JP2006284331A - ゴムセンサおよびそれを用いた振動検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 歪に基づいて応力、加速度、振動および変形を検出することの出来るゴムセンサにおいて、検出感度を向上させる新規構造を提供すること。
【解決手段】 ゴム弾性体１０に導電性フィラーを混合せしめたセンサ本体１６を用い、外力が及ぼされた際のセンサ本体１６のインピーダンスの変化を検出手段２０，２１で検出するようにした。この際、抵抗の変化のみでなく、静電容量、インダクタンスの変化も検出し、相乗効果により感度が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定部材における応力や加速度，振動，変形などを検出するのに用いることの出来る、新規な検出素子であるゴムセンサと、それを用いた振動検出方法に関するものである。

従来から、所定部材に作用せしめる外力や、それに起因する当該所定部材の変形，応力などを検出するセンサとしては、歪ゲージが知られている。

従来の歪ゲージは、一般にピエゾ素子や抵抗線を利用したものであった。そのために、例えば、ゴムマウントで防振支持された自動車のパワーユニットの全体として剛体振動を検出したり、或いはロボットの触覚を検出したりする場合には、許容される歪量が小さく、しかも感度が低いという問題があった。

このような問題に鑑みて、特許文献１（特開２００３−２４７８０２号公報）には、導電性粒子を混合することによって導電性を付与した導電性高分子を用いて、その抵抗値の変化を求めることにより、外力に伴う歪の大きさを検出するようにした歪みセンサーが提案されている。

しかしながら、この歪みセンサーは、単に抵抗値の変化を見ているだけであるが故に、その検出感度の調節が難しいという問題があった。即ち、導電性粒子の混合量を少なくすると、小さな歪の検出感度が十分に得られ難い。一方、導電性粒子の混合量を多くすると、或る程度まで歪が大きくなった後は導電性を示すこととなってそれ以上の歪の変化を検出することが難しいという問題があった。また、単純な抵抗変化であるが故に、比較的に大きな電圧を必要とすることとなり、消費電力が大きくなると共に、検出装置が大掛かりとなり易いという問題もあった。

特開２００３−２４７８０２号公報

ここにおいて、本発明は上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、比較的に大きな振動や変位の検出にまで対応して、応力や歪，振動等を検出することの出来る、新規な構造のゴムセンサを提供することにあり、また、かかるゴムセンサを用いた新規な構造の振動検出方法を提供することも、目的とする。

以下、このような課題を解決するために為された本発明の態様を記載する。なお、以下に記載の各態様において採用される構成要素は、可能な限り任意の組み合わせで採用可能である。また、本発明の態様乃至は技術的特徴は、以下に記載のものに限定されることなく、明細書全体および図面に記載されたもの、或いはそれらの記載から当業者が把握することの出来る発明思想に基づいて認識されるものであることが理解されるべきである。

（ゴムセンサに関する本発明）
ゴムセンサに関する本発明の特徴とするところは、ゴム弾性体に導電性フィラーを混合せしめたセンサ本体と、該センサ本体のインピーダンスを検出する検出手段とを、有するゴムセンサにある。

本発明に従う構造とされたゴムセンサでは、単なる抵抗：Ｒの値ではなく、インピーダンス：Ｚを利用して、弾性体からなるセンサ本体における歪が検出される。即ち、インピーダンスとは、抵抗：Ｒとリアクタンスをまとめた交流に対する特性値である。なお、リアクタンスは、容量リアクタンス：１／ｊωＣと誘導リアクタンス：ｊωＬの合計値である。

そして、本発明に従う構造とされたゴムセンサを採用することにより、線状や薄板状だけでなくブロック形状のゴムセンサも実現可能となり、歪の大きさに応じた値として検出される検出値に基づいて、外力や応力，加速度などを検出する新規な構造のセンサが実現され得るのである。

なお、このような交流電流に対するインピーダンスを指標としたゴムセンサは、その構造自体新規なものであり、技術の豊富化の趣旨より十分な技術的意義が認められるものであるが、より実用的な技術上の効果の存在も考えられる。例えば、ゴムセンサの歪に対応した値をインピーダンスとして検出することにより、単に抵抗：Ｒの値を検出する場合に比して歪の情報をより精度良く且つ大きな自由度で取り出すことが可能であると考えられる。例えば、抵抗：Ｒの変化だけを見る場合には、ゴム弾性体に混合した導電性フィラーの量が多過ぎたり少な過ぎた場合には、抵抗値の変化が殆どなくなってしまって歪の検出可能範囲が非常に狭くなってしまうが、そのような場合でもインピーダンスを利用すると、容量リアクタンスや誘導リアクタンスの値の変化に応じて歪の変化を有効に検出することも可能となるのである。また、抵抗：Ｒの変化だけを見る場合には、ゴム弾性体に混合した導電性フィラーの分散が不均一の場合には、変形に伴う抵抗値の変化が小さくなり易いが、そのような場合でもインピーダンスを利用すると、容量リアクタンスや誘導リアクタンスの値の変化に応じて歪の変化を精度良く検出することも可能となる場合があると考えられる。また、交流電流を検出に利用することが出来ることから、直流電流で抵抗Ｒを検出する場合に比して、消費電力を抑えることが出来る。これは容量リアクタンスによる電圧降下と誘導リアクタンスによる電圧降下が互いに逆位相となること等による。

ところで、本発明において採用されるゴム弾性体は、その材料が特に限定的に解釈されるものでない。予想される歪量や入力荷重等を考慮して適宜に選択される。具体的には、例えばシリコンゴムや、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、アクリルゴム、ＮＢＲや水添ＮＢＲ，ＥＰＤＭ，ブチルゴム、或いはそれらのブレンドゴムなどが好適に採用され得る。

また、本発明において、ゴム弾性体に混合する導電性フィラーとしては、カーボン繊維が好適に採用される。本発明者が確認したところでは、特に０．５〜３０ｍｍの長さのカーボン繊維を用いること、および１〜１５重量％のカーボン繊維を含むゴム弾性体（ゴム材料）を用いることで、歪センサとして良好な特性を実現できる事実が得られた。

尤も、本発明において採用する導電性フィラーとしては、カーボン繊維に限定されるものでなく、金属片の他、マイカ等の電気絶縁体に化学メッキ等で導電性を付与したものなども採用可能である。特に、本発明者が検討したところでは、単に抵抗：Ｒの値だけを検出するのでなくインピーダンスを検出する本発明では、粒状の導電性粒子よりも、細長状の導電性フィラーを採用することによって、一層有効な歪検出精度と感度が実現可能である。

さらに、本発明において、交流電圧を印加する電極としては、変形可能な銀ペースト等を採用して、センサ本体の表面に塗布等して形成することも可能であるが、電極本体の変形や歪に起因する電気特性の変化を避けるために、剛性のある金属電極を採用し、それをセンサ本体の表面に対して加硫接着等で固着したり埋設密着等させることが望ましい。

また、本発明において、前記検出手段を、前記センサ本体において互いに異なる場所に密着状態で取り付けられた複数の電極と、それら電極に対して交流電圧を印加する給電手段と、該給電手段で交流電圧を印加したことによる該センサ本体のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段とを、含んで構成した構造が、有利に採用される。

なお、交流電圧を印加する給電手段は、印加する交流電圧の大きさや周波数等を調節可能であるものが望ましい。それにより、要求される検出精度や検出を目的とする振動周波数、歪の大きさの程度等に応じて、印加する交流電圧の大きさ延いては通電される交流電流の大きさや周波数を適当に調節することで、検出精度や安定性の向上を図ることが可能となる。なお、インピーダンスの検出は、インピーダンスの値としてだけ検出する他、例えば異なる周波数の交流電流を用いた検出を行うこと等により、或いは予めセンサ本体の歪−電気特性を検出しておくこと等により、抵抗：Ｒと、容量リアクタンス：１／ｊωＣ、誘導リアクタンス：ｊωＬの各値をそれぞれ検出するようにしても良い。また、直接にインピーダンス値を検出する他、インピーダンス変化に伴って生ぜしめられる交流電圧や交流電流の値の変化として検出することも可能である。

（振動検出方法に関する本発明）
振動検出方法に関する本発明の特徴とするところは、上述の如き本発明に従う構造とされたゴムセンサを振動体に装着せしめて、該振動体の振動に伴う該ゴムセンサの前記センサ本体における弾性変形を、該センサ本体のインピーダンス変化として前記検出手段で検出することによって該振動体の振動状態を検出する振動検出方法にある。

このような振動検出方法は、上述のゴムセンサに関する本発明の説明から明らかなように、従来にない新規な振動検出方法を提供するものであって、技術の豊富化という技術的効果が達成される。それだけでなく、単に抵抗：Ｒの値だけを検出する場合に比して、応力等に基づく振動検出を、より大きな自由度をもって即ち各種の条件下において、精度良く検出することが可能となるのである。

上述の説明から明らかなように、本発明に従えば、振動や加速度，応力等を検出するものとして、従来にない新規なゴムセンサが提供され得ると共に、従来にない新規な振動検出方法が提供されるのである。特に、交流電流によるインピーダンスを指標として検出することにより、単に抵抗：Ｒの変化によって歪を検出する従来のものに比して、広い範囲で検出条件の変化等に対応して良好な精度の検出が実現可能となる。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施例について、図面を参照しつつ、詳細に説明する。

先ず、ゴム弾性体としてシリコンゴムを用い、そのゴム材料に対して、導電性フィラーとしてカーボン繊維を混合することでセンサ成形材料を得た。用いたカーボン繊維は、東レ株式会社製の商品名「トレカカットファイバー」の品番：Ｔ００８およびＴ０１０である。また、このカーボン繊維の混合量は、ゴム材料の９５重量％に対して、５重量％とした。

そして、このカーボン繊維を混入したシリコンゴム材料を十分に混合した後、１０ｍｍ（巾）×１０ｍｍ（奥行）×５ｍｍ（高さ）の矩形ブロック形状に成形することにより、ブロック形状の成形体からなるゴム弾性体１０を得た（図１参照）。また、かかるゴム弾性体１０の成形に際しては、成形キャビティの対向面に予め上下一対の銅板１２，１４をセットしておくことにより、ゴム弾性体１０の高さ方向両側の端面に対してかかる一対の銅板１２，１４を、電極として固着せしめた。

このようにして得られたゴム弾性体１０と一対の銅板１２，１４からなるセンサ本体１６には、更に、一対の銅板１２，１４に対してそれぞれ給電用リード線１８を接続した。なお、これら一対の銅板１２，１４は、加振力の入力時における変形を実質的に無視できる程に十分な剛性を発揮し得るだけの厚さ寸法のものを採用した。

さらに、これらの給電用リード線１８を通じて、交流の検出電流給電装置２０を接続することで、センサ本体１６を含んで電気回路を構成した。更に、かかる電気回路上には、交流電流や電圧の大きさに基づいて当該電気回路におけるインピーダンスの値を検出するインピーダンス検出装置２１を接続した。なお、検出電流給電装置２０は、振幅：±３．０Ｖ，周波数：５００ｋＨｚの交流電圧を印加するものとした。

そして、このような構造とされたゴムセンサ２２における振動検出特性を実測する実験を行った。かかる実験では、図１に示されているように、センサ本体１６を加振機２４にセットして、センサ本体１６の一対の銅板１２，１４に対して、その対向面間に加振力を加えた。具体的には、一対の銅板１２，１４間の対向面間距離を、無荷重の自由状態の距離から０．５ｍｍだけ小さくするだけの予荷重（プレロード：０．５ｍｍ相当荷重）を加えた上で、上下一対の銅板１２，１４間に対して振幅：±０．２ｍｍで周波数：１０Ｈｚ一定の加振力を及ぼした。

かかる加振時におけるゴム弾性体１０の弾性変形に伴うインピーダンス変化に対応する出力電圧（ｍＶ）（インピーダンスに換算していない値を示す。）の測定値を、実施例として図２に示す。なお、図２中の上側のグラフは、加振力による一対の銅板１２，１４の相対的変位を表すデータであり、下側のグラフが、一対の銅板１２，１４間のインピーダンス変化に対応する出力電圧を測定したデータである。

この図２に示された結果からも、ゴムセンサ２２におけるインピーダンスの検出結果が、センサ本体１６を構成するゴム弾性体１０に生ぜしめられた歪に高精度に対応していること、および十分な精度とレベルをもって検出できることが明らかである。

因みに、本実施例のゴム弾性体１０において、導電性フィラーとしてのカーボン繊維を混合せずにシリコンゴム単体で成形したものを用い、上記実施例と同一の大きさと同一の構造、同一の条件で同じ実験を、比較例として行った。

その結果、導電性フィラーを混合しないシリコンゴム単体からなるゴム弾性体１０を作用した場合、少なくとも本実験の条件下では、加振変形させた場合でも導電性を殆ど示さないことからインピーダンスの検出は不可能であり、それ故、有効な振動センサとして機能し得ないことを確認した。

本発明の一実施例としてのゴムセンサを実験装置にセットした状態を示す説明図である。 図１に示された実験装置で実施例としてのゴムセンサの加振力作用時における出力特性を実測した実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ ゴム弾性体
１２ 第一の電極
１４ 第二の電極
１６ センサ本体
２０ 検出電流給電装置
２１ インピーダンス検出装置
２２ ゴムセンサ
２４ 加振機

Claims (4)

1. ゴム弾性体に導電性フィラーを混合せしめたセンサ本体と、該センサ本体のインピーダンスを検出する検出手段とを、有することを特徴とするゴムセンサ。
2. 前記導電性フィラーがカーボン繊維である請求項１に記載のゴムセンサ。
3. 前記検出手段が、
   前記センサ本体において互いに異なる場所に密着状態で取り付けられた複数の電極と、それら電極に対して交流電圧を印加する給電手段と、該給電手段で交流電圧を印加したことによる該センサ本体のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段とを、
   含んで構成されている請求項１又は２に記載のゴムセンサ。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のゴムセンサを振動体に装着せしめて、該振動体の振動に伴う該ゴムセンサの前記センサ本体における弾性変形を、該センサ本体のインピーダンス変化として前記検出手段で検出することによって該振動体の振動状態を検出することを特徴とする振動検出方法。
   

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