JP2005351636A - 変位計 - Google Patents

Abstract

【課題】小さなストロークから大きなストロークまで任意のストロークの変位を計測することが可能な簡易で且つ安価な変位計を提供する。
【解決手段】略円すいフラットコイルばね形状の二つのセグメント２Ａ，２Ｂ同士を直列に連結して、つづみ形フラットコイルばね形状の変位計１とする。いずれか一方のセグメント２Ａまたは２Ｂに歪みゲージ７ａ，７ｂを貼り付ける。各セグメント２Ａ，２Ｂは、所定厚みの矩形状の金属板３に渦巻き状の切り込みを入れて所定幅のリボン６を切り出し、その先端部６ａと基板部５を金属板３の面直角方向に相互に離間させることにより略円すいフラットコイルばね形状のものとする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、歪みゲージ式の変位計に関し、特に占有スペースが小さくてもそのストロークを大きく確保できるように考慮された変位計に関するものである。

この種の変位計として例えば特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１に記載の技術では、リボン状の平板を素線としてこれをコイル状に巻回してなる螺旋筒状の受感部に複数の歪みゲージを貼り付けて、これらの複数の歪みゲージをもってホイートストンブリッジを構成してある。
特開昭６１−２６９００３号公報（第１図及び第５図）

しかしながら、特許文献１に記載のような変位計では、変位計の軸心方向を計測しようとする変位方向に合致させて使用することを前提として、平板そのものが螺旋筒状の円筒面を形成するようにコイル状に巻回した構造であるため、微少変位の計測には適してはいても、例えば比較的大きなストロークのもとで圧縮変位させようとする場合に、最小圧縮寸法が比較的大きくならざるを得ない。そのため、上記のように比較的大きなストロークのもとで圧縮変位させようとする場合に、変位計そのものの最小圧縮寸法以下のストローク領域では変位を計測することができない。

また、変位計の軸心方向から外れて例えば斜め方向から入力があった場合には、変位計そのものの座屈の発生や破損が危惧され、場合によっては変位計そのものの破損で非計測物に異常変形等の悪影響を及ぼす可能性があり、所期の目的を達成できなくなる可能性がある。

例えば、自動車の側面衝突実験において、サイドドアのドアインナパネルに対するドアアウタパネルの変位を計測する場合を想定してみる。周知のように、自動車の側面衝突実験では数千Ｇにも及ぶ加速度の衝撃力が発生し、サイドドア自体がその衝撃力を直接受けることになるため、形状が大きく変形し易い変位計では上記の衝撃力で壊れてしまう可能性がある。そして、このように衝撃力で壊れてしまう可能性があるかぎりは、高価な変位計を使用しても不経済となる。また、サイドドアにおけるドアアウタパネルとドアインナパネルとの離間距離はおおよそ１５０ｍｍ前後とされているが、側面衝突実験時においてドアインナパネルに対するドアアウタパネルの変位量を正確に計測するためには、最大変形時にはドアインナパネルとドアアウタパネルとが互いに密着する程度にまで変形することも予想されることから、上記の離間距離である１５０ｍｍ前後のフルストロークの変位を計測できるようなストロークが大きな簡易で且つ安価な変位計が要望されていた。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけ小さなストロークから大きなストロークまで任意のストロークの変位を計測すること可能な簡易で且つ安価な変位計を提供しようとするものである。

請求項１に記載の発明は、その変位計の構造として、平板状の母材から渦巻状で且つ所定幅寸法の連続したリボンを切り出して、そのリボンのうち渦巻状の中心位置に相当する先端部と渦巻状の中心から最も遠い位置となる基板部とを母材の面直角方向で相互に離間させることによりリボン全体を螺旋円錐形状または螺旋角錐形状等の螺旋錐状のセグメントとし、そのセグメントの一部に歪みゲージを貼着したことを特徴とする。

歪みゲージの貼着形態としては、例えば膜状、フィルム状もしくは箔状のゲージそのものの受感部を、リボン（セグメント）の曲率部の接線方向に対して４５度の角度となるように取り付ける。また、平板状の母材の板厚、渦巻状に切り出すリボンの幅寸法および直径等は任意に設定可能である。

この場合、ストロークをより大きく確保する上では、請求項３に記載のように、複数のセグメントを母材の面直角方向において相互に連結することが望ましい。

したがって、請求項１に記載の発明では、螺旋錐形状のセグメントをばねの如き形態で引っ張ることで変位計としての最大ストロークが確保される一方、逆にセグメントを圧縮変形させれば、セグメントそのものが平板状の母材から渦巻き状に切り出したものであるが故に、セグメントを最大圧縮状態まで圧縮変形させた状態では、セグメント全体が母材たる基板部の厚みの範囲内に納まってしまうことになり、これによって変位計としての最小ストロークが確保される。その結果として、上記の最大ストローク状態と最小ストローク状態の間で連続してその変位を計測することが可能となる。例えば、先の自動車におけるサイドドアの側面衝突実験を想定した場合、ドアアウタパネルとドアインナパネルとの最大離間状態から双方のパネル同士が密着する程度にまで変形するまでの全ストロークにおいて変位を連続して計測することが可能となる。

しかも、螺旋錐形状のセグメントがばねの如き形態であるために、例えば母材の面直角方向から外れて斜め方向から入力があった場合でも、セグメントはその入力に十分に追従することが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、下記に列挙するような効果がある。

（１）平板状の母材から渦巻状に切り出したリボン全体を螺旋円錐形状または螺旋角錐形状等の螺旋錐状のセグメントとしてあるため、セグメントの先端部と基板部を最大限度まで離間させた状態を最大ストローク状態、セグメントを基板部の板厚内に畳み込んだ状態を最小ストローク状態とした場合に、最大ストローク状態から最小ストローク状態までのフルストロークの変位を計測可能であるとともに、そのフルストロークの一部のストロークについても計測可能であり、計測可能なストロークを大きく確保できる。

（２）平板状の母材から渦巻状に切り出したリボンをもって形成したセグメントに歪みゲージを貼り付けた構造であるため、構造が簡単で安価で済む。

（３）セグメントを実質的に基板部の板厚内に畳み込んだ状態まで変位させることができるため、例えば自動車の側面衝突実験等のように大きな衝撃力が加わる部位の変位計として採用した場合でも破損の心配がないだけでなく、非計測物に対して悪影響を及ぼすこともなく、正確に変位を計測することが可能であり、信頼性が向上する。

（４）入力方向が母材に対して面直角方向ではなく斜め方向であっても計測可能であり、汎用性が高い。

図１〜４は本発明に係る変位計のより具体的な実施の形態を示す図であり、特に図１は変位計１の単位要素となる略円すいフラットコイルばね状のセグメント２Ａ，２Ｂの構成を、図２は図１のセグメント２Ａ，２Ｂを二つ一組として組み合わせることにより全体として略つづみ形フラットコイルばね状に形成した変位計１の斜視図をそれぞれ示している。

図３に示すように、セグメント２Ａ，２Ｂの母材となる所定厚みの矩形状の金属板３にその中心位置から外周側に向かって一本の連続した渦巻状の切り込み４を入れるとともに、その渦巻状の切り込み４が金属板３の四辺部と交差しないようにして、外周側に枠状の基板部５を残しながら丸い渦巻状の一定幅寸法のリボン６を切り出してある。そして、リボン６のうち渦巻状の中心位置に相当する先端部６ａと上記中心位置から最も遠い位置となる基板部５とを金属板３そのものの自己弾性力をもって金属板３の面直角方向に引っ張ることにより相互に離間させて、リボン６全体を螺旋円錐状の立体形状、すなわち円すいフラットコイルばね状のセグメント２Ａ，２Ｂとして形成してある。

なお、リボン６の切り出し幅寸法は、渦巻きの全体を通して必ずしも均一である必要はなく、先端部６ａ側から基板部５側に向かって、もしくは逆に基板部５側から先端部６ａ側に向かって漸次変化するように設定しても良い。

そして、図２に示すようにセグメント２Ａ，２Ｂを二つ一組として両者の先端部６ａ，６ａ同士を突き合わせて、全体としてつづみ形フラットコイルばね状の変位計１とするとともに、いずれか一方のセグメント２Ａまたは２Ｂを形成しているリボン６の一部に例えば箔状、フィルム状もしくは膜状の歪みゲージ７ａ，７ｂを貼り付けてあり、同一箇所の裏面にも同じく歪みゲージ７ｃ，７ｄを貼り付けてある（図７参照）。

円すいフラットコイルばね形状のセグメント２Ａ，２Ｂはばねの如き形態で金属板３の面直角方向に伸縮可能であって、且つその金属板３の面直角方向を変位の入力方向とするものであり、リボン６の各部の板厚方向がほぼ上記金属板３の面直角方向を指向するように設定してある。

上記の歪みゲージ７ａ，７ｂおよび７ｃ，７ｄの取付形態としては、図４に示すように、リボン６のゲージ取付位置相当部の接線方向に対して受感部の方向がせん断方向をなす４５度となるように歪みゲージ７ａ，７ｂおよび７ｃ，７ｄを表裏ともに各二枚一組として貼り付けてある。そして、これら表裏各二枚の歪みゲージ７ａ，７ｂおよび７ｃ，７ｄを含むように図示しないブリッジ回路を構成し、歪みゲージ７ａ，７ｂおよび７ｃ，７ｄの出力を変位量−歪み（電位出力）特性として取り出すようにしてある。

したがって、このように構成された変位計１によれば、例えば自動車の側面衝突実験に際して、図５に示すように図２に示した変位計１をサイドドア８のドアアウタパネル８ａとドアインナパネル８ｂとの間に架橋的に配置し、それぞれの基板部５をドアアウタパネル８ａおよびドアインナパネル８ｂの内側面に固定する。そして、サイドドア８のドアアウタパネル８ａに対して側面衝突による衝撃入力が加わると、ドアアウタパネル８ａがドアインナパネル８ｂ側に変形しつつ接近するのに伴い変位計１の各セグメント２Ａ，２Ｂが縮み変形（圧縮変形）し、ドアインナパネル８ｂに対するドアインナパネル８ａの変位が変位計１を形成している各セグメント２Ａ，２Ｂの縮み変形量をもって歪みゲージ７ａ，７ｂおよび７ｃ，７ｄにて計測される。なお、図５中の９はガードバーである。

ここで、側面衝突実験に伴う衝撃加重はドアアウタパネル８ａに直接作用し、変位計１にも同様な負荷がかかることになるが、変位計１そのものがつづみ形フラットコイルばねの如き形態であるため、変位計１はドアアウタパネル８ａの変位に忠実に追従し、ドアアウタパネル８ａが受ける衝撃で変位計１が壊れてしまうおそれがなく、ドアアウタパネル８ａの変位を正確に計測することができる。この場合、加重入力方向が変位計１における基板部５の面直角方向からわずかにずれて斜め方向から入力されたとしてもドアアウタパネル８ａの変位を正確に計測することが可能である。

なお、ドアアウタパネル８ａとドアインナパネル８ｂとのなすストロークが小さい場合には、図１に示すうような単一のセグメント２Ａまたは２Ｂをもって変位計１とすることももちろん可能である。

図７は上記のように単一のセグメント２Ａまたは２Ｂをもって変位計１を構成した場合であって、且つ図７のようにセグメント２Ａまたは２Ｂの同一箇所の表裏表に歪みゲージ７ａ，７ｂおよび７ｃ，７ｄを装着した場合の、変位量−歪み（電位出力）特性を示している。図６から明らかなように、変位量−歪み（電位出力）特性として線形の特性が得られることがわかる。また、歪みゲージ７ａ，７ｂおよび７ｃ，７ｄをリボン６の同一箇所の表裏に各二枚貼着しているので、これらでブリッジ回路を構成することにより、面直角方向からずれて斜め方向から入力されたとしても、捻れや撓みによって生じる歪みの影響を打ち消すことができ、より高精度な計測が可能となる。なお、表裏各二枚の歪みゲージ７ａ，７ｂおよび７ｃ，７ｄによりブリッジ回路を構成したユニットを別の箇所で複数設け、これらユニットを直列または並列に接続して回路を構成すると、さらに高精度化が図れる。

ここで、先の実施の形態では、図３に示すように矩形状の母材３から丸い渦巻き状のセグメント２Ａまたは２Ｂを切り出すようにしているが、図１３に示すように矩形の渦巻き状の切り込み１４をもって同形状のリボン１６を切り出して矩形錐形状のセグメント２Ａ，２Ｂを切り出すようにしても同様の効果が得られる。

図２に示す変位計を構成することになるセグメントの斜視図。 本発明に係る変位計の好ましい実施の形態を示す斜視図。 図１に示すセグメントの切り出し状態を示す母材の平面説明図。 図１の要部拡大図。 図２に示す変位計を組み込んだ自動車のサイドドアの要部断面説明図。 図７の歪みゲージの配置のもとでの歪み（変位量）−出力（電位）特性を示す説明図。 単一のセグメントの表裏両面に複数の歪みゲージを配置した場合の説明図。 セグメントの切り出し状態の別の例を示す母材の平面説明図。

符号の説明

１…変位計
２Ａ，２Ｂ…セグメント
３…金属板（母材）
４…切り込み
５…基板部
６…リボン
７ａ，７ｂ…歪みゲージ
８…サイドドア
８ａ…ドアアウタパネル
８ｂ…ドアインナパネル

Claims (4)

1. 平板状の母材から渦巻状で且つ所定幅寸法の連続したリボンを切り出して、そのリボンのうち渦巻状の中心位置に相当する先端部と渦巻状の中心から最も遠い位置となる基板部とを母材の面直角方向で相互に離間させることによりリボン全体を螺旋錐形状のセグメントとし、
   セグメントの一部に歪みゲージを貼着したことを特徴とする変位計。
2. セグメントの形状が螺旋円錐形状または螺旋角錐形状のものであることを特徴とする請求項１に記載の変位計。
3. 複数のセグメントを母材の面直角方向において相互に連結したことを特徴とする請求項１または２に記載の変位計。
4. セグメントを形成しているリボンの同一箇所の表裏両面にそれぞれ歪みゲージを貼着したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の変位計。

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