JP6493622B2 - 非常停止用感圧センサ、安全装置及び安全システム - Google Patents

Description

本発明は、非常停止用感圧センサ、安全装置及び安全システムに関する。

例えば、物品を組み立て位置へ移送するロボットの可動部の移動範囲内に不意に作業者が侵入すると、ロボットと作業者との接触が生じる。可動部の移動範囲内に不意に物が置かれた場合にも同様である。
このような不意の接触ないし衝突によるダメージを軽減ないし回避するためには、接触を迅速に感知し、できるだけ早く動作体側の駆動力を遮断したり、接触方向とは逆方向に移動させる必要がある。

ロボットの可動部の表面に中空体を配置し、接触時に中空体が押されることによる内部の圧力変化を検知して、可動部の駆動を停止させるロボット安全装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
しかしながら、特許文献１で提案されているようなセンサ構成では、まず中空体自体が変形し、これに伴って中空体内の流体が圧縮され、その後圧力計が信号を出力するため、接触時の圧力検出感度が低い。空気等の圧縮性流体を使用する場合には検出感度の低下は顕著となる。
このため、可動部の駆動が停止するまでに接触、衝突状態が進行し、ダメージを軽減することは困難であった。

本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、接触時の圧力検出感度を向上させることができる非常停止用感圧センサの提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の非常停止用感圧センサは、信号により動作の変更が可能な動作体に設けられる非常停止用感圧センサであって、一対の電極と、高分子又は高分子組成物で形成されて前記一対の電極間に設けられ、初期表面電位を持たず、対象物との接触による変形で前記電極との間に帯電を生じさせて発電する中間層と、を有し、前記中間層の厚み方向における両側を前記一対の電極で挟む積層構造を有し、前記中間層の積層方向における一方側と他方側とで同じ変形付与力に対する変形の度合いが異なり、前記中間層が、シロキサン結合を有し、前記一方側と他方側のうち前記変形の度合いが小さい側から内部に向かって酸素が増加して極大値を持ち、且つ、前記変形の度合いが小さい側から内部に向かって炭素が減少して極小値を持つ濃度プロファイルを有しているシリコーンゴムである。

本発明によれば、接触時の圧力検出感度を向上させることができる非常停止用感圧センサを提供できる。

図１は、第１の実施形態に係る素子の模式的断面図である。 図２は、表面改質処理、及び不活性化処理を行った中間層（シリコーンゴム）のＸＰＳ測定結果を示す特性図である。 図３は、図２で測定した中間層のＳｉ２ｐ結合エネルギーの厚み方向の変化を示すグラフである。 図４は、未処理の中間層（シリコーンゴム）のＸＰＳ測定結果を示す特性図である。 図５は、図４で測定した中間層のＳｉ２ｐ結合エネルギーの厚み方向の変化を示すグラフである。 図６は、表面改質処理、及び不活性化処理を行った中間層を有する素子の特性を説明するための断面模式図である。 図７は、第２の実施形態に係るロボットの一例を示す概要図である。 図８は、非常停止用感圧センサの図７のＢ−Ｂ線での断面図である。 図９は、安全システムの平面図で、（ａ）はロボットアームの旋回範囲を示す図、（ｂ）はロボットアームの旋回範囲に作業者が侵入したときの接触状態を示す図である。 図１０は、非常停止用感圧センサの評価実験の構成を示すブロック図である。 図１１は、評価機としてのタッキング試験機による感圧センサへのプローブの押し付け構成を示す断面図である。 図１２は、信号出力開始時間の比較実験における実験データのグラフである。 図１３は、図１２における信号出力開始部位の拡大図である。 図１４は、ヤング率と信号出力開始時間との相関を示すグラフである。 図１５は、第３の実施形態に係る安全システムの一例を示す概要図である。 図１６は、第３の実施形態に係る安全システムの他例を示す概要図である。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。図１乃至図６に第１の実施形態を示す。

『概要』
図１は、本実施形態に係る素子の模式的断面図である。素子１は、互いに対向する第１の電極２及び第２の電極３と、第１及び第２の電極間に配置され、ゴムまたはゴム組成物で形成された中間層４とを有している。

『詳細』
［第１の電極、及び第２の電極］
第１の電極、及び第２の電極の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
第１の電極、及び第２の電極において、その材質、形状、大きさ、構造は、同じであってもよいし、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。
第１の電極、及び第２の電極の材質としては、例えば、金属、炭素系導電材料、導電性ゴム組成物、導電性高分子、酸化物などが挙げられる。

金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、タンタル、ニッケル、リン青銅などが挙げられる。炭素系導電材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、炭素繊維、黒鉛などが挙げられる。導電性ゴム組成物としては、例えば、導電性フィラーと、ゴムとを含有する組成物などが挙げられる。導電性高分子としては、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）、ポリピロール、ポリアニリンなどが挙げられる。酸化物としては、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛などが挙げられる。

前記導電性フィラーとしては、例えば、炭素材料（例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー（ＣＦ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェンなど）、金属フィラー（金、銀、白金、銅、アルミニウム、ニッケルなど）、導電性高分子材料（ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、及びポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、又は、これら誘導体にアニオン若しくはカチオンに代表されるドーパントを添加したものなど）、イオン液体などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
第１の電極の形状、及び第２の電極の形状としては、例えば、薄膜などが挙げられる。第１の電極の構造、及び第２の電極の構造としては、例えば、織物、不織布、編物、メッシュ、スポンジ、繊維状の炭素材料が重なって形成された不織布であってもよい。

前記電極の平均厚みは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、導電性及び可撓性の点から、０．０１μｍ〜１ｍｍが好ましく、０．１μｍ〜５００μｍがより好ましい。前記平均厚みが、０．０１μｍ以上であると、機械的強度が適正であり、導電性が向上する。また、前記平均厚みが、１ｍｍ以下であると、素子が変形可能であり、発電性能が良好である。

［中間層］
中間層は、可撓性を有する。
中間層においては、以下の条件（１）及び条件（２）の少なくともいずれかを満たす。
条件（１）：中間層の面に対して直交する方向から中間層が加圧された際に、中間層における第１の電極側（一方側）の変形量と、中間層における第２の電極側（他方側）の変形量とが、異なる。
条件（２）：中間層の第１の電極側における１０μｍ押し込み時のユニバーサル硬度（Ｈ１）と、中間層の第２の電極側における１０μｍ押し込み時のユニバーサル硬度（Ｈ２）とが、異なる。

中間層においては、以上のように、両面での変形量、又は硬度が異なることにより、大きな発電量を得ることができる。
本実施形態において、変形量とは、以下の条件で中間層を押し付けた際の、圧子の最大押し込み深さである。

{測定条件}
測定機：フィッシャー社製、超微小硬度計ＷＩＮ−ＨＵＤ
圧子：対面角度１３６°の四角錐ダイヤモンド圧子
初期荷重：０．０２ｍＮ
最大荷重：１ｍＮ
初期荷重から最大荷重までの荷重増加時間：１０秒間

ユニバーサル硬度は、以下の方法により求められる。
{測定条件}
測定機：フィッシャー社製、超微小硬度計ＷＩＮ−ＨＵＤ
圧子：対面角度１３６°の四角錐ダイヤモンド圧子
押し込み深さ：１０μｍ
初期荷重：０．０２ｍＮ
最大荷重：１００ｍＮ
初期荷重から最大荷重までの荷重増加時間：５０秒間

ユニバーサル硬度（Ｈ１）と、ユニバーサル硬度（Ｈ２）との比（Ｈ１／Ｈ２）としては、１．０１以上が好ましく、１．０７以上がより好ましく、１．１３以上が特に好ましい。比（Ｈ１／Ｈ２）の上限値としては、特に制限はなく、例えば、使用状態において要求される可撓性の程度、使用状態における負荷等により適宜選択されるが、１．７０以下が好ましい。ここで、Ｈ１は、相対的に硬い面のユニバーサル硬度であり、Ｈ２は、相対的に柔らかい面のユニバーサル硬度である。

中間層の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ゴム、ゴム組成物などが挙げられる。ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、シリコーンゴムが好ましい。

前記シリコーンゴムとしては、シロキサン結合を有するゴムであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記シリコーンゴムとしては、例えば、ジメチルシリコーンゴム、メチルフェニルシリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、変性シリコーンゴム（例えば、アクリル変性、アルキッド変性、エステル変性、エポキシ変性）などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記ゴム組成物としては、例えば、フィラーと前記ゴムとを含有する組成物などが挙げられる。これらの中でも、前記シリコーンゴムを含有するシリコーンゴム組成物は発電性能が高いため好ましい。

前記フィラーとしては、例えば、有機フィラー、無機フィラー、有機無機複合フィラーなどが挙げられる。前記有機フィラーとしては、有機化合物であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記有機フィラーとしては、例えば、アクリル微粒子、ポリスチレン微粒子、メラミン微粒子、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂微粒子、シリコーンパウダー（シリコーンレジンパウダー、シリコーンゴムパウダー、シリコーン複合パウダー）、ゴム粉末、木粉、パルプ、デンプンなどが挙げられる。前記無機フィラーとしては、無機化合物であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記無機フィラーとしては、例えば、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩、窒化物、炭素類、金属、又はその他の化合物などが挙げられる。

前記酸化物としては、例えば、シリカ、珪藻土、アルミナ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄、酸化マグネシウムなどが挙げられる。
前記水酸化物としては、例えば、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムなどが挙げられる。
前記炭酸塩としては、例えば、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、ハイドロタルサイトなどが挙げられる。
前記硫酸塩としては、例えば、硫酸アルミニウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウムなどが挙げられる。
前記ケイ酸塩としては、例えば、ケイ酸カルシウム（ウォラストナイト、ゾノトライト）、ケイ酸ジルコン、カオリン、タルク、マイカ、ゼオライト、パーライト、ベントナイト、モンモロナイト、セリサイト、活性白土、ガラス、中空ガラスビーズなどが挙げられる。

前記窒化物としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素などが挙げられる。
前記炭素類としては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、フラーレン（誘導体を含む）、グラフェンなどが挙げられる。
前記金属としては、例えば、金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルなどが挙げられる。
前記その他の化合物としては、例えば、チタン酸カリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ジルコン酸鉛、炭化ケイ素、硫化モリブテン、などが挙げられる。なお、前記無機フィラーは、表面処理をしていてもよい。

前記有機無機複合フィラーとしては、有機化合物と無機化合物とを分子レベルで組み合わせた化合物であれば特に制限されずに用いることができる。
前記有機無機複合フィラーとしては、例えば、シリカ・アクリル複合微粒子、シルセスキオキサンなどが挙げられる。
前記フィラーの平均粒径は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．０１μｍ〜３０μｍが好ましく、０．１μｍ〜１０μｍがより好ましい。前記平均粒径が、０．０１μｍ以上であると、発電性能が向上することがある。また、前記平均粒径が、３０μｍ以下であると、中間層が変形可能であり、発電性能の増加を図ることができる。

前記平均粒径は、公知の粒度分布測定装置、例えば、マイクロトラックＨＲＡ（日機装株式会社製）などを用いて、公知の方法に従って測定することができる。
前記フィラーの含有量は、ゴム１００質量部に対して、０．１質量部〜１００質量部が好ましく、１質量部〜５０質量部がより好ましい。前記含有量が、０．１質量部以上であると、発電性能が向上することがある。また、前記含有量が、１００質量部以下であると、中間層が変形可能であり、発電性能の増加を図ることができる。
その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば添加剤などが挙げられる。前記その他の成分の含有量は、本発明の目的を損なわない程度で適宜選定することができる。

前記添加剤としては、例えば、架橋剤、反応制御剤、充填剤、補強材、老化防止剤、導電性制御剤、着色剤、可塑剤、加工助剤、難燃剤、紫外線吸収剤、粘着付与剤、チクソ性付与剤などが挙げられる。
前記中間層を構成する材料の調製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、前記ゴム組成物の調製方法としては、前記ゴム及び前記フィラー、更に必要に応じて前記その他の成分を混合し、混錬分散することにより調製することができる。
前記中間層の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、前記ゴム組成物の薄膜の形成方法としては、前記ゴム組成物を、基材上にブレード塗装、ダイ塗装、ディップ塗装などで塗布し、その後、熱や電子線などで硬化する方法が挙げられる。

中間層の平均厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、変形追従性の点から、１μｍ〜１０ｍｍが好ましく、２０μｍ〜１ｍｍがより好ましい。また、平均厚みが、好ましい範囲内であると、成膜性が確保でき、かつ変形を阻害することもないため、良好な発電を行うことができる。

中間層は、絶縁性であることが好ましい。絶縁性としては、１０^８Ωｃｍ以上の体積抵抗率を持つことが好ましく、１０^１０Ωｃｍ以上の体積抵抗率を持つことがより好ましい。中間層は、複層構造であってもよい。

（表面改質処理、及び不活性化処理）
中間層において、両面での変形量、又は硬度を異ならせる方法としては、例えば、表面改質処理、不活性化処理などが挙げられる。これらの処理は、両方を行ってもよいし、片方のみを行ってもよい。

＜表面改質処理＞
表面改質処理としては、例えば、プラズマ処理、コロナ放電処理、電子線照射処理、紫外線照射処理、オゾン処理、放射線（Ｘ線、α線、β線、γ線、中性子線）照射処理などが挙げられる。これらの処理の中でも、処理スピードの点から、プラズマ処理、コロナ放電処理、電子線照射処理が好ましいが、ある程度の照射エネルギーを有し、材料を改質しうるものであれば、これらに限定されない。

《プラズマ処理》
プラズマ処理の場合、プラズマ発生装置としては、例えば、平行平板型、容量結合型、誘導結合型のほか、大気圧プラズマ装置でも可能である。耐久性の観点から、減圧プラズマ処理が好ましい。
プラズマ処理における反応圧力としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．０５Ｐａ〜１００Ｐａが好ましく、１Ｐａ〜２０Ｐａがより好ましい。
プラズマ処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不活性ガス、希ガス、酸素などのガスが有効であるが、効果の持続性においてアルゴンが好ましい。

その際、酸素分圧を５，０００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、５，０００ｐｐｍ以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。
プラズマ処理における照射電力量は、（出力×照射時間）により規定される。前記照射電力量としては、５Ｗｈ〜２００Ｗｈが好ましく、１０Ｗｈ〜５０Ｗｈがより好ましい。照射電力量が、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。

《コロナ放電処理》
コロナ放電処理における印加エネルギー（積算エネルギー）としては、６Ｊ／ｃｍ^２〜３００Ｊ／ｃｍ^２が好ましく、１２Ｊ／ｃｍ^２〜６０Ｊ／ｃｍ^２がより好ましい。印加エネルギーが、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。

《電子線照射処理》
電子線照射処理における照射量としては、１ｋＧｙ以上が好ましく、３００ｋＧｙ〜１０ＭＧｙがより好ましい。照射量が、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。
電子線照射処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが充填し酸素分圧を５，０００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、５，０００ｐｐｍ以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。

《紫外線照射処理》
紫外線照射処理における紫外線としては、波長３６５ｎｍ以下で２００ｎｍ以上が好ましく、波長３２０ｎｍ以下で２４０ｎｍ以上がより好ましい。
紫外線照射処理における積算光量としては、５Ｊ／ｃｍ^２〜５００Ｊ／ｃｍ^２が好ましく、５０Ｊ／ｃｍ^２〜４００Ｊ／ｃｍ^２がより好ましい。積算光量が、好ましい範囲内であると、中間層に発電機能を付与でき、かつ照射過剰により耐久性を低下させることもない。

紫外線照射処理における反応雰囲気としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが充填し酸素分圧を５，０００ｐｐｍ以下とすることが好ましい。反応雰囲気における酸素分圧が、５，０００ｐｐｍ以下であると、オゾンの発生を抑制でき、オゾン処理装置の使用を控えることができる。

従来技術として、プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外線照射処理、電子線照射処理などにより励起又は酸化させることで活性基を形成し、層間接着力を高めることが提案されている。しかし、その技術は、層間への適用に限定され、最表面への適用はむしろ離型性を低下させるため好ましくないことがわかっている。また、反応を酸素リッチな状態下で行い、効果的に反応活性基（水酸基）を導入している。そのため、そのような従来技術は、本実施形態の前記表面改質処理とは本質が異なる。

本実施形態の前記表面改質処理は、酸素が少なく減圧された反応環境による処理（例えば、プラズマ処理）のため、表面の再架橋及び結合を促し、例えば、「結合エネルギーの高いＳｉ−Ｏ結合の増加」に起因して耐久性が向上する。
さらに加えて「架橋密度向上による緻密化」に起因して離型性が向上すると考えられる。なお、本実施形態においても一部活性基は形成されてしまうが、後述するカップリング剤や風乾処理にて、活性基を不活性化させている。

＜不活性化処理＞
中間層の表面は、各種材料を用いて、適宜不活性化処理が施されてもよい。
不活性化処理としては、中間層の表面を不活性化させる処理であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不活性化剤を前記中間層の表面に付与する処理が挙げられる。不活性化とは、中間層の表面を、化学反応を起こしにくい性質に変化させることを意味する。この変化は、プラズマ処理、コロナ放電処理、紫外線照射処理、電子線照射処理などによる励起又は酸化によって発生した活性基（例えば、−ＯＨなど）を不活性化剤と反応させて、中間層の表面の活性度を下げることで得られる。

不活性化剤としては、例えば、非晶質樹脂、カップリング剤などが挙げられる。非晶質樹脂としては、例えば、主鎖にパーフルオロポリエーテル構造を有する樹脂などが挙げられる。
カップリング剤としては、例えば、金属アルコキシド、金属アルコキシドを含む溶液などが挙げられる。

金属アルコキシドとしては、例えば、下記一般式（１）で表される化合物や、重合度２〜１０程度のそれらの部分加水分解重縮合物又はそれらの混合物などが挙げられる。
Ｒ^１ _{（４−ｎ）}Ｓｉ（ＯＲ^２）_ｎ・・・一般式（１）
ただし、一般式（１）中、Ｒ^１及びＲ^２は、それぞれ独立に、炭素数１〜１０の直鎖状又は分枝状のアルキル基、アルキルポリエーテル鎖、及びアリール基のいずれかを表す。ｎは、２〜４の整数を表す。

不活性化処理は、例えば、ゴムなどの中間層前駆体に前記表面改質処理を行った後に、中間層前駆体の表面に不活性化剤を塗布又はディッピング等により含浸させることによって行うことができる。
中間層前駆体としてシリコーンゴムを用いた場合は、前記表面改質処理を行った後に、空気中に静置して風乾することにより、失活させてもよい。

中間層の厚み方向における酸素濃度のプロファイルは、極大値を有することが好ましい。中間層の厚み方向における炭素濃度のプロファイルは、極小値を有することが好ましい。
中間層において、酸素濃度のプロファイルが極大値を示す位置と、炭素濃度のプロファイルが極小値を示す位置とは、一致することがより好ましい。
酸素濃度のプロファイル、及び炭素濃度のプロファイルは、Ｘ線光電子分光分析法（ＸＰＳ）によって求めることができる。
測定方法は、例えば、以下の方法が挙げられる。

{測定方法}
測定装置：Ｕｌｖａｃ−ＰＨＩ ＱｕａｎｔｅｒａＳＸＭ、アルバック・ファイ株式会社製
測定光源：Ａｌ（ｍｏｎｏ）
測定出力：１００μｍφ、２５．１Ｗ
測定領域：５００μｍ×３００μｍ
パスエネルギー：５５ｅＶ（ｎａｒｒｏｗ ｓｃａｎ）
エネルギーｓｔｅｐ：０．１ｅＶ（ｎａｒｒｏｗ ｓｃａｎ）
相対感度係数：ＰＨＩの相対感度係数を使用
スパッタ源：Ｃ６０クラスターイオン
Ｉｏｎ Ｇｕｎ 出力：１０ｋＶ、１０ｎＡ
Ｒａｓｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ：（Ｘ＝０．５，Ｙ＝２．０）ｍｍ
スパッタレート：０．９ｎｍ／ｍｉｎ（ＳｉＯ_２換算）
ＸＰＳでは、光電子効果により飛び出す電子を捕捉することにより、測定対象物中の原子の存在濃度比や結合状態を知ることができる。

シリコーンゴムは、シロキサン結合を有し、主成分がＳｉ、Ｏ、及びＣである。そのため、中間層において、その材質としてシリコーンゴムを用いた場合、ＸＰＳのワイドスキャンスペクトルを測定し、各元素の相対ピーク強度比から、表層から内部に存在する各原子の深さ方向の存在濃度比を求めることができる。その一例を図２に示す。ここで、各原子はＳｉ、Ｏ、及びＣであり、存在濃度比は（ａｔｏｍｉｃ％）である。
図２は、シリコーンゴムを用い、更に前記表面改質処理（プラズマ処理）及び前記不活性化処理を行って得られた中間層のサンプルである。図２において、横軸は表面から内部方向への分析深さであり、縦軸は存在濃度比である。

更に、シリコーンゴムの場合、Ｓｉの２ｐ軌道の電子が飛び出すエネルギーを測定することにより、ケイ素に結合している元素及び結合状態を知ることができる。そこで、Ｓｉの結合状態を示すＳｉ２ｐ軌道におけるナロースキャンスペクトルからピーク分離を行い、化学結合状態を求めた。
その結果を図３に示す。図３の測定対象は、図２の測定に用いたサンプルである。図３において、横軸は結合エネルギーであり、縦軸は強度比である。また、下から上に向かっては深さ方向での測定スペクトルを示している。
一般に、ピークシフトの量は結合状態に依存することが知られており、本件に関するシリコーンゴムの場合、Ｓｉ２ｐ軌道において高エネルギー側にピークがシフトするということは、Ｓｉに結合している酸素の数が増えていることを示す。

これによれば、シリコーンゴムにおいて、表面改質処理及び不活性化処理を行うと、表層から内部に向かって酸素が多くなり極大値を持ち、また炭素が減少し極小値を持つ。さらに深さ方向に分析をすすめると酸素が減少して炭素が増加し、ほぼ未処理のシリコーンゴムと同等の原子存在濃度となる。
さらに図２のαの位置で検出された酸素の極大値は、Ｓｉ２ｐ結合エネルギーシフトが高エネルギー側にシフトすることと一致（図３のαの位置）しており、酸素増加がＳｉに結合した酸素の数に起因することが示されている。

未処理のシリコーンゴムについて同様の分析をした結果を、図４及び図５に示す。
図４には、図２にみられたような酸素濃度の極大値、及び炭素濃度の極小値は見られない。更に、図５より、Ｓｉ２ｐ結合エネルギーシフトが高エネルギー側にシフトする様子もみられないことから、Ｓｉに結合した酸素の数も変化していないことが確認された。

以上のように、カップリング剤等の不活性化剤を中間層の表面に塗布又はディッピングして浸透させることにより、不活性化剤が中間層に染み込んでいく。カップリング剤が、一般式（１）で表される化合物などの場合、中間層においては、ポリオルガノシロキサンが濃度分布をもって存在するようになり、この分布はポリオルガノシロキサンに含まれる酸素原子が深さ方向に極大値を有するような分布となる。
結果として、中間層は、３つ〜４つの酸素原子と結合したケイ素原子を有するポリオルガノシロキサンを含有することとなる。

なお、不活性化処理の方法としては、ディッピング工法に限らない。例えば、ポリオルガノシロキサンに含まれる酸素原子が、中間層の深さ方向（厚み方向）に極大値を有するような分布を実現できればよく、プラズマＣＶＤ、ＰＶＤ、スパッタリング、真空蒸着、燃焼化学気相蒸着などの方法でもよい。

中間層は、静置状態において初期表面電位を持つ必要はない。なお、静置状態における初期表面電位は、以下の測定条件で測定できる。ここで、初期表面電位を持たないとは、下記測定条件で測定した際に、±１０Ｖ以下を意味する。

{測定条件}
前処理：温度３０℃相対湿度４０％雰囲気に２４ｈ静置後、除電を６０ｓｅｃ（Ｋｅｙｅｎｃｅ製のＳＪ−Ｆ３００を使用）
装置：Ｔｒｅｃｋ Ｍｏｄｅｌ３４４
測定プローブ：６０００Ｂ−７Ｃ
測定距離：２ｍｍ
測定スポット径：直径１０ｍｍ

本実施形態の素子においては、摩擦帯電に似たメカニズムでの帯電と、内部電荷留保による表面電位差の発生とが、中間層の両面の硬度差に基づく変形量の差に起因して静電容量の偏りを生み出すことにより、電荷が移動して発電すると推測される。
素子は、中間層と、第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかとの間に空間を有することが好ましい。そうすることにより、発電量を増やすことができる。
前記空間を設ける方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、中間層と、第１の電極及び第２の電極の少なくともいずれかとの間にスペーサを配置する方法などが挙げられる。

前記スペーサとしては、その材質、形態、形状、大きさなどについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記スペーサの材質としては、例えば、高分子材料、ゴム、金属、導電性高分子材料、導電性ゴム組成物などが挙げられる。
前記高分子材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。

前記金属としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、タンタル、ニッケル、リン青銅などが挙げられる。前記導電性高分子材料としては、例えば、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリンなどが挙げられる。前記導電性ゴム組成物としては、例えば、導電性フィラーとゴムとを含有する組成物などが挙げられる。前記導電性フィラーとしては、例えば、炭素材料（例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、グラフェンなど）、金属（例えば、金、銀、白金、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルなど、導電性高分子材料（例えば、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、及びポリパラフェニレンビニレンのいずれかの誘導体、又は、これら誘導体にアニオン若しくはカチオンに代表されるドーパントを添加したものなど）、イオン液体などが挙げられる。

前記ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、アクリルゴム、クロロプレンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、ポリイソブチレン、変成シリコーンなどが挙げられる。
前記スペーサの形態としては、例えば、シート、フィルム、織布、不織布、メッシュ、スポンジなどが挙げられる。
前記スペーサの形状、大きさ、厚み、設置場所は、素子の構造に応じて適宜選択することができる。

図６に示すように、第１の電極をａ、中間層をｂ、第２の電極をｃと表示すると、中間層ｂの第１の電極ａ側に上記表面改質処理又は不活性化処理を行った場合、中間層ｂの第１の電極ａ側が第２の電極ｃ側よりも硬くなる。従って、ユニバーサル硬度についてＨ１＞Ｈ２となる。
これにより、同じ変形付与力である加圧力Ｆが第１の電極ａ側と第２の電極ｃ側に作用した場合、中間層ｂの第１の電極ａ側の変形の度合いが、第２の電極ｃ側よりも小さくなる。

図７乃至図１４に基づいて第２の実施形態を説明する。図７は、本実施形態に係る動作体としてのロボットを示している。ロボット５は、信号による制御で動作の変更が可能な構成を有し、例えば製造ラインで用いられる組み立てロボットである。
「動作の変更」とは、動作の停止や接触状態を解除する逆動作を意味する。

ロボット５は、被把持物としての部品６が載置されるベース７と、ベース７に固定された支軸８と、支軸８に固定された固定リンク９と、可動リンク１０、１１、１２と、先端の可動リンク１２に設けられた把持装置１３とを有している。
支軸８、固定リンク９、可動リンク１０、１１、１２及び把持装置１３により、可動部としてのロボットアーム１４が構成されている。

把持装置１３により把持された部品６は、ロボットアーム１４の変位動作により組み立て位置へ移送される。把持装置１３は、開閉可能な一対の把持部１５、１６を有している。
可動リンク１１の外側面には、フィルム状の非常停止用感圧センサ１７が接着等の手段により設けられている。

非常停止用感圧センサ１７は、図１で示した素子１からなり、図８に示すように、一対の電極を構成する第１の電極２及び第２の電極３と、中間層４と、カバー１８とを有している。中間層４は、ゴム又はゴム組成物で形成されて上記一対の電極間に設けられ、被接触体との接触による変形で発電する圧電体である。カバー１８は可撓性を有し、一対の電極のうち、少なくとも被接触体と接触する側の第１の電極２の表面を覆う。
本実施形態では、中間層４の厚み方向における両側を一対の電極で挟む積層構造の周囲全体がカバー１８で覆われた構成となっている。

カバー１８は、被接触体との接触による第１の電極２の保護を主目的としており、中間層４への接触圧の伝達を阻害しない厚み、材質（硬さ）を有する。カバー１８の材質としては、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を採用できる。
図８では厚みを誇張して表示しているが、非常停止用感圧センサ１７の実際の厚みｔは、せいぜい数百μｍである。

第１の電極２及び第２の電極３と中間層４との間は接合されていてもよく、また、接合されていなくてもよい。また、接合は一部だけでもよい。
上記の通り、中間層４はゴム又はゴム組成物からなり、積層方向における一方側が、該一方側と他方側とで同じ変形付与力に対する変形の度合いが異なるように且つ電荷を蓄積できるように表面改質処理及び／又は不活性化処理がなされている。
第１の電極２及び第２の電極３と中間層４との間の未接合部では、変形が生じると、変形時に中間層４とこれに対向する電極との間に摩擦ないし剥離帯電が生じ、電荷が蓄えられるとともに、中間層４と電極との間に静電容量の変化が生じて発電がなされる。
また、第１の電極２及び第２の電極３と中間層４との間の接合部では、変形が生じると、中間層４と電極との間に静電容量の変化が生じて発電がなされる。

図９は図７で示したロボット５の平面図である。図９（ａ）において二点鎖線で示す領域Ｒａはロボット５の移動範囲（旋回範囲）である。非常停止用感圧センサ１７は可動リンク１１の両側に設けられている。図９では非常停止用感圧センサ１７の厚みを誇張表示している。

ベース７にはマイクロコンピュータとしての制御手段１９が設けられている。制御手段１９には、ロボットアーム１４を旋回駆動する駆動源と、各非常停止用感圧センサ１７の電極とがリード線で電気的に接続されている。
制御手段１９とロボットアーム１４を旋回駆動する駆動源等との信号の授受は無線で行われてもよい。

各非常停止用感圧センサ１７と制御手段１９とにより、安全装置２０が構成され、安全装置２０と動作体としてのロボット５とにより安全システム２１が構築されている。図７では制御手段１９やリード線は省略している。
図９（ｂ）に示すように、ロボット５の動作中にロボットアーム１４の旋回範囲に不意に作業者Ｓが進入した場合、ロボットアーム１４の可動リンク１１と作業者Ｓとが衝突し、怪我をする恐れがある。
後述するように、本実施形態に係る非常停止用感圧センサ１７は接触時の圧力検出感度が非常に高い。このため、非常停止用感圧センサ１７が作業者Ｓに接触すると、接触とほぼ同時に検出信号が制御手段１９へ出力され、制御手段１９はロボットアーム１４の旋回駆動源への通電を遮断し、ロボットアーム１４の旋回を停止させる。

この場合、ロボットアーム１４の旋回を停止させるだけでなく、接触状態を解消するように逆向きに移動させるようにしてもよい。接触したことを迅速に検知することができるので、衝突状態が進行することによる怪我や破損等のダメージを軽減ないし回避できる。
本実施形態では可動リンク１１に非常停止用感圧センサ１７を設ける構成としたが、これに限定される趣旨ではない。人や物が接触する可能性のある範囲に適宜に設けることができる。
本実施形態に係る非常停止用感圧センサ１７は薄肉のシート状であるので、特許文献１等のように中空体を複数設けることによる外観の嵩張りや見劣りも同時に解消することができる。

外観の嵩張りや見劣りの問題は、従来知られているピエゾ素子やＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）からなる感圧センサを用いても解消できるが、これらの感圧センサではロボットアーム１４を即時に停止できるような満足できる圧力検出感度は得られない。
さらに、セラミック系のピエゾ素子では衝突時に破損してその都度交換をしなければならない事態も想定される。

本実施形態に係る非常停止用感圧センサ１７の感度についての比較評価を実施した。
比較評価は、タッキング試験機によりプローブを押し当て、その加圧を検知する時間を比較することで行った。
評価方法の概要としては、以下の３つの手順をそれぞれのセンサで実施し、データを取得した。

(1)図１０に示すように、タッキング試験機４０のステージ４２上に感圧センサを貼り付け、チャージアンプ４４を介してオシロスコープ４６に接続する。
(2)図１１に示すように、プローブ４８の先端にスポンジ５０を貼り付け、タッキングを行う。
(3)オシロスコープ４６に表示された電圧波形を記録し、３回繰り返した平均データを取得波形とする。

比較した感圧センサの仕様を表１に、評価に用いたスポンジの仕様を表２に、チャージアンプの設定を表３に、オシロスコープの設定を表４に、タッキング試験機の評価条件を表５にそれぞれ示す。
表１に示すように、ＰＶＤＦのヤング率が２ＧＰａであるのに対し、本実施形態に係る非常停止用感圧センサ１７の中間層４のヤング率は０．０１ＧＰａである。

図１１に示すように、非常停止用感圧センサ１７の上面に、接地されたアルミニウム製のテープ５２を配置して不要な電荷によるノイズの発生を抑制した。比較対象のＰＶＤＦを用いた感圧センサの測定においても同様とした。
比較結果を図１２及びその部分拡大図である図１３に示す。ゴム組成物からなる中間層４を有する本実施形態の非常停止用感圧センサ１７では、電圧信号の出力が、プローブ４８に取り付けられたスポンジ５０が非常停止用感圧センサ１７に接触してから約０．０１ｓｅｃ（１０ｍｓｅｃ）後に開始している。
これに対し、ＰＶＤＦを用いた感圧センサでは、約０．０４ｓｅｃ（４０ｍｓｅｃ）後に開始している。すなわち、本実施形態に係る非常停止用感圧センサ１７に対して、約０．０３ｓｅｃ（３０ｍｓｅｃ）の遅延を生じている。
センサ感度において、この大きな遅延が生じる理由は、上記のようにＰＶＤＦは中間層４に比べてヤング率が大きく硬いため、電圧信号の出力が開始する変形が生じるまで時間がかかるためである。

なお、電圧信号の出力開始時間の原点は、タッキング試験機４０のプローブ４８の根元に設置された圧力センサで検知された時間としている。
図１４は、本実施形態の中間層４とＰＶＤＦのヤング率を測定し、信号出力開始時間との相関をプロットした図である。中間層のヤング率と信号出力開始時間はリニアな相関を持つことが確認された。
なお、中間層４のヤング率は、後述するゴム組成物の詳細な記載において硬度を測定している測定機（フィッシャー社製、超微小硬度計ＷＩＮ−ＨＵＤ）、及び同測定条件を用い、１０μｍ深さの硬度より換算した値を用いている。

ロボット５の可動部に非常停止用感圧センサ１７を配置することにより、人や物等の被接触体との接触を素早く検知し、動作体を制御する制御手段に制御信号を応答遅れがほとんど無い状態で迅速に送信することができる。これにより、怪我や破損等のダメージを高精度に軽減ないし回避できる。
上記のように、ＰＶＤＦを用いた感圧センサの場合、数十ｍｓｅｃの検知遅れが生じるので、ある程度のダメージの進行を避けられない。

図１５及び図１６に第３の実施形態を示す。
第２の実施形態では、位置固定されたロボット５の可動部分への非常停止用感圧センサ１７の適用例を示したが、本実施形態では移動可能なロボットへの適用例を示す。
図１５は、動作体としての人型ロボット２２を示している。人型ロボット２２の可動部である腕２３や足２４には、非常停止用感圧センサ１７が設けられている。人型ロボット２２の本体部には非常停止用感圧センサ１７からの信号を受ける制御手段が設けられている。

人型ロボット２２の腕２３や足２４が人や物に接触して非常停止用感圧センサ１７から信号が発せられると、制御手段は人型ロボット２２の駆動源への通電を遮断する。
上記のように非常停止用感圧センサ１７による検知時間が非常に短いので、接触してから駆動停止までの時間が短く、接触ないし衝突によるダメージを軽減できる。
図１６に示すように、動作体としての自走式ロボットである搬送車２５の、例えば前面に非常停止用感圧センサ１７を配置しても上記と同様の効果を得ることができる。
搬送車２５には制御手段が設けられ、搬送車２５が人や物に接触して非常停止用感圧センサ１７から信号が発せられると、制御手段は搬送車２５の駆動源への通電を遮断する。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２ 一対の電極の一方である第１の電極
３ 一対の電極の他方である第２の電極
４ 中間層
５、２２、２５ 動作体
１７ 非常停止用感圧センサ
１９ 制御手段
２０ 安全装置
２１ 安全システム

特開平９−２８５９９２号公報

Claims (4)

1. 信号により動作の変更が可能な動作体に設けられる非常停止用感圧センサであって、
   一対の電極と、
   高分子又は高分子組成物で形成されて前記一対の電極間に設けられ、初期表面電位を持たず、対象物との接触による変形で前記電極との間に帯電を生じさせて発電する中間層と、
   を有し、
   前記中間層の厚み方向における両側を前記一対の電極で挟む積層構造を有し、
   前記中間層の積層方向における一方側と他方側とで同じ変形付与力に対する変形の度合いが異なり、
   前記中間層が、シロキサン結合を有し、前記一方側と他方側のうち前記変形の度合いが小さい側から内部に向かって酸素が増加して極大値を持ち、且つ、前記変形の度合いが小さい側から内部に向かって炭素が減少して極小値を持つ濃度プロファイルを有しているシリコーンゴムである、
   非常停止用感圧センサ。
2. 請求項１に記載の非常停止用感圧センサにおいて、
   前記中間層の前記一方側と他方側のうち前記変形の度合いが小さい側とこれに対向する電極とが、前記変形時に摩擦ないし剥離帯電が生じるように設けられている非常停止用感圧センサ。
3. 請求項１に記載の非常停止用感圧センサと、
   前記非常停止用感圧センサからの検出信号により前記動作体の動作を制御する制御手段と、
   を備えた安全装置。
4. 請求項３に記載の安全装置と、前記動作体とからなる安全システム。

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