JP2009192335A - 荷重検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電圧を印加することにより変形すると共に外部からの荷重により電荷を生じる圧電体ユニット1と、圧電体ユニット1に電圧を印加して圧電体ユニット1を振動させる駆動部3と、圧電体ユニット1に生じた電荷を検出する検出部4とを備え、圧電体ユニット1は少なくとも一つの圧力感知面11を有し、該圧力感知面に作用する圧力を調整して圧電体ユニット1の振動を抑制する調整体2が設けられている荷重検出装置。
【選択図】図1
Description
本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、荷重検出装置に対する被測定物の力の作用状態にかかわらず、安定した荷重検出が可能となる、圧電効果を利用した荷重検出装置を提供することを目的とする。
前記圧電体ユニットは少なくとも一つの圧力感知面を有し、該圧力感知面に作用する圧力を調整して前記圧電体ユニットの振動を抑制する調整体が設けられている点にある。
本構成の調整体は、圧電体ユニットに外力が作用している際に、被測定物が何れの形状であっても、被測定物の荷重に応じた圧力を圧電体ユニットに伝達し圧電体ユニットの振動状態を安定化させることで、被測定物の荷重を正確に測定するものである。
圧電体ユニットが荷重を検出する場合、大きく二つの態様が考えられる。一つは、上述の圧電体の内部に配したダイポールの動作が制限される程度によって出力される電荷が変化する態様である。そしてもう一つは、ダイポールの動作が抑制される領域の面積が変化するものである。両者のうち、通常、制限領域の面積を変動させる方が出力される電荷の変化量を大きく設定できる。
つまり、それぞれの圧電体ユニットの夫々の領域では、荷重変化を検知することができるレンジが存在する。本構成では、前記調整体として弾性部材を用いるから、例えば、被測定物が尖った部位を有するような場合でも、狭い箇所に対する集中荷重の発生を防止し、荷重を圧電体ユニットの所定の領域に分散させることができる。この結果、圧電体ユニットの特定の検知領域が過荷重によって飽和する不都合を防止し、圧電体の個々の領域に加わる荷重を検知可能なレンジに設定しつつ、当該荷重をできるだけ多くの領域に分散させることで荷重検出精度を高めることができる。
尚、荷重の大きさにより圧電体ユニットの振動を抑制する面積を変化させるとは、例えば以下のような態様を含む。今、弾性部材で構成した調整体の全面が圧電体ユニットに接触しており、被測定物が弾性部材に対して局所的に荷重を加えたとする。このとき、局所的に作用した荷重は、弾性部材の変形によって調整体の広い領域に伝達され、夫々の領域で圧電体ユニットの動作自由度が制限されて所定の電荷が発生する。このように、本件発明の調整体は、圧電体ユニットの振動を抑制する面積を変化させることができれば、何れの構成であってもよく、調整体と弾性部材との当初の接触・非接触状態等に制限されるものではない。
この特徴によれば、調整体に印加された荷重は突起部に分配され、その分配荷重に応じて突起部と圧力感知面との接触面積が変化する。接触面積の変化は圧電体ユニットの歪変位に対する抑制に関係する。従って、このような調整体の構成は、この荷重検出装置による安定した荷重検出を導くことになる。
これにより、調整体に印加される荷重と突起部の圧力感知面に対する接触面積との関係が良好となり、結果的に調整体に印加される荷重と圧電体ユニットから出力される検出信号との関係、結果的には荷重検出精度が良好なものとなる。
本構成であれば、被測定物による荷重を調整体に対して均等に加えることができる。よって、被測定物の形状如何に拘わらず、正確な荷重測定が可能となる。
この作用区画面に対応する箇所から取り出される電気信号が、印加された荷重に対応する検出信号となる。また、この非作用区画面に対応する箇所から取り出される電気信号が参照信号となる。この参照信号を用いることで、圧電体ユニットの正確なキャリブレーションを行うことができ、その結果、正確な荷重検出が可能となる。
この実施例でも、圧電体ユニットは駆動用圧電体ユニット1Aと検出用圧電体ユニット1Bとが一体化された構造なっているが、第2実施例に比べ、検出部4に接続されている第4電極面13dが3つの種類に分割されていることで異なっている。検出用圧電体ユニット1Bの検出信号取り出し電極面である第4電極面13dが、第1電極面セグメント14aと、第2電極面セグメント14bと、第3電極面セグメント14cとに分けられている。さらに、調整体2の下側部分2aも、第1電極面セグメント14aの上方に位置する第1突起部21と、第2電極面セグメント14bの上方に位置する第2突起部22と、第3電極面セグメント14cの上方に位置する第3突起部23との3つに区分けされている。第1突起部21は、調整体2の上側部分2bに被測定物の荷重がかかることで圧力感知面(第1電極面)13aとの接触面積が変化するドーム状形状を有し、第1電極面セグメント14aの真上に位置している。第2突起部22は、第2電極面セグメント14bの真上の圧力感知面(第1電極面)13aに第2電極面セグメント14bとほぼ同じ面積のスペースSを作り出すべくそのスペースSの周囲に位置している。第3突起部23は、調整体2に荷重がかかっていてもいなくても第3電極面セグメント14cの真上の圧力感知面(第1電極面)13aの領域に接触している形状を有する。なお、この第3突起部23に検出最大荷重に相当する力をプリストレスしておくことで、当該領域に第3突起部23を接触させておくと好都合である。
当該高剛性層6は、図9に示すごとく調整体2とは別の部材を設けるものであってもよいし、両者を一体的に構成するものであってもよい。例えば、二色成形法等をもちいれば、両部位を一体的に構成することができる。
1A:駆動用圧電体ユニット
1B:検出用圧電体ユニット
2 :調整体
2a:下側部分(突起部)
2b:上側部分
3 :駆動部
4 :検出部
5 :評価部
6 :高剛性層
11 :第1電極面(圧力感知面)
12 :第2電極面
13a:第1電極面(圧力感知面)
14a:第1電極面セグメント(作用区画面)
14b:第2電極面セグメント(非作用区画面)
14c:第3電極面セグメント(非作用区画面)
Claims (6)
- 電圧を印加することにより変形すると共に外部からの荷重により電荷を生じる圧電体ユニットと、前記圧電体ユニットに電圧を印加して前記圧電体ユニットを振動させる駆動部と、前記圧電体ユニットに生じた電荷を検出する検出部とを備え、
前記圧電体ユニットは少なくとも一つの圧力感知面を有し、該圧力感知面に作用する圧力を調整して前記圧電体ユニットの振動を抑制する調整体が設けられている荷重検出装置。 - 前記調整体が、前記荷重の大きさにより前記圧電体ユニットの振動を抑制する面積を変化させる弾性部材で構成してある請求項1に記載の荷重検出装置。
- 前記調整体は前記圧力感知面側に配設され、前記圧力感知面に接触する一つ以上の突起部を備えている請求項2に記載の荷重検出装置。
- 前記突起部は、前記圧力感知面から遠ざかるほどその断面積が大きくなる曲面体形状である請求項3に記載の荷重検出装置。
- 前記荷重検出装置は、さらに前記調整体の内部より高い剛性を有する、前記荷重を受ける受け部を備える請求項1から4の何れか一項に記載の荷重検出装置。
- 前記荷重の大きさに拘わらず前記調整体と前記圧力感知面との接触状態が変化しない非作用区画面と、前記調整体を介しての外部からの力に依存して前記調整体と前記圧力感知面との接触状態が変化する作用区画面とに、前記圧力感知面が区分けされており、前記作用区画面からの検出信号を評価する場合に参照信号として前記非作用区画面からの検出信号を用いる請求項1から5の何れか一項に記載の荷重検出装置。
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