JP3332279B2

JP3332279B2 - 撓みセンサおよびそれを備えた釣竿

Info

Publication number: JP3332279B2
Application number: JP34199793A
Authority: JP
Inventors: 忠小沼; 卓佐藤; 信宏森山
Original assignee: 呉羽化学工業株式会社
Priority date: 1993-12-14
Filing date: 1993-12-14
Publication date: 2002-10-07
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: JPH07167605A; US5526601A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体に圧電素子を取付
け、物体の撓みを圧電素子の撓み変形により生ずる電気
信号として検出するようにした撓みセンサ、ならびに該
撓みセンサを備えた釣竿に関する。

【０００２】

【従来の技術】一例として、特開昭６３−１４９５０３
号公報の明細書によれば、高分子圧電材料からなるバイ
モルフ型圧電シートによりロボットの関節装置の屈曲角
度を検出する装置が記載されている。

【０００３】このように、従来、圧電素子によりその曲
げ（撓み）変形量に対応した電気信号を検出し得るこ
と、即ち圧電素子が撓みセンサとして使用し得ることは
公知である。そして、セラミックス系よりもポリマー系
の圧電素子が、その優れた柔軟性故に、大きな撓みを検
出するセンサとして好適であることも明らかである。

【０００４】また本体の要部に圧電ピックアップ素子を
貼着して、魚が釣針に掛った時の魚信（あたり）を釣人
に知らせるべく構成した釣竿も提案されている（例えば
実公昭５７−４８５０号公報）。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】しかしながら、円筒形や板状
或いはシート状で供給される従来の圧電素子は、撓みセ
ンサとして用いるには以下の問題がある。まず、たとえ
ポリマー系の圧電体が採用されたとしても、円筒形圧電
素子では、対象となる物体の撓みに追従して変形するに
は伸縮性が不十分である。さらに、板状或いはシート状
の圧電素子では、その表裏面に垂直な方向への撓み変形
は、物体の撓みに追従して変形するのに十分であるが、
表裏面に平行な方向への撓み変形はまったく期待できな
いものである。

【０００６】即ち、シート状のポリマー系の圧電素子を
用いる従来の方法では、シート状素子の表裏面に平行方
向への撓み変形量は非常に少なく、そのため、該平行方
向へも物体が変形する状況では、素子に過度の応力が作
用する危険性の高いものである。これは、例えばポリマ
ー系の圧電体を用いた場合にしても、圧電体自体の伸縮
変形性に制約があることのほか、電気信号を取り出すべ
く圧電体の両面に設けた電極自体の伸縮変形性が極めて
乏しいことにもよる。このような圧電素子の伸縮変形性
の不足は、例えば上記した釣竿本体に貼着して用いる場
合には、極めて大きな制約となる。

【０００７】さらに、シート状圧電素子を用いると、そ
の表裏面に垂直な方向と平行な方向とでは、物体の変形
に対して素子の圧電特性が異なることも問題である。

【０００８】本発明の目的は、長さ方向での許容撓み変
形量が大きく、且つ長さと垂直な方向の変形に対する圧
電特性が等方的である（方向性が少ない）圧電素子から
なる撓みセンサを提供することを目的とする。

【０００９】本発明の別の目的は、上記のような撓みセ
ンサを魚信センサとして備えた釣竿を提供することを目
的とする。

【００１０】即ち、本発明の撓みセンサは、表面に電極
層を対向して設けた帯状のポリマー圧電体をある中心軸
の回りに螺旋帯状に捲回し、前記表面電極層を前記中心
軸の延長方向とほぼ平行に配設した構造を有する圧電素
子と、前記延長方向に伸びる螺旋形状圧電体の曲げ（撓
み）変形により生じる圧電素子の電気信号を検出する検
出回路とからなり、表面に電極層を対向して設けた帯状
のポリマー圧電体をある中心軸の回りに螺旋帯状に捲回
し、前記表面電極層を前記中心軸の延長方向とほぼ平行
に配設した構造を有する圧電素子と、前記延長方向に伸
びる螺旋形状圧電体の曲げ（撓み）変形により生じる圧
電素子の電気信号を検出する検出回路とからなり、前記
ポリマー圧電体が中央電極層を間に挟んで積層され且つ
分極方向が同一の厚さ方向である一対のポリマー圧電体
であり、且つ前記螺旋状に捲回した帯状圧電体を、内側
支持体のない状態でエラストマー被覆体中に埋込み全体
として中実円筒棒状または中空円筒チューブ状の圧電体
としたことを特徴とするものである。

【００１１】上記のようにして構成した螺旋帯状の圧電
素子は、螺旋帯に沿った伸縮許容性は、従来のシート状
圧電素子と同様であるが全体としての長さ方向（螺旋軸
方向）での許容撓み変形量は極めて大となり、且つ螺旋
軸と直交する各種方向で撓み変形に対する圧電特性が等
方的となる。従って、本発明の撓みセンサは、ロボット
の関節装置、送電線、吊り橋のロープなどの撓み変形の
方向が特定しない物体の撓みを検出するのに好適であ
る。

【００１２】また上記撓みセンサを、好ましくは竿本体
の軸と、撓みセンサを構成する螺旋状圧電素子の螺旋軸
とがほぼ一致するように、竿本体に取り付けるように構
成して得られる本発明の釣竿は、釣竿の任意な方向にお
ける大きな撓み変形に伴う電気信号を効率的に魚信とし
て探知し得る機能を備えた釣竿となる。これにより、例
えば穂先に加速度センサーを魚信センサとして取り付け
た釣竿（例えば実公平３−１３１９４号公報）において
問題となり得るような、釣竿の動きや、水、波、風など
の自然環境変化による加速度変化により魚信との区別が
つき難いという問題点に対しての著しい改善も得られ
る。

【００１３】以下、図面を参照しつつ、本発明を実施例
についてさらに詳細に説明する。

【００１４】図１は、釣竿の中空筒状部に挿入すべく構
成した螺旋状圧電素子１０を含む本発明の一実施例にか
かる比較的簡単な構造の撓みセンサの構成図であり、図
２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って取った圧電素子の厚
さ方向断面図である。

【００１５】図１および図２を参照して、この螺旋状圧
電素子を構成する帯状圧電素子１０は、可撓性を有する
帯状圧電体１の両面に表面電極２ａおよび２ｂを形成し
てなる。螺旋状圧電素子は、この帯状圧電素子１０を、
ある中心軸（螺旋軸）Ｏの周りに螺旋状に捲回した形状
を有する。そして表面電極２ａ、２ｂからは、半田７付
けにより、それぞれリード線８ａ、８ｂが接続されて検
出素子部２０が構成される。そして、圧電素子の螺旋軸
Ｏを曲げるような撓み変形ＦＲに伴う電気的信号が、リ
ード線１２ａ、１２ｂを経て増幅検出回路１３により検
出され、表示素子（例えば液晶ディスプレー等）１４に
より表示されるようになっている。一般に増幅検出回路
１３と表示素子１４は表示装置３０として一体化され
る。なお、表示素子１４は、視覚的な表示素子に代え
て、あるいはこれに加えてブザー等の警報回路を用いて
もよい。

【００１６】帯状圧電素子１０の幅（ｄ）および螺旋ピ
ッチ（ｐ）は、撓みセンサに要求される特性によって適
宜選択されるが、一般に幅２〜５０ｍｍ程度、好ましく
は５〜２０ｍｍであり、１＜ｐ／ｄ≦３の範囲とするこ
とが好ましい。幅が２ｍｍ未満では螺旋捲回時に切断が
発生し易く、また５０ｍｍを超えると螺旋形状に賦形す
ることが困難になる。また、ｐ／ｄ≦１では、帯状圧電
素子１０が部分的に重なったり、あるいは表面電極２ａ
相互あるいは２ａ−２ｂ間での接触により電気的ノイズ
が生じかねない。他方ｐ／ｄ＞３であると素子の面積効
率が低下する。螺旋状圧電素子を構成する螺旋の巻き数
は、前記の等方的感度特性が確保されるように、１以
上、特に３以上とすることが好ましい。

【００１７】各部の材質について説明すると、螺旋状圧
電素子全体として良好な可撓性を与え、あるいは長尺の
螺旋状圧電素子を形成するために、本発明の可撓性圧電
体１はポリマー圧電体により構成する。このようなポリ
マー圧電体１は、表面電極２ａ、２ｂを有する帯状体と
した後、巻き回しにより図１に示すような螺旋形状に容
易に賦形することができる。

【００１８】ポリマー圧電体１は、一般に知られている
ポリマー圧電材料から任意に構成されるが、フッ化ビニ
リデン（ＶＤＦ）の単独または共重合体等からなるＶＤ
Ｆ系圧電体、あるいは比較的高い耐熱性を有するシアン
化ビニリデン−酢酸ビニル共重合体等が好適に用いられ
る。これらポリマー圧電体材料は、溶融押出等により製
膜後、必要に応じて一軸延伸あるいは軟化温度以下での
熱処理、軟化温度以下での電界印加による分極処理に付
される。なお、ポリマー圧電体１は、一般にフィルム又
はシートの形態をとることができ、その厚みは５〜２０
００μｍ程度、特に１００〜１０００μｍの範囲で選択
されることが好ましい。ポリマー圧電体の厚みが５μｍ
以下では十分な撓み出力（電圧）が得られず、逆に２０
００μｍ以上ではフィルムの可撓性が損なわれ、更に分
極に高電圧が必要となるため縁面放電が発生し分極が極
めて困難となる。

【００１９】表面電極２ａ、２ｂは、螺旋状圧電素子全
体の可撓性を損なうことなく、圧電体１表面に、銀、
銅、アルミニウム、亜鉛等の導電材料の蒸着、溶射、メ
ッキ（特に無電解メッキ）、金属箔の接着貼り付け等に
より０．０２μｍ〜２００μｍの厚さ範囲に形成するこ
とができる。中でもポリマー圧電体との組合せにおい
て、良好な可撓性を維持しつつ良好な半田付性と優れた
撓み検出特性を与えるためには、対向電極２ａ、２ｂ
は、厚さが１０〜１００μｍ、特に２０〜５０μｍの溶
射電極層として形成することが好ましい。さらに、特願
平４−１５８８４４号明細書に記載のように、多孔シー
ト状電極を圧電体の表層に埋入して設けることは、電極
が圧電体と一体化して強固に接合されており、且つ電極
自体の伸縮性も大きいので、本発明において好ましく採
用し得る。多孔シート状電極の孔径、厚み、開口率は、
それぞれ２０〜３５０μｍ、１０〜３００μｍ、３０〜
８０％の範囲から選ばれるのが好ましく、電極の具体例
としてはパンチングメタル、金網などがある。

【００２０】本発明の螺旋状圧電素子の電極２ａ、２ｂ
の表面には、絶縁被覆を施すのが好ましい。この絶縁被
覆は、図２に対応して図３に示すように、電極２ａ、２
ｂを選択的に覆う絶縁被覆層５ａ、５ｂとして形成する
こともできるが、本発明では、図１に示すように螺旋状
圧電素子全体を絶縁体１１中に埋め込んで中実棒状（ま
たは中空チューブ状）に形成して、素子の堅牢性および
取扱い性を併せて向上するのがよい。かかる絶縁被覆体
５ａ、５ｂあるいは１１としては、堅牢性に加えて、螺
旋状圧電素子全体としての可撓性を維持するために、ウ
レタンゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム等のエラスト
マーを用いる。

【００２１】この際、帯状圧電素子にかかる応力の残留
を防止し、測定感度を向上するためには、一旦、剛性あ
るいは弾性の棒状体の回りに帯状圧電素子を巻回して螺
旋状に賦形した後、該棒状体を取り除き、螺旋状に賦形
した帯状圧電素子１０を、エラストマー被覆体１１中に
埋め込んだ形態とすればよい。かくして、全体としての
良好な可撓性と、良好な撓み検出特性を有する図１に示
すような中実棒状（あるいは中空チューブ状）の撓み検
出素子２０が得られる。

【００２２】また埋設被覆体１１の中心部に、増幅検出
器１３あるいは可撓性を損なわない範囲での強度部材、
充填材を埋設したり、空洞を形成してそれらを配設する
こともできる。

【００２３】上記したような実質的に棒状とした検出素
子２０を釣竿の魚信センサとして用いる際には、図４に
示すように、釣竿４０の最も大きく湾曲する（しなる）
中空部分（必ずしも釣竿の穂先ではない）に挿入して設
けるのがよい。そしてその湾曲により生じた圧電気出力
は釣竿内部を通したケーブル８（８ａ、８ｂ）を通し
て、釣竿の（手持）捍部分４１に設けた増幅検出回路お
よび表示回路を含む表示装置（例えば液晶ディスプレイ
等）３０により読み取れるようにする。

【００２４】他方、螺旋状圧電素子１０を被覆埋設する
際に、中空チューブ状の検出素子２０ａとして構成した
ときには、図５に示すように、釣竿４０の最も大きく湾
曲する棒状部分に外挿する形態で取り付けることができ
る。上述の送電線や吊り橋のロープ等の紐状の被測定物
体に対しても、このような中空チューブ状の検出素子を
物体に外挿する取り付け方法が好ましい。

【００２５】図６（ａ）〜（ｄ）は、図１に示した増幅
検出回路１３の各種構成例を示すものである。（ａ）、
（ｂ）はＯｐアンプ（演算増幅器）を用いる非反転増幅
回路の例で、（ａ）の方がより高インピーダンスであ
る。（ｃ）、（ｄ）は、平衡型の差動増幅回路である
が、（ｄ）の方が大ゲイン、高インピーダンス、同相信
号の除去比等の点で機能的には優れる。

【００２６】上記した図１〜図３に示す螺旋状の圧電素
子１０を構成する圧電体フィルム１が単層（モノモルフ
構造）であるにもかかわらず撓み変形にともなう電気信
号を与えることは注目すべきことである。一般にシート
状圧電体、特に高分子圧電体では撓み変形による電圧出
力（電荷の変化）は殆どないと考えられている。それは
高分子圧電体シートの厚み方向の中心面を変形の中立面
として撓み変形する理想的な状態においては、シートの
表裏面で一方が伸び、他方が縮み変形を起こし且つ分極
方向が同じであるため、表裏面に同じ電荷が誘起される
ためである。

【００２７】そこで撓み変形により電圧出力が得られる
ように圧電体シートの一方の面に他のフィルムを貼り付
けたり、電極の一方を剛性の大なものにしたりして、変
形の中立面をずらす工夫がなされている。しかしながら
本発明の用いる螺旋状圧電体においては、このような工
夫なしでも、撓み変形に伴う電圧出力が良好に取り出さ
せることが確認されている。これは、上記のような螺旋
捲回しの結果として、全体としての螺旋状圧電体に対す
る撓み変形が、圧電体シートの表裏面の変形に対し非対
称の伸縮変形を起す効果があるためと推定される。しか
し、より良好な出力を得るために、更に上記のような変
形の中立面をずらす構成を採用することが好ましい。

【００２８】撓み変形を効率的に電気信号として取り出
すために、圧電体１は、図７に示すように、一対の帯状
ポリマー圧電体１ａおよび１ｂを、それぞれの分極方向
ｐが同一方向となるように中央電極層３を挾んで積層
し、更に外側に表面電極層２ａ、２ｂを設けたバイモル
フ構成とする。圧電体１ａ、１ｂの各々は更に複数の圧
電体からなる積層構成を採ってもよい。

【００２９】中央電極層３としては、表面電極２ａ、２
ｂよりも剛性の比較的大なる溶射電極層あるいは例え
ば、銅、アルミニウム、錫、亜鉛、金、銀、白金等の厚
さが６〜２００μｍ程度、特に２０〜１２０μｍの金属
箔により形成することが好ましい。しかし、表面電極層
２ａ、２ｂと同様に蒸着電極層として形成できないわけ
ではない。中央電極層３は、接着剤層４ａ、４ｂにより
圧電体１ａ、１ｂと接着されるが、中央電極層３を溶射
あるいは蒸着により形成する場合には、接着剤層４ａ、
４ｂの一方を省略することができる。

【００３０】接着剤層４ａ、４ｂは、導電性粒子を分散
させた導電性の接着剤により形成することもできるが、
より接着強度の優れるエポキシ系樹脂、ウレタン系樹
脂、ポリエステル系樹脂、ブタジエン系樹脂、アクリル
系樹脂等の接着剤により５〜４０μｍ程度の層とした時
にも、出力特性は良好に維持される。

【００３１】上記のようにして構成した本発明の撓みセ
ンサは、螺旋状圧電素子の螺旋軸を曲げる任意の方向の
撓み変形に対し、同等の出力を与えるが、その撓み変形
の方向を併せて検出することが望ましい場合もある。こ
のような際には、表面電極２ａ、２ｂの少なくとも一方
（あるいは図７のようなバイモルフ構成に際しては、例
えば中央電極層３はそのままで表面電極層２ａ、２ｂの
双方）を、例えば図８に示すように２Ａ（２Ａａ、２Ａ
ｂ）、２Ｂ（２Ｂａ、２Ｂｂ）、２Ｃ、２Ｄ、・・・の
ように区分して設け、螺旋状圧電素子１０を機能的に複
数の単位素子に分割し、螺旋素子に生ずる撓み変形を区
分して検出するように構成すればよい。区分して得られ
た信号を、各増幅検出回路１３Ａ、１３Ｂ・・・により
増幅検出した後、Ａ／Ｄ変換、パソコン処理することに
より螺旋状圧電素子１０に働く撓み変形出力を、角度区
分（方向）に加えて、長手方向位置毎（必要なら螺旋状
圧電素子１０を釣竿の長手方向の複数個所に設けること
も可能である）に得ることができる。そして、各単位素
子の変形出力の組合せから、コンピュータで被測定物体
の撓み量のみならず撓みの方向も計算することができ
る。このような目的のためには、表面電極層２Ａ、２Ｂ
・・・を螺旋状圧電素子の螺旋軸まわりの、例えば、６
０゜、１２０゜（図示の例）、１８０゜のように等間隔
角度に区分して設けることが好ましい。

【００３２】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、可撓性
に優れたポリマー系圧電素子を、螺旋状に捲回した構成
とすることにより、大きく且つ任意の方向に起こる撓み
変形に対応して、効率的な圧電出力を与えることがで
き、且つ必要ならば撓み変形方向等の付加的情報も含め
て検出し得るように構成された撓みセンサが得られる。
またこの撓みセンサを魚信センサとして備えた釣竿が提
供される。更に、上記撓みセンサは、ロボットの関節装
置、送電線、吊り橋のロープなど、不特定の方向に且つ
大きく変形し得る撓み変形の検出に特に有効に使用し得
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかる螺旋状圧電素子の一
部切欠き斜視図を含む撓みセンサの構成図。

【図２】図１の切欠き面ＩＩ−ＩＩ線に沿って取った帯
状圧電素子の厚さ方向模式断面図。

【図３】図２に対応する絶縁被覆層を有する帯状圧電素
子の厚さ方向模式断面図。

【図４】本発明の一実施例にかかる撓みセンサを備えた
釣竿の正面図。

【図５】本発明の他の実施例にかかる撓みセンサを備え
た釣竿の正面図。

【図６】撓みセンサを構成する増幅検出回路の各種の例
を示す回路図。

【図７】バイモルフ構成の帯状圧電素子を含む撓みセン
サの構成図。

【図８】区分した素子構成を有する帯状圧電素子を含む
撓みセンサの構成図。

【符号の説明】１、１ａ、１ｂ：帯状ポリマー圧電体、２ａ、２ｂ：表面電極層、３：中央電極層、４ａ、４ｂ：接着剤層、５ａ、５ｂ：絶縁被覆層、７：半田、８、８ａ、８ｂ、８ａ１、８ａ２：リード線、１０、１０ａ：螺旋状に巻き回した帯状圧電素子、１１：被覆体、１２ａ、１２ｂ：リード線、１３：増幅検出回路、１４：表示素子、２０、２０ａ：たわみ検出素子部、３０：表示装置、４０：釣竿。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−77676（ＪＰ，Ａ) 実開昭64−1435（ＪＰ，Ｕ) 実開昭53−154888（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−186254（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 7/28 A01K 87/00 640 G01B 7/30 H01L 41/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に電極層を対向して設けた帯状のポ
リマー圧電体をある中心軸の回りに螺旋帯状に捲回し、
前記表面電極層を前記中心軸の延長方向とほぼ平行に配
設した構造を有する圧電素子と、前記延長方向に伸びる
螺旋形状圧電体の曲げ（撓み）変形により生じる圧電素
子の電気信号を検出する検出回路とからなり、前記ポリ
マー圧電体が中央電極層を間に挟んで積層され且つ分極
方向が同一の厚さ方向である一対のポリマー圧電体であ
り、且つ前記螺旋状に捲回した帯状圧電体を、内側支持
体のない状態でエラストマー被覆体中に埋込み全体とし
て中実円筒棒状または中空円筒チューブ状の圧電体とし
たことを特徴とする撓みセンサ。
【請求項２】対向表面の少なくとも一方に設けた電極
層が螺旋帯の延長方向に添って離隔して設けられてお
り、機能的に複数の圧電素子が形成されてなる請求項１
に記載の撓みセンサ。
【請求項３】複数の圧電素子が、螺旋軸を構成する前
記中心軸のまわりの一定角度ごとに離間されて形成され
る請求項２に記載の撓みセンサ。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の撓みセ
ンサを備えた釣竿。
【請求項５】前記螺旋帯状圧電素子を、その中心軸
と、釣竿の中心軸とがほぼ一致するように装着してなる
請求項４に記載の釣竿。
【請求項６】全体に中実棒状とした圧電素子を中空釣
竿内部に収納してなる請求項５に記載の釣竿。
【請求項７】全体に中空チューブ状とした圧電素子を
釣竿外周の一部に装着してなる請求項５に記載の釣竿。