JP2005302736A - コードスイッチ及び圧力感知装置 - Google Patents

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Tomoyuki Kikuta
知之 菊田
Takeshi Tanaka
猛 田中
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Abstract

【課題】 ＯＮ／ＯＦＦの動作を確実にとらえることができ、曲げによる電極間の接触をなくして誤動作を解消でき、更に、あらゆる方向からの加圧に対して確実な検知能力を有する、高度の信頼性を持ったコードスイッチ、およびコードスイッチの先端部にまで感知範囲を広げることができる圧力感知装置を提供する。
【解決手段】 このコードスイッチ１は、金属導体線の外周に導電性ゴム層又は導電性プラスチック層を設けて形成された断面円形の少なくとも２本の電極線２が相互に電気的に接触しない状態でもって復元性ゴム又は復元性プラスチックからなる断面円形の中空絶縁体３の内面に沿って長手方向に螺旋状に配置され、前記電極線２は内方に突出した状態で前記中空絶縁体３に固定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部からの圧力変化に高精度で感応してオン/オフ動作を行うコードスイッチ及びコードスイッチを用いた圧力感知装置に関するものである。
最近の電子機器の発展により各種機械設備の自動化が進んできており、これに伴い、各種センサがますます必要かつ重要な部品となってきている。例えば、扉（ドア）や蓋などの開閉部材を有する装置では、開閉部材が閉じるときに物体あるいは人間などが挟まれたことを検知するセンサが必要となることがある。
従来、シリコーンゴムなどにグラファイトや金属粒子などを分散させて導電性を付与した感圧導電ゴムをシート状に加工したものが、入力スイッチや感圧センサに広く利用されてきた（例えば、特許文献１、２、３、４、５参照）。
また、長尺のシートを電極に挟んでコード状のスイッチやセンサとしたものが知られている（例えば、特許文献６、７、非特許文献１参照）。
最近では、スイッチ機能を強調し、オン／オフ動作を確実にするため、導電部材間に空隙を設けたものが、提案されている（例えば、特許文献８参照）。
特公昭４０−２４０６１号公報 特公昭５７−５３６０２号公報 特公昭５６−５４０１９号公報 特公昭５８−２４９２１号公報 特開昭５３−８９７号公報 特開昭６１−１６１６２１号公報 特開昭６３−５２０２４号公報、 ラバーインダストリー２１（１）１０頁（１９８５年） 特開平６−２６００５４号公報
近年、自動車窓ガラスの電動による自動開閉時において、人体の一部が挟まれる事故を防止するという状況に鑑み、挟み込み検知センサの開発が急務となっているが、このような検知センサに上記の特許文献７や特許文献８等に記載された従来のセンサを用いるには、検知精度上種々の問題がある。
特許文献７によれば、加圧による電気抵抗の低下によって圧力を検知することになるが、電気抵抗の変化が十分に大きな値にならない。また、曲げなどによって発生するセンサー自身の内部応力によって電気抵抗が変化して誤動作の原因となるなどの問題がある。
特許文献８によれば、対向する導通部材（電極）間に空隙を設けておき、加圧による導通部材間の接触により圧力を検知することになり、電気抵抗変化が小さいという欠点を改良できるものの、このセンサは検知方向が一方向に偏る重大な欠点を有している。すなわち、側面からの加圧を全く検知することができない。また、曲げた場合には容易に対向する電極が接触してしまい曲線部に設置することができない。
本発明は、上記した従来技術の欠点を解消するもので、ＯＮ／ＯＦＦの動作を確実にとらえることができ、曲げによる電極間の接触をなくして誤動作を解消でき、更に、あらゆる方向からの加圧に対して確実な検知能力を有する、高度の信頼性を持ったコードスイッチを提供することを目的とする。
また、本発明は、コードスイッチの先端部にまで感知範囲を広げることができる圧力感知装置の提供を目的とする。
本発明は、上記目的を達成するため、金属導体線の外周に導電性ゴム層又は導電性プラスチック層を設けて形成された断面円形の少なくとも２本の電極線が相互に電気的に接触しない状態でもって復元性ゴム又は復元性プラスチックからなる断面円形の中空絶縁体の内面に沿って長手方向に螺旋状に配置され、前記電極線は内方に突出した状態で前記中空絶縁体に固定されていることを特徴とするコードスイッチを提供する。
本発明は、上記目的を達成するため、金属導体線の外周に導電性ゴム層又は導電性プラスチック層を設けて形成された断面円形の４ｎ本（ｎは正の整数）の電極線が相互に電気的に接触しない状態でもって復元性ゴム又は復元性プラスチックからなる断面円形の中空絶縁体の内面に沿って長手方向に螺旋状に配置され、前記電極線は、内方に突出した状態で前記中空絶縁体に固定されているコードスイッチを用い、前記コードスイッチの前記４ｎ本の電極線を前記コードスイッチの端側を接続点として直列接続し、直列接続された前記４ｎ本の電極線の一端を前記コードスイッチの一方端側から導出して電源の一端への接続点とし、直列接続された前記４ｎ本の電極線の他端を前記コードスイッチの一方端側から導出して前記電源の他端への接続点として、前記電源及び前記４ｎ本の電極線による直列回路を形成することを特徴とする圧力感知装置を提供する。
本発明は、上記目的を達成するため、金属導体線の外周に導電性ゴム層又は導電性プラスチック層を設けて形成された断面円形の４ｎ本（ｎは正の整数）の電極線が相互に電気的に接触しない状態でもって復元性ゴム又は復元性プラスチックからなる断面円形の中空絶縁体の内面に沿って長手方向に螺旋状に配置され、前記電極線は、内方に突出した状態で前記中空絶縁体に固定されているコードスイッチを用い、前記コードスイッチの前記４ｎ本の電極線を第１の群と第２の群とに分け、前記第１の群の電極線を前記コードスイッチの端側を接続点として直列接続するとともに前記第２の群の電極線を前記コードスイッチの端側を接続点として直列接続し、前記コードスイッチの一方端側から導出する前記第１の群の一端を電源の一端への接続点とし、前記コードスイッチの一方端側で前記第１の群の他端を電流調整抵抗の一端と接続し、前記コードスイッチの一方端側で前記第２の群の一端を前記電流調整抵抗の他端と接続し、前記コードスイッチの一方端側から導出する前記第２の群の他端を前記電源の他端への接続点として、前記電源、前記電流調整抵抗及び前記４ｎ本の電極線による直列回路を形成することを特徴とする圧力感知装置を提供する。
本発明によれば、ＯＮ／ＯＦＦの動作を確実にとらえることができ、曲げによる電極間の接触をなくして誤動作を解消でき、更に、あらゆる方向からの加圧に対して確実な検知能力を有する、高度の信頼性を持ったコードスイッチを提供することができる。
図１の斜視図及び図２の断面図で示すように、本発明のコードスイッチ１は電極線２、２、断面中空絶縁体３および空隙４からなっている。電極線２、２は、所定の間隔を保ちながら復元性ゴム又は復元性プラスチックからなる中空絶縁体３の内面に沿って長手方向に螺旋状に配置されている。
中空絶縁体３は、電極線２、２を電気的に接触しない状態で螺旋状に保持固定すると共に、外力により容易に変形し、外力がなくなれば直ちに復元するものである。この中空絶縁体を形成するための復元性ゴムとしては、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴムといったものをあげることができる。また、復元性プラスチックとしては、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレンエチルアクリレート共重合体、エチレンメチルメタクリレート共重合体、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、オレフィン系あるいはスチレン系の熱可塑性エラストマーをあげることができ、更に、ポリイミドやポリアミド等のエンジニアリングプラスチックでも形状、厚さ、他の材料との積層を工夫することにより使用可能である。
電極線２は、銅線や銅合金などの金属導体からなることが一般的であるが、優れた可撓性及び復元性とするため、金属素線を複数本撚合せた金属撚線を用いることが好ましい。更に、電極線２は、復元性の向上および中空絶縁体３による電極線の保持固定力の向上をはかるため、図３に示すように、金属導体線５の外周に導電性ゴム層又は導電性プラスチック層６を設けた構造とするのが好ましい。導電性ゴム層及び導電性プラスチック層６は、上記した中空絶縁体３を形成する復元性ゴムあるいは復元性プラスチックにカーボンブラック等の導電性充填剤を配合した混和物を金属導体線の外周に押出被覆するなどして形成される。導電性ゴム層又は導電性プラスチック層６の断面積は、金属導体線の断面積の２倍以上であることが好ましく、これによって、電極線に十分な弾力性を付与すると共に、中空絶縁体３による電極線の保持固定が十分になされるようになり、大きな復元性を実現できる。
また、曲げによる誤動作防止のために電極線２の螺旋リード長さ（電極線２の１周期）ＬはＮΦ〜２５ＮΦ（Ｎは電極線数、Φは螺旋配置された電極線の内接円径）、特に、２ＮΦ〜１０ＮΦの範囲に選択することが好ましい。ＬがＮΦ以下では電極線２、２間の絶縁性を維持するに必要な空間が得にくくなる傾向にあり、Ｌが２０ＮΦを越えると曲げによる座屈が生じやすくなり誤動作が発生しやすくなる傾向にある。なお、電極線２はコードスイッチ全長にわたって一方向にのみ螺旋巻した構造でもよいが、コードスイッチの途中で螺旋巻方向を反転させた構造であってもよい。
本発明においては、中空絶縁体３の断面方向のあらゆる方向からの加圧によっても電極線２間の接触が確保され易くするため、電極線２はその一部が突出した状態で中空絶縁体３に埋設固定されている。電極線２の突出量は、中空絶縁体３の内径Ｄの５％以上、特に、１０％以上突出させることが好ましい。突出量が５％未満では、加圧方向によって電極間の接触が得られないことも有り得る。この突出量をより具体的に示すと、中空絶縁体内径Ｄが１．５ｍｍ〜５ｍｍの場合、０．３ｍｍ以上、特に、０．６ｍｍ以上である。
更に、電極線２の数を増やすことによって、例えば３本、４本、５本、６本、・・・とすることにより、各種モードの圧力応答性を高めることができる。一般には、偶数本である。この場合、電極線２の外径や螺旋リードＬ、さらにセンサー外径、中空絶縁体の厚さ、中空絶縁体及び電極の弾性率などの機械的特性は目的性能に応じた設計をすることが付随的に重要である。例えば２本より４本、６本・・・とすることにより断面円周上の電極が増えるために、断面縮小変形がより小さくても相互接触が可能となる。このため、電極線の突出高さはこれに応じてより少なくしても同様の応答性が得られるようになる。逆に細いセンサー外径、鋭角の曲線部配置や、電極線の接続処理数を減らすなどの面では電極線数が少ないほうが良い。このように、本発明は適切な構造を選択することであらゆる目的に適合した高性能センサを提供することができる。
本発明においては、電極線の数が４ｎ本（ｎは正の整数）の場合には、安全上重要な効果をもたらす。図４は、電極線が２本の場合の圧力感知装置の概略を示したものであり、電極線２、２の一方端に電源７及び電流計８が接続され、他方端に電流調整用の抵抗（ダイアグ抵抗）９が接続されている。この回路には通常微弱監視電流ｉが通電されており、外部からの圧力により電極線２、２間が接触すると短絡電流が流れ、この電流増加に基づいて異常を検知することができる。上記のように、抵抗９が端部において電極線２、２間に挿入された構成であると、抵抗９を取付けた部分はセンサとしての機能を持たせることはできない。また、抵抗９の取付けにより、その分だけセンサの外径が増大するなどの影響を避けられない。このように、２本の電極線による検知方法では、自動車窓ガラスの電動開閉装置のような挟み込み検知を目的とするような場合、センサ取付け上大きな制限要素となる。
図５は、４本の電極線２からなるコードスイッチ１０を示したもので、基本構成は図１に示したコードスイッチと同じである。図６は、電極線が４本の場合の検知回路の概略を示したものであり、一方端の２本の電極線２の間に電源７及び電流計８が接続され、他の２本の電極線２の間に抵抗９が接続され、他方端１１では電極線２同士が直接接続されることにより、電源７、電流計８、電極線２及び抵抗９からなる直列回路が形成されている。このような構成の圧力感知装置であると、端部にもセンサ機能を持たせることができる。
錫メッキ銅素線を７本撚り合わせた金属導体線（外径０．３８ｍｍ）上にカーボンブラックを混和した導電性ゴムコンパウンド（体積抵抗率５Ω・ｃｍ）を被覆して外径が０．６ｍｍ〜２．０ｍｍの電極線（金属導体線との断面積比は２．５〜２８）を作り、この電極線を螺旋状に成形し、この外周にエチレンプロピレンゴムを押出して中空絶縁体を成形し、導電性ゴム層及び中空絶縁体の双方を加熱架橋して螺旋構造の各種コードスイッチを製作した。
各種コードスイッチについて、曲げ動作性、曲げ部応答性、外周半径方向応答性、非平行変形応答性、長さ方向位置応答性の各項目について評価し、その結果を表に示した。なお、評価は次に基づいて行った。
（１）曲げ動作性：半径１０ｍｍ、３０ｍｍの曲げを行い座屈によるセンサ電極の誤接触の有無により判定した。曲げ半径１０ｍｍで非接触場合に◎、曲げ半径３０ｍｍで非接触の場合に○、曲げ半径３０ｍｍで接触の場合に×を付した。
（２）曲げ部応答性：半径１０ｍｍ、３０ｍｍの曲げを行い、曲げた部分を加圧してＯＮ、ＯＦＦ動作が正常に維持されるか否かで判定した。曲げ半径１０ｍｍで動作が良好な場合に◎、曲げ半径３０ｍｍで動作が良好な場合に○、曲げ半径３０ｍｍで動作が正常に行われない場合に×を付した。
（３）外周半径方向応答性：図７に示すように、コードスイッチ１を断面半径方向角度１５゜刻みに計２４方向から加圧してＯＮ、ＯＦＦ動作の有無を判定した。２４方向とも動作が良好な場合に２４点を付与し、これを１００％として評価した。
（４）非平行変形応答性：図８に示すように、コードスイッチ１を断面の一部だけを台１２に固定し, 固定平面に対して平行な加圧の角度を０°としてここから５°刻みに角度を変えて丸棒１３で加圧した時のＯＮ、ＯＦＦ動作の応答可能な角度で示した。
（５）長さ方向位置応答性：長さ方向の任意の位置で加圧したときのＯＮ、ＯＦＦ動作を評価した。加圧は外径４ｍｍ〜２００ｍｍの丸棒を用い１０Ｎ〜３０Ｎで行い、誤動作のない場合に○、ある場合に×を付した。
結果を表１、表２及び表３にまとめて示す。これから明らかなように、本発明のコードスイッチではいずれも曲げ動作性、曲げ部応答性、外周半径方向応答性、非平行変形応答性、長さ方向位置応答性の各項目について優れた評価結果が得られている。
Figure 2005302736
Figure 2005302736
Figure 2005302736
以上説明した通り本発明によれば種々の挟み込み状態に確実に応答し、曲線配置でも誤動作のない従来なし得なかったコードスイッチの提供が可能とるなどその工業的価値は極めて大である。
本発明のコードスイッチの一実施例の斜視説明図である。 本発明のコードスイッチの一実施例の断面説明図である。 電極線の一実施例の断面説明図である。 従来の圧力感知装置の説明図である。 本発明のコードスイッチの一実施例の断面説明図で、電極線が４本の場合を示す図である。 本発明の圧力感知装置の一実施例の説明図である。 外径半径方向応答性の評価方法の説明図である。 非平行変形応答性の評価方法の説明図である。
符号の説明
１ コードスイッチ
２ 電極線
３ 中空絶縁体
４ 空隙
５ 金属導体線
６ 導電性プラスチック層
７ 電源
８ 電流計
９ 抵抗
１０ コードスイッチ
１１ 他方端
１２ 台
１３ 丸棒
１５ 断面半径方向角度
２１ ラバーインダストリー

Claims (7)

  1. 金属導体線の外周に導電性ゴム層又は導電性プラスチック層を設けて形成された断面円形の少なくとも２本の電極線が相互に電気的に接触しない状態でもって復元性ゴム又は復元性プラスチックからなる断面円形の中空絶縁体の内面に沿って長手方向に螺旋状に配置され、前記電極線は内方に突出した状態で前記中空絶縁体に固定されていることを特徴とするコードスイッチ。
  2. 前記金属導体線は、金属素線を複数本撚り合わせたものである請求項１記載のコードスイッチ。
  3. 前記導電性ゴム層又は導電性プラスチック層の断面積は、前記金屑導体線の断面積の２倍以上である請求項１記載のコードスイッチ。
  4. 前記電極線は、４ｎ本（ｎは正の整数）配置されている請求項１記載のコードスイッチ。
  5. 金属導体線の外周に導電性ゴム層又は導電性プラスチック層を設けて形成された断面円形の少なくとも２本の電極線が相互に電気的に接触しない状態でもって復元性ゴム又は復元性プラスチックからなる断面円形の中空絶縁体の内面に沿って長手方向に螺旋状に配置され、前記電極線は内方に突出した状態で前記中空絶縁体に固定されてなり、曲げ半径３０ｍｍ以上の曲線部に沿って設置されたとき、前記少なくとも２本の電極線同士が接触する誤動作が生じないようにしたことを特徴とするコードスイッチ。
  6. 金属導体線の外周に導電性ゴム層又は導電性プラスチック層を設けて形成された断面円形の４ｎ本（ｎは正の整数）の電極線が相互に電気的に接触しない状態でもって復元性ゴム又は復元性プラスチックからなる断面円形の中空絶縁体の内面に沿って長手方向に螺旋状に配置され、前記電極線は、内方に突出した状態で前記中空絶縁体に固定されているコードスイッチを用い、
    前記コードスイッチの前記４ｎ本の電極線を前記コードスイッチの端側を接続点として直列接続し、
    直列接続された前記４ｎ本の電極線の一端を前記コードスイッチの一方端側から導出して電源の一端への接続点とし、直列接続された前記４ｎ本の電極線の他端を前記コードスイッチの一方端側から導出して前記電源の他端への接続点として、前記電源及び前記４ｎ本の電極線による直列回路を形成することを特徴とする圧力感知装置。
  7. 金属導体線の外周に導電性ゴム層又は導電性プラスチック層を設けて形成された断面円形の４ｎ本（ｎは正の整数）の電極線が相互に電気的に接触しない状態でもって復元性ゴム又は復元性プラスチックからなる断面円形の中空絶縁体の内面に沿って長手方向に螺旋状に配置され、前記電極線は、内方に突出した状態で前記中空絶縁体に固定されているコードスイッチを用い、
    前記コードスイッチの前記４ｎ本の電極線を第１の群と第２の群とに分け、前記第１の群の電極線を前記コードスイッチの端側を接続点として直列接続するとともに前記第２の群の電極線を前記コードスイッチの端側を接続点として直列接続し、
    前記コードスイッチの一方端側から導出する前記第１の群の一端を電源の一端への接続点とし、前記コードスイッチの一方端側で前記第１の群の他端を電流調整抵抗の一端と接続し、前記コードスイッチの一方端側で前記第２の群の一端を前記電流調整抵抗の他端と接続し、前記コードスイッチの一方端側から導出する前記第２の群の他端を前記電源の他端への接続点として、前記電源、前記電流調整抵抗及び前記４ｎ本の電極線による直列回路を形成することを特徴とする圧力感知装置。
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