JP2008039448A - 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。また分極電極の通路に可撓性感圧体を載置して分極した場合、特性ばらつきが生じる。
【解決手段】芯電極１１に周設された可撓性感圧体１２と、前記可撓性感圧体１２の全周に接触するように複数の導電性繊維で構成された導電体１３と、前記芯電極１１と前記導電体１３に接続された電圧印加手段１７と、前記可撓性感圧体１２を加熱する加熱手段１４と、前記可撓性感圧体１２を前記導電体１３に接触しながら移動させる移動手段１５とを設けることによって、可撓性感圧体１２に均一に導電体１３を接触させることができるので全周囲から均一に満遍なく分極することが可能となる。このため、分極できていない部分がなく、特性ばらつきのない安定した特性を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は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、この種の圧力センサは図７に示すようなものがある（例えば、特許文献１参照）。図７に示すように、芯電極１の周囲に可撓性感圧体２を配置し、その周囲に外側電極３と外皮４を順次被覆して構成されている。可撓性感圧体２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３は可撓性感圧体２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１と外側電極３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。

分極方法は、芯電極１と外側電極３の間に高電圧を印加して、可撓性感圧体２を分極している（例えば、非特許文献１参照）。また図８に示すように、可撓性感圧体２をブロック状導電体５の通路に配設させ、ブロック状導電体５と芯電極１間に電圧を印加させることにより、ブロック状導電体５に配設された部分の可撓性感圧体２を分極している（例えば、特許文献２参照）。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２に圧電性が付与される。
特開昭６２−２３００７１号公報 特開２００２−２８０６３３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、従来の圧力センサの分極方法では、芯電極１と外側電極３の間に高電圧を印加したときに、可撓性感圧体２中に微小なクラックや空孔などの欠陥が存在すると、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２の構成材料が熱的に蒸発、飛散して芯電極１と外側電極３間が短絡し、芯電極１と外側電極３間に高電圧を印加できなくなるので可撓性感圧体２を分極できないという課題を有していた。また、ブロック状導電体５に可撓性感圧体２を配設し、可撓性感圧体２を移動手段７によって移動させながら分極する場合においては、可撓性感圧体２はケーブル状をなしているので、ブロック状導電体５に接する部分と接さない部分が生じてしまい、分極の度合に差が生じ、特性ばらつきが発生するという課題があった。さらに、ブロック状導電体５を加熱手段６によって加熱することによって、可撓性感圧体２を加熱する場合においても、可撓性感圧体２には加熱される部分とされない部分が存在し、温度分布が生じることによる、特性ばらつきが発生するという課題があった。

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が分極できなくなることを防ぐ。さらに、導電性繊維で構成された導電体を可撓性感圧体の全周で接触するように構成にすることで、均一に満遍なく分極し、特性ばらつきのない安定した特性を得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全周に接触するように複数の導電性
繊維で構成された導電体と、前記芯電極と前記導電体に接続された電圧印加手段と、前記可撓性感圧体を加熱する加熱手段と、前記可撓性感圧体を前記導電体に接触しながら移動させる移動手段とを設けることによって、可撓性感圧体に均一に導電体を接触させることができるので全周囲から均一に満遍なく分極することが可能となる。このため、分極できていない部分がなく、特性ばらつきのない安定した特性を得ることができる。また、可撓性感圧体の全周囲を導電体で密着するよりも、可撓性感圧体との接触抵抗を低減した状態で導電体と接触しながら移動をさせることができるので、生産性が向上するとともに、接触抵抗によって生じる可撓性感圧体の傷を防ぐこともできる。

本発明のケーブル状圧力センサは、欠陥部が存在しても長尺状のケーブル全体の可撓性感圧体が分極できなくなることを防ぐことができる。さらに、複数の導電性繊維で構成された導電体を可撓性感圧体の全周で接触するように構成にすることで、均一に満遍なく分極し、特性ばらつきのない安定した特性を得ることができる。また、可撓性感圧体の全周囲を分極電極で密着するよりも、可撓性感圧体との接触抵抗を低減した状態で通路中の移動をさせることができ、生産性が向上するとともに、接触抵抗によって生じる可撓性感圧体の傷、熱がこもることによる変形、組成の変化を防ぐこともできる。

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全周に接触するように複数の導電性繊維で構成された導電体と、前記芯電極と前記導電体に接続された電圧印加手段と、前記可撓性感圧体を加熱する加熱手段と、前記可撓性感圧体を前記導電体に接触しながら移動させる移動手段とを設け、可撓性感圧体に均一に導電体を接触させることができるので全周囲から均一に満遍なく分極することが可能となる。このため、分極できていない部分がなく、特性ばらつきのない安定した特性を得ることができる。また、可撓性感圧体の全周囲を導電体で密着するよりも、可撓性感圧体との接触抵抗を低減した状態で導電体と接触しながら移動をさせることができるので、生産性が向上するとともに、接触抵抗によって生じる可撓性感圧体の傷を防ぐこともできる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、複数の導電体を導電性材料で構成した支持部材に固定させることによって、電圧印加手段をひとつの導電体に接続するだけで各々の導電体に電圧を印加することができるため、電圧印加手段からの接続を簡素化できる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、導電性繊維の先端部に曲率を持たせることによって、導電性繊維の先端部が可撓性感圧体に接した際に可撓性感圧体に傷が付くのを抑制することができるため、分極時の不良発生を抑制するとともに、特性ばらつきのない安定した特性を得ることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３の発明において、導電性繊維の側面を筒状にすることによって、導電性繊維の側面が可撓性感圧体に接した際に可撓性感圧体に傷が付くのを抑制することができるため、分極時の不良発生を抑制するとともも、特性ばらつきのない安定した特性を得ることができる。

第５の発明は、特に、第１〜４の発明において、可撓性感圧体の全周を囲むように導電性繊維を配設することによって、導電性繊維が可撓性感圧体の全周で接触することができるため、全周囲から均一に満遍なく分極することが可能となる。

第６の発明は、特に、第１〜５の発明において、電圧印加手段による電圧印加中に可撓性感圧体が導電体に接触しながら少なくとも１回転するように回転させることによって、可撓性感圧体と導電体とが接触しない箇所があっても、可撓性感圧体を回転することで満
遍なく導電体と接触することができるので均一な分極を行うことが可能となる。このため、分極できていない部分がなく、特性ばらつきのない安定した特性を得ることができる。

第７の発明は、特に、第１〜６の発明において、導電体が、加熱手段を兼ねる構成にすることによって、可撓性感圧体の周囲から均一に電圧印加と加熱を同時に行うので、分極装置を簡素化できるとともに、均熱性が向上することによって、分極効率を向上させることができる。

第８の発明は、特に、第１〜７の発明において、支持部材に固定された複数の導電体を空隙を介して複数設けることによって、可撓性感圧体に欠陥部が存在すると、欠陥部を一部に含む一連の可撓性感圧体の分極はできなくなっていたものが、複数の分極電極を断続して設けることで、一定の長さで分極がし得なかった部分があったとしても、分極出来なかった部分を最小単位にとどめて、再度分極することが可能となる。よって、一連の可撓性感圧体の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ができ、これを加工して圧電ケーブルとして製造する際の歩留まりを向上することができる。

第９の発明は、特に、第２〜８の発明において、複数の導電体を導電性材料で構成した支持部材に固定させることによって、電圧印加手段を支持部材に接続するだけで各々の導電体に電圧を印加することができるため、電圧印加手段からの接続を簡素化できる。

第１０の発明は、芯電極に可撓性感圧体を周設するステップと、前記可撓性感圧体を分極する複数の導電性繊維で構成された導電体と前記芯電極に接続された電圧印加手段により電圧を印加するステップと、分極中に前記可撓性感圧体を加熱するステップとからなるケーブル状圧力センサの分極方法である。そしてこの分極方法により、電圧印加がケーブルの全周囲に印加されるので、均質な分極特性を有するケーブル状圧力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圧電材料を複合化した高分子材料が用いられる。この可撓性感圧体１２は、複数の導電性繊維で構成された導電体１３に全周で接触するように配設される。導電体１３は、鉄、ステンレス、銅、黄銅、アルミニウム等を用いる。さらに、導電体１３を加熱するために導電体１３の上部に加熱手段１４を設けた。可撓性感圧体１２を加熱しながら複数の導電性繊維で構成された導電体１３によって分極することで、効率良く分極を行うことができる。また、可撓性感圧体１２を移動させる移動手段１５として回転ドラムを使用した。この移動手段１５によって可撓性感圧体１２が巻き取られて、導電体１３に接しながら移動させることが可能になる。移動手段１５である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１３に接触する時間、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１５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。

本実施の形態において、導電性繊維は図２に示すように直径１００μｍで長さが３０ｍｍの円柱状で、かつ先端部が球状になったアルミニウムで構成されており、導電体１３はこの導電性繊維１００個で構成している。さらに、導電性繊維で構成された導電体１３を導電性材料で構成した支持部材１６で固定している。支持部材１６は縦が２０ｍｍ、横２０ｍｍのアルミニウムのブロックで構成し、このアルミニウムのブロックに１００個の導電性繊維を密集させて固定する構成とした。本構成にすることによって、電圧印加手段１７の出力を支持部材１６に配設された複数の導電性繊維で構成された導電体１３のうち、１つに接続するだけで、支持部材１６に固定された複数の導電体１３のすべてに電圧印加手段１７の出力を接続した状態と同様となる。そのため、複数の導電体１３に電圧印加手段１７の出力を接続する必要がなく、構成を簡素化することが可能となる。

また、同様に1つの導電体１３に電圧印加手段１７の出力を接続するのではなく、支持部材１８に接続しても同様の効果を得ることができる。

このように接続して、電圧印加手段１７により、芯電極１１と導電体１３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５ｋＶ／ｍｍで分極を行った。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１３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１３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１３から脱離し、導電体１３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１３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１３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。また、本実施の形態１において、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１３の間に直流電圧を印加した。このように接続することで、人体に危険な直流高電圧部分を導電体１３に限定でき、人体への安全を確保できる。

図８に示す従来の分極装置では、ブロック状導電体５に接さない部分と接する部分の各々に振動を印加し、その時に発生する電圧を測定した結果、ブロック状導電体５に接さない部分と接する部分とでは出力電圧に約１．６倍もの差を生じた。しかし、本発明の分極装置を使用し、可撓性感圧体１２の同軸方向に対して９０°角度を変えた４方向で加振した結果、最も出力電圧が高かったものと小さかったものの比は１．１４倍以下に抑えられた。よって、電圧印加手段１７による電圧印加中に可撓性感圧体１２が複数の導電性繊維で構成された導電体１３によって、可撓性感圧体１２の全周から満遍なく周囲から電圧を印加でき、均一な分極を実現することができた。また、可撓性感圧体１２の全周囲を導電体１３で密着するよりも、可撓性感圧体１２との接触抵抗を低減した状態で導電体１３と接触しながら移動をさせることができるので、生産性が向上するとともに、接触抵抗によって生じる可撓性感圧体の傷を防ぐこともできる。特に本実施例では、導電性繊維を円柱形状でかつ先端部を球状にしたことによって、導電性繊維に突起や角などがないため、可撓性感圧体１２に接しても可撓性感圧体１２に傷などが付くのを抑制することができる。

さらに、電圧印加手段１７による電圧印加中に可撓性感圧体１２が導電体１３に接触しながら少なくとも１回転するように回転させることによって、可撓性感圧体１２と導電体１３とが接触しない箇所を低減でき、満遍なく導電体と接触させることでより均一な分極を行うことが可能となる。可撓性感圧体１２の同軸方向に対して９０°角度を変えた４方向で加振した結果、最も出力電圧が高かったものと小さかったもの比は１．０３倍以下に抑えることができた。

（実施の形態２）
図３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分極装置の外観斜視図である。図３において実施の形態１と異なるところは、導電体１３を構成する導電性繊維を可撓性感圧体１２の全周を囲むように配設している点である。本実施の形態において、支持部材１６をリング形状にし、そのリングの内側に導電性繊維である導電体１３を複数設けている。

可撓性感圧体１２はこのリング内を通過し、導電性繊維である導電体１３に全周で接しながら分極されるため、全周囲から均一に満遍なく分極することが可能となる。

本実施例において可撓性感圧体１２の同軸方向に対して９０°角度を変えた４方向で加振した結果、最も出力電圧が高かったものと小さかったものの比は１．０３倍以下に抑えられた。よって、電圧印加手段１７による電圧印加中に可撓性感圧体１２が複数の玉鎖で構成された導電体１３によって、可撓性感圧体１２の全周から満遍なく周囲から電圧を印加でき、均一な分極を実現することができる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態２におけるケーブル状圧力センサの分極装置の外観斜視図である。図４において実施の形態１と異なるところは、導電体１３が加熱手段１４を兼ねる加熱手段兼用分極電極１３ａという構成にしている点である。本構成にすることによって、可撓性感圧体１２を同軸方向から素早く加熱しながら分極するので、均一に可撓性感圧体１２を加熱することが可能となる。この結果、可撓性感圧体１２の温度分布を抑制でき、効率良く分極することができ、特性ばらつきも抑制することができる。本構成の導電体１３は図５に示すように、発熱体１８の外周に設けられた絶縁体１９と絶縁体１９の外周に設けられた導電体２０とで構成することによって、発熱体１８の外周を同軸状に絶縁体１９及び導電体２０が覆っている構成とした。

本実施の形態の分極装置は、図８に示す従来の分極装置のように一方向のみの加熱ではないので、可撓性感圧体１２の一部が加熱しすぎる、あるいは加熱が不十分ということがない。さらに、加熱手段１４が繊維形状をなすことによって可撓性感圧体１２の外周方向から均一に加熱することができるため、温度制御も容易になる。

本実施の形態において、発熱体１８としてステンレス箔、絶縁体１９とし化マグネシウム、導電体２０してステンレスを使用したが、それに限るものではない。

なお、支持部材１６が加熱手段を兼ねる構成にしても同様の効果が得られる。

（実施の形態４）
図６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分極装置の外観斜視図である。図６において実施の形態１と異なるところは、支持部材１８に固定された導電性繊維で構成された導電体１３を空隙を介して複数設け、可撓性感圧体１２が連続して導電体１３と接触するように構成している点である。なお、実施の形態１および２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電圧印加手段１７の出力は、芯電極１１と複数個設けた支持部材１６の各々に電圧印加手段１７の出力を接続し、この支持部材１６は並列接続している。こうすることで、各々の支持部材１８に固定された複数の玉鎖の導電体１３に効率良く電圧印加手段１７の出力が印加されることとなる。

例えば、導電体１３が固定された支持部材１６の長さを２ｍで構成した場合、可撓性感
圧体１２の欠陥箇所の前後２ｍ（計４ｍ）は分極時間が所定時間より短い、もしくは分極できていない不良箇所となる。しかし、０．５ｍの支持部材１８に固定された導電体１３を４個設けた場合では、欠陥箇所の前後０．５ｍ（計１ｍ）が不良箇所となり、不良箇所を１／４に低減できるため歩留まりを向上することができる。

また、支持部材１６を複数設け、各々の分支持部材１６と芯電極１１間に印加される電圧あるいは電流値を測定することによって、どの支持部材１６内に欠陥箇所があるかを検知することができ、可撓性感圧体１２の欠陥箇所の判定にも寄与できる。

また、支持部材１６の長さ、連続個数を、移動手段１５による移動速度とともに調整して、分極時間の調節を行うことが可能であり、可撓性圧電体１２の使用目的に合致する条件での分極条件を選択できるように構成することも可能である。

以上のように、本発明にかかる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、可撓性感圧体が複数の導電性繊維で構成された導電体を可撓性感圧体の全周で接触するように構成にすることで、均一に満遍なく分極し、特性ばらつきのない安定した特性を得ることができるので、圧電体等の分極装置に利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１における分極装置の導電体である導電性繊維の構成を示す断面図 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３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における分極装置の導電体の断面図 本発明の実施の形態４における分極装置の構成を示す外観斜視図 従来の圧電ケーブルセンサの構成を示す外観見取り図 従来の圧電ケーブルセンサの分極装置の構成を示す外観斜視図

符号の説明

１１ 芯電極
１２ 可撓性感圧体
１３ 導電体
１４ 加熱手段
１５ 移動手段
１６ 支持部材
１７ 直流電圧発生手段
１８ 発熱体
１９ 絶縁体
２０ 導電体

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全周に接触するように複数の導電性繊維で構成された導電体と、前記芯電極と前記導電体に接続された電圧印加手段と、前記可撓性感圧体を加熱する加熱手段と、前記可撓性感圧体を前記導電体に接触しながら移動させる移動手段とを設けた圧力センサの分極装置。
2. 複数の導電性繊維で構成された導電体は、導電性材料で構成した支持部材に固定されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサの分極装置。
3. 導電性繊維の先端部に曲率を持たせる構成にした請求項１または２記載の圧力センサの分極装置。
4. 導電性繊維の側面は筒状であることを特徴とした請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサの分極装置
5. 可撓性感感圧体の全周を囲むように導電性繊維を配設することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧力センサの分極装置
6. 電圧印加手段による電圧印加中に可撓性感圧体が導電体に接触しながら少なくとも１回転するように回転させることを特徴とした請求項１から４のいずれか１項に記載の圧力センサの分極装置。
7. 導電体が、加熱手段を兼ねる構成とした請求項１から５のいずれか１項に記載の圧力センサの分極装置。
8. 支持部材に固定された導電体を空隙を介して複数設け、可撓性感圧体が連続して導電体と接触するように設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の圧力センサの分極装置。
9. 電圧印加手段は芯電極と支持部材に接続する構成とした請求項２から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。
10. 芯電極に可撓性感圧体を周設するステップと、前記可撓性感圧体を分極する複数の玉鎖で構成された導電体と前記芯電極に接続された電圧印加手段により電圧を印加するステップと、分極中に前記可撓性感圧体を加熱するステップとからなる圧力センサの分極方法。