JPH01105418A - 感圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、とくには、光導波路の弾性変形に基づき、
外力の作用を高い感度で検知することができる、耐熱性
、耐衝撃性にすぐれた感圧センサに関するものである。

（従来の技術） 外力の作用の有無もしくはその大きさを検知するための
、従来既知の感圧センサとしては、たとえば特開昭５５
−１３３７０９号公報に開示されたものがあり、ここで
は、二枚一対の電極を、加圧導電ゴムの対抗表面にそれ
ぞれ密着させて配置することにて接点機構を構成し、そ
して、各電極にリード線を接続するとともに、接点機構
を絶縁外皮にて密閉被覆することにより、テープ状の感
圧センサを構成している。

このテープ状感圧センサは、加圧導電ゴムに作用する外
力が増加するにつれて、それの電気抵抗値が減少するこ
とに基づき、−船釣には、その抵抗値が所定値以下にな
ったときに、スイッチング回路に接続した電動手段その
他をオンもしくはオフ作動させるべく機能する。

ところが、かかる感圧センサでは、加圧導電ゴムが、圧
縮、曲げ、捩りなどの繰り返し変形を受けた場合には、
加圧導電ゴムの内部に分散混合されている金属粉末その
他の導電粒子が比較的早期に脱落するという問題があっ
た他、金属板、金属薄膜、導電性フィルム、蒸着薄膜な
どにて形成される電極もまた、それの繰り返し変形によ
って、早期の破断その他の損傷を受けるという問題があ
った。

しかも、この感圧センサは、その構造上、それ・にリー
ド線の断線その他の故障が生じた場合、不測の電源切れ
が発生した場合などには、感圧センサに、実際に外力が
作用していても、その外力の検知信号を出力し得ないこ
とから、それをロボットその他の安全装置として用いる
ときには、重大な事故を招くおそれがあるとい問題があ
った。すなわち、感圧センサを安全装置として用いると
きには、異常事態の発生に際しては、その安全装置は、
安全の確保を担保する側へ作動することもしくは自己の
異常を警告することが必要になるところ、従来の感圧セ
ンサは、かかる場合には、そこへ外力が作用してもなお
、外力の不作用時と同様の状態にあるため、安全装置と
しての機能を十分に発揮することができなかった。

そこで、これらの問題点を解決する感圧センサとして、
特開昭６１−３４４９３号公報に、可撓性に冨んだ光フ
ァイバと、この光ファイバの中へ光を導入する投光器と
、光ファイバを伝播した光を受光し、光の受光量に比例
した電圧信号を闇値と比較して二値化する受光器とより
なり、光の損失の増大によって、物体が光ファイバに接
触して光ファイバが湾曲している事を検出する感圧セン
サが提案されている。

かかる感圧センサでは、それが光学的センサであり、そ
こへの導電粉末の分散混合、電極の貼着などが一切不要
であることから、加圧導電ゴムを用いた感圧センサの、
前者の問題が発生するおそれは全くなく、しかも、その
感圧センサの故障、不測の電源切れなどの異常事態の発
生に際しては、感圧センサに外力が作用した場合と同様
に、受光器への到達光が減少もしくは消滅するので、そ
れを安全装置として用いるときには、異常事態の発生時
に、安全性を十分に確保することができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、光学的センサであるこの感圧センサば、
光ファイバとして、石英ファイバ、多成分ガラス系ファ
イバもしくはプラスチックファイバを用いているので、
その光ファイバは、可撓性は有するも、剛性が高くなり
、これがため、光ファイバの変形の自由度が低く、それ
に軸線と交差する方向の大きな圧縮変形、曲部的な大き
な曲げ変形などの変形をもたらすことが不可能であった
。

この故に、 ■感圧センサに外力が作用しても、その感圧センサの変
形量、ひいては光の放射損失が少なく、感圧センサの感
度が極めて低くなる、 ■感圧センサを過大に変形させた場合には、光ファイバ
の断線、塑性変形などが生じる、■光ファイバはほとん
ど伸び変形しないため、感圧センサの曲げ変形に際し、
光ファイバの、引張り方向の大きな分力によって、発光
器もしくは受光器の、光ファイバからの解離が生じる、
という問題があった。

そして、なかでもとくに、プラスチックファイバからな
る光ファイバを用いる場合には、プラスチックファイバ
は軟化温度が８０＝、１２５℃の範囲内にあることによ
り、８０’Ｃ以上の高温に曝されるおそれのある個所に
は感圧センサを適用することが不可能である一方、プラ
スチックファイバのガラス転移点は通常、室温付近にあ
り、それ以下の温度ではプラスチックファイバの物性が
急激に変化するため、感圧センサの使用下限温度もまた
著しく制限されることになるという問題があった。

この発明は、従来技術のかかる問題を有利に解決するも
のであり、とくには、光導波路に、軸線と交差する方向
への十分大きな圧縮変形ならびに局部的な大きな曲げ変
形を可能ならしめることにより、加圧導電ゴムを用いた
感圧センサに固有の問題を一切生じることなく、外力検
知感度を著しく高めるとともに、光導波路の破断、塑性
変形などを確実に防止し、しかも、発光および受光手段
の光導波路からの解離を十分に防止することかできる、
耐熱性、耐衝撃性にすぐれた感圧センサを提供するもの
である。

（課題を解決するための手段） この発明の感圧センサは、弾性材料製のコアとクラッド
とで光導波路を構成するとともに、その光導波路に、発
光手段および受光手段をそれぞれ接続し、ここで、クラ
ッドより幾分大きい屈折率を有する透光性のコアを、ク
ロロプレンゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム、フッ素
ゴム、アクリルゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレ
ンプロピレンターポリマまたはエピクロルヒドリンゴム
のいずれかの合成ゴムにて形成してなる。

（作　用） この発明では、感圧センサに直接的にまたは間接的に外
力が作用した場合には、光導波路に圧縮、曲げなどの弾
性変形が生じるので、発光手段から光導波路へ入射され
た光の一部は、その弾性変形部分でコアからクラッドへ
侵入し、そして外部へ放射されることになり、受光手段
に到達する光量が減少することになる。これがためここ
では、受光手段によって、光の受光量に応じた電圧信号
を検知することにより、外力の大きさを、すぐれた感度
の下で、量的に感知することができる他、その電圧信号
を闇値と比較して二値化することにて、特定値以上の大
きさの外力に対してスイッチング作用をもたらすことが
できる。

またここでは、光導波路を弾性材料製のコアおよびクラ
ッドにて構成することにより、その光導波路は、軸線と
交差する方向へ大きく圧縮変形することができ、また、
局部的に大きく曲げ変形することができるので、感圧セ
ンサへの外力の作用の有無およびその外力の大きさを極
めて高い感度で検知することが可能となる他、その感圧
センサが大きく変形された場合にも、光導波路に断線、
塑性変形などが生じるおそれは全くなく、しかも、たと
えば、感圧センサを太き（湾曲させるに際し、それに比
較的大きな引張り方向分力が作用した場合であっても、
感圧センサは大きく伸び変形することから、発光手段お
よび受光手段の、そこからの不測の解離が十分に防止さ
れることになる。

そしてさらに、ここではとくに、コアを合成ゴムにて構
成することにより、−船釣には１００″Ｃを越える高温
から氷点以下までの広い温度領域にわたって、光導波路
の光学特性および機械特性を十分安定ならしめることが
でき、また、感圧センサの耐衝撃性を著しく高めること
ができる。

なおここにおいて、コアの形成材料から天然ゴム、ブタ
ジェンゴム、イソプレンゴムなどを除外するのは、これ
らはいずれも、二重結合を有するため、耐熱性が低く、
透明性の低下が早いことによるものである。

（実施例） 以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す図であり、図中１は
光導波路を、２，３はそれぞれ、光導波路１の各端に、
光学的に接続した発光手段および受光手段をそれぞれ示
す。

ここでは、光導波路１を、光透過性が高く、屈折率が高
いゴム弾性材料からなる中実のコア４と、このコア４よ
りも屈折率の小さいゴム弾性材料からなり、コア４の周
面を被うクラッド５とで構成し、そして、コア４を、ク
ロロプレンゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム、フッ素
ゴム、アクリルゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレ
ンプロピレンターポリマー、エピクロルヒドリンゴムな
どの合成ゴムの中から、また、クラッド５を、天然ゴム
、クロロプレンゴム、ブタジェンゴム、イソプレンゴム
、ウレタンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴム、アクリル
ゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンタ
ーポリマー、エピクロルヒドリンゴムなどの合成ゴムの
中から、それぞれ適宜に選択した材料にて形成すること
が好ましいが、ときとしては、エチレン−酢酸ビニル共
重合体もしくは軟質塩化ビニルを選択することも可能で
ある。

ここで、コア材料としては、側鎖にフェニル基、エチル
基、プロピル基、ブチル基、アミル基、ヘキシル基、オ
クチル基、デシル基、フェネチル基、ナフチル基、ナフ
タレンエチル基などのアルキル基を含むポリオルガノシ
ロキサンが好ましく、また、クラッド材料としては、ポ
リジメチルシロキサン、ポリメチルトリフロロプロピル
シロキサン、ポリメチルテトラヒドロパーフロロオクチ
ルシロキサンなどのフッ素導入したポリオルガノシロキ
サンまたはフェニル基、エチル基などのアルキル基の含
有率の小さいポリオルガノシロキサンが好ましい。

また、なかでも、コア材料として、フェニル基含有量が
５〜３５％、屈折率が１．４２５〜１．５４のメチルフ
ェニルポリシロキサンもしくはジメチルジフェニルポリ
シロキサンを選択することが、また、クラッド材料とし
て、屈折率が１．４０のジメチルポリシロキサンを選択
することが、それぞれ、材料の入手が容易で、安価であ
るという点において好適である。

そしてまた、コア材料の加硫機構を付加反応型とした場
合には、加硫触媒が極微量ですむとともに、反応副生成
物がないことから、極めてすぐれた光透過性をもたらす
ことができる。

このように、コア４とクラッド５とをともにシリコンゴ
ムにて形成した場合には、それら両者の接着強度を十分
に高めることができ、また、約−５０°Ｃ〜約２００″
Ｃの広い温度範囲内で、光導波路１の光学特性および機
械特性を、良好かつ安定ならしめることができる。

なお、第１図（ｂ）に示す光導波路１は、その断面輪郭
が円形をなしているが、それを、三角形、四角形などの
多角形形状とすることもできる他、楕円形その他の非円
形曲線形状とすることもでき、また、ここでは−本の中
実成形体にて構成しているコア４を、複数本の線状体を
束ねることにて構成することもできる。

さらに、図に示す光導波路１において、それの屈曲、圧
縮などの弾性変形に基づき、コア４からクラッド５へ侵
入した光を効率よく吸収して、それがコア４へ戻るのを
有効に防止するためには、クラッド５の外周を、光吸収
材料、たとえば、カーボンブラック、黒色顔料または有
機もしくは無機系の色素を分散混合した、天然ゴム、シ
リコンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、ウレタンゴムな
どの合成ゴムからなる光吸収層にて被覆すること、また
はクラッド材料それ自体に、光吸収材料を分散混合する
ことが好ましい。

またこの一方において、以上に述べたようにな光導波路
１、場合によっては光導波路１および光吸収層は、耐水
性、耐油性、耐候性などを向上させ、そして機械的強度
を向上させる目的の下で、天然ゴム、フッ素ゴム、ブチ
ルゴム、ブタジェンゴム、ウレタンゴムなどの合成ゴム
または塩化ビニル樹脂その他のプラスチック材料にて密
封被覆することが好ましい。

このような光導波路１の一端に、光コネクタその他の手
段によって、または接着によって接続される発光手段２
としては、発光ダイオード、電球、半導体レーザなどを
用いることができ、なかでも発光ダイオードを用いるこ
とが好ましい。

また、光導波路１の他端に、同様にして接続することが
できる受光手段３としては、ホトダイオード、ホトトラ
ンジスタを用いることが好ましい。

このように構成してなる感圧センサでは、光導波路１に
、それの曲げ変形、圧縮変形その他の変形をもたらす外
力が作用した場合には、その光導波路１は、外力の大き
さに応じて十分大きく弾性変形することができるので、
発光手段２にて発せられ、光導波路１を経て受光手段３
に達する光量は、光弾性効果に基づき、その外力の大き
さに応じて大きく減少することになり、これがため、光
導波路工への外力の作用の有無ならびにその外力の大き
さを高い感度にて検知することができる。

なおここで、受光手段３に達した光の、光量に応じた光
信号電圧への変換は、受光手段それ自身に内蔵したまた
はリード線を介してそれに接続した信号処理回路にて行
うことができ、そして、発光手段２の駆動もまた、それ
に内蔵もしくはリード線を介して接続した駆動回路にて
行うことができる。

第２図はこの発明の他の実施例を示す部分断面図であり
、ここに示す感圧センサは、光導波路１と、この光導波
路１を支持するベースプレート６と、光導波路１のそれ
ぞれの端面に、光学的に接続した発光手段２および受光
手段３と、これらの発光および受光手段２，３のそれぞ
れの入力端子７および出力端子８に接続されるリード線
９゜１０と、光導波路１の他、発光および受光手段２゜
３を被うカバー１１と、入出力端子７．８とリード線９
，１０との接続部を被うとともに、ベースプレート６と
カバー１１との間の開口を密閉する、絶縁性および耐水
性にすぐれた封止材１２と、両リード線９，１０に接続
した検出装置１３とからなる。

ここで、ベースプレート６は、用途に応じ、硬質材料か
ら軟質材料までの各材料中から自由に選択したもの、た
とえば、金属材料成形品、プラスチック成形品もしくは
ゴム材料成形品にて構成することができ、このベースプ
レート６は、そこへ、接着その他によって取り付けられ
た光導波路１を、第２図の■−■線に沿う拡大断面を示
す第３図から明かなように、その幅方向の中央部に設け
た条溝６ａ内で、十分安定に支持する。

また、光導波路１の保護部材としてのカバー１１は、耐
水性、耐油性、耐候性などの特性を有するゴム材料、プ
ラスチック材料にて形成することが好ましい。ここでこ
のカバー１１は、第３図（ａ）に拡大断面図で示すよう
に、その内表面が、光導波路１のとくに上半部において
、その周面からほぼ均等に離間するよう成形できること
はもちろん、第３図（ｂ）に示すように、カバー内表面
の、光導波路１の頂部と対応する位置に、断面輪郭が曲
線状をなす突起１１ａもしくは突条を設けること、また
は第３図（ｃ）に示すように、カバー内表面に、光導波
路１の周方向へ離間する複数の突起１１ａもしくは突条
を設けることも可能であり、とくに、第３図（ｂ）およ
び（Ｃ）に示す例によれば、カバー１１への外力の作用
に際し、光導波路１が、突起１１ａもしくは突条の作用
によって、簡易に、かつ十分大きく弾性変形されるので
、小さな外力でも感度よく、確実に検知することができ
る。しかも、第３図（Ｃ）に示す例では、外力の作用方
向のいかんを問わず、常に高感度の外力検知を行うこと
ができる。

なお、ここにおける突起１１ａもしくは突条の断面輪郭
を角立ったものとすることもでき、このことによっても
また、上述したと同様の作用効果をもたらすことができ
る。

第４図は、検出装置１３内の電気回路を例示する図であ
り、この電気回路は、発光手段２、例えば発光ダイオー
ドの駆動回路１４と、受光手段３、これもたとえばホト
トランジスタの信号処理回路１５とからなる。

ここで、駆動回路１４は、直流電源からの供給電圧Ｖ　
ｃｃを抵抗１６にて制御して発光手段２を点灯すべく機
能し、また、リード線１０を介して受光手段３に接続さ
れた信号処理回路１５は、受光手段３に生じた光電流を
、トランジスタ１７にて増幅するとともに、演算増幅器
１８にて増幅して光信号電圧■、を発生させる一方、比
較器１９で、光信号電圧■３と可変抵抗器２０からの基
準電圧Ｖ　ｒａｆとを比較し、受光手段３での受光量の
減少によって、光信号電圧■５が基準電圧Ｖ　ｒｅｆよ
り低下したときにのみ出力信号を発生すべく機能する。

このように構成してなる感圧センサを、たとえば、車輌
用パワーウィンドウの窓枠に適用した場合において、そ
の感圧センサに外力が作用していない状態の下では、発
光手段２からの光は、光導波路１内で何ら減光されるこ
となく受光手段３へ伝送されるため、光信号電圧Ｖｆは
基準電圧Ｖ　ｒａｆより大きくなり、比較器１９は出力
信号を発生しない。

ここにおいて、たとえば、窓ガラスを閉止するに際し、
乗員の身体の一部が、窓枠と窓ガラスとの間に挟まれそ
うになったときには、その身体部分が感圧センサに外力
を及ぼして光導波路１に屈曲部が生じるので、受光手段
３へ伝送される光量が減少し、光信号電圧■、が基準電
圧Ｖ　ｒａｆより小さくなって比較器１９から信号が出
力される。

そこで、この出力信号に基づき、窓ガラスの停止もしく
は下降をもらたすことにより、乗員の安全性が十分に確
保されることになる。

かかる感圧センサは、パワーウィンドウの窓枠のみなら
ず、バスの車室内壁、ロボットその他の可動装置の周囲
、フェンス上などにも適用することができ、このことに
より、バスの降車表示、ロボット、自動搬送車などの緊
急停止、侵入者の検知などを、わずかな外力の作用下に
ても確実に実現することができる。

また、この感圧センサは、光導波路１をゴム弾性材料に
て構成していることから、それを工場内その他にて使用
しても、電磁波の影響を受けることなく常に正常に作動
することができる他、引火性の有機溶媒、オイル、ガス
雰囲気中などで使用しても、引火、爆発などを引き起こ
すおそれがなく、しかも、いずれの方向からの外力に対
しても、常にすぐれた外力検知機能を発揮することがで
きる。

なお、図示の感圧センサは、そこへの外力の作用の有無
に応じてオン・オフ信号を発生するものとしたが、その
感圧センサを、作用した外力の大きさを量的に出力もし
くは表示するものとすることも可能であり、また、この
図示例において、発光および受光手段２，３をともに検
出装置１３に内蔵し、そして、それらの発光および受光
手段、２．３と、光導波路１とを、プラスチック光ファ
イバ、石英系光ファイバなどを介して間接的に接続する
ことも可能である。

第５図は、この発明のさらに他の例を示す断面図であり
、この感圧センサは、光導波路１と、この光導波路１の
一端に接合した反射体２１と、光導波路ｌの他端部に、
細径の光ファイバ２２゜２３を介してそれぞれ接続した
発光手段２および受光手段３とを具える。

ここでは、光導波路１を、第１図について述べたと同様
、光透過性が高く屈折率が高いゴム弾性材料からなるコ
ア４と、このコア４よりも屈折率の小さいゴム弾性材料
からなるクラッド５とで構成し、そして、それらのコア
４およびクラッド５をもまた、前述したと同様の材料に
て形成する。

なお、この光導波路１の、軸線と直交する面内での断面
輪郭は、円形の他、角形、楕円形その他の適宜形状とす
ることができ、また、場合によっては、−本のコア４を
、複数本の線状体の束にて構成することもできる。

また、反射体２１としては、光導波路１にて伝送された
光を、光ファイバ２３、ひいては受光手段３へ向けて効
率よく反射させるため、アルミニウム、金、銀などの板
材の他、それらの、光導波路端面への蒸着層、メツキ層
、イオンブレーティング層などを用いることができる。

ここで、光導波路ｌ、とくにそのコア４と、反射体２１
との接合面での散乱損失を少なくして反射効率を有効に
向上させるためには、少なくともコア４の端面を、屈折
率がそれとほぼ等しい透明材料で表面コートして、光導
波路１の端面を光学的な平坦面とすることが好ましく、
この場合には、透明コーティング材料して、液状シリコ
ンゴム、液状ウレタンゴムなどの液状合成ゴムまたはエ
ポキシ樹脂その他のプラスチック材料を用いることが好
ましい。

光導波路１の一端に、このようにして反射体２１を接合
した後は、それら両者の接合部および反射＝２０− 体２１を、耐水性、耐油性および耐候性にすぐれた材料
、たとえば、天然ゴム、ウレタンゴム、ブタジェンゴム
などの合成ゴム材料またはポリエチレン、ナイロン、塩
化ビニル樹脂などのプラスチック材料からなる被覆材に
て被覆することが好ましい。

そしてまた、この例の発光手段２としては、発光ダイオ
ード、レーザダイオード、ハロゲンランプ、キセノンラ
ンプなどを、受光手段３としては、フォトトランジスタ
、フォトダイオード、光電管、光電子増倍管などをそれ
ぞれ用いることができ、さらに、これらの発光および受
光手段２．３を、光導波路１に接続する光ファイバ２２
．２３としては、石英系光ファイバ、多成分ガラス系光
ファイバ、プラスチック製光ファイバ、ゴム製光導波路
の中から径の細いものを用いることができ、なかでも、
開口数の小さな光ファイバを用いた場合には、発光手段
用の光ファイバ２２から受光手段用の光ファイバ２３へ
直接的に入射する迷光成分を有効に低減することができ
る。

＝２２− ここで、このような光ファイバ２２．２３と、光導波路
１との光学的な接続は、図示のように、それらをコア内
へ直接的に挿入することの他、光ファイバ２２．２３の
端面と光導波路１の端面とを接着その他によって直接的
に接合すること、または光ファイバ２２．２３の端部に
装着した光フアイバコネクタと、光導波路１の端部に装
着した光フアイバコネクタとを機械的に結合することな
どにて行うことができ、前者によるときは、接合部をエ
ポキシ樹脂、シリコンゴムなどの透明材料にて被覆して
接合強度を高めるとともに、接合部外周を、金属材料、
プラスチック材料などからなる保護材にて保護すること
が好ましい。また、後者によるときは、光ファイバ２２
．２３の端面と、光導波路１の端面とは必ずしも接触さ
せる必要がなく、光ファイバ２２．２３の開口数、径、
配置寸法などを適切に設計してそれらの間に空間を設け
ることもできる。そしてまた、その空間内には、光学的
なマツチングを高めるために、シリコンオイル、シリコ
ンコンパウンド、シリコンゴムなどを注入することもで
きる。

なお、この例においては、発光および受光手段２．３を
、光ファイバ２２．２３を介することなく、光導波路１
に直接的に接続、することもでき、また、ビームスプリ
ッタを用いて入射光と反射光とを分離することも可能で
ある。加えて、ここにおける光導波路１の、屈曲、圧縮
などの変形に際し、コア４からクラッド５内へ一旦侵入
した光を効率良く吸収してそれがコア４へ戻るのを有効
に防止するためには、たとえば、カーボンブラック、顔
料、有機もしくは無機系の色素を分散混合した、これも
たとえば、天然ゴムもしくはブタジェンゴム、シリコン
ゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどの合成ゴムによっ
て、クラッド５の外周を被覆することまたはクラッド５
それ自体に、カーボンブラック、顔料、色素などを分散
混合することが好ましい。

また、第５図中２４は、光導波路１の外周から反射体２
１までを密封被覆する外皮層を示し、天然ゴムもしくは
ブチルゴム、ブタジェンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴ
ムなどの合成ゴムまたは塩化ビニル樹脂、ポリエチレン
、ナイロンなどの比較的軟質のプラスチック材料にて形
成することができるこの外皮層２４は、光導波路１の耐
水性、耐油性、耐候性および機械的強度の向上をもたら
す他、外乱光を有効に取り除くべく機能する。なお、こ
の外皮層２４は、感圧センサの用途によっては省くこと
も可能である。

このように構成してなる感圧センサでは、光導波路１の
一端に接続した発光手段２から発せられて光導波路１の
他端に達した光は、反射体２１にて反射され、再び光導
波路１を経て受光手段３に入射されることになる。

ここで、感圧センサに外力が全く作用していないときに
は、発光手段２から発せられた光は、反射体２１で反射
される際に極くわずかな損失を受ける他は、そのほぼ全
量が受光手段３へ戻ることができる一方、光導波路１に
直接的もしくは間接的に作用した外力によって、それが
軸線と交差する方向へ局部的に圧縮変形されているとき
または曲げ変形されているときには、発光手段２にて発
せられて光導波路中を伝送される光の一部は、その変形
部分でクラッド５内へ侵入し、そして外部へ放射される
ことになり、この結果として、受光手段３に到達する光
量の減少がもたらされる。

なお、光導波路１の弾性変形部分は、光の外部への放射
をもたらすのみならず、光導波路内の全方向へ向かう散
乱光をももたらすことになるが、受光手段３に到達する
散乱光は極めて微量であるので、この感圧センサは常に
安定した作動を行うことができる。

従って、この感圧センサによれば、受光手段３へ入射さ
れる光量に比例した電圧信号を検知することにより、外
力の大きさを量的に検知することができるとともに、電
圧信号を闇値と比較して二値化することで、特定値以上
の大きさの外力に対してスイッチング作動をもたらすこ
とができる。

そしてまた、この感圧センサでは、光導波路１の破断、
ヅ性変形などを確実に防止することができるとともに、
発光および受光手段の、光導波路ｌからの解離をもまた
十分に防止することができ、しかも、発光および受光手
段２，３を、光導波路１の一端部側に片寄せて配設でき
ることがら、長いリード線、光ファイバなどを引き回す
ことなく、それらの発光および受光手段２，３を−の駆
動手段にて作動させることが可能となり、感圧センサの
構造を簡単ならしめるとともに、その全体を十分コンパ
クトなものとすることができる。

第６図は第５図の変形例を示す断面図であり、この例で
は、光導波路１の、発光および受光手段２．３の接続端
とは反対側の端面に、無機ガラス、プラスチック、透明
ゴムなどからなるレンズ２５を接合し、このレンズ２５
から離間した位置に反射体２１を配設するとともに、外
皮層２４の端部からその反射体２１までを、金属材料、
プラスチック材料などにて形成した保護キャップ２６で
覆うことにより、感圧センサを構成する。

なおここにおいて、レンズ２５と反射体２１との間のス
ペース内には、透明充填材料を封入することもできる。

また、図示はしないが、反射体２１を、レンズ２５に接
触させて配設することも可能であり、レンズ２５の代わ
りに、光収束性光学素子としてのグレーデッドインデッ
クス形ロンドレンズを設けることも可能である。

第７図は、この発明に係る感圧センサの、マッドスイッ
チへの適用例を示す図であり、これは、下部マット２７
上に、光導波路１をジグザグ状に敷設し、そしてその光
導波路１を、接着その他によって下部マット２７に固着
するとともに、その光導波路１のそれぞれの端部を、そ
こへ直接的に接続した発光および受光手段２．３および
リード線９，１０を介して検出装置１３に接続し、さら
にその下部マット２７上に、その周辺部分に固定した枠
状のスペーサ２８を介して上部マツ１−２９を取り付け
たものである。

ここで、下部マット２７は、硬質材料および軟質材料の
いずれにても構成することができ、たとえば、金属、プ
ラスチック、ゴム、発泡プラスチックの中から用途に応
じて選択することができる。

また、その下部マット２７に、接着その他によって固着
されて光導波路１を囲繞する枠状のスペーサ２８も、下
部マット２７と同様の材料にて構成することができ、こ
のスペーサ２８は、好ましくは、光導波路１と同一もし
くはそれより幾分厚い厚さを有する。

さらに、上部マット２９は、ゴム、軟質塩化ビニル樹脂
、熱可塑性ゴムなどの軟質材料にて構成することが好ま
しく、そしてまた、それの、光導波路１と向き合う内表
面には、たとえば図示のような凹凸を設けることが好ま
しい。なお、この上部マット２９は、その内表面に凹凸
を設けずとも、それ自身の弾性変形に基づき、光導波路
１へ、外力を十分有効に伝達し得ることはもちろんであ
る。

なおこのマッドスイッチにおいては、光導波路１の寸法
、コアおよびクラッドの屈折率などとの関連において、
光導波路１の湾曲部分にて光の放射損失が生じないよう
にそれを敷設することが必要であり、これがため、たと
えば、コア直径を２朧、コアおよびクラッドの屈折率を
それぞれ１．５０および１．４０とした場合には、光導
波路Ｉの曲率半径を２０ｍｍ以上とする。

以上、図示のマッドスイッチについて説明したが、下部
マット２７と光導波路１との間に、軟質フオーム、軟質
ゴム、発泡ゴムなどからなる軟質シートを界在させるこ
ともでき、このことにて、光導波路１の外圧検知感度を
有利に向上させることができる。

このように構成してなるマッドスイッチの、そこへ作用
する外力の大きさと、検出装置１３にて検出される光信
号電圧との、１００ｍｍ平方当りの関係は第８図に示す
通りとなり、これによれば、光信号電圧は、荷重の増加
につれて比例的に減少し、一定値以上の外力に対しては
飽和することになる。

ここでこのマッドスイッチは、たとえば、光信号電圧の
３■を基準電圧とした場合には、検出装置１３は、２　
ｋｇ以上の大きさの外力に対してのみ検知信号を発生す
ることができる他、その基準電圧を種々に変更すること
により、数百ｇから数ｋｇの範囲内で、外力の大きさに
対する検知感度を適宜に調整することができる。

従って、ここにおいては、電磁波による影響を受は難く
、また、水中または引火もしくは爆発雰囲気中にても極
めて確実に、かつ安全に作動することができ、しかも、
感度コントロールが可能なマッドスイッチがもたらされ
ることになり、かかるマッドスイッチは、ロボット、Ｎ
Ｃ工作機械、プレス機械などの可動装置の周囲に配置さ
れて、危険領域への作業者の侵入に対し、可動装置の停
止、警報の発生などをもたらす安全スイッチとして機能
し得る他、自動ドアの開閉スイッチ、自動車その他の座
席への着座確認スイッチ、水泳競技のタッチ板などとし
ても機能することができる。

なお、上述したところでは、検出装置１３によって、外
力の大きさが所定値を越えたか否かだけを検知すること
としたが、検出装置によって、外力の大きさを量的に判
断する場合には、このマットセンサを、人、車両その他
の重量センサ、エレベータ内の乗員重量センサなどとし
て用いることもできる。

第９図は第７図の変形例を示すマッドスイッチであり、
この例は、下部マット２７上にジグザク状に敷設固定し
た光導波路１の一端に、一体型の発光・受光手段３０を
接続するとともに、この発光・受光手段３０をリード線
９，１０を介して検出装置１３に接続し、また、その光
導波路１の他端に、アルミニウム製の反射体２１を配設
したものである。

ここで、光導波路１のコア４は、たとえば、フェニル基
含有量２５％の付加反応型フェニルメチルシリコンゴム
にて、そしてそのクラッド５は、これもたとえばジメチ
ルシリコンゴムにてそれぞれ形成することができ、また
、下部マット２７、スペーサ２８および上部マット２９
はそれぞれ、前述したと同様の材料にて構成することが
できる。

またここで、一体型の発光・受光手段３０としては、た
とえば、発光および受光素子を内蔵し、バーコードリー
ダその他として用いられる反射型光センサと構造的に類
似したものを用いることができ、この発光・受光手段３
０は、細径の光ファイバを介して光導波路１に接続する
こともできる。

かかるマッドスイッチは、第５，６図について述べた光
導波路１とほぼ同様に作用し、上部マット２７を経て光
導波路１に外力が作用した場合には、発光素子から光導
波路内へ入射され、そして反射体２１にて反射されて受
光素子へ戻る光の量が、外力の大きさに応じて減少する
ことから、この光量変化を計測することにて、外力の作
用の有無の他、その外力の大きさをも検出することがで
きる。

そしてこの例のマッドスイッチは、前述のそれと同様の
用途に適用されてそれと同様の作用効果を達成し得るこ
とに加え、前述の例に比し感圧センサの構成の相違に由
来する構造の簡素化をもたらし、その全体を十分に小型
化することができる。

第１０図はこの発明に係る感圧センサの、バンパーへの
適用例を示す断面図であり、このバンパーは、金属その
他の硬質材料からなる支持基板３１の前面に、クツショ
ン部材３２を接着その他によって取り付け、そして、こ
のクツション部材３２の局面に沿わせて光導波路１を配
設するとともに、この光導波路ｌの両端部に接続した発
光手段２および受光手段３を、リード線９．１０を介し
て図示しない検出装置にそれぞれ接続し、さらに、その
光導波路１および発光、受光手段２．３をカバ一部材３
３にて被覆してなる。

ここで、支持基板３１としては、金属材料、プラスチッ
ク材料の他、木材その他を用いることができ、また、ク
ツション部材３２としては、ウレタンフオームその他の
発泡材料、天然ゴムまたはシリコンゴム、ブタジェンゴ
ム、ウレタンゴムなどの合成ゴムを用いることができる
。

またここで、クツション部材３２の周面に、接着その他
によって取り付けられる光導波路１は、その全体を、耐
水性、および耐衝撃性にすぐれたゴム材料、プラスチッ
ク材料などにて被覆することもでき、そして、発光ダイ
オードとすることができる発光手段２およびホトトラン
ジスタとすることができる受光手段３と、光導波路１と
のそれＲＡ− ぞれの接続部分は、絶縁性および耐水性を有する材料、
たとえばシリコンゴム、エポキシ樹脂などにて被覆する
ことが好ましい。

なお、この例にては必ずしも必要でなはいカバ一部材３
３は、塩化ビニール樹脂その他のプラスチック材料、天
然ゴムまたは合成ゴムの中から適宜に選択した材料にて
構成することができる。

かかる構成のバンパーを、たとえば、無人搬送車または
フォークリフトに適用した場合において、それが、構造
物その他の物、作業車などに接触しもしくは衝突したと
きには、光導波路１が、そこへの外力の作用個所にて屈
曲その他の変形を受け、発光手段２から発せられ、光導
波路１を経て受光手段３に達する光量が減少するので、
このことを検出装置にて検出して、受光光量に応じたオ
ン、オフ信号を出力することにより、無人搬送車まはた
フォークリフトの停止もしくは後退作動をもたらす他、
フォートリフトのオペレータに、ブザー、警告灯などに
て異常事態の発生を知らせることができる。

第１１図は、感圧センサのバンパーへの他の適用例を示
す断面図であり、この例は、クツション部材３２の周面
に取り付けられる感圧センサを、第９図で述べたと同様
に、光導波路１と、その−端に接続した一体型の発光・
受光手段３ｏと、その他端に取り付けた反射体２１とで
構成し、そして、その発光・受光手段３ｏを、リードｋ
Ｍ　９　。

１０によって検出装置１３に接続したものである。

ここで、検出装置１３は、少なくとも、発光素子の点灯
回路と、受光素子の駆動および信号処理回路とを具える
。

このようなバンパーは、反射体２１に達した光が、発光
・受光手段３０の受光素子へ向けて反射される点以外は
、前述したバンパーと同様に作用し、それと同様の適用
状態下で、同様の作用効果をもたらすことができる。

なおこのバンパーにおいては、発光・受光手段３０を一
体型としていることから、リード線９゜１０を、バンパ
ーの一端部だけから引き出し得るという構造上の利点が
ある。

第１２図は、反射タイプの感圧センサの、さらに他の適
用例を示す断面図であり、この例では、ベースプレート
３４上に、ホルダ３５によって光導波路１を直立させ、
この光導波路１の下端に、発光手段２および受光手段３
をそれぞれ取り付けるとともに、その上端に反射体２１
を取り付け、そして、この反射体２１の、光導波路１へ
の取付部を、金属材料、プラスチック材料またはゴム材
料からなる保護キャップ３５にて密閉する。

このようなセンサ構造体は、光導波路１の曲げ変形の有
無に基づき、そこへの外力の作用の有無およびその外力
の大きさを高い感度にて検出することができるので、た
とえば、自動車、無人搬送車、フォークリフトなどに適
用されて物体その他への接触を確実に検知することがで
きる他、コンベアベルトその他の搬送装置と関連した取
付状態下で、被搬送物の通過を正確に検知することがで
きる。

第１３図は感圧センサの、車両重量測定装置への適用例
を示す図であり、これは、−本の光導波−３６＝ 路ｌを、下部マット３６上に、車両の走行方向と直角を
なす方向へ向けて固着するとともに、その光導波路１の
各端部に直接的に接続した発光手段２および受光手段３
のそれぞれを、リード線９゜ｌＯを介して検出装置１３
に接続し、そして、下部マット３６上に配置されて、そ
の光導波路ｌおよび発光、受光手段２．３を囲繞するス
ペーサ３７をもまた、その下部マット３６に固着し、さ
らに、そのスペーサ３７上に上部マット３８を固着する
ことにて積層構体を構成し、この積層構体の前後端部分
に、車両の乗り降りに際するショックを低減するための
テーパ面３９をそれぞれ設けたものである。

なお図中４０は、光導波路１および発光、受光手段２．
３の周りの空隙を埋め込む充填材を示す。

ここにおいて、下部マット３６は、軟硬いずれの材料に
ても構成することができ、たとえば、金属、プラスチッ
ク、ゴムの中から適宜に選択することが可能であるが、
装置の接地路面の凹凸に起因して、光導波路１の感度が
その長さ方向にて変化するおそれがある場合には、下部
マット３６を、金属、プラスチック、高硬度ゴムなどの
硬質材料にて構成することが好ましい。

また、下部マット３６に、接着その他によって固着され
るスペーサ３７は、ゴムもしくはゴム状弾性材料にて構
成することが好ましく、なかでも、ヒステリシスの小さ
い天然ゴム、ブエジェンゴムなどがとくに好適である。

ここで、このスペーサ３７は、光導波路１と同一もしく
はそれより幾分大きい厚さを有することが好ましく、そ
の硬度は、装置の感度との関連の下で適宜に選択するこ
とができる。

さらに、上部マット３８は、ゴム、軟質塩化ビニル樹脂
、プラスチック、熱可塑性ゴムなどから選択することが
できるが、そこへ乗り上げるタイヤのブロックパターン
の影響を防止するためには、高硬度の天然ゴム、ウレタ
ンゴムなどを選択することが好ましい。

加えて、充填材４０は、ゴム、発泡ゴム、発泡プラスチ
ックなどの中から選択することができる。

第１４図は検出装置を例示するブロック線図であり、こ
の検出装置１３は、たとえば発光ダイオードとすること
ができる発光手段２に接続した駆動回路４１を、これも
たとえば、ホトダイオードとすることができる受光手段
３に接続した充電流増幅回路４２と、この増幅回路４２
からの電気信号を処理する信号処理回路４３とからなり
、この信号処理回路４３は、増幅回路４２で増幅された
電気信号を荷重データに変換すべく機能する。

このように構成してなる車両重量測定装置において、車
両がそこを通過した場合には、車両の前軸および後軸の
それぞれが光導波路上を通過することに起因して、その
光導波路１が圧縮変形を受け、そこへの光透過率が変化
することにより、増幅回路４２から出力される電圧信号
は、第１５図（ａ）に示すように、二個の谷部Ｐ、、Ｐ
２を生じることになる。ここで、第１の谷部Ｐ、は前軸
の通過信号を、そして第２の谷部Ｐ２は後軸の通過信号
をそれぞれ示すので１．これらの岡谷部Ｐ、、Ｐ２の波
形を処理することによって、それぞれの軸の軸荷重を求
めることができる。

そこで、信号処理回路１５でははじめに、ヘース電圧■
。とそれぞれの谷部Ｐ、、Ｐ、のビーク電圧Ｖ、、Ｖ、
とを検出し、これらのそれぞれの値に基づき、前軸およ
び後軸についての光保持率Ｖ＋／ＶｏおよびＶ２／Ｖ。

を算出する。

なおここで、この光保持率と荷重とは、第１６図に示す
ような相関関係にあることから、信号処理回路１５では
次いで、かかるキャリブレーションデータに基づき、そ
れぞれの光保持率Ｖ、／Ｖ。

およびＶ　ｚ　／　Ｖ　ｏを前軸および後軸の荷重デー
タに変換してそれぞれの軸荷重を求める。

なお、上述したところでは、発光および受光手段２．３
を、光導波路１に直接的に接続しているが、発光および
受光手段２．３の少なくとも一方を検出装置１３に内蔵
し、光導波路１とそれらとを、プラスチックファイバ、
石英系ファイバ、多成分系ファイバなど介して間接的に
接続することも可能であり、このことによれば、ノイズ
の影響より一層低減することができる。

このようにここでは、光導波路１を、弾性材料製のコア
４およびクラッド５にて構成していることから、そこへ
作用する外力の大きさを極めて高い感度にて検知するこ
とができるとともに、高荷重が作用した場合であっても
、光導波路１の大きな弾性変形に基づき、それの破損、
ヅ性変形などを十分に防止することができる。しかも、
弾性材料製の光導波路１は、大きな衝撃に対してもすぐ
れた耐衝撃性を有し、振動および共振のおそれが全くな
いので、信頼性の高い荷重検出が可能となる。

従って、この装置を、−船道路、高速道路、橋梁などに
取りイ」けて、走行中の自動車の荷重データを測定する
ことにより、アスファルト、コンクリート床板、橋梁な
どの疲労安全性および構造設計に有用な荷重データを収
集することができ、また、積載オーバの自動車を検出す
ることもできる。

第１７図は車両重量測定装置の他の実施例を示す図であ
り、この例は、荷重データのみならず、車速、タイヤの
接地長さ、車両の軸間距離をも測定可能ならしめるため
、上下のマット間に、二本の光導波路１ａ、ｌｂを、間
隔Ｗをおいて相互に平行に埋設したものである。

このような装置上を車両が通過した場合の、増幅回路４
２からの電圧信号は第１８図（ａ）に示す通りとなり、
第１の光導波路ｌａ上を前後の車軸が通過することによ
って、二個の谷部Ｑ、、Ｑ２が、そして、第２の光導波
路ｌｂ上を前後の車軸が通過することによって谷部Ｒ０
，Ｒｚがそれぞれ発生する。

ここで、これらのそれぞれの谷部Ｑ、、Ｒ，。

Ｑｚ、Ｒｚの始点、頂点および終点を経時的に表わすと
、第１８図（ｂ）に示すように、Ｌ　ｌｌ＋　　Ｌ　１
２＋ｔ１３・−−−−−−−−−−・−ｔ　４１１　　
ｔ４Ｚ＋　　ｔ　４３となり、これらの時刻情報を、検
出装置内で以下のように処理することにより、車速、タ
イヤ接地長さおよび軸間距離を求めることができる。

まず車速は、両光導波路１ａ、ｌｂの間隔Ｗと、前軸も
しくは後軸が、それらの両光導波路１ａ。

１ｂを通過するに要する時間Δｔ、とから求めることが
でき、前軸速度■１は、 により、また後軸速度■２は、 によりそれぞれ求まる。

なおここで、車両がたとえば加速状態もしくは減速状態
にあるときには、これらの両速度Ｖ、、　Ｖ２は相互に
相違することになる。

また、車両の軸間距離は、上述した速度■と、いずれか
の光導波路を、前軸および後軸が通過するに要する時間
Δｔ２から求められ、軸間距離りは、 Ｌ＝ＶＸΔｔ２ −Ｌ　Ｘ　（ｈ＋−ｔ＋＋）＝Ｌ　Ｘ　（Ｌ＋ｚ−ｔ＋
ｚ）＝Ｖ＋　Ｘ　（ｈｉ−ｔ＋＋）＝　ＶｚＸ　（ｔａ
ｇ−ｔｚ＋）＝ＶｚＸ　（Ｌ□−ｔ２□）＝ＶｚＸ　（
ｔｎ３−ｔｚｚ）より求められる。

そしてさらに、タイヤの接地長さは、接地時間と速度か
ら求まり、前輪接地長さは１１は、Ａ　Ｉ　＝ＬＸ　（
ｔ＋３−Ｌ＋）　　−ＬＸ　（ｈ３−ｈ＋）により、そ
して後輪接地長さ１２は、 Ｅ　　２　　＝Ｖ２Ｘ　　（ｈ　３−ｔ＋＋）　　　＝
Ｖ２Ｘ　　（ｔｎ　３−ｔ　４＋）によりそれぞれ求め
ることができる。

なおこの例では、二本の光導波路１ａ、ｌｂを敷設する
場合について説明したが、ここでは三本以上の光導波路
を敷設することも可能であり、この場合には、平均化処
理を行うことで、荷重、速度、軸間距離、タイヤ接地長
さの測定精度を一層向上させることができる。

これがため、ここでは、薄肉かつ、軽量、小型の車両重
量測定装置をもたらすことができ、高荷重の車両、高速
走行中の車両に対して、その荷重はもちろん、速度、タ
イヤ接地長さ、軸間距離を安定的に高精度で測定するこ
とができる。

（発明の効果） 以上述べたところから明かなように、この発明によれば
、光導波路が、いずれの方向へも極めて柔軟に、かつ、
大きく弾性変形することができるので、光導波路の断線
および塑性変形、発光および受光手段の、光導波路から
の解離などを一切もたらすことなく、外力の作用の有無
およびその大きさを極めてすぐれた感度にて検知するこ
とができ、しかも、耐熱性、耐寒性および耐衝撃性を著
しく高めることができる。

またここでは、光導波路をゴム弾性体にて構成すること
により、繰り返し疲労を十分小さくすることができると
ともに、電磁波障害を有効に防止することができ、加え
て、装置の防爆化ならびに軽量、小型化を達成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す図、第２図はこの発
明の他の実施例を示す図、第３図は第２図に示す装置の
横断面を例示する図、 第４図は検知装置内の電気回路を例示する図、第５，６
図はそれぞれこの発明のさらに他の実施例を示す長さ方
向断面図、 第７図は、この発明の、マッドスイッチへの適用例を示
す図、 第８図は第７図に示すマッドスイッチの、荷重と光信号
電圧との関係を示すグラフ、 第９図は他のマッドスイッチを例示する図、第１０．１
１図はそれぞれ、この発明の、バンパーへの適用例を示
す断面図、 第１２図はこの発明のさらに他の適用例を示す断面図、 第１３図はこの発明の車両重量測定装置への適用例を示
す図、 第１４図は検出装置を例示するブロック線図、第１５図
は増幅回路からの電圧信号およびその処理手順を示す図
、 第１６図は光量保持率と荷重との較正曲線、第１７図は
車両重量測定装置への他の適用例を示す図、 第１８図はそれぞれの光導波路からの電圧信号を示す図
である。 １、ｌａ、ｌｂ・・・光導波路 ２．２ａ、２ｂ・・・発光手段 ３．３ａ、３ｂ・・・受光手段 ４・・・コア ５・・・クラッド 特許出願人　株式会社ブリヂストン 区 ！？ 派

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、弾性材料製のコアおよびクラッドからなる光導波路
   と、この光導波路に接続した発光手段および受光手段と
   を具え、 前記クラッドより幾分大きい屈折率を有す る透光性のコアを、クロロプレンゴム、ウレタンゴム、
   シリコンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、エチレンプ
   ロピレンゴム、エチレンプロピレンターポリマまたはエ
   ピクロルヒドリンゴムのいずれかの合成ゴムにて形成し
   てなる感圧センサ。