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【発明の名称】 柔軟歪みセンサ
【発明者】 【氏名】桜井 宏治

【氏名】安齊 秀伸

【氏名】堂田 周治郎

【氏名】杉本 旭

【氏名】池田 博康
【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。
【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。
【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３e2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３m 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。ｒ1 ≦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３e1〜３e3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１２A 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141 〜 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。
【出願人】 【識別番号】０００２２４１２３
【氏名又は名称】藤倉化成株式会社
【出願日】 平成１１年３月３日（１９９９．３．３）
【代理人】 【識別番号】１０００７８３３０
【弁理士】
【氏名又は名称】笹島 富二雄 （外１名）
【公開番号】 特開２０００−２５８１１２（Ｐ２０００−２５８１１２Ａ）
【公開日】 平成１２年９月２２日（２０００．９．２２）
【出願番号】 特願平１１−５６２４１