JP2007121159A - 変位量検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】粘弾性部材を用いて、第1部材10に対する第2部材20の基準位置からの相対変位量を検出することができる変位量検出装置を提供する。
【解決手段】第1部材10と第2部材20との間に、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32を配置する。そして、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32は、第1部材10に対して第2部材20が相対変位する場合に、相互に逆対称の引張圧縮変形をするように配置される。例えば、第1導電性粘弾性部材31と第2導電性粘弾性部材32とは、これらにより第2部材20を挟むように、所定軸方向に対向配置されるようにする。さらに、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32のインピーダンスによりホイーストン・ブリッジ回路41を形成する。そして、ブリッジ出力電圧V2に基づき、検出部44が変位量を検出する。
【選択図】図1

Description

本発明は、相対変位する2部材の相対変位量を検出する変位量検出装置に関するものである。
相対変位する2部材の相対変位量を検出する装置としては、例えば、ひずみゲージを用いたものがある(例えば、特許文献1参照)。ここで、ひずみゲージは、異方性を有している。従って、検出したい方向の相対変位量を検出できるようにひずみゲージを配置することで、所定の方向の相対変位量を検出することができる。
ところで、従来から、ゴム中に金属粉末等の導電性粒子を分散させたゴムセンサが知られている(例えば、特許文献2参照)。このゴムセンサが圧縮された場合には、分散された導電性粒子が近接するので、ゴムセンサの抵抗値が小さくなる。一方、ゴムセンサが引張られた場合には、導電性粒子が離れるので、ゴムセンサの抵抗値は大きくなる。このように、ゴムセンサの状態に応じてゴムセンサの抵抗値が異なることを利用することで、ゴムセンサが取り付けられた部材の物理量を検出することができるとされている。
特開2005−134220号公報 特開平4−283602号公報
しかし、ゴムセンサなどの粘弾性部材は、ひずみゲージとは異なり、異方性を有していない。つまり、ゴムセンサが例えば圧縮変形又は引張変形をする場合において、どの方向に圧縮変形又は引張変形をしたのかを判断することができない。従って、2部材が複数方向へ相対変位する場合に、従来のゴムセンサを用いたとしても、2部材の特定方向への相対変位量を検出することはできない。
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、ゴムセンサなどの粘弾性部材を用いて、相対変位する2部材の相対変位量を検出することができる変位量検出装置を提供することを目的とする。
本発明の変位量検出装置は、第1部材に対して第2部材が基準位置から所定方向へ相対変位する場合において、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定方向への相対変位量を検出する変位量検出装置であって、第1の導電性粘弾性部材と、第2の導電性粘弾性部材と、ホイーストン・ブリッジ回路と、電源と、検出部とを備えることを特徴とする。
ここで、第1の導電性粘弾性部材は、第1部材と第2部材とに連結され、変形に応じてインピーダンスが変化する導電性の粘弾性材からなる部材である。この第1の導電性粘弾性部材は、例えば、粘弾性部材の中に金属粉末等の導電性粒子が分散されたものなどである。粘弾性材とは、ゴム、シリコン、エラストマー、ゲルなどである。
第2の導電性粘弾性部材は、第1部材と第2部材とに連結され、変形に応じてインピーダンスが変化する導電性粘弾性材からなる。さらに、この第2の導電性粘弾性部材は、第1部材に対して第2部材が基準位置から所定方向へ相対変位した場合に、第1の導電性粘弾性部材の引張圧縮変形に対して逆対称の引張圧縮変形をする部材である。ここで、引張変形の逆対称は圧縮変形を意味し、圧縮変形の逆対称は引張変形を意味する。つまり、第1の導電性粘弾性部材が引張変形する場合には、第2の導電性粘弾性部材が圧縮変形される。また、第1の導電性粘弾性部材が圧縮変形する場合には、第2の導電性粘弾性部材が引張変形される。
ホイーストン・ブリッジ回路は、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスにより形成される回路である。ここで、ホイーストン・ブリッジ回路とは、4つのインピーダンスにより形成される回路である。具体的には、第1インピーダンスと第3インピーダンスとを直列接続した第1ハーフブリッジ回路と、第2インピーダンスと第4インピーダンスとを直列接続した第2ハーフブリッジ回路とから構成される。そして、第1ハーフブリッジと第2ハーフブリッジとは、並列接続されている。さらに、第1インピーダンスと第3インピーダンスとの中間点と、第2インピーダンスと第4インピーダンスとの中間点とが、接続されている。そして、第1〜第4インピーダンスのうち選択された2個のインピーダンスが、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスとされている。なお、上記において、インピーダンスと称したが、交流電流が流れる場合にはインピーダンスとなるが、直流電流が流れる場合には抵抗に相当することになる。つまり、本発明におけるインピーダンスとは、直流電流が流れる場合における抵抗を含む概念である。
電源は、ホイーストン・ブリッジ回路へブリッジ入力電圧を印加する。つまり、電源は、ホイーストン・ブリッジ回路を構成する第1ハーフブリッジ回路及び第2ハーフブリッジ回路の各両端にブリッジ入力電圧を印加する。この電源は、直流電源であってもよし、交流電源であってもよい。
検出部は、ホイーストン・ブリッジ回路のブリッジ出力電圧に基づき、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定方向への相対変位量を検出する。ここで、ブリッジ出力電圧とは、第1インピーダンスと第3インピーダンスとの中間点と、第2インピーダンスと第4インピーダンスとの中間点との電圧差である。つまり、検出部は、この電圧差に基づき、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定方向への相対変位量を検出する。
上述したように構成される変位量検出装置は、以下のように動作する。まず、第1部材と第2部材とが相対変位することにより、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材が引張圧縮変形をする。特に、第1部材に対して第2部材が所定方向へ相対変位した場合には、第1の導電性粘弾性部材と第2の導電性粘弾性部材の一方が引張変形し、他方が圧縮変形する。つまり、この場合には、引張変形をする導電性粘弾性部材のインピーダンスは大きくなる。一方、圧縮変形をする導電性粘弾性部材のインピーダンスは小さくなる。
ここで、上述したように、ホイーストン・ブリッジ回路のブリッジ出力電圧は、第1インピーダンスと第3インピーダンスとの中間点と、第2インピーダンスと第4インピーダンスとの中間点との電圧差である。そして、第1〜第4インピーダンスのうち選択された2個のインピーダンスが、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンス及び第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスである。
従って、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンス及び第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスがそれぞれ大小異なる変化をすることにより、ホイーストン・ブリッジ回路のブリッジ出力電圧が変化する。このように変化するブリッジ出力電圧に基づき、検出部は第1部材に対する第2部材の基準位置から所定方向への相対変位量を検出することができる。
一方、第1部材に対して第2部材が上述した所定方向とは異なる方向へ相対変位した場合には、第1の導電性粘弾性部材と第2の導電性粘弾性部材との両方が、同じ変形をすることがある。例えば、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材が、共に引張変形をしたり、共に圧縮変形をしたりすることがある。このように、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材の何れもが同じ変形をする場合には、それぞれのインピーダンスは同じように変化する。つまり、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスとが、それぞれ大小異なる変化をしない。この場合、ホイーストン・ブリッジ回路のブリッジ出力電圧は、変化しないようにできる。
なお、第1部材に対して第2部材が所定方向とは異なる方向へ相対変位した場合に、第1の導電性粘弾性部材と第2の導電性粘弾性部材とが同じ変形をしないような場合もある。このような場合であっても、第1部材に対して第2部材が所定方向へ相対変位した場合におけるブリッジ出力電圧の変化と、第1部材に対して第2部材が所定方向とは異なる方向へ相対変位した場合におけるブリッジ出力電圧の変化とは、異なる挙動となる。
このように、上述した何れの場合であっても、第1部材に対して第2部材が所定方向へ相対変位した場合におけるブリッジ出力電圧と、第1部材に対して第2部材が所定方向とは異なる方向へ相対変位した場合におけるブリッジ出力電圧とが、それぞれ異なる挙動を示す。従って、このような挙動を示すブリッジ出力電圧を利用することで、第1部材に対する第2部材が所定方向への相対変位量を抽出することができる。
ここで、ホイーストン・ブリッジ回路において、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスは、以下のようにするとよい。
まず、第1部材に対して第2部材が基準位置に位置している場合において第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスは、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと略同一とする。さらに、ホイーストン・ブリッジ回路は、以下に示す第1ハーフブリッジ回路と第2ハーフブリッジ回路とを備えるようにする。この第1ハーフブリッジ回路は、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第3インピーダンスとを直列接続した回路である。第2ハーフブリッジ回路は、第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第3インピーダンスに略同一インピーダンスの第4インピーダンスとを直列接続している。さらに、第2ハーフブリッジ回路は、第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスとが直接接続されるように、第1ハーフブリッジ回路に並列接続される。さらには、第2ハーフブリッジ回路の第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第4インピーダンスとの中間点が、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第3インピーダンスとの中間点に接続される。そして、この場合に、電源は、第1ハーフブリッジ回路及び第2ハーフブリッジ回路の各両端にブリッジ入力電圧を印加し、ブリッジ出力電圧は、第1ハーフブリッジ回路及び第2ハーフブリッジ回路の各中間点の電圧差であるとする。
これにより、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスとの差が、ブリッジ出力電圧である電圧差に直接的に現われることになる。ここで、第1部材に対して第2部材が所定方向へ相対変位した場合には、上述したように、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンス及び第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスがそれぞれ大小異なる変化をする。従って、第1部材に対して第2部材が所定方向へ相対変位した場合には、ブリッジ出力電圧は、非常に大きな値となる。これに対して、第1部材に対して第2部材が所定方向とは異なる方向へ相対変位した場合には、ブリッジ出力電圧は、比較的小さな値となる。従って、このようなブリッジ出力電圧を利用することで、確実に、第1部材に対する第2部材が所定方向への相対変位量を抽出することができる。
また、本発明の変位量検出装置の検出部は、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸方向への相対変位量を検出するようにしてもよい。つまり、検出部は、第1部材に対して第2部材が所定の直線方向へ相対変位する場合における相対変位量を検出することになる。
この場合、第2の導電性粘弾性部材は、第1の導電性粘弾性部材とにより第2部材を挟むように、第1の導電性粘弾性部材に対して所定軸方向に対向配置されるようにするとよい。つまり、第1の導電性粘弾性部材の一端側と第2の導電性粘弾性部材の一端側との間に、第2部材が配置されることになる。そして、第1の導電性粘弾性部材の他端側及び第2の導電性粘弾性部材の他端側が、第1部材に連結されている。さらに、第1の導電性粘弾性部材と第2の導電性粘弾性部材とを結ぶ直線が、所定軸方向となるようにされている。
これにより、第1部材に対して第2部材が所定軸方向に相対変位した場合には、確実に第1の導電性粘弾性部材と第2の導電性粘弾性部材の何れか一方が圧縮変形をし、他方が引張変形をする。従って、第1部材に対して第2部材が所定軸方向に相対変位した場合には、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスの差は、変化する。そして、第1部材に対して第2部材が所定軸に直交する方向へ相対変位する場合には、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材が同じ変形をする。従って、第1部材に対して第2部材が所定軸に直交する方向へ相対変位する場合には、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスとの差は変化しない。さらに、第1部材に対して第2部材が所定軸回り又は所定軸に直交する軸回りに回転する場合にも、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材が同じ変形をする。従って、第1部材に対して第2部材が所定軸回り又は所定軸に直交する軸回りに回転する場合にも、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスとの差は変化しない。
つまり、第1の導電性粘弾性部材と第2の導電性粘弾性部材との間に第2部材を配置するようにすることで、第1部材に対して第2部材が所定軸方向以外の方向へ相対変位する場合であっても、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸方向への相対変位量を確実に検出することができる。すなわち、第1部材に対して第2部材が所定軸方向以外の方向への相対変位に影響を受けることなく、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸方向への相対変位量を検出することができる。
また、検出部が第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸方向への相対変位量を検出する場合には、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材が、略同一変形をしたときに略同一のインピーダンスとなるようにするとよい。これにより、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスとの差が、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸方向への相対変位量に、より確実に対応することになる。従って、より確実に且つ容易に、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸方向への相対変位量を検出することができる。
この場合、さらに、第2の導電性粘弾性部材が、第1の導電性粘弾性部材と略同一材質であり、所定軸方向に垂直な面に対して第1の導電性粘弾性部材と略面対称な形状からなるようにするとよい。つまり、第1の導電性粘弾性部材と第2の導電性粘弾性部材とは、略同一材質からなり、第2部材を挟んで略面対称な形状となっている。これにより、より確実に、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材は、略同一変形をしたときに略同一のインピーダンスとなるようにすることができる。従って、より確実に且つ容易に、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸方向への相対変位量を検出することができる。
また、検出部が第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸方向への相対変位量を検出する場合には、本発明の変位量検出装置は、変形吸収材をさらに備えるようにしてもよい。変形吸収材とは、第1部材及び/又は第2部材と第1の導電性粘弾性部材との間、並びに、第1部材及び/又は第2部材と第2の導電性粘弾性部材との間に配置され、且つ、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材のバネ定数よりも小さなバネ定数からなる。
これにより、第1部材に対して第2部材が大きく変位するような場合には、変形吸収材が大きく変形し、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材の変形量を小さくすることができる。特に、第1部材に対して第2部材が所定軸方向以外の方向へ変位する場合に、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材が受ける影響を小さくすることができる。そして、変形吸収材のバネ定数が、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材のバネ定数よりも小さくすることで、変形吸収材の変形が、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材へほとんど影響を及ぼさないようにすることができる。従って、より確実に検出対象である第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸方向への相対変位量を検出することができる。
また、本発明の変位量検出装置の検出部は、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸方向への相対変位量を検出する場合に限られるものではない。その他に、本発明の変位量検出装置の検出部は、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸回りへの回転方向の相対変位量を検出するようにしてもよい。ここで、所定軸回りへの回転方向への相対変位量とは、相対回転角度に相当するものである。つまり、この場合における検出部は、第1部材に対して第2部材が所定軸回りへ回転する場合に、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸回りへの回転方向の相対回転角度を検出することになる。
そして、この場合、以下のような構成とすることで、第1部材に対して第2部材が所定軸回りへの回転方向以外の方向(例えば、所定軸以外の軸回りの回転方向及び軸方向など)へ相対変位する場合であっても、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸回りへの回転方向の相対変位量を確実に検出することができる。すなわち、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸回りの回転方向への相対回転角度のみを確実に抽出することができる。
具体的には、第2部材は、第1部材に対して基準位置から所定軸回りの回転方向及び直交3軸のうち1以上の軸方向に相対変位可能である場合を対象とする。そして、本発明の変位量検出装置は、第1部材と第2部材とに連結され、変形に応じてインピーダンスが変化する導電性の粘弾性材からなる第3の導電性粘弾性部材をさらに備える。そして、ホイーストン・ブリッジ回路は、第1ホイーストン・ブリッジ回路と、第2ホイーストン・ブリッジ回路とを備える。ここで、第1ホイーストン・ブリッジ回路は、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスにより形成されるホイーストン・ブリッジ回路である。第2ホイーストン・ブリッジ回路は、第1の導電性粘弾性部材、第2の導電性粘弾性部材及び第3の導電性粘弾性部材の中から選択された2個の導電性粘弾性部材により形成されたホイーストン・ブリッジ回路である。そして、第1ホイーストン・ブリッジ回路及び第2ホイーストン・ブリッジ回路の合計回路数が、第1部材に対して第2部材が軸方向へ相対変位可能な方向数に1加算した所定数以上からなる。例えば、第1部材に対して第2部材が所定軸回りの回転方向と直交3軸方向へ相対変位可能な場合には、例えば、1個の第1ホイーストン・ブリッジ回路と、3個の第2ホイーストン・ブリッジ回路とを備えるようにする。
さらに、検出部は、基準電圧ベクトル記憶部と、実電圧ベクトル検出部と、寄与度算出部と、変位量算出部とを備える。基準電圧ベクトル記憶部は、第1部材に対する第2部材のそれぞれの方向への相対変位に応じて出力される前記所定数以上のブリッジ出力電圧である基準電圧ベクトルを予め記憶する。実電圧ベクトル検出部は、実際の第1部材に対する第2部材の相対変位に応じて出力される前記所定数以上のブリッジ出力電圧である実電圧ベクトルを検出する。寄与度算出部は、基準電圧ベクトル及び実電圧ベクトルに基づき、実電圧ベクトルに含まれる所定軸回りの回転方向及び軸方向それぞれの成分に関する寄与度を算出する。変位量算出部は、所定軸回りの回転方向の成分に関する寄与度及び基準電圧ベクトル記憶部に記憶された所定軸回りの回転方向に関する基準電圧ベクトルに基づき、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸回りの回転方向への相対変位量を算出する。
また、検出部が第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸回りの回転方向への相対変位量を検出する場合には、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材が、略同一変形をしたときに略同一のインピーダンスとなるようにするとよい。これにより、第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスとの差が、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸回りの回転方向への相対回転角度に、より確実に対応することになる。従って、より確実に且つ容易に、第1部材に対する第2部材の基準位置から所定軸回りの回転方向への相対回転角度を検出することができる。
ここで、上述した本発明の変位量検出装置において、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材は、それぞれ複数からなるようにしてもよい。例えば、第1部材に対して第2部材が直交3軸方向へ相対変位可能な場合において、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材を3個ずつ備えるようにする。そして、それぞれの第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材は、第2部材を挟むように、直交3軸方向にそれぞれ対向配置する。そうすることで、それぞれの第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材により、第1部材に対する第2部材の基準位置から直交3軸方向への相対変位量を検出することができる。また、例えば、第1部材に対して第2部材が直交3軸回りの回転方向へ相対変位(相対回転)可能な場合において、第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材を少なくとも3個ずつ備えるようにする。そして、それぞれの第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材は、直交3軸回りの回転方向へ相対回転したそれぞれの場合に、逆対称の引張圧縮変形をするようにする。そうすることで、それぞれの第1の導電性粘弾性部材及び第2の導電性粘弾性部材により、第1部材に対する第2部材の基準位置から直交3軸方向への相対回転角度を検出することができる。
本発明の変位量検出装置によれば、異方性を有しないゴムセンサなどの粘弾性部材を用いて、相対変位する2部材の所定方向の相対変位量を検出することができる。
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
(1)第1実施形態:軸方向の相対変位量を検出する変位量検出装置
第1実施形態の変位量検出装置30は、第1部材10に対して第2部材20が基準位置から所定軸方向へ変位した相対変位量を検出する装置である。第1実施形態の変位量検出装置30の構成について、図1〜図4を参照して説明する。図1は、第1実施形態の変位量検出装置30の機械構成部分を示す図である。図2及び図3は、第1実施形態の変位量検出装置30の機械構成部分の動作を示す図である。図4は、第1実施形態の変位量検出装置30の回路構成部分を示す図である。ここで、第1実施形態の変位量検出装置30は、第1部材10に対して第2部材20が図1の上下方向へ変位した相対変位量を検出する装置としている。
(1.1)第1部材10及び第2部材20の説明
まず、第1部材10及び第2部材20について、図1を参照して説明する。第1部材10は、略矩形形状の枠体である。そして、この第1部材10は、例えば、他の部材(図示せず)に固定された固定枠とする。第2部材20は、例えば略直方体形状からなり、第1部材10の枠状の中央に配置されている。ここで、第1部材10に対して第2部材20が図1の状態に存在する位置が、第1部材10に対する第2部材20の基準位置とする。また、第2部材20は、第1部材10の枠内において、第1部材10に対して図1の上下方向、左右方向、及び前後方向の直交3軸方向へ相対変位可能とされている。さらに、第2部材20は、第1部材10に対して僅かな角度だけ回転可能でもある。つまり、第2部材20は、基準位置から、図1の上下方向、左右方向、前後方向、及び回転方向へ変位可能である。
(1.2)変位量検出装置30の機械構成部分についての説明
次に、第1実施形態の変位量検出装置30の機械構成部分について、図1〜図3を参照して説明する。図1に示すように、第1実施形態の変位量検出装置30の機械構成部分は、第1導電性粘弾性部材31と、第2導電性粘弾性部材32と、第1電極33と、第2電極34と、第3電極35と、第4電極36とから構成される。
第1導電性粘弾性部材31は、略円柱状であって、導電性の粘弾性材からなる。導電性の粘弾性材とは、本実施形態においては、ゴム又はシリコン中に金属粉末等の導電性粒子を分散させたものである。そして、この第1導電性粘弾性部材31の柱方向(図1の上下方向)の長さは、第2部材20が基準位置に位置する場合において、第1部材10の図1の上辺部分の内側面と第2部材20の図1の上側面との離間距離にほぼ等しい長さとしている。
この第1導電性粘弾性部材31の上端面には、略円盤状の第1電極33が固定されている。そして、第1電極33は、第1部材10の図1の上辺部分の内側面の左右方向ほぼ中央に固定されている。つまり、第1導電性粘弾性部材31の上端面は、第1電極33を介して、第1部材10の図1の上辺部分の内側面に連結固定されている。また、第1導電性粘弾性部材31の下端面には、略円盤状の第2電極34が固定されている。そして、第2電極34は、第2部材20の図1の上側面の左右方向ほぼ中央に固定されている。つまり、第1導電性粘弾性部材31の下端面は、第2電極34を介して、第2部材20の図1の上側面に連結固定されている。従って、第2部材20が基準位置に位置している場合には、第1導電性粘弾性部材31は、図1の上下方向に向かって延伸するように、第1部材10と第2部材20の間に配置されている。
そして、第1導電性粘弾性部材31は、第2部材20が基準位置から変位することに伴って変形する。つまり、第1導電性粘弾性部材31は、第2部材20の基準位置からの変位方向に応じて、圧縮変形をしたり、引張変形をしたりする。ここで、第2部材20が基準位置に位置する場合における第1導電性粘弾性部材31の状態を第1導電性粘弾性部材31の基準状態という。
また、第1導電性粘弾性部材31のうち第1電極33と第2電極34との間の抵抗(又は、インピーダンス)R1(以下、「第1抵抗R1」という)は、第1導電性粘弾性部材31の変形に応じて異なる。具体的には、第1導電性粘弾性部材31が基準状態から圧縮変形をする場合には、当該第1抵抗R1は小さくなる。これは、第1導電性粘弾性部材31内に分散されている導電性粒子間が近接することによるものである。一方、第1導電性粘弾性部材31が基準状態から引張変形をする場合には、当該第1抵抗R1は大きくなる。これは、第1導電性粘弾性部材31内に分散されている導電性粒子間が拡大することによるものである。
第2導電性粘弾性部材32は、第1導電性粘弾性部材31と略同一形状の略円柱状からなる。さらに、第2導電性粘弾性部材32は、第1導電性粘弾性部材31と略同一材質の導電性の粘弾性材からなる。そして、この第2導電性粘弾性部材32の柱方向(図1の上下方向)の長さは、第2部材20が基準位置に位置する場合において、第1部材10の図1の下辺部分の内側面と第2部材20の図1の下側面との離間距離にほぼ等しい長さとしている。
この第2導電性粘弾性部材32の下端面には、略円盤状の第3電極35が固定されている。そして、第3電極35は、第1部材10の図1の下辺部分の内側面の左右方向ほぼ中央に固定されている。つまり、第2導電性粘弾性部材32の下端面は、第3電極35を介して、第1部材10の図1の下辺部分の内側面に連結固定されている。また、第2導電性粘弾性部材32の上端面には、略円盤状の第4電極36が固定されている。そして、第4電極36は、第2部材20の図1の下側面の左右方向ほぼ中央に固定されている。つまり、第2導電性粘弾性部材32の上端面は、第4電極36を介して、第2部材20の図1の下側面に連結固定されている。従って、第2部材20が基準位置に位置している場合には、第2導電性粘弾性部材32は、図1の上下方向に向かって延伸するように、第1部材10と第2部材20の間に配置されている。
上述したように配置することで、第2導電性粘弾性部材32は、第1導電性粘弾性部材31とにより第2部材20を挟むように、第1導電性粘弾性部材31に対して図1の上下方向に対向配置されることになる。つまり、第1導電性粘弾性部材31と第2導電性粘弾性部材32との間に第2部材20が配置され、且つ、第1導電性粘弾性部材31、第2部材20、及び第2導電性粘弾性部材32が、図1の上下方向に直線上に配置されている。さらには、第2導電性粘弾性部材32は、図1の上下方向に垂直な面に対して、第1導電性粘弾性部材31と略面対称な形状となるようにされている。
そして、第2導電性粘弾性部材32は、第2部材20が基準位置から変位することに伴って変形する。つまり、第2導電性粘弾性部材32は、第2部材20の基準位置からの変位方向に応じて、圧縮変形をしたり、引張変形をしたりする。ここで、第2部材20が基準位置に位置する場合における第2導電性粘弾性部材32の状態を第2導電性粘弾性部材32の基準状態という。
また、第2導電性粘弾性部材32のうち第3電極35と第4電極36との間の抵抗(又は、インピーダンス)R2(以下、「第2抵抗R2」という)は、第2導電性粘弾性部材32の変形に応じて異なる。具体的には、第2導電性粘弾性部材32が基準状態から圧縮変形をする場合には、当該第2抵抗R2は小さくなる。これは、第2導電性粘弾性部材32内に分散されている導電性粒子間が近接することによるものである。一方、第2導電性粘弾性部材32が基準状態から引張変形をする場合には、当該第2抵抗R2は大きくなる。これは、第2導電性粘弾性部材32内に分散されている導電性粒子間が拡大することによるものである。
ここで、第2導電性粘弾性部材32は、上述したように、第1導電性粘弾性部材31と略同一形状及び略同一材質からなる。従って、第2部材20が基準位置に位置している場合において、第1導電性粘弾性部材31の第1抵抗R1と第2導電性粘弾性部材32の第2抵抗R2とは略同一の抵抗となる。さらに、第1導電性粘弾性部材31と第2導電性粘弾性部材32とが略同一変形をしたときには、第1抵抗R1と第2抵抗R2とは、略同一の抵抗となる。
このような構成からなる変位量検出装置30の機械構成部分は、第2部材20が変位した場合に、以下のようになる。まず、第2部材20が基準位置から図1の上下方向へ変位する場合について、図2を参照して説明する。図2に示すように、第2部材20が図1の上側へ変位する場合には、第1導電性粘弾性部材31は圧縮変形をし、第2導電性粘弾性部材32は引張変形をする。この場合、第1抵抗R1は小さくなるのに対して、第2抵抗R2は大きくなる。さらに、第2部材20の基準位置から図1の上側への変位量が大きくなるほど、第1抵抗R1はさらに小さくなり、第2抵抗R2はさらに大きくなる。
一方、第2部材20が図1の下側へ変位する場合には、第1導電性粘弾性部材31は引張変形をし、第2導電性粘弾性部材32は圧縮変形をする。この場合、第1抵抗R1は大きくなるのに対して、第2抵抗R2は小さくなる。さらに、第2部材20の基準位置から図1の下側への変位量が大きくなるほど、第1抵抗R1はさらに大きくなり、第2抵抗R2はさらに小さくなる。
つまり、第2部材20が図1の上下方向へ変位する場合には、第2導電性粘弾性部材32は、第1導電性粘弾性部材31の引張圧縮変形とは逆対称の引張圧縮変形をする。そして、第2部材20の図1の上下方向への変位量が大きいほど、第1抵抗R1及び第2抵抗R2は、より大きく又はより小さくなる。従って、第2部材20が基準位置からの図1の上下方向への変位量が大きいほど、第1抵抗R1と第2抵抗R2の差が大きくなる。
次に、第2部材20が図1の左右方向へ変位する場合について、図3を参照して説明する。図3に示すように、第2部材20が図1の左側へ変位する場合には、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32は、共に引張変形をする。具体的には、この場合、第1導電性粘弾性部材31と第2導電性粘弾性部材32は、変形前も変形後も、図1の上下方向に垂直な面に対して面対称となる形状を維持する。つまり、第1導電性粘弾性部材31と第2導電性粘弾性部材32とは、同じ引張変形をしていることになる。このとき、第1抵抗R1と第2抵抗R2は、共に小さくなる。そして、第1抵抗R1と第2抵抗R2は、同じ抵抗となる。
そして、第2部材20が図1の右側へ変位する場合にも、第2部材20が図1の左側へ変位する場合と同じように、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32は、共に引張変形をする。従って、この場合の第1抵抗R1及び第2抵抗R2は、共に小さくなり、同じ抵抗となる。
さらに、第2部材20が図1の前後方向へ変位する場合にも、第2部材20が図1の左右方向へ変位する場合と同じように、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32は、共に引張変形をする。従って、この場合の第1抵抗R1及び第2抵抗R2は、共に小さくなり、同じ抵抗となる。
また、第2部材20が図1の時計回り方向へ回転変位する場合には、以下のようになる。第2部材20が図1の時計回り方向へ回転変位する場合には、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32は、共に引張変形をする。具体的には、この場合、第1導電性粘弾性部材31と第2導電性粘弾性部材32とは、回転軸を中心に点対称となる形状に変形をする。つまり、第1導電性粘弾性部材31と第2導電性粘弾性部材32とは、同じ引張変形をしていることになる。このとき、第1抵抗R1と第2抵抗R2は、共に小さくなり、同じ抵抗となる。
さらに、第2部材20が図1の反時計回り方向へ回転変位する場合、図1の左右方向軸回りに回転する場合、図1の上下方向軸回りに回転変位する場合にも、第2部材20が図1の時計回り方向へ回転変位する場合と同じように、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32は、共に引張変形をする。従って、この場合の第1抵抗R1及び第2抵抗R2は、共に小さくなり、同じ抵抗となる。
(1.3)変位量検出装置30の回路構成部分についての説明
次に、第1実施形態の変位量検出装置30の回路構成部分について、図4を参照して説明する。図4に示すように、第1実施形態の変位量検出装置30の回路構成部分は、ホイーストン・ブリッジ回路41と、直流電源42と、ブリッジ出力電圧検出部43と、変位量検出部44とから構成される。
ホイーストン・ブリッジ回路41は、第1ハーフブリッジ回路411と、第2ハーフブリッジ回路412とから構成される。第1ハーフブリッジ回路411は、第1導電性粘弾性部材31の第1抵抗R1と、第3抵抗R3とを直列接続している。具体的には、第2電極34と第3抵抗R3の一端側とを電気的に直接接続している。第2ハーフブリッジ回路412は、第2導電性粘弾性部材32の第2抵抗R2と、第4抵抗R4とを直列接続している。具体的には、第4電極36と第4抵抗R4の一端側とを電気的に直接接続している。ここで、第3抵抗R3と第4抵抗R4は、同一の抵抗を用いている。さらに、第3抵抗R3及び第4抵抗R4は、第1抵抗R1及び第2抵抗R2よりも非常に大きな抵抗としている。
そして、第1ハーフブリッジ回路411と第2ハーフブリッジ回路412とは、並列接続されている。具体的には、第1導電性粘弾性部材31の一端側と第2導電性粘弾性部材32の一端側とが直接接続されている。さらに具体的には、第1電極33と第3電極35とが直接接続され、且つ、第3抵抗R3の他端側と第4抵抗R4の他端側とが直接接続されている。
さらに、第1ハーフブリッジ回路411の中間点と第2ハーフブリッジ回路412の中間点とが接続されている。具体的には、第1導電性粘弾性部材31の他端側と第3抵抗R3との間が、第2導電性粘弾性部材32の他端側と第4抵抗R4との間に電気的に接続されている。さらに具体的には、第2電極34と第4電極36とが電気的に接続されている。
直流電源42は、ホイーストン・ブリッジ回路41へブリッジ入力電圧V1を印加する。具体的には、直流電源42は、ホイーストン・ブリッジ回路41の各両端へブリッジ入力電圧V1を印加する。さらに具体的には、直流電源42の正極側が、第1電極33及び第3電極35に接続されている。また、直流電源42の負極側が、第3抵抗R3の他端側及び第4抵抗R4の他端側に接続されている。
ブリッジ出力電圧検出部43は、ホイーストン・ブリッジ回路41のブリッジ出力電圧V2を検出する。このブリッジ出力電圧V2とは、第1ハーフブリッジ回路411の中間点と第2ハーフブリッジ回路412の中間点とを接続する部分の電圧である。すなわち、ブリッジ出力電圧V2は、第1ハーフブリッジ回路411及び第2ハーフブリッジ回路412の各中間点の電圧差となる。ここでは、ブリッジ出力電圧V2は、第1ハーフブリッジ回路411の中間点の電圧から第2ハーフブリッジ回路412の中間点の電圧を差し引いた電圧としている。
変位量検出部44(本発明における検出部)は、ブリッジ出力電圧検出部43により検出されたブリッジ出力電圧V2を入力する。そして、変位量検出部44は、入力されたブリッジ出力電圧V2に基づき、第2部材20が基準位置から図1の上下方向への変位量を求める。
以下に、変位量検出部44がブリッジ出力電圧V2に基づき第2部材20が基準位置から図1の上下方向への変位量を求める方法について、具体的に説明する。
まず、ブリッジ出力電圧V2は、数1のように示すことができる。
ここで、第2部材20が基準位置に位置している場合における第1抵抗R1(0)及び第2抵抗R2(0)は等しいので、ブリッジ出力電圧V2は零となる。つまり、数2のように示すことができる。
そして、第2部材20が基準位置から変位する場合には、上述したように、第2部材20の変位に応じて、第1抵抗R1及び第2抵抗R2が変化する。ここで、第2部材20が基準位置から図1の上下方向への変位、図1の左右方向への変位、図1の前後方向への変位、及び、回転方向への変位をそれぞれ行う場合に、第1抵抗R1及び第2抵抗R2はそれぞれの変位について線形性を有している領域が存在する。第1抵抗R1及び第2抵抗R2が線形性を有する領域は、例えば、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32の歪が10%以下となる領域である。この領域内であれば、第2部材20が変位することに伴う第1抵抗R1の変化ΔR1及び第2抵抗R2の変化ΔR2は、数3のように示すことができる。
ここで、上述したように、第2部材20が図1の左右方向、前後方向、及び回転方向へ変位する場合には、第1抵抗R1及び第2抵抗R2は同じ抵抗となる。すなわち、これらの関係は、数4のように示すことができる。
さらに、上述したように、第3抵抗R3及び第4抵抗R4は、第1抵抗R1及び第2抵抗R2よりも非常に大きな抵抗としている。すなわち、数5に示すような関係となる。従って、第1抵抗R1、第2抵抗R2、第3抵抗R3、及び第4抵抗R4は、数6に示すような関係となる。
以上より、数1〜数6をまとめると、ブリッジ出力電圧V2は、数7のように示すことができる。
このように、ブリッジ出力電圧V2は、第2部材20が基準位置から図1の上下方向のみへ変位することによる第1抵抗R1の変化ΔR11と第2抵抗R2の変化ΔR21との差として表される。つまり、ブリッジ出力電圧V2は、第2部材20が基準位置から図1の左右方向、前後方向、及び回転方向への変位による影響を受けない。従って、第2部材20が基準位置から種々の方向へ変位した場合であっても、ブリッジ出力電圧V2は、第2部材20が基準位置から図1の上下方向への変位による影響分のみを抽出できる。
そして、第2部材20が基準位置から図1の上側へ変位した場合において、第1抵抗R1は小さくなり、第2抵抗R2は大きくなる。つまり、第1抵抗R1の変化ΔR11から第2抵抗R2の変化ΔR21を差し引いた値は、負の値となる。さらに、第2部材20が基準位置から図1の上側への変位量が大きくなるほど、第1抵抗R1の変化ΔR11と第2抵抗R2の変化ΔR21との差は大きくなる。
また、第2部材20が基準位置から図1の下側へ変位した場合において、第1抵抗R1は大きくなり、第2抵抗R2は小さくなる。つまり、第1抵抗R1の変化ΔR11から第2抵抗R2の変化ΔR21を差し引いた値は、正の値となる。さらに、第2部材20が基準位置から図1の下側への変位量が大きくなるほど、第1抵抗R1の変化ΔR11と第2抵抗R2の変化ΔR21との差は大きくなる。
つまり、ブリッジ出力電圧V2は、第2部材20が基準位置から図1の上下方向へ変位した変位量に相当する。従って、ブリッジ出力電圧V2の単位系を変換することで、第2部材20の基準位置からの図1の上下方向への変位量を求めることができる。
なお、第1部材10に対する第2部材20の基準位置から所定軸方向への相対変位量を求めることができれば、その相対変位量を利用して、加速度、荷重などを算出することができる。
(2)第1実施形態の変形態様
(2.1)上記実施形態においては、第1抵抗R1及び第2抵抗R2が線形性を有する領域内であることを前提に説明した。ただし、第1部材10に対する第2部材20の変位量が大きい場合には、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32が大きく変形し、第1抵抗R1及び第2抵抗R2が線形性を有しない領域となる場合がある。そのような場合には、変位量検出装置50は、例えば図5に示すような構成としてもよい。図5に示すように、変位量検出装置50は、変形吸収材51をさらに備える。つまり、第1導電性粘弾性部材31の上端面に固定された第1電極33が、変形吸収材51を介して第1部材10に連結固定されるようにする。さらに、第2導電性粘弾性部材32の下端面に固定された第3電極35が、変形吸収材51を介して第1部材10に連結固定されるようにする。
これにより、第1部材10に対して第2部材20が大きく変位するような場合には、変形吸収材51が大きく変形し、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32の変形量は小さくすることができる。従って、第1抵抗R1及び第2抵抗R2が線形性を有する領域となるように、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32の変形量を規定することができる。このとき、変形吸収材51のバネ定数K2と第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32バネ定数K1との関係は、例えば数8のようにするとよい。
このような関係とすることにより、変形吸収材51の変形が、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32の変形にほとんど影響を及ぼさないようにすることができる。さらに、上記実施形態における第2部材20の図1の上下方向以外の変形による影響を小さくすることができる。これにより、より確実に検出対象である方向への第2部材20の変位量を検出することができる。
なお、図5においては、変形吸収材51は、第1導電性粘弾性部材31と第1部材10との間、及び、第2導電性粘弾性部材32と第1部材10との間に配置したが、これに限られるものではない。例えば、第1導電性粘弾性部材31と第2部材20との間、及び、第2導電性粘弾性部材32と第2部材20との間に配置してもよい。
(2.2)直交3軸方向の相対変位量を検出する変位量検出装置
上記実施形態においては、第1部材10に対する第2部材20の所定の1軸方向(図1の上下方向)への相対変位量を検出する変位量検出装置30について説明した。変位量検出装置30を適用して、第1部材10に対する第2部材20の直交3軸方向へのそれぞれの相対変位量を検出することができる変位量検出装置60について、図6及び図7を参照して説明する。図6は、変位量検出装置60の機械構成部分を示す図である。図7は、変位量検出装置60の回路構成部分を示す図である。
図6に示すように、第1部材10(図6には図示せず)は、他の部材に固定された略直方体の箱状枠をなしている。第2部材20は、円盤状をなしており、第1部材10の内部に配置されている。
そして、変位量検出装置60は、上述した変位量検出装置30をX軸方向、Y軸方向、及びZ軸方向へ配置するようにしたものである。すなわち、変位量検出装置60は、X軸方向変位量検出部61と、Y軸方向変位量検出部62と、Z軸方向変位量検出部63とから構成される。X軸方向変位量検出部61は、X軸用第1導電性粘弾性部材31aと、X軸用第2導電性粘弾性部材32aと、X軸用第1電極33aと、X軸用第2電極34aと、X軸用第3電極35aと、X軸用第4電極36aとから構成される。Y軸方向変位量検出部62は、Y軸用第1導電性粘弾性部材31bと、Y軸用第2導電性粘弾性部材32bと、Y軸用第1電極33bと、Y軸用第2電極34bと、Y軸用第3電極35bと、Y軸用第4電極36bとから構成される。Z軸方向変位量検出部63は、Z軸用第1導電性粘弾性部材31cと、Z軸用第2導電性粘弾性部材32cと、Z軸用第1電極33cと、Z軸用第2電極34cと、Z軸用第3電極35cと、Z軸用第4電極36cとから構成される。
ここで、上記符号31a〜36a、31b〜36b、31c〜36cを付した構成は、上記第1実施形態における符号31〜36を付した構成と実質的に同一構成からなる。ただし、符号中にアルファベットaを付した構成は、上記第1実施形態における図1の上下方向を図6におけるX軸方向としたものである。符号中にアルファベットbを付した構成は、上記第1実施形態における図1の上下方向を図6におけるY軸方向としたものである。符号中にアルファベットcを付した構成は、上記第1実施形態における図1の上下方向を図6におけるZ軸方向としたものである。
変位量検出装置60の回路構成部分は、図7に示すように、X軸用ホイーストン・ブリッジ回路41aと、Y軸用ホイーストン・ブリッジ回路41bと、Z軸用ホイーストン・ブリッジ回路41cと、直流電源42と、X軸用ブリッジ出力電圧検出部43aと、Y軸用ブリッジ出力電圧検出部43bと、Z軸用ブリッジ出力電圧検出部43cと、X軸用変位量検出部44aと、Y軸用変位量検出部44bと、Z軸用変位量検出部44cとから構成される。
X軸用ホイーストン・ブリッジ回路41aは、上記第1実施形態のホイーストン・ブリッジ回路41の第1導電性粘弾性部材31の第1抵抗R1をX軸用第1導電性粘弾性部材31aの第1抵抗R1とし、第2導電性粘弾性部材32の第2抵抗R2をX軸用第2導電性粘弾性部材32aの第2抵抗R2としたものである。Y軸用ホイーストン・ブリッジ回路41bは、上記第1実施形態のホイーストン・ブリッジ回路41の第1導電性粘弾性部材31の第1抵抗R1をY軸用第1導電性粘弾性部材31bの第1抵抗R1とし、第2導電性粘弾性部材32の第2抵抗R2をY軸用第2導電性粘弾性部材32bの第2抵抗R2としたものである。Z軸用ホイーストン・ブリッジ回路41cは、上記第1実施形態のホイーストン・ブリッジ回路41の第1導電性粘弾性部材31の第1抵抗R1をZ軸用第1導電性粘弾性部材31cの第1抵抗R1とし、第2導電性粘弾性部材32の第2抵抗R2をX軸用第2導電性粘弾性部材32cの第2抵抗R2としたものである。
そして、X軸用ブリッジ出力電圧検出部43aは、X軸用ホイーストン・ブリッジ回路41aのブリッジ出力電圧V2を検出する。Y軸用ブリッジ出力電圧検出部43bは、Y軸用ホイーストン・ブリッジ回路41bのブリッジ出力電圧V2を検出する。Z軸用ブリッジ出力電圧検出部43cは、Z軸用ホイーストン・ブリッジ回路41cのブリッジ出力電圧V2を検出する。
そして、X軸用変位量検出部44aは、X軸用ホイーストン・ブリッジ回路41aのブリッジ出力電圧V2に基づき、X軸方向への第2部材20の変位量を求める。Y軸用変位量検出部44bは、Y軸用ホイーストン・ブリッジ回路41bのブリッジ出力電圧V2に基づき、Y軸方向への第2部材20の変位量を求める。Z軸用変位量検出部44cは、Z軸用ホイーストン・ブリッジ回路41cのブリッジ出力電圧V2に基づき、Z軸方向への第2部材20の変位量を求める。なお、この変位量検出装置60は、直交3軸方向の加速度センサや荷重センサとして利用することができる。
(2.3)上記実施形態においては、変位量検出装置30の回路構成部分において、直流電源42を備えるようにしたが、交流電源としてもよい。この場合、上記における抵抗R1〜R4が、インピーダンスに置換されることになる。
(3)第2実施形態:回転方向の相対変位量(相対回転角度)を検出する変位量検出装置
次に、第2実施形態の変位量検出装置70について、図8及び図9を参照して説明する。第2実施形態の変位量検出装置70は、第1部材10に対して第2部材20が基準位置から所定軸回りに回転変位した相対変位量(相対回転角度)を検出する装置である。なお、図8は、第2実施形態の変位量検出装置70の機械構成部分を示す図である。図9は、第2実施形態の変位量検出装置70の回路構成部分を示す図である。
(3.1)第1部材10及び第2部材20の説明
第1部材10及び第2部材20について、図8を参照して説明する。第1部材10は、略円筒状をなしている。そして、この第1部材10は、例えば、他の部材(図示せず)に固定されているとする。第2部材20は、第1部材10よりも小径の略円筒状をなしている。そして、第2部材20は、第1部材10の中央にほぼ同軸上に配置されている。ここで、第2部材20は、第1部材10の内部において、第1部材10に対して僅かな角度だけ、図8の前後方向軸回りに回転可能とされている。さらに、第2部材20は、第1部材10に対して図8の前後方向へ相対変位可能とされている。なお、ここでは、第2部材20は、第1部材10に対して図8の上下方向及び左右方向へ相対変位できないものとして説明する。つまり、第2部材20は、第1部材10に対して、図8の前後軸回りの回転変位、及び、図8の前後軸方向へ変位可能とする。
(3.2)変位量検出装置70の機械構成部分についての説明
次に、第2実施形態の変位量検出装置70の機械構成部分について、図8を参照して説明する。導電性粘弾性部材71と、第1電極72と、第2電極73と、第3電極74と、第4電極75と、第5電極76と、第6電極77とから構成される。
導電性粘弾性部材71は、第1部材10と第2部材20とにより囲まれる空間に充填されている。すなわち、導電性粘弾性部材71は、第1部材10の内周面全てと第2部材20の外周面全てとに連結固定されている。この導電性粘弾性部材71は、導電性の粘弾性部材からなる。本実施形態においては、導電性の粘弾性部材とは、ゴム又はシリコン中に金属粉末等の導電性粒子を分散させたものである。
第1電極72は、第1部材10の内周面に固定された電極である。この第1電極72は、図8においては、第1部材10の内周面であって、左上側に配置された電極である。第2電極73は、第1部材10の内周面に固定された電極である。この第2電極73は、図8においては、第1部材10の内周面であって、右上側に配置された電極である。第3電極74は、第2部材20の外周面に固定された電極である。この第3電極74は、図8においては、第2部材20の外周面であって、上側に配置された電極である。第4電極75は、第1部材10の内周面に固定された電極である。この第4電極75は、図8においては、第1部材10の内周面であって、左下側に配置された電極である。第5電極76は、第1部材10の内周面に固定された電極である。この第5電極76は、図8においては、第1部材10の内周面であって、右下側に配置された電極である。第6電極77は、第2部材20の外周面に固定された電極である。この第6電極77は、図8においては、第2部材20の外周面であって、下側に配置された電極である。
ここで、第1電極72と第3電極74とは、第1電極72と第3電極74とを結ぶ線分上に存在する導電性粘弾性部材71の一部分を抵抗とみなした場合に、その両端電極をなしている。そこで、図8においては、第1電極72と第3電極74とを結ぶ線分上に存在する導電性粘弾性部材71の一部分を第6抵抗R6と記す。また、第2電極73と第3電極74とは、第2電極73と第3電極74とを結ぶ線分上に存在する導電性粘弾性部材71の一部分を抵抗とみなした場合に、その両端電極をなしている。そこで、図8においては、第2電極73と第3電極74とを結ぶ線分上に存在する導電性粘弾性部材71の一部分を第7抵抗R7と記す。また、第4電極75と第6電極77とは、第4電極75と第6電極77とを結ぶ線分上に存在する導電性粘弾性部材71の一部分を抵抗とみなした場合に、その両端電極をなしている。そこで、図8においては、第4電極75と第6電極77とを結ぶ線分上に存在する導電性粘弾性部材71の一部分を第8抵抗R8と記す。また、第5電極76と第6電極77とは、第5電極76と第6電極77とを結ぶ線分上に存在する導電性粘弾性部材71の一部分を抵抗とみなした場合に、その両端電極をなしている。そこで、図8においては、第5電極76と第6電極77とを結ぶ線分上に存在する導電性粘弾性部材71の一部分を第9抵抗R9と記す。
このような構成からなる変位量検出装置70の機械構成部分において、第1部材10に対して第2部材20が図8の時計回り方向に回転した場合に、第1電極72と第3電極74との離間距離が大きくなる。つまり、第1電極72と第3電極74との間に存在する導電性粘弾性部材71が引張変形をしたとみなされる。また、第2電極73と第3電極74との離間距離は小さくなる。すなわち、第2電極73と第3電極74との間に存在する導電性粘弾性部材71が圧縮変形をしたとみなされる。従って、第6抵抗R6が大きくなるのに対して、第7抵抗R7は小さくなる。
また、第4電極75と第6電極77との離間距離は、小さくなる。すなわち、第4電極75と第6電極77との間に存在する導電性粘弾性部材71が圧縮変形をしたとみなされる。また、第5電極76と第6電極77との離間距離は、大きくなる。すなわち、第5電極76と第6電極77との間に存在する導電性粘弾性部材71が引張変形をしたとみなされる。従って、第8抵抗R8が小さくなるのに対して、第9抵抗R9は大きくなる。
一方、第1部材10に対して第2部材20が図8の反時計回り方向に回転した場合に、第1電極72と第3電極74との離間距離が小さくなる。つまり、第1電極72と第3電極74との間に存在する導電性粘弾性部材71が圧縮変形をしたとみなされる。また、第2電極73と第3電極74との離間距離は大きくなる。すなわち、第2電極73と第3電極74との間に存在する導電性粘弾性部材71が引張変形をしたとみなされる。従って、第6抵抗R6が小さくなるのに対して、第7抵抗R7は大きくなる。
また、第4電極75と第6電極77との離間距離は、大きくなる。すなわち、第4電極75と第6電極77との間に存在する導電性粘弾性部材71が引張変形をしたとみなされる。また、第5電極76と第6電極77との離間距離は、小さくなる。すなわち、第5電極76と第6電極77との間に存在する導電性粘弾性部材71が圧縮変形をしたとみなされる。従って、第8抵抗R8が大きくなるのに対して、第9抵抗R9は小さくなる。
つまり、第2部材20が図8の前後軸回り方向へ回転変位する場合には、第1電極72と第3電極74との間に存在する導電性粘弾性部材71と、第2電極73と第3電極74との間に存在する導電性粘弾性部材71とは、相互に逆対称の引張圧縮変形をする。また、第2部材20が図8の前後軸回り方向へ回転変位する場合には、第4電極75と第6電極77との間に存在する導電性粘弾性部材71と、第5電極76と第6電極77との間に存在する導電性粘弾性部材71とは、相互に逆対称の引張圧縮変形をする。
そして、第2部材20の図8の前後軸回りの回転変位量が大きいほど、第6抵抗R6及び第7抵抗R7は、より大きく又はより小さくなる。従って、第2部材20の図8の前後軸回りへの回転変位量が大きいほど、第6抵抗R6と第7抵抗R7の差が大きくなる。また、第2部材20の図8の前後軸回りの回転変位量が大きいほど、第8抵抗R8及び第9抵抗R9は、より大きく又はより小さくなる。従って、第2部材20の図8の前後軸回りへの回転変位量が大きいほど、第8抵抗R8と第9抵抗R9の差が大きくなる。
次に、第1部材10に対して第2部材20が図8の前後方向へ変位する場合について説明する。この場合、第1電極72と第3電極74との離間距離、及び、第2電極73と第3電極74との離間距離が、共に同一量だけ大きくなる。つまり、第1電極72と第3電極74との間に存在する導電性粘弾性部材71、及び、第2電極73と第3電極74との間に存在する導電性粘弾性部材71が、共に同一の引張変形をしたとみなされる。従って、第6抵抗R6及び第7抵抗R7は、共に大きくなる。そして、第6抵抗R6と第7抵抗R7は、同じ抵抗となる。この場合、第8抵抗R8及び第9抵抗も、第6抵抗R6及び第7抵抗R7の関係と同様となる。
(3.3)変位量検出装置70の回路構成部分についての説明
次に、第2実施形態の変位量検出装置70の回路構成部分について、図9を参照して説明する。図9に示すように、第2実施形態の変位量検出装置70の回路構成部分は、第1ホイーストン・ブリッジ回路81と、第2ホイーストン・ブリッジ回路82と、直流電源83と、第1ブリッジ出力電圧検出部84と、第2ブリッジ出力電圧検出部85と、変位量検出部86とから構成される。
第1ホイーストン・ブリッジ回路81は、第1ハーフブリッジ回路811と、第2ハーフブリッジ回路812とから構成される。第1ハーフブリッジ回路811は、第6抵抗R6と、第3抵抗R3とを直列接続している。具体的には、第1電極72と第3抵抗R3の一端側とを電気的に直接接続している。第2ハーフブリッジ回路812は、第7抵抗R7と、第4抵抗R4とを直列接続している。具体的には、第2電極73と第4抵抗R4の一端側とを電気的に直接接続している。ここで、第3抵抗R3と第4抵抗R4は、同一の抵抗を用いている。さらに、第3抵抗R3及び第4抵抗R4は、第6抵抗R6及び第7抵抗R7よりも非常に大きな抵抗としている。そして、第1ハーフブリッジ回路811と第2ハーフブリッジ回路812とは、並列接続されている。具体的には、第3電極74が共通化され、且つ、第3抵抗R3の他端側と第4抵抗R4の他端側とが直接接続されるようにされている。さらに、第1ハーフブリッジ回路811の中間点と第2ハーフブリッジ回路812の中間点とが接続されている。具体的には、第1電極72と第2電極73とが電気的に接続されている。
第2ホイーストン・ブリッジ回路82は、第1ハーフブリッジ回路821と、第2ハーフブリッジ回路822とから構成される。第1ハーフブリッジ回路821は、第8抵抗R8と、第3抵抗R3とを直列接続している。具体的には、第4電極75と第3抵抗R3の一端側とを電気的に直接接続している。第2ハーフブリッジ回路822は、第9抵抗R9と、第4抵抗R4とを直列接続している。具体的には、第5電極76と第4抵抗R4の一端側とを電気的に直接接続している。ここで、第3抵抗R3と第4抵抗R4は、上記同様、同一の抵抗を用いている。さらに、第3抵抗R3及び第4抵抗R4は、第8抵抗R8及び第9抵抗R9よりも非常に大きな抵抗としている。そして、第1ハーフブリッジ回路821と第2ハーフブリッジ回路822とは、並列接続されている。具体的には、第6電極77が共通化され、且つ、第3抵抗R3の他端側と第4抵抗R4の他端側とが直接接続されるようにされている。さらに、第1ハーフブリッジ回路821の中間点と第2ハーフブリッジ回路822の中間点とが接続されている。具体的には、第4電極75と第5電極76とが電気的に接続されている。
直流電源83は、第1ホイーストン・ブリッジ回路81及び第2ホイーストン・ブリッジ回路82へブリッジ入力電圧V1を印加する。具体的には、直流電源83は、第1ホイーストン・ブリッジ回路81及び第2ホイーストン・ブリッジ回路82の各両端へブリッジ入力電圧V1を印加する。さらに具体的には、直流電源83の正極側が、第3電極74及び第6電極77に接続されている。また、直流電源83の負極側が、第1ホイーストン・ブリッジ回路81及び第2ホイーストン・ブリッジ回路82のそれぞれの第3抵抗R3の他端側及び第4抵抗R4の他端側に接続されている。
第1ブリッジ出力電圧検出部84は、第1ホイーストン・ブリッジ回路81のブリッジ出力電圧V21を検出する。このブリッジ出力電圧V21とは、第1ハーフブリッジ回路811の中間点と第2ハーフブリッジ回路812の中間点とを接続する部分の電圧である。すなわち、ブリッジ出力電圧V21は、第1ハーフブリッジ回路811及び第2ハーフブリッジ回路812の各中間点の電圧差となる。ここでは、ブリッジ出力電圧V21は、第1ハーフブリッジ回路811の中間点の電圧から第2ハーフブリッジ回路812の中間点の電圧を差し引いた電圧としている。
第2ブリッジ出力電圧検出部85は、第2ホイーストン・ブリッジ回路82のブリッジ出力電圧V22を検出する。このブリッジ出力電圧V22とは、第1ハーフブリッジ回路821の中間点と第2ハーフブリッジ回路822の中間点とを接続する部分の電圧である。すなわち、ブリッジ出力電圧V22は、第1ハーフブリッジ回路821及び第2ハーフブリッジ回路822の各中間点の電圧差となる。ここでは、ブリッジ出力電圧V22は、第1ハーフブリッジ回路821の中間点の電圧から第2ハーフブリッジ回路822の中間点の電圧を差し引いた電圧としている。
変位量検出部86(本発明における検出部)は、第1ブリッジ出力電圧検出部84により検出されたブリッジ出力電圧V21及び第2ブリッジ出力電圧検出部85により検出されたブリッジ出力電圧V22を入力する。そして、変位量検出部86は、入力されたブリッジ出力電圧V21、V22の何れか若しくは両方に基づき、第2部材20が基準位置から図8の前後軸回りの回転方向への変位量(回転角度)を求める。なお、当該変位量は、上述した第1実施形態と同様の方法により求めることができる。
(4)第2実施形態の変形態様
上記第2実施形態においては、第1部材10に対して第2部材20が図8の前後軸回りの回転変位のみ可能とした。それに対して、当該変形態様は、第1部材10に対して第2部材20が直交3軸方向へ変位し、且つ、所定軸回りに回転変位する場合を対象とする。そして、当該変形態様の変位量検出装置90は、第1部材10に対して第2部材20が所定軸回りに回転変位する相対変位量(相対回転角度)を検出する装置とする。
当該第2実施形態の変形態様の変位量検出装置90について、図10を参照して説明する。図10は、第2実施形態の変形態様における変位量検出装置90の回路構成部分を示す図である。変位量検出装置90の機械構成部分は、上述した第2実施形態の変位量検出装置70と同一であるので、説明を省略する。
変位量検出装置90の回路構成部分は、図10に示すように、ホイーストン・ブリッジ回路部91と、直流電源92と、ブリッジ出力電圧検出部93と、変位量検出部94とから構成される。
ホイーストン・ブリッジ回路部91は、4個のホイーストン・ブリッジ回路91a〜91dにより形成されている。第1ホイーストン・ブリッジ回路91aは、第1ハーフブリッジ回路911aと、第2ハーフブリッジ回路912aとから構成される。第1ハーフブリッジ回路911aは、第6抵抗R6と第3抵抗R3とを直列接続している。第2ハーフブリッジ回路912aは、第7抵抗R7と第4抵抗R4とを直列接続している。そして、第1ハーフブリッジ回路911aと第2ハーフブリッジ回路912aとは、並列接続されている。さらに、第1ハーフブリッジ回路911aの中間点と第2ハーフブリッジ回路912aの中間点とが接続されている。
第2ホイーストン・ブリッジ回路91bは、第1ハーフブリッジ回路911bと、第2ハーフブリッジ回路912bとから構成される。第1ハーフブリッジ回路911bは、第7抵抗R7と第3抵抗R3とを直列接続している。第2ハーフブリッジ回路912bは、第8抵抗R8と第4抵抗R4とを直列接続している。そして、第1ハーフブリッジ回路911bと第2ハーフブリッジ回路912bとは、並列接続されている。さらに、第1ハーフブリッジ回路911bの中間点と第2ハーフブリッジ回路912bの中間点とが接続されている。
第3ホイーストン・ブリッジ回路91cは、第1ハーフブリッジ回路911cと、第2ハーフブリッジ回路912cとから構成される。第1ハーフブリッジ回路911cは、第8抵抗R8と第3抵抗R3とを直列接続している。第2ハーフブリッジ回路912cは、第9抵抗R9と第4抵抗R4とを直列接続している。そして、第1ハーフブリッジ回路911cと第2ハーフブリッジ回路912cとは、並列接続されている。さらに、第1ハーフブリッジ回路911cの中間点と第2ハーフブリッジ回路912cの中間点とが接続されている。
第4ホイーストン・ブリッジ回路91dは、第1ハーフブリッジ回路911dと、第2ハーフブリッジ回路912dとから構成される。第1ハーフブリッジ回路911dは、第9抵抗R9と第3抵抗R3とを直列接続している。第2ハーフブリッジ回路912dは、第6抵抗R6と第4抵抗R4とを直列接続している。そして、第1ハーフブリッジ回路911dと第2ハーフブリッジ回路912dとは、並列接続されている。さらに、第1ハーフブリッジ回路911dの中間点と第2ハーフブリッジ回路912dの中間点とが接続されている。
直流電源92は、ホイーストン・ブリッジ回路部91へブリッジ入力電圧V1を印加する。具体的には、直流電源92は、第1ホイーストン・ブリッジ回路91a、第2ホイーストン・ブリッジ回路91b、第3ホイーストン・ブリッジ回路91c、第4ホイーストン・ブリッジ回路91dの各両端へブリッジ入力電圧V1を印加する。
ブリッジ出力電圧検出部93は、ホイーストン・ブリッジ回路部91のそれぞれのブリッジ出力電圧V26〜V29を検出する。ブリッジ出力電圧V26は、第1ホイーストン・ブリッジ回路91aのブリッジ出力電圧である。ブリッジ出力電圧V27は、第2ホイーストン・ブリッジ回路91bのブリッジ出力電圧である。ブリッジ出力電圧V28は、第3ホイーストン・ブリッジ回路91cのブリッジ出力電圧である。ブリッジ出力電圧V29は、第1ホイーストン・ブリッジ回路91dのブリッジ出力電圧である。
変位量検出部94(本発明における検出部)は、ブリッジ出力電圧検出部93により検出されたそれぞれのブリッジ出力電圧V26〜V29を入力する。そして、変位量検出部94は、入力されたブリッジ出力電圧V26〜V29に基づき、第2部材20が基準位置から図8の前後軸回りの回転方向への変位量(回転角度)を求める。
以下に、変位量検出部94の詳細構成、並びに、変位量検出部94がブリッジ出力電圧V26〜V29に基づき第2部材20が基準位置から図8の前後軸回りの回転方向への変位量を求める方法について、具体的に説明する。
変位量検出部94の詳細構成については、図11を参照して説明する。図11は、変位量検出部94の構成を示すブロック図である。図11に示すように、変位量検出部94は、基準電圧ベクトル記憶部94aと、実電圧ベクトル検出部94bと、寄与度算出部94cと、変位量算出部94dとから構成される。
基準電圧ベクトル記憶部94aは、第1部材10に対する第2部材20のそれぞれの方向への変位に応じて出力されるブリッジ出力電圧V26〜V29を予め記憶しておく。
具体的には、基準電圧ベクトル記憶部94aは、第1部材10に対して第2部材20が図8の前後軸回りにのみに回転変位する場合におけるブリッジ出力電圧V26〜V29を予め記憶する。ここで、この場合におけるブリッジ出力電圧V26〜V29を「回転モードにおける基準電圧ベクトルU1」という。
さらに、基準電圧ベクトル記憶部94aは、第1部材10に対して第2部材20が図8の上下方向にのみ変位する場合におけるブリッジ出力電圧V26〜V29を予め記憶する。ここで、この場合におけるブリッジ出力電圧V26〜V29を「上下モードにおける基準電圧ベクトルU2」という。
さらに、基準電圧ベクトル記憶部94aは、第1部材10に対して第2部材20が図8の左右方向にのみ変位する場合におけるブリッジ出力電圧V26〜V29を予め記憶する。ここで、この場合におけるブリッジ出力電圧V26〜V29を「左右モードにおける基準電圧ベクトルU3」という。
さらに、基準電圧ベクトル記憶部94aは、第1部材10に対して第2部材20が図8の前後方向にのみ変位する場合におけるブリッジ出力電圧V26〜V29を予め記憶する。ここで、この場合におけるブリッジ出力電圧V26〜V29を「前後モードにおける基準電圧ベクトルU4」という。
ここで、回転モードにおける基準電圧ベクトルU1、上下モードにおける基準電圧ベクトルU2、左右モードにおける基準電圧ベクトルU3、及び、前後モードにおける基準電圧ベクトルU4を総称して、「基準電圧ベクトルU」という。つまり、基準電圧ベクトル記憶部94aは、この基準電圧ベクトルUを予め記憶しておく。
ここで、第1部材10に対して第2部材20が変位するそれぞれの方向(以下、「変形モード」という)とブリッジ出力電圧V26〜V29との関係について、表1に示す。なお、表1の変形モードにおいて、回転モードとは、第1部材10に対して第2部材20が図8の前後軸回りに回転変位した場合のモードである。上下モードとは、第1部材10に対して第2部材20が図8の上下方向へ変位した場合のモードである。左右モードとは、第1部材10に対して第2部材20が図8の左右方向へ変位した場合のモードである。前後モードとは、第1部材10に対して第2部材20が図8の前後方向へ変位した場合のモードである。また、表1中、a1〜a8は、零でない値を示す。
ここで、第6抵抗R6、第7抵抗R7、第8抵抗R8、及び第9抵抗R9は、それぞれのモードについて線形性を有している領域が存在する。本実施形態においては、第6抵抗R6、第7抵抗R7、第8抵抗R8、及び第9抵抗R9が、それぞれのモードについて線形性を有している領域にて使用するものとする。
そして、第1実施形態の数7を参照すると、ブリッジ出力電圧V26は、第6抵抗R6と第7抵抗R7の差に比例する。また、ブリッジ出力電圧V27は、第7抵抗R7と第8抵抗R8の差に比例する。また、ブリッジ出力電圧V28は、第8抵抗R8と第9抵抗R9の差に比例する。また、ブリッジ出力電圧V29は、第9抵抗R9と第6抵抗R6の差に比例する。
従って、各モードにおける基準電圧ベクトルU1〜U4は、ブリッジ出力電圧V26〜V29に対して線形性を有する。つまり、数9のように示すことができる。
ここで、各モードにおける基準電圧ベクトルU1〜U4は、数10のようになる。
実電圧ベクトル検出部94bは、実際の第1部材10に対する第2部材20の変位に応じて、ブリッジ出力電圧検出部93により検出されたブリッジ出力電圧V26〜V29を入力する。ここで、実際の第1部材10に対する第2部材20の変位とは、上述した回転モード、上下モード、左右モード、及び前後モードが種々に混在した状態である。そして、この実際の第1部材10に対して第2部材20が変位する際のブリッジ出力電圧V26〜V29を「実電圧ベクトルUR」という。
寄与度算出部94cは、基準電圧ベクトルU及び実電圧ベクトルURを入力する。この基準電圧ベクトルUと実電圧ベクトルURとの関係は、数11に示す関係となる。
そして、寄与度算出部94cは、数11の関係からなる基準電圧ベクトルU及び実電圧ベクトルURに基づき、実電圧ベクトルURに含まれる図8の前後軸回りの回転方向及び直交3軸方向それぞれの成分に関する寄与度k1〜k4を算出する。つまり、寄与度算出部94cは、回転モードの成分に関する寄与度k1、上下モードの成分に関する寄与度k2、左右モードの成分に関する寄与度k3、及び前後モードの成分に関する寄与度k4を算出する。具体的には、数12に示すように、行列演算を行うことにより、各モードiの成分に関する寄与度kiを算出することができる。
変位量算出部94dは、寄与度算出部94cにより算出された図8の前後軸回りの回転モードの成分に関する寄与度k1を入力する。さらに、変位量算出部94dは、基準電圧ベクトル記憶部94aに記憶された回転モードにおける基準電圧ベクトルU1を入力する。そして、変位量算出部94dは、回転モードの成分に関する寄与度k1及び回転モードにおける基準電圧ベクトルU1に基づき、第1部材10に対する第2部材20の相対変位量(相対回転角度)を算出する。
このように、第1部材10に対して第2部材20が回転方向以外の軸方向へ変位する場合であっても、確実に回転方向の相対変位量を求めることができる。
なお、上記第2実施形態の変形態様においては、第1部材10に対して第2部材20が、回転方向への変位の他に、直交3軸方向への変位が可能として説明した。そのため、ホイーストン・ブリッジ回路部91は、4個のホイーストン・ブリッジ回路91a〜91dを形成するようにした。ただし、例えば、第1部材10に対して第2部材20が相対変位可能な軸方向が1つである場合には、ホイーストン・ブリッジ回路部91は、2個のホイーストン・ブリッジ回路で十分である。つまり、第1部材10に対して第2部材20が軸方向へ相対変位可能な方向数に1加算した数以上のホイーストン・ブリッジ回路を形成すればよい。
(5)その他
上記第1実施形態において、第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32は、それぞれ独立して存在するような構成としたが、これに限られるものではない。例えば、第2実施形態の導電性粘弾性部材70のように、第1部材10と第2部材20とにより囲まれる空間全てが導電性粘弾性部材により充填されるようにしてもよい。
一方、第2実施形態において、導電性粘弾性部材70は、第1部材10と第2部材20とにより囲まれる空間に充填されるようにしたが、これに限られるものではない。例えば、第1実施形態の第1導電性粘弾性部材31及び第2導電性粘弾性部材32のように、独立して導電性粘弾性部材を形成するようにしてもよい。
なお、上述した変位量検出装置は、例えば、エンジンマウントなどに適用することができる。この場合、例えば、第1部材10がエンジンに取り付けられ、第2部材20が車両ボディに取り付けられる。
第1実施形態の変位量検出装置30の機械構成部分を示す図である。 第1実施形態の変位量検出装置30の機械構成部分の動作を示す図である。 第1実施形態の変位量検出装置30の機械構成部分の動作を示す図である。 第1実施形態の変位量検出装置30の回路構成部分を示す図である。 第1実施形態の変形態様の変位量検出装置50の機械構成部分を示す図である。 第1実施形態の変形態様の変位量検出装置60の機械構成部分を示す図である。 第1実施形態の変形態様の変位量検出装置60の回路構成部分を示す図である。 第2実施形態の変位量検出装置70の機械構成部分を示す図である。 第2実施形態の変位量検出装置70の回路構成部分を示す図である。 第2実施形態の変形態様の変位量検出装置90の回路構成部分を示す図である。 変位量検出部94の構成を示すブロック図である。
符号の説明
10:第1部材、 20:第2部材、
30、50、60、70、90:変位量検出装置、
31:第1導電性粘弾性部材、 31a:X軸用第1導電性粘弾性部材、
31b:Y軸用第1導電性粘弾性部材、 31c:Z軸用第1導電性粘弾性部材、
32:第2導電性粘弾性部材、 32a:X軸用第2導電性粘弾性部材、
32b:Y軸用第2導電性粘弾性部材、 32c:Z軸用第2導電性粘弾性部材、
33:第1電極、 33a:X軸用第1電極、 33b:Y軸用第1電極、
33c:Z軸用第1電極、
34:第2電極、 34a:X軸用第2電極、 34b:Y軸用第2電極、
34c:Z軸用第2電極、
35:第3電極、 35a:X軸用第3電極、 35b:Y軸用第3電極、
35c:Z軸用第3電極、
36:第4電極、 36a:X軸用第4電極、 36b:Y軸用第4電極、
36c:Z軸用第4電極、
41:ホイーストン・ブリッジ回路、
41a:X軸用ホイーストン・ブリッジ回路、
41b:Y軸用ホイーストン・ブリッジ回路、
41c:Z軸用ホイーストン・ブリッジ回路、
42:直流電源、
43:ブリッジ出力電圧検出部、 43a:X軸用ブリッジ出力電圧検出部、
43b:Y軸用ブリッジ出力電圧検出部、 43c:Z軸用ブリッジ出力電圧検出部、
44:変位量検出部、 44a:X軸用変位量検出部、 44b:Y軸用変位量検出部、
44c:Z軸用変位量検出部
51:変形吸収材、
61:X軸方向変位量検出部、 62:Y軸方向変位量検出部、
63:Z軸方向変位量検出部、
71:導電性粘弾性部材、 72:第1電極、 73:第2電極、 74:第3電極、 75:第4電極、 76:第5電極、 77:第6電極、
81:第1ホイーストン・ブリッジ回路、 82:第2ホイーストン・ブリッジ回路
83:直流電源、 84:第1ブリッジ出力電圧検出部、
85:第2ブリッジ出力電圧検出部、 86:変位量検出部、
91:ホイーストン・ブリッジ回路部、
91a〜91d:ホイーストン・ブリッジ回路、
92:直流電源、 93:ブリッジ出力電圧検出部、
94:変位量検出部、 94a:基準電圧ベクトル記憶部、
94b:実電圧ベクトル検出部、 94c:寄与度算出部、 94d:変位量算出部、
411:第1ハーフブリッジ回路、 412:第2ハーフブリッジ回路、
811、821:第1ハーフブリッジ回路、 812、822:第2ハーフブリッジ回路
911a〜911d:第1ハーフブリッジ回路、
912a〜912d:第2ハーフブリッジ回路

Claims (11)

  1. 第1部材に対して第2部材が基準位置から所定方向へ相対変位する場合において、前記第1部材に対する前記第2部材の前記基準位置から前記所定方向への相対変位量を検出する変位量検出装置であって、
    前記第1部材と前記第2部材とに連結され、変形に応じてインピーダンスが変化する導電性の粘弾性材からなる第1の導電性粘弾性部材と、
    前記第1部材と前記第2部材とに連結され、変形に応じてインピーダンスが変化する導電性粘弾性材からなり、前記第1部材に対して前記第2部材が前記基準位置から前記所定方向へ相対変位した場合に前記第1の導電性粘弾性部材の引張圧縮変形に対して逆対称の引張圧縮変形をする第2の導電性粘弾性部材と、
    前記第1の導電性粘弾性部材及び前記第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスにより形成されるホイーストン・ブリッジ回路と、
    前記ホイーストン・ブリッジ回路へブリッジ入力電圧を印加する電源と、
    前記ホイーストン・ブリッジ回路のブリッジ出力電圧に基づき前記第1部材に対する前記第2部材の前記基準位置から前記所定方向への相対変位量を検出する検出部と、
    を備えることを特徴とする変位量検出装置。
  2. 前記第1部材に対して前記第2部材が前記基準位置に位置している場合において前記第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスは、前記第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと略同一であり、
    前記ホイーストン・ブリッジ回路は、
    前記第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと第3インピーダンスとを直列接続した第1ハーフブリッジ回路と、
    前記第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスと前記第3インピーダンスに略同一インピーダンスの第4インピーダンスとを直列接続し、前記第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスと前記第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスとが直接接続されるように前記第1ハーフブリッジ回路に並列接続され、かつ、前記第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスと前記第4インピーダンスとの中間点が前記第1の導電性粘弾性部材のインピーダンスと前記第3インピーダンスとの中間点に接続された第2ハーフブリッジ回路と、
    を備え、
    前記電源は、前記第1ハーフブリッジ回路及び前記第2ハーフブリッジ回路の各両端に前記ブリッジ入力電圧を印加し、
    前記ブリッジ出力電圧は、前記第1ハーフブリッジ回路及び前記第2ハーフブリッジ回路の各中間点の電圧差である請求項1記載の変位量検出装置。
  3. 前記検出部は、前記第1部材に対する前記第2部材の前記基準位置から所定軸方向への相対変位量を検出する請求項1又は2に記載の変位量検出装置。
  4. 前記第2の導電性粘弾性部材は、前記第1の導電性粘弾性部材とにより前記第2部材を挟むように、前記第1の導電性粘弾性部材に対して前記所定軸方向に対向配置される請求項3記載の変位量検出装置。
  5. 前記第1の導電性粘弾性部材及び前記第2の導電性粘弾性部材は、略同一変形をしたときに略同一のインピーダンスとなる請求項3又は4に記載の変位量検出装置。
  6. 前記第2の導電性粘弾性部材は、前記第1の導電性粘弾性部材と略同一材質であり、前記所定軸方向に垂直な面に対して前記第1の導電性粘弾性部材と略面対称な形状からなる請求項5記載の変位量検出装置。
  7. 前記第1部材及び/又は前記第2部材と前記第1の導電性粘弾性部材との間、並びに、前記第1部材及び/又は前記第2部材と前記第2の導電性粘弾性部材との間に配置され、且つ、前記第1の導電性粘弾性部材及び前記第2の導電性粘弾性部材のバネ定数よりも小さなバネ定数からなる変形吸収材をさらに備える請求項3〜6の何れか一項に記載の変位量検出装置。
  8. 前記検出部は、前記第1部材に対する前記第2部材の前記基準位置から所定軸回りへの回転方向の相対変位量を検出する請求項1又は2に記載の変位量検出装置。
  9. 前記第2部材は、前記第1部材に対して前記基準位置から少なくとも前記所定軸回りの回転方向及び直交3軸のうち1以上の軸方向に相対変位可能であり、
    前記第1部材と前記第2部材とに連結され、変形に応じてインピーダンスが変化する導電性の粘弾性材からなる第3の導電性粘弾性部材をさらに備え、
    前記ホイーストン・ブリッジ回路は、前記第1の導電性粘弾性部材及び前記第2の導電性粘弾性部材のインピーダンスにより形成される第1ホイーストン・ブリッジ回路と、前記第1の導電性粘弾性部材、前記第2の導電性粘弾性部材及び前記第3の導電性粘弾性部材の中から選択された2個の導電性粘弾性部材により形成された第2ホイーストン・ブリッジ回路とを備え、前記第1ホイーストン・ブリッジ回路及び前記第2ホイーストン・ブリッジ回路の合計回路数が前記第1部材に対して前記第2部材が前記軸方向へ相対変位可能な方向数に1加算した所定数以上からなり、
    前記検出部は、
    前記第1部材に対する前記第2部材のそれぞれの方向への相対変位に応じて出力される前記所定数以上の前記ブリッジ出力電圧である基準電圧ベクトルを予め記憶する基準電圧ベクトル記憶部と、
    実際の前記第1部材に対する前記第2部材の相対変位に応じて出力される前記所定数以上の前記ブリッジ出力電圧である実電圧ベクトルを検出する実電圧ベクトル検出部と、
    前記基準電圧ベクトル及び前記実電圧ベクトルに基づき、前記実電圧ベクトルに含まれる前記所定軸回りの回転方向及び前記軸方向それぞれの成分に関する寄与度を算出する寄与度算出部と、
    前記所定軸回りの回転方向の成分に関する前記寄与度及び前記基準電圧ベクトル記憶部に記憶された前記所定軸回りの回転方向に関する前記基準電圧ベクトルに基づき、前記第1部材に対する前記第2部材の前記基準位置から前記所定軸回りの回転方向への相対変位量を算出する変位量算出部と、
    を備える請求項8記載の変位量検出装置。
  10. 前記第1の導電性粘弾性部材及び前記第2の導電性粘弾性部材は、略同一変形をしたときに略同一のインピーダンスとなる請求項8又は9に記載の変位量検出装置。
  11. 前記第1の導電性粘弾性部材及び前記第2の導電性粘弾性部材は、それぞれ複数からなる請求項1〜10の何れか一項に記載の変位量検出装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013511027A (ja) * 2009-11-12 2013-03-28 アレヴァ エンペー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 加圧水形原子炉の燃料要素の変形検出方法および装置
CN105806203A (zh) * 2016-04-21 2016-07-27 合肥工业大学 一种三维相对位移传感器

Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS49123645A (ja) * 1973-03-31 1974-11-26
JPS5037002Y1 (ja) * 1970-12-23 1975-10-28
JPS58210515A (en) * 1982-05-19 1983-12-07 Bosch Gmbh Robert Method and device for converting motion into analog value or digital value
JPS60219501A (en) * 1984-04-16 1985-11-02 Kazuo Tsuchiya Detection gauge for detecting deformation amount of living body
JPS61190806U (ja) * 1985-05-20 1986-11-27
JPS62163902A (en) * 1986-01-16 1987-07-20 Asahi Chem Ind Co Ltd Working elongation setting type extending conductive element
JPS63149504A (en) * 1986-12-12 1988-06-22 Daikin Ind Ltd Angle detector
JPS6441803A (en) * 1987-08-10 1989-02-14 Kazuo Tsuchiya Apparatus for measuring angle and displacement quantity using electric resistor piece
JPH01184401A (en) * 1988-01-19 1989-07-24 Japan Synthetic Rubber Co Ltd Angle sensor
JPH02275313A (en) * 1989-04-18 1990-11-09 Meisei Electric Co Ltd Displacement measuring method and differential-coil type displacement measuring apparatus
JPH03210404A (en) * 1990-01-12 1991-09-13 Yamaha Corp Shape sensor
JPH0422829A (en) * 1990-05-17 1992-01-27 Polytec Design:Kk Pressure sensitive rubber
JPH0518702A (ja) * 1991-07-10 1993-01-26 Fujitsu Ltd 変位センサ
JPH0599768A (ja) * 1991-10-11 1993-04-23 Riken Corp 感圧センサ
JPH05296706A (ja) * 1992-03-06 1993-11-09 Nissan Motor Co Ltd 形状計測センサ
JPH0619472A (ja) * 1992-07-01 1994-01-28 Yamaha Corp 電子楽器
JPH0755458A (ja) * 1993-08-19 1995-03-03 Toshiba Corp センサー
JPH0921709A (ja) * 1995-07-06 1997-01-21 Nissan Motor Co Ltd トルク計測方法
JP2005257642A (ja) * 2004-03-15 2005-09-22 Samutaku Kk 磁気検出回路およびエンコーダ
JP2007255953A (ja) * 2006-03-22 2007-10-04 Hitachi Ltd 力学量測定装置

Patent Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5037002Y1 (ja) * 1970-12-23 1975-10-28
JPS49123645A (ja) * 1973-03-31 1974-11-26
JPS58210515A (en) * 1982-05-19 1983-12-07 Bosch Gmbh Robert Method and device for converting motion into analog value or digital value
JPS60219501A (en) * 1984-04-16 1985-11-02 Kazuo Tsuchiya Detection gauge for detecting deformation amount of living body
JPS61190806U (ja) * 1985-05-20 1986-11-27
JPS62163902A (en) * 1986-01-16 1987-07-20 Asahi Chem Ind Co Ltd Working elongation setting type extending conductive element
JPS63149504A (en) * 1986-12-12 1988-06-22 Daikin Ind Ltd Angle detector
JPS6441803A (en) * 1987-08-10 1989-02-14 Kazuo Tsuchiya Apparatus for measuring angle and displacement quantity using electric resistor piece
JPH01184401A (en) * 1988-01-19 1989-07-24 Japan Synthetic Rubber Co Ltd Angle sensor
JPH02275313A (en) * 1989-04-18 1990-11-09 Meisei Electric Co Ltd Displacement measuring method and differential-coil type displacement measuring apparatus
JPH03210404A (en) * 1990-01-12 1991-09-13 Yamaha Corp Shape sensor
JPH0422829A (en) * 1990-05-17 1992-01-27 Polytec Design:Kk Pressure sensitive rubber
JPH0518702A (ja) * 1991-07-10 1993-01-26 Fujitsu Ltd 変位センサ
JPH0599768A (ja) * 1991-10-11 1993-04-23 Riken Corp 感圧センサ
JPH05296706A (ja) * 1992-03-06 1993-11-09 Nissan Motor Co Ltd 形状計測センサ
JPH0619472A (ja) * 1992-07-01 1994-01-28 Yamaha Corp 電子楽器
JPH0755458A (ja) * 1993-08-19 1995-03-03 Toshiba Corp センサー
JPH0921709A (ja) * 1995-07-06 1997-01-21 Nissan Motor Co Ltd トルク計測方法
JP2005257642A (ja) * 2004-03-15 2005-09-22 Samutaku Kk 磁気検出回路およびエンコーダ
JP2007255953A (ja) * 2006-03-22 2007-10-04 Hitachi Ltd 力学量測定装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013511027A (ja) * 2009-11-12 2013-03-28 アレヴァ エンペー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 加圧水形原子炉の燃料要素の変形検出方法および装置
CN105806203A (zh) * 2016-04-21 2016-07-27 合肥工业大学 一种三维相对位移传感器
CN105806203B (zh) * 2016-04-21 2018-08-28 合肥工业大学 一种三维相对位移传感器

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