JP2015158431A - 荷重センサ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、従来の荷重センサにおいては検知することができない、接触体に作用する把持荷重を検知することを可能とし、荷重センサの用途をさらに広げることを目的とする。
中心電極と分割電極とが上部電極と下部電極の少なくとも一方に設けられるとは、上部電極と下部電極の双方に同一の平面配置となるように中心電極と分割電極を設ける場合、上部電極については中心電極と分割電極とを配し、下部電極については均一な面状の電極とする場合、上部電極については均一な面状の電極とし下部電極については中心電極と分割電極とする場合を含む意である。
接触体に位置合わせして中心電極を配するとは、半球状等に形成される接触体の中心位置と、中心電極の中心位置とを位置合わせするように接触体を配する意味である。
接触体の形態は、半球状、球体状、円柱状、多角柱状、錐体状(角錐体、円錐体)等とすることができる。半球状の接触体を使用する場合は、接触体の底面の平面を荷重検出部の表面に接触するように設ければよい。
また、中心電極と分割電極の形状も円形、三角形、矩形、多角形等に適宜設定することが可能であるが、中心電極の平面形状を円形とし、分割電極を中心電極の周囲の円環状の平面領域を複数に分割した形態とすることにより、電極配置をコンパクトにして、垂直荷重、せん断荷重、把持荷重を的確に検出することができる。
本発明に係る三軸荷重−把持荷重検出センサの構成について説明する前に、感圧導電体層を用いて荷重の三次元的な作用(xyz方向の作用)を検知する基本的な構成を備える従来の三軸荷重検知用センサについて説明する。
図12は従来の三軸荷重検知用センサの斜視図、図13は断面図である。
この荷重センサは、荷重検出部5と、荷重検出部5上に配置した接触体6とを備える。接触体6はシリコーン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアセタール等の復元性のある柔軟な材料からなる。図示例のセンサは、半球体状に形成した接触体6を用いた例であり、接触体6の半球体の平面部分を荷重検出部5の上面に接触させて配置している。
荷重検出部5の感圧導電体層7は、上部基板8の電極8a、8b、8c(y軸方向の他方の電極は不図示)と下部基板9の電極9aとにより厚さ方向に挟まれている。
上部基板8の電極と下部基板9の電極は、それぞれ電圧検知器(不図示)に接続され、荷重検出部5に荷重が作用すると、上部基板8の4つの電極と下部基板9の電極との間の抵抗値が各々変化し、この抵抗値の変化が電圧変化量として検知される。
また、上記例では、検知用の電極を上部基板8に設け下部基板9の電極を一面に設けたが、上部基板8と下部基板9の双方に対応する配置で電極をそれぞれ分割して(たとえば4つに分割)設けることもできるし、上部基板8の替りに下部基板9に検知用の電極を設けて上部基板8には一面に電極を設ける構成とすることもできる。
なお、図12、13は、半球状の接触体6を使用した例を示すが、半球状の接触体6の替りに、球体状、円柱状、角柱状の接触体6を用いることもできる。
図1は、本発明に係る、三軸荷重と把持荷重とを検出する荷重センサの一実施形態の構成を示す斜視図である。
この荷重センサは、半球体状に形成した接触体20と、接触体20が接触して配置される荷重検出部10とを備える。
図2に、荷重センサの組み立て斜視図を示す。荷重センサの荷重検出部10は、接触体20の下方に配置される上部電極12と、上部電極12の下層に配置される感圧導電体層14と、感圧導電体層14の下層に配置される下部電極16とを備える。
図1、2は、上部電極12の平面形状をわかりやすく示すため、上部基板のベースフィルムを省略して示している。上部基板は、接触体20に接する側のベースフィルムと、感圧導電体層14に対向する側の上部電極12とからなる。
感圧導電体層14は、上部電極12の平面形状と同一の平面パターンに形成してもよいが、図示例のように、均一なシート状に形成したものを使用すればよい。
荷重センサを数百度(℃)といった高温環境で使用するような場合には、感圧導電体層14にはグラッシーカーボンような耐熱性の高い感圧導電材料を使用し、あわせて高耐熱性の基板材料からなる上部基板と下部基板を使用すればよい。
下部電極16も上部電極12と同様に、ベース基板上に電極が形成され、ベース基板と下部電極16とで下部基板が構成される。図2では、下部基板のベース基板を省略して示す。
図3は、荷重センサの電気回路を示す。上部電極12と下部電極16とで感圧導電体層14を挟む構造を備える荷重検出部10は、上部電極12の5つに分割された各々の電極に対応して個別に可変抵抗が設けられていることと等価である。したがって、上部電極12と下部電極16との間に電圧を印加することにより、上部電極12の中心電極12aと分割電極12b〜12eについて、荷重が作用したときの各々の電圧変化を検知することができる。
図3では、上部電極12の各検出ゾーンに対応して、可変抵抗R1、R2、R3、R4、R5が並列に形成され、荷重センサに直流電圧を印加したときの、各検出ゾーンの出力電圧がV1、V2、V3、V4、V5となることを示す。
ΔVm=Vm0−Vm(m=1、2、3、4、5)
各検出ゾーンの出力電圧を検知するため、荷重センサの上部電極12と下部電極16は、検出ゾーンごとに電圧変化を検知する電圧検出手段に接続され、この電圧検出手段の計測結果に基づいて、接触体20に作用する荷重の大きさと、荷重が作用する向きを検出する演算処理手段を備える。上述した荷重センサと、電圧検出手段及び演算処理手段を含めて荷重センサシステムとなる。
図5、6、7に、荷重測定原理の説明図として、接触体20に垂直に荷重が作用する場合、せん断方向に荷重が作用する場合、把持荷重が作用する場合を示す。
なお、説明上、図のように、検出ゾーン1と検出ゾーン4(検出ゾーン2と検出ゾーン3)の境界線の方向をx軸方向、検出ゾーン1と検出ゾーン2(検出ゾーン3と検出ゾーン4)の境界線の方向をy軸方向としている。
図5に示すように、接触体20に垂直方向から荷重が作用する場合は、5つの検出ゾーン1、2、3、4、5に均等に荷重が作用する。したがって、垂直荷重が作用することによる電圧変化量ΔVPnは次式(1)で表される。
ΔVPn=ΔV1+ΔV2+ΔV3+ΔV4+ΔV5・・・(1)
垂直荷重の絶対値については、既存の加圧センサを利用して、ΔVPnと荷重との関係を較正しておくことによって検知することができる。
図4は、各検出ゾーンの電圧変化量が等しく表れた場合であり、各検出ゾーンの電圧変化量が等しく表れた場合には、接触体20に垂直方向に荷重が作用していることがわかる。
図6は、接触体20にせん断荷重が作用する例として、x軸方向にせん断荷重が作用する場合(図6(a))と、y方向にせん断荷重が作用する場合(図6(b))を示す。
図6(a)に示すように、x軸方向にせん断荷重が作用するように接触体20に荷重を作用させた場合の荷重は、荷重検出部の平面に垂直方向の荷重とx軸方向に平行な方向の荷重に分解することができる。
接触体20にせん断荷重が作用した場合、接触体下面に配置された各検出ゾーンに作用する垂直荷重が不均衡になるように作用する。すなわち、図6(a)の例では、検出ゾーン1及び検出ゾーン4に作用する垂直荷重が、検出ゾーン2と検出ゾーン3に作用する垂直荷重よりも大きくなり、検出ゾーン1と検出ゾーン4の電圧変化量ΔV1、ΔV4が、検出ゾーン2と検出ゾーン3の電圧変化量ΔV2、ΔV3よりも大きくなる。
ΔVPx=ΔV1+ΔV4−(ΔV2+ΔV3)・・・(2)
ΔVPxはせん断荷重のx軸成分Pxの大きさが変化するにしたがい変化する。つまり、せん断荷重のx軸成分PxとΔVPxの関係を較正することで、せん断荷重のx軸成分Pxを求めることができる。よってせん断荷重のx軸成分Pxは次式で表される。
Px∝ΔVPx
この電圧変化量の差は、y軸方向のせん断荷重の作用に基づくものであり、y軸方向にせん断荷重を作用させたときのせん断荷重に基づく電圧変化量をΔVPyとすると、ΔVPyは、次式で表される。
ΔVPy=ΔV1+ΔV2−(ΔV3+ΔV4)・・・(3)
ΔVPyはせん断荷重のy軸成分Pyの大きさが変化するにしたがい変化する。つまり、せん断荷重のy軸成分PyとΔVPyの関係を較正することで、せん断荷重のy軸成分Pyを求めることができる。よってせん断荷重のy軸成分Pyは次式で表される。
Py∝ΔVPy
ただし、中心電極12aの電圧変化量は、接触体20に作用する垂直荷重の検出には必須である。せん断荷重が作用する場合も、式(1)で示したように、接触体20に作用する垂直荷重に基づく電圧変化量ΔVPnは、次式で求めることができる。
ΔVPn=ΔV1+ΔV2+ΔV3+ΔV4+ΔV5
図7は、接触体20に対して把持力(つまむ力)を作用させたときの作用を示す。接触体20に把持力を作用させるとは、図7に示すように、接触体20を両側からつまむようにして荷重を作用させることである。
実際に接触体20を把持する場合に、把持位置(接触体20を押さえる2点の位置)が、必ずしも接触体20の中心(円形の底面の中心)に正確に対称となる位置になるとは限らないが、ここでは、接触体20の中心に対して対称となる位置で互いに対向する向きに力を作用させたとする。
接触体20を把持した際の各検出ゾーンの電圧変化量を、ΔV1、ΔV2、ΔV3、ΔV4、ΔV5とすると、接触体20を把持した際の荷重に起因する電圧変化量ΔVpcは次式(4)で表される。
ΔVPc=ΔV5−(ΔV1+ΔV2+ΔV3+ΔV4)・・・(4)
図9は、(4)式に示した、把持荷重に対する電圧出力ΔVPcを算出した結果を示すグラフである。電圧出力ΔVPcと把持荷重との関係を較正することにより、把持荷重を求めることができる。
図10は、接触体に作用するねじり力(z軸周りのモーメント)を検知するための荷重センサの例を示す。この荷重センサでは前述した半球体状の接触体20にかえて角柱状の接触体21を使用し、円形の中心電極の周囲に分割電極(ゾーン1〜4)を4分割して配置している。荷重検出部11の構成は分割電極の平面形状を除いては、前述した荷重検出部10と全く同一である。
角柱状の接触体21を使用しているのは、接触体21に対してねじり力(z軸のまわりにねじる)を作用させやすくするためであり、接触体の形状が角柱状に限定されるものではない。
ΔMz=ΔV1+ΔV3−(ΔV2+ΔV4)・・・(5)
接触体21に作用させるモーメントMzの大きさとそのときの電圧出力ΔMzは、次式のように、比例関係にある。
Mz∝ΔMzΔVPy
したがって、接触体21にモーメントを作用させたときの電圧出力ΔMzとモーメントMzの関係を較正することにより、センサに負荷されるモーメントを検出することができる。
荷重センサは単体で使用することもできるし、平面内に多数個配列し、荷重が対象面内でどのように作用しているかを検知することもできる。
接触体は、柔軟な弾性材料から構成される。この接触体は、各検出ゾーンの電圧変化量に関係するから、適宜ヤング率、ポアソン比の材料を使用するのがよい。たとえば、液体シリコンと硬化剤とからなる接触体を使用する場合、溶剤の混合比を変えることにより、ヤング率、ポアソン比を変えることができる。
7 感圧導電体層
9 下部基板
9a 電極
10、11 荷重検出部
12 上部電極
12a 中心電極
12b、12c、12d、12e 分割電極
14 感圧導電体層
16 下部電極
20、21 接触体
30 センサ部
Claims (7)
- 感圧導電体層と、該感圧導電体層を中間層として積層された上部電極と下部電極とを有する荷重検出部と、該荷重検出部の表面に接して配置された接触体とを備える荷重センサであって、
前記上部電極と下部電極との少なくとも一方が、
前記接触体に位置合わせして配される中心電極と、該中心電極の周囲に配される2以上の分割電極とを備え、
前記接触体が、前記中心電極と分割電極の双方に重複して接する配置に設けられていることを特徴とする荷重センサ。 - 前記分割電極は、前記中心電極の周囲に、周方向に均等に分割されて形成されていることを特徴とする請求項1記載の荷重センサ。
- 前記中心電極は、平面形状が円形に形成され、
前記分割電極は、前記中心電極の周囲の円環状の平面領域を複数に分割して形成されていることを特徴とする請求項2記載の荷重センサ。 - 前記上部電極と下部電極は、該上部電極と下部電極とを前記感圧導電体層に対向する配置として、ベース基板上に設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の荷重センサ。
- 前記感圧導電体層は、前記上部電極と下部電極を兼ねて上部電極あるいは下部電極の一方に置き換えて設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の荷重センサ。
- 前記接触体が半球体形状に設けられ、該接触体の底面の平面を前記荷重検出部の表面に接触して設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の荷重センサ。
- 請求項1〜6のいずれか一項記載の荷重センサと、電圧検出手段と、演算処理手段とを備える荷重センサシステムであって、
前記電圧検出手段は、前記上部電極と下部電極と各々電気的に接続され、前記荷重センサの中心電極と各々の分割電極の平面配置に対応する電圧変化の検出ゾーンごとに、荷重センサに荷重が作用した際の電圧の変化を検出する手段を備え、
前記演算処理手段は、前記電圧検出手段により検知された前記検出ゾーンごとの電圧変化量に基づいて、前記接触体に作用する垂直荷重、せん断荷重、把持荷重を検出する手段を備えることを特徴とする荷重センサシステム。
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