JP2023500772A - ２チャンネル検出器 - Google Patents

Abstract

２チャンネル検出器であって、第１のチャンネルが第１のセンサを含み、第２のチャンネルが第２のセンサを含み、これらのセンサが基体の上に取り付けられている、２チャンネル検出器が記述される。第１及び第２のセンサは、同じ物理量を測定するが、異なる測定信号を出力する。センサは、接触部位を介して評価ユニットに接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、基板の上の第１のセンサ及び第２のセンサを含む、２チャンネル検出器に関する。

人間と機械との間の空間的及び時間的な相互作用がますます密接になっている結果、センサシステムにおける従来の技術は、限定的にしか使用され得ないか、又は、協調動作のために完全に新しく重畳されなければならなくなっている。主眼は、如何なる種類の衝突も検出及び回避すること、又は、衝突の場合の機械を安全に停止させることにある。このために、適切な検出器及びセンサシステムが必要となる。更に、そのような検出器及びセンサシステムは、基本的に、発生する内部の誤動作を検出することができなければならない。そのような誤動作は、例えばセンサの誤った検出又は電子機器による誤った信号処理に起因して、発生する可能性がある。

この場合、それぞれのセンサシステムは、採用される技術に応じて異なる監視領域を有する。例えば、光学及び音響システムは、どちらかと言えば比較的大きな距離の検出において、接触保護ストリップをベースとするシステムは、すぐ近くの領域での検出のために、それぞれ採用される。

しかしながら、古典的な接触検出システムは、協働動作中の機械の接触検出に限定的に適しているにすぎない。それぞれのプロセスの危険性分析に対応して、機械の潜在的に危険な部分には、それぞれ適切なセンサシステムが装備されなければならない。

特許文献１から、このために使用可能な感圧検出器が知られており、それは、圧電性感圧層によって機械的な変形を検出することができ、検出の後に元の状態に戻る。

特許文献２には、更に、プラスチック、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から成る強誘電性機能層を有する、平坦な単層の圧力センサが記載されている。

非特許文献１では、その機能層の材料の特性に起因して、圧力及び熱の両方に反応するセンサが開示される。センサに接続された評価ユニットは、その信号を評価し、圧力と熱とを区別する。

特許文献３から、印刷された接触センサが知られている。この場合、局所分解能を改善するために、２つの独立したセンサ層が、層に含まれる個々のセンサ点が一致するように、基板の同じ側又は対向する両側に配置される。

特許文献４から、垂直方向に重なり合って配置された２つのセンサ層を有する装置が知られており、その場合、２つのセンサ層は、センサシステムの機能性がこれによって改善又は悪化することなく、異なる極性を有することができる。

センサ・マトリクスを用いて、検出されるべき物理量の空間分解能が達成され得ることも、知られている。

公知のセンサ装置の問題は、センサシステム又は処理電子機器の誤動作が、更なる補助手段なしには確認され得ない点にある。

米国特許出願公開第２０１０／０１８１８７１号明細書 国際公開第２００９／０１１６０５号 国際公開第２０１４／０３７０１６号 独国特許出願公開第２６１９３３９号明細書

"PyzoFlex: Printed Piezoelectric Pressure Sensing Foil", Christian Rendl et al., 2012, UIST’12 - Proceedings of the 25th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology

したがって、本発明の課題は、測定誤差及び信号処理エラーの検出を暗黙的に可能にする検出器を提供することである。

この課題は、請求項１に記載された２チャンネル検出器によって解決される。検出器の更なる構成は、更なる請求項から見て取ることができる。

その上に第１及び第２のセンサが取り付けられた基板を含む、２チャンネル検出器が提供される。第１のチャンネルは、第１の測定信号を生成する第１のセンサを含む。第２のチャンネルは、第２のセンサを含み、当該第２のセンサは、第１のセンサに横方向に隣接して基板の上に取り付けられており、第２の測定信号を生成する。第２の測定信号は、第１の測定信号と同じ物理量の大きさを表すが、これとは異なる。更に、第１及び第２のチャンネルの両方は、接触部位を介してそれぞれのセンサに接続された、評価ユニットを含む。第１及び第２のセンサによって同じ物理量を捕捉することにより、検出器の誤動作を検出することができる。すなわち、同じ測定量に対して異なる値が生じる場合に、である。測定量が一方のチャンネルのみ出力される場合、他方には重大なエラーが存在する。

第１及び第２のチャンネルの測定信号間の差異は、２つの信号の異なる極性にある可能性がある。これは、例えば、第１及び第２のセンサの異なる分極によってもたらされる可能性がある。センサの電気的な分極は、測定信号の極性に基づいて、方向に依存する検出が可能であるという利点を有する。第１及び第２のセンサの異なる極性は、更に、検出器の誤動作のチェックに役立つ。エラーが存在しない場合、第１のチャンネル及び第２のチャンネルは、正反対の極性を有する同じ測定信号を出力する。２つの測定信号が正反対の極性を有さない場合、評価ユニット又は下流の電子機器の領域にエラーが存在する。第１及び第２のチャンネルの測定信号が同じ極性を有する場合、評価ユニット又は下流の電子機器の領域に重大なエラーが存在する。

更に、２チャネル検出器は、全てのセンサが物理量を同時に捕捉するように具現することができる。そのようにして、第１及び第２のセンサの測定信号を、直ちに互いに比較することができ、時間遅延を回避することができる。

更なる形態において、検出器は、第１及び第２のセンサが、移相された測定信号を出力するように具現することができる。この移相は、例えば、第１及び第２のセンサの異なる極性によってもたらされ得る。移相された測定信号は、検出器の誤動作の更なるチェックを可能にするという利点を有する。２つの測定信号が正確に移相されていない場合、評価ユニット又は下流の電子機器の領域にエラーが存在する。２つの測定信号が移相されていない場合、評価ユニット又は下流の電子機器の領域に極度のエラーが存在する。

更なる実施形態において、検出器は、第１及び第２のセンサが互いに１８０°だけ移相された測定信号を出力するように構成することができる。これらの明確に移相された測定信号は、対称な場合（２つの測定値が同じ大きさであるが反対の極性／反対の符号を有する）に、検出器の誤動作の検出が更に容易になるという利点を有する。２つの測定信号が対称でない場合、評価ユニット又は下流の電子機器の領域にエラーが存在する。２つの測定信号が移相されていない場合、評価ユニット又は下流の電子機器の領域に重大なエラーが存在する。

更なる実施形態において、センサと評価ユニットとの間の接触部位は、機械的に切り離されている。そのようにして、センサは、評価ユニットに有害な影響を及ぼすことなく、温度変化及び圧力変化又は力の作用のような環境からの影響によって、変化又は変形され得る。機械的な切り離しは、センサの評価ユニットとの電子機械的な接続によって達成することができる。例えば、評価ユニットは、それぞれのセンサに電子機械的に接続されたＦＲ４基板の上にあることができる。一実施形態において、評価ユニットは、センサと共に基板の上に直接配置することができる。加えて、評価ユニットは、それぞれのセンサから空間的に分離されていることができる。測定信号の伝送は、電気機械的な接続を介して、又は、無線接続を介して、行うことができる。

更なる実施形態において、評価ユニット、接触部位及びセンサの一部は、グラウト注入されており、これにより、圧力変化及び温度変化又は力の作用による有害な外部の影響から保護される。検出器全体を弾性材料で取り囲むことにより、当該検出器を更に保護することができる。更に、取り囲むことにより、第１及び第２のセンサが同じ物理量を捕捉することが保障され得る。

少なくとも１つの更なる実施形態において、第１及び第２のセンサは２つの隔てられた電極を含み、当該電極は、機能層の同じ側又は反対側に配置されている。電極及び機能層は、基板の上に印刷することができる。これは、センサの幾何学的形状又は成形における高い自由度を可能にする。例えば、複数のセンサを組み合わせて１つのセンサ・マトリクスとすることもできる。

少なくとも１つの更なる実施形態において、基板及び／又はセンサは、変形後に元の状態に戻るフレキシブルなフィルムである。材料の弾性特性により、基板は、任意の表面の幾何学的形状に適合させることができ、例えば湾曲した表面に適合させることができる。

更に、検出器は、第１及び第２のチャンネルに加えて、第１の、第２の及び更なるセンサを含む更なるチャンネルを含むことができる。センサは、マトリクス状に配置することもでき、これにより、より良好な空間分解能が可能になる。

以下において、本発明が、実施例及びこれに付随する図面に基づいて、詳細に説明される。

横方向に隣接して配置された極性の異なる２つのセンサを有する２チャンネル検出器の一実施形態を概略図で示す。 横方向に隣接して配置された極性の異なる２つのセンサを有し、力の作用の下で変形した、２チャンネル検出器の一実施形態を斜視図で示す。 基板の上の複層のセンサの一実施形態を概略断面図で示す。 センサ及び評価ユニットがフレキシブル基板の上に取り付けられた検出器の一実施形態を概略断面図で示す。 センサ及び評価ユニットが空間的に分離されているが電子機械的に接続されている検出器の一実施形態を概略断面図で示す。 横方向に隣接して配置された極性の異なる４つのセンサを有する多チャンネル検出器の一実施形態を概略図で示す。

図面において類似の又は明らかに同一の要素には、同一の参照符号が付されている。図面及び図面中の大きさの比率は、縮尺どおりではない。

図１は、第１のチャンネル１及び第２のチャンネル２を含む検出器の一実施形態の概略図を示す。第１のチャンネルは、正の極性を有する第１のセンサ３を含む。第２のチャンネルは、負の極性を有する第２のセンサ４を含む。２つのセンサ３及び４は、基板５の上で横方向に隣接して取り付けられており、それらの端部で接触部位を介して評価ユニット６及び７に接続されている。第１のセンサ３は、第１の評価ユニット６に接続されている。第２のセンサ４は、第２の評価ユニット７に接続されている。

図２は、圧力又は接触を検出するための、図１に概略的に示された２チャンネル検出器の、可能な特定の実施形態を示す。例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はポリイミド（ＰＩ）のようなプラスチックから成る基板５は、機械的にフレキシブルである。正の極性を有する第１のセンサ３及び負の極性を有する第２のセンサ４が、この上に取り付けられている。センサは、同様に、ポリマーＰＶＤＦのような機械的にフレキシブルな材料から成り、圧電特性を有する。電子評価ユニット６は、フレキシブル基板の上に直接取り付けられ、接触部位を介してセンサに接続された、ＦＲ４基板８の上にある。検出器が機械的な力の作用により変形すると（太い矢印）、圧電センサ内で電圧信号が発生する。２つのセンサは同様に設計されており、同様に変形するので、２つのセンサからは同じ絶対値の測定信号が出力される。測定信号の極性に基づいて、変形の方向に依存する検出が可能である。しかしながら、２つのセンサの極性が異なるため、測定信号は１８０°だけ移相されている。これにより、下流の電子機器又は信号処理における付加的な構成要素なしに、簡略化されたエラー検出が可能になる。その弾性特性に起因して、検出器は、発生した変形の後、その初期状態に戻るように変形することができる。

図３は、個々のセンサの可能な多層構造を示す。第１の層は、基板５、例えばＰＥＴ、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）又はＰＩであり、その上には、以下で説明する３つの層から成るセンサがある。第２の層９及び第３の層１１は、クロム、ニッケル、銀又は炭素（グラファイト）のような導電性材料から成る電極を含み、それらは、例えば蒸着、スクリーン印刷又はインクジェットのような従来の表面技術を用いて塗布される。その間にある第４の層１０は、強誘電性機能層であり、それは、ポリマー、セラミック又はポリマー・セラミック・マトリクスから成ることができる。材料系に応じて、機能層の塗布が適合される（例えば、スクリーン印刷、インクジェット、スピンコーティング）。ポリマーとしては、例えばＰＶＤＦ及びその共重合体を使用することができる。可能なセラミックは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。

評価ユニットは、機械的にセンサから切り離すことができる。

図４は、検出器の実施例の概略的な断面図を示す。ここでは、センサ３及び付属する評価ユニット６が、フレキシブル基板５の上に直接取り付けられている。

更なる実施例において、評価ユニットは、基板の上に取り付けられたＦＲ４基板の上にあることができる（概略図には示されていない）。

図５は、検出器の更なる実施例の概略的な断面図を示す。ここでは、センサ３が基板５の上に直接取り付けられている。評価ユニット６は、空間的に分離されている。測定信号の伝送は、電気機械的な接続を介して行われるが、無線接続（例えば、WLAN、Bluetooth）を介して行うこともできる。評価ユニットは、以下の電子部品を含むことができる：
- 信号増幅器
- 比較器
- アナログ・デジタル変換器
- マイクロプロセッサ（インストールされたソフトウェアを有する）
- フラッシュメモリ
- 抵抗器
- コンデンサ
- コイル
- スピーカ
- ダイオード（例えば、整流器、発光ダイオード）
- トランジスタ
- アンテナ
- データ接続（例えば、USBインターフェース）
- 容量測定ブリッジ

図６は、複数のチャンネルを含む検出器の更なる可能な実施形態の概略図を示す。検出器は、ここでは、正の極性を有する２つの第１のセンサ３を含む。更に、検出器は、負の極性を有する２つの第２のセンサ４を含む。全てのセンサは、横方向に隣接して、基板５の上に取り付けられている。第１のセンサは、それらの端部で、第１の接触部位を介して第１の評価ユニット６に接続されている。第２のセンサは、それらの端部で、第２の接触部位を介して第２の評価ユニット７に接続されている。システムのスケーラビリティのために、各チャンネルは、任意の数のセンサを含むことができる。更に、検出器は、第１及び第２のチャンネルに加えて、やはり任意の数のセンサを含む更なるチャンネルを含むことができる。

検出器の更なる可能な実施形態において、その構造全体が、例えば強誘電性ポリマーのような弾性材料で取り囲まれている。弾性材料は、例えば、想定される変形力を減衰させることを通じて、センサの保護に寄与する。機械的にフレキシブルであるが故に、センサは、例えば湾曲した表面のような種々の幾何学的形状に適合させることができる。

１ 第１のチャンネル
２ 第２のチャンネル
３ 第１のセンサ
４ 第２のセンサ
５ 基板
６ 第１の評価ユニット
７ 第２の評価ユニット
８ ＦＲ４基板
９ 第１の電極
１０ 機能層
１１ 第２の電極

Claims (13)

1. 検出器であって、
   基板と、第１のチャンネルと、第２のチャンネルと、を含み、
   前記第１のチャンネルは、
   第１の測定信号を生成する、前記基板の上に取り付けられた第１のセンサと、
   第１の接触部位を介して前記第１のセンサに接続された第１の評価ユニットと、
   を含み、
   前記第２のチャンネルは、
   前記第１の測定信号と同じ物理量の大きさを表すがこれとは異なる第２の測定信号を生成する、前記第１のセンサに横方向に隣接して前記基板の上に取り付けられた、第２のセンサと、
   第２の接触部位を介して前記第２のセンサに接続された第２の評価ユニットと、
   を含む、
   検出器。
2. 前記第１及び第２のセンサの前記測定信号は、極性に関して異なっている、請求項１に記載の検出器。
3. 全てのセンサが同時に前記物理量を捕捉する、請求項１又は２に記載の検出器。
4. 前記第１及び第２のセンサは、移相された測定信号を出力する、請求項１～３のいずれか１項に記載の検出器。
5. 前記第１及び第２のセンサは、互いに１８０°だけ移相された測定信号を出力する、請求項４に記載の検出器。
6. 前記センサ及び前記評価ユニットは、機械的に切り離されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の検出器。
7. 前記評価ユニット、前記接触部位及び前記センサの一部は、グラウト注入されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の検出器。
8. 弾性材料で取り囲まれている、請求項１～７のいずれか１項に記載の検出器。
9. 各センサは２つの隔てられた電極を含み、前記電極は、機能層の同じ側又は反対側に配置されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の検出器。
10. 各センサの前記電極及び前記機能層は、前記基板の上に印刷されている、請求項９に記載の検出器。
11. 前記基板及び／又は前記センサは、変形後に元の状態に戻るフレキシブルなフィルムである、請求項１～１０のいずれか１項に記載の検出器。
12. 前記第１及び第２のチャンネルに加えて、第１の、第２の又は更なるセンサを含む更なるチャンネルを含む、請求項１～１１のいずれか１項に記載の検出器。
13. 前記センサは、マトリクス状に配置されている、請求項１２に記載の検出器。

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