JP2013142565A - 感圧センサケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】荷重に対する感度が高く、少しの荷重でも圧力を感知することが可能な感圧センサケーブルを提供する。
【解決手段】線状の弾性体２の外側に、複数本の長尺な導電体３、３、３、３が前記弾性体２の長手方向に沿って互いに並列に配置され、該導電体３の外側が絶縁体４により被覆されており、前記複数の導電体３は、外部からの圧力により隣接する導電体３、３が接触するように配置して、感圧センサケーブル１を構成した。
【選択図】図２

Description

本発明はケーブル状の感圧センサからなる感圧センサケーブルに関する。

ケーブル状に形成された接触式の感圧センサが、感圧センサケーブル（以下、単にセンサケーブルということもある）として自動車、電気、電子機器等に使用されている。従来のセンサケーブルは、例えば、同軸ケーブル状をなし、芯線の外周に、円筒状の導電ゴム層、感圧体、センサ電極、絶縁性の外皮が順次積層された構造が公知である（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載のセンサケーブルは、前記導電ゴム層がカーボンを含有するゴム材料により形成されている。また上記センサケーブルの感圧体は、磁性材料としてニッケル粉末が分散されたゴム材料（ニッケル含有感圧体）により形成されている。上記従来のセンサケーブルは、ケーブルに外側から圧力が加わり、感圧体が変形すると抵抗値が変化することを利用して、圧力を検知するものである。

特開２００６−３００５５９号公報

しかしながら、上記従来のセンサケーブルは、感圧体含有タイプであり、圧力による抵抗値変化を利用しているため、微小圧力では抵抗値変化を読み取りにくいという問題があった。

本発明の課題は、上記従来技術の欠点を解消しようとするものであり、荷重に対する感度が高く、少しの荷重でも圧力を感知することが可能であり、圧力に対する感度が良好な感圧センサケーブルを提供することにある。

上記課題を解決するため本発明の感圧センサケーブルは、線状の弾性体の外側に、複数本の長尺な導電体が前記弾性体の長手方向に沿って互いに並列に配置され、該導電体の外側が絶縁体により被覆されており、前記複数の導電体は、外部からの圧力により導電体どうしの距離が変化するように配置されていることを要旨とするものである。

本発明の感圧センサケーブルにおいて、前記弾性体がゴム成分からなり、前記ゴム成分が、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、イソプレンゴムからなる群から選ばれる一種又は二種以上を含むことが好ましい。

本発明の感圧センサケーブルにおいて、前記導電体は、金属編組、金属線、金属箔からなる群から選ばれる一種又は二種以上を含むことが好ましい。

本発明の感圧センサケーブルにおいて、前記絶縁体が、紙、プラスチックフィルム、絶縁ゴムからなる群から選ばれる一種又は二種以上を含むことが好ましい。

本発明の感圧センサケーブルにおいて、前記絶縁体の絶縁ゴムが、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、イソプレンゴムからなる群から選ばれる一種又は二種以上を含むことが好ましい。

本発明に係る感圧センサケーブルは、複数本の長尺な導電体が前記弾性体の長手方向に沿って互いに並列に配置され、該導電体の外側が絶縁体により被覆されており、前記複数の導電体は、外部からの圧力により導電体どうしの距離が変化するように配置されていることにより、従来の感圧体を用いた圧力による抵抗値変化を利用したセンサケーブルと比較して、荷重に対する感度が高く、少しの荷重でも圧力を感知することが可能であり、圧力に対する感度が良好である。

図１は本発明の感圧センサケーブルの一例を示す斜視図である。 図２は図１のＡ−Ａ線幅方向断面図である。 図３は図２の感圧センサケーブルに上下方向外部から圧力を加えた状態を示す断面図である。

実施例を用いて本発明を詳細に説明する。図１は本発明の感圧センサケーブルの一例を示す斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線幅方向断面図である。図１及び図２に示す感圧センサケーブル１（以下、センサケーブルと略記することもある）は、ゴム成分からなる線状の弾性体２の外側に、４本の長尺な導電体３が前記弾性体２の長手方向に沿って並列に配置され、該導電体３の外側が絶縁体４により被覆されている。

本発明において線状の弾性体２は、センサケーブル１の芯材として用いられるものであり、弾性を有するものであればよく、上記実施例では弾性体２としてゴム成分を用いたが、それ以外にプラスチック、紙等を用いてもよい。

図１に示すセンサケーブルでは、４本の導電体３、３、３、３は、隣接する導電体３、３が互いに９０度間隔を設けて、並列に配置されている。この状態では、４本の導電体３、３、３、３は非接触状態である。導電体３、３、３、３は、弾性体２に対し平行に配置してもよいし、弾性体２の周囲を螺旋状に巻き回して配置しても、いずれでもよい。

図１に示す態様のセンサケーブルでは導電体が４本設けられているが、本発明のセンサケーブルは、導電体の本数は特に限定されず、複数本であれば何本でもよい。

また本発明のセンサケーブルは、弾性体と導電体の形状や径等は特に限定されない。弾性体と導電体は、センサケーブルが外部から圧力を受けた場合に、任意に変形して、隣接する導電体が接近あるいは、接触するような形状、大きさ等に適宜形成されていればよい。弾性体２及び導電体３は、断面円形に形成するのが、導電体３の移動が速やかに行われることから好ましい。

センサケーブル１の導電体３、３、３、３の端部は、外部に信号を出力できるように、配線等を接続して電気的に接続可能に形成されている。

センサケーブル１は、外部から圧力が加わらない状態では、図１及び図２に示すように、４本の導電体３は所定の間隔を持って配置され、隣接する導電体３が非接触の状態になっている。導電体３は、センサケーブルに外部から圧力が加わって変形した場合に、弾性体２と絶縁体４の間で移動することが可能に配設されている。

図３は図２のセンサケーブルに図中上下方向の外部から圧力を加えた状態を示す断面図である。図３に示すように、センサケーブル１に外部から圧力Ｐが加わった場合に、弾性体２及び絶縁体４は容易に変形する。センサケーブル１の弾性体２及び絶縁体４が変形すると、前記４本の導電体３が移動して、隣接する導電体３どうしが接近する。隣接する導電体３、３どうしが接近すると、導電体３、３どうしの間の電気抵抗が小さくなる。

センサケーブル１は、対極の導電体がそれぞれ電流検出素子及び制御回路等に電気的に接続されている。例えば導電体が４本の場合は、対極の２本が同じ素子に接続されている。センサケーブル１は、導電体３どうしが接近して電気抵抗が変化すると、電流値に変化が生じる。その電流値の変化を上記検出素子で検出することで、圧力の変化を感知することができる。

導電体３、３どうしが接近して接触すると、導電体３、３が導通して短絡するので電気抵抗は小さくなる。このようにセンサケーブル１が、圧力を受けた際に隣接する導電体３、３どうしが接触するように構成されていると、導通して電気抵抗が急激に低下するので、感度を高めることができる。尚、センサケーブルの感度とは、荷重に対する電気抵抗値の低下度合いのことである。

従来、この種センサケーブルは、感圧体を含有する感圧体層を設けて、該感圧体層が圧力を受けた際に抵抗値が変化することによる電流値の変化を測定することで、圧力変化を検知していた。これに対し上記のセンサケーブルは、複数の導電体３の接触による電気抵抗の変化を検知して圧力を検知するものである。電気的な導通を検出すれば、感圧体の抵抗値変化を利用した圧力を検出する場合と比較して、感度が高いセンサケーブルを得ることができる。

ゴム成分からなる弾性体２は、ゴム弾性により圧力に対し容易に変形するので、センサケーブルの感度を高めることができる。弾性体２のゴム成分としては、特に限定されず用いることができる。弾性体２は、圧力を取り除いた場合には、ゴム弾性により元の形状に復帰する。

弾性体２のゴム成分は、架橋ゴム、非架橋ゴムのいずれでもよい。ゴム成分に架橋ゴムを用いると耐熱性等が良好であり、車両用のセンサとして用いる場合には好ましい。弾性体２のゴム成分は、例えばシリコーンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、イソプレンゴム等が挙げられる。上記ゴムは、一種単独で使用しても二種以上を混合して使用しても、いずれでもよい。

上記シリコーンゴムとしては、架橋剤を混練した後、加熱架橋させることで弾性体となるミラブル型（加熱架橋型）、或いは架橋前は液状である液状ゴム型のいずれを用いてもよい。液状ゴム型シリコーンゴムは、室温付近で架橋が可能な室温架橋型（ＲＴＶ）と、混合後１００℃付近で加熱すると架橋する低温架橋型（ＬＴＶ）がある。

上記ミラブル型シリコーンゴムは、架橋温度が１８０℃以上と比較的高温であり安定性が良いので、混練の際の混合がし易く、作業性に優れるという利点がある。これに対し、液状ゴム型シリコーンゴムは、架橋温度が通常１２０℃程度と低温であるため、安定性が低く混練の際の発熱を低く抑制する必要があり、温度の管理などが煩わしくなるおそれがある。ミラブル型シリコーンゴムは、直鎖状のオルガノポリシロキサンを主原料（生ゴム）として、補強充填剤、増量充填剤、分散促進剤、その他添加剤などを配合したゴムコンパウンドとして市販されているものを用いてもよい。

架橋アクリルゴムは、未架橋のアクリルゴムと導電性フィラー等を含む組成物を所定の形状に成形した後、加熱してアクリルゴムを架橋処理することで架橋されたものである。アクリルゴムは、アクリル酸エステルを主成分とする。

上記アクリルゴムは、例えばアクリル酸エチルを主成分とし、アクリル酸ブチル、アクリロニトリル等の他のモノマーと、架橋を行うためのコモノマーと共重合させたものが挙げられる。アクリルゴムの架橋を行うためのコモノマーとしては、２−クロロエチルビニルエーテル等の含ハロゲン化合物、グリシジルアクリレート、アリルグリシジルエーテル等のエポキシ系化合物、エチリデンノルボルネン等のジエン系化合物等が挙げられる。上記アクリルゴムは、市販されているものを用いてもよい。

架橋エチレン−プロピレンゴムは、未架橋のエチレン、プロピレン、ジエン等の共重合体からなるゴムと導電性フィラー等を含む組成物を、加熱等して架橋させて得られるものである。上記共重合体からなるゴムは、エチレン−プロピレン共重合体（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）がある。上記ジエンとしては、エチリデンンノルボルネン（ＥＮＢ）、ジシクロペンタジエン（ＤＣＰ）等が挙げられる。

架橋スチレン−ブタジエンゴムは、スチレンとブタジエンを乳化重合又は溶液重合等で重合させたスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）と導電性フィラー等を含む組成物を所定の形状に成形した後、加熱等によりスチレン−ブタジエンゴムを架橋処理することで架橋されたものである。

架橋アクリロニトリル−ブタジエンゴムは、アクリルニトリルとブタジエンの共重合ゴム（ＮＢＲ）を加熱等により架橋処理することで架橋されたものである。アクリルニトリル−ブタジエン共重合ゴムは、第３のモノマーとして、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸エステル等と共重合し反応性末端基を有するものや、両末端が、カルボキシル基、メルカプト基、水酸基等になったテレケリック型等を用いることができる。

架橋クロロプレンゴムは、クロロプレンゴム（ＣＲ）を加熱等により架橋処理することで架橋されたものである。クロロプレンゴムは、アセチレンを原料としたクロロプレンや、ブタジエンを原料としたクロロプレンを、乳化重合等により重合させることで得られる。

架橋エピクロルヒドリンゴムは、エピクロルヒドリンゴムを加熱等により架橋処理することで架橋されたものである。エピクロルヒドリンゴムは、エピクロルヒドリン単独重合体（ＣＯ）、エピクロルヒドリンとエチレンオキサイドの共重合体（ＥＣＯ）、エピクロルヒドリンとアリルグリシジルエーテルの共重合体、エピクロルヒドリン、エチレンオキサイド、アリルグリシジルエーテルの三元共重合体（ＧＥＣＯ）等がある。

架橋イソプレンゴムは、ポリイソプレン（イソプレンゴム：ＩＲ）を加熱等により架橋処理することで架橋されたものである。イソプレンゴムは、チーグラー系触媒又はリチウム系触媒を用いたイソプレンの溶液重合等により得られる。

弾性体２は、上記ゴム成分以外に、他の添加剤を含有しても良い。例えば他の添加剤として架橋剤が挙げられる。架橋剤としては特に限定されるものではなく、例えば、ジへキシルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ｔ−ブチルクミルパーオキサイド、２，５−ジメチル−２，５−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン等のジアルキルパーオキサイド、ｎ−ブチル４，４−ジ（ｔ―ブチルパーオキサイド）バレレート等のパーオキシケタール等が挙げられる。

上記の未架橋のゴム成分は、加熱等により架橋することが可能であるが、組成物中に架橋剤（加硫剤）を添加して、加熱して架橋することが好ましい。

架橋剤は、未架橋のゴムの種類や架橋条件などに応じて適宜選択することができ、特に限定されるものではない。架橋剤としては、例えば、有機過酸化物などのラジカル発生剤、金属石けん、アミン、チオール、チオカルバミン酸塩、有機カルボン酸などの化合物を挙げることができる。架橋剤としては、有機過酸化物等が、架橋速度の向上の点から好ましい。

上記架橋剤に用いられる有機過酸化物としては、例えば、ジへキシルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ｔ−ブチルクミルパーオキサイド、２，５−ジメチル−２，５−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサンなどのジアルキルパーオキサイド、ｎ−ブチル４，４−ジ（ｔ―ブチルパーオキサイド）バレレートなどのパーオキシケタールなどを挙げることができる。

架橋剤の配合量は、適宜決定することができる。架橋剤の配合量は、例えば、未架橋のゴムと架橋剤の合計量に対し、０．０１〜１０質量％の範囲で配合するのが好ましい。弾性体２には、ゴム成分及び導電性フィラー以外に、他の添加剤を添加しても良い。

弾性体２は、先ず未架橋のゴム成分と架橋剤等を含むゴム組成物を混練等して調製する。次いで、調製した前記ゴム組成物を所定の形状、大きさに押出す。次いで、加熱等の架橋手段により、未架橋ゴムを架橋する。これにより、架橋ゴムを含有する弾性体２が得られる。

上記ゴム組成物の混練方法としては特に限定されるものではなく、例えば、バンバリーミキサー、加圧ニーダ−、混練押出機、二軸混練押出機、ロール等の通常の混練機で溶融混練して均一に分散させることが可能である。

導電体３は、金属線、金属編組、金属箔等を用いることができる。具体的には、銅線、銀線、金線、銅箔、金箔、すずめっき銅線からなる編組等を挙げることができる。

絶縁体４は、弾性体２と導電体３の外側周囲を絶縁被覆することが可能な材料であればよく、特に限定されるものではない。絶縁体４は、柔軟性を有し、弾性変形が可能であることが好ましい。絶縁体４は、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム等を用いることができる。

また絶縁体４の厚みは、導電体３に対する絶縁性を維持することが可能であると共に、センサケーブル１の圧力に対して変形が可能となる柔軟性を損なわない範囲であればよく、特に限定されない。

図１に示すセンサケーブルの製造方法の一例を下記に示す。弾性体２の周囲に導電体３を配設し、導電体３の周囲を絶縁体４で被覆することでセンサケーブル１が得られる。センサケーブル１の太さ、長さ等は、用途等に応じて、適宜、選択することができる。

本発明に係るセンサケーブルは、自動車、電子・電気機器のタッチセンサーとして利用することができる。特に耐熱性、センサとしての感度が要求される用途に最適である。具体的な用途としては自動車用ドアのドアパネルと車体との間に異物の挟み込みを検出するための感圧センサとして好適に利用することが可能である。

以下、本発明の実施例、比較例を示す。

実施例１〜６
表1に示す各種のゴム成分からなる線状の弾性体（幅方向の断面が０．８ｍｍφの円形状）の周囲に、表１に示す各種の導電体（外径又は厚み４００μｍ）を４本並列に弾性体の長手方向に平行に配置した後、その外側を表１に示す各種の絶縁体（厚み２００μｍ）により被覆して外径２ｍｍφのセンサケーブルを得た。得られたセンサケーブルについて、感圧センサとしての感度評価を行った。感度評価の結果を表１に合わせて示す。尚、実施例で用いた弾性体、絶縁体の詳細と感度評価方法は以下の通りである。

〔弾性体（ゴム成分〕
・シリコーンゴム：旭化成ワッカーシリコーン社製、商品名「Ｒ４０１−３０」１００質量部に架橋剤としてＤＣＰ（ジクミルパーオキサイド）を３質量部添加した材料
・ＥＰゴム（エチレンプロピレンゴム）：ＪＳＲ社製、商品名「ＥＰ１１」１００質量部に架橋剤としてＤＣＰを１質量部添加した材料
・アクリルゴム：デュポン社製、商品名「ベイマックＧ」１００質量部に架橋剤としてＤＣＰを３質量部添加した材料
〔絶縁体〕
・ＰＥＴフィルム：厚み２００μｍ、幅５００μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム
・シリコーンゴム：旭化成ワッカーシリコーン社製、商品名「Ｒ４０１−５０」１００質量部に架橋剤としてＤＣＰ（ジクミルパーオキサイド）を３質量部添加した材料
・アクリルゴム：デユポン社製、商品名「ベイマックＧＸ」１００質量部に架橋剤としてＤＣＰ（ジクミルパーオキサイド）を３質量部添加した材料
・フッ素ゴム：ダイキン工業社製、商品名「Ｇ−９０１」１００質量部に架橋剤としてＤＣＰ（ジクミルパーオキサイド）を３質量部添加した材料
・ＰＥＴラミネート紙：厚み１００μｍの紙と厚み１００μｍのＰＥＴをラミネートにより貼り合わせたもの
・ＰＥＴコート紙：厚み１００μｍの紙に溶剤に溶かしたＰＥＴをコートして溶剤乾燥で１００μｍの厚みにしたもの

〔感度評価方法〕
感度評価は、長さ１ｍの感圧センサケーブルを用い、中心部分を押さえて荷重を加え、荷重に対する抵抗値変化を測定し、抵抗値が０．１ｋΩ以下となる荷重を測定した。

比較例１〜６
０．８ｍｍφの銅線からなる内導体の周囲に、表２に示す組成の感圧体を厚み２００μｍで螺旋状に巻付けた後、その外側に２００μｍ厚のセンサ電極（編組）を被せた後、その外側に表２に示す絶縁被覆層を厚み２００μｍに被覆して、外径２ｍｍφの比較例１〜６の感圧センサケーブルを得た。得られた感圧センサケーブルの感度を実施例と同様に評価した。試験結果を表２に合わせて示した。比較例１〜６の感圧体に用いたゴム成分と感圧フィラー、外被の詳細は以下の通りである。

〔感圧体のゴム成分〕
・シリコーンゴム：信越化学社製、商品名「ＫＥ−９３１−Ｕ」
・エチレンプロピレンゴム：住友化学社製、商品名「３０１」
・フッ素ゴム：ダイキン工業社製、商品名「Ｇ−９０２」
〔感圧体の感圧フィラー〕
・ニッケル：セイシン企業社製、商品名「Ｔ−２５５」
・カーボン：東海カーボン社製、商品名「シースト９」
・フェライト：戸田工業社製、商品名「ＧＰ−５００」
〔外被のゴム〕
・シリコーンゴム：信越化学社製、商品名「ＫＥ−５７５−Ｕ」
・アクリルゴム：電気化学工業社製、商品名「４２００Ｐ」

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

１ 感圧センサケーブル
２ 弾性体
３ 導電体
４ 絶縁体

Claims (5)

1. 線状の弾性体の外側に、複数本の長尺な導電体が前記弾性体の長手方向に沿って互いに並列に配置され、該導電体の外側が絶縁体により被覆されており、前記複数の導電体は、外部からの圧力により導電体どうしの距離が変化するように配置されていることを特徴とする感圧センサケーブル。
2. 前記弾性体がゴム成分からなり、前記ゴム成分が、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、イソプレンゴムからなる群から選ばれる一種又は二種以上を含むことを特徴とする請求項１記載の感圧センサケーブル。
3. 前記導電体が、金属編組、金属線、金属箔からなる群から選ばれる一種又は二種以上を含むことを特徴とする請求項１記載の感圧センサケーブル。
4. 前記絶縁体が、紙、プラスチックフィルム、絶縁ゴムからなる群から選ばれる一種又は二種以上を含むことを特徴とする請求項１記載の感圧センサケーブル。
5. 前記絶縁ゴムが、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、エピクロルヒドリンゴム、イソプレンゴムからなる群から選ばれる一種又は二種以上を含むことを特徴とする請求項４記載の感圧センサケーブル。

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