JP2009150682A

JP2009150682A - 圧力センサの分極装置およびその分極方法

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Publication number: JP2009150682A
Application number: JP2007326894A
Authority: JP
Inventors: Yuko Fujii; 優子藤井; Taku Hashida; 卓橋田; Yu Fukuda; 祐福田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】可撓性感圧体の全てを確実に分極するとともに、特性のばらつきを抑制し、変形などが生じないようにすることを目的とする。
【解決手段】芯電極１に周設された可撓性感圧体２と、この可撓性感圧体２の全周で接触するように可撓性感圧体の通路を有した分極電極３と、芯電極１と分極電極３に接続された電圧印加手段６と、可撓性感圧体２を加熱する加熱手段４と、分極電極３を可撓性感圧体２に接触しながら移動させる移動手段５とを設けることによって、可撓性感圧体２に均一に分極電極を接触させることができ、全周囲から均一に満遍なく分極することが可能となる。さらに、分極時に可撓性感圧体２を移動させる必要が無く、過剰な張力などが印加されるのを抑制することが出来るので、例えば可撓性感圧体３がプーリー７やロール等に接した際など変形などを可及的に抑えることができる。
【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８示すようなものがある。すなわち、芯電極１０１の周囲に可撓性感圧体１０２を配置し、その周囲に外側電極１０３と外皮１０４を順次被覆して構成されている。

可撓性感圧体１０２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１０３は可撓性感圧体１０２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１０１と外側電極１０３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（例えば、特許文献１参照）。

分極方法は、芯電極１０１と外側電極１０３の間に高電圧を印加して、可撓性感圧体１０２を分極している（例えば、非特許文献１参照）。

また、図９示すように、可撓性感圧体１０２をブロック状分極電極１０５の通路に配設させ、このブロック状分極電極１０５と芯電極１０１間に電圧を印加させることにより、ブロック状分極電極１０５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１０１と外側電極１０３の間に高電圧を印加したときに、可撓性感圧体１０２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１０２の構成材料が熱的に蒸発、飛散して芯電極１０１と外側電極１０３間が短絡し、芯電極１０１と外側電極１０３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、ブロック状分極電極１０５に可撓性感圧体１０２を配設し、この可撓性感圧体１０２を移動手段１０７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１０２はケーブル状をなしているので、ブロック状分極電極１０５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、ブロック状の分極電極１０５を加熱手段１０６によって加熱することによって、可撓性感圧体１０２を加熱する場合においても、可撓性感圧体１０２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。

さらに、分極の際に芯電極と分極電極との間に引力が発生するため、分極しながら可撓性感圧体を移動させると可撓性感圧体に過剰な張力が加わってしまうので、例えばプーリーやロール等を介して可撓性感圧体を移動させると可撓性感圧体がプーリー等に接した際に張力等によって可撓性感圧体が変形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、可撓性感圧体の通路を有した分極電極を可撓性感圧体の全周で接触させ、分極電極を移動させることで可撓性感圧体を分極する構成にすることで、可撓性感圧体に余剰な張力を印加させることなく均一に満遍なく分極させることで、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などの分極装置は、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で接触するように通路を有した分極電極と、前記芯電極と前記分極電極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、前記分極電極を前記可撓性感圧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分極電極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。

さらに、分極電極を移動させて可撓性感圧体を分極するため、分極時に可撓性感圧体を移動させる必要が無く、過剰な張力などが可撓性感圧体に印加されるのを抑制することが出来るので、例えば可撓性感圧体がプーリーやロール等に接した際などによって生じる変形などを抑制することができる。

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、可撓性感圧体の通路を有した分極電極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。

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で接触するように可撓性感圧体の通路を有した分極電極と、前記芯電極と前記分極電極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分極電極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分極電極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。

第２の発明は、特に、第１の発明において、分極電極がコイル状の形状としたものである。

そして、分極電極がコイル状の形状として、コイルの中心を可撓性感圧体の通路とするので、コイル直径と可撓性感圧体の直径のサイズを調整することで、コイルの内周面と可撓性感圧体周縁との接触抵抗を低減させることが容易である。

また、コイルの巻き密度を操作することによって、その接触抵抗を小さくすることも可能である。

このように接触抵抗を小さくしても、可撓性感圧体の外周を必ず分極電極が覆う構成が可能であり、全周囲から分極することが可能となる。

第３の発明は、第１の発明において、可撓性感圧体を移動させる第二の移動手段を設け、第二の移動手段は電圧印加手段が停止している時に動作する構成にすることによって、分極時に生じる分極電極と芯電極間の引力の影響も受けないので過剰な張力などが可撓性感圧体に印加されるのを抑制しながら、長尺の可撓性感圧体を分極することが可能になる。つまり、分極装置内に配設されている可撓性感圧体は分極電極を移動させることで分極し、分極終了時点で第二の移動手段によって分極された可撓性感圧体を移動させるとともに、分極されていない可撓性感圧体を分極装置内に配設させることができるため、長尺の可撓性感圧体を分極することが可能となる。さらに、第二の移動手段は電圧印加手段の出力が停止している時に行うので、分極時に生じる分極電極と芯電極間の引力の影響も受けないので、過剰な張力などが可撓性感圧体に印加されるのを抑制することも可能となる。

第４の発明は、特に、第１の発明において、支持部材に固定された分極電極を空間
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５の発明は、特に、第４の発明において、分極電極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分極電極に接続するだけで各々の分極電極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６の発明は、特に、第１の発明において、分極電極が加熱手段を兼ねる構成としたものである。そして、分極電極が加熱手段を兼ねるので、可撓性感圧体の周縁の少なくとも一部に接して分極しながら加熱を周囲から同時に行うので、分極効率を向上させることができる。

例えば、分極電極は、発熱体を内蔵し、絶縁体を介して導電体を設けた構成として、導
電体に直流電流印加手段を接続し、電圧を印加しながら発熱体により絶縁体と導電体を介して、可撓性感圧体を加熱するようにするものである。

第７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可撓性感圧体の通路を有した分極電極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。

第８の発明は、特に第７の発明において、可撓性感圧体の芯電極をアース電位にして、前記芯電極と分極電極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分極電極に限定できるので、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において、ケーブル状圧力センサは芯電極１に周設された可撓性感圧体２が形成される。

芯電極１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２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２は、可撓性感圧体の通路を有した分極電極３に全周で接触するように配設される。

分極電極３として、鉄、ステンレス、銅、黄銅、アルミニウム等を用いる。

本実施の形態において、分極電極３をコイル状の形状とした。材質はアルミニウムを使用し、内径は３ｍｍでコイルピッチは０．３ｍｍとした。

また、分極電極３を加熱することで可撓性感圧体２を加熱する加熱手段４を分極電極の下部に設けた。

この分極電極３に電圧印加手段６の出力を接続して、可撓性感圧体２を分極する。可撓性感圧体２を加熱しながら分極電極３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。

さらに、分極電極３を移動させる移動手段５を設けている。

本実施の形態において、移動手段５は、分極電極３上にレールと一体になったモータを設けることで、分極電極３が可動する構成としており、この移動手段５によって分極電極３を可撓性感圧体２に接しながら移動させることが可能になる。

移動手段５であるモータのスピードを変化させることによって、分極電極３が可撓性感
圧体２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５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。

このように接続して、電圧印加手段６により、芯電極１と分極電極３間に高電圧が印加されるので、可撓性感圧体２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２の中に微少な欠陥が含まれ、その部分が分極電極３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分極電極３と芯電極１間に高電流が流れ、短絡するために分極できなくなるが、欠陥部が分極電極３から脱離し、分極電極３に配設されている可撓性感圧体２中に欠陥がなければ、分極電極３と芯電極１間の絶縁性は再び回復するので、分極が可能となる。

このように本実施の形態の分極装置によれば、欠陥を含む部分が分極電極３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２が全体にわたって分極できなくなることはない。

また、本実施の形態において、可撓性感圧体２の芯電極１をアース電位にして、芯電極１と分極電極３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分極電極３に限定でき、人体への安全を確保できる。

本構成にすることによって、可撓性感圧体２の全周囲を分極電極３で接触しながら分極することができるので、可撓性感圧体２の全周囲から均一に満遍なく分極することが可能となり、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。

さらに、分極電極３はコイル形状をなしているので、可撓性感圧体２の全周囲を分極電極３で密着するよりも、可撓性感圧体２との接触抵抗を低減した状態で分極電極３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２の傷を防ぐこともできる。

さらに、分極しながら分極電極３を移動させることによって、可撓性感圧体２がプーリーやローラー等に接した際などによって生じる変形などを抑制することができる。

つまり、電圧印加手段６を動作中に可撓性感圧体２を移動させる場合、芯電極１と分極電極３間の引力と可撓性感圧体２と分極電極３の摩擦の両方の力が必要になるため、大きな力が必要になる。

例えば長尺の可撓性感圧体３を分極する場合には、可撓性感圧体２を蛇行させて配設することが分極装置のスペースとして有効であるが、その際には可撓性感圧体２の進行方向を変更させるプーリーやローラー等が必要となる。

図２にプーリー７を介した分極装置を示す。

本実施の形態において、２０ｍの可撓性感圧体２を分極するため、５ｍの可撓性感圧体２を１列に配設し、プーリー７を３個用いることで４列配設する構成とした。

通常、プーリー７を介して可撓性感圧体２を移動させる場合、大きな張力で可撓性感圧体２を引っ張るために、プーリーによって可撓性感圧体２が押しつけられてしまい、変形するなどの課題があったが、本実施の形態のように分極電極３が移動することで可撓性感圧体２を連続的に分極することができるため、直接可撓性感圧体３がプーリー等によって変形することがないため、信頼性を向上することができる。

また、図９示す従来の分極装置では、ブロック状分極電極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、ブロック状分極電極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、本実施の形態の分極装置を使用し、可撓性感圧体２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１．１３倍以下に抑えられた。

よって、電圧印加手段６による電圧印加中に可撓性感圧体２が可撓性感圧体の通路を有した分極電極３によって、可撓性感圧体２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。

また、電圧印加手段６による電圧印加中に可撓性感圧体２が分極電極３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２と分極電極３とが接触しない箇所を低減でき、満遍なく分極電極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２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は実施の形態２を示し、実施の形態１と異なるところは、長尺の可撓性感圧体２を連続的に分極するため、可撓性感圧体３を移動させる第二の移動手段８を設けている点である。

なお、図１に示すものと同一の作用をする構成については同一符号を付し、具体的な説明は実施の形態１のものを援用する。

第二の移動手段８は電圧印加手段６が停止している時に動作する構成となっている。

本構成にすることによって、分極時に生じる分極電極３と芯電極１間の引力の影響も受けないので過剰な張力などが可撓性感圧体２に印加されることなく、長尺の可撓性感圧体１２を連続して分極することが可能になる。

つまり、分極装置内に配設されている可撓性感圧体２は分極電極３を移動させることで分極し、分極終了時点で第二の移動手段８によって分極された可撓性感圧体２を移動させるとともに、分極されていない可撓性感圧体２を分極装置内に配設させることができるため、長尺の可撓性感圧体２を分極することが可能となる。

さらに、第二の移動手段８は電圧印加手段６の出力が停止している時に行うので、分極時に生じる分極電極３と芯電極１間の引力の影響も受けないので、過剰な張力などが可撓
性感圧体に印加されるのを抑制することも可能となる。

さらに、分極電極３はコイル形状をしているので、分極電極と可撓性感圧体の接触抵抗を低減でき、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なども低減できる。

（実施の形態３）
図４は実施の形態３を示し、実施の形態１および２と異なるところは、支持部材９に固定された分極電極３を空隙を介して複数設け、可撓性感圧体２が連続して分極電極３と接触するように構成している点である。

なお、図１，３に示すものと同一の作用をする構成については同一符号を付し、具体的な説明は実施の形態１，２のものを援用する。

本実施の形態において電圧印加手段６の出力は、芯電極１と支持部材９に接続し、この支持部材９は並列接続している。

こうすることで、各々の支持部材９に固定された複数の分極電極３に効率良く電圧印加手段６の出力が印加されることとなる。

例えば、分極電極３が固定された支持部材９の長さを２ｍで構成した場合、可撓性感圧体２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９に固定された分極電極３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９を複数設け、各々の支持部材９と芯電極１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９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２の欠陥箇所の判定にも寄与できる。

また、支持部材９の長さ、連続個数を、移動手段５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２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。

（実施の形態４）
図５は、実施の形態４を示し、実施の形態１，２と異なるところは、分極電極３が加熱手段４を兼ねる構成としている点である。

図６に示すようにコイル状の分極電極３は、発熱体９の上下面に絶縁体１０を形成し、その絶縁体１０の表面に導電１１を設けて構成している。

本実施の形態４において、発熱体９はシート状のステンレス箔を使用し、絶縁体１０は酸化マグネシウム、導電体１１はステンレスを使用した。

発熱体９は電源に接続されることで発熱し、直流電圧発生手段６は芯電極１と導電体１
１に接続することによって、高電圧を可撓性感圧体２に印加することができる。

本構成にすることによって、簡単な構成で分極電極３と加熱手段４とを一体化でき、分極装置を小型化することができる。

さらに、加熱手段４がコイル形状をなしているので、可撓性感圧体２を同軸方向から素早く加熱でき、均一に可撓性感圧体２を加熱することが可能となる。

この結果、可撓性感圧体２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。

さらに、図７に示すように、分極電極３を発熱体９の外周に設けられた絶縁体１０と、同絶縁体１０の外周に設けられた導電体１１とで構成することによって、発熱体９の外周を同軸状に絶縁体１０及び導電体１１が覆っているので均熱性を向上することができる。

このため、より分極効率を向上することができる。また、本実施の形態４の分極装置は、図９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２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４がコイル形状をなすことによって可撓性感圧体２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９としてステンレス箔、絶縁体１０として酸化マグネシウム、導電体２２としてステンレスを使用したが、それに限るものではない。

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、可撓性感圧体が可撓性感圧体の通路を有した分極電極を可撓性感圧体の全周で接触するように構成するとともに、分極電極を移動させて可撓性感圧体を分極することで、過剰な張力を可撓性感圧体に印可させることなく均一に満遍なく分極することができる。そのため、可撓性感圧体の変形などが無く、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における分極電極の構成を示す外観斜視図本発明の実施の形態４における分極電極の断面図本発明の実施の形態４における他の分極電極の断面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構成を示す外観見取り図

符号の説明

１芯電極
２可撓性感圧体
３分極電極
４加熱手段
５移動手段
６直流電圧発生手段
８支持部材
９第二の移動手段

Claims

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で接触するように通路を有した分極電極と、前記芯電極と前記分極電極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、前記分極電極を前記可撓性感圧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。
分極電極は、コイル状の形状とした請求項１記載の圧力センサの分極装置。
可撓性感圧体を移動させる第二の移動手段を設け、第二の移動手段は電圧印加手段が停止している時に動作することを特徴とした請求項１記載の圧力センサの分極装置。
支持部材に固定された分極電極を空隙を介して複数設け、可撓性感圧体が連続して分極電極と接触するように設けた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。
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４に記載の圧力センサの分極装置。
分極電極が、加熱手段を兼ねる構成とした請求項１記載の圧力センサの分極装置。
芯電極に可撓性感圧体を周設するステップと、全周で接触するように通路を有した分極電極と、前記芯電極と前記分極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。
可撓性感圧体の芯電極をアース電位にして、前記芯電極と分極電極の間に直流電圧を印加する請求項７記載の圧力センサの分極方法。