JPH04147024A - 変位センサならびにこの変位センサを使用した検知装置 - 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］ 本発明はゴム材料の内部抵抗の変化により歪（変位量）
を検出できるようにしたセンサ、ならびにこのセンサを
使用して、圧力の検知、椅子やベッドでの荷重検知およ
び加速度検知が行なえるようにした検知装置に関する。

［従来の技術］ 従来、被測定物の変位量を検知するような場合に、変形
に基づく抵抗値の変化を検出する素子が使用されている
。この種の素子として代表的なものにストレインゲージ
があり、これはフィルム表面に抵抗体が付着して所定の
抵抗値が設定されており、被測定物の表面に接着される
。そして被測定物に伸びや曲がりが生じるとこれと共に
ゲージに歪が生し、このときの抵抗値の変化をブリッジ
回路などを使用して電圧の変化として出力させるもので
ある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のストレインゲージのような検知用
素子はフィルム状などであるため、設置する場所ならび
に被測定物が限られ、金属物質などの表面の歪などの測
定には適するが、例えば袋内部に充填される流体の量に
応じた圧力の変化の測定や椅子やベッドのクツションの
変位などのように非常に軟質の被測定物の変形には追従
することができず、その用途が限られている。

本発明、は上記従来の課題を解決するものであり、軟質
なゴム材料により構成して柔軟な変位の検出ができる変
位センサならびにこのセンサを使用して軟質な被測定物
の圧力検知、椅子やベッドの圧力検知ならびに加速度検
知ができる検知装置を提供することを目的としている。

Ｃ課題を解決するための手段〕 本発明による変位センサは、導電性粒子が内部に分散し
たゴム材料の複数箇所に検出用端子が嵌着され、ゴム材
料の歪による内部抵抗の変化により変位量を検出するこ
とを特徴とするものである。

また好ましくは、導電性粒子がカーボン粒子であり、ゴ
ム材料に対するカーボン粒子の含有率を３０％以下とし
たものである。

上記のセンサを使用し、検出用端子間に２つの変形部を
設け、この変形部の間に内部圧の変化に応じてその断面
積が変わる被検出物が挿入される圧力検知装置を構成す
ることができる。

また椅子またはベッドにおいて荷重により変形する部分
に前記センサをその変形方向に沿って設けた座席または
ベッドの検知装置、 ならびにセンサの一端を支持し他端に荷重が設けられ、
加速度に応じたセンサの変位量を検出する加速度検知器
を得ることができる。

［作用］ 上記センサは、ゴム材料の内部にカーボン粒子などの導
電性粒子が分散されているものであり、その変形により
端子間の距離が変わると、内部の導電性粒子の配列が変
わり粒子間の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を検
出することにより歪量を検出することができる。

このセンサは軟質であるために、軟質な被測定物の変形
に追従でき、例えば２つの変形部を形成してその間に袋
状の被測定物を挟み、この被測定物の断面の変化を変形
部の抵抗の変化として検出すれば、圧力検知器を構成で
きる。

また椅子やベッドの変形部に上記センサを設置すれば、
人が座るなどしてクツションの変形があったときにこれ
を抵抗値の変化として検出できる。

さらに上記センサの先端に荷重を設ければ、加速度の変
化に応じてセンサが変形し、その抵抗値の変化を知るこ
とによって加速度の検知が可能になる。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面によって説明する。

第１図は本発明による変位センサの基本的な構造を斜視
図により示している。

第１図において符号Ｉはセンサの本体を示している。こ
の本体１はシリコンゴムの内部にカーボン粒子が分散さ
れているものであり、好ましくはシリコンゴムに対する
カーボン粒子の含有率が３０％以下（ゴムの硬度Ｈｓと
すると約５３＠以下）で、固有抵抗を２０Ω−ｃｍ以上
にしたものである。なおり−ボン粒子としては、例えば
アセチレンブラックなどが使用される。

センサ本体１の長平方向両端部には嵌着孔１ａとｌｂが
形成されており、この嵌着孔１ａと１ｂ内に４電端子２
が嵌着される。この導１ｉ端子２にはビン２ａが形成さ
れ、これには金メツキなどが施されて表面の電気的抵抗
値がきわめて小さくなるように構成されている。また導
電端子２の基部にはリード線の圧着部２ｂが一体に形成
されている。導電端子２のビン２ａの直径は本体１の嵌
着孔１ａと１ｂの内径よりもやや大きめに形成されてお
り、このビン２ａが嵌着孔１ａとｌｂ内に強嵌合される
。本体１はシリコンゴムを主体とするものであり、自ら
の弾性により上記ビン２ａに圧着し、これにより本体１
の両端部と導電端子２とが電気的に安定した接続状態を
保つことができるようになっている。なおビン２ａを各
嵌着孔１ａと１ｂ内に挿入し、ビン２が本体１の図示裏
側から突出した部分をかしめることにより、ビンの抜は
止めを確実にすることが可能である。

上記のセンサ本体１は前述のようにシリコンゴム内にカ
ーボン粒子を３０％以下分散させることにより、固有抵
抗が比較的大きなものになっている。この本体１を第１
図において矢印で示すように、端子間距離が長くなる方
向へ引っ張って変形させると、本体ｌの内部抵抗が上昇
する。これは本体１を引っ張って変形させることにより
、第２図（拡大断面図）に示す内部のカーボン粒子３の
配列状態が変わり、粒子３．３間の抵抗値ｒ１ならびに
粒子３．３間の接触抵抗値ｒ０が上昇するためと考えら
れる。この変形による抵抗値の変化は、第３図に示すよ
うな簡単な回路によって検出できる。センサ本体１があ
る変形状態のときの抵抗値をＲ８とし、これと直列に接
続された電流設定用の抵抗値をＲとし、駆動電圧をｙ　
ｃｃとすると、センサ本体１の導電端子２と２の間の電
圧■つは、 ｖ、＝　（Ｒｘ／　（Ｒ＋ＲＸ））　　−Ｖｃｃ　　−
［）で得られる。このＶ８を適宜に処理することにより
、歪み量の検出が可能である。

第４図と第５図は上記の変位センサの変形例を示してい
る。

第４図に示すセンサでは、本体１の中央部の厚さ寸法Ｔ
が大きく、両端の導電端子２を取り付けるための嵌着孔
１ａと１ｂが形成されている部分の厚さ寸法ｔが小さく
なっている。この構造では、例えばセンサ本体１を被測
定物に接着するなどして設置したときに、導電端子２が
嵌着されている部分を被測定物から離すことができる。

例えば何らかの圧力を与えるものがこの本体１に圧接し
たとしても、導電端子２がこの圧力を与えるものに直接
当たるのを防止できる。

第５図に示す変形例では、センサ本体１の両端の嵌着孔
１ａと１ｂに、リード線４が接続された導電端子２のビ
ン２ａを圧入した後、カバー５により覆ったものである
。このカバー５は軟質でセンサ本体ｌの変形に追従でき
るものである。このカバー５を設けることにより、導電
端子２のビン２ａが圧入されている部分を保護でき、ビ
ン２ａの抜けを防止できる。またカバー５により内部を
完全に密閉することにより、外部の水分から導電端子を
保護でき、錆の問題などに対処できるようになる。

第６図は上記変位センサを使用した圧力検知装置を示し
ている。この装置の本体１０は前述の実施例と同様にシ
リコンゴム内部にアセチレンブラックなどのカーボン粒
子が分散されているものである。本体１０の両端部には
嵌着孔１０ａと１０ｂが形成され、これに第１図に示し
たのと同等の導電端子２の金メツキピン２ａが嵌着され
る。本体１０の中央部には２枚の変形部１０ｃと１０ｄ
がほぼ平行に一体に形成されている０例えば袋状の被測
定物１１は上記変形部１０ｃと１０ｄの間に挟まれる状
態で挿入される。被測定物１１は柔軟な材料により形成
された袋体てあり、その内部に流体が送られる。被測定
物１１の内部圧力Ｐが高まって袋が膨らむと、変形部１
０ｃと１０ｄも袋の断面の増加に追従して膨らむ。この
とき変形部１０ｃとｌｏｄは伸びて内部抵抗が上昇する
。この内部抵抗の変化はビン２ａと２ａ間に電流を与え
ることにより測定でき、その測定方法は第３図に示した
のと同様である。

第７図は上記圧力検知装置の変形例を示している。この
変形例では、シリコンゴム内にカーボン粒子が分散され
たセンサ本体１０に、第６図と同様の変形部１０ｃと１
０ｄが形成され、両度形部１０ＣとＬＯｄの間に被測定
物が挟まれる。また１０ｃと１０ｄで示す変形部と電気
的に直列に接続された抵抗設定部１０ｅが一体に形成さ
れている。また本体１０にはＡとＢとＣで示す部分に、
導電端子のビンを嵌着するための嵌着孔が形成されてい
るが、その構成は第１図に符号１ａ。

ｌｂでまた第６図にて符号１０ｂ、ｌｏｃで示す嵌着孔
と同しであるにの実施例の変形部１０ｃと１０ｄの抵抗
値をＲＸＩとし、抵抗設定部１０ｅの抵抗値をＲＸ２と
すると、検出用の回路構成は第８図のようになる。第８
図では各嵌着孔に嵌着した導電端子の位置をＡ、Ｂ、Ｃ
で示している。第７図に示す変形部１０ｃと１０ｄの間
に挿入される袋状の被測定物が内部圧力の上昇により膨
張すると、これに応じて変形部１０ｃと１０ｂが引き伸
ばされ、その抵抗値Ｒｘ１が上昇する。第８図の回路で
は前記（１）と同様の式によりＡとＢの間の電圧ｖ８を
検出でき、これにより圧力の検知が可能になる。この場
合、抵抗設定部１０ｅの抵抗値Ｒ，□は温度変化による
材料の伸びなどに応じて変化し、 Ｖｘ　”　（Ｒｘ＋／　（ＲＸｌ＋　ＲＸ２）　）　　
・Ｖｃｃ−（１）は、温度補償された値として検知でき
ることになる。

第９図は被測定物の圧力を測定するための具体的な回路
を示しているものである。この回路はブリッジ回路を使
用しているものであり、可変抵抗器の抵抗値Ｒ１は抵抗
設定部１０ｅの抵抗値ＲＸ２と一致するように調節され
る。また抵抗値Ｒ２を適宜選択することにより、Ｂ−Ｄ
端子間電圧を差動アンプ１４により取り出すことができ
る。この出力電圧を抵抗１５により例えば最大点調整し
て取り出し、表示用信号処理部１６により、Ｂ−Ｄ端子
間電圧を被測定物の圧力の値に換算する。そしてドライ
バ１７によりセブンセグメント表示器１８を駆動し、変
形部１０ｃと１０ｄに挟まれた被測定物の圧力変化を表
示できるようにしたものである。

第１図以下に示した変位センサならびに第６図以下に示
した圧力検知装置は、本体のシリコンゴム内のカーボン
粒子の含有率に応じてその特性が相違する。第１０図と
第１１図はこの特性を調べるために、カーボン粒子の含
有率を変えたものを複数種用意し、この材料によって第
６図に示すような圧力検知装置の本体１０を構成した結
果を示している。すなわち複数種類の材料により構成さ
れた圧力検知装置の変形部１０ｃとｌｏｄ内に挟まれた
被測定物の圧力を変化させて端子間抵抗を測定したもの
である。以下の測定では、カーボン含有率を変えたＡ　
−Ｈの材料によりセンサ本体１０を作成した。そのそれ
ぞれの材料の硬度Ｈ３じ）、固有抵抗（Ω−ｃｍ　）を
以下の表−１にホす。

以下余白 表−１ 上記表−１における硬度Ｈ３とカーボン粒子の含有率の
関係は第１１図の表の横軸欄に示す通りであり、例文ば
硬度Ｈ３が約５３°で、カーボン含有率がほぼ３０％で
ある。

上記の各資料Ａ−Ｈに示したシリコンゴムを主体とした
材料を使用して第６図に示した本体１０を製作し、第１
０図の表内に示すように、変形部１０ｃと１０ｄの厚さ
寸法ｔ。を１ｍｍ、奥行寸法（幅寸法）Ｗを５ｎ＋ｍと
し、端子間距離りを１４ｍｍとした。そして本体１０を
ホルダ１９により保持し、変形部１０ｃと１０ｄ内に袋
を挿入し、その内部に空気を供給し、そのときの端子間
抵抗値（Ω）を測定した。その結果を第１０図に示す。

第１０図では横軸に被測定物の内部圧力（Ｋｇ／ｃｍ２
）を示し、縦軸に端子間抵抗（Ω）を示している。第１
０図において左側の縦軸は前記Ａ−Ｄの材料を使用した
ときの端子間抵抗値を示し、右側の縦軸はＥの材料を使
用したときの端子間抵抗値を示している。この端子間抵
抗の測定値において、被測定物の内部圧力がＯから０４
（Ｋｇ／ａｍ２）まで変化したときの端子間電圧の変化
率を以下の表−２に示す。

以下余白 表−２ 第１１図では、上記の各資料（材料）を用いたときの変
化率（％）をプロットしてこれを結んだ線を点線で示し
、各資料の固有抵抗（Ω−ｃｍ　）をプロットしこれを
結んだものを実線で示している。第１０区と第１１図と
から次のことが解る。

まず端子間抵抗値の変化率から見ると、Ｄで示した材料
が最適であり、またこの変化率と固有抵抗の双方から見
た場合にはＣ，Ｄ、Ｅで示す材料が圧力検知装置として
使用可能である。これは第１図に示した変位センサにお
いても同じであり本発明に使用される材料としてはシリ
コンゴムにカーボン粒子を３０％以下の含有率により含
有させたものが使用可能であることが解る。

第１２図は第１図に示した変位センサを使用した椅子の
圧力検知装置を示している。この検知装置では、椅子２
０のクツションの変形しやすい箇所（好ましくは中心Ｏ
から外れた箇所）に第１区に示すセンサの本体１が設け
られている。この本体はクツションの表皮の裏側にてそ
の変形方向（端子２−２間方向）を変形しやすい方向（
第１２図では横方向）に向けて接着または他の手段によ
り設置されている。導電端子２．２からの出力は第３図
などに示すような検知回路に接続されている、この検知
装置において人がり・シリコンに座るとその荷重により
表皮が変形し、この変形に追従してセンサの本体１が伸
びる。この伸びたときの抵抗値の変化を検出することに
より、人が座ったことを検出できる。

この検知装置の用途としては、例えば椅子がマツサージ
器である場合には人が座ったことが検知されたときにマ
ツサージ器が始動するように制御できる。または室内に
おいて人が座ったことが検知されたときにエアーコンデ
ィショナの送風方向が椅子の方向へ向くなどの制御に使
用できる。

さらにベットに応用すれば、病院において患者がベット
から寝起きした回数を管理できるようになる。

なお第１２図では第１図に示した変位センサを用いてい
るが、第６図ならびに第７図に示す圧力検知装置を使用
することも可能である。この場合には椅子２０またはベ
ットの人が乗る箇所に袋体を設置しておき、この袋体の
縁部を第６図または第７図の圧力検知装置の変形部１０
ｃと１０ｄの間に介入させておく。これにより人が乗っ
て袋の縁部が膨らむと、変形部１０ｃと１０ｄが伸び、
この変形による抵抗値の変化を検出することにより、椅
子またはベッドの検知装置として使用できることになる
。

第１３図ｆＡｌは本発明の変位センサを使用した加速度
検知装置を示している。

この加速度検知装置では、第１図に示した変位センサの
本体１の断面をほぼ正方形にし、これを２個使用する。

この本体１．１の基部には軸２５を圧入する。この軸２
５は両端部が金メッキされた端子部２５ａ、２５ｂであ
り、中央部が、両端子部２５ａと２５ｂを絶縁する絶縁
部２５ｃとなっている。また本体１の自由端には鍾２６
が取り付けられている。第１３図（Ｂ）に示す錘２６な
らびにその両端の接Ｍ端子部２６ａと２６ｂは共に導電
性であり、接続端子部２６ａと２６ｂには金メツキが施
されて、これが本体１．１の先部に圧入嵌着されている
。本体１．１の抵抗値をｒｌとｒ２とすると、第１４図
に示すような回路構成になる。

加速度が作用すると錘２６が変位しこれに応じて本体１
．１が変形する。この変形時の抵抗値ｒ１とｒ２の変化
を検出することにより、加速度の検出が可能になる。

なお、上記の各実施例においては、ゴム材料に導電性粒
子としてカーボン粒子を分散させ、これをセンサ本体１
または圧力検知装置の本体１０などとして使用している
が、導電性粒子としてはカーボン粒子以外に金属粉であ
ってもよい。

［効果］ 以上のように本発明の変位センサはゴム材料を主体とし
て構成されているため、軟質な被測定物の変形に追従で
き、その抵抗値の変化を検知することにより、種々のも
のの変形を測定できる。

よって袋体の圧力検知装置、椅子やベッドの検知装置、
加速度検知装置などを構成できることになる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであり、第１図は基本
的な構造の変位センサを示す斜視図、第２図はその本体
の拡大断面図、第３図は検知回路の一例を示す回路図、
第４図と第５図は変位センサの変形例を示す斜視図、第
６図は圧力検知装置の斜視図、第７図はその変形例を示
す正面図、第８図は圧力検知装置の検出回路を示す回路
図、第９図はさらに具体的な回路図、第１０図と第１１
図は材料の種類による特性を説明する線図、第１２図は
椅子の検知装置を示す斜視図、第１３図（Ａ＋は加速度
検知装置の構造を示す斜視図、同図ｆＢｌ　はその部品
を示す斜視図、第１４図は加速度検知装置の構成回路図
である。 １・・センサ本体、１ａ、１ｂ・・嵌着孔、２・・・導
電端子、２ａ・・・ビン、１０・・圧力検知装置の本体
、１０ｃ、１０ｄ・・変形部、１０ｅ・・・抵抗設定部
、２０・・・椅子、２６・・・錘。 第１ 図 第６図 ン 圧力検垢貞制Ｆの木イ葬 １０ａ、１０ｂ− 蛮影部 ０ｅ 抵抗膜９部 綾腺偵祁 ＣＢ） 第１３図 （Ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導電性粒子が内部に分散したゴム材料の複数箇所に
   検出用端子が嵌着され、ゴム材料の歪による内部抵抗の
   変化により変位量を検出することを特徴とするセンサ ２、導電性粒子はカーボン粒子であり、ゴム材料に対す
   るカーボン粒子の含有率が３０％以下である請求項１記
   載のセンサ ３、請求項１または２記載のセンサを使用し、検出用端
   子間に２つの変形部を設け、この変形部の間に内部圧の
   変化に応じてその断面積が変わる被検出物が挿入される
   圧力検知装置 ４、請求項１または２記載のセンサを使用し、椅子また
   はベッドにおいて荷重により変形する部分に前記センサ
   をその変形方向に沿って設けた座席またはベッドの検知
   装置 ５、請求項１または２記載のセンサを使用し、このセン
   サの一端を支持し他端に荷重が設けられ、加速度に応じ
   たセンサの変位量を検出する加速度検知装置