JPH01184401A

JPH01184401A - 角度センサ

Info

Publication number: JPH01184401A
Application number: JP760488A
Authority: JP
Inventors: Mineo Fujimura; 藤村　峰夫; Masaki Nagata; 正樹永田; Yoshinao Aoki; 青木　由直; Toshio Kawashima; 稔夫川嶋
Original assignee: Japan Synthetic Rubber Co Ltd
Current assignee: JSR Corp
Priority date: 1988-01-19
Filing date: 1988-01-19
Publication date: 1989-07-24
Anticipated expiration: 2012-06-04
Also published as: JP2615738B2

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］本発明は角度センサに関し、詳しくは、ロボットハンド
等の関節部に取付けて関節における曲げ角度を検出する
のに好適な角度センサに関する。

［従来の技術］ロボットハンドを遠隔操作する技術や、手足等に障害を
受けた人のためのリハビリテーションにおいては、その
ときの動作によって発生する形状の変化を認識する必要
があり、かかる手段として例えば関節部における曲げ角
度を検出するのに角度センサがある。第８図はこのよう
な従来の角度検出センサの一例を示す、本例はゴニオメ
ータ（角度測定装置）を利用した例で、ここで、１０１
は回転軸１０２の周りに互いに回動自在としたアーム、
１０３はその回転部分に組込まれたポテンションメータ
である。

このような角度検出センサを例えば膝関節に取付ける場
合は、その回転軸１０２を図示しない関節部における曲
げ中心を一致させるようになして、２つのアーム１０１
．１０１をそれぞれ大腿部および下腿部に固定するが、
人体や多関節ロボットにおいては、その関節部における
曲げ動作が多軸周りの運動となるために、このような角
度検出器を取付けると、被検出体の運動が妨げられる。

そこで、かかる欠点を解消すべく、第９図に示すような
導電性ゴムを用いたフレキシブル角度センサが開発され
ている（医用電子と生体光学：昭和６１年６月号、　１
８３ｐ〜１８６ｐ参照）、このフレキシブル関節角度セ
ンサは、第９図（Ａ）および（Ｂ）　に示すようにゴム
状弾性梁２０１の相対する両面に導電性ゴムの帯状体２
０２を貼設したもので、かかる弾性梁２０１を図示しな
い関節部に沿わせて取付けることにより、関節部の動き
につれて、弾性梁２０１に発生する曲げ変形が導電性ゴ
ムの帯”状体２０２の電気抵抗「１〜「４の変化として
その（Ｃ）に示すように構成したブリッジ回路を介して
取出される。すなわち、本例によれば、前記のゴニオメ
ータを用いた例とは異なり、多軸周りの運動を検出する
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、第９図に示したようなフレキシブル角度
センサでは導電性ゴムの帯状体２０２から電気抵抗を取
出すための回路を接続するにあたり、導電性ゴムに銅線
を貫通させた上、これにリード線をはんだ付は等で接続
するように構成されているので、膝関節や腕関節のよう
に比較的大型の関節部には適用できるが、例えば指関節
等のように小型の関節部や多関節が形成される場合には
、銅線の突出部やリード線が装着の妨げとなる。

本発明の目的は、上述したような従来の問題点に着目し
、その解決を図るべく、多関節ロボットハンドや人の手
指のように小型の複雑な関節部にも装着することができ
、かつ全体としての曲げ角度のみならず、部分的な曲げ
角度をも検出することができ、低電圧の計測回路により
信号処理が可能な角度センサを提供することにある。

［課題を解決するための手段］かかる目的を達成するために、本発明は、互いに離間し
て配列された複数の電極および複数の電極の個々に接続
された出力端子が両面のうち少なくとも一方の面に形成
された帯状の可撓性回路基板に、帯状の導電性弾性体を
接触させて配属したことを特徴とする。

本発明によれば、関節部の曲げ動作を行った場合、帯状
の導電性弾性体がこれと一体化された偏平な可撓性回路
基板と共に撓むので、上記帯状の導電性弾性体に発生す
る電気抵抗の変化を可撓性回路基板の電極を介して自在
に取出すことができ、しかもこの検出動作において、初
期抵抗が小さく、かつ曲げに伴う抵抗値の変化が大きい
ので、検出回路に使用される印加電圧を低くしても高精
度の検出値を求めることができ、さらに全体としての曲
げ角度のみならず、部分的な曲げ角度をも検出すること
ができ、多関節ロボットや人の手指に装着するに好適な
角度センサを提供することができる。

以下に、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図（八）〜第１図（Ｃ）は本発明の一実施態様を示
す。これらの図において、１は可撓性回路基板、２は基
板１上に互いに離間して配列された電極、３は出力端子
、４は出力端子３と電極２とを接続している信号引出線
、５は基板１上の信号引出線を隔絶している絶縁膜であ
る。しかして、このように形成された可撓性回路基板１
上の複数の、好ましくは３個以上、特に５個以上の電極
２にまたがって導電性弾性体６が一体化して構成されて
いる。なお、この導電性弾性体６は図示のように帯状を
なし、好ましくは後述するようにして絶縁性の弾性体中
に導電性磁性体粒子を導電性弾性体の面に沿って電極２
の配列された方向に配列させ、かつ電極との接触抵抗を
低減するために厚さ方向に配向して構成されるものであ
り、一方、可撓性回路基板１としてはポリイミド、ポリ
エスチル、シリコンゴム等からなる基材上にメツキ法、
エツチング法、蒸着法、スパッタリング法。

印刷法、電鋳転写法等の技術により導体回路を形成した
、好ましくは厚さ０．２〜２　ｍｍ、幅１〜１０ｍｍ、
長さ５〜５ＱＯｍｍ程度のものが使用される。

この可撓性回路基板１上には電極２が、通常、５〜５０
０ｍｍ程度の間隔で形成されており、信号引出線４の間
隔は通常０．１〜０．５ｍｍ程度である。また、絶縁膜
５の材質としては、ポリイミド、ポリエステル等が挙げ
られる。

しかして、このような可撓性回路基板１上に導電性弾性
体６を一体化して成形するにあたっては、まず、架橋処
理すると硬化して絶縁性弾性体が得られるような、例え
ばシリコーンゴム等の高分子弾性体材料中に導電性磁性
体粒子を所定の体積比率、例えば好ましくは２０％以上
、特に３０％以上の割合で混合し、これを帯状に成形す
る。次に、このように成形したものを可撓性回路基板１
上に重ね合わせた上、磁場を作用させる磁場処理を施し
、この処理と同時もしくはこの処理後の加熱による架橋
処理によって弾性体材料を硬化させ、導電性磁性体粒子
を導電性弾性体６の厚さ方向に配向させることができ、
それによって電極２と導電性弾性体６との間の電気的抵
抗を低減させることができる。

第２図は、上述したような磁場処理と架橋処理とを同時
に実施するための製造装置の概要を示す。ここで、１１
は磁性体による金型本体、１２は同じく磁性体の金型上
板、１３はヒータ１４を有する加熱板、１５は電磁石で
あり、上述したようにして可撓性回路基板１と重ね合わ
された導電性弾性体６の成形素材１６を金型本体１１と
金型上板１２との間に挟持させるようになし、その厚さ
方向に磁場を作用させながらヒータ１４により加熱する
ことによって、磁場処理と併行して架橋処理を達成し、
導電性弾性体６の導電性磁性体粒子の配向を構成するこ
とができる（特公昭６２−１７８２５号公報参照）。こ
の場合においては、第３図に示すような磁極板２１を用
いて磁場処理を行うことが好ましい。第３図に示す磁極
板２１の中心部には帯状の突出部２２が形成されており
、図示しない同形の磁極板２１を対向させた状態で重ね
合わせると共に双方の突出部２２間に可撓性回路基板１
と導電性弾性体６の成形素材１６との積層体を挾持させ
、磁場処理を行うことができ、さらに加熱手段を併用す
ることにより、架橋処理を同時に実施することができる
。ここで、突出部２２は、可撓性回路基板ｌ上の電極２
の配列に一致させる。この場合、成形素材１６中の導電
性磁性体粒子が突出部２２の位置で凝集して配列される
ので、導電性磁性体粒子を混入する体積比率を低くする
ことができ、例えば４％以上であればよく、これによっ
て、特にすぐれた弾性を有する導電性弾性体を得ること
ができ、更にこれによって初期抵抗値の低い、角度セン
サを得ることが可能である。

なお、本発明に用いる導電性弾性体の厚さは、通常、０
．２〜２ｍｍ程度である。

ここで、上述した導電性磁性体粒子としては、鉄、コバ
ルト、ニッケル、およびこれらの合金の金属粒子、並び
にこれらの粒子に金、銀、白金。

ロジラム等貴金属のメツキを施したものが好適であり、
一方、絶縁性弾性体としては電気的に絶縁ゴム、ブタジ
ェンゴム、スチレン−ブタジェンゴム、アクリロニトリ
ル−ブタジェンゴム、エチレンープロピレンージエンタ
ーボリマー、ウレタンゴム、シリコーンゴム等を挙げる
ことができ、好ましくはシリコーンゴム、ウレタンゴム
等を挙げることができる。

ついで、第４図に従って本発明角度センサによる抵抗測
定回路の構成について説明する。本発明においては、可
撓性回路基板１上に導電性弾性体６が配置された部分を
関節部に沿って設けるようにするもので、関節部の屈曲
に従い、導電性弾性体６中に発生する電気抵抗の変化を
各電極２および出力端子３を経て、個々に取出すことが
できる。そこで、本例のように直列に配置された抵抗か
ら個々の部分の抵抗変化を求める場合、その直列の抵抗
をユニットとして考え、例えば第４図に示すように構成
する。

ここで、Ｒ１，Ｒ２およびＲ５は測定されるべぎ抵抗で
あり、５１〜Ｓ４はスイッチ素子、またＲｏは基準抵抗
、ＶＩＮは印加電圧であって、いま、抵抗Ｒ２における
抵抗変化を求める場合は、スイッチ素子Ｓ、およびＳ２
のみを“オン”とすればよく、抵抗Ｒ２の場合はスイッ
チ素子Ｓ２およびＳ、のみを、また、抵抗Ｒ５の場合は
スイッチ素子Ｓ、およびＳ４のみを“オン”とすればよ
い。

第５図（＾）は本発明の他の実施態様を示す。本実施態
様は、可撓性回路基板１の離間して配置された複数の電
極２間に予め絶縁性弾性帯７を形成しておき、その後に
先例で説明したと同様の導電性弾性体６を形成したもの
である。また、第５図（Ｂ）に示すように、導電性弾性
体６を凹凸のある断面形状に形成し、その一部に集中し
て導電部８を形成するようにしてもよい。なお、この場
合の他の構成については第１図（Ａ）に示した例と同様
である。

第６図は本発明の更に他の実施態様を示す。本実施態様
は両面に電極２、信号引出線および出力端子３が形成さ
れた、可撓性両面回路基板３１を用いて、角度センサを
構成した例である。従って、このような可撓性両面回路
基板３１の両面に沿って、離間して配列された電極２上
に、第１図（Ａ）や第５図（Ａ）または第５図（Ｂ）の
例にならい導電性弾性体６を一体化して成形することに
より、両面の導電性弾性体６を介して電気抵抗の変化を
取出すことができ、複雑な曲げ方向に対してもその曲げ
角度の検出が可能な角度センサを得ることができる。

なお、上記の離間して配列された複数の電極および該複
数の電極に個々に接続された出力端子並びに帯状の導電
性弾性体は、可撓性回路基板に複数組配置することがで
きる。

［実施例］罠直■ユ導電性磁性体粒子として金メツキされた平均粒子径が４
０μｍのニッケル粒子を体積分率１０％および、絶縁性
弾性体として１０重量％の架橋触媒を含有する室温硬化
型シリコンゴム（信越化学社製、にＥ１８００ＲＴＶ）
を体積分率９０％の割合で混合し、厚さ１　ｍｍ、幅４
ｍｍ、長さ１００ｍｍのシート状の未架橋の成形素材を
成形した。

次にこのような未架橋の成形素材を離間距離が１００ｍ
ｍの３つの電極、スルーホールを有する出力端子および
前記電極とスルーホールとを接続する信号引出線を有し
、該信号引出線と導電性弾性体とを隔絶するポリイミド
フィルムからなる絶縁膜を有するポリイミド製可撓性回
路基板とを前記電極を覆うように重ね合わせた上、第２
図に示した構成の製造装置により磁場強度ｔｓｏｏガウ
スで磁場処理をすると同時に、温度８０℃で１時間にわ
たって架橋処理を行い、これによって幅１０ｍｍ、厚さ
４ｍｍ、長さｌｏＯｍｌｌの第１図（Ａ）に示すような
形の角度センサを得ることができた。

しかして、このようにして得られた角度センサにより曲
げ角度と電気抵抗との関係を測定した結果、第７図に示
すように低抵抗でしかも角度変化に対応する抵抗値変化
が大きい高感度特性を有するものであることが確認でき
た。

［発明の効果］以上説明してきたように、本発明によれば、角度センサ
を、互いに離間して配列された複数の電極および該複数
の電極の個々に接続された出力端子が、両面のうち少な
くとも一方の面に形成された帯状の可撓性回路基板に、
帯状の導電性弾性体を接触させて配置して構成したので
、極めて薄型で軽量かつ柔軟性のある形状とすることが
できて、人の指の関節やロボットハンドの多関節等小型
の関節部に装着して曲げ角度に応じて抵抗値が増減する
ことによる曲げ角度の検出が容易となり、また、この場
合、曲げ以前の初期抵抗が小さく、かつ曲げに伴う抵抗
値の変化が大きいので、回路に印加する電圧が低くてす
み、さらに全体としての曲げ角度のみならず、部分的な
曲げ角度をも検出することができ、しかも高精度の測定
を実施することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（＾）および第１図（Ｂ）は本発明角度センサの
構成の実施態様を示すそれぞれ断面図および上面図、第１図（Ｃ）はその構成要素である可撓性回路基板の平
面図、第２図は本発明角度センサの製造装置の一例を示す模式
図、第３図は別の形態の製造装置用磁極板の一例を示す斜視
図、第４図は本発明にかかる抵抗値検出用回路の一例を示す
回路構成図、第５図（＾）および第５図（Ｂ）は本発明の他の実施態
様のそれぞれの構成を示す断面図、第６図は本発明の更
に他の実施態様を示す断面図、第７図は本発明による角度センサを用いて測定した抵抗
値と曲げ角度との関係を示す特性曲線図、第８図および第９図は従来の曲げ角度検出手段の２つの
形態のそれぞれ説明図である。ｌ・・・可撓性回路基板、２・・・電極、３・・・出力端子、４・・・信号引出線、５・・・絶縁膜、６・・・導電性弾性体、７・・・絶縁性弾性帯、８・・・導電部、１１・・・金型本体、１２・・・金型上板、１３・・・加熱板、１４・・・ヒータ、１５・・・電磁石、１６・・・導電性弾性体の成形素材、２１・・・磁極板、２２・・・突出部、３１・・・可撓性両面回路基板、Ｒ，〜Ｒ４・・・抵抗、５１〜Ｓ４・・・スイッチ素子。第２図第３図く　　　　　　　　　　の第４図第６図（Ａ）第５図第７図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

１）互いに離間して配列された複数の電極および該複数
の電極の個々に接続された出力端子が両面のうち少なく
とも一方の面に形成された帯状の可撓性回路基板に、帯
状の導電性弾性体を接触させて配置したことを特徴とす
る角度センサ。