JP2010112812A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟な素材からなり、安価で且つ好きな形状に製作することができる、優れた圧力センサーを提供する。
【解決手段】圧力センサー１０は、弾性のあるゲル上で且つ導光性のある光学管１１と、光学管１１の一端から光を入射するＬＥＤなどからなる発光部１２と、光学管１１の他端から光学管１１内を通過した光を検出するＣｄｓセルなどからなる受光部１３で構成される。光学管の変形に伴う透過光量の変化に基づいて圧力を測定する仕組みであり、光の導波は温度変化の影響が皆無に等しいことから、温度特性に対する変動が小さく且つノイズの影響を受け難いセンサーである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、材料や構造物に印加される圧力を計測する圧力センサーに係り、特に、温度特性に対する変動が小さく且つノイズの影響を受け難い圧力センサーに関する。

センサーは、例えば動物の五感などで検知可能な物理量を計測の対象とし、コンピューターなどの電子機器で処理し易い信号に変換するデバイスである。音、光、温度、圧力、流量などさまざまなセンサーが普及している。

このうち、力センサー若しくは圧力センサーは、材料や構造物に印加される力を計測するために広く利用されている。また、最近では、情報機器（パソコンやＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ゲーム機など）のタッチパネルを介したユーザー操作や、さらには日常生活で活躍するロボットとの接触を介したコミュニケーションなどにおいて、ユーザーの触動作を検出するデバイスとしても利用されている。

例えば、歪みゲージ方式のセンサーは、機械的な寸法の微小な変化を電気信号として検出するデバイスである。作用力に対する歪み量の関係が既知となる起歪体に歪みゲージを接着すれば、出力される電気信号を基に作用力を測定することができ、材料や構造物の強度や安全性を検証することができる。歪みゲージは、機械、自動車などの移動体、電気、電機、土木建築、医学、食品などの業界で使用されている。しかしながら、歪みゲージ方式のセンサーは、歪みゲージ及び接着部材において温度特性に起因する変動が無視し難く、微小変位を測定するためにノイズの影響を受け易いという問題がある。

また、静電容量式の力覚センサーは、２枚の電極で空隙を挟んだコンデンサーの構造からなり、外力の印加により電極間の距離が変動することによる静電容量の変化を測定し、力の大きさに変換するデバイスである。この種のセンサーは、ピコファラッド程度の微小な静電容量を測定するため、ノイズの影響を受け易いという問題がある。また、静電容量を電圧に変換するＣＶ変換器が必要である。

また、ゴム若しくは弾性のある一様なゲルなど、柔軟な素材からなる圧力センサーも開発されている。この種のセンサーは、概して安価に製作できることや、好きな形状に加工し易いなどの利点があり、例えば、情報機器やロボットなどのユーザー・インターフェースにも適用できると本発明者らは考えている。

例えば、感圧導電性エラストマーは、絶縁性ポリマー（シリコーン・ゴム）中に、球状の導電性カーボン・ブラック粒子又は導電性カーボン・ブラックの導電粒子を配合した材料であり、無加圧時には導電性粒子が離間して折り導電経路がない（若しくは導電経路数がごく僅かである）ことから高電気抵抗値（∞若しくは４０ＭΩ以上）を示して絶縁性を有するが（図９Ａを参照のこと）、加圧時には圧縮変形することにより導電性同士が近接して導通経路が形成され（図９Ｂを参照のこと）、導電経路数の増大により低電気抵抗値（数Ω程度）を示して導電性を有するようになる（例えば、特許文献１を参照のこと）。しかしながら、感圧導電性エラストマーは、温度特性に対して変動が大きいことやヒステリシスの問題がある。また、抵抗値と負荷の関係が対数関数であり非線形であることから取り扱い難い。

また、ほぼ網の目状に敷設した光ファイバーを柔軟物体で挟み、一方が入射光路となり他方が出射光路となる光ファイバーの切断部分を感圧部とし、係る感圧部がマトリックス上に配設されたセンサー部位について開示されている（例えば、特許文献２を参照のこと）。無加圧状態では、入射光路を導波した光がその出力端から照射され、そのまま出射光路の入力端で入射圧力され出射光路を堂はするので（図１０Ａを参照のこと）、透過光量は大きくなる。これに対し、感圧部に圧力が印加されると、入射光路と出射光路の間隙が柔軟部材で押し潰され、入射光路を導波した光が感圧部で遮断され（図１０Ｂを参照のこと）、透過光量が減少することから、圧力を検知することができる。しかしながら、図１０に示したセンサー部材は、光ファイバーの切断部分でしか圧力を感知することができない。また、光ファイバーを使用していることから、素材は硬くなり、曲面上で使用することが難しい。また、感圧部を等間隔に配置する必要があることから、製作が困難でありコスト高にもなると思料される。

特公平６−５４６０３号公報 特開２００６−３４３１９５号公報、図４、図５

本発明の目的は、材料や構造物に印加される圧力を好適に計測することができる、優れた圧力センサーを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、温度特性に対する変動が小さく且つノイズの影響を受け難い、優れた圧力センサーを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、柔軟な素材からなり、安価で且つ好きな形状に製作することができる、優れた圧力センサーを提供することにある。

本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の発明は、
弾性で且つ導光性のある光学管と、
前記光学管の一端から検出光を入射する発光部と、
前記光学管の他端から前記光学管内を通過した検出光の光量を検出する受光部と、
を具備することを特徴とする圧力センサーである。

また、本願の請求項２に記載の発明は、
弾性で且つ導光性のある複数本の光学管を２次元マトリックス状に配置した圧力検出領域と、
前記複数本の光学管の各々について配設された、入力端から検出光を入射する発光部及び出力端で管内の通過光の光量を検出する受光部と、
を具備することを特徴とする圧力センサーである。

本発明によれば、材料や構造物に印加される圧力を好適に計測することができる、優れた圧力センサーを提供することができる。

また、本発明によれば、温度特性に対する変動が小さく且つノイズの影響を受け難い、優れた圧力センサーを提供することができる。

また、本発明によれば、柔軟な素材からなり、安価で且つ好きな形状に製作することができる、優れた圧力センサーを提供することができる。

本願の請求項１に記載の圧力センサーは、光学管の変形に伴う透過光量の変化に基づいて圧力を測定する仕組みである。すなわち、光学管の力Ｆが印加された部位は圧縮される。この結果、当該部位の断面積は減少して、光学管内で導波される光束の少なくとも一部は遮断されてしまうので、光学管の出力端から出射して受光部の受光面まで到達する透過光の光量は減少する。したがって、光量と力Ｆとの関係に基づいて、受光部の出力信号から力Ｆの大きさを測定することができる。また、光の導波は温度変化の影響が皆無に等しいことから、温度特性に対する変動が小さく且つノイズの影響を受け難いセンサーである。

圧力センサーの基本構成要素である光学管は、ゲル状すなわち弾性材料であり、また光の屈折を利用して光学管が湾曲した状態でも導波光を外部に漏らすことなく伝搬することから、本願の請求項１に係る圧力センサーの主要部を曲面にも配置することができる。

また、本願の請求項２に記載の圧力センサーは、複数の光学管を２次元マトリックス状に配列し、２次元的な広がりを持つ圧力検出領域を備えており、当該マトリックスのある交差点付近で力Ｆが印加されると、この交差点を通過するＸ方向及びＹ方向の光学管の出力端に配設された各受光部で光量の変化を検出することができる。そして、光量の変化によって印加された力Ｆを測定でき、さらに、透過光の光量の変化が検出されたＸＹ各方向の光学管の組み合わせによって、２次元の圧力検出領域上における力Ｆの作用点も特定することができる。

本願の請求項２に記載の圧力センサーは、光を利用した基本原理によって圧力の大きさと位置を検知することが可能であり、設置場所を限定することなく、どの位置でも測定が可能である。例えば、ロボットの体表面センサー、車両系のダンパーやタイヤ部の表面センサーに適用することができる。

また、本発明に係る圧力センサーは構造が簡素であり、且つ、基本構成要素である光学管は安価であることから、低コストで製作することができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。

図１には、本発明に係る圧力センサーの基本構成要素を図解している。図示のように、圧力センサー１０は、弾性のあるゲル状で且つ導光性のある光学管（オプティカル・チューブ）１１と、光学管１１の一端から光を入射するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）やレーザー発振器などからなる発光部１２と、光学管１１の他端から光学管１１内を通過した光の光量を検出するＣｄｓセルなどからなる受光部１３で構成される。発光部１２から出力される検出光は、光学管１１の入力端に入射し、管内を通過した後、出力端から出射して、受光部１３の受光面に到達する。但し、発光部１２や受光部１３は必ずしも光学管１１の端面近傍に配置する必要はなく、端面との間を任意の光導波路（図示しない）で接続するようにしてもよい。

図２には、光学管１１の断面構成を示している。光学管１１は、透明ゲルなどの透明度の高い弾性材料であるが、管の表面１４は外部光を遮断する不透明の弾性材料（例えば、着色ゴム）で被覆され、又は、不透明となる表面処理が施されている。

図３には、図１に示した圧力センサー１０の光学管１１の一部分に力Ｆが印加され、変形している様子を示している。図示のように、光学管１１の力Ｆが印加された部位は圧縮される。この結果、当該部位の断面積は減少して、光学管１１内で導波される光束の少なくとも一部は遮断されてしまうので、光学管１１の出力端から出射して受光部１３の受光面まで到達する透過光の光量は減少する。したがって、光量と力Ｆとの関係に基づいて、受光部１３の出力信号から力Ｆの大きさを測定することができる。

図４には、図１に示した光学管を複数本、２次元マトリックス状に配置して、２次元的な広がりを持つ圧力検出領域を持つ圧力センサーを示している。そして、図１と同様に、各々の光学管には、入力端から検出光を入射する発光部及び出力端で管内の通過光の光量を検出する受光部が、それぞれ配設されている。また、各々の光学管は、透明ゲルなどの透明度の高い弾性材料であるが、管の表面は外部光を遮断する不透明の弾性材料（例えば、着色ゴム）で被覆され、又は、不透明となる表面処理が施されている。

好ましい実施形態では、複数の光学管は、図示のように、Ｘ方向に配列されたグループと、Ｙ方向に配列されたグループに分類される。

上述したように、光学管の力Ｆが印加された部位は圧縮される。この結果、当該部位の断面積は減少して、光学管内で導波される光束の少なくとも一部は遮断されてしまうので、光学管の出力端から出射して受光部の受光面まで到達する透過光の光量は減少する。したがって、光量と力Ｆとの関係に基づいて、対応する受光部の出力信号から、各々の光学管に印加された力Ｆの大きさを測定することができる。

図４に示すように複数の光学管を２次元マトリックス状に配列した場合、当該マトリックスのある交差点付近で力Ｆが印加されると、この交差点を通過するＸ方向及びＹ方向の光学管の出力端に配設された各受光部で光量の変化が検出される。光量の変化によって印加された力Ｆを測定できることは上述した通りであるが、透過光の光量の変化が検出されたＸＹ各方向の光学管の組み合わせによって、２次元の圧力検出領域上における力Ｆの作用点も特定することができる。図５には、直交する２本の光学管の交差点付近で力Ｆが印加されたときに、各々の出力端に配置された受光部で透過光の香料の変化を検出している様子を示している。

図６には、図４に示した圧力センサーの断面Ａ−Ａを示している。各光学管は透明な高い弾性材料である。また、各光学管は、Ｙ方向に並走するが、各々の間隙は遮光する高い弾性材料で充填されており、隣り合う光学管の間でクロストークを生じることはない。

図７には、図１に示した圧力センサーの、光学管１１に印加される力Ｆと受光部１３の出力との関係を示している。但し、図示の例では、受光部１３の出力は抵抗値として得られるものとする。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本発明に係る圧力センサーは、光学管の変形に伴う透過光量の変化に基づいて圧力を測定する仕組みであり、光の導波は温度変化の影響が皆無に等しいことから、温度特性に対する変動が小さく且つノイズの影響を受け難いセンサーである。

また、本発明に係る圧力センサーの基本構成要素である光学管は、ゲル状すなわち弾性材料であり、また光の屈折を利用して光学管が湾曲した状態でも導波光を外部に漏らすことなく伝搬することから、センサーの主要部を曲面にも配置することができる。

また、本発明に係る圧力センサーは、光を利用した基本原理によって圧力の大きさと位置を検知することが可能であり、設置場所を限定することなく、どの位置でも測定が可能である。

また、本発明に係る圧力センサーは構造が簡素であり、且つ、基本構成要素である光学管は安価であることから、低コストで製作することができる。

本発明に係る圧力センサーは、例えば、ロボットの体表面センサー、車両系のダンパーやタイヤ部の表面センサーに適用することができる。図８には、人間型ロボットの体表面センサーに適用した例を示している。図示のロボットの表面のうち、外界との接触が想定されている各部位は曲面であるが、本発明に係る圧力センサーｔ１、ｔ２、…、ｔ１７が取り付けられている。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

図１は、本発明に係る圧力センサーの基本構成要素を示した図である。 図２は、光学管１１の断面構成を示した図である。 図３は、図１に示した圧力センサー１０の光学管１１の一部分に力Ｆが印加され、変形している様子を示した図である。 図４は、図１に示した光学管を複数本、２次元マトリックス状に配置して、２次元的な広がりを持つ圧力検出領域を持つ圧力センサーを示した図である。 図５は、直交する２本の光学管の交差点付近で力Ｆが印加されたときに、各々の出力端に配置された受光部で透過光の香料の変化を検出している様子を示した図である。 図６は、図４に示した圧力センサーの断面Ａ−Ａを示した図である。 図７は、図１に示した圧力センサーの、光学管１１に印加される力Ｆと受光部１３の出力との関係を示した図である。 図８は、人間型ロボットの体表面センサーに適用した例を示した図である。 図９Ａは、従来技術を説明するための図である。 図９Ｂは、従来技術を説明するための図である。 図１０Ａは、従来技術を説明するための図である。 図１０Ｂは、従来技術を説明するための図である。

符号の説明

１０…圧力センサー
１１…光学管
１２…発光部
１３…受光部
１４…（光学管１１の）表面

Claims (2)

1. 弾性で且つ導光性のある光学管と、
   前記光学管の一端から検出光を入射する発光部と、
   前記光学管の他端から前記光学管内を通過した検出光の光量を検出する受光部と、
   を具備することを特徴とする圧力センサー。
2. 弾性で且つ導光性のある複数本の光学管を２次元マトリックス状に配置した圧力検出領域と、
   前記複数本の光学管の各々について配設された、入力端から検出光を入射する発光部及び出力端で管内の通過光の光量を検出する受光部と、
   を具備することを特徴とする圧力センサー。