JP2010525337A - 固体構造物等の構造部材における変形監視センサ装置 - Google Patents

Abstract

センサ装置は、構造部材の変形に関する信号を送信するために、監視システムと接続されるセンサ部を備える。接着剤により、センサ部を構造部材の面に接着する。テープは、センサ部がテープと構造部材の面の間に位置する状態で、監視すべき構造部材の面へ付着するのに適合する少なくとも一つの接着面を有する。センサ装置は監視システムと組み合わせて用いられる。

Description

本発明は、全般的には、変形を監視するために構造部材に用いられるセンサに関するものであり、特に、例えば撓み、荷重、圧力や傾斜から生じる変形を対象とするが、それに限定するものではない。
なお、本願は、２００７年５月２日に出願された米国仮特許出願第６０／９１５，４８８号に優先権を主張するものである。

あらゆるタイプのセンサが、複数の内的要因（例：材料品質、土台）及び外的要因（例：風、温度変化、地震、地滑り、氷雪堆積、荷重、圧力）から生じる変形や傾斜といったパラメーターを測定する目的で構造物に取り付けられている。

例えば、倉庫内で荷役運搬をするために、フォークリフト車がしばしば使用される。フォークリフトは荷物運搬用のフォークを有する。フォークは垂直伸長性のマストに取り付けられている。このようなフォークリフト車には、マストを伸ばした状態で荷物を支持する際に不安定になるという問題がある。もう一つ問題となるのは、荷物の重心がフォークの中心にない（例：荷物がフォークの先端よりにある）場合である。すなわち、比較的重量のある荷物が持ち上げられていると、フォークリフトの重心位置の変更に影響を与え、その結果、フォークリフトと荷物が転倒する危険性を増加させてしまう。

センサは、深刻な被害を引き起こすような異常なパラメーターの変化を監視することにより、構造物の居住者や利用者の安全を確保するために提供される。このような監視をすることで、監視した構造物の機能停止を防ぐためには、いつ是正措置を取る必要があるかを示すことができる。

従来型センサの問題点の一つは、そのようなセンサを取り付けるのに無視できない仕事量を必要とすることである。多くの場合、センサ取り付けに必須のアクセス問題がある。例えば、センサを遠隔に配置することが要求され、それによって取り付けステップが容易に行われるのが望ましい。

本発明の目的は、表面の変形レベルを監視する新たなセンサ装置を提供することである。

上記した目的を達成するために、本発明では、監視システムとの接続に適合し、構造部材の変形に関する信号を送信するためのセンサ部と、センサ部を構造部材の面に接着するのに適合する接着剤と、センサ部がテープと構造部材の面の間に位置する状態で、監視すべき構造部材の面へ付着するのに適合する少なくとも一つの接着面を有するテープとを備えるセンサ装置が提供される。

さらに本発明では、テープは二つの接着面を有し、第１面は構造部材の面に接着するのに適合し、第２面はセンサ部の関連部を接着的に支持するのに適合する。
さらに本発明によると、監視システムとインターフェースするために、センサ部関連部を支持する目的で、構造部は第２接着面に付着される。
さらに本発明によると、監視システムとインターフェースするために、センサ部関連部を支持する目的で、構造部はテープに接着される。
さらに本発明によると、監視システムとインターフェースするために、構造部はセンサ部関連部を収容するケーシングである。
さらに本発明によると、センサ装置を構造部材の丸みを帯びた面に取り付けるのに適合するように、ケーシングは曲線的形状を有する。
さらに本発明によると、ケーシングは、監視システムからの電話プラグを受容するのに適合するように、センサ部につながる標準的壁面取り付け型電話ジャックを有し、またテープは、２つの接着面を有しており、第１接着面は構造部材の面に付着するのに適合し、第２接着面は標準的壁面取り付け型電話ジャックを接着的に支持するのに適合する。
さらに本発明によると、センサ部は少なくとも一つの箔歪み（foil strain）ゲージである。
さらに本発明によると、４つの箔歪みゲージは、ホイートストン(wheatstone)・ブリッジに配列されている。
さらに本発明によると、バックシートは、取り付け前の接着面及びセンサ部を保護するために、少なくとも一つの接着面の露出面に一時的に接合される。
さらに本発明によると、インターフェース部が構造部に接しており、インターフェース部は、監視システムとインターフェースするためにセンサ部に接続される。
さらに本発明によると、構造部のレジスタ部とセンサ部のリードワイヤのためのテープに、これらを貫通する開口がもうけられている。
さらに本発明によると、構造部は、接着剤を小出しする内蔵式容器を有する。
さらに本発明によると、構造部は、構造部材の表面の汚れを取り除くための研削面を有する。
さらに本発明によると、構造部は、構造部材の表面及びセンサ部の汚れを取り除くための濡れた布を備える。

本発明の別の実施形態によると、構造部材の表面に接着するのに適合するセンサ部と、センサ部がテープと構造部材の表面との間に位置する状態で、監視すべき構造部材の表面へ付着するのに適合する少なくとも一つの接着面を有するテープとを有する、少なくとも一つのセンサ装置と、構造部材の変形に関連する信号を受信するセンサ装置と接続される監視システムであって、変形に関連する値を生成する信号解析機と、該値についてのユーザー出力を生成するインターフェースとを備える監視システムとを備えることを特徴とするセンサ装置と監視システムとの組み合わせが提供される。

さらに本発明によると、インターフェースは変形に関連するユーザー出力として数値を表示する表示ユニットである。
さらに本発明によると、インターフェースは、上記値が所定の限界値を超えたことを知らせるアラームである。
さらに本発明によると、センサ装置は送信機をさらに備え、また監視システムはセンサ装置と送信機間との無線接続用の受信機を備える。
さらに本発明によると、センサ装置及び送信機は、充電式電源を有する。
さらに本発明によると、２つのセンサ装置が１つの監視システムに対する。
さらに本発明によると、リミット・スイッチが監視システムに接続され、リミット・スイッチがトリガされることにより、信号解析機が限界値と変形に関連する値との比較が行われる。

本発明の一実施形態に係るセンサ装置が一部バックシートをはがされた状態の透視図である。 図１のセンサ装置が平面を有する構造部材に取り付けられた状態の側面図である。 図１のセンサ装置が多孔性材の構造部材に取り付けられた状態の側面図である。 別の実施形態に係る、構造部がケーシングである場合のセンサ装置の断面図である。 別の実施形態に係る、センサ装置が円筒形構造部材に取り付けられた状態の透視図である。 別の実施形態に係る、構造部が標準的壁面取り付け型電話ジャックであるセンサ装置の透視図である。 別の実施形態に係る、構造部がケーブル用のプラスチック保持器であるセンサ装置の上面図である。 図７のセンサ装置がケーブルで接続されていない状態の透視図である。 図１のセンサ装置を用いてセンサ監視システムを使用する場合のブロック図である。 図９に記載のセンサ監視システムが、複数のセンサ装置を用いて使用される場合のブロック図である。

図１には、一実施形態に記載のセンサ装置は１０で概略が示されている。センサ装置１０はセンサ部１２、構造部１４、固定部１６、及びインターフェース部１８を有する。
センサ部１２は、支えている荷重や圧力あるいは変形レベルに関して、固体構造物といった構造部材や機械の部品を監視する目的で提供される。

構造部１４は、センサ部１２が荷重、圧力、変形などの監視作業を行う間、センサ部１２及びその他のアクセサリを支持する目的で提供される。
固定部１６は、センサ装置１０を監視すべき表面に固定する目的で用いられる。固定部１６はまた、センサ部１２と構造部１４を相互に接続する。
インターフェース部１８は、センサ装置１０と、センサ部を作動させ、かつ監視される構造部材の変形レベルを算出するための信号をセンサ部から受信する制御システム、監視システム等を接続するインターフェースである。

図１及び図２を同時に参照すると、センサ部１２は４つの歪みゲージ又は同様な機能の半導体として示されており、異なる方向に沿ったで荷重、圧力、変形を探知するように方向付けられる。一実施形態では、歪みゲージは導体側と絶縁体側の両方を有する箔歪みゲージであり、ホイートストン・ブリッジ構成で配置される。歪みゲージの絶縁体側は構造部１４に面していない状態で、露出している。

歪みゲージのリードワイヤ２０は、図２で示されるようにインターフェース部１８に接続され、それによって歪みゲージはセンサ監視システムに接続される。歪みゲージは、リードワイヤ２０が固定部１６に対して伸び出ている側面で固定部１６と固定される。

図１及び図２の実施形態において、構造部１４は全般的に平らな面２２を有する剛性板である。固定部１６は両面テープのような接着テープであり、剛性板の平面２２に付着する第１面を有する。図１に示されるように、両面テープの第２平面２４は平面２２と離れた向きにあり、またセンサ装置１０を監視すべき構造部材の表面に固定するまで、粘着性を保護するためにバックシート２６で覆われている。

歪みゲージはテープの第２平面２４に接着的に貼付され、テープの接着剤により歪みゲージがテープ上の所望の位置及び姿勢に確実に保持される。歪みゲージのリードワイヤ２０を支持する面はテープの第２平面２４に対しているので、構造部１４と同様に、テープにおいても絶縁特性を有するものを選択するのが望ましい。

図２に示されるように、あらかじめバックシート２６を剥がしておいた固定部１６（すなわち、両面テープ）の第２平面２４を表面Ａに付着させることによって、センサ装置１０は監視すべき構造部材の表面Ａに固定される。したがって、センサ装置１０が表面Ａに固定されている時は、歪みゲージであるセンサ部１２は表面Ａと同一平面上にあり、その導体面つまりリードワイヤ２０を支持する面は表面Ａと離れた向きにある。固定部１６の第２平面２４の一部は、歪みゲージ１２を支持しながら、表面Ａにセンサ装置１０を固定するために表面Ａと協働する。

センサ装置１０及びその他のすべての実施装置の取り付けは、最初に歪みゲージ１２の露出面に接着剤をつけ、次いで第２平面２４を介して監視すべき構造部材の所定の面にセンサ装置１０を貼付することによって、容易に行われる。歪みゲージ１２の露出面につけられた接着剤によって、歪みゲージ１２は監視すべき固体構造物や構造部材と接着する。この固定により、歪みゲージ１２は、圧力、荷重、変形の結果として構造部材や構造物に生じている歪みを検知できる。歪みゲージは、インターフェース部１８を介してアクティブ化されかつ監視され、表面Ａの変形が信号としてセンサ監視システムに伝えられる。

センサ装置１０は、多孔質材の変形の監視に使用が可能である。図３を参照すると、液状接着剤が多孔質材の孔を満たして硬化し、センサ部１２を多孔質材の表面Ｂに接着した状態で、センサ装置１０が多孔質材の表面Ｂで用いられていることが示されている。したがって、センサ装置１０はアスファルトやコンクリートといった物質の変形監視にも使用可能である。

図４を参照すると、別の実施形態によるセンサ装置１０Ａが示されている。図４のセンサ装置１０Ａにおいて、構造部はケーシング３０である。ケーシング３０は歪みゲージ１２のリードワイヤとケーブル１８の間のインターフェースを収容する。

より具体的には、センサ装置１０Ａは、両面接着テープ１６の第２平面２４に広げられた歪みゲージ１２を有する。複数の開口３２が、テープ１６とケーシング３０の剛壁１４Ａとを貫いている。各歪みゲージのリードワイヤは、それぞれの開口３２を通ってインターフェース回路３４（あるいは同様なコネクタ）に到達し、ケーブル１８（すなわち、インターフェース部）からの関連するワイヤに接続される。コネクタ３６は、ケーブル１８とケーシング３０へのケーブル１８の接続部に配置され、ケーブル１８をケーシング３０に固定する。一実施形態では、コネクタ３６は、ケーブル１８に圧力を加えるために、内側に向けてねじられる。

図６に示された実施形態は、ケーシング３０の実施形態と同様ではあるが、標準的電話ジャック３０Ｂ（例：ＲＪ１１、ＲＪ１４、ＲＪ２５等）を用いて、インターフェース部がメス型プラグ４０に接続される形態である。図６のセンサ装置１０Ｂの接続には、単にオス型プラグ（不図示）をメス型プラグ４０に差し込むだけなので、必然的に取り付け時間は最小限となる。

センサ装置は、必ずしも平面を有するわけではない構造部材での使用にも適用可能である。図５を参照すると、別の実施形態において、センサ装置が全般的に円筒形状を有する構造部材における変形を監視するために用いられる様子が１０Ｃで示される。センサ装置１０Ｃは、円筒形の構造部材の表面Ｃの形状に実質的に合致するアーチ形構造部材１４Ｃを有する。両面テープ１６及び歪みゲージ（１２で一つ例示されている）は弾力性物質で構成されており、それによって両者とも表面Ｃの形状に合致する。

図７を参照すると、構造部が標準的な壁面取り付け型平形プラスチック保持器５０であるセンサ装置が示される。タイラップ(tie wrap)５２は、ケーブル１８の自由端をセンサ装置１０Ｄに固定するのに用いられる。図８は、ケーブル１８がない状態の壁面取り付け型平形プラスチック保持器５０を示していり、テープ形状の固定部１６が用いられている。

センサ装置１０、１０Ａ〜１０Ｄの実施形態において例示されていないその他特徴も提供される。例えば、センサ装置１０は、センサ部１２を監視対象の表面Ａに接着するのに用いられる液状接着剤を小出しする内蔵式容器を有することもできる。さらに、構造部１４は、センサ装置１０との接続面のよごれを取り除くために、サンドペーパーや研削面のようなものを備えることも可能である。最後に代替案として、同様にセンサ装置１０との接続面の汚れを取り除き、又センサ部１２の汚れを取り除くために、センサ装置１０が濡れた布を備えることもできる。
また、センサ装置１０は、任意に包括可能なリレーやライトを作動させ、信号や警報を生成するために使用可能である。

図９を参照すると、センサ装置１０（もしくは代替として、センサ１０Ａ〜１０Ｄのいずれか）がセンサ監視システム１００で使用される状態が示される。センサ監視システム１００は、該センサ監視システム１００及びその構成要素である信号解析機１０４、データベース１０６、ディスプレイ・ユニット１０８、及び／又はアラーム１１０を操作する、コントローラ・ユニット１０２（例：プロセッサ）を有する。

一実施形態において、センサ監視システム１００は、センサ装置１０に有線接続される。システム１００は、センサ装置１０を始動させて、センサ部１２（図１）で検知された変形に応じた信号を、センサ部１２（図１）から受信する。
システム１００は、変形に関連する値を提供するために信号を解析する信号解析機１０４を有する。信号解析機１０４は、電気信号（例：電圧）を数値に変換するよう構成され、その数値の大きさが電気信号の強度の関数となる。

データベース１０６はコントローラ・ユニット１０２内に備えられ、信号解析機１０４で算出された値と組み合わせて使用される情報を蓄積する。例えば、データベース１０６は、電気信号強度と信号解析機１０４で算出された数値を関連付ける較正データを蓄積するために使用できる。他の実施例をあげると、データベース１０６は、センサ装置１０が感知する変形に関する限界データ、例えば最大許容変形のようなデータを蓄積することもできる。

ディスプレイ・ユニット１０８は、変形感知に関する値及びその他関連データを表示する。ディスプレイ・ユニット１０８で表示される情報は、数値、GO/NO-GO表示、限界値などの形態である。変形測定値が限界値を越えた場合に可聴あるいは可視の警告信号（例：警告ライト）を生成するように、アラーム１１０を備えることもできる。
このように、センサ監視システム１００は、いずれの実施形態においてもセンサ装置１０（１０、１０Ａ〜１０Ｄ）とともに用いられてアラームとしての機能を果たし、リレーを作動させ、デジタル表示を提供し、警告信号を発することができる。

別の実施形態によると、センサ装置１０が送信機１１２Ａに接続されているのに対して、センサ監視システム１００は送信機１１２Ａからの信号を受信する受信機１１２Ｂを有する。無線技術を用いることで、センサ装置１０は、センサ監視システム１００から遠隔又はかさばるワイヤを有しない機構での配置が可能である。例えば、無線技術を用いたセンサ監視システム１００は、Massload（登録商標）テクノロジーによって「無線センサ及びスケール・インターフェース」製品で提供される。複数のセンサ装置１０が共同使用の送信機１１２Ａを共有することもできる。センサ装置１０は、バッテリー（例：太陽エネルギー使用の充電式）のような独立したエネルギー源を備えることも可能である。

図１０を参照すると、複数のセンサ装置１０（あるいは１０Ａ〜１０Ｄ）が一つのセンサ監視システム１００で使用可能であることが示される。さらに、図１０にはリミット・スイッチ１２０が示される。該リミット・スイッチ１２０は、後述するように限界値の修正に用いられる。

センサ装置は使用状況によっては、構造部材の面に取り付けた後に完全にセンサ装置の露出部分を取り囲むケーシングを備える必要がある場合もある。そうすることで、センサ装置は湿気、埃や水から隔絶することが可能である。

センサ装置１０、１０Ａ〜１０Ｄは、任意の固体構造物の圧力、変形、応力、過負荷、疲労レベル及び強度を監視するよう構成される。構造部材あるいは固体構造物は、地面においた状態でも又は別の方法で支持した状態でもよく、また、いかなる固体材料のものでもよい。任意の適宜のトランスデューサー構成を、歪みゲージ／センサ部１２によって検出された変形の解析に用いることが可能である。

センサ装置１０、１０Ａ〜１０Ｄは、単独であるいは複数の構造物で同時に使用可能である。限定ではないが詳細すると、橋、トンネル、ダム、地震探知システム、地滑り探知システム、サイロ、タンク、貯水池、屋根、線路、地下鉄、土台、床、壁、原子力発電所、工業煙突、高層のビルやタワー、工業用サイン、クレーン、高所にあるケーブルカート用の柱、電線、遊園地においても、本発明のセンサ装置は使用可能である。

一実施形態によれば、センサ装置１０は、センサ監視システム１００と組み合わせてフォークリフトで使用される。より具体的には、荷物の持ち上げ／支持に関わるフォークの変形を感知するために、センサ装置１０はフォークの各側面に備えられる。センサ装置１０は、フォークをマストに結合する垂直アームに備えることが好ましいが、適切な位置であればどこであってもよい（例えばフォークの側面）。センサを垂直アームに、あるいは荷物と垂直アームの間に設置することにより、フォークに与える荷物のてこ効果がセンサ装置１０で感知される。このように位置調整をすることで、センサ監視システム１００で算出される測定値の精度が向上する。

マストが荷物を支持する位置が高いほど、フォークリフト車が転倒する危険性が高くなる。しかしながら、センサ装置１０がフォークリフトに備えていても、測定値は荷物の揚高とは無関係である。したがって、荷物の揚高に応じて限界値を調節するには、図１０に示される構成が適しており、例えばフォークリフトのマスト揚高が限界高度を超えることによってリミット・スイッチ１２０を作動させることで、限界値を調整することができる。このような構成において、リミット・スイッチ１２０は、センサ監視システム１００に変形限界値を下げることを示す場合もある。

フォークリフトにおいては無線技術を用いることが好ましい。さもなければ、ワイヤを上手に扱ってマストに沿って伸ばすためには滑車のような装置が必要となるであろう。

Claims (24)

1. センサ装置であって、
   監視システムに接続され、構造部材の変形に関連する信号を送信するセンサ部と、
   センサ部を構造部材の表面に接着する接着剤と、
   センサ部がテープと構造部材の表面の間に位置する状態で、監視すべき構造部材の表面に付着する第１接着面と、センサ部に関連する部材を接着して支持する第２接着面とを有する両面テープと
   を備えることを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、センサ部が、テープと対する導体面を有することを特徴とするセンサ装置。
3. 請求項１に記載のセンサ装置において、構造部は、接着面の第２表面に接着されて、監視システムとインターフェースするための、センサ部に関連する部材を支持するよう構成されていることを特徴とするセンサ装置。
4. 請求項１に記載のセンサ装置において、構造部は、テープに接着されて、監視システムとインターフェースするための、センサ部に関連する部材を支持するよう構成されていることを特徴とするセンサ装置。
5. 請求項４に記載のセンサ装置において、構造部は、監視システムとインターフェースするためセンサ部に関連する部材を収容するケーシングであることを特徴とするセンサ装置。
6. 請求項５に記載のセンサ装置において、ケーシングが曲線形状を有し、センサ装置を構造部材の丸みを帯びた面に取り付可能に構成されていることを特徴とするセンサ装置。
7. 請求項５に記載のセンサ装置において、ケーシングは、監視システムからの電話プラグを受容するための、センサ部に接続される標準的壁面取り付け型電話ジャックを有し、テープが、２つの接着面を有し、接着面の第１面は構造部材の表面に接着し、接着面の第２面は標準的壁面取り付け型電話ジャックを接着して支持するよう構成されていることを特徴とするセンサ装置。
8. 請求項１に記載のセンサ装置において、センサ部が少なくとも一つの箔歪みゲージであることを特徴とするセンサ装置。
9. 請求項８に記載のセンサ装置において、該装置は、ホイートストン・ブリッジに配列されている４つの箔歪みゲージを備えることを特徴とするセンサ装置。
10. 請求項１に記載のセンサ装置において、該装置はさらに、取り付け前の状態の接着面及びセンサ部を保護するための、少なくとも一つの接着面の露出面に一時的に接合する裏紙を備えることを特徴とするセンサ装置。
11. 請求項４に記載のセンサ装置において、該装置はさらに、構造部上にインターフェース部を備え、該インターフェース部は、監視システムとインターフェースするためにセンサ部に接続されることを特徴とするセンサ装置。
12. 請求項４に記載のセンサ装置において、該装置はさらに、センサ部のリード・ワイヤを通過させるための、構造部及びテープにおけるレジスタに複数の開口を備えることを特徴とするセンサ装置。
13. 請求項４に記載のセンサ装置において、構造部は、接着剤を小出しする内蔵式の容器を支持することを特徴とするセンサ装置。
14. 請求項４に記載のセンサ装置において、構造部は、構造部材の表面の汚れを取り除くための研削面を支持することを特徴とするセンサ装置。
15. 請求項４に記載のセンサ装置において、構造部は、構造部材の表面及びセンサ部の汚れを取り除くための濡れた布を備える容器を有することを特徴とするセンサ装置。
16. センサ装置と監視システムとの組み合わせシステムであって、
    少なくとも１つのセンサ装置であって、構造部材の表面に接着するのに適合するセンサ部と、監視すべき構造部材の表面へ付着する少なくとも一つの接着面を有するテープであって、センサ部がテープと構造部材の表面の間に位置する、テープと、監視システムとインターフェースするためのセンサ部に関連する部材を支持するために、テープの他面に接続される構造部とを有するセンサ装置と、
    構造部材の変形に関連する信号を受信する、センサ装置と接続される監視システムであって、変形に関連する値を生成する信号解析機と、該値についてのユーザー出力を生成するインターフェースとを備える監視システムと
    を備えることを特徴とする組み合わせシステム。
17. 請求項１６に記載の組み合わせシステムにおいて、インターフェースが、変形に関連する値をユーザー出力として数値を表示する表示ユニットであることを特徴とする組み合わせシステム。
18. 請求項１６に記載の組み合わせシステムにおいて、インターフェースは、値が所定の限界値を超えたことを知らせるアラームであることを特徴とする組み合わせシステム。
19. 請求項１６に記載の組み合わせシステムにおいて、センサ装置が送信機をさらに備え、監視システムが、センサ装置と送信機の間の無線接続用の受信機を備えることを特徴とする組み合わせシステム。
20. 請求項１９に記載の組み合わせシステムにおいて、センサ装置及び送信機が充電式電源を有することを特徴とする組み合わせシステム。
21. 請求項１６に記載の組み合わせシステムにおいて、該システムはさらに、１つの監視システムに対して２つのセンサ装置を備えることを特徴とする組み合わせシステム。
22. 請求項１６に記載の組み合わせシステムにおいて、該システムはさらに、監視システムに接続されたリミット・スイッチを備え、該リミット・スイッチは、信号解析機が限界値と変形に関連する値との比較をするときに、限界値を有効にするよう構成されていることを特徴とする組み合わせシステム。
23. 請求項１６に記載の組み合わせシステムにおいて、少なくとも１つのセンサ装置が少なくとも１つの歪みゲージであり、該歪みゲージのリード・ワイヤが突き出ている面がテープの接着面に対することを特徴とする組み合わせシステム。
24. 請求項２３に記載の組み合わせシステムにおいて、該システムはさらに、歪みゲージのリード・ワイヤを通過させるための、構造部及びテープにおけるレジスタ開口部を備えることを特徴とする組み合わせシステム。

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