JP2000258112A

JP2000258112A - 柔軟歪みセンサ

Info

Publication number: JP2000258112A
Application number: JP11056241A
Authority: JP
Inventors: Koji Sakurai; 宏治桜井; Hidenobu Anzai; 秀伸安齊; Shujiro Doda; 周治郎堂田; Akira Sugimoto; 旭杉本; Hiroyasu Ikeda; 博康池田
Original assignee: Fujikura Kasei Co Ltd
Current assignee: Fujikura Kasei Co Ltd
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な構造でフェールセーフな安全システムを
構成することができるセンサを提供する。【解決手段】提供する柔軟歪みセンサ１は、薄膜状の導
電体２と、樹脂材３と、リード線４a 及び４b とから構
成される。樹脂材３は、導電体２を挟むように被覆して
おり、樹脂材３の両端部からは、導電体２と接続するリ
ード線４a 及び４b が露出している。リード線間の電気
抵抗値の変化より、伸び方向の歪み量が検出できる。使
用に際しては、柔軟歪みセンサ１に変位なしの状態で所
定の張力をかける。その状態からの電気抵抗値の変化よ
り歪み量の検出を行う。このように予め張力をかけるこ
とで、断線或いは脱離等によるセンサ自体の故障や異常
を、電気抵抗値の変化から検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人の安全防護を目
的として構成される制御システム（以下、単に「安全シ
ステム」という。）等において使用する柔軟歪みセンサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】人と機械とが共同で作業する場合、人と
機械との接触による事故が発生する恐れがある。これを
防止するためには、機械可動部の作業領域（以下「危険
領域」という。）内への人の進入を監視しつつ、進入を
検知したときには機械の作業を停止する制御が必要であ
る。

【０００３】従来、このような安全システムの検出部を
構成するトランスデューサには、接触型センサとして踏
圧センサ或いはロープセンサ等が、また非接触型センサ
として光センサ等が使用されてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、踏圧セ
ンサやロープセンサは接点接触構造であるため、耐久性
の面で問題があった。また、リード線等の断線故障や接
点の酸化による接触不良が起こると、センサに人の進入
信号が入力されても検出信号が出力されないという危険
があった。

【０００５】即ち、これらのセンサを用いた安全システ
ムは、センサ自体の故障や異常を検知し通報するという
正常性の確認が保証されておらず、所謂「フェールセー
フな構造」とはなっていなかったのである。

【０００６】これに対し、接点を非接触構造として、複
数の異なる方式によるセンサを組み合わせることで安全
を確保する方法が提唱されている。この方法では、シス
テム全体が複雑となり、また大がかりになり過ぎるとい
う問題がある。

【０００７】一方、光センサは、検出可能な距離が短い
など取り付けに制約が多く、環境によっては使用できな
い場合がある。そこで、本発明は、このような状況に鑑
み、多様な環境で使用でき、且つ簡易な構造でフェール
セーフな安全システムを構成することができるセンサを
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため、本発明では上
記センサとして、薄膜状に形成した導電体と、電気絶縁
性及び弾性を有し、前記導電体を挟んで保持する樹脂材
と、前記導電体の両端部と電気的に接続されて、前記樹
脂材より露出する端子部とを含んで構成され、前記端子
部間の電気抵抗値の変化から歪み量を検出するようにし
た柔軟歪みセンサを提供する。

【０００９】前記導電体は、導電性フィラー（カーボ
ン、銀、銅、ニッケル等）を熱可塑性樹脂、エラストマ
或いは熱硬化性樹脂等に分散して構成する。また、要求
される特性に応じて各種溶剤及び添加剤を加える。

【００１０】前記樹脂材としては、以下に掲げる高分子
物質が好ましい。１. 天然ゴム、シリコンゴム、ウレタンゴム、クロロプ
レンゴム、アクリルゴム、ブタジエンゴム或いはホスフ
ァゼンゴム２. 上記高分子化合物を含むゴム状弾性体（アクリロニ
トリルブタジエンコポリマー、エチレンアクリレートコ
ポリマー、スチレンブタジエンコポリマー、エチレンブ
タジエンコポリマー或いはウレタンエポキシコポリマー
等）３. 使用温度の範囲内にて十分な伸縮性及び耐久性を呈
するその他のエラストマ（エチレンプロピレンコポリマ
ー（ターポリマー）、エチレン酢酸ビニルコポリマー
等）導電体及び樹脂材は、センサとして要求される特性や使
用環境に応じて、最適なものを選択し、任意の形状に形
成することができる。

【００１１】柔軟歪みセンサの伸び方向の歪み量を検出
する場合には、導電体及び樹脂材を長手方向に形成する
ことが好ましい。（請求項２）。具体的な使用に際し、
センサを機械的に固定するため、樹脂材の長手方向の両
端部の幅が中間部の幅より大きくなるようにして、セン
サの両端部に把持部を形成する（請求項３）。

【００１２】その際、樹脂材を、その幅が中間部から把
持部の間で滑らかに増加するように、形成することが好
ましい（請求項４）。固定されたセンサの両端には導電
体と接続した端子部が設けられており、この端子部より
センサ出力信号を検定回路に伝送し、レベル検定を行う
ことで、安全システムを構成することができる。

【００１３】ここで、導電体を、その幅が前記樹脂材の
最小幅より小さくなるように形成することで、保護し、
センサの特性を安定して維持することが好ましい（請求
項５）。

【００１４】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、従来の導
電性ゴム（ゲル）と異なり、導電性フィラーを樹脂材へ
直接練り込んでセンサを構成しないため、十分な柔軟性
を確保することができる。また、本センサは、この様な
柔軟性を持たせるための外添成分（可塑剤等）を必要と
しないため、特性値や安定性の面で優れている。

【００１５】請求項２に係る発明によれば、導電体と樹
脂材とを長手方向に形成することで、最大限の伸縮性
（ 1200 〜 1500 ％の変位）を得ることができる。ま
た、樹脂材の種類と形状とを妥当に選択すれば、数cm程
度の小さな変位から、数十cm以上の大きな変位まで検出
することも可能である。従って、本センサによれば、伸
び方向の変位を広い範囲で検出することができる。

【００１６】請求項３に係る発明によれば、把持部を形
成することでセンサをシステム内に容易に組み込むこと
が可能となる。また、中央部に歪みエネルギが集中する
という効果が得られるため、把持部の変形を防止して、
センサを確実に固定することができる。

【００１７】請求項４に係る発明によれば、中央部と把
持部との間で局所的に生じる応力集中を防ぐことがで
き、センサの強度（引張り等に対する強さ）が高まると
いう効果が得られる。このため、樹脂材の破損を回避す
ることができる。

【００１８】また、強度が高まったことにより、中央部
の幅をより狭くして使用することも可能となり、センサ
の感度（引張り方向に作用する外力の大きさに対する歪
み量）を高めることができるという効果も得られる。

【００１９】従って、センサの使用範囲を広げることが
できる。請求項５に係る発明によれば、導電体が保護さ
れるとともに、センサの出力特性（歪み量に対する電気
抵抗値の変化）がより敏感になるという効果が得られ
る。また、導電体の幅は任意に設定することができるた
め、センサの出力特性は任意に設定することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態に係
る柔軟歪みセンサ１の平面図である。図２は、図１に示
す柔軟歪みセンサ１の A−A 断面図である。

【００２１】以下、図１及び図２を参照して、本発明の
一実施形態に係る柔軟歪みセンサ１の構造について説明
する。柔軟歪みセンサ１は、導電体２（斜線を入れて示
す部分）と、樹脂材３と、リード線４a 及び４b とから
構成される。導電体２の電気抵抗値の変化がリード線
（４a 、４b ）を介して出力され、センサ１の伸び方向
の歪み量が検出できる。

【００２２】導電体２は、薄膜状に形成されて長手方向
に延在しており、その両端部２e1、２e2の間の電気抵抗
値が０〜３０％の変位（歪み）に比例して増大する（こ
の際、電気抵抗値は２〜３倍に変化する）。

【００２３】樹脂材３は、電気絶縁性と十分な伸縮性と
を併せ持つシリコンゴムから構成され、導電体２を挟み
込むようにして被覆している。樹脂材３の長手方向の両
端部には、中間部３m より大きい幅を有して形成された
把持部３e1及び３e2が設けられている。中間部３m と各
把持部３e1及び３e2との間は、滑らかに接続されている
（少なくとも図に示すｘ部が滑らかに接続している必要
があり、ｙ部はそうである必要はない）。

【００２４】導電体２は、樹脂材３の最小幅（図では、
中間部３m における幅）より小さく且つ長手方向に均一
な幅を有している。リード線４a 及び４b は、導電体２
の各両端部２e1及び２e2とそれぞれ電気的に接続されて
おり、樹脂材３の両端部から外部に露出している。それ
ぞれの露出した部分に図示しない端子を取り付けて、各
リード線４a 及び４b と前記各端子とで端子部を構成す
る。

【００２５】柔軟歪みセンサ１の各構成要素は、例えば
図２に示すように配置されて、接着され、粘着され或い
は摩擦力等により固定されている。先に述べたように、
導電体２及び樹脂材３は、センサとして要求される特性
（強度、感度或いは出力特性等をいう。以下「要求特
性」という。）に応じて、多様な形状に形成することが
できる。

【００２６】図３A 〜３C は、導電体２を、その幅を変
えて形成した例である。図３A 、３B に示すように、導
電体２の幅を均一に変えるばかりでなく、図３C に示す
ように、両端部２e1及び２e2と中間部２m とで幅を変化
させて形成することもできる。図３C では、中間部２m
の幅を小さくした例を示したが、中間部２m の幅を両端
部２e1及び２e2より大きくして、導電体２を形成しても
よい。

【００２７】また、図４A 、４B に示すように、中間部
２m において幅をさらに変化させて、形成してもよい。
更に、要求特性に応じて、導電体２を、図５A 〜５C に
示すような複雑な形状に形成したり、或いは、使用環境
に応じて、図５D に示すように両端部２e1及び２e2（リ
ード線４a 及び４b ）が樹脂材３の把持部３e1或いは３
e2のいずれか一方に配置するように、形成することもで
きる。

【００２８】当然、複数の薄膜状或いは線状の導電体を
並列に配置することも可能である。以上は導電体２の幅
を変化させた例について示したが、同様に厚さを変化さ
せて要求に対応することもでき、また層状に形成するこ
ともできることは説明するまでもない。

【００２９】樹脂材３についても同様であり、中間部３
m の幅や厚さを変化させて、多様な要求に対応すること
ができる。図６A 、６B は、中間部３m において幅をさ
らに変化させて樹脂材３を形成した例である。

【００３０】また、本実施形態では、樹脂材３の両端部
の幅を大きくすることで把持部３e1及び３e2を形成した
が、中間部３m の幅が大きい場合には、両端部の厚さを
中間部より厚くすることで、把持部３e1及び３e2を形成
してもよい。

【００３１】本発明に係る柔軟歪みセンサは、樹脂材を
膜状に形成するだけでなく、棒状に形成することもでき
る。図７A に示す柔軟歪みセンサ７１は、樹脂材を丸棒
状に形成したものである。尚、図中７２は導電体を、ま
た７３は樹脂材を示している。

【００３２】樹脂材７３の断面形状は円状に限らず、半
円状、円弧状或いは輪状に形成でき、延いては所望のい
かなる形状に形成することも可能である。図７A は、薄
膜状の導電体７２を、樹脂材７３の中心に位置するよう
に、形成したものである。導電体７２の幅は、要求特性
に応じて任意に設定する（以下同じ）。

【００３３】図７B は、導電体７２を中心から外して
（オフセットして）配置したものである。導電体７２は
任意の形状に形成することができるから、図８A に示す
ように断面を円弧状に形成してもよい。

【００３４】図７C は、導電体７２を層状に設けたもの
である。同様に、これらの断面を円弧状に形成してもよ
い（図８B ）。図には２層に形成した例を示したが、３
層に或いはそれ以上形成することもできる。

【００３５】導電体は、薄膜状に限らず、歪みの方向或
いは大きさに合わせた形状に形成する。例えば図８C
は、導電体を棒状に形成したものである（７４）。導電
体の断面形状は、円形或いは方形等任意に形成する。導
電体を螺旋状に形成すれば、捻じり方向の歪みを検出す
ることができる。

【００３６】次に、本実施形態に係る柔軟歪みセンサ１
を使用して構成した、安全システムを提案する（図
９）。図９を参照すると、９１は、安全システムの検出
部を構成する接触検出装置を示しており、柔軟歪みセン
サ１は、接触検出装置９１のトランスデューサとして用
いられている。

【００３７】柔軟歪みセンサ１の把持部（３e1、３e2）
の一方は、接触検出装置９１の基盤９１a と一体に形成
された把持具９１b によって、上下から締め付けられる
ようにして固定されている。また、他方の把持部は、基
盤９１a と柔軟歪みセンサ１の伸び方向に移動可能に噛
み合う可動部９１c に、同様に固定されている。

【００３８】可動部９１c には、人或いは物体（以下
「人等」という。）の接触により変位する検出部材９２
（ロープ或いはワイヤ等の線状部材）の一端が連結され
ている。

【００３９】検出部材９２は、人と機械とが共同で作業
（例えば、ベルトコンベア等を使用しての荷物運搬作
業）を行う空間（以下「作業空間」という。）におい
て、危険領域と安全領域とを隔てるようにして張られ
る。

【００４０】検出部材９２の他端は固定壁９３に固定さ
れている。柔軟歪みセンサ１には、検出部材９２の変位
なしの状態において所定の張力Ｔがかけられている。検
出部材９２に人等が接触して変位すると、柔軟歪みセン
サ１には伸び方向のひずみεが生じ、導電体（２）の電
気抵抗値ｒが変化する。

【００４１】柔軟歪みセンサ１からの出力信号は検定回
路９４に伝送される。検定回路９４は、電気抵抗値ｒが
所定の範囲内にあるか否かを判定する。前記所定の範囲
は、張力Ｔでの歪み量ε0 より小さい歪み量ε1 に対応
する抵抗値ｒ1 と、張力Ｔでの歪み量ε0 より大きい歪
み量ε2 に対応する抵抗値ｒ2とによって定義される。

【００４２】即ち、検定回路９４は、電気抵抗値ｒが、
下式（１）の範囲内にあるときに検知出力信号を生じ、
その範囲外にあるときには検知出力信号を生じない。ｒ
1 ≦ｒ≦ｒ2 ・・・（１）検定回路９４の検知出力信
号は、機械制御装置９５へ入力される。

【００４３】機械制御装置９５は、検定回路９４から検
知出力信号を受けているとき、即ち、検出部材９２に人
等が接触しておらず、歪み量εが小さく、また張力Ｔが
妥当に維持されているとき（ε1 ≦ε≦ε2 ）に機械の
作動を許可する。

【００４４】一方、検知出力信号ゼロを受けたとき、即
ち、センサ１が把持具９１b 或いは可動部９１c のいず
れかにおいて緩んだり、外れたりした場合（ε＜ε1 ）
や、人等が検出部材９２に接触したり、センサ１が劣化
して部分的に或いは完全に断線した場合（ε2 ＜ε）に
は機械の作動を禁止する。

【００４５】このように、本発明に係る柔軟歪みセンサ
１によれば、センサ自体の故障や異常を検知し通報する
という正常性の確認が保証された所謂フェールセーフな
安全システムを、簡易且つ廉価な構造で構成することが
できる。

【００４６】尚、検定回路９４は、公知のいかなるフェ
ールセーフなウィンドウコンパレータ回路を利用して構
成することができる。また、柔軟歪みセンサ１を１つ使
用しただけでは人等が接触したことだけしか検出できな
いが、２つ或いはそれ以上使用することにより、いずれ
の方向から人等が接触したのかを判定することができ
る。

【００４７】柔軟歪みセンサ 101（図１０）によって
も、同様に、方向を含めた検出が可能である。柔軟歪み
センサ101 は、樹脂材３の両端部のうちいずれか一方が
分岐して、Ｙ状をなしている。分岐した各枝について把
持部３e2、３e2′（或いは３e1、３e1′）が形成されて
いる。２つの導電体２、２′を設け、それぞれ各把持部
３e2及び３e2′と他の把持部３e1との間に配置する。

【００４８】把持部３e2、３e2′のそれぞれについて可
動部９１c を設け、検出部材９２を水平或いは垂直に並
べて張れば、導電体２、２′の歪み量の違いから接触し
た方向を判定することができる。

【００４９】また、使用環境に応じて、樹脂材３の両方
の端部を分岐させて、Ｘ状に形成してもよい。柔軟歪み
センサ 111（図１１A ）は、樹脂材３の中間部３m に孔
部Ｈを設けたものである。孔部Ｈを設けたことにより、
長手方向の歪みに加え、半径方向の歪みが生じる。

【００５０】柔軟歪みセンサ 121 (図１１B ) は、樹脂
材３を３方向に延伸して形成したものである。各端部３
e1〜３e3を検出部材と連結すれば、作業空間を３つに分
割して、安全を防護することができる。また、その方向
をさらに増やして形成することも可能である。

【００５１】柔軟歪みセンサ 111′及び 121′ (図１２
A 及び１２B ) は、センサ111 及びセンサ121 において
導電体の形状を変更したものである（便宜上、導電体と
樹脂材のみを示す）。センサ 111′は２つの薄膜状（線
状）の導電体を含んで構成され、センサ 121′は３つの
薄膜状（線状）の導電体を含んで構成されている。

【００５２】柔軟歪みセンサ 111′を利用して、導電体
２、２′の半径方向の歪み量の違いに着目することによ
り、また、センサ 121′を利用して、導電体２〜２″の
歪み量の違いに着目することにより、多彩な情報を得る
ことができる。

【００５３】以上の説明では、柔軟歪みセンサに引張り
方向の外力が作用する例について説明したが、本センサ
の利点を生かすことにより、圧縮方向、曲げ方向或いは
捻じり方向の外力を受けるセンサを形成することもでき
る。

【００５４】図１３に示す柔軟歪みセンサ131 は、円弧
状の断面をもって長手方向に形成した樹脂材133 で、薄
膜状の導電体132 を被覆して構成したものである。柔軟
歪みセンサ131 を図の上方から押圧したときに生じる歪
みによって、導電体132 の電気抵抗値が変化する。導電
体132 の断面は、外力が付される方向を考慮した形状に
形成され、特に、円弧状に形成することが好ましい。

【００５５】図１４A 〜１４C に示す柔軟歪みセンサ14
1 〜 141″は、圧縮方向の外力を受ける使用環境に適
し、ボタンのように機能するものの例である。半球状の
樹脂材143 〜 143″で、１つ或いは複数の薄膜状（線
状）の導電体（142 〜 142″）を被覆して構成されてい
る。センサ 141″は、線状の導電体 142″を螺旋状に形
成したものであり、樹脂材 143″の表面全体に渡って均
一な出力特性を得ることができる。尚、図中145 は、リ
ード線を通す貫通孔である。

【００５６】以上のように、本発明に係る柔軟歪みセン
サは、使用目的に最適な特性及び形状をもって構成する
ことができる。従って、前述の安全システムに使用する
接触検出装置に限らず、自動ドア、電動シャッター、可
動ローラ或いは無人搬送車等に設置する接触検出装置に
適用することができる。また、線状に形成した多数の導
電体を並列に配置して、これらをマット状に形成した樹
脂材で被覆して柔軟歪みセンサを構成すれば、安全マッ
ト等に設置する接触検出装置に適用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る柔軟歪みセンサの
平面図

【図２】同上柔軟歪みセンサのＡ−Ａ断面図

【図３】導電体の形状の基本的な変更例を示す図

【図４】図３に示す変更例を更に変化させたものを示
す図

【図５】複雑な形状に形成された導電体の例を示す図

【図６】樹脂材の形状の変更例を示す図

【図７】棒状に形成された柔軟歪みセンサの例を示す
図

【図８】図７に示す柔軟歪みセンサにおける導電体の
形状の変更例を示す図

【図９】本発明の一実施形態に係る柔軟歪みセンサを
含んで構成された安全システムの構成例を示す図

【図１０】接触方向の検出が可能な柔軟歪みセンサの例
を示す図

【図１１】多方向の歪みを検出する柔軟歪みセンサの例
を示す図

【図１２】図１１の柔軟歪みセンサを発展させて構成し
たセンサを示す図

【図１３】断面を円弧状に形成した柔軟歪みセンサの例
を示す図

【図１４】半球状に形成した柔軟歪みセンサの例を示す
図

【符号の説明】

１柔軟歪みセンサ２導電体（導電性フィラー）３樹脂材（シリコンゴム）４リード線９１接触検出装置９２検出部材９３固定壁９４検定回路９５機械制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉本旭東京都小金井市貫井北町３丁目１番小金井公務員住宅18−21 (72)発明者池田博康埼玉県所沢市大字北秋津720番地の３ソフィア所沢402 Ｆターム(参考） 2F063 AA26 AA49 AA50 BA29 BD15 CA29 DA05 EC03 EC04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜状の導電体と、電気絶縁性及び弾性を有し、前記導電体を挟んで保持す
る樹脂材と、前記導電体の両端部と電気的に接続されて、前記樹脂材
より露出する端子部と、を含んで構成され、前記端子部間の電気抵抗値の変化から歪み量を検出する
ようにしたことを特徴とする柔軟歪みセンサ。
【請求項２】前記導電体及び前記樹脂材を長手方向に形
成して、伸び方向の歪み量を検出するようにしたことを
特徴とする請求項１記載の柔軟歪みセンサ。
【請求項３】前記樹脂材の長手方向の両端部の幅を中間
部の幅より大きくして、前記両端部を把持部としたこと
を特徴とする請求項２記載の柔軟歪みセンサ。
【請求項４】前記樹脂材を、その幅が中間部から把持部
の間で滑らかに増加するように形成したことを特徴とす
る請求項３記載の柔軟歪みセンサ。
【請求項５】前記導電体を、その幅が前記樹脂材の最小
幅より小さくなるように形成したことを特徴とする請求
項２〜請求項４のいずれか１つに記載の柔軟歪みセン
サ。