JP5728305B2 - 変形センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、変形した場合にセンサの幅方向の電気抵抗が変化するときセンサを用いて、当該センサの幅方向の部分的な電気抵抗を計測する変形センサシステムに関するものである。

電気抵抗などの計測対象が複数ある場合であって、電源および計測回路などが１つの場合には、電気的な接続を切り替えるスイッチ素子を設ける（例えば、特許文献１〜２参照）。

特開平5-227362号公報 特許第4640131号公報

ところで、車両の衝突試験などにおいて、ダミー人形の動きを計測することが行われている。この現象をより詳細に把握するために、衝突時のシートベルトによるダミー人形の形状変化を計測したいという要請がある。そこで、所定幅を有し、変形した場合に幅方向の電気抵抗が変化するセンサを用いて、当該センサの幅方向の部分領域の電気抵抗を計測して、当該センサの変形状態を把握することが考えられる。つまり、当該センサは、複数の電気抵抗が直列接続されている電気回路とみなすことができる。このとき、低コスト化の観点から電源および計測回路を１つとして、スイッチ素子の切り替えによって電気的な接続部位を順次切り替えて、センサの幅方向の部分領域の電気抵抗を計測する。

しかし、衝突試験において計測したい荷重変化のサンプリング時間は非常に短いため、上記スイッチ素子の高速な切り替えが必要となる。高速にスイッチ素子を切り替える場合には、スイッチ素子により構成される電気回路がショート状態となるおそれがあり、その直後に計測される電気抵抗に悪影響を及ぼすおそれがある。つまり、計測される電気抵抗の精度が低下してしまう。

さらに、切り替え前のスイッチ素子の遮断のタイミングと切り替え後のスイッチ素子の接続のタイミングとの間に時間を設けると、ショート状態になることを回避できるが、計測処理に時間を要することになり、高速処理の要請を満たすことができなくなる。さらには、切り替えの間を設けるということは、その間、電気回路がオープン状態となる。オープン状態となることによっても、その直後に計測される電気抵抗に悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高速にスイッチ素子の切り替えを行ったとしても、幅方向の部分領域の電気抵抗を高精度に計測することができる変形センサシステムを提供することを目的とする。

本発明の変形センサシステムは、所定幅を有する形状に形成され、変形した場合に幅方向の電気抵抗が変化するセンサと、前記センサを幅方向に少なくとも３以上の部分センサ領域に区画する４以上の電極と、電源と、一端側をそれぞれの前記電極に電気的に接続し、他端側を前記電源の一方側に電気的に接続し、両端における電気的な遮断状態と接続状態とを切り替える複数のハイサイドスイッチ素子と、一端側をそれぞれの前記電極に電気的に接続し、他端側を前記電源の他方側に電気的に接続し、両端における電気的な遮断状態と接続状態とを切り替える複数のローサイドスイッチ素子と、接続状態の前記ハイサイドスイッチ素子に接続されている前記電極と接続状態の前記ローサイドスイッチ素子に接続されている前記電極との間の前記部分センサ領域の電気抵抗を計測する計測回路と、接続状態とする前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子を順次切り替えて前記計測回路により計測される前記部分センサ領域を変更させて、全ての前記部分センサ領域の電気抵抗をそれぞれ前記計測回路により計測させる制御回路と、を備え、前記制御回路は、切り替え前における計測対象の前記部分センサ領域と切り替え後における計測対象の前記部分センサ領域との間に、少なくとも一以上の他の前記部分センサ領域が介在するように、前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子を順次切り替える。

これにより、仮に、切り替え前の各スイッチ素子および切り替え後の各スイッチ素子を接続状態にしたとしても、電気回路がショート状態になることはない。従って、各スイッチ素子の遮断状態と接続状態との切り替えを高速に行ったとしても、ショート状態にならない。さらに、高速に各スイッチ素子を切り替えることにより、オープン状態になることを限りなく回避できる。従って、部分センサ領域の電気抵抗を高速にかつ高精度に計測することができる。

また、前記制御回路は、現在接続状態の前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子の遮断動作と、次に接続状態とする前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子の接続動作とを同時に行うようにしてもよい。このようにすることで、高速な計測ができる。そして、同時に遮断動作と接続動作を行ったとしても、上述したようにショート状態となることはない。従って、部分センサ領域の電気抵抗を高速にかつ高精度に計測することができる。

また、前記計測回路は、それぞれの前記部分センサ領域の電気抵抗を計測するようにしてもよい。つまり、ハイサイドスイッチ素子およびローサイドスイッチ素子を順次切り替えて、それぞれの部分センサ領域の両端が電源の両端のそれぞれに接続される状態とする。この場合、従来のような手法によれば、各スイッチ素子により構成される電気回路がショート状態となるおそれが高くなる。しかしながら、本発明を適用することにより、このような計測を行うとしても、ショート状態となることを確実に回避できる。

また、前記変形センサシステムは、前記計測回路により計測されたそれぞれの前記部分センサ領域の電気抵抗に基づいて、前記センサの変形状態を算出する変形状態算出部を備えるようにしてもよい。これにより、高速にかつ高精度に、センサの変形状態を取得することができる。

（ａ）センサユニット１０の平面図を示す。（ｂ）センサユニット１０の断面図を示す。 センサユニット１０が外力Ｆを受けた場合のセンサユニット１０の断面図を示す。 第一実施形態：変形センサシステムの回路構成図を示す。 センサ１２の部分センサ領域１２ａ〜１２ｅにおける電気抵抗率の絶対値｜ΔＲ｜と各部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの曲率の２乗との関係を示す図である。 制御回路６０によりハイサイドスイッチ素子３０ａ〜３０ｆおよびローサイドスイッチ素子４０ａ〜４０ｆの接続状態および遮断状態の切り替え順序を示す。 第二実施形態：変形センサシステムの回路構成図を示す。

＜第一実施形態＞
第一実施形態の変形センサシステムについて説明する。変形センサシステムは、例えば、車両の衝突試験においてダミー人形が受ける瞬間的な荷重を、ダミー人形の各部位について計測する場合に適用される。そのため、非常に短いサンプリング時間で、複数の部位の荷重を計測することが求められる。

このような変形センサシステムを構成するセンサユニット１０について、図１（ａ）（ｂ）および図２を参照して説明する。図１（ａ）（ｂ）に示すように、センサユニット１０は、所定幅（図１（ａ）（ｂ）の左右方向幅）を有する面形状、例えば、長尺矩形形状に形成されている。そして、図２に示すように、センサユニット１０に面法線方向（図２の上下方向）の外力Ｆが加えられた場合に、当該面法線方向に撓み変形可能に形成されている。

このセンサユニット１０についてさらに詳細に説明する。図１（ａ）（ｂ）に示すように、センサユニット１０は、基材１１と、センサ１２と、複数の電極１３ａ〜１３ｆとを備える。基材１１は、絶縁性材料であって、例えば樹脂やエラストマーなどにより、センサユニット１０全体と同じ面形状に形成されている。図２に示すように、この基材１１自体が、面法線方向の外力Ｆを受けた場合に、面法線方向に撓み変形可能に形成されている。基材１１は、例えば、可撓性を有する材料により形成したり、薄肉部を設けるなどして局所的に変形可能な形状に形成したりする。

センサ１２は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、導電性材料により基材１１の一方面に薄膜状に形成されている。つまり、センサ１２は、所定幅（図１（ａ）（ｂ）の左右方向幅）を有する面形状に形成されている。図２に示すように、センサ１２は、基材１１が撓み変形することに伴って、伸張変形または圧縮変形などを生じる。センサ１２の材料は、変形することにより電気抵抗が変化するような材料とする。ここで、センサ１２は、変形した場合に、電気抵抗が増加する材料であってもよいし、電気抵抗が減少する材料であってもよい。また、センサ１２は、塗料、導電性エラストマーなどが適用される。つまり、基材１１が撓み変形することに伴って、センサ１２が面法線方向に撓み変形することにより、センサ１２の幅方向の電気抵抗が変化する。

図１（ａ）（ｂ）に示すように、複数（本実施形態においては６つ）の電極１３ａ〜１３ｆは、センサ１２の幅方向を３以上（本実施形態においては、７つ）の部分センサ領域１２ａ〜１２ｅに区画するように設けられている。それぞれの電極１３ａ〜１３ｆは、センサ１２の裏面側（基材１１側）に配置されることにより、センサ１２に電気的に接続される。電極１３ａ〜１３ｆは、例えば、銅箔パターンを基材１１の一方面に形成することにより形成される。

ここで、センサ１２は導電性材料により形成されているため、隣り合う電極１３ａ〜１３ｆにより区画された部分センサ領域１２ａ〜１２ｅは、それぞれ電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５（図３に示す）を有する。つまり、電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５が直列接続された電気回路を構成する。さらに、センサ１２の幅方向（図１，図３の左右方向）の電気抵抗は変形に応じて変化する。従って、部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの幅方向の電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５も、それぞれの変形に応じて変化する。

次に、上述したセンサ１２が変形した場合に部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの電気抵抗を計測することにより、センサ１２の変形状態を算出する変形センサシステム全体の構成について、図３を参照して説明する。

図３に示すように、変形センサシステムは、センサ１２および電極１３ａ〜１３ｆの他に、直流電源２０、ハイサイドスイッチユニット３０、ローサイドスイッチユニット４０、計測回路５０、制御回路６０、変形状態算出部７０を備える。

ハイサイドスイッチユニット３０は、電極１３ａ〜１３ｆの数に対応した数のハイサイドスイッチ素子３０ａ〜３０ｆを備える。それぞれのハイサイドスイッチ素子３０ａ〜３０ｆは、例えば、ＦＥＴ（Field effect transistor）などが適用される。ＦＥＴなどの素子は、高速に接続状態と遮断状態との切り替えが可能であるため、本システムに好適に採用される。そして、それぞれのハイサイドスイッチ素子３０ａ〜３０ｆの一端側は、それぞれの電極１３ａ〜１３ｆに電気的に接続され、他端側は、直流電源２０の一方側（ここでは、正極側）に電気的に接続される。そして、それぞれのハイサイドスイッチ素子３０ａ〜３０ｆは、接続されている両端における電気的な遮断状態と接続状態とを切り替える。ここで、ハイサイドスイッチ素子３０ａ〜３０ｆは、選択された一つが接続状態となり、残りが遮断状態となるように構成されている。

ローサイドスイッチユニット４０は、電極１３ａ〜１３ｆの数に対応した数のローサイドスイッチ素子４０ａ〜４０ｆを備える。それぞれのローサイドスイッチ素子４０ａ〜４０ｆは、例えば、ＦＥＴ（Field effect transistor）などが適用される。そして、それぞれのローサイドスイッチ素子４０ａ〜４０ｆの一端側は、それぞれの電極１３ａ〜１３ｆに電気的に接続され、他端側は、直流電源２０の他方側（ここでは、負極側）に電気的に接続される。そして、それぞれのローサイドスイッチ素子４０ａ〜４０ｆは、接続されている両端における電気的な遮断状態と接続状態とを切り替える。ここで、ローサイドスイッチ素子４０ａ〜４０ｆは、選択された一つが接続状態となり、残りが遮断状態となるように構成されている。

計測回路５０は、ハイサイドスイッチ素子３０ａ〜３０ｆのうち接続状態であるスイッチ素子に接続されている電極１３ａ〜１３ｆとローサイドスイッチ素子４０ａ〜４０ｆのうち接続状態であるスイッチ素子に接続されている電極１３ａ〜１３ｆとの間の部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５を計測する。ここでは、計測回路５０は、それぞれの部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５を計測する。ただし、電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５の計測順序は、後述するが、Ｒ１から隣り合う順序ではない。

この計測回路５０は、ローサイドスイッチ素子４０ａ〜４０ｆに直列接続されたシャント抵抗５１、ハイサイドスイッチ素子３０ａ〜３０ｆの直流電源２０側端子とローサイドスイッチ素子４０ａ〜４０ｆの直流電源２０側端子との間の電圧を計測する電圧計５２、電圧計５２により計測された電圧に基づいて電気抵抗を演算する計測演算部５３を備える。

制御回路６０は、接続状態とするハイサイドスイッチ素子３０ａ〜３０ｆおよびローサイドスイッチ素子４０ａ〜４０ｆを順次切り替えて、計測回路５０により計測される部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５を変更させる。制御回路６０は、例えば、スイッチ素子３０ａ，４０ｂが図３において二点鎖線にて示すように接続状態であって、他のスイッチ素子３０ｂ〜３０ｆ，４０ａ，４０ｃ〜４０ｆが遮断状態において、スイッチ素子３０ａ，４０ｂの遮断動作と、スイッチ素子３０ｃ，４０ｄの接続動作とを同時に行う。つまり、切り替え前には部分センサ領域１２ａが通電しており、切り替え後には部分センサ領域１２ｃが通電している。つまり、切り替え前後に通電する部分センサ領域１２ａ，１２ｃの間には、部分センサ領域１２ｂが介在している。なお、制御回路６０によるスイッチ素子３０ａ〜３０ｆ，４０ａ〜４０ｆの接続状態および遮断状態の切り替え順序については、後述する。

変形状態算出部７０は、計測回路５０の計測演算部５３により計測されたそれぞれの部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５、および、制御回路６０により接続状態としたスイッチ素子３０ａ〜３０ｆ，４０ａ〜４０ｆに関する情報に基づいて、センサ１２の変形状態を算出する。

ここで、部分センサ領域１２ａ〜１２ｅにおける電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５の変化率（電気抵抗率）ΔＲの絶対値と、各部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの曲率の２乗（曲率半径ｒの２乗の逆数）との関係を図４に示す。つまり、電気抵抗率の絶対値｜ΔＲ｜が大きくなるほど、曲率の２乗の値が大きくなる関係になる。従って、電気抵抗率の絶対値｜ΔＲ｜が大きくなるほど、対応する部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの撓み変形量が大きくなる関係となる。このような関係から、変形状態算出部７０は、部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの電気抵抗率の絶対値｜ΔＲ｜に基づいて、当該部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの変形状態を算出することができる。

次に、制御回路６０によるスイッチ素子３０ａ〜３０ｆ，４０ａ〜４０ｆの接続状態および遮断状態の切り替え順序について、図５を参照して説明する。なお、図５に示す順序は、一例であり、この順序に限定されるものではない。目的は、切り替え前後に通電する部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの間に、少なくとも１つの他の部分センサ領域１２ａ〜１２ｅが介在するようにすることである。

図５において、Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５→Ｓ１→・・・の順に繰り返す。図５のＳ１に示すように、ハイサイドスイッチ素子３０ａとローサイドスイッチ素子４０ｂが接続状態となっており、残りは遮断状態となる。このとき、部分センサ領域１２ａが通電状態となるため、計測回路５０は、電気抵抗Ｒ１を計測する。

続いて、図５のＳ２に示すように、スイッチ素子３０ａ，４０ｂが遮断状態に切り替わると同時に、スイッチ素子３０ｃ，４０ｄが接続状態に切り替わる。このとき、部分センサ領域１２ｃが通電状態となるため、計測回路５０は、電気抵抗Ｒ３を計測する。つまり、切り替え前後に通電する部分センサ領域１２ａ，１２ｃの間には、部分センサ領域１２ｂが介在している。続いて、図５のＳ３に示すように、スイッチ素子３０ｃ，４０ｄが遮断状態に切り替わると同時に、スイッチ素子３０ｅ，４０ｆが接続状態に切り替わる。このとき、部分センサ領域１２ｅが通電状態となるため、計測回路５０は、電気抵抗Ｒ５を計測する。つまり、切り替え前後に通電する部分センサ領域１２ｃ，１２ｅの間には、部分センサ領域１２ｄが介在している。

続いて、図５のＳ４に示すように、スイッチ素子３０ｅ，４０ｆが遮断状態に切り替わると同時に、スイッチ素子３０ｂ，４０ｃが接続状態に切り替わる。このとき、部分センサ領域１２ｂが通電状態となるため、計測回路５０は、電気抵抗Ｒ２を計測する。つまり、切り替え前後に通電する部分センサ領域１２ｅ，１２ｂの間には、部分センサ領域１２ｃ，１２ｄが介在している。続いて、図５のＳ５に示すように、スイッチ素子３０ｂ，４０ｃが遮断状態に切り替わると同時に、スイッチ素子３０ｄ，４０ｅが接続状態に切り替わる。このとき、部分センサ領域１２ｄが通電状態となるため、計測回路５０は、電気抵抗Ｒ４を計測する。つまり、切り替え前後に通電する部分センサ領域１２ｂ，１２ｄの間には、部分センサ領域１２ｃが介在している。

上記のような順序で各スイッチ素子３０ａ〜３０ｆ，４０ａ〜４０ｆを切り替えることにより、仮に、切り替え前の各スイッチ素子および切り替え後の各スイッチ素子を接続状態にしたとしても、電気回路がショート状態になることはない。従って、各スイッチ素子の遮断状態と接続状態との切り替えを高速に行ったとしても、ショート状態にならない。さらに、高速に各スイッチ素子３０ａ〜３０ｆ，４０ａ〜４０ｆを切り替えることにより、オープン状態になることを限りなく回避できる。従って、部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５を高速にかつ高精度に計測することができる。

また、現在接続状態のスイッチ素子３０ａ〜３０ｆ，４０ａ〜４０ｆの遮断動作と、次に接続状態とするスイッチ素子３０ａ〜３０ｆ，４０ａ〜４０ｆの接続動作とを同時に行うようにしている。このようにすることで、高速な計測ができる。そして、同時に遮断動作と接続動作を行ったとしても、上述したようにショート状態となることはない。従って、部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの電気抵抗を高速にかつ高精度に計測することができる。そして、変形状態算出部７０により高速にかつ高精度に、センサ１２の変形状態を取得することができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の変形センサシステムについて、図６を参照して説明する。図６に示すように、本実施形態の変形センサシステムは、第一実施形態のシステムに対して、直流電源２０を定電流回路１２０（定電流素子を含む）に置き換え、シャント抵抗５１を削除した。この場合も、上記同様に、各部分センサ領域１２ａ〜１２ｅの電気抵抗Ｒ１〜Ｒ５を高速にかつ高精度に計測することができ、さらにセンサ１２の変形状態を高速にかつ高精度に取得することができる。

１０：センサユニット、 １１：基材、 １２：センサ
１２ａ〜１２ｅ：部分センサ領域、 １３ａ〜１３ｆ：電極、 ２０：直流電源
３０ａ〜３０ｆ：ハイサイドスイッチ素子、 ４０ａ〜４０ｆ：ローサイドスイッチ素子
５０：計測回路、 ５１：シャント抵抗、 ５２：電圧計、 ５３：計測演算部
６０：制御回路、 ７０：変形状態算出部、 １２０：定電流回路

Claims (4)

1. 所定幅を有する形状に形成され、変形した場合に幅方向の電気抵抗が変化するセンサと、
   前記センサを幅方向に少なくとも３以上の部分センサ領域に区画する４以上の電極と、
   電源と、
   一端側をそれぞれの前記電極に電気的に接続し、他端側を前記電源の一方側に電気的に接続し、両端における電気的な遮断状態と接続状態とを切り替える複数のハイサイドスイッチ素子と、
   一端側をそれぞれの前記電極に電気的に接続し、他端側を前記電源の他方側に電気的に接続し、両端における電気的な遮断状態と接続状態とを切り替える複数のローサイドスイッチ素子と、
   接続状態の前記ハイサイドスイッチ素子に接続されている前記電極と接続状態の前記ローサイドスイッチ素子に接続されている前記電極との間の前記部分センサ領域の電気抵抗を計測する計測回路と、
   接続状態とする前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子を順次切り替えて前記計測回路により計測される前記部分センサ領域を変更させて、全ての前記部分センサ領域の電気抵抗をそれぞれ前記計測回路により計測させる制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、切り替え前における計測対象の前記部分センサ領域と切り替え後における計測対象の前記部分センサ領域との間に、少なくとも一以上の他の前記部分センサ領域が介在するように、前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子を順次切り替える変形センサシステム。
2. 請求項１において、
   前記制御回路は、現在接続状態の前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子の遮断動作と、次に接続状態とする前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子の接続動作とを同時に行う変形センサシステム。
3. 請求項１または２において、
   前記計測回路は、それぞれの前記部分センサ領域の電気抵抗を計測する変形センサシステム。
4. 請求項１〜３の何れか一項において、
   前記変形センサシステムは、前記計測回路により計測されたそれぞれの前記部分センサ領域の電気抵抗に基づいて、前記センサの変形状態を算出する変形状態算出部を備える変形センサシステム。

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