JP2005221510A - 張力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性及び汎用性に富み、且つ高い精度で張力を測定することが可能な張力センサを提供する。
【解決手段】 光４を発する発光素子１と、光４の進行方向と略直交し、光４の少なくとも一部を遮断するように配置され、張力に応じて伸縮することにより光４の遮断量を変化させるバネ２と、バネ２を介して発光素子１に対向配置され、バネ２を通過した光４を受光する受光素子３とを設け、バネ２の伸縮により変化する光４の受光量に基づいて張力の値を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、張力を検出し、その値や方向を測定する張力センサに関する。

ワイヤ等の張力を測定するための張力センサには多くの種類が存在し、さらなる改良が加えられている。

このような張力センサの一例としては、センサ本体、ワイヤ、アーム、前記のセンサ本体とワイヤとの摩擦を軽減するためのプーリー、ワイヤの張力に応じて生じたセンサ本体のたわみを測定するストレインゲージ等を備えるものが挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。
「ワイヤー張力センサの試作とその応用」（http://www.sys.es.osaka-u.ac.jp/paper/B2000/kamisima/）

しかしながら、上記のような張力センサには以下に示すような解決すべき課題が存在する。
まず、従来の張力センサには装置自体が比較的大型となる傾向があり、使用用途が限定されてしまう場合がある。
また、構造が複雑であり、これによる故障等の可能性もある。
さらには、測定精度の向上も要望されている。

このような事情に鑑み本発明は、耐久性及び汎用性に富み、且つ高い精度で張力を測定することが可能な張力センサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、光を発する発光手段と、光の進行方向と略直交し、光の少なくとも一部を遮断するように配置され、張力に応じて伸縮することにより光の遮断量を変化させる遮断量変化手段と、遮断量変化手段を介して発光手段に対向配置され、遮断量変化手段を通過した光を受光する受光手段と、遮断量変化手段の伸縮により変化する光の受光量に基づいて張力の値を算出する算出手段とを備えることを要旨とする。

請求項２に記載の本発明は、任意の点を中心として回動可能に構成された回動部材と、光を発する第１の発光手段と、一端が回動部材の短手方向側の側面に接続されるとともに他端が固定され、且つ第１の発光手段から発せられた光の進行方向と略直交し、光の少なくとも一部を遮断するように配置され、回動部材が回動した際に生じる張力に応じて伸縮し、これにより光の遮断量を変化させる第１の遮断量変化手段と、第１の遮断量変化手段を介して第１の発光手段に対向配置され、第１の遮断量変化手段を通過した光を受光する第１の受光手段と、光を発する第２の発光手段と、一端が回動部材における第１の遮断量変化手段が接続された側面とは反対側の側面に接続されるとともに他端が固定され、且つ第２の発光手段から発せられた光の進行方向と略直交し、光の少なくとも一部を遮断するように配置され、回動部材が回動した際に生じる張力に応じて伸縮し、これにより光の遮断量を変化させる第２の遮断量変化手段と、第２の遮断量変化手段を介して第２の発光手段に対向配置され、第２の遮断量変化手段を通過した光を受光する第２の受光手段と、第１及び第２の遮断量変化手段の伸縮により変化する光の受光量に基づいて張力の方向を算出する算出手段とを備えることを要旨とする。

請求項３に記載の本発明は、移動可能且つ任意の点を中心として回動可能に構成された移動回動部材と、光を発する第１の発光手段と、一端が回動部材の短手方向側の側面に接続されるとともに他端が固定され、且つ第１の発光手段から発せられた光の進行方向と略直交し、光の少なくとも一部を遮断するように配置され、回動部材が回動した際に生じる張力に応じて伸縮し、これにより光の遮断量を変化させる第１の遮断量変化手段と、第１の遮断量変化手段を介して第１の発光手段に対向配置され、第１の遮断量変化手段を通過した光を受光する第１の受光手段と、光を発する第２の発光手段と、光を発する第２の発光手段と、一端が回動部材における第１の遮断量変化手段が接続された側面とは反対側の側面に接続されるとともに他端が固定され、且つ第２の発光手段から発せられた光の進行方向と略直交し、光の少なくとも一部を遮断するように配置され、回動部材が回動した際に生じる張力に応じて伸縮し、これにより光の遮断量を変化させる第２の遮断量変化手段と、遮断量変化手段を介して第２の発光手段に対向配置され、第２の遮断量変化手段を通過した光を受光する第２の受光手段と、光を発する第３の発光手段と、一端が移動回動部材の長手方向側の端部に接続されるとともに他端が固定され、且つ第３の発光手段から発せられた光の進行方向と略直交し、光の少なくとも一部を遮断するように配置され、移動回動部材が移動した際に生じる張力に応じて伸縮し、これにより光の遮断量を変化させる第３の遮断量変化手段と、第３の遮断量変化手段を介して第３の発光手段に対向配置され、第３の遮断量変化手段を通過した光を受光する第３の受光手段と、第１、第２及び第３の遮断量変化手段の伸縮により変化する光の受光量に基づいて張力の値及び方向を算出する算出手段とを備えることを要旨とする。

本発明によれば、耐久性及び汎用性に富み、且つ高い精度で張力を測定することが可能な張力センサを提供することができる。

まず、本発明の張力センサの原理について説明する。
図１は、本発明の張力センサの構成図である。
図１（ａ）に示すように、この張力センサは、発光素子１（本例では、発光ダイオード）と、バネ２と、バネ２を介して発光素子１に対向して配置され、発光素子１から発せられた光４を受光する受光素子３（本例では、フォトトランジスタ）とを備える。

バネ２は、発光素子１から発せられる光４の少なくとも一部を遮断するように配置されており、張力に応じて伸縮すると光４の遮断量が変化する。つまり、図１（ｂ）に示すように、バネが伸びると受光素子３の受光量及び出力電圧が増加し、バネが縮むと受光素子３の受光量及び出力電圧が減少する。

したがって、受光素子３の出力電圧値からバネ２の張力の値（大きさ）を求めることができる。

次に、本発明の実施例について説明するが、これらの実施例は、あくまでも本発明の説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であれば、これらの各要素又は全要素を含んだ各種の実施例を採用することが可能であるが、これらの実施例も本発明の範囲に含まれる。

図２は、本発明の第１の実施例（実施例１）に係る張力センサ５の構成を示す図である。
この張力センサ５は、張力の値（大きさ）を測定するためのものであり、テーブル部材６、発光素子７、受光素子８、固定部材９、上記のように光の遮断量を変化させるための手段であるバネ１０、ケーブル１２、図示しない算出部からなる。

バネ１０は、その一端が固定部材９によりテーブル部材６に固定され、他端がケーブル１２に接続されており、ケーブル１２にかかる張力に応じてＡ−Ａ’の方向に伸縮する。

発光素子７と受光素子８は、テーブル部材６上にバネ１０を介して対向配置されており、バネが伸縮すると、受光素子８の受光量及び出力電圧値が変化する
算出部は、受光量が変化した際の出力電圧値に基づいて張力の値を算出する。

以上の構成を有する張力センサ５は、プーリー、ストレインゲージ等の大型部品を用いないため小型化が可能であり、耐久性に富み、さらに発光素子及び受光素子を用いるため高い精度で張力の値を測定することができる。

図３は、本発明の第２の実施例（実施例２）に係る張力センサ１１の構成を示す図である。
この張力センサ１１は、上記の張力センサ５とは異なり、張力の方向を測定するためのものであり、棒状部材３３、テーブル部材２２、受光素子１６及び２０、固定部材１３、１４及び１８、バネ１５及び１９、ケーブル１２、図示しない算出部からなる。

棒状部材３３は、その一端がケーブル１２に接続され、他端が固定部材１３によりテーブル部材２２に回動可能な状態で固定されており、ケーブル１２に張力がかかると、その方向に応じてＢ−Ｂ’の方向に回動する。

バネ１５は、その一端が固定部材１４によりテーブル部材２２に固定され、他端が棒状部材３３の側面に接続されている。

バネ１９は、その一端が固定部材１８によりテーブル部材２２に固定され、他端が棒状部材３３におけるバネ１５が接続されていない側の側面に接続されている。

発光素子１６と受光素子１７は、テーブル部材２２上にバネ１５を介して対向配置されており、また、発光素子２０と受光素子２１は、テーブル部材２２上にバネ１９を介して対向配置されている。

上記のケーブル１２に張力がかかると、その張力の方向、つまりケーブル１２が引かれた方向に応じて棒状部材３３が固定部材１３の位置を中心に回動し、これに応じてバネ１５及び１９が伸縮し、受光素子１７及び２１の受光量及び出力電圧値が変化する。

算出部は、受光量が変化した際の出力電圧値に基づいて張力の方向を算出する。

なお、棒状部材３３におけるバネ１５及び１９の取付位置と固定部材１３との距離は自由に変更可能であり、これにより張力方向の測定感度を自由に変更することができる。これは、てこの原理を利用したものである。

以上の構成を有する張力センサ１１は、プーリー、ストレインゲージ等の大型部品を用いないため小型化が可能であり、耐久性に富み、さらに発光素子及び受光素子を用いるため高い精度で張力の方向を測定することができる。

図４は、本発明の第３の実施例（実施例３）に係る張力センサ２３の構成を示す図である。
この張力センサ２３は、張力の値（大きさ）と方向の両方を測定するためのものであり、上記の張力センサ１１の構成部品に加えて、発光素子７、受光素子８、固定部材９、バネ１０が設けられており、固定部材１３に代えて固定部材２４が設けられている。

バネ１０は、その一端が固定部材９によりテーブル部材６に固定され、他端が棒状部材３３の端部に接続されている。

発光素子７と受光素子８は、テーブル部材６上にバネ１０を介して対向配置されている。

固定部材２４は、これを中心にして棒状部材がＢ−Ｂ’の方向に回動し、さらにケーブル１２の方向に移動可能となるように構成されている。

上記のケーブル１２に張力がかかると、その張力の値及び方向、つまりケーブル１２が引かれた強さと方向に応じて棒状部材３３が固定部材２４の位置を中心に回動するとともにケーブル１２の方向に向かって移動し、これに応じてバネ１０、１５及び１９が伸縮し、受光素子８、１７及び２１の受光量及び出力電圧値が変化する。

算出部は、受光量が変化した際の出力電圧値に基づいて張力の値及び方向を算出する。

なお、棒状部材３３におけるバネ１５及び１９の取付位置と固定部材１３との距離は自由に変更可能であり、これにより張力の値及び方向の測定感度を自由に変更することができる。これは、てこの原理を利用したものである。

以上の構成を有する張力センサ２３は、プーリー、ストレインゲージ等の大型部品を用いないため小型化が可能であり、耐久性に富み、さらに発光素子及び受光素子を用いるため高い精度で張力の値及び方向を測定することができる。

本発明の張力センサは、上記のとおり小型化が可能であり、耐久性にも富み、また、張力測定以外の目的にも使用できる。本実施例では、その一例として、本発明の張力センサを管内移動ロボットに適用した場合を示す。

管内移動ロボットは、ガス管、水道管、化学プラントや原子炉などの配管（管体）等を点検・補修する際に用いられるものであり、空間・環境的な要因から小型であることと耐久性が要求される。

また、この管内移動ロボットは、図１６に示すとおり、直径が小である管体１００内を移動するため、ケーブル１０４により接続された複数個の本体１０１、１０２、１０３からなり、補修・点検作業に必要なＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ、電源機構、制御機構等が分散配置されている。

このような管体ロボットが管体内で作業を行うにあたっては、他の本体１０２及び１０３が先頭を進む本体１０１を追従し続ける必要がある。これが適切に行われないと、図１６に示すように、ケーブル１０４が伸びきり、本体１０１が移動できなくなってしまう。

上記の追従動作を正確に行うためには、本体の位置関係（距離、角度）を正確に測定することが不可欠である。また、これを行うための測定装置も小型であり堅牢である必要があるが、本発明の張力センサは、前記のとおり、小型であり、さらに耐久性にも富み、距離及び角度の測定にも用いることもできるため、上記の要求を満たすことができる。以下、その詳細について説明する。

図５は、本発明の第４の実施例（実施例４）に係る管内移動ロボット２５の斜視図である。
この管内移動ロボット２５は、ＣＣＤカメラ部３０を有する本体２６、これを追随する本体２７及び２８、本体をつなぐケーブル１２からなり、本体のそれぞれには走行用の車輪２９が設けられている。

なお、本実施例においては、本体が３個である場合を示したが、これに限定されず、その数量は必要に応じて増減できる。

本発明の張力センサは、上記の本体２６から２８のそれぞれに搭載されている。その詳細を図６に示す。

図示するとおり、本体２６の本体２７側には張力センサ２３が、本体２７の本体２６側には張力センサ１１が配置されている。これらは本体２７が本体２６を追従するためのものであり、以降の説明においてはセンサグループ３１と呼称する。

また、本体２７の本体２８側には張力センサ２３が、本体２８の本体２７側には張力センサ１１が配置されている。これらは本体２８が本体２７を追従するためのものであり、以降の説明においてはセンサグループ３２と呼称する。なお、バネの伸縮度合に基づいて距離、角度を算出する演算部の記載は省略している。

次に張力センサグループの動作について説明する。なお、以降の説明においては、センサグループ３１を例として行う。
このセンサグループ３１（３２）は、ケーブル１２に張力Ｔがかかった際に、相対距離Ｌ、角度θ１及びθ２といった本体同士の位置情報を同時に測定できる。

図７は、本体２６及び２７の進行方向が一致している場合を示しており、張力センサ２３を備える本体２６が前進すると本体２７との距離が広がり、これがＬに達するとケーブル１２に張力がかかり、さらに前進すると、図８に示すようにバネ１０がΔＬ分伸びることとなる。

なお、棒状部材３３とバネ１０は十分な強度を有し、互いは強固に接続され、さらにバネ１０はテーブル部材２２に強固に固定されているため、本体２６と２７の間隔がＬ＋ΔＬより大となることはない。

また、本体２６と２７が図９から１１に示すような位置関係にある場合は、これを角度θ１及びθ２、上記のＬもしくはＬ＋ΔＬに基づいて測定する。

また、図１２に示すように、管内移動ロボット２５が移動する管体１００は、湾曲あるいは直立している部分も多く、このため、車輪２９が常に管体１００の内壁面と密着していなくてはならない。

したがって、管内移動ロボット２５の車輪２９の内部には、車軸３４を中心として自在に回転可能な振り子式の磁石３５が設けられている。これにより車輪２９を管体１００の内壁面に絶えず密着させることができ、管体１００の急斜面や垂直部分における上昇・下降が可能となる。

次に、図１３を参照して管内移動ロボット２５の内部構成について説明する。
操作部３６は、ユーザが管内移動ロボットを操作するためのものであり、操作スイッチ、管内移動ロボット２５や管体１００内部の状態等を表示するディスプレイなどからなる。

本体２６は、ＣＣＤカメラ部３０と、張力センサ２３と、この本体２６の動作を制御するための制御部３７と、制御部３７の制御を受けて本体２６を走行させる駆動部３８からなる。

本体２７及び２８は、張力センサ１１及び２３（２８は１１のみ）と、上記の算出部を含み、他の本体の追従動作を行うための制御部３７と、制御部３７の制御を受けて本体２６を走行させる駆動部３８からなる。

なお、上記の各機能部の他に、管体１００の補修等を行うための各種工具や、本体同士が接近しており、ケーブル１２に張力が生じていない際に、本体同士が衝突することを防止するための電波式センサなどを設けることもできる。

次に、図１３及び１４を参照して管内移動ロボット２５の動作を説明する。
まず、ＣＣＤカメラ部３０により管体１００内の画像が撮影され（Ｓ１）、これが制御部３７のディスプレイに表示されると（Ｓ２）、ユーザが表示画像を視認しながら本体２６へ動作指令信号を送信し（Ｓ３）、この指令を受信した本体２６は制御部３７の制御に基づいて動作を行う（Ｓ４）。

本体２６が動作を開始すると、本体２７の制御部３７によりセンサグループ３１の状態が確認され（Ｓ５）、これにより本体２６との距離、角度が測定されるとともに、これらを示す情報が生成される（Ｓ６）。

上記の情報が生成されると、これに基づいて本体２７への追従動作指令がなされ、本体２７は指令に基づいて本体２６を追従する（Ｓ８）。

本体２７が追従動作を開始すると、本体２８の制御部３７によりセンサグループ３２の状態が確認され（Ｓ９）、これにより本体２７との距離、角度が測定されるとともに、これらを示す情報が生成される（Ｓ１０）。

上記の情報が生成されると、これに基づいて本体２８への追従動作指令がなされ、本体２８は指令に基づいて本体２６を追従する（Ｓ１１）。

なお、上記のＳ７及び１１の追従動作司令は、操作部３６、本体２６の制御部３７、本体２７及び２８の制御部３７のいずれかが行えばよい。

また、操作部３６の指令により本体２７及び２８を個別に動作させることも可能である。この際の動作制御もセンサグループ３１及び３２により測定された距離及び角度に基づいて行われるため、ケーブル１２の切断等を防止することができる。

以上のとおり、本発明の管内移動ロボットは、上記の張力センサを備えるため、ロボット本体間の距離及び角度の測定、追従動作等を正確に行うことが可能となる。

上記の実施例４においては、管内移動ロボット２５のセンサグループ３１及び３２が張力センサ１１と２３とからなる場合を示したが、これに限定されず、図１５に示すように
、管内移動ロボット２５がセンサグループ３９及び４０を備える構成としてもよい。

このセンサグループ３９及び４０は、図２の張力センサ５と、図３の張力センサ１１とからなり、張力センサ５によりロボット本体間の距離を測定し、張力センサ２３により相対位置関係を測定する。

なお、本実施例と実施例４との差異は上記の点のみであり、その他の機能、構成、効果等に差異はない。

また、上記の実施例１から５においては、光の遮断量を変化させる手段としてバネを用いる場合を示したが、これに限定されず、伸縮性のあるメッシュ状の部材等を用いてもよい。

本発明の張力センサの原理を説明するための図である。 本発明の第１の実施例に係る張力センサの構成を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る張力センサの構成を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る張力センサの構成を示す図である。 本発明の第４の実施例に係る管内移動ロボットの斜視図である。 図５の管内移動ロボットにおける張力センサの配置を示す図である。 張力センサの動作を説明するための図である。 張力センサの動作を説明するための図である。 張力センサの動作を説明するための図である。 張力センサの動作を説明するための図である。 張力センサの動作を説明するための図である。 図５の管内移動ロボットの駆動機構を説明するための図である。 図５の管内移動ロボットの構成を示すブロック図である。 図５の管内移動ロボットの動作フローチャートである。 本発明の第５の実施例に係る管内移動ロボットにおける張力センサの配置を示す図である。 従来の管内移動ロボットにおける解決すべき課題を説明するための図である。

符号の説明

１…発光素子、２…バネ、３…受光素子、４…光、５…張力センサ、６…テーブル部材、７…発光素子、８…受光素子、９…固定部材、１０…バネ、１１…張力センサ、１２…ケーブル、１３…固定部材、１４…固定部材、１５…バネ、１６…発光素子、１７…受光素子、１８…固定部材、１９…バネ、２０…発光素子、２１…受光素子、２２テーブル部材、２２３…張力センサ、２４…固定部材、２５…管内移動ロボット、２６…ロボット本体、２７…ロボット本体、２８…ロボット本体、２９…車輪、３０…ＣＣＤカメラ部、３１…センサグループ、３２…センサグループ、３３…棒状部材、３４…車軸、３５…磁石、３６…操作部、３７…制御部、３８…駆動部、３９…センサ群、４０…センサ群、１００…管体、１０１…ロボット本体、１０２…ロボット本体、１０３…ロボット本体、１０４…ケーブル

Claims (3)

1. 光を発する発光手段と、
   前記光の進行方向と略直交し、該光の少なくとも一部を遮断するように配置され、張力に応じて伸縮することにより前記光の遮断量を変化させる遮断量変化手段と、
   前記遮断量変化手段を介して前記発光手段に対向配置され、前記遮断量変化手段を通過した光を受光する受光手段と、
   前記遮断量変化手段の伸縮により変化する前記光の受光量に基づいて前記張力の値を算出する算出手段と
   を備えることを特徴とする張力センサ。
2. 任意の点を中心として回動可能に構成された回動部材と、
   光を発する第１の発光手段と、
   一端が前記回動部材の短手方向側の側面に接続されるとともに他端が固定され、且つ前記第１の発光手段から発せられた光の進行方向と略直交し、該光の少なくとも一部を遮断するように配置され、前記回動部材が回動した際に生じる張力に応じて伸縮し、これにより前記光の遮断量を変化させる第１の遮断量変化手段と、
   前記第１の遮断量変化手段を介して前記第１の発光手段に対向配置され、前記第１の遮断量変化手段を通過した光を受光する第１の受光手段と、
   光を発する第２の発光手段と、
   一端が前記回動部材における前記第１の遮断量変化手段が接続された側面とは反対側の側面に接続されるとともに他端が固定され、且つ前記第２の発光手段から発せられた光の進行方向と略直交し、該光の少なくとも一部を遮断するように配置され、前記回動部材が回動した際に生じる張力に応じて伸縮し、これにより前記光の遮断量を変化させる第２の遮断量変化手段と、
   前記第２の遮断量変化手段を介して前記第２の発光手段に対向配置され、前記第２の遮断量変化手段を通過した光を受光する第２の受光手段と、
   前記第１及び第２の遮断量変化手段の伸縮により変化する前記光の受光量に基づいて前記張力の方向を算出する算出手段と
   を備えることを特徴とする張力センサ。
3. 移動可能且つ任意の点を中心として回動可能に構成された移動回動部材と、
   光を発する第１の発光手段と、
   一端が前記回動部材の短手方向側の側面に接続されるとともに他端が固定され、且つ前記第１の発光手段から発せられた光の進行方向と略直交し、該光の少なくとも一部を遮断するように配置され、前記回動部材が回動した際に生じる張力に応じて伸縮し、これにより前記光の遮断量を変化させる第１の遮断量変化手段と、
   前記第１の遮断量変化手段を介して前記第１の発光手段に対向配置され、前記第１の遮断量変化手段を通過した光を受光する第１の受光手段と、
   光を発する第２の発光手段と、
   光を発する第２の発光手段と、
   一端が前記回動部材における前記第１の遮断量変化手段が接続された側面とは反対側の側面に接続されるとともに他端が固定され、且つ前記第２の発光手段から発せられた光の進行方向と略直交し、該光の少なくとも一部を遮断するように配置され、前記回動部材が回動した際に生じる張力に応じて伸縮し、これにより前記光の遮断量を変化させる第２の遮断量変化手段と、
   前記遮断量変化手段を介して前記第２の発光手段に対向配置され、前記第２の遮断量変化手段を通過した光を受光する第２の受光手段と、
   光を発する第３の発光手段と、
   一端が前記移動回動部材の長手方向側の端部に接続されるとともに他端が固定され、且つ前記第３の発光手段から発せられた光の進行方向と略直交し、該光の少なくとも一部を遮断するように配置され、前記移動回動部材が移動した際に生じる張力に応じて伸縮し、これにより前記光の遮断量を変化させる第３の遮断量変化手段と、
   前記第３の遮断量変化手段を介して前記第３の発光手段に対向配置され、前記第３の遮断量変化手段を通過した光を受光する第３の受光手段と、
   前記第１、第２及び第３の遮断量変化手段の伸縮により変化する前記光の受光量に基づいて前記張力の値及び方向を算出する算出手段と
   を備えることを特徴とする張力センサ。
   
   

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