JP3919748B2 - エラストマー材料を含む位置センサ - Google Patents

Description

本発明は、物体の空間位置を電気信号に変換するための変換器に関する。空間位置は一般的には、３つの直交座標方向に沿った基準点からの物体の距離によって、または基準点からの物体の直線距離と基準点において交差する直交平面に対する２つの方位角とによって測定される。多くの適用分野において、実際には一次元における物体の位置を知ることだけが必要である。したがって、基準点からの直線距離を測定することができる位置センサが必要であることは明らかである。

含まれる距離の範囲に応じて、物体までの直線距離を電気的にまたは電子的に測定するために、さまざまな異なる物理的原理が採用されている。一例としては、数１００メートルまたはそれ以上の長距離における物体からの電波（レーダー）または光の反射がある。多分１メートルまで下がる中距離位置測定は、例えば物体からの超音波の反射によって行なうことができる。１メートル以下の距離の短距離測定では、さまざまな誘導性、容量性、抵抗性距離変換器が採用される。

物体の位置の短距離測定では、物体が変換器配置の一部であるエレメントを支えるか、または変換器に物理的に接続されていることが一般的である。例えば、往復動機械の部分が線形電位差計のスライダに接続されたり、または可動コイル距離変換器の一部を形成する誘導性コイルを支えてもよい。

本発明の目的は、簡単で、長期の安定性を有し、かつ耐久性を有するという利点を備えた新規な位置センサを提供することである。

本発明によれば、位置センサは、エラストマー材料からなる少なくとも１つの本体と、本体の第１部分を支持物に取り付けるための取付け手段と、第１部分からある距離において本体の第２部分に接合され、取付け手段と可動手段との間にある本体の第３部分を伸ばすために可動である可動手段とを含む。センサは、第３部分の向き合っている第１と第２表面と、第１表面上の第１電極と、第２表面上の第２電極とを有する。

使用中は、可動手段は、位置または距離測定の対象である物体が取付けられる取付け点として役立つ。物体を、可動手段に直接または例えばプーリー、連動機構、または動力伝達装置によって、可動手段に接続してもよい。センサの動作範囲内で物体が移動すると、エラストマー本体は、度合いは異なるが可動手段の結果的に生ずる移動分だけ引き伸ばされる。これまでにゴム製バンドで引っ張っただれもが経験したように、本体を伸ばすことによって本体は狭くなる。本体を狭くすることは、本体における電極間距離を減少させることになる。コンデンサの電極などの電極として動作する場合には、これらの分離間隔の減少はこのコンデンサのキャパシタンスを増加させることになる。したがって、電極のキャパシタンスを測定することによって、可動手段の位置の電子測定値が得られ、これに取り付けられた物体の位置の測定値もまた得られる。

本発明のセンサを、その動作特性を強化するプッシュプル様式で使用することもできる。この目的のために、本体は、本体の第４部分を支持物に取り付けるための第２取付け手段を備え、可動手段は第１取付け手段と第２取付け手段との間に位置している。対向する第３表面と第４表面は、可動手段と第２取付け手段との間にある本体の第５部分の上に備えられている。第３電極が第３表面の上に備えられ、第４電極が第４表面の上に備えられている。この実施態様では可動手段は、第５部分を引き伸ばすと共に第３部分の引き伸ばし度合いを減少させ、また第３部分を引き伸ばすと共に第５部分の引き伸ばし度合いを減少させるように可動である。

この結果として、可動手段が移動して第１取付け手段から離れると、第１電極と第２電極とによって形成されたコンデンサのキャパシタンスは増加し、第３電極と第４電極とによって形成されたコンデンサのキャパシタンスは減少する。この挙動を例えば半ブリッジ・キャパシタンス測定回路で使用して、より高い線形性と分解能で位置測定値を出すことができる。

プッシュプル原理の明らかな一変形例では、１つの共通の可動手段によってヘッドとへッドが接続されている２つの分離したエラストマー本体を使用することができる。

本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照して以下に説明する。

図１は、シリコーン・ゴム配合原料から型どり成形されたエラストマー・センサ部材１の側面図である。このセンサ部材は、厚さｄが１０〜１５ミクロンのシートとして形成された本体２を有する。本体は２つの端部分３、４と、これらの端部分を連結する中間部分５を有する。シート２の上表面１０と下表面１１は、シートの幅にわたって延びる溝６と隆起部７とを有する波形となっている。この波形の頂部から底部までの寸法ｃは一般的にはシートの厚さｄの１０〜２０％である。例えば、シートの厚さを２０ミクロンに、波形の頂部から底部までの寸法を４ミクロンにすることができる。

本体２の中間部分５は、両表面が電極８、９によって覆われている。これらの電極は本体の端部分３、４の上に延びている。これらの電極は、例えば蒸着または電解法によって銀、銅、またはその他の金属もしくは導電性材料で形成することができる。電極は一般的には約２０〜１００ナノメートルの厚さを有する。

図２は、図１のエラストマー・シートの平面図である。現在好ましい実施形態では、シート２は全長が２〜４ｃｍ、幅が０．５〜２ｃｍである。図２が縮尺通りに示されておらず、波形の溝６と隆起部７の寸法が大きく誇張されていることは、これらの寸法から明らかである。図２は、シート２の横断または幅寸法と平行に走る波形を示している。

図３は、位置センサにおける図１と図２のエラストマー・センサ部材の使用を示す。この図は、波形６、７のほとんどを省略することによって簡略化されている。エラストマー本体またはシート２の端部分４は、Ｐｌｅｘｉｇｌａｓ（登録商標）と呼ばれる透明なアクリル樹脂などの絶縁材料の小さなビーム１２、１３の間に締め付けられている。電極８、９への電気的接触は、銅、アルミニウム、またはその他の適当な金属の金属箔１６、１７をビーム１２、１３と電極との間に介在させて準備されている。金属箔１６、１７はビーム上に露出されて、電極のコンデンサ測定回路１８への電気的接続を可能にする。この回路１８は、電極８、９と誘電体として働くシート２の中間部分５とによって形成されたコンデンサの電気的キャパシタンスを測定および表示する。

図３には示されていない締め付け機構は、ビーム１２、１３を保持してこれらのビームを静的支持物１９と連結するブラケットまたはその他の留め具構成にすることができる。図からわかるように、締め付け力は、シート２の中間部分５に対する端部分４を圧縮することになる。

もう一方の端部分３は、電気的接触は全く伴わずに同様なビーム１４、１５の間に締め付けられている。端部３における締め付け構成は、ビーム１４、１５が静的支持物１９に連結されていないので、全体として可動である。図に示すように、ビーム１４は、位置測定の対象である可動物体２０に連結されている。

図３にはまた、センサ構成の定置端部４に向かう可動端部３のあらゆる移動を制限する定置移動リミッタ２１も示されている。リミッタ２１は、ビーム１５がリミッタ２１と突き合わせになるとシート２の中間部分５がごく僅かに伸ばされた状態になるように、位置付けられている。

図３において、可動物体２０は図の右側に向かって自在に移動することができる。物体が移動すると、これは、物体２０が連結されているシートの端部４における締め付け構成１４、１５の引っ張り作用があるので、エラストマー・シート２の中間部分５を伸ばすことになる。図４は、わかり易くするために誇張した様式で物体２０の端位置を示している。シートの中間部分５は非常に強く引き伸ばされると、その厚さを値ｔにまで低下させることになり、この値はセンサ構成の静止状態におけるその厚さｄより小さい。

シート部分５の厚さの低下は、電極８、９が共により接近するので、電極８、９によって形成されたコンデンサのキャパシタンスを増加させる。この増加は回路１８によって測定され表示される。キャパシタンスの増加は、可動物体２０がリミッタ２１から移動して離れた距離の精確な測定であることがわかっている。したがって、図３、４の配置構成は、リミッタ２１に対する可動物体２０の位置のための精確な位置変換器である。

図５は、同様なエラストマー・シート２が３つの締め付けられた部分３、４、２２と、締め付けられた部分の間に２つの中間部分５、２３を有する配置構成を示す。中間部分は同様に波形を呈し、電極８、９および２４、２５を備えている。端部分４、２３における締め付け配置構成は、支持物１９、２６によって静止しており、電極の対８、９および２４、２５への個別の電気接点となっている。中央部分３における締め付け配置構成は可動で、位置測定の対象である物体２０に連結されている。

図５のセンサでは、支持物１９と支持物２６との間の間隔は、中央部分３に外力が作用しないときにシート２の中間部分５、２３が両方とも完全引き伸ばされたときの約半分だけ引き伸ばされているように、選択される。この状況が図に示されている。可動物体２０は、感知配置構成の自然のゼロ点から両方向に自在に移動することができ、自然のゼロ点は、中間部分５、２３が両方とも同等に引き伸ばされたときの位置にある。

図６は、可動物体がセンサのほぼ全距離にわたって左に移動した状況を示している。シート２の左中間部分５はごく僅かに引き伸ばされるように弛緩しているが、シート２の右中間部分２３はほとんどその全容量にまで引き伸ばされている。この結果、左部分５はほとんどその型どり成形厚さｄにまで戻っているが、右部分２３は厚さがほとんどその最低値ｔにまで低下している。測定回路１８はこれを電極８、９によって形成されたコンデンサのキャパシタンスの減少として検出するが、測定回路３０は電極２４、２５によって形成されたコンデンサのキャパシタンスの増加を検出する。

両測定回路からの信号の適当な組合せを通じて、センサ配置構成の中心に対する可動物体２０の位置の精確な測定値である信号を発生させることができる。

図７に示すように、２つの個別センサをヘッドとヘッドで連結することによって、プッシュプル・センサを構成させることができる。

図８に示すように、プッシュプル原理はそれ自体容易に、プーリー・システムの使用を通じて回転位置変換器の構造の役に立つ。もちろん単端変換器を同様な方式で使用することもできる。

電位差計にまさるこの変換器システムの重要な利点の１つは、摩損や接触摩耗、接触騒音がないことである。言及すべき変換器システムの固有の特徴は復元力の存在である。エラストマー物体は常にその原形状に収縮しようとする。これは、位置が測定される物体の上に永続的な力の負荷を引き起こし、これをゼロ点位置に引き戻そうとする。この力は、上に説明したようにエラストマー物体の一般的な寸法決めから推論できるように、むしろ小さい可能性があるが、それでもなお存在して、ある適用分野ではこのセンサを不適当なものにする場合もある。

表面の波形によって、エラストマー物体はその機械的特性において高度に異方性のものになる。これは非常に容易に伸びるが、波形はその長さに沿った方向よりも横断方向においてコンプライアンスがはるかに悪いので、ごく僅かに狭くなるだけである。したがって、引き伸ばしによる長さの増加は、ほとんど全面的に厚さの減少に変換される。これは、プッシュプル配置構成のよりすぐれた距離と分解能とによって一様に増加する装置の良好な線形性をもたらす。しかし、電極が平らな表面の上に一定のパターンで配置された別の構成も動作して、これを延伸可能にすることに留意されたい。このパターンは、例えば曲がりくねったパターン、または網状パターンにすることができる。

対向する波形表面の上に電極を有するエラストマー・シートの側面図である。 前記シートの平面図である。 感知距離の一端点の近くにある状態の、図１に示すような単一エラストマー・シートを使用する位置センサの概略図である。 感知範囲の反対側の端点にある状態の、図３の位置センサの概略図である。 自然のゼロ点位置にある、２つの活動部分を有する類似のエラストマー・シートを使用するプッシュプル位置センサの概略図である。 感知距離の一端部における図５の位置センサの概略図である。 図１に示す形式の２つのエラストマー・シートを使用するプッシュプル位置センサの概略図である。 プッシュプル原理とプーリーを使用する回転位置センサの、図１から図７までよりもさらに簡略化された図である。

Claims (7)

1. シート状のエラストマー材料からなる少なくとも１つの本体と、
   本体の第１部分を支持物に取り付けるための取付け手段と、
   第１部分からある距離において本体の第２部分に接合されて、取付け手段と可動手段との間にある本体の第３部分を伸ばすために可動である可動手段とを有する位置センサであって、
   対向する第１表面と第２表面が第３部分に設けられ、
   第１電極が第１表面上に形成され、
   第２電極が第２表面上に形成される
   ことを特徴とする位置センサ。
2. 本体の第４部分を支持物に取り付けるための第２取付け手段であって、可動手段が第１取付け手段と第２取付け手段との間に位置している、第２取付け手段と、
   可動手段と第２取付け手段との間にある本体の第５部分の上に備えられている、対向する第３表面と第４表面と、
   第３表面上の第３電極と、
   第４表面上の第４電極と
   をさらに含み、
   可動手段は、第５部分を引き伸ばすと共に第３部分の引き伸ばし度合いを減少させ、また第３部分を引き伸ばすと共に第５部分の引き伸ばし度合いを減少させるように可動であることを特徴とする
   請求項１に記載の位置センサ。
3. 第１表面および第２表面が波形になっていることを特徴とする請求項１に記載の位置センサ。
4. 第１、第２、第３、第４表面が波形になっていることを特徴とする請求項２に記載の位置センサ。
5. 電極がパターン化されて第３部分の引き伸ばしを容易にすることを特徴とする請求項１に記載の位置センサ。
6. 電極がパターン化されて第３部分と第５部分の引き伸ばしを容易にすることを特徴とする請求項２に記載の位置センサ。
7. 共通の可動手段を有する請求項１、３、または５に記載の２つの位置センサを含むことを特徴とする位置センサ・システム。

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