JP2003057003A

JP2003057003A - 曲げ角度・力検出器

Info

Publication number: JP2003057003A
Application number: JP2001287848A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Oshie; 直正押柄; Seiji Toda; 成二戸田; Masayuki Miki; 正之三木
Original assignee: RIBEKKUSU KK; Levex Corp
Current assignee: RIBEKKUSU KK; Levex Corp
Priority date: 2001-08-18
Filing date: 2001-08-18
Publication date: 2003-02-26

Abstract

(57)【要約】【目的】構造が簡単で小型化も容易な曲げ角度・力検
出器で、温度条件の厳しい場所にも対応が容易で、外部
磁気による出力の変動が少なく、製造も簡単な検出器を
提供する。【構成】曲げ角度・力が、導電体（２）または磁性体
との重合部または形状変化で捉えられるように配置され
たコイル（１）に、周期的にパルス状の電圧を印加し、
コンデンサ（４）の充電、または放電を行なわせ、その
放電時の電圧がコンパレータ（５）のしきい値を超える
までの時間を電圧に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、曲げ角度に応じた電圧
または電流を出力させる場合とか、角度変位を感知して
所定の位置にあるかどうかを判定して、スイッチ出力を
発生させるよな場合とか、曲げ力に応じて電圧、電流、
スイッチ出力等を発生させる用途に使用する曲げ角度ま
たは曲げ力検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の曲げ角度・曲げ力検出器は、回転
位置検出用のポテンショメータ、差動トランスまたは歪
ゲージ等が用いられるが、ポテンショメータは摺動型の
ため摺動部が磨耗し長期間の使用に問題があり、差動ト
ランスは通常３個以上のコイルを使用するため形状が複
雑で、外形も大きく取り付ける場所に制限があり、歪ゲ
ージは接着部が存在するため鋭敏で取扱に細心の注意が
必要であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】差動トランスの場合、
温度補償も兼ねて差動結合させるため、２個の検出コイ
ルは同軸上に配置されるので、全長は検出距離の２倍以
上の長さを必要とし、また励磁コイルを含め、計３個の
コイルを使用するため小型化に適さず、小型機器や設置
スペースの狭いところでは形状的制約を受けるという問
題点があり、計測原理から位置計測のため磁性体を使用
するので、外部磁気の影響を受け易いという問題点があ
り、歪ゲージは素線が非常に細いため取扱が困難で、振
動とか経年変化で接着部が剥離して使用できなくなる等
の問題があった。

【０００４】本発明は従来の計測方法の問題点に鑑み、
小型で非接触または摺動部を無くし、温度変化や外部磁
気の影響による出力の変化も少なく、構造が簡単な曲げ
角度・力検出器を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の曲げ角度・力検出器は、図１または図１１に示
すように、コイルと導電体（または磁性体）よりなる変
位検出部と、抵抗、コンデンサ、コンパレータまたは固
定周波数パルス発振器と、電圧トリガー部と周期電圧変
換部（２１）等により構成される。

【０００６】本曲げ角度・力検出器には、図３〜５のよ
うに曲げ角度に応じてコイルが固定で導電体（または磁
性体）が撓む形、図６〜８のようにコイルと導電体（ま
たは磁性体）が撓む形、図９のように導電体（または磁
性体）を固定しコイルが撓む形がある。

【０００７】また、コイルと導電体（または磁性体）の
相対位置は、コイル内部を導電体（または磁性体）が通
過するもの、コイル外部を導電体（または磁性体）が通
過するもの、コイル側面を導電体（または磁性体）が通
過するもの、コイル近傍で導電体（または磁性体）の形
状が変化するものがある。

【０００８】ここでは、コイルのインダクタンス変化を
捉える回路として、図１と図１１のように２種類の回路
を示した。何れの方式もコイルのインダクタンス変化を
時間の変化で捉えるという考え方は同じであるが、コイ
ルに印加する発振回路と、取り出し時間（デューティ）
位置が異なる。

【０００９】上記パルス出力回路に用いるコンパレータ
は、反転出力の比較器であり、入力電圧が低電圧から上
昇するときは、しきい値を超えるまでハイレベルを出力
し、しきい値を超えるとローレベルを出力する。また、
入力電圧が高電圧側から下降するときは、しきい値を超
えるまではローレベルを出力し、しきい値を超えるとハ
イレベルを出力する。また、しきい値にヒステリシスを
持たせることにより、安定して連続発振を続けさせるこ
とができる。具体的には、コンパレータの他にオペアン
プや論理素子のシュミットインバータなどが利用でき
る。

【００１０】上記パルス出力部に用いる固定周波数パル
ス発信器とフリップフロップ回路並びにコンパレータを
用いた回路で、パルスの出力タイミングを操作すること
で、ハードウエアのみで温度補償特性の調整とか、直線
性向上のために利用することも出来る。

【００１１】周期電圧変換部（２１）は、コンデンサの
放電の過渡状態をコンパレータのしきい値で判定するこ
とにより得られる時間を電圧に変換する部分である。

【００１２】出力変換部は被検出物の変位に対応した電
圧、または電流を出力するか、予め指定した位置に対し
て被検出物がどちら側にあるかを比較・判定してスイッ
チ出力を発生させるものである。

【００１３】

【作用】この曲げ角度・力検出器において、コンパレー
タよりコイルにパルス状の電圧を印加すると、被検出物
である導電体（または磁性体）とコイルが重合する量に
応じてコイルのインダクタンスが変化し、これに応じて
コンパレータ入力部の電圧が変化する。

【００１４】このインダクタンスの変化は導電体をコイ
ルに挿入する場合は、コイルより発生する磁束により導
電体表面に渦電流が発生し、それが損失となりインダク
タンスを減少させる方向に働き、磁性体を挿入する場合
は磁性体がコイルより発する磁束を集中させる働きをし
てインダクタンスを増加させる。

【００１５】また、導電性の磁性体の場合は、それぞれ
相反する特性を兼ね備えるため、インダクタンスが増加
するか減少するかは影響の強いほうの特性で決まる。

【００１６】図１０はヒステリシスを有するコンパレー
タを用いて連続発振させるブロック図を示し、図１２は
コンパレータよりコイルにパルス状の電圧を印加する
と、コイルのインダクタンスと、抵抗、コンデンサによ
って決まる時定数でコンデンサに電荷が充電される様子
を示す。

【００１７】コンデンサの充電される側の極は、コンパ
レータの入力側にも接続されているので、コンパレータ
のしきい値を超えて電圧が上昇すると、図１０のよう
に、コンパレータの出力が０Ｖ（ボルト）またはグラン
ドに反転し、コンデンサは放電を始める。この時、コイ
ルのインダクタンスと、抵抗、コンデンサにより決まる
時定数でコンデンサは電荷を放電する。

【００１８】この放電電圧が、コンパレータのしきい値
を超えて下降すると、コンパレータの出力はハイレベル
に変化するので連続して発振を続け、ハイレベルになる
までの時間（図１０の周期Ｔｄ）を電圧等に変換して出
力とする。

【００１９】また、コンパレータのしきい値にヒステリ
シスが無い場合も、コイルの逆起電力によるオーバーシ
ュートにより発振を維持できる可能性があるが、不安定
なため、コンパレータのしきい値にヒステリシスを設
け、図１１に示す電位差（Ｖ_ＨとＶ_Ｌの差）ΔＶを十分
に確保して、安定して発振させることが重要である。

【００２０】次にコンデンサへの充・放電の電圧変化を
観測し、それを電圧に変換し出力とする方法について述
べる。

【００２１】連続して発振しているコンパレータの出力
電圧反転のタイミングにあわせて、一定時間幅を有する
矩形波Ｔｃを生成し、その矩形波の実効値をとること
で、出力となる電圧を生成できる。

【００２２】このような出力電圧の生成方法では、コン
パレータの出力周期をＴとすると、出力電圧はＴｃ／Ｔ
となり、実効値を求めるときに周期Ｔの方が変化するた
め、コイルのインダクタンスと出力電圧の比例関係が損
なわれる。

【００２３】そこで、別途固定パルス発振回路を追加
し、周期Ｔで動作するクロックの立ち上がりから、コン
パレータの出力が反転する間、コイルにパルス状の電圧
を印加し、コンデンサの放電時にコンパレータのしきい
値を通過するときの信号を基準に矩形波を生成し、この
ときの時間Ｔｄを実効値に取ると、出力はＴｄ／Ｔとな
り、周期Ｔが一定なので、インダクタンスの変化に比例
した出力を得ることができる。

【００２４】この方式は周期Ｔ内で複数回のパルスを出
力しても効果は同様で、コイル等の形状上の制約によ
り、インダクタンスが小さく得られる出力が少ない場合
は、クロックの１周期内に複数回のパルス電圧を出力し
て時間をかせぐことにより、安定した出力を得ることが
できる。

【００２５】その他の電圧変換の方法として、コンデン
サの放電時にコンパレータのしきい値を通過するまでの
時間を計測し、その時間に比例した電圧を出力する方法
も容易に考えられる。

【００２６】さらに、本曲げ角度・力検出器は、コイル
を空心コイルとし、被検出物を非磁性の導電体とするこ
とにより、直流磁気に反応しない材料で構成することも
可能なため、外部の直流磁気の影響を受けないものが構
成でき、また交流磁気に対しては小径のコイルを用いる
ことで、影響を少なくすることができる。

【００２７】

【実施例】図１において，被検出物に導電体（２）また
は磁性体を用い、位置の変化とともにコイル（１）との
重合部が変化するように配置することで、変位検出部を
構成させ、コイル（１）の一端に抵抗（６）、バッファ
（７）、フリップフロップ回路（８）、固定周波数パル
ス発信器（９）を接続し、コイル（１）の他端にヒステ
リシスを有するしきい値を備えた反転出力のコンパレー
タ（５）を接続し、その端部はフリップフロップ回路
（８）のリセット部に接続し、コイル（１）とこのコン
パレータ（５）間にコンデンサ（４）を接続し、その端
部は０Ｖまたはグランド（３）に接地する。

【００２８】さらに、固定周波数パルス発振器（９）よ
り固定周波数パルスを発生させ、コイル（１）のインダ
クタンス変化に応じてヒステリシスを有するしきい値を
備えた反転出力のコンパレータ（５）の出力電圧が規定
上限電圧Ｖ_Ｈに達するとフリップフロップ回路のリセッ
ト回路が働いてコイル（１）とコンパレータ（５）の電
圧がディスチャージされ、この電圧が規定下限電圧Ｖ_Ｌ
に達する瞬間にトリガーをかけて、固定周波数パルス発
振時から規定下限電圧Ｖ_Ｌに達するまでの時間Ｔｄを計
測する。

【００２９】曲げ角度検出部の機構を図２に示す。被曲
げ角度測定物（１１）が曲がっていないときの距離をＬ
とすると、被曲げ角度測定物（１１）が曲がったとき、
角度Ｃに対応した分だけ被曲げ角度測定物（１１）の外
周距離が伸びるため、この伸び分を可撓性の導電体
（２）または磁性体に伝え、コイル（１）と可撓性の導
電体（２）または磁性体間の、渦電流損およびインダク
タンス変化に変換させる。

【００３０】被曲げ角度測定物（１１）の曲がりによっ
て、可撓性の導電体（２）または磁性体が変形または移
動し、コイル（１）にインダクタンス変化を与える構造
は様々なものがあり、その例を図３〜９に示す。

【００３１】図４Ａ，Ｂでは可撓性の導電体（２）また
は磁性体は、十分内径の大きなコイル（１）内に設置さ
れ、外力が働くと被曲げ角度測定物（１１）の曲がりに
応じて可撓性の導電体（２）または磁性体のみが曲が
る。

【００３２】図５Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄでは可撓性の導電体
（２）または磁性体は、コイル（１）近傍に設置され、
外力が働くと被曲げ角度測定物（１１）の曲がりに応じ
て可撓性の導電体（２）または磁性体のみが曲がる。

【００３３】図６〜９では、被曲げ角度測定物（１１）
が曲がったとき、これに対応してコイル（１）が変形
し、コイル（１）外周の素線部が開き、コイル（１）の
インダクタンスの変化量を測定して曲げ角度・力を検出
する。

【００３４】図８Ａ、Ｂでは可撓性の導電体（２）また
は磁性体は、コイル（１）内に設置され、外力が働く
と、被曲げ角度測定物（１１）の曲がりに応じて可撓性
の導電体（２）または磁性体とコイル（１）が共に曲が
り、コイル（１）外周の素線部が開いてインダクタンス
が変化する。

【００３５】図９Ａ、Ｂでは導電体（２）または磁性体
は、内径が十分大きなコイル（１）内に設置され、外力
が働くと、被曲げ角度測定物（１１）の曲がりに応じて
コイル（１）のみが曲がる。

【００３６】図１３は，手袋に複数の曲げ角度・曲げ力
検出器を取り付けた状態で、検出器の構造が単純で、検
出器全体の外径も小さいため、全ての指とか関節の曲が
りを検出することも容易である。

【００３７】曲げ角度・力検出器を取り付ける被曲げ角
度測定物（１１）は、動物とか人間だけでなく、ロボッ
トとかファクトリーオートメーション用の様々な産業機
械、事務機械等の動作確認用にも用いることが出来る。

【００３８】

【発明の効果】本発明は、前述のように曲げ角度・力
が、小形で単純な構造で検出できるため、以下に記載さ
れるような効果を呈する。

【００３９】曲げ角度・力検出部が１つのコイルと１つ
の導電体（または磁性体）のみで構成されるため、差動
変圧器やレゾルバのように、複数のコイル間の相対位置
が厳密に定められ機構と比較して、外径、全長等を小さ
く出来るので、従来形状的に困難であった様々な場所に
用いることができる。

【００４０】検出器が非常に小さいので、衣服とか手袋
に付けることも容易で、人間の動きを簡単に電気信号に
変換できるため、人間の動作モニターまたは人間の動作
を利用した電子機器への入力装置として利用することが
できる。

【００４１】検出部がコイルと導電体（または磁性体）
のみで構成できるので、コイルと導電体（または磁性
体）の高（低）温化対策が容易で、使用温度条件の厳し
い場所にも設置できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】曲げ角度・力検出器の全体ブロック図である。

【図２】被測定物を曲げた場合に寸法が変化する様子を
示した図である。

【図３Ａ，Ｂ】導電体（または磁性体）が曲がりによっ
て、コイル内を動く場合の曲げ角度・力検出器。

【図４Ａ，Ｂ】導電体（または磁性体）が曲がりによっ
て、コイル内で曲がる場合の曲げ角度・力検出器。

【図５Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ】導電体（または磁性体）が曲が
りによって、コイル近傍でコイルに平行または角度を付
けて動く場合の曲げ角度・力検出器。

【図６Ａ，Ｂ】導電体（または磁性体）にコイル外周の
一端が接続され、曲がりによってコイル素線間が開く場
合の曲げ角度・力検出器。

【図７Ａ，Ｂ】導電体（または磁性体）内にコイルが挿
入されて、曲がりによってコイルが滑動する場合の曲げ
角度・力検出器。

【図８Ａ，Ｂ】コイル内に導電体（または磁性体）が挿
入されて、曲がりによってコイルが滑動する場合の曲げ
角度・力検出器。

【図９Ａ，Ｂ】内径の十分大きなコイル内に導電体（ま
たは磁性体）を挿入し、導電体（または磁性体）は固定
され、コイルが曲がりによって変形する場合の曲げ角度
・力検出器。

【図１０】図１のブロック図のタイミングチャートであ
る。

【図１１】図１と発振方法を変えた曲げ角度・力検出器
の全体ブロック図である。

【図１２】図１１のブロック図のタイミングチャートで
ある。

【図１３】手袋に複数の曲げ角度・力検出器を付けた概
念図。

【符号の説明】

１コイル２導電体（または磁性体）３接地部４コンデンサ５ヒステリシスを有するしきい値を備えた反転出
力のコンパレータ６抵抗７バッファ８フリップフロップ素子９固定周波数パルス発信器１０重合距離１１被曲げ角度（または力）測定物１２ボビン１３コイル側固定部１４導電体側固定部１５曲げ角度１６外力１７コイル素線間隙間１８コイルと導電体間固定部１９コイルカバー２０引出ケーブル２１発振周期電圧変換部２２出力変換部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三木正之京都府長岡京市神足１丁目11番16号株式会社リベックス内Ｆターム(参考） 2F063 AA33 BA22 BA29 CA34 DA05 GA04 GA08 KA01 LA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コイル（１）と、コイル（１）の内周（ま
たは外周、または側面）に可撓性の導電体（２）または
磁性体を設置し、コイル（１）と導電体（２）または磁
性体の一部分を被曲げ角度測定物（１１）に結合し、被
曲げ角度測定物（１１）が曲がると、これに固定された
可撓性の導電体（２）または磁性体が曲がり、曲げ角度
に応じてコイル（１）内周（または外周または側面）を
可撓性の導電体（２）または磁性体が移動した時、コイ
ル（１）と可撓性の導電体（２）または磁性体間の重合
距離（１０）または重合面積が変化するように構成し、
このコイル（１）に周期的に矩形波を印加すると、曲げ
角度に応じて重合距離（１０）または重合面積が変化す
るため、コイル（１）と可撓性の導電体（２）または磁
性体間の渦電流損およびインダクタンスが変化して、矩
形波の減衰状態が変化するので、この矩形波の減衰状態
を観測して曲げ角度を検出できるように構成した曲げ角
度検出器。
【請求項２】１つのコイル（１）近傍に可撓性の導電
体（２）または磁性体を設置し、導電体（２）または磁
性体の一部分を被曲げ角度測定物（１１）に結合し、被
曲げ角度測定物（１１）が曲がると、これに接続された
可撓性の導電体（２）または磁性体が曲がり、このコイ
ル（１）に周期的に矩形波を印加すると、曲げ角度に応
じて、コイル（１）のインダクタンスおよびコイル
（１）と導電体（２）または磁性体間の渦電流損による
インダクタンス変化によって、矩形波の減衰状態が変化
し、この矩形波の減衰状態を観測して曲げ角度を検出で
きるように構成した曲げ角度検出器。
【請求項３】内径が導電体（２）または磁性体の外径
より十分大きなコイル（１）の内周部に可撓性の導電体
（２）または磁性体を通し、被曲げ角度測定物（１１）
が曲がると、これに接続された可撓性の導電体（２）ま
たは磁性体も曲がり、このコイル（１）に周期的に矩形
波を印加すると、曲げ角度に応じて、コイル（１）のイ
ンダクタンスおよびコイル（１）と導電体（２）または
磁性体間の渦電流損によるインダクタンス変化によっ
て、矩形波の減衰状態が変化し、この矩形波の減衰状態
を観測して曲げ角度を検出できるように構成した曲げ角
度検出器。
【請求項４】可撓性の導電体（２）または磁性体にコ
イル（１）を接合し、この導電体（２）または磁性体を
被曲げ角度測定物（１１）に接合し、被曲げ角度測定物
（１１）が曲がると、これに接続された可撓性の導電体
（２）または磁性体が曲がり、この可撓性の導電体
（２）または磁性体が曲がることでコイル（１）も曲が
り、このコイル（１）外周のコイル素線間の密着度（１
７）が変化し、このコイル（１）に周期的に矩形波を印
加すると、曲げ角度に応じて、コイル（１）のインダク
タンスおよびコイル（１）と導電体（２）または磁性体
間の渦電流損によるインダクタンス変化によって、矩形
波の減衰状態が変化し、この矩形波の減衰状態を観測し
て曲げ角度を検出できるように構成した曲げ角度検出
器。
【請求項５】内径が導電体（２）または磁性体の外径
より十分大きな可撓性のコイル（１）の内周部に導電体
（２）または磁性体を通し、被曲げ角度測定物（１１）
が曲がると、これに接続された可撓性のコイル（１）が
曲がり、このコイル（１）外周のコイル素線間の密着度
（１７）が変化し、このコイル（１）に周期的に矩形波
を印加すると、曲げ角度に応じて、コイル（１）のイン
ダクタンスおよびコイル（１）と導電体（２）または磁
性体間の渦電流損によるインダクタンス変化によって、
矩形波の減衰状態が変化し、この矩形波の減衰状態を観
測して曲げ角度を検出できるように構成した曲げ角度検
出器。
【請求項６】請求項１〜５の曲げ角度検出器におい
て、コイル（１）の一端に抵抗（６）、バッファ
（７）、フリップフロップ素子（８）、固定周波数パル
ス発振器（９）を接続し、コイル（１）の他端にヒステ
リシスを有するしきい値を備えたコンパレータ（５）を
接続し、その端部はフリップフロップ回路（８）のリセ
ット部に接続し、コイル（１）とコンパレータ（５）間
にコンデンサ（４）を接続し，その端部はグランド
（３）に接地させ、被曲げ角度検出物（１１）の曲げ角
度に応じてコイル（１）の外周部（または内周部）を移
動（または形状変化）する導電体（２）または磁性体を
設け、コイル（１）と導電体（２）または磁性体との距
離、または重合距離（１０）、または重合面積に応じて
コイル（１）のインダクタンスが変化するように構成
し、固定周波数パルス発振器（９）より固定周波数パル
スを発生させ、コイル（１）のインダクタンス変化に応
じてヒステリシスを有するしきい値を備えたコンパレー
タ（５）の入力電圧が規定上限電圧Ｖ_Ｈに達すると、フ
リップフロップ素子へのリセット回路が働き、バッファ
（７）の出力がグランドレベルになるため、コイル
（１）とコンパレータ（５）間の電圧がディスチャージ
され、この電圧が規定下限電圧Ｖ_Ｌに達するとトリガー
を働かせて時間を固定し、この固定周波数パルス立ち上
がり時時から規定下限電圧Ｖ_Ｌに達するまでの時間Ｔ_ｄ
を計測し、この時間を曲げ角度として検出する曲げ角度
検出器。
【請求項７】請求項１〜５の曲げ角度検出器において、
コイル（１）の一端に抵抗（６）、コンデンサ（４）を
接続し、コイル（１）の他端に発振周期電圧変換部を接
続し、抵抗（６）とコンデンサ（４）の間と発振周期電
圧変換部（２１）の間にヒステリシスを有するしきい値
を備えた反転出力のコンパレータ（５）を接続して、ヒ
ステリシスを有するしきい値を備えたコンパレータ
（５）の出力を発振させ、被曲げ角度検出物（１１）の
曲げ角に応じてコイル（１）の外周部（または内周部）
を移動（または形状変化）する導電体（２）または磁性
体を設け、コイル（１）と導電体（２）または磁性体の
重合距離（１０）、またはコイル（１）と導電体（２）
間の距離に応じてコイル（１）のインダクタンスが変化
するように構成したとき、コイル（１）と抵抗（６）を
合せたインピーダンスが変化するため、コンデンサ
（４）の充・放電の時間が変化し、それによりコンパレ
ータ（５）の出力の発振周期が変化するので、その周期
を観測し、この周期の変化を曲げ角度として検出する曲
げ角度検出器。
【請求項８】請求項１〜７の曲げ角度検出器におい
て、可撓性の導電体（２）または磁性体に剛性を持た
せ、可撓性の導電体（２）または磁性体に作用する力に
応じて、可撓性の導電体（２）または磁性体の曲げ角度
が変わることを利用して曲げ力を検出する曲げ力検出
器。
【請求項９】請求項１から８の曲げ角度・力検出器を
用い、曲げ角度・力検出器を衣服、手袋、靴、帽子、サ
ポータ等の着衣またはカバーに接続し、これを動物また
は人間または動きのある構造物に付けて、動物または人
間または動きのある構造物の曲げ動作または曲げ力を、
検出できるように構成した曲げ角度・力検出器。