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WO2005003707A1 - 感圧センサ - Google Patents

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Publication number
WO2005003707A1
WO2005003707A1 PCT/JP2004/008946 JP2004008946W WO2005003707A1 WO 2005003707 A1 WO2005003707 A1 WO 2005003707A1 JP 2004008946 W JP2004008946 W JP 2004008946W WO 2005003707 A1 WO2005003707 A1 WO 2005003707A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
electrode
sensitive sensor
outer electrode
center electrode
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/008946
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hiroyuki Ogino
Shigeki Ueda
Isao Kasai
Shuji Itou
Tooru Sugimori
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. filed Critical Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority to US10/562,495 priority Critical patent/US20060163973A1/en
Priority to EP04746415A priority patent/EP1666858A4/en
Publication of WO2005003707A1 publication Critical patent/WO2005003707A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L25/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/54—Testing for continuity

Definitions

  • the present invention relates to a cable-shaped pressure-sensitive sensor, and more particularly to a disconnection detection configuration thereof. Background technology
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of the pressure-sensitive sensor 1.
  • the pressure-sensitive sensor 1 is a piezoelectric sensor in which a center electrode 2, a piezoelectric layer 3 as a pressure-sensitive layer, an outer electrode 4, and a coating layer 5 are formed into a coaxial cable shape.
  • reference numeral 8 denotes a circuit-side resistor for detecting a disconnection / short
  • 9 denotes a signal deriving resistor for deriving a signal from the pressure-sensitive sensor 1.
  • the resistance values of the circuit-side resistor 8, the signal deriving resistor 9 and the sensor-side resistor 6 are R "!, R2, R3, the voltage at point P is Vp, and the power supply voltage is Vs.
  • R1, R2, R3 Usually has a resistance of several mega to several tens of mega ohms.
  • Vp is a divided voltage value of R1 and the parallel resistance of R2 and R3 with respect to Vs.
  • the resistance value of the piezoelectric layer 3 is usually several hundred meshes. Since it is more than a gohm, it hardly contributes to the parallel resistance value of R2 and R3, and is ignored in the calculation of the partial pressure value.
  • Vp is the partial pressure value of R1 and R2. .
  • the conventional pressure-sensitive sensor has the sensor-side resistor 6 connected to the distal end portion S, the configuration is complicated, and there is a problem that there is a dead area corresponding to the dimension of the sensor-side resistor 6. Was.
  • an insertion hole is provided in an elastic body made of a rubber member or the like, and the pressure-sensitive sensor 1 is inserted into the insertion hole.
  • the body is elastically deformed and the pressure-sensitive sensor 1 is easily deformed, the sensitivity of the pressure-sensitive sensor 1 is improved.
  • the conventional pressure-sensitive sensor has the sensor-side resistor 6, the outer diameter of the end S is small. There was a problem that the diameter was larger than the outer diameter of the pressure sensor 1 and it was difficult to insert the pressure-sensitive sensor 1 into the insertion hole.
  • the present invention solves such a conventional problem, and has a simple structure at the tip, reduces the dead area, reduces the outer diameter of the tip, and prevents disconnection or short-circuit of the pressure-sensitive sensor. It is an object of the present invention to provide a pressure-sensitive sensor capable of detecting.
  • the present invention provides a cable formed by laminating a center electrode, a pressure-sensitive layer, an outer electrode, and a plurality of insulated lead wires, and forming at least one of the lead wires at a tip portion. One is connected to the center electrode, and the remaining lead wires are connected to the outer electrode.
  • a conductor connected to the center electrode on the external circuit is used instead of connecting a pressure-sensitive sensor to an external circuit and providing a resistor at the tip of the pressure-sensitive sensor as in the conventional case. If a resistor is connected between the outgoing wire and the lead wire that is connected to the outer electrode, a circuit equivalent to a circuit that detects disconnection and short-circuit with a conventional pressure-sensitive sensor is formed. Can be detected. Further, since the resistor is not provided at the tip portion as in the related art, the configuration of the tip portion is simplified, the dead area can be reduced, and the outer diameter of the tip portion can be reduced.
  • the invention of claim 1 is to form a cable by laminating a center electrode, a pressure-sensitive layer, an outer electrode, and a plurality of insulated lead wires, and form a cable at the tip.
  • a pressure-sensitive sensor is connected to an external circuit to provide a conventional sensor.
  • the conventional pressure-sensitive sensor A circuit equivalent to a circuit for detecting disconnection and short-circuit is formed, and disconnection and short-circuit of each electrode can be detected.
  • the configuration of the tip is simplified, the dead area can be reduced, and the detection performance is improved.
  • the outer diameter of the distal end portion can be reduced, it is easy to insert the pressure-sensitive sensor when inserting the pressure-sensitive sensor into the elastic body, and the efficiency of the insertion operation can be improved.
  • the center electrode, the pressure-sensitive layer, the outer electrode, and at least one lead wire coated with insulation are laminated and formed into a cable shape, and the center electrode is connected to the center electrode at a tip portion.
  • the center electrode is connected to the center electrode at a tip portion.
  • the invention of claim 5 provides the lead wire according to any one of claims 1 to 4, wherein the lead wire has a characteristic that the mechanical strength is greater than at least one of the center electrode and the outer electrode, so that the center electrode Since the lead wire does not break before the outer electrode breaks, the detection reliability can be improved without erroneous detection of the break.
  • the pressure-sensitive sensor according to any one of claims 1 to 5 is provided with a protection portion that insulates and protects the tip portion, so that the end portion is insulated and protected. Reliability is improved.
  • the pressure-sensitive layer according to any one of claims 1 to 6 is made of a piezoelectric material, and thus responds to, for example, acceleration of deformation of the pressure-sensitive sensor due to contact with an object. Since an output voltage is generated, contact with an object can be detected with higher sensitivity than a normal electrode contact type pressure-sensitive switch.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of the pressure-sensitive sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
  • Fig. 3 (a) is a cross-sectional view of a pressure-sensitive sensor in a configuration in which the center electrode is composed of a plurality of solid metal wires and spirally bundled together with the lead wires.
  • Fig. 3 (b) is a cross-sectional view of the pressure-sensitive sensor in a configuration in which the lead wires are arranged around the piezoelectric layer.
  • Fig. 3 (c) is a cross-sectional view of the pressure-sensitive sensor in a configuration in which the lead wire is arranged around the outer electrode.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of another embodiment of the external circuit.
  • Figure 5 shows the configuration of the pressure-sensitive sensor of Example 2 (when only the outer electrode is connected to the lead wire at the tip).
  • FIG. 6 shows the configuration of the pressure-sensitive sensor of Example 2 (when only the inner electrode is connected to the lead wire at the tip).
  • FIG. 7 is a configuration diagram of another embodiment of the external circuit.
  • FIG. 8 is a configuration diagram illustrating a terminal processing configuration using a conductive rubber cap in the pressure-sensitive sensor according to the third embodiment.
  • Fig. 9 is a configuration diagram of a conventional pressure-sensitive sensor.
  • reference numeral 1 denotes a pressure-sensitive sensor
  • 2 denotes a center electrode
  • 3 denotes a piezoelectric layer (pressure-sensitive layer)
  • 4 denotes an outer electrode
  • 10, 11, 18 denote lead lines.
  • Embodiment 1 The invention of Embodiment 1 will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the pressure-sensitive sensor according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG.
  • the pressure-sensitive sensor 1 is composed of a central electrode 2, a piezoelectric layer 3 as a pressure-sensitive layer, an outer electrode 4, a coating layer 5, and an insulation-coated lead wire!
  • the lead wires 10 and 11 are arranged in close contact with the center electrode 2 as shown in FIG.
  • the center electrode 2 may be a normal metal single wire, but here, an electrode in which a metal coil is wound around an insulating polymer fiber is used.
  • the piezoelectric layer 3 is made of a composite piezoelectric material in which a sintered rubber powder is mixed with a rubber elastic material.
  • the rubber elastic material for example, chlorinated polyethylene is used.
  • a configuration using a polymer piezoelectric material such as polyvinylidene fluoride may be used as another configuration of the piezoelectric layer 3.
  • the outer electrode 4 may be a braided electrode, but here, a band-shaped electrode having a metal film adhered on a polymer layer is used. When a strip-shaped electrode is used, the strip-shaped electrode is wound around the piezoelectric layer 3, and the strip-shaped electrode is partially overlapped to shield the pressure-sensitive sensor 1 from electric noise in the external environment. Preferably, it is wound around the body layer 3.
  • the lead wires 10 and 11 use is made of an electric wire coated with an insulating material such as an enamel wire, for example.
  • an insulating material such as an enamel wire, for example.
  • the derived lines 1 0, 1 For 1 an electrode having a property of having a mechanical strength larger than at least one of the center electrode 2 and the outer electrode 4 is selected.
  • the coating layer 5 may be made of vinyl chloride or polyethylene, but an elastic material such as rubber, which is more flexible and flexible than the piezoelectric layer 3, so that the pressure-sensitive sensor 1 is easily deformed when pressed, for example, ethylene propylene. Rubber (EPDM), chloroprene rubber (CR), butyl rubber (IIR), silicone rubber (Si), thermoplastic elastomer, or the like may be used.
  • the pressure-sensitive sensor 1 is manufactured by the following steps. First, a chlorinated polyethylene sheet and (40 to 70) vol% piezoelectric ceramics are mixed uniformly in a lithographic manner by a pallet method with a powder of lead zirconate titanate). After finely cutting this sheet into pellets, these pellets are continuously extruded together with the center electrode 2 and the lead wires 10 and 11 to form the piezoelectric layer 3. Then, a pseudo electrode is brought into contact with the outside of the piezoelectric layer 3, and a DC high voltage of (5 to 10) kVZmm is applied between the center electrode 2 and the pseudo electrode, whereby the piezoelectric layer 3 is polarized. After polarization, the outer electrode 4 is wound around the piezoelectric layer 3. Finally, the coating layer 5 is continuously extruded around the outer electrode 4. Since the piezoelectric layer 3 uses chlorinated polyethylene, a vulcanization step required for general synthetic rubber production is unnecessary.
  • the covering layer 5 is peeled off by a predetermined length at the tip portion S of the pressure-sensitive sensor 1, and the outer electrode 4, the piezoelectric layer 3, the lead wires 10 and 11, and the center electrode 2 are exposed. Let it. Then, the lead wire 11 is connected to the center electrode 2, and the lead wire 10 is connected to the outer electrode 4.
  • the connection is made by, for example, soldering spot welding, caulking or the like.
  • the end portion S is sealed by a protection portion (not shown) made of a heat-shrinkable tube, resin, or the like for insulation protection.
  • the outer electrode 4 is further covered with a conductive member as necessary, and the outer electrode 4 and the conductive member are conducted to shield the end S.
  • the pressure-sensitive sensor 1 is manufactured.
  • 1 2 is an external circuit connected to the pressure sensor 1
  • 13 is a first resistor for detecting a disconnection and a short circuit
  • 14 is a signal derived from the pressure sensor 1.
  • the second resistor 15 is a third resistor
  • the third resistor 15 has the same resistance value as the circuit-side resistor 8, the signal deriving resistor 9, and the sensor-side resistor 6 described in the conventional pressure-sensitive sensor, respectively ( Each has R1, R2, R3)
  • the voltage at point P is Vp
  • the power supply voltage is Vs.R1, R2, and R3 usually have a resistance of several mega to several tens of mega ohms.
  • Vp is the divided voltage of R2 and R3 and 1 with respect to Vs.
  • the resistance value of the piezoelectric layer 3 is usually several hundred megaohms or more, it hardly contributes to the parallel resistance value of R2 and R3, and is ignored in the calculation of the partial pressure value.
  • the Pa point or the Pb point is equivalently opened, so that Vp is a partial pressure value of R1 and R2.
  • the points Pa and Pb are equivalently short-circuited, so that Vp is equal to the circuit ground voltage.
  • an abnormality such as disconnection or short-circuit of the electrode of the pressure-sensitive sensor 1 is detected.
  • the pressure sensor 1 When the pressure sensor 1 is originally used, for example, if a pressure is applied to the pressure sensor 1 due to contact with an object, the pressure sensor 1 is deformed, and the center electrode 2 and the outer electrode 4 are deformed by the piezoelectric effect. Since a potential difference is generated between them and Vp changes, application such as judging contact of an object by detecting such a change in Vp becomes possible.
  • the center electrode, the pressure-sensitive layer, the outer electrode, and the plurality of insulated lead wires are laminated and formed into a cable shape, and at least one of the lead wires is formed at the tip portion.
  • a pressure-sensitive sensor is connected to an external circuit, and the distal end of the pressure-sensitive sensor is connected as in the related art. If a resistor is connected between the lead wire connected to the center electrode and the lead wire connected to the outer electrode on the external circuit instead of providing a resistor on the external circuit, the conventional pressure-sensitive sensor detects a disconnection / short A circuit equivalent to the circuit is formed, and the short circuit of each electrode can be detected.
  • the constituent force of the distal end portion becomes “sinking”, the dead area can be reduced, and the detection performance is improved.
  • the outer diameter of the tip portion can be reduced, the pressure-sensitive sensor can be easily inserted when the pressure-sensitive sensor is inserted into the elastic body, and the insertion work can be performed more efficiently.
  • the lead wire by arranging the lead wire close to the center electrode, if the insulating coating of the lead wire is removed at the end portion, conduction with the center electrode can be easily achieved, and work efficiency can be improved. Also, for example, in the process of manufacturing a pressure-sensitive sensor, when the pressure-sensitive layer is formed around the center electrode by extrusion, it is possible to bundle the lead-out wire around the center electrode and extrude it. There is no need to separately arrange wires, and the efficiency during molding can be improved. In addition, since the lead wire has a property that the mechanical strength is greater than at least one of the center electrode and the outer electrode, the lead wire does not break before the center electrode or the outer electrode breaks. No detection Improved detection reliability.
  • the protection portion for insulating and protecting the tip portion is provided, the end portion is insulated and protected, thereby improving reliability.
  • the pressure-sensitive layer is made of a piezoelectric material, for example, an output voltage is generated in accordance with the acceleration of the deformation of the pressure-sensitive sensor due to contact with the object. Contact can be detected.
  • the lead wire is disposed in close contact with the center electrode.
  • the lead wire is not limited to this configuration, and may have another configuration.
  • Figures 3 (a) to 3 (C) show other arrangements of lead wires.
  • Fig. 3 (a) shows a configuration in which the center electrode 2 is made up of a plurality of single metal conductors and bundled spirally with the leads 10 and 11, and
  • Fig. 3 (b) shows the leads 10 and 11 as piezoelectric layers.
  • Fig. 3 (c) shows a configuration in which the lead wires 10 and 1 "1 are disposed around the outer electrode 4.These configurations are the same as in the first embodiment. Particularly, in the configurations shown in FIGS.
  • the lead wires 10 and 1 "1 are arranged in close contact with the outer electrode 4. With this configuration, if the insulating coating of the lead wire 10 is removed at the tip end, conduction with the outer electrode 4 can be easily achieved, and work efficiency can be improved.
  • the second resistor 14 in FIG. 1 is eliminated, and as shown in FIG. 4, the fourth resistor 16 (resistance value R4) and the fifth resistor
  • the power supply voltage Vs may be divided by the body 17 (resistance value R5) and a signal from the pressure-sensitive sensor 1 may be derived.
  • Vp is a partial pressure value of R4 and R5 with respect to Vs.
  • the resistance value of the piezoelectric layer 3 is usually several hundred megaohms or more, it hardly contributes to R5 and is ignored in the calculation of the partial pressure value.
  • the point Pa or the point Pb is equivalently opened, so that Vp becomes equal to Vs.
  • the points Pa and Pb are equivalently short-circuited, so that Vp becomes equal to the circuit ground voltage. In this way, an abnormality such as a disconnection or short-circuit of the electrode of the pressure-sensitive sensor 1 is detected based on the value of Vp.
  • FIGS. 5 and 6 are schematic configuration diagrams of the pressure-sensitive sensor 1 of the present embodiment.
  • This embodiment is different from the first embodiment in that the lead wire 18 is connected to one of the center electrode 2 and the outer electrode 4 at the tip S.
  • FIG. 5 is a configuration diagram when the lead wire 18 is connected to the outer electrode 4 at the distal end
  • FIG. 6 is a configuration diagram when the lead wire 18 is connected to the center electrode 2 at the distal end. .
  • Vp is set to the voltage value obtained by dividing Vs by R4 and R5. It fluctuates due to the deformation of 1 and when the center electrode 2 is disconnected, Vp becomes equal to Vs, and when there is a short circuit between the center electrode 2 and the outer electrode 4, Vp becomes equal to the circuit ground voltage.
  • the pressure sensor 1 when the pressure sensor 1 is originally used, for example, when a pressure is applied to the pressure sensor 1 due to contact with an object, the pressure sensor 1 is deformed, and the center electrode 2 and the outer electrode 4 are deformed by the piezoelectric effect. Since a potential difference occurs between them and Vp changes, applications such as judging contact of an object by detecting such a change in Vp become possible.
  • the center electrode and the outer electrode by connecting one of the center electrode and the outer electrode to the lead wire at the tip, for example, when the mechanical strength of the center electrode is greater than that of the outer electrode, only the outer electrode is used at the tip.
  • a resistor is connected between the center electrode and the lead wire connected to the lead wire and connected to the outer electrode on the external circuit, disconnection of the outer electrode and the outer electrode Since the short circuit between the electrode and the center electrode can be detected, the number of the lead wires can be reduced as compared with the configuration of the first embodiment, and the configuration can be rationalized.
  • a sixth resistor 19 is connected between the lead wire 18 and the power supply voltage Vs, and the center electrode 2 is connected.
  • a configuration may be adopted in which a seventh resistor 20 for deriving a signal from the pressure-sensitive sensor “1” is disposed between the pressure-sensitive sensor 1 and the outer electrode 4.
  • the resistor 1 9 of the sixth number ⁇ tens of 1 ⁇ of good instrument noise in ⁇ Less susceptible.
  • Example 1 shown in FIG. 1 the distal end portion S is hermetically sealed by a protection portion (not shown) made of a heat-shrinkable tube or resin for insulation protection, and then further provided with a conductive member as necessary. It has already been described that the outer electrode 4 is electrically connected to the conductive member to shield the end portion S.
  • the present embodiment is particularly characterized in that the distal end portion S of the first embodiment is covered with a conductive rubber cap 21.
  • a conductive rubber cap 21 For example, a heat-shrinkable conductive rubber cap is used, and after contraction, the inner diameter of the conductive rubber cap 21 is set to be slightly smaller than the outer diameter of the outer electrode 4, so that the conductive rubber 21 only mechanically engages with the outer electrode 4. Instead, it is electrically conducted. With a simple configuration, mechanical protection and electrical sealing of the terminal can be achieved.
  • a configuration is shown in which a gap is provided between each electrode and the conductive rubber in the conductive rubber cap 21 to ensure an insulation distance, but an insulator is injected into a gap in the conductive rubber cap 21 to further insulate. Needless to say, to improve the performance.
  • the lead wire used is, for example, an enameled wire or the like, which is provided with an insulating coating.
  • the configuration of the lead wire is not limited to this.
  • another electric wire such as a strip electrode having an insulating coating on the surface may be used.
  • the pressure sensor of the present invention for example, instead of connecting the pressure sensor to an external circuit and providing a resistor at the tip of the pressure sensor as in the conventional art, When a resistor is connected between the lead wire connected to the center electrode and the lead wire connected to the outer electrode on the external circuit, an equivalent circuit to the circuit that detects disconnection and short-circuit with a conventional pressure-sensitive sensor is formed. Thus, disconnection or short circuit of each electrode can be detected. Further, since a resistor is not provided at the tip portion as in the related art, the configuration of the tip portion is simplified, the dead area can be reduced, and the detection performance is improved. Further, since the outer diameter of the distal end portion can be reduced, it is easy to insert the pressure-sensitive sensor when inserting the pressure-sensitive sensor into the elastic body, and the efficiency of the insertion operation can be improved.

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Abstract

感圧センサ１内に絶縁被覆した複数の導出線１０、１１を積層してケーブル状に成形し、先端部分Ｓで導出線１１を中心電極２に、導出線１０を外側電極４に接続した。これによって、例えば、外部回路１２に感圧センサ１を接続し、外部回路１２上で導出線１０と導出線１１との間に第３の抵抗体１５を接続すると、従来の感圧センサで断線・ショートを検出する回路と等価的な回路が形成され、各電極の断線やショートを検出できる上、先端部分の構成がシンプルになり、不感領域も低減でき、検出性能が向上する。

Description

明 細 書 感圧センサ <技術分野 >
本発明は、ケーブル状の感圧センサに関し、特にその断線検出構成に関す るものである。 く背景技術〉
従来の感圧センサを図 9を用いて説明する。図 9は感圧センサ 1の概略構成 図である。図 9に示したように、感圧センサ 1は、中心電極 2、感圧層としての圧電体 層 3、外側電極 4、被覆層 5を同軸ケーブル状に成形した圧電センサである。
一般的には、このような同軸ケーブル状に成形した圧電センサの信頼性及 ぴ生産性向上において、圧電センサの断線やショー卜等の検査工程やケーブル状圧 電センサを用い 2次加工した際の断線やショート等の検査確認の容易性を考えた場 合に、ケーブルの両端での検査作業は非常に手間を有していた。
そこで、この感圧センサ 1の断線やショートを検出するには、中心電極 2や外 側電極 4の両端の導通をテスター等により測定する方法がある力 導通の測定のた めにその都度テスターを使用するのは実用的でないことから、図 9に示したように先 端部分 Sにおいて中心電極 2と外側電極 4との間に断線 'ショート検出用のセンサ側 抵抗体 6を接続し、後述するように感圧センサ 1に接続された外部回路 7側からバイ ァス電圧を印加することにより断線'ショートを検出する構成を備えている。
ここで、 8は断線'ショー卜検出用の回路側抵抗体、 9は感圧センサ 1からの 信号を導出するための信号導出用抵抗体である。回路側抵抗体 8、信号導出用抵抗 体 9およびセンサ側抵抗体 6の抵抗値をそれぞれ R"!、 R2, R3、 P点の電圧を Vp、 電源電圧を Vsとする。 R1、 R2、 R3は通常数メガ〜数十メガオームの抵抗値が用い られる。
この構成により、感圧センサ 1の電極が正常の場合、 Vpは Vsに対して、 R2 と R3の並列抵抗と R1との分圧値となる。ここで、圧電体層 3の抵抗値は通常数百メ ガオーム以上であるので R2、 R3の並列抵抗値にはほとんど寄与せず、上記分圧値 の算出には無視するものとする。次に、感圧センサ 1の中心電極 2と外側電極 4の少 なくとも一方が断線すると、等価的には Pa点または Pb点力オープンとなるので、 Vp は R1と R2の分圧値となる。中心電極 2と外側電極 4とがショートすると等価的には P a点と Pb点がショートすることになるので、 Vpは回路グランド電圧に等しくなる。この ように Vpの値に基づいて感圧センサ 1の電極の断線やショートといった異常を検出す る (特許文献 1参照）。
[特許文献 1 ]
特開 2003— 1 06048号公報 (第 4一 5頁、第 5図）
しかしながら、前記従来の感圧センサは、先端部分 Sにセンサ側抵抗体 6を 接続しているため、構成が複雑な上、センサ側抵抗体 6の寸法分だけ不感領域があ るといった課題を有していた。
また、感圧センサ"!を使用する場合は、ゴム部材等からなる弾性体に揷入孔 を設けて前記挿入孔に感圧センサ 1を挿入して使用すると、外部からの押圧により前 記弾性体が弾性変形して感圧センサ 1が変形し易くなるので感圧センサ 1の感度が 向上するが、前記従来の感圧センサはセンサ側抵抗体 6があるので端部 Sの外径が 感圧センサ 1の外径よりも大きくなリ、前記挿入孔に感圧センサ 1を挿入しづらいとい つた課題を有していた。 く発明の開示 >
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、先端部分の構成が シンプルな上、不感領域を低減し、先端部分の外径も小さくでき、かつ、感圧センサ の断線やショートを検出できる感圧センサを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明は、中心電極と、感圧層と、外側電極と、 絶縁被覆した複数の導出線とを積層してケーブル状に成形し、先端部分で前記導出 線の少なくとも 1つを前記中心電極に接続し、かつ、残りの前記導出線を前記外側電 極に接続したものである。
これによつて、例えば、外部回路に感圧センサを接続し、従来のように感圧 センサの先端部分に抵抗体を設ける代わりに、外部回路上で中心電極と導通した導 出線と外側電極と導通した導出線との間に抵抗体を接続すると、従来の感圧センサ で断線'ショートを検出する回路と等価的な回路が形成され、各電極の断線やショー 卜を検出することができる。また、従来のように先端部分に抵抗体を設けないので、先 端部分の構成がシンプルになり、不感領域も低減でき、先端部分の外径も小さくでき る。
上記の課題を解決するために請求項 1の発明は、中心電極と、感圧層と、 外側電極と、絶縁被覆した複数の導出線とを積層してケーブル状に成形し、先端部 分で前記導出線の少なくとも 1つを前記中心電極に接続し、かつ、残りの前記導出線 を前記外側電極に接続したことにより、例えば、外部回路に感圧センサを接続し、従 来のように感圧センサの先端部分に抵抗体を設ける代わりに、外部回路上で中心電 極と導通した導出線と外側電極と導通した導出線との間に抵抗体を接続すると、従 来の感圧センサで断線'ショートを検出する回路と等価的な回路が形成され、各電極 の断線やショートを検出することができる。また、従来のように先端部分に抵抗体を設 けないので、先端部分の構成がシンプルになり、不感領域も低減でき、検出性能が 向上する。さらに、先端部分の外径も小さくできるので、弾性体に感圧センサを挿入 する際に感圧センサを挿入しやすくなリ、挿入作業の効率化が図れる。
請求項 2の発明は、中心電極と、感圧層と、外側電極と、絶縁被覆した少な くとも 1つの導出線とを積層してケーブル状に成形し、先端部分で前記中心電極と前 記外側電極のいずれか一方を前記導出線に接続したことにより、例えば、外側電極 より中心電極の機械的強度が大きい場合は、先端部分で前記外側電極のみを前記 導出線に接続して、外部回路上で外側電極と導通した導出線と中心電極との間に抵 抗体を接続すると、外側電極の断線と、外側電極と中心電極とのショー卜とを検出す ることができるので、感圧センサに配設する導出線の合理化が可能となる。
請求項 3の発明は、特に請求項 1または 2に記載の導出線を中心電極と密 接して配設することにより、先端部分で導出線の絶縁被覆を削除すれば容易に中心 電極と導通が図れるので作業の効率化ができる。また、例えば、感圧センサの製造 工程において、中心電極の周囲に感圧層を押出し加工により成形する際に、中心電 極に導出線を束ねて押出し加工することが可能となるので、導出線を別途配設する 手間が不要となり成形時の効率化ができる。 請求項 4の発明は、特に請求項 1または 2に記載の導出線を外側電極と密 接して配設することにより、先端部分で導出線の絶縁被覆を削除すれば容易に外側 電極と導通が図れるので作業の効率化ができる。
請求項 5の発明は、特に請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の導出線が中 心電極と外側電極の少なくともいずれか一方より機械的強度が大きな特性を有する ことにより、中心電極や外側電極が断線する前に導出線が断線することがないので、 断線の誤検出がなぐ検出信頼性が向上する。
請求項 6の発明は、特に請求項 1 ~5のいずれか 1項に記載の感圧センサ に対し、先端部分を絶縁保護する保護部を備えたことにより、端部が絶縁保護される ので、信頼性が向上する。
請求項 7の発明は、特に請求項 1〜6のいずれか 1項に記載の感圧層が圧 電体から成ることにより、例えば、物体の接触による感圧センサの変形の加速度に応 じた出力電圧を発生するので、通常の電極接触型の感圧スィッチよりも感度よく物体 の接触を検出できる。
<図面の簡単な説明 >
図 1は実施例 1の感圧センサの構成図。
図 2は図 1の A— A線における断面図。
図 3 (a)は中心電極を複数本の金属単線導線とし、導出線とともに螺旋状に 束ねた構成における感圧センサの断面図。
図 3 (b)は導出線を圧電体層の周囲に配設した構成における感圧センサの 断面図。
図 3 (c)は導出線を外側電極の周囲に配設した構成における感圧センサの 断面図。
図 4は外部回路の他の実施例における構成図。
図 5は実施例 2の感圧センサの構成図 (先端部分で外側電極のみを導出線 に接続した場合）。
図 6は実施例 2の感圧センサの構成図（先端部分で内側電極のみを導出線 に接続した場合）。 図 7は外部回路の他の実施例における構成図。
図 8は実施例 3の感圧センサにおける導電ゴムキャップを用いた端末処理 構成を示す構成図。
図 9は従来の感圧センサにおける構成図。
図中、参照番号 1は感圧センサ、 2は中心電極、 3は圧電体層 (感圧層）、 4 は外側電極、 1 0、 1 1、 1 8は導出線をあらわす。 く発明を実施するための最良の形態 >
以下、本発明の実施例について図 1から図 7を参照して説明する。
〈実施例 1 )
実施例 1の発明を図 1及び図 2を参照して説明する。
図 1は本実施例 1の感圧センサの概略構成図、図 2は図 1リ A— A位置にお ける断面図である。図 1より、感圧センサ 1は、中心電極 2、感圧層としての圧電体層 3、外側電極 4、被覆層 5、絶縁被覆した導出線"! 0、 1 1を積層して同軸ケーブル状に 成形した圧電センサで、図 2に示すように導出線 1 0、 1 1は中心電極 2と密接して配 設されている。
中心電極 2は通常の金属単線導線を用いても良いが、ここでは絶縁性高分 子繊維の周囲に金属コイルを巻いた電極を用いる。圧電体層 3はゴム弾性体に圧電 セラミックの焼結粉体を混合した複合圧電体から り、前記ゴム弾性体としては、例 えば、塩素化ポリエチレンを用いる。尚、圧電体層 3の他の構成としてポリフッ化ビニ リデン等の高分子圧電体をもちいた構成としてもよい。外側電極 4は編組電極を用い ても良いが、ここでは高分子層の上に金属膜の接着された帯状電極を用いる。帯状 電極を用いる場合は、これを圧電体層 3の周囲に巻きつけた構成とし、感圧センサ 1 を外部環境の電気的雑音からシールドするために、帯状電極を部分的に重なるよう にして圧電体層 3の周囲に巻きつけることが好ましい。
導出線 1 0、 1 1は例えばエナメル線等の絶縁被覆が施された電線を用いる。 この場合、導出線同士や導出線と内側電極との接触や摩擦、屈曲による被覆の劣化 がないよう被覆の厚みや被覆材料を選定することが望ましい。さらに、導出線 1 0、 1 1は中心電極 2と外側電極 4の少なくとも一方より機械的強度が大きな特性を有した ものを選定する。
被覆層 5は塩化ビニルやポリエチレンを用いればよいが、押圧時に感圧セン サ 1が変形しやすいよう圧電体層 3よりも柔軟性及び可撓性の良いゴム等の弾性材 料、例えばエチレンプロピレンゴム（EPDM)、クロロプレンゴム（CR)、プチルゴム（II R)、シリコンゴム（Si)、熱可塑性エラストマ一等を用いてもよい。
感圧センサ 1は以下の工程により製造される。最初に、塩素化ポリエチレン シートと (40〜70)vol%の圧電セラミックにこでは、チタン酸ジルコン酸鉛）粉末が口 ール法によリシ一卜状に均一に混合される。このシートを細かくペレット状に切断した 後、これらのペレットは中心電極 2及び導出線 1 0と、 1 1と共に連続的に押し出されて 圧電層 3を形成する。それから、圧電層 3の外側に擬似電極を接触させ、中心電極 2 と前記擬似電極の間に（5〜 1 0) kVZmmの直流高電圧が印加されて圧電体層 3の 分極が行われる。分極後、外側電極 4が圧電体層 3の周囲に巻きつけられる。最後 に、外側電極 4を取り巻いて被覆層 5が連続的に押し出される。圧電体層 3は塩素化 ポリエチレンを用いているため、一般の合成ゴムの製造に必要な加硫工程は不要で ある。
次に、図 1に示すように感圧センサ 1の先端部分 Sで被覆層 5を所定長さだ け剥き、外側電極 4、圧電体層 3、導出線 1 0、 1 1、中心電極 2を露出させる。そして、 導出線 1 1を中心電極 2に接続し、導出線 1 0を外側電極 4に接続する。接続は、例え ば、ハンダ付けスポット溶接、カシメ等により行う。この接続後、端部 Sは絶縁保護の ため、熱収縮チューブや樹脂等からなる保護部 (図示せず)により密封される。密封 後、必要に応じてさらに導電部材によリカバーし、外側電極 4と前記導電部材とを導 通して端部 Sをシールドする。以上の工程によリ感圧センサ 1が製造される。
図"!において、 1 2は感圧センサ 1に接続された外部回路で、 1 3は断線 'ショ 一卜検出用の第 1の抵抗体、 1 4は感圧センサ 1からの信号を導出するための第 2の 抵抗体、 1 5は第 3の抵抗体で、それぞれ従来の感圧センサで説明した回路側抵抗 体 8、信号導出用抵抗体 9、センサ側抵抗体 6と同じ抵抗値 (それぞれ R1、 R2、 R3) を有している。 P点の電圧を Vp、電源電圧を Vsとする。 R1、 R2、 R3は通常数メガ〜 数十メガオームの抵抗値が用いられる。 以上のように構成された感圧センサについて、以下その動作、作用を説明 する。感圧センサ 1の電極が正常の場合、 Vpは Vsに対して、 R2と R3の並列抵抗と 1との分圧値となる。ここで、圧電体層 3の抵抗値は通常数百メガオーム以上であ るので R2、 R3の並列抵抗値にはほとんど寄与せず、上記分圧値の算出には無視す るものとする。次に、感圧センサ 1の中心電極 2と外側電極 4の少なくとも一方が断線 すると、等価的には Pa点または Pb点がオープンとなるので、 Vpは R1と R2の分圧値 となる。中心電極 2と外側電極 4とがショートすると等価的には Pa点と Pb点がショート することになるので、 Vpは回路グランド電圧に等しくなる。このように Vpの値に基づ いて感圧センサ 1の電極の断線やショートといった異常を検出する。
また、感圧センサ 1の本来の使用にあたっては、例 ぱ物体の接触により押 圧が感圧センサ 1印加されると、感圧センサ 1が変形し、圧電効果により中心電極 2と 外側電極 4との間に電位差が生じ、 Vpが変化するので、このような Vpの変化を検出 することにより物体の接触を判定する等の応用が可能となる。
以上のように、本実施例においては、中心電極と、感圧層と、外側電極と、 絶縁被覆した複数の導出線とを積層してケーブル状に成形し、先端部分で前記導出 線の少なくとも 1つを前記中心電極に接続し、かつ、残りの前記導出線を前記外側電 極に接続したことにより、例えば、外部回路に感圧センサを接続し、従来のように感 圧センサの先端部分に抵抗体を設ける代わりに、外部回路上で中心電極と導通した 導出線と外側電極と導通した導出線との間に抵抗体を接続すると、従来の感圧セン ザで断線'ショートを検出する回路と等価的な回路が形成され、各電極の断線ゃショ —トを検出することができる。また、従来のよう 先端部分に抵抗体を設けないので、 先端部分の構成力《シンカレになり、不感領域も低減でき、検出性能が向上する。さら に、先端部分の外径も小さくできるので、弾性体に感圧センサを挿入する際に感圧セ ンサを挿入しやすくなリ、挿入作業の効率化が図れる。
また、導出線を中心電極と密接して配設することにより、先端部分で導出線 の絶縁被覆を削除すれば容易に中心電極と導通が図れるので作業の効率化ができ る。また、例えば、感圧センサの製造工程において、中心電極の周囲に感圧層を押 出し加工により成形する際に、中心電極に導出線を束ねて押出し加工することが可 能となるので、導出線を別途配設する手間が不要となり成形時の効率化ができる。 また、導出線が中心電極と外側電極の少なくともいずれか一方より機械的 強度が大きな特性を有することにより、中心電極や外側電極が断線する前に導出線 が断線することがないので、断線の誤検出がな 検出信頼性が向上する。
また、先端部分を絶縁保護する保護部を備えたことにより、端部が絶縁保護 されるので、信頼性が向上する。
また、感圧層が圧電体から成ることにより、例えば、物体の接触による感圧 センサの変形の加速度に応じた出力電圧を発生するので、通常の電極接触型の感 圧スイッチよりも感度よく物体の接触を検出できる。
尚、本実施例では導出線を中心電極と密接して配設したが、導出線の配設 構成はこれに限るものではなく、他の構成としてもよし、。図 3 ( a)〜3 ( C)に導出線の 他の配設構成を示す。図 3 (a)は中心電極 2を複数本の金属単線導線とし、導出線 1 0、 1 1とともに螺旋状に束ねた構成、図 3 (b)は導出線 1 0、 1 1を圧電体層 3の周囲 に配設した構成、図 3 (c)は導出線 1 0、 1 "1を外側電極 4の周囲に配設した構成であ リ、これらの構成を用いることにより実施例 1と同様な効果がある。また、特に、図 3 (b〉と図 3 (c)の構成では、導出線 1 0、 1 "1を外側電極 4と密接して配設する構成とな つておリ、この構成により先端部分で導出線 1 0の絶縁被覆を削除すれば容易に外側 電極 4と導通が図れるので作業の効率化ができる。
また、外部回路 1 2の他の実施例として、図 1の第 2の抵抗体 1 4をなくし、図 4に示すように、第 4の抵抗体 1 6 (抵抗値 R4)と第 5の抵抗体 1 7 (抵抗値 R5 )で電 源電圧 Vsを分圧するとともに感圧センサ 1からの信号を導出する構成としてもよい。 この構成により、感圧センサ 1の電極が正常の場合、 Vpは Vsに対して、 R4と R5との 分圧値となる。ここで、圧電体層 3の抵抗値は通常数百メガオーム以上であるので R 5にはほとんど寄与せず、上記分圧値の算出には無視するものとする。次に、感圧セ ンサ 1の中心電極 2と外側電極 4の少なくとも一方が断線すると、等価的には Pa点ま たは Pb点がオープンとなるので、 Vpは Vsと等しくなる。中心電極 2と外側電極 4とが ショートすると等価的には Pa点と Pb点がショートすることになるので、 Vpは回路グラ ンド電圧に等しくなる。このように Vpの値に基づいて感圧センサ 1の電極の断線ゃシ ョートといった異常を検出する。
(実施例 2) 実施例 2の発明を図 5及び図 6に基づいて説明する。図 5及び図 6は本実施 例の感圧センサ 1の概略構成図である。本実施例が実施例 1と相違する点は、導出 線 1 8が先端部分 Sで中心電極 2と外側電極 4のいずれか一方に接続された点にあ る。ここで、図 5は導出線 1 8が先端部分で外側電極 4に接続された場合の構成図、 図 6は導出線 1 8が先端部分で中心電極 2に接続された場合の構成図である。
上記構成により、先端部分 Sで中心電極 2と外側電極 4のいずれか一方を 導出線 1 8に接続したことにより、例えば、外側電極 4より中心電極 2の機械的強度が 大きい場合は、図 5に示すように先端部分 Sで外側電極 4のみを導出線 1 8に接続し て、外部回路上で導出線 1 8と中心電極 2との間に第 5の抵抗体 1 7を接続すると、感 圧センサ 1が正常な場合は、 Vsを R4と R5で分圧した電圧値を基準値として Vpが感 圧センサ 1の変形により変動し、外側電極 4の断線がある場合は、 Vpが Vsと等しくな リ、外側電極 4と中心電極 2とのショートがある場合は、 Vpが回路グランド電圧に等し くなる。このように Vpの値に基づいて外側電極 4の断線と、外側電極 4と中心電極 2と のショートとを検出することができる。
また、中心電極 2よリ外側電極 4の機械的強度が大きい場合は、図 6に示す ように先端部分 Sで中心電極 2のみを導出線 1 8に接続して、外部回路上で導出線 1 8と外側電極 4との間に第 5の抵抗体 1 7を接続すると、感圧センサ 1が正常な場合は、 Vsを R4と R5で分圧した電圧値を基準値として Vpが感圧センサ 1の変形により変動 し、中心電極 2の断線がある場合は、 Vpが Vsと等しくなリ、中心電極 2と外側電極 4 とのショートがある場合は、 Vpが回路グランド電圧に等しくなる。
また、感圧センサ 1の本来の使用にあたっては、例えば物体の接触により押 圧が感圧センサ 1印加されると、感圧センサ 1が変形し、圧電効果により中心電極 2と 外側電極 4との間に電位差が生じ、 Vpが変化するので、このような Vpの変化を検出 することにより物体の接触を判定する等の応用が可能となる。
以上のように、先端部分で中心電極と外側電極のいずれか一方を導出線に 接続したことにより、例えば、外側電極より中心電極の機械的強度が大きい場合は、 先端部分で前記外側電極のみを前記導出線に接続して、外部回路上で外側電極と 導通した導出線と中心電極との間に抵抗体を接続すると、外側電極の断線と、外側 電極と中心電極とのショートとを検出することができるので、実施例 1の構成よりも導 出線の本数を減らすことができ構成の合理化が可能となる。
尚、図 5の構成における外部回路 1 2の他の実施例として、図 7に示すように、 導出線 1 8と電源電圧 Vsの間に第 6の抵抗体 1 9を接続し、中心電極 2と外側電極 4 の間に感圧センサ" 1からの信号を導出するための第 7の抵抗体 20を配設する構成と してもよい。上記構成により、感圧センサ 1が正常な場合は点 Qの電圧 Vqが回路グラ ンド電圧に等しくなリ、外側電極 4の断線がある場合は Vqが Vsと等しくなる。また、上 記実施例 1、 2で使用している第 1〜第 5の抵抗体、及び、第 7の抵抗体は通常数メガ 〜数十メガオームの抵抗値が用いられるが、第 6の抵抗体19は数 !<Ω〜数十 1<Ωでよ ぐノイズの影響を受けにくい。
(実施例 3)
実施例 3は本発明における端末の処理に関して、図 8を基に説明をする。 図 1に示す実施例 1において、先端部分 Sは絶縁保護のため、熱収縮チュー ブゃ樹脂等からなる保護部（図示せず)により密封し、その後、必要に応じてさらに導 電部材によリカバーし、外側電極 4と前記導電部材とを導通して端部 Sをシールドす る旨、すでに説明した。
本実施例は特に、実施例 1の先端部分 Sに、導電ゴムキャップ 21を被せた 構成を点である。たとえば、熱収縮性の導電ゴムキャップを用い、収縮後、導電ゴム キャップ 21の内径は外側電極 4の外径より若干小さく設定するとで、導電ゴム 21は 外側電極 4と機械的に係合するのみならず、電気的にも導通する。簡単な構成により、 端末の機械的な保護と電気的なシールを果たすことができる。
従来のように、先端部分 Sに断線検知用の抵抗を接続した後に、熱収縮性 の導電ゴムキャップをこの先端部分 sに被せた場合、断線検知用抵抗本体とその両 端子部分だけ導電ゴムキャップを大きく (長く)しなくてはならない。したがって、挿入時 や作業時に先端部分 Sが曲がったり、折れたりして外側電極と同電位でない断線検 知用抵抗端子部分とが接触してしまうので取り扱いに注意を払っていた。しかし、本 構成を用いることで、中心電極等の電極が極力短くでき、先端部分 Sの絶縁が容易 になった。 また、導電ゴムキャップ 21内において、各電極と導電ゴムとの間に隙間を設 け、絶縁距離を確保した構成を図示したが、導電ゴムキャップ 21内の空隙に絶縁体 を注入し、更に絶縁性を向上させることは言うまでもない。
また、以上の実施例では、導出線は例えばエナメル線等の絶縁被覆が施さ れた電線を用いたが、導出線の構成はこれに限るものではなぐ例えば、絶縁被覆を 有した一般の電線や、表面に絶縁被覆を施した帯状電極等の他の電線を使用しても よい。
<産業上の利用可能性 >
上記実施例から明らかなように、本発明の感圧センサによれば、例えば、外 部回路に感圧センサを接続し、従来のように感圧センサの先端部に抵抗体を設ける 代わりに、外部回路上で中心電極と導通した導出線と外側電極と導通した導出線と の間に抵抗体を接続すると、従来の感圧センサで断線'ショートを検出する回路と等 価的な回路が形成され、各電極の断線やショートを検出することができる。また、従 来のように先端部分に抵抗体を設けないので、先端部分の構成がシンプルになり、 不感領域も低減でき、検出性能が向上する。さらに、先端部分の外径も小さくできる ので、弾性体に感圧センサを挿入する際に感圧センサを挿入しやすくなリ、挿入作業 の効率化が図れる。

Claims

1. 中心電極と、感圧層と、外側電極と、絶縁被覆した複数の導出線と を積層してケーブル状に成形し、先端部分で前記導出線の少なくとも 1つを前記中心 電極に接続し、かつ、残りの前記導出線を前記外側電極に接続した感圧センサ。
2. 中心電極と、感圧層と、外側電極と、絶縁被覆した少なくとも 1つの 請
導出線とを積層してケーブル状に成形し、先端部分で前記中心電極と前記外側電極 のいずれか一方を前記導出線に接続した感圧センサ。
3. 導出線は中心電極と密接して配設された請求項 1記載の感圧セン サ。 囲
4. 導出線は外側電極と密接して配設された請求項 1記載の感圧セン サ。
5. 導出線は中心電極と外側電極の少なくとも一方より機械的強度が大 きな特性を有した請求項 1〜4のいずれか 1項記載の感圧センサ。
6. 先端部分を絶縁保護する保護部を備えた請求項 1〜5のいずれか 1 項記載の感圧センサ。
7. 感圧層は圧電体から成る請求項 1〜6のいずれか 1項記載の感圧 センサ。
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