JP2006071454A - ケーブル状圧力センサの分極装置およびその分極方法 - Google Patents

Abstract

【課題】芯電極と外側電極間に高電圧を印加して分極を行うと微少な欠陥があった場合、可撓性感圧体の全てが分極できないとともに、分極工程中に分極が正常にできたかを確認することができない。
【解決手段】芯電極１１に周設された可撓性感圧体１２と、可撓性感圧体１２の通路１５を有する導電体１６と、芯電極１１と導電体１６に接続された直流電圧発生手段１９と、可撓性感圧体１２を移動させる移動手段１７と、可撓性感圧体１２に物理的応力を印加する応力印加手段２０と、応力印加手段２０動作時に可撓性感圧体１２から発生する出力を検出する出力検出手段２４とからなるケーブル状圧力センサの分極装置を備えたことにより、欠陥部が存在しても全体の可撓性感圧体が分極できなくなることを防ぐとともに、可撓性感圧体が正常に分極できているか否かを検知できるので、分極装置の異常や可撓性感圧体の異常を即座に検知でき、生産性や信頼性を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明はケーブル状圧力センサの分極装置および分極方法に関するものである。

従来、この種のケーブル状圧力センサは図６に示すようなものがある（例えば、特許文献１参照）。図６に示すように、芯電極１１の周囲に可撓性感圧体１２を配置し、その周囲に外側電極１３と外皮１４を順次被覆して構成されている。可撓性感圧体１２としては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のセラミック圧電体粉末を添加した複合体が用いられ、外側電極１３は可撓性感圧体１２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用いられている。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１１と外側電極１３の間に電圧が誘起され、この誘起電圧を利用して圧力を検出している。また、分極方法は、芯電極１１と外側電極１３の間に高電圧を印加して、可撓性感圧体１２を分極している（例えば、非特許文献１参照）。この分極により、セラミック粒子の自発分極の方向が電界方向に揃うので、可撓性感圧体１２に圧電性が付与される。
特開昭６２−２３００７１号公報 「圧電セラミック粉末と合成ゴムとから成る圧電複合材料」紛体と工業、２２巻、１号、１９９０年ｐ５０・５６

しかしながら、従来のケーブル状圧力センサの分極方法では、芯電極１１と外側電極１３の間に高電圧を印加したときに、可撓性感圧体１２中に微小なクラックや空孔などの欠陥が存在する場合、その欠陥部で微小放電が生じる。この微小放電により、可撓性感圧体１２の構成材料が熱的に蒸発、飛散して芯電極１１と外側電極１３間が短絡し、芯電極１１と外側電極１３間に高電圧を印加できなくなるので可撓性感圧体１２を分極できないという課題を有していた。

また、可撓性感圧体１２に外側電極１３を形成し、ほぼケーブル状圧力センサとして構成した後に、芯電極１１と外側電極１３の間に高電圧を印加することでしか欠陥の存在を検出できないので、歩留まりが低下するという課題があった。

さらに、製造工程中に正常に分極ができたか否かを検知する手段がなかったため、分極の不具合を最終検査でしか検知することができず、生産性や信頼性が低いという課題も有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、欠陥部が存在しても全体の可撓性感圧体１２が分極できなくなることを防ぐとともに、外側電極１３を形成する前に、微小な欠陥が一定長さ範囲内に存在することを検知することで、歩留まり向上を提供することを目的とする。さらに、応力印加手段動作時に可撓性感圧体から発生する出力を検出する出力検出手段を設けることによって、可撓性感圧体が正常に分極できているか否かを検知することができるので、分極装置や可撓性感圧体の異常を即座に検知でき、生産性や信頼性を向上することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のケーブル状圧力センサの分極装置は、芯電極に周設された可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体の通路を有する導電体と、前記芯電極と前記導電体に接続された直流電圧発生手段と、前記可撓性感圧体を移動させる移動手段と、前記可撓性感圧体に物理的応力を印加する応力印加手段と、前記応力印加手段動作時に可撓性感圧体から発生する出力を検出する出力検出手段とからなり、前記直流電圧発生手段による直流電圧を前記可撓性感圧体に印加した後に前記応力印加手段による応力の印加を行うように構成したものである。

これによって、導電体が外側電極として作用するため、芯電極と導電体間に直流電圧発生手段により直流電圧を印加することにより、導電体に配設された部分の可撓性感圧体を分極する。さらに、応力印加手段動作時に可撓性感圧体から発生する出力を検出する出力検出手段を設けることによって、可撓性感圧体が正常に分極できているか否かを検知することができるので、分極装置の異常や可撓性感圧体の異常を即座に検知でき、生産性や信頼性を向上することができる。

本発明のケーブル状圧力センサは、欠陥部が存在しても全体の可撓性感圧体が分極できなくなることを防ぐとともに、可撓性感圧体が正常に分極できているか否かを検知することができるので、分極装置や可撓性感圧体の異常を即座に検知でき、生産性や信頼性を向上することができる。

第１の発明は、芯電極に周設された可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体の通路を有する導電体と、前記芯電極と前記導電体に接続された直流電圧発生手段と、前記可撓性感圧体を移動させる移動手段と、前記可撓性感圧体に物理的応力を印加する応力印加手段と、前記応力印加手段動作時に可撓性感圧体から発生する出力を検出する出力検出手段とからなり、前記直流電圧発生手段による直流電圧を前記可撓性感圧体に印加した後に前記応力印加手段による応力の印加を行うようにした構成とすることによって、可撓性感圧体が正常に分極できているか否かを検知することができ、分極装置の異常や可撓性感圧体の異常を即座に検知でき、生産性や信頼性を向上することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、応力印加手段はヘッダを介して可撓性感圧体に応力を印加する構成にすることによって、簡単な構成で可撓性感圧体に応力を印加することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、応力印加手段は所定の空気圧を可撓性感圧体に印加する構成にすることによって、より簡単な構成で可撓性感圧体に応力を印加することができる。

第４の発明は、特に、第１の発明において、応力印加手段は所定の高さから物体を落下させる構成にすることによって、簡単な構成で可撓性感圧体に安定した応力を印加することができる。

第５の発明は、特に、出力検出手段を可撓性感圧体に接する金属材料と芯電極とで構成することによって、応力印加手段による応力の印加に伴う可撓性感圧体の出力を容易に検出することができる。

第６の発明は、特に、応力印加手段は、導電体の通路の一部で可撓性感圧体に応力印加を行う構成とし、出力検出手段の動作時は直流電圧発生手段を停止させ、金属材料は導電体で併用する構成とすることによって、新たに金属材料を設ける必要が無く、簡単かつ安全に可撓性感圧体の出力を容易に検出することができる。

第７の発明は、特に、出力検出手段は可撓性感圧体に帯電した電荷を取り除いた後に、金属材料と芯電極間の出力を検出することによって、ノイズ成分や帯電した電荷の影響を受けることなく精度良く検出することができる。

第８の発明は、特に、出力検出手段の出力が規定範囲から外れた場合に異常と判断し、警報を発する警報発生手段を設けることにより、異常を早急に検知でき、生産性や信頼性を向上することができる。

第９の発明は、特に、可撓性感圧体が導電体に設けられた通路に配設され、可撓性感圧体が静止、または移動手段により移動されているとき、前記可撓性感圧体の芯電極と前記導電体の間に直流電圧を印加して分極する方法であり、欠陥部が存在しても全体の可撓性感圧体が分極できなくなることを防ぐとともに、外側電極層あるいは外側電極を形成する前に、微小な欠陥が一定長さ範囲内に存在することを検知することで、歩留まりを向上することができる。

第１０の発明は、特に、可撓性感圧体の芯電極をアース電位にして、前記芯電極と導電体の間に直流電圧を印加する分極方法であり、人体に危険な直流高電圧部分を導電体に限定できるので、人体への安全を確保できる。

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。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるケーブル状圧力センサの分極装置の構成を示す外観斜視図である。

図１においてケーブル状圧力センサは芯電極１１に周設された可撓性感圧体１２が形成される。芯電極１１として、コイル状金属線や金属細線を束ねた線などが用いられる。可撓性感圧体１２として、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、クロロプレン樹脂、塩素化ポリエチレン、シリコン樹脂等の高分子母材に、チタン酸ジルコン酸鉛などの高分子材料が用いられる。この可撓性感圧体１２は可撓性感圧体１２の通路１５を有した導電体１６に配設される。導電体１６として、鉄、ステンレス、銅、黄銅、アルミニウム等の導電体を用いる。可撓性感圧体１２の通路１５としては、円形、楕円形、矩形など、可撓性感圧体１２が通過できる形状であれば問題はない。またこの通路１５は切削、研磨、放電、押出、鍛造、プレス加工によって行った。本発明の実施の形態において、導電体１６はアルミニウムを使用し、通路１５の形状は円形とした。円形にすることによって、可撓性感圧体１２に均一に直流電圧を印加することができ、安定したセンサ特性を有することができる。具体的には、外形２ｍｍの可撓性感圧体１２に対して通路１５として直径４ｍｍ円形の孔を導電体１６に設けた。

また、可撓性感圧体１２を移動させる移動手段１７として回転ドラムを使用した。この回転ドラムの回転スピードを変化させることによって、可撓性感圧体１２が導電体１６内に配設される時間、言い換えれば分極時間を容易に調整することが可能となる。また、移動手段１７を設けることによって、自動化することができるため、歩留まりを向上することができる。

また、導電体１６はリード線１８ｂによって電気的に接続される。リード線１８ａは電気的に直流電圧発生手段１９の正極または負極に接続され、芯電極１１はリード線１８ａを介して電気的に直流電圧発生手段１９の他の極に接続される。このように接続して、可撓性感圧体１２を直流電圧発生手段１９により、芯電極１１と導電体１６間に高電圧が印加されるので、可撓性感圧体１２が分極される。本実施の形態において印加電圧は８ｋｖ／ｍｍで分極を行った。特に、可撓性感圧体１２の芯電極１１をアース電位にして、芯電極１１と導電体１６の間に直流電圧を印加することで、人体に危険な直流高電圧部分を導電体１６に限定できるので人体への安全を確保できる。また、可撓性感圧体１２の中に微少な欠陥が含まれ、その部分が導電体１６に配設されているとき、欠陥部で生じる微少な放電により導電体１６と芯電極１１間に高電流が流れ、短絡するために分極できなくなるが、欠陥部が導電体１６から脱離し、導電体１６に配設されている可撓性感圧体１２中に欠陥がなければ、導電体１６と芯電極１１間の絶縁性は再び回復するので、分極が可能となる。

このように本発明の分極装置によれば、欠陥を含む部分が導電体１６に配設されているときのみ、分極はできないがそれ以外の場合は分極可能となる。従って、欠陥の存在により可撓性感圧体１２が全体にわたって分極できなくなることはない。

さらに、可撓性感圧体１２が正常に分極されているか否かを判断するため、本発明の分極装置には、可撓性感圧体１２に物理的応力を印加する応力印加手段２０を設け、応力印加手段２０動作時に可撓性感圧体１２から発生する出力を検出する出力検出手段２４を設けている。

本実施の形態において、応力印加手段２０はモータ２１を利用して、ヘッダ２２が可撓性感圧体１２を直接接してヘッダ２２が一定ストロークで一定間隔で殴打することにより応力を印加する構成とした。さらに、可撓性感圧体１２に接する金属材料２３と芯電極１１とで構成された出力検出手段２４によって、可撓性感圧体１２に応力が印加された時に発生する電荷を電圧値として検出している。本実施の形態においては電圧値を検出したが、静電容量や電荷量を直接検知してもよい。なお、この応力印加の構成では移動手段による可撓性感圧体の移動は常時行われているので、応力印加と可撓性感圧体の出力検出のタイミングをあわせて、正常に分極できなかった感圧体の部位を正確に検出することができる。

また、出力検出手段２４は分極によって可撓性感圧体１２に帯電した電荷を取り除いた後に、動作させることによって、ノイズ成分や帯電した電荷の影響を受けることなく精度良く検出することができる。本実施の形態において電荷を取り除く手段として、導電体１６及び芯電極１１をアースに接続することで電荷を除去した。

分極が正常に実施された可撓性感圧体１２の出力検出手段２４の出力信号は規定値以上で、規定範囲内の信号を得ることができたが、分極していない可撓性感圧体１２の場合では出力検出手段２４の出力は規定値を得ることはできなかった。

このように本発明の分極装置によれば、可撓性感圧体の分極をした後に、応力印加手段２０によって可撓性感圧体１２に応力を印加し、その時に発生する信号を検出することによって、可撓性感圧体１２が正常に分極できているか否かを検知することができる。このため、分極装置の異常や可撓性感圧体１２の異常を即座に検知でき、生産性や信頼性を向上することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２におけるケーブル状圧力センサの外観斜視図である。図２において実施の形態１と異なるところは、応力印加手段２０を所定の空気圧を可撓性感圧体１２に印加することで可撓性感圧体１２に応力を印加している点である。なお、第１の実施の形態と同一部材は同じ符号を付けている。

本実施の形態において、応力印加手段２０は、圧力を印加するポンプ２５とポンプ２５からの空気を可撓性感圧体１２に伝達するパイプ２６で構成している。

本構成にすることによって、簡単な構成で可撓性感圧体１２に応力を印加することができるので、可撓性感圧体１２が正常に分極できているか否かを検知することができる。このため、分極装置の異常や可撓性感圧体の異常を即座に検知でき、生産性や信頼性を向上することができる。

また、図３に示すように空気圧を印加するだけではなく、パイプ２６内に物体２７としてボールを配設し、所定の高さから落下させることで可撓性感圧体１２に応力を印加させ、印加後は落下させたボールをポンプ２６で吸引し、所定の高さまで戻す構成にしている。本構成においても、実施の形態１及び空気圧を印加させた時と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３におけるケーブル状圧力センサの外観斜視図である。図４において実施の形態１および２と異なるところは、応力印加手段は、導電体の通路の一部で可撓性感圧体に応力印加を行う構成とし、出力検出手段２４の動作時は直流電圧発生手段１９を停止させ、金属材料２３は導電体１６で併用する構成としている点である。なお、第１の実施の形態と同一部材は同じ符号を付けている。

応力印加手段２０を動作させることによって、可撓性感圧体１２に応力を印加し、その時の導電体１６と芯電極１１間の出力を出力検出手段２４によって新たに金属材料２３を設ける必要が無く、簡単かつ安全に可撓性感圧体１２の出力を検出することができる。

さらに新たに金属材料２３を設ける必要がないので、分極装置としても安価となる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態３におけるケーブル状圧力センサの外観斜視図である。図５において実施の形態１から３と異なるところは、出力検出手段２４の出力が規定範囲から外れていた場合には、異常と判断して警報を発する警報発生手段２８を設けている点である。なお、第１の実施の形態と同一部材は同じ符号を付けている。

本構成にすることによって、異常を早急に検知でき、生産性や信頼性を向上することができる。

また、本実施の形態では警報発生手段２８によって異常を知らせるが、異常を検知して直流電圧発生手段１９を停止させても良い。

そして、異常と判定されるような、出力が規定範囲からはずれた場合には、直流電圧発生手段１９の出力が所定値から外れている、あるいは可撓性感圧体１２の線径が所定の範囲から外れているというような異常が想定されるので、例えば、直流電圧発生手段１９の出力が所定値から外れているのであれば、所定値に戻す、可撓性感圧体１２の線径が所定の範囲から外れているのであれば直流電圧発生手段１９の出力を線径に応じて調整するというような対処を行うことができる。

以上のように、本発明にかかるケーブル状圧力センサの分極装置およびその分極方法は、欠陥部が存在しても全体の可撓性感圧体が分極できなくなることを防ぐとともに、可撓性感圧体が正常に分極できているか否かを検知することができるので、分極装置の異常や可撓性感圧体の異常を即座に検知でき、生産性や信頼性を向上できる分極装置である。このため、ケーブル状圧力センサに限らず、分極が必要な圧電体の分極に適用できるものである。

本発明の実施の形態１における分極装置の構成を示す外観斜視図 本発明の実施の形態２における分極装置の構成を示す外観斜視図 本発明の実施の形態２における他の分極装置の構成を示す外観斜視図 本発明の実施の形態３おける分極装置の構成を示す外観斜視図 本発明の実施の形態４おける分極装置の構成を示す外観斜視図 従来の分極装置の構成を示す外観見取り図

符号の説明

１１ 芯電極
１２ 可撓性感圧体
１３ 外部電極
１４ 外皮
１５ 通路
１６ 導電体
１７ 移動手段
１８ リード線
１９ 直流電圧発生手段
２０ 応力印加手段
２１ モータ
２２ ヘッダ
２３ 金属材料
２４ 出力検出手段
２５ ポンプ
２６ パイプ
２７ 物体
２８ 警報発生手段

Claims (10)

1. 芯電極に周設された可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体の通路を有する導電体と、前記芯電極と前記導電体に接続された直流電圧発生手段と、前記可撓性感圧体を移動させる移動手段と、前記可撓性感圧体に所定の物理的応力を印加する応力印加手段と、前記応力印加手段動作時に可撓性感圧体から発生する出力を検出する出力検出手段とからなり、前記直流電圧発生手段による直流電圧を前記可撓性感圧体に印加した後に前記応力印加手段による応力の印加を行うようにしたケーブル状圧力センサの分極装置。
2. 応力印加手段はヘッダを介して可撓性感圧体に応力を印加する構成とした請求項１記載のケーブル状圧力センサの分極装置。
3. 応力印加手段は所定の空気圧を可撓性感圧体に印加する構成とした請求項１記載のケーブル状圧力センサの分極装置。
4. 応力印加手段は所定の高さから物体を落下させて可撓性感圧体に応力を印加する構成とした請求項１記載のケーブル状圧力センサの分極装置。
5. 出力検出手段は可撓性感圧体に接する金属材料と芯電極とで構成し、金属材料と芯電極間の出力を検出する請求項１〜４のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサの分極装置。
6. 応力印加手段は、導電体の通路の一部で可撓性感圧体に応力印加を行う構成とし、出力検出手段の動作時は直流電圧発生手段を停止させ、金属材料は導電体で併用する構成とした請求項１〜４のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサの分極装置。
7. 出力検出手段は可撓性感圧体に帯電した電荷を取り除いた後に、金属材料と芯電極間の出力を検出する請求項１〜６のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサの分極装置。
8. 出力検出手段の出力が規定範囲から外れた場合に、異常と判断して警報を発する警報発生手段を設けた請求項１〜７のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサの分極装置。
9. 可撓性感圧体が導電体に設けられた通路に配設され、前記可撓性感圧体が静止、または移動手段により移動されているとき、前記可撓性感圧体の芯電極と前記導電体の間に直流電圧を印加するケーブル状圧力センサの分極方法。
10. 可撓性感圧体の芯電極をアース電位にして、前記芯電極と導電体の間に直流電圧を印加する請求項９記載のケーブル状圧力センサの分極方法。

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