線上ですべってしまうためである。
【００４４】
図４に示すように、絶縁性の可撓性構造体１１に巻き付けられた平角形状の平角コイル状金属線２２から構成された芯電極２１は、可撓性複合圧電体４は芯電極２１の構造から密着面積が増し、しかも芯電極２１の銅合金製の平角コイル状金属線２２が可撓性複合圧電体４にはめ込まれた形状となり、可撓性複合圧電体４が芯電極２１と一体となって押し出されるので、芯電極２１が可撓性複合圧電体４から滑って抜けるようなことはない。
【００４５】
（実施例４）
可撓性外側電極１０は、可撓性複合圧電体４に接する内側金属層７と可撓性支持体９と前記可撓性支持体９の外側に形成される外側金属層８で構成される。可撓性支持体９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２１の周囲に可撓性複合圧電体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、可撓性複合圧電体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。高分子フィルムの厚さは、できるだけ薄い方がその機械的インピーダンスも小さ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。
【００４６】
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。
【００４７】
また、内側金属層７および外側金属層８として、アルミニウム層、銅層、ニッケル層などがあるが、これらの中でもアルミニウム層が優れている。アルミニウム層は、銅層に比べ熱的に酸化され難く、また、ニッケル層に比べ柔らかいので機械的インピーダンスが小さい。高分子フィルムである可撓性支持体９の両面にアルミニウムなどの内側金属層７と外側金属層８を形成するには、両者を接着剤で接合して形成してもよいし、また、スパッタ法や蒸着法で形成してもよい。金属層の厚さも、高分子フィルムと同様、できるだけ薄い方が好ましいが、入手の容易性や価格の点を考慮すると１０μｍ以下が好ましい。
【００４８】
可撓性支持体９の両面に内側金属層７と外側金属層８を形成して構成した可撓性外側電極１０は市販されており、本発明のケーブル状圧力センサでは、この可撓性外側電極１０を可撓性複合圧電体４に巻き付けているので、従来の可撓性外電極５に比べ、塗装法、メッキ法や蒸着法などの複雑な製造工程を特に必要としない。
【００４９】
図１に示したように、可撓性支持体９と内側金属層７およびと外側金属層８で構成される可撓性外側電極１０のうち内側金属層７のアルミニウム層を可撓性複合圧電体４の表面に接して巻き付けたセンサ（センサＡ）とアルミニウム層である金属層のみを可撓性複合圧電体４の表面に接して巻き付けたセンサ（センサＢ）をそれぞれ作成し、室温で両者に荷重を徐々に増加して印加し、センサＡでは芯電極２１と可撓性外側電極１０間、センサＢでは芯電極２１とアルミニウム層間で、それぞれの電極間が短絡するときの荷重を測定した。
【００５０】
アルミニウム層は１０μｍ、可撓性支持体９である高分子フイルムはポリエチレンテレフタレート１０μｍを用いた。また、このときのケーブル状圧力センサにポリエチレン系樹脂である塩素化ポリエチレンにチタン酸ジルコン酸鉛系粉末を添加した可撓性複合圧電体４を用いた。
【００５１】
そして、両者とも外径は約２φｍｍとした。その結果、センサＡの短絡荷重は約１５０ｋｇｆ、センサＢは、荷重を付加していくと約１０ｋｇｆで、金属層のみを用いたアルミニウム層が断線してしまった。
【００５２】
このことはセンサＡに用いられる内側金属層７と可撓性支持体９および外側金属層８がそれぞれ接着層で挟持されて構成される可撓性外側電極１０が、センサＢの場合の金属層のみの可撓性電極の場合よりも強度が増したためで、大きな付加荷重を印加しても可撓性外側電極１０が破損してしまうことはない。このように、本発明のケーブル状圧力センサによれば、従来に比べ大きな付加荷重をかけられるケーブル状圧力センサを得ることができる。
【００５３】
なお、上記実施例では、図５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。
【００５４】
また、外被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。
【００５５】
【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の製造方法によれば、可撓性複合圧電体に潤滑剤を配合しているので、可撓性複合圧電体が押し出し加工装置内で流動性が増して均一に押し出され、芯電極円周上に均等にケーブル状チュービング加工が容易に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施例１におけるケーブル状圧力センサの斜視図
【図２】
（ａ）同センサのチュービング加工手法の概要図
（ｂ）同センサの押し出し加工装置の概要平面図
【図３】
本発明の実施例２におけるシリコーンオイル配合量と弾性係数の相関図
【図４】
本発明の実施例３における芯電極に可撓性複合圧電体を被覆加工した断面図
【図５】
従来のケーブル状圧力センサの斜視図
【符号の説明】
４ 可撓性複合圧電体
７ 内側金属層
８ 外側金属層
９ 可撓性支持体
１０ 可撓性外側電極
１１ 可撓性構造体
１２ コイル状金属線
１３ 潤滑剤
２１ 芯電極
２２ 平角コイル状金属線