JP6185855B2

JP6185855B2 - 感圧センサ

Info

Publication number: JP6185855B2
Application number: JP2014017762A
Authority: JP
Inventors: 大地清水
Original assignee: Nippon Cable System Inc; Hi Lex Corp
Current assignee: Nippon Cable System Inc; Hi Lex Corp
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2034-01-31
Also published as: JP2015145791A

Description

本発明は、外力による荷重によって電気が導通して電流を検知することで圧力を検知する感圧センサに関する。

感圧センサは、中空状の樹脂コート内に導電線が編み込まれた編組体が設けられ、外部からの圧力により樹脂コートが変形して、内部の導電線が通電することによって、その圧力を感知するものがある。このような感圧センサとして、たとえば、特許文献１に開示された感圧ケーブルが知られている。

特開平１１−０５３９８１号公報

感圧センサには、弱い圧力を感知するための低感知荷重特性と、小さな最小曲げ半径で湾曲させても曲げ部が屈曲することなく、湾曲状態を維持させたまま配置するための小曲げ特性が求められる。ここで、樹脂コートの内径や導電線のピッチをそれぞれ大きくすると、感知できる最低圧力が減少して、低感知荷重特性が向上するが、最小曲げ半径が増加して、小曲げ特性が低下する。一方、小曲げ特性を向上させるために、樹脂コートの内径や導電線のピッチをそれぞれ小さくすると、低感知荷重特性が低下する。このように、低感知荷重特性と小曲げ特性は背反する関係にある。したがって、背反する両方の特性を満足する感圧センサを製造することは困難であった。

本発明は、低感知荷重特性および小曲げ特性の両方を満足することができる感圧センサの提供を目的とする。

本発明の感圧センサは、外部からの圧力を感知する感圧センサであって、該感圧センサが、導電線と樹脂糸とがそれぞれ逆方向に所定の目開きを有するように編まれ、該導電線が陽極用導電線および陰極用導電線が平行となるように配置された編組体、および前記編組体が内側に設けられた樹脂コート層を備え、前記編組体の内径が１〜４ｍｍ、前記編組体の前記導電線のピッチが３〜３０ｍｍ、および前記編組体の前記内径と前記ピッチの積が１０〜４０であることを特徴とする。本発明者らは、樹脂コートの内径と導電線のピッチの関係に着目し、背反する低感知荷重特性および小曲げ特性を両立できることを見出した。

また、前記内径と前記ピッチの積が２０〜３７であることが好ましい。

本発明によれば、感圧センサにおいて、低感知荷重特性および小曲げ特性の両方を満足することができ、２５Ｎ以下の荷重を感知することができ、最小曲げ半径が１０ｍｍ以下である感圧センサとすることもできる。

本発明の感圧センサの一実施形態の横断面図である。図１の感圧センサを展開した展開図である。実施例および比較例における、感圧センサの外径が４ｍｍの場合の、編組体の内径および導電線のピッチの積と、感知荷重および最小曲げ半径との関係を示すグラフである。実施例および比較例における、感圧センサの外径が６ｍｍの場合の、編組体の内径および導電線のピッチの積と、感知荷重および最小曲げ半径との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照し、本発明の感圧センサ（センサ素子）を詳細に説明する。図１は、本発明の感圧センサの横断面図であり、図２は、本発明の感圧センサ（センサ素子）を軸方向に沿って切開して内面を上側面として平面化することによって展開した展開図である。

本発明の感圧センサは、外部からの圧力を感知するものである。本発明の感圧センサは、感圧センサの外部から力が加わったことを、導電線が接触して通電することにより圧力を感知して、スイッチとして機能するものであり、特にその用途は限定されないが、たとえば、挟み込み防止機能を有したドア、窓、シャッター等の開閉装置、通過車両の検出、足踏み式のスイッチなど、様々な用途に用いることができる。

図１および図２に示されるように、本発明の感圧センサ１は、導電線２と樹脂糸３とがそれぞれ逆方向に編まれて所定の目開きＳ（図２参照）を有し、導電線２が、陽極用導電線２１および陰極用導電線２２が平行となるように配置された編組体Ｂ（図２参照）、および編組体Ｂが内側に設けられた樹脂コート層４を備えている。

感圧センサ１は、編組体Ｂと樹脂コート層４とにより、可撓性を有する中空の管状体を構成する。感圧センサ１は、外部から樹脂コート層４に荷重が加わった際に、感圧センサ１の荷重が加わった部位が径方向内側に押圧されて変形し、管状体が潰れて中空の内側空間が消失して樹脂コート層４の内表面に設けられた電極同士が接触することとなる。電源（図示せず）より導電線２に電力が供給され、樹脂コート層４の内表面に設けられた導電線２の陽極用導電線２１と陰極用導電線２２とが接触することで、電気的に導通することにより、導電線２と接続された検出部（図示せず）により電流が検出されて、外部負荷を感知するように構成されている。なお、本発明の圧力センサは、内側空間を有する中空管状の樹脂コート層４の内表面に編組体Ｂが設けられ、管状体が潰れて中空の内側空間が消失した際に、編組体Ｂを構成する導電線２が接触して導電線２に流れる電気が通電可能とされた管状体をセンサ素子として備えていれば、電源及びその電力供給方法並びに電流検知手段については、公知技術を用いることができる。

導電線２は、外部負荷を感知するための電極として用いられる。導電線２は、導電線２同士が接触して、電源（図示せず）より導電線２に供給された電力が電流検知手段（図示せず）により検知可能に通電することができれば、材料や構造は特に限定されるものではない。たとえば、導電線２は、銅線や銀線を用いることができる。銅線や銀線としては、たとえば、糸材の表面に銅箔、銀箔を施したものであってもよい。導電線２の径は、樹脂コート層４が潰れて導電線２同士の接触を阻害するものでなければ特に限定されるものではなく、たとえば、０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。図１に示されるように、陽極用導電線２１および陰極用導電線２２は、それぞれ、複数の導電線（図１では、３本）が隣接して一組の導電線を構成し、陽極用導電線２１と陰極用導電線２２とが複数組（図１では、４組）互いに平行に、かつそれぞれの組同士が互いに接触しないように、螺旋状となるように樹脂糸３と共に編まれて管状の編組体を構成している。

陽極用導電線２１および陰極用導電線２２は、図１において、それぞれ導電線３本を一組として構成された導電線群として設けられることで検知の容易性と柔軟性とを向上させているが、感圧センサ１の変形時に陽極用導電線２１と陰極用導電線２２とが接触して外部負荷を感知できる程度の幅を有するものであれば、特に導電線群の本数は限定されず、２本であっても、４本であっても、それ以上であっても構わない。また、陽極用導電線２１と陰極用導電線２２は、図１では、合計４組設けられているが、陽極用導電線２１と陰極用導電線２２とが、感圧センサ１の変形時に接触するように配置されるものであれば、何組であっても構わない。また、一組の導電線群は、導電線が接触して束として配されていても所定の間隔で隣接して設けられていてもよい。なお、陽極用導電線２１および陰極用導電線２２は、図１の実施例では、導電線群として用いているが、低感知荷重および小曲げを両立できれば、導電線群として用いず、陽極用導電線２１および陰極用導電線２２のそれぞれとして用いられる導電線同士が所定の間隔で配されて感圧センサを構成するものであってもよい。

樹脂糸３は、図２に示されるように、導電線２と逆方向に編まれて、導電線２とともに編組体Ｂを構成する。すなわち、樹脂糸３は、導電線２がＳ撚りに撚られたときには、Ｚ撚りで撚られ、導電線２がＺ撚りで撚られたときには、Ｓ撚りに撚られる。導電線２および樹脂糸３は、公知の製紐機などにより、導電線２と樹脂糸３とを交互に編み込まれ、編組体Ｂが形成される。樹脂糸３は、複数組の導電線２が互いに対して接触しない状態で編組体の構成を編み込みの際に維持することができ、樹脂コート層４に導電線２の固定をすることができる。より具体的には、樹脂糸３を熱などにより樹脂コート層４と溶着させて、樹脂糸３と樹脂コート層４とを一体化させ、導電線２が樹脂コート層４の内面から外れることを防止する。なお、図２では、樹脂糸３は、導電線２と逆方向に、導電線２と同じピッチで編まれているが、樹脂糸３は、導電線２を固定することができるものであれば、導電線２と同じピッチでなくても構わない。また、樹脂糸３は、荷重に応じて樹脂コート層４と編組体Ｂとで構成された管状体の荷重負荷により、変形し、感圧センサとして所定の繰り返し使用ができる程度に樹脂コート層４と編組体Ｂとを固定するものであればよい。

導電線２と樹脂糸３が互いに編み込まれた編組体Ｂは、図２に示されるように、所定の目開きＳを有している。「目開き」とは、編組体Ｂを構成する編み込まれた導電線２と樹脂糸３において、隣接する導電線２と、その導電線２と交わる隣接する樹脂糸３とにより囲まれて孔として形成された領域のことをいう。編組体Ｂの目開きＳの面積は、樹脂コート層４の内側の表面積に対して所定の割合であればよい。ここでいう「樹脂コート層４の内側の表面積」とは、樹脂コート層４と編組体Ｂとで構成された管状体の単位長さ当りにおける、編組体Ｂが除去されて平滑な内面として仮定した場合の樹脂コート層４で形成された中空管状体の内表面の面積を意味するものであり、目開きＳの「割合」とは、図２に示されるように、この樹脂コート層４の内側の表面積に対する、導電層２と樹脂糸３が編まれている箇所以外の部分の面積の比率をいうものである。この目開きＳにより、導電線２同士が互いに接触せず樹脂コート層４に保持され、かつ、感圧センサ１を軽量化することができる。目開きＳの面積比率は、樹脂コート層４で構成される管状体の長さ方向における単位長さ当たりに含まれる導電線２の量が多くなることにより、重量が重くなったり、編組体を構成する導電線の量が少なくなることにより、編組体を樹脂コート層に保持する前における編組体の形状維持の困難性による生産性の低下が生じないようにされていればよい。

樹脂糸３の材料としては、樹脂コート層４に対して溶着可能なものであれば、特に限定されず、オレフィン系樹脂等、熱融着可能な熱可塑性樹脂を用いることができる。また、樹脂糸３は、繊維状の芯に樹脂を被覆したものであっても、全体を樹脂により製造しても構わないが、樹脂糸３の全体を溶着可能な樹脂とすることにより、樹脂糸３と樹脂コート層４とが一体化しやすく、樹脂コート層４から剥がれにくくなるため好ましい。また、樹脂糸３と樹脂コート層４の材料として、少なくとも特定の同種樹脂成分を互いに含む樹脂や、同種の樹脂材料を用いることが好ましく、樹脂糸３と樹脂コート層４が相溶しやすい組み合わせとなるような樹脂を選ぶことにより、樹脂糸３が樹脂コート層４から剥がれにくくなり、導電線２の保持性を向上することができ、感圧センサ１の耐久性が良くなる。なお、樹脂糸３の線径は、導電線２と同様に、特に限定されるものではないが、編組体Ｂの樹脂コート層４への固定の低下を防止するために、たとえば、０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。

樹脂糸３が溶着される樹脂コート層４は、図１に示されるように、感圧センサ１の外被として構成するとともに、樹脂コート層４の内部に形成された空間に編組体Ｂが配置され、導電線２を外部から絶縁し、感圧センサ１の内部の導電線２を保持する機能を有している。また、樹脂コート層４は、感圧センサ１の外部から負荷が加わった場合に変形し、負荷が取り除かれた後には、元の形状に復元する弾性を有している。このような点から、樹脂コート層４は、所定の荷重に対して弾性変形可能であって、破壊されずにほぼ元の形状へ復元可能なものであれば、その材料は特に限定されないが、上述したように、樹脂糸３と同種の材料を用いることが好ましい。

樹脂コート層４は、押出し成形など公知の成形方法により、編組体Ｂの外層として形成することができる。樹脂コート層４の材料となる樹脂を溶融させて編組体Ｂの外側に押し出し成形して樹脂コート層４を形成したり、樹脂チューブを編組体Ｂ外層に配して熱収縮させて樹脂コート層４を形成する場合には、樹脂コート層４の成形時に、樹脂糸３が樹脂コート層４に溶着され、編組体Ｂと樹脂コート層４とが一体化して、導電線２が樹脂コート層４に固定され、感圧センサ１となる。なお、製造方法については、特に限定されるものではなく、芯部材の周りに導電線２および樹脂糸３を編み、樹脂コート層４を被覆した後に、芯を抜いてもよいし、芯がない状態で導電線および樹脂糸３を編み、樹脂コート層４を被覆しても構わない。なお、樹脂コート層４の厚さは、後述する効果を奏するような範囲で必要な感圧センサ１の外径や、編組体Ｂの外径に応じて適宜変更が可能であるが、たとえば、０．３〜２ｍｍであることが好ましい（感圧センサの径に対して５〜２８％）。

本発明の感圧センサ１は、編組体Ｂの内径Ｄ（図１参照）とピッチＰ（図２参照）とを、編組体Ｂの内径Ｄが１〜４ｍｍ、より好ましくは２〜３ｍｍ、編組体Ｂの導電線２のピッチＰが３〜３０ｍｍ、より好ましくは６〜１５ｍｍとし、かつ、編組体Ｂの内径ＤとピッチＰの積を１０〜４０とすることにより、感知荷重を２５Ｎ以下、最小曲げ半径を１０ｍｍ以下とすることができ、背反する特性である、低感知荷重特性および小曲げ特性を両立することができる。これにより、感圧センサを小さな最小曲げ半径で湾曲して配索する必要がある部位にも、座屈することなく配索が可能であり、かつ湾曲した部位であっても、所定以下の荷重で感知することが可能となる。また、低い荷重でも感圧センサが反応するため、たとえば挟み込み防止を感知する場合において、ドアにおける湾曲した形状に追随して配置することができるので、車両のドアの挟み込み防止装置として特に有用である。ここで、編組体Ｂの内径Ｄとは、図１に示されるように、編組体Ｂの内側（図１に仮想的に二点鎖線で示している）の径、すなわち、略筒状に形成された編組体Ｂの軸心を挟んで対向する導電線２間の距離をいう。また、ピッチＰとは、図２に示されるように、導電線２が編組体Ｂにおいて、編組体Ｂの周回り方向における所定の位置から、軸方向に変位して螺旋状に一周して、周回り方向における所定の位置に戻ったときの軸方向長さをいう。また、編組体Ｂの内径Ｄが１ｍｍより小さい、又は内径Ｄが４ｍｍより大きい場合、及び編組体ＢのピッチＰが３ｍｍより小さい、又は３０ｍｍより大きい場合は編組体Ｂの製造が困難となる。

つぎに、実施例および比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

まず、実施例および比較例において測定した感圧センサの感知荷重および最小曲げ半径の測定方法について説明する。

（感知荷重）
長さ２００ｍｍの感圧センサである導電線と編組体とからなる管状体に対して、導電線を構成する陽極用導電線と陰極用導電線とが接触したときに、公知の電源回路より陽極用導電線と陰極用導電線とへ３Ｖの電圧が印加されるように電源回路と導電線とを接続する。そして、陽極用導電線と陰極用導電線線との接触により通電したことを抵抗値により検知するために公知の抵抗検知装置を陽極用導電線と陰極用導電線とに接続し、当該抵抗検知装置により管状体に対して荷重を加えた際の抵抗値を検知できるように回路構成をした。室温下で、安定した台の上に感圧センサを固定し、半径２ｍｍの円弧状部を備えた半円柱状部分を有する圧子を用いて、感圧センサの上部から、圧子の円弧状部により感圧センサの管状体中間部に荷重を加え、徐々に荷重を強めていき、陽極用導電線と陰極用導電線が接触して抵抗検知装置により１００Ω以下の抵抗値が検知されたときの荷重を測定した。

（最小曲げ半径）
長さ２００ｍｍの感圧センサである導電線と編組体とからなる管状体を用いて、温度２０℃の条件下で、感圧センサをＵ字形に曲げ、感圧センサの一端を一方の固定台に固定し、他端が接続された移動台を徐々に固定台に向けて近付け感圧センサを湾曲させ、感圧センサが座屈したときの固定台と移動台との間の距離（感圧センサの湾曲の直径に相当）を測定し、その距離から感圧センサが座屈したときの半径（ｍｍ）を求め、最小曲げ半径を求めた。

実施例１
導電線として、繊維糸の外側を銅箔で被覆した、直径が０．２０ｍｍの銅被覆線を用い、樹脂糸としては、径が０．２０ｍｍのポリプロピレン製の糸を用いた。導電線として、３本の当該銅被覆線を一組として、４組の導電線群（陽極用導電線を２組、陰極用導電線を２組）ができるように用意し、樹脂糸は４本用意した。撚線機により、４組の導電線が互いに所定の間隔を開けて、撚りピッチが６ｍｍとなるようにＳ撚りに撚り、４本の樹脂糸は、導電線と同ピッチで、互いに所定の間隔を開けてＺ撚りに撚った。導電線と樹脂糸を交互に編み込むことにより、内径が２．０５ｍｍの編組体を得た。この編組体の外側に、押出し成形によりオレフィン系エラストマーを被覆し、外径４ｍｍの感圧センサを作製した。作製した感圧センサについて、感知荷重、最小曲げ半径を調べた。その結果を表１および図３に示す。

実施例２〜１３、比較例１〜４
内径、ピッチ以外は実施例１と同様にして作製し、表１に示す内径、ピッチを有する感圧センサを作製し、実施例１と同様に、感知荷重、最小曲げ半径を調べた。結果を表１および図３に示す。

実施例１４〜２５、比較例５〜９
実施例１〜１３の感圧センサは外径が４ｍｍであったが、実施例１４〜２５では、感圧センサの外径を６ｍｍとなるように作製し、内径、ピッチを表１に示す感圧センサを作製した。実施例１〜１３と同様に、感知荷重、最小曲げ半径を調べた。結果を表２および図４に示す。

表１および表２、図３および図４に示されるように、編組体の内径と導電線のピッチの積が１０〜４０の範囲にある実施例では、感圧センサの外径が変化しても、感知荷重がいずれも２５Ｎ以下であり、かつ、最小曲げ半径が１０ｍｍ以下であった。一方、編組体の内径と導電線のピッチが１０〜４０の範囲外となる比較例においては、感知荷重が２５Ｎ以上、又は最小曲げ半径が１０ｍｍ以上であった。したがって、編組体の内径と導電線のピッチの積を１０〜４０とすることにより、低感知荷重および小曲げを両立することができる感圧センサが得られることがわかった。

また、表１および表２、図３および図４から、編組体の内径と導電線のピッチの積が２０〜３７である場合（編組体の内径が２〜２．５ｍｍ、導電線のピッチが９〜１２ｍｍ）には、感知荷重が１２Ｎ以下であり、かつ、最小曲げ半径が１０ｍｍ以下であり、図３および図４から、感知荷重および最小曲げ半径の数値が低い値で安定していることがわかる。したがって、編組体の内径と導電線のピッチの積を２０〜３７とすることにより、感知荷重が約１２Ｎ以下であり、最小曲げ半径が１０ｍｍ以下であるため、感圧センサが製造・出荷時等に曲げられても破損しにくい。また、製造時のばらつきによる感知荷重と最小曲げ半径のばらつきが抑制されるため、製品の歩留まりが向上し、生産性を向上させることができる。また、車両の挟み込み防止機能付のドアなどにおいて、子供の指や、木の枝などの異物が挟み込まれた場合であっても、感知する可能性が高まり、かつ、湾曲部にも配索が可能となり、湾曲部での精度の高い感知も可能となる。

１感圧センサ
２導電線
２１陽極用導電線
２２陰極用導電線
３樹脂糸
４樹脂コート層
Ｂ編組体
Ｄ編組体の内径
Ｐ導電線のピッチ
Ｓ目開き

Claims

外部からの圧力を感知する感圧センサであって、該感圧センサが、
導電線と樹脂糸とがそれぞれ逆方向に所定の目開きを有するように編まれ、該導電線が陽極用導電線および陰極用導電線が平行となるように配置された編組体、および
前記編組体が内側に設けられた樹脂コート層
を備え、
前記編組体の内径が１〜４ｍｍ、前記編組体の前記導電線のピッチが３〜３０ｍｍ、および前記編組体の前記内径と前記ピッチの積が１０〜４０であることを特徴とする感圧センサ。
前記内径と前記ピッチの積が２０〜３７であることを特徴とする請求項１記載の感圧センサ。