JP2008107145A - 衝撃検知センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】感受性方向や感度のばらつきが少ない衝撃検知センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】弾性体２と、その弾性体２に挿通された光ファイバ３と、この光ファイバ３に沿わせて弾性体２内に配置され弾性体２の変形による応力を光ファイバ３に集中させる応力集中板４とを備えた衝撃検知センサ１において、弾性体２に弾性体２の表面から応力集中板４に達する深さを有する複数の溝５（５ｅ，５ｂ）が設けられた。
【選択図】図１

Description

本発明は、感受性方向や感度のばらつきが少ない衝撃検知センサ及びその製造方法に関する。

特許文献１，２等に開示されるように、弾性体と、その弾性体に挿通された光ファイバと、この光ファイバに沿わせて上記弾性体内に配置され上記弾性体の変形による応力を上記光ファイバに集中させる応力集中板とを備えた衝撃検知センサが知られている。

この種の衝撃検知センサは、自動車などの車両に装備し、他の車両や障害物と衝突・接触したときの衝撃を検知したり、接触物が歩行者であるか否かを識別することなどに用いられる。

弾性体の形状としては、例えば、厚さ５ｍｍ×幅１３〜１５ｍｍ×長さ１５３５ｍｍの角棒状である。この弾性体の内部に光ファイバと応力集中板が厚さ方向に順次配置され、かつ、弾性体の長手方向に沿って挿通されている。また、応力集中板が弾性体の幅方向の中央に位置し、さらにその応力集中板の幅方向の中央に光ファイバが位置している。

ここで、従来の衝撃検知センサは、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示された下金型５１と上金型５２とを用いてモールド成型することにより製造される。下金型５１は弾性体の幅及び長さとほぼ同等の幅及び長さを有する長角穴５３を平行に２個備える。この長角穴５３の長手方向両端に望ませてマンドレルガイド溝５７が設けられている。また、下金型５１には上金型５２との位置合わせのためのピン５８が設けられる。上金型５２は、下金型５１との位置合わせのためのピン挿入穴５９があるほかは平坦な板である。

図６（ａ）に示されるように、長角穴５３の幅方向ほぼ中央に応力集中板６４を置き、応力集中板６４の幅方向ほぼ中央にマンドレル６１を置き、そのマンドレル６１をマンドレルガイド溝５７に嵌め込む。次いで、図６（ｂ）に示されるように、上金型５２を下金型５１に重ねる。この状態で材料を金型に流し込むことで弾性体（図示せず）をモールド成型し、その弾性体からマンドレル６１を抜き取ってその穴に光ファイバを挿入する。

特開２００６−１２５９９９号公報 特開２００６−１０５９７３号公報

しかしながら、上記の製造方法では、長角穴５３の幅方向ほぼ中央に応力集中板６４を置くとき、応力集中板６４を長角穴５３の幅方向の真の中央に正確に位置決めする手段がないため、応力集中板６４が長角穴５３の幅方向の真の中央からずれることが避けられず、そのズレ量をコントロールすることもできない。このため、応力集中板６４が弾性体の幅方向の中央からずれてしまう。この位置ズレは、応力集中板６４とマンドレル６１との位置ズレに繋がり、応力集中板６４と光ファイバとの位置ズレを引き起こす。このため、衝撃を検知しやすい角度（感受性方向）や同じ強さの衝撃に対する検知出力の度合い（感度）がセンサごとに、或いはセンサ内の場所によってばらついてしまう。

また、上記の製造方法では、長角穴５３の底からマンドレル６１までの距離（弾性体の厚さ方向のマンドレル位置）が所望の大きさに調節できない。このため、マンドレル６１を弾性体の厚さ方向の中心に配置すること、つまり、光ファイバを弾性体の厚さ方向の中心に配置することが難しい。その結果、光ファイバから弾性体表面までの厚さが長手方向にわたって不均一になってしまい、感受性方向や感度がセンサごとに、或いはセンサ内の場所によってばらついてしまう。

また、弾性体となる材料として、シリコーン系の樹脂があるが、シリコーン系の樹脂は値段が高いので、使用量を極力減らすことが望まれる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、感受性方向や感度のばらつきが少ない衝撃検知センサ及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の衝撃検知センサは、弾性体と、その弾性体に挿通された光ファイバと、この光ファイバに沿わせて上記弾性体内に配置され上記弾性体の変形による応力を上記光ファイバに集中させる応力集中板とを備えた衝撃検知センサにおいて、上記弾性体に該弾性体の表面から上記応力集中板に達する深さを有する複数の溝が設けられているものである。

上記溝が、上記弾性体の上記応力集中板に直接臨む面に垂直であると共に上記光ファイバの長手方向に沿って互いに対向する２つの面にそれぞれ設けられてもよい。

上記溝が、上記弾性体の上記応力集中板に直接臨む面に設けられてもよい。

また、本発明の衝撃検知センサの製造方法は、マンドレルと該マンドレルに沿わせた応力集中板とを金型に収容し、上記マンドレルと上記応力集中板とを包含するように弾性体をモールド成型した後、上記マンドレルを光ファイバに入れ替えて衝撃検知センサを製造する方法において、上記応力集中板が、上記金型の内壁から金型内空間に向けて突き出した複数の突起に接して位置決めされた状態でモールド成型を行うものである。

上記突起を、上記弾性体の上記応力集中板に直接臨む面と垂直であると共に上記光ファイバの長手方向に沿った面に相当する上記金型の互いに対向する２つの内壁にそれぞれ形成しておいてもよい。

上記突起を、上記弾性体の上記応力集中板に直接臨む面に相当する上記金型の内壁に形成しておいてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）感受性方向や感度のばらつきが少ない。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）〜図１（ｄ）に示されるように、本発明に係る衝撃検知センサ１は、弾性体２と、その弾性体２に挿通された光ファイバ３と、この光ファイバ３に沿わせて弾性体２内に配置され弾性体２の変形による応力を光ファイバ３に集中させる応力集中板４とを備え、弾性体２に弾性体２の表面から応力集中板４まで届く一定の深さを有する複数の溝５（５ｅ，５ｂ）が設けられたものである。

ここで、弾性体２の複数の面について、応力集中板４に直接臨む面を後背面Ｓｂとし、この後背面Ｓｂの反対側から光ファイバ３に臨む面を感応面Ｓｋとし、これら感応面Ｓｋと後背面Ｓｂに垂直であり光ファイバ３の長手方向に沿った面を縁面Ｓｅとする。図１（ａ）は感応面Ｓｋを見た図、図１（ｂ）は縁面Ｓｅを見た図、図１（ｃ）は後背面Ｓｂを見た図ということになる。また、光ファイバ３の線条に沿った方向を長手方向、その寸法を長さ、感応面と後背面を結ぶ方向を厚さ方向、その寸法を厚さ、両縁面間を結ぶ方向を幅方向、その寸法を幅と称する。

弾性体２は、全体的に概観すると直方体状のものである。細かく見ると、複数の溝５による凹凸がある。弾性体２は、外力を受けるとその外力に比例して応力をためて変形し、外力を取り去ると元に戻るものである。弾性体２は、シリコーン系の樹脂をモールド成型してなる。この実施形態では、弾性体２は、後述する耐熱性プラスチックファイバよりも軟らかい合成樹脂であるシリコーンゴムからなる。

自動車用の衝撃検知センサの場合、弾性体２のゴム硬度は、２０°〜８０°が好ましい。また、弾性体２の寸法は、厚さ５ｍｍ×幅１３〜１５ｍｍ×長さ１５３５ｍｍが好ましい。

光ファイバ３は、変形によって光特性（伝送損失、光波長など）が変化する全ての光ファイバが使用できるが、曲げや圧縮に対する耐性が強い（機械的強度が劣化しない）点でガラス光ファイバよりもプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）が好適であり、本実施形態では耐熱性プラスチック光ファイバ（ＨＰＯＦ）とする。光ファイバ３は、光を伝搬する断面がほぼ円形状のコア部６とそのコア部６の外周を覆う断面がほぼ円形状のクラッド部７とからなる。コア部６の直径が１．５ｍｍ、クラッド部７の直径が２．２ｍｍであることが好ましい。ただし、弾性体２の厚さに応じてコア部６、クラッド部７の寸法を変えてもよい。クラッド部７にはコア部６よりも屈折率が低く、かつ、耐熱性、耐水性、機械的特性に優れた合成樹脂（例えば、フッ化エチレンプロピレン樹脂等のフッ素系樹脂）を用いることができる。

応力集中板４は、全体的に概観すると弾性体２より幅が狭く、厚さが薄い直方体状のものである。細かく見ると、光ファイバ３に凸部が接する凹凸を有する。この実施形態では、応力集中板４の長手方向に一定間隔で、応力集中板４を厚さ方向に貫通する一定寸法の四角い開口を設けることにより、凹凸が形成されている。弾性体２の変形に伴って光ファイバ３が変形するとき、光ファイバ３の変形が応力集中板４の凸部で規制され、凹部で自由になることで、光ファイバ３に曲げを生じさせるものである。凹凸にはアールを形成してもよい。

溝５には、縁面溝５ｅと後背面溝５ｂがある。縁面溝５ｅは、弾性体２の縁面Ｓｅに対して直角に切り込まれ、応力集中板４の縁面に達する角形の溝であり、溝幅（長手方向寸法）１〜１０ｍｍ程度に形成される。一方、後背面溝５ｂは、弾性体２の後背面Ｓｂに対して直角に切り込まれ、応力集中板４の後背面に達する角形の溝であり、溝幅（幅方向寸法）１〜５ｍｍ程度に形成される。後背面溝５ｂは、弾性体２の幅方向に中心振り分けで２箇所形成される。縁面溝５ｅ、後背面溝５ｂは、それぞれ複数形成されるが、全ての縁面溝５ｅは同じ深さであり、応力集中板４の縁面に達する。また、全ての後背面溝５ｂは同じ深さであり、応力集中板４の後背面に達する。

なお、この実施形態では、後背面溝５ｂの長手方向設置ピッチと、縁面溝５ｅの長手方向設置ピッチとが一致しているが、両ピッチは一致させなくてもよい。

次に、この衝撃検知センサ１の使用状態を説明する。

図２に示されるように、自動車用の衝撃検知センサ２１は、図１の衝撃検知センサ１を車幅方向（図示左右）に伸ばして上下二段に平行に布設したものである。衝撃検知センサ２１は、１本の光ファイバ３を長手方向（車幅方向）の一端でＵ字折り返しすることにより、上下の衝撃検知センサ１のそれぞれの弾性体２に共通の光ファイバ３として収容したものである。光ファイバ３の一端には半導体レーザや発光ダイオード等からなる光源２２が接続され、反対端にはフォトダイオード等からなる受光器２３が接続される。

衝撃検知センサ２１は、弾性体２の全ての箇所が受ける衝撃を検知することができる。光源２２及び受光器２３は、衝撃を受ける箇所から遠ざけて配置してもよい。また、光源２２及び受光器２３は、電磁ノイズを遮蔽した場所に配置してもよい。

光源２２及び受光器２３には、光ファイバ３における伝送損失から弾性体２の変形の大きさに比例する光ファイバ３の曲げ量を検出し、その曲げ量（伝送損失）の時間的変化に基づき衝撃の大きさや衝撃波形の特徴を抽出する演算部（図示せず）からのワイヤ又は光ファイバからなる信号線２４が接続されている。

次に、この衝撃検知センサ１の製造方法を説明する。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、弾性体２をモールド成型する金型は、下金型３１と上金型３２とからなる。下金型３１は、全体的に概観すると長方形をなし弾性体２の幅及び長さとほぼ同等の幅及び長さを有する多凹凸穴３３を平行に２列備える。細部を見ると多凹凸穴３３には、その多凹凸穴３３を囲む外周壁３４及び底部３５に、溝５に対応する複数のリブ３６（３６ｅ，３６ｂ）が形成されている。縁面溝５ｅに対応する壁リブ３６ｅは外周壁３４から直角に突き出た角形のものである。後背面溝５ｂに対応する底リブ３６ｂは底部３５から直角に突き出た角形のものである。

この多凹凸穴３３の長手方向両端の幅方向中央にマンドレルガイド溝３７が形成される。下金型３１の外周壁３４の四隅には上金型３２との位置合わせのためのピン３８が形成される。上金型３２は、下金型３１との位置合わせのためのピン挿入穴３９があるほかは平坦な板である。

図４（ａ）に示されるように、多凹凸穴３３の幅方向ほぼ中央に応力集中板４を置く。すると、外周壁３４から壁リブ３６ｅが突き出しているため、応力集中板４は壁リブ３６ｅに規制されて多凹凸穴３３の幅方向中央に位置決めされる。また、図４（ｂ）に示されるように、底部３５から底リブ３６ｂが突き出しているため、応力集中板４は底リブ３６ｂに規制されて底部３５から正確な離間位置に位置決めされる。

次に、応力集中板４の幅方向ほぼ中央にマンドレル４１を置き、そのマンドレル４１をマンドレルガイド溝３７に嵌め込んで幅方向中央に位置決めする。次いで、図４（ｂ）に示されるように、上金型３２を下金型３１に重ねる。この状態でシリコーンゴムからなる合成樹脂を金型内の多凹凸穴３３に流し込むことで弾性体２をモールド成型する。

その後、金型から弾性体２（応力集中板４及びマンドレル４１を一体化した弾性体２）を外し、弾性体２からマンドレル４１を抜き取ってその穴に光ファイバ３を挿入する。

なお、図３（ａ）の下金型３１のように、多凹凸穴３３を２列備えたことにより、１つの金型で２個の弾性体２を１回で成型することができる。これは、１本の光ファイバ３を共通して用い、複数個の衝撃検知センサ１を一括した図２の衝撃検知センサ２１を製造するのに好適であり、衝撃検知センサ２１の使用時における衝撃検知センサ１の配置間隔を金型に反映しておくとよい。

この製造方法によれば、下金型３１の幅方向両側の外周壁３４に均一の大きさの壁リブ３６ｅを複数並べてあるので、応力集中板４が多凹凸穴３３の幅方向中央に正確に位置決めされ、その状態でモールド成型をすることにより、応力集中板４が弾性体２の幅方向中央、つまり縁面Ｓｅからの距離が均一な位置に固定される。

また、この製造方法によれば、下金型３１の底部３５に均一の大きさの底リブ３６ｂを複数並べてあるので、応力集中板４が底部３５から正確な離間位置に位置決めされ、その状態でモールド成型をすることにより、応力集中板４から弾性体２の後背面Ｓｂまでの距離を長手方向にわたって均一にすることができる。よって、弾性体２の感応面Ｓｋから応力集中板４までの弾性体２の厚さも均一となる。

この結果、複数の衝撃検知センサ１における衝撃を検知しやすい角度（感受性方向）や同じ強さの衝撃に対する検知出力の度合い（感度）のばらつきを少なくすることができ、また、衝撃検知センサ１単体における任意の場所での感受性方向や感度のばらつきも低減することができる。よって、図２に示した自動車用の衝撃検知センサ２１のように、複数の衝撃検知センサ１を組み合わせたものでも、衝撃検知能力の偏りが防止できる。

また、衝撃検知センサ１は、弾性体２に溝５を設けたので、弾性体２の材料である樹脂の使用量を減らすことができる。

本発明は、これまで述べた実施形態に限定されない。例えば、衝撃検知センサ２１の光ファイバ３はＵ字折り返しとしたが、直線状に配置してもよい。また、光ファイバ３の断面は円形に限らず、楕円形等の任意形状としてよい。

また、弾性体２に溝５を形成するために、金型にリブ３６を設けたが、リブ３６の代わりに金型に細径のピンを複数設けて応力集中板４が位置決めされるようにしてもよい。この場合、ピンの高さを均一にすることにより、縁面Ｓｅや感応面Ｓｋから応力集中板４までの距離を均一にできると共に、ピンが十分に細径であることにより、弾性体２に覆われない応力集中板４の部分（溝５の底に相当する部分）の面積を極端に小さくすることができる。

本発明の製造方法によって作成された衝撃検知センサ１において、後背面Ｓｂに形成された複数の後背面溝５ｂの一部又は全てに各々の硬度が異なる弾性部材を備えた構造としてもよい。この弾性部材を備えた衝撃検知センサ１は、後背面溝５ｂの各々の位置における感度調整が可能であることから、各センサの長手方向における感度を個体差なく均一にすることができる。

ここで、弾性部材は、例えば、シリコーンゴムなどの樹脂からなる。また、弾性部材の形状としては、後背面溝５ｂに挿入できる形状であれば特に限定されないが、感度調整の精度を考慮して後背面溝５ｂの溝深さと同等の厚さを有し、後背面溝５ｂが密封される形状のものが好ましい。

衝撃検知センサ１の任意の後背面溝５ｂにおける感度が他の後背面溝５ｂにおける感度よりも高い場合には、弾性体２の硬度よりも硬い硬度を有する弾性部材を圧入や熱溶着などにより上述の任意の後背面溝５ｂに形成する。これにより、弾性部材を設けた後背面溝５ｂにおける感度を低くすることができ、他の後背面溝５ｂにおける感度と同等に調整することができる。

その結果、各センサの長手方向における感度のばらつきを低減することができる。一方、任意の後背面溝５ｂにおける感度が他の後背面溝５ｂにおける感度よりも低い場合には、弾性体２の硬度よりも軟らかい硬度を有する弾性部材を圧入や熱溶着などにより上述の任意の後背面溝５ｂに形成すれば、弾性部材を形成した後背面溝５ｂにおける感度を高くでき、他の後背面溝５ｂにおける感度と同等に調整することができる。

よって、衝撃検知センサ１の後背面溝５ｂの一部又は全てに設けた弾性部材が後背面溝６ｂの各々の位置における感度を調整する役割を果たし、各センサの長手方向における感度のばらつきをさらに低減することができると共に、センサ全体における感度を個体差なく均一にすることができる。

本発明の一実施形態を示す衝撃検知センサの図であり、（ａ）は感応面視図、（ｂ）は縁面視図、（ｃ）は後背面視図、（ｄ）は長手方向に直交する断面図である。 本発明を応用した自動車用の衝撃検知センサの構造図である。 本発明の衝撃検知センサの製造方法を説明するための図であり、（ａ）は下金型の多凹凸穴を見込んだ平面図、（ｂ）は上金型の下面を示す平面図である。 本発明の衝撃検知センサの製造方法を説明するための図であり、（ａ）は下金型に応力集中板を載せた部分平面図、（ｂ）は下金型に上金型を被せた側断面図である。 従来の衝撃検知センサの製造方法を説明するための図であり、（ａ）は下金型の多凹凸穴を見込んだ平面図、（ｂ）は上金型の下面を示す平面図である。 従来の衝撃検知センサの製造方法を説明するための図であり、（ａ）は下金型に応力集中板を載せた部分平面図、（ｂ）は下金型に上金型を被せた側断面図である。

符号の説明

１ 衝撃検知センサ
２ 弾性体
３ 光ファイバ
４ 応力集中板
５ 溝

Claims (6)

1. 弾性体と、その弾性体に挿通された光ファイバと、この光ファイバに沿わせて上記弾性体内に配置され上記弾性体の変形による応力を上記光ファイバに集中させる応力集中板とを備えた衝撃検知センサにおいて、上記弾性体に該弾性体の表面から上記応力集中板に達する深さを有する複数の溝が設けられていることを特徴とする衝撃検知センサ。
2. 上記溝が、上記弾性体の上記応力集中板に直接臨む面に垂直であると共に上記光ファイバの長手方向に沿って互いに対向する２つの面にそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項１記載の衝撃検知センサ。
3. 上記溝が、上記弾性体の上記応力集中板に直接臨む面に設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の衝撃検知センサ。
4. マンドレルと該マンドレルに沿わせた応力集中板とを金型に収容し、上記マンドレルと上記応力集中板とを包含するように弾性体をモールド成型した後、上記マンドレルを光ファイバに入れ替えて衝撃検知センサを製造する方法において、上記応力集中板が、上記金型の内壁から金型内空間に向けて突き出した複数の突起に接して位置決めされた状態でモールド成型を行うことを特徴とする衝撃検知センサの製造方法。
5. 上記突起を、上記弾性体の上記応力集中板に直接臨む面と垂直であると共に上記光ファイバの長手方向に沿った面に相当する上記金型の互いに対向する２つの内壁にそれぞれ形成しておくことを特徴とする請求項４記載の衝撃検知センサの製造方法。
6. 上記突起を、上記弾性体の上記応力集中板に直接臨む面に相当する上記金型の内壁に形成しておくことを特徴とする請求項４又は５記載の衝撃検知センサの製造方法。

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