JP2009265056A - 圧力検出素子および圧力検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】弱い圧力を検出する場合にも十分な感度が得られ、圧力検出のために複雑な回路やアルゴリズムを不要としたことを目的とする。
【解決手段】可撓性感圧体２の両側を間隔をおいて配置した固定部３により固定し、その固定部３間では外部から支持しない状態として圧力検出部４を構成する。このような構成をとることにより、可撓性感圧体２が本来有している固有振動に対応する振動数で、圧力Ｐｏ印加時の撓みが大きくなるために、高い感度が実現される。また、この振動数は、固定部３間の可撓性感圧体２の張り方を変えることで調整可能である。従って、検出したい外部からの圧力の周波数に、応答電圧が最大となる周波数を合わせることで、高い感度で圧力を検出することが可能となり、複雑な回路やアルゴリズムが不要になり、また、上記の特有の周波数を有する圧力成分を抽出して検出することが可能となり、他の周波数成分のノイズの影響を受け難くなる。
【選択図】図１

Description

可撓性を有する感圧体を用いて外部から印加される圧力を検出する圧力検出素子に関するものである。

図８に示すように、従来、この種の圧力検出素子に用いられる可撓性感圧体２１は、複合圧電体２２の上下に電極２３を形成するとともに、表面を保護層２４で覆った層状の構造を採用している。

複合圧電体２２内の残留分極の方向は示していないが、通常、電極２３の間に高電圧を印加して分極を形成するために、前記電極１３の面の垂直方向に残留分極が形成されている。

上記の複合圧電体２２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等の圧電セラミックス粉末を添加した複合体が用いられる。

電極２３は、複合圧電体２２に銅、アルミニウム、金等の金属箔を接着剤等により接着するか、蒸着することで構成される。

上記の可撓性感圧体２１に外部から動的圧力が加えられると、複合圧電体２２に加速度を伴う歪みが発生し、同時に圧電効果により電圧が発生する。この電圧を二つの電極２３を介して応答電圧として測定することで動的圧力が検出される。

また、図９に示すように、圧力検出素子に用いられる可撓性感圧体２５としてケーブル状のものもある。

具体的には、内部電極２６の周りに複合圧電体２７を、さらにその外部に外部電極２８、保護層２９をそれぞれ配置してケーブル状の可撓性感圧体２５が形成されている。通常、内部電極２６と外部電極２８の間に高電圧を印加して分極を形成するために、内部電極２６から外部電極２８へ放射状に残留分極が形成される。

図９の複合圧電体２７には、先のシート状の可撓性感圧体と同様の複合体が用いられる。

内部電極２６は、金属等の導電体を線状とした線状導電材が用いられ、また、外部電極２８は複合圧電体２７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。

圧力の検出は、動的圧力の印加による加速度を伴う歪に起因して発生する応答電圧を測定することにより行われる。この応答電圧が感度に相当する（例えば、特許文献１参）。

ここで、上記で使用した動的圧力と、これに対応する静的圧力に関して、その定義を説明する。

動的圧力は、対応する応力と釣り合っていない圧力であり、結果的に動的圧力が印加された物体に加速度を生じさせるものである。

これに対し、静的圧力は、対応する応力と完全に釣り合っている圧力であり、結果的に静的圧力の印加された物体には加速度は発生しない。

このため、静的圧力は、上記の可撓性感圧体を利用して応答電圧を測定する圧力検出素子では検出されない。

以下で用いる圧力は、特に断らない限り、可撓性感圧体を用いた圧力検出素子で検出可能な上記の動的圧力を意味するものとする。

次に、実際に可撓性感圧体を用いて圧力を検出する場合、従来、図１０のように可撓性感圧体３０を用いて使用されていた。

図１０（ａ）では、可撓性感圧体３０が剛体の上に固定されている。この場合、上部から圧力Ｐｏが印加されると、可撓性感圧体３０に圧力Ｐｏが印加された部分が局所的に歪む。

また、図１０（ｂ）では、可撓性感圧体３０の下部に、ゴムあるいはエラストマのような変形し易い材料で構成される部材が配置され、可撓性感圧体３０を下から支持している。

この場合、上部から圧力Ｐｏが印加されると、可撓性感圧体３０に圧力Ｐｏが印加された部分だけでなく、その周辺の部分も下部に撓んで歪む。

また、図１０（ｃ）では、可撓性感圧体３０の下部と上部に、ゴムあるいはエラストマのような変形し易い材料で構成される部材が配置され、可撓性感圧体３０を上下から支持している。

この場合、上部から圧力Ｐｏが印加されると、ゴムあるいはエラストマを介して、可撓性感圧体３０に圧力Ｐｏが印加され、図１０（ｂ）と同様に、圧力Ｐｏが印加された箇所の周辺の部分も下部に撓んで歪む。そして、可撓性感圧体３０の撓むで歪む領域は、図１０（ｂ）に比較して広くなる。

上記の図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３つの例のように、従来は、可撓性感圧体３０が下から、あるいは上下から支持されており、このため、可撓性感圧体３０は自由に変形し歪むことができなかった。

言い換えれば、可撓性感圧体３０は、本来、特に振動が容易で、振幅が大きくなり易い固有振動に相当する周波数を有しているが、上記のように上下から支持され、動きが束縛されているところから、固有振動に相当する周波数依存性が発現することはなく、また、製造後にはこの固有振動に相当する周波数を変えることもできなかった。
特開昭６２−２３００７１号公報

しかしながら、前記従来の可撓性感圧体を用いた圧力検出素子は、微小な圧力を検出する場合に、ノイズに対して十分な応答電圧が得られず、圧力検出の精度を上げるために複雑な回路、アルゴリズムが必要にな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、外部からの圧力印加により発生する応答電圧を増大させることで、複雑な回路、複雑なアルゴリズムが不必要となるような圧力検
出素子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、本発明は、感度の周波数依存性を有する圧力検出部を備えた可撓性感圧体からなり、前記感度の周波数依存性を可変としたものである。

こうすることにより、極めて高い感度で外部から印加される圧力を検出することが可能となる。

本発明の圧力検出素子によれば、複雑な回路、アルゴリズムを用いることなく、外部からの圧力印加を精度良く検出することが可能となる。また、精度良く検出できる周波数領域が広がる効果も得られる。

第１の発明の圧力検出素子は、感度の周波数依存性を有する圧力検出部を備えた可撓性感圧体からなり、前記感度の周波数依存性を可変としたものである。

上記の圧力検出素子を用いる際に、感度が概極大となる周波数を外部から印加される圧力の周波数に合わせることで、高い感度で、外部から印加される圧力を検出することが可能となる。また、様々な圧力が印加される場合に、特定の周波数成分を抽出して検出することが可能である。この場合、ノイズとなる他の周波数成分の影響を低減することができる。

第２の発明は、第１の発明において、間隔をおいて配置した固定部で可撓性感圧体の両側を固定して、これら固定部間の可撓性感圧体を圧力検出部に設定し、さらに前記固定部間の距離を可変としたものである。

この構成を採用することで、圧力検出部の可撓性感圧体は変形する領域が固定部間に限定され、その領域では外部から規制を受けることなく自由に変形することが可能となる。

このため、可撓性感圧体が元来有する固有振動に対応する周波数特性が発現し、この固有振動数に対応する周波数で可撓性感圧体の変形による歪みが大きくなる。

さらに、この固定部間の距離が可変であるため、固有振動数を検出する外部からの圧力の周波数に合わせることが可能であり、こうすることで、外部からの圧力印加を高感度に検出することが可能となる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、圧力伝達部支持部で支持された圧力伝達部を介して外部から印加された圧力を圧力検出部へ伝達するようにし、外部から圧力が印加されない状態で前記圧力伝達部が圧力検出部を所定の力で押しており、前記押す力が可変である構成としたものである。

圧力伝達部は前記圧力検出部を一定の力で下方へ押しているが、その力の強さで、固定部間の可撓性感圧体の固有振動数が決まる。さらに、この下方へ押す力が可変であるために、検出すべき外部からの印加圧力の周波数に、前記の可撓性感圧体の固有振動数を合わせることが可能となる。この結果、可撓性感圧体の圧力検出部への圧力印加の精度が向上し、高い精度で圧力を検出することが可能となる。

第４の発明は、残留分極を有する複合圧電体と、前記複合圧電体の内部に接触して形成
された内部電極と、前記複合圧電体の外部に接触して形成された外部電極とで可撓性感圧体をケーブル状としたものである。

このようにケーブル状の構造を有することにより、連続的な押し出し工程で製造が可能であるため、より製造が容易となる効果が得られる。また、ケーブル状で中心対称な構造を有しているため、残留分極は中心から放射状に形成される。このため、どの方向からの圧力印加に対しても等方的な検出が可能となる。

第５の発明は、線状の圧力検出部を含み、感度を概極大とする周波数が可変である圧力検出素子を用いる圧力検出方法であって、前記の感度が概極大となる周波数を、外部から印加される圧力の周波数に合わせる圧力検出方法である。

この方法とすることで、高い感度で、外部からの圧力印加を検出することが可能となる。

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に示す圧力検出素子１は、可撓性感圧体２の両側が間隔をおいて配置した左右の固定部３によって固定されている。

そして、この可撓性感圧体２のうち左右の固定部３の間にある部分が外部から印加される圧力Ｐｏを検出する圧力検出部４として機能するものである。

次に、本実施形態の圧力検出素子１の作用を説明する。

外部から圧力Ｐｏが印加されると、左右の固定部３で挟まれた可撓性感圧体２の領域、つまり、圧力検出部４のみが下方に撓む。

このとき、圧力検出部４は外部から支持されていないため、両端を固定された弦に相当する固有振動数を有し、その振動数が外部から印加される圧力Ｐｏの振動数に近くなると下部への撓み歪が大きくなる。

これは、図１０で説明した従来の可撓性感圧体の場合の撓み方とは明確に異なるものである。

既に説明したように、従来の場合は、可撓性感圧体３０が自由に撓もうとしても、剛体あるいはゴム、エラストマにより、上あるいは下から支持されていたため、自由に変形することが許されず、可撓性感圧体３０の固有振動数に対応する特定の振動数で撓みが大きくならことはなく、高い感度は得られなかった。

ところで、可撓性感圧体２は、圧電セラミックスや有機の圧電体のような圧電材料を含んで構成される。

このため、上記の撓みの変形に伴う圧電効果により、可撓性感圧体２中に分極を生じ、それに応じて応答電圧が発生する。

この応答電圧が感度に相当するが、撓みによる歪みが大きければ、この感度に相当する応答電圧も高くなる。

この応答電圧の周波数依存性を示したものが図２である。すなわち、従来の圧力検出素子に対応する応答電圧（ｂ）は、周波数依存性が小さいが、上記で説明した理由のために、本実施の形態の圧力検出素子１に対応する応答電圧（ａ）は、周波数依存性が大きいことがわかる。

一方、応答電圧が極大となる周波数ｆｍａｘは、使用時に調整が可能である。例えば、可撓性感圧体２を固定部３で固定する場合に、この固定部３の固定状態のｏｎ，ｏｆｆの切り替えができるようにすれば、固定部３間の可撓性感圧体２の張り方を調整することが可能となり、周波数ｆｍａｘを調整することができる。

具体的には、張り方が弱く、可撓性感圧体２に生じる張力が小さいとｆｍａｘは小さくなり、張り方が強く、生じる張力が大きいとｆｍａｘは大きくなる。

こうして、応答電圧が極大となる周波数ｆｍａｘを外部から印加される圧力Ｐｏの周波数に合わせて圧力検出を行うことにより、極めて高い感度で圧力検出を行うことが可能となる。

この結果、複雑な回路や、アルゴリズミを用いなくとも、高い精度で圧力検出を行うことが可能となる。

また、印加される多くの圧力成分から、必要な振動数（ｆｍａｘ近傍の振動数）を有する圧力のみを抽出して検出することも可能となり、ノイズとなる他の周波数を有する圧力の影響も低減される効果も得られる。

ここで、上記の応答電圧の測定方法に関して説明する。

まず、加振機に圧子接続し、これを一定の周波数で垂直方向に上下に振動させることで、振動圧力を垂直に圧力検出部に加える。

このことにより可撓性感圧体２の電極間には振動電圧が発生する。その極大値と極小値との電圧差を測定して応答電圧とする。この際、可撓性感圧体２が有する静電容量よりも十分大きい入力容量を有する測定装置を用いる。このことで、測定装置の回路特性による、周波数依存性を抑制することができる。また、この時、振動圧力の最大値が一定になるように、振幅を調整する。

引き続き、同様にして周波数を変えて測定を繰り返し行うことで、応答電圧の周波数依存性を把握することができる。

このような圧力検出素子１は、微小な圧力を高い精度で検出可能であるため、外部から印加される圧力が小さな場合、例えば、特にセキュリティ用途に、バルコニーやフェンス等の家屋の外部に設置して、侵入者を検知する場合に、ゆっくり侵入する人を検知する場合適している。

また、自動車のドアへの人やものの挟みこみ検知をする場合には、特にゆっくり挟まれる場合の検出に適している。また、自動車のドアハンドルに触れるだけでドアの施錠を解除するために、ドアハンドルへの接触を検知する用途に対しても、ゆっくり触れた場合の検出に適している。

また、他の振動ノイズがある場合に、その振動を除いて特定の周波数成分を有する圧力
を抽出することでノイズを低減し、検出精度を向上させることができるため、屋外や、自動車などの近くで振動ノイズの多い場所での用途に適している。

ところで、上述のように周波数依存性が大きくなる理由は、既に述べたように、本実施の形態では、可撓性感圧体２が他から拘束されることなく自由に変形するために、固有振動数に対応する特定の振動数で撓み、歪みが大きくなるためである。

図１では、可撓性感圧体２の断面構造は省略しているが、例えば、図３に示すようなケーブル状の構造をとることができる。

すなわち、可撓性感圧体２は、中心に内部電極５を有し、この周囲に複合圧電体６が、また、その外側に外部電極７がそれぞれ形成され、さらに、全体を保護するために最外層に保護層８が形成されている。保護層８は内部の強度が保たれていれば必ずしも必要ではない。

外部から圧力Ｐｏが印加されると、可撓性感圧体２が下方へ撓んで歪む。この歪みにより、図３に示したように、複合圧電体６にも歪みが生じる。

この複合圧電体６は、圧電セラミックス粉末と可撓性を有する有機高分子とを含む複合体から構成されるため、上記の撓み歪みによる圧電効果により、内部に分極が生じ電圧が生じる。この応答電圧を内部電極５と外部電極７との電位差として取り出すことにより、感度に対応する応答電圧が検出される。

可撓性感圧体２の構造としては、ここで説明したケーブル状のもの以外に、シート状のものもあり、形状、形態に限定される訳ではない。

但し、以下の理由からケーブル状のものが好ましいため、具体的な実施の形態ではケーブル状のものを用いた例に関して説明する。

上述のケーブル状の形態が好ましい理由は、以下の通りである。つまり、連続的な押し出し工程に製造が可能であるため製造が容易となること、また、中心対称な構造を有しているため、残留分極は中心から放射状に形成され、どの方向からの圧力印加に対しても等方的な検出が可能となることである。

従って、圧力応答手段が配設時に回転したり捻れたりした場合でも、応答電圧に変化が生じ難い。この結果、配設の自由度が高くなり、安定した圧力印加の有無の判定が可能となる効果が得られる。

図４、図５を用いてさらに詳しく説明する。同じ構成の部分については同じ作用効果を奏するものであり同じ符号を付して説明を省略した。従って、異なる部分についてのみ説明する。

図４のものが図１と異なるのは、固定部３を保持する基体１１が加えられている点と、外部からの圧力Ｐｏを圧力検出部３に伝える圧力伝達部９と、これを支持する圧力伝達部支持部１０とが加えられている点である。

まず、基体に関して説明する。

図４（ａ）より、固定部３は基体１１に長手方向移動自在、つまり、それらの間隔が調整できるように配置されている。

具体的には、基体１１の長手方向に添って溝を設け、その溝に固定部３をはめ込んで長手方向にスライドできるようにし、それらの間隔を調整することができるようにしてある。

あるいは、基体１１に一定間隔でネジ孔を設け、その位置に固定部３をネジで固定することもできる。

また、基体１１を強磁性体を含む材料で構成し、固定部３の下部に、磁石を回転させる等して垂直方向の磁気モーメントをオン、オフできる機構を設けて、さらに基体１１の任意の位置に固定部３を移動させた後に、垂直方向の磁気モーメントをオンして固定することもできる。

基体１１に保持された固定部３間の距離を調整する方法は、勿論、上記のものに限定されるものではない。

このように、基体１１上の異なる複数の位置に固定部３を保持することを可能にすることで、それらの間隔を可変とし、感度に対応する応答電圧が概極大となる周波数を、検出すべき外部からの圧力の周波数に合わせて調整することが可能となる。

この結果、応答電圧が大きくなり、精度の高い圧力の検出が可能となる。

次に、圧力伝達部９、圧力伝達部支持部１０の作用に関して説明する。

図４（ａ）において、圧力伝達部９は圧力検出部４の上部に配置され、外部からの圧力Ｐｏが印加されると、下方へ移動して、圧力検出部４を下方へ押し下げることで、外部からの圧力Ｐｏを圧力検出部４へ伝える作用を有するものである。

また、図４（ｂ）より、圧力伝達部支持部１０は、圧力伝達部９を支持して一定の高さに保つ作用を有する。

具体的には、外部から圧力Ｐｏが圧力伝達部９に印加されると、圧力伝達部支持部１０にも下方の力が印加され、圧縮あるいは撓むこととなる。

こうして、最終的に圧力伝達部９を押し下げることで、圧力Ｐｏを圧力検出部４に伝える。

一方、圧力Ｐｏの印加が解除されると、圧力伝達部支持部１０も圧縮、撓みが解除されて、もとの形状に回復することで、圧力伝達部９を元の位置に回復させて保持する。

このように、圧力伝達部支持部１０は、圧力伝達部９を圧力Ｐｏの印加に応じて可逆的に好ましい位置に支持する作用を有する。

このような圧力伝達部９と圧力伝達部支持部１０を有することで、外部から圧力Ｐｏが印加される際に、印加される場所が、左右にばらついた場合でも、圧力伝達部９が、圧力検出部４と接触する同じ領域にばらつかずに再現性良く圧力が伝達され、結果的に圧力検出部４の撓み歪みが再現性よく進行する。

このため、応答電圧の再現性も向上して、圧力検出の再現性が向上する効果が得られる。

次に、固定部３の間隔を変化させた時の応答電圧の変化を図５を用いて説明する。

図５には固定部３の間隔ＬがＬ１およびＬ２（Ｌ１＞Ｌ２）の場合に、外部から印加される圧力Ｐｏの周波数が変化した際に応答電圧がどう変化するかを示している。

固定部３の間隔を小さくする（Ｌ１→Ｌ２）ことで、応答電圧が概極大となる周波数は高くなる（ｆＬ１→ｆＬ２）ことがわかる。

このように、固定部３の間隔を調整することで、応答電圧の周波数依存性を調整することが可能となる。

圧力検出素子１に用いられる可撓性感圧体、固定部、圧力伝達部、圧力伝達部支持部に用いられる材料に関して説明する。

まず、可撓性感圧体２を構成する材料に関して説明する。

可撓性感圧体２中で圧電効果を司る複合圧電体６は、可撓性を有する有機高分子としての合成ゴムや合成樹脂の中に圧電セラミックス粉末が分散されて構成される。

合成ゴムや合成樹脂としては、塩化ビニル、塩素化ポリエチレン等の熱可塑性エラストマ、ＥＰＤＭ等の加硫ゴム等が用いられる。また、圧電セラミックスとしては、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、チタン酸ビスマス・ナトリウム−チタン酸バリウム、ニオブ酸アルカリ等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等圧電性を発現するセラミック材料が用いられる。

この中でもペロブスカイト構造を有する化合物が、特に好適に用いられる。これは、可撓性を有する有機高分子と複合化した場合に、圧電セラミックス粉末の配向によらず、任意の方向に分極が可能となり、結果的に高い残留分極が得られ、高い感度が実現されるためである。

また、複合圧電体６中の圧電セラミックスとしては、廃棄時の処理を考えると、鉛を含まないものが好ましい。

例えば、チタン酸バリウム、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−チタン酸バリウム、ニオブ酸アルカリ等が好適に用いられる。

さらに、セキュリティ用途等屋外で用いられる場合や、トイレ、風呂、台所等水を使用する環境では、上記圧電セラミックス粉体が撥水処理されて、水分の侵入が抑制されることがさらに好ましい。

これは、上記のアルカリ金属を含む、圧電セラミックスは、水分を吸収し易く、そのことにより抵抗、静電容量等の電気特性も変動し易くなるためである。

可撓性を有する有機高分子としては、熱可塑性エラストマおよびゴム材料が好適に用いられる。

これらの材料を用いることで、圧電セラミックス粉末と複合化した際に、十分な可撓性が得られ、圧力検出素子の配設の自由度が向上する効果が得られる。

さらに、熱可塑性エラストマとしては、特に塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンの少なくとも１種を含むものを用いることが特に好ましい。

塩素化ポリエチレン、クロルスルホン化ポリエチレンを用いることにより、分散、混練性が向上するために、複合圧電体内の圧電セラミックス粉末の量を増やすことが可能となる。この結果、応答電圧を増大させ、高い感度を実現することが可能となる。

保護層８は、複合圧電体６に用いられる熱可塑性エラストマ、加硫ゴムの他、一般的な熱可塑性の樹脂も用いることができる。また、これらの材料を発泡させたものが、可撓性を高めるために用いられる。

外部電極７としては、Ｃ，Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、ステンレス等の線材あるいは線材を圧延して平たいテープ状にしたもの等が用いられる。

あるいは、前記テープ状の高分子フィルムに前記金属線材あるいは線材をテープ状にしたものをラミネートしたものを用いれば、より可撓性の高い外部電極が得られる。

また、金属細線を単独で編んで複合圧電体６を覆った電極も使用することができる。あるいは、上記金属を蒸着、スパッタ等により薄膜として形成したものも用いられる。

内部電極５としては、外部電極７で用いられる単数、複数の金属細線、複数のポリエステル等の繊維に前記金属線を巻いたもの等が用いられる。

上記では、可撓性感圧体として図２のケーブル状の形態のものに関して説明したが、シート状の形態の場合でも、電極として外部電極７と同じものが用いられる他、複合圧電体、保護層も同様の材料が用いられる。

次に、固定部３を構成する材料に関して説明する。固定部３に関しては可撓性感圧体２を動かずに固定するための剛性を有していれば、特に材料的な限定は受けず、一般的な、金属、高分子材料を用いることができる。

最後に、基体１１、圧力伝達部９、圧力伝達部支持部１０を構成する材料に関して説明する。

基体１１に関しては、固定部３より上の部分を保持し変形しない強度があれば、特に材質は限定されず、固定部３と同様、一般的な金属、高分子材料等を用いることができる。磁石等を用いて、固定部３を基体１１に固定する場合は、強磁性体を含んだ材料が用いられる。

圧力伝達部９に関しては、外部からの圧力Ｐｏを伝えるために必要な強度を有していれば特に材質は限定されず、固定部３同様、一般的な金属、高分子材料等を用いることができる。

また、圧力伝達部支持部１０に関しては、外部からの圧力Ｐｏが印加された場合に、容易に圧縮あるいは撓むことで、圧力伝達部９が下方へ移動して可撓性感圧体２に圧力を伝え、加えて、圧力Ｐｏが解除されれば、速やかに形状を回復する必要がある。

このため、軟らかく形状回復力にすぐれるエラストマやゴム材料、あるいは弾性率の低い様々な形態のバネ材、例えば薄い板バネ等を好適に用いることができる。

また、複合圧電体、保護層、内部電極、外部電極、圧力伝達部、圧力伝達部支持部に関しては、以下の実施の形態でも同様のものが適用可能である。

次に、特に上記のケーブル状の可撓性感圧体２の製造方法に関して一般的な例を説明する。

まず、圧電セラミックス粉末と、可撓性を有する有機高分子である合成ゴムや合成樹脂としての熱可塑性エラストマとを混練して複合体とする。

次に、押し出し機を用いて、この複合体を内部電極５と共に押し出すことにより、内部電極５を中心にして、その周囲に上記の複合体よりなる複合圧電体６が形成されたケーブルを得る。

さらに、ケーブルの周囲を覆う分極用電極を用意し、この電極とケーブル中の内部電極５との間に電圧を印加することにより、内部電極５から放射状に電界を形成し、対応する向きのセラミック圧電体中に分極を形成する。

さらに、分極用電極を取り外した後、上記ケーブルの周りにテープ状の金属線材、テープ状金属、あるいはテープ状金属とテープ状高分子とがラミネートされたテープを巻き付けることにより、外部電極７を形成する。

次に、この外部電極７が形成されたケーブルを中心にして、押し出し機により、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマ、ゴム等を押し出し、ケーブルの保護層８を形成することで可撓性感圧体２が得られる。

また、分極は、外部電極７が形成された後に、外部電極７と内部電極６との間に電圧を印加することでも可能である。

尚、本実施の形態で記載した材料、工法は以下の実施の形態でも好適に適用できる。

（実施の形態２）
図６は実施の形態２を示し、実施の形態１における図４のものと異なる点は、外部から圧力Ｐｏが印加されていない状態でも、圧力検出部４に下方への押力を加え、その力を変化させることで、応答電圧の周波数依存性を調整可能とすることである。

なお、図４と同作用を行う構成については便宜上同一符号を付し、具体的な説明は実施の形態１のものを援用する。

すなわち、図６において、図４と異なるところは、外部から圧力Ｐｏ が未だ印加されていない状態［図中では、（Ｐｏ）を付けることで表現した］で、圧力伝達部９が、圧力検出部４を押し下げる方向へ力Ｐｉを加えている点と、圧力伝達部９の基体１１からの高さｈｔが可変である点である。

次に、これらの作用に関して図６を用いて説明する。

図６（ａ）に示すように、外部から圧力Ｐｏが印加されていない状態で、圧力伝達部９そのものの過重が圧力検出部４を下方へ押す静的な力Ｐｉとなっている。

このように、下方へ押し下げられて撓むことで圧力検出部４に張力が発生し、固有振動
数は高周波側へ移動する。

また、上記の圧力検出部４を下方へ押す力Ｐｉは、図６（ｂ）の圧力伝達部９の基体１１からの高さｈｔによって調整が可能である。

具体的には、高さｈｔが高い場合は、圧力Ｐｉが小さくて圧力検出部４の張力も小さくなり、固有振動数は低くなる。

一方、高さｈｔが低い場合は、圧力Ｐｉが大きくて圧力検出部４の張力も大きくなり、固有振動数は高くなる。

圧力伝達部９の基体１１からの高さｈｔを変える機構としては、例えば、圧力伝達部支持部１０の高さｈｓを可変とする方法がある。

高さを調整する方法は、固定部間距離の調整で説明したものと類似の方法をとることができるが、これらに限定されるものではない。

次に、図６の構成に対応する圧力検出素子について、応答電圧の周波数依存性を図７に示した。

図７の（ａ）の曲線は、圧力伝達部９が圧力検出部４を下方へ押す力がＰｉ１、圧力伝達部の高さがｈｔ１の場合に対応する応答電圧の周波数依存性である。

一方、図７の（ｂ）の曲線は、圧力伝達部が圧力検出部を下方へ押す力がＰｉ２、圧力伝達部の高さがｈｔ２の場合に対応する応答電圧の周波数依存性を示している。

図から、（ｂ）の方が、（ａ）に比較して、応答電圧が概極大となる周波数が高くなっていることがわかる。

これは、（ｂ）の方が（ａ）に比較して、圧力伝達部９の高さが低い（ｈｔ２＜ｈｔ１）ために、圧力伝達部９から圧力検出部４を下方へ押す力が強くなる（Ｐｉ１＜Ｐｉ２）からである。

この結果として、圧力検出部４に発生する張力が大きくなるために固有振動の振動数が高くなるためである。

従って、上記のように圧力伝達部の高さｈｔを調整し、圧力伝達部９が圧力検出部４を下方へ押す力Ｐｉを調整することで、応答電圧が極大となる周波数を調整して、検出すべき外部からの印加圧力Ｐｏの振動数に合わせることが可能となり、このために、極めて高い感度で圧力検出を行うことが可能となる。

この結果、複雑な回路や、アルゴリズムを用いなくとも、高い精度で圧力検出を行うことが可能となる。

また、印加される多くの圧力成分から、必要な振動数を有する圧力のみを抽出して検出することも可能となり、ノイズとなる他の周波数を有する圧力の影響も低減される効果も得られる。

（実施例１）
複合圧電体を形成する圧電セラミック粉末として、平均粒子系が約１μｍのチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体であるＰｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ_３を用いた。

上記圧電セラミック粉末が約６０体積％、塩素化ポリエチレンが約３５体積％となるように所定量の圧電セラミック粉末と可撓性を有する有機高分子として塩素化ポリエチレンとチタンカップリング剤としてイソプロポキシトリイソステアロイルチタネートをロール機で混練し、圧電組成物感圧体のシートを作製した後、ペレタイザーでペレットを作製した。

この圧電組成物感圧体のペレットを用い、直径０．４５ｍｍの多数のポリエステル繊維の収束線に銅箔を巻回したものを芯電極とし、押出成型機を用いて芯電極の周囲に圧電組成物感圧体を厚さ約０．６ｍｍとなるように被覆処理した。

次に、幅３ｍｍ厚さ１２μｍのポリエチレンテレフタレ−トの高分子フィルムの両面に幅３ｍｍ厚さ１０μｍのアルミニウム箔を接着した導電性フィルムを芯電極に被覆した圧電組成物感圧体の表面に導電性フィルムの一部が重なるように巻回して外部電極とした。

さらに、外部電極の周囲に押出成型機を用いてオレフィン系熱可塑性エラストマーを厚さ約０．５ｍｍとなるように保護層を被覆処理し、ケーブル状の可撓性感圧体を作製し、圧電性を発現させるために７０℃、空気中で内部電極と外部電極の間に高圧の直流電圧を印加してポーリング処理を行った。

こうして得られた、可撓性感圧体を用いて、図６で説明した構成を有する圧力検出素子を形成した。

固定部３間の間隔Ｌ＝１００ｍｍとした。圧力伝達部９の高さｈｔを１０ｍｍ、９．６ｍｍ、９．２ｍｍ、８．２ｍｍと順に低くしていくと、圧力伝達部９が圧力検出部４を下方へ押す力Ｐｉが、順に８．８ｇｆ、１８．２ｇｆ、４５．９ｇｆ、１７０．５ｇｆと増加した。

このように各々の高さｈｔに対応して下方へ押す力圧力Ｐｉが決るが、この各々の状態において、圧力伝達部９を加振機の先端に接触させて、加振機先端を垂直方向に最大の振動荷重が５ｇｆとなるように５〜１００Ｈｚの振動数で振動させて、応答電圧の周波数依存性を測定した。

こうして、応答電圧が最大となる周波数を求めた。

応答電圧が最大となる周波数は、上述の下方へ押す力Ｐｉ＝８．８ｇｆ、１８．２ｇｆ、４５．９ｇｆ、１７０．５ｇｆに対応して、順に１７．５Ｈｚ、２０Ｈｚ、２５Ｈｚ、５２Ｈｚとなった。

応答電圧の周波数依存性は、いずれも前記の周波数で極大を有し、５Ｈｚ〜２０Ｈｚの半値幅を持つ曲線となった。

このように、本実施例の圧力検出素子は、使用時に応答電圧が最大となる周波数を調整することが可能である。

従って、上記圧力検出素子を用いて、応答電圧が最大となる周波数を、検出すべき外部からの圧力の振動数合わすことで、高感度で精度のよい圧力の検出が可能となる効果が得られる。

また、他の周波数のノイズなる圧力の影響が抑制され、さらに高感度で精度の高い検出が可能となる効果が得られる。

本実施例で用いた素子の材料、形態、大きさに限定されるものではなく、実施の形態で述べた材料、形態等が適用可能である。

以上のように本発明の圧力検出素子は、感度が高く、精度が高いために、特に弱い圧力の検知の精度向上に効果がある。例えば、（１）特にセキュリティ用途に、バルコニーやフェンス等の家屋の外部に設置して、侵入者を検知する際に、特にゆっくり侵入する人を検知する用途に、また、（２）自動車のドアへの人やものの挟みこみ検知において、特にゆっくり挟まれる場合の検出の用途に、また、（３）自動車のドアハンドルに設置して、ドアハンドルに触れるだけでドアの施錠を解除する際に、特にゆっくり触れた場合の検出の用途に、好適に用いることができる。

また、複数の場所で、異なる周波数領域の圧力を抽出して検出することが可能であるため、複数の場所に、振動数を変えて圧力を印加することにより、簡単な構成で、多岐に渡る信号を入力する入力装置として好適に用いることができる。

また、他の振動ノイズがある場合に、その振動を除いて特定の振動成分の圧力を抽出することで、ノイズを低減し検出精度を向上させることができるため、屋外や、自動車などの近くで振動ノイズの多い場所での圧力検出の用途に適している。

本発明の実施の形態１の圧力検出素子の断面図 本発明の実施の形態１の圧力検出素子と従来の圧力検出素子との応答電圧の周波数依存性を表した説明図 （ａ）は本発明の実施の形態１の圧力検出素子に用いられる可撓性感圧体の側断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線正断面図 （ａ）は本発明の実施の形態１の圧力検出素子の可撓性感圧体の側断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線正断面図 本発明の実施の形態１の圧力検出素子の固定部間隔を変えた場合の応答電圧の周波数依存性を表した説明図 （ａ）は本発明の実施の形態２の圧力検出素子の可撓性感圧体の側断面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線正断面図 本発明の実施の形態２の圧力伝達部が圧力検出部を下方へ押す力と応答電圧の周波数依存性を表した説明図 従来の圧力検出素子に用いられるシート状の可撓性感圧体の側断面図 （ａ）は従来の圧力検出素子に用いられるケーブル状の可撓性感圧体の側断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線正断面図 従来の圧力検出素子における可撓性感圧体の固定の方法が異なる場合の説明図

符号の説明

１ 圧力検出素子
２ 可撓性感圧体
３ 固定部
４ 圧力検出部
５ 内部電極
６ 複合圧電体
７ 外部電極
９ 圧力伝達部
１０ 圧力伝達部支持部
１１ 基体

Claims (5)

1. 感度の周波数依存性を有する圧力検出部を備えた可撓性感圧体からなり、前記感度の周波数依存性を可変とした圧力検出素子。
2. 間隔をおいて配置した固定部で可撓性感圧体の両側を固定して、これら固定部間の可撓性感圧体を圧力検出部に設定し、さらに前記固定部間の距離を可変とした請求項１記載の圧力検出素子。
3. 圧力伝達部支持部で支持された圧力伝達部を介して外部から印加された圧力を圧力検出部へ伝達するようにし、外部から圧力が印加されない状態で前記圧力伝達部が圧力検出部を所定の力で押しており、前記押す力が可変である請求項１または２記載の圧力検出素子。
4. 残留分極を有する複合圧電体と、前記複合圧電体の内部に接触して形成された内部電極と、前記複合圧電体の外部に接触して形成された外部電極とで可撓性感圧体をケーブル状とした請求項１から３いずれか１項記載の圧力検出素子。
5. ケーブル状の可撓性感圧体で構成され、感度を概極大とする周波数が可変である圧力検出素子を用いる圧力検出方法であって、前記の感度が概極大となる周波数を外部から印加される圧力の周波数に合わせることを特徴とする圧力検出方法。

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