JP5654789B2 - 曲げセンサおよび変形形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物の曲げ変形を検出可能な曲げセンサ、およびそれを用いた変形形状測定方法に関する。

例えば、部材の変形や部材に作用する荷重の大きさを検出する手段として、エラストマーや樹脂を使用した柔軟なセンサが提案されている。当該センサは、エラストマーまたは樹脂中に、導電性フィラーが配合されたセンサ本体を備えている。例えば、特許文献１、２に開示されているセンサ本体は、エラストマーまたは樹脂中に、球状の導電性フィラーが高充填率で配合されてなる。このため、センサ本体には、荷重が印加されていない状態（以下、適宜「無荷重状態」と称す）で、導電性フィラー同士の接触により、三次元的な導電パスが形成されている。したがって、センサ本体は、無荷重状態において高い導電性を有する。

図１７に、センサ本体における、導電性フィラーの一部近傍を拡大した模式図を示す。図１７中、（ａ）は曲げ変形前の無荷重状態を、（ｂ）は曲げ変形直後の状態を、（ｃ）は曲げ変形直後よりもさらに後の状態を、各々示す。図１７（ａ）に示すように、センサ本体９００は、マトリックス樹脂９０１と導電性フィラー９０２とを有している。センサ本体９００には、導電性フィラー９０２同士の接触により、導電パスＰ１が形成されている。センサ本体９００に荷重が加わると、センサ本体９００が曲げ変形を開始する。曲げ変形の開始に伴い、図１７（ｂ）に示すように、マトリックス樹脂９０１が、図中、左右方向に伸張される。これにより、導電性フィラー９０２同士が反発し合い、導電性フィラー９０２の接触状態が変化する。センサ本体９００がさらに曲がると、図１７（ｃ）に示すように、マトリックス樹脂９０１はより大きく伸張される。すると、導電性フィラー９０２同士の接触が断絶されて、導電パスＰ１が切断される。その結果、電気抵抗が増加する。加わっていた荷重が除去されると、センサ本体９００は、マトリックス樹脂９０１の弾性復元力により、元の状態（図１７（ａ）の状態）に復元する。このように、特許文献１、２のセンサによると、センサ本体の電気抵抗の増加に基づいて、変形を検出することができる。

特開２００８−７０３２７号公報 特開２００９−１９８４８３号公報 特表２００３−５１０２１６号公報 米国特許第５，５８３，４７６号明細書 米国特許第５，０８６，７８５号明細書

上述したように、特許文献１、２に開示されているセンサ本体によると、母材（エラストマーまたは樹脂）の弾性変形により導電パスが崩壊して、電気抵抗が増加する。つまり、特許文献１、２のセンサは、母材の弾性領域における電気抵抗の増加を利用して、変形を検出する。しかしながら、歪みが入力されてから母材が弾性変形するまでには、時間を要する。このため、母材の弾性領域において、曲げ変形を検出しようとすると、母材の弾性変形に要する時間だけ、応答が遅れてしまう。したがって、検出精度が低下してしまう。とりわけ、曲げ変形が高速の場合には、応答遅れが一層大きくなり、さらに検出精度が低下するおそれがある。また、母材の弾性変形の速度は、歪みの入力速度や雰囲気温度に影響される。このため、歪みの入力速度や雰囲気温度も、検出精度が低下する一因となる。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、歪みの入力速度に対する依存性が小さく、応答遅れが生じにくい曲げセンサを提供することを課題とする。また、当該曲げセンサを用いて、測定対象物の曲げ変形時の形状を精度良く測定することができる変形形状測定方法を提供することを課題とする。

（１）本発明の曲げセンサは、基材と、該基材表面に配置され、マトリックス樹脂と、該マトリックス樹脂中に３０ｖｏｌ％以上の充填率で充填されている導電性フィラーと、を有し、該導電性フィラー同士の接触により三次元的な導電パスが形成され、変形量が増加するに従って電気抵抗が増加するセンサ本体と、該センサ本体を被覆するように配置され、弾性変形可能なカバーフィルムと、該センサ本体に接続され、電気抵抗を出力可能な複数の電極と、を備え、該センサ本体には、曲げ変形した時に該導電パスを切断する方向に、予めクラックが形成されていることを特徴とする。

本発明の曲げセンサを構成するセンサ本体において、導電性フィラーは、マトリックス樹脂中に３０ｖｏｌ％以上の充填率で充填されている。ここで、導電性フィラーの充填率は、センサ本体の体積を１００ｖｏｌ％とした場合の値である。導電性フィラーの充填率が高いため、センサ本体には、導電性フィラー同士の接触により、三次元的な導電パスが形成されている。つまり、センサ本体は、無荷重状態で高い導電性を有すると共に、変形量が増加するに従って電気抵抗が増加する。

加えて、センサ本体には、予めクラックが形成されている。クラックは、曲げ変形した時に導電パスを切断する方向に、形成されている。図１に、センサ本体におけるクラックの一部近傍を拡大した模式図を示す。ただし、図１は、本発明の曲げセンサを説明するための模式図である。図１は、例えば、クラックの形状、クラックの延在方向、導電性フィラーの形状、導電パスの形状、導電パスの延在方向等、本発明を何等限定するものではない。図１中、（ａ）は曲げ変形前の無荷重状態を、（ｂ）は曲げ変形後の状態を、各々示す。

図１（ａ）に示すように、センサ本体８００は、マトリックス樹脂８０１と導電性フィラー８０２とクラック８０３とを有している。センサ本体８００には、導電性フィラー８０２同士の接触により、導電パスＰが形成されている。クラック８０３は、図中、左右方向（伸張方向）と交差する方向に形成されている。センサ本体８００に荷重が加わると、センサ本体８００が曲げ変形を開始する。センサ本体８００が曲げ変形により左右方向に伸張されると、図１（ｂ）に示すように、クラック８０３が開口する。これにより、導電性フィラー８０２同士の接触が断絶されて、導電パスＰが切断される。その結果、電気抵抗が増加する。加わっていた荷重が除去されると、センサ本体８００は元の状態（図１（ａ）の状態）に復元する。これにより、クラック８０３も元の状態に戻る。

このように、本発明の曲げセンサのセンサ本体では、曲げ変形により歪みが入力されると、マトリックス樹脂の弾性変形を待たずに、導電パスが切断される（ただし、本発明の曲げセンサは、マトリックス樹脂の弾性変形により導電パスが切断される場合を除外するものではない。）。したがって、応答遅れが生じにくい。

また、主にクラックの開口により導電パスが切断されるため、マトリックス樹脂の弾性変形のみに依存して導電パスが切断される場合（前出図１７参照）と比較して、小さな歪みについても精度良く検出することができる。

また、前述したように、マトリックス樹脂の弾性変形の速度は、雰囲気温度に影響される。この点、本発明の曲げセンサの導電パスは、主にクラックの開口により切断される。このため、マトリックス樹脂の弾性変形のみに依存して導電パスが切断される場合（前出図１７参照）と比較して、雰囲気温度に対する応答速度の依存性が小さい。並びに、後述する実施例から明らかなように、歪み入力速度に対する応答速度の依存性も小さい。

また、センサ本体は、カバーフィルムにより被覆されている。これにより、センサ本体の劣化が抑制される。ここで、カバーフィルムは弾性変形可能である。よって、曲げ変形後に除荷されると、カバーフィルムの弾性復元力に助けられて、センサ本体が元の形状に復元しやすくなる。また、開いたクラックも元の状態に戻りやすくなる。

また、センサ本体は、基材の表面に配置されている。基材の厚さを調整することにより、曲げセンサの感度を調整することができる。例えば、曲げ変形時の曲率中心が基材の裏側にある場合、基材の厚さを大きくすると、曲げ変形時におけるセンサ本体の歪み量が大きくなる。すなわち、基材とセンサ本体との合計厚さをｔ、曲げ変形時の曲率中心から基材裏面までの曲率半径をＲとすると、歪み量εはε＝ｔ／Ｒとなる。このため、基材の厚さを大きくすると、曲げ変形時におけるセンサ本体の歪み量が大きくなる。これにより、曲げセンサの感度を向上させることができる。

なお、上記特許文献３〜５には、クラックの開閉により電気抵抗が増加する導電インクが開示されている。しかしながら、いずれの導電インクにおいても、クラックは、曲げ変形時に発生している。言い換えると、導電インクを使用する前には、クラックは形成されていない。この点において、開示された導電インクは、本発明のセンサ本体とは異なる。すなわち、曲げ変形時に新たなクラックが形成されると、曲げセンサの感度が変化してしまう。このため、本発明においては、センサ本体の製造時に予めクラックを形成しておき、曲げ変形時における新たなクラックの形成を抑制している。

（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記導電性フィラーの平均粒子径は、０．０５μｍ以上１００μｍ以下である構成とする方がよい。

導電性フィラーの粒子径が小さいと、マトリックス樹脂に対する補強効果が大きくなる。このため、クラックを形成しにくい。また、センサ本体の破断歪み（センサ本体にクラックが発生する際の歪み）が大きくなるため、電気抵抗の増加が、クラックの開口よりも、センサ本体の弾性変形に依存しやすくなる。また、センサ本体を製造する際に、マトリックス樹脂と導電性フィラーとを含むセンサ材料を塗料化しにくい。このような観点から、導電性フィラーの平均粒子径を、０．０５μｍ以上とすることが望ましい。こうすることで、導電性フィラーの界面に沿って、クラックを形成しやすくなる。また、導電性フィラーの界面でクラックが開口しやすくなり、センサ本体の破断歪みを小さくすることができる。導電性フィラーの平均粒子径を、０．５μｍ以上、さらには１μｍ以上とするとより好適である。

一方、導電性フィラーの平均粒子径が１００μｍを超えると、無荷重状態における導電パスの数が少なくなると共に、曲げ変形に対して導電性フィラーの接触状態が変化しにくくなり、電気抵抗の変化が緩慢となる。また、センサ本体の厚さを薄くしにくくなる。導電性フィラーの平均粒子径を、３０μｍ以下、さらには１０μｍ以下とするとより好適である。なお、平均粒子径としては、導電性フィラーの累積粒度曲線において積算重量が５０％となる粒子径（Ｄ５０）を採用する。

（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記導電性フィラーは、球状カーボンである構成とする方がよい。

導電性フィラーの形状を球状とすることにより、導電性フィラーを、マトリックス樹脂中に、最密充填に近い状態で配合することができる。これにより、三次元的な導電パスが形成されやすくなり、所望の導電性が発現しやすくなる。また、センサ本体の弾性変形に対して、導電性フィラーの接触状態が変化しやすい。このため、電気抵抗の変化が大きい。また、球状カーボンとしては、表面の官能基が少ないものが望ましい。表面の官能基が少ないと、マトリックス樹脂との界面で破壊が生じやすく、センサ本体にクラックを形成しやすい。

（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記センサ本体において、複数の前記電極の配置方向に連なる長さ２ｍｍ以下の単位区間を複数区画した場合に、前記クラックは、該単位区間内に、少なくとも一つ形成されている構成とする方がよい。

曲げセンサの感度は、センサ本体に形成されたクラックの密度（複数の電極の配置方向における単位長さあたりのクラック本数）により変化する。単位区間の長さを２ｍｍ以下としたのは、２ｍｍを超えると、クラックの密度が小さくなり、曲げセンサの感度が低下するからである。言い換えると、所望の感度を実現しにくくなるからである。より好ましくは、単位区間の長さを１ｍｍ以下とする方がよい。こうすると、さらに曲げセンサの感度が向上する。

（５）好ましくは、上記（１）ないし（４）のいずれかの構成において、前記センサ本体には、予め歪みが入力されている構成とする方がよい。

センサ本体を曲げると、曲げ変形の初期段階においては弾性領域が、その後の段階においては破断歪み以上の領域が、出現する。前出特許文献１、２のセンサは、弾性領域だけを利用して、変形を検出している。

図２に、センサ本体の歪み量と電気抵抗との関係を表す模式グラフを示す。ただし、図２は、本構成を何等限定するものではない。図２に示すように、センサ本体を曲げるのに従って、歪み量は大きくなる。歪み量が大きくなると、電気抵抗も大きくなる。

ここで、図中、矢印Ｙ１で示すように、曲げ変形の初期段階においては、歪み量に対して電気抵抗が、略二次曲線的に上昇する。このため、図中、点Ｘ１で示すように、曲げ変形当初の、歪み量に対する電気抵抗の応答性が、低くなる。なお、矢印Ｙ１で示す領域は、センサ本体の弾性領域と推定される。

また、図中、矢印Ｙ２で示すように、曲げ変形の初期段階後の段階においては、歪み量に対して電気抵抗が、略線形的に上昇する。また、図中、点Ｘ２で示すように、点Ｘ１と比較して、歪み量に対する電気抵抗の応答性が、高くなる。なお、矢印Ｙ２で示す領域は、センサ本体の弾性領域を超えた、破断歪み以上の領域であると推定される。

よって、曲げ変形の検出領域としてセンサ本体の弾性領域だけを利用する場合と比較して、センサ本体の破断歪み以上の領域を利用する場合（破断歪み以上の領域だけを利用する場合、および弾性領域と破断歪み以上の領域とを併用する場合を含む）の方が、同じ歪み量が入力された場合の電気抵抗の変化が大きくなる。このため、曲げセンサの感度が向上する。また、歪み量に対して電気抵抗が略線形的に上昇するため、電気抵抗から歪み量を算出しやすくなる。

この点、本構成によると、センサ本体に予め歪みが入力されている。このため、センサ本体の曲げ変形時の総歪み量は、予め入力されている歪み量と、曲げ変形に伴う歪み量と、の和になる。つまり、センサ本体の総歪み量は、曲げ変形に伴う歪み量のみの場合と比較して、大きくなる。これにより、検出領域として、センサ本体の破断歪み以上の領域を用いやすくなる。すなわち、検出領域を、歪み量と電気抵抗との関係が線形な領域へ、ずらしやすくなる（歪みオフセット）。したがって、本構成によると、曲げセンサの感度が向上する。また、電気抵抗から、歪み量、ひいては曲げ変形時のセンサ本体の形状等を、算出しやすくなる。

（６）好ましくは、上記（１）ないし（５）のいずれかの構成において、複数の前記電極は、導電塗料を前記基材に印刷して形成されている構成とする方がよい。

例えば、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）等の表面にセンサ本体等を配置して、本発明の曲げセンサを構成することができる。ＦＰＣ上の導電パターンは、金属箔のエッチングにより形成されている。金属箔のエッチングによると、電極や配線を、細線かつ挟ピッチで形成することができる。したがって、ＦＰＣを用いると、本発明の曲げセンサを小型化することができる。

しかしながら、電極を、金属箔のエッチングにより形成すると、電極の端部が角張りやすい。このため、センサ本体を湾曲させて硬化した後、元の状態に戻すことによりクラックを形成する場合、予め形成されている電極の端部に応力が集中しやすい。これにより、クラックが電極周辺に集中して形成されるおそれがある。つまり、センサ本体におけるクラックの分布に、ばらつきが生じるおそれがある。図１８に、エッチングにより電極を形成した場合における、クラック形成時のセンサ本体の一部断面模式図を示す。

図１８に示すように、センサ本体８１０は、基材８１１の表面に配置されている。センサ本体８１０と基材８１１との間には、所定の間隔で電極８１２ａ〜８１２ｃが介装されている。電極８１２ａ〜８１２ｃは、金属箔をエッチングして形成されている。電極８１２ａ〜８１２ｃの、センサ本体８１０の延在方向の端部には、角部８１３が存在する。角部８１３には、応力が集中しやすい。このため、クラック８１４は、電極８１２ａ〜８１２ｃの周辺に集中して形成されている。

このように、クラックの分布にばらつきがあると、電極で区切られた測定区間ごとのセンサ応答に差が生じてしまう。また、金属箔からなる電極は、樹脂をバインダーとするセンサ本体との密着性が充分ではない。このことも、電極周辺にクラックが集中する要因となる。

本構成によると、導電塗料を基材に印刷して、電極を形成する。導電塗料の印刷により形成された電極の端部は、角張りにくい。このため、センサ本体にクラックを形成する際に、電極の端部に応力が集中しにくい。また、導電塗料は、樹脂やエラストマーをバインダーとする。このため、導電塗料から形成された電極は、センサ本体との密着性が良好である。したがって、本構成によると、クラックを、センサ本体の全体に亘り略均一に形成することができる。これにより、測定区間によらず、安定したセンサ応答を得ることができる。図１９に、印刷により電極を形成した場合における、クラック形成時のセンサ本体の一部断面模式図を示す。

図１９に示すように、センサ本体８１０は、基材８１１の表面に配置されている。センサ本体８１０と基材８１１との間には、所定の間隔で電極８１２ａ〜８１２ｃが介装されている。電極８１２ａ〜８１２ｃは、導電塗料を印刷して形成されている。電極８１２ａ〜８１２ｃの、センサ本体８１０の延在方向の端部には、曲面状の面取部８１５が存在する。面取部８１５には、応力が集中しにくい。このため、クラック８１４は、センサ本体１１の全体に亘り、略均一に形成されている。

（６−１）好ましくは、上記（６）の構成において、導電塗料は、樹脂またはエラストマーからなるバインダーと導電材とを有する構成とするとよい。導電材としては、例えば、銀、金、銅、ニッケル等の金属粉末、導電性を有するカーボン粉末、粒子表面が金属で被覆された被覆粒子等を使用すればよい。

（７）好ましくは、上記（６）の構成において、前記電極の表面形状における、前記センサ本体の延在方向の端線は、曲線部を有する構成とする方がよい。

本構成によると、センサ本体を湾曲させて硬化した後、元の状態に戻すことによりクラックを形成する場合に、基材とセンサ本体との間に介装された電極の端部に、応力が集中しにくい。したがって、センサ本体に、より均一にクラックを形成することができる。

（８）好ましくは、上記（１）ないし（７）のいずれかの構成において、複数の前記電極と各々接続されている配線を備え、該配線は、金属箔をエッチングして形成されている構成とする方がよい。

後出（１０）の構成にて説明するように、本発明の曲げセンサにより、測定対象物の変形形状を測定する場合には、電極の数を多くして、測定区間をより細かく設定することが望ましい。この場合、各々電極に接続される配線の数も多くなる。本構成によると、細線かつ挟ピッチで、配線パターンを形成することができる。したがって、曲げセンサを小型化するのに好適である。

（９）好ましくは、上記（１）ないし（８）のいずれかの構成において、さらに、前記基材裏面に配置される歪み調整板と、該歪み調整板と該基材とを接着する接着層と、を備え、該基材、該歪み調整板、および該接着層は、いずれも、貯蔵弾性率が遷移するガラス−ゴム転移領域が、曲げセンサを使用する温度範囲の下限温度−１０℃よりも低温側、または上限温度＋１０℃よりも高温側にある材料からなる構成とするとよい。

前出（１）の構成にて説明したように、基材の厚さを大きくすると、曲げ変形時におけるセンサ本体の歪み量が大きくなる（ε＝ｔ／Ｒ）。本構成によると、歪み調整板を基材の裏面に配置することにより、基材の厚さを大きくしたのと同じ効果が得られる。すなわち、基材に歪み調整板を積層すると、曲げ変形による歪みが拡大される。これにより、曲げセンサの感度を向上することができる。また、歪み調整板の厚さを調整することにより、センサ応答を最適化することができる。

歪み調整板は、接着層を介して基材に貼り付けられている。例えば、歪み調整板と比較して、接着層が軟らか過ぎる場合には、歪み調整板を介して伝達された曲げ変形が接着層で緩和されてしまう。これにより、曲げ変形が、正確かつ速やかに、センサ本体に伝達されにくくなる。その結果、曲げ変形の検出精度の低下や、応答遅れが生じてしまう。

本構成によると、基材、歪み調整板、および接着層の全てについて、貯蔵弾性率が遷移するガラス−ゴム転移領域が、曲げセンサを使用する温度範囲の下限温度−１０℃よりも低温側、または上限温度＋１０℃よりも高温側にある材料で構成する。以下、ガラス−ゴム転移領域について説明する。図２０に、温度に対する貯蔵弾性率の変化の一例を示す。

図２０に示すように、樹脂等の高分子材料の貯蔵弾性率は、ある温度範囲で急激に変化する。貯蔵弾性率が大きい領域（Ａ）はガラス状態、貯蔵弾性率が小さい領域（Ｂ）はゴム状態、と称される。すなわち、高分子材料は、温度の上昇と共に、ガラス状態からゴム状態へ変化する。温度を上昇させた場合に、貯蔵弾性率のグラフが、領域（Ａ）の貯蔵弾性率の外挿線ａと解離し始める温度をＴ１とする。さらに温度を上昇させて、貯蔵弾性率のグラフが、領域（Ｂ）の貯蔵弾性率の外挿線ｂと一致し始める温度をＴ２とする。そして、Ｔ１からＴ２までの温度範囲（図中、ハッチングで示す）を、ガラス−ゴム転移領域と定義する。

本明細書においては、貯蔵弾性率として、ＪＩＳ Ｋ７２４４−１（１９９８）、ＪＩＳ Ｋ７２４４−４（１９９９）に準じた、以下の測定方法で測定した値を採用する。すなわち、まず、幅５ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ１ｍｍの短冊状の試験片を作製した。次に、動的粘弾性測定装置（（株）ＵＢＭ製「Ｒｈｅｏｇｅｌ−Ｅ４０００Ｆ」）を用いて、−７０〜１２０℃における貯蔵弾性率を測定した。測定は、引張りモード、昇温速度３℃／分、周波数１Ｈｚで行った。

例えば、曲げセンサを使用する温度範囲を、２０〜２５℃と設定する。この場合、基材、歪み調整板、および接着層は、ガラス−ゴム転移領域が下限温度−１０℃、つまり１０℃よりも低温側、または上限温度＋１０℃、つまり３５℃よりも高温側にある材料のいずれかで構成される。なお、曲げセンサを使用する温度が、例えば２０℃のように、範囲を持たない場合には、その温度を基準にして±１０℃の範囲を設定すればよい。本構成によると、曲げセンサを使用する温度範囲において、基材、歪み調整板、および接着層の硬さの状態が統一される。また、曲げセンサを使用する温度範囲において、ガラス状態→ゴム状態、またはゴム状態→ガラス状態というように、状態が変化しない。例えば、高速で曲げ変形した場合には、使用温度が低温側にシフトした場合と同じ挙動になる。しかし、本構成によると、使用温度の下限、上限から、さらに±１０℃だけ余裕を持って温度範囲を設定している。したがって、高速で曲げ変形した場合であっても、使用温度の範囲内に、ガラス−ゴム転移領域が含まれることはない。

このように、本構成によると、荷重入力側に配置される基材等の部材において、曲げ変形が緩和されるおそれは小さい。つまり、曲げ変形が、正確にセンサ本体に伝達される。したがって、本構成によると、曲げ変形の検出精度の低下を抑制することができる。

特に、ガラス−ゴム転移領域が、曲げセンサを使用する温度範囲の上限温度＋１０℃よりも高温側にある材料を採用すると、基材、歪み調整板、および接着層の全てをガラス状態の硬い材料で構成することができる。これにより、曲げ変形が、速やかにセンサ本体に伝達される。よって、応答遅れが生じにくい。

（１０）本発明の変形形状測定方法は、上記（１）ないし（９）のいずれかの構成の曲げセンサの曲げ変形を、前記電極で区切られた測定区間ごとに検出する検出工程と、検出された該測定区間の変形データから、該測定区間の変形形状を算出する部分形状算出工程と、算出された該測定区間の変形形状を繋ぎ合わせて、該曲げセンサ全体の変形形状を算出する全体形状算出工程と、を有する。

本発明の変形形状測定方法では、曲げセンサを複数の測定区間に区画して、各測定区間における変形形状を繋ぎ合わせて、曲げセンサ全体の変形形状、つまり測定対象物の変形形状を測定する。本発明の変形形状測定方法によると、上記本発明の曲げセンサを用いて、測定対象物の変形形状を、容易かつ動的に、測定することができる。また、電極の配置数を増加させると、測定区間をより細かく設定することができる。これにより、曲げセンサ、つまり測定対象物をより細かく分割して、各々の部分形状を算出することができる。その結果、曲げセンサ、つまり測定対象物の変形形状を、精度良く算出することができる。

（ａ）は、曲げ変形前の無荷重状態の、センサ本体におけるクラックの一部近傍を拡大した模式図である。（ｂ）は、曲げ変形後の状態の、センサ本体におけるクラックの一部近傍を拡大した模式図である。 センサ本体の歪み量と電気抵抗との関係を表す模式グラフである。 第一実施形態の曲げセンサの正面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。 図４の円Ｖ内の拡大図である。 第一実施形態の曲げセンサの製造方法における曲げ硬化工程の前半の模式図である。 同曲げ硬化工程の後半の模式図である。 衝突物の衝突前における、第一実施形態の曲げセンサの下方から見た断面図である。 衝突物の衝突後における、同曲げセンサの下方から見た断面図である。 図９に示した衝突後状態におけるセンサ本体の変形形状（実際の形状）に対する、第一実施形態の変形形状測定方法により算出されたセンサ本体の変形形状（推定形状）を示す模式図である。 取付状態における、第二実施形態の曲げセンサの下方から見た断面図である。 衝突実験装置の模式図である。 実施例のセンサの応答の経時変化を示すグラフである。 ストライカー速度を変化させた時の、実施例のセンサの応答の経時変化を示すグラフである。 各々の試験片から測定された、総歪み量に対する電気抵抗の変化を示すグラフである。 予歪み量に対する寄与率を示すグラフである。 （ａ）は、曲げ変形前の無荷重状態の、センサ本体における導電性フィラーの一部近傍を拡大した模式図である。（ｂ）は、曲げ変形直後の状態の、センサ本体における導電性フィラーの一部近傍を拡大した模式図である。（ｃ）は、曲げ変形直後よりもさらに後の状態の、センサ本体における導電性フィラーの一部近傍を拡大した模式図である。 エッチングにより電極を形成した場合における、クラック形成時のセンサ本体の一部断面模式図である。 印刷により電極を形成した場合における、クラック形成時のセンサ本体の一部断面模式図である。 温度に対する貯蔵弾性率の変化の一例を示すグラフである。 第三実施形態の曲げセンサにおける左端付近の拡大図である。 第四実施形態の曲げセンサにおける左右方向の断面図である。 電極の表面形状例を示す正面図である。 曲げ変形に対する歪み量の測定結果を示すグラフである。 実施例で使用した接着剤のガラス−ゴム転移領域を示すグラフである。 接着層が異なる曲げセンサにおける、センサ応答の経時変化を示すグラフである。

以下、本発明の曲げセンサおよび変形形状測定方法の実施形態について説明する。

＜第一実施形態＞
［曲げセンサの構成］
まず、本実施形態の曲げセンサの構成について説明する。図３に、曲げセンサの正面図を示す。図４に、図３のＩＶ−ＩＶ断面図を示す。図５に、図４の円Ｖ内の拡大図を示す。説明の便宜上、図３では、カバーフィルムの右半分を除去して示す。図３、図４に示すように、曲げセンサ１は、基材１０と、センサ本体１１と、電極１２ａ〜１２ｉと、配線１３ａ〜１３ｉと、カバーフィルム１４と、を備えている。

基材１０は、ポリイミド製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。基材１０の膜厚は約３００μｍである。基材１０の右端には、コネクタ１５が取り付けられている。

センサ本体１１は、左右方向に延びる帯状を呈している。センサ本体１１の膜厚は約１００μｍである。センサ本体１１は、基材１０の表面（後面）に固定されている。センサ本体１１には、予め歪みが入力されている。

センサ本体１１は、エポキシ樹脂（マトリックス樹脂）にカーボンビーズ（導電性フィラー）が配合されてなる。カーボンビーズの充填率は、センサ本体１１の体積を１００ｖｏｌ％とした場合の約４５ｖｏｌ％である。図５に模式的に示すように、センサ本体１１には、予め複数のクラックＣ１が形成されている。クラックＣ１は、電極１２ａ〜１２ｉの配置方向（左右方向）と交差する方向、すなわち、センサ本体１１の厚さ方向（前後方向）に延びるように配置されている。クラックＣ１は、センサ本体１１の左右方向に連なる長さ２ｍｍの単位区間Ｕ１内に、約２個ずつ形成されている。

電極１２ａ〜１２ｉは、センサ本体１１を左右方向に八分割するように、配置されている。電極１２ａ〜１２ｉは、いずれも、上下方向に延びる短冊状を呈している。電極１２ａ〜１２ｉは、いずれも、センサ本体１１と基材１０との間に、介装されている。また、隣り合う一対の電極（例えば、電極１２ａと電極１２ｂ）により、測定区間Ｌ１〜Ｌ８が区画されている。電極１２ａ〜１２ｉとコネクタ１５とは、各々、配線１３ａ〜１３ｉにより、結線されている。

カバーフィルム１４は、アクリルゴム製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。カバーフィルム１４は、基材１０、センサ本体１１、および配線１３ａ〜１３ｉを、後方から被覆している。

［曲げセンサの製造方法］
次に、本実施形態の曲げセンサ１の製造方法について説明する。本実施形態の曲げセンサ１の製造方法は、塗料準備工程と、印刷工程と、曲げ硬化工程と、除荷工程と、カバーフィルム印刷工程と、を有している。

塗料準備工程においては、センサ塗料、電極塗料、配線塗料、コネクタ塗料、およびカバーフィルム塗料を、各々準備する。すなわち、センサ塗料を、エポキシ樹脂の硬化前樹脂（日本ペルノックス（株）製「ペルノックス（登録商標）ＭＥ−５６２」；液状）１００質量部と、硬化剤（同社製「ペルキュア（登録商標）ＨＶ−５６２」；液状）１５０質量部と、カーボンビーズ（日本カーボン（株）製「ニカビーズ（登録商標）ＩＣＢ０５２０」、平均粒子径約５μｍ）３００質量部と、を羽根攪拌により混合して調製する。電極塗料、配線塗料、およびコネクタ塗料には、藤倉化成（株）製「ドータイト（登録商標）ＦＡ−３１２」を使用する。ここで、電極塗料は、本発明における導電塗料に含まれる。カバーフィルム塗料を、次のようにして調製する。まず、アクリルゴムポリマー（日本ゼオン（株）製「ニポール（登録商標）ＡＲ５１」）１００質量部と、加硫助剤のステアリン酸（花王（株）製「ルナック（登録商標）Ｓ３０」）１質量部と、加硫促進剤のジメチルジチオカルバミン酸亜鉛（大内新興化学（株）製「ノクセラー（登録商標）ＰＺ」）２．５質量部、およびジメチルジチオカルバミン酸第二鉄（同社製「ノクセラーＴＴＦＥ」）０．５質量部と、をロール練り機にて混合し、エラストマー組成物を調製する。次に、調製したエラストマー組成物を、印刷用溶剤のエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート３１２質量部に溶解させる。

印刷工程においては、カバーフィルム塗料以外の塗料を、スクリーン印刷機を用いて、基材１０の表面に印刷する。まず、基材１０の表面に、電極塗料、配線塗料、およびコネクタ塗料を、順に印刷する。次に、塗料印刷後の基材１０を、約１４０℃の乾燥炉内に約３０分間静置して、塗膜を硬化させる。このようにして、電極１２ａ〜１２ｉ、配線１３ａ〜１３ｉ、およびコネクタ１５を形成する。続いて、電極１２ａ〜１２ｉ等が形成された基材１０の表面に、センサ塗料を印刷する。

曲げ硬化工程においては、センサ塗料の塗膜が内側になるように基材１０を湾曲させて、その状態で加熱して、塗膜を硬化させる。図６に、曲げ硬化工程の前半の模式図を示す。図７に、同工程の後半の模式図を示す。

まず、図６、図７に示すように、センサ塗料の塗膜１１０が形成された基材１０を、Ｃ字形状の金型２の内周面２０に貼り付ける。この時、金型２の内周面２０に、基材１０の前面１００を当接させる。次に、金型２を乾燥炉内に入れ、約１４０℃で１時間保持して、塗膜１１０を一次硬化させる。続いて、約１７０℃で２時間保持して、塗膜１１０を二次硬化させる。

除荷工程においては、基材１０を、硬化した塗膜１１０と共に金型２から剥離して、基材１０および硬化した塗膜１１０を、湾曲した状態から、元の平面状態（前出図６参照）に戻す。本工程により、硬化した塗膜１１０（センサ本体１１）に、歪みが入力されると共に、クラックが形成される。このようにして、センサ本体１１を形成する。

カバーフィルム印刷工程においては、スクリーン印刷機を用いて、塗料準備工程にて調製したカバーフィルム塗料を印刷する。まず、基材１０、センサ本体１１、および配線１３ａ〜１３ｉの表面を覆うように、カバーフィルム塗料を印刷する。次に、塗料印刷後の基材１０を約１５０℃の乾燥炉内に約３０分間静置して、塗膜を硬化させる。このようにして、カバーフィルム１４を形成する。以上の工程により、曲げセンサ１を作製する。

［曲げセンサの動き］
次に、本実施形態の曲げセンサ１の動きについて説明する。図８に、衝突物の衝突前における、曲げセンサの下方から見た断面図（前出図３のＩＶ−ＩＶ断面に相当）を示す。図９に、衝突物の衝突後における、曲げセンサの下方から見た断面図を示す。

図８、図９に示すように、曲げセンサ１は、自動車のバンパカバー９０の後面９０ａに設置されている。基材１０は、後面９０ａに貼着されている。衝突物Ｏが、バンパカバー９０に前方から衝突すると、バンパカバー９０は、後方に陥没するように変形する。バンパカバー９０の変形は、曲げセンサ１に伝達される。すなわち、バンパカバー９０の変形は、基材１０を介して、センサ本体１１、カバーフィルム１４に伝達される。これにより、センサ本体１１は、基材１０およびカバーフィルム１４と共に、前方に開口するＣ字状に湾曲する。

図８に示す衝突前状態においては、センサ本体１１には、カーボンビーズ同士の接触により、多数の導電パスが形成されている。したがって、電極１２ａ〜１２ｉ間に区画されている測定区間Ｌ１〜Ｌ８（前出図４参照）において検出されるセンサ本体１１の電気抵抗は、いずれも比較的小さい。これに対して、図９に示す衝突後状態においては、衝突の初期段階で、センサ本体１１が曲がることにより、センサ本体１１内のクラックが開口する。このため、導電パスが切断される。加えて、導電性フィラー同士の接触状態が変化することにより、導電パスが切断される。これにより、曲げ変形した測定区間Ｌ３〜Ｌ６において検出される電気抵抗は、衝突前状態に対して、大きくなる。したがって、出力された電気抵抗値から、センサ本体１１、つまりバンパカバー９０の曲げ変形を検出することができる。

［変形形状測定方法］
次に、本実施形態の曲げセンサ１を用いた変形形状測定方法について説明する。本実施形態の変形形状測定方法は、検出工程と、部分形状算出工程と、全体形状算出工程と、を有している。

検出工程においては、上述したように、曲げセンサ１により、測定対象物であるバンパカバー９０の曲げ変形を、電極１２ａ〜１２ｉで区切られた測定区間Ｌ１〜Ｌ８ごとに検出する。

部分形状算出工程においては、検出された測定区間Ｌ１〜Ｌ８の変形データから、測定区間Ｌ１〜Ｌ８各々の変形形状を算出する。すなわち、予め求めておいたセンサ本体１１の歪み量ε（ε＝ｔ／Ｒ；ｔは基材１０とセンサ本体１１との合計厚さ（既知）、Ｒは曲げ変形時の曲率中心から基材１０裏面までの曲率半径）と電気抵抗との関係を用いて、測定区間Ｌ１〜Ｌ８ごとに、変形データ（電気抵抗値）から歪み量εを算出する。そして、得られた歪み量εから、測定区間Ｌ１〜Ｌ８各々の曲率、曲率半径を算出する。すなわち、測定区間Ｌ１〜Ｌ８各々の変形形状を算出する。

全体形状算出工程においては、算出された測定区間Ｌ１〜Ｌ８各々の変形形状を繋ぎ合わせて、センサ本体１１の変形形状を算出する。図１０に、図９に示した衝突後状態におけるセンサ本体の変形形状（実際の形状）に対する、本実施形態の変形形状測定方法により算出されたセンサ本体の変形形状（推定形状）を表す模式図を示す。図１０に示すように、本工程においては、隣り合う測定区間Ｌ１〜Ｌ８の端点ａ〜ｉが、互いに接線を共有するように、測定区間Ｌ１〜Ｌ８の変形形状を繋ぎ合わせる。このようにして、センサ本体１１全体の変形形状を算出する。つまり、バンパカバー９０（詳しくは、バンパカバー９０のうち曲げセンサ１が配置されている部分）の衝突後の変形形状を算出する。

［作用効果］
次に、本実施形態の曲げセンサ１および変形形状測定方法の作用効果について説明する。本実施形態の曲げセンサ１によると、センサ本体１１が曲がることにより、クラックＣ１が開口する。これにより、導電パスが切断されて、センサ本体１１の電気抵抗が、速やかに増加する。したがって、応答遅れが小さい。

また、主にクラックＣ１の開口により導電パスが切断されるため、マトリックス樹脂の弾性変形のみに依存して導電パスが切断される場合（前出図１７参照）と比較して、小さな歪みについても精度良く検出することができる。

また、前述したように、マトリックス樹脂の弾性変形の速度は、雰囲気温度に影響される。この点、本実施形態の曲げセンサ１の導電パスは、主にクラックＣ１の開口により切断される。このため、マトリックス樹脂の弾性変形のみに依存して導電パスが切断される場合（前出図１７参照）と比較して、雰囲気温度に対する応答速度の依存性が小さい。並びに、後述する実施例から明らかなように、歪み入力速度に対する応答速度の依存性も小さい。

また、センサ本体１１において、クラックＣ１は、左右方向に連なる長さ２ｍｍの単位区間Ｕ１内に、約２個ずつ形成されている。このため、曲げセンサ１の感度が高い。また、曲げ変形の初期段階において、クラックＣ１の開口による電気抵抗の増加が大きくなる。

また、センサ本体１１は、カバーフィルム１４により被覆されている。これにより、センサ本体１１の劣化が抑制される。また、曲げ変形後に除荷された際には、カバーフィルム１４の弾性復元力に助けられて、センサ本体１１が元の形状に復元しやすい。

また、センサ本体１１において、エポキシ樹脂（マトリックス樹脂）に充填されているカーボンビーズ（導電性フィラー）の平均粒子径は、比較的大きい。このため、導電性フィラーの界面に沿って、クラックＣ１が形成されやすい。加えて、曲げ変形によりクラックＣ１が開口しやすいため、センサ本体１１の破断歪みを小さくすることができる。

また、導電性フィラーは球状を呈している。このため、マトリックス樹脂中に、導電性フィラーを、最密充填に近い状態で配合することができる。これにより、三次元的な導電パスが形成されやすくなり、センサ本体１１の無荷重状態における導電性を、大きくすることができる。また、センサ本体１１の曲げ変形に対して、導電性フィラーの接触状態が変化しやすい。このため、電気抵抗の変化が大きい。また、カーボンビーズは、官能基が少ない。このため、マトリックス樹脂との界面で破壊が生じやすく、センサ本体１１にクラックＣ１を形成しやすい。

また、センサ本体１１を製造する際、検出する曲げ変形とは反対の方向に湾曲した状態で、センサ塗料の塗膜を硬化させている。これにより、バンパカバー９０に取り付けられた段階で、センサ本体１１には、予め歪みが入力されている。したがって、センサ本体１１の曲げ変形時の総歪み量は、予め入力されている歪み量と、曲げ変形に伴う歪み量と、の和になる。センサ本体１１の総歪み量が大きいと、検出領域を、センサ本体１１の破断歪み以上の領域、すなわち歪み量と電気抵抗との関係が略線形な領域へ、ずらすことができる（前出図２参照）。したがって、本実施形態の曲げセンサ１によると感度が向上する。また、電気抵抗から歪み量を算出しやすくなる。

また、本実施形態の変形形状測定方法によると、曲げセンサ１を用いて、バンパカバー９０の変形形状を、容易に測定することができる。上述したように、曲げセンサ１は、応答遅れが生じにくい。よって、バンパカバー９０の実際の変形形状と、算出された変形形状との間に、タイムラグが発生しにくくなる。また、曲げセンサ１の検出領域として、歪み量と電気抵抗との関係が略線形な領域を使用することにより、バンパカバー９０の変形形状を、精度良く測定することができる。

＜第二実施形態＞
本実施形態の曲げセンサおよび変形測定方法と、第一実施形態の曲げセンサおよび変形測定方法と、の相違点は、センサ本体の数、および測定対象物に対する曲げセンサの取り付け方である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。

図１１に、取付状態における、曲げセンサの下方から見た断面図を示す。図１１中、前出図８と対応する部材については、同じ符号で示す。また、図１１では、説明の便宜上、電極および配線を省略して示す。

図１１に示すように、測定対象物９１は粘土製であって、半円柱状を呈している。曲げセンサ３は、測定対象物９１の外周曲面９１０に取り付けられている。曲げセンサ３の長手方向と外周曲面９１０の周方向とは略一致している。曲げセンサ３は、基材１０と、五つのセンサ本体３０〜３４と、カバーフィルム１４と、を備えている。曲げセンサ３は、基材１０が外周曲面９１０と当接するように、取り付けられている。基材１０は、外周曲面９１０に貼着されている。五つのセンサ本体３０〜３４は、曲げセンサ３の長手方向に、直列に配置されている。センサ本体３０〜３４の構成は、いずれも第一実施形態のセンサ本体の構成と、同じである。センサ本体３０〜３４の各々は、センサ塗料の硬化時の湾曲状態（前出図７参照）を元の平面状態（前出図６参照）に戻した状態から、さらに反対側に湾曲させた状態で、配置されている。すなわち、センサ本体３０〜３４には、予め歪みが入力されている。また、曲げセンサ３の取付状態において、センサ本体３０〜３４に形成されたクラックは、開口している。このため、導電パスの多くは、切断された状態である。

例えば、測定対象物９１が左右方向に伸張され、かつ前後方向に圧縮されるように変形すると、図１１中破線で示すように、センサ本体３０〜３４は、外周曲面９１０と共に、曲率半径が大きくなる方向に曲げ変形する。つまり、平面状態に近くなるように曲げ変形する。すると、クラックが閉口すると共に、導電性フィラー同士の接触状態が変化することにより、導電パスが復元される。これにより、センサ本体３０〜３４の各々において検出される電気抵抗は、曲げ変形前の取付状態に対して、小さくなる。したがって、出力された電気抵抗値から、測定対象物９１の曲げ変形を検出することができる。

また、予め求めておいたセンサ本体３０〜３４の歪み量と電気抵抗との関係を用いて、センサ本体３０〜３４における測定区間ごとに、変形データ（電気抵抗値）から、歪み量を算出する。得られた歪み量から、各々の測定区間の曲率、曲率半径を算出する。そして、各々の測定区間の変形形状を算出する。算出された測定区間の変形形状を繋ぎ合わせて、測定対象物９１におけるセンサ本体３０〜３４ごとの変形形状を算出する。これらの変形形状を繋ぎ合わせて、曲げセンサ３全体、つまり測定対象物９１の変形形状を算出する。

本実施形態の曲げセンサ３は、第一実施形態の曲げセンサと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の曲げセンサ３は、直列に配置された５つのセンサ本体３０〜３４を有している。このため、長尺状の測定対象物９１の曲げ変形を検出するのに好適である。

＜第三実施形態＞
本実施形態の曲げセンサおよび変形測定方法と、第一実施形態の曲げセンサおよび変形測定方法と、の相違点は、電極形状、配線の構成および形成方法である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。

図２１に、本実施形態の曲げセンサにおける左端付近の拡大図を示す。説明の便宜上、図２１では、カバーフィルムを省略して示す。なお、図２１は、前出図３と対応している。よって、図３と対応する部材については、同じ符号で示す。

図２１に示すように、電極１２ａ、１２ｂの表面形状は、楕円状を呈している。電極１２ａ、１２ｂの左右方向（センサ本体１１の延在方向）の端線は、曲線部１２０ａ、１２０ｂを有する。電極１２ａ、１２ｂは、センサ本体１１と基材１０との間に、介装されている。電極１２ａ、１２ｂは、樹脂に銀粉末を配合した電極塗料を、基材１０にスクリーン印刷して形成されている。当該電極塗料は、本発明における導電塗料に含まれる。

配線１３ａ、１３ｂは、各々、電極１２ａ、１２ｂとコネクタ（図略）とを、接続している。配線１３ａ、１３ｂは、基材１０の表面（後面）に予め貼着されていた銅箔を、所定のパターンにエッチングして、形成されている。なお、図示していないが、本実施形態の曲げセンサにおける他の電極１２ｃ〜１２ｉについても、電極１２ａ、１２ｂと同様に形成されている。また、配線１３ｃ〜１３ｉについても、配線１３ａ、１３ｂと同様に形成されている。

本実施形態の曲げセンサおよび変形測定方法は、第一実施形態の曲げセンサおよび変形測定方法と共通する部分については、第一実施形態と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態の曲げセンサ１によると、配線１３ａ〜１３ｉは、銅箔をエッチングして形成されている。したがって、配線１３ａ〜１３ｉを、細線かつ挟ピッチで、形成することができる。これにより、電極１２ａ〜１２ｉの数が多くても、曲げセンサ１を小型化することができる。

一方、電極１２ａ〜１２ｉは、電極塗料を印刷して形成されている。このため、電極１２ａ〜１２ｉの端部は、角張りにくい。つまり、電極１２ａ〜１２ｉの左右方向の端面には、面取部が存在する（前出図１９参照）。面取部には、応力が集中しにくい。また、電極塗料は、樹脂をバインダーとする。このため、電極１２ａ〜１２ｉとセンサ本体１１との密着性は良好である。さらに、電極１２ａ〜１２ｉは、楕円状を呈している。つまり、電極１２ａ、１２ｂの左右方向の端線は、曲線部１２０ａ、１２０ｂを有する。このため、応力が集中しにくい。よって、クラックが電極１２ａ〜１２ｉ周辺に集中して形成されるおそれは小さい。つまり、センサ本体１１の全体に亘り、クラックを略均一に形成することができる。したがって、本実施形態の曲げセンサ１によると、測定区間によらず、安定したセンサ応答を得ることができる。

＜第四実施形態＞
本実施形態の曲げセンサおよび変形測定方法と、第一実施形態の曲げセンサおよび変形測定方法と、の相違点は、基材の前面に接着層を介して歪み調整板を配置した点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。

図２２に、本実施形態の曲げセンサにおける左右方向の断面図を示す。図２２は、前出図３のＩＶ−ＩＶ断面図に相当する。図２２中、図４と対応する部材については、同じ符号で示す。

図２２に示すように、曲げセンサ１は、基材１０と、センサ本体１１と、電極１２ａ〜１２ｉと、配線と、カバーフィルム１４と、歪み調整板１６と、接着層１７と、を備えている。基材１０、センサ本体１１、電極１２ａ〜１２ｉ、配線、およびカバーフィルム１４については、第一実施形態と同じである。曲げセンサ１の使用温度は、約２０℃に設定されている。基材１０は、ポリイミド製である。当該ポリイミド（基材１０）のガラス−ゴム転移領域は、３００〜３５０℃である。つまり、３０℃（曲げセンサ１の使用温度＋１０℃）よりも高温側にある。

歪み調整板１６は、ガラス布基材エポキシ樹脂（ＦＲ−４）製であって、当該ガラス布基材エポキシ樹脂（歪み調整板１６）のガラス−ゴム転移領域は、１００〜１５０℃である。つまり、３０℃よりも高温側にある。歪み調整板１６は、左右方向に延びる平板状を呈している。歪み調整板１６の厚さは約０．５ｍｍである。また、歪み調整板１６の幅（上下方向長さ）は、基材１０の幅と略同じである。歪み調整板１６は、基材１０の前方に配置されている。歪み調整板１６と基材１０とは、接着層１７を介して接着されている。

接着層１７は、エポキシ系の非弾性接着剤からなる。当該非弾性接着剤（接着層１７）のガラス−ゴム転移領域は、４０〜７０℃である。つまり、３０℃よりも高温側にある。接着層１７の厚さは、約１００μｍである。

本実施形態の曲げセンサおよび変形測定方法は、第一実施形態の曲げセンサおよび変形測定方法と共通する部分については、第一実施形態と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態の曲げセンサ１によると、基材１０、歪み調整板１６、および接着層１７は、全て、ガラス−ゴム転移領域が曲げセンサ１の使用温度＋１０℃よりも高温側にある材料から構成されている。このため、曲げセンサ１を使用する温度範囲において、基材１０、歪み調整板１６、および接着層１７は、いずれもガラス状態になっている。また、曲げセンサ１を使用する温度範囲において、ガラス状態からゴム状態への状態変化もない。よって基材１０等において、曲げ変形が緩和されるおそれは小さい。つまり、曲げ変形が、正確にセンサ本体１１に伝達される。その結果、曲げ変形の検出精度が低下しにくい。また、基材１０等が、全てガラス状態の硬い材料で構成されている。このため、曲げ変形が、速やかにセンサ本体１１に伝達される。よって、応答遅れが生じにくい。

＜その他＞
以上、本発明の曲げセンサの実施形態について説明した。しかしながら、本発明の曲げセンサの実施形態は上記形態に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

例えば、センサ本体にクラックを形成するために、上記実施形態では、曲げセンサを製造する過程において、センサ塗料の塗膜を、検出する曲げ変形とは反対の方向に湾曲させながら硬化させた。この場合、湾曲させる程度は、形成されるクラックの密度や大きさ、入力される歪み量等を考慮して、適宜調整すればよい。また、除荷工程の後に、さらに曲げ工程を追加してもよい。すなわち、曲げ工程において、硬化後に平面状態に戻したセンサ本体に対して、さらに曲げ−戻しを繰り返し行う。あるいは、当該センサ本体を、曲げ硬化工程の曲げ方向とは反対方向に湾曲させる。こうすることにより、クラックを増加させて、マトリックス樹脂中に分散させることができる。

また、センサ本体にクラックを形成する方法は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、予め基材の表面に凹凸を形成しておき、当該凹凸表面に、センサ塗料を印刷して硬化させてもよい。こうすると、塗膜の硬化時に凹凸の角部分に応力が集中することにより、クラックが形成されやすくなる。硬化後、さらにセンサ本体を曲げ加工することが望ましい。こうすることにより、クラックを増加させて、マトリックス樹脂中に分散させることができる。また、形成する凹凸の分布等を工夫することにより、クラックの分布等を調整することができる。

また、上記実施形態では、クラックを形成すると共に、センサ本体に歪みを入力した。しかし、予歪みは必ずしも入力されていなくてもよい。

カバーフィルムとしては、アクリルゴム等の合成ゴムや天然ゴムを用いることができる。基材としては、ポリイミドの他、絶縁性の高いポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルムを用いることができる。また、基材の厚さを調整することにより、曲げセンサの感度を調整することができる。例えば、基材の厚さを大きくすると、曲げ変形時におけるセンサ本体の歪み量が大きくなる。これにより、曲げセンサの感度を向上させることができる。

電極の数や配置形態は、上記実施形態に限定されるものではない。電極の数を増加させることにより、測定区間をより細かく区画することができる。こうすることにより、測定対象物の形状を、より細かく分割して測定することができる。その結果、測定対象物全体の変形形状を、より正確に算出することができる。

また、電極の形状も、上記実施形態に限定されるものではない。クラック形成時に電極の端部への応力集中を抑制するという観点から、センサ本体の延在方向の端線が曲線部を有する形状に、電極を形成することが望ましい。図２３に、電極の表面形状例を示す。図２３中、左右方向がセンサ本体の延在方向に相当する。図２３に示すように、好適な電極の表面形状として、（ａ）真円状、（ｂ）楕円状、（ｃ）長円状（一対の対向する半円を直線で連結した形状）等が挙げられる。また、電極を印刷により形成する場合には、スクリーン印刷の他、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、パッド印刷、リソグラフィー等を用いることができる。

また、上記第二実施形態の曲げセンサによると、一枚の基材の表面に、複数のセンサ本体を配置すると共に、センサ本体の全てを一枚のカバーコートで被覆した。しかし、センサ本体ごとに、基材およびカバーフィルムを独立させてもよい。すなわち、上記第一実施形態の曲げセンサを複数連結させて、測定対象物に取り付けてもよい。測定対象物には、カバーフィルム側、基材側のいずれを接触させてもよい。また、曲げセンサを直線状に配置しても、湾曲させて配置してもよい。

センサ本体を構成するマトリックス樹脂、導電性フィラーについても、上記実施形態に限定されるものではない。マトリックス樹脂としては、熱硬化樹脂または熱可塑性樹脂を用いればよい。マトリックス樹脂は、後述する導電性フィラーとの相溶性等を考慮して、選択されることが望ましい。熱硬化樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ポリイミド等が挙げられる。また、熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルアセテート（ＰＶＡｃ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等が挙げられる。

導電性フィラーは、導電性を有する粒子であれば、特に限定されるものではない。例えば、炭素材料、金属等の微粒子が挙げられる。これらのうち、一種を単独で、あるいは二種以上を併せて用いることができる。導電性フィラーのアスペクト比（短辺に対する長辺の比）は、１以上２以下の範囲が望ましい。アスペクト比が２より大きくなると、導電性フィラー同士の接触により、一次元的な導電パスが形成され易くなる。このため、変形時に所望の電気抵抗の変化が得にくくなる。例えば、マトリックス樹脂中における導電性フィラーの充填状態を、より最密充填状態に近づけるという観点から、導電性フィラーとして、球状（真球あるいは極めて真球に近い形状）の粒子を採用するとよい。

センサ本体には、マトリックス樹脂、導電性フィラーに加え、各種添加剤が配合されていてもよい。添加剤としては、例えば、老化防止剤、可塑剤、軟化剤、着色剤等が挙げられる。センサ本体は、例えば、マトリックス樹脂、導電性フィラー等を含むセンサ塗料を、基材表面に塗布した後、乾燥、硬化させて製造することができる。また、加熱溶融した熱可塑性樹脂に導電性フィラーを加えて混合した後、基材の表面に成形して製造してもよい。センサ塗料の塗布方法は、既に公知の種々の方法を採用することができる。例えば、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、パッド印刷、リソグラフィー等の印刷法の他、ディップ法、スプレー法、バーコート法等が挙げられる。

上記第四実施形態の曲げセンサによると、基材の前面に、接着層を介して歪み調整板を配置した。歪み調整板の材質は、基材の材質、曲げセンサの使用温度とガラス−ゴム転移領域との関係を考慮して、適宜決定すればよい。また、歪み調整板の厚さを大きくすると、曲げ変形による歪みを拡大することができる。よって、想定される曲げ変形に応じて、歪み調整板の厚さを調整し、センサ応答を最適化すればよい。また、接着層を構成する接着剤についても、基材および歪み調整板の材質、曲げセンサの使用温度とガラス−ゴム転移領域との関係を考慮して、適宜決定すればよい。

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

＜曲げセンサの応答性＞
［実験方法］
電極の配置形態以外は、上記第一実施形態と同様の曲げセンサを作製した。当該曲げセンサ（以下適宜、「実施例のセンサ」と称す）について衝突実験を行い、応答性を評価した。図１２に、衝突実験装置の模式図を示す。図１２に示すように、衝突実験装置５は、ストライカー５０と、弾性体５１と、絶縁シート５２と、を備えている。弾性体５１は、ウレタンフォーム製であって、直方体を呈している。絶縁シート５２は、ポリエチレン製であって、弾性体５１の上面に配置されている。曲げセンサ６は、基材６０と、センサ本体６１と、一対の電極６３ａ、６３ｂと、カバーフィルム６４と、を備えている。基材６０、センサ本体６１、およびカバーフィルム６４の構成は、上記第一実施形態と同じである。電極６３ａはセンサ本体６１の左端に、電極６３ｂはセンサ本体６１の右端に、各々配置されている。電極６３ａ、６３ｂは、センサ本体６１と基材６０との間に、介装されている。曲げセンサ６は、基材６０が上側になるように、絶縁シート５２の上面に配置されている。曲げセンサ６に対して、半円筒状のストライカー５０を上方から衝突させて、衝突実験を行った。

［実験結果］
図１３に、実施例のセンサの応答の経時変化を示す（ストライカー速度：８．０ｍ／ｓ）。図１３の縦軸は、次式（１）により算出される抵抗増加率である。
抵抗増加率（−）＝ΔＲ／Ｒ_０＝（Ｒ−Ｒ_０）／Ｒ_０・・・（１）
［Ｒ_０：衝突前の初期電気抵抗値、Ｒ：衝突後の電気抵抗値］
なお、図１３には、比較のため、従来の曲げセンサ（以下、「比較例のセンサ」と称す）の結果についても併せて示す。比較例のセンサは、エポキシ樹脂にカーボンビーズが充填されてなるセンサ本体を備えている。センサ本体には、クラックは形成されていない。

図１３に示すように、実施例のセンサによると、衝突直後に電気抵抗が急上昇して、衝突から約６ｍ秒後には、応答が完了していることがわかる。これに対して、比較例のセンサによると、電気抵抗の上昇が緩慢で、衝突から約６ｍ秒後には、まだ応答は完了していない。また、実施例のセンサと比較して、抵抗増加率も小さい。

また、図１４に、ストライカー速度を変化させた時の、実施例のセンサの応答の経時変化を示す。ストライカー速度は、８．０ｍ／ｓ、４．０ｍ／ｓ、２．０ｍ／ｓの三種類とした。図１４においては、速度＝８．０ｍ／ｓのデータを太線で、速度＝４．０ｍ／ｓのデータを中太線で、速度＝２．０ｍ／ｓのデータを細線で、それぞれ示す。各速度ごとに、４回ずつ測定を行った。図１４中、静的応答とは、ストライカー５０で、曲げセンサ６を上方からゆっくり押圧し変形を保持した時に得られる、電気抵抗の最大値を意味する。

図１４に示すように、実施例のセンサによると、ストライカー速度、すなわち歪みの入力速度によらず、ストライカーの形状に対応した一定の電気抵抗値を示した。以上より、本発明の曲げセンサによると、歪みの入力速度に対する依存性が小さいことが確認された。

＜センサ応答の線形性＞
［実験方法］
上記実施例のセンサについて、予めセンサ本体に入力する歪み量（以下、「予歪み量」と称す）を変化させて、曲げ実験を行った。予歪み量は、曲げ硬化工程で使用する金型内周面の曲率を変化させて調整した。ここで、予歪み量ε_preは、次式（２）により算出される。
ε_pre（％）＝Ｌｓ／Ｌｃ×１００・・・（２）
［Ｌｓ：曲げ硬化時の、センサ本体の最表面の長手方向長さ、Ｌｃ：基材の厚さ方向中心面の長手方向長さ（定数）］
曲げ実験は、センサ本体の予歪み量が異なる複数の試験片（センサ本体＋基材）を、曲げ部材に貼着して、予歪み入力時に湾曲した方向とは反対方向に湾曲させて行った。試験片の予歪み量は、０％、０．５％、０．７％、０．９％の四種類とした。また、基材の厚さは０．５ｍｍとした。曲げ変形時に入力される歪み量ε_bendは、次式（３）により算出される。
ε_bend（％）＝（Ｌ−Ｌ_０）／Ｌ_０×１００＝ｔ／ｒ・・・（３）
［Ｌ：曲げ変形時の、センサ本体の最表面の長手方向長さ、Ｌ_０：初期状態（曲げ変形前）の、センサ本体の最表面の長手方向長さ、ｔ：試験片厚さ、ｒ：試験片の曲率半径］
［実験結果］
図１５に、各々の試験片から測定された、総歪み量に対する電気抵抗の変化を示す。総歪み量は、予歪み量に曲げ実験時の歪み量を加えた値（ε_pre＋ε_bend）である。図１５に示すように、予歪み量が大きくなるに従って、総歪み量が大きくなる。これに伴い、電気抵抗も大きくなっている。以上より、センサ塗料の塗膜を湾曲させた状態で、加熱硬化させることより、センサ本体に所定の歪みが入力されることが確認された。

また、各々の試験片について、曲げ変形時の曲率（１／ｒ）に対する、抵抗増加率（ΔＲ／Ｒ_０；Ｒ_０は曲げ変形前の初期電気抵抗値、Ｒは曲げ変形時の電気抵抗値）をプロットした。そして、曲率と抵抗増加率との関係を、一次式で近似して、寄与率（相関係数の２乗）を求めた。図１６に、予歪み量に対する寄与率を示す。

図１６に示すように、予歪み量が０．５％、０．７％、０．９％の場合、寄与率は極めて１に近い値になった。具体的には、予歪み量が０％の場合の寄与率は０．８５２３であったのに対して、予歪み量が０．５％の場合の寄与率は０．９９７５、予歪み量が０．７％の場合の寄与率は０．９９８、予歪み量が０．９％の場合の寄与率は０．９９８４５であった。すなわち、予歪み量が０．５％、０．７％、０．９％の場合、曲率と電気抵抗との関係は、略線形であるといえる。このように、センサ本体に予め所定の歪みを入力しておくことにより、曲げセンサの検出領域を、曲げ変形とセンサ応答との関係が線形な領域にシフトさせることができる。

＜歪み調整板による歪み拡大効果＞
カバーフィルムが無い以外は、上記第四実施形態と同じ構成の曲げセンサを作製し、歪み調整板の厚さを変えて、曲げ変形に対する歪み量を測定した。曲げセンサにおけるセンサ本体の厚さは約８０μｍ、基材の厚さは約１２０μｍ、接着層の厚さは約１００μｍである。歪み調整板の厚さは、２００μｍ、９００μｍの二種類とした。図２４に、曲げ変形に対する歪み量の測定結果を示す。図２４には、比較のため、歪み調整板および接着層が無い曲げセンサ（基材＋センサ本体）の測定結果についても併せて示す。なお、本測定においては、曲げセンサの１／２厚さの部分を曲げの中立面とした。したがって、図２４の縦軸の歪み量は、次式（４）により算出される。
歪み量＝（Ｌ−Ｌ_０）／Ｌ_０＝｛（ｒ＋ｔ／２）θ−ｒθ｝／ｒθ＝ｔ／２ｒ・・・（４）
［Ｌ：曲げ変形時の、曲げセンサ最表面の長手方向長さ、Ｌ_０：初期状態（曲げ変形前）の、曲げセンサ最表面の長手方向長さ、ｔ：曲げセンサの厚さ、ｒ：曲率中心から曲げの中心軸までの曲率半径］
図２４に示すように、歪み調整板を配置した曲げセンサについては、歪み調整板が無い曲げセンサに対して、歪み量が大きくなった。また、歪み調整板が厚いほど、歪み量がより大きくなった。このように、歪み調整板を配置すると、曲げ変形による歪みを拡大することができる。また、歪み調整板を厚くすることにより、歪み量をより大きくすることができる。

＜接着層の種類によるセンサ応答への影響＞
接着層を変更して、上記第四実施形態と同じ構成の曲げセンサを作製し、応答性を評価した。応答性の評価は、約２０℃で行った。接着層には、ガラス−ゴム転移領域が異なる二種類の接着剤を用いた。図２５に、使用した接着剤のガラス−ゴム転移領域を示す。

図２５に示すように、接着剤Ａのガラス−ゴム転移領域は、４０〜７０℃であり、３０℃（使用温度＋１０℃）よりも高温側にある。一方、接着剤Ｂのガラス−ゴム転移領域は、−６０〜４０℃であり、使用温度の２０℃±１０℃の範囲を含んでいる。ちなみに、基材および歪み調整板のガラス−ゴム転移領域は、３０℃よりも高温側にある。

これら二種類の接着剤を各々用いた二つの曲げセンサについて、上記同様の衝突実験を行い、応答性を評価した（前出図１２参照）。以下、二つの曲げセンサを、使用した接着剤の種類により、曲げセンサＡ、曲げセンサＢ、と称す。曲げセンサＡ、Ｂについては、いずれも歪み調整板が上側になるように、絶縁シートの上面に配置した。ストライカー速度は、８．０ｍ／ｓとした。図２６に、センサ応答の経時変化を示す。図２６の縦軸は、前出式（１）により算出される抵抗増加率である。

図２６に示すように、曲げセンサＡについては、ストライカーの衝突により曲げ変形し始めると、速やかに電気抵抗が増加した。そして、曲げ変形が完了すると電気抵抗の増加も停止して、その後は、曲げ変形完了時の電気抵抗の値が保持されていた。一方、曲げセンサＢについては、曲げ変形開始と共に、ゆるやかに電気抵抗が増加した。そして、曲げ変形が完了しても電気抵抗の増加が続き、曲げ変形が完了してから約４ミリ秒後に、想定された電気抵抗値に達した。曲げセンサＢは、ガラス−ゴム転移領域が使用温度範囲と重なる接着剤Ｂを用いた。このため、歪み調整板を介して伝達された曲げ変形が、接着層で緩和されたと考えられる。したがって、曲げセンサＢにおいては、曲げ変形が速やかにセンサ本体に伝達されずに、応答遅れが生じた。

本発明の曲げセンサおよび変形形状測定方法は、車両の衝突検知の他、各種衝突試験において、衝突時の変形形状の推移を推定する手段として有用である。

１：曲げセンサ １０：基材 １１：センサ本体 １２ａ〜１２ｉ：電極
１３ａ〜１３ｉ：配線 １４：カバーフィルム １５：コネクタ １６：歪み調整板
１７：接着層
１００：前面 １１０：塗膜 １２０ａ、１２０ｂ：曲線部
２：金型 ２０：内周面
３：曲げセンサ ３０〜３４：センサ本体
５：衝突実験装置 ５０：ストライカー ５１：弾性体 ５２：絶縁シート
６：曲げセンサ ６０：基材 ６１：センサ本体 ６３ａ、６３ｂ：電極
６４：カバーフィルム
９０：バンパカバー ９０ａ：後面 ９１：測定対象物 ９１０：外周曲面
８００：センサ本体 ８０１：マトリックス樹脂 ８０２：導電性フィラー
８０３：クラック
８１０：センサ本体 ８１１：基材 ８１２ａ〜８１２ｃ：電極 ８１３：角部
８１４：クラック ８１５：面取部
Ｃ１：クラック Ｌ１〜Ｌ８：測定区間 Ｏ：衝突物 Ｐ：導電パス Ｕ１：単位区間
ａ〜ｉ：端点

Claims (9)

1. 基材と、
   該基材表面に配置され、マトリックス樹脂と、該マトリックス樹脂中に３０ｖｏｌ％以上の充填率で充填されている球状の導電性フィラーと、を有し、該導電性フィラー同士の接触により三次元的な導電パスが形成され、変形量が増加するに従って電気抵抗が増加するセンサ本体と、
   該センサ本体を被覆するように配置され、弾性変形可能なカバーフィルムと、
   該センサ本体に接続され、電気抵抗を出力可能な複数の電極と、
   該基材裏面に配置される歪み調整板と、
   該歪み調整板と該基材とを接着する接着層と、
   を備え、
   該センサ本体には、曲げ変形した時に該導電パスを切断する方向に、予めクラックが形成されており、
   該基材、該歪み調整板、および該接着層は、いずれも、貯蔵弾性率が遷移するガラス−ゴム転移領域が、曲げセンサを使用する温度範囲の下限温度−１０℃よりも低温側、または上限温度＋１０℃よりも高温側にある材料からなることを特徴とする曲げセンサ。
2. 前記導電性フィラーの平均粒子径は、０．０５μｍ以上１００μｍ以下である請求項１に記載の曲げセンサ。
3. 前記導電性フィラーは、球状カーボンである請求項１または請求項２に記載の曲げセンサ。
4. 前記センサ本体において、複数の前記電極の配置方向に連なる長さ２ｍｍ以下の単位区間を複数区画した場合に、
   前記クラックは、該単位区間内に、少なくとも一つ形成されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の曲げセンサ。
5. 前記センサ本体には、予め歪みが入力されている請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の曲げセンサ。
6. 複数の前記電極は、導電塗料を前記基材に印刷して形成されている請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の曲げセンサ。
7. 前記電極の表面形状における、前記センサ本体の延在方向の端線は、曲線部を有する請求項６に記載の曲げセンサ。
8. 複数の前記電極と各々接続されている配線を備え、
   該配線は、金属箔をエッチングして形成されている請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の曲げセンサ。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の曲げセンサの曲げ変形を、前記電極で区切られた測定区間ごとに検出する検出工程と、
   検出された該測定区間の変形データから、該測定区間の変形形状を算出する部分形状算出工程と、
   算出された該測定区間の変形形状を繋ぎ合わせて、該曲げセンサ全体の変形形状を算出する全体形状算出工程と、
   を有する変形形状測定方法。

Images