JP7367448B2 - センサ付き構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、センサ付き構造部材に関する。

構造部材に外力が加わったときに生じる歪みは、歪みゲージ等によって検出、測定されることがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６－２３４３８４号公報

歪みゲージは、歪みの検出対象である構造部材の外面に設けられ、構造部材の外面に生じる微小変位を検出することで、歪みを検出する。
歪みゲージは、構造部材の外面における微小範囲の歪みを検出することはできるが、広範囲の歪みを検出するのは困難である。
仮に、構造部材の外面において比較的広範囲を検出対象として歪みを検出しようとすると、その検出対象の面に多数の歪みゲージを設ける必要がある。歪みゲージそれぞれには信号を取り出すためのリード線が接続されるため、多数の歪みゲージを設ければ、多数のリード線を配線する必要が生じ、構成が複雑化してしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、構造部材の歪みを広範囲から検出することができる技術を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するための本発明であるセンサ付き構造部材は、外面から内方へ向かって凹む凹部が設けられた構造部材本体と、前記凹部に充填された弾性部材と、前記弾性部材に埋め込まれ、前記弾性部材の変形を検出する１又は複数のセンサと、を備える。

上記構成のセンサ付き構造部材によれば、構造部材本体に設けられた凹部に充填された弾性部材の変形を、弾性部材に埋め込まれたセンサによって検出するので、構造部材本体に生じる歪みを、弾性部材を介して検出することができる。
つまり、弾性部材に伝搬する構造部材本体に生じる歪みを、弾性部材を変形させる凹部の内面を通じて検出することができる。この結果、例えば、歪みゲージを用いた場合と比較して、構造部材本体の歪みを広範囲から検出することができる。

（２）また、上記センサ付き構造部材において、前記凹部は、前記外面全周に亘って環状に設けられていてもよい。
この場合、弾性部材を構造部材本体の全周に亘らせることができる。よって、センサを構造部材本体の周囲のうちの任意の位置に配置することが可能となり、構造部材本体に生じる歪みをより詳細に検出することができる。

（３）また、上記センサ付き構造部材において、前記弾性部材は、誘電性を有する弾性素材により構成され、前記１又は複数のセンサは、弾性変形可能であるとともに前記弾性部材の内部において互いに対向する一対の電極層と、前記弾性部材の一部からなり前記一対の電極層間に介在した誘電層と、を含んでいてもよい。
この場合、センサを静電容量型センサとして構成できる。よって、センサの静電容量の変化から弾性部材の変形を検出し、構造部材本体の歪みを検出することができる。

（４）上記センサ付き構造部材において、前記一対の電極層は、前記弾性部材の外面に沿って設けられることがある。
弾性部材の外面側は、構造部材本体の歪みに起因する弾性部材の変形が最も大きく現れる。このため、一対の電極層を弾性部材の外面に沿って設けることで、センサの感度が高められる。

（５）また、上記センサ付き構造部材において、前記１又は複数のセンサは、前記弾性部材に含められた粉状又は繊維状の磁性材料と、前記弾性部材の内部に設けられたコイルと、を含んでいてもよい。
この場合、コイルのインダクタンスの変化から弾性部材の変形を検出し、構造部材本体の歪みを検出することができる。

本発明によれば、構造部材本体の歪みを広範囲から検出することができる。

図１は、第１実施形態に係るセンサ付き構造部材を示す図である。 図２は、構造部材本体の要部拡大図である。 図３は、センサの部分を拡大した構造部材本体の断面図であり、図３（ａ）は、構造部材本体の軸方向に沿った断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＡ－Ａ線における矢視断面図である。 図４は、センサに接続される検出回路の構成を示すブロック図である。 図５（ａ）は、第１実施形態の変形例を示すセンサ付き構造部材の断面図であり、図５（ｂ）は、第１実施形態の他の変形例を示すセンサ付き構造部材の断面図である。 図６（ａ）は、第２実施形態に係るセンサ付き構造部材を示す図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＢ－Ｂ線における矢視断面図である。 図７は、第３実施形態に係るセンサ付き構造部材を示す図であり、図７（ａ）は、構造部材本体の径方向に沿った断面図、図７（ｂ）は、構造部材本体の軸方向に沿った断面図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
〔第１実施形態について〕
図１は、第１実施形態に係るセンサ付き構造部材を示す図である。
このセンサ付き構造部材１は、円柱形状の部材であり、例えば、機械装置等を構成する構造部材として用いることができる。
図１中、センサ付き構造部材１は、構造部材本体２と、センサ４とを備える。構造部材本体２は、機械構造用鋼や、アルミニウム合金、樹脂等によって円柱形状に形成された部材であり、上述の構造部材として用いられる部材である。
センサ４は、構造部材本体２に設けられており、構造部材本体２に対して外力が作用したときに構造部材本体２に生じる歪みを検出する機能を有する。
構造部材本体２には、弾性部材５が、周方向に沿って環状に設けられている。
センサ４は、弾性部材５に設けられている。本実施形態のセンサ４は、弾性部材５の変形を静電容量の変化として検出する静電容量型センサである。

センサ４には、リード線６を介して検出回路８が接続されている。検出回路８は、処理装置１０に接続されている。
検出回路８は、センサ４からの出力を受け付け、構造部材本体２の歪みを示す出力信号を処理装置１０へ与える。処理装置１０は、与えられた出力信号に基づいた情報処理を行う。

図２は、構造部材本体２の要部拡大図である。
構造部材本体２には、構造部材本体２の円筒状の外面２ａから内方へ向かって凹む凹部１２が設けられている。
凹部１２は、外面２ａの周方向に沿って全周に亘って環状に設けられている。
弾性部材５は、凹部１２に充填されている。なお、図２では、各部の理解を容易にするために、弾性部材５を省略して示している。
弾性部材５は、凹部１２に充填されることで、環状に形成される。また、弾性部材５は、構造部材本体２の外面２ａに対して面一となるように形成される。
弾性部材５は、誘電性を有する弾性素材により形成される。誘電性を有する弾性素材としては、シリコーンゴムや、ウレタンゴム、ニトリルゴム等のエラストマーが用いられる。
センサ４は、一対のシート部材１４を含む。一対のシート部材１４は、例えば、銅箔により形成されるシート状（帯状）の部材であり、弾性部材５によって保持される。一対のシート部材１４には、リード線６が接続される。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、センサ４の部分を拡大した構造部材本体２の断面図である。図３（ａ）は、構造部材本体２の軸方向に沿った断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＡ－Ａ線における矢視断面図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、凹部１２に充填された弾性部材５は、凹部１２の内面を構成する底面１２ａ、及び内側面１２ｂに密着している。また、弾性部材５の外面５ａは、構造部材本体２の外面２ａに対して面一に形成されている。

一対のシート部材１４は、矩形帯状の部材であり、長手方向の一端が弾性部材５に埋め込まれて弾性部材５の内部に位置している。これにより、一対のシート部材１４は弾性部材５によって保持されている。

センサ４は、弾性部材５に埋め込まれたセンサ本体１６と、センサ本体１６から外部へ突出した一対の端子部１８とを有する。
一対の端子部１８は、一対のシート部材１４において弾性部材５の外面５ａから外部へ突出している他端部分により構成される。一対の端子部１８は、センサ本体１６からの信号を取り出すための端子であり、リード線６が接続される。

センサ本体１６は、弾性部材５の内部において所定の間隔を置いて互いに対向する一対の矩形状の電極層２０と、一対の電極層２０の間に介在した誘電層２２とを含んでいる。つまり、センサ本体１６は、面状の容量素子を構成している。

一対の電極層２０は、一対のシート部材１４において弾性部材５に埋め込まれ弾性部材５の内部に位置する一端部分により構成される。よって、一対の電極層２０は、弾性部材５の外面５ａに沿って設けられる。
一対の電極層２０は、上述のように一対のシート部材１４の一部であり、銅箔により構成される。よって、一対の電極層２０は、弾性部材５の弾性変形に応じて弾性変形可能である。一対の電極層２０は、一対の電極層２０の面方向が構造部材本体２の軸方向に直交する面に沿うように配置されている。なお、電極層２０の面方向とは、シート状の電極層２０の一面及びその裏面が広がる方向をいう。
誘電層２２は、弾性部材５と同じ弾性素材により形成されており、弾性部材５の一部からなる。

このセンサ本体１６は、弾性部材５に埋め込まれているため、弾性部材５の変形に応じて変形する。センサ本体１６は、変形すると、その変形に応じて一対の電極層２０の間隔や面積に変化が生じる。よって、センサ本体１６の静電容量は、弾性部材５の変形に応じて変化する。これにより、センサ本体１６は、弾性部材５の変形を静電容量の変化として出力する。
センサ本体１６は、面状であるので、弾性部材５が３次元的に変形したとしても、その変形を検出することができる。

ここで、構造部材本体２に外力が作用することで構造部材本体２に歪みが生じると、その歪みに応じて弾性部材５にも変形が生じる。
センサ本体１６は、この構造部材本体２の歪みに起因する弾性部材５の変形を検出し、静電容量の変化として出力する。これにより、センサ本体１６は、構造部材本体２の歪みを検出することができる。

弾性部材５は、凹部１２に充填されることで、凹部１２の底面１２ａ及び内側面１２ｂに接触している。構造部材本体２の歪みは、凹部１２の底面１２ａ及び内側面１２ｂから弾性部材５へ伝搬し、弾性部材５に３次元的な変形を生じさせる。
本実施形態では、このような弾性部材５の３次元的な変形を弾性部材５に埋め込まれたセンサ本体１６によって検出するので、構造部材本体２に生じる歪みを、弾性部材５を介して検出することができる。
つまり、構造部材本体２の歪みを、弾性部材５を変形させる凹部１２の底面１２ａ及び内側面１２ｂを通じて検出することができる。この結果、例えば、歪みゲージを用いて構造部材本体２の歪みを検出する場合と比較して、構造部材本体２の歪みを広範囲から検出することができる。

また、歪みゲージを用いて構造部材本体２の歪みを広範囲から検出しようとする場合、多数の歪みゲージを外面２ａに設ける必要があり、多数のリード線を配線することで構成が複雑化してしまう。
これに対して、本実施形態では、多数のセンサを配置する必要がなく、簡易な構成で構造部材本体２の歪みを広範囲から検出することができるので、低コスト化が可能である。

さらに、センサ本体１６（センサ４）は、構造部材本体２の歪みにより３次元的に変形する弾性部材５の変形を検出するので、センサ本体１６が検出すべき歪みの方向を設定する際の自由度を高めることができ、簡易な構成で構造部材本体２の歪みをより詳細に検出することができる。

本実施形態では、一対の電極層２０は、一対の電極層２０の面方向が構造部材本体２の軸方向に直交する面に沿うように配置されている。このため、センサ本体１６は、弾性部材５に生じる変形のうち、主として構造部材本体２の軸方向に沿う変形を検出する。
弾性部材５に生じる軸方向に沿う変形は、構造部材本体２に軸方向に沿った引張応力又は圧縮応力が作用したとき、及び構造部材本体２に曲げ応力が作用したときに生じる。

これに対して、例えば、一対の電極層２０を、一対の電極層２０の面方向が構造部材本体２の軸方向に対して斜め方向に傾斜する面に沿うように設ければ、センサ本体１６は、弾性部材５に生じる変形のうち、主として前記斜め方向に交差する交差方向に沿う変形を検出することができる。
弾性部材５に生じる前記交差方向に沿う変形は、構造部材本体２に軸方向周りにねじり応力が作用したときに生じる。

よって、一対の電極層２０を構造部材本体２の軸方向に対して斜め方向に傾斜する面に沿うように設ければ、構造部材本体２に引張応力、圧縮応力、及び曲げ応力が作用したときに生じる構造部材本体２の歪みの他、軸方向周りにねじり応力が作用したときに生じる歪みも検出することができる。

また、上述したように、一対の電極層２０は、弾性部材５の外面５ａに沿って設けられる。弾性部材５の外面５ａ側は、構造部材本体２の歪みに起因する弾性部材の変形が最も大きく現れる。このため、一対の電極層２０を外面５ａ側に沿って設けることで、センサ４の感度が高められる。

また、本実施形態では、凹部１２を設けその内部に弾性部材５を充填すれば、センサ４を設けることができるので、既存の構造部材に凹部１２を設ければ、センサ４を設けることができる。

また、本実施形態では、凹部１２を外面２ａの全周に亘って環状に設けたので、構造部材本体２は、凹部１２を挟んで軸方向一方側の第１部材と、軸方向他方側の第２部材とに分けて考えることができる。第１部材と第２部材とは、凹部１２を形成することで外周径が外面２ａより小さくなっている柱部によって接続されていると考えることができる。これにより、前記柱部を中心にして第１部材と第２部材との間でより大きな歪みを生じさせることができ、構造部材本体２の歪みをより適切に検出することができる。

図４は、センサ４に接続される検出回路８の構成を示すブロック図である。
図４に示すように、センサ４に接続される検出回路８は、電圧印加回路８ａと、出力回路８ｂとを含む。
電圧印加回路８ａは、センサ本体１６が有する一対の電極層２０のうちの一方の電極層２０に接続されており、一方の電極層２０に所定周波数の交流電圧を印加する。
出力回路８ｂは、一対の電極層２０のうちの他方の電極層２０に接続されている。他方の電極層２０からは、一方の電極層２０に印加される交流電圧に応じた信号であるセンサ信号が出力される。
出力回路８ｂは、このセンサ信号を受け付け、センサ信号に対して整流、包絡線検波等を行い、センサ本体１６の静電容量の変化を示す出力信号を出力し、処理装置１０へ与える。

処理装置１０は、例えば、パーソナルコンピュータ等であり、検出回路８から与えられる出力信号に基づいて、構造部材本体２における歪みを検出する。処理装置１０には、出力信号の信号レベルや、出力信号の経時波形、これら信号レベル及び経時波形を数値解析した解析データといった出力データと、構造部材本体２の歪みの有無や歪み量といった歪みの状態を示す歪みデータとを対応付けるためのテーブル等が記憶されている。
処理装置１０は、出力信号が与えられると、与えられた出力信号から、出力データを取得し、前記テーブルを参照することで、歪みデータを取得し、外部へ出力することができる。
また、処理装置１０が、出力信号の信号レベルと、静電容量値とを対応付けるためのデータを記憶している場合、処理装置１０は、センサ本体１６の静電容量を求めることができる。

図５（ａ）は、第１実施形態の変形例を示すセンサ付き構造部材１の断面図である。
本変形例では、センサ４を構造部材本体２の周方向に沿って複数（図例では３つ）設けた場合を示している。
本変形例では、各センサ４は、センサ本体１６のみによって構成されており、全体が弾性部材５の内部に埋め込まれている。
この場合、周方向に沿って複数のセンサ４を配置したので、構造部材本体２に生じる歪みについてより多くの情報を得ることができ、構造部材本体２の歪みをより詳細に検出することができる。

また、本変形例では、各センサ４（一対の電極層２０）が、各センサ４の面方向が構造部材本体２の軸方向に直交する面に沿うように配置されているが、上述のように、構造部材本体２の軸方向に対して斜め方向に傾斜する面に沿うように設けてもよい。

また、凹部１２を外面２ａの全周に亘って環状に設けているので、弾性部材５を構造部材本体２の全周に亘らせ環状に形成することができる。これにより、図５（ａ）に示すように複数のセンサ４を周方向に配置したり、構造部材本体２の周囲のうちの任意の位置にセンサ４を配置することが可能となり、構造部材本体２に生じる歪みをより詳細に検出することができる。

図５（ｂ）は、第１実施形態の他の変形例を示すセンサ付き構造部材１の断面図である。
本変形例では、センサ４を弾性部材５の外面５ａに沿って線状に設けた場合を示している。
本変形例では、アーチ状に形成された２つのセンサ４を組み合わせることで、構造部材本体２の周方向ほぼ全周に亘ってセンサ４が配置されている。
この場合においても、周方向に沿って配置された各センサ４から構造部材本体２に生じる歪みについてより多くの情報を得ることができ、構造部材本体２の歪みをより詳細に検出することができる。

本実施形態では、センサ本体１６の電極層２０を銅箔によって構成した場合を例示したが、電極層２０は、導電性を有する弾性素材によって形成されていればよく、例えば、導電性材料を含有した弾性素材をもちいてもよい。導電性材料としては、例えば、粉末状あるいは繊維状のカーボン素材や、導電性金属の粉末が用いられる。弾性素材としては、シリコーンゴムや、ウレタンゴムが用いられる。

また、本実施形態では、センサ本体１６の誘電層２２を、弾性部材５と同じ弾性素材により形成した場合を例示したが、弾性部材５と異なる、誘電性を有する弾性素材により形成してもよい。

〔第２実施形態について〕
図６（ａ）は、第２実施形態に係るセンサ付き構造部材１を示す図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＢ－Ｂ線における矢視断面図である。
本実施形態のセンサ付き構造部材１は、構造部材本体２が板状である点、及び凹部１２が板状の構造部材本体２の一面２ｅに設けられている点において、第１実施形態と相違する。

本実施形態の凹部１２は、矩形板状の構造部材本体２の一面２ｅから内方へ向かって凹むように設けられている。凹部１２は、一面２ｅにおいて矩形状に開口するように設けられている。
本実施形態のセンサ４（センサ本体１６）は、凹部１２のほぼ全域に亘る大きさの矩形状とされており、凹部１２に充填された弾性部材５によって保持されている。センサ４（一対の電極層２０）は、一面２ｅにほぼ平行となるように設けられている。
本実施形態においても、構造部材本体２のたわみやねじれによって生じる構造部材本体２の歪みをセンサ４によって詳細に検出することができる。

〔第３実施形態について〕
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第３実施形態に係るセンサ付き構造部材１を示す図である。図７（ａ）は、構造部材本体２の径方向に沿った断面図、図７（ｂ）は、構造部材本体２の軸方向に沿った断面図である。なお、図７（ａ）では、弾性部材５を省略して示している。
本実施形態のセンサ付き構造部材１は、センサ４が、コイル３０を含み、このコイル３０のインダクタンスの変化に基づいて弾性部材５の変形を検出するように構成されている点において、第１実施形態及び第２実施形態と相違する。

本実施形態の弾性部材５には、磁性材料３２が含められる。磁性材料３２は、粉状である。磁性材料３２としては、アモルファスＣｏＦｅＳｉＢ合金からなる磁性ワイヤを粉状にしたものが用いられる。弾性部材５を形成する際に、磁性材料３２は、弾性部材５を構成する弾性素材に混練され分散される。これにより、磁性材料３２を含む弾性部材５を得ることができる。
コイル３０は、直径０．１ｍｍ以下のエナメル線をらせん状に形成した部材である。コイル３０は、弾性部材５に埋め込まれて保持される。なお、図７（ａ）及び図７（ｂ）では、コイル３０の大きさを実際よりも大きく誇張して示している。

本実施形態のセンサ４は、磁性材料３２と、コイル３０とを含んで構成される。コイル３０は、弾性部材５に埋め込まれ保持されているので、弾性部材５の変形に応じて変形する。
本実施形態のセンサ４は、コイル３０が変形することによってインダクタンスに変化が生じる。これにより、センサ４は、弾性部材５の変形をインダクタンスの変化として出力する。
さらに、弾性部材５に含まれる磁性材料３２は、コイル３０周囲の透磁率を高めるので、コイル３０が変形することによるインダクタンスの変化を相対的に大きくすることができる。これにより、センサ４は、弾性部材５の微小な変形をインダクタンスの変化として出力することができる。

センサ４には、第１実施形態と同様、検出回路８及び処理装置１０が接続される。検出回路８は、センサ４に交流電圧を印加する。検出回路８は、交流電圧を印加したときのセンサ４の両端電圧及びセンサ４に流れる電流を検知しこれらの位相差に基づいてセンサ４のインダクタンスの変化を出力信号として出力する。
処理装置１０は、与えられた出力信号から、歪みデータを取得し、外部へ出力する。

本実施形態においても、センサ４が、凹部１２に充填された弾性部材５の変形を検出するので、簡易な構成で構造部材本体２の歪みをより詳細に検出することができる。

本実施形態では、粉状の磁性材料３２を弾性部材５に含めた場合を例示したが、粉状の磁性材料３２に代えて、繊維状の磁性材料３２を用いるもともできる。繊維状の磁性材料３２は、例えば、コイル３０の内周側に挿通されて配置される。この場合においても、磁性材料３２は、コイル３０が変形することによるインダクタンスの変化を相対的に大きくすることができる。

また、本実施形態では、一つのコイル３０を弾性部材５に埋め込んだ場合を例示したが、複数のコイル３０を埋め込み、周方向に並べて配置してもよい。

〔その他〕
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることはない。
上記第１実施形態及び第３実施形態では、構造部材本体２を円柱形状に形成した場合を例示したが、構造部材本体２の形状は、特に限定されることはなく、角柱形状であってもよいし、異形断面を有する柱形状であってもよい。

また、上記第１実施形態及び第３実施形態では、凹部１２を構造部材本体２の外面２ａ全周に亘って環状に設けた場合を例示したが、凹部１２は、構造部材本体２において歪みを測定する必要がある位置に設けることができる。よって、例えば、外面２ａに軸方向に対して傾斜する方向に有底孔状の凹部１２を設け、その中にセンサ本体１６を埋め込んでもよい。また、構造部材本体２の円筒状の外面２ａではなく、軸方向両端の端面に凹部１２を設けてもよい。

１ センサ付き構造部材 ２ 構造部材本体 ２ａ 外面
２ｅ 一面 ４ センサ ５ 弾性部材
５ａ 外面 １２ 凹部 １２ａ 底面
１２ｂ 内側面 ２０ 電極層 ２２ 誘電層
３０ コイル ３２ 磁性材料

Claims (3)

1. 外面から内方へ向かって凹む凹部が前記外面全周に亘って環状に設けられた構造部材本体と、
   前記凹部に充填された弾性部材と、
   前記弾性部材に埋め込まれ、前記弾性部材の変形を検出する１又は複数のセンサと、を備える
   センサ付き構造部材。
2. 前記弾性部材は、誘電性を有する弾性素材により構成され、
   前記１又は複数のセンサは、弾性変形可能であるとともに前記弾性部材の内部において互いに対向する一対の電極層と、前記弾性部材の一部からなり前記一対の電極層間に介在した誘電層と、を含む
   請求項１に記載のセンサ付き構造部材。
3. 前記一対の電極層は、前記弾性部材の外面に沿って設けられる
   請求項２に記載のセンサ付き構造部材。

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