JP2009042059A - センサ組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】衝突時の荷重を精度よく検出することができるセンサ組立体を提供する。
【解決手段】センサ組立体１０は、面方向に対して直交する荷重入力に対応して電気信号を出力する上下のセンサ素子４７，４８が備えられている。上下のセンサ素子４７，４８は、面方向に沿った感度方向に荷重が作用したとき感度が高く、非感度方向に荷重が作用したとき感度が低く抑えられる特性を有する。上下のセンサ素子４７，４８は、長尺方向が非感度方向に一致されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、面方向に対して直交する方向に荷重が作用した際に、作用した荷重に対応して電気信号を出力する圧電素子を備えたセンサ組立体に関する。

センサ組立体のなかには、車体の変位量を検出するセンサ素子として光ファイバを備えたものがある。光ファイバは、バンパーリーインフォースとバンパーカバーとの間に挟持されている。
バンパーカバーに荷重が作用した場合に、荷重がバンパーカバーを経て光ファイバに伝わり、伝わった荷重で光ファイバを変形させる。
光ファイバが変形することにより、光ファイバ内を通過する光量が変化し、変化した光量に基づいて衝突を検出する（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−２６３０３８号公報

ところで、特許文献１のセンサ組立体で衝突を正確に検出するためには、衝突時の荷重に対応させて光ファイバを好適に変形させる必要がある。
しかし、衝突時の荷重が光ファイバから外れた部位に作用した場合に、作用した荷重でバンパーカバーのうち、光ファイバから外れた部位が変形することが考えられる。

変形した部位がバンパーリーインフォースに当接すると、荷重がバンパーカバーからバンパーリーインフォースに直接伝わってしまい、光ファイバに荷重が効率よく伝わらないことが考えられる。
このため、衝突時の荷重に対応させて光ファイバ（すなわち、センサ素子）を好適に変形させて、衝突時の荷重を精度よく検出することが難しい。

本発明は、衝突時の荷重を精度よく検出することができるセンサ組立体を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、面方向に対して直交する荷重入力に対応して電気信号を出力する長尺状の圧電素子が備えられたセンサ組立体であって、前記圧電素子は、前記面方向に沿った所定方向に荷重が作用したとき感度が高く、前記所定方向に対して直交する方向に荷重が作用したとき感度が低く抑えられる特性を有し、前記圧電素子の長尺方向を、前記所定方向に対して直交する方向に一致させたことを特徴とする。

ここで、圧電素子は、面方向に沿った所定方向に荷重が作用したとき感度が高く、所定方向に対して直交する方向に荷重が作用したとき感度が低く抑えられる特性を有している。
以下、発明の理解を容易にするために、所定方向を「感度方向」、所定方向に対して直交する方向を「非感度方向」という。

この特性のため、圧電素子が感度方向に対して湾曲変形した場合、所定方向に荷重が作用した状態になり電気信号を出力してしまう。
一方、圧電素子で荷重入力を精度よく検出するためには、圧電素子の面方向に対して直交する方向に荷重が作用して圧電素子を圧迫／押圧したとき、この圧迫／押圧で発生した電気信号のみを検出することが好ましい。
そこで、請求項１において、圧電素子の長尺方向を非感度方向に一致させた。

請求項２は、前記圧電素子は、ポリフッ化ビニリデン製の圧電フィルムが用いられ、前記圧電素子を長尺物に備える際に、前記長尺物の長手方向に前記圧電素子の長尺方向を一致させたことを特徴とする。

ここで、長尺物に長手方向に対して直交する方向に荷重が作用した場合、長尺物は長尺物の両端部を支点（基準）にて湾曲変形する。長尺物が湾曲変形することで、長尺物に備えた圧電素子も長尺物に倣って湾曲変形する。
よって、圧電素子の感度方向を長尺物の長手方向に合わせた場合、圧電素子の感度方向に荷重が作用した状態になり電気信号を出力してしまう。

このため、圧電素子の面方向に対して直交する方向に荷重が作用して圧電素子を圧迫／押圧したとき、この圧迫／押圧で発生した電気信号のみを検出することが難しくなり、荷重入力を精度よく検出することはできない。
そこで、請求項２において、圧電素子を長尺物に備える際に、長尺物の長手方向に圧電素子の長尺方向（すなわち、非感度方向）を一致させた。

請求項１に係る発明では、圧電素子の長尺方向を非感度方向に一致させた。よって、圧電素子が長尺方向に対して湾曲変形した場合でも、圧電素子は長尺方向の変形に基づいて電気信号を出力することがない。
これにより、圧電素子の面方向に対して直交する方向に荷重が作用して圧電素子を圧迫／押圧したとき、この圧迫／押圧で発生した電気信号のみを検出することが可能になり、衝突時の荷重を精度よく検出することができる。

請求項２に係る発明では、圧電素子としてポリフッ化ビニリデン製の圧電フィルムを用いた。ポリフッ化ビニリデンは薄膜化が容易なので、センサ全体の薄型化・小型化を図ることができる。

さらに、圧電素子を長尺物に備える際に、長尺物の長手方向に圧電素子の長尺方向（すなわち、非感度方向）を一致させた。
よって、圧電素子の面方向に対して直交する方向に荷重が作用して圧電素子を圧迫／押圧した際に、長尺物に倣って圧電素子が湾曲変形した場合でも、この圧迫／押圧で発生した電気信号のみを検出することが可能になり、衝突により発生した荷重を精度よく検出することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、本実施の形態ではセンサ組立体１０を車両のフロントバンパービーム１３に組み付けた例について説明するが、本発明はその他の長尺物に適用することも可能である。

図１は本発明に係るセンサ組立体を示す斜視図、図２は本発明に係るセンサ組立体を示す分解斜視図である。
センサ組立体１０は、左右のフロントサイドフレーム１１，１２に取り付けられたフロントバンパービーム１３と、フロントバンパービーム１３に取り付けられた第１部材１４と、第１部材１４およびフロントバンパービーム１３間に配置された第２部材１５と、第２部材１５に支持されたセンサ素子ユニット１６とを備える。

フロントバンパービーム１３は、左右のフロントサイドフレーム１１，１２の各前端部１１ａ，１２ａに取り付けられて車体１８の一部を構成する部材である。
フロントバンパービーム１３は、断面略日字状に形成され、車体幅方向に延出された中央部２１と、中央部２１の左端に設けられた左傾斜部２２と、中央部２１の右端に設けられた右傾斜部２３とを備えた長尺物である。

フロントバンパービーム１３の前壁２５のうち、上下方向の中央部に、複数の差込孔２７が所定間隔をおいて形成されている。
また、フロントバンパービーム１３の前壁２５のうち、上辺近傍に、複数の上係止孔２８が所定間隔をおいて形成されている。
さらに、フロントバンパービーム１３の前壁２５のうち、下辺近傍に、複数の下係止孔２９が所定間隔をおいて形成されている。

第１部材１４は、フロントバンパービーム１３の前壁２５に沿って延びる帯状のビームカバー３１を備えるとともに、ビームカバー３１の裏面３１ａに挿通部３３…、上下の取付部３４…，３５…および上下の荷重伝達部３６，３７をそれぞれ備える。
なお、挿通部３３、上下の取付部３４…，３５…および上下の荷重伝達部３６，３７については図３〜図４で詳しく説明する。

第２部材１５は、第１部材１４およびフロントバンパービーム１３間に介装され、フロントバンパービーム１３の前壁２５に沿って延びる帯状部材である。
この第２部材１５は、例えば、両面接着テープ（図示せず）でフロントバンパービーム１３の前壁２５に接着（支持）されている。

第２部材１５は、上下方向の中央部に、複数の位置決孔４１が所定間隔をおいて形成されている。
第２部材１５は、上辺に上張出片４２と、下辺に下張出片４３と、上下の張出片４２，４３間にセンサ支持面４４とを備える。

上張出片４２は上辺から車体前方に向けて張り出された部位である。下張出片４３は下辺から車体前方に向けて張り出された部位である。
センサ支持面４４は、センサ素子ユニット１６を支持する面である。
なお、位置決孔４１については図３〜図４で詳しく説明する。

センサ素子ユニット１６は、センサ支持面４４に沿って帯状に形成されたラミネート４６と、ラミネート４６の上辺に沿って埋設された複数の上センサ素子（圧電素子）４７と、ラミネート４６の下辺に沿って埋設された複数の下センサ素子（圧電素子）４８とを備えた長尺物である。

ラミネート４６は、上下方向の中央部に、複数の嵌合孔５１が所定間隔をおいて形成されている。
上下のセンサ素子４７，４８は、横方向に延出された帯状（長尺状）の素子である。
このセンサ素子ユニット１６は、例えば、両面接着テープ（図示せず）で第２部材１５のセンサ支持面４４に接着（支持）されることで、第２部材１５を介してフロントバンパービーム１３に備えられている。

図３は図１の３−３線断面図、図４は図３の分解図である。
第２部材１５は、表面１５ｂの上下方向中央にボス５３…（図２も参照）が所定間隔をおいて形成され、ボス５３…にそれぞれ位置決孔４１が形成されている。複数の位置決孔４１は貫通孔である。
第２部材１５の表面１５ｂのうち、上下の張出片４２，４３間にセンサ支持面４４が形成されている。センサ支持面４４の高さ寸法はＨ１である。

センサ素子ユニット１６はラミネート４６の高さ寸法がＨ２に設定されている。ラミネート４６の高さ寸法Ｈ２は、センサ支持面４４の高さ寸法Ｈ１と比して僅かに小さく設定されている。
ラミネート４６の上辺４６ａの近傍に上センサ素子４７が埋設されている。上センサ素子４７は、挿通部３３の上側に設けられている。
ラミネート４６の下辺４６ｂの近傍に下センサ素子４８が埋設されている。下センサ素子４８は、挿通部３３の下側に設けられている。

上下のセンサ素子４７，４８として圧電フィルムが用いられている。すなわち、上下のセンサ素子４７，４８は、各センサ素子４７，４８の面方向に対して直交する方向への荷重が入力（作用）したとき歪みが生じ、生じた歪み量（入力した荷重）に対応して電気信号を出力する素子である。
これにより、入力（作用）した荷重に対応する電気信号を出力することができる。
なお、上下のセンサ素子４７，４８については、図５（ａ），（ｂ）で上センサ素子４７を例示して詳しく説明する。

ここで、センサ素子ユニット１６を両面接着テープ（図示せず）でセンサ支持面４４に接着した状態で、ラミネート４６の嵌合孔５１がボス５３に嵌合されている。
これにより、センサ素子ユニット１６は、複数のボス５３によって所定位置に位置決めされている。

さらに、センサ素子ユニット１６は、上下の張出片４２，４３により上下の辺４６ａ，４６ｂが所定位置に位置決めされている。
これにより、センサ素子ユニット１６を、第２部材１５に対して所定位置により確実に位置決めすることができる。

第１部材１４はセンサ素子ユニット１６の車体前方側に設けられている。
第１部材１４の上取付部３４は、ビームカバー３１の裏面３１ａにおいて、上辺３１ｂの近傍から車体後方に向けて延びた弾性変形可能な係止部材である。
上取付部３４は、突片５５の先端部に係止爪５６が上向きに設けられている。
係止爪５６は、フロントバンパービーム１３の上係止孔２８の周縁に係止することで、突片５５が上係止孔２８から車体前方に向けて抜け出すことを防ぐ部位である。

第１部材１４の下取付部３５は、上取付部３４と上下対称の部材であり、各構成部位に同じ符号を付して説明を省略する。

第１部材１４の上荷重伝達部３６は、ビームカバー３１の裏面３１ａにおいて、上取付部３４の下方近傍に、ビームカバー３１の左端３１ｄから右端３１ｅ（図２参照）に亘って連続的に形成されている。
この上荷重伝達部３６は、車体後方に向けて（すなわち、上センサ素子４７に向けて）膨出された膨出部で、挿通部３３の上方に設けられている。
詳しくは、上荷重伝達部３６は、上取付部３４および挿通部３３の間に配置されている。

第１部材１４の下荷重伝達部３７は、上荷重伝達部３６と上下対称の部材であり、挿通部３３の下方に設けられている。
詳しくは、下荷重伝達部３７は、下取付部３５および挿通部３３の間に配置されている。
以下、下荷重伝達部３７の各構成部位に、上荷重伝達部３６の構成部位と同じ符号を付して説明を省略する。

第１部材１４の挿通部３３は、ビームカバー３１の裏面３１ａにおいて、上下方向の中央部から車体後方に向けて延びた円柱状の突出部である。
挿通部３３は、第２部材１５の位置決孔４１に貫通可能で、かつ、フロントバンパービーム１３の差込孔２７に貫通可能な部材である。

挿通部３３を位置決孔４１に貫通することにより、第１部材１４および第２部材１５を位置決め部３０で上下方向に対して相対的に位置決めすることができる。
これにより、上荷重伝達部３６の当接面３６ａを上センサ素子４７に対向させるとともに、下荷重伝達部３７の当接面３７ａを下センサ素子４８に対向させることができる。

図５（ａ）は本発明に係るセンサ組立体のセンサ素子を示す斜視図、図５（ｂ）は本発明に係るセンサ素子の分子構造を示す図である。
なお、上下のセンサ素子４７，４８は同じセンサ素子なので、上センサ素子４７について説明して下センサ素子４８の説明を省略する。
図５（ａ）に示す上センサ素子４７として、通常の圧電フィルムが用いられている。この圧電フィルムは、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）がある。
このＰＶＤＦは薄膜化が容易なので、センサ全体の薄型化・小型化を図ることができる。

ＰＶＤＦは、図５（ｂ）に示す分子構造（−ＣＨ_２ＣＦ_２−）上、面方向に沿った所定方向（ｄ３１方向）への変形、および面方向に対して直交する方向（ｄ３３方向）への変形に対して双極子モーメントの変化による分極を生じるという特性を備えている。
一方、このＰＶＤＦは、面方向に沿った所定方向と直交する方向（ｄ３２方向）の変形においては、構造対称性が維持されるので双極子モーメントによる分極を生じないという特性を備えている。
面方向に沿った所定方向（ｄ３１方向）は、前述した「感度方向」である。
面方向に沿った所定方向と直交する方向（ｄ３２方向）は、前述した「非感度方向」である。

すなわち、上センサ素子４７は、面方向に対して直交する方向に圧迫／押圧が作用した場合、双極子モーメントの変化による分極を生じて電圧（分極電圧）が発生する。
また、上センサ素子４７は、感度方向に引張力が作用すると、双極子モーメントの変化による分極を生じて電圧（分極電圧）が発生する（感度が高い）。
一方、上センサ素子４７は、非感度方向に引張力が作用しても、双極子モーメントによる分極を生じないので電圧（分極電圧）が発生しない（感度が低い）。

ところで、図２に示すセンサ素子ユニット１６は、車体幅方向（すなわち、左右方向）に長尺に形成され、上下方向に短い寸法に形成された長尺物である。
よって、センサ素子ユニット１６の面方向に対して直交する方向に荷重が作用すると、左右の端部を支点（基準）にしてセンサ素子ユニット１６の長手方向に対して直交する方向に湾曲変形する。
以下、センサ素子ユニット１６の長手方向に対して直交する方向への湾曲変形を「長手方向変形」という。

センサ素子ユニット１６が長手方向変形することで、上センサ素子４７（図５（ａ）参照）も同様に、左右の端部４７ａ，４７ｂを基準にして長手方向に湾曲変形（長手方向変形）する。
長手方向変形した上センサ素子４７は、変形前の上センサ素子４７と比較して全長が長くなる。すなわち、上センサ素子４７が長手方向変形した場合、上センサ素子４７に非感度方向の引張力が作用することになる。

一方、センサ素子ユニット１６は、上下方向の寸法が短く形成されている。よって、センサ素子ユニット１６の面方向に対して直交する方向に荷重が作用した場合でも、センサ素子ユニット１６は、上下の辺を支点（基準）にして短手方向に対して直交する方向に湾曲変形しない。
以下、センサ素子ユニット１６の短手方向に対して直交する方向への湾曲変形を「短手方向変形」という。

よって、上センサ素子４７（図５（ａ）参照）も上下の辺４７ｃ，４７ｄを基準にして短手方向変形しない。
すなわち、センサ素子ユニット１６の面方向に対して直交する方向に荷重が作用した場合に、図５（ａ）に示す上センサ素子４７は感度方向に引張力が作用しない状態を確保できる。

ここで、上センサ素子４７で、衝突時の荷重のみを検出するためには、面方向に対して直交する方向に作用した押圧力で、上センサ素子４７を圧迫／押圧したとき、この圧迫／押圧で発生した電気信号のみを検出する必要がある。
そこで、図５（ａ）に示す上センサ素子４７の長尺方向を非感度方向に一致させた。
よって、上センサ素子４７は、長尺方向に引張力Ｆ１が作用しても電圧を発生しないが、長尺方向に対して直交する方向（短手方向）に引張力Ｆ２が作用すると電圧が発生する。

しかし、上述したように、センサ素子ユニット１６の面方向に対して直交する方向に荷重が作用した場合に、上センサ素子４７は短手方向変形しない。
よって、上センサ素子４７の面方向に対して直交する方向に荷重が作用して上センサ素子４７を圧迫／押圧した際に、センサ素子ユニット１６に倣って上センサ素子４７が湾曲変形した場合でも、この圧迫／押圧で発生した電気信号のみを検出することが可能になり、衝突により発生した荷重を精度よく検出することができる。

つぎに、センサ組立体１０の作用を図６〜図７に基づいて説明する。
図６は本発明に係るセンサ組立体の第１部材に荷重が作用した例を説明する図である。
第１部材１４に車体前方側から荷重Ｆ３が矢印の如く作用する。荷重Ｆ３は、上下のセンサ素子４７，４８の面方向に対して直交する荷重である。
ここで、上荷重伝達部３６の当接面３６ａおよび下荷重伝達部３７の当接面３７ａは、センサ素子ユニット１６にそれぞれ当接している。
荷重Ｆ３の一部が矢印Ａの如く上荷重伝達部３６に伝わる。一方、荷重Ｆ３の残りが矢印Ｂの如く下荷重伝達部３７に伝わる。

上荷重伝達部３６の当接面３６ａは上センサ素子４７に対向している。さらに、下荷重伝達部３７の当接面３７ａは下センサ素子４８に対向している。
よって、上荷重伝達部３６に伝わった荷重が上センサ素子４７の面方向に対して直交する方向に作用して、上センサ素子４７を良好に圧迫／押圧することができる。

同様に、下荷重伝達部３７に伝わった荷重が下センサ素子４８の面方向に対して直交する方向に作用して、下センサ素子４８を良好に圧迫／押圧することができる。
これにより、荷重Ｆ３を上下のセンサ素子４７，４８に効率よく作用させることができる。
以下、上下のセンサ素子４７，４８のうち、上センサ素子４７について説明して、下センサ素子４８の説明を省略する。

図７（ａ），（ｂ）は本発明に係る上センサ素子に荷重が作用した例を説明する図である。
（ａ）において、上下のセンサ素子４７，４８に荷重が作用することで、上下のセンサ素子４７，４８に押圧力を作用させることができる。
上下のセンサ素子４７，４８に荷重が作用することで、センサ素子ユニット１６は、想像線で示すように、左右の端部１６ａ，１６ｂを支点（基準）にして車体後方に長手方向変形する。
一方、センサ素子ユニット１６は、上下方向の寸法が短いので、上下の辺１６ｃ，１６ｄを支点（基準）にして車体後方に短手方向変形しない。

（ｂ）において、センサ素子ユニット１６が左右の端部１６ａ，１６ｂを支点（基準）にして長手方向変形することで、上センサ素子４７も左右の端部４７ａ，４７ｂを基準にして車体後方に長手方向変形する。
長手方向変形した上センサ素子４７は、変形前の上センサ素子４７と比較して全長Ｌが長くなる。

ここで、上センサ素子４７は、長尺物としてのセンサ素子ユニット１６の長手方向に、上センサ素子４７の長尺方向（すなわち、非感度方向）を一致させている。よって、上センサ素子４７の全長Ｌが長くなっても、上センサ素子４７は電圧を発生しない。
これにより、上センサ素子４７の面方向に対して直交する方向に作用して、上センサ素子４７を圧迫／押圧する押圧力のみ、すなわち、衝突時の荷重のみを上センサ素子４７で検出して電気信号として出力することができ、衝突時の荷重を精度よく検出することができる。

なお、前記実施の形態では、長尺物としてフロントバンパービーム１３を例示したが、これに限らないで、リヤバンパービームなどの他の長尺物に適用することも可能である。
さらには、車両以外の長尺物に適用することも可能である。

本発明のセンサ組立体は、面方向に対して直交する方向への荷重に対応して電気信号を出力する圧電素子を備えた自動車への適用に好適である。

本発明に係るセンサ組立体を示す斜視図である。 本発明に係るセンサ組立体を示す分解斜視図である。 図１の３−３線断面図である。 図３の分解図である。 （ａ）は本発明に係るセンサ組立体のセンサ素子を示す斜視図、（ｂ）は本発明に係るセンサ素子の分子構造を示す図である。 本発明に係るセンサ組立体の第１部材に荷重が作用した例を説明する図である。 本発明に係る上センサ素子に荷重が作用した例を説明する図である。

符号の説明

１０…センサ組立体、４７…上センサ素子（圧電素子）、４８…下センサ素子（圧電素子）、Ｆ３…荷重。

Claims (2)

1. 面方向に対して直交する荷重入力に対応して電気信号を出力する長尺状の圧電素子が備えられたセンサ組立体であって、
   前記圧電素子は、
   前記面方向に沿った所定方向に荷重が作用したとき感度が高く、前記所定方向に対して直交する方向に荷重が作用したとき感度が低く抑えられる特性を有し、
   前記圧電素子の長尺方向を、前記所定方向に対して直交する方向に一致させたことを特徴とするセンサ組立体。
2. 前記圧電素子は、ポリフッ化ビニリデン製の圧電フィルムが用いられ、
   前記圧電素子を長尺物に備える際に、前記長尺物の長手方向に前記圧電素子の長尺方向を一致させたことを特徴とする請求項１記載のセンサ組立体。

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