JP2021156796A - 変形及び断線検出装置並びに変形及び断線検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】外力を受けた線状圧電センサが生成した電流を入力して、線状圧電センサの変形に応じた変形信号を出力すると共に、線状圧電センサに断線が生じたことを、検出可能な物理量として出力できる変形及び断線検出装置を提供する。【解決手段】変形及び断線検出装置は、外力の大きさに応じて変形すると共に、変形の大きさに応じたセンサ電流又はセンサ電圧を生成する線状圧電センサ１０と、線状圧電センサ１０から入力した電流を増幅して出力する変形検出回路２０と、線状圧電センサ１０に断線が生じたことを、電圧、電流、容量又はインピーダンスの変化として出力する断線検出回路３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、変形及び断線検出装置並びに変形及び断線検出システムに関する。

従来、ものの変形を検出するセンサが提案されている。例えば、特許文献１及び特許文献２は、線状圧電センサを用いて、ものの変形を検出することが提案されている。

線状圧電センサが柔軟性を有する場合、変形を検出するものの形状に対応するように、線状圧電センサをものの表面に配置することができる。

特開２０１６−１２６１９１号公報 特開２００９−００２６６３号公報

一方、線状圧電センサは、大きな外力を受けた場合、断線するおそれがある。そして、上述した特許文献１及び特許文献２は、圧電センサの断線を検出することを提案している。

しかし、上述した特許文献１及び特許文献２では、圧電センサの断線をどのような回路を用いて検出するのかについては、具体的な提案はなされていない。

本明細書では、外力を受けた線状圧電センサが生成した電流又は電圧を入力して、線状圧電センサの変形に応じた変形信号を出力する変形検出回路と、線状圧電センサに断線が生じたことを、検出可能な物理量として出力する断線検出回路とを備える変形及び断線検出装置を提案することを課題とする。

本明細書に開示する変形及び断線検出装置によれば、外力の大きさに応じて変形すると共に、変形の大きさに応じた電流を生成する線状圧電センサと、線状圧電センサから入力したセンサ電流又はセンサ電圧を増幅して出力する変形検出回路と、線状圧電センサに断線が生じたことを、電圧、電流、容量又はインピーダンスの変化として出力する断線検出回路と、を備える。

また、本明細書に開示する変形及び断線検出システムによれば、上述した変形及び断線検出装置と、この変形及び断線検出装置と通信可能に接続されており、変形検出回路から入力された信号を記録すると共に解析し、且つ、断線検出回路から入力された信号を記録すると共に解析する解析装置と、を備える。

上述した本明細書に開示する変形及び断線検出装置によれば、外力を受けた線状圧電センサが生成したセンサ電流又はセンサ電圧を入力し増幅して出力すると共に、線状圧電センサに断線が生じたことを、検出可能な物理量として出力できる。

本明細書に開示する変形及び断線検出装置の第１実施形態の構成を示す図である。 線状圧電センサの要部を示す図である。 （Ａ）は、線状圧電センサが導通している時の検出結果を示す図であり、（Ｂ）は、線状圧電センサに断線が生じた時の検出結果を示す図である。 本明細書に開示する変形及び断線検出装置の第１実施形態の変型例の構成を示す図である。 本明細書に開示する変形及び断線検出装置の第２実施形態の構成を示す図である。 線状圧電センサに断線が生じた時の検出結果を示す図である。 本明細書に開示する変形及び断線検出装置の第３実施形態の構成を示す図である。 線状圧電センサに断線が生じた時の検出結果を示す図である。 本明細書に開示する変形及び断線検出装置の第４実施形態の構成を示す図である。 本明細書に開示する変形及び断線検出装置を含む断線検出システムの一実施形態の構成を示す図である。

以下、本明細書で開示する変形及び断線検出装置の好ましい第１実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。

図１は、本明細書に開示する変形及び断線検出装置の第１実施形態の構成を示す図である。本実施形態の変形及び断線検出装置（以下、単に装置ともいう）１は、線状圧電センサ１０と、変形検出回路２０と、断線検出回路３０と、アナログ・デジタル変換器４０と、通信装置４１とを備える。

線状圧電センサ１０は、外力の大きさに応じて変形すると共に、変形の大きさに応じた電流を生成する。線状圧電センサ１０は、所定の方向に伸びた形状を有する。線状圧電センサ１０は、例えば、変形を検出する対象物の表面に配置されて、対象物が外力を受けると、対象物と一緒に外力を受けて変形する。この観点から、線状圧電センサ１０は、柔軟であることが好ましい。

線状圧電センサ１０は、所定の方向に伸びる第１導電体層１１と、第１導電体層１１上に配置される圧電体層１２と、圧電体層１２上に配置される第２導電体層１３とを有する。圧電体層１２及び第２導電体層１３も、第１導電体層１１と同じ方向に伸びている。具体的には、図１に示すように、線状圧電センサ１０は、糸状の第１導電体層１１と、第１導電体層１１の周囲を覆うように第１導電体層１１上に配置される圧電体層１２と、圧電体層１２の周囲を覆うように圧電体層１２上に配置される第２導電体層１３とを有する。第１導電体層１１は、その長手方向において、第１端部１１ａ及び第２端部１１ｂを有する。第２導電体層１３は、その長手方向において、第１端部１３ａ及び第２端部１３ｂを有する。第２導電体層１３の第１端部１３ａ及び第２端部１３ｂは変形検出回路２０の基準電位に接地されている。第１導電体層１１及び第２導電体層１３は、線状圧電センサ１０が小さな変形も検知する観点から、低い抵抗値を有することが好ましい。変形検出回路２０の基準電位は、断線検出回路３０の基準電位、及び、装置１の基準電位と同じである。

線状圧電センサ１０としては、印加された応力に応じて電流が発生する公知のあらゆるものを使用することができる。例えば、線状圧電センサ１０としては、導電性繊維を芯糸（第１導電体層１１に対応）としてその周りに圧電性繊維を鞘（圧電体層１２に対応）として配置した芯鞘構造を使用することができる。より具体的には、線状圧電センサ１０として、導電性繊維の周りに圧電性フィルム若しくは圧電性繊維を単に巻きつけた構造、又は、導電性繊維の周りに複数の圧電性繊維を組紐状に巻きつけた構造を使用することができる。本明細書における線状圧電センサ１０として、伸長変形に対してより大きな電流を出力する観点から、導電性繊維の周りに複数の圧電性繊維を組紐状に巻きつけた構造を用いることが好ましい。

図２は、線状圧電センサ１０の要部を示す図である。線状圧電センサ１０は、導電性繊維Ｂで形成された芯部１１１（第１導電体層１１に対応）と、芯部１１１を被覆するように組紐状の圧電性繊維Ａで形成された鞘部１２１（圧電体層１２に対応）と、を有する。更に、線状圧電センサ１０は、鞘部１２１の周囲を覆うように鞘部１２１上に配置される第２導電体層（図示せず）を有する。

線状圧電センサ１０では、芯部１１１である少なくとも一本の導電性繊維Ｂの外周面を多数の圧電性繊維Ａが緻密に取り巻いている。線状圧電センサ１０に変形が生じると、多数の圧電性繊維Ａそれぞれに変形による応力が生じ、それにより多数の圧電性繊維Ａそれぞれに電場が生じ（圧電効果）、その結果、導電性繊維Ｂを取り巻く多数の圧電性繊維Ａの電場を重畳した電圧変化が導電性繊維Ｂに生じる。すなわち圧電性繊維Ａの組紐状の鞘部１２１を用いることにより、そうでない場合と比較して導電性繊維Ｂからの電流が増大する。それにより、線状圧電センサ１０では、比較的小さな変形で生じる応力によっても、大きな電流を取り出すことが可能となる。なお、芯部１１１は、導電性繊維Ｂは複数本により形成されていてもよい。また、同様の理由から、線状圧電センサ１０に変形が生じると、第２導電体層１３からの電流が、第１導電体層１１とは逆の向きに生じる。

導電性繊維Ｂとしては、導電性を示すものであればよく、公知のあらゆるものが用いられる。導電性繊維Ｂとしては、例えば、金属繊維、導電性高分子からなる繊維、炭素繊維、繊維状若しくは粒状の導電性フィラーを分散させた高分子からなる繊維、又は繊維状物の表面に導電性を有する層を設けた繊維が挙げられる。繊維状物の表面に導電性を有する層を設ける方法としては、金属コート、導電性高分子コート、導電性繊維の巻付けなどが挙げられる。なかでも金属コートが導電性、耐久性、柔軟性などの観点から好ましい。金属をコートする具体的な方法としては、蒸着、スパッタ、電解メッキ、無電解メッキ等が挙げられるが生産性等の観点からメッキが好ましい。このような金属をメッキされた繊維は金属メッキ繊維ということができる。また、第２導電体層１３の材料としては、導電性繊維Ｂと同様の導電体を用いることができる。

圧電性繊維Ａの材料である圧電性高分子としてはポリフッ化ビニリデン又はポリ乳酸のような圧電性を示す高分子を利用できるが、本実施形態では圧電性繊維Ａは主成分としてポリ乳酸を含むことが好適である。ポリ乳酸は、例えば溶融紡糸後に延伸によって容易に配向して圧電性を示し、ポリフッ化ビニリデンなどで必要となる電界配向処理が不要な点で生産性に優れている。

変形検出回路２０は、線状圧電センサ１０から入力した電流を増幅して出力する。変形検出回路２０は、増幅器２１と、電圧計２２と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２と、抵抗Ｒ３と、コンデンサＣ１とを有する。増幅器２１は、反転入力端子２１ａと、非反転入力端子２１ｂと、出力端子２１ｃとを有する。増幅器２１には、駆動電圧Ｖｏが供給される。増幅器２１として、例えば、オペアンプを用いることができる。

線状圧電センサ１０における第１導電体層１１の第１端部１１ａから出力される電流は、抵抗Ｒ１を介して、増幅器２１の出力端子２１ｃへ流入する。増幅器２１の非反転入力端子２１ｂは接地される。増幅器２１の出力端子２１ｃと抵抗Ｒ２との間には、帰還抵抗である抵抗Ｒ１と、帰還容量であるコンデンサＣ１とが並列に接続される。また、増幅器２１の出力端子２１ｃは、抵抗Ｒ３を介して電圧計２２と接続される。

線状圧電センサ１０の第１導電体層１１と増幅器２１の反転入力端子２１ａとを接続する配線として、例えば、同軸ケーブルを用いることが、ノイズが変形検出回路２０に混入することを抑制する観点から好ましい。線状圧電センサ１０の第１導電体層１１から出力される電流は小さいので、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とコンデンサＣ１とを含めて、第１導電体層１１の第１端部１１ａと反転入力端子２１ａと出力端子２１ｃとを接続する配線の距離はできるだけ短いことが、電流が損失することを低減する観点から好ましい。線状圧電センサ１０及び増幅器２１と同軸ケーブルを接続するコネクタとして、例えば、同軸コネクタを用いることが、ノイズが変形検出回路２０に混入することを抑制する観点から好ましい。

線状圧電センサ１０が外力により変形して、第１導電体層１１が電流を出力すると、コンデンサＣ１は電荷を蓄積して増幅器２１の反転入力端子２１ａと出力端子２１ｃとの間に電位差を生じさせる。増幅器２１の反転入力端子２１ａの電位は、非反転入力端子２１ｂの電位と仮想短絡するように制御されるので、反転入力端子２１ａの電位は、非反転入力端子２１ｂの電位と同じゼロとなり、出力端子２１ｃの電圧は、コンデンサＣ１の容量に対応した値を示す。このようにして、線状圧電センサ１０の変形の大きさに応じて生成された電荷量は、出力端子２１ｃの電圧として表される。また、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１は、ローパスフィルタを形成して、断線検出回路３０などから混入され得る相対的に高い周波数成分のノイズを遮断する。

なお、本実施形態の装置１の変形検出回路２０は、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１と第２導電体層１３との間に生じた電流（電荷量）を増幅して電圧として出力しているが、この変形検出回路２０は、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１と第２導電体層１３との間に生じた電圧を増幅して電圧として出力するものであってもよい。

電圧計２２は、増幅器２１から抵抗Ｒ３を介して入力される電気信号の電圧と接地との間の電位差を表すアナログの変形信号Ｓｄを、アナログ・デジタル変換器４０へ出力する。なお、増幅器２１が、増幅器２１から抵抗Ｒ３を介して入力される電気信号の電圧と接地との間の電位差を表すアナログの変形信号Ｓｄを出力するようにしていてもよい。この場合、電圧計２２は省略される。

断線検出回路３０は、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１に断線が生じたことを、電圧の変化として出力する。断線検出回路３０は、抵抗Ｒ４と、電圧計３１と、電圧源３２とを有する。電圧源３２として、例えば、直流の電圧を供給する電池を用いることができる。電圧源３２として、電池を用いることは、変形信号へのノイズの混入を抑制する観点から好ましい。なお、電圧源３２は、交流の電圧を供給するものであってもよい。また、同様の観点から、電圧源３２として、交流の電圧を供給するものよりも、直流の電圧を供給するものを用いることが好ましい。

抵抗Ｒ４と電圧源３２とは、第１導電体層１１における長手方向の第１端部１１ａと第２端部１１ｂとの間に直列に配置される。抵抗Ｒ４は、第１端子Ｒ４ａ及び第２端子Ｒ４ｂを有する。電圧計３１は、抵抗Ｒ４の第１端子Ｒ４ａと第２端子Ｒ４ｂとの間の電位差を測定する。第１導電体層１１が導通状態の時には、電圧計３１は、電圧源３２の供給電圧と、第１導電体層１１の抵抗と、抵抗Ｒ４の抵抗値とに基づいて決定される電圧を測定する。電圧計３１は、測定された電圧を表すアナログの断線信号をアナログ・デジタル変換器４０へ出力する。一方、第１導電体層１１に断線が生じると、電圧源３２の供給電圧は抵抗Ｒ４に印加されないので、電圧計３１により測定される電圧はゼロとなる。このようにして、電圧計３１は、第１導電体層１１の長手方向の両端部１１ａ、１１ｂ間に断線が生じたことを、電圧の変化を表すアナログの断線信号Ｓｃとして、アナログ・デジタル変換器４０へ出力する。

断線検出回路３０は、第１導電体層１１と、抵抗Ｒ４と、電圧源３２とにより形成される閉回路を有し、変形検出回路２０の経路は、この閉回路とは重なっていない。これにより、断線検出回路３０で生じたノイズが、変形検出回路２０へ伝達することを抑制できる。

なお、抵抗Ｒ４は他の電流−電圧変換機構に置換してもよい。この電流−電圧変換機構にフォトカプラを用いることは、変形検出回路２０で発生したノイズが断線検出回路３０に流入することを抑制する観点から好ましい。

また、抵抗Ｒ４の抵抗値をＲｄとし、第１導電体層１１の両端部１１ａ、１１ｂ間の抵抗値をＲｓとすると、Ｒｄ、Ｒｓは下記式（１）を満たすことが好ましい。

Ｒｄ ≧ １００×Ｒｓ （１）

Ｒｄ、Ｒｓが上記式（１）を満たすことにより、電圧源３２の供給電圧の９９％以上を電圧計３１により信号として測定できるため、断線検出回路３０のＳ／Ｎ比を高めることができる。
また、Ｒｄは下記式（２）を満たすことが好ましい。
Ｒｄ ≦ １００ＭΩ （２）
Ｒｄが上記式（２）を満たすことにより、周囲から断線信号および変形信号に混入するノイズを低減し、且つ、断線の発生時にゼロに変化する断線信号のＲＣ時定数を抑制できるため、断線信号の応答性を高めることができる。

なお、Ｒｄ、Ｒｓ及びＶｓは、Ｖｓ／（Ｒｄ＋Ｒｓ）＜１００ｍＡの関係を満たすことが、断線検出回路３０の消費電力およびジュール熱による信号の変動を抑制する観点から好ましい。

アナログ・デジタル変換器４０は、線状圧電センサ１０の変形の大きさを電圧で表すアナログの変形信号Ｓｄをデジタルの変形信号に変換して、通信装置４１へ出力する。また、アナログ・デジタル変換器４０は、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１の断線状態を電圧で表すアナログの断線信号Ｓｃをデジタルの断線信号に変換して、通信装置４１へ出力する。

通信装置４１は、線状圧電センサ１０の変形の大きさを表す変形信号と、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１の断線状態を電圧で表す断線信号とを、通信ネットワークなどへ送信する。

図３（Ａ）は、線状圧電センサ１０が導通している時の検出結果を示す図である。波形ｗ１は、変形信号を示し、波形ｗ２は、断線信号を示す。

図３（Ａ）に示すように、外力が線状圧電センサ１０に印加されると、線状圧電センサ１０は変形して、変形の大きさに応じた波形ｗ１が測定される。線状圧電センサ１０の第１導電体層１１は導通状態にあるので、時間によらず一定の電圧を示す波形ｗ２が測定されている。なお、実際の波形１の電圧のスケールは、波形２の電圧のスケールよりも小さいので、図３（Ａ）では、波形１の電圧と、波形２の電圧とは、異なるスケールで示されている。

図３（Ｂ）は、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１に断線が生じた時の検出結果を示す図である。時刻Ｔ１に、波形ｗ１は、線状圧電センサ１０は外力を受けて大きな値を示すまた、時刻Ｔ１に、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１に断線が生じて、波形ｗ２は電圧がゼロに変化する。図３（Ｂ）では、波形１の電圧と、波形２の電圧とは、同じスケールで示されている。

上述した本実施形態の変形及び断線検出装置によれば、外力を受けた線状圧電センサが生成した電流を入力して増幅して出力すると共に、線状圧電センサに断線が生じたことを、検出可能な物理量の一例である電圧として出力できる。これにより、線状圧電センサの配置された部位に対して、外力が加えられたことを検出すると共に、その外力の大きさが、線状圧電センサが断線するほどのものであったことを検出できる。

次に、上述した第１実施形態の変型例を、図４を参照しながら、以下に説明する。本変型例の装置１ａでは、断線検出回路３０は、電圧源としてのＤＣ−ＤＣコンバータ３３と、新たな増幅器３４とを有している点が、上述した第１実施形態とは異なっている。なお、装置１ａでは、アナログ・デジタル変換器４０及び通信装置４１の記載を省略している。

装置１ａでは、電圧源として、ＤＣ−ＤＣコンバータ３３を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３３は集積回路を用いて形成されるので、断線検出回路３０を小型にすることができる。即ち、断線検出回路３０を小型にすることにより、装置１ａを小型にすることができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ３３には、駆動電圧Ｖｏが供給される。

増幅器３４は、反転入力端子３４ａと、非反転入力端子３４ｂと、第１抵抗端子３４ｃと、第２抵抗端子３４ｄと、出力端子３４ｅとを有する。増幅器３４には、駆動電圧Ｖｏが供給される。増幅器３４として、例えば、計装アンプを用いることができる。計装アンプは、オペアンプと比べて、入力電圧の変化に対する出力電圧の変化の線形性に優れている。反転入力端子３４ａは、抵抗Ｒ４の第１端子Ｒ４ａと共に、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１の第１端部１１ａに接続される。非反転入力端子３４ｂは、抵抗Ｒ４の第２端子Ｒ４ｂとＤＣ−ＤＣコンバータ３３との間に接続される。第１抵抗端子３４ｃと第２抵抗端子３４ｄとの間に抵抗Ｒ５が接続される。出力端子３４ｅは、電圧計３１に接続される。

増幅器３４は、反転入力端子３４ａに入力される電圧と、非反転入力端子３４ｂに入力される電圧との間の電位差に応じた出力電圧を、出力端子３４ｅから電圧計３１に出力する。このようにして、断線検出回路３０は、第１導電体層１１の長手方向の両端部１１ａ、１１ｂ間に断線が生じたことを、電圧の変化を表すアナログの断線信号Ｓｃとして出力する。

上述した本変型例の変形及び断線検出装置によれば、断線検出回路３０は、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１の断線状態を電圧で表すアナログ信号を、増幅器３４を用いて増幅するので、小さな断線状態の変化も検出可能である。

次に、上述した変形及び断線検出装置の他の実施形態を、図５〜図９を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。以下に説明する他の実施形態の図では、アナログ・デジタル変換器及び通信装置の記載を省略している。

図５は、本明細書に開示する変形及び断線検出装置の第２実施形態の構成を示す図である。本実施形態の装置２では、断線検出回路３０の構成が、上述した第１実施形態とは異なっている。断線検出回路３０は、線状圧電センサ１０の第２導電体層１３の長手方向の両端部１３ａ、１３ｂ間に断線が生じたことを、電圧の変化として出力する。

断線検出回路３０は、抵抗Ｒ６と、電圧計３１とを有する。抵抗Ｒ６は、第１端子Ｒ６ａ及び第２端子Ｒ６ｂを有する。抵抗Ｒ６の第１端子Ｒ６ａには、駆動電圧Ｖｍが供給される。抵抗Ｒ６の第２端子Ｒ６ｂは、第２導電体層１３の第２端部１３ｂと、電圧計３１とに接続される。また、第２導電体層１３は、第２端部１３ｂは接地されておらず、第１端部１３ａのみが接地される。断線検出回路３０は、第２導電体層１３の長手方向の両端部１３ａ、１３ｂ間に断線が生じたことを検出する。断線検出回路３０は、抵抗Ｒ６と第２導電体層１３とにより形成される経路における電圧を検出するので、第１導電体層１１から電流を入力する変形検出回路２０とは、経路が重ならない。

電圧計３１は、抵抗Ｒ６の第２端子Ｒ６ｂの電圧と接地との間の電位差を表すアナログの断線信号Ｓｃを、アナログ・デジタル変換器へ出力する。線状圧電センサ１０の第２導電体層１３が導通している時には、抵抗Ｒ６の第２端子Ｒ６ｂの電圧は、抵抗Ｒ６における電圧降下による分圧を、駆動電圧Ｖｍから減算した値となる。ここで、駆動電圧Ｖｍを５∨として、抵抗Ｒ６の抵抗値を１００ｋΩとすると、第２導電体層１３の抵抗は実質的に無視できるので、抵抗Ｒ６の第２端子Ｒ６ｂの電圧は、ほぼゼロとなる。一方、第２導電体層１３に断線が生じると、抵抗Ｒ６の第２端子Ｒ６ｂの電圧は、駆動電圧Ｖｍとほぼ同じ値に変化する。

図６は、線状圧電センサに断線が生じた時の検出結果を示す図である。線状圧電センサ１０の第２導電体層１３が導通している時には、電圧計３１により測定される電圧は、ほぼゼロである。ここで、時刻Ｔ２に第２導電体層１３の長手方向の両端部１３ａ、１３ｂ間に断線が生じると、電圧計３１により測定される電圧は、駆動電圧Ｖｍとほぼ同じ値に変化する。

上述した本実施形態の変形及び断線検出装置によれば、変形検出回路が、線状圧電センサの第１導電体層から電流を入力しているのに対して、断線検出回路は、線状圧電センサの第２導電体層の断線を検出しているので、断線検出回路３０で生じたノイズが、変形検出回路２０へ伝達することを抑制される。また、本実施形態の変形及び断線検出装置によれば、第１実施形態と同様の効果が奏される。

図７は、本明細書に開示する変形及び断線検出装置の第３実施形態の構成を示す図である。本実施形態の装置３は、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１の長手方向の両端部１１ａ、１１ｂ間に断線が生じたことを電圧の変化として出力する点は、上述した第１実施形態と同じであるが、断線検出回路３０の構成は、上述した第１実施形態とは異なっている。

断線検出回路３０は、増幅器３５と、抵抗Ｒ７と、抵抗Ｒ８と、電圧計３１とを有する。増幅器３５は、反転入力端子３５ａと、非反転入力端子３５ｂと、出力端子３５ｃとを有する。増幅器３５には、駆動電圧Ｖｏが供給される。増幅器３５として、例えば、オペアンプを用いることができる。線状圧電センサ１０の第１導電体層１１の第２端部１１ｂから出力される電流は、抵抗Ｒ７を介して増幅器２１の出力端子３５ｃへ入力される。増幅器３５の非反転入力端子３５ｂには、基準電圧Ｖｖが供給される。基準電圧Ｖｖとして、例えば、０．５∨とすることができる。増幅器３５の反転入力端子３５ａの電位は、非反転入力端子３５ｂの電位と仮想短絡するように制御されるので、基準電圧Ｖｖと同じになる。増幅器３５の出力端子３５ｃと反転入力端子３５ａとの間には、帰還抵抗である抵抗Ｒ７が接続される。増幅器３５の出力端子３５ｃは、電圧計３１と接続される。また、増幅器３５の反転入力端子３５ａは、第１導電体層１１と、抵抗Ｒ８とを介して接地される。

第１導電体層１１が導通状態の時には、第１導電体層１１の抵抗は実質的に無視できるので、基準電圧Ｖｖと、抵抗Ｒ８の抵抗値とに基づいて決定される電流が、帰還抵抗である抵抗Ｒ７に流れる。そして、電圧計３１は、抵抗Ｒ７に生じる電圧を、出力端子３５ｃの出力電圧として測定する。一方、第１導電体層１１に断線が生じると、抵抗Ｒ７に電流が流れなくなるので、出力端子３５ｃの出力電圧はゼロとなる。このように、増幅器３５は、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１の長手方向の両端部１１ａ、１１ｂ間に流れる電流を増幅して、線状圧電センサ１０に断線が生じたことを、電圧の変化として電圧計３１へ出力する。電圧計３１は、第１導電体層１１の長手方向の両端部１１ａ、１１ｂ間に断線が生じたことを、電圧の変化を表すアナログの断線信号Ｓｃとして出力する。

図８は、線状圧電センサに断線が生じた時の検出結果を示す図である。線状圧電センサ１０の第１導電体層１１が導通している時には、電圧計３１により測定される電圧は、基準電圧Ｖｖと、抵抗Ｒ８の抵抗値と、抵抗Ｒ７の抵抗値とに基づいて決定される値となる。ここで、時刻Ｔ３に第１導電体層１１の長手方向の両端部１１ａ、１１ｂ間に断線が生じると、電圧計３１により測定される電圧は、ゼロに変化する。

上述した本実施形態の変形及び断線検出装置によれば、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１の断線状態を表す電流が、増幅器３５を用いて電圧として増幅されるので、小さな断線状態の変化も検出可能である。また、本実施形態の変形及び断線検出装置によれば、第１実施形態と同様の効果が奏される。

図９は、本明細書に開示する変形及び断線検出装置の第４実施形態の構成を示す図である。本実施形態の装置４では、断線検出回路３０の構成が、上述した第１実施形態とは異なっている。断線検出回路３０は、線状圧電センサ１０に断線が生じたことを、第１導電体層１１と第２導電体層１３との間のインピーダンスＺｉ又は／及び容量Ｃｉの変化として検出する。

断線検出回路３０は、ＬＣＲメータ３６を有する。ＬＣＲメータ３６は、第１端子３６ａ及び第２端子３６ｂを有する。第１端子３６ａは、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１の第２端部１１ｂと接続し、第２端子３６ｂは、第２導電体層１３の第２端部１３ｂと接続する。ＬＣＲメータは、インピーダンスアナライザであってもよい。

断線検出回路３０は、所定の周波数又は所定の周波数範囲において、線状圧電センサ１０のインピーダンスを測定し、このインピーダンスに基づいて、線状圧電センサ１０の容量を求める。

線状圧電センサ１０の第１導電体層１１及び第２導電体層１３のうちの何れか一方が断線すると、所定の周波数又は所定の周波数範囲において、線状圧電センサ１０の容量は低減し、インピーダンスは増大する。ＬＣＲメータ３６は、線状圧電センサ１０の第１導電体層１１及び第２導電体層１３の断線状態をインピーダンスＺｉ又は／及び容量Ｃｉの変化で表す断線信号Ｓｃを出力する。

上述した本実施形態の変形及び断線検出装置によれば、外力を受けた線状圧電センサが生成した電流を入力して、線状圧電センサの変形に応じた変形信号を出力すると共に、線状圧電センサに断線が生じたことを、検出可能な物理量の一例であるインピーダンス又は／及び容量として出力できる。これにより、線状圧電センサの配置された部位に対して、外力が加えられたことを検出すると共に、その外力の大きさが、線状圧電センサが断線するほどのものであったことを検出できる。また、本実施形態の変形及び断線検出装置によれば、第１導電体層１１及び第２導電体層１３のうちの何れか一方に断線が生じると、その断線を検出できる。

次に、本明細書に開示する変形及び断線検出装置を用いた、変形及び断線検出システムの好ましい一実施形態について、図１０を参照しながら、以下に説明する。

図１０は、本明細書に開示する変形及び断線検出装置を含む断線検出システムの一実施形態の構成を示す図である。本実施形態の変形及び断線検出装置を含む断線検出システム（以下、単にシステムともいう）７は、移動物体の一例である車両５０に搭載される。システム７は、４つの変形及び断線検出装置１（図１参照）と、変形及び断線検出装置１のそれぞれが出力する変形信号及び断線信号を入力して記録すると共に解析する解析装置４２とを有する。解析装置４２は、例えば、通信機能を有するコンピュータを用いて形成される。４つの装置１と、解析装置４２とは、例えば、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）といった車内ネットワーク５１を介して接続される。なお、システム７は、車両以外の移動物体に搭載されてもよい。例えば、システム７は、鉄道車両、船舶、航空機等に搭載されてもよい。また、車両５０に配置される装置１の数は、４つよりも少なくてもよいし、４つよりも多くてもよい。また、変形及び断線検出装置は、図１に示す第１実施形態以外の装置であってもよい。

図１に示すように装置１の線状圧電センサの第２導電体層などは、装置１の基準電位に接地されているが、この装置１の接地は、装置１が固定されている車両５０の部位とは電気的に絶縁されていることが、変形信号などにノイズが混入することを抑制する観点から好ましい。また、車両５０自体は、タイヤ（図示せず）を介して地面に接地されていることが好ましい。

４つの装置１は、車両５０の前方側の左右と、後方側の左右とに配置される。即ち、車両５０の４隅のそれぞれに一つの線状圧電センサが配置されて、車両５０が他の物体（図示せず）と衝突することによる変形を検出可能である。

解析装置４２は、４つの装置１から受信した変形信号について、変形信号の大きさが所定の閾値を超過したか否かを、装置１ごとに判定する。そして、解析装置４２は、変形信号の大きさが閾値を超過した場合、変形信号の大きさが閾値を超過した時刻を、装置１ごとに記録する。そして、解析装置４２は、変形信号の大きさが閾値を超過した時刻に基づいて、他の物体が車両５０と衝突した領域（車両５０の領域）を特定する。変形信号の大きさが閾値を超過した時刻が早い順番に、装置１が配置されている位置は、他の物体が車両５０と衝突した領域と近いと考えられる。従って、解析装置４２は、他の物体が車両５０と衝突した領域は、変形信号の大きさが閾値を超過した時刻が最も早い装置１が配置されている位置に近いと推定する。

また、解析装置４２は、４つの装置１から受信した断線信号について、線状圧電センサが断線したか否かを、装置１ごとに判定する。そして、解析装置４２は、線状圧電センサが断線した場合、線状圧電センサが断線した時刻を、装置１ごとに記録する。そして、解析装置４２は、線状圧電センサが断線した時刻に基づいて、他の物体が車両５０と衝突した領域（車両５０の領域）を特定する。線状圧電センサが断線した時刻が早い順番に、装置１が配置されている位置は、他の物体が車両５０と衝突した領域と近いと考えられる。従って、解析装置４２は、他の物体が車両５０と衝突した領域は、線状圧電センサが断線した時刻が最も早い装置１が配置されている位置に近いと推定する。解析装置４２は、断線信号に基づいて推定された、他の物体が車両５０と衝突した領域と、変形信号に基づいて推定された、他の物体が車両５０と衝突した領域とが異なる場合、断線信号に基づいて推定された、他の物体が車両５０と衝突した領域を、他の物体が車両５０と衝突した領域として決定してもよい。

上述した本実施形態の断線検出システムによれば、車両が他の物体と衝突したことを検出できる。また、本実施形態の断線検出システムによれば、他の物体が車両と衝突した領域を特定することができる。

本発明では、上述した実施形態の変形及び断線検出装置は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。

例えば、上述した実施形態では、断線検出回路は、第１導電体層の長手方向の両端部間に断線が生じたことを検出していたが、第１導電体層から電流を取り出す位置を端部以外の位置にすることにより、第１導電体層の長手方向の一部の範囲における断線が生じたことを検出するようにしてもよい。同様に、断線検出回路は、第２導電体層の長手方向の両端部間に断線が生じたことを検出してもよいが、第２導電体層の長手方向の一部の範囲における断線が生じたことを検出するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、変形検出回路は、線状圧電センサの第１導電体層から電流を入力していたが、第２導電体層から電流を入力してもよい。第２導電体層から電流を入力する場合、第１導電体層は接地されることが変形信号にノイズが混入することを抑制する観点から好ましい。

また、上述した第１、第３及び第４実施形態において、断線検出回路は、線状圧電センサの第１導電体層の断線を検出しているが、第２導電体層の断線を検出するようにしてもよい。また、上述した第２実施形態において、断線検出回路は、線状圧電センサの第２導電体層の断線を検出しているが、第１導電体層の断線を検出するようにしてもよい。

更に、本明細書において、線状圧電センサは、上述した実施形態に限定されない。線状圧電センサは、所定の方向に伸びる形状を有し、外力の大きさに応じて変形すると共に、変形の大きさに応じた電流を生成するものであればよい。

１〜５ 変形及び断線検出装置
７ 変形及び断線検出システム
１０ 線状圧電センサ
１１ 第１導電体層
１１ａ 第１端部
１１ｂ 第２端部
１１１ 芯部
１２ 圧電体層
１２１ 鞘部
１３ 第２導電体層
１３ａ 第１端部
１３ｂ 第２端部
２０ 変形検出回路
２１ 増幅器
２１ａ 反転入力端子
２１ｂ 非反転入力端子
２１ｃ 出力端子
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８ 抵抗
Ｃ１ コンデンサ
２２ 電圧計
３０ 断線検出回路
３１ 電圧計
３２ 電圧源
３３ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３４ 増幅器
３５ 増幅器
３６ ＬＣＲメータ
４０ アナログ・デジタル変換器
４１ 通信装置
４２ 解析装置
５０ 車両
５１ 車内ネットワーク

Claims (7)

1. 外力の大きさに応じて変形すると共に、変形の大きさに応じたセンサ電流又はセンサ電圧を生成する線状圧電センサと、
   前記線状圧電センサから入力した前記センサ電流又は前記センサ電圧を増幅して出力する変形検出回路と、
   前記線状圧電センサに断線が生じたことを、電圧、電流、容量又はインピーダンスの変化として出力する断線検出回路と、
   を備える変形及び断線検出装置。
2. 前記線状圧電センサは、所定の方向に伸びる第１導電体層と、前記第１導電体層上に配置される圧電体層と、前記圧電体層上に配置される第２導電体層とを有し、
   前記変形検出回路は、前記第１導電体層又は前記第２導電体層から前記センサ電流又は前記センサ電圧を入力し、
   前記断線検出回路は、前記第１導電体層の長手方向の両端部間若しくは前記第２導電体層の長手方向の両端部間に断線が生じたことを、電圧若しくは電流の変化として出力するか、又は、
   前記断線検出回路は、前記線状圧電センサに断線が生じたことを、前記第１導電体層と前記第２導電体層との間のインピーダンス又は容量の変化として検出する請求項１に記載の変形及び断線検出装置。
3. 前記第１導電体層は、少なくとも一本の導電性繊維を有し、前記圧電体層は、複数の圧電性繊維を有し、前記複数の圧電性繊維は、前記少なくとも一本の導電性繊維の周りに組紐状に巻きつけられている請求項２に記載の変形及び断線検出装置。
4. 前記断線検出回路は、前記第１導電体層の長手方向の両端部間か、又は、前記第２導電体層の長手方向の両端部間に直列に配置される抵抗及び電圧源と、前記抵抗における電位差を測定する電圧計とを有し、
   前記断線検出回路は、前記第１導電体層の長手方向の両端部間、若しくは、前記第２導電体層の長手方向の両端部間に断線が生じたことを、電圧の変化として出力する請求項２又は３に記載の変形及び断線検出装置。
5. 前記断線検出回路は、前記第１導電体層又は前記第２導電体層と、前記抵抗と、前記電圧源とにより形成される閉回路を有し、
   前記変形検出回路は、前記閉回路とは重なっていない請求項３又は４に記載の変形及び断線検出装置。
6. 前記断線検出回路は、前記第１導電体層の長手方向の両端部間か、又は、前記第２導電体層の長手方向の両端部間に流れる電流を増幅して、前記線状圧電センサに断線が生じたことを、電圧又は電流の変化として出力する請求項２に記載の変形及び断線検出装置。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の変形及び断線検出装置と、
   前記変形及び断線検出装置と通信可能に接続されており、前記変形検出回路から入力された信号を記録すると共に解析し、且つ、前記断線検出回路から入力された信号を記録すると共に解析する解析装置と、
   を備える変形及び断線検出システム。

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