JPS63241409A - 曲がり検出センサ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は曲がり検出センサーに関し、地中に埋設した
各種配管類や構造物内部の穴空間等、外側からは検知困
難な個所の曲がりを検出するためのセンサーに関するも
のである。

（従来技術および問題点） 従来、地中に埋設する水道管、ガス管、その他の流体用
配管は、埋設施工時には埋設深さや方向あるいは湾曲部
の曲率などを正確に設定して配管することができ、また
埋設上を埋め戻す前であれば、配管の外部から検査する
ことによって、配管の直線性や曲がりをチェックして修
正することも可能である。

ところが、配管を埋設した後に地盤の変動があったり、
地上の建造物や通過車両の負担が加わったりすることに
よって、埋設配管が曲がってしまうことがあり、そのた
めに配管が損傷する問題も発生する。

しかし、地中に埋設した配管の曲がりを地上から検出す
るのは困難であり、特に複数の配管が輻轢している個所
では、個々の配管の曲がりを検出するのは掻めで難しい
。

また、埋設された配管の設計図や配置図が無かったり紛
失した場合には、正確な配管状態を知ることができなく
なる問題があった。

（問題点を解決するための手段） 上記問題を解消するには、埋設された配管を掘り起すこ
となく、配管の曲がりを検出できる装置が必要となる。

そして、この発明においては、配管の内部に挿入できる
曲がり検出センサーによって、配管の曲がりを内部から
検出できるようにしたものであり、その構成は、屈曲可
能で且つ強靭な検知軸の外周に、周方向に等間隔で少な
くとも３個所に、軸心方向と平行に伸縮検知用素子を設
けてあって、上記伸縮検知用素子によって検知軸の曲が
りの角度と方向を検出することを特徴としている。

（−作用） 上記の曲がり検出センサーによる曲がり検出の原理を第
３図に示している。

外径ｄの棒材（Ａ）を曲率半径Ｒで角度θだけ曲げると
、棒材（Ａ）のうち、曲率半径Ｒの外側は伸ばされ、内
側は縮められることになる。この棒材（Ａ）の内側表面
の長さをＬｉ、外側表面の長さをＬｏとすると、棒材（
Ａ）を曲げる前の長さＲθが、 Ｌｉ　＝　（Ｒ％ｄ）θ Ｌｏ　−（Ｒ＋％ｄ）θ となる。

内外表面の伸縮差Δをとると、 Δ＝Ｌｏ　−Ｌｉ　＝ｄθ ・°・　θ−Δ／ｄ　となる。

従って、棒材（Ａ）の内外表面の伸縮差Δを検知できれ
ば、曲がりの角度θを検出できることになる。

そして、上記説明ではＬｉ　、Ｌｏを曲率個所のみでと
っているが、前後の直線部分を含めた任意の長さでＬｉ
およびＬＯをとっても、その差Δ＝Ｌｏ−ＬｉＯ値は同
じになる。

即ち、棒材（Ａ）の一定長さについて、直径方向で対向
する表面の伸縮差Δを検出することによって、その直径
方向における棒材（Ａ）の曲がり角度θが測定できる。

以上のような原理を利用し、この発明では検知軸に固着
した伸縮検知用素子によって、検知軸の曲がりを検出す
る。

そして、検知軸の曲がり方向と角度とを同時に検出する
ためには、検知軸の少な（とも３個所以上に伸縮検知用
素子を取付ければよい。

叩ち、少なくとも棒材（Ａ）の３１［１所について各々
の間の伸縮差がわかれば、伸縮差のベクトル値を演算す
ることによって、曲がりの方向および曲がり角度が算出
できるのである。そして、検知軸に取付ける伸縮検知用
素子の故を増やせば、より精確な曲がり方向および角度
の検出が可能である。

また、直径方向の対向位置に伸縮検知用素子を取付け、
これを１組にして複数組を周方向に等間隔で設けておけ
ば、各組の伸縮差のうち、最大になる方向が曲がり方向
になるので、伸縮差の演算を行うことなく、概略の曲が
り方向と角度を検出することが可能である。

（実施例） 次に、この発明の具体的実施例を、第１図および第２図
に示している。

（１）は検知軸であり、配管（Ｐ）等の内部に挿入可能
な外径の細い長尺体であって、配管（Ｐ）に沿って屈曲
可能な可撓性を有するとともに、屈曲状態から直線状態
に復元できる強靭な弾力性を有するものである。

（２）は伸縮検知用素子であり、電気抵抗歪ゲージ等か
らなり、検知軸（１）の先端近くの一定長さにわたって
、検知軸（１）の外周に埋設されてあり、この伸縮検知
用素子（２）によって、当該個所の検知軸（１）の曲が
りを検出する。

第２図には検知軸（１）の断面を示しており、強度と可
撓性に優れたＦＲＰ　（ガラス繊維強化プラスチック）
からなる軸体く１０）と、軸体（１０）の中心に配置し
た強靭性の極めて高いピアノ線（１１）と、さらにＦＲ
Ｐ軸体（１０）の外周を被覆するテフロン、ナイロン等
の保護樹脂層（１２）とから構成されている。そして、
ＦＲＰ軸体（１０）の外周表皮の直下に６本の細い金属
線からなる歪ゲージを伸縮検知用素子（２）として埋め
込んでいる。

伸縮検知用素子（２）は検知軸（１）の周方向に等間隔
で４本配設してあり、４方向の伸縮を検出する。

検知軸（１）の最先端には伸縮検知用素子（２）を埋め
込まず、前記保護樹脂１ｉｉ　（１２）等で覆って保護
してあり、伸縮検知用素子（２）が損傷しないようにし
ている。また伸縮検知用素子（２）には適宜リード線が
接続され、検知軸（１）の内部を通って、後述する表示
器へ検出情報を伝達する。

なお、リード線は検知軸（１）の表面に沿って配置し、
前記保護樹脂Ｎ　（１２）で被覆してもよい。

（３）は表示器であり、伸縮検知用素子（２）からの検
出情報を受は取り電気的に処理した後、表示灯、表示計
器、表示画面等の表示手段によって、検知軸（１）の曲
がり方向と角度を表示できるようになっている。なお、
検知軸（１）およびリード線は連結端子（４）を介して
表示器（３）に着脱自在に接続されている。

゛　次に第４図には上記臼がり検出センサーの電気回路
構成を例示しており、第４図（１）は概略回路図、第４
図（Ｕ）は上記回路を解り易（変形した回路図である。

まず、・検知部となる歪ゲージの抵抗Ｒ１〜Ｒ４とダミ
一部の抵抗とでプリフジ回路を構成し、歪ゲージの伸縮
による抵抗変化を表示部のμＡメータ（３０）に表示で
きるようになっている。なお、表示部には電源となる乾
電池等（３１）を備えている。

上記回路の場合、１組の歪ゲージ（抵抗Ｒ１とＲ２）で
検知軸（１）のＸ軸方向の曲がりを検出して、ひとつの
μＡメータ（３０）に表示し、残りの１組の歪ゲージ（
抵抗Ｒ３とＲ４）で、上記と直交するＹ軸方向の曲がり
を検出して、残りのμＡメーク（３０）に表示する。そ
して、ＸＹ両軸方向の表示値をベクトル演算すれば、曲
がり角度の絶対値と曲がり方向がわかる。なお、μＡメ
ータ（３０）の表示を読み取り、計算によって曲がり角
度と方向を求めてもよいが、前記ブリッジ回路の出力を
電気的に演算して、曲がりの方向と曲がり角度を直読で
きるような表示手段を設けておけば、より望ましい実施
となる。

以上に説明した曲がり検出センサーのうち、伸縮検知用
素子（２）としては、電気抵抗歪ゲージのほか、圧電性
高分子（ビエゾエレクトリソクボリマー）等からなる圧
電素子を用い、この圧電素子を伸縮させることによって
素子の両端に生じる電位差の変化を検出するものでもよ
い。また、光ファイバーを利用することもできる。即ち
、複数本の光ファイバーを束にして曲げると、各光ファ
イバーが伸縮して長さに差ができる。この長さの異なる
光ファイバーに同一位相の光を送り込み先端で反射させ
ると、光ファイバーの長さによって反射光の位相が変化
する。この反射光の位相の変化を検知することによって
、光ファイバーの伸縮、即ち、曲がりを検出できる。さ
らに、検知軸（１）の部分的な伸縮を検知できれば、上
記以外の既知の検知素子を使用することもできる。

伸縮検知用素子（２）の長さは、配管（Ｐ）等の曲がり
検知範囲や検知精度あるいは作業性を考慮して適当に設
定できるが、通常５０ＬＪ程度のものが使用上望ましい
。

伸縮検知用素子（２）の取付個数は、前記したように最
低３個所でよいが、曲がり方向の検出や表示を容易にす
るには、４個所あるいは６ｆＩｌｉｌ所が望ましい。

即ち、４個所であれば、最も縮んだ素子を検知するだけ
で、上下左右等の概略の曲がり方向が決定できる。また
、隣接する２個所の素子が縮めば、その中間が曲がり方
向となるので、複雑なベクトル演算をして曲がり方向を
算出せずとも、縮んだ素子の方向を検出して、ランプ等
で表示するだけでも、４方向または８方向の概略の曲が
り方向が判る。さらに、６個所に伸縮検知用素子（２）
を設けておけば、６方向または時計表示のような１２方
向（例えば上方を０時として３時の方向、８時の方向等
）で、簡単に概略の曲がり方向が指示できる。

なお、上記のように４個所以上に伸縮検知用素子（２）
を設けた場合でも、各素子の伸縮量をベクトル演算すれ
ば、曲がり方向および角度をより細か（精確に検出して
表示できる。

検知軸（１）′の材質としては、可撓性と強靭性を兼ね
備えた材料であれば、ＦＲＰ、ケプラー等の樹脂、ある
いはピアノ線等の金属線材などを単独あるいは複数組み
合せた材料からなるものが使用でき、これら強靭な材料
の外周をテフロン等の滑りの良い保護樹脂層（１２）で
覆うことによって、配管（Ｐ）等の内部を傷つけたり引
掛かることな（スムーズに挿入できるとともに、検知軸
（１）内の伸縮検知用素子（２）を保護する効果もある
。

なお、上記保護樹脂層（１２）が熱収縮性チューブから
なるものであれば、ＦＲＰ軸体（１０）等への被覆が容
易で、一体性にも優れたものとなる。

検知軸（１）の断面構造の変更例を第６図に示しており
、（１３）は異形軸体であり、６稜の凸起を有する異形
断面をなしている。異形軸体（１３）の材質はＦＲＰあ
るいはピアノ線等の何れでもよい、伸縮検知用素子（２
）としては、圧電性高分子からなる圧電素子（２０）の
外周を、ナイロン、ポリエチレン等のプラスチック絶縁
被覆（２１）で覆い、個々の素子同士および異形軸体（
１３）等の周囲と絶縁している。そして、異形軸体（１
３）の各稜部間の谷間に６本の伸縮検知用素子（２）を
配置して、互いの間隔を正しく保ちながら、軸方向に伸
縮できるようにしている。異形軸体（１３）および伸縮
検知用素子（２）の外周は保護樹脂層（１２）で収縮被
覆して伸縮検知用素子（２）の固定および保護を果して
いる。

なお、伸縮検知用素子（２）の圧電素子は一端（通常は
先端側）を短絡しておき、伸縮に伴って他端（通常は基
端側）に生じる電位分布を順次走査して比較することに
よって、曲がりの有無、角度および方向を容易に検出で
きる。

検知軸（１）の径は、曲がりを検出する配管（Ｐ）の内
径より少し細い程度のものが、スムーズに挿入できると
同時に曲がりを正確に検出できる。

次に検知軸（１）は長尺の配管（Ｐ）の奥まで曲がりの
検出ができるように、伸縮検知用素子（２）を埋設して
いない不感部分（１４）を長く延長してあり、通常全長
６．５ｍ程度のものが使用し易く好適である。なお、上
記不感部分（１４）の断面構造は、伸縮検知用素子（２
）の代りにリード線を埋設しているだけで、その他の構
成は同一でよい、そして、曲がり検知センサーの不使用
時には、検知軸（１）の不感部分（１４）を緩やかなリ
ール状に巻回しておくと取扱い持ち運びに便利である。

この場合のリール巻径は例えば５０ｃＩ１１〜１００１
程度で実施される。

伸縮検知用素子（２）における電気抵抗あるいは電圧等
の変化を、検知軸（１）の曲がり方向および角度に変換
して表示する表示器（３）の構造および回路構成として
は、通常の各種計測機器と同様の構造で実施できる。

例えば、前記第４図に示したように、歪ゲージの抵抗変
化をホイートストンブリッジ回路によって検知し、μＡ
メータ（３０）に表示する方法は、簡単な、回路構成で
精密な検出が行え、表示器（３）の構造も簡単で好まし
い実施態様である。

第５図には回路構成の変更例を示しており、伸縮検知用
素子（２）である複数本の歪ゲージ（抵抗Ｒ１−Ｒ４）
を一定の抵抗Ｒを介して電源（３１）に並列接続してあ
り、また基準抵抗ＲＯも上記各歪ゲージと並列接続しで
ある。

そして、歪ゲージの伸縮によって抵抗Ｒ１−Ｒ４が変化
すると、各歪ゲージ回路の電位Ｅ１〜Ｅ４も変化し、こ
の電位変化を基準回路の電位ＥＯと比較すれば、歪ゲー
ジの伸縮が検知できる。例えば電位Ｅ１が他の電位Ｅ２
〜Ｅ４およびＥＯに比べて最も低い場合は、Ｒ１の抵抗
が最も小さくなっていること、即ちその歪ゲージの方向
に検知軸（１）が曲がっていることがわかる。また、電
位差（ＥＯ−Ｅｌ等）から曲がり角度が検出できる。

検知軸（１）の曲がり方向および角度を表示する方法お
よび手段としては、例えば複数方向の伸縮検知用端子（
２）に対応してそれぞれ表示ランプを設けておけば、概
略の曲がり方向を知るには十分であり、曲がり角度を表
示するには、μＡメータ等の計器を直読してもよい。し
かし、曲がり方向を細かく且つ見易く表示するには、方
向を数値で表示するのが望ましく、例えば垂直面で上方
をＯｏとして時計回りに角度で表し、１３５°の方向な
どという表示をしたり、０時〜１２時までの時計盤状の
表示をすれば、表示結果が判り易い。そして、上記数値
はアナログ表示するよりも、ディジタル表示にすれば見
易く誤り難いので望ましい。

曲がり角度についても、上記同様に数値でディジクル表
示するのが望ましい。

また、ＣＲＴ画面に画像で表示すれば、曲がり方向と角
度が同時に表示できて判り易く、例えば画面上で光点が
中央から斜め左上１３５°の方向へ１０鶴移動すれば、
曲がりが１３５°の方向で曲がり角度が１０°である等
の表示が可能である。

さらに表示器（３）としては、曲がり方向と角度を積算
したり記４，１できるようにすれば、配管（Ｐ）に沿っ
て順次一定長さ毎に曲がりを検出しながら、全体の曲が
り状態を知ることができる。

なお、この発明の曲がり検出センサーはガス・水道等の
地中配管や化学あるいは原子カプラント等の配管類、さ
らに土木あるいは建築構造物の穴状空間の曲がりを検出
するためにも使用可能である。

（効果） 以上に説明したこの発明の曲がり検出センサーによれば
、配管（Ｐ）等の曲がりに沿って挿入した検知軸（１）
の曲がりを、検知軸（１）に取付けた伸縮検知用素子（
２）の伸縮によって検知するものであり、複数の伸縮検
知用素子（２）の伸縮を比較することによって、検知軸
（１）の曲がり方向と角度を検出することができ、外部
からは検出不可能な地中や構造物内の配管（Ｐ）等の曲
がりを、極めて簡単且つ正確に知ることができる。

そして、配管（Ｐ）の内部には検知軸（１）と小さな伸
縮検知用素子（２）を挿入するだけで、検出結果は外部
の表示器（３）に表示できるので、小径の配管（Ｐ）や
複雑に曲がった配管（Ｐ）等に対しても十分に対応でき
、融通性に優れたものである。

さらに、検知軸（１）に複雑な動作機構や駆動部品等を
必要としないで、製造は容易でコストも安く、故障や作
動不良の発生する可能性も非常に少なく、振動や衝撃に
対する耐久性も高い。

以上のように、従来困難であった地中配管（Ｐ）等の曲
がり検出を、極めて容易に実施でき、上記のような種々
の長所を有する優れた発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は全体の構造図、第２図は検知軸の拡大断面図、
第３図は検出原理を示す概念図、第４図（１）（ｎ）は
回路構成図、第５図は変更例の回路構成図、第６図は検
知軸の変更例を示す拡大断面図である。 （１）・・・検知軸、（２）・・・伸縮検知用素子、（
３）・・・表示器。 第１図 第　４　図 ｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、屈曲可能で且つ強靭な検知軸の外周に、周方向に等
   間隔で少なくとも３個所に、軸心方向と平行に伸縮検知
   用素子を設けてあって、上記伸縮検知用素子によって検
   知軸の曲がりの角度と方向を検出することを特徴とする
   曲がり検出センサー。 ２、伸縮検知用素子を４個所に設けている上記特許請求
   の範囲第１項記載の曲がり検出センサー。 ３、伸縮検知用素子を６個所に設けている上記特許請求
   の範囲第１項記載の曲がり検出センサー。 ４、伸縮検知用素子が電気抵抗歪ゲージである上記特許
   請求の範囲第１項記載の曲がり検出センサー。 ５、伸縮検知用素子が圧電素子である上記特許請求の範
   囲第１項記載の曲がり検出センサー。 ６、伸縮検知用素子が光ファイバーである上記特許請求
   の範囲第１項記載の曲がり検出センサー。