JP2009174899A - ケーブル型荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】布設性に優れ、かつ高精度な荷重検出が可能なケーブル型荷重センサを提供する。
【解決手段】平行に配置された２本の導体１１と、弾性を有し上記２本の導体１１の周囲を覆う被覆部１２とからなり、上記２本の導体１１が、ニッケルクロム系合金、鉄ニッケル系合金、銅ニッケル系合金、ニッケルチタン系合金のいずれかからなるケーブル型荷重センサ１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ケーブル型荷重センサに関するものである。

従来、荷重を検出するセンサにおいて、電気式のセンサでは、圧力センサ、加速度センサあるいは歪ゲージを用いて検知する方法や、光ファイバ中の光を曲げ損失及び圧縮損失によって光量変化させることによって検知させる方法が一般的である。

これらの方式は、電気処理回路や、受発光装置が複雑であったり、検出精度が低かったり、ノイズに弱かったりするため、低コストで、小型、高精度なセンサは得られていない。

抵抗体の荷重印加による断面積、長さの変化を電気抵抗変化に換算し、荷重（歪量）を検出する歪ゲージは、荷重量を正確に検出することが可能であり、ロードセルなど様々な場所で利用されている。

代表的な例は特許文献１、２に提案されるように、剛性体に薄膜を貼り付けて、剛性体の歪量を検出する方法がある。

また、接触状態を線状（ケーブル状）の長手方向の任意の場所で検知するセンサが特許文献３で提案されている。

特開平６−８４６０２号公報 特開平８−３１３３７１号公報 特許第３３５４５０６号公報

上記特許文献１、２もしくは歪ゲージは、局部的な歪を検知することは、可能であるが、ケーブル状の任意な場所で歪量を検出することはできないため、使用範囲が限定されていた。

また、特許文献３は、線状（ケーブル状）の長手方向の任意の場所で接触状態を検知することは可能であるが、歪量（荷重量）を測定することは出来ないため問題点を有している。

そこで、本発明の目的は、布設性に優れ、かつ高精度な荷重検出が可能なケーブル型荷重センサを提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、平行に配置された２本の導体と、弾性を有し上記２本の導体の周囲を覆う被覆部とからなり、上記２本の導体が、ニッケルクロム系合金、鉄ニッケル系合金、銅ニッケル系合金、ニッケルチタン系合金のいずれかからなることを特徴とするケーブル型荷重センサである。

請求項２の発明は、上記被覆部は、−３０℃〜７０℃の温度領域で弾性率特性の変化が１×１０⁶〜１．５×１０⁶Ｐａである請求項１に記載のケーブル型荷重センサである。

請求項３の発明は、上記被覆部は、シリコンゴムもしくは、エチレンプロピレンゴムからなる請求項１又は２に記載のケーブル型荷重センサである。

本発明によれば、布設性と低コスト性に優れ、機械的劣化少ない、高精度なケーブル型荷重センサが得られる。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明のケーブル型荷重センサ１０の断面図を示し、図２は、ケーブル型荷重センサ１０を用いて荷重を検出する際の測定システムの模式図を示したものである。

図１に示すように、ケーブル型荷重センサ１０は、電気抵抗材料製の線材からなる導体１１を２本平行になるよう配置し、その２本の導体１１を、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴムなどの絶縁性のゴムからなる被覆部１２で被覆して構成される。

このケーブル型荷重センサ１０を用いて荷重を検出するには、図２に示すように、一方の導体１１、１１の片側端末を、金属線１４で電気的に接合し、他方の導体１１、１１の片側端末をリード線１３を介して電気抵抗測定部１５に接続して荷重の測定システムを構成する。なお金属線１４は、導体１１を折り返して構成してもよい。

ここで、電気抵抗測定部１５は、導体１１の僅かな電気抵抗の変化を精度高く検出するため、ブリッジ回路になっており、出力信号は、電力信号として取り出される。

このケーブル型荷重センサ１０に荷重Ｆがかかると、導体１１の長さや断面積が荷重によって変化するため、これを電気抵抗測定部１５で検出することで荷重を検出することができる。

この本発明の原理を説明する。

導体の電気抵抗Ｒは、導体の長さＬとし、断面積Ａとし、導体の体積抵抗率ρとすると、（１）式の関係が知られている。

Ｒ＝ρＬ／Ａ ・・・・ （１）
この関係を応用して、センサとするのが本発明である。

すなわち、導体の長さＬや断面積Ａを荷重によって変化させ、導体の電気抵抗Ｒを変化させることで、荷重を検出する方法である。

荷重発生で、長さＬと断面積Ａは変化する側面方向からの荷重を受けることで、Ｌは長くなり、Ａは小さくなる。すなわち、導体の側面に荷重が加わると電気抵抗は大きくなる。

歪ゲージなどは、金属製の抵抗体の電気抵抗値の僅かな変化をブリッジ回路などで増幅している。歪ゲージは、きわめて精度高い素子であるが、検出部分が小さいためライン状の任意の位置で荷重を検出する場合、それぞれの場所でゲージを設置する必要が生じ、センサが大型、複雑になってしまう。

本発明者らは、導体１１として、電気抵抗の高い素材を用いることで、ライン状のどの位置でも荷重検出が可能で精度の高いセンサを実現した。

なお、本発明で絶縁性のゴムからなる被覆部１２は、荷重変動による導体１１の電気抵抗を精度良く検出することが可能であり、かつ、外部の電気導体との接触での抵抗変化を防ぐ目的で用いられる。さらに、ケーブル型荷重センサ１０に荷重が除去された時に、元の形状に戻るために復元力を発生させる機能も合わせ持つことが望ましく、変形後に復元が可能なゴム材料であることが望まれる。

ここで、このケーブル型荷重センサ１０を広い温度領域で使用する場合を想定し、絶縁ゴムとしては、低温から高温（−３０℃〜７０℃）までの範囲で弾性率（硬度）特性の変化の少ないシリコーンゴムやエチレンプロピレンゴムが好適である。なお、使用するゴムの弾性率特性の変化は、−３０℃〜７０℃において１×１０⁶〜１．５×１０⁶Ｐａ程度が好ましい。

また芯線の導体１１としては、応力に対して電気抵抗変化が大きい電気抵抗の比較的高い素材が望ましく、ニッケルクロム系合金もしくは、鉄ニッケル系合金、もしくは、銅ニッケル系合金、もしくはニッケルチタン系合金が好適と考えられる。

なお、芯線用の導体１１の電気抵抗が低すぎる場合は、抵抗変化が小さくなり測定誤差が生じてしまう、また、高すぎる場合も、高抵抗の物体を高精度に測定することが困難であるため、望ましくない。

本発明における電気抵抗としては、１ｍ当たり、１０〜１０⁶Ωが好ましい。

また、本センサのケーブル構造としては、導体１１が２本であるケーブル型荷重センサ１０が望ましく、片端末を電気的に接合し、もう一方の導体１１間の抵抗変化を測定することで片側は接合だけの形状であり、小型化でき布設上で有利になる。

次により具体的な実施例を説明する。

外径０．３５ｍｍΦの鉄クロム合金ＦＣＨＷ−１（電気抵抗１１Ω／ｍ、東京抵抗線（株）製）の金属線からなる導体１１を、２本が距離１ｍｍ間隔で平行に設置され、ゴム硬度Ａ５５のシリコーンゴムからなる絶縁性の被覆部１２で、外径４ｍｍΦに被覆してケーブル型荷重センサ１０を構成する。このケーブル型荷重センサ１０の長さは特に規定しないが、荷重を測定する箇所に布設できる長さであればよく、布設箇所によって適宜設定される。

図３は、ケーブル型荷重センサ１０の長さを１ｍとし、その１ｍ長のケーブル型荷重センサ１０の長さ１００ｍｍ部分（電気抵抗測定部１５側或いは金属線１４で電気的に接合した側）に荷重を０〜２５ｋｇ重かけた時の出力を示したものである。

荷重増加に伴い、検出回路の出力信号強度が比例して増大していることが確認され、極めて高い精度で荷重が測定できることが確認された。

本発明のケーブル型荷重センサを示す断面図である。 図１に示したケーブル型荷重センサを電気抵抗測定部に接続して構成した荷重測定システムの摸式図である。 ケーブル型荷重センサの特性（荷重と電気抵抗の関係）を示す図である。

符号の説明

１０ ケーブル型荷重センサ
１１ 導体
１２ 絶縁性のゴム
１３ リード線
１４ 金属線
１５ 電気抵抗測定部
Ｆ 荷重

Claims (3)

1. 平行に配置された２本の導体と、弾性を有し上記２本の導体の周囲を覆う被覆部とからなり、上記２本の導体が、ニッケルクロム系合金、鉄ニッケル系合金、銅ニッケル系合金、ニッケルチタン系合金のいずれかからなることを特徴とするケーブル型荷重センサ。
2. 上記被覆部は、−３０℃〜７０℃の温度領域で弾性率特性の変化が１×１０⁶〜１．５×１０⁶Ｐａである請求項１に記載のケーブル型荷重センサ。
3. 上記被覆部は、シリコンゴムもしくは、エチレンプロピレンゴムからなる請求項１又は２に記載のケーブル型荷重センサ。

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