JP2000162054A - 荷重分布センサ - Google Patents
荷重分布センサInfo
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- JP2000162054A JP2000162054A JP10341541A JP34154198A JP2000162054A JP 2000162054 A JP2000162054 A JP 2000162054A JP 10341541 A JP10341541 A JP 10341541A JP 34154198 A JP34154198 A JP 34154198A JP 2000162054 A JP2000162054 A JP 2000162054A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 剛性が大きく熱的にも強い三次元荷重分布セ
ンサを提供する。 【解決手段】 高剛性金属製四角柱１４の４側面の内の
２側面には図５（ａ）のように垂直荷重検出用歪みゲー
ジ１５を、残りの２側面には図５（ｂ）のように水平荷
重検出用歪みゲージ１６，１７をそれぞれ貼付して単位
素子として、これをマトリックス状に複数個配置し、例
えば形状記憶合金製格子枠により単位素子群をバラバラ
にはずれないように保持する。高剛性金属製の四角柱を
用い歪みゲージの取り付け方に工夫をこらすことで、掲
記課題の解決を図る。
ンサを提供する。 【解決手段】 高剛性金属製四角柱１４の４側面の内の
２側面には図５（ａ）のように垂直荷重検出用歪みゲー
ジ１５を、残りの２側面には図５（ｂ）のように水平荷
重検出用歪みゲージ１６，１７をそれぞれ貼付して単位
素子として、これをマトリックス状に複数個配置し、例
えば形状記憶合金製格子枠により単位素子群をバラバラ
にはずれないように保持する。高剛性金属製の四角柱を
用い歪みゲージの取り付け方に工夫をこらすことで、掲
記課題の解決を図る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、金属やセラミッ
クスのような剛性の高い物体同士を接触，加圧した場合
の接触面での三次元荷重分布を、同程度に剛性の高いセ
ンサで測定する荷重分布センサに関する。
クスのような剛性の高い物体同士を接触，加圧した場合
の接触面での三次元荷重分布を、同程度に剛性の高いセ
ンサで測定する荷重分布センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】図７に荷重分布センサの代表的な従来例
を示す。同図（ａ）は全体構造を示す斜視図、同（ｂ）
はその断面図、同（ｃ）は動作状態図を示す。すなわ
ち、同図（ａ）に示すように、フィルム１は基本的には
ポリエステルやナイロン，エポキシ，ゴムなどの比較的
軟質の電気絶縁体で構成されている。このフィルム１の
上表面には、上電極２が複数本互いに絶縁されて埋め込
まれており、Ｘ方向に揃って配列されている。同様に、
フィルム１の下表面には、上電極２とは直角のＹ方向に
配列された下電極３が、埋め込まれて構成されている。
を示す。同図（ａ）は全体構造を示す斜視図、同（ｂ）
はその断面図、同（ｃ）は動作状態図を示す。すなわ
ち、同図（ａ）に示すように、フィルム１は基本的には
ポリエステルやナイロン，エポキシ，ゴムなどの比較的
軟質の電気絶縁体で構成されている。このフィルム１の
上表面には、上電極２が複数本互いに絶縁されて埋め込
まれており、Ｘ方向に揃って配列されている。同様に、
フィルム１の下表面には、上電極２とは直角のＹ方向に
配列された下電極３が、埋め込まれて構成されている。
【０００３】フィルム１の内部には、導電性粒子４が図
７（ｂ）の如く上電極Ｘ1 ，Ｘ2 ，…Ｘn と下電極
Ｙ1 ，Ｙ2 ，…Ｙn （図７（ｂ）ではＹn のみ表示）に
対応して埋め込まれている。従って、フィルム１に荷重
が作用しない場合は、上電極Ｘi，Ｘj 間の導電性粒子
４の電気抵抗は高い値を示す。これに対し、フィルム１
に図７（ｃ）のような荷重体５による荷重が加わると、
フィルム１の変形によって導電性粒子群が圧縮されて粒
子間の接触面積が増えるため、上電極Ｘi ，Ｘj 間の電
気抵抗値は下がることになる。このような抵抗値変化か
ら、荷重の大きさとその分布を検出する、というのが従
来例の概要である。
７（ｂ）の如く上電極Ｘ1 ，Ｘ2 ，…Ｘn と下電極
Ｙ1 ，Ｙ2 ，…Ｙn （図７（ｂ）ではＹn のみ表示）に
対応して埋め込まれている。従って、フィルム１に荷重
が作用しない場合は、上電極Ｘi，Ｘj 間の導電性粒子
４の電気抵抗は高い値を示す。これに対し、フィルム１
に図７（ｃ）のような荷重体５による荷重が加わると、
フィルム１の変形によって導電性粒子群が圧縮されて粒
子間の接触面積が増えるため、上電極Ｘi ，Ｘj 間の電
気抵抗値は下がることになる。このような抵抗値変化か
ら、荷重の大きさとその分布を検出する、というのが従
来例の概要である。
【０００４】例えば、図７（ｃ）において、荷重体５に
よる変形量を小さく抑えたい場合、従来例のような軟質
なフィルムでは変形量が大きすぎて不向きである。ま
た、従来例は荷重検出方向が垂直方向のみで、摩擦力な
どの水平方向の荷重を検出することは困難である。つま
り、荷重分布を三次元的に検出することが必要になる
が、その理由について図６を参照して説明する。
よる変形量を小さく抑えたい場合、従来例のような軟質
なフィルムでは変形量が大きすぎて不向きである。ま
た、従来例は荷重検出方向が垂直方向のみで、摩擦力な
どの水平方向の荷重を検出することは困難である。つま
り、荷重分布を三次元的に検出することが必要になる
が、その理由について図６を参照して説明する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図６（ａ）に示すよう
に、剛性の高いセラミックス体６と剛性の高い金属体７
を接触させ、これを上押板８と下押板９との間に挟み、
ボルト１０で締めつけたとする。いま、この状態で熱が
下押板９側から金属体７を経て、セラミックス体６へ伝
わったとする。その結果、熱膨張が生じてセラミックス
体６と金属体７の接触面で、垂直方向の荷重だけでなく
水平方向の荷重が矢印のように発生することになる。こ
れら３方向の荷重を測るため、図６（ｂ）のように、セ
ラミックス体６と金属体７との間に例えばフィルム状荷
重センサ１１を挟むと、フィルムが軟質で熱的にも弱い
ため、フィルム自身の変形量が大きく、荷重を正確に測
ることができない。
に、剛性の高いセラミックス体６と剛性の高い金属体７
を接触させ、これを上押板８と下押板９との間に挟み、
ボルト１０で締めつけたとする。いま、この状態で熱が
下押板９側から金属体７を経て、セラミックス体６へ伝
わったとする。その結果、熱膨張が生じてセラミックス
体６と金属体７の接触面で、垂直方向の荷重だけでなく
水平方向の荷重が矢印のように発生することになる。こ
れら３方向の荷重を測るため、図６（ｂ）のように、セ
ラミックス体６と金属体７との間に例えばフィルム状荷
重センサ１１を挟むと、フィルムが軟質で熱的にも弱い
ため、フィルム自身の変形量が大きく、荷重を正確に測
ることができない。
【０００６】すなわち、上記のような場合には、荷重セ
ンサ自身が剛体で変形量が小さく、かつ熱的な影響を受
け難いことと同時に、３方向の荷重を測定する機能を有
していなければならないが、従来のものではこの課題に
対処できないということになる。したがって、この発明
の課題は、剛性を高くして変形量を小さく抑え、熱的に
も強くて３方向の荷重も測定可能とすることにある。
ンサ自身が剛体で変形量が小さく、かつ熱的な影響を受
け難いことと同時に、３方向の荷重を測定する機能を有
していなければならないが、従来のものではこの課題に
対処できないということになる。したがって、この発明
の課題は、剛性を高くして変形量を小さく抑え、熱的に
も強くて３方向の荷重も測定可能とすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、請求項１の発明では、高剛性金属製四角柱の４側
面の内の２側面には垂直荷重検出用歪みゲージを、残り
の２側面には水平荷重検出用歪みゲージをそれぞれ貼付
したものを単位素子として、これを複数個マトリックス
状に配置し、形状記憶合金製格子枠を用いて前記単位素
子群を保持するようにしている。上記請求項１の発明に
おいては、前記形状記憶合金製格子枠は、低温で拡大伸
長した状態にしてはめ込み、加熱して元の状態に復原す
ることにより、前記単位素子群の保持を行なうことがで
きる（請求項２の発明）。また、上記請求項１または２
の発明においては、前記垂直荷重検出用歪みゲージは１
側面には垂直方向に、他の１側面には水平方向にそれぞ
れ貼付し、水平荷重検出用歪みゲージは各側面に２つを
互いに斜めに交差させてそれぞれ貼付することができる
（請求項３の発明）。
べく、請求項１の発明では、高剛性金属製四角柱の４側
面の内の２側面には垂直荷重検出用歪みゲージを、残り
の２側面には水平荷重検出用歪みゲージをそれぞれ貼付
したものを単位素子として、これを複数個マトリックス
状に配置し、形状記憶合金製格子枠を用いて前記単位素
子群を保持するようにしている。上記請求項１の発明に
おいては、前記形状記憶合金製格子枠は、低温で拡大伸
長した状態にしてはめ込み、加熱して元の状態に復原す
ることにより、前記単位素子群の保持を行なうことがで
きる（請求項２の発明）。また、上記請求項１または２
の発明においては、前記垂直荷重検出用歪みゲージは１
側面には垂直方向に、他の１側面には水平方向にそれぞ
れ貼付し、水平荷重検出用歪みゲージは各側面に２つを
互いに斜めに交差させてそれぞれ貼付することができる
（請求項３の発明）。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を示
す構成図、図２は組立工程説明図、図３は格子枠組立工
程説明図、図４はセンサ回路例を示す構成図、図５はこ
の発明で用いられるセンサ単位素子の説明図で、以下、
これらの図を参照して説明する。すなわち、この発明で
用いられるセンサ単位素子（以下、単位素子または素子
ともいう）は図５（ａ）に示すように、基底部１３に高
剛性の金属製四角柱からなる受圧柱１４を接合し、その
上に荷重を受ける受圧部１２を接合して構成される。
す構成図、図２は組立工程説明図、図３は格子枠組立工
程説明図、図４はセンサ回路例を示す構成図、図５はこ
の発明で用いられるセンサ単位素子の説明図で、以下、
これらの図を参照して説明する。すなわち、この発明で
用いられるセンサ単位素子（以下、単位素子または素子
ともいう）は図５（ａ）に示すように、基底部１３に高
剛性の金属製四角柱からなる受圧柱１４を接合し、その
上に荷重を受ける受圧部１２を接合して構成される。
【０００９】いま、垂直方向の荷重をＦｚとすると、こ
れを検出するための歪みゲージとしては、図５（ａ）に
符号Ｇ11，Ｇ12で示す歪みゲージ１５が用いられる。こ
こではＧ11で垂直歪みを、また、Ｇ12で横歪み（ポアッ
ソン比に相当する歪み）をそれぞれ検出する。また、水
平方向の荷重Ｆｘ，Ｆｙを検出するための歪みゲージは
図５（ｂ）のように、互いに斜めに交差させてそれぞれ
貼付される。Ｆｘ用歪みゲージ１６ではＧ21に圧縮力、
Ｇ22に引張力がそれぞれ作用し、同様にＦｙ用歪みゲー
ジ１７ではＧ31に圧縮力、Ｇ32に引張力がそれぞれ作用
し、いずれも上述と同様の横歪み成分は相殺されるよう
になっている。
れを検出するための歪みゲージとしては、図５（ａ）に
符号Ｇ11，Ｇ12で示す歪みゲージ１５が用いられる。こ
こではＧ11で垂直歪みを、また、Ｇ12で横歪み（ポアッ
ソン比に相当する歪み）をそれぞれ検出する。また、水
平方向の荷重Ｆｘ，Ｆｙを検出するための歪みゲージは
図５（ｂ）のように、互いに斜めに交差させてそれぞれ
貼付される。Ｆｘ用歪みゲージ１６ではＧ21に圧縮力、
Ｇ22に引張力がそれぞれ作用し、同様にＦｙ用歪みゲー
ジ１７ではＧ31に圧縮力、Ｇ32に引張力がそれぞれ作用
し、いずれも上述と同様の横歪み成分は相殺されるよう
になっている。
【００１０】ゲージＧ11とＧ12、Ｇ21とＧ22およびＧ31
とＧ32の各直列回路によって、ホイートストンブリッジ
回路を組むと例えば図４のようになり、各直列回路の中
点から荷重に応じた信号を取り出すことにより、Ｆｘ，
ＦｙおよびＦｚを求めることができる。このとき、電圧
Ｖとアースを共通化することにより、信号配線数を減ら
すことが可能となる。ブリッジからの複数の出力信号は
マクチプレクサ１８によって選択され、歪計１９により
検出される。なお、図４では単位素子がｎ個設けられた
場合を想定しており、従って、ゲージＧ111 ，Ｇ11n と
Ｇ121 ，Ｇ12n、Ｇ211 ，Ｇ21n とＧ221 ，Ｇ22n およ
びＧ311 ，Ｇ31n とＧ321 ，Ｇ32n などが図示されてい
る。
とＧ32の各直列回路によって、ホイートストンブリッジ
回路を組むと例えば図４のようになり、各直列回路の中
点から荷重に応じた信号を取り出すことにより、Ｆｘ，
ＦｙおよびＦｚを求めることができる。このとき、電圧
Ｖとアースを共通化することにより、信号配線数を減ら
すことが可能となる。ブリッジからの複数の出力信号は
マクチプレクサ１８によって選択され、歪計１９により
検出される。なお、図４では単位素子がｎ個設けられた
場合を想定しており、従って、ゲージＧ111 ，Ｇ11n と
Ｇ121 ，Ｇ12n、Ｇ211 ，Ｇ21n とＧ221 ，Ｇ22n およ
びＧ311 ，Ｇ31n とＧ321 ，Ｇ32n などが図示されてい
る。
【００１１】ところで、この発明による荷重分布センサ
は、その外観は図１（ａ）のように示され、その断面は
図１（ｂ）のようになる。すなわち、荷重分布センサ
は、図５で説明した単位素子を、図２（ａ）のように複
数個（ここでは３×４個）配置して構成されるが、その
複数の単位素子を保持するために、図２（ｂ）のような
格子枠２４を用いる。格子枠２４は図３（ａ）に示すよ
うに、Ｘ格子板２０にはスリット２１が、また、Ｙ格子
板２２にはスリット２３がそれぞれ形成されている。し
たがって、スリット２１にスリット２３を嵌め合わせる
ことにより、図２（ｂ）または図３（ｂ）に示すような
格子枠２４を得ることができる。
は、その外観は図１（ａ）のように示され、その断面は
図１（ｂ）のようになる。すなわち、荷重分布センサ
は、図５で説明した単位素子を、図２（ａ）のように複
数個（ここでは３×４個）配置して構成されるが、その
複数の単位素子を保持するために、図２（ｂ）のような
格子枠２４を用いる。格子枠２４は図３（ａ）に示すよ
うに、Ｘ格子板２０にはスリット２１が、また、Ｙ格子
板２２にはスリット２３がそれぞれ形成されている。し
たがって、スリット２１にスリット２３を嵌め合わせる
ことにより、図２（ｂ）または図３（ｂ）に示すような
格子枠２４を得ることができる。
【００１２】上記格子として、ここでは例えばＮｉ−Ｔ
ｉ合金やＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金などの形状記憶合金（変
形前の状態を記憶していて、加熱によって変形前の状態
に戻る性質を有する合金）を用いる。形状記憶合金は室
温以下では小さな応力（数ｋｇ／ｍｍ2 以下）で変形
し、室温以上に温めてやると変形前の形状へ自然に戻る
（この状態では、高強度である）。そこで、このような
性質を利用して、図２（ｂ）に示す格子枠２４を室温以
下の低温（例えば０℃）において、例えば歪み７％まで
拡大させておき、この状態で図２（ａ）で示すような単
位素子を３×４のマトリックス状に配列した素子群の上
から被せ、その後、室温以上の温度（例えば４０℃）に
温めてやることにより、格子枠２４は拡大前の状態に戻
り素子群を保持できるようになる。
ｉ合金やＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金などの形状記憶合金（変
形前の状態を記憶していて、加熱によって変形前の状態
に戻る性質を有する合金）を用いる。形状記憶合金は室
温以下では小さな応力（数ｋｇ／ｍｍ2 以下）で変形
し、室温以上に温めてやると変形前の形状へ自然に戻る
（この状態では、高強度である）。そこで、このような
性質を利用して、図２（ｂ）に示す格子枠２４を室温以
下の低温（例えば０℃）において、例えば歪み７％まで
拡大させておき、この状態で図２（ａ）で示すような単
位素子を３×４のマトリックス状に配列した素子群の上
から被せ、その後、室温以上の温度（例えば４０℃）に
温めてやることにより、格子枠２４は拡大前の状態に戻
り素子群を保持できるようになる。
【００１３】素子群の配列に当たっては図２（ａ）のよ
うに、素子間に僅かな隙間２５を設けて配列するように
している。このとき、配線は既に済ませておくことは言
うまでもない。また、図２（ｂ）の符号２６は、格子枠
２４にＸ，Ｙ方向の引張力を与え、歪み７％程度にまで
拡大するための穴を示す。つまり、図２（ｂ）に符号ｄ
として示す、拡大したときの格子枠２４の格子間隔を、
素子の受圧部１２の長さｃよりも若干大きくしておき、
この拡大した格子枠２４を素子間の隙間２５を通して被
せ、その後室温に戻せば格子枠２４は元の状態に収縮す
るので、素子群がバラバラにはずれないように保持する
ことができる、という訳である。なお、図３でＸ格子板
２０の幅ａを、Ｙ格子板２２の幅ｂよりも小さくしてい
るのは、上記配線のための隙間を確保するためである。
配線がＸ格子板２０の下側の隙間を通して左右外側に導
かれる様子は、図１（ｂ）に示されている。
うに、素子間に僅かな隙間２５を設けて配列するように
している。このとき、配線は既に済ませておくことは言
うまでもない。また、図２（ｂ）の符号２６は、格子枠
２４にＸ，Ｙ方向の引張力を与え、歪み７％程度にまで
拡大するための穴を示す。つまり、図２（ｂ）に符号ｄ
として示す、拡大したときの格子枠２４の格子間隔を、
素子の受圧部１２の長さｃよりも若干大きくしておき、
この拡大した格子枠２４を素子間の隙間２５を通して被
せ、その後室温に戻せば格子枠２４は元の状態に収縮す
るので、素子群がバラバラにはずれないように保持する
ことができる、という訳である。なお、図３でＸ格子板
２０の幅ａを、Ｙ格子板２２の幅ｂよりも小さくしてい
るのは、上記配線のための隙間を確保するためである。
配線がＸ格子板２０の下側の隙間を通して左右外側に導
かれる様子は、図１（ｂ）に示されている。
【００１４】
【発明の効果】この発明によれば、高剛性の金属製四画
柱を用い歪みゲージの取り付け方を工夫することで、高
い剛性を持ち工業的な有用性の極めて高い、三次元荷重
センサを得ることができるという利点がもたらされる。
柱を用い歪みゲージの取り付け方を工夫することで、高
い剛性を持ち工業的な有用性の極めて高い、三次元荷重
センサを得ることができるという利点がもたらされる。
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図である。
【図２】組立工程説明図である。
【図３】格子枠の組立工程説明図である。
【図４】センサ回路例を示す構成図である。
【図５】図５はこの発明で用いられるセンサ単位素子の
説明図である。
説明図である。
【図６】三次元荷重分布センサの概要図である。
【図７】従来例を示す説明図である。
１２…受圧部、１３…基底部、１４…受圧柱、１５，１
６，１７…歪みゲージ、１８…マルチプレクサ、１９…
歪計、２０，２２…格子板、２１，２３…スリット、２
４…格子枠、２５…隙間、２６…穴。
６，１７…歪みゲージ、１８…マルチプレクサ、１９…
歪計、２０，２２…格子板、２１，２３…スリット、２
４…格子枠、２５…隙間、２６…穴。
Claims (3)
- 【請求項１】 接触する剛体との間の垂直荷重および水
平荷重の分布を測定する荷重分布センサであって、 高剛性金属製四角柱の４側面の内の２側面には垂直荷重
検出用歪みゲージを、残りの２側面には水平荷重検出用
歪みゲージをそれぞれ貼付したものを単位素子として、
これを複数個マトリックス状に配置し、形状記憶合金製
格子枠を用いて前記単位素子群を保持するようにしたこ
とを特徴とする荷重分布センサ。 - 【請求項２】 前記形状記憶合金製格子枠は、低温で拡
大伸長した状態にしてはめ込み、加熱して元の状態に復
原することにより、前記単位素子群の保持を行なうこと
を特徴とする請求項１に記載の荷重分布センサ。 - 【請求項３】 前記垂直荷重検出用歪みゲージは１側面
には垂直方向に、他の１側面には水平方向にそれぞれ貼
付し、水平荷重検出用歪みゲージは各側面に２つを互い
に斜めに交差させてそれぞれ貼付したことを特徴とする
請求項１または２のいずれかに記載の荷重分布センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10341541A JP2000162054A (ja) | 1998-12-01 | 1998-12-01 | 荷重分布センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10341541A JP2000162054A (ja) | 1998-12-01 | 1998-12-01 | 荷重分布センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000162054A true JP2000162054A (ja) | 2000-06-16 |
Family
ID=18346877
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10341541A Pending JP2000162054A (ja) | 1998-12-01 | 1998-12-01 | 荷重分布センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000162054A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006106611A1 (ja) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated Administrative Agency | センサ素子、センサ装置、対象物移動制御装置、対象物判別装置 |
| CN106687795A (zh) * | 2015-10-01 | 2017-05-17 | 株式会社爱安德 | 轮胎试验装置 |
| JP2018059881A (ja) * | 2016-10-07 | 2018-04-12 | 株式会社エー・アンド・デイ | 計測装置 |
| CN108120543A (zh) * | 2016-11-30 | 2018-06-05 | 北京航天计量测试技术研究所 | 一种降低三维力传感器各方向相互耦合的装置 |
-
1998
- 1998-12-01 JP JP10341541A patent/JP2000162054A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006106611A1 (ja) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated Administrative Agency | センサ素子、センサ装置、対象物移動制御装置、対象物判別装置 |
| US7647838B2 (en) | 2005-03-30 | 2010-01-19 | National Institute Of Information And Communications Technology, Incorporated | Sensor element, sensor device, object movement control device, object judgment device |
| CN106687795A (zh) * | 2015-10-01 | 2017-05-17 | 株式会社爱安德 | 轮胎试验装置 |
| CN106687795B (zh) * | 2015-10-01 | 2018-09-14 | 株式会社爱安德 | 轮胎试验装置 |
| US10082446B2 (en) | 2015-10-01 | 2018-09-25 | A&D Company, Limited | Tire testing apparatus |
| JP2018059881A (ja) * | 2016-10-07 | 2018-04-12 | 株式会社エー・アンド・デイ | 計測装置 |
| CN108120543A (zh) * | 2016-11-30 | 2018-06-05 | 北京航天计量测试技术研究所 | 一种降低三维力传感器各方向相互耦合的装置 |
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