JP2006275622A

JP2006275622A - Load sensor and load detection method using same

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Publication number: JP2006275622A
Application number: JP2005092179A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Takanishi; 淳夫高西; Mitsuo Umetsu; 光生梅津; Kazushi Nishikawa; 員史西川; Eiko Boku; 栄光朴; Seiji Motojima; 栖二元島; Kenji Kawabe; 憲次河邊
Original assignee: Waseda University; Gifu University NUC; CMC Technology Development Co Ltd
Current assignee: Waseda University; Gifu University NUC; CMC Technology Development Co Ltd
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a load sensor for enhancing the detection accuracy on a load while performing detection in a stable state and to provide a load detection method using the same. <P>SOLUTION: This load sensor 10 includes a sensor element 11 formed out of a medium with coil-shaped carbon fiber dispersed therewithin, a pair of electrodes 12a and 12b electrically connected to the sensor element 11, an input device 14 for supplying the electrode 12a with an input signal, and a detector 18 connected to the electrode 12b for detecting a change in load based on an output signal varying depending on the load impressed on the sensor element 11. The input signal is a cyclic signal whose frequencies are 300 to 500 kHz. Preferably, the input signal is a rectangular wave. Further, the detector 18 is structured so that the distribution of the load impressed on the sensor element 11 can be measured by being equipped with a multiplexer. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えばロボット分野、医療分野、電気・電子分野等において用いられる荷重センサ及びそれを用いた荷重の検出方法に関するものである。 The present invention relates to a load sensor used in, for example, the robot field, the medical field, the electric / electronic field, and the like, and a load detection method using the load sensor.

従来から、ミクロンメートル（μｍ）オーダーのコイル状炭素繊維を樹脂材料中に配合した複合材料が知られている（例えば、特許文献１を参照）。すなわち、樹脂中にコイル状炭素繊維を分散した成形体を焼成し、気孔を充填する緻密化処理を行うことにより得られる炭素複合材料である。そして、コイル状炭素繊維がスプリング特性を有し、ミクロメカニカル素子、スイチング素子等として適用することができる旨記載されている。しかし、この特許文献１には、そのような炭素複合材料をセンサとして利用する点については記載されていない。 Conventionally, composite materials in which coiled carbon fibers of the order of micrometers (μm) are blended in a resin material are known (see, for example, Patent Document 1). That is, it is a carbon composite material obtained by firing a compact in which coiled carbon fibers are dispersed in a resin and performing a densification treatment to fill the pores. It is described that the coiled carbon fiber has a spring characteristic and can be applied as a micromechanical element, a switching element or the like. However, this Patent Document 1 does not describe the use of such a carbon composite material as a sensor.

一方、コイル状炭素繊維を用いたセンサとして、次のような構成のものが知られている（例えば、特許文献２を参照）。すなわち、係るセンサは、マトリックス樹脂等の媒体と、媒体中に分散されるコイル状炭素繊維よりなるセンサ素子と、媒体に電気的に接続される一対の電極とを備えている。そして、センサ素子は、インダクタンス成分（Ｌ）を有するとともに、キャパシタンス成分（Ｃ）及びレジスタンス成分（Ｒ）を有し、ＬＣＲ共振回路として作用するようになっている。具体的には、電源から電流が媒体に通電されるとともに、媒体での電圧の変動が検出装置で検出されるように構成されている。
特開平３−１０４９２７号公報（第２頁及び第３頁）特開２００５−４９３３１号公報（第２頁〜第５頁） On the other hand, sensors having the following configuration are known as sensors using coiled carbon fibers (see, for example, Patent Document 2). That is, the sensor includes a medium such as a matrix resin, a sensor element made of a coiled carbon fiber dispersed in the medium, and a pair of electrodes electrically connected to the medium. The sensor element has an inductance component (L), a capacitance component (C), and a resistance component (R), and acts as an LCR resonance circuit. Specifically, a current is supplied from the power source to the medium, and a voltage variation in the medium is detected by the detection device.
JP-A-3-104927 (pages 2 and 3) Japanese Patent Laying-Open No. 2005-49331 (pages 2 to 5)

特許文献２に記載のセンサにおいては、入力信号である電流が媒体に通電され、媒体に加えられた圧力によって変動する電圧が検出装置で検出される。しかしながら、入力信号の条件によっては、媒体に加えられる圧力（荷重）を精度良く検出することができない場合がある。例えば、入力信号の周波数によっては、媒体に加えられる荷重の変化に対して出力信号に歪みが生じて精度の良い荷重の検出を行うことができないうえに、安定した状態で検出を行うことができないという問題があった。 In the sensor described in Patent Document 2, a current that is an input signal is applied to a medium, and a voltage that varies depending on the pressure applied to the medium is detected by a detection device. However, depending on the condition of the input signal, the pressure (load) applied to the medium may not be detected with high accuracy. For example, depending on the frequency of the input signal, the output signal is distorted with respect to a change in the load applied to the medium, so that the load cannot be detected with high accuracy, and the detection cannot be performed in a stable state. There was a problem.

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる荷重センサ及びそれを用いた荷重の検出方法を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to such problems existing in the prior art. An object of the present invention is to provide a load sensor capable of improving the load detection accuracy and detecting in a stable state, and a load detection method using the load sensor.

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明の荷重センサは、内部にコイル状炭素繊維が分散された媒体により形成されるセンサ素子と、そのセンサ素子に電気的に接続される一対の電極と、一方の電極に入力信号を供給する入力装置と、他方の電極に接続される電気抵抗線と、前記センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいて荷重を検出するための検出装置とを備え、前記入力装置から供給される入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号であることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a load sensor according to a first aspect of the present invention is electrically connected to a sensor element formed of a medium in which coiled carbon fibers are dispersed, and the sensor element. A pair of electrodes, an input device that supplies an input signal to one electrode, an electric resistance line connected to the other electrode, and a voltage as an output signal generated in the electric resistance line by a load applied to the sensor element And an input signal supplied from the input device is a periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz.

請求項２に記載の発明の荷重センサは、請求項１に記載の発明において、前記入力信号は矩形波であることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明の荷重センサは、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記センサ素子を複数備えるとともに、検出装置はマルチプレクサを備え、そのマルチプレクサには各センサ素子に接続される一対の電極に電気的に接続され、センサ素子に加えられる荷重の分布を測定できるように構成されていることを特徴とするものである。 A load sensor according to a second aspect of the present invention is the load sensor according to the first aspect, wherein the input signal is a rectangular wave.
A load sensor according to a third aspect of the present invention is the load sensor according to the first or second aspect, wherein the load sensor includes a plurality of the sensor elements, the detection device includes a multiplexer, and the multiplexer is connected to each sensor element. It is electrically connected to a pair of electrodes, and is configured to measure a distribution of a load applied to the sensor element.

請求項４に記載の発明の荷重の検出方法は、請求項１又は請求項２に記載の荷重センサを用い、入力装置から周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である入力信号を供給し、センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいて検出装置で荷重を検出することを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a load detection method that uses the load sensor according to the first or second aspect, supplies an input signal that is a periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz from the input device, and The load is detected by the detection device based on a voltage as an output signal generated in the electric resistance wire due to the load applied to the element.

請求項５に記載の発明の荷重の検出方法は、請求項３に記載の荷重センサを用い、入力装置から周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である入力信号を供給し、各センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいてマルチプレクサを備えた検出装置で荷重の分布を検出することを特徴とするものである。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a load detection method, wherein the load sensor according to the third aspect is used, an input signal that is a periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz is supplied from the input device, and is added to each sensor element. The load distribution is detected by a detection device including a multiplexer based on a voltage as an output signal generated in the electric resistance line due to the applied load.

本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
請求項１に記載の発明の荷重センサにおいては、入力装置から供給される入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚという特定の周期的信号であることから、荷重に対応した出力信号を得ることができ、しかも検出に適した出力波形を得ることができる。従って、荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる。 According to the present invention, the following effects can be exhibited.
In the load sensor of the invention according to claim 1, since the input signal supplied from the input device is a specific periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz, an output signal corresponding to the load can be obtained, In addition, an output waveform suitable for detection can be obtained. Therefore, the load detection accuracy can be improved and detection can be performed in a stable state.

請求項２に記載の発明の荷重センサでは、入力信号として矩形波が使用されるため、出力信号の振幅の最大値をより正確に検出することができ、請求項１に係る発明の効果を向上させることができる。 In the load sensor according to the second aspect of the invention, since the rectangular wave is used as the input signal, the maximum value of the amplitude of the output signal can be detected more accurately, and the effect of the invention according to the first aspect is improved. Can be made.

請求項３に記載の発明の荷重センサでは、検出装置がマルチプレクサを備えていることから、請求項１又は請求項２に係る発明の効果に加えて、センサ素子に加えられる荷重の分布を容易に検出することができる。 In the load sensor according to the third aspect of the invention, since the detection device includes the multiplexer, in addition to the effect of the invention according to the first or second aspect, the distribution of the load applied to the sensor element can be easily performed. Can be detected.

請求項４に記載の発明の荷重の検出方法では、請求項１又は請求項２に記載の荷重センサを用い、入力装置から周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である入力信号を供給し、センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいて検出装置で荷重が検出される。このため、請求項１又は請求項２に係る発明の効果を発揮させることができる。 In the load detection method of the invention described in claim 4, the load sensor according to claim 1 or 2 is used, an input signal which is a periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz is supplied from the input device, and the sensor The load is detected by the detection device based on a voltage as an output signal generated in the electric resistance line due to the load applied to the element. For this reason, the effect of the invention concerning Claim 1 or Claim 2 can be exhibited.

請求項５に記載の発明の荷重の検出方法では、請求項３に記載の荷重センサを用い、入力装置から周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である入力信号を供給し、各センサ素子に加えられる荷重によって電気抵抗線に発生する出力信号としての電圧に基づいてマルチプレクサを備えた検出装置で荷重の分布が検出される。従って、請求項３に係る発明の効果を発揮させることができる。 In the load detection method according to the fifth aspect of the present invention, the load sensor according to the third aspect is used, an input signal which is a periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz is supplied from the input device, and is added to each sensor element. The distribution of the load is detected by a detection device having a multiplexer based on the voltage as an output signal generated in the electric resistance line due to the applied load. Therefore, the effect of the invention according to claim 3 can be exhibited.

以下、本発明の実施形態につき、図面を用いて詳細に説明する。
図１（ａ）に示すように、荷重センサ１０を構成するセンサ素子１１は、内部にコイル状炭素繊維がランダムに分散された媒体により円柱状に形成されている。前記媒体（マトリックス又はマトリックス樹脂）としては、シリコーンゴム、エポキシ樹脂等が用いられる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown to Fig.1 (a), the sensor element 11 which comprises the load sensor 10 is formed in the column shape with the medium by which the coil-shaped carbon fiber was disperse | distributed at random inside. As the medium (matrix or matrix resin), silicone rubber, epoxy resin or the like is used.

媒体の硬さは荷重センサ１０の感度を向上させる上で重要であり、媒体として弾性力の優れたシリコーンゴム等の弾性材料を用いた場合には、微小な荷重（圧力）でも伸縮してその荷重を高精度で検出することができる。一方、硬いエポキシ樹脂等を用いた場合には、大きな荷重でないと伸縮せず、荷重センサ１０の精度は低いが、幅広い荷重範囲を検出することができる。 The hardness of the medium is important for improving the sensitivity of the load sensor 10, and when an elastic material such as silicone rubber having excellent elastic force is used as the medium, the medium expands and contracts even with a minute load (pressure). The load can be detected with high accuracy. On the other hand, when a hard epoxy resin or the like is used, it does not expand and contract unless it is a large load, and the load sensor 10 has low accuracy, but can detect a wide load range.

次に、前記媒体に分散されるコイル状炭素繊維としては二重巻きのコイル状炭素繊維等が用いられる。コイル状炭素繊維は伸縮性（弾力性）があり、その伸縮により電気特性である電気抵抗（Ｒ）が特に変化するため、その変化量に基づいて荷重を検出することができる。例えば、コイル状炭素繊維を伸ばすとＲが増加し、収縮させるとＲが減少する。そして、コイル状炭素繊維を収縮させて元の長さに戻すと、Ｒは元の値まで再現性良く戻る。コイル状炭素繊維を媒体中に分散させたセンサ素子１１に外部から荷重が加わったときには、まず媒体が伸縮し、次いでコイル状炭素繊維が伸縮するため、媒体を介してコイル状炭素繊維に加わる圧力に基づいて前記Ｒの値が変化する。 Next, as the coiled carbon fiber dispersed in the medium, a double-wound coiled carbon fiber or the like is used. The coiled carbon fiber has stretchability (elasticity), and the electrical resistance (R), which is an electrical property, particularly changes due to the expansion and contraction. Therefore, the load can be detected based on the amount of change. For example, when the coiled carbon fiber is stretched, R increases, and when contracted, R decreases. When the coiled carbon fiber is contracted and returned to the original length, R returns to the original value with good reproducibility. When a load is applied from the outside to the sensor element 11 in which the coiled carbon fiber is dispersed in the medium, the medium first expands and contracts, and then the coiled carbon fiber expands and contracts. Therefore, the pressure applied to the coiled carbon fiber through the medium Based on the above, the value of R changes.

二重巻きのコイル状炭素繊維の場合には、２本のコイルが交互に密接した状態で螺旋状に延び、従って全体としてほぼ円筒状をなし、中心には空洞が形成されている。二重巻きのコイル状炭素繊維としては、直径（コイル径）が１〜２０μｍ、ピッチがほぼ０及び長さが３００〜５００μｍであることが好ましい。なお、コイル状炭素繊維の巻き方向は、コイルの軸線を中心として時計方向（右巻き）又は反時計方向（左巻き）のいずれであってもよい。 In the case of a double-wound coiled carbon fiber, the two coils extend in a spiral shape in close contact with each other, and thus have a substantially cylindrical shape as a whole, and a cavity is formed at the center. The double-wound coiled carbon fiber preferably has a diameter (coil diameter) of 1 to 20 μm, a pitch of almost 0, and a length of 300 to 500 μm. The winding direction of the coiled carbon fiber may be either clockwise (right-handed) or counterclockwise (left-handed) around the coil axis.

コイル状炭素繊維の含有量は、媒体中に１〜１０質量％であることが好ましい。この含有量が１質量％未満の場合には、媒体中におけるコイル状炭素繊維の割合が少なく、コイル状炭素繊維に基づく荷重センサ１０の検出精度が低下する。一方、含有量が１０質量％を越える場合には、媒体中におけるコイル状炭素繊維の割合が多くなり過ぎて硬くなり、荷重センサ１０の検出精度が低下するとともに、成形性等も悪くなる傾向を示す。 The content of the coiled carbon fiber is preferably 1 to 10% by mass in the medium. When the content is less than 1% by mass, the ratio of the coiled carbon fiber in the medium is small, and the detection accuracy of the load sensor 10 based on the coiled carbon fiber is lowered. On the other hand, when the content exceeds 10% by mass, the ratio of the coiled carbon fiber in the medium becomes excessively hard and the detection accuracy of the load sensor 10 decreases, and the moldability and the like tend to deteriorate. Show.

前記媒体にコイル状炭素繊維を分散させる方法としては、次のような方法が採用される。
１）媒体にコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、脱泡し、鋳型に流し込み、その後プレス成形する方法。この方法は、媒体としてシリコーンゴムを用いる場合等に採用される。 As a method for dispersing the coiled carbon fiber in the medium, the following method is adopted.
1) A method in which coiled carbon fibers are added to a medium, stirred and dispersed uniformly, then defoamed, poured into a mold, and then press-molded. This method is employed when silicone rubber is used as the medium.

２）媒体となるマトリックス樹脂のペレットに可塑剤を添加した後、加熱溶融し、それにコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、鋳型に流し込み、加圧した後、冷却、固化する方法。この方法は、媒体としてエポキシ樹脂を用いる場合等に採用される。 2) After adding plasticizer to pellets of matrix resin as medium, heat and melt, add coiled carbon fiber to it, stir and disperse uniformly, pour into mold, pressurize, cool How to solidify. This method is employed when an epoxy resin is used as a medium.

前記媒体にコイル状炭素繊維が配合されて形成された荷重センサ１０においては、センサ素子１１が外部から荷重を受けると、コイル状炭素繊維が伸縮して電気抵抗（Ｒ）が変化し、外部からの荷重を検出することができる。 In the load sensor 10 formed by mixing the medium with coiled carbon fiber, when the sensor element 11 receives a load from the outside, the coiled carbon fiber expands and contracts, and the electric resistance (R) changes, and from the outside. Can be detected.

前記センサ素子１１の底部には、板状をなす一対の電極１２ａ、１２ｂが配置され、それぞれセンサ素子１１に電気的に接続されている。一方の電極１２ａには、第１接続線１３を介して入力装置１４が接続されている。その入力装置１４から一方の電極１２ａを経て供給される入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号である。入力信号の周波数が３００ｋＨｚ未満の場合には、センサ素子１１に加えられる荷重の変化に出力信号が十分に追従することができず不安定になり、荷重の検出を精度良く行うことができない。一方、５００ｋＨｚを越える場合には、出力信号の電圧が低下するようになって荷重の検出を安定して行うことができなくなる。係る周期的信号としては、パルス信号（矩形波）、正弦波（交流）等が用いられる。これらの周期的信号のうち、振幅の最大値（ピーク値）の平均値を算出して検出を行う場合に矩形波を採用することが望ましい。入力信号として前記周波数範囲の矩形波を採用した場合、出力信号における矩形波の頂部の傾きが緩やかになり、振幅の最大値をより正確に検出することができ、荷重の検出精度を向上させることができる。 A pair of electrodes 12 a and 12 b having a plate shape are disposed on the bottom of the sensor element 11 and are electrically connected to the sensor element 11, respectively. The input device 14 is connected to the one electrode 12 a through the first connection line 13. The input signal supplied from the input device 14 through one electrode 12a is a periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz. When the frequency of the input signal is less than 300 kHz, the output signal cannot sufficiently follow the change in the load applied to the sensor element 11 and becomes unstable, and the load cannot be detected with high accuracy. On the other hand, when the frequency exceeds 500 kHz, the voltage of the output signal decreases and the load cannot be detected stably. As such a periodic signal, a pulse signal (rectangular wave), a sine wave (AC), or the like is used. Among these periodic signals, it is desirable to employ a rectangular wave when detecting the average value of the maximum value (peak value) of the amplitude. When a rectangular wave in the above frequency range is used as an input signal, the slope of the top of the rectangular wave in the output signal becomes gentle, the maximum amplitude value can be detected more accurately, and the load detection accuracy is improved. Can do.

他方の電極１２ｂには、第２接続線１５の一端が接続され、その他端は電気抵抗線１６を介して接地されている。つまり、センサ素子１１と電気抵抗線１６とは直列に接続されている。第２接続線１５には第３接続線１７を介して検出装置１８が接続され、検出装置１８にはオシロスコープ（デジタルオシロスコープ）１９が備えられている。そして、前記センサ素子１１に加えられる荷重がセンサ素子１１中のコイル状炭素繊維の変動となって出力される出力信号に基づいて検出装置１８が荷重の変化を検出し、その変化をオシロスコープ１９で見ることができるようになっている。 One end of the second connection line 15 is connected to the other electrode 12 b, and the other end is grounded via the electric resistance line 16. That is, the sensor element 11 and the electric resistance wire 16 are connected in series. A detection device 18 is connected to the second connection line 15 via a third connection line 17, and the detection device 18 is provided with an oscilloscope (digital oscilloscope) 19. Then, the detection device 18 detects a change in the load based on an output signal output as a load applied to the sensor element 11 as a fluctuation of the coiled carbon fiber in the sensor element 11, and the change is detected by the oscilloscope 19. You can see it.

荷重センサ１０の電気的等価回路を図１（ｃ）に示す。同図に示すように、センサ素子１１のもつ電気抵抗（可変抵抗）Ｒ_１と電気抵抗線１６による電気抵抗Ｒ_２には入力装置１４から電圧Ｖが印加され、電気抵抗Ｒ_２には電圧Ｖ_０が出力される。オームの法則より電圧Ｖ_０は次式で算出される。 An electrical equivalent circuit of the load sensor 10 is shown in FIG. As shown in the figure, the electrical resistance (variable resistor) having a sensor element 11 for the electric resistance R ₂ by R ₁ and the electric resistance wire 16 a voltage V is applied from the input device 14, the electrical resistance R ₂ voltage V ₀ is output. The voltage V ₀ is calculated by the following equation from Ohm's law.

Ｖ_０＝〔Ｒ_２／（Ｒ_１＋Ｒ_２）〕×Ｖ
本実施形態の荷重センサ１０は図１（ｂ）に示す構成をとることもできる。すなわち、前記第３接続線１７にＡＤ変換装置２０を介してパーソナルコンピュータ２１が接続されている点以外は図１（ａ）の構成と同じである。そして、センサ素子１１からの出力信号をデジタル変換してパーソナルコンピュータ２１で解析できるようになっている。 V ₀ = [R ₂ / (R ₁ + R ₂ )] × V
The load sensor 10 of this embodiment can also take the structure shown in FIG.1 (b). That is, the configuration is the same as that of FIG. 1A except that the personal computer 21 is connected to the third connection line 17 via the AD converter 20. The output signal from the sensor element 11 can be digitally converted and analyzed by the personal computer 21.

次に、分布荷重を測定するための荷重センサ１０について説明する。図２（ａ）に示すように、正方形板状をなすセンサ基板２２には、円板状のセンサ素子１１が縦、横４列に等間隔で埋め込まれている。図３（ａ）に示すように、各センサ素子１１には一対の電極１２ａ、１２ｂが取着され、各電極１２ａ、１２ｂには接続線２３が接続されている。各接続線２３はインターフェイス２４を介してパーソナルコンピュータ２１に接続され、各センサ素子１１に加えられる出力信号を解析できるようになっている。 Next, the load sensor 10 for measuring the distributed load will be described. As shown in FIG. 2 (a), disk-shaped sensor elements 11 are embedded in the vertical and horizontal four rows at equal intervals in the sensor substrate 22 having a square plate shape. As shown in FIG. 3A, a pair of electrodes 12a and 12b is attached to each sensor element 11, and a connection line 23 is connected to each electrode 12a and 12b. Each connection line 23 is connected to the personal computer 21 via an interface 24 so that an output signal applied to each sensor element 11 can be analyzed.

また、マルチプレクサ（分割入力された信号を１つにまとめて出力する電気回路）を用いた荷重センサを図３（ｂ）及び（ｃ）に示す。これらの図に示すように、センサ基板２２の上面には４本の連結電極２５が図の上下方向に配線され、センサ基板２２の下面にも４本の接続電極２６が図の左右方向に配線されている。４本の連結電極２５は第１マルチプレクサ２７に接続され、４本の接続電極２６は第２マルチプレクサ２８に接続されている。そして、５（ｍｓ）などの短時間で高速に電極を順次切り替え、連結電極２５と接続電極２６との交点におけるセンサ素子１１に加えられる荷重を検出できるようになっている。 Further, FIGS. 3B and 3C show a load sensor using a multiplexer (an electric circuit that collectively outputs divided signals). As shown in these figures, four connection electrodes 25 are wired in the vertical direction in the figure on the upper surface of the sensor substrate 22, and four connection electrodes 26 are also wired in the horizontal direction in the figure on the lower surface of the sensor board 22. Has been. The four connection electrodes 25 are connected to the first multiplexer 27, and the four connection electrodes 26 are connected to the second multiplexer 28. Then, the electrodes are sequentially switched at high speed in a short time such as 5 (ms), and the load applied to the sensor element 11 at the intersection of the connection electrode 25 and the connection electrode 26 can be detected.

さらに、電極１２をセンサ基板２２の上面のみに図３（ｄ）に示すような配置で設けることもできる。すなわち、第１から第１４の結合電極２９が同図に示すように配置され、各結合電極２９は図示しないマルチプレクサに接続されている。この場合の荷重センサは、センサ基板２２上に各結合電極２９を印刷し、その上にセンサ素子１１を配置することにより製作される。そして、マルチプレクサを作動させ、例えば第１結合電極２９ａと第２結合電極２９ｂとに通電することにより、図中の左上に位置するセンサ素子１１に加えられる荷重を検出することができる。マルチプレクサを作動させ、他の２つの結合電極２９に通電することによって全てのセンサ素子１１について、荷重を検出することができる。この図３（ｄ）の形態では、図３（ｂ）及び（ｃ）の形態に比べ、結合電極２９をセンサ基板２２の片面にのみ配置して接続することができるため、容易に製作することができる。 Furthermore, the electrode 12 can be provided only on the upper surface of the sensor substrate 22 in an arrangement as shown in FIG. That is, the first to fourteenth coupling electrodes 29 are arranged as shown in the figure, and each coupling electrode 29 is connected to a multiplexer (not shown). The load sensor in this case is manufactured by printing each coupling electrode 29 on the sensor substrate 22 and arranging the sensor element 11 thereon. Then, the load applied to the sensor element 11 located at the upper left in the drawing can be detected by operating the multiplexer and energizing the first coupling electrode 29a and the second coupling electrode 29b, for example. The load can be detected for all the sensor elements 11 by operating the multiplexer and energizing the other two coupling electrodes 29. In the configuration of FIG. 3D, the coupling electrode 29 can be arranged and connected only on one side of the sensor substrate 22 as compared with the configurations of FIGS. Can do.

このようなマルチプレクサを用いた荷重センサ１０により、各センサ素子１１に加えられる荷重を測定することができ、図２（ｂ）の二点鎖線に示すように、センサ素子１１に荷重を受けた部分（図中の矢印部分）からの荷重の大きさの分布（広がり）を知ることができる。 The load applied to each sensor element 11 can be measured by the load sensor 10 using such a multiplexer, and the portion receiving the load on the sensor element 11 as shown by a two-dot chain line in FIG. It is possible to know the distribution (spreading) of the magnitude of the load from the (arrow portion in the figure).

さて、荷重センサ１０をロボットハンドや医療機器等として用いる場合には、荷重センサ１０を構成するセンサ素子１１の表面に垂直方向又は斜め方向から荷重が加えられる。このとき、センサ素子１１の媒体が荷重を吸収するとともに、媒体中に分散されているコイル状炭素繊維が媒体を介して変位（コイルが変位）し、その変位が電気抵抗値に変換される。言い換えれば、機械力学的変動が電気的変動に変換される。そして、電気抵抗線１６における電圧値が変動し、その変動が検出装置１８で検出され、オシロスコープ１９に表示され、或いはパーソナルコンピュータ２１で解析される。この場合、入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚの矩形波であることにより、出力電圧は荷重に対応したものとなり、しかも出力波形は検出に適した形になる。 When the load sensor 10 is used as a robot hand, a medical device, or the like, a load is applied to the surface of the sensor element 11 constituting the load sensor 10 from a vertical direction or an oblique direction. At this time, the medium of the sensor element 11 absorbs the load, and the coiled carbon fiber dispersed in the medium is displaced through the medium (the coil is displaced), and the displacement is converted into an electric resistance value. In other words, mechanical mechanical variation is converted into electrical variation. Then, the voltage value in the electric resistance line 16 fluctuates, and the fluctuation is detected by the detection device 18 and displayed on the oscilloscope 19 or analyzed by the personal computer 21. In this case, since the input signal is a rectangular wave having a frequency of 300 to 500 kHz, the output voltage corresponds to the load, and the output waveform has a shape suitable for detection.

以上の実施形態によって発揮される効果について、以下にまとめて記載する。
・実施形態の荷重センサ１０においては、入力装置１４から供給される入力信号は周波数が３００〜５００ｋＨｚの周期的信号であることから、荷重に対応した出力信号を得ることができ、しかも検出に適した出力波形を得ることができる。従って、荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で荷重の検出を行うことができる。 The effects exhibited by the above embodiment will be described collectively below.
In the load sensor 10 of the embodiment, since the input signal supplied from the input device 14 is a periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz, an output signal corresponding to the load can be obtained and is suitable for detection. Output waveform can be obtained. Therefore, the load detection accuracy can be improved and the load can be detected in a stable state.

・また、入力信号として矩形波を使用することにより、出力信号の振幅の最大値をより正確に検出することができる。
・さらに、検出装置１８がマルチプレクサを備えていることにより、センサ素子１１に加えられる荷重の分布を容易に測定することができる。 Further, by using a rectangular wave as the input signal, the maximum value of the amplitude of the output signal can be detected more accurately.
Furthermore, since the detection device 18 includes a multiplexer, the distribution of the load applied to the sensor element 11 can be easily measured.

・上記のような効果を奏する荷重センサ１０をロボットハンド等のロボット分野、医療機器等の医療分野、及び電気・電子分野において好適に利用することができる。 The load sensor 10 having the above effects can be suitably used in the robot field such as a robot hand, the medical field such as a medical device, and the electric / electronic field.

以下、実施例及び比較例を挙げて、前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
前述した図１（ｂ）に示す荷重センサ１０を用い、入力装置１４に入力信号として周波数が３００ｋＨｚのパルス波を使用し、センサ素子１１（直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍ）に荷重を加えたときの出力信号の変化を検出装置１８で検出した。センサ素子１１においては、コイル状炭素繊維として二重巻きのコイル状炭素繊維（長さ３００μｍ、直径１０μｍ）を用いるとともに、マトリックスとしてシリコーンゴムを用い、コイル状炭素繊維の含有量を１０質量％とした。ＡＤ変換装置２０〔CONTEC（株）製〕は最大変換速度２（μｓ）であり、最大振幅値のみを５００（ｋＳ／ｓ）にて取得し、５０（ｍｓ）の短時間毎に平均値を算出した。 Hereinafter, the embodiment will be described more specifically with reference to examples and comparative examples.
Example 1
When the load sensor 10 shown in FIG. 1B is used, a pulse wave having a frequency of 300 kHz is used as an input signal for the input device 14, and a load is applied to the sensor element 11 (diameter 10 mm, height 5 mm). A change in the output signal was detected by the detection device 18. In the sensor element 11, a double-wound coiled carbon fiber (length: 300 μm, diameter: 10 μm) is used as the coiled carbon fiber, silicone rubber is used as a matrix, and the content of the coiled carbon fiber is 10% by mass. did. The AD converter 20 [manufactured by CONTEC Co., Ltd.] has a maximum conversion speed of 2 (μs), acquires only the maximum amplitude value at 500 (kS / s), and calculates the average value every short time of 50 (ms). Calculated.

検出装置１８での検出結果を図４（ａ）及び（ｂ）に示す。図４（ａ）はセンサ素子１１に荷重を加えない場合を表し、図４（ｂ）はセンサ素子１１に１．０Ｎの荷重を加えた場合を表す。また、両図において、上段は入力波形を表し、下段は出力波形を表す。図４（ｂ）の下段に示す出力波形より、その頂部の傾斜が緩やかになっており、最大振幅値をより正確に検出することができた。 The detection results of the detection device 18 are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). 4A shows a case where no load is applied to the sensor element 11, and FIG. 4B shows a case where a load of 1.0 N is applied to the sensor element 11. FIG. Moreover, in both figures, the upper stage represents an input waveform and the lower stage represents an output waveform. From the output waveform shown in the lower part of FIG. 4B, the slope of the top is gentler, and the maximum amplitude value can be detected more accurately.

さらに、センサ素子１１に加えられた荷重（Ｎ）と検出装置１８で検出された出力電圧（Ｖ）との関係を図９に示す。この図９に示すように、センサ素子１１に加えられる荷重を変化させたとき、検出装置１８で検出される出力電圧は、荷重の増大に伴って次第に増大し、その波形は滑らかである。従って、センサ素子１１に加えられる荷重の変化を忠実に検出することができ、荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる。
（実施例２）
入力装置１４に入力信号として周波数が４００ｋＨｚのパルス波を使用した以外は実施例１と同様に実施した。その結果を図５（ａ）及び（ｂ）に示す。図５（ｂ）の下段に示す出力波形より、その頂部の傾斜が緩やかになっており、最大振幅値をより正確に検出することができた。 Furthermore, the relationship between the load (N) applied to the sensor element 11 and the output voltage (V) detected by the detection device 18 is shown in FIG. As shown in FIG. 9, when the load applied to the sensor element 11 is changed, the output voltage detected by the detection device 18 gradually increases as the load increases, and the waveform thereof is smooth. Therefore, a change in the load applied to the sensor element 11 can be detected faithfully, the load detection accuracy can be improved, and detection can be performed in a stable state.
(Example 2)
The same operation as in Example 1 was performed except that a pulse wave having a frequency of 400 kHz was used as an input signal for the input device 14. The results are shown in FIGS. 5 (a) and (b). From the output waveform shown in the lower part of FIG. 5B, the slope of the top is gentler, and the maximum amplitude value can be detected more accurately.

さらに、センサ素子１１に加えられた荷重（Ｎ）と検出装置１８で検出された出力電圧（Ｖ）との関係を図１０に示す。その図１０に示すように、センサ素子１１に加えられる荷重を変化させたとき、検出装置１８で検出される出力電圧は、荷重の増大に伴って次第に増大し、その波形は滑らかである。従って、実施例１と同様にセンサ素子１１に加えられる荷重の変化を忠実に検出することができ、荷重の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる。 Furthermore, the relationship between the load (N) applied to the sensor element 11 and the output voltage (V) detected by the detection device 18 is shown in FIG. As shown in FIG. 10, when the load applied to the sensor element 11 is changed, the output voltage detected by the detection device 18 gradually increases as the load increases, and the waveform thereof is smooth. Therefore, the change of the load applied to the sensor element 11 can be detected faithfully as in the first embodiment, the load detection accuracy can be improved, and the detection can be performed in a stable state.

また、図１０にはセンサ素子１１中のコイル状炭素繊維の含有量を１質量％、３質量％、５質量％及び７質量％の場合についても実施例１と同様に実施した。その結果、コイル状炭素繊維の含有量が１質量％及び３質量％の場合には荷重の変化に対して出力電圧の変化はほとんど見られなかったが、コイル状炭素繊維の含有量が５質量％及び７質量％の場合には出力電圧が荷重の増大に伴って次第に増大し、その波形は滑らかであった。コイル状炭素繊維の含有量が多くなると、センサ素子１１が硬くなる傾向を示して出力電圧が上昇するものと考えられる。 Further, in the case of the content of the coiled carbon fiber in the sensor element 11 of 1% by mass, 3% by mass, 5% by mass and 7% by mass in FIG. As a result, when the content of the coiled carbon fiber was 1% by mass and 3% by mass, almost no change in the output voltage was observed with respect to the change in the load, but the content of the coiled carbon fiber was 5% by mass. In the case of% and 7% by mass, the output voltage gradually increased as the load increased, and the waveform was smooth. If the content of the coiled carbon fiber increases, the sensor element 11 tends to be hard and the output voltage is considered to increase.

さらに、センサ素子１１に対して荷重を増大させていったときの出力電圧の変化とその後荷重を減少させていったときの出力電圧の変化（ヒステリシス）を測定した。その結果を図１１に示した。同図に示すように、荷重を増大させていったときの出力電圧に比べて荷重を減少させていったときの出力電圧の方が若干高い値を示した。これは、センサ素子１１のマトリックスがシリコーンゴムであり、残留応力が生じるためと考えられる。また、双方の変化曲線はいずれも滑らかであった。
（実施例３）
入力装置１４に入力信号として周波数が５００ｋＨｚのパルス波を使用した以外は実施例１と同様に実施した。その結果を図６（ａ）及び（ｂ）に示す。図６（ｂ）の下段に示す出力波形より、その頂部の傾斜が緩やかになっており、最大振幅値をより正確に検出することができた。 Furthermore, the change in output voltage when the load was increased with respect to the sensor element 11 and the change (hysteresis) in the output voltage when the load was reduced thereafter were measured. The results are shown in FIG. As shown in the figure, the output voltage when the load was decreased was slightly higher than the output voltage when the load was increased. This is presumably because the matrix of the sensor element 11 is silicone rubber and residual stress is generated. Both change curves were smooth.
(Example 3)
The same operation as in Example 1 was performed except that a pulse wave having a frequency of 500 kHz was used as an input signal for the input device 14. The results are shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). From the output waveform shown in the lower part of FIG. 6B, the slope of the top is gentler, and the maximum amplitude value can be detected more accurately.

さらに、センサ素子１１に加えられた圧力（ｋＰａ）と検出装置１８で検出された出力電圧（Ｖ）との関係を図１２に示す。図１２に示すように、センサ素子１１に加えられる圧力を変化させたとき、検出装置１８で検出される出力電圧は、圧力の増大に伴って次第に増大し、その波形は滑らかである。従って、実施例１と同様にセンサ素子１１に加えられる圧力の変化を忠実に検出することができ、圧力の検出精度を向上させることができるとともに、安定した状態で検出を行うことができる。 Furthermore, the relationship between the pressure (kPa) applied to the sensor element 11 and the output voltage (V) detected by the detection device 18 is shown in FIG. As shown in FIG. 12, when the pressure applied to the sensor element 11 is changed, the output voltage detected by the detection device 18 gradually increases as the pressure increases, and the waveform thereof is smooth. Therefore, as in the first embodiment, a change in pressure applied to the sensor element 11 can be detected faithfully, the pressure detection accuracy can be improved, and detection can be performed in a stable state.

さらに、センサ素子１１に対して圧力を増大させていったときの出力電圧の変化とその後圧力を減少させていったときの出力電圧の変化（ヒステリシス）を測定した。入力信号として周波数が４００ｋＨｚのパルス波を使用したとき及び入力信号として周波数が４５０ｋＨｚのパルス波を使用したときについても同様に測定した。そられの結果を図１２に示した。同図に示すように、いずれの場合についても荷重を増大させていったときの出力電圧に比べて荷重を減少させていったときの出力電圧の方が若干高い値を示した。また、双方の変化曲線はいずれも滑らかであった。
（比較例１）
入力装置１４に入力信号として周波数が１００ｋＨｚのパルス波を使用した以外は実施例１と同様に実施した。その結果を図７（ａ）及び（ｂ）に示す。図７（ｂ）の下段に示す出力波形より、その頂部は先鋭化しており、最大振幅値を正確に検出することができなかった。 Further, a change in output voltage when the pressure was increased with respect to the sensor element 11 and a change (hysteresis) in the output voltage when the pressure was subsequently reduced were measured. The same measurement was performed when a pulse wave with a frequency of 400 kHz was used as the input signal and when a pulse wave with a frequency of 450 kHz was used as the input signal. The results are shown in FIG. As shown in the figure, in each case, the output voltage when the load was decreased was slightly higher than the output voltage when the load was increased. Both change curves were smooth.
(Comparative Example 1)
The same operation as in Example 1 was performed except that a pulse wave having a frequency of 100 kHz was used as an input signal for the input device 14. The results are shown in FIGS. 7 (a) and (b). From the output waveform shown in the lower part of FIG. 7B, the top is sharpened, and the maximum amplitude value could not be detected accurately.

さらに、センサ素子に加えられた荷重（Ｎ）と検出装置１８で検出された出力電圧（Ｖ）との関係を図９に示す。同図に示すように、センサ素子１１に加えられる荷重を変化させたとき、検出装置１８で検出される出力電圧は、荷重の増大に伴って次第に増大するが、荷重が０．３〜０．４（Ｎ）の場合及び荷重が０．５（Ｎ）以上の場合には、出力電圧が異常に増大し、その波形が不安定になった。従って、センサ素子１１に加えられる荷重の変化を正確に検出することができないことが判明した。
（比較例２）
入力装置１４に入力信号として周波数が２００ｋＨｚのパルス波を使用した以外は実施例１と同様に実施した。その結果を図８（ａ）及び（ｂ）に示す。図８（ｂ）の下段に示す出力波形より、その頂部は先鋭化しており、最大振幅値を正確に検出することができなかった。 Furthermore, the relationship between the load (N) applied to the sensor element and the output voltage (V) detected by the detection device 18 is shown in FIG. As shown in the figure, when the load applied to the sensor element 11 is changed, the output voltage detected by the detection device 18 gradually increases as the load increases, but the load is 0.3-0. In the case of 4 (N) and a load of 0.5 (N) or more, the output voltage increased abnormally and the waveform became unstable. Therefore, it has been found that a change in load applied to the sensor element 11 cannot be accurately detected.
(Comparative Example 2)
The same operation as in Example 1 was performed except that a pulse wave having a frequency of 200 kHz was used as an input signal for the input device 14. The results are shown in FIGS. 8 (a) and (b). From the output waveform shown in the lower part of FIG. 8B, the top is sharpened, and the maximum amplitude value could not be detected accurately.

さらに、センサ素子１１に加えられた荷重（Ｎ）と検出装置１８で検出された出力電圧（Ｖ）との関係を図９に示す。図９に示すように、センサ素子１１に加えられる荷重を変化させたとき、検出装置１８で検出される出力電圧は、荷重の増大に伴って次第に増大するが、荷重が０．６〜０．８（Ｎ）付近で出力電圧が急に増加又は減少し、その波形が不安定になった。従って、センサ素子１１に加えられる荷重の変化を正確に検出することができないことが判明した。
（実施例４及び比較例３）
実施例４では、媒体としてシリコーンゴムを用い、コイル状炭素繊維として二重巻きのコイル状炭素繊維を５質量％配合してセンサ素子１１を作製した（直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍ）。比較例３では、媒体としてエポキシ樹脂を用い、コイル状炭素繊維として二重巻きのコイル状炭素繊維を４．５質量％配合してセンサ素子１１を作製した（直径１０ｍｍ、高さ１ｍｍ）。用いたシリコーンゴムのヤング率は１〜５（Ｎ／ｍｍ^２）、エポキシ樹脂のヤング率は１０〜５０（Ｎ／ｍｍ^２）である。 Furthermore, the relationship between the load (N) applied to the sensor element 11 and the output voltage (V) detected by the detection device 18 is shown in FIG. As shown in FIG. 9, when the load applied to the sensor element 11 is changed, the output voltage detected by the detection device 18 gradually increases as the load increases, but the load is 0.6 to 0. 0. The output voltage suddenly increased or decreased near 8 (N), and the waveform became unstable. Therefore, it has been found that a change in load applied to the sensor element 11 cannot be accurately detected.
(Example 4 and Comparative Example 3)
In Example 4, a silicone rubber was used as the medium, and 5% by mass of double-wound coiled carbon fiber was blended as the coiled carbon fiber to produce the sensor element 11 (diameter 10 mm, height 5 mm). In Comparative Example 3, an epoxy resin was used as a medium, and 4.5% by mass of double-wound coiled carbon fiber was blended as a coiled carbon fiber to produce a sensor element 11 (diameter 10 mm, height 1 mm). The used silicone rubber has a Young's modulus of 1 to 5 (N / mm ² ), and the epoxy resin has a Young's modulus of 10 to 50 (N / mm ² ).

そして、図１（ｂ）に示す荷重センサ１０を用い、入力装置１４に入力信号として周波数が実施例４では４００ｋＨｚのパルス波を使用し、比較例３では２００ｋＨｚのパルス波を使用し、センサ素子に荷重を加えたときの出力信号の変化を検出装置１８で検出した。荷重（Ｎ）とセンサ素子の変位量（ｃｍ）との関係を図１３（ａ）に示し、エポキシ樹脂を用いた比較例３について出力電圧（Ｖ）と荷重（Ｎ）との関係を図１３（ｂ）に示した。 Then, using the load sensor 10 shown in FIG. 1B, a pulse wave having a frequency of 400 kHz is used as an input signal to the input device 14 in the fourth embodiment, and a pulse wave having a frequency of 200 kHz is used in the third comparative example. The change of the output signal when a load was applied to the was detected by the detection device 18. 13A shows the relationship between the load (N) and the displacement amount (cm) of the sensor element, and FIG. 13 shows the relationship between the output voltage (V) and the load (N) in Comparative Example 3 using an epoxy resin. Shown in (b).

図１３（ａ）に示すように、シリコーンゴムでは小さい荷重で大きな変位が得られ、エポキシ樹脂では大きい荷重でも変位が小さい。従って、シリコーンゴムを用いることにより微小な荷重を検出でき、エポキシ樹脂を用いることにより大荷重を検出することができる。但し、エポキシ樹脂を使用した比較例３では入力信号の周波数が２００ｋＨｚであるため、出力波形に若干の歪みを生じて検出精度が低下する。また、図１３（ｂ）に示すように、一定荷重に対してはコイル状炭素繊維の配合量が多い方が出力電圧が高くなり、検出感度が向上した。 As shown in FIG. 13A, a large displacement is obtained with a small load with silicone rubber, and a small displacement with a large load with epoxy resin. Therefore, a minute load can be detected by using silicone rubber, and a large load can be detected by using an epoxy resin. However, in Comparative Example 3 using an epoxy resin, since the frequency of the input signal is 200 kHz, the output waveform is slightly distorted and the detection accuracy is lowered. Further, as shown in FIG. 13 (b), the output voltage was higher and the detection sensitivity was improved when the amount of the coiled carbon fiber was larger for a certain load.

なお、前記実施形態は、次のように変更して実施することも可能である。
・コイル状炭素繊維として、長さ、コイルの直径、線径等の異なるものを配合することもできる。 In addition, the said embodiment can also be changed and implemented as follows.
-As a coil-like carbon fiber, what differs in length, the diameter of a coil, a wire diameter, etc. can also be mix | blended.

さらに、前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に記載する。
・前記センサ素子及び電極はセンサ基板の片面に設けられることを特徴とする請求項３に記載の荷重センサ。このように構成した場合、請求項３に係る発明の効果に加え、荷重センサの製作を容易にすることができる。 Further, the technical idea that can be grasped from the embodiment will be described below.
The load sensor according to claim 3, wherein the sensor element and the electrode are provided on one side of a sensor substrate. When comprised in this way, in addition to the effect of the invention which concerns on Claim 3, manufacture of a load sensor can be made easy.

・前記センサ素子は、媒体が弾性材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の荷重センサ。このように構成した場合、センサ素子に加えられる荷重の検出精度を向上させることができる。 The load sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the sensor element has a medium made of an elastic material. When comprised in this way, the detection accuracy of the load added to a sensor element can be improved.

（ａ）は実施形態における荷重センサを示す概略説明図、（ｂ）は別形態の荷重センサを示す概略説明図、（ｃ）は荷重センサの電気的等価回路を示す回路図。(A) is schematic explanatory drawing which shows the load sensor in embodiment, (b) is schematic explanatory drawing which shows the load sensor of another form, (c) is a circuit diagram which shows the electrical equivalent circuit of a load sensor. （ａ）は荷重の分布を測定するための荷重センサを示す斜視図、（ｂ）荷重の分布状態を示す荷重センサの斜視図。(A) is a perspective view which shows the load sensor for measuring distribution of load, (b) The perspective view of the load sensor which shows the distribution state of load. （ａ）はセンサ素子毎に荷重を検出する回路を示す説明図、（ｂ）はセンサ基板の両面に電極を有し、マルチプレクサを備えた荷重センサを示す説明図、（ｃ）は（ｂ）の荷重センサを示す斜視図、（ｄ）はセンサ基板の片面に電極を有し、マルチプレクサを備えた荷重センサを示す説明図。(A) is explanatory drawing which shows the circuit which detects a load for every sensor element, (b) is explanatory drawing which shows the load sensor which has an electrode on both surfaces of a sensor board | substrate, and was equipped with the multiplexer, (c) is (b) The perspective view which shows the load sensor of (d), (d) is explanatory drawing which shows the load sensor which has an electrode on the single side | surface of a sensor board | substrate, and was equipped with the multiplexer. （ａ）はセンサ素子に荷重を加えない場合の周波数３００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図、（ｂ）センサ素子に荷重を加えた場合の周波数３００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図。(A) is a waveform diagram showing a relationship between an input voltage and an output voltage at a frequency of 300 kHz when no load is applied to the sensor element, and (b) an input voltage and an output voltage at a frequency of 300 kHz when a load is applied to the sensor element. The wave form diagram which shows the relationship. （ａ）はセンサ素子に荷重を加えない場合の周波数４００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図、（ｂ）センサ素子に荷重を加えた場合の周波数４００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図。(A) is a waveform diagram showing the relationship between the input voltage and output voltage at a frequency of 400 kHz when no load is applied to the sensor element; (b) the input voltage and output voltage at a frequency of 400 kHz when a load is applied to the sensor element; The wave form diagram which shows the relationship. （ａ）はセンサ素子に荷重を加えない場合の周波数５００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図、（ｂ）センサ素子に荷重を加えた場合の周波数５００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図。(A) is a waveform diagram showing the relationship between the input voltage and output voltage at a frequency of 500 kHz when no load is applied to the sensor element, and (b) the input voltage and output voltage at a frequency of 500 kHz when a load is applied to the sensor element. The wave form diagram which shows the relationship. （ａ）はセンサ素子に荷重を加えない場合の周波数１００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図、（ｂ）センサ素子に荷重を加えた場合の周波数１００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図。(A) is a waveform diagram showing the relationship between the input voltage and output voltage at a frequency of 100 kHz when no load is applied to the sensor element; (b) the input voltage and output voltage at a frequency of 100 kHz when a load is applied to the sensor element; The wave form diagram which shows the relationship. （ａ）はセンサ素子に荷重を加えない場合の周波数２００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図、（ｂ）センサ素子に荷重を加えた場合の周波数２００ｋＨｚの入力電圧と出力電圧との関係を示す波形図。(A) is a waveform diagram showing the relationship between the input voltage and output voltage at a frequency of 200 kHz when no load is applied to the sensor element; (b) the input voltage and output voltage at a frequency of 200 kHz when a load is applied to the sensor element; The wave form diagram which shows the relationship. 入力信号の周波数が１００〜３００ｋＨｚの場合における出力電圧と荷重との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between an output voltage and a load in case the frequency of an input signal is 100-300 kHz. コイル状炭素繊維の含有量を変化させた場合における出力電圧と荷重との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between an output voltage and a load in the case of changing content of coiled carbon fiber. ヒステリシスを表すための出力電圧と荷重との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the output voltage and load for expressing a hysteresis. 入力信号の周波数が４００〜５００ｋＨｚの場合における出力電圧と圧力との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between an output voltage and a pressure in case the frequency of an input signal is 400-500 kHz. （ａ）は荷重（Ｎ）とセンサ素子の変位量（ｃｍ）との関係を示すグラフ、（ｂ）は出力電圧（Ｖ）と荷重（Ｎ）との関係を示すグラフ。(A) is a graph which shows the relationship between a load (N) and the displacement amount (cm) of a sensor element, (b) is a graph which shows the relationship between an output voltage (V) and a load (N).

Explanation of symbols

１０…荷重センサ、１１…センサ素子、１２ａ、１２ｂ…電極、１４…入力装置、１６…電気抵抗線、１８…検出装置、２７…第１マルチプレクサ、２８…第２マルチプレクサ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Load sensor, 11 ... Sensor element, 12a, 12b ... Electrode, 14 ... Input device, 16 ... Electrical resistance line, 18 ... Detection apparatus, 27 ... 1st multiplexer, 28 ... 2nd multiplexer.

Claims

A sensor element formed by a medium in which coiled carbon fibers are dispersed, a pair of electrodes electrically connected to the sensor element, an input device for supplying an input signal to one electrode, and the other electrode An electrical resistance line connected to the sensor element, and a detection device for detecting a load based on a voltage as an output signal generated in the electrical resistance line due to the load applied to the sensor element,
An input signal supplied from the input device is a periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz.

The load sensor according to claim 1, wherein the input signal is a rectangular wave.

The sensor device includes a plurality of sensor elements, and the detection device includes a multiplexer, and the multiplexer is electrically connected to a pair of electrodes connected to each sensor element, and configured to measure a distribution of a load applied to the sensor elements. The load sensor according to claim 1, wherein the load sensor is provided.

An output signal generated in an electric resistance wire by a load applied to the sensor element by supplying an input signal which is a periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz from the input device using the load sensor according to claim 1 or 2. A load detection method, wherein a load is detected by a detection device based on the voltage as described above.

A voltage as an output signal generated in an electric resistance line by supplying an input signal which is a periodic signal having a frequency of 300 to 500 kHz from an input device using the load sensor according to claim 3. A load detection method, wherein a load distribution is detected by a detection device including a multiplexer based on the method.