JP3156053B2 - 電子変換器 - Google Patents

電子変換器

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JP3156053B2
JP3156053B2 JP01077890A JP1077890A JP3156053B2 JP 3156053 B2 JP3156053 B2 JP 3156053B2 JP 01077890 A JP01077890 A JP 01077890A JP 1077890 A JP1077890 A JP 1077890A JP 3156053 B2 JP3156053 B2 JP 3156053B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、変換器に関し、さらに詳しくは、広範なダ
イナミックレンジを有し、物体の伸び、空間内の２点間
の距離の変化、表面上の弯曲した円弧の伸び、及び一般
に他の全ゆる単一の長さ寸法の変化などの大きな及び小
さな変位を測定するのに適した伸び計（エクステンソメ
ーター）の形態の電子変換器に関する。
〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕
従来のこの種の歪ゲージは、電気抵抗線の長さ及び断
面積の変化及びその抵抗変化の測定によっており、小さ
な歪のみの測定に至便である。測定できる歪量について
のこの制限は、慣用の導体の場合に、わずかな範囲だけ
伸びる導体の弾性により引き起こされる。従って、この
ような従来の歪ゲージは、非常に小さな変形の正確な測
定には便利であるけれども、大きな変形、すなわち物品
の最終形状が大きな倍率で当初の形状を越える大きな変
形の測定には便利ではない。
従って、本発明の目的は、従来の歪ゲージを用いて測
定できる変位に比べて、物体の大きな変位の電子測定に
便利な伸び計を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明によれば、２本以上の隣接する電気的導体を含
み、これらの導体は、これらの導体間に電気的相互作用
の変化を起こすような、相対的位置の変化が可能なよう
に選定かつ形状化されている、寸法変化を測定するため
の伸び計において、それらの導体は、弾性誘電体材料内
に閉じ込められた、相互に介挿された螺旋状のコイルの
形状の細い、折り曲げ可能の、電気的導体線であり、こ
の導体線の位置の変化の後、それらを初期の形状に復元
させる手段の主体は弾性誘電体材料であり、それらの形
状化された電気的導体線及び復元し得る弾性誘電体材料
は共同して、使用の際の正確な柔軟性、並びに、伸び計
に長手方向の小さな及び大きな、移動、伸び、縮み、及
び捩じれ、の正確な測定とを許容する、伸び計が提供さ
れる。
又、本発明によれば、２本以上の隣接する電気的導体
を含み、これらの導体は、これらの導体間に電気的相互
作用の変化を起こすような、相対的位置の変化が可能な
ように選定かつ形状化されている、寸法変化を測定する
ための伸び計において、それらの導体は、弾性誘電体材
料内に閉じ込められた、相互に介挿された螺旋状のコイ
ルの形状に巻かれた、コーナー部が湾曲状とされた矩形
断面の、細い、折り曲げ可能の、電気的導体線であり、
この導体線の位置の変化の後、それらを初期の形状に復
元させる手段の主体は弾性誘電体材料であり、それらの
形状化された電気的導体線及び復元し得る弾性誘電体材
料は共同して、使用の際の正確な柔軟性、並びに、伸び
計に長手方向の小さな及び大きな、移動、伸び、縮み、
及び捩じれ、の正確な測定とを許容する、 伸び計が提供される。
〔実 施 例〕
以下、本発明がさらに容易に理解されるように、添附
図面を参照しながら特定の実施態様について説明する。
本実施例に係る変換器は、適当なサイズのマンドレル
11上に二本の一層コイルとして巻かれた一対の絶縁銅線
10から成る。本実施例によれば以下のパラメータが採用
されている。
ワイヤゲージNo.36エナメル銅線 マンドレル直径2.5mm コイル長さ200mm 二重螺旋コイルは密に隣接したワイヤでマンドレル11
の周囲にきつく巻かれており、端部を開放したときに最
終製品のコイルが約2.7mmの直径に巻きが緩められ、マ
ンドレルの取り外しが容易となる。側部4mmの矩形断面
のアルミニウム溝の形態の容器12には、製造業者の明細
書に従って調製された液状形態のダウ・コーニング社
（Dow Corning）のサイラスティック（Silastic）Ｅ R
TV シリコンゴムが満たされている。コイルは容器上部
に配置され、マンドレルが取り外されることによってコ
イルはサイラスティック液中に沈下する。
サイラスティック13を硬化させた後、変換器は容器12
から取り出される。サイラスティックは、コイルを包み
込んだ弾性材料の固形の細長いブロックを提供する。絶
縁電線15がそれぞれの螺旋体の一端部に取り付けられ
る。螺旋体の他端は、サイラスティック内部で開回路の
ままにされている。
第4a図から明らかなように、サイラスティック型は二
重螺旋体を越えて延びており、延ばされる物体（図示せ
ず）に変換器を固定したり、あるいは性能の特徴付け及
び監視のためのテスト器具（図示せず）への連結のため
の簡単な方法を提供するために、上記サイラスティック
上への熱収縮により熱収縮性スリーブ14が硬化したサイ
ラスティックの端部に取り付けられる。幾つかの例にお
いては、はとめ15などのはとめ類が変換器の端部に埋め
込まれる。熱収縮性スリーブ14により変換器の端部が堅
固な終端となり、それによって第4a図におけるＣ−Ｃ間
の長さにより表わされる変換器の感受性部分についてだ
け伸びが得られる。第4b図は、長さＣ−Ｃが有効な変換
器長さであり、かつ全体長さＡ−Ｂがスリーブ14を含む
変換器と等価な電気回路を示している。
変換器は一対の別体の絶縁電線10を含み、該絶縁電線
はそれらの間でキャパシタンスなどの電気的パラメータ
を測定する目的のために、以下に説明するように、モニ
タ回路に連結することができる。
変換器の動作を律する理論は以下のとおりである。無
限に長い電線について中心間間隔Ｄ（第５図参照）を有
する半径Ｒの円形断面の２本の平行な電線からなる電極
系を考えると、単位長さ当りのキャパシタンスについて
の解析式は で与えられる。ここで、 ｑは電荷、 V0/2は各電極についての電位、 εは周囲媒体の比誘電率である。
キャパシタンス vs 電線間間隔Ｄのグラフが第６図
に示されている。
二重螺旋電極系のキャパシタンスについての解析式は
得られず、近似式が螺旋のパラメータに応じて用いられ
ねばならない。一般に、その挙動は上記に示したものと
類似している。小さな相対的変位については、上記式は を与え、これは面積ｋ、間隔Ｄの単純な平面平行コンデ
ンサについてと同じ形である。もしＤの関数としてキャ
パシタンスの逆数をプロットすれば、直線が得られる。
本実施例の変換器についての実験データは、キャパシ
タンス（ピコ・ファラッド） vs 伸び（mm）をプロッ
トした第８図のグラフ形で示される。曲線16は、前記し
たように2.7mmの螺旋形及び200mmの有効（作用）長さを
有する変換器についての伸びの関数として実験により測
定したキャパシタンスを示す。これは、水平軸線上Ａ点
とＢ点との間の領域における第５図に示す理論モデルに
関する第６図のグラフと比較されるべきである。曲線17
は伸びの関数として曲線16で与えられるキャパシタンス
の逆数のプロットであり、また曲線18は伸びの関数とし
ての第７図に示す回路の信号出力の測定周波数であり
（任意のスケール）、ここでCxは変換器のキャパシタン
スである。第７図において、能動素子はCMOSシュミット
・トリガ・ゲート型74C14である。
出力信号の周波数は、 Fx＝H/RFCx で与えられる。ここで、Ｈは回路定数であり、RFは動作
中心周波数である。
プロットから、25％伸びの範囲について（コイル間間
隔に単純に関係している）変換器の伸びＸの関数として
のFxの線型挙動が明らかである。標準の信号処理技術
は、50％伸びを越えて延びる範囲にわたって線型出力を
可能とする。
上記実施例の変形（図示せず）においては、電線10の
断面形状は平たくされ、それにより弯曲した角を有する
より矩形の断面形状を有する。その結果、キャパシタン
ス vs 伸びのプロットは、伸びの関数としての周波数
のプロットである第８図に示すグラフよりもより大きな
伸びの範囲にわたって直線または殆んど直線である。こ
の変形例においては、回路定数Ｈは円形断面の電線より
もさらに大きくなり、伸び計の感度増大を生ずる。
さらに別の実施例（図示せず）においては、サイラス
ティックの固形ブロックは多くの用途、特に生体医学の
分野では不必要であるので削除される。この別の実施例
においては、形成された螺旋コイルは、復原力を付与す
るためにその上にサイラスティック材料又は同様な材料
の塗料で塗被される。
例えば患者の指の動きを測定しあるいはモニタするた
めに、伸び計が手袋の指に取り付けられる場合には、サ
イラスティック又は同様な材料の層を手袋の指に沿って
設け、硬化前にその上にコイルを配置し、さらにコイル
上に層を塗被することができる。硬化後、コイルは手袋
に男性的に取り付けられる。
〔発明の作用及び効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明の伸び計は、
従来の歪ゲージとは対照的に、非常に広範な歪、伸びあ
るいは変位を測定することができる。すなわち、最終形
状のサイズが大きな倍率で当初のものを越える場合の変
位、伸び、膨張、あるいはねじりを測定するのに便利で
ある。本発明は、元々、人体の生理的変化の非侵入性モ
ニタを提供するために発明されたものであるけれども、
一般的に、寸法変化のモニタを含む全ゆる状況に適用可
能である。好適な実施例では二重螺旋配置からなる変換
器を示したが、当業者にとって電気導体の多くの他の形
状を利用できることは明らかであろう。何故ならば、特
定の構造がその最初の長さに対する導体の実質的な伸び
を可能とし、それにより導体が伸び又は縮むにつれて電
気的特性が変わることが必要であるだけだからである。
さらに、本発明の伸び計は非常に広範なダイナミック
レンジを有するけれども、非常に小さな変位もモニタで
きることも注目されるべきである。呼吸をモニタするよ
うに胸の膨張及び収縮をモニタするために伸び計が生体
医学用途に用いられる一つの例においては、同時に使用
者の鼓動により生ずるわずかな脈動をモニタすることも
できる。これは、伸び計の広範なダイナミックレンジ及
び感度の一例である。
それは変換器が伸張するにつれて螺旋のピッチの変化
から生ずる導体の間隔の変化であることは明らかであ
り、これはキャパシタンスの変化となる。
変換器は連続した長さに製造し、特定の用途に合致す
るようなサイズにカッティングすることができる。これ
は、例えば種々の要求に適応するサイズの範囲に作成さ
れるべき水銀充填歪ゲージなどの従来技術を越えた正味
の利点を構成する。
前記の説明から明らかなように、本発明は多くのかつ
種々の用途を有する伸び計を提供するものである。幾つ
かの例を以下に述べる。
ａ）臨床、診断、あるいは研究の目的のために生体の形
状及び寸法の変化の研究などの生体医学用途。
ｂ）例えば動力計における広範な動作指示などの機械的
用途。
ｃ）スポーツ及び練習機械−作業出力を測定するための
動作読出。
ｄ）地球力学、農業調査等における他の用途。
ｅ）現実のもしくはコンピュータでシミュレートした目
的物の遠隔操作が手袋、ベスト等に取り付けられた幾つ
かの伸び計をモニタすることによって達成できる上記の
ものの組合せ。
要するに、本発明は容易に製作でき、高感度及び広範
囲のダイナミックレンジを有する伸び計を提供するもの
である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る変換器の製造初期段階の概略構成
断面図、 第２図は次の製造段階を示す第１図と同様の断面図、 第３図は次の製造段階を示す第１図及び第２図と同様の
断面図、 第4a図は製造のさらに進んだ段階の第１図乃至第３図の
変換器の縦断面図、 第4b図は第4a図の変換器の等価回路図、 第５図は理論説明の目的のための変換器の電線の理論断
面図、 第６図は理論説明の目的のためのキャパシタンス vs
電線間間隔を示すグラフ、 第７図は変換器の電線間のキャパシタンスを測定するた
めの単純化した回路図、及び 第８図は本実施例の変換器を用いた実験結果についての
キャパシタンス vs 伸びを示すグラフである。 10は絶縁銅線、11はマンドレル、12は容器、13はサイラ
スティックＥ RTV シリコンゴム、14は熱収縮性スリ
ーブ、15ははとめ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アンソニー、ジー．クライン オーストラリア国、3101 ヴィクトリ ア、キュウ、ロチェスター・ストリート ２ (72)発明者 ジョフリー、アイ．オパット オーストラリア国、3144 ヴィクトリ ア、マルヴァーン、ムーラキン・アヴェ ニュ ４ (56)参考文献 実開 昭63−60932（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−157636（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭60−9696（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２本以上の隣接する電気的導体を含み、こ
    れらの導体は、これらの導体間に電気的相互作用の変化
    を起こすような、相対的位置の変化が可能なように選定
    かつ形状化されている、寸法変化を測定するための伸び
    計において、 それらの導体は、弾性誘電体材料内に閉じ込められた、
    相互に介挿された螺旋状のコイルの形状の細い、折り曲
    げ可能の、電気的導体線であり、この導体線の位置の変
    化の後、それらを初期の形状に復元させる手段の主体は
    弾性誘電体材料であり、 それらの形状化された電気的導体線及び復元し得る弾性
    誘電体材料は共同して、使用の際の正確な柔軟性、並び
    に、伸び計に長手方向の小さな及び大きな、移動、伸
    び、縮み、及び捩じれ、の正確な測定とを許容する、 伸び計。
  2. 【請求項２】前記電気的相互作用は、前記導体間のキャ
    パシタンスである請求項１記載の伸び計。
  3. 【請求項３】前記電気的相互作用の測定を容易にするた
    めに、伸び計の一方の端部において絶縁電線がそれぞれ
    の導体に接続されている請求項１記載の伸び計。
  4. 【請求項４】前記伸び計は、長くかつ細く、その長さが
    少なくとも、前記螺旋状のコイルの直径よりは大きいも
    のである請求項１記載の伸び計。
  5. 【請求項５】２本以上の隣接する電気的導体を含み、こ
    れらの導体は、これらの導体間に電気的相互作用の変化
    を起こすような、相対的位置の変化が可能なように選定
    かつ形状化されている、寸法変化を測定するための伸び
    計において、 それらの導体は、弾性誘電体材料内に閉じ込められた、
    相互に介挿された螺旋状のコイルの形状に巻かれた、コ
    ーナー部が湾曲状とされた矩形断面の、細い、折り曲げ
    可能の、電気的導体線であり、この導体線の位置の変化
    の後、それらを初期の形状に復元させる手段の主体は弾
    性誘電体材料であり、 それらの形状化された電気的導体線及び復元し得る弾性
    誘電体材料は共同して、使用の際の正確な柔軟性、並び
    に、伸び計に長手方向の小さな及び大きな、移動、伸
    び、縮み、及び捩じれ、の正確な測定とを許容する、 伸び計。
JP01077890A 1989-01-23 1990-01-22 電子変換器 Expired - Fee Related JP3156053B2 (ja)

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