JP6642394B2 - 歪み検出装置 - Google Patents
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Description
伸縮可能部材は、締結部の変形に応じて伸縮可能に設けられ、収縮すると発熱し伸長すると吸熱する。
熱流束検出部は、伸縮可能部材の伸縮に応じて変形可能であって伸縮可能部材内の熱が伝わるよう設けられ、前記伸縮可能部材の内部と外部との間の熱の流れである熱流束を検出可能である。
本発明の第一実施形態による歪み検出装置を図1〜4に基づいて説明する。第一実施形態による歪み検出装置1は、図1に示すように、「締結部」としてのステンレスボルト93,94によって締結されている「被締結部材」としてのベース91と「被締結部材」としての取付部材92との間に設けられる。
ベース91は、金属、例えば、SUS303から形成されている。ベース91は、例えば、図示しないテーブルや床面などに固定されている。図1には、ベース91の取付部材92が取り付けられている一部を示している。ベース91の取付部材92が設けられる側の当接面912には、ステンレスボルト93,94が挿入可能なボルト孔911が形成されている。ボルト孔911の内壁にはねじ溝が形成されている。
端子141は、接続バンプ142を介して出力線143と電気的に接続している。また、端子151は、接続バンプ152を介して出力線153と電気的に接続している。
構造体90に一定以上の外力が作用するとき、構造体90には歪みが発生する。ここで、構造体90の「歪み」とは、構造体90を構成するベース91、取付部材92、および、ステンレスボルト93,94の少なくとも一つが外力によって変形している状態を指す。このとき、構造体90には、変形による歪みエネルギが蓄積される。
また、構造体90に作用する外力によって溝920におけるベース91と取付部材92との間隔が長くなり弾性部材16が伸長すると、弾性部材16が吸熱するため、弾性部材16の外部から内部に向かう熱流束Fh1が発生する。熱流束センサ10は、この熱流束Fh1の大きさを検出する。
熱流束センサ10は、弾性部材16の変形量に比例する熱流束Fh1の大きさを電圧で出力する。また、熱流束センサ10は、単位時間当たりの熱流束をその都度の電圧として出力することが可能である。これにより、熱流束センサ10が出力する電圧の時間変化に基づいて、弾性部材16の変形量と弾性部材16の変形速度との積に比例する歪みエネルギの変化量を検出することができる。
このように、第一実施形態による歪み検出装置1は、弾性部材16の伸縮に応じて変形可能な熱流束センサ10を用いて熱流束Fh1の大きさを単位時間ごとに検出することによって構造体90の歪みエネルギの変化量を検出することができる。
次に、本発明の第二実施形態による歪み検出装置を図5に基づいて説明する。第二実施形態は、ベースと取付部材との間に設けられるスペーサを備える点が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
次に、本発明の第三実施形態による歪み検出装置を図6に基づいて説明する。第三実施形態は、ワッシャを備える点が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
次に、本発明の第四実施形態による歪み検出装置を図7に基づいて説明する。第四実施形態は、ワッシャの形状が第三実施形態と異なる。なお、第三実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
座金部451は、ステンレスボルト94の頭部941と取付部材92との間に設けられている。座金部451は、ステンレスボルト94の締め込みによる取付部材92の端面923の損傷を防止する。
延長部452は、座金部451の外周端部から取付部材92の側壁925に沿ってベース91の方向に延びるよう形成されている。延長部452の座金部451に接続する側とは反対側の端部には、弾性部材16および熱流束センサ10を収容可能な「収容空間」としての溝450を有する。
熱流束センサ10は、弾性部材16のベース91側に設けられ、「部材側端面」としての当接面912に当接している。
次に、本発明の第五実施形態による歪み検出装置を図8に基づいて説明する。第五実施形態は、二つの熱流束センサを備える点が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
熱流束センサ50は、熱流束センサ10と同様に構造をなしており、弾性部材16のベース91側の他方の端面162側に弾性部材16の伸縮に応じて変形可能に設けられている。熱流束センサ50は、ベース91の当接面912に密着している。熱流束センサ50は、ベース91と弾性部材16との間の熱流束Fh15を検出可能である。
また、構造体90には、発熱源51で発生する熱が流れる。発熱源51が発生する熱に起因する熱流束を熱流束Fh50とする。
S10=Fh50+Fh10 ・・・(1)
また、検出信号S50は、以下の式(2)で表される。
S50=Fh50−Fh15 ・・・(2)
S10+S50=2×Fh50+Fh10−Fh15 ・・・(3)
ここで、熱流束Fh10と熱流束Fh15とは、弾性部材16の熱流束であるため絶対値が同じ大きさであることから、以下の式(4)となる。
Fh50=(S10+S50)/2 ・・・(4)
式(1)または式(2)と式(4)とを使って、熱流束Fh10または熱流束Fh15を算出する。
Fh10=S10−(S10+S50)/2 ・・・(5)
このようにして、熱流束Fh10または熱流束Fh15を算出する。
次に、本発明の第六実施形態による歪み検出装置を図9に基づいて説明する。第六実施形態は、弾性部材の一方の側に二つの熱流束センサが設けられている点が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
構造体90に歪みが発生し弾性部材16が圧縮または伸長すると、弾性部材16からの熱流束Fh61が熱流束Fh60とともに二つの熱流束センサ10,60を通る。このとき、熱流束センサ10の熱抵抗によって熱流束センサ10が出力する電圧と熱流束センサ60が出力する電圧とに時間差が生じる。
このように、歪み検出装置6は、歪みが発生するときを検出可能となっている。
次に、本発明の第七実施形態による歪み検出装置を図10に基づいて説明する。第七実施形態は、弾性部材および熱流束センサを構造体に組み付け可能な組付部材を備える点が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
取付部材77は、当接部771、および、側壁部772を有する。
当接部771は、ベース91の当接面912に当接可能に形成されている。当接部771は、ステンレスボルト93を挿通可能な貫通孔773を有する。貫通孔773は、ベース91の当接面912に当接可能な当接面774から当接面774とは反対側の端面775までステンレスボルト93が挿通可能に形成されている。
側壁部772は、当接部771の端面775上であって、側壁部772の一端からベース91とは反対の方向に延びるよう形成されている。
ベース部711は、ベース91の当接面912上に設けられる平板状の部位である。ベース部711は、ベース部711をベース91に固定可能な二つのボルト713を挿入可能な貫通孔714を有する。貫通孔714に挿通されたボルト713は、ベース91の当接面912に開口するタップ穴914に挿入され、タップ穴914の内壁に形成されているねじ溝に係合する。これにより、組付部材71は、ベース91に対して相対移動不能に固定される。
端面716上の熱流束センサ10と端面732との間に設けられている弾性部材16は、構造体90に外力が作用していないときで30%程度圧縮された状態となっている。弾性部材16の圧縮の程度は、第二支持部722に対する調整ねじ73の位置によって調整可能である。
次に、本発明の第八実施形態による歪み検出装置を図11〜13に基づいて説明する。第八実施形態は、熱流束センサの検出結果に基づいて変形の判定を行う判定部を備える点が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
歪み検出装置8は、ベース96と取付部材97との間に設けられ、二つの熱流束センサ811,821、弾性部材812,822、および、判定部83を備える。
当接部971は、ベース96の当接面962に当接可能に形成されている。当接部971は、ステンレスボルト93,94を挿通可能な貫通孔973を有する。貫通孔973は、ベース96の当接面962に当接可能な当接面974から当接面974とは反対側の端面975までステンレスボルト93,94が挿通可能に形成されている。
延長部972は、当接部971の端面975上であって、二つの貫通孔973の略中間に設けられている。延長部972は、端面975からベース96とは反対の方向に延びるよう形成されている。
弾性部材812は、熱流束センサ811の取付部材97側において取付部材97の当接部971に図示しない接着剤によって密着されている。弾性部材812は、構造体95に外力が作用していないときで30%程度圧縮された状態になっている。
弾性部材822は、熱流束センサ821の取付部材97側において取付部材97の当接部971に図示しない接着剤によって密着されている。弾性部材822は、構造体95に外力が作用していないときで30%程度圧縮された状態になっている。
図12には、熱流束センサ811,821が出力する検出信号の時間変化を示す。図12では、横軸に時間を示し、縦軸に熱流束センサ811,821の検出信号の出力の大きさを示す。図12では、熱流束センサ811の検出信号の出力を実線L81で示し、熱流束センサ821の検出信号の出力を点線L82で示す。図12では、熱流束センサ811,821の検出信号の出力の違いを分かりやすくするため、それぞれの出力が0となる基準線L80をずらして示してある。
外力が作用していない構造体95の延長部972にステンレスボルト94側から外力Fr81が作用すると、図12(b)に示すように、取付部材97は、ステンレスボルト93の方向に傾く。このとき、ステンレスボルト94はステンレスボルト93に比べ延びるため、取付部材97に密着している弾性部材812,822のうち、ステンレスボルト94の近傍に設けられている弾性部材822は、ステンレスボルト93の近傍に設けられている弾性部材812に比べ伸長する距離が長くなる。これにより、図12の特性図の領域A81に示すように、熱流束センサ821の検出信号の出力L821は、熱流束センサ811の検出信号の出力L811に比べ大きくなる。
その後、延長部972に作用する外力が0になると、構造体95は、図12(d)の状態となる。このとき、熱流束センサ811,821が出力する検出信号はいずれも0となる(例えば、時刻t84における検出信号の出力)。
ここで、「正常に作動」とは、構造体95を含む装置を使用したとき、構造体95の変形が事前に設定されている所定の許容範囲内に入る作動である。すなわち、「正常でない作動」とは、構造体95の変形が当該許容範囲外となる作動である。なお、ここでは、熱流束センサ811について説明するが、熱流束センサ821についても同様である。
一方、図13(b)では、熱流束センサ811が出力する検出信号の時間変化は、図13(b)上の領域A82において上限出力L+81より大きくなったり下限出力L−81より小さくなったりしている。これにより、判定部83は、構造体95を含む装置は正常でない作動をしたと判定する。これは、例えば、構造体95を含む装置が作動中に意図しない物体に衝突したなど、「正常」な作動時に作用する外力を上回る外力が構造体95に作用したことなどが考えられる。
このように、第八実施形態による歪み検出装置8は、熱流束センサ811,821の検出信号の大きさに基づいて構造体95に作用する外力変動を検出することができるため、構造体95の変形が許容範囲内であるか否かを判定することができる。これにより、第八実施形態は、第一実施形態の効果(a)〜(d)を奏するとともに、構造体95を含む装置の作動状態を判定することができる。
上述の実施形態では、構造体は、「被締結部材」としてのベースおよび取付部材と、「締結部」としてのステンレスボルトを有するとした。しかしながら、構造体の構成はこれに限定されない。三つ以上の「被締結部材」を一つの「締結部」で締結してもよい。また、三つ以上の「締結部」で二つ以上の「被締結部材」を締結してもよい。
90,95・・・構造体
10,50,60,811,821・・・熱流束センサ(熱流束検出部)
16,812,822・・・弾性部材(伸縮可能部材)
93,94・・・ステンレスボルト(締結部)
91,96・・・ベース(被締結部材)
92,97・・・取付部材(被締結部材)
Claims (12)
- 締結部(93,94)によって締結されている複数の被締結部材(77,91,92,96,97)からなる構造体(90,95)の歪みエネルギを検出可能な歪み検出装置であって、
前記締結部および複数の前記被締結部材の少なくとも一つの変形に応じて伸縮可能に設けられ、収縮すると発熱し伸長すると吸熱する伸縮可能部材(16,812,822)と、
前記伸縮可能部材の伸縮に応じて変形可能であって前記伸縮可能部材の熱が伝わるよう設けられ、前記伸縮可能部材の内部と外部との間の熱の流れである熱流束を検出可能な熱流束検出部(10,50,60,811,821)と、
を備える歪み検出装置。 - 熱流束検出部は、
熱可塑性樹脂から形成され、厚さ方向に貫通する複数のビアホール(111)を有する絶縁基材(11)、
前記絶縁基材の一方の面に設けられる第一導電パターン(114)、
前記絶縁基材の他方の面に設けられる第二導電パターン(115)、
金属から形成され複数の前記ビアホールの一部に設けられる複数の第一層間接続部材(14)、
および、
前記第一層間接続部材とは異なる金属から形成され、前記第一層間接続部材が設けられる前記ビアホールに隣り合う前記ビアホールに設けられる複数の第二層間接続部材(15)、
を有し、
前記第一層間接続部材と前記第二層間接続部材とは、前記第一導電パターンおよび前記第二導電パターンによって交互に直列に接続されている請求項1に記載の歪み検出装置。 - 前記伸縮可能部材および前記熱流束検出部は、複数の前記被締結部材の間に設けられる請求項1または2に記載の歪み検出装置。
- 前記伸縮可能部材および前記熱流束検出部は、複数の前記被締結部材の少なくとも一つの被締結部材が有する溝(920,963,964)に設けられている請求項3に記載の歪み検出装置。
- 複数の前記被締結部材の一の被締結部材と他の被締結部材との間に設けられ、前記伸縮可能部材および前記熱流束検出部を収容可能な収容空間(210)を有するスペーサ(21)をさらに備える請求項3に記載の歪み検出装置。
- 前記締結部は、ボルトであって、
複数の前記被締結部材の少なくとも一つの被締結部材と前記ボルトとの間に設けられ、前記伸縮可能部材および前記熱流束検出部を収容可能な収容空間(450,940)を有するワッシャ(45,943)をさらに備える請求項1または2に記載の歪み検出装置。 - 前記ワッシャは、複数の前記被締結部材の一の被締結部材と前記ボルトとの間に設けられ前記ボルトの頭部(941)を当接する座金部(451)、および、前記座金部と複数の前記被締結部材の他の被締結部材との間に設けられる延長部(452)を有し、
前記伸縮可能部材および前記熱流束検出部は、前記延長部の前記他の被締結部材に対向する延長部側端面(453)と前記他の被締結部材の前記延長部側端面に対向する部材側端面(912)との間に設けられ、
前記伸縮可能部材は、前記延長部側端面または前記部材側端面のいずれか一方に密着し、前記熱流束検出部は、前記延長部側端面または前記部材側端面のいずれか他方に密着している請求項6に記載の歪み検出装置。 - 前記熱流束検出部は、前記伸縮可能部材を挟むよう二つ設けられる請求項1〜7のいずれか一項に記載の歪み検出装置。
- 二つの前記熱流束検出部は、前記伸縮可能部材の一方の側に二つ並べて設けられる請求項1〜7のいずれか一項に記載の歪み検出装置。
- 複数の前記被締結部材の一の被締結部材に固定可能に形成され、前記熱流束検出部を支持可能な一の組付部材(71)と、
複数の前記被締結部材の他の被締結部材に固定可能に形成され、前記伸縮可能部材を支持可能な他の組付部材(72)と、
をさらに備える請求項1〜9のいずれか一項に記載の歪み検出装置。 - 前記一の組付部材または前記他の組付部材に設けられ、前記伸縮可能部材または前記熱流束検出部を支持する支持面(732)を有し、前記一の組付部材または前記他の組付部材に対する前記支持面の位置を調整可能な調整ねじ(73)をさらに備える請求項10に記載の歪み検出装置。
- 前記熱流束検出部の検出結果に基づいて前記構造体に作用する外力が所定の範囲内となっているか否かを判定可能な判定部(83)をさらに備える請求項1〜11のいずれか一項に記載の歪み検出装置。
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