JPH0192603A

JPH0192603A - 歪み、応力検知センサー素子

Info

Publication number: JPH0192603A
Application number: JP63153402A
Authority: JP
Inventors: Sumi Iwatsuru; 岩鶴　寿美; Minoru Fukui; 福井　実
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1989-04-11

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〕本発明は歪み、応力検知センサー素子に関する。

〔従来の技術〕

人体の肘、膝の屈曲部分のような大きな伸長、屈曲、圧
縮、ねじれ等の変形（以下伸長等の変形と称す）を電気
的に検出することが必要な場合がある。このような検出
に際して伸長等の変形によって電気抵抗値が減少する素
材を用いる方法と、伸長等変形によって電気抵抗値が増
大する素材を用いる方法の何れかを採用することが考え
られる。

前記伸長等変形によって電気抵抗値が増大する素材とし
ては、例えばストレーンゲージがあげられる。しかしス
トレーンゲージに用いられる金属線の変形率は極めて小
さく　（１％以下）、シたがって例えば人体の肘、膝等
の屈曲部分のような大きな伸長等の変形の検出に用いる
ことができない。

一方伸長等変形によって電気抵抗値が減少し、且つ大き
な伸長等の変形の検出に用いることのできるシートが知
られている。例えば本発明と同一の出願人によって、絶
縁性の高分子エラストマーに薄片状の形状をした導電性
フィラーを入れることにより、フィラーの面に平行な方
向で伸長した際に、伸長方向の導電性が向上するシート
が提案されている（特開昭６１−８０７０８号公報参照
）。又、本発明と同一の出願人によってシート状物を構
成する糸の交絡部分および交絡部分間についての電気導
通性又は電気絶縁性を下記の条件を満たすように形成す
ることによって任意の方向に伸長等の変形を加えた場合
にその電気抵抗値が変化する変形感電性編織物が提案さ
れている（特開昭６１＝２０１０４５号公報参照）。

■　編織物の所定の面積中における全交絡部分の中で、
電気的に絶縁状態にある交絡部分の数をβ、とし、電気
的に導通状態にある交絡部分の数を１２とした場合にそ
の比１ｒ／Ｉｌｚの値が一平方インチ当りの測定値で１
／９以上であること；■　前記編織物を構成するそれぞ
れの糸の長手方向一定長での隣り合う複数の交絡部分間
について、電気的に絶縁状態である交絡部分間の数をｍ
、とし、電気的に導通状態である交絡部分間の数をｍ２
とした場合に、その比ｍ１／ｍ２の値が１インチ当りの
測定値で１／９以上であること。

前述のように伸長等の変形を加えた際に電気抵抗値が減
少するシート状物を伸長導電性シートと称する。又この
ような伸長導電性シートを用いて被験体の伸長等の変形
挙動を検知するために、伸長導電性シートの任意の２点
に電極を取りつけた素子を伸長導電素子と称する。

本発明と同一の出願人は又、前記伸長導電素子を組み込
んで、被験体への接着固定手段を有し、被験体の動きを
電気的信号に変換させる素子（以下センサー素子と称す
る）を提案している（特開昭６１−２５９１０３号公報
参照）。

かくして前記伸長導電性シートは伸長等の変形に際して
電気抵抗値が減少し且つ大きな伸長に対応することがで
きるので、この伸長導電性シートを用いて作られたセン
サー素子であれば人体の肘、膝の屈曲部分のような大き
な伸長等の変形を電気的に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、これらの伸長導電性シートから成る伸長
導電素子を用いたセンサー素子を、ロボットの暴走予防
スイッチとして用いる場合や、人体の肘、膝などの関節
の屈曲を検出する場合に、−時的にせよ伸長導電性シー
トにその許容変形量あるいは許容応力を超える大変形が
加わり、その結果伸長導電性シートの特性が変化したり
、さらには伸長導電素子が破壊したりするという問題点
があった。

ここでいう許容応力とは、伸長導電素子すなわち伸長導
電性シートの特性が変化しない範囲での最大の応力のこ
とをいう。第２図に伸長導電素子の応力と電気抵抗値の
関係の概念図を示す。第２図に示すように、伸長導電素
子に加える応力を増していくと電気抵抗値は減少するが
、ある応力以上になると抵抗値が上昇し始める。この抵
抗値変化が減少から増加に転する時の応力を許容応力と
する。また、この時の変形量を許容変形量とする。

伸長導電素子に、許容応力あるいは許容変形量以上の応
力あるいは変形が加わると伸長導電素子の特性が変化し
たり、破断したりする可能性が高い。

そこで本発明と同一の出願人は特開昭６２−１６３９０
２号公報において、伸長導電素子の作用伸度を所定伸度
以下に設定できる伸び抑制部材を併設する作用伸度設定
型伸長導電素子を提案している。

このように、伸び抑制部材を併設した場合、伸長導電素
子に許容変形量以上の変形、許容応力以上の応力が加え
られるのを防ぎ、伸長導電素子の特性が変化したり、伸
長導電素子が破壊したりするのを防ぐことができる。し
かしながらこのような伸長導電素子では小さな変形から
大きな変形に至る伸長等の変形量を検知することが困難
であるだけでなく、被験体の側からみると、伸び抑制部
材が、つっばるため、被験体の自由な動きが妨げられ特
に被験体が人や動物の場合には、圧迫感や苦痛を伴うと
いう欠点があった。

本発明は、本発明の出願人によってさきに提案された伸
長導電素子の有する使用上の問題点を解決して、伸長導
電素子自身の許容変形量あるいは許容応力を超える大変
形をも、被験体に負担を与えることなく検出することが
できる歪み、応力検知センサー素子を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の目的は変形により電気抵抗値が減少する伸長導
電性シートに、間隔をあけて、少なくとも２個の電極を
設けて成る伸長導電素子に、直列及び／又は並列に、１
個以上の弾性体を接続したことを特徴とする歪み、応力
検知センサー素子によって達成される。

前記弾性体としては、歪みを受けた時に、もとに戻ろう
とする力の大きい素材であればどのような素材でも用い
ることができる。例えば、ゴム状物（シリコンゴム、ウ
レタンゴム、ＥＰＲゴムなど）、又はバネ、伸縮性の良
い編織物（ウレタン糸を混入したり前記ゴム状物を貼り
合せたり包埋した編織物など）などを用いることができ
る。

伸長導電素子と弾性体の接続方式としては、伸び等の変
形方向に対して直列に接続する方式、並列に接続する方
式、および直列の接続と並列の接続を並用する方式とを
用いることができる。

以下本発明による歪み、応力検知センサー素子の実施例
を示す添付図面を参照して本発明を詳述する。

第１図、第４図、第６ａ図、第６ｂ図、第７図、第９図
、第１０図および第１１図は本発明による歪み、応力検
知センサーの各実施例を示す。

第１図に示すセンサー素子では、伸長導電素子に弾性体
が直列に接続されている。すなわち伸長導電性シート１
の一端にはスナップボタン５ａを有するホックを用いて
、電極３ａと弾性体２の一端が取付けられ、電極３ａに
はリード線４ａが接続されている。伸長導電性シート１
の他端にはスナップボタン５ｂを有するホックを用いて
電極３ｂが取付けられ、電極３ｂにはリード線４ｂが接
続されている。かくして弾性体を具備した本発明による
歪み、応力検知センサーが形成される。

図中８ａ　、８ｂはサージカルテープであり７ａ。

７ｂは接着剤を示す。この例のように、伸長導電素子と
所望の弾性を有する弾性体を直列に接続すると、伸長導
電素子自身の許容変形量を超えるような大変形が、セン
サー素子に加わった場合でも、弾性体が変形するので伸
長導電素子は実際には許容変形量を超えずに伸長導電素
子の破壊や特性の変化を防ぐことができる。また、被験
体の動きが、伸長導電素子と弾性体の双方に加わるので
、弾性体の種類や形状を選ぶことにより、変形量からみ
たセンサー素子の感度を調整することができる。

また、弾性体の種類や形状を選ぶことにより、被験体の
動きを阻害しない小さな応力で、センサー素子を大変形
させることができる。

第３ａ図に、伸長導電素子と弾性体を第１図のように直
列に接続したセンサー素子の変形量と応力の関係の一例
を示す。曲線ａは伸長導電素子の、曲線すは弾性体の、
曲線Ｃは伸長導電素子と弾性体を直列に接続したセンサ
ー素子の変形量と応力の関係を示す。伸長導電素子と弾
性体が直列に接続したセンサー素子では、応力Ｆが加わ
った場合、伸長導電素子と弾性体のどちらの両端にも大
きさＦの応力が加わる。（第３ｂ図）即ち、応力Ｆがセンサー素子に加わった時のセンサー素
子の変形量ｘｃは、応力Ｆが加わった時の伸長導電素子
の変形量ｘａと応力Ｆが加わった時の弾性体の変形量ｘ
ｂを積算したもの（ｘｃ−ｘａ＋ｘｂ）になる。このた
め、伸長導電素子の許容変形量ｘｍｉｘ、ａに比べ、セ
ンサー素子の許容変形量ｘ、、Ｘ、ｃは大きくなる。

次に、伸長導電素子と弾性体を並列に接続したセンサー
素子の例を第４図に、その場合の変形量と応力の関係の
一例を第５ａ図に示す。第４図では、弾性体２ｂが伸長
導電素子に並列に接続されている。図中、６ａ　、６ｂ
はフレキシブルプリント回路、８ａ　、８ｂはサージカ
ルテープ、７ａ。

７ｂは接着剤である。

この例のように、伸長導電素子と所望の弾性を有する弾
性体を並列に接続すると、センサー素子の許容応力を伸
長導電素子自身の許容応力よりも大きくすることができ
る。

尚、第４図では、伸長導電素子と弾性体との接着は、両
端でのみ行なわれているが、伸長導電素子の裏面全面を
接着していてもよいし、両端と共に中央部の一部を接着
していてもよい。

また、弾性体２ｂの長さは、伸長導電素子の長さと必ず
しも同じである必要はなく、場合に応じて長くしたり、
短くすることによって、センサー素子と被験体のフィツ
ト性を向上させたり、検出感度を調整することもできる
。

第５ａ図において、曲線ａは伸長導電素子の、曲線すは
弾性体の、曲線Ｃは伸長導電素子と弾性体を並列に接続
したセンサー素子の変形量と応力の関係を示す。伸長導
電素子と弾性体２ｂの長さが同じであれば、伸長導電素
子の変形量と弾性体２ｂの変形量は同じである。また伸
長導電素子と弾性体を並列に接続したセンサー素子の内
部応力Ｆａ＋ｂ（センサー素子に加わる外部応力ＦＣに
等しい）は、伸長導電素子の内部応力Ｆａと弾性体Ｆｂ
を積算したものである。したがって伸長導電素子の許容
応力Ｆ　ｍａｘ、ａに比べ、センサー素子の許容応力Ｆ
　ｍａｘ’ｃは大きくなる。

また、伸長導電素子と弾性体を並列に接続する場合、そ
の変形態様として伸長導電素子を弾性体にらせん状に巻
いてもよい。第１１ａ図、第１１ｂ図にそれぞれＳ型ら
せん巻き、Ｚ型らせん巻きの本発明物の概略図を示す。

図中、１は伸長導電素子、２ｅは弾性体（例えばゴムチ
ューブ）、５ａ、６ｂはリード線を表わす。このように
すると、センサー素子を長さ方向に伸長した際、幾何学
的な効果から伸長導電素子自身の変形量は、センサー素
子の変形量に比して小さくなる。このため、センサー素
子の許容変形量及び許容応力は、伸長導電素子自身の許
容変形量及び許容応力に比べて大きくなる。即ち、大変
形を検知できるようになる。また、伸長導電素子を弾性
体に巻く時の巻き数、間隔、弾性体の種類、形状等を変
えることによりセンサー素子の変形量と電気抵抗値の関
係、あるいはセンサー素子に加わる応力と電気抵抗値の
関係を、任意に調整することができる。したがって、こ
れらの特性カーブを緩やかにすることにより、精度良く
、アナログ的に検知できる変形量の範囲、及び応力の範
囲を広くすることが可能である。尚、伸長導電素子を弾
性体にらせん状に巻いたものの、もう一つの重要な特徴
は、センサー素子の長さ方向への伸長を併なわないねじ
り変形をも検知できることである。

もちろん、伸長を併なうねじり変形も検知できることは
、いうまでもない。

すなわち、第７図に示すように、Ｓ型らせん巻きと、Ｚ
型らせん巻きを組合わせ、第８ａ図に示すブリッジ回路
で電圧出力を検出すると、センサー素子の長さ方向への
伸長変形に影響されずに、ねじりの方向と大きさを精度
よく検出することができる。

第７図中、１ａはＳ型らせん巻き、１ｂはＺ型らせん巻
きの伸長導電素子、２ｅは弾性体（ゴムチューブ）、６
ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄはリード線を示す。

′　ねじり変形に関して、伸長導電素子を弾性体にＳ型
らせん巻きにした場合は、時計回りのねじりが加わると
センサー素子の電気抵抗値が下がるが反時計回りのねじ
りが加わった場合は電気抵抗値は変化しない。また逆に
、伸長導電素子をＺ型らせん巻きにした場合は、反時計
回りのねじりが加わるとセンサー素子の電気抵抗値が下
がるが、時計回りのねじりが加わった場合は、電気抵抗
値は変化しない。このことは、ねじりの方向と大きさを
検知する上で、便利である。

また第８ａ図中、Ｒ１，Ｒ２は抵抗、Ｅは電源、■は電
圧計、Ｓ、、Ｓ２はＳ型らせん巻きにされた伸長導電素
子の両端にとりつけられたリード線と接続される電極端
子であり、Ｚｌ、Ｚ２はＺ型らせん巻きされた伸長導電
素子の両端にとりつけられたリード線に接続される電極
端子である。

第８ｂ図には、第８ａ図に示すブリッジ回路を用いてＳ
型らせん巻きとＺ型らせん巻きを組合わせた本発明物の
センサー素子によるねじり検出波形を検出した例を示す
。第８ｂ図中、曲線ＡＢは、時計方向比Ｏ度から１８０
度までねじった際、曲線ＢＣは、１８０度から０度にも
どした際、また、曲線ＣＤは反時計方向へ０度から１８
０度までねじった際、曲線ＤＥは１８０度から０度へも
どした際の出力波形である。

また、伸長導電素子を弾性体にらせん状に巻きつけた際
、伸長導電素子全体を弾性体に固定すると、センサー素
子に屈曲変形が加わった場合にも伸長導電素子全体に屈
曲変形に併なう応力、変形が伝達され、屈曲の程度に応
じて電気抵抗値が下がるため、屈曲変形の有無、大きさ
も認識することができる。

さらに、弾性体としてチューブ状物を用いて中空に水や
油等の流体を入れると、チューブの一部に圧力が加わっ
た時、チューブの他の部分が膨張し、伸長導電素子の電
気抵抗値が下がるため、圧縮変形を検知することができ
る。

尚、以上に述べてきたらせん巻きのセンサー素子に用い
られる弾性体の断面は円形が好ましいが特にこだわるも
のではなく、例えば、六角形、四角形等でもよい。また
、中空状物や、複数の弾性体を複合したものでもよい。

次に、伸長導電素子と弾性体を直列かつ並列に接続した
センサー素子の例を第９図に、その場合の変形量と応力
の関係の一例を第１２ａ図に示す。

第９図の場合には弾性体２ａが伸長導電素子に直列に接
続されると共に弾性体２ｂが伸長導電素子に並列に接続
されている。図中６ａ　、６ｂはフレキシブルプリント
回路、８ａ　、８ｂはサージカルテープ、７ａ、７ｂ、
７ｃは接着剤である。なお前記弾性体２ａおよび２ｂを
第１０図に示すように一体物の弾性体２Ｃとしたり、あ
るいは伸長導電素子に面する全面で伸長導電素子に接続
させてもよい。

第１２ａ図において、曲線ａは伸長導電素子の、曲線ｂ
ｉｂは弾性体２ｂの、曲″ｇＡｂｚ−は弾性体２ａの、
曲線Ｃは伸長導電素子と弾性体を直列かつ並列に接続し
たセンサー素子の変形量と応力の関係を示している。伸
長導電素子と弾性体２ｂの長さが同じであれば、伸長導
電素子の変形量ｘ８と弾性体２ｂの変形量ｘ　ｂｚｂは
同じである。センサー素子全体の変形量ｘｃは、伸長導
電素子の変形量ｘａと弾性体２ａの変形量Ｘｂ２ａを積
算したもの（ｘ　（−ｘ　＠　＋　ｘ　ｂ２ａ　）であ
る。尚、センサー素子に加わる外部応力ＦＣと、伸長導
電素子と弾性体２ｂを並列に接続したもの全体の内部応
力Ｆｉ＋ｂｚｂは等しい（ＦＣ−Ｆａ＋ｂｚｂ）　、ま
た、Ｆ　ａ＋ｂ２ｂは伸長導電素子の内部応力Ｆ３と弾
性体２ｂの内部応力Ｆ　ｂｚｂを積算したもの（Ｆ、、
ｂ□、−Ｆａ＋Ｆｂｚｂ）である。即ち、センサー素子
の変形量ｘｃと内部応力Ｆ　ａ＋ｂ２ｂ　（外部応力Ｆ
Ｃに等し７い）及び伸長導電素子の変形量ｘ３と内部応
力Ｆａ′を比べると、ｘｃ＞ｘＲ，Ｆａ、、ｚ、＞　Ｆ
ａである（但し、Ｘｂ２ａ＞　ｏ、ｌ　　Ｆｂｚｂ＞　
Ｏの場合）。したがって、伸長導電素子と弾性体を直列
かつ並列に接続すると、センサー素子の許容変形量ＸＨ
ａＸ＋（、許容応力Ｆ　ｍａＸｉｃはともに、伸長導電
素子自体の許容変形量ｘｍＢｘ−ｓ　、許容応力Ｆ。８
８．３に比べ大きくなる。

又本発明と同一の出願人により特願昭６１−８９２０７
号公報Ｇ号公報下提案されている伸長導電素子と板バネ
状物を貼り合わせたものに、弾性体を直列及び／又は並
列に接続してもよい。板バネ状物が介在していると、屈
曲変形が伸長導電素子に集中し、より高感度に検出でき
るので好ましい。その−例を第１１図に示す。この場合
、柔らかいゴム状の弾性体２ｄを用いると、板バネ状物
９で被験体を傷つけるのを防ぐことができ好ましい。特
に被験体が、人や動物、あるいは柔らかい物である場合
に良い。

伸長導電素子と弾性体の接続手段は、接着剤や熱融着フ
ィルム等を用いた貼り合わせの他、弾性体自身の形成工
程中の粘着性を利用して接着する方法（例シリコンゴム
フィルムの作成工程中の乾燥、硬化前の段階で貼り合わ
せるなど）や、スナップボタン、ワにロクリソプなどバ
ネによる挟持を行なうもの、磁石、気圧差、織成ファス
ナー糸でしばる方法、ぬい合わせる方法などが挙げられ
る。但し、センサー素子の変形に耐える挟持力をもつも
のであれば、これら以外の方法を用いてもよい。

前述のように構成された本発明による歪み、応力検知セ
ンサー素子は被験体の大変形に対して対応することがで
きるので、従来の検知センサー素子では使用することの
できない下記のような用途に有用に用いることができる
。

例えば、呼吸の周期や回数を検知する呼吸バンド呼吸監
視装置や、肺機能検査装置〔新生児の無呼吸症、特に未
熟児に対する呼吸管理、または、呼吸波形を記録して、
肺活量、流速（波形の勾配から算出して末梢肺機能を検
査する）から肺機能を調べることを目的とする〕などの
医療用センサーとして使える。また、万歩計として、肘
や膝などに貼りつけたり、靴に組み込んで歩行数を検知
するセンサー、筋力増強やシェイプアップを目的とした
各種トレーニング器具（曲げや伸びを伴う）の回数や屈
曲度などのレベルを検知するスポーツトレーニング用セ
ンサーに用いることができる。

さらに、手や腕に直接語るかまたは手袋などに貼ること
により指の動きに直に対応したフィンガースイッチ用、
即ち、臨場感あふれるゲーム用ジョイスティックをはじ
め、コンピューターと組み合せた、手話の音声変換装置
、さらには、危険作業用や精密作業用のロボットハンド
の遠隔操作可能の入力装置などに用いることができる。

また、人体の関節部などの機能回復を目的として、伸長
度や屈曲度を検知するリハビリテーション用器具に用い
られる。

また、伸長の応力やひずみを検知させることにより、ひ
ずみ計や荷重計、加速度計、振動計として用いることが
できる。

センサー素子の接続端部の形状や間隔を適宜選ぶと、面
の微細な動きを感度よくとらえることができ、適度に伸
長させて金属性の剛材や木材に張り合せると、それらの
伸びや反りなどの微小変形を検知するひずみゲージとし
て用いることもできる。

また、センサー素子の両端を固定し、中央部を押スこと
によって伸長変化させることにより、ロボットの触覚セ
ンサー、キーボードや手書き入力用無接点スイッチ、座
席部に用いて着席を確認する着席検知センサー、防犯用
や安全用に窓わくや手すりに設置する防犯・危険予知セ
ンサー（タッチセンサーなどの圧力センサー、自動車な
どのパワーウィンドー用危険予知センサーなど）に用い
ることができる。次に工業用センサーとしては、工業用
ロボットの回転部分や屈曲部分にとりつけて、ロボ・７
トハンドなどの方向を検知する方法センサーや位置制御
を目的とした位置制御センサー、リミットスイッチやマ
イクロスイッチ、周囲を囲むようにとりつけて、ロボッ
トの暴走を防ぐための安全スイッチ、さらに危険区域に
シート状（マット状）のセンサー素子を敷くことにより
、作業員の侵入を検知してロボットを非常停止させる安
全スイッチなどに用いることができる。また、ダイヤプ
ラムや圧力計、膨張体の膨張率検出用のセンサーや脈拍
計、血圧計用、各種流速計（液体、気体などの流体用）
として用いることができる。

尚、本発明物のセンサー素子の用途が、これら前述の用
途に限られるものではないことは明らかである。

〔実施例〕

以下、実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明
による歪み、応力検知センサー素子が、これら実施例や
図面に示すもののみに限定されるものでないことは明ら
かである。

旭化成工業■製のポリエステル繊維糸条からなるタフタ
（経５０ｄ　／２４　ｆ　、緯７５ｄ　／３６　ｆ　）
を水酸化すトリウム水溶液（８０ｇ／ｌり、１００”Ｃ
で減量加工（液量率２０％）し、ＳｎＣβ２：塩酸が３
：１０の重量比の浴中で感受性化し、水洗脱水後、Ｐｄ
（Ｊ２：塩酸が重量比１：１５の浴中で活性化し、水洗
脱水後ＮｉＣ＃　２　・６　Ｈ２Ｏ、ＮａＨＰＯｚ、ク
エン酸ナトリウム、ＮＨ，Ｃ１、アンモニア水が１：１
：３：’２：２の重量比の浴中９０℃×２分処理して、
Ｎｉメツキエステルタフタを作製した。これを１０ｃｍ
Ｘ１０ｃｍの大きさのサンプルになし、２重円筒形の層
流発生装置（内側の円筒が高速回転、外筒の内径２５■
、内筒の外径１０ｃｍ）に水と一緒に入れ、内筒回転速
度２０Ｏｒｐｍで、３００分処理して伸長導電性織物を
得た。

次に、市販ウレタン系エラストマー樹脂（溶媒ＤＭＦ、
固形分１０ｗｔ／％）を９０　ｔｔｍ、　　３００Ｊｒ
ｍゲージでそれぞれ離形紙にコーテイング後１００℃×
３　ｍｉｎ乾燥させ生乾きの状態で、このシート状の伸
長導電性織物の両面にそれぞれ４　ｋｇ　／　ｃＪの圧
力で１１０℃で熱接着転写し１００℃×３０分乾燥させ
、伸長導電性シートを得た。

次にこの伸長導電性シートをｌ　ｃｍ巾Ｘ５ｃｍ長にバ
イアス方向に裁断し、両端から１　ｃｍ長を銅板ではさ
み、２０％伸長することにより、電気抵抗値を測定した
ところ、両端の銅板間で伸長前後で４．５Ｘ１０Ωから
６０Ωに抵抗値が変化した。

この伸長導電性シートを用いて下記の８種類の本発明に
よるセンサー素子と対応する８種類の比較例としてのセ
ンサー素子を作った。

■　伸長導電シート１の両端から１ｃｍにカーボン系導
電性樹脂を塗布した。次にウレタン糸を編成したリボン
（１ｃｍ巾Ｘ１０ｃｍ長）から成る弾性体２と伸長導電
シート１及びリード線４．ａ、４ｂを第１図に示した順
に重ね、しんちゅう類スナップボタン５ａ　、５ｂて押
さえ、接着剤でサージカルテープ８ａ　、８ｂを接着し
第１図に示す形態の本発明の歪み、応力検知センサー素
子、試料Ｎ［Ｌｌを作製した。

■　伸長導電シート１の両端からｌ　ｃｍにカーボン系
導電性樹脂を塗布し、その上にリード線６ａ。

６ｂとして、市販のフレキシブルプリント回路（ポリエ
ステルベースフィルム３５μ…厚、Ａｇ系導電層、表面
熱融着ポリマー積層）をｌ　ｃｍ中×６ｃｍ長にカット
したものを接着した。さらに、シリコンゴムシート（厚
さ３００廂）をｌ　ｃｍ　ｘ　５　ａｍ長にカットし、
弾性体２ｂとして両端からｌ　ｃｍを伸長導電シート１
にシリコン系接着剤で接着した。さらに、サージカルテ
ープ８ａ　、８ｂを、エポキシ系接着剤で、シリコンゴ
ムシートに接着し、第４図に示す本発明の試料階２を作
製した。

■　伸長導電性シートを５１１巾Ｘ１２ＣＩＩｌ長にカ
ットし両端から５朋に銀系導電性樹脂を塗布し、その上
に市販のフレキシブルプリント回路を５　ｎ巾Ｘ５ＣＩ
ｌｌ長にカントしたものを接着した。次に、シリコンチ
ューブ（外径５鰭）を長さ９ｃｍにカットし、その上に
伸長導電シートをＳ型らせん巻き（ピッチ間距離１　ｃ
ｍ、巻き数７）にし、シリコン系接着剤で、伸長導電シ
ートの裏面全体をシリコンチューブに接着し、第６ａ図
に示す本発明の試料隘３を作製した。

■　伸長導電シートをシリコンチューブにＺ型らせん巻
きにする他は、すべて、試料１１ｈ３と同様の素材、構
成よりなる第６ｂ図に示す本発明の試料阻４を作製した
。

■　伸長導電性シートを５　ｃｍ巾×１２ｃｍ長に２零
カットし、各々の両端から５　ｍｍに銀系導電性樹脂を
塗布し、その上に市販のフレキシブルプリント回路を５
１巾Ｘ　５　ａｍ巾にカソトシたものを接着した。次に
シリコンチューブ（径５ｍｍ）を長さ９ｃｍにカットし
、その上に１枚の伸長導電シートをＳ型らせん巻き（ピ
ンチ間距離１（、ｍ４き数７）にし、伸長導電シートの
両端からｌ　ｃｍの部分の裏面にシリコン系接着剤を塗
布して、シリコンチューブに接着した。その上にもう一
枚の伸長導電シートをＺ型らせん巻き（ピッチ間距離１
　ａｍ、巻き数７）にし、伸長導電シートの両端からｌ
　ｃｍの部分の裏面にシリコン系接着剤を塗布して、シ
リコンチューブに接着し、第７図に示す本発明の試料隘
５を作製した。

■　伸長導電シート１の両端から１　ｃｍにカーボン系
導電性樹脂を塗布し、その上にリード線６ａ。

６ｂとして、市販のフレキシブルプリント回路（ポリエ
ステルベースフィルム３５μ＋４、Ａｇ系導電層、表面
熱融着ポリマー積層）を１　ａｍ巾×６ｃｍ長にカット
したものを接着した。さらに、シリコンゴムシート（厚
さ３００陣）を１　ｃｍ巾Ｘ５ｃｍ長にカットし、弾性
体２ｂとして両端からｌ　ｃｍを伸長導電シート１にシ
リコン系接着剤で接着した。

さらに、シリコンゴムシート（厚さ１００廂）を１ｃｍ
巾Ｘ３ｃｍ長にカントし、弾性体２ａとして一端をエポ
キシ樹脂で伸長導電シート１の一端に接着し、シリコン
ゴムシートの他端を接着剤でサージカルテープ８ａに接
着し、第９図に示す本発明の試料阻６を作製した。

■　第１０図に示すセンサー素子の弾性体２Ｃとして用
いるために、市販ウレタン系エラストマー樹脂（溶媒ト
ルエン、固形分２０ｗｔ％）を５００卿ゲージで離型紙
にコーテイング後１００℃Ｘ３ｍ１ｎ乾燥させてフィル
ムとし、生乾きの状態で、伸長導電性シート１の片面に
、第１０図に示すように、４　ｋｇ　／　ｃｕｔの圧力
で１１０℃で熱接着転写した後、１１０°ＣＸ３０ｍ１
ｎ乾燥させた。これをｌ　ｃｍ中×１０ｃｍ長にカント
し両端からｌ　ｃｍにカーボン系導電性樹脂７ａ、７ｂ
を塗布し、試料Ｎｏ、　２と同様にフレキシブルプリン
ト回路６ａ　、６ｂを接着した。さらに両端にサージカ
ルテープ８ａ　、８ｂを接着し、本発明の試料歯７を作
製した。

■　伸長導電シート１を、第１１図に示すように、市販
の熱融着性ポリエステルフィルム（厚さ３０側１ｍ）を
用いて、ポリカーボネートフィルム９（厚さ８０側、ｌ
　Ｃｍ巾×７印長にカプトしたもの）に熱融着した。さ
らに試料Ｎｏ、　４と同様な方法で弾性体２ｄとしてウ
レタン系エラストマー樹脂フィルム（長さ１０Ｃｍ）を
第１１図に示すように両側をあけて貼り合わせた。また
、ポリカーボネートフィルムの両端からＱ、　７　ｃｍ
に銅板１０　（厚さ３５陶）を接着した。さらに伸長導
電シー１−の両端からｌ　ｃｍの部分と銅板の上に銀系
導電性樹脂３Ｃを塗布し、リード線４．　ａ　、　４　
ｂを銅板にハンダ付し、接着剤７ａ　、７ｂでサージカ
ルテープ８ａ、８ｂを接着し、本発明の試料Ｎｏ、　８
を作製した。

次に、これらの歪み、応力検知センザー素子試料Ｎｏ、
　１〜８の比較例として、試料Ｎｏ、　１〜８において
、弾性体を接続せず、その他はＮｏ、　１〜８と同様の
素材、同様の構造よりなる歪み、応力検知センザー素子
階１′〜８′を作製した。（試料Ｎｏ、　１〜磁８の比
較例をそれぞれｍｌ　’、Ｎ１２　’、Ｎ［Ｌ３　’、
階４′、嵐５′、Ｎ１１１６′、階７′および陽８′と
する。）次に、試料歯１〜７、階１′〜階７′の限界変形量及び
限界応力を測定したところ、表１に示す結果を得た。即
ち、弾性体の接続により試料歯１では限界変形量の増加
が、試料歯２では限界応力の増加が、試料Ｎ１１３〜隘
７では、限界変形量と限界応力の増加が見られた。

また、試料１１ｋＬ８、阻８′の両端を人の右手中指の
第２関節にサージカルテープで固定し、関節の屈曲度測
定を行なったところ、試料Ｎ１１４’では、皮膚が引き
つれて指の屈曲が妨げられた他、約２時間の測定で、皮
膚が赤くなったが、階４では、指の屈曲を自由に行なう
ことができ、連続２４時間の測定でも、皮膚に変化がな
かった。

次に第１３ａ図に示す形状に弾性体２（シリコンゴムシ
ート厚さ５００加）を切り出し、試料Ｎｏ、　８と同様
の手法によってポリカーボネートフィルム（厚さ８０側
ｍ）に貼り合わせた伸長導電素子をこの弾性体にエポキ
シ系接着剤で接着し、本発明の試料歯９を作製した。図
中１１は両面接着テープである。

また、ゴム弾性を有する市販医療用術ザックを第１３ｂ
図に示すように切り出して弾性体２とし、第１３ａ図と
同様にして伸長導電素子を貼り合わせ、本発明の試料Ｎ
ｏ、１０を作製した。

試料Ｎｏ、　９、及びＮｏ、１０を、第１３ｃ図に示す
ように指関節に取り付け、屈曲回数を測定したところ、
適度なフィツト性を有し、かつ指の屈曲動作を違和感な
く行うことができる指関節屈曲回数検知センサーとなる
ことがわかった。このセンサーは例えば、リハビリ用と
して使える他、アトピー性皮膚炎や掻痒症などのかき回
数を検知する診断用センサーとして用いることができる
。

次に、試料１１１ｏ、　３の両端を把持し、伸長変形（
２０％）のみ加えた場合、時計回り（１８０度）のねじ
り変形のみ加えた場合、反時計回り（１８０度）のねじ
り変形のみ加えた場合、伸長変形（２０％）と時計回り
（１８０度）のねじり変形の両方を加えた場合、伸長変
形（２０％）と反時計回り（１８０度）のねじり変形の
両方を加えた場合の各々において電気抵抗値の変化を測
定した。さらに次に試料歯４の両端を把持し、患３と同
様に電気抵抗値を測定した。その結果を表−２に示す。

即ち、Ｓ型らせん巻きの試料歯３は、時計回りのねじり
変形を検知し、Ｚ型らせん巻きの試料Ｎｏ、　４は反時
計回りのねじり変形を検知するといえる。

次にＳ型らせん巻きとＺ型らせん巻きを並用した試料歯
５を、第８ａ図に示すブリッジ回路に接続した。ブリッ
ジ回路において、２つの抵抗Ｒ１゜Ｒ２はいずれも１０
　〔ｋΩ〕、電源Ｅは３〔Ｖ〕の電池を用い、電圧計■
には市販のデジタルマルチメーターを用いた。即ち、Ｓ
型らせん巻きの伸長導電シートの電極を３１．Ｓ２に、
Ｚ型らせん巻きの伸長導電シートの電極をＺｌ、Ｚ２に
接続した。次に、試料歯５の両端を把持し、時計回り及
び反時計回りのねじり変形を加え、出力電圧を調べた。

結果を第８ｂ図に示す。即ち、Ｓ型らせん巻きとＺ型ら
せん巻きを並用したセンサー素子では、ねじり変形の方
向と大きさを検知することができる。

表　１　各試料の限界変形量と限界応力表２〔発明の効果〕本発明による歪み、応力検知センサー素子は前述の如く
構成されているので、従来公知のセンサー素子を用いて
は行なうことのできない大変形の検出を、被験体に負担
を与えることなく行なうことができる。したがって先に
詳述したように、人体の動き（手足の指、手首、肘、肩
、首、腰、膝等の関節部分の屈曲、呼吸による胸部、腹
部等の膨張や収縮、運動による筋肉の緊張、し緩等）の
検知に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第４図、第６ａ図、第６ｂ図、第７図、第９図
、第１０図および第１１図は本発明による歪み、応力検
知センサー素子の各種実施態様をそれぞれ示す正面図で
あり、第２図は伸長導電素子の応力と電気抵抗値との関
係を示すグラフであり、第３ａ図は、伸長導電素子と弾
性体を直列に接続した場合の歪み、応力検知センサー素
子の変形量と応力の関係の一例を示すグラフであり、第
３ｂ図は、センサー素子に外力が加わった場合、伸長導
電素子と弾性体にどのように力が加わるかを示す概念図
であり、第５ａ図は伸長導電素子と弾性体を並列に接続
した場合の歪み、応力検知センサー素子の変形量と応力
の関係の一例を示すグラフであり、第５ｂ図はセンサー
素子に外力が加わった場合、伸長導電素子と弾性体にど
のような力が加わるかを示す概念図であり、第８ａ図は
第７図に示した本発明による歪み、応力検知センサーに
接続される回路図の一例であり、第８ｂ図は第７図に示
した歪み・応力検知センサーにねじり変形を加えた場合
の出力波形を示すグラフであり、第１２ａ図は、伸長導
電素子と弾性体を直列かつ並列に接続した場合の歪み、
応力検知センサー素子の変形量と応力の関係の一例を示
すグラフであり、第１２ｂ図はセンサー素子に外力が加
わった場合、伸長導電素子と弾性体にどのように力が加
わるかを示す概念図であり、第１３ａ図〜第１３Ｃ図は
本発明による歪み、応力検知センサー素子が指関節屈曲
回数検知センサーとして用いた場合の例を示す図であり
、第１３ａ図は平面図、第１３ｂ図は斜視図、第１３Ｃ
図は正面図である。１．１２．Ｉｂ・・・伸長導電シート、２．２ａ、２ｂ
、２ｃ、２ｄ、２ｅ−・・弾性体、３．３ａ、３ｂ、３
ｃ、］（Ｌ・・電極、４ａ　　、４ｂ・・・リード線、５ａ　、５ｂ・・・スナップボタン、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ・・・フレキシブルプリント回
路、７ａ、１ｂ、７ｃｍ−−接着剤、３ａ　、３ｂ・・・サージカルテープ、９・・・樹脂フ
ィルム、　　　　１１・・・両面テープ、Ｒ，、Ｒ２・
・・抵抗、　　　Ｅ・・・電源、■・・・電圧計、ｓｌ、Ｓｚ、Ｚｌ、Ｚ２・・・電極端子、Ａ〜Ｂ・・・
時計回りのねじり変形（０−１８０度）を加えていく過
程、Ｂ−Ｃ・・・ねじり変形（１８０−０度）を戻していく
過程、Ｃ−Ｄ・・・反時計回りのねじり変形（０−１８０度）
を加えていく過程、Ｄ〜Ｅ・・・ねじり変形を戻してい＜（１８０−０度）
過程。

Claims

【特許請求の範囲】

１、変形により電気抵抗値が減少する伸長導電性シート
に、間隔をあけて、少なくとも２個の電極を設けて成る
伸長導電素子に、直列及び／又は並列に１個以上の弾性
体を接続したことを特徴とする歪み、応力検知センサー
素子。