專利名稱：使用線纜狀壓電元件的振動檢測傳感器和壓敏開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用線纜狀壓電元件的振動檢測傳感器，以及涉及壓敏開關(guān)。
背景技術(shù)：
迄今，各種振動檢測器公知為用于地震的地震示波儀或壓敏傳感器。在這些振動檢測器中，采用預(yù)定壓電元件的振動檢測器已廣為人知。
例如，專利文獻(xiàn)1描述了一種振動傳感器，具有以可搖擺的方式豎直地設(shè)置在印刷基底上的壓電元件。
當(dāng)經(jīng)受外部振動時，壓電元件變形，并從電壓的縱向電平來計算地震強度，該電壓是在安裝于壓電元件外周面上的兩個電極之間產(chǎn)生的。
例如，如圖51所示的微開關(guān)已公知可作為各種應(yīng)用場合的開關(guān)(例如，見專利文件2)。
當(dāng)按壓力施加在微開關(guān)1001的桿1002上時，該桿1002到達(dá)按鈕1003的位置。如果通過桿1002施加在按鈕3上的按壓力足以致動按鈕1003，則可移動端子1004接觸觸點1005，由此啟動開關(guān)。
進而，各種振動檢測器已公知為用于地震的地震示波儀或用于電器設(shè)備等中的壓敏傳感器。這些振動檢測器中，使用預(yù)定壓電元件的振動檢測器已經(jīng)廣為人知。
例如，專利文獻(xiàn)3描述了一種地震示波儀，螺旋地設(shè)置了同軸的壓電元件，其一端固定且其另一端設(shè)置具有振動感知元件，專利文獻(xiàn)4描述了一種壓敏元件，其中由壓電元件形成的壓敏體同心地設(shè)置在內(nèi)電極外，且該壓敏體的外部涂敷以金屬箔、外電極或絕緣材料。
當(dāng)承受來自外部物體的力時，諸如收縮/膨脹、彎曲等，壓電元件變形，以由此產(chǎn)生預(yù)定的電壓(壓電效應(yīng))。特別地，該壓電元件檢測源于該物體的力的作用的加速度，并響應(yīng)該加速度產(chǎn)生輸出。通過利用這一特征，壓電元件可用于地震示波儀，或用于用來檢測預(yù)定應(yīng)力或壓力的傳感器(如壓敏元件)、或用于能響應(yīng)檢測而被啟動/停止的開關(guān)。
使用這種已有壓電元件的壓敏元件具有回彈性，且能固定地放置在預(yù)定位置同時能以所需的形狀來變形。通過使用粘接、螺紋、彈性元件、樹脂等機械地將元件固定到安裝部位的方法用于進行固定。
專利文獻(xiàn)1JP-A-2001-108516專利文獻(xiàn)2JP-A-2000-215751專利文獻(xiàn)3JP-A-11-064096專利文獻(xiàn)4JP-A-11-160169發(fā)明內(nèi)容然而，在振動敏感傳感器中，壓電元件直立地設(shè)置在印刷基底上，或壓電元件從印刷基底上懸下。以這種結(jié)構(gòu)，傳感器安裝方向的自由度受到限制。進而，為了維持預(yù)定的高度，必須確保與高度相應(yīng)的空間。而且，在水平方向振動的檢測精確度方面存在問題。
在專利文獻(xiàn)2中描述的微開關(guān)中，使可移動端子1004與接觸點1005接觸需要足夠的推壓力來按壓桿1002和按鈕1003，以及需要足夠的行程S來推動桿1002。如果用于推動桿1002和按鈕1003的壓力很小，或用于推動桿1002的行程S很短，則開關(guān)不會被啟動。
而且，由于壓感元件本身具有回彈力，所以元件具有試圖回復(fù)其原始形狀的性能，甚至在元件已經(jīng)固定并變形為所需形狀時也是如此(殘余形狀回復(fù)性)。因此，當(dāng)從外界向元件施加預(yù)定的力時，會產(chǎn)生從形狀回復(fù)性而獲得的輸出以及由于力的作用而導(dǎo)致的變形所產(chǎn)生的輸出(校正輸出)。源于形狀回復(fù)性的輸出根據(jù)所變形的形狀或固定方法呈現(xiàn)不同值，且因此存在的問題是，不能穩(wěn)定的獲得固定安放元件的輸出。
本發(fā)明提供一種振動檢測傳感器，能以高的精確度來檢測振動，同時確保安裝的自由度。
本發(fā)明針對以上缺陷進行設(shè)計，且本發(fā)明的目的是提供一種壓敏開關(guān)，不管該推壓力的強弱或推動行程的長度，都能響應(yīng)施加推壓力的加速度來輸出信號。
本發(fā)明還提供一種線纜狀壓電元件，能獲得穩(wěn)定的輸出，同時實現(xiàn)所需的形狀，以及提供一種采用該元件的振動檢測傳感器。
解決問題的手段本發(fā)明的振動檢測傳感器包括，基底，和線纜狀壓電元件，其與該基底的至少一端順序連接。線纜狀壓電元件在其徑向方向上具有芯電極；壓電構(gòu)件，其圍繞芯電極設(shè)置；外電極，其圍繞壓電元件設(shè)置；和包覆層，其圍繞外電極設(shè)置。
線纜狀壓電元件形成為具有彎曲部分，且重物緊固到壓電元件的至少一部分上。
線纜狀壓電元件彎曲，以便在大致平行于基底的主平面的平面內(nèi)成為大致環(huán)形，且重物緊固到壓電元件的開放端，該開放端與壓電元件固定到基底上的一端相對。
線纜狀壓電元件可以彎曲，以便在大致平行于基底主平面的平面內(nèi)成為大致圓形，且重物緊固到壓電元件的開放端，該開放端與壓電元件固定到基底上的一端相對。
線纜狀壓電元件與基底連接，同時線纜狀壓電元件的兩端配置為彼此大致平行，且兩端之間的中間部分形成為大致圓形。
線纜狀壓電元件形成為線圈形狀并以與基底大致成直角來設(shè)置。同時，線纜狀壓電元件形成為線圈形狀，并從基底伸出，以使得線圈的直徑隨距基底距離的增加而增加。
同時，可以在所述基底中形成通孔，線纜狀壓電元件與基底連接，以便該線纜狀壓電元件在通孔中大致與基底的主平面平行，且一重物可緊固到線纜狀壓電元件的開放端，該開放端與線纜狀壓電元件固定到基底上的一端相反?？商鎿Q的，線纜狀壓電元件彎曲為大致U形，且線纜狀壓電元件兩端都固定到基底上。
基底和線纜狀壓電元件可以容納在預(yù)定的外罩中。
線纜狀壓電元件可與基底連接，以使得線纜狀壓電元件從基底的下表面上懸下，以便向下伸出。
線纜狀壓電元件可被賦予形狀保持特性。壓電構(gòu)件包括樹脂和壓電陶瓷。
本發(fā)明的振動檢測傳感器可用于地震示波儀、流速測量儀器、電動兒童車、電動輪椅等。
本發(fā)明還涉及一種壓敏開關(guān)，包括壓電線纜，其具有由壓電陶瓷細(xì)小顆粒和樹脂基材料形成的壓電元件結(jié)構(gòu)。壓電線纜的至少一部分從支承面上突出，該突出部分彎曲為彎曲部分，且控制電路與壓電線纜的底端部分連接。
本發(fā)明的特征還在于，在壓電線纜的彎曲部分與支承面之間設(shè)置間隙。
本發(fā)明的特征還在于，壓電線纜的彎曲部分以單一曲率彎曲。
本發(fā)明的特征還在于，進一步包括用于固定壓電線纜引出端的固定裝置。
本發(fā)明的一種線纜狀壓電元件，具有形狀保持特性，并沿其徑向方向至少包括芯電極；壓電構(gòu)件，其圍繞芯電極設(shè)置；外電極，其圍繞壓電元件設(shè)置；和包覆層，其圍繞外電極設(shè)置。。
本發(fā)明的一種線纜狀壓電元件，沿其徑向方向包括芯電極；壓電構(gòu)件，其圍繞芯電極設(shè)置；外電極，其圍繞壓電元件設(shè)置；和包覆層，其圍繞外電極設(shè)置。該元件進一步包括形狀保持構(gòu)件，其在徑向方向上插入到外電極與包覆層之間，并將線纜狀壓電元件保持為預(yù)定形狀。
形狀保持構(gòu)件至少為片彈簧和螺旋彈簧中的一種。
本發(fā)明的一種線纜狀壓電元件，在其徑向方向包括芯電極；壓電構(gòu)件，其圍繞芯電極設(shè)置；外電極，其圍繞壓電元件設(shè)置；和包覆層，其圍繞外電極設(shè)置。芯電極具有用于將線纜狀壓電元件保持為預(yù)定形狀的形狀保持特性。芯電極由形狀記憶合金形成。
本發(fā)明的一種線纜狀壓電元件，沿其徑向方向包括芯電極；壓電構(gòu)件，其圍繞芯電極設(shè)置；外電極，其圍繞壓電元件設(shè)置；和包覆層，其圍繞外電極設(shè)置。包覆層具有用于將線纜狀壓電元件保持為預(yù)定形狀的形狀保持特性。包覆層由熱收縮管形成。
在線纜狀壓電元件中，壓電構(gòu)件由樹脂和壓電陶瓷形成。預(yù)定形狀為線圈狀、圓形、段狀、波紋狀以及漩渦狀中的至少一種。
一種振動檢測傳感器，可以將上述線纜狀壓電元件和控制電路相結(jié)合來制造，該控制電路用于檢測來自線纜狀壓電元件的信號輸出。
一種犯罪防護圍欄或護士呼叫開關(guān)，可由上述線纜狀壓電元件來制造。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明的振動檢測傳感器使用預(yù)定的、能采用各種形狀的線纜狀壓電元件。因此，可以確保進行不受安裝方向、安裝位置、安裝空間等限制并具有高自由度。結(jié)果，可以增強使用該傳感器的設(shè)備的設(shè)計自由度。而且，本發(fā)明的振動檢測傳感器不必費力地預(yù)先指定振動方向，就能進行高精確度的檢測。
根據(jù)本發(fā)明，從支承面伸出的壓電線纜的至少一部分被彎曲。因而，壓電構(gòu)件的機械彎曲量增加。通過向該彎曲部分作用應(yīng)力，甚至在推壓力很弱或行程很短時，也能響應(yīng)推壓力或推動行程長度的波動來以高靈敏度檢測到所作用的推壓力，可以輸出響應(yīng)推壓力加速度的信號。
在壓電線纜的彎曲部分和壓電線纜的支承面之間設(shè)置間隙，由此使得在推動過程中獲得的壓電線纜中的位移量變寬。由此，可以確保寬的檢測范圍。
而且，壓電線纜的彎曲部分以相同的曲率彎曲，由此可以確保在整個彎曲部分上一致地增強靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種能穩(wěn)定地確保所需形狀并產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的線纜狀壓電元件，一種使用該線纜狀壓電元件的振動檢測傳感器，以及使用該線纜狀壓電傳感器的其他產(chǎn)品。


圖1為示例性線纜狀壓電元件的視圖，使用螺旋彈簧作為形狀保持構(gòu)件。
圖2為示例性線纜狀壓電元件的視圖，使用片彈簧作為形狀保持構(gòu)件。
圖3為示例性線纜狀壓電元件的視圖，其中芯電極和/或包覆層被賦予形狀保持特性。
圖4為使用線纜狀壓電元件的振動檢測傳感器系統(tǒng)的示意圖。
圖5為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖8為根據(jù)本發(fā)明第四實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖9為根據(jù)本發(fā)明第五實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖10為根據(jù)本發(fā)明第六實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖11為根據(jù)本發(fā)明第七實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖12為根據(jù)本發(fā)明第八實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖13為根據(jù)本發(fā)明第九實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖14為根據(jù)本發(fā)明第十實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖15為根據(jù)本發(fā)明第十一實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖16為根據(jù)本發(fā)明第十二實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖17為根據(jù)本發(fā)明第十三實施例的振動檢測傳感器視圖。
圖18為將本發(fā)明的振動檢測傳感器應(yīng)用于流速測量裝置的示例性應(yīng)用視圖。
圖19為將本發(fā)明的振動檢測傳感器應(yīng)用于馬達(dá)驅(qū)動兒童車的示例性應(yīng)用視圖。
圖20為經(jīng)過端處理的線纜狀壓電元件的實例的視圖。
圖21為支承在基底上的保持件的各種實例的視圖，該保持件用于支承線纜狀壓電元件。
圖22為用于將線纜狀壓電元件連接至基底的方法的視圖。
圖23為用于將線纜狀壓電元件連接至基底的另一方法的視圖。
圖24為施加在線纜狀壓電元件上的載荷和傳感器輸出特性的圖表。
圖25為根據(jù)本發(fā)明第十四實施例的壓敏開關(guān)橫截面視圖。
圖26為圖25中顯示的壓敏開關(guān)的透視圖。
圖27為用于描述壓電線纜的透視圖。
圖28為用于壓電元件結(jié)構(gòu)的截面透視圖。
圖29為施加在壓敏開關(guān)上的載荷和信號輸出特性的圖表。
圖30為本發(fā)明的壓敏開關(guān)修改例的截面視圖。
圖31為圖30所示的壓敏開關(guān)透視圖。
圖32為本發(fā)明的壓敏開關(guān)另一修改例的截面視圖。
圖33為本發(fā)明的壓敏開關(guān)又一修改例的截面視圖。
圖34為本發(fā)明的壓敏開關(guān)再一修改例的截面視圖。
圖35為本發(fā)明的壓敏開關(guān)再一修改例的截面視圖。
圖36為本發(fā)明的壓敏開關(guān)再一修改例的截面視圖。
圖37為圖36顯示的壓敏開關(guān)的透視圖。
圖38為本發(fā)明的壓敏開關(guān)的修改例的透視圖。
圖39為本發(fā)明的壓敏開關(guān)的另一修改例的透視圖。
圖40為本發(fā)明的壓敏開關(guān)的又一修改例的主界面的側(cè)視圖。
圖41為本發(fā)明的示例性線纜狀壓電元件視圖，使用螺旋彈簧作為形狀保持構(gòu)件。
圖42為本發(fā)明的示例性線纜狀壓電元件視圖，使用片彈簧作為形狀保持構(gòu)件。
圖43為本發(fā)明的示例性線纜狀壓電元件的視圖，其中芯電極和/或包覆層被賦予形狀保持特性。
圖44為本發(fā)明的線纜狀壓電元件變形為各種形狀，并用于振動檢測傳感器的實例的視圖，其中(a)為線圈狀壓電元件的實例，(b)為環(huán)狀壓電元件的實例，(c)為圓弧狀壓電元件的實例，(d)為波紋狀壓電元件的例子，以及(e)為螺旋狀壓電元件的例子。
圖45為使用本發(fā)明的線纜狀壓電元件的振動檢測傳感器系統(tǒng)示意圖。
圖46為將本發(fā)明的線纜狀壓電元件應(yīng)用于犯罪防護圍欄頂部的例子的視圖。
圖47為將本發(fā)明的線纜狀壓電元件應(yīng)用于犯罪防護圍欄的裝飾部分的例子的視圖。
圖48為將本發(fā)明的線纜狀壓電元件應(yīng)用于護士呼叫開關(guān)的例子的視圖。
圖49為將本發(fā)明的線纜狀壓電元件應(yīng)用于護士呼叫開關(guān)的另一例子的視圖。
圖50為施加在線纜狀壓電元件上的載荷和傳感器輸出特性的圖。
圖51為概略表示示例性微開關(guān)的示意圖。
參考數(shù)字說明1 線纜狀壓電元件2 基底3 芯電極4 重物5 復(fù)合壓電層7 外電極9 包覆層11 螺旋彈簧13 片彈簧15 控制電路
100、110、120、130、140、150、160、170、170、190、200、210、220振動檢測傳感器1010 壓敏開關(guān)1012 支承面1013 彎曲處1014 控制電路1016 間隙1020 壓電線纜1023 壓電元件的結(jié)構(gòu)1025 壓電陶瓷細(xì)小顆粒1026 樹脂基材料2001 線纜狀壓電元件2003 芯電極2005 復(fù)合壓電層2007 外電極2009 包覆層2011 螺旋彈簧2012 片彈簧2015 控制電路2017 振動檢測傳感器2019 犯罪防護圍欄2021 犯罪防護圍欄2027 護士呼叫開關(guān)具體實施方式
參考附圖，在后文中對本發(fā)明的實施例進行描述。在對實施例的描述中，具有相同結(jié)構(gòu)并能產(chǎn)生相同工作效果的這些元件標(biāo)記為相同的參考標(biāo)號，且省略對它們的重復(fù)解釋。
(第一實施例)圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的振動檢測傳感器。該實施例的振動檢測傳感器100由基底2和安裝在基底2上的線纜狀壓電元件1形成。線纜狀壓電傳感器1的至少一端(固定端)直接與基底2連接，而其另一端(開放端)開放。
振動檢測傳感器100用作地震示波儀，或用作檢測各種振動的傳感器。在本實施例中，線纜狀壓電元件1為直線的，且放置為以大致直角從基底2開始延伸。
線纜狀壓電元件1具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)。線纜狀壓電元件1具有置于徑向中心的芯電極(中心電極)3。由壓電陶瓷制造的壓電元件材料(復(fù)合壓電層)5設(shè)置在芯電極3周圍，以由此構(gòu)成壓電構(gòu)件。而且，外電極7設(shè)置在復(fù)合壓電層5周圍，而具有形狀保持特性的螺旋彈簧11設(shè)置在外電極7周圍。螺旋彈簧11的最外周覆蓋有包覆層9，如PVC(聚氯乙烯)等，以由此構(gòu)成線纜狀壓電元件1。歸結(jié)于螺旋彈簧11，線纜狀壓電元件1具有優(yōu)異的形狀保持特性，且能響應(yīng)在線纜狀壓電元件1變形時產(chǎn)生的變形加速度來形成輸出信號。例如，鈦酸鉛或鈦鋯酸鉛的燒結(jié)細(xì)小顆粒，或如鈮酸鈉等無鉛壓電陶瓷的燒結(jié)細(xì)小顆粒，都可用作壓電陶瓷。本實施例的線纜狀壓電元件1具有如壓電線纜那樣的撓性，且由此可以變形成任何形狀。該線纜也具有形狀保持特性，因此，可以變形并保持為各種形狀。有鑒于此，當(dāng)如第一實施例的情況下，線纜狀壓電元件1不進行修改而直線地使用時，形狀保持特性并不是必要的，且由此螺旋彈簧11也不是必不可少的。
在線纜狀壓電元件1中，由本申請人專門開發(fā)的、可用于高達(dá)120℃的溫度且具有耐熱性的樹脂基材料，用于復(fù)合壓電層5。線纜狀壓電元件1可在一定溫度范圍內(nèi)使用(120℃或更少)，該溫度范圍高于相關(guān)技術(shù)中典型聚合物壓電元件材料(單軸伸長聚偏二氟乙烯)或壓電元件材料(由氯丁二烯細(xì)小顆粒和壓電陶瓷細(xì)小顆粒形成的壓電元件材料)的最高工作溫度，即90℃。復(fù)合壓電層5由具有撓性的樹脂和壓電陶瓷制成，其通過使用由線圈狀金屬中心電極和薄膜狀外電極形成的撓性電極來形成，且該復(fù)合壓電層5具有與普通乙烯基繩纜相同的撓性。
由樹脂基材料和10μm或更小的壓電陶瓷細(xì)小顆粒形成的復(fù)合構(gòu)件來形成復(fù)合壓電層5。振動檢測性能通過壓電陶瓷來實現(xiàn)，而撓性通過樹脂來實現(xiàn)。復(fù)合壓電層5使用氯基聚乙烯作為樹脂基材料，由此實現(xiàn)高的耐熱性(120℃)、能易于變形的撓性、以及簡單的制造過程，不需要交聯(lián)。
若復(fù)合壓電層5保持其成形的狀態(tài)，如此獲得的線纜狀壓電元件1不具有壓電特性。因而，需要將每毫米數(shù)伏特量級的高DC電壓施加在復(fù)合壓電層5上的處理(極化處理)，以由此向復(fù)合壓電層5賦予壓電特性。當(dāng)復(fù)合壓電層5中存在諸如裂紋這樣的細(xì)微缺陷時，在缺陷處趨于產(chǎn)生放電，使得電極很可能短路。因而，不能在復(fù)合壓電層上施加足夠的極化電壓。然而，在本發(fā)明中，使用輔助電極來建立獨特的極化步驟，該輔助電極能以給定長度與復(fù)合壓電層5緊密接觸，其結(jié)果是能夠檢測和避免缺陷，以由此施行穩(wěn)定的極化。由此，復(fù)合壓電層也能制造到數(shù)十米長或更長。
在線纜狀壓電元件1中，線圈狀中心電極用于芯電極3，而薄膜狀電極(由鋁、聚對苯二甲酸乙二醇酯、鋁構(gòu)成的三層層壓薄膜)用于外電極7。由此，確保復(fù)合壓電層5和電極之間的粘接，從而有助于外部引線的連接。因此，撓性線纜狀安裝結(jié)構(gòu)成為可能。
芯電極3由銅銀合金線圈形成，外電極7由鋁—聚對苯二甲酸乙二醇酯—鋁制成的三層層壓結(jié)構(gòu)形成，而復(fù)合壓電層5由聚氯乙烯基樹脂和壓電陶瓷細(xì)小顆粒形成。復(fù)合壓電層5的外鞘由熱塑性塑料形成。據(jù)此，可以獲得，介電常數(shù)為55、電荷為10至13C(庫侖)/gf，以及最大工作溫度為120℃。
在本發(fā)明的線纜狀壓電元件1中，螺旋彈簧11繞在外電極7的外部。螺旋彈簧11在線纜狀壓電元件1徑向上插在外電極7和包覆層9之間。該螺旋彈簧11形成用于將線纜狀壓電元件1保持為預(yù)定形狀的形狀保持構(gòu)件。
盡管以下所提供的金屬絲可用作螺旋彈簧11的材料，但材料并不限于這種金屬絲。
WC(80C)(硬質(zhì)鋼絲)；SWPA，SWPB(樂器線)；SWOSM-B(硅錳鋼絲)；SWOSC-V(硅鉻鋼絲)；SUS304-WPB，SUS316-WPA(不銹鋼絲)；BsW(黃銅絲)；PBW(磷青銅絲)。
作為示例，上述線纜狀壓電元件1通過以下過程制造。在最外側(cè)，通過輥壓技術(shù)，聚氯乙烯片材和按體積占40％至70％的壓電陶瓷(在本實施例中為鋯鈦酸鉛)細(xì)微顆粒一致地混合為片狀。當(dāng)該片材被細(xì)小地分割為顆粒之后，這些顆粒與芯電極3一起連續(xù)擠出，以由此形成復(fù)合壓電層5(在經(jīng)歷極化處理之前的壓電元件材料)。輔助電極與復(fù)合壓電層的外周接觸，而高電壓施加在輔助電極與芯電極3之間，由此實現(xiàn)極化處理。外電極7隨后繞在復(fù)合壓電層上。在螺旋彈簧11繞在外電極7上之后，包覆層9連續(xù)地擠出，同時包覆外電極7和螺旋彈簧11。如此制造的線纜狀壓電元件1甚至可以在圖5所示的直線狀態(tài)下使用，但在線纜狀壓電元件處理為如圖7等所示的各種形狀中的一個是特別優(yōu)選的。
當(dāng)壓電陶瓷細(xì)小顆粒添加到聚氯乙烯中時，優(yōu)選地，預(yù)先將壓電陶瓷細(xì)小顆粒浸入鈦交聯(lián)劑水溶液中并對如此浸入的壓電陶瓷細(xì)小顆粒進行干燥。通過這種處理，壓電陶瓷細(xì)小顆粒的表面涂敷上親水基和憎水基，兩者都包含在鈦交聯(lián)劑中。親水基防止壓電陶瓷細(xì)小顆粒凝結(jié)，而憎水基增加聚氯乙烯的可濕潤性以及壓電陶瓷細(xì)小顆粒的可濕潤性。結(jié)果，大量壓電陶瓷細(xì)小顆?？梢跃鶆虻丶拥骄勐纫蚁┲校畲筮_(dá)到占體積的70％。代替將壓電陶瓷細(xì)小顆粒浸入鈦交聯(lián)劑水溶液中，而在輥壓聚氯乙烯和壓電陶瓷細(xì)小顆粒時加入鈦交聯(lián)劑，可以獲得相同的效果。該處理優(yōu)越之處在于，不需要用于將壓電陶瓷細(xì)小顆粒浸入鈦交聯(lián)劑水溶液的特殊處理。如上，聚氯乙烯也可起到在混合壓電陶瓷細(xì)小顆粒時使用的粘結(jié)劑用樹脂的作用。
在本實施例中，由銅基金屬形成的單根金屬絲用于芯電極3。進而，帶狀電極用作外電極7，且外電極7包裹圍繞壓電元件材料5，通過將鋁金屬薄膜粘附在聚合物層上來形成該帶狀電極。聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)用作該聚合物層。由于通過將鋁金屬薄膜粘附在PET上而形成的電極在商業(yè)上能批量生產(chǎn)且廉價，所以這種電極可優(yōu)選地用作外電極7。當(dāng)該電極與外部控制電路等連接時，電極可以通過例如填縫(caulking)或孔眼(eyelet)的方式來連接。也可采用將單獨一條金屬絲或金屬編線圍繞外電極7的鋁薄膜進行釬焊的結(jié)構(gòu)，以在與控制電路等連接時使用。由于可以進行釬焊，所以工作起來很有效。為了使線纜狀壓電元件1從外部環(huán)境中的電噪音屏蔽起來，外電極7按期望的線圈狀纏繞在復(fù)合壓電層上，以使得它們部分地互相重疊。
橡膠材料也可用作包覆層9，橡膠材料在絕熱性和防水性方面優(yōu)于聚氯乙烯。為了使復(fù)合壓電層5易于通過與復(fù)合壓電層5接觸的物體的推力而變形，優(yōu)選比復(fù)合壓電層5更軟且更易撓曲的橡膠材料?；谀蜔嵝院湍秃缘目紤]來選擇要安裝在車輛上的組件，且希望選擇的組件是，在-30℃至85℃之間撓性降低較少。例如，最好使用三元乙丙橡膠(EPDM)，氯丁二烯橡膠(CR)，異丁烯-異戊二烯橡膠(IIR)，硅橡膠(Si)，熱塑性塑料彈性體等作為橡膠材料。通過這種結(jié)構(gòu)，線纜狀壓電元件1的最小曲率可以降低至半徑為5mm。與氯乙烯相比，這些材料提供特別優(yōu)越的耐熱性和防水性。
如上所述，線纜狀壓電元件1的復(fù)合壓電構(gòu)件既具有聚氯乙烯的撓性又具有壓電陶瓷的高耐熱性。由此，如相關(guān)技術(shù)的中使用聚偏二氟乙烯作為壓電構(gòu)件的壓電傳感器在高溫下會發(fā)生的靈敏度降低的情況，在線纜狀壓電元件2001中不會發(fā)生。進而，除了具有優(yōu)越的高耐熱性外，線纜狀壓電元件1不需要硫化處理，而在使用諸如EPDM這樣的橡膠的情況下、在模制操作過程中需要這種硫化處理。因此，產(chǎn)生了具有優(yōu)越的生產(chǎn)效率的優(yōu)點。
圖2顯示了線纜狀壓電元件1的修改例。在本實施例中，片彈簧13放置為臨近外電極7，位于圖1所示的螺旋彈簧1的位置。因而，相對于線纜狀壓電元件1的徑向方向，將片彈簧13插在外電極7和包覆層9之間。片彈簧13具有形狀保持構(gòu)件，用于將線纜狀壓電元件1保持為預(yù)定形狀，并產(chǎn)生如螺旋彈簧11所產(chǎn)生的相同的優(yōu)點。
例如，以下提供的片彈簧可用作片彈簧13的材料。然而，其材料并不限于這些片彈簧。
SK5(普通片彈簧)；SUS301-CSP3/4H，SUS304-CSP3/4H(不銹鋼)圖3顯示了線纜狀彈簧1的另一修改例。在本實施例中，沒有設(shè)置如圖1所示的螺旋彈簧11和如圖2所示的片彈簧13這樣的獨立的形狀保持構(gòu)件。替代這些形狀保持構(gòu)件，使用具有形狀保持特性的芯電極3a和/或包覆層9a。芯電極3a和/或包覆層9a產(chǎn)生如由螺旋彈簧11和片彈簧13所產(chǎn)生的相同的優(yōu)勢。
特別地，在使用諸如片彈簧13這樣的簡單構(gòu)件的情況下，由于施加應(yīng)力而產(chǎn)生的變形和當(dāng)構(gòu)件回復(fù)了所保持的形狀而產(chǎn)生的變形，在某種程度上為常量。由此，可以獲得穩(wěn)定的輸出。而且，只要形狀通過下一次施加應(yīng)力而回復(fù)，則可以獲得具有再現(xiàn)性的輸出。
甚至在本實施例中，芯電極3a可以由例如形狀記憶合金來形成。當(dāng)被變形時只要加熱至某一溫度或更高就能回復(fù)其原始形狀，這樣的合金稱為形狀記憶合金。作為增加合金溫度的結(jié)果，當(dāng)?shù)蜏鼐w結(jié)構(gòu)被替換為高溫晶體結(jié)構(gòu)時，形狀得以回復(fù)。晶體結(jié)構(gòu)替換的溫度(轉(zhuǎn)變點)通常是20℃至100℃的范圍。由鎳和鈦構(gòu)成的合金可用作這種合金的材料。然而，并不對金屬的類型作具體限定。
在本實施例中，包覆層9a可由例如熱收縮管形成。聚烯烴或硬的、可收縮氯乙烯可用作熱收縮管的材料。然而，并不對材料作具體限定。
芯電極3a和包覆層9a中的一個可以賦予形狀保持特性?？商鎿Q地，它們二者都可賦予形狀保持特性。
如圖4所示，用于檢測來自線纜狀壓電元件1的信號輸出中振動有無的控制電路15設(shè)置具有用于通知使用者存在振動的呼叫器51和用于控制呼叫器51的呼叫器控制部分53，由此構(gòu)成振動檢測傳感器系統(tǒng)。該控制電路15通常在基底2上進行圖案化來形成，如圖4所示。
控制電路15包括分壓電阻器55，用于檢測線纜狀壓電元件1中金屬絲的斷路；濾波部分57，僅允許來自線纜狀壓電元件1的信號輸出的預(yù)定頻率部分能通過；判定部分59，用于依照從濾波部分57而來的信號輸出來判斷物體與線纜狀壓電元件1的接觸的發(fā)生；和異常判定部分61，用于通過由用來檢測線路斷路的電阻器33和分壓電阻器55所判定的電壓值，來判斷芯電極3或外電極7的金屬線的異常斷路，這兩個電極都屬于線纜狀壓電元件1。在控制電路15中且同時彼此相鄰地設(shè)置信號輸入部分63和信號輸出部分65，該信號輸入部分63將芯電極3和外電極7連接至控制電路15并將來自線纜狀壓電元件1的信號輸出輸入控制電路15，而該信號輸出部分65用于將由判定部分59產(chǎn)生的判斷信號輸出。信號輸出部分65還與用于控制電路15的電源線連接，以及與地線連接。而且，控制電路15具有旁通部分67，如電容等，該旁通部分67插入信號輸入部分63和信號輸出部分65之間并使高頻信號旁通。進而，信號輸出部分65設(shè)置具有電源73，用于經(jīng)由控制電路15向線纜狀壓電元件供電。呼叫器控制部分53和電源73通過連接器39連接于控制電路15的信號輸出部分65。
為了消除外部電噪音，控制電路15的整體由屏蔽構(gòu)件遮蓋，且由此被電屏蔽。外電極7保持與控制電路15的屏蔽構(gòu)件導(dǎo)電，且線纜狀壓電元件1也被電屏蔽。電路的輸入和輸出部分也額外地配備有饋通電容、EMI過濾器等，作為強電場的應(yīng)對措施。
通常的印刷電路板等可用于基底2，且并不對基底而作具體限定。而且，不對將基底2與線纜狀壓電元件1的連接方法作具體限定。各種通用印刷電路板等可用于基底2。
圖24(a)和24(b)為顯示施加在線纜狀壓電元件1上的載荷以及來自傳感器的輸出的圖表。本申請進行了線纜狀壓電元件1上的載荷與來自傳感器的輸出(后文稱之為“傳感器輸出”)之間關(guān)系的測試顯示的現(xiàn)象是當(dāng)如圖24(a)所示的彎曲載荷施加在線纜狀壓電元件1上時，傳感器的輸出呈現(xiàn)如圖24(b)所示的波形。
(1)具體地，當(dāng)在時刻t0沒有載荷施加在線纜狀壓電元件1時，傳感器輸出呈現(xiàn)2(V)。(2)當(dāng)在時刻t1彎曲載荷以給定方向施加在線纜狀壓電元件1時，傳感器輸出增加至4(V)但立即轉(zhuǎn)為0(V)，且再次回到2(V)。(3)隨后，甚至在線纜狀壓電元件保持彎曲時，傳感器輸出仍然呈現(xiàn)2(V)。(4)當(dāng)線纜狀壓電元件1在時刻t3回復(fù)其原始形狀時，在該時刻傳感器輸出下降至0.8(V)，但立即轉(zhuǎn)為2.2(V)，并再次回到2(V)。
當(dāng)在與測試(2)相同的條件下，線纜狀壓電元件1在與測試(2)中的彎曲方向相反的方向上彎曲過180度時，傳感器輸出降低至0(V)，但立即轉(zhuǎn)為4(V)，并再次回到2(V)。
當(dāng)在相同的條件下，在測試(2)中線纜狀壓電元件1快速彎曲時，傳感器輸出大于在測試(2)中所呈現(xiàn)的值。當(dāng)線纜狀壓電元件1慢速彎曲時，傳感器輸出變小。
當(dāng)在與上述彎曲方向相反的方向上彎曲壓電元件1經(jīng)過180度時，會產(chǎn)生相同的結(jié)果。具體地，當(dāng)線纜狀壓電元件1快速彎曲時，會出現(xiàn)大的波動。當(dāng)線纜狀壓電元件1慢速彎曲時，會出現(xiàn)較小的波動。從這些結(jié)果中，可以獲得單個線纜狀壓電元件1的縱向彎曲方向和彎曲動作的加速度。因而，通過使用線纜狀壓電元件1可以獲得模擬輸出裝置。
(第二實施例)除了具有圖5所示的結(jié)構(gòu)之外，圖6所示的本實施例的振動檢測傳感器110，在線纜狀壓電元件1的最上端設(shè)置具有重物4。通過這種結(jié)構(gòu)，可以增強振動檢測傳感器110對線纜狀壓電元件1振動的靈敏度。重物4可以由例如任意樹脂材料形成，且能用熱的方法固定到線纜狀壓電元件上。線纜狀壓電元件1通常經(jīng)歷預(yù)定的端處理。可以通過以預(yù)定的模制樹脂對線路斷路檢測電阻器(對應(yīng)于如圖4所示的線路斷路檢測電阻器33)進行密封，來實現(xiàn)端處理。圖20顯示了這種端處理的例子。預(yù)定的電阻器10通過金屬絲16連接至芯電極3a，且芯電極3和電阻器10被另一熱收縮管21包覆。金屬絲16的端部23從熱收縮管21中暴露出來。進而，該端部，具體地說是從熱收縮管21的周緣至線纜的區(qū)域，被模制樹脂12所密封。模制樹脂12由導(dǎo)電樹脂材料形成，并起到使金屬絲16的端部23與外電極7電接觸的作用。如果模制樹脂12不具有任何導(dǎo)電性，則金屬絲16的端部23可以與外電極7電傳導(dǎo)，同時熱收縮管21的周圍以導(dǎo)電帶包覆。
(第三實施例)在如圖7所示的本實施例的振動檢測傳感器120中，線纜狀壓電元件1整體被彎曲為大致U形，且線纜狀壓電元件1的兩端固定地與基底2連接。至少在線纜狀壓電元件1中的一個點上進行彎曲。在彎曲處，預(yù)定的張力仍施加在壓電構(gòu)件上，由此增強振動檢測傳感器120的振動檢測靈敏度。而且，通過彎曲變形，壓電構(gòu)件的長度可以確保處于節(jié)省空間的形式。壓電構(gòu)件越長，則由振動檢測產(chǎn)生的整個壓電構(gòu)件的扭曲量就越大。電動勢的量相應(yīng)地增加，且改善信號輸出。在本實施例中，彎曲處呈現(xiàn)大致U形，也就是，曲線形狀且涵蓋了隨后描述的“彎曲狀態(tài)(flexion)”的概念。
圖21顯示了具有撓曲部分的線纜狀壓電元件1設(shè)置在基底2上的各種實例，該彎曲部分作為彎曲處。在所示實施例中，保持件14與線纜狀壓電元件1緊密接觸并安裝在基底2上，同時支承線纜狀壓電元件。保持件14有助于保持線纜狀壓電元件1的形狀，并保持壓電元件1從基底2上伸出。在這種情況下，并不總是有必要為線纜狀壓電元件1賦予形狀保持特性。
在如圖21(a)和21(b)所示的實施例中，線纜狀壓電元件1和保持件14分別設(shè)置具有互相對應(yīng)的彎曲部分。在圖21(a)中，彎曲部分呈現(xiàn)鈍角。在圖21(b)中，彎曲部分呈現(xiàn)直角。在如圖21(c)所示的實施例中，保持件14不設(shè)置具有彎曲部分，而線纜狀壓電元件1以直角彎曲。在如圖21(d)所示的實施例中，線纜狀壓電元件1不設(shè)置具有彎曲部分，而保持件14彎曲。線纜狀壓電元件1以對應(yīng)于彎曲角度的預(yù)定角度來保持在基底2上。
相關(guān)技術(shù)的壓電元件，與圖1至圖3所示的那些壓電元件不同，不具有任何形狀保持特性且本身具有彈性。因而，甚至在元件固定且同時以所需形狀進行變形時，元件仍保持了試圖回復(fù)原始形狀的性能(殘余形狀回復(fù)性)。因此，當(dāng)從外界向元件施加預(yù)定的力時，也能產(chǎn)生從形狀回復(fù)性而得到的輸出以及由力的作用而造成的變形所產(chǎn)生的輸出(校正輸出)。由形狀回復(fù)性能產(chǎn)生的輸出呈現(xiàn)對應(yīng)于變形形狀或固連方法的各種值，且由此表現(xiàn)出固定放置的元件不穩(wěn)定輸出的問題。
在一次處理為預(yù)定形狀之后，本實施例的線纜狀壓電元件1的螺旋彈簧11具有保持其形狀的形狀保持特性。因而，這導(dǎo)致線纜狀壓電元件1本身具有形狀保持特性。甚至當(dāng)線纜狀壓電元件1已經(jīng)變形為如圖7所示的大致U形時，試圖回復(fù)其原始形狀的性能(殘余形狀回復(fù)性)變?yōu)榇笾聻?。結(jié)果，當(dāng)從外界向元件施加預(yù)定力時，由形狀回復(fù)性引發(fā)出的輸出為0或變?yōu)榇笾聻?。換句話說，可以穩(wěn)定地獲得僅通過施加力而引發(fā)的校正輸出。此處，用語“大致為0“表示由于具有形狀回復(fù)性而引發(fā)的輸出微不足道，使得能夠獲得校正輸出而不會伴有實際的問題。
(第四實施例)除了具有如圖7所示的結(jié)構(gòu)外，如圖8所示的本實施例的振動檢測傳感器130具有重物4，該重物4固定到線纜狀壓電元件1的彎曲處；具體地，固定到彎曲處的頂部。以這種結(jié)構(gòu)，能增強線纜狀壓電元件1對振動的靈敏度。
(第五實施例)在如圖9所示的實施例的振動檢測傳感器系統(tǒng)140中，重物4固定到U形線纜狀壓電元件1的開放端，該開放端與所述元件固定到基底2的一端相反。整個線纜狀壓電元件1的曲率和通孔2a的位置調(diào)整為，使得在振動作用過程中，重物4在通孔2a中相關(guān)于線纜狀壓電元件1的變形而振動，該通孔2a形成為穿透基底2。以這種結(jié)構(gòu)，能增強線纜狀壓電元件1對振動的檢測靈敏度。
(第六實施例)在如圖10所示實施例的振動檢測傳感器150中，重物4固定到線纜狀壓電元件1的開放端，該開放端與所述元件固定到基底2的一端相反。線纜狀壓電元件1在大致平行于基底2的主平面的平面中彎曲為大致圓環(huán)形的形式。以這種結(jié)構(gòu)，能增強線纜狀壓電元件1對振動的檢測靈敏度。
(第七實施例)在如圖11所示實施例的振動檢測傳感器160中，線纜狀壓電元件1包括1)端部1b，固定到基底2上且配置為彼此互相平行；和2)中心圓形部分1a，其位于兩個端部1b之間并形成為大致圓環(huán)形的形式。
(第八實施例)
在如圖12所示的本實施例的振動檢測傳感器170中，線纜狀壓電元件1形成為線圈形狀，并設(shè)置為在基底2上大致直立。以該結(jié)構(gòu)，能增強線纜狀壓電元件1對振動的靈敏度。
(第九實施例)在如圖13所示的本實施例的振動檢測傳感器180中，線纜狀壓電元件1形成為線圈形狀，且線圈的直徑隨距基底2距離的增加而增加。重物4固定到線纜狀壓電元件1的開放端，該開放端與所述元件固定到基底2上的一端相反。在以這種結(jié)構(gòu)的情況下，能增強線纜狀壓電元件1對振動的靈敏度。
(第十實施例)在如圖14所示的本實施例的振動檢測傳感器190中，在基底2中形成大致矩形的通孔2b，且線纜狀壓電元件1固定到基底2上，以便能在通孔2b中振動。線纜狀壓電元件1以伸出的方式設(shè)置在通孔2b中，以便大致與基底2的主平面相平行。重物4固定到線纜狀壓電元件1的開放端，該開放端與所述元件固定到基底2上的一端相反。在以這種結(jié)構(gòu)的情況下，能增強線纜狀壓電元件1對振動的靈敏度。
(第十一實施例)在如圖14所示的實施例的情況下，本實施例的振動檢測傳感器200中的基底2中形成大致矩形的通孔2b，如圖1 5所示，且線纜狀壓電元件1固定到基底2上，以便能在通孔2b中振動。線纜狀壓電元件1以延伸的方式設(shè)置在通孔2b，以便與基底2的主平面大致平行。線纜狀壓電元件1彎曲為大致U形形式，且線纜狀壓電元件1的兩端都固定到基底2上。
(第十二實施例)通過將如圖7所示的振動檢測傳感器120容納在外罩195中的方式來形成的本實施例的振動檢測傳感器210，如圖16所示。由于線纜狀壓電元件1可變形，外罩195也可以是尺寸緊湊的外罩。通過將壓電元件1安裝到外罩三維軸線的每個軸線上的壁面上，可以更嚴(yán)格地檢測到分別在三維方向上的振動。進而，通過在屏蔽殼體上形成外罩的方式來消除傳感器中的噪聲。所有其他的振動檢測傳感器也可以設(shè)置在外罩中。
(第十三實施例)在根據(jù)如圖17所示的本實施例的振動檢測傳感器220中，如圖8所示的線纜狀壓電元件1從基底2上向下懸掛并固定于其上。結(jié)果，振動檢測傳感器呈現(xiàn)由于將如圖8所示的振動檢測傳感器13倒轉(zhuǎn)而形成的形狀。其他振動檢測傳感器也可用于倒轉(zhuǎn)狀態(tài)。
(應(yīng)用)圖18顯示了應(yīng)用在流速測量儀器的本發(fā)明的示例性振動檢測傳感器。在本實施例中，如圖5所示的振動檢測傳感器100設(shè)置在流動通道230中。諸如水這樣的介質(zhì)的流動與線纜狀壓電元件1碰撞，且可以基于碰撞程度來測量流速。
圖19顯示了用于馬達(dá)驅(qū)動兒童車的本發(fā)明的示例性振動檢測傳感器。在本實施例中，上述振動檢測傳感器的任何一個都可朝向馬達(dá)驅(qū)動兒童車240的底部設(shè)置在空間245中。振動檢測傳感器檢測在駕駛者觸碰馬達(dá)驅(qū)動兒童車240并乘坐該車時而產(chǎn)生的振動，以由此啟動或停止馬達(dá)驅(qū)動兒童車240的主電源。
在駕駛操作過程中產(chǎn)生振動的同時，存在有效的控制，以便啟動或停止兒童車的各種照明器具，如車輛本體或駕駛監(jiān)視器的頭燈。由此，可以減少電池的消耗，以由此實現(xiàn)動力節(jié)約，且也可以防止駕駛者忘記關(guān)掉照明器具。甚至在沒有檢測到振動時，振動檢測傳感器也在預(yù)定時間段內(nèi)(例如在暫停等時間段)保持啟動狀態(tài)或待機狀態(tài)。結(jié)果，甚至在暫停的情況下，當(dāng)車輛繼續(xù)駕駛時振動檢測傳感器也能立即檢測到振動。
還采用用于檢測當(dāng)人身體企圖乘坐兒童車時產(chǎn)生的振動；例如，當(dāng)駕駛者觸碰把手或坐在座位上等時產(chǎn)生的振動，由此打開各種照明器具。也可以獲得進一步的增強的便利性。
如上所述的流速檢測儀器和馬達(dá)驅(qū)動兒童車，都僅僅是應(yīng)用的實例。不必說，本發(fā)明的振動檢測傳感器可應(yīng)用于其他的產(chǎn)品，用于檢測振動、壓力和應(yīng)力，以及應(yīng)用于馬達(dá)驅(qū)動兒童車。
圖22顯示了用于將線纜狀壓電元件安裝到基底2上的示例性方法。如圖22(a)所示，金屬夾具18包括上壓緊部分18a、下壓緊部分18b和底部18c。如圖22(b)所示，金屬夾具18經(jīng)由底部18c設(shè)置在基底2上。如圖22(c)所示，包覆層9通過上壓緊部分18a壓緊，而外電極7通過下壓緊部分18b壓緊。這樣，線纜狀壓電元件1固定到基底2上。
圖23顯示了用于將線纜狀壓電元件1固定到基底2上的另一示例性方法。如圖23(a)所示，天線安裝連接器20安裝到線纜狀壓電元件1的末端。如圖22(b)所示，線纜狀壓電元件1固定到基底2上。具體地，也可以采用共用連接器，其用作安裝天線的部件。當(dāng)天線安裝連接器20由金屬形成時，連接器與外電極7接觸但不與芯電極3接觸。
本發(fā)明的振動檢測傳感器采用預(yù)定的線纜狀壓電元件，該壓電元件可采用各種形狀。因而，提供一種壓電檢測傳感器，其也可以在小型化的同時確保對振動的高度檢測以及設(shè)計上的高自由度。這種振動檢測傳感器可以提供不受限制的安裝方法，所說限制為諸如安裝方向、安裝位置、安裝空間等，且能確保高的安裝自由度?？梢垣@得使用傳感器的設(shè)備的設(shè)計自由度的增加。而且，本發(fā)明的振動檢測傳感器能以無需事先設(shè)定方向的高度安裝精確度以及任意安裝狀態(tài)來進行檢測。
(第十四實施例)參見附圖對本發(fā)明的第十四實施例進行描述。圖25為顯示壓敏開關(guān)的橫截面視圖，該壓敏開關(guān)即為本發(fā)明的第十四實施例；圖26為圖25顯示的壓敏開關(guān)的透視圖；圖27為用于描述壓電線纜的透視圖；圖28為用于描述壓電元件結(jié)構(gòu)的橫截面透視圖；和圖29至237為本發(fā)明的其他實施例的壓敏開關(guān)。
首先，參見圖27至28對用于壓敏開關(guān)的壓電線纜進行描述，該壓電線纜即為本發(fā)明的第十四實施例。
如圖27所示，壓電線纜1020包括芯部線1021，該芯部線1021起到中心電極的作用并被壓電元件材料1023所覆蓋。外電極1022卷繞壓電元件材料1023。外電極1022由外鞘1024覆蓋，該外鞘1024由熱塑樹脂PVC(聚氯乙烯)等形成。壓電線纜1020具有優(yōu)越的撓性并能響應(yīng)變形過程中獲得的變形加速度而產(chǎn)生輸出信號。
芯部線1021形成為線圈狀的金屬中心電極，該中心電極由銅銀合金等形成。如圖28所示，壓電元件材料1023形成為由樹脂基材料1026和10μm或更小的壓電陶瓷細(xì)小顆粒1025構(gòu)成的復(fù)合構(gòu)件。通過壓電陶瓷細(xì)小顆粒1025實現(xiàn)振動檢測性能，并通過樹脂基材料1026獲得撓曲變形特性。
例如，氯基聚乙烯可作為壓電元件材料1023的樹脂基材料1026。由此，壓電元件材料1023可用在高于90℃的溫度范圍(120℃或更少)，該90℃即為相關(guān)技術(shù)的典型聚合物壓電元件材料(單軸延伸聚偏二氟乙烯)或壓電元件材料(由氯丁二烯細(xì)小顆粒和壓電陶瓷細(xì)小顆粒形成的壓電元件材料)的最高工作溫度。進而，可實現(xiàn)能易于變形的撓性，且能保證不需要交聯(lián)的簡單制造過程。
例如，鈦酸鉛或鈦鋯酸鉛的燒結(jié)細(xì)小顆粒，或諸如硝酸鈉等無鉛壓電陶瓷燒結(jié)細(xì)小顆?？勺鳛閴弘娫牧?023的壓電陶瓷細(xì)小顆粒1025。
薄膜狀電極(由鋁、聚對苯二甲酸乙二醇酯、鋁構(gòu)成的三層層壓薄膜)用于外電極1022。由此，可確保壓電元件材料1023與外電極1022之間的粘合。
如此獲得的壓電線纜1020呈現(xiàn)介電常數(shù)為55、電荷為10至13C(庫侖)/gf、和最大工作溫度為120℃。然而，在壓電元件材料1023保持成形的狀態(tài)下，不能獲得壓電性能。由此，必須通過向壓電元件材料1023應(yīng)用數(shù)千V/mm的高DC電壓來執(zhí)行用于對壓電元件材料1023賦予壓電性能的處理(極化處理)。
當(dāng)在壓電元件材料1023中存在諸如裂紋這樣的微小缺陷時，在缺陷處產(chǎn)生放電，由此會使電極傾向于短路。由此，不可能施加足夠的極化電壓。然而，在本實施例中，可以建立使用輔助電極的極化處理，該輔助電極與給定長度的壓電元件材料1023緊密接觸，由此檢測或避開缺陷并產(chǎn)生極化。由此，也能實現(xiàn)對數(shù)十米長度量級的壓電元件材料進行極化。
如圖25和26所示，作為本發(fā)明的第十四實施例壓敏開關(guān)1010包括壓電線纜1020。使壓電線纜1020的至少一部分從長方體傳感器箱1011的上支承面突出。如此突出的部分彎曲為彎曲部分1013，且控制電路1014與壓電線纜1020的底端部分連接。
由此，從支承面1012突出的壓電線纜1020的至少一部分被彎曲，由此，在彎曲部分1013內(nèi)周上的壓電陶瓷細(xì)小顆粒1025之間產(chǎn)生密集的間隔，并有助于產(chǎn)生電動勢。
在傳感器箱1011的上板1011a形成兩個線纜插入孔1015，二者沿傳感器箱1011的縱向方向(即圖25中的橫向方向)彼此分開。壓電線纜1020從傳感器箱1011的內(nèi)部插入線纜插入孔1015。如此插入的壓電線纜在位于支承面1012之上的抬高位置處以單一曲率進行彎曲，同時保持彎曲處與支承面1012之間的間隙1016，以由此形成彎曲部分1013。壓電線纜1020的引出端部分插入另一線纜插入孔1015。
插入另一線纜插入孔1015中的壓電線纜1020引出端部分通過諸如螺栓、粘接、在傳感器箱1011中填充膠體等緊固手段進行緊固。
壓電線纜1020的底端部分插入形成在傳感器箱1011一側(cè)的線纜插入孔1017；引導(dǎo)至傳感器箱1011的外部；并與控制電路1014連接?？刂齐娐?014與線纜1018連接?？刂齐娐?014可以放大模擬信號并輸出如此放大的信號，或可以通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換部分對放大的模擬信號進行轉(zhuǎn)換并輸出數(shù)字信號?？商鎿Q地，濾波部分等可以從數(shù)字信號中選取出預(yù)定的頻率范圍并輸出如此選取的頻率范圍。
與控制電路1014連接的線纜1018用于供應(yīng)電力并輸出檢測信號。線纜1018通過安裝在線纜末端的連接器(未示出)與電源或諸如計算機這樣的端子連接。
作為力施加在壓電線纜1012上的結(jié)果，壓敏開關(guān)10如上所述地響應(yīng)在壓電線纜1020變形期間獲得的變形加速度而產(chǎn)生輸出信號，該力使彎曲部分1013在例如圖25和26的箭頭方向或朝向傳感器箱1011的支承面1012的方向上變形。
圖29(a)和29(b)為顯示施加在壓敏開關(guān)1010上的載荷以及輸出信號特征的圖。作為本申請人對壓敏開關(guān)1010上的載荷與輸出信號之間關(guān)系進行測試的結(jié)果，當(dāng)諸如圖29(a)所示的彎曲載荷施加在壓敏開關(guān)1010上時，可以得知輸出信號呈現(xiàn)如圖29(b)所示的現(xiàn)象。(1)具體地，當(dāng)在時刻t0沒有載荷施加在壓敏開關(guān)1010上時，輸出信號呈現(xiàn)電壓2(V)。
(2)當(dāng)在時刻t1彎曲載荷以給定方向施加在壓敏開關(guān)1010上時，輸出信號在載荷作用的同時增加至4(V)，但立即轉(zhuǎn)到0(V)，并再次回到2(V)。
(3)隨后，當(dāng)壓敏開關(guān)保持彎曲時，輸出信號保持呈現(xiàn)2(V)。
(4)當(dāng)在時刻t3壓敏開關(guān)1010回到原始狀態(tài)時，輸出信號在此時下降至0.8(V)，但立即轉(zhuǎn)到2.2(V)，并再次回到2(V)。
當(dāng)在與測試(2)中的彎曲方向相反的方向上、以測試(2)中所采取的相同條件下壓敏開關(guān)彎曲過180度時，輸出信號降低至0(V)，但立即轉(zhuǎn)到4(V)，并再次回到2(V)。
當(dāng)壓敏開關(guān)在相同的條件下在測試(2)中快速彎曲時，輸出信號比測試(2)中呈現(xiàn)的輸出信號更大。當(dāng)壓敏開關(guān)慢速彎曲時，輸出信號較小。
當(dāng)壓敏開關(guān)在與上述彎曲方向相反的方向上彎曲時能產(chǎn)生相同的效果。具體地，當(dāng)壓敏開關(guān)快速彎曲時，會出現(xiàn)大的波動。當(dāng)壓感元件慢速彎曲時，會出現(xiàn)小的波動。
這種信號不是具有矩形波形的輸出。當(dāng)載荷施加在壓敏開關(guān)1010上時，或當(dāng)載荷移走時，信號是作為模擬信號的輸出，該模擬信號具有與載荷作用方式(速度和行程)以及載荷施加部位的材料相應(yīng)的波形。
因而，與壓敏開關(guān)1010有關(guān)，易于通過根據(jù)應(yīng)用適當(dāng)?shù)剡x擇彎曲部分1013的尺寸、曲率和材料來調(diào)整輸出信號的特性。
如上所述，在本實施例中，至少從支承面1012突出的壓電線纜1020的一部分是彎曲的。因而，壓敏開關(guān)呈現(xiàn)壓電材料的機械彎曲量增加的結(jié)構(gòu)。作為應(yīng)力施加在彎曲部分1013上的結(jié)果，當(dāng)推壓力很弱或推壓力行程很短時，根據(jù)推壓力的強度和行程長度方面的波動，能以高的靈敏度來檢測所作用的推壓力，以使得可以輸出相應(yīng)于推壓力加速度的信號。
特別地，壓敏開關(guān)1010需要能使壓電材料變形的最小行程。然而，甚至響應(yīng)微小的變形(移置)也能輸出信號。甚至響應(yīng)極小的行程也能輸出信號，這種極小的行程會使得使用者會錯誤地認(rèn)為他/她已經(jīng)觸碰了開關(guān)。
因而，壓敏開關(guān)1010可用作觸碰開關(guān)。
由于控制電路1014能放大輸出信號，所以壓敏開關(guān)1010能通過替換電路結(jié)構(gòu)來改變開關(guān)的靈敏度。
此外，由于壓敏開關(guān)1010沒有機械接觸點，所以可以獲得防水性、耐久性和可靠性，這些都比通過相關(guān)技術(shù)的微開關(guān)所能獲得的要高。
位于彎曲部分1013內(nèi)周的壓電陶瓷細(xì)小顆粒1025的顆粒之間的間隔更密集，因此，電動勢易于增加。由此，壓電線纜1020能以高靈敏度檢測所作用的推壓力，并響應(yīng)推壓力的加速度輸出信號，不必考慮推壓力和推動行程長度方面的波動。
進而，在彎曲部分1013和壓電線纜1020的支承面1012之間設(shè)置間隙1016。由此，當(dāng)壓電線纜1020被推動時獲得的扭曲變形量可以增加，由此確保寬的檢測范圍。
而且，壓電線纜1020的彎曲部分1013以單一曲率彎曲，且由此能在整個彎曲部分1013上一致地增強靈敏度。
本發(fā)明的壓電開關(guān)并不限于該實施例，其可經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶鎿Q、改進等。
例如，本發(fā)明已經(jīng)顯示了控制電路1013設(shè)置在傳感器箱1011外部的壓敏開關(guān)1010。然而，如圖30和31所示，還實施了一種替代壓敏開關(guān)1010的壓敏開關(guān)1030，其中控制電路1014設(shè)置在傳感器箱1011內(nèi)。
上述實施例顯示了從傳感器箱1011的支承面1012突出的壓電線纜1020的彎曲部分1013暴露于外的情況。如圖32所示，代替這種情況，也可以實施一種壓敏開關(guān)1040，其中由諸如橡膠等彈性材料形成的蓋部分1041放置在傳感器箱1011的頂部，彎曲部分1013的頂部可被突出部分1042所按壓，蓋突出部分1042設(shè)置在蓋部分1041的內(nèi)表面中心。而且，如圖33所示，還實施了一種壓敏開關(guān)1050，其中壓電線纜1020的彎曲部分1013由涂敷材料1051覆蓋，代替蓋部分1041，以使得以留下了間隙1016的部分的形式來覆蓋彎曲部分，該覆蓋材料1051由諸如橡膠等的彈性材料形成。進而，如圖34所示，還實施了一種壓敏開關(guān)1060，其中壓電線纜1020的彎曲部分1013以覆蓋材料1061覆蓋一致的厚度，以使得彎曲部分以平整方式覆蓋且留下間隙1016，該覆蓋材料由諸如橡膠等彈性材料形成。
而且，本實施例還顯示了將間隙1016設(shè)置在傳感器箱1011的支承面1012和彎曲部分1013之間的情況。然而，本發(fā)明并不限于該實施例。例如，如圖35所示，還實施了一種壓敏開關(guān)1070，其中壓電線纜1020從支承面1012突出的部分如此之長以使得具有彎曲部分1013的壓電線纜與支承面1012相接觸。在本實施例中，壓電線纜1020的彎曲部分1013以平坦的方式被覆蓋材料1071所覆蓋，該覆蓋材料由諸如橡膠等彈性材料形成。
本實施例還顯示了一種情況彎曲部分1013伸出地形成在傳感器箱1011支承面1012上的一點處。然而，本發(fā)明并不限于這種情況。如圖36和37所示，還是實施了一種壓敏開關(guān)1080，其中通過使壓電線纜1020呈現(xiàn)波紋、以突出的方式在支承面1012上形成兩個或更多彎曲部分1013(顯示了兩個)?？商鎿Q地，如圖38所示，還實施了一種壓敏開關(guān)1090，其中壓電線纜彎曲并以線圈狀的方式纏繞，以由此形成兩個或更多彎曲部分1013(圖中為4個)，以便從支承面1012上突出。
在如圖32所示的壓敏開關(guān)1040中，放置在傳感器箱1011上的蓋部分1041由諸如橡膠等彈性材料形成。然而，如同圖39中所示的壓電開關(guān)1100的情況，還采用了一種硬蓋部分1101。蓋部分1101的一端通過鉸鏈1102的方式與傳感器箱1011的上部連接。當(dāng)沒有載荷施加在蓋部分上時，蓋部分1041靠其自身重量放置在彎曲部分1013上。
在壓敏開關(guān)1100中，所作用的載荷通過蓋部分1101傳遞至彎曲部分1013，且壓敏開關(guān)1100輸出信號，該蓋部分相對于傳感器箱1011繞鉸鏈1102樞轉(zhuǎn)。當(dāng)所作用的載荷釋放時，蓋部分1101通過彈性提升，這會導(dǎo)致彎曲部分1013試圖回到起始形狀，由此回到起始位置。
在如圖40所示的壓敏開關(guān)1110的情況下，彎曲部分1013與傳感器箱1011的支承面1012之間的空間可由彈性體1111填充；例如，膠體等。
可以保持彎曲部分1013的形狀，且可以保護彎曲部分1013免受過度沖擊的影響。
向彎曲部分1013作用載荷的方式并不僅是朝向支承面1012的方向，而且也是從彎曲部分1013的彎曲中心的徑向方向，或與彎曲軸線平行或交叉的方向(在圖25和26中的內(nèi)部深度方向)。簡言之，載荷方向任意，只要壓電線纜1020能從其起始位置變形即可。
在其他方面，所有這些在前述實施例中所說明的壓電陶瓷細(xì)小顆粒的形狀、尺寸、模式、數(shù)量、位置等，樹脂基材料，壓電元件的結(jié)構(gòu)，壓電線纜，支承面，彎曲部分，控制電路，間隙，緊固手段等都是任意的且不受限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明即可。
(第十五實施例)參見附圖，下文中將對本發(fā)明的第十五實施例進行描述。在本實施例的描述中，具有與之前描述的元件結(jié)構(gòu)相同且產(chǎn)生相同工作效果的元件以相同的參考數(shù)字表示，且省略其詳細(xì)描述。
本發(fā)明的線纜狀壓電元件2001具有如圖41所示的結(jié)構(gòu)。置于徑向中心的芯電極(中心電極)2003由壓電元件材料(復(fù)合壓電層)2005覆蓋，該壓電元件材料2005由壓電構(gòu)件構(gòu)成并由壓電陶瓷制成。外電極2007繞復(fù)合壓電層2005設(shè)置，而具有形狀保持特性的螺旋彈簧2011繞外電極2007設(shè)置。螺旋彈簧2011的最外周由諸如PVC(聚氯乙烯)等包覆層2009覆蓋，以由此構(gòu)成線纜狀壓電元件2001。例如，鈦酸鉛或鈦鋯酸鉛的燒結(jié)細(xì)小顆?；蛑T如硝酸鈉等無鉛壓電陶瓷的燒結(jié)細(xì)小顆粒，可用作壓電陶瓷。本發(fā)明的線纜狀壓電元件2001具有如壓電線纜那樣的撓性，且由此可以形成為任何形狀。該線纜還被賦予形狀保持特性，且因此可以以各種形狀成形并保持。
在線纜狀壓電元件2001中，能在高達(dá)120℃的溫度下使用且是由本申請人專門開發(fā)的并具有耐熱性的樹脂基材料，可用于復(fù)合壓電層2005。線纜狀壓電元件1可在一定溫度范圍內(nèi)使用(120℃或更少)，該溫度范圍高于相關(guān)技術(shù)中典型聚合物壓電元件材料(單軸延伸聚偏二氟乙烯)或壓電元件材料(由氯丁二烯細(xì)小顆粒和壓電陶瓷細(xì)小顆粒形成的壓電元件材料)的最高工作溫度，即90℃。復(fù)合壓電層2005由具有撓性和壓電陶瓷的樹脂制成，其通過使用由線圈狀金屬中心電極和薄膜狀外電極形成的撓性電極來形成，且該復(fù)合壓電層2005具有與普通乙烯基繩纜相同的撓性。
復(fù)合壓電層2005是由樹脂基材料和10μm或更小的壓電陶瓷細(xì)小顆粒形成的復(fù)合構(gòu)件。振動檢測性能通過壓電陶瓷來實現(xiàn)，而撓性通過樹脂來實現(xiàn)。復(fù)合壓電層2005使用氯基聚乙烯作為樹脂基材料，由此實現(xiàn)高的耐熱性(120℃)、易于變形的撓性、以及簡單的制造過程，不需要交聯(lián)。
如此獲得的線纜狀壓電元件2001在復(fù)合壓電層2005保持原狀(intact)時不具有壓電性能。因而，需要進行將每毫米數(shù)伏特的DC高電壓施加在復(fù)合壓電層2005上的處理(極化處理)，以由此向復(fù)合壓電層2005賦予壓電性能。當(dāng)復(fù)合壓電層2005中存在諸如裂紋這樣的細(xì)微缺陷時，電荷趨于在缺陷處產(chǎn)生，使得電極很可能引發(fā)短路。因而，不能在復(fù)合壓電層上施加足夠的極化電壓。然而，在本發(fā)明中，使用輔助電極來建立獨特的極化步驟，該輔助電極能以給定長度與復(fù)合壓電層5緊密接觸，其結(jié)果是能夠檢測和避免缺陷，以由此施行穩(wěn)定的極化。由此，復(fù)合壓電層也能制造到數(shù)十米長或更長。
在線纜狀壓電元件2001中，線圈狀中心電極用于芯電極2003，而薄膜狀電極(由鋁、聚對苯二甲酸乙二醇酯、鋁構(gòu)成的三層層壓薄膜)用于外電極2007。由此，確保復(fù)合壓電層2005和電極之間的粘接，由此有助于外部引線的連接。由此，撓性線纜狀安裝結(jié)構(gòu)成為可能。
芯電極2003由銅銀合金線圖形成；外電極2007由鋁—聚對苯二甲酸乙二醇酯—鋁制成的三層層壓結(jié)構(gòu)形成，而復(fù)合壓電層2005由聚氯乙烯基樹脂和壓電陶瓷細(xì)小顆粒形成。復(fù)合壓電層2005的外鞘由熱塑性塑料形成。據(jù)此，可以實現(xiàn)，介電常數(shù)為55、電荷為10至13C(庫侖)/gf，以及最大工作溫度為120℃。
在本發(fā)明的線纜狀壓電元件2001中，螺旋彈簧2011繞在外電極2007的外部。螺旋彈簧2011插在外電極2007和位于線纜狀壓電元件2001徑向的包覆層2009之間。該螺旋彈簧2011形成用于將線纜狀壓電元件2001保持為預(yù)定形狀的形狀保持構(gòu)件。
盡管以下所提供的金屬絲可用作螺旋彈簧2011的材料，但材料并不限于這種金屬絲。
WC(80C)(硬質(zhì)鋼絲)；SWPA，SWPB(樂器線)；SWOSM-B(硅錳鋼絲)；SWOSC-V(硅鉻鋼絲)；SUS304-WPB，SUS316-WPA(不銹鋼絲)；BsW(黃銅絲)；PBW(磷青銅絲)。
作為示例，上述線纜狀壓電元件2001通過以下過程制造。在最外側(cè)，通過輥壓技術(shù)，聚氯乙烯片材和按體積占40％至70％壓電陶瓷(在本實施例中為鋯鈦酸鉛)細(xì)微顆粒一致地混合為片狀。當(dāng)該片材被細(xì)小地分隔為顆粒之后，顆粒與芯電極2003一起連續(xù)擠出，以由此形成復(fù)合壓電層2005(在經(jīng)歷極化處理之前的壓電元件材料)。輔助電極與復(fù)合壓電層的外周接觸，而高電壓施加在輔助電極與芯電極2003之間，由此實現(xiàn)極化處理。外電極2007隨后繞在復(fù)合壓電層上。在螺旋彈簧2011繞在外電極2007上之后，包覆層2009連續(xù)地擠壓，同時包覆外電極2007和螺旋彈簧2011。如此制造的線纜狀壓電元件2001可處理為如圖44所示的形狀等任意的各種形狀。
在以此處理為預(yù)定形狀之后，螺旋彈簧2011具有用于保持形狀的形狀保持特性。因而，這導(dǎo)致線纜狀壓電元件2001本身具有形狀保持特性。甚至當(dāng)線纜狀壓電元件2001已經(jīng)變形所需形狀時，仍試圖回復(fù)其原始形狀的性能(殘余形狀回復(fù)性)變?yōu)榇笾聻?。結(jié)果，當(dāng)從外界向元件施加預(yù)定力時，由形狀回復(fù)性引發(fā)出的輸出為0或變?yōu)榇笾聻?。換句話說，可以穩(wěn)定地獲得僅通過施加力而引發(fā)的校正輸出。此處，用語“大致為0“表示由于具有形狀回復(fù)性而引發(fā)的輸出微不足道，使得能夠獲得校正輸出而不會伴有實際的問題。
當(dāng)壓電陶瓷細(xì)小顆粒加到聚氯乙烯時，優(yōu)選地，預(yù)先將壓電陶瓷細(xì)小顆粒浸入鈦交聯(lián)劑溶液中并對如此浸入的壓電陶瓷細(xì)小顆粒進行干燥。通過這種處理，壓電陶瓷細(xì)小顆粒的表面涂敷上親水基和憎水基。親水基防止壓電陶瓷細(xì)小顆粒凝結(jié)，而憎水基增加聚氯乙烯的可濕潤性以及壓電陶瓷細(xì)小顆粒的可濕潤性。結(jié)果，大量壓電陶瓷細(xì)小顆?？梢跃鶆虻丶拥骄勐纫蚁┲?，按體積達(dá)最大70％。據(jù)發(fā)現(xiàn)，代替將壓電陶瓷細(xì)小顆粒浸入鈦交聯(lián)劑水溶液中，而在輥壓聚氯乙烯和壓電陶瓷細(xì)小顆粒時加入鈦交聯(lián)劑，此時，產(chǎn)生與上述效果相同的效果。該處理優(yōu)越之處在于，不需要用于將壓電陶瓷細(xì)小顆粒浸入鈦交聯(lián)劑水溶液的特殊處理。如上，聚氯乙烯也可起到粘結(jié)劑用樹脂的作用，在混合壓電陶瓷細(xì)小顆粒時使用。
在本實施例中，由銅基金屬形成的金屬絲用于芯電極2003。進而，帶狀電極用作外電極2007且外電極2007包裹在壓電元件材料2005上，通過將鋁金屬薄膜粘附在聚合物層上來形成該帶狀電極。聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)用作該聚合物層。由于通過將鋁金屬薄膜粘附在PET上而形成的電極在商業(yè)上能批量生產(chǎn)且廉價，所以這種電極可優(yōu)選地用作外電極2007。當(dāng)該電極與外部控制電路等連接時，電極可以通過例如填縫或孔眼的方式來連接。也可采用將單獨一條金屬絲或金屬編線圍繞外電極2007的鋁薄膜進行釬焊的結(jié)構(gòu)，以在與控制電路等連接時使用。由于可以進行釬焊，所以工作起來很有效。為了使線纜狀壓電元件2001與外部環(huán)境中的電噪音屏蔽起來，外電極2007按期望的線圈狀地纏繞在復(fù)合壓電層上，以使得它們部分地互相重疊。
橡膠材料也可用作包覆層2009，該橡膠材料在絕熱性和防水性方面優(yōu)于聚氯乙烯。為了使復(fù)合壓電層2005易于通過與復(fù)合壓電層2005接觸的物體的推力而變形，優(yōu)選比復(fù)合壓電層2005更軟且更易撓曲的橡膠材料?；谀蜔嵝院湍秃缘目紤]來選擇要安裝在車輛上的組件，且希望選擇的組件是，在-30℃至85℃之間撓性降低較少。例如，最好使用三元乙丙橡膠(EPDM)，氯丁二烯橡膠(CR)，異丁烯-異戊二烯橡膠(IIR)，硅橡膠(Si)，熱塑性塑料彈性體等作為橡膠材料。通過這種結(jié)構(gòu)，線纜狀壓電元件1的最小曲率可以降低至半徑為5mm。當(dāng)與氯乙烯相比時，可以確保極優(yōu)越的耐熱性和防水性。
如上所述，線纜狀壓電元件2001的復(fù)合壓電構(gòu)件既具有聚氯乙烯的撓性又具有壓電陶瓷的高耐熱性。由此，如相關(guān)技術(shù)的、使用聚偏二氟乙烯作為壓電構(gòu)件的壓電傳感器在高溫下會發(fā)生這種靈敏度降低，在線纜狀壓電元件2001中不會發(fā)生這樣的靈敏度降低的情況。進而，除了具有優(yōu)越的高耐熱性外，線纜狀壓電元件2001不需要硫化處理，而在使用諸如EPDM這樣的橡膠的情況下、在模制操作過程中需要這種硫化處理。因此，具有優(yōu)越的生產(chǎn)效率。
圖42顯示了線纜狀壓電元件2001的修改例。在本修改例中，片彈簧2013放置為臨近外電極2007，位于圖41所示的螺旋彈簧2011的位置。因而，相對于線纜狀壓電元件2001的徑向方向，將片彈簧2011插在外電極2007和包覆層2009之間。片彈簧2013具有形狀保持構(gòu)件，用于將線纜狀壓電元件2001保持為預(yù)定形狀，并產(chǎn)生如螺旋彈簧2011所產(chǎn)生的相同的優(yōu)點。
例如，以下提供的片彈簧可用作片彈簧2013的材料。然而，其材料并不限于這些片彈簧。
SK5(普通片彈簧)；SUS301-CSP3/4H，SUS304-CSP3/4H(不銹鋼)圖43顯示了線纜狀彈簧2001的另一修改例。在本修改例中，沒有設(shè)置如圖41所示的螺旋彈簧2011和如圖42所示的片彈簧2013這樣的獨立的形狀保持構(gòu)件。替代這些形狀保持構(gòu)件，使用芯電極2003a和/或包覆層2009a，它們具有形狀保持特性。芯電極2003a和/或包覆層2009a產(chǎn)生如由螺旋彈簧2011和片彈簧2013所產(chǎn)生的相同的優(yōu)點。
特別地，在使用諸如片彈簧2013這樣的簡單構(gòu)件的情況下，由于施加應(yīng)力而產(chǎn)生的變形和當(dāng)構(gòu)件回復(fù)了所保持的形狀而產(chǎn)生的變形，在某種程度上為常量。由此，可以獲得穩(wěn)定的輸出。而且，只要形狀通過下一次施加應(yīng)力而回復(fù)，則可以獲得具有再現(xiàn)性的輸出。
在本實施例中，芯電極2003a可以由例如形狀記憶合金來形成。當(dāng)被變形時只要加熱至某一溫度或更高就能回復(fù)其原始形狀，這樣的合金稱為形狀記憶合金。作為增加合金溫度的結(jié)果，當(dāng)?shù)蜏鼐w結(jié)構(gòu)被替換為高溫晶體結(jié)構(gòu)時，形狀得以回復(fù)。晶體結(jié)構(gòu)替換的溫度(轉(zhuǎn)變點)通常是20℃至200℃的范圍。由鎳和鈦構(gòu)成的合金可用作這種合金的材料。然而，并不對金屬的類型作具體限定。
在本實施例中，包覆層2009a可由例如熱收縮管形成。聚烯烴或硬的、可收縮氯乙烯可用作熱收縮管的材料。然而，并不對材料作具體限定。
芯電極2003a和包覆層2009a中的一個可以賦予形狀保持特性?？商鎿Q地，它們二者都可賦予形狀保持特性。
圖44(a)至44(e)顯示了修改例，其中上述線纜狀壓電元件2001通過利用其形狀保持特性而變形為各種形狀。如此變形并保持的線纜狀壓電元件2001與預(yù)定的控制電路2015連接，以由此構(gòu)成振動檢測傳感器2017。圖45(a)為示例性線圈狀壓電元件；圖45(b)為示例性環(huán)形壓電元件；圖45(c)為示例性段狀壓電元件；圖45(d)為示例性波紋狀壓電元件；圖45(e)為示例性螺旋壓電元件。形狀并不限于所示的實例，而可以采用其他的形狀。
如圖45所示，用于在來自線纜狀壓電元件2001的信號輸出中檢測是否與物體接觸的控制電路2015設(shè)置具有用于通知使用者存在物體接觸的呼叫器2051和用于控制呼叫器2051的呼叫器控制部分2053，由此構(gòu)成振動檢測傳感器系統(tǒng)。
控制電路2015包括分壓電阻器2055，用于檢測線纜狀壓電元件2001中金屬絲的斷路；濾波部分2057，允許來自線纜狀壓電元件2001的信號輸出的僅預(yù)定頻率部分能通過；判定部分2059，用于依照來自濾波部分2057的信號輸出來判斷物體與線纜狀壓電元件2001的接觸的發(fā)生；和異常判定部分2061，用于通過由用來檢測線路斷路的電阻器2033和分壓電阻器2055所產(chǎn)生的電壓值，來判斷芯電極2003或外電極2007的金屬線的異常斷路，這兩個電極都屬于線纜狀壓電元件2001。在控制電路2017中彼此相鄰地設(shè)置信號輸入部分2063和信號輸出部分2065，該信號輸入部分2063將芯電極2003和外電極2007連接至控制電路2015并將來自線纜狀壓電元件2001的信號輸出輸入至控制電路2015，而該信號輸出部分2065用于將判定部分2059產(chǎn)生的判斷信號輸出。信號輸出部分2065還與用于控制電路2015的電源線連接，以及與地線連接。而且，控制電路2015具有旁通部分2067，如電容等，該旁通部分2067插入信號輸入部分2063和信號輸出部分2065之間并使高頻信號旁通。進而，信號輸出部分2065設(shè)置具有電源2073，用于經(jīng)由控制電路2015向線纜狀壓電元件供電。呼叫器控制部分2053和電源2073通過連接器2039連接于控制電路2015的信號輸出部分2065。
為了消除外部電噪音，控制電路2015的整體由屏蔽構(gòu)件遮蓋，且由此得以電屏蔽。外電極2007保持與控制電路2015的屏蔽構(gòu)件導(dǎo)電，且線纜狀壓電元件2001也電屏蔽。電路的輸入和輸出部分也額外地配備有饋通電容、EMI過濾器等，作為強電場的應(yīng)對措施。
圖50(a)和50(b)為顯示施加在線纜狀壓電元件2001上的載荷以及來自傳感器的輸出的圖。通過本申請人進行的線纜狀壓電元件2001上的載荷與來自傳感器的輸出(后文稱之為“傳感器輸出”)之間關(guān)系的測試所顯示的現(xiàn)象是當(dāng)如圖50(a)所示的彎曲載荷施加在線纜狀壓電元件2001上時，傳感器的輸出呈現(xiàn)如圖50(b)所示的波形。
(1)具體地，當(dāng)在時刻t0沒有載荷施加在線纜狀壓電元件2001時，傳感器輸出呈現(xiàn)2(V)。(2)當(dāng)在時刻t1彎曲載荷以給定方向施加在線纜狀壓電元件2001時，傳感器輸出增加至4(V)但立即轉(zhuǎn)為0(V)，且再次回到2(V)。(3)隨后，甚至在線纜狀壓電元件保持彎曲時，傳感器輸出仍然呈現(xiàn)2(V)。(4)當(dāng)線纜狀壓電元件2001在時刻t3回復(fù)其原始形狀時，在該時刻傳感器輸出下降至0.8(V)，但立即轉(zhuǎn)為2.2(V)，并再次回到2(V)。
當(dāng)在與測試2相同的條件下，線纜狀壓電元件2001在與測試(2)中的彎曲方向相反的方向上彎曲過180度時，傳感器輸出降低至0(V)，但立即轉(zhuǎn)為4(V)，并再次回到2(V)。
當(dāng)在相同的條件下，在測試(2)中線纜狀壓電元件2001快速彎曲時，傳感器輸出大于在測試(2)中所呈現(xiàn)的值。當(dāng)線纜狀壓電元件2001慢速彎曲時，傳感器輸出變小。
當(dāng)在與上述彎曲方向相反的方向上彎曲壓電元件2001經(jīng)過180度時，會產(chǎn)生相同的結(jié)果。具體地，當(dāng)線纜狀壓電元件2001快速彎曲時，會出現(xiàn)大的波動。當(dāng)線纜狀壓電元件2001慢速彎曲時，會出現(xiàn)較小的波動。從這些結(jié)果中，可以獲得單個線纜狀壓電元件2001的縱向彎曲方向和彎曲動作的加速度。因而，通過使用線纜狀壓電元件2001可以獲得模擬輸出裝置。
圖46顯示了線纜狀壓電元件2001和振動檢測傳感器2017用于犯罪防護圍欄2019的例子，該壓電元件2001和振動檢測傳感器2017都屬于本發(fā)明。在本實施例中，線纜狀壓電元件2001在犯罪防護圍欄2019頂部伸展。當(dāng)入侵者觸碰線纜狀壓電元件2001時，就會檢測到振動，且指示有入侵者存在的警報會通過呼叫器2051向使用者報告。
圖47顯示了線纜狀壓電元件2001和振動檢測傳感器2017用于犯罪防護圍欄2021的例子，該壓電元件2001和振動檢測傳感器2017都屬于本發(fā)明。在本實施例中，線纜狀壓電元件2001用于犯罪防護圍欄2021頂部的裝飾部分。具體地，線纜狀壓電元件2001處理為有彎曲部分2023和直線部分2025構(gòu)成的預(yù)定形狀，并以其原始形狀用作裝飾部分。當(dāng)入侵者觸碰該裝飾部分時，就會檢測到振動，且指示有入侵者存在的警報會通過呼叫器2051向使用者報告。
在本實施例中，能準(zhǔn)確檢測到振動的線纜狀壓電元件2001，在處理為預(yù)定形狀時，能用于構(gòu)成范圍防護圍欄2021的組成部件?？梢杂闷胀ú考圃鞓?gòu)成犯罪防護圍欄2021的部件以及傳感器部分。因此，可以試圖簡化制造過程。
當(dāng)線纜狀壓電元件2001用作這種犯罪防護圍欄時，如圖46和47所示，必須消除當(dāng)鳥等接觸圍欄時引發(fā)的不期望的信號。為此，最好是設(shè)置圖45所示的濾波部分2057，當(dāng)線纜狀壓電元件2001通過推壓力變形，而該推壓力是由于人的接觸而產(chǎn)生的，此時該濾波部分2057具有來自線纜狀壓電元件2001的信號輸出中消除掉不期望信號的濾波特性，以及能從來自線纜狀壓電元件2001的信號輸出中提取獨特頻率部分。對于確定濾波特性來說必不可少的需要是分析振動的特征，該振動的特征是當(dāng)人體接觸壓電元件時產(chǎn)生的，以及對該振動特征進行優(yōu)化。
需要使用具有預(yù)定剛性的材料，用于能將線纜狀壓電元件保持為預(yù)定形狀的構(gòu)件或元件。因此，當(dāng)人在線纜狀壓電元件上施加力時形狀被破壞。然而，該形狀并不會被由鳥類或自然現(xiàn)象所導(dǎo)致的振動或物理沖擊而破壞。這樣，可以在信號輸出中產(chǎn)生差別，由此能夠區(qū)分開入侵者和其他事件。這樣，可以獲得罪犯防護的精確性增強。
圖48顯示了本發(fā)明的線纜狀壓電元件2001用于護士呼叫開關(guān)2027的情況。線纜狀壓電元件2001處理為預(yù)定形狀，諸如漩渦狀等，并承裝在開關(guān)本體2029中。在緊急情況下，患者輕輕的抓持住開關(guān)本體2029，以由此能夠向呼叫中心發(fā)送信號，該信號能報告異常情況，由此可以提供高度可靠的護士呼叫開關(guān)。
仍會有患者不能抓持開關(guān)或按下按鈕的情況；開關(guān)的形狀可以根據(jù)這種情形而自由地形成。例如，線纜狀壓電元件2001可以嵌入平坦的本體2029中，如圖49(a)所示。線纜狀壓電元件2001也可嵌入管狀本體2029中，如圖49(c)所示。在這種情況下，患者易于通過輕輕地敲打開關(guān)2027來發(fā)出信號。線纜狀壓電元件2001也可嵌入放置在安裝座2030上的棍狀本體2029中，如圖49(c)所示。在這種情況下，患者易于通過敲擊或搖動開關(guān)2027來發(fā)出信號。
上述犯罪防護圍欄和護士呼叫開關(guān)僅是線纜狀壓電元件應(yīng)用的示例。不必說，除了應(yīng)用于上述例子之外，本發(fā)明的線纜狀壓電元件還可用于檢測振動、壓力和應(yīng)力的產(chǎn)品。
上述實施例說明了為了將線纜狀壓電元件2001保持為預(yù)定形狀而設(shè)置螺旋彈簧2011及片彈簧2013以及芯電極2003和/或包覆層2009被賦予形狀保持特性的情況，所有呈現(xiàn)了線纜形狀并具有預(yù)定的形狀保持特性的壓電元件都屬于本發(fā)明。
盡管已經(jīng)如此描述了本發(fā)明的各種實施例，本發(fā)明并不限于實施例中所描述的項目。本領(lǐng)域技術(shù)人員基于權(quán)利要求、說明書描述的范圍和公知技術(shù)所能作出的替換或應(yīng)用，都是本發(fā)明所能預(yù)料的；且落入本發(fā)明尋求保護的范圍內(nèi)。
參考特定實施例詳細(xì)描述本發(fā)明，然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，能在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下對本發(fā)明進行替換和修改。
本發(fā)明要求于2004年9月10日遞交的日本專利申請No.2004-263973；于2004年9月10日遞交的日本專利申請No.2004-263974；和于2004年9月10日遞交的日本專利申請No.2004-264179的優(yōu)先權(quán)；所有這些都以其全部內(nèi)容合并于此以作參考。
工業(yè)應(yīng)用性如上，本發(fā)明的振動檢測傳感器能用于需要精確檢驗和測量振動的設(shè)備以及領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種振動檢測傳感器，包括基底；和線纜狀壓電元件，與所述基底的至少一端順序連接，其中，所述線纜狀壓電元件在其徑向方向上包括芯電極；壓電構(gòu)件，其圍繞所述芯電極設(shè)置；外電極，其圍繞所述壓電元件設(shè)置；和包覆層，其圍繞所述外電極設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動檢測傳感器，其中所述線纜狀壓電元件具有彎曲部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的振動檢測傳感器，其中重物緊固到所述壓電元件的至少一部分上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動檢測傳感器，其中所述線纜狀壓電元件彎曲，以便在大致平行于所述基底的主平面的平面內(nèi)成為大致圓形，且重物緊固到所述壓電元件的開放端，該開放端與所述壓電元件固定到所述基底上的一端相對。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動檢測傳感器，其中所述線纜狀壓電元件與所述基底連接，而所述線纜狀壓電元件的兩端配置為彼此大致平行，且兩端之間的中間部分形成為大致圓形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動檢測傳感器，其中所述線纜狀壓電元件形成為線圈形狀并以與所述基底大致成直角來設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動檢測傳感器，其中所述線纜狀壓電元件形成為線圈形狀，并從所述基底伸出，以使得線圈的直徑隨距所述基地的距離的增加而增加。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動檢測傳感器，其中在所述基底中形成通孔，其中所述線纜狀壓電元件與所述基底連接，以便在所述通孔中大致與所述基底的主平面平行，和其中重物緊固到所述線纜狀壓電元件的開放端，該開放端與所述線纜狀壓電元件固定到所述基底上的一端相對。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動檢測傳感器，其中在所述基底中形成通孔，其中所述線纜狀壓電元件與所述基底連接，以便在所述通孔中大致與所述基底的主平面平行，其中所述線纜狀壓電元件彎曲為大致U形，和其中所述線纜狀壓電元件兩端都固定到所述基底上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項所述的振動檢測傳感器，進一步包括用于容納所述基底和所述線纜狀壓電元件的外罩。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任何一項所述的振動檢測傳感器，其中所述線纜狀壓電元件與所述基底連接，以使得所述線纜狀壓電元件從所述基底的下表面上懸下，以便向下伸出。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動檢測傳感器，其中所述線纜狀壓電元件具有形狀保持特性。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任何一項所述的振動檢測傳感器，其中所述壓電構(gòu)件包括樹脂和壓電陶瓷。
14.一種壓敏開關(guān)，包括壓電線纜，其具有由壓電陶瓷細(xì)小顆粒和樹脂基材料形成的壓電元件結(jié)構(gòu)，其中所述壓電線纜的至少一部分從支承面上突出，該突出部分彎曲為彎曲部分，和控制電路與所述壓電線纜的底端部分連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓敏開關(guān)，其中在所述壓電線纜的彎曲部分與所述支承面之間設(shè)置間隙。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的壓敏開關(guān)，其中所述壓電線纜的彎曲部分以單一曲率彎曲。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至17任何一項所述的壓敏開關(guān)，進一步包括用于固定所述壓電線纜引出端部分的固定裝置。
18.一種線纜狀壓電元件，具有形狀保持特性，并沿其徑向方向至少包括芯電極；壓電構(gòu)件，其圍繞所述芯電極設(shè)置；外電極，其圍繞所述壓電元件設(shè)置；和包覆層，其圍繞所述外電極設(shè)置。
19.一種線纜狀壓電元件，沿其徑向方向包括芯電極；壓電構(gòu)件，其圍繞所述芯電極設(shè)置；外電極，其圍繞所述壓電元件設(shè)置；和包覆層，其圍繞所述外電極設(shè)置；和形狀保持構(gòu)件，其在所述徑向方向上插入到所述外電極與所述包覆層之間，并將所述線纜狀壓電元件保持為預(yù)定形狀。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的線纜狀壓電元件，其中所述形狀保持構(gòu)件至少為片彈簧和螺旋彈簧中的一種。
21.一種線纜狀壓電元件，在其徑向方向包括芯電極；壓電構(gòu)件，其圍繞所述芯電極設(shè)置；外電極，其圍繞所述壓電元件設(shè)置；和包覆層，其圍繞所述外電極設(shè)置，其中所述芯電極具有用于將所述線纜狀壓電元件保持為預(yù)定形狀的形狀保持特性。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的線纜狀壓電元件，其中所述芯電極由形狀記憶合金形成。
23.一種線纜狀壓電元件，具有形狀保持特性，沿其徑向方向包括芯電極；壓電構(gòu)件，其圍繞所述芯電極設(shè)置；外電極，其圍繞所述壓電元件周圍；和包覆層，其圍繞所述外電極設(shè)置，其中所述包覆層具有用于將所述線纜狀壓電元件保持為預(yù)定形狀的形狀保持特性。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的線纜狀壓電元件，其中所述包覆層由熱收縮管形成。
25.根據(jù)權(quán)利要求19至24中任何一項所述的線纜狀壓電元件，其中所述壓電構(gòu)件由樹脂和壓電陶瓷形成。
26.根據(jù)權(quán)利要求19至25中任何一項所述的線纜狀壓電元件，其中所述預(yù)定形狀為線圈狀、圓形、段狀、波紋狀以及漩渦狀中的至少一種。
27.一種振動檢測傳感器，包括根據(jù)權(quán)利要求18至26中任何一項所述的線纜狀壓電元件；和控制電路，其用于檢測來自所述線纜狀壓電元件的信號輸出。
28.一種犯罪防護圍欄，包括根據(jù)權(quán)利要求18至26中任何一項所述的線纜狀壓電元件。
29.一種護士呼叫開關(guān)，包括根據(jù)權(quán)利要求18至26中任何一項所述的線纜狀壓電元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種振動檢測傳感器，可用于需要精確振動檢測和測量的各種裝置和領(lǐng)域。一種振動檢測傳感器(100)，設(shè)置具有基底(2)，直接與基底(2)的至少一端連接的線纜狀壓電元件(1)。該線纜狀壓電元件(1)沿其直徑方向具有芯電極(3)，圍繞該芯電極設(shè)置的壓電構(gòu)件(5)，圍繞壓電構(gòu)件設(shè)置的外電極(7)和圍繞外電極設(shè)置的包覆層(9)。
文檔編號H01L41/45GK101044378SQ20058003602
公開日2007年9月26日 申請日期2005年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者植田茂樹, 荻原弘之, 金子秀樹, 河合美幸, 松田正人 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社