JP2006275718A - ケーブル状圧力センサとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のケーブル状圧力センサは、制御回路と接続するリード部材の引張強度が弱く、生産性に劣るという課題を有していた。
【解決手段】芯電極８に順次周設された可撓性感圧体９、金属箔で構成された可撓性外電極１０、この可撓性外電極１０に電気的、および機械的に接続されたリード部材１１、電気絶縁性弾性体１２とからなり、リード部材１１を可撓性外電極１０に沿って配設した構成とすることにより、リード部材１１の機械的強度を強くすることができるとともに、リード部材１１を後付する工程を無くし、生産性を向上させることができる。また、塗膜の可撓性外電極１０が可撓性の低下を防止できるとともに、センサ全体の機械的インピーダンスを低く維持することができるので芯電極８と可撓性外電極１０の間に誘起される電圧の低下を抑制することができ、感度の高い圧力センサを実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は有機高分子と圧電体粒子からなる感圧体とした可撓性を有するケーブル状圧力センサの構成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の周囲に可撓性感圧体４を配置し、その周囲に外皮電極層５と熱収縮チューブ６を順次被覆し、さらに熱収縮チューブ６の一方の端部から芯電極３と外皮電極層５を露出させ、リード線７を芯電極３と外皮電極層５に接続して構成されている。可撓性感圧体４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、外皮電極層５は可撓性感圧体４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３と外皮電極層５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。
特開昭６２−２３００７１号公報

しかしながら、前記従来のケーブル状圧力センサは、芯電極３が線状導電材１とゴム２、外皮電極層５が導電塗料の塗着による被覆層を用いているため、リード線７の接続には溶接などのような機械的強度の強い接合ができず、リード線７の接続部の機械的強度が低いという課題を有していた。

また、リード線７は熱収縮チューブ６を被覆後、一方の端部の芯電極３と外皮電極層５を露出させて接続処理されているので、生産性が低いという課題を有していた。

また、外皮電極層５の周囲に被覆されている熱収縮チューブ６は熱収縮によって硬化するため、熱収縮チューブ６に圧力が印加されたとき、その部分の歪み量が少なくなることによって芯電極３と外皮電極層５の間に誘起される電圧が小さくなり、センサとしての感度が低下するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、リード線の接合部の機械的強度が強く、生産性の高いケーブル状圧力センサを提供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は、芯電極に周設された可撓性感圧体と、この可撓性感圧体に周設された金属箔で構成された可撓性外電極と、この可撓性外電極に電気的および機械的に接続され、可撓性外電極に沿って配設されたリード部材と、可撓性外電極とリード部材に周設された電気絶縁性弾性体で構成している。

これによって、リード部材の機械的強度を高くすることができるとともに、リード部材を後付する工程を無くすることができる。また、可撓性外電極を金属箔で構成することにより、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することがでるので可撓性感圧体の可撓性の低下を防止することができるとともに、センサを硬化させる被覆処理を必要としないので芯電極と可撓性外電極の間に誘起される電圧の低下を抑制することができ、センサとして優れた感度を実現することができる。

本発明のケーブル状圧力センサは、リード部材が可撓性外電極に沿って電気的、機械的に接続されているのでケーブル状圧力センサの接続部の機械的強度を高くすることができ、センサとしての耐久性、信頼性を向上させることができる。また、可撓性外電極に直接、リード部材を電気的、機械的に接続することにより、リード部材を後付する必要が無くなるのでセンサの生産性を向上させることができる。また、センサ全体の機械的インピーダンスを低く保持することができるので可撓性の低下を防止することができるとともに、芯電極と可撓性外電極の間に誘起される電圧の低下を抑制することができ、センサとしての感度の低下を防止することができる。

第１の発明は、内側電極としての導電金属を含む芯電極と、芯電極に周設された可撓性感圧体と、可撓性感圧体に周設された金属箔で構成された可撓性外電極と、可撓性外電極に電気的、および機械的に接続され、可撓性外電極の沿って配設されたリード部材と、可撓性外電極とリード部材に周設された電気絶縁性弾性体とから構成することにより、リード部材の機械的強度を高くすることができるのでセンサとしての耐久性、信頼性を向上させることができる。また、可撓性外電極に直接、リード部材を電気的、機械的に接続することにより、リード部材を後付する必要が無くなり、センサの生産性を向上させることができる。また、可撓性外電極を金属箔で構成することにより、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することがでるので可撓性感圧体の可撓性の低下を防止することができるとともに、センサ全体を硬化させる熱収縮チューブなどの被覆処理を必要としないので芯電極と可撓性外電極の間に誘起される電圧の低下を抑制することができ、センサとしての感度の低下を防止することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の可撓性感圧体を有機高分子とセラミック圧電体粒子とから構成することにより、セラミック圧電体粒子の優れた圧電特性と有機高分子の優れた可撓性の特性を両立させることができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の有機高分子を熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種で構成することにより、可撓性感圧体に優れた弾性と可撓性を付与することができるのでセンサの感度を向上させることができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明の電気絶縁性弾性体を熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種で構成することにより、水蒸気のセンサ内部への浸透を抑制することが可能となり、弾性と可撓性を維持しつつ、優れた耐湿性を実現することができる。また、電気絶縁性弾性体によってリード部材と可撓性外電極の密着性を向上させることができるので、リード部材の引張強度を向上させることができる。

第５の発明は、特に、第１〜第４の発明のいずれか１つの発明の金属箔をＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレスの少なくとも１種の金属を含む構成とすることにより、優れた導電性を発現させることができ、電極としての機能を向上させることができる。

第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明のリード部材を可撓性外電極の外表面に巻回することにより、リード部材と可撓性外電極の密着性を高くすることができ、引張強度を向上させることができるとともに、可撓性外電極と可撓性感圧体も密着性を向上させることができるので可撓性感圧体と可撓性外電極間の空気の溜まりを除去することができ、空気が介在することによるセンサ感度の低下を防止することができる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明のリード部材を金属線で構成することにより、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のでセンサに圧力が加わった際に容易に変形させることができ、低い印加圧力下での誘起電圧の検出を可能とすることができる。

第８の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明のリード部材を金属編組で構成することにより、可撓性外電極をアース電位とし、芯電極と可撓性外電極間で発生する誘起電圧を検出することが可能となるので外部空間からの電気的ノイズを遮断することができる。また、可撓性外電極とリード部材の密着性を向上させることができるのでリード部材と可撓性外電極との引張強度をさらに向上させることができる。

第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明のリード部材をＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレスの少なくとも１種で構成することにより、リード部材の機械的強度と電気抵抗を小さくすることができるのでセンサとしての耐久性とセンサの感度を向上させることができる。

第１０の発明は、内側電極としての導電金属を含む芯電極に可撓性感圧体を周設するステップと、前記可撓性感圧体に金属箔で構成された可撓性外電極を押出成型により周設するステップと、前記可撓性外電極に電気的、および機械的に接続されるように、前記可撓性外電極に沿ってリード部材を配設するステップと、前記可撓性外電極と前記リード部材の周縁に電気絶縁性弾性体を周設するステップとからなるケーブル状圧力センサの製造方法である。これにより、ケーブル状圧力センサの接続部の機械的強度が高く、耐久性、信頼性の高いセンサを製造することができる。

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、本発明の第１の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの横断面図である。

図１において、ケーブル状圧力センサは芯電極８の外表面に可撓性感圧体９を形成し、さらに可撓性感圧体９の外表面に可撓性外電極１０を形成している。金属線からなるリード部材１１は、可撓性外電極１０の外表面に配置され、可撓性外電極１０の円周上の一部と接触させた構成としている。さらに、可撓性外電極１０とリード部材１１の周囲に電気絶縁性弾性体１２を設けている。

第１の実施の形態におけるケーブル状圧力センサは、先ず、芯電極８を芯材とし、押出成形法により可撓性感圧体９の被覆処理を行う。次に可撓性感圧体９の外表面に金属箔を巻回して可撓性外電極１０を形成する。次に、可撓性外電極１０を形成した状態のケーブルに金属線からなるリード部材１１を沿わせて芯材とし、その周囲に押出成形により電気絶縁性弾性体１２を被覆処理する。これにより、リード部材１１は、可撓性外電極１０に沿って接触した状態で電気絶縁性弾性体１２の形成時に一体に構成される。すなわち、リード部材１１は心電極８と同様ケーブルの軸方向に、ストレートにケーブル状圧力センサに一体構成される。

このようにして製造されたセンサは、センサの一端の可撓性感圧体９と可撓性外電極１０、電気絶縁性弾性体１２を取り除き、リード部材１１と芯電極８を露出させることにより制御回路に接続される。芯電極８は、従来例で示した構成の芯電極、単数または複数の金属細線からなる芯電極、多数のポリエステル繊維の収束線に銅などの金属を巻回したものが用いられる。

図２は、可撓性感圧体９の内部構造を示す一部断面図である。図２において、可撓性感圧体９は有機高分子１３の中にセラミック圧電体粒子１４が分散した状態で構成されている。可撓性感圧体９を構成する有機高分子１３は、塩化ビニルなどの熱可塑性樹脂、塩素化ポリエチレンなどの熱可塑性エラストマー、ＥＰＤＭなどの加硫ゴムが用いられ、セラミック圧電体粒子１４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、ニオブ酸アルカリなど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など圧電性を発現するセラミック材料が適用される。有機高分子１３とセラミック圧電体粒子１４の分散・混合は、ニーダーやオープンロールなどの混練装置によって行われる。

本発明における可撓性外電極１０は、金属箔を可撓性感圧体９に金属箔を巻回して構成されている。金属箔はＰｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレスの少なくとも１種を含む金属が用いられ、この金属箔の可撓性感圧体９への巻回は金属箔の一部が重なった状態、重ならない状態のいずれでもよい。

リード部材１１としては金属線が用いられ、この材料としてはＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレスなどが挙げられる。

電気絶縁性弾性体１２は、可撓性感圧体９を構成している有機高分子１３と同じ材料が適用され、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種が用いられる。

以上のように構成されたケーブル状圧力センサについて、以下その動作、作用を説明する。

センサの圧電性は芯電極８とリード部材１１間に直流電圧を印加し、可撓性感圧体９を分極処理することにより発現する。可撓性感圧体９が圧電性を発現することにより、ケーブル状圧力センサの一部あるいは全面に時間的に変化する圧力が印加されたとき、芯電極８と可撓性外電極１０間にその部分に生じる加速度に応じた振動電圧が誘起される。この誘起電圧を利用して圧力を検出することができる。

リード部材１１は、可撓性外電極１０と接触した状態で可撓性外電極１０と同レベルの長さで構成されているのでリード部材１１と可撓性外電極１０の引張強度を高くすることができ、センサとしての耐久性、信頼性を向上させることができる。また、リード部材１１は電気絶縁性弾性体１２の形成と同時に配置されるのでリード部材１１を後付する必要が無くなるとともに、リード部材１１と芯電極８の一部を露出させるだけで接続部リード部が構成されるのでセンサの生産性を向上させることができる。

また、可撓性外電極１０を金属箔で構成することにより、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することがでるので可撓性感圧体９の可撓性の低下を防止することができる。この金属箔の厚さは引張強度や機械的インピーダンスの両立させる必要性があることから、できるだけ薄い方が好ましく、特に、１０〜３０μｍの厚さのものがよい。

また、センサ全体を硬化させる熱収縮チューブなどの被覆処理を必要としないので芯電極８と可撓性外電極１０の間に誘起される電圧の低下を抑制することができ、センサとしての感度の低下を防止することができる。

また、リード部材１１を金属線で構成することにより、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することができるのでセンサに圧力が加わった際に容易に変形させることができ、低い印加圧力下での誘起電圧の検出を可能とすることができる。この金属線からなるリード部材１１は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレスの少なくとも１種を含む金属材料で構成することにより、リード部材１１の機械的強度を強くするとともに電気抵抗を小さくすることができるのでセンサとしての耐久性と感度を向上させることができる。

また、可撓性感圧体９を有機高分子１３とセラミック圧電体粒子１４で構成することにより、セラミック圧電体粒子１４の優れた圧電特性と有機高分子１３の優れた可撓性の特性を両立させることができ、センサとしての性能を向上させることができる。
また、可撓性感圧体９の外表面に金属箔からなる可撓性外電極１０を形成することにより、可撓性感圧体９の有する可撓性の低下を防止することができ、センサの感度の低下を抑制することができる。

また、有機高分子１３として熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種を用いることにより、可撓性感圧体９に優れた弾性と可撓性を付与することができるのでセンサの感度を向上させることができる。

また、電気絶縁性弾性体１２を形成することにより、可撓性感圧体９と可撓性外電極１０とリード部材１１の密着性を向上させることができるのでセンサとしての感度を向上させることができる。この電気絶縁性弾性体１２としては熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種で構成することにより、水蒸気のセンサ内部への浸透を抑制することが可能となり、弾性と可撓性を維持しつつ、優れた耐湿性を実現することができる。また、電気絶縁性弾性体１２によってリード部材１１と可撓性外電極１０の密着性を向上させることができるので、リード部材１１の引張強度を向上させることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの横断面図である。図４において第１の実施の形態と異なるところは、金属線からなるリード部材１５を可撓性外電極１０の外表面に巻回して配設した点である。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。

図４に示すように、可撓性感圧体９の周囲に可撓性外電極１０を形成した後、可撓性外電極１０の外表面に金属線からなるリード部材１７を重ならない状態で巻回し、可撓性外電極１０と接触させた構成としている。さらに、可撓性外電極１０とリード部材１７の周囲に電気絶縁性弾性体１２を設けている。

第２の実施の形態におけるケーブル状圧力センサは、先ず、芯電極８を芯材とし、押出成形法により可撓性感圧体９の被覆処理を行う。次に可撓性感圧体９の外表面に金属箔を巻回して可撓性外電極１０を形成する。次に、金属線からなるリード部材１５を可撓性外電極１０の外表面に螺旋状に巻き付け、その後、可撓性外電極１０とリード部材１５の表面に押出成形により電気絶縁性弾性体１２を被覆処理している。リード部材１５は、電気絶縁性弾性体１２の形成と同時に可撓性外電極１０と電気的、機械的に接続される。このようにして製造されたセンサは、センサの一端の可撓性感圧体９と可撓性外電極１０、電気絶縁性弾性体１２を取り除き、リード部材１５と芯電極８を露出させることにより制御回路に接続される。

リード部材１５を可撓性外電極１０の外表面に巻回して配設することにより、リード部材１５と可撓性外電極１０の接触面積を大きくすることができるのでリード部材１５と可撓性外電極１０との密着性を向上させることができるとともに、可撓性外電極１０とリード部材１１の電気抵抗を小さくすることができる。

また、リード部材１５を巻回することにより可撓性外電極１０に食い込ませることができるのでリード部材１５と可撓性外電極１０の密着性を高くすることができ、引張強度を向上させることができるとともに、可撓性外電極１０と可撓性感圧体９も密着性を向上させることができるので可撓性感圧体９と可撓性外電極１０間の空気の溜まりを除去することができ、空気が介在することによるセンサ感度の低下を防止することができる。

なお、リード部材１５は、実施の形態１で述べた材料が用いられる。

なお、本実施の形態では、リード部材１５を可撓性外電極１０の外表面に螺旋状に巻き付ける工程を設けてケーブル状圧力センサを製造したが、この場合、巻回のピッチを操作することで、適度な機械的強度のセンサを製造することが可能となる。

また、この製造方法に限らず、可撓性外電極１０を巻回する際に、これと沿わせて同時に巻回するようにしてもよい。これであれば、工程を同じにして、別工程を設ける必要はない。さらに、電気絶縁性弾性体１２を押出成型して被覆する際に、押出機のヘッドに入るまでに、可撓性外電極１０を送りながら、同時にリード部材１５を巻き、リード部材１５と一体としたケーブルを押出機のヘッドに入れて電気絶縁性弾性体１２の被覆をするようにしてもよい。

本実施の形態の、リード部材１５を可撓性外電極の外周に巻回する構成は実施の形態１の構成よりもより確実にリード部材と可撓性外電極１０との電気的接続が効果的になされて、かつ機械的強度（引張り）も強くなるという効果がある。

（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態におけるケーブル状圧力センサの横断面図である。図４において第１の実施の形態と異なるところは、金属編組からなるリード部材１６を可撓性外電極１０の外表面に設けた点である。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。

図４に示すように、芯電極８に可撓性感圧体９、可撓性外電極１０を順次形成した後、金属編組からなるリード部材１６で可撓性外電極１０の外表面を覆った構成とし、さらにこのリード部材１６の周囲に電気絶縁性弾性体１２を形成している。

第３の実施の形態におけるケーブル状圧力センサは、先ず、芯電極８を芯材とし、押出成形法により可撓性感圧体９の被覆処理を行う。次に可撓性感圧体９の外表面に金属箔を巻回して可撓性外電極１０を形成する。次に、金属編組からなるリード部材１６で可撓性外電極１０の外表面を覆い、その後、可撓性外電極１０とリード部材１６の表面に押出成形により電気絶縁性弾性体１２を被覆処理している。リード部材１６は、電気絶縁性弾性体１２の形成と同時に可撓性外電極１０と電気的、機械的に接続される。このようにして製造されたセンサは、センサの一端の可撓性感圧体９と可撓性外電極１０、電気絶縁性弾性体１２を取り除き、リード部材１６と芯電極８を露出させることにより制御回路に接続される。

リード部材１６を金属編組で構成することにより、可撓性外電極１０をアース電位とし、芯電極８と可撓性外電極１０間で発生する誘起電圧を検出することが可能となり、外部空間からの電気的ノイズを遮断することができる。

また、可撓性外電極１０とリード部材１６の密着性を向上させることができるのでリード部材１８と可撓性外電極１０との引張強度をさらに向上させることができる。

なお、リード部材１６は、実施の形態１で述べた材料が用いられる。

以上のように、本発明にかかるケーブル状圧力センサは、リード部材の機械的強度を強くすることができ、センサとしての耐久性、信頼性を向上させることができるとともに、センサの生産性に優れ、実用性の高いセンサを提供することができるので、自動車のドアやウィンドウの挟み込み防止や介護ベッドの在床検知の圧力検出装置など幅広い用途に適用できるものである。

本発明の実施の形態１におけるケーブル状圧力センサの横断面図 本発明の実施の形態１における可撓性感圧体の内部構造を示す一部断面図 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横断面図 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横断面図 従来のケーブル状圧力センサの横断面図

符号の説明

８ 芯電極
９ 可撓性感圧体
１０ 可撓性外電極
１１、１５、１６ リード部材
１２ 電気絶縁性弾性体
１３ 有機高分子
１４ セラミック圧電体粒子

Claims (10)

1. 内側電極としての導電金属を含む芯電極と、前記芯電極に周設された可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体に周設された金属箔で構成された可撓性外電極と、前記可撓性外電極に電気的、および機械的に接続され、前記可撓性外電極に沿って配設されたリード部材と、前記可撓性外電極と前記リード部材に周設された電気絶縁性弾性体とから構成されるケーブル状圧力センサ。
2. 可撓性感圧体は、有機高分子とセラミック圧電体粒子とからなる請求項１に記載のケーブル状圧力センサ。
3. 有機高分子は、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種を含む請求項２に載のケーブル状圧力センサ。
4. 電気絶縁性の弾性体は、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムの少なくとも１種を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
5. 金属箔は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレスの少なくとも１種を含む金属で構成した請求項１〜４のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
6. リード部材は、可撓性外電極の外表面に巻回された構成である請求項１〜５のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
7. リード部材は、金属線で構成された請求項１〜６のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
8. リード部材は、金属編組で構成された請求項１〜５のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
9. リード部材は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレスの少なくとも１種を含む請求項１〜８のいずれか１項に記載のケーブル状圧力センサ。
10. 内側電極としての導電金属を含む芯電極に可撓性感圧体を周設するステップと、前記可撓性感圧体に金属箔で構成された可撓性外電極を押出成型により周設するステップと、前記可撓性外電極に電気的、および機械的に接続されるように、前記可撓性外電極に沿ってリード部材を配設するステップと、前記可撓性外電極と前記リード部材の周縁に電気絶縁性弾性体を周設するステップとからなるケーブル状圧力センサの製造方法。

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