壓敏傳感器和物體探測器的製作方法
2023-06-07 20:35:11
專利名稱：壓敏傳感器和物體探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力傳感器、壓力傳感器製造系統和物體探測系統，更具體地，涉及一種改進的壓力傳感器，其例如用於其中需要防外來物陷入功能的汽車電動車窗系統中。
背景技術：
近年來，在車窗玻璃打開和關閉系統中使用了用馬達的驅動力打開和關閉車窗玻璃的所謂電動車窗系統。
該電動車窗系統配備有用來探測外來物的陷入的物體探測系統，以便當操作窗玻璃關閉時，例如在手或手指錯誤地陷入在窗框和窗玻璃之間的情況下，通過停止窗玻璃的關閉操作或將關閉操作轉變成打開操作，避免對手或手指的傷害。
該物體探測系統製作成包括壓力傳感器和確定裝置，壓力傳感器沿著窗框的邊緣布置，用來通過在外來物開始與其接觸時引起的變形產生輸出信號，確定裝置用來基於壓力傳感器這樣產生的輸出信號確定外來物接觸到壓力傳感器上(例如，參考專利文獻1)。
JP-A-2001-153734傳統上，提出一種如圖15中所示的壓力傳感器，作為在物體探測系統中使用的壓力傳感器。
該壓力傳感器210例如是被稱為所謂壓電元件類型的，且製作成包括中心電極201、基本上同心地覆蓋中心電極201的周圍的壓電層202、環繞壓電層202外側的環形管狀的外電極203和覆蓋外電極203外側的由氯乙烯製成的覆蓋層204，其中由於由外部壓力引起的壓電層202的變形，在中心電極201和外電極203中產生輸出信號(例如參考專利文獻2)。
JP-A-2001-324393
發明內容
順便地說，壓電元件類型的壓力傳感器210用壓電陶瓷作為壓電層202，該壓電陶瓷主要由鈦酸鉛和聚氯乙烯製成，且具有所謂的熱電效應，其中當壓電層202暴露於周圍溫度的激烈變化時，就象外部壓力使壓電層202變形時那樣產生電荷輸出。
儘管傳統的壓電元件類型的壓力傳感器210被由氯乙烯製成的覆蓋層204覆蓋，但熱絕緣性不足，並且壓電層202受外界溫度變化的強烈影響，由此在傳感器的周圍溫度由於某種原因而產生局部激烈變化的情況下，前述熱電效應變得明確並引起一種風險，即由熱電效應引起的輸出被錯誤地認作物體的接觸。
為了克服這個問題，為了防止將由熱電效應引起的輸出錯誤地認作物體的接觸，對策變得必需，其中通過放電釋放由熱電效應帶來的輸出，由於該對策，引起了一些問題，即壓力傳感器210的設備製造困難且極大地增加了設備成本。
本發明鑑於所述問題而作出，其目標是在不為克服熱電效應的對策而花費高成本的情況下提供一種壓力傳感器、壓力傳感器製造方法和物體探測系統，該壓力傳感器通過抑制由熱電效應引起的放電輸出以便避免由熱電效應引起的輸出被錯誤地認作物體的接觸，來增大關於物體探測的可靠性。
以實現該目標為目的，根據本發明的壓力傳感器包括傳感器單元、覆蓋傳感器單元的覆蓋層和由可膨脹合成樹脂製成的熱絕緣裝置，在傳感器單元中，包含壓電陶瓷材料的壓電層被多個電極夾在中間，熱絕緣裝置覆蓋覆蓋層的周圍。
在如上述構造的壓力傳感器中，甚至在包圍壓力傳感器的周圍溫度或，嚴格說來，外界溫度和壓力傳感器安裝在其上的設備基底材料的溫度激烈變化的情況下，由於在與由氯乙烯製成的傳統覆蓋層相比時，覆蓋多個電極和壓電層的熱絕緣裝置具有優良的熱絕緣性，所以能抑制外部激烈的溫度變化向內部壓電層的傳遞。
因而，能抑制由熱電效應引起的電荷輸出，由此能避免將由熱電效應引起的輸出錯誤地認作物體的接觸的風險，從而使得能增加關於物體探測的可靠性。
另外，本發明的壓力傳感器包括這樣的事實，即傳感器單元是纜索狀傳感器，其包括構成芯部單元的第一電極、覆蓋第一電極的壓電層和覆蓋壓電層外部的第二電極。
根據該構造，能以良好的效率製成高靈敏度的細長傳感器。
另外，本發明的壓力傳感器包括這樣的事實，即傳感器單元是片狀傳感器，其如此形成，即壓電層被第一電極和第二電極夾在中間。
根據該構造，能通過簡單的構造形成寬廣面積的傳感器。
另外，本發明的壓力傳感器包括這樣的事實，即熱絕緣裝置是具有形成於其中的空心部的彈性材料。
根據該構造，可以獲得能提供更高熱絕緣效果的傳感器。
另外，在熱絕緣裝置由具有熱絕緣性的彈性材料形成的情況下，有利於壓電層在外來物開始與其接觸時變形，從而使得能確保外來物的接觸的探測。
另外，本發明的壓力傳感器包括這樣的事實，即熱絕緣裝置兼作覆蓋層。
由於這一點，能僅僅通過用由可膨脹合成樹脂製成的熱絕緣裝置覆蓋傳感器單元的外部，避免由熱電效應引起的錯誤認識。即，通過使得傳統的覆蓋層與由可膨脹合成樹脂製成的熱絕緣裝置整體地形成，能通過極簡單的構造確保熱絕緣。
另外，本發明的壓力傳感器包括這樣的事實，即熱絕緣裝置包括用來將壓力傳感器安裝在設備基底材料上的安裝部。
這能消除提供單獨的安裝裝置的需要，由此實現安裝操作的效率的改進。
另外，根據本發明的壓力傳感器製造方法特徵在於熱絕緣裝置通過擠壓成形模製在傳感器單元的外圍上。
在如上述設定的壓力傳感器製造方法中，由於以這樣一種方式製作彈性材料，即通過一般的製造方法如擠壓成形，使彈性材料覆蓋包括多個電極和壓電層的傳感器單元的周圍，所以能簡單地和便宜地製造壓力傳感器。
本發明的物體探測系統特徵在於包括壓力傳感器和確定裝置，確定裝置用來基於壓力傳感器的輸出信號確定外來物與壓力傳感器的接觸，由此探測物體與設備的接觸。
另外，本發明的物體探測系統特徵在於包括壓力傳感器和確定裝置，壓力傳感器安裝在設備的開口的邊緣上或安裝在打開和關閉所述開口的關閉件的邊緣上，確定裝置用來基於壓力傳感器的輸出信號確定外來物與壓力傳感器的接觸，由此探測在開口與關閉件之間的外來物的陷入。
在如上述構造的物體探測系統中，能以高可靠性探測與物體接觸或物體陷入，同時消除連接一個放電電路的需要，該放電電路充當克服熱電效應的對策，否則熱電效應將影響壓力傳感器。
另外，通常，壓力傳感器沿著彈性邊緣材料布置，彈性邊緣材料安裝在設備基底材料中的開口的邊緣上。然而，在壓力傳感器中，覆蓋多個電極和壓電層的熱絕緣裝置能保證柔韌性和彈性邊緣材料所需的減振特性，形成熱絕緣裝置的覆蓋層本身能被製作成兼作具有安裝部的彈性邊緣材料，安裝部安裝在設備基底材料的邊緣和所述開口上，從而使得能實現設備基底材料和開口上的安裝特性的改進，和由於部件數量的減少而實現成本的減少。
在本發明的壓力傳感器中，甚至在包圍壓力傳感器的周圍溫度或，嚴格說來，外界溫度和壓力傳感器安裝在其上的設備基底材料的溫度激烈變化的情況下，由於由可膨脹合成樹脂製成的覆蓋多個電極和壓電層的熱絕緣裝置具有優良的熱絕緣性或配備了具有形成於其中的空心部的彈性材料，所以外部激烈的溫度變化不會傳遞到內部複合壓電層。
因而，能在不將許多成本花費在特別克服熱電效應的對策上的情況下，抑制由熱電效應引起的電荷輸出，由此能避免將由熱電效應引起的輸出錯誤地認作物體的接觸的風險，從而使得能增加關於物體探測的可靠性。
另外，在熱絕緣裝置由具有熱絕緣性的彈性材料形成的情況下，有助於在外來物開始與壓電層接觸時導致的壓電層的變形，從而使得能確保外來物的接觸的探測。
另外，在本發明的壓力傳感器製造方法中，由於通過擠壓成形製造壓力傳感器，所以能簡單和便宜地製造壓力傳感器。
另外，在本發明的物體探測系統中，即使在不連接一個放電電路的情況下，也能以高可靠性探測與物體的接觸或物體的陷入，其中放電電路作為克服熱電效應的對策，否則將引起熱電效應。
另外，通常，壓力傳感器沿著彈性邊緣材料布置，彈性邊緣材料安裝在設備基底材料中的開口的邊緣上。然而，在壓力傳感器中，覆蓋層能保證柔韌性和彈性邊緣材料所需的減振特性，覆蓋層本身能被製作成兼作彈性邊緣材料，彈性邊緣材料安裝在設備基底材料的邊緣和開口上，從而使得能實現設備基底材料和開口上的安裝特性的改進，和由於部件數量的減少而實現成本的減少。
圖1是打開和關閉系統的第一實施例的外部視圖，其中安裝了根據本發明的壓力傳感器和物體探測系統；圖2是沿圖1中的線C-C獲得的截面圖；圖3表示組成本發明的壓力傳感器的壓電電纜的橫截面圖；圖4是本發明的壓力傳感器的外部視圖；圖5是物體探測系統和圖1中所示的打開和關閉系統的框圖；圖6是透視圖，表示當在一個開口中執行關閉操作時，當外來物陷入時壓力傳感器怎樣變形；圖7表示特徵圖表，分別說明了圖1中所示的打開和關閉系統中的來自濾波模塊的輸出信號V、確定裝置的確定信號J和施加到馬達的施加電壓Vm；圖8表示一種方法的說明圖，該方法用於通過來自濾波模塊的輸出信號V和在圖1所示的打開和關閉系統中的確定裝置的確定輸出J來防止陷入；圖9是本發明的壓電電纜的另一個實施例的橫截面圖；圖10是本發明第二實施例的壓力傳感器的截面圖；圖11是一個圖表，表示從本發明的第一實施例的壓力傳感器的傳感器輸出；圖12是一個圖表，表示從傳統壓力傳感器的傳感器輸出；圖13是一個圖表，表示從本發明第二實施例的壓力傳感器的傳感器輸出；圖14表示幾個比較圖表，說明本發明和傳統例子的壓力傳感器的橫截面中的溫度變化；和圖15是傳統壓力傳感器的分解橫截面圖。
注意，在圖中附圖標記表示如下11門；13窗框(開口)；15窗玻璃(關閉件)；17壓力傳感器；19確定裝置；21打開和關閉裝置；23打開和關閉控制裝置；25馬達；27金屬絲；29支承裝置；31引導件；33壓電電纜；41空心部；42插入孔；45中心電極；47外電極；49複合壓電層；51覆蓋層；55斷開探測電阻；61分壓電阻；62濾波模塊；63確定模塊；65信號輸入模塊；66信號輸出模塊；67旁路模塊；72關閉部接觸確定模塊；73控制模塊；78空心部；100物體探測系統；和150打開和關閉系統。
具體實施例方式
下面將基於附圖描述根據本發明的實施方式的壓力傳感器、壓力傳感器製造方法和物體探測系統。
(第一實施例)圖1表示使用根據本發明第一實施例的壓力傳感器的物體探測系統以及打開和關閉系統的外部視圖，且說明了一個將本發明的壓力傳感器應用於汽車的電動車窗系統的例子。圖2是沿圖1中的線C-C獲得的截面圖。注意，在圖2中，右手側表示車廂的內部，左手側表示車廂的外部。
在圖1中，附圖標記11表示汽車的門，附圖標記13表示作為開口的窗框，而附圖標記15表示作為用於關閉和打開的關閉件的窗玻璃。附圖標記17表示壓力傳感器，其沿著窗框13的端部的周緣設置。本發明的物體探測系統100包括沿著窗框13的端部的邊緣布置的壓力傳感器17和確定裝置19，確定裝置19連接到壓力傳感器17的端部，用來基於來自壓力傳感器17的輸出信號確定物體(外來物)與壓力傳感器17的接觸，由此當手、手指或任何其它物體陷入到窗框13和窗玻璃15之間時，物體探測系統100被設計成探測這種陷入。
另外，本實施例的打開和關閉系統150由物體探測系統100、用來打開和關閉窗玻璃15的打開和關閉驅動裝置21、以及用來控制打開和關閉驅動裝置21的打開和關閉控制裝置23組成。這裡，打開和關閉驅動裝置21由馬達25、金屬絲27、窗玻璃15的支承裝置、引導件31等等組成。窗玻璃15如此構造，即通過由馬達25移動金屬絲27，使得與金屬絲27相連的支承裝置29沿著引導件31上下移動來打開和關閉。
注意，打開和關閉驅動裝置21的系統不局限於如上所述使用金屬絲27的系統，而是也可以使用其它系統。另外，打開和關閉控制裝置23可以與馬達25成為一體。
如圖2中所示，本實施例的壓力傳感器17由作為壓力感應裝置的柔性壓電電纜33和作為熱絕緣裝置的彈性邊緣材料35組成，彈性邊緣材料35由可膨脹的聚氨酯樹脂製成，具有用於支承的插入孔42，壓電電纜33插入並穿過該插入孔42，並且彈性邊緣材料35通過安裝部44安裝在窗框13上。
彈性邊緣材料35例如是由橡膠材料形成並沿著窗框13的邊緣安裝，以便在與窗玻璃15結合到一起時充當包裝物和窗玻璃15的接觸部分的阻尼器，並且壓電電纜33穿過其中的插入孔42、空心部41和側壁部43在彈性邊緣材料35的最低部附近設置在彈性邊緣材料35中。
圖3(a)是表示壓電電纜33和其附近的橫截面圖，壓電電纜33是本實施例的壓力傳感器17的壓力感應裝置。通過以這樣一種方式同心地用薄片疊成一個傳感器單元和一個由氯乙烯製成的覆蓋層51來製造該壓電電纜33，即使得覆蓋層51位於傳感器單元的外側，以擠壓成形成纜索狀的形狀(即，細長的軸狀形狀)，此後，使得被如此擠壓成形的東西極化，由此壓電電纜33具有優良的柔韌性並根據變形時的變形加速度輸出一個輸出信號，其中所述傳感器單元包括中心電極45、外電極47和由複合壓電材料製成的複合壓電材料層49，中心電極45是產生離開信號的電極，複合壓電材料是由氯化聚乙烯製成的橡膠彈性材料和壓電陶瓷的燒結粉末的混合物，覆蓋層51由氯乙烯製成。
鈦酸鉛或鈦鋯酸鉛或無鉛壓電陶瓷的燒結粉末被用作壓電陶瓷，無鉛壓電陶瓷例如是鈦酸鉍鈉、鈮酸鈉和鈮酸鉀。
通過下面的步驟製造壓電電纜33。首先，通過碾壓處理將氯乙烯薄片和體積百分比為40％到70％的壓電陶瓷(這裡，鈦鋯酸鉛)均勻地混合在一起，形成薄片狀形狀。將該薄片精密地切割成小球，此後，將這些小球與中心電極45連續地擠壓在一起，從而形成複合壓電材料層49。然後，將外電極47卷繞在複合壓電材料層49周圍，同樣以這種方式連續擠壓覆蓋層51以便使其圍繞外電極47。最後，將5到10kV/mm的高壓直流電施加到中心電極45和外電極47之間，以便使複合壓電材料層49極化。
測量如上述形成的壓力傳感器的溫度特性。
結果在圖11中表示。已經發現當通過將暖空氣施加到傳感器來加熱壓力傳感器的表面時，當覆蓋傳感器表面的熱絕緣裝置的表面溫度如曲線A1所示地升高時，傳感器表面的溫度保持不超過閥值溫度，如曲線B1所示。當這發生時產生的傳感器輸出由曲線S1表示，能獲得沒有噪聲的好結果。
與此相反，當其中沒有提供熱絕緣裝置的壓力傳感器被加熱時，傳感器表面溫度如圖12中的曲線B3所示地升高，並超過閥值溫度，當這發生時產生的出現在傳感器輸出中的噪聲如曲線S2所示。
從圖11和圖12之間的比較，根據本發明，能獲得沒有由熱電效應引起的噪聲的輸出特性。
當將壓電陶瓷粉末加到氯乙烯中時，優選地將壓電陶瓷粉末浸沒在鈦偶聯劑的溶液中，然後預先使壓電陶瓷粉末乾燥。通過象這樣處理，壓電陶瓷粉末的表面覆蓋有被包含在鈦偶聯劑中的親水基和疏水基。
親水基防止壓電陶瓷粉末的聚集，疏水基增強聚氯乙烯和壓電陶瓷粉末之間的潤溼特徵，結果，能以最大高達70％的體積百分比的巨大數量將壓電陶瓷粉末均勻地加到聚氯乙烯中。已經發現，代替將壓電陶瓷粉末浸沒在鈦偶聯劑中，通過在碾壓聚氯乙烯和壓電陶瓷粉末時添加鈦偶聯劑，也能獲得與剛才描述的相似的效果。該處理是較好的，因為特別需要在鈦偶聯劑中的浸沒處理，這樣，當壓電陶瓷粉末被混合時，聚氯乙烯也起粘結劑用樹脂的作用。注意，可以用非滷素材料如熱塑性彈性體代替聚氯乙烯。
在本實施例的情況下，用銅系金屬或不鏽鋼的單線導體或多個導體作為中心電極45。
另外，一種帶狀電極被用於外電極47，在該帶狀電極中，銅金屬膜結合到聚合層上，如此形成的外電極47被製作成卷繞在複合壓電材料層49的外圍周圍。然後，用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為聚合層，由於銅膜結合到聚對苯二甲酸乙二醇酯上的這種電極在商業上大規模生產且很便宜，所以用該電極作為外電極47是優選的。在將該電極連接到確定裝置19的過程中，能通過焊接實現該連接。
另外，可以用一種帶狀電極作為外電極47，在該帶狀電極中，鋁層被結合到PET，這使得電極更加便宜。然而，由於焊接不能應用於鋁，所以在將該電極連接到確定裝置19的過程中，例如能依靠卷邊或用索環(grommet)來連接電極。當這發生時，可以採用一種結構，其中金屬的單線卷或金屬的編織線卷繞在外電極47的鋁層周圍，以便與外電極形成導電性，並將金屬的單線卷或金屬的編織線焊接到確定裝置19，在這種情況下，由於焊接變得可能，所以能提高工作效率。
注意，外電極47優選地以部分交迭的方式卷繞在複合壓電材料層49周圍，以便保護壓電電纜33不受外界環境的電噪聲。
此外，儘管在上述實施例中，覆蓋層51如傳統例子那樣由氯乙烯製成，並且由可膨脹合成樹脂製成的熱絕緣裝置圍繞其外部，如圖3(b)所示的改進例子中所示，但已經發現，能通過用由可膨脹合成樹脂製成的覆蓋層51f代替覆蓋層51來獲得進一步的熱絕緣效果。
已經發現，當通過相似地將暖空氣施加於傳感器來加熱壓力傳感器的表面時，甚至在覆蓋傳感器表面的絕緣裝置的表面溫度如圖13中的曲線A2所示地極大地升高時，傳感器單元表面的溫度也保持不超過閥值溫度，如曲線B3所示。當這發生時的傳感器輸出由曲線S3表示，能獲得沒有噪聲的好結果。
在這種情況下，當第一實施例的壓力傳感器被相似地加熱時，傳感器表面溫度如虛線B4所示地升高，雖然溫度沒有超過閥值溫度，但在溫度上稍有升高，其中在第一實施例的壓力傳感器中，覆蓋層由氯乙烯製成，熱絕緣裝置設置在覆蓋層的外側周圍。另外，當這發生時產生的傳感器輸出由曲線S4表示，稍微出現了噪聲。
因而，能改進熱絕緣性，所以不僅通過用可膨脹合成樹脂製造熱絕緣裝置，而且通過用可膨脹合成樹脂製造覆蓋層，能獲得具有高可靠性的壓力傳感器。
注意，覆蓋層51、51f可以製作成兼作熱絕緣裝置。
另外，作為熱絕緣裝置和作為熱絕緣裝置的覆蓋層51f，希望使用熱絕緣性優良的且防氯乙烯透過的可膨脹合成樹脂，其中氯乙烯用在傳統壓力傳感器中，更希望使用彈性材料。作為這種彈性材料，例如可膨脹合成樹脂如可膨脹氨基甲酸乙酯是優選的。作為可膨脹合成樹脂，能使用這樣一種彈性體(橡膠彈性材料)，通過改變生橡膠的構造和交聯(硫化)由構造變化產生的東西，使該彈性體具有彈性，或能使用一種彈性體，其中通過將發泡劑添加到熱塑性彈性體中產生反應來實現膨脹結構。
注意，當在由氯乙烯製成的覆蓋層51的外側上、將由不具有膨脹特性的合成樹脂製成的熱絕緣材料用作彈性邊緣材料35的情況下，發現當時間t是t0或t＝t0時所得到的溫度分布具有如圖14(a)中的L1所示的分布曲線，其中在時間t，周圍空氣溫度、彈性邊緣材料、覆蓋層51、電極47和壓電層49在Ta處於熱平衡狀態中，當周圍溫度從Ta激烈改變到Tb時所得到的溫度分布具有如L2所示的分布曲線，並且壓電材料的溫度在從傳感器外側到內側適度分布的情況下升高。這裡，當圖2是沿著線A-A的橫截面時，每個點表示每個層。
與此相反，在將由可膨脹合成樹脂製成的熱絕緣材料用作彈性邊緣材料35的情況下，發現當時間t是t0或t＝t0時所得到的溫度分布具有如圖14(b)中的L3所示的分布曲線，其中在時間t，周圍空氣溫度、彈性邊緣材料、覆蓋層51、電極47和壓電層49在Ta處於熱平衡狀態中，當周圍溫度從Ta激烈改變到Tb時所得到的溫度分布具有如L4所示的分布曲線，該分布曲線是一種從傳感器外側到內側變得陡峭的分布，並且壓電材料的溫度保持不會升高得很多。
這裡，當圖2是沿著線A-A的橫截面時，圖14(a)、14(b)中的每個點表示每個層。
這裡，壓電層49和電極47之間的邊界的溫度變成Tc1＞Tc2，並且從該結果發現，由於在使用由可膨脹合成樹脂製成的彈性邊緣材料35時，在預定時間從Ta開始的溫度的變化率變小，所以抑制了熱電效應的出現。
這裡，當圖2是沿著線A-A的橫截面時，圖14(a)、14(b)中的每個點表示每個層。
這裡，可以使用這樣一種樹脂作為可膨脹合成樹脂，在該樹脂中，通過將發泡劑添加到彈性體和熱塑性彈性體中產生反應來形成膨脹結構，所述彈性體例如是異戊二烯橡膠(IR)、聚丁橡膠(BR)、苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)、氯丁二烯橡膠(CR)、丁腈橡膠(NR)、丁基橡膠(IIR)、乙烯-丙烯橡膠(EPM，PEDM)、氯磺化聚乙烯(CSM)、丙烯酸橡膠(ASM，ANM)、氯醇橡膠(CO ECO)、聚硫橡膠(T)、矽酮橡膠(Q)、氟化橡膠(FKM)和聚氨酯橡膠(U)，熱塑性彈性體例如是聚苯乙烯熱塑性彈性體(TPS)、聚烯烴熱塑性彈性體(TPEE)、聚亞安酯熱塑性彈性體(TPU)、聚酯熱塑性彈性體(TPEE)、聚醯胺熱塑性彈性體(TPEA)、聚丁二烯熱塑性彈性體(TPU)、乙烯-醋酸乙烯酯熱塑性彈性體(PVC-TPE)、天然橡膠熱塑性彈性體、反式-聚異戊二烯熱塑性彈性體和聚氯乙烯熱塑性彈性體(CM)。這裡，在形成膨脹結構時，將有機發泡劑、交聯劑、軟化劑和補強劑併入到彈性體如天然橡膠和合成橡膠以及熱塑性彈性體中，當在封閉的模具內進行硫化時發泡劑分解，從而形成膨脹結構。
如上所述，由於壓電電纜33的複合壓電材料既具有由聚氯乙烯提供的柔韌性，又具有由壓電陶瓷提供的高溫下的耐用性，所以能消除在用聚偏二氟乙烯作為壓電材料的傳統壓電傳感器中固有的在高溫下靈敏性的降低，和由於不僅在高溫下的耐用性是優良的，而且在模製時不需要在橡膠如乙丙橡膠(EPDM)的情況下是所需的硫化步驟，所以能獲得生產效率提高的優點。
另外，用於彈性邊緣材料35的橡膠材料應該是具有比複合壓電材料層49更高的可撓性和柔韌性的橡膠材料，以便依靠與其接觸的物品的壓力，使複合壓電材料層49容易變形。考慮車載部件所需的耐高溫性和耐低溫性來選擇橡膠材料，具體地說，優選地選擇這樣一種橡膠材料，其中柔韌性的降低在從-30℃到85℃的溫度下不大。例如可以用EPDM、氯丁二烯橡膠(CR)、丁基橡膠(IIR)、矽酮橡膠(Si)、熱塑性彈性體(TPER)等等作為橡膠材料。通過採用在此以前描述的構造，壓電電纜33的最小曲率能減小到5mm的半徑。
通過將具有高熱絕緣性的材料除了用於彈性邊緣材料35之外還用於覆蓋層51，能減少由熱電效應引起的故障。如彈性邊緣材料那樣，可膨脹樹脂能應用於其材料。
注意，在彈性邊緣材料35由可膨脹樹脂製成的情況下，由於能通過該彈性邊緣材料35獲得熱絕緣效果，所以覆蓋層51可以由氯乙烯製成。在這種情況下，通常的壓電電纜能用於壓力傳感器的製造，由此能使製造容易。
圖4是壓電電纜33的外部視圖，斷開探測電阻55在壓電電纜33的一個端部53結合在壓電電纜33中。斷開探測電阻55連接在中心電極45和外電極47之間，斷開探測電阻55製作成兼作放電模塊，其放出在壓電電纜33中由於熱電效應而產生的電荷，這實現了部件的合理化。壓電電纜33直接連接到確定裝置19，並且壓電電纜33和確定裝置19製作得彼此成一整體。另外，用來提供供電和輸出探測信號的電纜57和連接器59連接到確定裝置19。當在彈性邊緣材料35中提供壓電電纜33時，將斷開探測電阻55結合在端部53中，將壓電電纜33插入到傳感器插入孔42中。此後，將壓電電纜33和確定裝置19彼此相連，以便彼此成一整體。
注意，在通過擠壓成形模製彈性邊緣材料35的同時壓電電纜33被擠壓成形，壓電電纜33設置在彈性邊緣材料35中，此後，將斷開探測電阻55結合到端部53中，以便壓電電纜33和確定裝置19可以彼此成一整體。
圖5是根據本實施例的物體探測系統100和打開和關閉系統150的框圖。
確定裝置19包括在探測壓力傳感器17的斷開中使用的分壓電阻61，僅僅允許來自輸出信號的預定頻率成分從壓電電纜33中通過的濾波模塊62，基於來自濾波模塊62的輸出信號確定物體與壓力傳感器17接觸的確定模塊63，和異常確定模塊64，其根據由斷開探測電阻55和分壓電阻61形成的電壓值確定壓電電纜33的中心電極45和外電極47的斷開異常。
另外，信號輸入模塊65和信號輸出模塊66彼此相鄰地設置在確定裝置19內，信號輸入模塊65將中心電極45和外電極47連接到確定裝置19並將來自壓電傳感器33的輸出信號輸入到確定裝置19中，信號輸出模塊66輸出來自確定模塊63的確定信號。通向確定裝置19的電源線以及接地線連接到信號輸出模塊66。此外，確定裝置19具有旁路模塊67，如電容器，其設置在信號輸入模塊65和信號輸出模塊66之間，用來旁通高頻信號。
驅動裝置21具有用來探測馬達25的旋轉脈衝的霍爾元件68。
控制裝置23設有位置探測模塊71、打開和關閉部接觸確定模塊72和控制模塊73，探測模塊71用來基於霍爾元件68的輸出信號探測窗玻璃15的上端位置，打開和關閉部接觸確定模塊72基於霍爾元件68的輸出信號，通過探測窗玻璃15的移動速度來確定物體與窗玻璃15的接觸，控制模塊73基於來自確定裝置19、位置探測模塊71和打開和關閉部接觸確定模塊72的輸出信號控制馬達25。
位置探測模塊71給從霍爾元件68輸出的脈衝信號計數並將其存儲起來，以便探測窗玻璃15的當前上端位置。這裡，窗玻璃15的上端位置Y由離窗框13最低點的高度表示，如圖1中所示。
基於當物體開始與窗玻璃15接觸時窗玻璃15的移動速度會減慢的事實，打開和關閉部接觸確定模塊72根據從霍爾元件68輸出的脈衝信號的脈衝間隔計算窗玻璃15的移動速度，並在如此計算的移動時間的每單位時間變化|ΔVw|變得大於預置值VW1的情況下，確定物體開始與窗玻璃15接觸，從而輸出低-高-低的脈衝信號。
這裡，關於如此輸出的脈衝信號，高電平的信號組成確定信號。
另外，通知裝置74和用來打開與關閉窗玻璃15的打開和關閉開關75連接到控制裝置23，通知裝置74通過布置在車廂前儀錶板上的預定的燈或類似裝置通知確定裝置19的確定結果。打開和關閉開關75包括一個單觸發向上開關和一個單觸發向下開關，它們設計成通過單觸摸操作來打開和關閉窗玻璃，和包括手動向上開關與手動向下開關，它們設計成通過手動操作打開和關閉窗玻璃15。然後，提供由車用電池構成的電源76，其通過確定裝置19供應電力。
濾波模塊62具有過濾性質，其中由汽車車身的振動或類似情況產生的多餘信號被從壓電電纜33的輸出信號中除去，出現在壓電電纜33的輸出信號中的特定頻率成分被提取。對於過濾性質的確定，汽車車身的振動性質和行駛時產生的車身振動可能僅僅必須為了最優化而被分析。
為了除去來自外界的電噪聲，用屏蔽件覆蓋整個確定裝置19以便進行電屏蔽。另外，外電極47製作成與確定裝置19的屏蔽件電連續，以便壓力傳感器17也被電屏蔽。注意，可以通過將聯通電容器和電磁幹擾過濾器添加到前述電路中的輸入/輸出模塊來實現防備強電場的對策。
下面，將描述在物體探測系統100探測到物體與壓力傳感器17的接觸時執行的基本操作。
圖6表示當物體77開始陷入到窗框和窗玻璃之間時所引起的壓力傳感器17的情況。當物體77開始與壓力傳感器17接觸時，壓力由物體77施加到彈性邊緣材料35和壓電電纜33上，由於彈性邊緣材料35具有比壓電電纜33更大的柔韌性，所以如圖中所示，彈性邊緣材料35由於如此施加的壓力而在物體77與其接觸的點周圍被壓縮，側壁部43變形，同時，空心部41坍陷，由此壓電電纜33圍繞物體77與彈性邊緣材料35接觸的點彎曲和變形。另外，甚至通過用手抓住包括壓力傳感器17的窗框，也在壓力傳感器17中產生相似的變形。
當壓電電纜33象這樣變形時，由於壓電效應，從壓電電纜33中輸出視變形的加速度而定的輸出信號，然後，從壓電電纜33如此輸出的輸出信號被濾波模塊62過濾。當可能發生這樣一種情況時，即由汽車車身振動引起的多餘振動分量所產生的輸出信號出現在壓電電纜33的輸出信號中時，濾波模塊62除去該多餘信號。
這裡，將基於圖7描述確定模塊63和控制模塊73的操作過程。
圖7表示特性圖，其說明了來自濾波模塊62的輸出信號V、確定裝置19的確定輸出J和應用到馬達25的施加電壓Vm。在圖7中，縱軸分別表示從上方開始的V、J和Vm，橫坐標軸表示時間t。
當打開和關閉開關75的單觸發向上開關在時間t被接通時，控制模塊73向馬達25應用一個+Vd的電壓，以便操作窗玻璃15關閉，當操作窗玻璃15關閉時，確定裝置19進行確定操作。在物體77如圖6中所示地陷入的情況下，由於壓電效應，從壓電電纜33輸出在壓電電纜33中出現的視變形加速度而定的信號，並且使得大於如圖7(a)中所示的基準電位V0的信號分量從濾波模塊62中顯現出來。當這發生時，如果壓電電纜33製作成僅僅設置在窗框13上，則當陷入發生時出現的壓電電纜33的變形將很小。然而，在本實施例的情況下，如圖2中所示，由於彈性邊緣材料35具有柔韌性，並且彈性邊緣材料35在陷入發生時容易被壓縮，所以壓電元件材料33的變形量增大。
然後，由於空心部41在陷入發生時也發生坍陷，所以壓電電纜33的變形量進一步增大。這樣，得到壓電電纜33的很大的變形量，作為變形量的二次微分值的加速度變大，其結果是，壓電電纜33的輸出信號變大。確定模塊63確定在從V0開始的V的振幅|V-V0|大於D0的情況下，與物體的接觸發生，和如圖7(b)中所示，輸出脈衝信號低-高作為時間t2的確定輸出。
如果被給予該確定信號，如圖7(c)中所示，控制模塊73停止向馬達25應用+Vd的電壓，並在一定的時間段內應用-Vd的電壓，直到時間t3為止，以便使得窗玻璃15下降一定量，從而釋放陷入物或防止陷入的發生。在施加到壓電傳感器17的壓力解除的情況下，從壓電電纜33輸出一個視加速度而定的信號，變形按照該加速度消除，恢復原始情況(小於圖7(a)中的基準電位V0的信號分量)。
注意，儘管取決於壓電元件材料33的彎曲方向和極化方向、電極的分配(其將作為基準電位)和壓電元件材料33的支承方向，當壓力傳感器17變形時，V變得大於V0還是小於V0會發生改變，但由於確定模塊63基於V的從V0開始的振幅的絕對值確定陷入，所以在V大於或小於V0的情況下都能確定陷入。
除了基本確定方法之外，在如下執行與構成外來物的物體的接觸不存在的確定的情況下，可以防止陷入的發生。
圖8表示特性圖表，分別表示來自濾波模塊62的輸出信號V和確定裝置19的確定信號J。在圖8中，縱軸分別表示從上方開始的V和J，橫坐標軸表示時間t。
如圖8(a)中所示，在例如通過抓住窗框13使壓力傳感器17在時間t4變形的情況下，由於壓電效應，從壓電電纜33輸出一個信號，其結果是，使得大於基準電位V0的信號分量從濾波模塊62顯現出來。
然後，當輸出信號V變得等於或大於預置的V1時，即，當輸出信號V的從V0開始的振幅|V-V0|變得等於或大於V1時，確定模塊63確定物體開始與窗框13接觸，在如圖8(b)中所示的時間t4，輸出一個脈衝信號低-高(確定信號)作為確定輸出，並保持該脈衝信號。
接著，當例如通過把手從窗框13上移開而消除壓力傳感器17上的變形時，由於相等的壓電效應而從壓電元件材料33輸出一個信號，並使得小於基準電位V0的信號分量從濾波模塊62顯現出來。當這發生時，在輸出信號V2變得等於或小於預置的V2時，即，在輸出信號V的從V0開始的振幅|V-V0|變得大於V2時，確定模塊63確定物體從窗框13上移開，並在時間t5使處於高電平的信號變成處於低電平的或高-低的信號，其中所述處於高電平的信號是確定信號。
即，在從探測到物體的接觸開始直到探測到其分離為止的時間中，脈衝信號保持為高，並保持確定信號的輸出。
這裡，如果在從探測到物體接觸的時間t4開始直到探測到物體分離的時間t5為止的時間中，以使窗玻璃15向上或向下移動為目的來操作打開和關閉開關75，則控制模塊73進行控制以使得窗玻璃15的操作被鎖定，由此障礙物被探測到，從而防止陷入的發生，因而增加了安全性。
注意，前述輸出信號V隨著由壓電電纜33的極化引起的極性而改變。當這發生時，由於信號導致所示信號的極性被顛倒，所以V1和V2的設定值的正負符號可能被顛倒。
另外，通過讓確定裝置19的作用由打開和關閉控制裝置23一方承擔，可以將確定裝置19與壓力傳感器17分開，以便工藝性能如壓力傳感器17本身的放置得到改善。
在如上述構造的物體探測系統100和打開和關閉系統150中，其中所用的壓力傳感器17中的覆蓋層51的材料被改進成具有熱絕緣性的彈性材料，因而，即使在壓力傳感器17的周圍溫度發生激烈改變的情況下，或具體地說，在與覆蓋層51接觸的外部空氣的溫度和彈性邊緣材料35與窗框13的溫度發生激烈改變的情況下，由於覆蓋住覆蓋材料51外部的彈性材料具有勝過傳統氯乙烯的熱絕緣性，所以發生在外部的激烈的溫度改變不會傳遞到位於傳感器內部的複合壓電材料層49。
另外，空心部41形成於彈性邊緣材料35中，所以將一個空氣層置於其中，該空氣層產生熱絕緣作用。根據該觀點，同樣，能防止由於外部激烈的溫度改變引起的存在於壓力傳感器內部中的複合壓電材料層49上的效應。
因此，即使在沒有將專門費用花費在防備熱電效應的對策上的情況下，也能抑制由熱電效應引起的電荷輸出，由此能避免將熱電效應產生的輸出錯誤地認作物體接觸的風險，從而使得能改進關於物體探測的可靠性。
另外，由於用於覆蓋層51的彈性材料具有比傳統氯乙烯優良的防水性，所以不需要考慮對由於水的滲透而引起的中心電極和外電極的腐蝕進行防備，由此與為了防止由水的滲透引起的腐蝕而用如鋁等金屬製造電極的傳統情況相比，能用便宜的金屬如銅製造電極。這能在製造成本上實現很大的減小，和減小關於防備熱電效應的對策的成本。
作為物體探測系統100或打開和關閉系統150，即使在沒有放電電路作為防備壓力傳感器17上的熱電效應的對策被特別連接的情況下，也能以高可靠性探測到物體的接觸或其陷入。
另外，通常壓力傳感器17布置在彈性邊緣材料35中，如上所述。在本實施例的壓力傳感器17中，由於覆蓋層51由彈性材料製成，因此能保證彈性邊緣材料所需的柔韌性和減振性，通過以這樣一種方式形成傳感器，即其外殼形狀與彈性邊緣材料35相匹配，充當熱絕緣裝置的覆蓋層51本身能製作成兼作彈性邊緣材料，或用來將壓力傳感器17安裝到窗框13上的安裝部44能設置在充當熱絕緣裝置的覆蓋層51上，從而使得能實現壓力傳感器17在窗框13上的安裝性的改善和由於部件數量的減少而導致的製造成本的減少。
另外，如圖9中所示，充當熱絕緣裝置的覆蓋層51可以由其中形成有空心部78的彈性材料製成，如此形成的覆蓋層51具有優良的熱絕緣性，能防止由熱電效應引起的錯誤探測。
(第二實施例)此外，作為本發明第二實施例的片狀傳感器也是有效的。
如圖10中所示，在該壓電片中，通過用第一電極85和第二電極87將由複合壓電材料製成的複合壓電材料層89夾在中間和用覆蓋層81覆蓋它們而形成傳感器單元，複合壓電材料由用聚氯乙稀製成的橡膠彈性材料和壓電陶瓷的燒結粉末的混合物產生，它們與在第一實施例中使用的那些相似，所述第一電極85作為產生離開信號的電極，覆蓋層81由可膨脹的氨基甲酸乙酯製成且適合於覆蓋傳感器單元的外部，由此從其中輸出視變形時產生的變形加速度而定的輸出信號。
由於如在第一實施例中使用的纜索狀傳感器那樣，該片狀傳感器也被由可膨脹氨基甲酸乙酯製成的熱絕緣覆蓋層所覆蓋，所以片狀傳感器沒有由熱電效應引起的故障，因而能以高可靠性構成壓力傳感器。
儘管已經參考具體實施例對本發明進行了詳細描述，但對於本領域技術人員來說很明顯，在不背離本發明精神和範圍的情況下，能對其做出各種改變和變化。
本主題專利申請是基於2003年1月16日申請的日本專利申請(2003-7813)，其內容在此併入作為參考。
工業應用性注意，根據本發明的壓力傳感器和物體探測系統的目標申請不局限於在實施例中描述的用於汽車前座的電動車窗系統，而是它們還能應用於汽車後部的電動艙門。
此外，旨在將本發明應用於其上的打開和關閉件不局限於車窗，而是本發明能應用於電動滑門、電動遮陽篷頂和建築中的自動門。
另外，儘管物體探測系統被描述為應用於用來探測外來物陷入到打開和關閉件之間的探測系統，但本發明的物體探測系統不局限於這種陷入的探測。
例如，通過將壓力傳感器17和確定裝置19設置在車輛的保險槓上，本發明還能用來探測與外部物體的接觸，因而，本發明可用作一般目的的物體探測系統，所述一般目的的物體探測系統能用作用來定位將被傳送的物品的探測系統。
權利要求
1.一種壓力傳感器包括傳感器單元，其中包含壓電陶瓷材料的壓電層被多個電極夾在中間；覆蓋所述傳感器單元的覆蓋層；和由可膨脹合成樹脂製成的熱絕緣裝置，該熱絕緣裝置覆蓋所述覆蓋層的周圍。
2.如權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述傳感器單元是纜索狀傳感器，其包括構成芯部單元的第一電極、覆蓋所述第一電極的壓電層和覆蓋所述壓電層外部的第二電極。
3.如權利要求1所述的壓力傳感器，其中所述傳感器單元是片狀傳感器，其如此形成，即壓電層被第一電極和第二電極夾在中間。
4.如權利要求1到3中任一項所述的壓力傳感器，其中所述熱絕緣裝置是具有形成於其中的空心部的彈性材料。
5.如權利要求1到4中任一項所述的壓力傳感器，其中所述熱絕緣裝置製造為兼作所述覆蓋層。
6.如權利要求1到5中任一項所述的壓力傳感器，其中所述熱絕緣裝置包括用來將壓力傳感器安裝在設備基底材料上的安裝部。
7.一種用來製造如權利要求1到6中任一項所述的壓力傳感器的壓力傳感器製造方法，包括通過擠壓成形在所述傳感器單元的外圍上模製熱絕緣裝置的步驟。
8.一種物體探測系統，包括如權利要求1到6中任一項所述的壓力傳感器和確定裝置，確定裝置用來基於所述壓力傳感器的輸出信號確定外來物與壓力傳感器接觸，由此探測物體與設備的接觸。
9.一種物體探測系統，包括如權利要求1到6中任一項所述的壓力傳感器，壓力傳感器安裝在設備的開口的邊緣上或安裝在打開和關閉所述開口的關閉件的邊緣上；和確定裝置，用來基於所述壓力傳感器的輸出信號確定外來物與壓力傳感器的接觸，由此探測在所述開口與關閉件之間的外來物的陷入。
全文摘要
一種壓敏型傳感器(17)包括中心電極(45)，基本上同心地圍繞中心電極的複合壓電層(49)，覆蓋複合壓電層(49)外部的外電極(47)，覆蓋外電極(47)外部的覆層(51)，和覆蓋其周圍的彈性裝飾材料(35)，其中通過選擇覆層的材料以增強熱絕緣，從而抑制由熱電效應引起的輸出來增強可靠性，和其中通過由外部壓力引起的複合壓電層(49)的變形將輸出信號輸送到每個電極(45，47)，其中通過用由可發泡合成樹脂構成的熱絕緣裝置覆蓋彈性裝飾材料(35)，來抑制由熱電效應引起的錯誤操作。熱絕緣裝置可以形成以覆蓋氯乙烯的普通覆層(51)，或覆蓋表現出極好的熱絕緣性的可發泡合成樹脂的覆層(51f)，或熱絕緣裝置也可以充當覆層。
文檔編號G01L1/16GK1739010SQ20048000221
公開日2006年2月22日 申請日期2004年1月16日 優先權日2003年1月16日
發明者荻野弘之, 植田茂樹 申請人:松下電器產業株式會社