JPS6355013B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は印加力に対して繊維の接触状態が変化
することに関連して抵抗値が変化する炭素繊維な
どの導電性繊維を感圧素子とする圧力センサに関
する。

従来より、この種の感圧素子を使用した圧力セ
ンサとしては、例えば本出願人が特願和56−
67264号（特開昭57−182138号）（発明の名称「圧
力センサ」）において提案したものがある。

上記圧力センサは、第１図にその断面図を示す
ような基本的構成を有する。

第１図において、１は感圧素子であり、炭素繊
維等の導電性繊維を平板状に配向成形したもの
で、繊維相互は複雑にからみあつている。２ａと
２ｂは感圧素子１の両面に接着された電極板であ
る。厚み方向への印加圧力に対して感圧素子１は
応力を発生するとともに応力歪を生じ、それに伴
つて繊維どうしの接触抵抗と電流経路が変化する
ことにより感圧素子１の抵抗値が変化する。抵抗
値変化は電極板２ａ，２ｂにより検出される。

上記第１図の圧力センサは、印加圧力に対して
その抵抗値が第２図のように変化する。

しかしながら、上記の圧力センサは、炭素繊維
等の導電性繊維の機械的特性により、圧力と抵抗
値との間の関係にヒステリシスを有している。

このため、圧力検出の分解能が狭く、用途も限
定されるといつた欠点があつた。

本発明は導電性繊維を使用した圧力センサにお
ける上記事情に鑑みてなされたものであつて、圧
力と抵抗値との間に存在するヒステリシスを改善
するようにした圧力センサを提供することを目的
としている。

このため、本発明は、印加圧力によつて繊維ど
うしの接触状態が変化し、その接触抵抗および電
流経路の変化に関連して抵抗値が変化するように
平板状に配向形成された炭素繊維等の導電性繊維
からなる特性の互いに異なる２個の感圧素子を備
え、これら感圧素子の一方に設けた孔に他方の感
圧素子を嵌入して同心状に配置し、その支持板と
外部圧力伝達部材から外部圧力が加えられる加圧
板との間に２個の上記感圧素子を保持するととも
に、上記支持板と加圧板との間に圧縮バネを縮装
し、前記２個の感圧素子の一方の感圧素子と第１
の可変抵抗器を接続してなる第１の直列回路と、
他方の感圧素子と第２の可変抵抗器を接続してな
る第２の直列回路とに同じ電圧を印加し、一方の
感圧素子の端子電圧と他方の感圧素子の端子電圧
の電位差により、圧力伝達部材に加えられる圧力
を検出するようにしたことを特徴としている。

以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明
する。

第３図において、１１および１２は第１図と同
様の感圧素子で、これら感圧素子１１および１２
は、印加圧力によつて繊維どうしの接触状態が変
化し、その接触抵抗および電流経路の変化に関連
して抵抗値が変化するように平板状に配向形成さ
れた炭素繊維等の導電性繊維からなり、その印加
圧力に対する抵抗値の変化特性は互いに相異する
ものを使用する。

感圧素子１１は円板状の形状を、また、感圧素
子１２は中心部に上記感圧素子１１の径よりも
やゝ大きな径を有する孔１３を備えた円環状の形
状を夫々有しており、これら感圧素子１１および
１２の厚さは等しい。

感圧素子１１の上面および下面には夫々電極板
１１ａおよび１１ｂを接着するとともに、感圧素
子１２の上面および下面にも夫々電極板１２ａお
よび１２ｂを接着している。

上記感圧素子１１は円環状の感圧素子１２の上
記孔１３に嵌入し、２つの感圧素子１１と１２と
を同心状に配置して加圧板１４とともにケーシン
グ１５内に収容し、該ケーシング１５の底部の支
持板１６と上記加圧板１４との間に上記感圧素子
１１と１２を保持している。

上記感圧素子１１および１２の電極板１１ａお
よび１２ａは加圧板１４に、また、電極板１１ｂ
および１２ｂはケーシング１５の支持板１６に
夫々接着される。

上記加圧板１４には、その上面中央部から外部
圧力伝達部材１７をケーシング１５の孔１８を通
して出没自在に突出させる一方、上記加圧板１４
と支持板１６との間には、圧縮バネ１９を縮装し
ている。

上記圧縮バネ１９は、特願昭56−67264号にも
記載したように、感圧素子１１および１２の導電
性繊維がその機械的特性により生ずるクリープ歪
の抑制と、圧力の測定範囲の拡大を図るためのも
ので、上記圧縮バネ１９により支持板１６から離
れる向きに付勢される加圧板１４は、圧力伝達部
材１７を通して外部から加えられる圧力に対し
て、ケーシング１５内部に設けた段部２０に当て
止めされて動作範囲が制限される。

上記圧力センサは、第４図の回路に組み込まれ
て使用される。

第４図において、R₁，R₂は夫々第１および第
２の可変抵抗器としての半固定の可変抵抗器、
R₁₁およびR₁₂は夫々感圧素子１１および１２を
表わす抵抗であつて、これら可変抵抗器R₁，R₂、
抵抗R₁₁およびR₁₂は夫々ブリツジの各一辺をな
すように接続される。

即ち、上記感圧素子１１と１２の間の電極板１
１ｂと１２ｂはアースに接続するとともに、感圧
素子１１の電極板１１ａと電源＋V_Dとの間には
可変抵抗器R₁を、また、感圧素子１２の電極板
１２ａと上記電源＋V_Dとの間には可変抵抗器R₂
を夫々接続している。上記可変抵抗器R₁と感圧
素子１１とは第１の直列回路を構成し、また、上
記可変抵抗器R₂と感圧素子１２とは第２の直列
回路を構成する。

上記電極板１１ａの電位V₁₁と電極板１２ａの
電位V₁₂の電位差（V₁₁−V₁₂）は、演算増巾器
OAと抵抗R₃，R₄，R₅およびR₆からなる周知の
演算増巾器により増巾している。

感圧センサを上記構成とすれば、圧力伝達部材
１７のケーシング１５の突出部分に印加された印
加力は、可圧板１４を通して感圧素子１１，１２
および圧縮バネ１９に伝達される。

このため、これら感圧素子１１，１２および圧
縮バネ１９は上記の印加力を受けて応力を発生す
るとともに応力歪を生ずる。

圧縮バネ２１に生ずる応力歪と感圧素子１１お
よび１２に生ずる応力歪は一定で、これら感圧素
子１１および１２に夫々発生した応力の和が圧力
伝達部材１７の先端部に発生する応力となつて現
れる。

感圧素子１１および１２の各々の応力歪は、こ
れら感圧素子１１および１２の機械的特性により
決定され、具体的には、成生時の焼成温度や繊維
の原料の種類によつて決定される。

このため、感圧素子１１が加圧されると、その
抵抗値は、第５図に示すように、矢印A₁の向き
に曲線l₁に沿つて変化するのに対し、上記感圧素
子１１に印加されている力が除圧されると、感圧
素子１１の抵抗値は、矢印A₁′の向きに曲線l₁′に
沿つて変化し、加圧時と除圧時では、同一圧力Ｐ
に対して、感圧素子１１の抵抗値にΔR₁₁の差が
生じる。

上記と同様に、感圧素子１２が加圧されると、
その抵抗値は、第５図に示すように、矢印A₂の
向きに曲線l₂に沿つて変化のに対し、上記感圧素
子１２に印加されている力が除圧されると、感圧
素子１２の抵抗値は、矢印A₂′の向きに曲線l₂′に
沿つて変化し、加圧時と除圧時では、同一圧力Ｐ
に対して、感圧素子１２の抵抗値にΔR₁₂の差が
生じる。

しかしながら、第４図の回路において、可変抵
抗器R₁，R₂により、抵抗R₁₁およびR₁₂（感圧素子
１１および１２）を夫々流れる電流I₁およびI₂を
調整し、印加圧力の全ての範囲でΔR₁₁×I₁＝
ΔR₁₂×I₂となるようにすれば、感圧素子１１の
電極板１１ａの電位V₁₁と感圧素子１２の電極板
１２ａの電位V₁₂の電位差（V₁₁−V₁₂）の値は、
同一の圧力Ｐに対して、次のように、加圧時と除
圧時とで等しくなる。

即ち、上記圧力Ｐに対して、加圧時には、 V₁₁−V₁₂＝R₁₁×I₁−R₁₂×I₂ となり、除圧時には、 V₁₁−V₁₂＝（R₁₁＋ΔR₁₁）I₁−（R₁₂＋ΔR₁₂）I₂＝R₁₁
×I₁−R₁₂×I₂ となる。

従つて、上記電位差（V₁₁−V₁₂）を増巾した
演算増巾器OAの出力V₀は、第６図に示すよう
に、第３図の圧力センサに加えられる圧力に対し
て、ヒステリシスを殆どなくすことができる。

なお、第３図に示す圧力センサは、圧力伝達部
材１７に加えられる力あるいは荷重を測定する場
合等に使用されるが、液体圧もしくは気体圧等を
測定する場合には、第７図に示すように、第３図
の圧力センサのケーシング１５の圧力伝達部材１
７の突出端面にスリバチ状の凹部３１を設け、該
凹部３１の開口端面にダイヤフラム３２を接着す
るとともに、該ダイヤフラム３２を上記圧力伝達
部材１７の先端面に接着したものを使用すること
ができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、本発明の要旨の範囲内で種々の構成とするこ
とができる。

以上、詳細に説明したことからも明らかなよう
に、本発明は、導電性繊維を平板状に配向形成し
た互いに特性の異なる２個の感圧素子を支持板と
加圧板との間に同心状に配置するとともに、これ
ら２個の感圧素子を差動的に組み合せて各感圧素
子が有しているヒステリシスを相殺するようにし
たから、圧力センサに加えられる同一の圧力に対
する出力の差は殆どなくなり、ヒステリシスが大
巾に改善され、圧力センサの用途も拡大される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧力センサの基本的構成を示す
断面図、第２図は第１図の圧力センサの印加力と
抵抗値の関係を示す特性図、第３図は本発明に係
る圧力センサの大略の構造を示す断面図、第４図
は第３図の圧力センサに使用される圧力検出用の
回路図、第５図は第３図の圧力センサに使用され
る２つの感圧素子の印加力に対する印加力と抵抗
値との関係を夫々示す特性図、第６図は第４図の
圧力検出用の回路の出力説明図、第７図は第３図
の変形例の断面図である。 １１，１２……感圧素子（１１ａ，１１ｂ，１
２ａ，１２ｂ……電極板）、１３……孔、１４…
…加圧板、１５……ケーシング、１６……支持
板、１７……圧力伝達部材、１９……圧縮バネ、
３１……凹部、３２……ダイヤフラム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 印加圧力によつて繊維どうしの接触状態が変
   化し、その接触抵抗および電流経路の変化に関連
   して抵抗値が変化するように平板状に配向形成さ
   れた炭素繊維等の導電性繊維からなる特性の互い
   に異なる２個の感圧素子を備え、これら感圧素子
   の一方に設けた孔に他方の感圧素子を嵌入して同
   心状に配置し、その支持板と外部圧力伝達部材か
   ら外部圧力が加えられる加圧板との間に２個の上
   記感圧素子を保持するとともに、上記支持板と加
   圧板との間に圧縮バネを縮装し、前記２個の感圧
   素子の一方の感圧素子と第１の可変抵抗器を接続
   してなる第１の直列回路と、他方の感圧素子と第
   ２の可変抵抗器を接続してなる第２の直列回路と
   に同じ電圧を印加し、一方の感圧素子の端子電圧
   と他方の感圧素子の端子電圧の電位差により、圧
   力伝達部材に加えられる圧力を検出するようにし
   たことを特徴とする圧力センサ。