JP2007010324A

JP2007010324A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2007010324A
Application number: JP2005187661A
Authority: JP
Inventors: Yuko Fujii; 優子藤井; Yu Fukuda; 祐福田; Taku Hashida; 卓橋田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】従来の圧力センサに用いている鉛を含む圧電体粒子による環境の汚染を防止するとともに、圧力と湿度を同時に検出でき、さらに湿度に依存しない一定感度感度のケーブル状圧力センサを実現。
【解決手段】内側電極としての芯電極１１と、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の表面に周設された外側電極１３と、外側電極１３の表面に周設された湿度によって特性が変化する感湿体１４と、感湿体１４の表面に周設された補助電極１５と、補助電極１５の表面に周設された被覆１６と、感湿体１４の特性変化によって湿度を検出する湿度検出手段１９とからケーブル状圧力センサを構成することにより、圧力と同時に雰囲気湿度も検知することができ、湿度に依存しない一定感度感度のケーブル状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セラミック圧電体粒子を感圧体とした可撓性を有する圧力センサの構成に関するものである。

従来、この種の圧力センサは図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、同軸ケーブル状をなす圧力センサの構成としたものであるが、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−ブ６を順次被覆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−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、従来の圧力センサは圧力のみの検知であり、同時に湿度検知を行うことができなかった。さらに圧電センサは湿度特性を有するため、湿度によって出力が変動し、ある湿度雰囲気下ではセンサとしての感度が高くなるという課題があった。

また、従来の圧電センサは可撓性感圧体４に鉛を含む酸化物からなる圧電材料を含んでいる。この圧力センサは、搭載した製品が廃棄処理される際、製品から取り外されて細かく裁断され廃棄されることが想定され、廃棄された圧力センサは酸性雨などの環境にさらされることもあり、このような場合には可撓性感圧体４を構成している鉛を含む酸化物からなる圧電材料から鉛が溶出し、環境汚染の原因となることが懸念される。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、環境汚染がなく、湿度に依存しない一定感度の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、内側電極としての芯電極と、前記内側電極に周設された可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体の表面に周設された外側電極と、前記外側電極の表面に周設された湿度によって特性が変化する感湿体と、前記感湿体の表面に周設された補助電極と、前記補助電極の表面に周設された被覆と、前記感湿体の特性変化によって湿度を検出する湿度検出手段とから構成して成る圧力センサである。

これによって、圧力と同時に湿度も検知することができる。さらに、湿度を検出することで圧電センサの湿度特性を補正することができるので、湿度に依存することなく高感度の出力を得ることができる。

また、芯電極に周設された可撓性感圧体とこの表面に周設された可撓性外側電極とから形成され、可撓性感圧体は少なくとも有機高分子と、一般式がＡＢＯ_３で表され、ＡサイトイオンがＢａ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｉ、Ｌｉの少なくとも１種、ＢサイトイオンがＴｉ、Ｎｂ、Ｎｉの少なくとも１種を含むセラミック圧電体粒子とからなり、かつ可撓性外側電極は有機高分子と導電性粒子とから構成したものである。

これによって、可撓性感圧体を構成するセラミック圧電体粒子は鉛を含まないので酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出を防止することができるとともに、上記の鉛を含まないセラミック圧電体粒子は鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が低いので圧電特性を発現させる分極処理電圧を低くすることができる。

本発明の圧力センサは、圧力と同時に湿度も検知することができる。

さらに、可撓性感圧体を構成するセラミック圧電体粒子が鉛を含んでいないので圧力センサが廃棄処理され酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境汚染を防止することができる。

第１の発明は、内側電極と、前記内側電極に設けた可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体の表面に設けた外側電極と、前記外側電極の表面に設けた湿度によって特性が変化する感湿体と、前記感湿体の表面に設けた補助電極と、前記補助電極の表面に設けた被覆とから圧力センサを構成することにより、圧力と湿度を一体の圧力センサで同時に検知することができる。外側電極を共通電極として、内側電極との組み合わせで圧力値を、補助電極との組み合わせで湿度値を得ることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において感湿体を湿度によって静電容量が変化する構成とすることによって、測定範囲が広く（０〜１００％ＲＨ）、応答速度が速いとともに、常温付近の温度特性が低いので、精度良い湿度検知が可能となる。

第３の発明は、特に、第１の発明において感湿体を湿度によって抵抗が変化する構成とすることによって、簡単な構成で且つ、低コストで湿度を検出することができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３の発明において、感湿体の出力信号から湿度を算出し、ケーブル状圧力センサの湿度特性による出力低下を補正する補正手段を設けることによって、検知した圧力値は湿度補正を適宜行うことができるので、湿度に依存することなく高感度の圧力の検知出力を得ることができる。

第５の発明は、特に、第１〜第５の発明の可撓性感圧体を少なくとも有機高分子と、一般式がＡＢＯ_３で表され、ＡサイトイオンがＢａ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｉ、Ｌｉの少なくとも１種、ＢサイトイオンがＴｉ、Ｎｂ、Ｎｉの少なくとも１種を含むセラミック圧電体粒子、前記可撓性外側電極は有機高分子と導電性粒子とからそれぞれ構成することにより、可撓性感圧体に含まれるセラミック圧電体粒子が鉛を含まないので酸性雨などの環境に曝されても鉛の溶出がなく、環境汚染を防止することができる。また、上記の鉛を含まないセラミック圧電体粒子は鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が低いので圧電特性を発現させる分極処理電圧を低くすることができ、分極作業の安全性を向上させることができる。

第６の発明は、特に、第５の発明のセラミック圧電体粒子としてニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム・カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、ニッケル酸チタン酸ビスマスの少なくとも１種を用いることにより、センサの圧電特性を高めることができるのでセンサとしての特性をより向上させることができる。

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−ブル状圧力センサの要部断面図である。

図１において、ケーブル状圧力センサは内側電極としての芯電極１１の周囲に可撓性感圧体１２を形成し、さらに外側電極１３を可撓性感圧体１２の表面に形成している。さらに外側電極１３の表面には、湿度によって特性が変化する感湿体１４を設けており、この感湿体１４の表面には補助電極１５を設けている。さらに、補助電極１５の表面には保護層として被覆１６を形成している。芯電極１１として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芯電極などが用いられる。可撓性感圧体１２を構成する有機高分子１７としては、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、加硫ゴムが用いられる。鉛を含まないセラミック圧電体粒子１８としては、一般式がＡＢＯ_３で表され、ＡサイトイオンがＢａ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｉ、Ｌｉの少なくとも１種、ＢサイトイオンがＴｉ、Ｎｂ、Ｎｉの少なくとも１種を含むセラミック圧電体粒子が用いられる。また、感湿体１５は大気中の水分を吸収することによって誘電率が変化し、静電容量が変化する有機高分子を用いている。本実施例では感湿体１４としてセルロース系の親水性高分子を用いた。感湿体１４の湿度による静電容量の変化は感湿体１４の上下に構成された外側電極１３と補助電極１５を介して、湿度検出手段１９によって検出している。

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。

ケーブル状圧力センサを前述の構成とした後、芯電極１１と外側電極１３間に直流の高電圧を印加することにより分極し、圧電性を付与する。可撓性感圧体１２に圧電性を付与することにより、ケ−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１１と外側電極１３間にはその部分のケーブル状圧力センサ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。このケーブル状圧力センサは、例えば自動車用のドアやウィンドウなどに取り付けられ、圧力検出装置として利用される。また、感湿体１５によって圧電ケーブルセンサが載置された大気の相対湿度を検出することが可能になる。

図２に本実施の形態で使用したセルロース系の親水性高分子で構成した感湿体１５について、相対湿度と静電容量の変化の関係を示す。図２に示すように相対湿度が高くなるに伴って静電容量が増加していることが解る。さらに、静電容量の変化で湿度を検知する場合、測定範囲が広く（０〜１００％ＲＨ）、応答速度が速いとともに、常温付近の温度特性が低いので、精度良く静電容量の変化を検出することができる。この静電容量の変化を湿度検出手段１９によって検出することによって、相対湿度を検出することが可能となる。

また、感湿体１４の湿度による抵抗変化によっても、同様に湿度を検出することが可能である。例えば、感湿体１４として、第４級アンモニウム塩やスルホン酸基をベースとした感湿材料を用いた場合の相対湿度と抵抗値との関係を図３示す。図３に示すように大気中の湿度によって吸湿することにより抵抗が減少することが解る。

以上の結果から、感湿体１４の静電容量や抵抗値の変化を湿度検出手段１９によって検出することによって相対湿度を検出することができる。よって、発明の圧電ケーブルセンサは圧力と湿度の両方を同時に検出することが可能となる。

（実施の形態２）
図４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要部断面図である。図４において第１の実施の形態と異なるところは、湿度検出手段１９の信号から、湿度を算出し、圧電ケーブルセンサの湿度特性による変化を補正する補正手段２０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。

図５に図６に示す従来の圧電ケーブルセンサの湿度と静電容量の関係を示す。図５に示すように静電容量は湿度が高くなるに伴って増加していることが解る。

圧電ケーブルセンサの出力電圧（Ｖ）は圧電ケーブルセンサの電荷量（Ｑ）を静電容量（Ｃ）で除したもの、すなわち出力電圧Ｖ＝電荷量Ｑ／静電容量で表すことができ、静電容量が変化すると出力電圧も変化することになり、結果として出力電圧は静電容量の変化に応じた湿度特性を有することになる。

このため、図４に示すように湿度検出手段１９によって湿度を検出し、圧電ケーブルセンサが持つ静電容量の湿度特性の影響を補正手段２０によって補正することで、湿度に依存することなく高感度の出力を得ることができる。

また、本実施の形態のケーブル状圧力センサを搭載した製品が使用済みになると、ケーブル状圧力センサは製品から取り外されて細かく切断された後、廃棄処理されることが考えられる。廃棄処理されたケーブル状圧力センサは酸性雨などの厳しい環境に曝されることもあり、酸性雨によりケーブル状圧力センサの構成材料が溶出する可能性を有するが、可撓性感圧体１２を構成するセラミック圧電体粒子１８は鉛を含まない材料を用いているので鉛の溶出がなく、環境を汚染することがない。

さらに、セラミック圧電体粒子１８として用いる一般式がＡＢＯ_３で表される化合物は、従来の鉛を含む圧電体粒子よりも比誘電率が低いので圧電特性を発現させる分極処理電圧を低くすることができ、分極作業時の安全性を向上させることができる。

また、セラミック圧電体粒子１８は、特に、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム・カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、ニッケル酸チタン酸ビスマスの少なくとも１種を含む化合物を用いることにより、圧電特性をさらに向上させることができ、センサ感度を高めることができる。

なお、本実施の形態において感湿体１５をセルロース系の親水性高分子や第４級アンモニウム塩やスルホン酸基をベースとした感湿材料を用いたが、湿度によって特性が変化する物であればこれに限るものではない。

なお、上記実施の形態では、圧力センサとしてケーブル状のものを例に説明したが、これに限定されるものでなく、可撓性圧電体をシート状のものとし１対の電極をその両面に形成し、１対の電極のうちの少なくとも１つの電極面に沿って感湿体層を設け、感湿体層に沿って補助電極層を設けるような、シート形状のセンサとしても本発明と同等の作用効果を期待できるものである。

以上のように、本発明にかかる圧力センサは、圧力と湿度を同時に検出できるとともに、湿度情報に基づいて圧力値を補正することで、湿度に依存しない一定感度のケーブル状圧力センサを実現できる。さらに、セラミック圧電体粒子が鉛を含んでいないので環境汚染を防止することができるので、外気にさらされたり、雨水など、水分の影響を受けやす
いような場所で使用されるセンサとしての場合にも、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−ブル状圧力センサの要部断面図本発明の実施の形態１における湿度と感湿体の出力との関係を示す特性図本発明の実施の形態１における湿度と静電容量との関係を示す特性図本発明の実施の形態２におけるケ−ブル状圧力センサの要部断面図本発明の実施の形態２における湿度と静電容量との関係を示す特性図従来のケ−ブル状圧力センサの要部断面図

符号の説明

１１芯電極（内側電極）
１２可撓性感圧体
１３外側電極
１４感湿体
１５補助電極
１６被覆
１７有機高分子
１８セラミック圧電体粒子
１９湿度検出手段
２０補正手段

Claims

内側電極と、前記内側電極に設けた可撓性感圧体と、前記可撓性感圧体の表面に設けた外側電極と、前記外側電極の表面に設けた湿度によって特性が変化する感湿体と、前記感湿体の表面に設けた補助電極と、前記補助電極の表面に設けた被覆とから成る圧力センサ。
感湿体は湿度によって静電容量が変化する構成とした請求項１記載の圧力センサ。
感湿体は湿度によって抵抗が変化する構成とした請求項１記載の圧力センサ。
湿度検出手段の信号から、湿度を算出し、可撓性感圧体の湿度特性による変化を補正する補正手段を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
可撓性感圧体は少なくとも有機高分子と、一般式がＡＢＯ_３で表され、ＡサイトイオンがＢａ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｉ、Ｌｉの少なくとも１種、ＢサイトイオンがＴｉ、Ｎｂ、Ｎｉの少なくとも１種を含むセラミック圧電体粒子とからなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
セラミック圧電体粒子は、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム・カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマス・ナトリウム、チタン酸ビスマス・ナトリウム、ニッケル酸チタン酸ビスマスの少なくとも１種からなる請求項５に記載の圧力センサ。