JP5406662B2 - センシング部材、及び当該センシング部材を具備するセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、伸長を伴う変位に対して、その変位を検知できるセンシング部材、及び当該センシング部材を具備するセンサに関する。
近年ロボット分野の発展が目覚しく、様々な動きをするロボットが増えている。特に、サービスロボット分野では、あらゆる状態をセンシングして、ロボットを制御することが求められている。
しかし、これまで伸縮変形に伴う変位を検出するセンシング部材が無く、例えば、関節部の曲げ伸ばし等を検出することが困難であった。
しかし、これまで伸縮変形に伴う変位を検出するセンシング部材が無く、例えば、関節部の曲げ伸ばし等を検出することが困難であった。
例えば、変位を検知する手段としては、磁性体とコイルとの位置が変化することにより生じるインダクタンスの変化を検知する手段（文献１）、電極間の位置変化を検出する手段（文献２）、弾性体の両面を圧電フィルムで挟み、曲げによる変形を電圧に変えて検出する手段（文献３）、及び２方向に配置された２つの感圧用線材の間の静電容量の変化を計測する感圧シートによる手段（文献４）等が知られている。
しかし、これらの手段は、いずれも圧縮に対する変位を検出するものである。
しかし、これらの手段は、いずれも圧縮に対する変位を検出するものである。
一般に、導電体をコイル形状にして伸張させると、導電体のインダクタンスが変化することが知られているので、この変位を検出することができれば、伸張変形に伴う変位を検出することが可能であるとも考えられる。
しかし、導電体は自由電子を保有し、塑性変形しやすく、継続的に高精度で可逆変形をさせることが難しく、コイル形状の導電体を用いるセンサは知られていない。
さらに、コイル形状の導電体２本を平行状態に捲回して、導電体の間の特性インピーダンスの変化を検出して時間軸方向（すなわち距離を特定して）における伸張変位を検出することも開示又は示唆されていない。
従って、本発明は、上記課題を解決する、伸長を伴う変形を検知できるセンシング部材、及び当該センシング部材を具備するセンサを提供することを目的とする。
さらに、コイル形状の導電体２本を平行状態に捲回して、導電体の間の特性インピーダンスの変化を検出して時間軸方向（すなわち距離を特定して）における伸張変位を検出することも開示又は示唆されていない。
従って、本発明は、上記課題を解決する、伸長を伴う変形を検知できるセンシング部材、及び当該センシング部材を具備するセンサを提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、コイル形状を有する導電体と、弾性支持体とを含むセンシング部材であって、上記コイル形状を有する導電体が、上記コイル形状を有する導電体の長手軸線方向に、捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一になるように捲回され、且つ上記コイル形状を有する導電体の捲回角が上記センシング部材の伸張変形に連動して変化するように、上記弾性支持体の長手軸線に沿って、上記弾性支持体に直接又は間接的に、取り付けられていることを特徴とするセンシング部材を見出し、本発明を完成するに至った。
具体的には、本発明は以下の態様に関する。
［態様１］
コイル形状を有する導電体と、弾性支持体とを含むセンシング部材であって、
上記コイル形状を有する導電体が、上記コイル形状を有する導電体の長手軸線方向に、捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一になるように捲回され、且つ上記コイル形状を有する導電体の捲回角が上記センシング部材の伸張変形に連動して変化するように、上記弾性支持体の長手軸線に沿って、上記弾性支持体に直接又は間接的に、取り付けられていることを特徴とする、
センシング部材。
［態様２］
上記弾性支持体の長手軸線と、上記コイル形状を有する導電体の長手軸線とが、略一致する、態様１記載のセンシング部材。
［態様１］
コイル形状を有する導電体と、弾性支持体とを含むセンシング部材であって、
上記コイル形状を有する導電体が、上記コイル形状を有する導電体の長手軸線方向に、捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一になるように捲回され、且つ上記コイル形状を有する導電体の捲回角が上記センシング部材の伸張変形に連動して変化するように、上記弾性支持体の長手軸線に沿って、上記弾性支持体に直接又は間接的に、取り付けられていることを特徴とする、
センシング部材。
［態様２］
上記弾性支持体の長手軸線と、上記コイル形状を有する導電体の長手軸線とが、略一致する、態様１記載のセンシング部材。
［態様３］
上記コイル形状を有する導電体の捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一になることを補助するためのコイル均一性補助部材をさらに含む、態様２記載のセンシング部材。
上記コイル形状を有する導電体の捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一になることを補助するためのコイル均一性補助部材をさらに含む、態様２記載のセンシング部材。
［態様４］
上記コイル形状を有する導電体が、上記弾性支持体の外側にある、態様３記載のセンシング部材。
［態様５］
上記コイル形状を有する導電体と、上記コイル均一性補助部材とが編組されている、態様４記載のセンシング部材。
上記コイル形状を有する導電体が、上記弾性支持体の外側にある、態様３記載のセンシング部材。
［態様５］
上記コイル形状を有する導電体と、上記コイル均一性補助部材とが編組されている、態様４記載のセンシング部材。
［態様６］
上記コイル形状を有する導電体の長手軸線と略一致する長手軸線を有し、且つ上記コイル形状を有する導電体と略同一の捲回方向、捲回径、捲回ピッチ及び捲回角を有するコイル形状を有する第２の導電体をさらに含む、態様４記載のセンシング部材。
［態様７］
上記コイル形状を有する導電体と、コイル形状を有する第２の導電体と、上記コイル均一性補助部材とが編組されている、態様６記載のセンシング部材。
上記コイル形状を有する導電体の長手軸線と略一致する長手軸線を有し、且つ上記コイル形状を有する導電体と略同一の捲回方向、捲回径、捲回ピッチ及び捲回角を有するコイル形状を有する第２の導電体をさらに含む、態様４記載のセンシング部材。
［態様７］
上記コイル形状を有する導電体と、コイル形状を有する第２の導電体と、上記コイル均一性補助部材とが編組されている、態様６記載のセンシング部材。
［態様８］
弾性樹脂により被覆されている、態様１〜７のいずれか１つ記載のセンシング部材。
［態様９］
態様１〜８のいずれか１つ記載のセンシング部材と、電気特性の変化を検出する手段とを具備するセンサであって、
当該センシング部材の伸張変形を、上記センシング部材内のコイル形状を有する導電体の捲回角の変化に基づいて検出することを特徴とするセンサ。
弾性樹脂により被覆されている、態様１〜７のいずれか１つ記載のセンシング部材。
［態様９］
態様１〜８のいずれか１つ記載のセンシング部材と、電気特性の変化を検出する手段とを具備するセンサであって、
当該センシング部材の伸張変形を、上記センシング部材内のコイル形状を有する導電体の捲回角の変化に基づいて検出することを特徴とするセンサ。
本発明のセンシング部材及びセンサは、伸張に伴う変位を検出できる。
以下、必要に応じて図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明のセンシング部材の１態様を示す図である。図１では、センシング部材の左右の部分は省略され、その一部分が示されている。図１のセンシング部材１は、弾性支持体２と、コイル形状を有する導電体３とから成り、コイル形状を有する導電体３が、弾性支持体２に直接取り付けられている。なお、図１において、Ａ−Ａで示される線は、弾性支持体２と、コイル形状を有する導電体３との長手軸線を表わす。図１のセンシング部材１では、弾性支持体２の長手軸線と、コイル形状を有する導電体３の長手軸線とが一致する。
図１は、本発明のセンシング部材の１態様を示す図である。図１では、センシング部材の左右の部分は省略され、その一部分が示されている。図１のセンシング部材１は、弾性支持体２と、コイル形状を有する導電体３とから成り、コイル形状を有する導電体３が、弾性支持体２に直接取り付けられている。なお、図１において、Ａ−Ａで示される線は、弾性支持体２と、コイル形状を有する導電体３との長手軸線を表わす。図１のセンシング部材１では、弾性支持体２の長手軸線と、コイル形状を有する導電体３の長手軸線とが一致する。
図２は、本発明のセンシング部材のバリエーション例を示す模式図である。図２は、本発明のセンシング部材をその側面から見た図であり、図１と同様に、センシング部材の左右の部分を省略し、その一部を示す。図２［ａ］は、図１と同一のセンシング部材を示し、コイル形状を有する導電体３が弾性支持体２の外側に取り付けられている。図２［ｂ］は、コイル形状を有する導電体３が弾性支持体２の内側に取り付けられているセンシング部材の例である。図２［ｂ］のセンシング部材の例としては、中空の弾性支持体２の内側にコイル形状を有する導電体３が取り付けられているもの、及び中実の弾性支持体２の中にコイル形状を有する導電体３が包埋しているものが挙げられる。
図２［ｃ］は、弾性支持体２が、コイル形状を有する導電体３と略同一のピッチ幅、捲回角、捲回方向及び捲回径を有するコイル形状を有し、コイル形状を有する導電体３が弾性支持体２に取り付けられているセンシング部材の例である。図２［ｄ］は、弾性体３が、弾性支持体２に隣接するように取り付けられているセンシング部材の例である。
図２［ａ］〜［ｃ］のセンシング部材では、弾性支持体２の長手軸線と、コイル形状を有する導電体３の長手軸線とが一致する。一方、図２［ｄ］のセンシング部材では、コイル形状を有する導電体３の長手軸線Ｃ−Ｃは、弾性支持体２の長手軸線Ｂ−Ｂに沿っている。換言すると、弾性支持体２の長手軸線Ｂ−Ｂと、コイル形状を有する導電体３の長手軸線Ｃ−Ｃとは、平行状態にある。
図２［ａ］〜［ｃ］のセンシング部材では、弾性支持体２の長手軸線と、コイル形状を有する導電体３の長手軸線とが一致する。一方、図２［ｄ］のセンシング部材では、コイル形状を有する導電体３の長手軸線Ｃ−Ｃは、弾性支持体２の長手軸線Ｂ−Ｂに沿っている。換言すると、弾性支持体２の長手軸線Ｂ−Ｂと、コイル形状を有する導電体３の長手軸線Ｃ−Ｃとは、平行状態にある。
［弾性支持体］
本明細書において、「弾性支持体」は、１０％以上の伸張性を有する材料であって、コイル形状を有する導電体を支持する材料を意味する。１０％の伸張性とは、弾性支持体のある点に２０ｃｍの間隔で目印をつけ、印の間隔が２２ｃｍになるまで引き伸ばし、弛緩させた場合に、２１ｃｍ未満に戻る材料を意味する。
上記弾性支持体は、図２に示すように、コイル形状を有する導電体の中に存在することができ、コイル形状を有する導電体の外側に存在することができ、コイル形状を有する導電体の内外に存在することができ、そしてコイル形状を有する導電体に隣接して存在することができる。
本発明のセンシング部材の製造を考慮すると、上記弾性体は、コイル形状を有する導電体の中に存在することが好ましい。
本明細書において、「弾性支持体」は、１０％以上の伸張性を有する材料であって、コイル形状を有する導電体を支持する材料を意味する。１０％の伸張性とは、弾性支持体のある点に２０ｃｍの間隔で目印をつけ、印の間隔が２２ｃｍになるまで引き伸ばし、弛緩させた場合に、２１ｃｍ未満に戻る材料を意味する。
上記弾性支持体は、図２に示すように、コイル形状を有する導電体の中に存在することができ、コイル形状を有する導電体の外側に存在することができ、コイル形状を有する導電体の内外に存在することができ、そしてコイル形状を有する導電体に隣接して存在することができる。
本発明のセンシング部材の製造を考慮すると、上記弾性体は、コイル形状を有する導電体の中に存在することが好ましい。
上記弾性支持体の形状は、本発明の効果を奏することができるものであれば、特に制限されないが、センシング部材として用いるためには、例えば、その長手軸線と直行する方向の断面が一定の規則性を有する形状、例えば、長手軸線と直行する方向の断面の断面形状が任意の箇所で同一である形状、例えば、柱体型、例えば、円柱型、角柱型、例えば、直角柱型を挙げることができる。さらに、上記弾性支持体がコイル形状を有し、そのコイル形状が、上述の柱体型、例えば、円柱型、角柱型、例えば、直角柱型であってもよい。
上記弾性支持体の素材としては、ゴム系材料、例えば、弾性長繊維、例えば、ポリウレタン系弾性長繊維、ポリオレフィン系弾性長繊維、ポリエステル系弾性長繊維、ポリアミド系弾性長繊維、例えば糸ゴムとして天然ゴム、合成ゴム、天然ゴムと合成ゴムの複合ゴム等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
上記弾性長繊維は、変形を容易にするために、引きそろえたもの、撚り合せたもの若しくは編組したもの、又はこれらの外周に絶縁性繊維を有するものを用いることができる。
天然ゴムは、伸縮しやすく、安価であるが、耐熱性及び耐久性に劣るという欠点がある。合成ゴムの１つであるシリコーンゴムは、伸縮しやすく、耐熱性にすぐれる。同じくフッ素ゴムは、伸縮性が劣るが、誘電率が低く、センシング感度を上げやすい。
上記弾性長繊維は、変形を容易にするために、引きそろえたもの、撚り合せたもの若しくは編組したもの、又はこれらの外周に絶縁性繊維を有するものを用いることができる。
天然ゴムは、伸縮しやすく、安価であるが、耐熱性及び耐久性に劣るという欠点がある。合成ゴムの１つであるシリコーンゴムは、伸縮しやすく、耐熱性にすぐれる。同じくフッ素ゴムは、伸縮性が劣るが、誘電率が低く、センシング感度を上げやすい。
上記弾性支持体は、上記ゴム系材料に、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維、フッ素繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、塩化ビニル繊維、サラン繊維、アラミド繊維、ポリエーテル繊維、ガラス繊維、ポリウレタン繊維又は、ポリウレタン繊維、絹、レーヨン繊維、キュプラ繊維、コットン紡績糸等を組み合わせたもの、例えば、巻き付けたものを含む。
上記ゴム系材料は、編組させたものを用いることができる。編組されたゴム系材料は、導電体を均一に捲回しやすくなるので好ましい。
上記ゴム系材料は、編組させたものを用いることができる。編組されたゴム系材料は、導電体を均一に捲回しやすくなるので好ましい。
上記弾性支持体がコイル形状を有する場合には、弾性支持体そのものの径は、細い方が好ましい。弾性長繊維は、比較的細く、伸縮力も強いので、弾性支持体がコイル形状を有する場合の素材として好適である。取り扱い性を向上させるため、あらかじめ他の絶縁性繊維で被覆した所謂カバーリング糸を用いることもできる。
［コイル形状を有する導電体］
本明細書において、「導電体」は、比抵抗が１Ω・ｃｍ以下である物質を意味する。比抵抗が１Ω・ｃｍを超えると、検出感度が落ちるため、実用に適さない。上記導電体の比抵抗は、０．１Ω・ｃｍ以下であることがより好ましく、０．０１Ω・ｃｍ以下がさらに好ましい。
上記比抵抗は、例えば、ＪＩＳ Ｃ ２５２５に従って測定することができる。
本明細書において、「導電体」は、比抵抗が１Ω・ｃｍ以下である物質を意味する。比抵抗が１Ω・ｃｍを超えると、検出感度が落ちるため、実用に適さない。上記導電体の比抵抗は、０．１Ω・ｃｍ以下であることがより好ましく、０．０１Ω・ｃｍ以下がさらに好ましい。
上記比抵抗は、例えば、ＪＩＳ Ｃ ２５２５に従って測定することができる。
上記コイル形状を有する導電体は、当該導電体の長手軸線方向に捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一になるように捲回されている。
図３に、コイル形状を有する導電体の捲回ピッチ及び捲回径を説明するための図を示す。
「捲回ピッチ」は、コイル形状を有する導電体３のある部分から、当該ある部分から１周捲回した部分への長手軸線方向の距離を意味し、図３において符号Ｌで示される長さである。「捲回径」は、コイル形状を有する導電体３の長手軸線に直交する方向の径を意味し、図３においてＲで示される長さである。
図３に、コイル形状を有する導電体の捲回ピッチ及び捲回径を説明するための図を示す。
「捲回ピッチ」は、コイル形状を有する導電体３のある部分から、当該ある部分から１周捲回した部分への長手軸線方向の距離を意味し、図３において符号Ｌで示される長さである。「捲回径」は、コイル形状を有する導電体３の長手軸線に直交する方向の径を意味し、図３においてＲで示される長さである。
図４は、コイル形状を有する導電体の捲回角を説明するための図である。「捲回角」は、測定の便宜を考慮して、図４にθで示される角度を意味するものとする。
図４において、コイル形状を有する導電体３を、長手軸線方向に一定の長さＷで切断し、コイル形状を有する導電体３の捲回をほどき、導電体３の長さＤを測定する。Ｗを底辺とし、Ｄを対角線とする直角三角形を形成すると、ＤとＷとにより形成される捲回角θ、並びにＤ及びＷの間には、以下の式（１）が成立する。
捲回角θ＝｛ｃｏｓ-1（Ｗ÷Ｈ）｝×１８０÷π 式（１）
ここで、ｃｏｓ-1は、アークコサインを意味する。
なお、センシング部材中のコイル形状を有する導電体の捲回角も、上記と同様に測定することができる。
図４において、コイル形状を有する導電体３を、長手軸線方向に一定の長さＷで切断し、コイル形状を有する導電体３の捲回をほどき、導電体３の長さＤを測定する。Ｗを底辺とし、Ｄを対角線とする直角三角形を形成すると、ＤとＷとにより形成される捲回角θ、並びにＤ及びＷの間には、以下の式（１）が成立する。
捲回角θ＝｛ｃｏｓ-1（Ｗ÷Ｈ）｝×１８０÷π 式（１）
ここで、ｃｏｓ-1は、アークコサインを意味する。
なお、センシング部材中のコイル形状を有する導電体の捲回角も、上記と同様に測定することができる。
本明細書において、「均一」であるとは、対象物、例えば、コイル形状を有する導電体の捲回径、捲回ピッチ及び捲回角のそれぞれの値が、５箇所以上の計測値において、次の式（２）：
（最大値−最小値）／相加平均値≦１ 式（２）
の関係を満たすことを意味する。
本発明のセンシング部材の測定精度の向上のためには、式（１）の左辺の値は、０．５以下であることが好ましく、０．３以下であることがさらに好ましい。
（最大値−最小値）／相加平均値≦１ 式（２）
の関係を満たすことを意味する。
本発明のセンシング部材の測定精度の向上のためには、式（１）の左辺の値は、０．５以下であることが好ましく、０．３以下であることがさらに好ましい。
導電体の捲回径は、１０ｍｍ以下であることが好ましい。捲回径が１０ｍｍを超えると、センシング部材が大きくなり、実用上好ましくないからである。センシング部材の小型化を考慮すると、上記捲回径は、５ｍｍ以下であることがより好ましく、３ｍｍ以下であることがさらに好ましい。また、上記捲回径は、０．０１ｍｍ以上であることが好ましい。上記捲回径が０．０１ｍｍ未満であると、導電体を連続して捲回することが困難となるからである。
コイル形状を有する導電体の捲回ピッチは、０．０１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内にあることが好ましい。コイル形状を有する導電体の捲回ピッチが０．０１ｍｍ未満となると、短絡する危険性が増大する。コイル形状を有する導電体の捲回ピッチが２０ｍｍを超えると、伸縮しにくくなる、センシング部材の外径が大きくなりすぎる等の問題点が生ずるため好ましくない。
弛緩時、すなわち、コイル形状を有する導電体に伸張力が加わっていない状態における捲回角は、３０〜８０°の範囲にあることが好ましい。弛緩時の捲回角が、３０°未満にあると、コイル形状を有する導電体の伸縮性が低下し、そして弛緩時の捲回角が８０°を超えると、センシング部材中のコイル形状を有する導電体の割合が高くなりすぎるため好ましくない。弛緩時の捲回角は、４５〜７０°の範囲にあることがより好ましい。
導電体の径は、１ｍｍ以下であることが好ましい。導電体の直径が１ｍｍを超えると、伸張及び復元が困難となる。導電体の径は、０．１ｍｍ以下であることがより好ましい。
導電体の径は、１ｍｍ以下であることが好ましい。導電体の直径が１ｍｍを超えると、伸張及び復元が困難となる。導電体の径は、０．１ｍｍ以下であることがより好ましい。
コイル形状を有する導電体の捲回角は、センシング部材中で、２５°（最大伸張時）〜８０°（弛緩時）の範囲で変化するように設計することが好ましい。伸張時に捲回角が２５°未満となると、弾性支持体の伸張変形に応じて可逆的に変化することが困難となり、そして弛緩時に捲回角が８０°を超えると、センシング部材の単位長さあたりに使用される導電体の量が多くなりすぎるので好ましくない。
導電体は、電気的性質、例えば、比抵抗、誘電率、透磁率、並びに物理的性質、例えば、変形性等を考慮して選ぶことができる。
上記導電体としては、銅線、アルミ線、ニクロム線、鉄線等の金属線、又はカーボン繊維、あるいは導電体が被覆された有機系導電繊維が挙げられる。電体同士の短絡を防ぐために、絶縁体で被覆された導電体を用いることもできる。また、伸張変形に対して追従しやすくするため、導電体は細線の集合線を用いることが好ましい。
上記導電体としては、銅線、アルミ線、ニクロム線、鉄線等の金属線、又はカーボン繊維、あるいは導電体が被覆された有機系導電繊維が挙げられる。電体同士の短絡を防ぐために、絶縁体で被覆された導電体を用いることもできる。また、伸張変形に対して追従しやすくするため、導電体は細線の集合線を用いることが好ましい。
コイル形状を有する導電体は、柱体型、例えば、円柱型、角柱型であることができるが、コイル形状を有する導電体の電気特性の変化を検出するセンシング部材としては、円柱型、例えば、断面が真円の円柱型、又は断面が楕円の円柱型であることが好ましい。
図５は、コイル形状を有する導電体の長手軸線方向と垂直の断面のバリエーション例を示す図である。図５では、右側がセンシング部材の側面図、左側がその断面図である。図５［ａ］では、コイル形状を有する導電体の長手軸線方向と垂直の断面の形状は、真円である。
図５［ｂ］では、同断面の形状は、楕円である。なお、図５［ｂ］の形態では、捲回径が均一であるとは、楕円の長軸方向の捲回径が均一であり且つ短軸方向の捲回径が均一であることを意味する。
図５は、コイル形状を有する導電体の長手軸線方向と垂直の断面のバリエーション例を示す図である。図５では、右側がセンシング部材の側面図、左側がその断面図である。図５［ａ］では、コイル形状を有する導電体の長手軸線方向と垂直の断面の形状は、真円である。
図５［ｂ］では、同断面の形状は、楕円である。なお、図５［ｂ］の形態では、捲回径が均一であるとは、楕円の長軸方向の捲回径が均一であり且つ短軸方向の捲回径が均一であることを意味する。
本発明のセンシング部材では、コイル形状を有する導電体が弾性支持体に直接又は間接的に取り付けられている。本明細書において、導電体が弾性支持体に「取り付ける」とは、弛緩時におけるセンシング部材中のコイル形状を有する導電体のある場所と、当該ある場所に接する弾性支持体の場所との距離が、伸張時においても変化しないことを意味する。
コイル形状を有する導電体を弾性支持体に取り付ける例としては、例えば、接着剤等により、コイル形状を有する導電体を弾性支持体に接着することが挙げられ、さらに、後述のコイル均一性補助部材を用いて固定することも含まれる。
なお、直接的とは、コイル形状を有する導電体が弾性支持体に直に取り付けられていること意味し、間接的とは、コイル形状を有する導電体が第３の材料を介して弾性支持体に取り付けられていることを意味する。
なお、直接的とは、コイル形状を有する導電体が弾性支持体に直に取り付けられていること意味し、間接的とは、コイル形状を有する導電体が第３の材料を介して弾性支持体に取り付けられていることを意味する。
［コイル均一性補助部材］
本発明のセンシング部材は、捲回時、例えば、弛緩時、伸張時等の、コイル形状を有する導電体の捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一となることを補助するためのコイル均一性補助部材を含むことができる。
また、複数本のコイル形状を有する導電体を平行状態で捲回する場合には、上記コイル均一性補助部材は、コイル形状を有する導電体間の距離が均一となることを補助することができる。
本発明に用いられるコイル均一性補助部材はまた、伸張−弛緩の後、コイル形状を有する導電体が元の位置に戻ることを補助すること、すなわち、後述の伸張―弛緩の繰り返し信頼性を高めることができる。
本発明のセンシング部材は、捲回時、例えば、弛緩時、伸張時等の、コイル形状を有する導電体の捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一となることを補助するためのコイル均一性補助部材を含むことができる。
また、複数本のコイル形状を有する導電体を平行状態で捲回する場合には、上記コイル均一性補助部材は、コイル形状を有する導電体間の距離が均一となることを補助することができる。
本発明に用いられるコイル均一性補助部材はまた、伸張−弛緩の後、コイル形状を有する導電体が元の位置に戻ることを補助すること、すなわち、後述の伸張―弛緩の繰り返し信頼性を高めることができる。
上記コイル均一性補助部材がコイル形状を有する導電体等と共に編組される場合には、上記コイル均一性補助部材の態様としては、コイル形状を有する導電体を拘束することにより均一性を補助するためにコイル形状を有する導電体の捲回方向と逆方向に捲回されるものと、捲回ピッチ、導電体間の距離等の均一性を補助するために、コイル形状を有する導電体の捲回方向と同一方向に捲回されるもの等が挙げられる。
これらの機能を達するために、上記コイル均一性補助部材は糸状体であることが好ましく、さらにコイル形状を有する導電体、及び所望により弾性体と編組されることが好ましい。
これらの機能を達するために、上記コイル均一性補助部材は糸状体であることが好ましく、さらにコイル形状を有する導電体、及び所望により弾性体と編組されることが好ましい。
図６は、コイル均一性補助部材の編組のバリエーションを模式的に示す図である。図６［ａ］では、コイル形状を有する導電体３が、弾性支持体２の外側にあり、コイル形状を有する導電体の捲回方向と同一の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４が、コイル形状を有する導電体３と同一逆方向に捲回され、コイル形状を有する導電体の捲回方向と逆の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４’が、コイル形状を有する導電体３と逆方向に捲回され、これら３者により編組されている。図６［ｂ］では、コイル形状を有する弾性支持体２と、コイル形状を有する導電体の捲回方向と同一の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４とが、コイル形状を有する導電体３と同一方向に捲回され、コイル形状を有する導電体の捲回方向と逆の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４’が、コイル形状を有する導電体３と逆方向に捲回され、これら四者により編組されている。
上記編組のパターンとしては、伸張時にコイル形状の均一性が保持されうるものであれば特に制限されないが、例えば、四つ目編みパターン、八つ目編みパターン、１６目編みパターン等が挙げられる。また、製紐業界において、８本打ち、１６本打ち、３２本打ち等と称されるパターンを挙げることができる。
上記コイル均一性補助部材は、編組以外に、カバーリングによっても導電体等を補助することができる。
上記コイル均一性補助部材は、編組以外に、カバーリングによっても導電体等を補助することができる。
上記コイル均一性補助部材としては、その素材は特に制限されないが、電気的絶縁性を有する材料であることが好ましい。コイル均一性補助部材が導電性であると、コイル形状を有する導電体の電気特性を乱すからである。
本明細書において、「絶縁性」は、比抵抗が１×１０5Ω・ｃｍ以上を意味する。
本明細書において、「絶縁性」は、比抵抗が１×１０5Ω・ｃｍ以上を意味する。
電気的絶縁性を有するコイル均一性補助部材の例としては、例えば、マルチフィラメント、モノフィラメント、又は紡績糸を挙げることができる。コイル均一性補助部材としては、マルチフィラメントが好ましい。細く、柔らかく、拘束力が強く（高強度）、安価という観点からは、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アクリル繊維が挙げられる。誘電率が低いという観点からはフッ素繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維が挙げられる。難燃性の観点からは、塩化ビニル繊維、サラン繊維、ガラス繊維を挙げることができる。高強度の観点からは、高強力ポリエチレン繊維、アラミド繊維、ポリスルホン繊維、ポリエーテル繊維、ポリカーボネート繊維等を挙げることができる。伸縮性の観点からは、ポリウレタン繊維又は、ポリウレタン繊維の外部を他の絶縁性繊維で被覆したもの等を挙げることができる。その他、絹、レーヨン繊維、キュプラ繊維、コットン紡績糸を用いることもできる。しかし、これらに限定されるものではなく、公知の絶縁性繊維を任意に用いることができる。
なお、導電性のコイル均一性補助部材を用いる場合には、表面を絶縁性材料、例えば、上記絶縁性繊維で被覆したものを用いることが好ましい。
なお、導電性のコイル均一性補助部材を用いる場合には、表面を絶縁性材料、例えば、上記絶縁性繊維で被覆したものを用いることが好ましい。
上記コイル均一性補助部材は、コイル形状を有する導電体と逆方向に捲回される場合には、その径は、導電体よりも細い方が好ましい。コイル形状を有する導電体が、交叉するコイル均一性補助部材により変形することをさけるためである。上記コイル均一性補助部材の径は、導電体の径の１／２以下であることが好ましく、そして１／１０以下であることがより好ましい。
一方、コイル形状を有する導電体と同方向に捲回されるコイル均一性補助部材は、捲回ピッチを調整するため、又は複数本のコイル形状を有する導電体を用いる場合ではコイル形状を有する導電体間の距離を調整するため、所望の径を選択することができる。
一方、コイル形状を有する導電体と同方向に捲回されるコイル均一性補助部材は、捲回ピッチを調整するため、又は複数本のコイル形状を有する導電体を用いる場合ではコイル形状を有する導電体間の距離を調整するため、所望の径を選択することができる。
変形時に破断しないようにするため、上記コイル均一性補助部材の破断強度は、１０ｃＮ以上であることが好ましく、１００ｃＮ以上であることがより好ましく、そして１０００ｃＮ以上であることがさらに好ましい。
上記コイル均一性補助部材の破断伸度は、３％以上が好適である。破断伸度が３％未満の場合は曲げにくく、コイル形状を有する導電体の周囲に沿って捲回することが困難となるからである。
上記コイル均一性補助部材の破断伸度は、３％以上が好適である。破断伸度が３％未満の場合は曲げにくく、コイル形状を有する導電体の周囲に沿って捲回することが困難となるからである。
［弾性樹脂］
本発明のセンシング部材において、コイル形状を有する導電体を、所望により、弾性樹脂で被覆することができる。コイル形状を有する導電体を被覆することにより、コイル形状を有する導電体の捲回角が弾性支持体の伸張変形に連動して変化しやすくなる。
本明細書において、コイル形状を有する導電体の捲回角が弾性支持体の伸張変形に連動するとは、センシング部材（弾性支持体）の伸張変形に関連して、コイル形状を有する導電体の捲回角が変化する、特に小さくなることを意味する。
上記弾性樹脂としては、センシング部材の伸張に追従することができる樹脂であれば特に制限されないが、例えば、熱可塑性弾性支持体（例えば、熱可塑性ポリウレタン）、熱硬化性弾性支持体（例えば、シリコンゴム）、ラテックス（例えば、ＳＢＲラテックス）等が挙げられる。
本発明のセンシング部材において、コイル形状を有する導電体を、所望により、弾性樹脂で被覆することができる。コイル形状を有する導電体を被覆することにより、コイル形状を有する導電体の捲回角が弾性支持体の伸張変形に連動して変化しやすくなる。
本明細書において、コイル形状を有する導電体の捲回角が弾性支持体の伸張変形に連動するとは、センシング部材（弾性支持体）の伸張変形に関連して、コイル形状を有する導電体の捲回角が変化する、特に小さくなることを意味する。
上記弾性樹脂としては、センシング部材の伸張に追従することができる樹脂であれば特に制限されないが、例えば、熱可塑性弾性支持体（例えば、熱可塑性ポリウレタン）、熱硬化性弾性支持体（例えば、シリコンゴム）、ラテックス（例えば、ＳＢＲラテックス）等が挙げられる。
［センシング部材］
本発明のセンシング部材では、伸張に伴う変形は、あらかじめ、所定の伸張率における電気特性の値を計測して伸張率―電気特性曲線を作成し、電気特性の変化を伸張率に置き換えることで測定されうる。さらに、所定の伸張率における伸張荷重を計測して伸張率―荷重曲線を作成することで、電気特性の変化から伸張荷重を測定することもできる。
本明細書において、「電気特性」としては、例えば、特性インピーダンス、インダクタンス及びキャパシタンスが挙げられる。
本発明のセンシング部材では、伸張に伴う変形は、あらかじめ、所定の伸張率における電気特性の値を計測して伸張率―電気特性曲線を作成し、電気特性の変化を伸張率に置き換えることで測定されうる。さらに、所定の伸張率における伸張荷重を計測して伸張率―荷重曲線を作成することで、電気特性の変化から伸張荷重を測定することもできる。
本明細書において、「電気特性」としては、例えば、特性インピーダンス、インダクタンス及びキャパシタンスが挙げられる。
本発明のセンシング部材は、２本以上のコイル形状を有する導電体を有してもよい。センシング部材が２本以上のコイル形状を有する導電体を含む場合は、特定の２本のコイル形状を有する導電体間の変形に伴う電気特性の変化をセンシングすることができる。センシング部材が２本以上のコイル形状を有する導電体を含む場合には、２本の導電体の素材は、同一であってもよく、又は比抵抗等が異なっていてもよい。また、２本のコイル形状を有する導電体間に、誘電率又は透磁率の異なる材料を介在させることにより、センシング感度を向上させることもできる。
複数本のコイル形状を有する導電体を用いる場合、例えば、複数本のコイル形状を有する導電体が略同一の捲回方向、捲回径、捲回ピッチ及び捲回角を有する場合には、それぞれのコイル形状を有する導電体を、コイル形状を有する導電体の長手軸線方向に一定距離ずらして弾性支持体に取り付ける（本明細書において、「平行状態」と称する）ことができ（例えば、図７）、あるいは複数本のコイル形状を有する導電体が異なる捲回径を有する場合には、複数本のコイル形状を有する導電体を、それぞれの長手軸線が一致するように弾性支持体に取り付ける（本明細書において、「同心円状態」と称する）ことができる。複数本のコイル形状を有する導電体を同心円状態で取り付ける場合には、コイル形状を有する導電体同士が接触しないように、内層の導電体捲回層と外層の導電体捲回層との間に絶縁層が存在することが好ましい。上記絶縁層は、絶縁繊維による編組又は弾性樹脂による絶縁層の形成等により実現されうる。
あらかじめ絶縁被覆された導電体を用いることもできる。
あらかじめ絶縁被覆された導電体を用いることもできる。
また、径、材質等を変えることにより比抵抗を変化させた複数本のコイル形状を有する導電体を用いることができる。さらに、センシング部材に第３の導電体を捲回し、周囲の電気特性の変化を生じやすくすることもできる。また、径の異なる２本の導電体を長手軸線が一致するように捲回し、曲げに対する変化を大きくすることもできる。外来ノイズを防ぐために、導電体捲回層の外層にシールドを設けることもできる。
複数本のコイル形状を有する導電体を用いる場合、各コイル形状を有する導電体の捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一であることが好ましく、さらにコイル形状を有する導電体間の距離が均一である、すなわち、上記式（２）の関係を満たすことが好ましい。
ここで、コイル形状を有する導電体間の距離とは、一方のコイル形状を有する導電体のある点から、他方のコイル形状を有する導電体への種々の点に至る長さのうち最短のものを意味する。
２本以上のコイル形状を有する導電体を用いる場合、コイル形状を有する導電体間の距離は、０．０１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内であることが好ましい。上記距離が０．０１ｍｍ未満になると短絡する可能性があり、１０ｍｍ超では、伸縮しにくくなるか、又は外径が大きくなるので好ましくない。
ここで、コイル形状を有する導電体間の距離とは、一方のコイル形状を有する導電体のある点から、他方のコイル形状を有する導電体への種々の点に至る長さのうち最短のものを意味する。
２本以上のコイル形状を有する導電体を用いる場合、コイル形状を有する導電体間の距離は、０．０１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内であることが好ましい。上記距離が０．０１ｍｍ未満になると短絡する可能性があり、１０ｍｍ超では、伸縮しにくくなるか、又は外径が大きくなるので好ましくない。
図７は、２本のコイル形状を有する導電体を含むセンシング部材の模式図である。図７［ａ］のセンシング部材では、略同一の捲回方向、捲回径、捲回ピッチ及び捲回角を有する、コイル形状を有する導電体３と、コイル形状を有する導電体３’とが、その距離が均一になるように弾性支持体２に取り付けられている。
図７［ｂ］のセンシング部材では、コイル形状を有する導電体の捲回方向と同一の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４と、コイル形状を有する導電体の捲回方向と逆の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４’とが、コイル形状を有する導電体３及びコイル形状を有する導電体３’と共に編組されている。
図７［ｂ］のセンシング部材では、コイル形状を有する導電体の捲回方向と同一の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４と、コイル形状を有する導電体の捲回方向と逆の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４’とが、コイル形状を有する導電体３及びコイル形状を有する導電体３’と共に編組されている。
図７［ｃ］のセンシング部材では、コイル形状を有する導電体の捲回方向と同一の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４と、コイル形状を有する導電体の捲回方向と逆の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４’とが、コイル形状を有する弾性支持体２、コイル形状を有する導電体３及びコイル形状を有する導電体３’と共に編組されている。
なお、図７［ｃ］の態様では、弾性支持体２と、コイル形状を有する導電体の捲回方向と同一の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４と、コイル形状を有する導電体の捲回方向と逆の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４’とが一緒になって、導電体３及び３’を支持し且つコイル形状の均一性を補助しているものと考えることができる。
なお、図７［ｃ］の態様では、弾性支持体２と、コイル形状を有する導電体の捲回方向と同一の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４と、コイル形状を有する導電体の捲回方向と逆の捲回方向を有するコイル均一性補助部材４’とが一緒になって、導電体３及び３’を支持し且つコイル形状の均一性を補助しているものと考えることができる。
本発明のセンシング部材の伸張―弛緩の繰り返し信頼性は、１０回以上であることが好ましく、１００回以上であることがより好ましく、１０００回以上であることがさらに好ましく、そして１万回以上であることがさらに好ましい。
伸張―弛緩の繰り返し信頼性とは、あらかじめ作成した伸張率―電気特性曲線を用いた伸張率の値と実測される伸張率の値とが、±２０％以内で一致することを意味する。
伸張―弛緩の繰り返し信頼性とは、あらかじめ作成した伸張率―電気特性曲線を用いた伸張率の値と実測される伸張率の値とが、±２０％以内で一致することを意味する。
本発明のセンシング部材を、伸縮性のある布帛の一部に用いることで面状のセンシング部材を製造することができる。さらに、本発明のセンシング部材を、易変形性の立体布帛の一部に用いることで立体布帛状のセンシング部材を製造することができる。
本発明のセンシング部材において、コイル形状を有する導電体が変形すると、そのインダクタンスが変化する。従って、このインダクタンスの変化を検出することで、センシング部材の伸張変化を計測することができる。
特に、平行状態にある２本のコイル形状を有する導電体を含むセンシング部材は、伸張に伴うコイル形状の変化に対し、インダクタンス（Ｌ）の変化とキャパシタンス（Ｃ）の変化とが同時に起こり、例えば、ＴＤＲ（ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｒｙ）法を用いることにより長さ方向の変形を、特性インピーダンスを測定する等により検出できるので好適である。
特に、平行状態にある２本のコイル形状を有する導電体を含むセンシング部材は、伸張に伴うコイル形状の変化に対し、インダクタンス（Ｌ）の変化とキャパシタンス（Ｃ）の変化とが同時に起こり、例えば、ＴＤＲ（ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｒｙ）法を用いることにより長さ方向の変形を、特性インピーダンスを測定する等により検出できるので好適である。
［センサ］
本発明のセンサは上述のセンシング部材と、電気特性の変化を検出する手段とを具備し、センシング部材の伸張変形を、センシング部材内のコイル形状を有する導電体の捲回角の変化に基づいて検出する。
上記手段は、センシング部材のインダクタンス又はキャパシタンスの変化を捕捉することにより、測定部位の変位をセンシングすることができる。
さらに、センシング部材が２本のコイル形状を有する導電体を含む場合には、パルス波を伝播させ、反射波の変化から特性インピーダンスを求めることができ、反射波到達までの時間を長さに置換することにより位置を特定することができる。また、特性インピーダンスを測定し、その変化量から、変位量を計測することもできる。
本発明のセンサは上述のセンシング部材と、電気特性の変化を検出する手段とを具備し、センシング部材の伸張変形を、センシング部材内のコイル形状を有する導電体の捲回角の変化に基づいて検出する。
上記手段は、センシング部材のインダクタンス又はキャパシタンスの変化を捕捉することにより、測定部位の変位をセンシングすることができる。
さらに、センシング部材が２本のコイル形状を有する導電体を含む場合には、パルス波を伝播させ、反射波の変化から特性インピーダンスを求めることができ、反射波到達までの時間を長さに置換することにより位置を特定することができる。また、特性インピーダンスを測定し、その変化量から、変位量を計測することもできる。
次に、本発明のセンシング部材の代表的な製造方法について説明する。なお、本発明のセンシング部材は、以下の製造方法に限定されるものではない。
１）製法
本発明のセンシング部材の代表的な製造方法としては、２対の把持機構（Ｖ溝による把持機構又は、ゴムロールによるニップ機構等）により弾性支持体を伸長した状態で、その上に導電体をコイル状に１本又は複数本捲回させる方法が挙げられる。
伸縮しやすいセンシング部材を得るため、弾性支持体を３０％以上伸長した状態で導電体を捲回することが好ましい。さらに好ましくは５０％以上、特に好ましくは１００％以上伸張した状態で導電体を捲回する。
導電体を均一に捲回させる方法としては、例えば、製紐機等を用いて導電体及びコイル均一性補助部材を弾性支持体の外周に編組する方法や、横巻き機を用いて導電体を捲回する方法が挙げられる。弾性支持体と導電体とが連動して動くようにするためには、導電体に適度な張力を掛けて捲回することが好ましい。
本発明のセンシング部材の代表的な製造方法としては、２対の把持機構（Ｖ溝による把持機構又は、ゴムロールによるニップ機構等）により弾性支持体を伸長した状態で、その上に導電体をコイル状に１本又は複数本捲回させる方法が挙げられる。
伸縮しやすいセンシング部材を得るため、弾性支持体を３０％以上伸長した状態で導電体を捲回することが好ましい。さらに好ましくは５０％以上、特に好ましくは１００％以上伸張した状態で導電体を捲回する。
導電体を均一に捲回させる方法としては、例えば、製紐機等を用いて導電体及びコイル均一性補助部材を弾性支持体の外周に編組する方法や、横巻き機を用いて導電体を捲回する方法が挙げられる。弾性支持体と導電体とが連動して動くようにするためには、導電体に適度な張力を掛けて捲回することが好ましい。
均一な捲回径を得るためには、弾性支持体を一定の倍率に伸長しながら、一定速度で供給し、その周囲に導電体を一定速度で捲回することが好ましい。２本以上の導電体を、平行状態又は同心円状態で、同一方向に捲回することもできる。２本以上の導電体を捲回する場合には、コイル形状を有する導電体間の電気的性質を一定に保つために、コイル形状を有する導電体間の距離が均一であることが好ましい。このために、コイル形状を有する導電体の間に他のコイル均一性補助部材を介在させ、距離を均一にすることができる。導電体と逆方向にコイル均一性補助部材を捲回することもできる。
２）編組
導電体を、コイル均一性補助部材と共に編組することは、導電体を一定ピッチ、一定張力で捲回しやすくなるので好適である。所望により、導電体を、コイル均一性補助部材及びコイル形状の弾性支持体と共に編組してもよい。
例えば、製紐機を用いて導電体及びコイル均一性補助部材を編組する場合、導電体に掛ける糸錘の重さ又はテンサーを変えたり、編組加工中の単位長さ当たりの巻付数を変えたりすることによって、導電体の捲回角及び捲回張力を変えることができる。
但し、捲回張力を強くしすぎると、センシング部材の伸長性を阻害する場合があるので、伸長性を阻害しない範囲で捲回張力を調整することが好ましい。
導電体を、コイル均一性補助部材と共に編組することは、導電体を一定ピッチ、一定張力で捲回しやすくなるので好適である。所望により、導電体を、コイル均一性補助部材及びコイル形状の弾性支持体と共に編組してもよい。
例えば、製紐機を用いて導電体及びコイル均一性補助部材を編組する場合、導電体に掛ける糸錘の重さ又はテンサーを変えたり、編組加工中の単位長さ当たりの巻付数を変えたりすることによって、導電体の捲回角及び捲回張力を変えることができる。
但し、捲回張力を強くしすぎると、センシング部材の伸長性を阻害する場合があるので、伸長性を阻害しない範囲で捲回張力を調整することが好ましい。
複数本の導電体を平行状態又は同心円状態で捲回する場合は、全ての導電体をＳ撚り又はＺ撚りのいずれか１方向に統一することが好ましい。Ｓ撚り及びＺ撚りの導電体が混在するセンシング部材は、伸張時の変化を検出しにくいからである。
なお、コイル均一性補助部材は、導電体の撚り方向と逆に捲回しても、又はＳ撚りとＺ撚りとを混在させてもよい。
なお、コイル均一性補助部材は、導電体の撚り方向と逆に捲回しても、又はＳ撚りとＺ撚りとを混在させてもよい。
編組は、一度に複数本の導電体を、その距離を均一に且つ平行状態に捲回させることができるため好ましい。例えば、複数、例えば、２本の導電体をＳ撚りとし、そしてコイル均一性補助部材をＺ撚りとして編組すれば、伸縮により、コイル形状を有する導電体間の相対的位置関係が変動することを防ぐことができる。また、例えば、導電体、コイル均一性補助部材及び導電体の順にＳ撚りとし、そして他のコイル均一性補助部材をＺ撚りとして編組することにより、コイル形状を有する導電体間の距離及び誘電率を変化させることができる。
３）横巻き機
導電体の送り出し張力を高めることにより、横巻き機を用いて導電体を捲回することができる。しかし、捲回張力が高すぎると、弾性支持体の直線性が損なわれ、均一な捲回ができない場合がある。
捲回後、弛緩させず、コイル形状を有する導電体を弾性樹脂で被覆することができる。
導電体の送り出し張力を高めることにより、横巻き機を用いて導電体を捲回することができる。しかし、捲回張力が高すぎると、弾性支持体の直線性が損なわれ、均一な捲回ができない場合がある。
捲回後、弛緩させず、コイル形状を有する導電体を弾性樹脂で被覆することができる。
４）外部被覆
本発明のセンシング部材は、コイル形状を有する導電体の外周に外部被覆部を有することもできる。外部被覆部は、弾性樹脂による被覆、又は上述の絶縁性繊維による被覆であることができる。また、これらを組み合わせることもできる。
外部被覆は、内部が露出しないように被覆すること、特に、伸張時及び伸縮時に内部が露出しないように被覆することが好ましい。このため、絶縁性繊維１本あたりの繊度は、１００ｄｔ/本以上が好ましい。絶縁性繊維による被覆を施す場合は、製紐機等による編組が好ましい。伸縮により、コイル形状を有する導電体と外部被覆部とがずれることを防ぐために、導電体を捲回する場合と同様に、絶縁性繊維に掛ける糸錘の重さを重くしたり、編組加工中の単位長さ当たりの絶縁性繊維の巻付数を高くしたりすることによって、絶縁性繊維の捲回張力を高くすることができる。但し、絶縁性繊維の捲回張力が高すぎると、センシング部材の伸長性を阻害する場合があるので、伸長性を阻害しない範囲で捲回張力を調整することが好ましい。
弾性樹脂を被覆する場合には、伸縮に伴う、コイル形状を有する導電体と外部被覆部との間のすれを防ぐために、未硬化の弾性支持体を、コイル形状を有する導電体の周囲に配し、後に硬化させてもよい。
本発明のセンシング部材は、コイル形状を有する導電体の外周に外部被覆部を有することもできる。外部被覆部は、弾性樹脂による被覆、又は上述の絶縁性繊維による被覆であることができる。また、これらを組み合わせることもできる。
外部被覆は、内部が露出しないように被覆すること、特に、伸張時及び伸縮時に内部が露出しないように被覆することが好ましい。このため、絶縁性繊維１本あたりの繊度は、１００ｄｔ/本以上が好ましい。絶縁性繊維による被覆を施す場合は、製紐機等による編組が好ましい。伸縮により、コイル形状を有する導電体と外部被覆部とがずれることを防ぐために、導電体を捲回する場合と同様に、絶縁性繊維に掛ける糸錘の重さを重くしたり、編組加工中の単位長さ当たりの絶縁性繊維の巻付数を高くしたりすることによって、絶縁性繊維の捲回張力を高くすることができる。但し、絶縁性繊維の捲回張力が高すぎると、センシング部材の伸長性を阻害する場合があるので、伸長性を阻害しない範囲で捲回張力を調整することが好ましい。
弾性樹脂を被覆する場合には、伸縮に伴う、コイル形状を有する導電体と外部被覆部との間のすれを防ぐために、未硬化の弾性支持体を、コイル形状を有する導電体の周囲に配し、後に硬化させてもよい。
以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明で用いた評価方法は、次の通りである。なお、特に断らない限り、測定には、室温下で１８時間以上静置し弛緩させたセンシング部材を用いた。
本発明で用いた評価方法は、次の通りである。なお、特に断らない限り、測定には、室温下で１８時間以上静置し弛緩させたセンシング部材を用いた。
（１）捲回径
コイル形状を有する導電体のコイルの捲回外径を、ノギスにより１０箇所測定し、その相加平均値、最大値及び最小値を、それぞれ、Ｒav、Ｒmax及びＲminとする。また、上記導電体の直径をノギスにより５箇所測定し、その相加平均値をＭavとし、次式により捲回径（Ｒ）、及び捲回径のばらつき（Ｒr）を求める。
捲回径：Ｒ＝Ｒav−Ｍav
捲回径のばらつき：Ｒr＝Ｒmax−Ｒmin
コイル形状を有する導電体のコイルの捲回外径を、ノギスにより１０箇所測定し、その相加平均値、最大値及び最小値を、それぞれ、Ｒav、Ｒmax及びＲminとする。また、上記導電体の直径をノギスにより５箇所測定し、その相加平均値をＭavとし、次式により捲回径（Ｒ）、及び捲回径のばらつき（Ｒr）を求める。
捲回径：Ｒ＝Ｒav−Ｍav
捲回径のばらつき：Ｒr＝Ｒmax−Ｒmin
（２）捲回ピッチ
コイル形状を有する導電体の捲回ピッチを任意に１０箇所測定し、その相加平均値、捲回ピッチ最大値及び捲回ピッチ最小値を、それぞれ、Ｐav、Ｐmax及びＰminとし、次式により捲回ピッチのばらつき（Ｐr）を求める。
捲回ピッチのばらつき：Ｐr＝Ｐmax−Ｐmin
コイル形状を有する導電体の捲回ピッチを任意に１０箇所測定し、その相加平均値、捲回ピッチ最大値及び捲回ピッチ最小値を、それぞれ、Ｐav、Ｐmax及びＰminとし、次式により捲回ピッチのばらつき（Ｐr）を求める。
捲回ピッチのばらつき：Ｐr＝Ｐmax−Ｐmin
（３）コイル形状を有する導電体間の距離
２本の平行状態にあるコイル形状を有する導電体間の距離を任意に１０箇所測定し、その相加平均値、最大値及び最小値を、それぞれ、ｍav、ｍmax及びｍminとし、コイル形状を有する導電体間の距離のばらつき（ｍr）を求める。
コイル形状を有する導電体間の距離のばらつき：ｍr＝ｍmax−ｍmin
２本の平行状態にあるコイル形状を有する導電体間の距離を任意に１０箇所測定し、その相加平均値、最大値及び最小値を、それぞれ、ｍav、ｍmax及びｍminとし、コイル形状を有する導電体間の距離のばらつき（ｍr）を求める。
コイル形状を有する導電体間の距離のばらつき：ｍr＝ｍmax−ｍmin
（４）コイル形状を有する導電体の捲回角
弛緩させたセンシング部材を５ｃｍの長さで切り取り、上記式（１）により捲回角（°）を求めた。
試料５本について同様の試験を行い、その相加平均値を算出して捲回角（°）として用いた。
弛緩させたセンシング部材を５ｃｍの長さで切り取り、上記式（１）により捲回角（°）を求めた。
試料５本について同様の試験を行い、その相加平均値を算出して捲回角（°）として用いた。
（５）伸張時捲回角
弛緩状態の試料１０ｃｍに印をつけ、印間が所定の伸張率（例えば、３０％伸張させる場合には、１３ｃｍ）になるように伸張し、固定する。この状態で、中央の５ｃｍを切りとり、上記式（１）に従って捲回角を求める。
（６）伸張−弛緩後捲回角
弛緩状態の試料１０ｃｍに印をつけ、印間が所定の伸張率（例えば、３０％伸張させる場合には、１３ｃｍ）になるように伸張し、１０秒間保持し、次いで弛緩する。１０分間静置後、中央５ｃｍを切り取って、上記式（１）に従って、捲回角を求める。
弛緩状態の試料１０ｃｍに印をつけ、印間が所定の伸張率（例えば、３０％伸張させる場合には、１３ｃｍ）になるように伸張し、固定する。この状態で、中央の５ｃｍを切りとり、上記式（１）に従って捲回角を求める。
（６）伸張−弛緩後捲回角
弛緩状態の試料１０ｃｍに印をつけ、印間が所定の伸張率（例えば、３０％伸張させる場合には、１３ｃｍ）になるように伸張し、１０秒間保持し、次いで弛緩する。１０分間静置後、中央５ｃｍを切り取って、上記式（１）に従って、捲回角を求める。
（７）３０％伸張時の伸張荷重
引張試験機（株式会社エー・アンド・デイ製、テンシロン試験機）につかみ間隔１００ｍｍでセンシング部材をセットし、引張速度１００ｍｍ／分で伸長し、センシング部材を３０％伸長した場合の伸張荷重を求める。
引張試験機（株式会社エー・アンド・デイ製、テンシロン試験機）につかみ間隔１００ｍｍでセンシング部材をセットし、引張速度１００ｍｍ／分で伸長し、センシング部材を３０％伸長した場合の伸張荷重を求める。
（８）引抜き抵抗力
図８に引抜き抵抗力の測定方法を説明する概略図を示す。
図８に示すように、センシング部材１を約２０ｃｍに切断し、弾性支持体部と導電体部とを有する部分Ａの長さを５ｃｍとし、その両端部の一方を、弾性支持体を含む部分Ｂとし、他方を、導電体を含む部分Ｃとする。
引張試験機（株式会社エー・アンド・デイ製、テンシロン試験機）を用い、つかみ間隔を１００ｍｍに設定し、部分Ａがチャック５及び５’の略中心に位置するように、部分Ｂ及び部分Ｃを、それぞれ、チャック５同士及びチャック５’同士で把持し、試料が破断するか、部分Ａが弾性支持体部分と導電体部分とに分離するまで引張速度１００ｍｍ／分で伸長する。記録した荷重−伸長曲線から最大荷重（Ｎ）を求め、試料５本の相加平均値を引抜き抵抗力の値とする。
上記引抜き抵抗力の値は、センシング部材の３０％伸張時の伸張荷重の値以上であることが好ましく、上記伸張荷重の値の２倍以上であることがより好ましい。
図８に引抜き抵抗力の測定方法を説明する概略図を示す。
図８に示すように、センシング部材１を約２０ｃｍに切断し、弾性支持体部と導電体部とを有する部分Ａの長さを５ｃｍとし、その両端部の一方を、弾性支持体を含む部分Ｂとし、他方を、導電体を含む部分Ｃとする。
引張試験機（株式会社エー・アンド・デイ製、テンシロン試験機）を用い、つかみ間隔を１００ｍｍに設定し、部分Ａがチャック５及び５’の略中心に位置するように、部分Ｂ及び部分Ｃを、それぞれ、チャック５同士及びチャック５’同士で把持し、試料が破断するか、部分Ａが弾性支持体部分と導電体部分とに分離するまで引張速度１００ｍｍ／分で伸長する。記録した荷重−伸長曲線から最大荷重（Ｎ）を求め、試料５本の相加平均値を引抜き抵抗力の値とする。
上記引抜き抵抗力の値は、センシング部材の３０％伸張時の伸張荷重の値以上であることが好ましく、上記伸張荷重の値の２倍以上であることがより好ましい。
（９）ＴＤＲ法による特性インピーダンスの測定
測定装置：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌｏｃｏｐｅ（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ ５４７５０Ａ）／Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＴＤＲ ｍｏｄｕｌｅ （Ａｇｉｌｅｎｔ ５４７５４Ａ）
測定方法：上記測定装置に、ＳＭＡコネクターが接続されたセンシング部材の一端を接続し、他端（終端）をオープンとし、ＴＤＲ法により時間軸（単位ナノ秒）の特性インピーダンス（単位Ω）を測定し、グラフ化する。
測定装置：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌｏｃｏｐｅ（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ ５４７５０Ａ）／Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ＴＤＲ ｍｏｄｕｌｅ （Ａｇｉｌｅｎｔ ５４７５４Ａ）
測定方法：上記測定装置に、ＳＭＡコネクターが接続されたセンシング部材の一端を接続し、他端（終端）をオープンとし、ＴＤＲ法により時間軸（単位ナノ秒）の特性インピーダンス（単位Ω）を測定し、グラフ化する。
（１０）変位センシング
図９は、変位センシングの試験方法を説明するための概略図である。図９において、センシング部材１の右手方向は開放されており、そして左手方向は、ＴＤＲ測定装置に接続されている。センシング部材１の所定の場所１０ｃｍを、長さ１０ｃｍ、深さ３ｃｍ、奥行き５ｃｍの容器（図示せず）に取り付けたチャック５に把持させ、その上から、円筒形（直径７ｃｍ、高さ３ｃｍ）のおもり６（質量５００ｇ）をのせ、センジング部材を変形させる。次いで、おもりを取り除く。
図９は、変位センシングの試験方法を説明するための概略図である。図９において、センシング部材１の右手方向は開放されており、そして左手方向は、ＴＤＲ測定装置に接続されている。センシング部材１の所定の場所１０ｃｍを、長さ１０ｃｍ、深さ３ｃｍ、奥行き５ｃｍの容器（図示せず）に取り付けたチャック５に把持させ、その上から、円筒形（直径７ｃｍ、高さ３ｃｍ）のおもり６（質量５００ｇ）をのせ、センジング部材を変形させる。次いで、おもりを取り除く。
ＴＤＲ測定装置により、加重前（変位前）の特性インピーダンスＸ1（Ω）、加重後（変位中）の特性インピーダンスＸ2（Ω）、及び除重後（変位解除）の特性インピーダンスＸ3（Ω）を測定し、
｜Ｘ3−Ｘ1｜＜１
の要件を満たすものを、可逆性有りと判断し、そして
Ｘ2−Ｘ1＞３
の要件を満たすものを、変位検出性有りと判断する。
なお、それぞれの値は、グラフ中の最も変化が大きい部分の数値である。
｜Ｘ3−Ｘ1｜＜１
の要件を満たすものを、可逆性有りと判断し、そして
Ｘ2−Ｘ1＞３
の要件を満たすものを、変位検出性有りと判断する。
なお、それぞれの値は、グラフ中の最も変化が大きい部分の数値である。
［実施例１］
９４０ｄｔｅｘのポリウレタン弾性長繊維（旭化成せんい（株）製、商品名：ロイカ）を４．２倍に伸張させ、２３０ｄｔｅｘのウーリーナイロン（黒染め糸）を７００Ｔ／Ｍの下撚り及び５００Ｔ／Ｍの上撚りでその上に捲回し、ダブルカバー糸を得た。得られたダブルカバー糸を製紐用ボビンに巻き取り、当該ボビン８本を、８本打ち製紐機（（有）桜井鉄工製）のＳ方向に４本、Ｚ方向に４本、均一に配置し、８匁（約３２ｇ）のおもりを載せて張力をかけて組み紐を作製し、直径１．８ｍｍの弾性支持体１を得た。
９４０ｄｔｅｘのポリウレタン弾性長繊維（旭化成せんい（株）製、商品名：ロイカ）を４．２倍に伸張させ、２３０ｄｔｅｘのウーリーナイロン（黒染め糸）を７００Ｔ／Ｍの下撚り及び５００Ｔ／Ｍの上撚りでその上に捲回し、ダブルカバー糸を得た。得られたダブルカバー糸を製紐用ボビンに巻き取り、当該ボビン８本を、８本打ち製紐機（（有）桜井鉄工製）のＳ方向に４本、Ｚ方向に４本、均一に配置し、８匁（約３２ｇ）のおもりを載せて張力をかけて組み紐を作製し、直径１．８ｍｍの弾性支持体１を得た。
特殊製紐機を用いて、導電体（（有）竜野電線社製、２ＵＳＴＣ：径３０μｍのエナメル線４８本を束ねて、ポリエステル繊維で周囲を覆ったもの）を巻き取ったボビン（ａ）２本と、コイル均一性補助部材１（ウーリーナイロン、２３０ｄｔｅｘ（黒染め）３本引きそろえ）巻き取ったボビン（ｂ）６本とを、Ｚ方向に、ａ，ｂ，ａ，ｂ，ｂ，ｂ，ｂ，ｂの順に配置し、コイル均一性補助部材２（ポリエステル繊維、５６ｄｔｅｘ（１２ｆ））を巻き取った８本のボビンをＳ方向に配置し、弾性支持体１を２．２倍伸張しながら、巻き取り速度３ｍ／分で供給し、導電体に２５匁（約９４ｇ）、コイル均一性補助部材２に１匁（約４ｇ）のおもりを載せて張力をかけ、３０回／分で編組し、２本の導電体を平行状態で捲回した、外部被覆前のセンシング部材を製造した。
なお、上記特殊製紐機は、（１）弾性支持体を供給する機構、（２）弾性支持体を、複数のＶ溝を有する２連のロールのＶ溝に８の字掛けに沿わせて把持し、フィードする機構、（３）弾性支持体を、複数のＶ溝を有する２連のロールのＶ溝に８の字掛けに沿わせて把持し、巻き取る機構、（４）弾性支持体を伸張した状態で、弾性支持体に複数の導電体を平行状態に捲回する機構、及び（５）弾性支持体を伸張させた状態で、その上に導電体とコイル均一性補助部材とを編組する機構を備えていた。
上記殊製紐機を用いて、外部被覆前のセンシング部材を１．８倍に伸張し、その上に、外部被覆層として、絶縁性繊維（ウーリーエステル、３３０ｄｔｅｘ）を、Ｓ方向に８本、Ｚ方向に８本捲回し、２本の導電体を平行状態で捲回した、絶縁性繊維による外部被覆層を有するセンシング部材１を得た。得られたセンシング部材１の構成及び性能評価の結果を表１及び図１０に示す。
［比較例１］
ダブルカバーリングマシーン（片岡機械工業株式会社製、型番ＳＳＣ）を用いて、実施例１の弾性支持体１を３倍に伸張しながら、導電体（（有）竜野電線製、２ＵＳＴＣ：径３０μｍのエナメル線４８本を束ねて、ポリエステル繊維で周囲を覆ったもの）を下撚りＺ方向１３３Ｔ／Ｍ、上撚りＺ方向１２５Ｔ／Ｍでダブルカバーし、平行状態に捲回された２本のコイル形状を有する導電体を含むセンシング部材を得た。
実施例１に記載の特殊製紐機を用いて、上記センシング部材を１．８倍に伸張しながら、ウーリーエステル（３３０ｄｔｅｘ）をＳ方向に８本、Ｚ方向に８本捲回し、絶縁性繊維による外部被覆層を施した。得られた部材の構成及び性能評価の結果を表１及び図１１に示す。
ダブルカバーリングマシーン（片岡機械工業株式会社製、型番ＳＳＣ）を用いて、実施例１の弾性支持体１を３倍に伸張しながら、導電体（（有）竜野電線製、２ＵＳＴＣ：径３０μｍのエナメル線４８本を束ねて、ポリエステル繊維で周囲を覆ったもの）を下撚りＺ方向１３３Ｔ／Ｍ、上撚りＺ方向１２５Ｔ／Ｍでダブルカバーし、平行状態に捲回された２本のコイル形状を有する導電体を含むセンシング部材を得た。
実施例１に記載の特殊製紐機を用いて、上記センシング部材を１．８倍に伸張しながら、ウーリーエステル（３３０ｄｔｅｘ）をＳ方向に８本、Ｚ方向に８本捲回し、絶縁性繊維による外部被覆層を施した。得られた部材の構成及び性能評価の結果を表１及び図１１に示す。
表１、並びに図１０及び１１から、コイル形状を有する導電体の長手軸線方向に、捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一になるように捲回された、コイル形状を有する導電体を含む本発明のセンシング部材は、その捲回角が上記弾性支持体の伸張変形に連動して変化することにより、伸張に伴う変化をセンシングできることがわかる。
１ センシング部材
２ 弾性支持体
３，３’ コイル形状を有する導電体
４ コイル形状を有する導電体の捲回方向と同一の捲回方向を有するコイル均一性補助部材
４’ コイル形状を有する導電体の捲回方向と逆の捲回方向を有するコイル均一性補助部材
５，５’ チャック
６ おもり
２ 弾性支持体
３，３’ コイル形状を有する導電体
４ コイル形状を有する導電体の捲回方向と同一の捲回方向を有するコイル均一性補助部材
４’ コイル形状を有する導電体の捲回方向と逆の捲回方向を有するコイル均一性補助部材
５，５’ チャック
６ おもり
Claims (5)
- コイル形状を有する導電体と、弾性支持体とを含むセンシング部材であって、
前記コイル形状を有する導電体が、前記コイル形状を有する導電体の長手軸線方向に、捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一になるように捲回され、且つ前記コイル形状を有する導電体の捲回角が前記センシング部材の伸張変形に連動して変化するように、前記弾性支持体の長手軸線に沿って、前記弾性支持体に直接又は間接的に、取り付けられており、前記弾性支持体の長手軸線と、前記コイル形状を有する導電体の長手軸線とが、略一致し、前記センシング部材は、前記コイル形状を有する導電体の捲回径、捲回ピッチ及び捲回角が均一になることを補助するためのコイル均一性補助部材をさらに含み、前記コイル形状を有する導電体が、前記弾性支持体の外側にあり、そして前記コイル形状を有する導電体と、前記コイル均一性補助部材とが編組されていることを特徴とする、センシング部材。 - 前記コイル形状を有する導電体の長手軸線と略一致する長手軸線を有し、且つ前記コイル形状を有する導電体と略同一の捲回方向、捲回径、捲回ピッチ及び捲回角を有するコイル形状を有する第２の導電体をさらに含む、請求項１に記載のセンシング部材。
- 前記コイル形状を有する導電体と、前記コイル形状を有する第２の導電体と、前記コイル均一性補助部材とが編組されている、請求項２に記載のセンシング部材。
- 弾性樹脂により被覆されている、請求項１〜３のいずれか一項記載のセンシング部材。
- 請求項１〜４のいずれか一項記載のセンシング部材と、電気特性の変化を検出する手段とを具備するセンサであって、
当該センシング部材の伸張変形を、前記センシング部材内のコイル形状を有する導電体の捲回角の変化に基づいて検出することを特徴とするセンサ。
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