JPS62175630A - 応力分布検出装置 - 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） 本発明は応力分布検出装置に係り、詳しくは一対の電極
部材間に感圧導電性ゴムを分散分離し各感圧導電性ゴム
にかかる応力を電気信号として検出する感圧センサーを
使用し、各位置から検出されるデータを正確に取り出し
て応力分布の分解能を高めると共に応力の大きさを色調
割付して画像表示を行う応力分布検出装置に関する。

（従来技術） 従来の面圧応力分布を検出するセンサーとしては、スプ
リングやバネを組合わせた接触子や歪ゲージを用いた機
械的なものが使用され、局所的な平面の面圧を検出して
いた。

また、最近では上記機械的なセンサー化わりに銀の回路
パターンを印刷したポリエチレン製の電極フィルムの間
に感圧導電性ゴムを挟持して電極に加わる圧力の大きさ
、圧力分布を求めることができるセンサーが触感センサ
ーとして開発され、例えばポリマーダイジェスト９．Ｐ
２Ｏ３（１９８５）に開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） 上記センサーは、押圧力が大きくなるに従って徐々に電
気抵抗値が減少して一定の電圧を加えた時の電流値の変
化から押圧力を検出することができる。このため、該セ
ンサーの所定の面に加わっている応力分布を測定するこ
とが可能である。しかし、全面に感圧導電性ゴムを使用
した場合、電極フィルム間に挟持されている感圧導電性
ゴム内においては、電流は主として電極フィルムに設定
された最短距離の端子間を流れるが、そればかりでなく
種々の端子間にも回路が形成される。センサーが局所的
な押圧力を受けると、各出力端子から流れる電流は夫々
干渉し合った状態であるため正確な値が出力されず、ま
た応力分布の分解能もる欠点があった。

本発明はこのような問題に対処するものであり、センサ
ーの受けた押圧力を夫々電気的に干渉されずに正確に検
出し、しかも応力分布の分解能にも優れ、また検出した
データに所定の補正を行って各ポイントに位置する感圧
導電性ゴムの導電特性を考慮して精度を高め、更には応
力分布及び大きさを正確に色調割付して画像表示し感圧
センサーの各位置に加わっている応力範囲を知ることが
できる応力分布検出装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 即ち、本発明の応力分布検出装置は、一対の電極部材間
に感圧導電性ゴムを分離した状態で配置し、各感圧導電
性ゴムにかかる応力を電気信号として検出するセンサー
部と、上記センサー部に接続した入力信号線を選択制御
して上記センサー部の各位置からの電気信号を出力する
ラインコントロール部と、該ラインコントロール部の出
力信号をディジタル変換した後、各位置からのデータを
色調割付して画像処理するコンピュータ部を備えたこと
を特徴とする。

（作用） 本発明の応力分布検出装置は、まず一対の電極部材間に
感圧導電性ゴムを分離した状態で配置し、感圧導電性ゴ
ムにかかる応力を電気信号、例えば電圧信号として検出
する感圧センサーを使用しているため、感圧センサーが
受けた面圧は所定の部位に点在しているポイント状の端
子等によって正確に電気信号として取り出すことが可能
となり、そしてコントロール部によって各端子に接続し
ている入力信号線を選択的に順次設定して各ポイント端
子から出力されるアナログ信号をアナログ−ディジタル
化して、これを全てコンピュタ一部の記憶装置にメモリ
した後、各端子から検出した信号を色間割付処理を行っ
て応力に応じた色調画像を感圧導電性ゴムの位置と対応
させてＣＲＴディスプレイ上に表示し、感圧センサーに
付加される応力の所定範囲の大きさが色調（色の濃淡）
として表現できる。

（実施例） 以下、本発明の具体的実施例を添付図面に従って説明す
る。

第１図は本発明の応力分布検出装置を構成しているセン
サー部である感圧センサーの一部断面斜視図、第２図は
第１図の感圧センサーに使用される感圧導電層の平面図
を示すものであり、感圧センサー（１）は芯部分に感圧
導電層（２）が位置し、その上下面には電極部材（３）
　（３）が積層され、更にその表面には電極部材（３）
　（３）を保護するためのカバー材（４）（４）が被覆
された構成からなっている。

前記感圧導電Ｎ（２）は天然ゴム、ＳＢＲ，ＣＲあるい
はシリコンゴム等のゴム部材またポリウレタン等の弾性
体からなるシート状の電気絶縁体（５）の所定の位置に
設けられた貫通穴（６）にチップ状の感圧導電性ゴム（
７）を埋設した構造になっており、感圧導電性ゴム（７
）は夫々分離独立した状態にあってシート状絶縁体（５
）の表面とほぼ同一位置になり、表面に露出している。

この感圧導電層（２）は厚さ約０．１〜５１１ｍ程度で
ある。

感圧導電性ゴム（７）の分散密度を自由に変化させるこ
とは可能であり、分散密度を大きくすれば応力位置の分
解能もそれだけ大きくなる。

前記感圧導電性ゴム（７）は加圧力に応じて抵抗値が変
形するものであれば特に限定されないが、例えば電気絶
縁性を有する天然ゴム、ポリブタジェンゴム、ポリイソ
プレンゴム、スチレンーブダジエン共重合体ゴム、ブチ
ルゴム、クロロプレンゴム、アクリロニドルーブタジェ
ン共重合体ゴム、エチレン−プロピレン共重合体ゴム、
シリコンゴム等に導電性カーボンブラックであるファー
ネスブラック系、アセチレンブラック系、サーマルブラ
ック系、チャネルブラック系等の公知のものが混入され
、更には種々の導電部材である金属粉末、金属繊維ある
いは非金属無機質の短繊維、粉末あるいはウィスカー等
が混入されている。このうち、本発明においては繰り返
し加圧変形に対してヒステリシスの小さい感圧導電性ゴ
ムが好ましく、これを満足するゴムの一例として例えば
ゴムにカーボンブラックあるいは非金属無機質の短繊維
、粉末あるいはウィスカーを混入したものが好ましい。

尚、上記短繊維としては炭化珪素（ＳｉＣ）　、ガラス
、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等のセラミック等を素材とす
るもので、長さ１００μｍ〜１０鰭、径０．３〜３０μ
ｍを有し、一方粉末としては粒径が０．５μｍ〜１００
μｍのセラミック粉と呼ばれるもので、例えば炭化珪素
（ＳｉＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）　、炭化ホウ素（８
４Ｃ）、炭化タングステン（肛）等の炭化物、窒化珪素
（Ｓｉ３Ｎ　４）　、窒化アルミニウム（ＡＩＮ　”）
　、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化チタン（ＴｉＣ）等の窒
化物及びアルミナ（Ａ１２０３）、ジルコニア（Ｚｒ０
２）　、ベリリア（Ｂｅ０）等の酸化物であり、最も好
ましくは炭化珪素または窒化珪素である。

更に、ウィスカーとしては、α−炭化珪素（α５ＩＣ）
、β−炭化珪素（β−５ｔＣ）　、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ
４）、α−アルミナ（Ａ１２０３）　、酸化チタン、酸
化亜鉛、酸化スズ、黒鉛、Ｆｅｓ　ＣｕＳＮｉ等であり
、直径０．０５〜３μｍ、長さ５〜５００μｍ程度の形
状からなる針状単結晶体である。

上記無機充填材をゴムに添加するにあたっては、前もっ
てシランカップリング剤やチタンカップリング剤等で処
理したり、ゴムと混合時にシランカップリング剤やチタ
ンカップリング剤を添加することも可能である。このこ
とにより、補強効果がより高まり、ゴムへの分散性がよ
り良好となる。

上記無機充填剤の添加量は、ゴム１００重量部に対して
１〜８０重量部、好ましくは５〜４０重量部であり、も
し無機充填材の１重量部以下ではゴムシート表面におけ
る無機充填材の露出効果が小さくなって非加圧時の抵抗
値が減少し、また加圧０．５ｋｇ／−における電気抵抗
値も高くて導電性が悪くなり、また一方８０重量部以上
になるとゴムの効果により加圧時の抵抗変化率が小さく
なる。

尚、本発明において使用する感圧導電性ゴム（７）は、
前述のとおり上記特定のものに限定されるものではなく
、加圧力に応じて抵抗値が変化するものであればよい。

　また、前記電極部材（３）は第１図にその一例が示さ
れるが、電気的絶縁性を有する可撓性の合成樹脂シート
内に分離した状態で露出したポイント状の端子（８）が
存在しており、各端子（８）には夫々リード線（９）が
連結した状態で埋設している。上記端子（８）は感圧導
電層のシート状電気絶縁体（５）に埋設している感圧導
電性ゴム（７）と接触しており、感圧導電性ゴム（７）
の押圧変化に対する電流値あるいは電圧値の変化を検出
する。

尚、本発明のセンサーにおいては、上記同様電極部材（
３）を感圧導電層（２）の上下面に積層してよいが、一
方の面にはこれと異なりポイント状端子を点在させない
ような金属製の電極シート体、電極板あるいは電極薄等
電極部材（３）を使用することができる。

上記電極部材（３）　（３）の表面にはこれを保護する
カバ一層（４）が積層されているが、該カバ一層（４）
は発泡体、合成樹脂フィルム等からなり、本発明に使用
するセンサーにおいてはこのカバ一層を必ず積層する必
要はない。

また、本発明の応力分布検出装置に使用される感圧セン
サー変形例として、感圧導電性ゴム（７）が第１図と同
様の弾性体あるいは合成樹脂等の剛性体からなるシート
状の電気絶縁体（５）に埋設されているが、該感圧導電
性ゴム（７）が電気絶縁体（５）から突出した状態にな
っていてもよい。これにより各部位に存在する感圧導電
性ゴム（７）は該電気絶縁体（５）の影響をあまり受け
ずに自由に変形するため、より一層正確な応力を検出す
ることが可能となる。

この場合、前記シート状の電気絶縁体（５）は感圧導電
性ゴム（７）を分離した状態に位置させる保持材として
の機能を有し、また上側に位置する電極部材（３）は各
端子（８）を分散させた可撓性を有するものを使用し、
一方下側に位置する電極部材（３）は剛性をもつ電極板
でよい。

更に、シート状の電気絶縁体（５）を使用せずに感圧導
電性ゴム（７）を直接電極部材（３）の一方もしくは両
方に固着させることも可能である。

尚、本発明に使用される感圧センサーは上記構造に限定
されるものではなく、特に感圧導電性ゴムが分離した状
態で配置しておれば電極部材は特に限定されるものでは
ない。

第３図は本発明の応力分布検出装置の全体構成を示すブ
ロック図であり、該検出装置αＯ）は大きく分けてセン
サー部０１）、ラインコントロール部（Ｉ２）及びコン
ピュータ部（１■から構成されている。上記センサー（
市は前述の通り感圧センサー［１）を主体として構成さ
れ、各感圧導電性ゴムにかかる応力を電気信号として検
出している。該感圧センサー（１）の一方の電極部材（
３）には所定の位置に設けられた複数のポイント端子（
８）からリード線（９）が引き出されており、他方の電
極部材（３）は一枚の電極板であって、一本のライン（
以下コモンラインと記す）債）が引き出され、上記電極
部材（３１（３１間には通常１０〜１５Ｖの電圧が負荷
されている。

一方、ラインコントロール部（■は８個のマルチプレク
サ■で構成され、複数のポイント端子（８）（Ｎ×１６
個）から引出されたリード線（９）に結合した入力信号
線αｅが１６ラインごとにマルチプレクサ（日のインプ
ット側へ接続され、制御信号により所定の入力信号線（
ト）のデータ信号を選択的に取り出している。また、夫
々のマルチプレクサ■のアウトプット側には、一本の出
力信号線（１７１が入力インターフェースであるアナロ
グ−ディジタル変換ユニット（以下Ａ／Ｄ変換ユニット
という＞　ａ８１に接続され、他方一本のイネーブル信
号線■と４本のアドレス信号線（２Ｄがディジタル出カ
ニニットｑ■に接続され、ディジタル出カニニットＧｇ
）から出力されたアドレス信号が各マルチプレクサ（ト
）の入力信号線（至）（Ａｏ−Ａ）を選定し、更にはイ
ネーブル信号が特定のマルチプレクサ■を選択する。

これによって、マルチプレクサ■の出力信号は、Ａ／Ｄ
変換変換ユニット上り電圧値のディジタル信号として変
換される。

このようにして、感圧センサー（１）のポイント端子（
８）から出力された電圧信号は全てＡ／Ｄ変換ユニット
（至）へ入力される。

また、コンピュタ一部（２）は予めインプットされたプ
ログラムに従ってラインコントロール部■を制御し、且
つＡ／Ｄ変換ユニッ１−Ｇ８）から出力されたディジタ
ル信号を色調割付処理して応力分布を画像表示する機能
を有しており、まずプログラムに従ってデータ処理を行
う８ビツトもしくは１６ビツトの中央処理装置（以下Ｃ
ＰＵという）　（２２、応力分布を画像表示するＣＲＴ
ディスプレイ（以下ＣＲＴという）Ｉ２３とプログラム
を停止するための割込み処理を行うためのキー等を入力
するキーボード（至）、そしてＣＲＴ［相］及びキーボ
ード−とＣＰＵ（２）との信号授受を行うためのＣＲＴ
インターフェース■、また予めプログラムを記憶させた
外部メモリ　（本実施例ではフロッピーディスク、ハー
ドディスクあるいはカセットテープ式磁気メモリ）から
プログラムをインプットするための外部メモリ装置■と
、外部メモリ装置□□□とＣＰＵＣ２２との信号授受用
の外部メモリインターフェース（２７）、またプログラ
ムあるいは検出データ等を記憶させるためのＲＯＭＳＲ
ＡＭを含む内部記憶部（２８）、またＣＰＵＣ２２とラ
インコントロール部（■との信号の授受を行う入力イン
ターフェース（２９）、から構成されている。

上記入力インターフェース（２９）は、感圧センサー（
１）からの電圧信号をディジタル変換させるＡ／Ｄｉｍ
ユ＋＋ッ）　（１Ｂ）と、マルチプレクサ（０へ選択信
号を出力して入力信号線（１■を選定し、Ａ／Ｄ変換ユ
ニソ）ＧＥＤへ入力するデータを制御するディジタル出
力ユニソｌ−０９）から構成されている。

次に上記構成をもつ応力分布検出装置ＱＯＩを作動させ
る場合について、第４図に示される処理プログラムのフ
ローチャートを参照しながら説明する。

ＲＭ　Ａに書き込ませたプログラムをスタートさせると
、まず初期段階において外部データの取込みカウンター
がクリアにされ、外部データを受は入れる状態にする。

（ステップ１） 次いで、感圧センサー（１）の上に所定の物体を置いて
、分散している複数個の感圧導電性ゴムを夫々圧縮変形
させると、ＣＰＵ（２）から信号を受けたディジタル出
カニニットＧ！ＩＩ）は各マルチプレクサ■に対してア
ドレス信号線から４ビツトのアドレス信号を出力して入
力信号線（Ａｏ−Ａ）のアドレスを指定する。（ステッ
プ２） ディジタル出カニニット０９）はイネーブル信号を出力
して特定マルチプレクサ■を選択する。（ステップ３）
これによって、感圧センサー（１）の特定のポイント端
子から検出された電圧信号がＡ／Ｄ変換ユニット（１Ｂ
）へ入力される。

選定された入力信号線とＡ／Ｄ変換ユニット１８）間に
回路が形成され、電圧信号がＡ／Ｄ変換ユニソ）　（１
８）へ入力されてディジタル信号に変えられ、ＣＰＵＩ
２２＆よこの信号を取り込む。（ステップ４）ＣＰＵｅ
２２は取り込んだデータ信号をＲＡＭの所定アドレスへ
書き込む。（ステップ５）次いで、全マルチプレクサ■
の同じアドレスにある入力信号線（Ａｏ〜Ａ　のうちの
１つ）から信号を取り込んだか判断しくステップ６）　
、Ｎ。

の場合には再度ステップ３．４そして５を繰り返す。

ＹＥＳの場合には次のステップへ進み、マルチプレクサ
■の全アドレスの入力信号線からデータを取り込んだか
判断しくステップ７）　、Ｎｏの場合には再度ステップ
２〜７を繰り返す。

ＹＥＳの場合には次のステップへ移り、各ポイント端子
の全ての検出データを例えば３回取り込んだか判断しく
ステップ８）、ＮＯの場合にはステラ１２〜８を繰り返
す。

ＹＥＳの場合には次のステップへ移り、感圧センサーの
各端子位置の平均値（Ｗ）を演算処理（ステップ９）し
た後、初期段階で予め検出した無負荷時の各ポイントの
データ（α）を除去して第１補正値（Ｗ−α）を算出し
くステップ１０）、更に初期段階で検出した感圧センサ
ーの各位置における標準荷重と電圧値との関係式（Ｘ）
から第１補正値を更に修正して第２補正値を算出して、
各端子位置の正確な応力を求める。（ステップ１１）上
記補正を終えると、補正データは色の濃淡（色調）に割
付される。即ち、各色調は夫々予め決められた応力の数
値範囲を有しており、該データはどの数値範囲に入るか
によって所定の色調データに変換される。（ステップ１
２） 次いで、色調データはＣＲＴＣ２３）上に応力に応じた
色調で画像表示されるが、この場合各ポイント端子の位
置はＣＲＴ■上の位置に準じている。（ステップ１３） 尚、このプログラムをストップさせる場合には、キイボ
ードａ！勾より割込み処理のキーを入力する。

このような構成を有する応力分布検出装置は、例えば複
雑な曲面をもった物品が自重により感圧センサーに付加
する応力またその分布、あるいは人体の足にかかる応力
分布、また物品を把握する力及びその分布を正確に検出
して応力に応じた色調の変化を画像表示することが可能
となる。

（効果） 以上のように本発明の応力分布検出装置は、一対の電極
部材の間に感圧導電性ゴムを分散した状態で配置して、
各感圧導電性ゴムにかかる応力を電気信号として検出す
るセンサーを使用し、該センサーが受けた面圧は夫々独
立している感圧導電性ゴムによって電圧信号へ変換され
て各位置に分散している端子から検出されるために応力
分布の分解能に優れ、また各位置にある端子から検出さ
れる電気信号も全てＡ／Ｄ変換ユニットにてディジタル
化してコンピュータ部へ取込んだ後、各位置から取込ん
だデータを夫々個別に補正してより一層正確なデータと
し、かかるデータを色の濃淡に変換して応力に応じた色
調の変化を画像表示して、応力分布を視覚にて表現でき
、しかも色調によって感圧センサーの各位置に加わって
いる応力範囲を正確に知ることが出来、更には短時間に
正確な応力分布を検出できる等の効果を有している

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の応力分布検出装置に使用される感圧セ
ンサーの一部断面斜視図、第２図は第１図の感圧センサ
ーに使用される感圧導電層の平面図、第３図は本発明の
応力分布検出装置の全体構成を示すブロック図そして第
４図は本発明の応力分布検出装置を作動させるための処
理プログラムのフローチャートの概略図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一対の電極部材の間に感圧導電性ゴムを分離した状
   態で配置し、各感圧導電性ゴムにかかる応力を電気信号
   して検出するセンサー部と、上記センサー部に接続した
   入力信号線を選択してセンサー部の各位置からの電気信
   号を出力するラインコントロール部と、ラインコントロ
   ール部の出力信号をデジタル変換した後、各位置からの
   データを色調割付して画像処理するコンピュータ部を備
   えたことを特徴とする応力分布検出装置。 ２、上記センサー部は一対の電極部材間において感圧導
   電性ゴムが分離した状態で電気絶縁体中に存在し、該電
   極部材の一方がポイント状の端子になっていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の応力分布検出装置
   。 ３、上記ラインコントロール部はアドレス信号とイネー
   ブル信号をディジタルコードで供給することによって、
   マルチプレクサの入力信号線のアドレスを選定し、次い
   で特定のマルチプレクサを順次指示して選択されたセン
   サー部の各位置から電気信号を出力する特許請求の範囲
   第１項記載の応力分布検出装置。