JP4585878B2 - 可変抵抗装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定部分が変形を受けると、その受けた変形に応じて電気抵抗が変化する可変抵抗装置に係り、特に可変抵抗エラストマーを用いた可変抵抗装置に関する。

可変抵抗ゴム等の可変抵抗エラストマーを利用し、該エラストマーが受けた変形に応じて電気抵抗が変化するように構成された可変抵抗装置は、従来より種々開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１−１１０２０２号公報

しかしながら、従来のこの種の可変抵抗装置においては、次のような問題があった。

（ａ）構造が比較的に複雑となる、
（ｂ）可変抵抗ゴム等の可変抵抗素子を細長くし、該素子の両端部にそれぞれ電極を接続する場合には、２つの電極間の間隙が大きくなり、装置の長さが長くなるとともに、少なくとも一方の電極に接続される導線を長く引き回す必要が生じる、
（ｃ）一般の可変抵抗ゴムは、変形を受けていない状態では電気抵抗が非常に高く、電気絶縁体となっているので、このような一般の可変抵抗ゴムを用いた可変抵抗装置においては、変形を受けていない状態および断線等の故障状態のいずれの場合も電気的に絶縁状態になるので、故障時にも変形を受けていないことを示す出力が出されてしまうことになるため、その点を考慮しないと安全上の問題を生じる（ただし、特許文献１の発明は、変形を受けていない状態でも絶縁体とはならない種類の可変抵抗ゴム（伸張型導電ゴム）を使用している）。

また、従来においては、上記（ｃ）のように、正常動作状態の出力と故障状態の出力との見分けが付かない場合があるという問題は、可変抵抗エラストマーを用いないセンサー類一般においても共通な問題であった。

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたもので、本発明の一つの目的は、単純な構造とすることができる可変抵抗装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、コンパクトに構成できる可変抵抗装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、電極に接続される導線を長く引き回す必要がなく、実装上有利な可変抵抗装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、フェイルセーフなシステムを構成し易い可変抵抗装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、以下の説明から明らかになろう。

本発明による可変抵抗装置は、２つの電極と、これらの２つの電極間に設けられ、前記２つの電極を互いに電気的に接続する可撓導電路とを有してなり、
前記可撓導電路は前記２つの電極の間を全体として非直線状に延びており、
前記可撓導電路のうちの少なくとも前記２つの電極にそれぞれ接続される部分は、変形を受けていない状態でも電気絶縁体とはならない程度の電気抵抗を示し、かつ変形を受けると電気抵抗が下がる特性を備えている細長い形状の可変抵抗エラストマーからなり、
前記可変抵抗エラストマーの少なくとも一部は、装置外の力により変形を受けていない状態において、前記２つの電極の双方から遠ざかる方向に延びているものである。

前記可撓導電路の形状は、具体的には、例えば、少なくとも前記可変抵抗エラストマーが装置外の力により変形を受けていない状態では、大略Ｕ字状をなすようにすることができる。

本発明においては、上記のような構成により、構造を単純化することができる。

また、もし可撓導電路を全体に直線状とすると、装置の長さが長くなるとともに、２つの電極間の間隙が大きくなり、少なくとも一方の電極に接続される導線を長く引き回す必要が生じ、実装上不利であるが、本発明においては可撓導電路は非直線状とされているので、コンパクトに構成できるとともに、２つの電極間の間隙を小さくできるため、電極に接続される導線を長く引き回す必要がなくなり、実装上有利である。

また、本発明においては、可変抵抗ゴムは、変形を受けていない状態でも電気絶縁体とはならない程度の電気抵抗を示すので、絶縁状態となる断線等の故障時との判別が容易であり、フェイルセーフなシステムを構成し易い。

本発明の可変抵抗装置は、
（イ）単純な構造とすることができる、
（ロ）コンパクトに構成できる、
（ハ）電極に接続される導線を長く引き回す必要がなく、実装上有利である、
（ニ）フェイルセーフなシステムを構成し易い、
等の優れた効果を得られるものである。

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

図１および２は、本発明の実施例１における可変抵抗装置１を示している。プラスチック等の電気絶縁体からなる板状の電極支持体２には、それぞれ該電極支持体２に対し垂直方向に貫通した状態で、２本の短い丸棒状の電極３，４が固定されている。各電極３，４の一端（図１における下端）側の外周には、２本のチューブ状の可変抵抗エラストマー５，６の一端側がそれぞれ嵌着されている。各可変抵抗エラストマー５，６の他端側は、横断面円形で全体として大略Ｕ字状ないしはコの字状をなした金属等の導電材料からなる中継導電材７の両端部の外周にそれぞれ嵌着されている。ここにおいて、前記２本の可変抵抗エラストマー５，６および中継導電材７は、前記２つの電極３，４を互いに電気的に接続する可撓導電路８を構成しており、この可撓導電路８は、全体として、少なくとも前記可変抵抗エラストマー５，６が可変抵抗装置１外の力により変形を受けていない状態では、大略Ｕ字状をなしている。ただし、前記２本の可変抵抗エラストマー５，６は、装置１外の力により変形を受けていない状態では、それぞれ直線状に延びた状態となっている。

前記可変抵抗エラストマー５，６は同一の可変抵抗エラストマー材料によって構成されている。図３はその可変抵抗エラストマー材料に伸び与えた場合の伸び率と電気抵抗の変化との関係を示す特性図である（ただし、この特性図は、可変抵抗エラストマー材料を長さ５０．０ｍｍ、幅３０．０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのシート状とした場合の特性である）。この特性図から明らかなように、前記可変抵抗エラストマー材料は、伸びを全く与えない状態では電気絶縁体とはならない程度の高い電気抵抗を有しており、かつ与えられる伸びが大きくなるにつれて電気抵抗が小さくなる特性を有している。そして、この可変抵抗エラストマー材料においては、伸び（力）の変化に対する電気抵抗の変化がスムーズであって、かつ伸び（力）と電気抵抗との関係が安定しており、ヒシテリシスも小さい。

なお、前記可変抵抗エラストマー材料は、圧縮されたときやねじられときも、伸ばされたときと同様に、変形が大きくなるにつれて電気抵抗が小さくなる特性を有している。

このような特性を示す可変抵抗エラストマー材料としては、例えば本発明者が先に特開平４−３０４２６６号または特開昭６４−４８３０６号において開示した可変抵抗ゴム（伸張型導電ゴム）を使用することができる。ただし、本発明における可変抵抗エラストマーとしては、変形を受けていない状態でも電気絶縁体とはならない程度の電気抵抗を示し、かつ変形を受けると電気抵抗が下がる特性を備えていれば、上記公報に開示された以外のゴム、およびゴム以外のエラストマーも使用可能である。

前記可変抵抗エラストマー５，６は、電極３，４および中継導電材７に嵌着される前の、外力を全く受けず変形されていない自由な状態では、内径および外径が均一な大きさでかつ真直ぐな状態となっている。自由な状態における可変抵抗エラストマー５，６の内径並びに電極３，４および中継導電材７の外径の大きさは、自由な状態における可変抵抗エラストマー５，６の内径の方が電極３，４および中継導電材７の外径より小さく、電極３，４および中継導電材７に対する可変抵抗エラストマー５，６の嵌着部分が４０％程度伸びた状態、すなわちこれらの嵌着部分における可変抵抗エラストマー５，６の電気抵抗が十分下がりきった状態となるように設定することが好ましい。これにより、前記嵌着部分における可変抵抗エラストマー５，６の電気抵抗が本装置の動作に悪影響を与えないようにすることができる。

次に、本実施例の作動を説明する。この可変抵抗装置１においては、装置１外の力により変形を受けていない状態では、図１のように可変抵抗エラストマー５，６がそれぞれ直線状に延びた状態となっており、可変抵抗エラストマー５，６のうちの電極３，４および中継導電材７に嵌着されていない部分（以下、非嵌着部分５ａ，６ａという）の電気抵抗、ひいては電極３，４間の電気抵抗が電気絶縁体とはならない程度の高い値となっている。

しかし、装置１外の力が可変抵抗エラストマー５，６の非嵌着部分５ａ，６ａに、中継導電材７を介してまたは直接に作用すると、非嵌着部分５ａ，６ａが変形するので、可変抵抗エラストマー５，６全体の電気抵抗、ひいては電極３，４間の電気抵抗が非嵌着部分５ａ，６ａの変形の大きさに応じて低下する。したがって、この可変抵抗装置１は、種々の状態ないしは物理量等を検出する各種センサとして使用することができる。

図４は、この可変抵抗装置１の曲げを受ける使用態様例を示している。この使用態様例では、（ａ）のように、例えばドア等の可動体９が通過する前は、可変抵抗エラストマー５，６の非嵌着部分５ａ，６ａは変形を受けておらず、真直ぐな状態となっているので、電極３，４間の電気抵抗は高い値となっている。

しかし、（ｂ）のように、可動体９が可変抵抗エラストマー５，６および中継導電材７に接触しながら可変抵抗装置１の設置位置を通過しようとすると、可変抵抗エラストマー５，６の非嵌着部分５ａ，６ａが曲げ変形するので、電極３，４間の電気抵抗が低下する。

また、（ｃ）のように、可動体９が可変抵抗装置１の設置位置を通過し、可変抵抗装置１が可動体９から自由な状態になると、再び、可変抵抗エラストマー５，６は真直ぐな状態となり、電極３，４間の電気抵抗は再び高い値となる。これにより、可動体９が所定位置を通過したか否かを検出することができる。

したがって、例えば、ドアを可動体９とすれば、ドアの開閉を検知できる。また、次のようにして、ドアの挟まり検出センサとして使用することもできる。すなわち、（ａ）の位置をドアが開いている位置、（ｂ）の位置をドアが完全に閉じる直前の位置、（ｃ）の位置をドアが完全に閉じた位置に設定すれば、人等がドアに挟まれない場合には、電極３，４間の抵抗値は（ｂ）の位置で短時間のみ低下した後、高い値に戻ることとなるが、人等が挟まれた場合は、ドアが（ｂ）の位置に長時間止まることになるので、電極３，４間の抵抗値が長時間低下することになる。よって、一定時間以上継続する電極３，４間の抵抗値の低下を検出することにより、ドアの挟まりを検知することができる。

図５は、他の曲げを受ける使用態様例を示しており、この可変抵抗装置１を液位センサとして用いる例である。この使用態様例では、中継導電材７に浮子１０が取り付けられており、この浮子１０が液面１１に浮かべられるようになっている。したがって、液面１１の昇降に応じて可変抵抗エラストマー５，６の非嵌着部分５ａ，６ａが曲げ変形するので、電極３，４間の電気抵抗の変化に基づいて液面１１の高さを検出することができる。

図６，７は、この可変抵抗装置１のねじりを受ける使用態様例を示しており、この使用態様例では、中継導電材７には薄い板状の羽根１２が取り付けられている。これにより、図７の矢印Ａで示すように羽根１２の片側に装置１外の力が作用すると、可変抵抗エラストマー５，６の非嵌着部分５ａ，６ａがねじり変形を受ける。したがって、電極３，４間の電気抵抗の変化に基づいて前記力を検出することができる。

なお、羽根１２を気体または液体の流れの中に置けば、気体または液体の流動に応じて、図４および５の場合と同様に、可変抵抗エラストマー５，６の非嵌着部分５ａ，６ａが曲げ変形をを受ける。したがって、可変抵抗装置１を、電極３，４間の電気抵抗の変化に基づいて液体の流動を検出する流動センサとして使用することができる。

この可変抵抗装置１は、以上述べたような使用態様以外の態様でも使用できる。例えば、振動センサとして使用したり、中継導電材７に磁性体等を取り付け、磁気センサとして使用することもできる。また、可変抵抗エラストマー５，６がそれらの長さ方向に引っ張られて伸ばされるような態様でも使用できる。

また、本発明においては、必ずしも可変抵抗エラストマー５，６をチューブ状とする必要はなく、横断面円形、４角形、多角形等の中実状としてもよいが、その場合は、エラストマー５，６を単純に締め付ける構造により電極３，４または中継導電材７に接続しようとすると、接続部の電気抵抗が不安定になるという問題が生じるとともに、可変抵抗エラストマー５，６にクラックが発生しやすくなる。しかるに、本実施例のように、可変抵抗エラストマー５，６をチューブ状とすれば、そのような不都合を防止できる（ただし、中実状とする場合も、可変抵抗エラストマー５，６の締付対象部分を４０％程度伸ばし、これらの締付対象部分における可変抵抗エラストマー５，６の電気抵抗を十分低下させた上、締め付ければ、接続部の電気抵抗を安定にすることができる）。

なお、本実施例において、可変抵抗エラストマー５，６の非嵌着部分５ａ，６ａの長さＬ（図１参照）は、通常の場合、自由な状態における該可変抵抗エラストマー５，６の内径の１〜３倍程度が好ましい。これは、長さＬが長すぎると、作動時、可変抵抗エラストマー５，６が受ける変形率が小さくなるため、十分な大きさの抵抗変化が得られなくなるからである。

また、もし可撓導電路８を直線状に延びるように構成すると、装置１の長さが長くなるとともに、２つの電極３，４間の間隙が大きくなり、少なくとも一方の電極３または４に接続される導線（図示せず）を長く引き回す必要が生じ、実装上不利であるが、この可変抵抗装置１においては可撓導電路８は大略Ｕ字状をなしているので、装置をコンパクトに構成できるとともに、２つの電極３，４間の間隙を小さくできるため、電極３，４に接続される導線を長く引き回す必要がなくなり、実装上有利である。

また、この可変抵抗装置１においては、可変抵抗エラストマー５，６は、変形を受けていない状態でも電気絶縁体とはならない程度の高さの電気抵抗を示すので、絶縁状態となる断線等の故障時との判別が容易であり、フェイルセーフなシステムを構成し易い（電極３，４間に電圧が印加されていると、変形を受けていない場合も可変抵抗エラストマー５，６には微弱な電流が流れている）。

図８は、本発明の実施例２を示している。本実施例においては、大略Ｕ字状をなす可撓導電路８は１本のチューブ状の可変抵抗エラストマー１３のみからなり、実施例１における中継導電材７は設けられていない。

本実施例においては、 中継導電材７は設けられていないので、前記実施例１より更に構成を単純化することができる。

ただし、可変抵抗エラストマー１３として、外力を受けない状態では真直ぐな状態となっているものを使用する場合には、可変抵抗エラストマー１３のうちの抵抗値変化を生じさせるべき部分が常に変形されていることになるので、使用できる抵抗値変化の範囲が狭くなるとともに、エラストマー１３の疲労を生じ易くなる（前記実施例１においては、そのような不都合を防止することができる）。もっとも、可変抵抗エラストマー１３を最初から大略Ｕ字状に成形しておき、装置外から外力を受けていない状態では変形を受けていない状態となるようにすれば、そのような不都合を防止できる。

なお、前記各実施例においては、可撓導電路８は全体として大略Ｕ字状をなしているが、本発明においては、可撓導電路の形状は、大略Ｕ字状をなす場合と実質的に同じ機能を果たす形状となっていればよい。すなわち、可撓導電路の形状は、全体としては非直線状をなしていて、該導電路を構成する可変抵抗エラストマーの少なくとも一部が２つの電極の双方から遠ざかる方向に延びていればよく、例えば、大略Ｗ字状ないしはＭ字状または円弧状となっていてもよい。

以上のように本発明による可変抵抗装置は、各種センサとして有用である。

本発明よる可変抵抗装置の実施例１を示す縦断面図である。 前記実施例１を示す平面図である。 前記実施例１における可変抵抗エラストマーの、伸びを与えられた場合の伸び率と電気抵抗との関係を示す特性図である。 前記実施例１の可変抵抗装置の、曲げを受ける使用態様例を示す動作説明図である。 前記実施例１の可変抵抗装置の、曲げを受ける他の使用態様例を示す動作説明図である。 前記実施例１の可変抵抗装置の、ねじりを受ける使用態様例を示す正面図である。 前記実施例１の可変抵抗装置の、ねじりを受ける使用態様例を示す動作説明図である。 本発明よる可変抵抗装置の実施例２を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 可変抵抗装置
３，４ 電極
５，６ 可変抵抗エラストマー
７ 中継導電材
８ 可撓導電路
１３ 可変抵抗エラストマー

Claims (8)

1. ２つの電極と、これらの２つの電極間に設けられ、前記２つの電極を互いに電気的に接続する可撓導電路とを有してなり、
   前記可撓導電路は前記２つの電極の間を全体として非直線状に延びており、
   前記可撓導電路のうちの少なくとも前記２つの電極にそれぞれ接続される部分は、変形を受けていない状態でも電気絶縁体とはならない程度の電気抵抗を示し、かつ変形を受けると電気抵抗が下がる特性を備えている細長い形状の可変抵抗エラストマーからなり、
   前記可変抵抗エラストマーの少なくとも一部は、前記２つの電極の双方から遠ざかる方向に延びている可変抵抗装置。
2. 前記可撓導電路は、少なくとも前記可変抵抗エラストマーが装置外の力により変形を受けていない状態では、大略Ｕ字状をなしている請求項１に記載の可変抵抗装置。
3. 前記可撓導電路は、それぞれ前記２つの電極に接続される２本の前記可変抵抗エラストマーと、これらの２本の可変抵抗エラストマー間に電気的に接続された中継導電材とを有しており、前記２本の可変抵抗エラストマーは、装置外の力により変形を受けていない状態では、それぞれ直線状に延びた状態となるようになっている請求項１または２記載の可変抵抗装置。
4. 前記可変抵抗エラストマーはチューブ状であり、前記中継導電材の外周に嵌合されている請求項３に記載の可変抵抗装置。
5. 前記可撓導電路は１本の前記可変抵抗エラストマーによって構成されている請求項１または２記載の可変抵抗装置。
6. 前記可変抵抗エラストマーはチューブ状であり、前記電極の外周に嵌合されている請求項１乃至５のいずれかに記載の可変抵抗装置。
7. 前記可変抵抗エラストマーは中実状である請求項１，２，３または５に記載の可変抵抗装置。
8. 前記可変抵抗エラストマーは、伸びを与えられると該伸びの大きさに応じて電気抵抗が変化する特性を備えている請求項１乃至７のいずれかに記載の可変抵抗装置。

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