JPH1078359A - 水中力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、構造が簡単で、かつ、正確な計測が
できる水中力センサを得ることにある。 【解決手段】ケーシング11と、このケーシング11外に露
出される負荷部12a を有してケーシング11に収容された
感知電装部12と、負荷部12a とケーシング11との間をシ
ールして設けられてケーシング11内外の境界をなすとと
もにケーシング11の内側に向けて突出する環形の凹状変
形部13a を有する弾性体製の圧力調整膜13と、ケーシン
グ11内に充填された非導電性の液体14と、を具備する。
それにより、圧力調整膜13がケーシング11のシールを兼
ねる。また、圧力調整膜13の凹状変形部13a の可撓変形
によって、外部の圧力変化に応じてケーシング11内外の
圧力差を零にするとともに、外部から加わった圧力等の
感知電装部12への伝達ロスをなくすようにしたことを特
徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば水中構築物
の建造や検査等を行う水中作業用ロボット等に取付けて
使用され、水中でロボット等に加わる力やモーメントを
計測する単軸または多軸の水中力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に使用されている気中用の力セン
サの感知電装部を用いて、水中で使用する力センサを形
成するには、その感知電装部への水の浸入を防止するシ
ール構造を採用する必要がある。しかし、ただ単にＯリ
ングでシールしても正確な検知ができない。

【０００３】すなわち、単にシールをしただけの構成に
おいては、力センサ内に空気が残っているので、水深の
変化などにより力センサ外部の圧力が変化するに伴い、
力センサ内外の圧力差によって、この差圧に感知電装部
の水圧を受ける負荷部の面積を掛け算した力が、力セン
サの軸方向に作用する力として検出されてしまうので、
正確な計測ができないものである。

【０００４】そこで、本発明者は鋭意研究の結果、図４
の原理図に示される構成の水中力センサを最近に至り開
発した。この先行技術に係る水中力センサは、防水性の
あるケーシング１に感知電装部２を、この電装部２が有
する負荷部２ａがケーシング１の外面に露出する状態に
収容するとともに、負荷部２ａとケーシング１との間を
Ｏリング等の摺動シール３でシールするとともに、ケー
シング１の一部に平らな弾性体製の膜４を使った内外圧
力調節機構を設け、かつ、ケーシング１内に導電性がな
い液体５を充填した構成をなしている。

【０００５】この構成の水中力センサの使用において、
外部の圧力（水圧）が変化すると、水中力センサの最も
柔らかい箇所である内外圧力調節機構をなす弾性膜４に
前記圧力の変化が作用することで、この膜４が弾性変形
される。それにより、例えば外部の水圧が増えた場合に
は前記弾性膜４が図４に示すようにケーシング１の内側
に突出するように変形して、ケーシング１内の液体を圧
縮して、ケーシング１の外部と内部との圧力差を零にす
る。このような圧力補償により、外部の圧力を感知電装
部２の負荷部２ａにおいて正確に受けることができるた
め、外部の圧力変化が水中力センサの出力に影響しない
ようにできる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記先行技
術に係る水中力センサに水中で外部から加わった力やモ
ーメントは、ケーシング１内の感知電装部２だけではな
く、摺動シール３を介してケーシング１にも伝達され
る。しかし、前記先行技術に係る水中力センサは、ケー
シング１とその外面に露出する感知電装部２の負荷部２
ａとの間をＯリングを用いた摺動シール３でシールして
いるため、この摺動シール３での抵抗が大きい。そのた
め、外部から加わった力やモーメントの一部は摺動シー
ル３での抵抗に基づく損失となり、前記力やモーメント
のすべてがケーシング１内の感知電装部２に伝わらない
から、水中において加わる力やモーメントを正確に計測
できないという問題がある。

【０００７】また、前記先行技術に係る水中力センサ
は、感知電装部２を水から保護するための防水をなす摺
動シール３を設けている他に、ケーシング１内外の圧力
を均等に保つ内外圧力調節機構をなす弾性膜４をケーシ
ング１に取付けた構成であるため、部品点数が多く、構
造が複雑であるという問題もある。したがって、本発明
が解決しようとする課題は、構造が簡単で、かつ、正確
な計測ができる水中力センサを得ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を達成するため
に、請求項１の発明は、図１の原理図に示すようにケー
シング１１と、このケーシング１１外に露出される負荷
部１２ａを有して前記ケーシング１１に収容された感知
電装部１２と、前記負荷部１２ａと前記ケーシング１１
との間をシールして設けられて前記ケーシング１１内外
の境界をなすとともに前記ケーシング１１の内側に向け
て突出する環形の凹状変形部１３ａを有する弾性体製の
圧力調整膜１３と、前記ケーシング１１内に充填された
非導電性の液体１４と、を具備したものである。

【０００９】この請求項１の発明において、ケーシング
１１とそれに収容された感知電装部１２の負荷部１２ａ
とにわたって設けられた圧力調整膜１３は、ケーシング
１１をシールして、この発明の水中力センサ内部の電装
品を水から保護する。さらに、圧力調整膜１３は、負荷
部１２ａを軸方向に摺動することなく、水中力センサ外
部の圧力に応じて可撓変形しケーシング１１内部に充填
された非導電性液体１４を圧縮または膨脹させて、ケー
シング１１内外の圧力差を零にする。したがって、圧力
調整膜１３は、ケーシング１１に対するシールとケーシ
ング１１内外の圧力差をなくす内外圧力調節機構とを兼
用する。

【００１０】そして、外部の圧力に応じた圧力調整膜１
３の可撓変形は、主として環形の凹状変形部１３ａにお
いてなされるが、この変形部１３ａはケーシング１１内
に突出しているから、その可撓変形において、水中力セ
ンサの軸方向には変形せずに前記センサの周方向に変形
し、その変形に伴い感知電装部１２を引っ張る等余分な
力やモーメントを発生することがない。そのため、負荷
部１２ａに加わった外部の力やモーメントを、ロスされ
ることなく正確に感知電装部１２に伝達できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図２および図３を参照して
本発明の第１の実施の形態を説明する。図２は第１の実
施の形態に係る水中力センサの構成を示す側面図、図３
は第１の実施の形態に係る水中力センサの構成を図２中
矢印Ｚ方向から見て一部を切り欠いて示した矢視図であ
り、これらの図中２１は防水性のあるケーシングであ
る。

【００１２】このケーシング２１は、リング状をなすケ
ーシング主部２１ａと、この主部２１ａの周面から突出
されたケーシング突出部２１ｂとを有している。ケーシ
ング主部２１ａの一端開口縁には、その内側に突出する
内向きフランジ２２が突設され、このフランジ２２には
膜取付け溝２２ａが形成されている。この溝２２ａはケ
ーシング主部２１ａの周方向に沿う環状をなしている。

【００１３】ケーシング２１のケーシング主部２１ａ内
側には、水中において作用する力（水圧）やモーメント
を感知する感知電装部２３が収容されている。電装部２
３は、円板状の固定部２４と、これよりも小径な負荷部
２５と、これら両部２４、２５を中心部において一体に
接続した感知部２６と、この感知部２６を取囲んで前記
両部２４、２５を一体に接続した側壁部２７とを備えて
いる。負荷部２５はその周部に段差部２５ａを有してい
る。感知部２６の内周面には図示しない歪みゲージが貼
り付けられている。このゲージは、負荷部２５が受ける
水中での力やモーメントにしたがう感知部２６の歪みを
検出して、その歪み量に応じた電気量（電圧）に変換し
て出力するようになっている。側壁部２７はその内外を
連通する通孔２７ａを有している。

【００１４】この感知電装部２３は、固定部２４の外周
面がケーシング主部２１ａの内周面に接するようにケー
シング２１に収容されて、複数本のボルト２８によって
ケーシング主部２１ａに固定されている。ケーシング主
部２１ａと固定部２４との間には、これらの間をシール
するためのＯリング等のシール手段２９が設けられてい
る。こうした感知電装部２３の取付けによって、図３に
示されるように固定部２４はケーシング主部２１ａの背
面側開口を液密に塞いでケーシング２１外に露出して配
置され、かつ、負荷部２５は前記内向きフランジ２２の
内側に間隔を置いて設けられるとともにその正面をケー
シング２１外に露出して配置される。

【００１５】前記内向きフランジ２２と段差部２５ａと
は同じ高さ位置にある。内向きフランジ２２には、それ
をケーシング２１の正面側から覆うリング型のケーシン
グ蓋３０が複数本のボルト３１によって固定されてい
る。同様に、段差部２５ａにも、それをケーシング２１
の正面側から覆うリング型の感知部蓋３２が複数本のボ
ルト３３によって固定されている。前記両蓋３０、３２
間にはリング形の隙間Ｇが形成されている。

【００１６】ケーシング２１と負荷部２５との間をシー
ルする圧力調整膜３４がケーシング２１と負荷部２５と
わたって取付けられている。詳しくは、圧力調整膜３４
は、リング状をなし、その一端部の厚肉なベース端部３
４ａ以外の部分は弾性変形が自在な薄肉であるととも
に、中間部に折り曲げられた環形の凹状変形部３４ｂを
有している。この圧力調整膜３４はゴムまたはそれに類
似の弾性体からなるものであって、そのベース端部３４
ａを前記膜取付け溝２２ａに嵌入して内向きフランジ２
２とケーシング蓋３０との間に挟着されるとともに、薄
肉な他端部を段差部２５ａと感知部蓋３２との間に挟着
されて取付けられている。なお、ボルト３３は前記薄肉
な他端部を通って段差部２５ａに螺合されている。この
取付けによって、圧力調整膜３４はケーシング２１の内
外の境界をなして設けられる。

【００１７】凹状変形部３４ｂは、ケーシング２１の内
側に向けて軸方向に突出する、言い換えれば、固定部２
４に向けて突出されている。この変形部３４ｂは、その
断面が略Ｕ字形状ないしは略Ｖ字形状であって、しか
も、その全体にわたり略階段状のびだを有していて可撓
変形がより容易にできるようにしてある。

【００１８】前記ケーシング突出部２１ｂには、感知部
２６へ電力を供給したり、感知部２６で得た電気信号を
外部に導くためのコネクタ３５が取付けられている。こ
のコネクタ３５には単独でシールされるタイプのものが
使用されており、それによってケーシング２１のシール
性を損なわないようにしてある。

【００１９】さらに、ケーシング突出部２１ｂにはケー
シング主部２１ａの内部と外部とを連通するとともに電
線等も通される通路３６が開けられており、この通路３
６のケーシング突出部２１ｂ側端部は通常プラグ３７で
水密的に閉じられている。また、ケーシング２１内には
シリコンオイル等の水よりも比重が重く、かつ、導電性
がない液体３８が充填されている。

【００２０】前記通路３６は液体３８を充填する際に使
用される。そして、この液体３８の充填と充填後におけ
る通路３６へのプラグ３７の施線作業は、液体３８の中
で行われるものであって、それにより、ケーシング２１
内に空気が残ることを防止して、液体３８がケーシング
２１内に充填されるようになっている。

【００２１】前記構成の力センサにおいて、そのケーシ
ング２１とそれに収容された感知電装部２３の固定部２
４との間に挟着されたＯリング等のシール手段２９でシ
ールされているから、この部分からケーシング２１内に
水が浸入することはない。そして、それ自体がシール材
である弾性体からなる圧力調整膜３４の厚肉な一端部
（ベース端部３４ａ）をケーシング２１の内向きフラン
ジ２２とケーシング蓋３０との間に挟み込み固定したの
で、この部分からケーシング２１内に水が浸入すること
はないとともに、圧力調整膜３４の薄肉な他端部を負荷
部２５の段差部２５ａと感知部蓋３２との間に挟み込み
固定したので、この部分からケーシング２１内に水が浸
入することはない。

【００２２】したがって、この力センサの感知電装部２
３における感知部２６は、ケーシング２１、シール手段
２９、および圧力調整膜３４に囲まれてシールされ、感
知部２６への水の浸入が防止されるので、この力センサ
は水中で使用できる。例えば、水中構築物の建造や検査
等を行う水中作業用ロボット等に取付けて使用され、水
中でロボット等に加わる力やモーメントを計測する。

【００２３】この水中力センサの水中での使用において
は、感知電装部２３の固定部２４および負荷部２５が夫
々ケーシング２１の外部に露出しているため、水中でケ
ーシング２１外から加わる力やモーメントは、シール等
の余分な部材を介することなく直接感知電装部２３の感
知部２６に伝達される。それにより感知部２６が歪むに
伴い、その歪み量を感知部２６の内面に貼られた歪みゲ
ージが検出して、前記歪み量に応じた電気量として前記
力やモーメントが計測されるものである。

【００２４】ところで、こうした計測においてケーシン
グ２１内には非導電性の液体３８が充填されているか
ら、水深の変化等により水中力センサ外部の圧力が変化
しても、それがセンサ出力に影響を与えることはない。

【００２５】つまり、センサ外部の圧力（水圧）が変化
すると、水中力センサの最も柔らかい箇所である内外圧
力調節機構をなす弾性体製の圧力調整膜３４に前記圧力
の変化が作用することで、圧力調整膜３４の凹状変形部
３４ｂが主として可撓変形される。それにより、例えば
センサ外部の水圧が増えた場合には、その圧力上昇分に
応じて圧力調整膜３４の凹状変形部３４ｂが膨らむよう
に変形して、ケーシング２１内の液体３８を圧縮するの
で、ケーシング２１の外部と内部との圧力差を零にでき
る。また、この逆に、センサ外部の圧力が減った場合に
は、その圧力低下分に応じて圧力調整膜３４の凹状変形
部３４ｂが萎むように可撓変形して、ケーシング２１内
の液体３８の膨脹を許すので、ケーシング２１の外部と
内部との圧力差を零にできる。

【００２６】このようなセンサ外部の圧力変化に対する
ケーシング２１内部の圧力補償により、外部の圧力のみ
を感知電装部２３の負荷部２５等で正確に受けることが
できるため、外部の圧力変化が水中力センサの出力に影
響しないようにできる。

【００２７】しかも、前記圧力補償をする凹状変形部３
４ｂの動作において余分な力やモーメントを負荷部２５
に与えることを防止できる。つまり、既に述べたように
外部の圧力変化に応じた圧力調整膜３４の可撓変形は、
主として環形の凹状変形部３４ｂにおいてなされるが、
この変形部３４ｂはケーシング２１内に軸方向に突出し
ているから、その可撓変形において、水中力センサの軸
方向には変形せずに前記センサの周方向に変形する。

【００２８】そのため、凹状変形部３４ｂの変形に伴い
感知電装部２３の負荷部２５を引っ張る等余分な力やモ
ーメントを発生することがなく、感知電装部２３の外力
に応じた歪み変形を妨げることがない。

【００２９】以上のようにケーシング２１の内外の圧力
差を零に保持できることと相俟って、そのための圧力調
整膜３４における凹状変形部３４ｂでの可撓変形が負荷
部２５に余分な力やモーメントを与えることを防止でき
る。したがって、水中においてセンサ外部から負荷部２
５に加わった外部の力やモーメントの一部が圧力調整膜
３４を介してケーシング２１に伝達されてロスされるこ
とがなくなるから、センサ外部の圧力変化に拘らず、前
記センサ外部から加わった力やモーメントを正確に感知
電装部２３において計測することができる。

【００３０】また、この水中力センサにおいては、既に
説明したようにケーシング２１と感知電装部２３の負荷
部２５との間にわたって設けられた圧力調整膜３４は、
これらケーシング２１と負荷部２５との間のシールをす
るとともに、ケーシング２１内外の圧力差をなくす内外
圧力調節機構とを兼用している。したがって、シールと
内外圧力調節機構とを別々に設けた従来の構成に比較し
て、部品点数が削減され、構造を簡単にできる。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。請求項
１の発明によれば、ケーシングとこのケーシング外に露
出する感知電装部の負荷部との間をシールする圧力調整
膜によって、ケーシングに対するシールとケーシング内
外の圧力差をなくす内外圧力調節機構とを兼用する構成
であるから、部品点数が削減され、構造を簡単にでき
る。その上、負荷部に加わった外部の力やモーメントが
ロスされることなく感知電装部に伝達される構成である
から、正確な計測をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る水中力センサ
の構成を示す原理図。

【図２】第１の実施の形態に係る水中力センサの構成を
示す側面図。

【図３】第１の実施の形態に係る水中力センサの構成を
図２中矢印Ｚ方向から見て一部を切り欠いて示した矢視
図。

【図４】本発明の先行技術に係る水中力センサの構成を
示す原理図。

【符号の説明】

１１、２１…ケーシング、 １２、２３…感知電装部、 １２ａ、２５…負荷部、 １３、３４…圧力調整膜、 １３ａ、３４ｂ…凹状変形部、 １４、３８…液体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシングと、 このケーシング外に露出される負荷部を有して前記ケー
   シングに収容された感知電装部と、 前記負荷部と前記ケーシングとの間をシールして設けら
   れて前記ケーシング内外の境界をなすとともに前記ケー
   シングの内側に向けて突出する環形の凹状変形部を有す
   る弾性体製の圧力調整膜と、 前記ケーシング内に充填された非導電性の液体と、 を具備した水中力センサ。