JP2009174955A - ケーブル型荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】布設性に優れ、かつ高精度な荷重検出が可能なケーブル型荷重センサを提供する。
【解決手段】
断面中心部に長手方向に沿った中空部を有し導電性ゴムからなる線状体２と、線状体２上の周囲を覆い線状体２と同種のゴム材料からなる被覆層３とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケーブル型荷重センサに関する。

従来、荷重を検出するセンサにおいて、電気式のセンサでは、例えば、図９に示すような圧力センサ（コードスイッチ）９１がある。圧力センサ９１は、外部から荷重が加えられた際に内部導体９２同士が接触し、荷重を検知するものである。

この他の荷重センサでは、加速度センサ、あるいは歪ゲージを用いて荷重を検知する方法や、光ファイバ中の光を曲げ損失および圧縮損失によって光量変化させることによって荷重を検知する方法が一般的である。

これらの方法は、電気処理回路や、受発光装置が複雑であったり、検出精度が低かったり、ノイズに弱かったりするため、低コストで小型、高精度なセンサは得られていない。

これらの方法に加えて、動作原理が簡単で、構造がシンプルな導電性ゴムを利用した荷重センサが提案されている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特許第２７６９７５４号公報 特開昭６３−２９０９２２号公報 特許第３７３１４７５号公報 特許第３３５４５０６号公報

しかしながら、特許文献１から３は、面状の電極間に導電性ゴムを設け、面圧の変化による圧力を検知する方式であり、面形状での圧力検出は可能であるが、面形状であるため曲がりの方向に制約があり、布設性に優れたケーブル形状の荷重センサの開発が望まれている。

また、特許文献４は、図９に示すケーブル形状の圧力センサ９１を用いており布設性に優れたセンサであるが、接触、非接触の信号しか出力できないため、荷重の大小を切り分けることが難しいという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、布設性に優れ、かつ高精度な荷重検出が可能なケーブル型荷重センサを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、断面中心部に長手方向に沿った中空部を有し導電性ゴムからなる線状体と、前記線状体上の周囲を覆い前記線状体と同種のゴム材料からなる被覆層とを備えたケーブル型荷重センサである。

請求項２の発明は、前記中空部に座屈防止材が設けられている請求項１記載のケーブル型荷重センサである。

請求項３の発明は、前記ゴム材料は、体積弾性率が１０⁵〜１０⁸Ｐａであるシリコーンゴム、あるいはエチレンプロピレンゴムからなる請求項１または２記載のケーブル型荷重センサである。

請求項４の発明は、前記導電性ゴムは、前記ゴム材料に導電性フィラーが充填されてなるものである請求項１〜３いずれかに記載のケーブル型荷重センサ。

請求項５の発明は、前記導電性フィラーは、カーボンブラック、あるいは金属微粒子である請求項４記載のケーブル型荷重センサである。

本発明によれば、布設性と低コスト性に優れ、機械的劣化の少ない、高精度なケーブル型荷重センサが得られる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態を示すケーブル型荷重センサの横断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るケーブル型荷重センサ１は、弾性と導電性とを有する線状体２と、その線状体２の周囲に被覆され弾性を有する被覆層３とを備える。

線状体２の断面中心部には、長手方向に沿って中空部（空隙）４が形成される。線状体２および被覆層３は、中空部４を中心として横断面視で略同心円状に形成される。

線状体２は、ゴム材料に導電性フィラーを充填した導電性ゴムからなる。

ゴム材料としては、復元力を有し、大変形が可能であり、かつ広い温度領域で使用しても体積弾性率の変化が少ないものを用いるとよい。具体的には、低温から高温までの範囲で体積弾性率（硬度）特性の変化の少ないシリコーンゴムやエチレンプロピレンゴムを用いるとよい。

また、ゴム材料の弾性特性（体積弾性率）は、１０⁵〜１０⁸Ｐａであるとよい。これは、ゴム材料の弾性特性が１０⁵Ｐａ未満であると、ゴム材料の作製が困難となり、さらに機械的強度も低くなってしまう場合があり、１０⁸Ｐａを超えると、ゴム弾性がなくなり復元性が劣化してしまうためである。

導電性フィラーとしては、カーボンブラック、あるいはニッケル、銅、銀などの金属微粒子を用いるとよい。望ましくは、比重が小さく低コストで、粒子がゴム材料を形成するゴムマトリックスに分散しやすく、ゴム材料を形成するゴムマトリックスとの密着性のよいカーボンブラックを用いるとよい。

線状体２の電気抵抗率は、０．５〜１００Ωｃｍとするとよい。これは、電気抵抗率が０．５Ωｃｍ未満であると、ゴム材料中に充填する導電性フィラーの量が多くなり、ゴム弾性がなくなり復元性が劣化してしまい、１００Ωｃｍを超えると電気抵抗値が大きくなりすぎて測定が困難となってしまうためである。

一般に、導電性を付与したゴムは弾性特性が低く（硬く、弾性変形の範囲が狭く）なってしまう。そこで、より確実に線状体２の形状を復元させるために、導電性フィラーを充填していない弾性特性の高い被覆層３と線状体２とを接合（接着）する。線状体２と被覆層３とは、例えば、線状体２の周囲に被覆層３を押出被覆することで接合される。被覆層３と線状体２とを接合する他の方法としては、接着剤を用いる方法などがある。

被覆層３としては、線状体２との接着性の観点から、線状体２と同種の化学構造のゴム材料からなるものを用いるとよい。これは、同種の化学構造のゴム材料であれば、被覆層３と線状体２との接合界面で互いに分子レベルで混じり合うことが容易になるためであり、異なった化学構造のゴムに比べて強い接合界面が形成されるためである。

本実施形態では、線状体２と被覆層３のゴム材料は同じものとした。すなわち、被覆層３としては、弾性特性が１０⁵〜１０⁸Ｐａであるシリコーンゴムやエチレンプロピレンゴムからなるものを用いるとよい。被覆層３は、外部の電気導体との接触による線状体２の電気抵抗の変化を防ぎ、荷重変動による線状体２の電気抵抗の変化を精度良く測定できるようにする。

本実施形態に係るケーブル型荷重センサ１を用いて荷重を測定する際は、図２に示すように、ケーブル型荷重センサ１の両端末に電極をそれぞれ接合し、それら両電極を電気抵抗測定部２２に接続して荷重測定システム２１を構成する。

電気抵抗測定部２２は、ケーブル型荷重センサ１に荷重が加えられた際の線状体２の電気抵抗の変化を検出し、この電気抵抗の変化から、ケーブル型荷重センサ１に加えられた荷重を測定するものである。

次に、本実施形態に係るケーブル型荷重センサ１の動作を説明する。

一般に、電線の電気抵抗Ｒは、導体の長さＬと断面積Ａと導体の体積抵抗率ρと式（１）の関係が知られている。

Ｒ＝ρＬ／Ａ （１）
この関係を応用して、センサとするのが本発明である。

すなわち、導体の長さＬや断面積Ａを荷重によって変化させ、導体の電気抵抗Ｒを変化させることで荷重を検出する。側面方向からの荷重を受けることで、導体の長さＬは長くなり、断面積Ａは小さくなる。すなわち、導体の側面に荷重が加わると電気抵抗Ｒは大きくなる。

本実施形態に係るケーブル型荷重センサ１では、線状体２を導体として用いており、この線状体２の電気抵抗の変化から荷重を検出する。

より具体的には、ケーブル型荷重センサ１の側面に荷重が付加されると、ケーブル型荷重センサ１が変形し、線状体２が変形する。線状体２が変形することにより、線状体２の長さおよび断面積が変化し、線状体２の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を電気抵抗測定部２２で検出することにより、ケーブル型荷重センサ１に付加された荷重を測定する。

本実施形態の効果を説明する。

本実施形態に係るケーブル型荷重センサ１では、線状体２の周囲に被覆層３を被覆し、それら線状体２と被覆層３とを接合している。

例えば、歪ゲージでは、金属抵抗体の電気抵抗値のわずかな変化をブリッジ回路などで増幅している。この歪ゲージは、きわめて精度の高い素子であるが、検出部分が小さいため、ライン上の任意の位置で荷重を検出する場合、それぞれの場所に歪ゲージを設置する必要が生じ、センサが大型化し、複雑になってしまう。

ケーブル型荷重センサ１では、線状体２の周囲に被覆層３を被覆するというシンプルな構造であり、複雑な回路がなく、ライン上（ケーブル型荷重センサ１上）のどの位置でも荷重検出が可能となる。

また、ケーブル型荷重センサ１はケーブル形状であるため、曲がり方向の制約がなくなり、布設性を向上させることができる。

さらに、線状体２と被覆層３とを接合することにより、荷重を除去した際に、導電性フィラーの充填により復元性が小さくなっている線状体２を、被覆層３で強制的に復元させることができ、荷重除去時に確実に線状体２の変形を復元させることができる。このため、線状体２が変形したままになるのを防ぐことができ、機械的な劣化を抑制できる。

また、ケーブル型荷重センサ１では、線状体２の断面中心部に長手方向に沿った中空部４を形成している。これにより、ケーブル型荷重センサ１に荷重が付加された際に、線状体２が変形しやすくなり、線状体２を確実に変形させることができ、高精度に荷重を検出することが可能となる。

さらに、ケーブル型荷重センサ１では、線状体２と被覆層３とが同じゴム材料からなる。これにより、線状体２と被覆層３との接着性を向上させることができ、復元性をさらに高めることができる。

本実施形態の第１の変形例を説明する。

図３に示すように、ケーブル型荷重センサ３１は、基本的に図１のケーブル型荷重センサ１と同じ構成であり、中空部４に座屈防止材３２を挿入したものである。ケーブル型荷重センサ３１では、座屈防止材３２として、プラスチック製の棒を用いた。

中空部４に座屈防止材３２を挿入することにより、ケーブル型荷重センサ３１を屈曲させて布設する際に、座屈することを防止できる。

本実施形態の第２の変形例を説明する。

図４に示すように、ケーブル型荷重センサ４１は、図１のケーブル型荷重センサ１の中空部４に、被覆層３と同じゴム材料を充填して座屈防止材４２を形成したものである。座屈防止材４２を形成することにより、ケーブル型荷重センサ４１を屈曲させて布設する際に、座屈することを防止できる。

本実施形態の第３の変形例を説明する。

図５に示すように、ケーブル型荷重センサ５１は、図１のケーブル型荷重センサ１の最外層にＰＥＴ、ＰＥ（ポリエチレン）、あるいはＰＰ（ポリプロピレン）などからなるテープを巻き付けたテープ層５２を設け、ケーブル型荷重センサ１を外傷から保護するようにしたものである。ケーブル型荷重センサ５１では、テープ層５２に替えて、ＰＥなどからなる材料を押出被覆して、被覆層３の外周に保護層を設けてもよい。

カーボンブラックが充填されたシリコーンゴムからなる線状体２と、線状体２と同じシリコーンゴムからなる被覆層３を用い、線状体２の導電率を０．７Ωｃｍ、中空部４の直径を１．０ｍｍ、線状体２の外径を３ｍｍ、被覆層３の外形を５ｍｍとして図１のケーブル型荷重センサ１を作製した。

このケーブル型荷重センサ１の長さを２ｍとし、その両端末に電極を接合し、両電極を電気抵抗測定部２２に接続して図２の荷重測定システム２１を構成し、ケーブル型荷重センサ１上の任意の箇所の１０ｍｍ部分（１０ｍｍの長さ）に荷重を付加したときの電気抵抗を測定した。その結果を図６、図７に示す。

図６に示すように、付加する荷重の増加に伴い、ケーブル型荷重センサ１の線状体２の電気抵抗が上昇しており、荷重センサとして良好に機能し、かつ、布設性に優れていることがわかった。

また、図７に示すように、２００Ｎの荷重を除去した際に、速やかにケーブル型荷重センサ１の線状体２の電気抵抗が回復しており、荷重センサとして十分な復元性を有していることが確認された。

一方、図８は、図９に示す従来の圧力センサ（コードスイッチ）９１を用いて、ケーブル型荷重センサ１に実施したのと同じ方法にて電気抵抗を測定した際の結果である。従来の圧力センサ９１では、１０Ｎ程度の荷重に対しては非常に優れた感度を有するが、荷重を増加させた場合に、圧力センサ９１の電気抵抗が変化せず、荷重センサとして良好に機能していないことがわかる。

本発明のケーブル型荷重センサの横断面図である。 図１のケーブル型荷重センサを電気抵抗測定部に接続して構成した荷重測定システムの模式図である。 本発明の一変形例を示すケーブル型荷重センサの横断面図である。 本発明の一変形例を示すケーブル型荷重センサの横断面図である。 本発明の一変形例を示すケーブル型荷重センサの横断面図である。 図１のケーブル型荷重センサの特性（荷重と電気抵抗の関係）を示す図である。 図１のケーブル型荷重センサの特性（荷重除去後時間と電気抵抗の関係）を示す図である。 図９の圧力センサの特性（荷重と電気抵抗の関係）を示す図である。 従来の圧力センサの横断面図である。

符号の説明

１ ケーブル型荷重センサ
２ 線状体
３ 被覆層
４ 中空部

Claims (5)

1. 断面中心部に長手方向に沿った中空部を有し導電性ゴムからなる線状体と、前記線状体上の周囲を覆い前記線状体と同種のゴム材料からなる被覆層とを備えたことを特徴とするケーブル型荷重センサ。
2. 前記中空部に座屈防止材が設けられている請求項１記載のケーブル型荷重センサ。
3. 前記ゴム材料は、体積弾性率が１０⁵〜１０⁸Ｐａであるシリコーンゴム、あるいはエチレンプロピレンゴムからなる請求項１または２記載のケーブル型荷重センサ。
4. 前記導電性ゴムは、前記ゴム材料に導電性フィラーが充填されてなるものである請求項１〜３いずれかに記載のケーブル型荷重センサ。
5. 前記導電性フィラーは、カーボンブラック、あるいは金属微粒子である請求項４記載のケーブル型荷重センサ。

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