JP2020193807A - ひずみ変換器、荷重計、及び商品陳列棚 - Google Patents
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Abstract
【課題】長期間にわたって荷重が加わっても、クリープ現象による劣化が抑制された荷重計を提供する。【解決手段】ひずみ変換器100は、第1面103A及び第1面103Aと反対側の第2面103Bとを有し、無機物及び有機物を含む複合材料からなる起歪体103と、起歪体103の第1面103Aに設けられ、印加されたひずみに応じて抵抗値が変化する導電性材料が所定のパターンとして形成されているひずみセンサ130Aと、を有する。【選択図】図1
Description
本開示は、ひずみ変換器、ひずみ変換器を備える荷重計、及び荷重計を備える商品陳列棚である。
荷重計(ロードセル)は、力や荷重の物理量を電気信号に変換するもので、力や荷重の検出素子としてひずみゲージが使用されている。特許文献1には、樹脂材料で形成された基材と、基材上に設けられた抵抗体と、基材の抵抗体が設けられた面とは反対側の面に設けられた融着層とを有するひずみゲージが開示されている。融着層は、熱可塑性のポリイミド層で形成される。
樹脂材料で形成された基材と抵抗体とからなるひずみゲージや融着層に、長期間にわたって荷重が加わると、時間の経過とともにひずみが増大するクリープ現象により樹脂材料及びポリイミド層が伸びてしまう。これにより、ひずみゲージの検出精度が低下してしまう。このようなひずみゲージを、ひずみを検出したい基板に貼りつけたとしても、当該基板の材質によっては、基板の湾曲によって基板、樹脂材料、ポリイミド層のそれぞれでクリープ現象が生じてしまう。そのため、ひずみ補償回路を設けていても、これらの材料の伸びを考慮した補正をすることが困難となる。
本開示の一実施形態では、長期間にわたって荷重が加わっても、クリープ現象による劣化が抑制された荷重計を提供することを目的の一つとする。
本開示の一実施形態に係るひずみ変換器は、第1面及び第1面と反対側の第2面とを有し、無機物及び有機物を含む複合材料からなる起歪体と、起歪体の第1面に設けられ、印加されたひずみに応じて抵抗値が変化する導電性材料が所定のパターンとして形成されているひずみセンサと、を有する。
上記構成において、複合材料は、ガラスエポキシ、又はガラスコンポジットのいずれか一つであってもよい。
本開示の一実施形態に係る荷重計は、ひずみ変換器と、離間して設けられた第1支持部及び第2支持部を有する第1基材と、第1支持部と第2支持部との間に離間して設けられた第3支持部及び第4支持部とを有する第2基材と、を有し、ひずみ変換器は、第1基材と第2基材との間に設けられ、第1支持部、第2支持部、第3支持部、及び第4支持部との間に設けられ、ひずみセンサは、第3支持部と第4支持部との間に設けられる。
上記構成において、第1支持部、第2支持部、第3支持部、及び第4支持部は、第1基材の第1方向に沿って設けられてもよい。
上記構成において、第3支持部及び第4支持部は、ひずみセンサと重畳しなくてもよい。
上記構成において、ひずみセンサは、第1基材と対向して設けられてもよい。
上記構成において、ひずみセンサは、第2基材と対向して設けられてもよい。
上記構成において、起歪体は、ひずみセンサの検知信号を検出する検出回路をさらに有していてもよい。
上記の構成における荷重計を、棚板上に設けた商品陳列棚に用いてもよい。
本開示の一実施形態では、長期間にわたって荷重が加わっても、クリープ現象による劣化が抑制された荷重計を提供することができる。
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下に示す実施形態は本開示の実施形態の一例であって、本開示はこれらの実施形態に限定されるものではない。なお、本実施形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号または類似の符号(数字の後にA、Bなどを付しただけの符号)を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
(第1実施形態)
本開示の一実施形態に係るひずみ変換器100について、図1を参照して説明する。
本開示の一実施形態に係るひずみ変換器100について、図1を参照して説明する。
[ひずみ変換器]
図1(A)は、本開示の一実施形態に係るひずみ変換器100の平面図であり、図1(B)は、図1(A)に示すひずみ変換器100をA1−A2線に沿って切断した断面図である。
図1(A)は、本開示の一実施形態に係るひずみ変換器100の平面図であり、図1(B)は、図1(A)に示すひずみ変換器100をA1−A2線に沿って切断した断面図である。
ひずみ変換器100は、第1面103A、第1面103Aの反対側の第2面103Bを有する起歪体103と、ひずみセンサ130A〜130Cを有する。図1(A)では、起歪体103の第1面103A側から見たときの図を示している。ひずみセンサ130A〜ひずみセンサ130Cは、第1方向D1と交差する第2方向D2に沿って配置されている。起歪体103とは、外力によりひずみを生じさせる部材である。起歪体103に外力を加えるとひずみが生じ、起歪体103に設けられたひずみセンサ130A〜130Cの抵抗値が変化する。以降の説明において、ひずみセンサ130A〜130Cのそれぞれを区別しない場合には、ひずみセンサ130と記載する。また、ひずみセンサ130A〜130Cのそれぞれの構成要素についても同様である。
起歪体103として、有機物及び無機物を含む複合材料を用いることが好ましい。例えば、複合材料として、ガラスエポキシ、又はガラスコンポジットなどを用いることができる。ガラスエポキシは、ガラス布(クロス)にエポキシ樹脂を含侵させた材料で構成されている。また、ガラスコンポジットは、ガラス布(クロス)とガラス不織布を混ぜ合わせた基材に、エポキシ樹脂を含侵させた材料で構成されている。有機物及び無機物を含む複合材料の曲げ強さは、ガラスエポキシ:400MPa、ガラスコンポジット:300MPaである。なお、有機物のみの場合の曲げ強さは、エポキシ:120MPaであり、無機物のみの場合の曲げ強さは、ガラス:50MPaである。ガラスエポキシ又はガラスコンポジットは、ガラス成分を多く含むことによって、ヒステリシスが低く、高いクリープ耐性を有する。これにより、荷重計200に、長期間にわたって荷重が加わっても、クリープ現象によって、ひずみ変換器100が劣化することを抑制できる。
ひずみセンサ130A〜ひずみセンサ130Cは、それぞれが並列に配置されている。ひずみ変換器100に荷重が印加された場合、ひずみセンサ130A〜ひずみセンサ130Cのそれぞれから、ひずみを計測する。荷重計200に荷重が印加された位置に応じて、ひずみセンサ130A〜ひずみセンサ130Cから異なる値が出力されるため、荷重計200において、どの位置に荷重が加えられているか位置が把握しやすくなる。ひずみセンサ130A〜ひずみセンサ130Cと接続されるそれぞれの配線133A〜133C、135A〜135Cの端部は、一か所に集まることが望ましい。
[ひずみセンサの構成]
図2は、起歪体103に設けられたひずみセンサ130の拡大図である。ひずみセンサ130は、印加されたひずみに応じて抵抗値が変化する導電性材料131が、起歪体103に所定のパターンとして形成されている。導電性材料131の所定のパターンは、起歪体103の第1面103A又は第2面103Bの少なくとも一方に、印刷法やインクジェット法、または、蒸着法やスパッタリング法の後にパターンエッチングなどにより形成される。導電性材料131は、例えば、グラファイト、銅、金、銀、ニッケル、鉄、チタン、クロム、モリブデン、マンガン、コバルト、亜鉛、ルテニウム、パラジウム、錫、コンスタンタン、カーボンナノチューブなどのうちのいずれか、あるいはこれらの混合物や酸化物で構成される。また、ひずみセンサ130の膜厚は、1μm以上100μm以下であることが好ましく、例えば、10μmとする。複合基板は樹脂単体の基板と比べて熱膨張率が小さく、熱応力差によって導電性材料が剥離するリスクを抑えられる。
図2は、起歪体103に設けられたひずみセンサ130の拡大図である。ひずみセンサ130は、印加されたひずみに応じて抵抗値が変化する導電性材料131が、起歪体103に所定のパターンとして形成されている。導電性材料131の所定のパターンは、起歪体103の第1面103A又は第2面103Bの少なくとも一方に、印刷法やインクジェット法、または、蒸着法やスパッタリング法の後にパターンエッチングなどにより形成される。導電性材料131は、例えば、グラファイト、銅、金、銀、ニッケル、鉄、チタン、クロム、モリブデン、マンガン、コバルト、亜鉛、ルテニウム、パラジウム、錫、コンスタンタン、カーボンナノチューブなどのうちのいずれか、あるいはこれらの混合物や酸化物で構成される。また、ひずみセンサ130の膜厚は、1μm以上100μm以下であることが好ましく、例えば、10μmとする。複合基板は樹脂単体の基板と比べて熱膨張率が小さく、熱応力差によって導電性材料が剥離するリスクを抑えられる。
ひずみセンサ130を構成する導電性材料131の所定のパターンは、特に限定されないが、検知したい物理量に応じた形状にすることができる。ひずみを検出する場合、直線状であってもよいし、ミアンダ状であってもよい。図2では、所定のパターンとして、ミアンダ状で形成されている例を示す。図2において、ひずみセンサ130がひずみ(曲げ)方向(D2)に湾曲したときに導電性材料の抵抗値が変化するため、ひずみを検出し、ひずみ(曲げ)方向と交差する方向(D1)に湾曲したときには導電性材料の抵抗値が変化しないため、ひずみを検出しない。
ひずみセンサ130は、導電性材料131の所定のパターン全体の抵抗値を検出するための電極を、少なくとも2個以上有する。図2では、導電性材料131の一方には、電極132が接続されており、他方には、電極134が接続されている。電極132と電気的に接続された配線133、電極134と電気的に接続された配線135は、起歪体103の端部まで延びている。また、起歪体103の第1面103A及び第2面103Bには、配線が形成されているが、ひずみセンサ130の直下には設けられないことが好ましい。また、配線133、135は絶縁材料のカバーレイによって覆われていることが望ましい。配線133、135がカバーレイによって覆われていることにより、電気的な短絡や、擦れによる配線の損傷を防ぐことができる。カバーレイはポリイミドやポリエステルのフィルムをラミネートするか、エポキシなどを含む絶縁性インキであるソルダレジストを塗布する、などによって形成される。
樹脂材料で形成された基材と抵抗体とからなるひずみゲージや融着層に、長期間にわたって荷重が加わると、時間の経過とともにひずみが増大するクリープ現象により樹脂材料及びポリイミド層が伸びてしまう。これにより、ひずみゲージの検出精度が低下してしまう。このようなひずみゲージを、ひずみを検出したい基板に貼りつけたとしても、当該基板の材質によっては、基板の湾曲によって基板、樹脂材料、ポリイミド層のそれぞれでクリープ現象が生じてしまう。そのため、ひずみ補償回路を設けていても、これらの材料の伸びを考慮した補正をすることが困難となる。
起歪体103として、金属基板を用いる場合、金属基板上に形成する絶縁層の焼成プロセスよって製造コストが増加する。また、絶縁処理が施されたひずみゲージを起歪体に接着する場合には、ひずみゲージの貼り付け、ひずみゲージに接続する配線工程に製造コストがさらに増加する。また、ひずみゲージを基板に貼り付ける際に、接着剤を用いることにより、接着剤のクリープ現象によってひずみの検出精度が低下する。
したがって、起歪体103として、有機物及び無機物を含む複合材料を用いることにより、絶縁層を形成する工程が削減されるため、製造コストを低減することができる。また、起歪体103として、ヒステリシスが低い複合材料を用いることにより、長期間にわたって荷重が加わっても、複合材料のクリープ現象による劣化を抑制することができる。これにより、ひずみ変換器100のひずみの検出精度を向上させることができる。また、本開示の一実施形態に係るひずみ変換器100は、起歪体103として、平板状の複合材料を用いればよく、起歪体103上に、導電性材料からなる所定のパターンを印刷法などにより形成すればよいため、容易に製造することができる。
(第2実施形態)
本実施形態では、本開示の一実施形態に係る荷重計200について、図3乃至図6を参照して説明する。
本実施形態では、本開示の一実施形態に係る荷重計200について、図3乃至図6を参照して説明する。
[荷重計の構成1]
まず、本開示の一実施形態に係る荷重計200の概要について、図3及び図4を参照して、説明する。
まず、本開示の一実施形態に係る荷重計200の概要について、図3及び図4を参照して、説明する。
図3は、本開示の一実施形態に係る荷重計200の外観図である。荷重計200は、第1基材101、第2基材102、及びひずみ変換器100を有する。ひずみ変換器100は、第1基材101と第2基材102との間に設けられている。ひずみ変換器100は、複数のひずみセンサ130A〜130Cを有している。
図4は、本開示の一実施形態に係る荷重計200をA1−A2線に沿って切断した断面図である。図4(A)は、荷重計200に荷重を印加する前の状態を示す図であり、図4(B)は、荷重計200に荷重を印加した後の状態を示す図である。
図4(A)に示すように、第1基材101は、構造物111、構造物112、側部113、及び側部114を有する。また、第2基材102は、構造物121、構造物122、構造物123、側部124、及び側部125を有する。ひずみ変換器100は、第1面103A及び第1面103Aの反対側の第2面103Bを有する起歪体103と、複数のひずみセンサ130を有する。
起歪体103とは、外力によりひずみを生じさせる上記に挙げた複合材料である。起歪体103に外力を加えるとひずみが生じ、起歪体103に設けられたひずみセンサ130A〜130Cが伸び縮みする。ひずみセンサ130A〜130Cに生じた伸び縮み量によって、電気抵抗が変化する。当該電気抵抗を、検出器によって電気信号を検出し、電気信号を増幅する。さらに、A/D変換器によって、電気信号をA/D変換して、デジタル処理をすることで、重量を算出することができる。また、起歪体103として用いる複合材料は、第1基材101及び第2基材102よりも、ヒステリシスが低いことが好ましい。
構造物111は、起歪体103の第1面101Aと接する支持部1及び支持部5を有する。構造物112は、起歪体103の第1面101Aと接する支持部2及び支持部9を有する。側部113は、起歪体103の第1面101Aと接する支持部6を有する。側部114は、起歪体103の第1面101Aと接する支持部10を有する。
構造物121は、起歪体103の第2面101Bと接する支持部3及び支持部4を有する。構造物122は、起歪体103の第2面101Bと接する支持部7及び支持部8を有する。構造物123は、起歪体103の第2面101Bと接する支持部11及び支持部12を有する。
ひずみセンサ130Aは、支持部3と支持部4との間に設けられる。ひずみセンサ130Bは、支持部7と支持部8との間に設けられる。また、ひずみセンサ130Cは、支持部11と支持部12との間に設けられる。ひずみセンサ130A、ひずみセンサ130B及びひずみセンサ130Cは、第1基材101と対向して設けられる。
本開示の一実施形態に係る荷重計200では、起歪体103が、第1基材101に設けられた支持部1及び支持部2と、第2基材102に設けられた支持部3及び支持部4との間に設けられる。したがって、図4(B)に示すように、荷重計200に第2基材102側から荷重を印加すると、起歪体103は、支持部3及び支持部4によって上から押圧され、支持部1及び支持部2によって下から押圧される。したがって、ひずみセンサ130Aを局所的に押圧せず、支持部1〜4によって起歪体103を上下から押圧することで、起歪体103にひずみを生じさせる。これにより、ひずみセンサ130Aには均一にひずみが生じるため、ひずみセンサ130の検出精度を向上させることができる。
荷重計200に第2基材102側から荷重を印加した場合に、起歪体103に生じる変曲点の数が、0又は1であると、起歪体103が撓んだ箇所の曲率が小さくなる。この場合、ひずみセンサ130のダイナミックレンジが小さくなる。これに対し、本開示の一実施形態に係る荷重計200に、第2基材102側から荷重を印加すると、起歪体103は2か所以上の変曲点をもつようにたわむので、起歪体103がたわんだ箇所の曲率を大きくすることができる。これにより、ひずみセンサ130のダイナミックレンジを大きくすることができる。また、本開示の一実施形態に係る荷重計200では、起歪体103として、有機物及び無機物を含む複合材料を用いている。ヒステリシスが低い複合材料を用いることにより、長期間にわたって、荷重計200に荷重が印加されたとしても、起歪体103がクリープ現象によって劣化することを抑制することができる。よって、ひずみ変換器100の検出精度を向上させることができる。
次に、第1基材101、第2基材102、及びひずみ変換器100の構成について、図5及び図6を参照して詳細に説明する。
図5は、本開示の一実施形態に係る荷重計200の外観図である。図6は、図1に示す荷重計200を、B1−B2線に沿って切断した断面図である。
第1基材101には、構造物111、構造物112、側部113、及び側部114が設けられている。構造物111、構造物112、側部113、及び側部114は、第1基材101の第1方向D1に沿って延びている。第1基材101、構造物111、構造物112、側部113、及び側部114は、例えば、有機樹脂で形成される。第1基材101、構造物111、構造物112、側部113、及び側部114は、一体形成されていてもよいし、第1基材101に、構造物111、構造物112、側部113、及び側部114が接着されていてもよい。また、図示しないが、第1基材101は、第2方向D2に沿って、さらに側部が設けられていてもよい。
第2基材102には、構造物121、構造物122、構造物123、側部124、及び側部125が設けられている。構造物121、構造物122、構造物123、側部124、及び側部125は、第2基材102の第1方向D1に沿って延びている。第2基材102、構造物121、構造物122、構造物123、側部124、及び側部125は、第1基材101と同様の有機樹脂で形成される。第2基材102、構造物121、構造物122、構造物123、側部124、及び側部125は、一体形成されていてもよいし、第2基材102に、構造物121、構造物122、構造物123、側部124、及び側部125が接着されていてもよい。また、図示しないが、第2基材102は、第1方向D1に沿って、さらに側部が設けられていてもよい。
ひずみ変換器100は、第1面103A、第1面103Aの反対側の第2面103Bを有する起歪体103と、ひずみセンサ130A〜130Cを有する。ひずみセンサ130A〜ひずみセンサ130Cは、第1方向D1と交差する第2方向D2に沿って配置されている。また、起歪体103として、金属、ガラス、セラミックス、有機樹脂等で形成される。ひずみセンサ130は、抵抗線が形成された絶縁性の基材が起歪体103に接着されていてもよいし、起歪体103に、抵抗線が直接形成されたものでもよい。以降の説明において、ひずみセンサ130A〜130Cのそれぞれを区別しない場合には、ひずみセンサ130と記載する。また、ひずみセンサ130A〜130Cのそれぞれの構成要素についても同様である。ひずみセンサ130の構造については、後に詳細に説明する。
図6に示すように、第1基材101は、離間して設けられた支持部1及び支持部2を有する。支持部1は、構造物111に含まれ、支持部2は、構造物112に含まれる。つまり、構造物111の端部が、支持部1であり、構造物112の端部が、支持部2である。ここで、端部とは、構造物111の上面と、第1方向D1に沿って延びる側面とが接する角部をいう。当該角部は、直角である例について図示するが、これに限定さない。構造物111の上面と側面とが接する角部は、鈍角であってもよいし、鋭角であってもよい。また、角部は、丸みを帯びていてもよい。
第2基材102は、第1基材101と対向して設けられる。第2基材102は、構造物111の支持部1と構造物112の支持部2との間に構造物121の支持部3及び支持部4を有する。また、支持部3及び支持部4は、構造物121に含まれる。つまり、構造物121の端部が支持部3及び支持部4である。
支持部1及び支持部2は、第1基材101の第1方向D1に沿って延びており、支持部3及び支持部4は、第2基材102の第1方向D1に沿って延びている。また、平面視したとき、支持部3及び支持部4は、ひずみセンサ130Aと重畳しない。
(第3実施形態)
本実施形態では、本開示の一実施形態に係る荷重計200を、商品陳列棚300に適用する例について、図7及び図8を参照して説明する。
本実施形態では、本開示の一実施形態に係る荷重計200を、商品陳列棚300に適用する例について、図7及び図8を参照して説明する。
図7は、本開示の一実施形態に係る荷重計200が適用された商品陳列棚300の外観図である。商品陳列棚300は、一対の支柱301、302と、複数の棚板304と、ベース棚305と、背板303と、を有する。複数の棚板304は、一対の支柱301、302と、背板303とによって支持されている。
本実施形態における商品陳列棚300では、複数の棚板304及びベース棚305上のそれぞれには、荷重計200が設けられている。図7には、ひずみセンサ130と、ひずみセンサ130と重畳する構造物121とを破線で示し、その他の構成については図示を省略している。構造物121は、第1方向D1に沿って配置されている。荷重計200上に、複数の商品が陳列される。そのため、荷重計200には、複数の商品によって荷重が印加し続けられる。したがって、顧客が商品を購入するために、荷重計200から商品を手に取ると、荷重計200のひずみが変動する。このひずみの変動を検出することによって、商品の欠品を検出することができる。また、荷重計200上に、重量が大きい商品を陳列した際には、商品陳列棚300は、アラートを発してもよい。これにより、棚板304に荷重をかけすぎることによる商品陳列棚300の破損を抑制することができる。また、商品陳列棚300では、棚板304には、商品が補充し続けられるため、長期間にわたって商品によって荷重が印加される。本開示の一実施形態に係る荷重計200では、長期間にわたって、商品によって荷重が印加されたとしても、起歪体103にヒステリシスが低い複合材料を用いている。そのため、起歪体103がクリープ現象によって劣化することを抑制することができる。これにより、ひずみ変換器100の検出精度を向上させることができる。
図8は、図7に示す商品陳列棚300とは一部異なる商品陳列棚300Aの外観図である。商品陳列棚300Aは、図7に示す商品陳列棚300とは、棚板304上に複数の荷重計200が設けられている点で異なる。図8には、ひずみセンサ130と、ひずみセンサ130と重畳する構造物121とを破線で示し、その他の構成については図示を省略している。構造物121は、第2方向D2に沿って配置されている。棚板304上に設けられた隣接する荷重計200は、端子によって互いに接続される。一つの棚板304に、複数の荷重計200を設けることにより、荷重計200に配置された商品が欠品した位置をより精度よく検出することができる。
本開示の一実施形態に係る荷重計200として、商品陳列棚300を一例にして説明したが、これに限定されない。例えば、体重計、体重計、車両重量計、オフィス・飲食店・工場の消耗品在庫管理・消費量管理および廃棄物保管量管理、ピッキング作業チェック、動線解析システム、摂食量解析システム、雨量計、積雪計、工具等の整理整頓システムなどに使用することができる。
1〜12:支持部、100:ひずみ変換器、101:第1基材、102:第2基材、103:起歪体、103A:第1面、103B:第2面、111、112:構造物、113、114:側部、121〜123:構造物、124、125:側部、130、130A〜130C:ひずみセンサ、131:導電性材料、132:電極、133、133A〜133C:配線、134:電極、135:配線、135A〜135C:配線、200:荷重計、300、300A:商品陳列棚、301、302:支柱、303:背板、304:棚板、305:ベース棚
Claims (9)
- 第1面及び前記第1面と反対側の第2面とを有し、無機物及び有機物を含む複合材料からなる起歪体と、
前記起歪体の前記第1面に設けられ、印加されたひずみに応じて抵抗値が変化する導電性材料が所定のパターンとして形成されているひずみセンサと、を有する、ひずみ変換器。 - 前記複合材料は、ガラスエポキシ、又はガラスコンポジットのいずれか一つである、請求項1に記載のひずみ変換器。
- 請求項1又は2に記載のひずみ変換器と、
離間して設けられた第1支持部及び第2支持部を有する第1基材と、
前記第1支持部と前記第2支持部との間に離間して設けられた第3支持部及び第4支持部とを有する第2基材と、を有し、
前記ひずみ変換器は、前記第1基材と前記第2基材との間に設けられ、前記第1支持部、前記第2支持部、前記第3支持部、及び前記第4支持部との間に設けられ、
前記ひずみセンサは、前記第3支持部と前記第4支持部との間に設けられる、荷重計。 - 前記第1支持部、前記第2支持部、前記第3支持部、及び前記第4支持部は、前記第1基材の第1方向に沿って設けられる、請求項3に記載の荷重計。
- 前記第3支持部及び前記第4支持部は、前記ひずみセンサと重畳しない、請求項3又は4に記載の荷重計。
- 前記ひずみセンサは、前記第1基材と対向して設けられる、請求項3乃至5のいずれか一項に記載の荷重計。
- 前記ひずみセンサは、前記第2基材と対向して設けられる、請求項3乃至6のいずれか一項に記載の荷重計。
- 前記起歪体は、前記ひずみセンサの検知信号を検出する検出回路をさらに有する、請求項3乃至7のいずれか一項に記載の荷重計。
- 請求項3乃至8のいずれか一項に記載の荷重計を、棚板上に設けた商品陳列棚。
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