JP2019184434A - 変位センサ、押しボタン式スイッチ、車両用衝撃検知器、触感センサ及び非常停止スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】長期耐久性とセンサ感度に優れ、かつ、変位センサ装置の構成を簡略化することが可能な変位センサを提供する。【解決手段】プラスチック光ファイバと、前記プラスチック光ファイバの一端に接続された発光素子と、前記プラスチック光ファイバの他端に接続された受光素子とを備えた変位センサ。前記変位センサにおいては、前記プラスチック光ファイバは少なくとも一部の領域に螺旋巻き部を有し、前記螺旋巻き部が外圧を受けると、螺旋巻き部の少なくとも一部が変形して、プラスチック光ファイバに光量の変化を発生させる機構を有している。【選択図】 図１

Description

本発明は、歪によってプラスチック光ファイバの光伝送特性が変化することを利用した変位センサ、押しボタン式スイッチ、車両用衝撃検知器、触感センサ及び非常停止スイッチに関する。

各種機械装置のスイッチや、自動車等の車両の衝撃検知センサとして、光ファイバを用いる方法がある。光ファイバ方式のセンサは、対象物に圧力や衝撃が加わったときに、光ファイバに微小な曲げや歪み（マイクロベンデイング）の変形が生じ、光ファイバの光伝送特性が変化することを検知することにより、スイッチのオン／オフや、車両等に加わった衝撃を検知する光ファイバセンサが知られている。
例えば、特許文献１には、特定の先端形状を有する複数個の突起を備えた波付板をプラスチック光ファイバに押しつけることで、光ファイバの光伝送特性の変化を検知する、衝撃検知光ファイバセンサが開示されている。
例えば、特許文献２には、光ファイバの周囲に、外径が異なる複数種類の線状体を巻き付けた、光ファイバ圧力センサが開示されている。
特許文献３には、異なる弾性率を有する第１の線状体と第２の線状体とが、互いに撚り合わされ、プラスチック光ファイバの長手方向に巻き付けられた、衝撃検知光ファイバセンサが開示されている。

特開２００６−１０５９７３号公報 特開２００６−２０８０２１号公報 特開２００８−１１１７６２号公報

しかしながら、特許文献１〜３に開示されている光ファイバセンサは、以下の課題を有していた。
（１）波付板の突起又は線状体をプラスチック光ファイバに押しつけているため、長期間繰り返して使用しているうちに、プラスチック光ファイバに傷が付いたり、プラスチック光ファイバが塑性変形して、センサ感度が低下する。すなわち、長期耐久性が不十分であった。
（２）マイクロベンデイングを利用しているので、光量変化が微少であり、さらに、直径の小さいプラスチック光ファイバの使用に限られるため光量自体が少ない。すなわち、センサ感度が不十分であった。
（３）光ファイバを、実質的に伸ばして使用しているため、光ファイバセンサ装置を小型化する際の支障となる。また、波付板や複数種類の線状体が必要となるため、光ファイバセンサ装置の部品点数が多くなる。すなわち、光ファイバセンサ装置の構成を簡略にできなかった。
本発明はこれらの問題点を解決することを目的とする。
そこで、本発明の目的は、長期耐久性とセンサ感度に優れ、かつ、変位センサの構成を簡略化することが可能な、プラスチック光ファイバを用いた変位センサを提供することにある。

前記課題は、以下の本発明によって解決される。
本発明の第一の要旨は、歪に応じて光学特性が変化するプラスチック光ファイバと、前記プラスチック光ファイバを変形するための付勢手段とを含む変位センサにある。
本発明の第二の要旨は、前記変位センサを含み、前記付勢手段が押しボタンの形態を有した、押しボタン式スイッチにある。
本発明の第三の要旨は、前記変位センサを含む、車両用衝撃検知器にある。
本発明の第三の要旨は、前記変位センサを含む、触感センサにある。
本発明の第四の要旨は、前記変位センサを含む、非常停止スイッチにある

本発明により、長期耐久性とセンサ感度に優れ、かつ、変位センサ装置の構成を簡略化することが可能な変位センサを得ることができる。
本発明の変位センサは、長期耐久性とセンサ感度に優れ、かつ、変位センサ装置の構成を簡略化することが可能であるため、各種機械装置のスイッチや、自動車等の車両の衝撃検知装置、ロボット等の触感センサ、工場内における各種機械装置の非常停止スイッチ等の用途に好適である。

本発明の変位センサの構成例を示す模式的断面図である。 本発明の変位センサを用いた押しボタンスイッチの構成例を示す模式的断面図である。 本発明の本発明の変位センサの構成例を示す模式的断面図である。 本発明の本発明の変位センサの構成例を示す模式的断面図である。 プラスチック光ファイバが、弾性体の周りに巻き付けられている形態を示す概略図である。 本発明のスイッチの一実施例で、押しボタンスイッチ部６を１個含むスイッチの構成例を示す模式的断面図である。 本発明のスイッチの一実施例で、押しボタンスイッチ部６を３個含むスイッチの構成例を示す模式的断面図である。 本発明の車両用衝撃検知器の使用例を示す概略図である。 本発明の触感センサの使用例を示す概略図である。

以下、本発明の変位センサ、スイッチ及び車両用衝撃検知器の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。

＜変位センサ＞
本発明の変位センサは、後述するプラスチック光ファイバ（以下、「ＰＯＦ」と略する。）と、前記ＰＯＦを変形するための後述する付勢手段とを含む。

本発明の変位センサは、前記ＰＯＦに歪が生じたときに、その歪に応じて光学特性が変形する現象を利用している。
ここで「ＰＯＦの歪」とは、ＰＯＦに付勢される、曲げや屈曲等の変形や、側圧、ねじり、張力等のことをいう。本発明の変位センサに付勢される歪は、特に限定されるものではないが、ＰＯＦの長期耐久性に優れる観点から、曲げや屈曲等の変形が好ましい。

本発明の変位センサは、前記ＰＯＦは、例えば図３又は図４に示すように、略直線状に設けられた直線部（１１）と曲線状に設けられた曲線部（１０）とを有し、前記付勢手段（１２）による付勢力によって、前記曲線部に、曲げや屈曲等の変形による歪を生じる機構を有する。
ここで、「略直線」とは、２点間を結ぶ直線、又は、２点間を結ぶ直線であってその一部に前記２点間の距離の約１０倍以上の曲率半径を有する曲線部を含む直線のことをいう。
ＰＯＦが曲線部（１２）を有すると、ＰＯＦが付勢手段により付勢された場合、直線部（１１）と比べて比較的容易に曲げや屈曲等の変形がおきて、曲げ損失による光量ロスが発生する、このときの光量変化を、後述する発光素子と受光素子を用いて検出することができる。
ＰＯＦの直線部（１１）は、ＰＯＦが付勢手段により付勢されても、略直線状の形態を維持している。そのためＰＯＦを安定に固定する支点のような作用をもたらし、曲線部（１２）の変形による光量変化を安定にもたらす役割を有している。

直線部と曲線部とを有するＰＯＦの形態は、特に限定されるものではなく、例えば、少なくともコの字形状、図４に示す円形形状、図３に示す三角形の形状、四角形以上の多角形の形状、及び、図１に示す螺旋巻きの形状のいずれかを有する形態を用いることができる。
前記曲線部が三角形の形状、四角形以上の多角形の形状の形態を有すると、ＰＯＦが付勢手段により変形されたとき、前記曲線部の２箇所以上の箇所で、曲げや屈曲等の変形がおきて光量変化を大きくなるのでセンサ感度をより向上できる。

前記曲線部の形状が、円形形状又は螺旋巻きだと、ＰＯＦが付勢手段による付勢力を受けたときの曲げや屈曲等の変形の程度が小さいので、変位センサの長期耐久性が向上できる。さらに、ＰＯＦから付勢力が取り除かれると、前記曲線部は、付勢力を受ける前の元の形態に回復しようとするので、変位センサを高速で繰り返し作動させることができる。
前記曲線部が螺旋巻きの形状をとる場合、図１に示すようにＰＯＦは特定の支持体に巻き付けられていないフリーの状態にあっても良い。

或いは又、本発明の変位センサは、図５に示すように、圧力に応じて径方向に変形する、後述する弾性体の周りにＰＯＦの少なくとも一部が巻き付けられている形態とすることができる。
前記ＰＯＦの少なくとも一部を、弾性体に巻きつけた形態とすることで、変位センサに加わっていた圧力や衝撃が取り除かれたときに、ＰＯＦは、元の螺旋巻きの状態に速やかに回復できるので、変位センサをより高速で繰り返し作動させることができ、さらに、変位センサの長期耐久性をより優れたものにできる。さらに、後述するスイッチや衝撃検知装置及び触感センサの検出間隔を、より短時間にできる。

前記曲線部が螺旋巻きの形状をとる場合、螺旋巻き部の直径は、ＰＯＦの直径に従って、最適化することが好ましい。なお、本明細書において、ＰＯＦの直径とは、コア部に直径とクラッド層の厚みとの合計長さのことをいう。螺旋巻き部の直径とは、螺旋の回転軸に対して垂直な平面に、前記螺旋を投影した曲線の最大直径を意味する。
例えば、ＰＯＦの直径が２．０ｍｍの場合、螺旋巻き部の直径は２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下とすることができる。
ＰＯＦの直径が１．０ｍｍの場合、螺旋巻き部の直径は１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることができる。
ＰＯＦの直径が０．２５ｍｍの場合、螺旋巻き部の直径は３ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることができる。
螺旋巻き部の直径が大きすぎると、ＰＯＦが変形を受けても、光量の変化が小さくなり、変位センサのセンサ感度が低下する傾向がある。螺旋巻き部の直径が小さすぎると、ＰＯＦの変形量が大きすぎるため、変位センサの長期耐久性が低下する傾向がある。

前記ＰＯＦが少なくともコの字形状、円形形状、三角形の形状、四角形以上の多角形の形状を有する場合、上述した螺旋巻きの形状をとる場合と同じ条件で、ＰＯＦの直径に従って、ＰＯＦの屈曲部の曲率半径を選択できる。

本発明の変位センサは、前記螺旋巻き部の外周が樹脂で被覆されていても良い。
前記螺旋巻き部の外周を樹脂で被覆することにより、変位センサを長期間繰り返して使用しても、ＰＯＦに傷がついたり、ＰＯＦが塑性変形することを防止できるので、変位センサの長期耐久性をより優れたものにできる。
螺旋巻き部の外周を樹脂で被覆する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、前記ＰＯＦの外周に、公知の光硬化性樹脂又は公知の熱硬化性樹脂からなる層を被覆した後、公知の方法を用いて硬化する方法や、前記ＰＯＦの外周に、公知のクロスヘッド式ダイを用いて熱可塑性樹脂からなる層を被覆する方法が挙げられる。
樹脂で被覆されたＰＯＦは、必要に応じて、前記樹脂からなる被覆層を公知の方法を用いて剥ぎ取って、変位センサに使用すれば良い。

本発明の変位センサは、図１〜４に示すように前記ＰＯＦの片側末端に後述する発光素子（３）が接続された、前記ＰＯＦの他方片側の末端に後述する受光素子（４）が接続された形態で使用される。

発光素子としては、特に限定されるものではなく、例えばＬＥＤやレーザーダイオード、ハロゲンランプ等の公知の発光素子が挙げられる。
受光素子としては、特に限定されるものではなく、例えばＣＣＤやフォトダイオード、ＭＯＳセンサ、フォトトランジスター等の公知の受光素子が挙げられる。

＜プラスチック光ファイバ＞
プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）は、本発明の変位センサの構成要素の一つであり、コアと、該コアの外周に同心円状に形成された少なくとも１層以上のクラッドを有する。さらに、前記クラッドの外周に同心円状に形成された保護層を有することもできる。
本発明のＰＯＦを構成するコアの材料（コア材）は特に限定されるものではなく、この分野の当業者が公知技術に基づいて選択すれば良い。具体的には、透光性や加工性に優れることから、メタクリル酸メチル（ＭＭＡ）の単独重合体、又は、ＭＭＡ由来の繰り返し単位を８０質量％以上含むＭＭＡ共重合体、及びポリカーボネート系樹脂から選択される１種を用いることができる。

ＰＯＦを構成するクラッドは、単層であっても、複数層から形成されていても良い。
ＰＯＦを構成するクラッドの材料は、コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、透明性に優れ、且つ、コアと密着性の良い材料であれば、特に限定されるものではなく、この分野の当業者が公知技術に基づいて選択すれば良い。例えば、コア材が、ＭＭＡの単独重合体、又は、上述したＭＭＡ共重合体、及びポリカーボネート系樹脂から選択される１種の場合には、フッ化ビニリデン（ＶｄＦ）単位とテトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）単位からなる共重合体、ＶｄＦ単位とヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）単位からなる共重合体、ＶｄＦ単位とＴＦＥ単位とＨＦＰ単位からなる共重合体等のＶｄＦ単位を含む共重合体、若しくは、フルオロアルキル（メタ）アクリレート単位とＭＭＡ単位を含む（メタ）アクリル系共重合体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

本発明のＰＯＦの直径は、１５２μｍ以上２．６ｍｍ以下とすることができる。ＰＯＦの直径の下限は、特に限定されるものではないが、光ファイバの受光量が十分に大きくなり、変位センサのセンサ感度を良好にできる観点から、１５２μｍ以上が好ましい。一方、ＰＯＦの直径の上限は、特に限定されるものではないが、前記螺旋巻き部に圧力や衝撃が加わったときに、前記螺旋巻き部が速やかに変形して、変位センサのセンサ感度を良好にできる観点から、２．６ｍｍ以下が好ましい。

＜弾性体＞

弾性体を構成する材料は、特に限定されるものではなく、スポンジやゴム等の弾性力のある材料が挙げられる。弾性体の形状回復性に優れ軽量である。ここで圧縮率とは、弾性体に体積変化がおきなくなるまで圧力を付与したときの、圧力付与前後の体積減少割合を意味する。
弾性体の材質は、ＰＯＦに傷をつけないものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ゴム、スポンジ等の弾性力のある材料が挙げられる。中でも、弾性体の形状回復性に優れ軽量である、圧縮率５０〜１００％の樹脂製スポンジが好ましい。

本発明の変位センサは、上述した構成を有しているので、従来の変位センサと比べて、装置の部品点数を少なくできるので、変位センサの構成を簡略化することが可能となる。
また、本発明の変位センサは、ＰＯＦに傷が付かず、ＰＯＦが塑性変形しないので、センサ感度を長期間良好に維持できる。すなわち、従来の変位センサ と比べて、長期耐久性に優れている。
さらに、本発明の変位センサはマクロベンデイングによる光学特性の変化を利用しているので、従来のマイクロベンデイングを利用している変位センサと比べて、光量変化が大きくであり、さらに、直径の大きいＰＯＦを使用しているので、ＰＯＦと比較して直径の小さい従来のガラス製光ファイバを利用している変位センサと比べて、光量自体が大きい。すなわち、従来の変位センサと比べて、センサ感度に優れている。

＜押しボタン式スイッチ＞
以下、本発明の変位センサの一実施形態である押しボタン式スイッチについて、添付図面に基づいて説明する。
本発明の押しボタン式スイッチは、図２に示すように、変位センサに付勢手段として押しボタン（５）が接続され、ＰＯＦの片側末端に発光素子（３）、他方片側の末端に受光素子（４）が接続された構成を有している。
押しボタン（５）から付勢された付勢力により、ＰＯＦの曲線部（例えば、図２の螺旋巻き部（２））に歪を生じるので、この歪に応じてＰＯＦの光学特性が変化するので、これを発光素子（３）と受光素子（４）により検出する。
本発明の押しボタン式スイッチは、上述した構成を有しているので、従来の押しボタン式スイッチと比べて、変位センサの構成を簡略化することが可能となる。また、上述した理由で、従来の押しボタン式スイッチと比べて、長期耐久性やセンサ感度に優れている。
さらに、ＰＯＦは１００〜２００ｍでの長距離での信号伝送が可能であるため、工場内における各種機械装置の非常停止スイッチに本発明の押しボタン式スイッチを適用できる。

＜車両用衝撃検知器＞
以下、本発明の変位センサの一実施形態である車両用衝撃検知器について、添付図面に基づいて説明する。
図８に示すように、自動車等の車両のフロントバンパー周辺等に、本発明の変位センサを配置することで、例えば、車両の搭乗者や周囲認識カメラで認識できない死角となる位置で、歩行者や路面上の障害物、飛散する小石や木の枝、昆虫や鳥等の障害物に車両が衝突したことを、車両の搭乗者に知らせることができる。
本発明の車両用衝撃検知器は、上述した理由により、従来の車両用衝撃検知器と比べて、長期耐久性、センサ感度に優れ、構成を簡略化することが可能となる。

＜触感センサ＞
以下、本発明の変位センサの一実施形態である触感センサについて、添付図面に基づいて説明する。
本発明の触感センサは、ロボット用に適した触感センサであって、例えば人間の手の触感動作を模擬するようにすることができる。図９に示すように、ロボットの手の中に、本発明の変位センサを配置することで、対象物の或る部分に対するセンサの接触を検知して、各種信号に変換して各種処理装置に伝えたり、音声として発したり、光や映像として表示することができる。
本発明の触感センサは、上述した理由により、従来の触感センサと比べて、センサ感度、長期耐久性、センサ感度に優れ、構成を簡略化することが可能となる。

本発明の変位センサは、長期耐久性とセンサ感度に優れ、かつ、変位センサ装置の構成を簡略化することが可能であるため、ＦＡ分野での各種機械装置のスイッチや、自動車等の車両の衝突検知センサ、ロボット等の触感センサ、防犯センサ等の用途に適用できる。さらに１００〜２００ｍでの長距離での信号伝送が可能であるため、工場内における各種機械装置の非常停止スイッチに適用できる。

１ プラスチック光ファイバ
２ 螺旋巻き部
３ 発光素子
４ 受光素子
５ 押しボタン
６ 押しボタン式スイッチ
７ 圧力
８ 螺旋巻き部に付加される外力
９ 車両用衝撃検知器
１０ 曲線部
１１ 直線部
１２ 付勢手段
１３ 光ファイバ固定部材
１４ 弾性体

Claims (12)

1. 歪に応じて光学特性が変化するプラスチック光ファイバと、前記プラスチック光ファイバを変形するための付勢手段とを含む変位センサ。
2. 前記プラスチック光ファイバが、略直線状に設けられた直線部と曲線状に設けられた曲線部とを有し、前記付勢手段が前記曲線部に歪を生じる機構を有する、請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記プラスチック光ファイバが、圧力に応じて径方向に変形する弾性体の周りに巻き付けられている、請求項１又は２に記載の変位センサ。
4. 前記弾性体が、圧縮率５０〜１００％の樹脂製スポンジから構成される、請求項３に記載の変位センサ。
5. 前記プラスチック光ファイバが、少なくともコの字形状、円形形状、三角形の形状、四角形以上の多角形の形状及び螺旋巻きの形状のいずれかを有する、請求項１又は２に記載の変位センサ。
6. プラスチック光ファイバの直径が１５２μｍ以上２．６ｍｍ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の変位センサ。
7. 前記光ファイバの外周が熱可塑性樹脂又は硬化性樹脂で被覆されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の変位センサ。
8. 前記センサ部を耐環境性の高い部材で覆った、請求項１〜７のいずれか一項に記載の変位センサ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の変位センサを含み、前記付勢手段が押しボタンの形態を有した、押しボタン式スイッチ。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の変位センサを含む、車両用衝撃検知器。
11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の変位センサを含む、触感センサ。
12. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の変位センサを含む、非常停止スイッチ。