スリップセンサ
【課題】 スリップの前兆を検知することができるスリップセンサを提供する。
【解決手段】 被接触面（路面２５）と接する基体（タイヤ２０）の表面に配列されて被接触面と接触する２種類の滑りやすさの異なる凸部（ブロック２１，２２）と、それら各凸部の変形を検出する変形検出手段（歪ゲージ３１）と、その変形検出手段で検出された各凸部の変形から基体と被接触面とのスリップの前兆を判断する手段（受信／処理部３６）とを備える。滑りにくいブロック２２が摩擦力により変形しており、一方滑りやすいブロック２１は滑って変形していない状態をもってスリップの前兆を検知する。
【解決手段】 被接触面（路面２５）と接する基体（タイヤ２０）の表面に配列されて被接触面と接触する２種類の滑りやすさの異なる凸部（ブロック２１，２２）と、それら各凸部の変形を検出する変形検出手段（歪ゲージ３１）と、その変形検出手段で検出された各凸部の変形から基体と被接触面とのスリップの前兆を判断する手段（受信／処理部３６）とを備える。滑りにくいブロック２２が摩擦力により変形しており、一方滑りやすいブロック２１は滑って変形していない状態をもってスリップの前兆を検知する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はスリップ（滑り）の発生を事前に検知することができるスリップセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車のタイヤに代表されるようにスリップが安全上大きな問題となる分野では、スリップが発生したことを検出して、再び摩擦力（グリップ力）を得るための制御を行うことが一般的になりつつある。そこで、重要となるのはスリップの発生を検知することであり、事前に検知できれば制御の選択肢も広がり、安全性が増す。
特許文献１にはタイヤの接地状態を把握して車両の走行状態を制御することが記載されており、この特許文献１ではタイヤの歪や振動状態を検出してタイヤの接地状態を推定するものとなっている。そして、タイヤの歪状態の検出はタイヤの内面に歪ゲージを取り付けることにより、またタイヤの振動状態の検出はタイヤホイールに振動センサを取り付けることにより行うものとなっている。
【特許文献１】特開２００２−７９８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したように、タイヤの歪や振動状態に基づいてタイヤの接地状態を推定する方法では、タイヤの接地状態はあくまで推定にすぎず、よって推定条件と実車の条件とが異なれば誤差が生じ、その点で精度に問題があるものとなっていた。
この発明の目的はこの問題に鑑み、高精度にスリップの前兆を検知することが可能なスリップセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１の発明によれば、被接触面と接する基体の表面に配列されて被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる凸部と、それら各凸部の変形を検出する変形検出手段と、その変形検出手段で検出された各凸部の変形から基体と被接触面とのスリップの前兆を判断する手段とを具備するものとされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、滑りやすさの異なる凸部は被接触面と接触する表面の摩擦係数が互いに異なるものとされる。
請求項３の発明では請求項１の発明において、滑りやすさの異なる凸部は被接触面と接触する表面の形状が互いに異なるものとされる。
【０００５】
請求項４の発明によれば、基板表面にその基板と一体形成されて格子状に配列された片持ち梁と、それら各片持ち梁の自由端側表面に形成されて基板表面上に突出して配列され、被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる膜と、各片持ち梁の変形を検出する変形検出手段と、その変形検出手段で検出された各片持ち梁の変形から基板と被接触面とのスリップの前兆を判断する手段とを具備するものとされる。
請求項５の発明では請求項４の発明において、滑りやすさの異なる膜は被接触面と接触する表面の摩擦係数が互いに異なるものとされる。
【０００６】
請求項６の発明では請求項４の発明において、滑りやすさの異なる膜は被接触面と接触する表面の面粗さが互いに異なるものとされる。
請求項７の発明では請求項４の発明において、変形検出手段が各片持ち梁の固定端側に形成されたピエゾ抵抗層よりなるものとされる。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１の発明によれば、被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる凸部を備え、それら凸部の摩擦力による変形からスリップの前兆を判断するものとなっており、よってスリップの前兆を高精度に検知することができる。
また、請求項４の発明によれば、被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる膜をそれぞれ自由端に有する片持ち梁の配列を具備し、摩擦力が膜に作用することによるそれら片持ち梁の変形からスリップの前兆を検出するものとなっており、よってスリップの前兆を高精度に検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
まず、図１を参照してこの発明によるスリップセンサの原理を説明する。
図１に示したように、被接触面（スリップ検出対象面）１１と対向する基体１２の表面に２種類の凸部（突起）１３，１４を設け、これら凸部１３，１４が被接触面１１と接触するものとする。凸部１３と１４とは例えば表面の摩擦係数が異なるものであって、凸部１３は摩擦係数が小さく、滑りやすい凸部とされ、凸部１４は摩擦係数が大きく、滑りにくい凸部とされる。
ここで、基体１２と被接触面１１との間に加わる上下方向の荷重をＷ（Ｗは一定）、基体１２にスリップ（滑り）を生じさせる横方向の力をＦｔとし、凸部１３及び１４と被接触面１１との静止摩擦係数をそれぞれμＡ，μＢとすると、基体１２が被接触面１１に対し、スリップを始めるまでの間には以下の３つの状態（１）〜（３）が存在する。
【０００９】
（１）Ｆｔ≦μＡ・Ｗ ， Ｆｔ≦μＢ・Ｗ
（２）Ｆｔ＞μＡ・Ｗ ， Ｆｔ≦μＢ・Ｗ
（３）Ｆｔ＞μＡ・Ｗ ， Ｆｔ＞μＢ・Ｗ
（１）の状態は横方向の力Ｆｔが小さいため、スリップが発生していない状態であり、この状態では図１Ａに示したように凸部１３，１４は共にスリップせず、摩擦力によって変形している。
（２）の状態は横方向の力Ｆｔが大きくなったため、滑りやすい凸部１３が滑り始めた状態であり、この状態では図１Ｂに示したように滑りやすい凸部１３は滑って元の位置（横方向の力Ｆｔが加わっていない時の初期の位置）に戻る。
【００１０】
（３）の状態では基体１２全体が被接触面１１に対してスリップし始める。
この発明では基体１２が被接触面１１との静止摩擦力を失い、完全にスリップを始めるまでの間に、状態が上記のように（１）→（２）→（３）と変化し、基体１２全体がスリップする前の（２）の状態において滑りやすい凸部１３が滑りにくい凸部１４と異なる挙動を示すことを利用するものであり、つまり２種類の凸部１３，１４の変形状態を監視することによって、スリップの前兆を検出しようとするものである。
次に、このような原理のスリップセンサを自動車のタイヤに適用する場合について説明する。
【００１１】
図２Ａはタイヤトレッドに上述したような凸部１３，１４に対応して滑りやすいブロック２１と滑りにくいブロック２２とを設けた例を模式的に示したものであり、図中、２０はタイヤを示し、２５は路面を示す。
図２Ｂは摩擦係数の大きな路面２５′を走行中の状態を示したものであり、この状態ではブロック２１，２２は共に滑ることなく、摩擦力によって変形している。一方、図２Ｃは摩擦係数の小さな路面２５″を走行中の状態を示したものであり、この状態では滑りにくいブロック２２は滑ることなく、図２Ｂと同様、変形しているものの、滑りやすいブロック２１は滑って元の位置・形状に戻り、つまり変形が解消されている。なお、この図２Ｃの状態はタイヤ全体はスリップしておらず、よってこのようなブロック２１，２２の変形状態を監視することにより、タイヤ２０のスリップを事前に検出することができる。
【００１２】
ブロック２１，２２の変形状態の検出は例えば歪ゲージを各ブロック２１，２２に配設することによって行うことができる。図３はこの様子を示したものであり、この例ではブロック２１，２２に歪ゲージを埋設するものとなっている。
歪ゲージ３１はこの例では図３（３）に示したように四角柱状をなす柱体３２の４つの側面にそれぞれ配置され、この柱体３２が各ブロック２１，２２に図３（２）に示したように埋め込まれる。柱体３２の対向する側面に配置されている一対の歪ゲージ３１の出力は差動出力として取り出され、４つの歪ゲージ３１により各ブロック２１，２２の直交２軸方向の変形を検出することができるものとなっている。歪ゲージ３１には例えば抵抗線歪ゲージが用いられる。なお、柱体３２は埋め込まれるブロック２１もしくは２２と例えば同一材料で形成される。
【００１３】
滑りやすいブロック２１及び滑りにくいブロック２２は共にゴム製とされ、滑りやすいブロック２１は例えば硬いゴムとすることにより、一方滑りにくいブロック２２は柔らかいゴムとすることにより形成することができる。このようなゴムの硬さの調整は例えばゴムに混ぜるカーボンの量を調整すればよく、カーボンの量を多くすればゴムは硬くなる。
次に、上記のように歪ゲージ３１が配設されたブロック２１，２２を備え、タイヤ２０のスリップの前兆を検知するスリップセンサの全体構成について説明する。
図４はタイヤ２０を幅方向に切った断面を部分的に示したものであり、滑りやすいブロック２１の歪ゲージ３１にそれぞれ配線３３が施されてそれらが接続され、同様に滑りにくいブロック２２の歪ゲージ３１にそれぞれ配線３４が施されてそれらが接続され、それら配線３３，３４は送信部３５に接続される。
【００１４】
送信部３５はブロック２１，２２の各歪ゲージ３１からの出力を検出する検出回路と、その検出回路の出力を信号化／送信する回路とを具備するものとされ、この例ではタイヤ２０の内面に配置固定されている。一方、受信／処理部３６は車体側に設置され、送信部３５から送信された信号を受信して処理し、スリップの前兆を判断する。
図５は上記のような構成を有するスリップセンサをブロック図で示したものであり、図５では滑りやすいブロック２１に設けられた歪ゲージを３１Ａとし、滑りにくいブロック２２に設けられた歪ゲージを３１Ｂとして示している。
【００１５】
センサ／送信部３０は各ブロック２１，２２に設けられた歪ゲージ３１Ａ，３１Ｂと、歪ゲージ３１Ａからの出力を検出する検出回路３５Ａと、歪ゲージ３１Ｂからの出力を検出する検出回路３５Ｂと、それら検出回路３５Ａ，３５Ｂの出力を信号化／送信する信号化／送信回路３５Ｃとによって構成され、検出回路３５Ａ，３５Ｂ及び信号化／送信回路３５Ｃは図４における送信部３５内に構成されている。
受信／処理部３６は受信／復調回路３７と演算回路３８と電源供給部３９とよりなり、受信／復調回路３７は信号化／送信回路３５Ｃから送信された信号を受信して復調し、演算回路３８に出力する。
【００１６】
演算回路３８はブロック２１，２２毎の出力を平均化すると共に、それらを所定の閾値をもって判定し、ブロック２１，２２毎の平均化された出力からブロック２１，２２の変形状態（変形有無）を判断し、ブロック２２が変形し、ブロック２１が変形していない状態をスリップの前兆と判定して出力する。電源供給部３９はセンサ／受信部３０に電源を供給するものであり、この例では無線により所要の電力を供給するものとなっている。
なお、滑りやすいブロック２１と滑りにくいブロック２２とをタイヤトレッドに設け、それらの変形状態からスリップの前兆を判断するためには、極端に言えば（つまり、最小単位として）ブロック２１，２２を各１個（１組）設けるだけでもよいが、誤差を排除し、正確にスリップの前兆を検知するためには上述した例のように複数組設けるのが好ましい。
【００１７】
また、タイヤの接地状態をより高精度に把握するためには、例えば図６Ａ，Ｂに示したようにタイヤ２０の周方向の複数の領域２３にそれぞれ複数組のブロック２１，２２を設けるのが好ましい。図６Ａではブロック２１，２２を設ける領域２３を周方向９０°ピッチで４箇所とした例を示しており、この領域２３はタイヤ２０の踏面に対応する領域とされている。
さらに、タイヤ２０の接地状態をより詳細に把握するために、例えば図６Ｃに示したように領域２３をタイヤ２０の幅方向、中央と左右の３つの領域２３Ｃ，２３Ｌ，２３Ｒに分け、各領域毎にブロック２１，２２の、つまり歪ゲージ３１Ａ，３１Ｂの出力を平均化するようにしてもよく、このようにすればタイヤ２０の内外の接地状態の差も検知することができる。
【００１８】
上述した例ではブロック２１，２２の変形を検出する手段として歪ゲージ３１を用いているが、変形を検出する手段としてはこれに限らず、例えば変位センサ等を用いることも可能である。また、センサ／送信部３０に対する電力供給は無線によって行われるものとなっているが、例えばスリップリング等を使用し、有線で供給するようにしてもよい。
以上、この発明によるスリップセンサの一実施例として、タイヤに適用した構成について説明したが、次にこの発明によるスリップセンサの他の実施例として、例えばロボットの手（把持部）等に配置されて用いることができるスリップセンサの構成について説明する。
【００１９】
図７Ａはロボットの手にスリップセンサが配置された例を示したものであり、図中、４１はロボットの手を示し、４２は手４１に把持された物（物体）を示す。この例ではロボットの指先に小型のスリップセンサ５０が取り付けられ、スリップセンサ５０はこの例では親指４１Ａと人差し指４１Ｂの２箇所に取り付けられている。なお、図７Ａではスリップセンサ５０を簡略化して示している。
スリップセンサ５０は方形薄型のブロック状とされ、その表面に格子状に配列された多数のセンサ部６１を有するものとされる。これらセンサ部６１は図７Ｂに示したように基板６０に形成されており、各センサ部６１は基板６０と一体形成された片持ち梁６２を備えている。基板６０はこの例では単結晶シリコン基板とされている。
【００２０】
各片持ち梁６２の自由端側表面には膜６３もしくは６４が形成されており、膜６３は摩擦係数が小さく、滑りやすい膜とされ、一方、膜６４は摩擦係数が大きく、滑りにくい膜とされる。この例ではこれら膜６３，６４が各片持ち梁６２に交互に形成され、つまり膜６３を有するセンサ部６１と膜６４を有するセンサ部６１とが交互に配列されたものとなっている。
滑りやすい膜６３は例えばニッケルや金等の金属膜とされ、滑りにくい膜６４は例えばシリコーンゴム等よりなるものとされる。なお、これら膜６３，６４は図７Ｂに示したように基板６０の表面上に突出し、相手方被接触面と接触するものとされる。
【００２１】
各片持ち梁６２の固定端側表面にはピエゾ抵抗層６５が形成されている。膜６３，６４が被接触面と接触し、その摩擦力によって片持ち梁６２がたわむ（変形する）と、その応力によってピエゾ抵抗層６５の抵抗が変化する。従って、ピエゾ抵抗層６５の抵抗変化を検出することによって各片持ち梁６２の変形を検出することができ、例えば滑りにくい膜６４が形成されている片持ち梁６２が変形し、滑りやすい膜６３が形成されている片持ち梁６２が変形していない状態をもってスリップの前兆を検出することができる。
センサ部６１が形成されている基板６０は図７Ｂに示したように回路基板７１上に搭載固定されており、この例では回路基板７１に各ピエゾ抵抗層６５の抵抗検出及びその検出結果を処理してスリップの前兆を判断する機能を有するＩＣ素子７２が実装されている。なお、図７Ｂでは配線の詳細図示は省略している。また、７３は保護用の封止樹脂を示す。
【００２２】
上記のような構成を有するスリップセンサ５０をロボットの指先等の把持する部分に配置すれば、滑りを検出することで被運搬物の落下を防止することができる。また、滑りを検出することでより精密な制御を行うことができ、例えば把持力を制御することにより対象物を傷つけないようできるだけ小さな力でつかむことができる。また、滑る前兆を検出したら把持力を大きくするあるいはもう一方の手を添える等の制御が可能となる。なお、図７Ａにおいて、５１は各スリップセンサ５０からの配線を示し、５２は各スリップセンサ５０からの信号を処理する演算回路を示す。また、５３はロボット制御用のコンピュータを示す。
【００２３】
次に、上記のような構成を有するスリップセンサ５０のセンサ部６１の作製方法について説明する。図８Ａは作製方法を工程順に示したものであり、以下各工程（１）〜（７）について説明する。なお、図８Ａは１個のセンサ部６１について示している。
（１）シリコンウエハ８１を用意する。
（２）シリコンウエハ８１の一面（裏面）８１ｂに方形枠状のマスク８２を形成する。
（３）マスク８２から露出している部分をＫＯＨ等のエッチング液を用いて異方性エッチングし、凹部８３を形成した後、マスク８２を除去する。凹部８３の底面にはダイアフラム８４が形成される。なお、この工程（３）以降の図は工程（２）の図中に示した一点鎖線部分で切った形状として示している。
【００２４】
（４）シリコンウエハ８１の他面（表面）８１ａに膜６３（６４）及びピエゾ抵抗層６５を形成する領域を規定するマスク８５を形成する。
（５）不純物拡散によりピエゾ抵抗層６５を形成し、さらに膜６３もしくは６４を形成した後、マスク８５を除去する。摩擦係数の小さい膜６３は例えばニッケルや金等をスパッタリングすることによって形成し、摩擦係数の大きい膜６４は例えばシリコーンゴム等を印刷塗布することによって形成する。
（６）片持ち梁６２の形状を規定するマスク８６を形成する。
【００２５】
（７）マスク８６から露出している部分をエッチングして片持ち梁６２を形成した後、マスク８６を除去する。これにより図８Ｂに示したような構造を有するセンサ部６１が完成する。
図７に示したスリップセンサ５０ではセンサ部６１の片持ち梁６２は基板６０の表面と同一面内に位置し、被接触面と接触する膜６３，６４が基板６０の表面上に突出した構造となっているが、被接触面とのスリップ状態の検出をより検出しやすくするため、片持ち梁６２を図９に示したように若干反り返らした形状としてもよい。
【００２６】
図９Ａは基板６０に片持ち梁６２がエッチングによって形成された状態を示したものであり、図中、６０Ａは単結晶シリコン基板を示し、６０Ｂはポリシリコン膜を示す。
ポリシリコン膜６０Ｂ上にニッケルや金等の金属膜６３′を形成すると、ポリシリコン膜６０Ｂと金属膜６３′の熱膨張係数の違いにより図９Ｂに示したように片持ち梁６２に反りが生じる。この状態で金属膜６３′は図７Ｂにおける滑りやすい膜６３と対応し、つまり片持ち梁６２が反り返えると共に、被接触面と接触する滑りやすい膜が形成されたことになる。
【００２７】
図９Ｃは図９Ｂの状態に対し、片持ち梁６２の先端にシリコーンゴム等よりなる滑りにくい膜６４を形成したものであり、この例ではこれら図９Ｂ，Ｃに示したように片持ち梁６２が反り返った構造のセンサ部６１が形成され、このような構造を採用することにより膜６３′，６４が被接触面と良好に接触（圧接）すると共に、摩擦力による片持ち梁６２の変形がより良好に生じやすいものとなる。
上述した実施例では滑りやすさの異なる凸部（ブロック）や膜をいずれも材質を選定し、表面の摩擦係数が異なるものとしているが、例えば表面の形状や面粗さを変えることによって滑りやすさの異なる凸部や膜を形成することもできる。
【００２８】
図１０（２）は図１０（１）に示したタイヤ２０の例えばゴムの硬さを変えることによって形成した滑りやすいブロック２１及び滑りにくいブロック２２に対し、表面の形状を変えることによって滑りやすさの異なるブロックを形成する例を示したものであり、図１０（２）Ａに示したブロック２１′は角部を丸めることにより滑りやすくしたものであり、図１０（２）Ｂ，Ｃに示したブロック２２′及び２２″は角に鋭角部を設けて滑りにくくしたものである。
一方、図１１（２）Ａに示した膜６４′は図１１（１）に示した材質を変えることによって形成した滑りやすい膜６３、滑りにくい膜６４に対し、表面の面粗さを変えることにより（大きくすることにより）滑りやすい膜６３に対して滑りにくい膜６４′を形成する例を示したものである。なお、図１１（２）Ｂに示したように角に鋭角部を設けて滑りにくい膜６４″とすることもできる。
【００２９】
以上、滑りやすさの異なる２種類の凸部（ブロック）や膜を備えるスリップセンサについて説明したが、滑りやすさの異なる凸部や膜は２種類に限らず、例えば３種類以上設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明によるスリップセンサの原理を説明するための図。
【図２】この発明をタイヤに適用した場合の滑りやすさの異なるブロック（凸部）の変形状態を説明するための図。
【図３】この発明をタイヤに適用した場合のブロックの変形を検出する手段を説明するための図。
【図４】この発明によるスリップセンサタイヤに適用した実施例を説明するための図。
【図５】図４に示した実施例のブロック図。
【図６】滑りやすさの異なるブロックのタイヤへの配置例を説明するための図。
【図７】ロボットの指先等に配置することができるこの発明によるスリップセンサの実施例を説明するための図。
【図８】図７に示したスリップセンサの作製方法を説明するための図。
【図９】図７に示したスリップセンサにおけるセンサ部の他の構成例を説明するための図。
【図１０】図４に示したスリップセンサにおけるブロックの他の構成例を説明するための図。
【図１１】図７に示したスリップセンサにおけるセンサ部の膜の他の構成例を説明するための図。
【技術分野】
【０００１】
この発明はスリップ（滑り）の発生を事前に検知することができるスリップセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車のタイヤに代表されるようにスリップが安全上大きな問題となる分野では、スリップが発生したことを検出して、再び摩擦力（グリップ力）を得るための制御を行うことが一般的になりつつある。そこで、重要となるのはスリップの発生を検知することであり、事前に検知できれば制御の選択肢も広がり、安全性が増す。
特許文献１にはタイヤの接地状態を把握して車両の走行状態を制御することが記載されており、この特許文献１ではタイヤの歪や振動状態を検出してタイヤの接地状態を推定するものとなっている。そして、タイヤの歪状態の検出はタイヤの内面に歪ゲージを取り付けることにより、またタイヤの振動状態の検出はタイヤホイールに振動センサを取り付けることにより行うものとなっている。
【特許文献１】特開２００２−７９８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したように、タイヤの歪や振動状態に基づいてタイヤの接地状態を推定する方法では、タイヤの接地状態はあくまで推定にすぎず、よって推定条件と実車の条件とが異なれば誤差が生じ、その点で精度に問題があるものとなっていた。
この発明の目的はこの問題に鑑み、高精度にスリップの前兆を検知することが可能なスリップセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１の発明によれば、被接触面と接する基体の表面に配列されて被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる凸部と、それら各凸部の変形を検出する変形検出手段と、その変形検出手段で検出された各凸部の変形から基体と被接触面とのスリップの前兆を判断する手段とを具備するものとされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、滑りやすさの異なる凸部は被接触面と接触する表面の摩擦係数が互いに異なるものとされる。
請求項３の発明では請求項１の発明において、滑りやすさの異なる凸部は被接触面と接触する表面の形状が互いに異なるものとされる。
【０００５】
請求項４の発明によれば、基板表面にその基板と一体形成されて格子状に配列された片持ち梁と、それら各片持ち梁の自由端側表面に形成されて基板表面上に突出して配列され、被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる膜と、各片持ち梁の変形を検出する変形検出手段と、その変形検出手段で検出された各片持ち梁の変形から基板と被接触面とのスリップの前兆を判断する手段とを具備するものとされる。
請求項５の発明では請求項４の発明において、滑りやすさの異なる膜は被接触面と接触する表面の摩擦係数が互いに異なるものとされる。
【０００６】
請求項６の発明では請求項４の発明において、滑りやすさの異なる膜は被接触面と接触する表面の面粗さが互いに異なるものとされる。
請求項７の発明では請求項４の発明において、変形検出手段が各片持ち梁の固定端側に形成されたピエゾ抵抗層よりなるものとされる。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１の発明によれば、被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる凸部を備え、それら凸部の摩擦力による変形からスリップの前兆を判断するものとなっており、よってスリップの前兆を高精度に検知することができる。
また、請求項４の発明によれば、被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる膜をそれぞれ自由端に有する片持ち梁の配列を具備し、摩擦力が膜に作用することによるそれら片持ち梁の変形からスリップの前兆を検出するものとなっており、よってスリップの前兆を高精度に検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
まず、図１を参照してこの発明によるスリップセンサの原理を説明する。
図１に示したように、被接触面（スリップ検出対象面）１１と対向する基体１２の表面に２種類の凸部（突起）１３，１４を設け、これら凸部１３，１４が被接触面１１と接触するものとする。凸部１３と１４とは例えば表面の摩擦係数が異なるものであって、凸部１３は摩擦係数が小さく、滑りやすい凸部とされ、凸部１４は摩擦係数が大きく、滑りにくい凸部とされる。
ここで、基体１２と被接触面１１との間に加わる上下方向の荷重をＷ（Ｗは一定）、基体１２にスリップ（滑り）を生じさせる横方向の力をＦｔとし、凸部１３及び１４と被接触面１１との静止摩擦係数をそれぞれμＡ，μＢとすると、基体１２が被接触面１１に対し、スリップを始めるまでの間には以下の３つの状態（１）〜（３）が存在する。
【０００９】
（１）Ｆｔ≦μＡ・Ｗ ， Ｆｔ≦μＢ・Ｗ
（２）Ｆｔ＞μＡ・Ｗ ， Ｆｔ≦μＢ・Ｗ
（３）Ｆｔ＞μＡ・Ｗ ， Ｆｔ＞μＢ・Ｗ
（１）の状態は横方向の力Ｆｔが小さいため、スリップが発生していない状態であり、この状態では図１Ａに示したように凸部１３，１４は共にスリップせず、摩擦力によって変形している。
（２）の状態は横方向の力Ｆｔが大きくなったため、滑りやすい凸部１３が滑り始めた状態であり、この状態では図１Ｂに示したように滑りやすい凸部１３は滑って元の位置（横方向の力Ｆｔが加わっていない時の初期の位置）に戻る。
【００１０】
（３）の状態では基体１２全体が被接触面１１に対してスリップし始める。
この発明では基体１２が被接触面１１との静止摩擦力を失い、完全にスリップを始めるまでの間に、状態が上記のように（１）→（２）→（３）と変化し、基体１２全体がスリップする前の（２）の状態において滑りやすい凸部１３が滑りにくい凸部１４と異なる挙動を示すことを利用するものであり、つまり２種類の凸部１３，１４の変形状態を監視することによって、スリップの前兆を検出しようとするものである。
次に、このような原理のスリップセンサを自動車のタイヤに適用する場合について説明する。
【００１１】
図２Ａはタイヤトレッドに上述したような凸部１３，１４に対応して滑りやすいブロック２１と滑りにくいブロック２２とを設けた例を模式的に示したものであり、図中、２０はタイヤを示し、２５は路面を示す。
図２Ｂは摩擦係数の大きな路面２５′を走行中の状態を示したものであり、この状態ではブロック２１，２２は共に滑ることなく、摩擦力によって変形している。一方、図２Ｃは摩擦係数の小さな路面２５″を走行中の状態を示したものであり、この状態では滑りにくいブロック２２は滑ることなく、図２Ｂと同様、変形しているものの、滑りやすいブロック２１は滑って元の位置・形状に戻り、つまり変形が解消されている。なお、この図２Ｃの状態はタイヤ全体はスリップしておらず、よってこのようなブロック２１，２２の変形状態を監視することにより、タイヤ２０のスリップを事前に検出することができる。
【００１２】
ブロック２１，２２の変形状態の検出は例えば歪ゲージを各ブロック２１，２２に配設することによって行うことができる。図３はこの様子を示したものであり、この例ではブロック２１，２２に歪ゲージを埋設するものとなっている。
歪ゲージ３１はこの例では図３（３）に示したように四角柱状をなす柱体３２の４つの側面にそれぞれ配置され、この柱体３２が各ブロック２１，２２に図３（２）に示したように埋め込まれる。柱体３２の対向する側面に配置されている一対の歪ゲージ３１の出力は差動出力として取り出され、４つの歪ゲージ３１により各ブロック２１，２２の直交２軸方向の変形を検出することができるものとなっている。歪ゲージ３１には例えば抵抗線歪ゲージが用いられる。なお、柱体３２は埋め込まれるブロック２１もしくは２２と例えば同一材料で形成される。
【００１３】
滑りやすいブロック２１及び滑りにくいブロック２２は共にゴム製とされ、滑りやすいブロック２１は例えば硬いゴムとすることにより、一方滑りにくいブロック２２は柔らかいゴムとすることにより形成することができる。このようなゴムの硬さの調整は例えばゴムに混ぜるカーボンの量を調整すればよく、カーボンの量を多くすればゴムは硬くなる。
次に、上記のように歪ゲージ３１が配設されたブロック２１，２２を備え、タイヤ２０のスリップの前兆を検知するスリップセンサの全体構成について説明する。
図４はタイヤ２０を幅方向に切った断面を部分的に示したものであり、滑りやすいブロック２１の歪ゲージ３１にそれぞれ配線３３が施されてそれらが接続され、同様に滑りにくいブロック２２の歪ゲージ３１にそれぞれ配線３４が施されてそれらが接続され、それら配線３３，３４は送信部３５に接続される。
【００１４】
送信部３５はブロック２１，２２の各歪ゲージ３１からの出力を検出する検出回路と、その検出回路の出力を信号化／送信する回路とを具備するものとされ、この例ではタイヤ２０の内面に配置固定されている。一方、受信／処理部３６は車体側に設置され、送信部３５から送信された信号を受信して処理し、スリップの前兆を判断する。
図５は上記のような構成を有するスリップセンサをブロック図で示したものであり、図５では滑りやすいブロック２１に設けられた歪ゲージを３１Ａとし、滑りにくいブロック２２に設けられた歪ゲージを３１Ｂとして示している。
【００１５】
センサ／送信部３０は各ブロック２１，２２に設けられた歪ゲージ３１Ａ，３１Ｂと、歪ゲージ３１Ａからの出力を検出する検出回路３５Ａと、歪ゲージ３１Ｂからの出力を検出する検出回路３５Ｂと、それら検出回路３５Ａ，３５Ｂの出力を信号化／送信する信号化／送信回路３５Ｃとによって構成され、検出回路３５Ａ，３５Ｂ及び信号化／送信回路３５Ｃは図４における送信部３５内に構成されている。
受信／処理部３６は受信／復調回路３７と演算回路３８と電源供給部３９とよりなり、受信／復調回路３７は信号化／送信回路３５Ｃから送信された信号を受信して復調し、演算回路３８に出力する。
【００１６】
演算回路３８はブロック２１，２２毎の出力を平均化すると共に、それらを所定の閾値をもって判定し、ブロック２１，２２毎の平均化された出力からブロック２１，２２の変形状態（変形有無）を判断し、ブロック２２が変形し、ブロック２１が変形していない状態をスリップの前兆と判定して出力する。電源供給部３９はセンサ／受信部３０に電源を供給するものであり、この例では無線により所要の電力を供給するものとなっている。
なお、滑りやすいブロック２１と滑りにくいブロック２２とをタイヤトレッドに設け、それらの変形状態からスリップの前兆を判断するためには、極端に言えば（つまり、最小単位として）ブロック２１，２２を各１個（１組）設けるだけでもよいが、誤差を排除し、正確にスリップの前兆を検知するためには上述した例のように複数組設けるのが好ましい。
【００１７】
また、タイヤの接地状態をより高精度に把握するためには、例えば図６Ａ，Ｂに示したようにタイヤ２０の周方向の複数の領域２３にそれぞれ複数組のブロック２１，２２を設けるのが好ましい。図６Ａではブロック２１，２２を設ける領域２３を周方向９０°ピッチで４箇所とした例を示しており、この領域２３はタイヤ２０の踏面に対応する領域とされている。
さらに、タイヤ２０の接地状態をより詳細に把握するために、例えば図６Ｃに示したように領域２３をタイヤ２０の幅方向、中央と左右の３つの領域２３Ｃ，２３Ｌ，２３Ｒに分け、各領域毎にブロック２１，２２の、つまり歪ゲージ３１Ａ，３１Ｂの出力を平均化するようにしてもよく、このようにすればタイヤ２０の内外の接地状態の差も検知することができる。
【００１８】
上述した例ではブロック２１，２２の変形を検出する手段として歪ゲージ３１を用いているが、変形を検出する手段としてはこれに限らず、例えば変位センサ等を用いることも可能である。また、センサ／送信部３０に対する電力供給は無線によって行われるものとなっているが、例えばスリップリング等を使用し、有線で供給するようにしてもよい。
以上、この発明によるスリップセンサの一実施例として、タイヤに適用した構成について説明したが、次にこの発明によるスリップセンサの他の実施例として、例えばロボットの手（把持部）等に配置されて用いることができるスリップセンサの構成について説明する。
【００１９】
図７Ａはロボットの手にスリップセンサが配置された例を示したものであり、図中、４１はロボットの手を示し、４２は手４１に把持された物（物体）を示す。この例ではロボットの指先に小型のスリップセンサ５０が取り付けられ、スリップセンサ５０はこの例では親指４１Ａと人差し指４１Ｂの２箇所に取り付けられている。なお、図７Ａではスリップセンサ５０を簡略化して示している。
スリップセンサ５０は方形薄型のブロック状とされ、その表面に格子状に配列された多数のセンサ部６１を有するものとされる。これらセンサ部６１は図７Ｂに示したように基板６０に形成されており、各センサ部６１は基板６０と一体形成された片持ち梁６２を備えている。基板６０はこの例では単結晶シリコン基板とされている。
【００２０】
各片持ち梁６２の自由端側表面には膜６３もしくは６４が形成されており、膜６３は摩擦係数が小さく、滑りやすい膜とされ、一方、膜６４は摩擦係数が大きく、滑りにくい膜とされる。この例ではこれら膜６３，６４が各片持ち梁６２に交互に形成され、つまり膜６３を有するセンサ部６１と膜６４を有するセンサ部６１とが交互に配列されたものとなっている。
滑りやすい膜６３は例えばニッケルや金等の金属膜とされ、滑りにくい膜６４は例えばシリコーンゴム等よりなるものとされる。なお、これら膜６３，６４は図７Ｂに示したように基板６０の表面上に突出し、相手方被接触面と接触するものとされる。
【００２１】
各片持ち梁６２の固定端側表面にはピエゾ抵抗層６５が形成されている。膜６３，６４が被接触面と接触し、その摩擦力によって片持ち梁６２がたわむ（変形する）と、その応力によってピエゾ抵抗層６５の抵抗が変化する。従って、ピエゾ抵抗層６５の抵抗変化を検出することによって各片持ち梁６２の変形を検出することができ、例えば滑りにくい膜６４が形成されている片持ち梁６２が変形し、滑りやすい膜６３が形成されている片持ち梁６２が変形していない状態をもってスリップの前兆を検出することができる。
センサ部６１が形成されている基板６０は図７Ｂに示したように回路基板７１上に搭載固定されており、この例では回路基板７１に各ピエゾ抵抗層６５の抵抗検出及びその検出結果を処理してスリップの前兆を判断する機能を有するＩＣ素子７２が実装されている。なお、図７Ｂでは配線の詳細図示は省略している。また、７３は保護用の封止樹脂を示す。
【００２２】
上記のような構成を有するスリップセンサ５０をロボットの指先等の把持する部分に配置すれば、滑りを検出することで被運搬物の落下を防止することができる。また、滑りを検出することでより精密な制御を行うことができ、例えば把持力を制御することにより対象物を傷つけないようできるだけ小さな力でつかむことができる。また、滑る前兆を検出したら把持力を大きくするあるいはもう一方の手を添える等の制御が可能となる。なお、図７Ａにおいて、５１は各スリップセンサ５０からの配線を示し、５２は各スリップセンサ５０からの信号を処理する演算回路を示す。また、５３はロボット制御用のコンピュータを示す。
【００２３】
次に、上記のような構成を有するスリップセンサ５０のセンサ部６１の作製方法について説明する。図８Ａは作製方法を工程順に示したものであり、以下各工程（１）〜（７）について説明する。なお、図８Ａは１個のセンサ部６１について示している。
（１）シリコンウエハ８１を用意する。
（２）シリコンウエハ８１の一面（裏面）８１ｂに方形枠状のマスク８２を形成する。
（３）マスク８２から露出している部分をＫＯＨ等のエッチング液を用いて異方性エッチングし、凹部８３を形成した後、マスク８２を除去する。凹部８３の底面にはダイアフラム８４が形成される。なお、この工程（３）以降の図は工程（２）の図中に示した一点鎖線部分で切った形状として示している。
【００２４】
（４）シリコンウエハ８１の他面（表面）８１ａに膜６３（６４）及びピエゾ抵抗層６５を形成する領域を規定するマスク８５を形成する。
（５）不純物拡散によりピエゾ抵抗層６５を形成し、さらに膜６３もしくは６４を形成した後、マスク８５を除去する。摩擦係数の小さい膜６３は例えばニッケルや金等をスパッタリングすることによって形成し、摩擦係数の大きい膜６４は例えばシリコーンゴム等を印刷塗布することによって形成する。
（６）片持ち梁６２の形状を規定するマスク８６を形成する。
【００２５】
（７）マスク８６から露出している部分をエッチングして片持ち梁６２を形成した後、マスク８６を除去する。これにより図８Ｂに示したような構造を有するセンサ部６１が完成する。
図７に示したスリップセンサ５０ではセンサ部６１の片持ち梁６２は基板６０の表面と同一面内に位置し、被接触面と接触する膜６３，６４が基板６０の表面上に突出した構造となっているが、被接触面とのスリップ状態の検出をより検出しやすくするため、片持ち梁６２を図９に示したように若干反り返らした形状としてもよい。
【００２６】
図９Ａは基板６０に片持ち梁６２がエッチングによって形成された状態を示したものであり、図中、６０Ａは単結晶シリコン基板を示し、６０Ｂはポリシリコン膜を示す。
ポリシリコン膜６０Ｂ上にニッケルや金等の金属膜６３′を形成すると、ポリシリコン膜６０Ｂと金属膜６３′の熱膨張係数の違いにより図９Ｂに示したように片持ち梁６２に反りが生じる。この状態で金属膜６３′は図７Ｂにおける滑りやすい膜６３と対応し、つまり片持ち梁６２が反り返えると共に、被接触面と接触する滑りやすい膜が形成されたことになる。
【００２７】
図９Ｃは図９Ｂの状態に対し、片持ち梁６２の先端にシリコーンゴム等よりなる滑りにくい膜６４を形成したものであり、この例ではこれら図９Ｂ，Ｃに示したように片持ち梁６２が反り返った構造のセンサ部６１が形成され、このような構造を採用することにより膜６３′，６４が被接触面と良好に接触（圧接）すると共に、摩擦力による片持ち梁６２の変形がより良好に生じやすいものとなる。
上述した実施例では滑りやすさの異なる凸部（ブロック）や膜をいずれも材質を選定し、表面の摩擦係数が異なるものとしているが、例えば表面の形状や面粗さを変えることによって滑りやすさの異なる凸部や膜を形成することもできる。
【００２８】
図１０（２）は図１０（１）に示したタイヤ２０の例えばゴムの硬さを変えることによって形成した滑りやすいブロック２１及び滑りにくいブロック２２に対し、表面の形状を変えることによって滑りやすさの異なるブロックを形成する例を示したものであり、図１０（２）Ａに示したブロック２１′は角部を丸めることにより滑りやすくしたものであり、図１０（２）Ｂ，Ｃに示したブロック２２′及び２２″は角に鋭角部を設けて滑りにくくしたものである。
一方、図１１（２）Ａに示した膜６４′は図１１（１）に示した材質を変えることによって形成した滑りやすい膜６３、滑りにくい膜６４に対し、表面の面粗さを変えることにより（大きくすることにより）滑りやすい膜６３に対して滑りにくい膜６４′を形成する例を示したものである。なお、図１１（２）Ｂに示したように角に鋭角部を設けて滑りにくい膜６４″とすることもできる。
【００２９】
以上、滑りやすさの異なる２種類の凸部（ブロック）や膜を備えるスリップセンサについて説明したが、滑りやすさの異なる凸部や膜は２種類に限らず、例えば３種類以上設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明によるスリップセンサの原理を説明するための図。
【図２】この発明をタイヤに適用した場合の滑りやすさの異なるブロック（凸部）の変形状態を説明するための図。
【図３】この発明をタイヤに適用した場合のブロックの変形を検出する手段を説明するための図。
【図４】この発明によるスリップセンサタイヤに適用した実施例を説明するための図。
【図５】図４に示した実施例のブロック図。
【図６】滑りやすさの異なるブロックのタイヤへの配置例を説明するための図。
【図７】ロボットの指先等に配置することができるこの発明によるスリップセンサの実施例を説明するための図。
【図８】図７に示したスリップセンサの作製方法を説明するための図。
【図９】図７に示したスリップセンサにおけるセンサ部の他の構成例を説明するための図。
【図１０】図４に示したスリップセンサにおけるブロックの他の構成例を説明するための図。
【図１１】図７に示したスリップセンサにおけるセンサ部の膜の他の構成例を説明するための図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接触面と接する基体の表面に配列されて被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる凸部と、
それら各凸部の変形を検出する変形検出手段と、
その変形検出手段で検出された上記各凸部の変形から上記基体と上記被接触面とのスリップの前兆を判断する手段とを具備することを特徴とするスリップセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のスリップセンサにおいて、
上記滑りやすさの異なる凸部は上記被接触面と接触する表面の摩擦係数が互いに異なるものとされていることを特徴とするスリップセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のスリップセンサにおいて、
上記滑りやすさの異なる凸部は上記被接触面と接触する表面の形状が互いに異なるものとされていることを特徴とするスリップセンサ。
【請求項４】
基板表面に、その基板と一体形成されて格子状に配列された片持ち梁と、
それら各片持ち梁の自由端側表面に形成されて上記基板表面上に突出して配列され、被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる膜と、
上記各片持ち梁の変形を検出する変形検出手段と、
その変形検出手段で検出された上記各片持ち梁の変形から上記基板と上記被接触面とのスリップの前兆を判断する手段とを具備することを特徴とするスリップセンサ。
【請求項５】
請求項４記載のスリップセンサにおいて、
上記滑りやすさの異なる膜は上記被接触面と接触する表面の摩擦係数が互いに異なるものとされていることを特徴とするスリップセンサ。
【請求項６】
請求項４記載のスリップセンサにおいて、
上記滑りやすさの異なる膜は上記被接触面と接触する表面の面粗さが互いに異なるものとされていることを特徴とするスリップセンサ。
【請求項７】
請求項４記載のスリップセンサにおいて、
上記変形検出手段が上記各片持ち梁の固定端側に形成されたピエゾ抵抗層よりなることを特徴とするスリップセンサ。
【請求項１】
被接触面と接する基体の表面に配列されて被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる凸部と、
それら各凸部の変形を検出する変形検出手段と、
その変形検出手段で検出された上記各凸部の変形から上記基体と上記被接触面とのスリップの前兆を判断する手段とを具備することを特徴とするスリップセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のスリップセンサにおいて、
上記滑りやすさの異なる凸部は上記被接触面と接触する表面の摩擦係数が互いに異なるものとされていることを特徴とするスリップセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のスリップセンサにおいて、
上記滑りやすさの異なる凸部は上記被接触面と接触する表面の形状が互いに異なるものとされていることを特徴とするスリップセンサ。
【請求項４】
基板表面に、その基板と一体形成されて格子状に配列された片持ち梁と、
それら各片持ち梁の自由端側表面に形成されて上記基板表面上に突出して配列され、被接触面と接触する少なくとも２種類の滑りやすさの異なる膜と、
上記各片持ち梁の変形を検出する変形検出手段と、
その変形検出手段で検出された上記各片持ち梁の変形から上記基板と上記被接触面とのスリップの前兆を判断する手段とを具備することを特徴とするスリップセンサ。
【請求項５】
請求項４記載のスリップセンサにおいて、
上記滑りやすさの異なる膜は上記被接触面と接触する表面の摩擦係数が互いに異なるものとされていることを特徴とするスリップセンサ。
【請求項６】
請求項４記載のスリップセンサにおいて、
上記滑りやすさの異なる膜は上記被接触面と接触する表面の面粗さが互いに異なるものとされていることを特徴とするスリップセンサ。
【請求項７】
請求項４記載のスリップセンサにおいて、
上記変形検出手段が上記各片持ち梁の固定端側に形成されたピエゾ抵抗層よりなることを特徴とするスリップセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−１３３０８６（Ｐ２００６−１３３０８６Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２２７２８（Ｐ２００４−３２２７２８）
【出願日】平成１６年１１月５日（２００４．１１．５）
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月５日（２００４．１１．５）
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
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