JP2006038498A

JP2006038498A - ケーブル状圧力センサ、およびケーブル状圧力センサの製造方法

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Publication number: JP2006038498A
Application number: JP2004215049A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Sato; 信夫佐藤; Shigeki Takano; 茂樹鷹野
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: JP4488820B2

Abstract

【課題】感度バラツキを抑制でき出力特性の安定したケーブル状圧力センサを得ることができ、かつ、ケーブル状圧力センサの生産性が向上するケーブル状圧力センサを提供する。
【解決手段】帯状の可撓性支持体１０４と該可撓性支持体１０４の可撓性感圧体１０２に接する面に形成された金属膜１０３とからなる帯状の可撓性外側電極１０５を、可撓性感圧体１０２の中心軸と平行に取り付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケーブル状圧力センサ、およびケーブル状圧力センサの製造方法に関する。

図７に従来のケーブル状圧力センサ（ピエゾケーブル）の一例を示す。図７に示すケーブル状圧力センサは、線状導電材７０１と導電ゴム７０２とから構成された芯電極７０３の周囲に可撓性感圧体７０４を配置し、その周囲に可撓性外側電極７０５を配置し、さらにその周囲に熱収縮チューブからなる外皮７０６を被覆してなる。また、可撓性感圧体７０４として、合成ゴムや合成樹脂中にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛などのセラミック圧電体粉末を混合した複合体が用いられる。また、可撓性外側電極７０５として、アルミ箔や塗装法による銀系導電性塗膜が用いられる（例えば、特許文献１参照。）。

上記ケーブル状圧力センサの一部あるいは全体が加圧されたとき、可撓性感圧体７０４がひずみ、圧電効果によって線状導電材７０１と可撓性外側電極７０５の間に電圧が誘起される。ケーブル状圧力センサは、芯電極と外側電極との間に誘起される電圧を検知して接触あるいは加圧を検出する。

また、従来のケーブル状圧力センサには、可撓性感圧体として、ポリエチレンや、ポリプロピレン、塩化ビニルなどの樹脂の中にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛などのセラミックス圧電体粉末を混合した複合体を用い、可撓性外側電極として、無電解めっき法によるニッケル膜や銅膜、蒸着法によるアルミニウム膜や銀膜などを用いたものもある（例えば、特許文献２参照。）。また、可撓性外側電極として、薄い帯状の可撓性の支持体の両面に金属膜を形成したテープを可撓性感圧体にらせん状に巻きつけたものもある（例えば、特許文献３参照。）。

しかしながら、可撓性外側電極としてアルミニウム箔を用いた場合、アルミニウム箔の引っ張り強度が弱いために製造時にしっかり巻きつけることができず、ゆるく巻くと可撓性感圧体７０４に密着しないという問題があった。

また、可撓性外側電極として塗膜法、無電解めっき法、蒸着法による金属膜を用いた場合、可撓性感圧体７０４に密着はするが、金属膜のみからなる可撓性外側電極は強度が弱く屈曲に対する耐久性に乏しいという問題があった。さらに、この場合、製造設備が大きくなるという問題もあった。

また、可撓性外側電極として薄い帯状の可撓性支持体の両面に金属膜を形成したテープを用いた場合、可撓性外側電極を金属膜のみで形成した場合と比べて強度は強くなるが、らせん状に可撓性感圧体に巻きつけるため、製造時の巻きつけ張力のバラツキによって感度バラツキが発生するという問題があった。また、巻きつけるという工程は生産性が悪くコスト高になっていた。
特開昭６２−２３００７１号公報特開平３−２５９５７７号公報特開２０００−２４１２６１号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、帯状の可撓性支持体と該可撓性支持体の少なくとも可撓性感圧体と接する面に形成された金属面とからなる可撓性外側電極を、可撓性感圧体の中心軸と平行に取り付けることにより、従来のように帯状の可撓性外側電極をらせん状に可撓性感圧体に巻きつけるのではないので感度バラツキを抑制でき、かつ従来のように巻きつけるという工程を経ないので生産性が向上するケーブル状圧力センサ、およびケーブル状圧力センサの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の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感圧体と、前記可撓性感圧体の周囲に配置された可撓性外側電極とを有するケーブル状圧力センサであって、前記可撓性外側電極は、帯状の可撓性支持体と金属膜とからなり、前記金属膜は、前記可撓性支持体の少なくとも前記可撓性感圧体と接する面に形成され、前記可撓性外側電極が前記可撓性感圧体の中心軸と平行に取り付けられていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載のケーブル状圧力センサは、請求項１記載のケーブル状圧力センサであって、前記可撓性外側電極が、金属膜が形成された複数の帯状の可撓性支持体で構成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載の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と、前記芯電極の周囲に配置された可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体の周囲に配置された可撓性外側電極とを有するケーブル状圧力センサの製造方法であって、帯状の可撓性支持体と金属膜とからなる前記可撓性外側電極を前記可撓性感圧体の中心軸と平行となるように配置し、前記金属膜と前記可撓性感圧体とが接するように取り付けることを特徴とする。

本発明によれば、帯状の可撓性外側電極を可撓性感圧体の中心軸と平行にして取り付けるので、感度バラツキが抑制され、出力特性の安定したケーブル状圧力センサを得ることができる。また、従来のように巻きつけるという工程を経ないので生産性が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図面を交えて説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は本実施の形態におけるケーブル状圧力センサの一例を示す。本実施の形態におけるケーブル状圧力センサは、内側電極である芯電極１０１と、その周囲に配置された可撓性感圧体１０２と、その周囲に配置された可撓性外側電極１０５と、その周囲に保護膜として被覆された外皮１０６とからなる。また、このケーブル状圧力センサにおける可撓性外側電極１０５は、帯状の可撓性支持体１０４と該可撓性支持体１０４の少なくとも可撓性感圧体１０２と接する面に形成された金属膜１０３とからなり、可撓性感圧体１０２の中心軸と平行に取り付けられている。

また、本実施の形態におけるケーブル状圧力センサは、帯状の可撓性支持体１０４と金属膜１０３とからなる可撓性外側電極１０５を可撓性感圧体１０２の中心軸と平行に配置し、金属膜１０３と可撓性感圧体１０２とが接するように取り付けることで、製造される。

図１（ａ）に示すケーブル状圧力センサは、帯状の１枚の可撓性外側電極１０５を可撓性感圧体１０２の中心軸と平行にして巻きつけている。したがって、図１（ａ）に示すように、帯状の可撓性外側電極１０５の幅が可撓性感圧体１０２の外周より短い場合、電極不在部分１０７ができる。

可撓性外側電極１０５の取り付け方法としては、金属膜１０３と可撓性感圧体１０２の間に接着剤を入れることも可能であるが、接触のみさせて接着剤を入れなくてもよい。金属膜１０３と可撓性感圧体１０２との間に何も入れないほうが滑りを生じケーブル状圧力センサの可撓性を良くし、金属膜の耐久性が増す。

なお、芯電極１０１としては、銅撚り線などの金属撚り線を用いるのが好ましい。もちろん金属線材とプラスチック線材とを混合したものを用いてもよい。また、断面円形の導体の他、帯状の導体、断面角状の導体などの各種の導体が使用可能である。また、複数の金属細線だけからなる芯電極の他、長尺ポリエステル繊維束を平板銅線で巻いて構成する芯電極なども使用可能である。

可撓性感圧体１０２としては、圧電効果を起こす無機の粉体材料を樹脂中に混入したものが好ましい。たとえば、ポリエチレンや、ポリプロピレン、塩化ビニルなどの樹脂中にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛などのセラミック圧電体粉末を混合したコンポシット材料を用いる。これらの構成物に加えて、柔軟性や加工の容易性などの点から他の粉体や潤滑剤などを混合することもできる（但し、混合する量は圧電特性を損ねない程度の量とする。）。

可撓性支持体１０４としては、高分子フィルムが好ましい。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）や、ポリプロピレン、ポリスチレン、塩化ビニル、ナイロン、ポリエチレンなどである。中でもＰＥＴは価格が安く耐熱性、強度などが優れていて好ましい。また、可撓性支持体１０４は、直径１ｍｍぐらいの可撓性感圧体１０２に取り付けるのであるから、その厚さは薄いほうがよく、数十ミクロン以下が好ましく、１０ミクロン以下が最も好ましい。

金属膜１０３としては、アルミニウム膜や、銅膜、ニッケル膜などを用いる。中でもアルミニウム膜が優れている。アルミニウム膜は、表面が薄く酸化層ができるがそれ以上に進行することなく安定する。これに対し、例えば銅膜は、酸化が進行し不導体になる傾向がある。また、アルミニウム膜は柔らかく可撓性に富む。また、金属膜１０３も、可撓性感圧体１０２と同様に、できるだけ薄いほうが好ましい。なお、蒸着法によるアルミニウム膜をつけたＰＥＴは商業的に包装袋として大量に使われていて価格も安い。

可撓性支持体１０４の表面に金属膜１０３を形成する方法としては、両者を接着剤で接合する方法や、蒸着法やスパッタ法などで形成する方法などがある。外皮１０６としては熱収縮チューブがよく用いられるが塩化ビニルやウレタンなどを用いてもよい。

芯電極１０１と可撓性感圧体１０２と可撓性外側電極１０５を取り付けた後、温度を上げ芯電極１０１と可撓性外側電極１０５の間に高電圧を印加して、可撓性感圧体１０２中のセラミック圧電体粉末の分極方向を揃えることにより、圧電効果により発生する電圧が一方向に向くようにする。これにより外部からの圧力を、芯電極１０１と可撓性外側電極１０５の間に発生する電圧として検出できるようになる。

なお、ケーブル状圧力センサから電圧を外部に取り出すためのリード線は、例えば可撓性外側電極１０５の金属膜１０３に導電性接着剤で接続するなど、様々な方法によってケーブル状圧力センサに接続することができる。

帯状の可撓性支持体１０４の幅が可撓性感圧体１０２の外周より短い場合は、電極不在部分１０７ができるが（図１（ａ）参照）、帯状の可撓性支持体１０４の幅を可撓性感圧体１０２の外周に精密に合わせることにより電極不在部分を小さくできる。場合によっては重なりを作ることもできる。

図２は、帯状の可撓性支持体１０４とその両面に形成された金属膜１０３とからなる可撓性外側電極１０５を用いた場合を示している。これにより、外側の金属膜を電気的なシールド層とすることができ、外部の電気的雑音に影響されにくくなる。

また、図３に示すように、帯状の可撓性支持体１０４の幅を可撓性感圧体１０２の外周よりも長くして重複部分１０８を作ることにより、金属膜の電気抵抗を下げ、電圧の出力を上げると同時に外部の電気的雑音に影響されにくくすることもできる。空間１０９ができるが可撓性外側電極１０５の厚さが薄いので問題にはならない。また、図４に示すように、帯状の可撓性外側電極１０５の幅方向の両端が可撓性感圧体１０２の外側へ向って突出するようにしてもよい。この場合は外側の金属膜は独立したシールド層として使える。

図５は帯状の複数の可撓性外側電極を用いたケーブル状圧力センサを示す。図５に示すケーブル状圧力センサは、帯状の２枚の可撓性外側電極１０５によって可撓性感圧体１０２を挟み込んだ形状となっている。２枚の可撓性外側電極１０５の重複部分１０８は接着剤などで固定してもよいが、外皮１０６で固定することもできる。なお、重ね方を図３に示すようにすることもできる。

図６は帯状の複数の可撓性外側電極を用いた他のケーブル状圧力センサを示す。この図６に示す例では、帯状の２枚の可撓性外側電極１０５の幅の合計が可撓性感圧体１０２の外周よりも小さい。また、この図６に示す例では、可撓性外部電極１０５として可撓性支持体１０４の内側面（可撓性感圧体１０２と接する面）にのみ金属膜１０３を形成したものを用いている。この例で特徴的なのは可撓性感圧体１０２と可撓性外側電極１０５を部分的に接着剤１１０を用いて固定している点である。この構成は製造方法が簡単である。可撓性外側電極１０５にあらかじめドット状の接着剤１１０を印刷などで付けておき可撓性感圧体１０２の表面に貼り付けてゆけばよい。金属膜１０３と可撓性感圧体１０２との接触は外皮１０６で締め付けることにより行うことができる。

以上のように、本発明の実施の形態には多くの変形例が存在するが、帯状の可撓性外側電極を可撓性感圧体の中心軸に平行に取り付けてゆく限り本発明から逸脱するものではない。

本発明にかかるケーブル状圧力センサ、およびケーブル状圧力センサの製造方法は、感度バラツキを抑制でき出力特性の安定したケーブル状圧力センサを得ることができ、かつ、ケーブル状圧力センサの生産性が向上するという効果を有し、圧電効果によって外部からの圧力を検出するセンサを利用する装置（例えば、超音波送受波器、水中マイクロフォンや内燃機関の振動検出センサ、電気ピアノの弦振動ピックアップ等）に有用である。

本発明の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの一例を示す図本発明の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの一例を示す図本発明の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの一例を示す図本発明の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの一例を示す図本発明の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの一例を示す図本発明の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの一例を示す図従来のケーブル状圧力センサの一例を示す図

符号の説明

１０１、７０３芯電極
１０２、７０４可撓性感圧体
１０３金属膜
１０４可撓性支持体
１０５、７０５可撓性外側電極
１０６、７０６外皮
１０７電極不在部分
１０８重複部分
１０９空間
１１０接着剤
７０１線状導電材
７０２導電ゴム

Claims

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感圧体と、前記可撓性感圧体の周囲に配置された可撓性外側電極とを有するケーブル状圧力センサであって、
前記可撓性外側電極は、帯状の可撓性支持体と金属膜とからなり、
前記金属膜は、前記可撓性支持体の少なくとも前記可撓性感圧体と接する面に形成され、
前記可撓性外側電極が前記可撓性感圧体の中心軸と平行に取り付けられている
ケーブル状圧力センサ。
前記可撓性外側電極が、金属膜が形成された複数の帯状の可撓性支持体で構成されている請求項１記載のケーブル状圧力センサ。
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感圧体と、前記可撓性感圧体の周囲に配置された可撓性外側電極とを有するケーブル状圧力センサの製造方法であって、
帯状の可撓性支持体と金属膜とからなる前記可撓性外側電極を前記可撓性感圧体の中心軸と平行となるように配置し、前記金属膜と前記可撓性感圧体とが接するように取り付けるケーブル状圧力センサの製造方法。