JP3837207B2 - 圧電式荷重センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電式荷重センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の荷重センサとしては、特開昭６２−２９７７３５号公報に開示された圧電型圧力分布センサが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の荷重センサは、複数の圧電素子について、各圧電素子毎にその発生信号を検出するように構成されているので、複雑な信号処理機構を必要とし、また荷重が作用している圧電素子を検出するためには複数の圧電素子に応じた数だけ検出操作を行わなければならないので、その検出操作が煩雑になると共に検出速度も遅くなる、といった問題を生ずる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、計測物理量を少なくすることにより複雑な信号処理機構を必要とせずに、荷重作用位置の検出およびその荷重の検出を迅速に行うことが可能な、構造が簡単で、製造コストの安い前記荷重センサを提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば、全体に亘り均一な圧電定数ｄ1 を持つ第１検出体と、前記第１検出体に積層され、且つその積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って漸減する圧電定数ｄ21＞ｄ22＞ｄ23を持つ第２検出体とを備え、前記第１および第２検出体の両出力値Ｑ1 ，Ｑ2 の比Ｑ2 ／Ｑ1 を荷重作用位置の検出に用い、また前記第１検出体の出力値Ｑ1 を荷重の検出に用いる圧電式荷重センサが提供される。
【０００６】
この圧電式荷重センサによれば、荷重作用位置の検出を１次元的に行い、且つその荷重の検出をその作用位置に囚われることなく行うことができる。この場合、二つの検出に必要な計測物理量は、第１，第２検出体の二つの出力値で足りる。これにより複雑な信号処理機構を不要にし、また荷重作用位置の検出等を迅速に行うことが可能である。また、この圧電式荷重センサは構造が簡単であって、製造コストも安価である。
【０００７】
また本発明によれば、第１，第２および第３検出体を相互に積層した構造を備え、前記第１検出体は、その全体に亘り均一な圧電定数ｄ1 を持ち、前記第２検出体は、その積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って漸減する圧電定数ｄ21＞ｄ22＞ｄ23を持ち、前記第３検出体は、その積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って漸減する圧電定数ｄ31＞ｄ32＞ｄ33を持つと共にその圧電定数漸減方向が前記第２検出体の圧電定数漸減方向と交差するように配置され、前記第１および第２検出体の両出力値Ｑ1 ，Ｑ2 の比Ｑ2 ／Ｑ1 を、その第２検出体の前記圧電定数漸減方向における荷重作用位置の検出に用い、また前記第１および第３検出体の両出力値Ｑ1 ，Ｑ3 の比Ｑ3 ／Ｑ1 を、その第３検出体の前記圧電定数漸減方向における荷重作用位置の検出に用い、さらに前記第１検出体の出力値Ｑ1 を、各荷重作用位置における荷重の検出に用いる圧電式荷重センサが提供される。
【０００８】
この圧電式荷重センサによれば、荷重作用位置の検出を２次元的に行い、且つその荷重の検出をその作用位置に囚われることなく行うことができる。この場合、三つの検出に必要な計測物理量は、第１〜第３検出体の三つの出力値で足りる。これにより複雑な信号処理機構を不要にし、また荷重作用位置の検出等を迅速に行うことが可能である。また、この圧電式荷重センサは構造が簡単であって、製造コストも安価である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１，２に示す圧電式荷重センサＳ1 は、基台１上に配設されて、全体に亘り均一な圧電定数を持つ第１検出体Ｄ1 と、第１検出体Ｄ1 に積層され、且つその積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って、この例では左端部側より右端部側に向って漸減する圧電定数を持つ第２検出体Ｄ2 とを備えており、第１および第２検出体Ｄ1 ，Ｄ2 の両出力値Ｑ1 ，Ｑ2 の比Ｑ2 ／Ｑ1 が荷重作用位置の検出に用いられ、また第１検出体Ｄ1 の出力値Ｑ1 が荷重の検出に用いられる。
【００１０】
基台１はアルミニウム板２と、その上面に粘着シート３を介して貼付されたポリ塩化ビニル製シート４とよりなる。
【００１１】
第１検出体Ｄ1 は、同一の圧電定数を持つ複数、この例では３個の円盤状圧電素子Ｍ1 と、各圧電素子Ｍ1 の上、下両端面にそれぞれ導電ペースト５を介して貼付された中間部銅箔６および下部銅箔７と、相隣る両中間部銅箔６間および相隣る両下部銅箔７間をそれぞれ接続する導線８とよりなる。
【００１２】
各下部銅箔７は粘着シート９を介してシート４上に貼付される。また３枚の中間部銅箔６と２本の導線８は中間部導電体１０を構成する。さらに３枚の下部銅箔７と２本の導線８は下部導電体１１を構成する。
【００１３】
第２検出体Ｄ2 は、圧電定数を異にする複数、この例では３個の円盤状第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23と、各圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の上、下両端面にそれぞれ導電ペースト５を介して貼付された上部銅箔１２および中間部銅箔６と、相隣る両上部銅箔１２間および相隣る両中間部銅箔６間をそれぞれ接続する導線８とよりなる。
【００１４】
このように、この例では各中間部導電体１０は第１，第２検出体Ｄ1 ，Ｄ2 において共用されている。一方、３枚の上部銅箔１２と２本の導線８は上部導電体１３を構成する。各上部銅箔１２を覆うように、それらの上にポリ塩化ビニル製シート１４が載せられる。
【００１５】
図１，２において、右端に位置する下部銅箔７にリード線１５が接続され、そのリード線１５は第１電量計ＣＭ1 の端子に接続される。また右端に位置する上部銅箔１２にリード線１６が接続され、そのリード線１６は第２電量計ＣＭ2 の端子に接続される。さらに右端に位置する中間部銅箔６にリード線１７が接続され、そのリード線１７は第１，第２電量計ＣＭ1 ，ＣＭ2 の両端子間の導線１８に接続される。
【００１６】
第１検出体Ｄ1 において、各圧電素子Ｍ1 の圧電定数は一定であるから、これをｄ1 とする。また第２検出体Ｄ2 における第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の圧電定数をそれぞれｄ21〜ｄ23とすると、ｄ21＞ｄ22＞ｄ23の関係が成立している。ここで、圧電定数とは、圧電素子に分極方向に荷重を作用させた際に、その分極方向に発生する電気量（電荷）から算出される値であり、これは以下同じである。
【００１７】
例えば、第１圧電素子Ｍ21の位置Ｐ0 に荷重Ｆ（Ｎ）が作用したとすると、第１電量計ＣＭ1 によりＱ1 ＝ｄ1 ・Ｆの電気量（出力値）が測定され、また第２電量計ＣＭ2 によりＱ2 ＝ｄ21・Ｆの電気量（出力値）が測定される。これら両式より、Ｑ1 ／ｄ1 ＝Ｑ2 ／ｄ21であるから、これを整理すると、Ｑ2 ／Ｑ1 ＝ｄ21／ｄ1 となる。したがって、既得の値である圧電定数ｄ21，ｄ1 よりそれらの比ｄ21／ｄ1 、つまり位置Ｐ0 における理論電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 を予め求めておけば、この理論電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 と、両測定電気量Ｑ1 ，Ｑ2 からの算出電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 とを比べることにより、第１圧電素子Ｍ21の位置Ｐ0 に荷重が作用していることを検出することができる。前記理論電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 は、圧電定数の漸減により第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の各位置Ｐ0 〜Ｐ2 において異なるので、他の位置Ｐ1 ，Ｐ2 についても、前記同様の方法で荷重作用位置の検出を行うことができる。
【００１８】
また前記式Ｑ1 ＝ｄ1 ・Ｆから荷重Ｆ（Ｎ）はＦ＝Ｑ1 ／ｄ1 と表わせるので、この式を用いることにより、第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の何れの位置Ｐ0 〜Ｐ2 に荷重が作用していても、その荷重を検出することができる。この場合、荷重Ｆの単位はＮであるから、これをkg単位の荷重Ｗに換算するには、Ｗ＝Ｆ／ｇ（ｇ：９．８ｍ／sec2、重力加速度）とすればよく、したがってＷ（kg）＝Ｑ1 ／（ｄ1 ・ｇ）となる。
【００１９】
圧電素子の構成材料にはＢａＴｉＯ3 、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3 、ＫＮｂＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、Ｐｂ（ＭｇＮｂ）Ｏ3 等のペロブスカイト型強誘電体、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等のＬｉＮｂＯ3 型強誘電体、Ｋ3 Ｌｉ2 Ｎｂ5 Ｏ15、Ｂａ2 ＮａＮｂ5 Ｏ15等のタングステンブロンズ型強誘電体、水晶（α−ＳｉＯ2 ）、ＺｎＯ、ベルリナイト（α−ＡｌＰＯ4 ）、ロッシェル塩、ＰＶＤＦ等の圧電性を有する材料が該当する。これらは、通常単独で用いられるが、複合して用いることも可能である。またこれらの材料（複合物を含む）と、ゴム弾性を有する材料またはホリマ等の低弾性率の材料とを複合して柔軟な圧電素子を得ることもできる。
【００２０】
以下、具体例について説明する。
【００２１】
図３，４に示す圧電式荷重センサＳ2 は、基台１上に配設されて、第１，第２および第３検出体Ｄ1 〜Ｄ3 を相互に積層した構造を備えている。
【００２２】
第１検出体Ｄ1 は、その全体に亘り均一な圧電定数を持つ。また第２検出体Ｄ2 は、その積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って、この例では左端部側より右端部側に向って漸減する圧電定数を持つ。さらに第３検出体Ｄ3 は、その積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って、この例では手前側より向い側に向って漸減する圧電定数を持つ、つまりその圧電定数漸減方向Ｂが第２検出体Ｄ2 の圧電定数漸減方向Ａと交差している。第１および第２検出体Ｄ1 ，Ｄ2 の両出力値Ｑ1 ，Ｑ2 の比Ｑ2 ／Ｑ1 が、その第２検出体Ｄ2 の圧電定数漸減方向Ａにおける荷重作用位置の検出に用いられ、また第１および第３検出体Ｄ1 ，Ｄ3 の両出力値Ｑ1 ，Ｑ3 の比Ｑ3 ／Ｑ1 が、その第３検出体Ｄ3 の圧電定数漸減方向Ｂにおける荷重作用位置の検出に用いられ、さらに前記第１検出体Ｄ1 の出力値Ｑ1 が、各荷重作用位置における荷重の検出に用いられる。
【００２３】
基台１の構成は前記のものと同じであり、また荷重センサＳ2 上には前記同様にポリ塩化ビニル製シート１４が載せられる。
【００２４】
第１検出体Ｄ1 は、具体的には次のように構成される。即ち、同一の圧電定数ｄ1 を持つ複数、この例では９個の円盤状圧電素子Ｍ1 が、３個宛３列に、相隣るもの相互間に所定の間隔をとって配列される。各圧電素子Ｍ1 の上，下両端面にはそれぞれ導電ペーストを介して第１中間部銅箔６1 および下部銅箔７が貼付される。相隣る両第１中間部銅箔６1 間および相隣る両下部銅箔７間はそれぞれ導線８により接続される。９枚の下部銅箔７と１０本の導線８は下部導電体１１を構成する。また９枚の第１中間部銅箔６1 と１０本の導線８は第１中間部導電体１０1 を構成する。
【００２５】
第２検出体Ｄ2 は、具体的には次のように構成される。即ち、異なる圧電定数を持つ複数、この例では９個の円盤状圧電素子Ｍ21〜Ｍ23が、第１検出体Ｄ1 と同様に、３個宛３例に、相隣るもの相互間に所定の間隔をとって配列される。これら圧電素子Ｍ21〜Ｍ23において、図４、左側の３個を第１圧電素子Ｍ21とし、また中間の３個を第２圧電素子Ｍ22とし、さらに右側の３個を第３圧電素子Ｍ23とする。
【００２６】
ここで、第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の圧電定数をｄ21，ｄ22，ｄ23とすると、それらの間にはｄ21＞ｄ22＞ｄ23の関係が成立する。各圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の上，下両端面にはそれぞれ導電ペーストを介して第２中間部銅箔６2 および第１中間部銅箔６1 が貼付される。相隣る両第２中間部銅箔６2 間は導線８により接続される。９枚の第２中間部銅箔６2 と１０本の導線８は第２中間部導電体１０2 を構成する。第１中間部導電体１０1 は第１，第２検出体Ｄ1 ，Ｄ2 において共用されている。
【００２７】
第３検出体Ｄ3 は、具体的には次のように構成される。即ち、異なる圧電定数を持つ複数、この例では９個の円盤状圧電素子Ｍ31〜Ｍ33が、第１検出体Ｄ1 と同様に、３個宛３列に、相隣るもの相互間に所定の間隔をとって配列される。これら圧電素子Ｍ31〜Ｍ33において、図４、手前側の３個を第１圧電素子Ｍ31とし、また中間の３個を第２圧電素子Ｍ32とし、さらに向い側の３個を第３圧電素子Ｍ33とする。
【００２８】
ここで、第１〜第３圧電素子Ｍ31〜Ｍ33の圧電定数をｄ31，ｄ32，ｄ33とすると、それらの間には、ｄ31＞ｄ32＞ｄ33の関係が成立する。各圧電素子Ｍ31〜Ｍ33の上，下両端面にはそれぞれ導電ペーストを介して上部銅箔１２および第２中間部銅箔６2 が貼付される。相隣る両上部銅箔１２間は導線８により接続される。９枚の上部銅箔１２と１０本の導線８は上部導電体１３を構成する。第２中間部導電体１０2 は第２，第３検出体Ｄ2 ，Ｄ3 において共用されている。
【００２９】
１つの角部に在り、且つ３個の圧電素子よりなる圧電素子の積層体において、４枚の銅箔７，６1 ，６2 ，１２にそれぞれリード線１９〜２２が接続され、前記同様の手段で、相隣る両リード線１９，２０；２０，２１；２１，２２間に発生する電気量Ｑ1 〜Ｑ3 をそれぞれ測定し得るようになっている。
【００３０】
第１検出体Ｄ1 における各圧電素子Ｍ1 および第２，第３検出体Ｄ2 ，Ｄ3 における各第１〜各第３圧電素子Ｍ21，Ｍ31〜Ｍ23，Ｍ33の組成および圧電定数は表１の通りである。
【００３１】
【表１】
【００３２】
表１から明らかなように、第１検出体Ｄ1 の各圧電素子Ｍ1 は、第２，第３検出体Ｄ2 ，Ｄ3 の各第２圧電素子Ｍ22，Ｍ32と同一組成であると共に同一の圧電定数を持つ。また第２検出体Ｄ2 の第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23は、第３検出体Ｄ3 の第１〜第３圧電素子Ｍ31〜Ｍ33とそれぞれ同一組成であると共に同一の圧電定数を持つ。したがって第３検出体Ｄ3 は、第２検出体Ｄ2 を、図４において、水平面内で反時計方向に９０°回転させたものと同一の構造を有する。
【００３３】
第２検出体Ｄ2 における第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の圧電定数漸減方向Ａにｘ軸を、また第３検出体Ｄ3 における第１〜第３圧電素子Ｍ31〜Ｍ33の圧電定数漸減方向Ｂにｙ軸をそれぞれとって、各圧電素子積層体の荷重作用位置Ｐをｘｙ座標で表わしたとき、各荷重作用位置Ｐｘｙにおける理論電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 およびＱ3 ／Ｑ1 を算出すると表２のようになる。
【００３４】
【表２】
【００３５】
次に、荷重作用位置Ｐ00にそれぞれ１．０kg、２．０kg、５．０kgおよび１０．０kgの荷重（実荷重）を作用させ、各荷重毎に発生電気量Ｑ1 〜Ｑ3 を測定し、それらの測定値に基づいて両発生電気量の比Ｑ2 ／Ｑ1 およびＱ3 ／Ｑ1 ならびに前記式Ｗ＝Ｑ1 ／（ｄ1 ・ｇ）を用いて荷重Ｗを算出した。前記同様の測定および算出を、荷重作用位置Ｐ10，Ｐ20，Ｐ21，Ｐ22の４箇所に関しても行った。
【００３６】
表３はこれらの結果を示す。表３において、発生電気量Ｑ1 〜Ｑ3 の単位はｎＣ（ナノクーロン）、荷重Ｗの単位はkgである。
【００３７】
【表３】
【００３８】
荷重作用位置Ｐ00；Ｐ10；Ｐ20，Ｐ21，Ｐ22、したがってｘ＝０；ｘ＝１；ｘ2 について理論電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 と表３の測定値からの算出電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 を比べ、また荷重作用位置Ｐ00，Ｐ10，Ｐ20；Ｐ21；Ｐ22、したがってｙ＝０；ｙ＝１；ｙ＝２について理論電気量比Ｑ3 ／Ｑ1 と表３の測定値からの算出電気量比Ｑ3 ／Ｑ1 を比べると表４のようになる。
【００３９】
【表４】
【００４０】
図５は、表４のｘ＝０，１，２について、理論電気量比と算出電気量比との関係をグラフ化したものである。
【００４１】
表４，図５から明らかなように、理論電気量比と算出電気量比とがよく一致しており、したがって算出電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 によりｘ軸方向における荷重作用位置を検出することができ、また算出電気量比Ｑ3 ／Ｑ1 によりｙ軸方向における荷重作用位置を検出することができる。つまり、この荷重センサＳ2 によれば２次元的に荷重作用位置を検出することが可能である。
【００４２】
また実荷重と表３の算出荷重Ｗを比べると表５のようになる。
【００４３】
【表５】
【００４４】
図６は、表５に基づいて実荷重と算出荷重との関係をグラフ化したものである。表５，図６から明らかなように、実荷重と算出荷重とがよく一致しており、これにより荷重の検出を行うことが十分に可能であることが判る。
【００４５】
なお、第１〜第３検出体Ｄ1 〜Ｄ3 の積層方向における位置は前記具体例に限定されない。圧電素子としては、例えば、図１における第１検出体Ｄ1 の全３個の圧電素子Ｍ1 および第２検出体Ｄ2 の全３個の圧電素子Ｍ21〜Ｍ23をそれぞれ１つにまとめたような直方体状をなすもの、図４の第１検出体Ｄ1 の全９個の圧電素子Ｍ1 、第２検出体Ｄ2 の全９個の圧電素子Ｍ21〜Ｍ23および第３検出体Ｄ3 の全９個の圧電素子Ｍ31〜Ｍ33を、それぞれ１つにまとめたような平板状をなすもの等を使用することが可能である。また圧電素子としては、直方体状、平板状等の形態を有し、且つ圧電定数が一端部側から他端部側に向って直線的に漸減するものも使用可能である。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、計測物理量を少なくすることにより複雑な信号処理機構を必要とせずに、荷重作用位置の検出を１次元的に、またその荷重の検出をその作用位置に囚われることなく、それぞれ迅速に行うことが可能な、構造が簡単で、製造コストの安い圧電式荷重センサを提供することができる。
【００４７】
請求項２記載の発明によれば、前記効果に加え、荷重作用位置の検出を２次元的に、且つ迅速に行うことが可能な圧電式荷重センサを提供することができる。
【００４８】
請求項３記載の発明によれば、荷重作用位置を２次元的に検出することが可能な圧電式荷重センサにおいて、その製造コストを一層低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電式荷重センサの第１例の斜視図である。
【図２】圧電式荷重センサの第１例の分解図である。
【図３】圧電式荷重センサの第２例の斜視図である。
【図４】圧電式荷重センサの第２例の分解斜視図である。
【図５】理論電気量比と算出電気量比との関係を示すグラフである。
【図６】実荷重と算出荷重との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ 圧電定数漸減方向
Ｄ1 〜Ｄ3 第１〜第３検出体
Ｑ1 〜Ｑ3 出力値
Ｓ1 ，Ｓ2 圧電式荷重センサ
ｄ1 ，ｄ21〜ｄ23，ｄ31〜ｄ33 圧電定数
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電式荷重センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の荷重センサとしては、特開昭６２−２９７７３５号公報に開示された圧電型圧力分布センサが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の荷重センサは、複数の圧電素子について、各圧電素子毎にその発生信号を検出するように構成されているので、複雑な信号処理機構を必要とし、また荷重が作用している圧電素子を検出するためには複数の圧電素子に応じた数だけ検出操作を行わなければならないので、その検出操作が煩雑になると共に検出速度も遅くなる、といった問題を生ずる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、計測物理量を少なくすることにより複雑な信号処理機構を必要とせずに、荷重作用位置の検出およびその荷重の検出を迅速に行うことが可能な、構造が簡単で、製造コストの安い前記荷重センサを提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため本発明によれば、全体に亘り均一な圧電定数ｄ1 を持つ第１検出体と、前記第１検出体に積層され、且つその積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って漸減する圧電定数ｄ21＞ｄ22＞ｄ23を持つ第２検出体とを備え、前記第１および第２検出体の両出力値Ｑ1 ，Ｑ2 の比Ｑ2 ／Ｑ1 を荷重作用位置の検出に用い、また前記第１検出体の出力値Ｑ1 を荷重の検出に用いる圧電式荷重センサが提供される。
【０００６】
この圧電式荷重センサによれば、荷重作用位置の検出を１次元的に行い、且つその荷重の検出をその作用位置に囚われることなく行うことができる。この場合、二つの検出に必要な計測物理量は、第１，第２検出体の二つの出力値で足りる。これにより複雑な信号処理機構を不要にし、また荷重作用位置の検出等を迅速に行うことが可能である。また、この圧電式荷重センサは構造が簡単であって、製造コストも安価である。
【０００７】
また本発明によれば、第１，第２および第３検出体を相互に積層した構造を備え、前記第１検出体は、その全体に亘り均一な圧電定数ｄ1 を持ち、前記第２検出体は、その積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って漸減する圧電定数ｄ21＞ｄ22＞ｄ23を持ち、前記第３検出体は、その積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って漸減する圧電定数ｄ31＞ｄ32＞ｄ33を持つと共にその圧電定数漸減方向が前記第２検出体の圧電定数漸減方向と交差するように配置され、前記第１および第２検出体の両出力値Ｑ1 ，Ｑ2 の比Ｑ2 ／Ｑ1 を、その第２検出体の前記圧電定数漸減方向における荷重作用位置の検出に用い、また前記第１および第３検出体の両出力値Ｑ1 ，Ｑ3 の比Ｑ3 ／Ｑ1 を、その第３検出体の前記圧電定数漸減方向における荷重作用位置の検出に用い、さらに前記第１検出体の出力値Ｑ1 を、各荷重作用位置における荷重の検出に用いる圧電式荷重センサが提供される。
【０００８】
この圧電式荷重センサによれば、荷重作用位置の検出を２次元的に行い、且つその荷重の検出をその作用位置に囚われることなく行うことができる。この場合、三つの検出に必要な計測物理量は、第１〜第３検出体の三つの出力値で足りる。これにより複雑な信号処理機構を不要にし、また荷重作用位置の検出等を迅速に行うことが可能である。また、この圧電式荷重センサは構造が簡単であって、製造コストも安価である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１，２に示す圧電式荷重センサＳ1 は、基台１上に配設されて、全体に亘り均一な圧電定数を持つ第１検出体Ｄ1 と、第１検出体Ｄ1 に積層され、且つその積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って、この例では左端部側より右端部側に向って漸減する圧電定数を持つ第２検出体Ｄ2 とを備えており、第１および第２検出体Ｄ1 ，Ｄ2 の両出力値Ｑ1 ，Ｑ2 の比Ｑ2 ／Ｑ1 が荷重作用位置の検出に用いられ、また第１検出体Ｄ1 の出力値Ｑ1 が荷重の検出に用いられる。
【００１０】
基台１はアルミニウム板２と、その上面に粘着シート３を介して貼付されたポリ塩化ビニル製シート４とよりなる。
【００１１】
第１検出体Ｄ1 は、同一の圧電定数を持つ複数、この例では３個の円盤状圧電素子Ｍ1 と、各圧電素子Ｍ1 の上、下両端面にそれぞれ導電ペースト５を介して貼付された中間部銅箔６および下部銅箔７と、相隣る両中間部銅箔６間および相隣る両下部銅箔７間をそれぞれ接続する導線８とよりなる。
【００１２】
各下部銅箔７は粘着シート９を介してシート４上に貼付される。また３枚の中間部銅箔６と２本の導線８は中間部導電体１０を構成する。さらに３枚の下部銅箔７と２本の導線８は下部導電体１１を構成する。
【００１３】
第２検出体Ｄ2 は、圧電定数を異にする複数、この例では３個の円盤状第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23と、各圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の上、下両端面にそれぞれ導電ペースト５を介して貼付された上部銅箔１２および中間部銅箔６と、相隣る両上部銅箔１２間および相隣る両中間部銅箔６間をそれぞれ接続する導線８とよりなる。
【００１４】
このように、この例では各中間部導電体１０は第１，第２検出体Ｄ1 ，Ｄ2 において共用されている。一方、３枚の上部銅箔１２と２本の導線８は上部導電体１３を構成する。各上部銅箔１２を覆うように、それらの上にポリ塩化ビニル製シート１４が載せられる。
【００１５】
図１，２において、右端に位置する下部銅箔７にリード線１５が接続され、そのリード線１５は第１電量計ＣＭ1 の端子に接続される。また右端に位置する上部銅箔１２にリード線１６が接続され、そのリード線１６は第２電量計ＣＭ2 の端子に接続される。さらに右端に位置する中間部銅箔６にリード線１７が接続され、そのリード線１７は第１，第２電量計ＣＭ1 ，ＣＭ2 の両端子間の導線１８に接続される。
【００１６】
第１検出体Ｄ1 において、各圧電素子Ｍ1 の圧電定数は一定であるから、これをｄ1 とする。また第２検出体Ｄ2 における第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の圧電定数をそれぞれｄ21〜ｄ23とすると、ｄ21＞ｄ22＞ｄ23の関係が成立している。ここで、圧電定数とは、圧電素子に分極方向に荷重を作用させた際に、その分極方向に発生する電気量（電荷）から算出される値であり、これは以下同じである。
【００１７】
例えば、第１圧電素子Ｍ21の位置Ｐ0 に荷重Ｆ（Ｎ）が作用したとすると、第１電量計ＣＭ1 によりＱ1 ＝ｄ1 ・Ｆの電気量（出力値）が測定され、また第２電量計ＣＭ2 によりＱ2 ＝ｄ21・Ｆの電気量（出力値）が測定される。これら両式より、Ｑ1 ／ｄ1 ＝Ｑ2 ／ｄ21であるから、これを整理すると、Ｑ2 ／Ｑ1 ＝ｄ21／ｄ1 となる。したがって、既得の値である圧電定数ｄ21，ｄ1 よりそれらの比ｄ21／ｄ1 、つまり位置Ｐ0 における理論電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 を予め求めておけば、この理論電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 と、両測定電気量Ｑ1 ，Ｑ2 からの算出電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 とを比べることにより、第１圧電素子Ｍ21の位置Ｐ0 に荷重が作用していることを検出することができる。前記理論電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 は、圧電定数の漸減により第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の各位置Ｐ0 〜Ｐ2 において異なるので、他の位置Ｐ1 ，Ｐ2 についても、前記同様の方法で荷重作用位置の検出を行うことができる。
【００１８】
また前記式Ｑ1 ＝ｄ1 ・Ｆから荷重Ｆ（Ｎ）はＦ＝Ｑ1 ／ｄ1 と表わせるので、この式を用いることにより、第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の何れの位置Ｐ0 〜Ｐ2 に荷重が作用していても、その荷重を検出することができる。この場合、荷重Ｆの単位はＮであるから、これをkg単位の荷重Ｗに換算するには、Ｗ＝Ｆ／ｇ（ｇ：９．８ｍ／sec2、重力加速度）とすればよく、したがってＷ（kg）＝Ｑ1 ／（ｄ1 ・ｇ）となる。
【００１９】
圧電素子の構成材料にはＢａＴｉＯ3 、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3 、ＫＮｂＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、Ｐｂ（ＭｇＮｂ）Ｏ3 等のペロブスカイト型強誘電体、ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等のＬｉＮｂＯ3 型強誘電体、Ｋ3 Ｌｉ2 Ｎｂ5 Ｏ15、Ｂａ2 ＮａＮｂ5 Ｏ15等のタングステンブロンズ型強誘電体、水晶（α−ＳｉＯ2 ）、ＺｎＯ、ベルリナイト（α−ＡｌＰＯ4 ）、ロッシェル塩、ＰＶＤＦ等の圧電性を有する材料が該当する。これらは、通常単独で用いられるが、複合して用いることも可能である。またこれらの材料（複合物を含む）と、ゴム弾性を有する材料またはホリマ等の低弾性率の材料とを複合して柔軟な圧電素子を得ることもできる。
【００２０】
以下、具体例について説明する。
【００２１】
図３，４に示す圧電式荷重センサＳ2 は、基台１上に配設されて、第１，第２および第３検出体Ｄ1 〜Ｄ3 を相互に積層した構造を備えている。
【００２２】
第１検出体Ｄ1 は、その全体に亘り均一な圧電定数を持つ。また第２検出体Ｄ2 は、その積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って、この例では左端部側より右端部側に向って漸減する圧電定数を持つ。さらに第３検出体Ｄ3 は、その積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って、この例では手前側より向い側に向って漸減する圧電定数を持つ、つまりその圧電定数漸減方向Ｂが第２検出体Ｄ2 の圧電定数漸減方向Ａと交差している。第１および第２検出体Ｄ1 ，Ｄ2 の両出力値Ｑ1 ，Ｑ2 の比Ｑ2 ／Ｑ1 が、その第２検出体Ｄ2 の圧電定数漸減方向Ａにおける荷重作用位置の検出に用いられ、また第１および第３検出体Ｄ1 ，Ｄ3 の両出力値Ｑ1 ，Ｑ3 の比Ｑ3 ／Ｑ1 が、その第３検出体Ｄ3 の圧電定数漸減方向Ｂにおける荷重作用位置の検出に用いられ、さらに前記第１検出体Ｄ1 の出力値Ｑ1 が、各荷重作用位置における荷重の検出に用いられる。
【００２３】
基台１の構成は前記のものと同じであり、また荷重センサＳ2 上には前記同様にポリ塩化ビニル製シート１４が載せられる。
【００２４】
第１検出体Ｄ1 は、具体的には次のように構成される。即ち、同一の圧電定数ｄ1 を持つ複数、この例では９個の円盤状圧電素子Ｍ1 が、３個宛３列に、相隣るもの相互間に所定の間隔をとって配列される。各圧電素子Ｍ1 の上，下両端面にはそれぞれ導電ペーストを介して第１中間部銅箔６1 および下部銅箔７が貼付される。相隣る両第１中間部銅箔６1 間および相隣る両下部銅箔７間はそれぞれ導線８により接続される。９枚の下部銅箔７と１０本の導線８は下部導電体１１を構成する。また９枚の第１中間部銅箔６1 と１０本の導線８は第１中間部導電体１０1 を構成する。
【００２５】
第２検出体Ｄ2 は、具体的には次のように構成される。即ち、異なる圧電定数を持つ複数、この例では９個の円盤状圧電素子Ｍ21〜Ｍ23が、第１検出体Ｄ1 と同様に、３個宛３例に、相隣るもの相互間に所定の間隔をとって配列される。これら圧電素子Ｍ21〜Ｍ23において、図４、左側の３個を第１圧電素子Ｍ21とし、また中間の３個を第２圧電素子Ｍ22とし、さらに右側の３個を第３圧電素子Ｍ23とする。
【００２６】
ここで、第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の圧電定数をｄ21，ｄ22，ｄ23とすると、それらの間にはｄ21＞ｄ22＞ｄ23の関係が成立する。各圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の上，下両端面にはそれぞれ導電ペーストを介して第２中間部銅箔６2 および第１中間部銅箔６1 が貼付される。相隣る両第２中間部銅箔６2 間は導線８により接続される。９枚の第２中間部銅箔６2 と１０本の導線８は第２中間部導電体１０2 を構成する。第１中間部導電体１０1 は第１，第２検出体Ｄ1 ，Ｄ2 において共用されている。
【００２７】
第３検出体Ｄ3 は、具体的には次のように構成される。即ち、異なる圧電定数を持つ複数、この例では９個の円盤状圧電素子Ｍ31〜Ｍ33が、第１検出体Ｄ1 と同様に、３個宛３列に、相隣るもの相互間に所定の間隔をとって配列される。これら圧電素子Ｍ31〜Ｍ33において、図４、手前側の３個を第１圧電素子Ｍ31とし、また中間の３個を第２圧電素子Ｍ32とし、さらに向い側の３個を第３圧電素子Ｍ33とする。
【００２８】
ここで、第１〜第３圧電素子Ｍ31〜Ｍ33の圧電定数をｄ31，ｄ32，ｄ33とすると、それらの間には、ｄ31＞ｄ32＞ｄ33の関係が成立する。各圧電素子Ｍ31〜Ｍ33の上，下両端面にはそれぞれ導電ペーストを介して上部銅箔１２および第２中間部銅箔６2 が貼付される。相隣る両上部銅箔１２間は導線８により接続される。９枚の上部銅箔１２と１０本の導線８は上部導電体１３を構成する。第２中間部導電体１０2 は第２，第３検出体Ｄ2 ，Ｄ3 において共用されている。
【００２９】
１つの角部に在り、且つ３個の圧電素子よりなる圧電素子の積層体において、４枚の銅箔７，６1 ，６2 ，１２にそれぞれリード線１９〜２２が接続され、前記同様の手段で、相隣る両リード線１９，２０；２０，２１；２１，２２間に発生する電気量Ｑ1 〜Ｑ3 をそれぞれ測定し得るようになっている。
【００３０】
第１検出体Ｄ1 における各圧電素子Ｍ1 および第２，第３検出体Ｄ2 ，Ｄ3 における各第１〜各第３圧電素子Ｍ21，Ｍ31〜Ｍ23，Ｍ33の組成および圧電定数は表１の通りである。
【００３１】
【表１】
表１から明らかなように、第１検出体Ｄ1 の各圧電素子Ｍ1 は、第２，第３検出体Ｄ2 ，Ｄ3 の各第２圧電素子Ｍ22，Ｍ32と同一組成であると共に同一の圧電定数を持つ。また第２検出体Ｄ2 の第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23は、第３検出体Ｄ3 の第１〜第３圧電素子Ｍ31〜Ｍ33とそれぞれ同一組成であると共に同一の圧電定数を持つ。したがって第３検出体Ｄ3 は、第２検出体Ｄ2 を、図４において、水平面内で反時計方向に９０°回転させたものと同一の構造を有する。
【００３３】
第２検出体Ｄ2 における第１〜第３圧電素子Ｍ21〜Ｍ23の圧電定数漸減方向Ａにｘ軸を、また第３検出体Ｄ3 における第１〜第３圧電素子Ｍ31〜Ｍ33の圧電定数漸減方向Ｂにｙ軸をそれぞれとって、各圧電素子積層体の荷重作用位置Ｐをｘｙ座標で表わしたとき、各荷重作用位置Ｐｘｙにおける理論電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 およびＱ3 ／Ｑ1 を算出すると表２のようになる。
【００３４】
【表２】
次に、荷重作用位置Ｐ00にそれぞれ１．０kg、２．０kg、５．０kgおよび１０．０kgの荷重（実荷重）を作用させ、各荷重毎に発生電気量Ｑ1 〜Ｑ3 を測定し、それらの測定値に基づいて両発生電気量の比Ｑ2 ／Ｑ1 およびＱ3 ／Ｑ1 ならびに前記式Ｗ＝Ｑ1 ／（ｄ1 ・ｇ）を用いて荷重Ｗを算出した。前記同様の測定および算出を、荷重作用位置Ｐ10，Ｐ20，Ｐ21，Ｐ22の４箇所に関しても行った。
【００３６】
表３はこれらの結果を示す。表３において、発生電気量Ｑ1 〜Ｑ3 の単位はｎＣ（ナノクーロン）、荷重Ｗの単位はkgである。
【００３７】
【表３】
荷重作用位置Ｐ00；Ｐ10；Ｐ20，Ｐ21，Ｐ22、したがってｘ＝０；ｘ＝１；ｘ2 について理論電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 と表３の測定値からの算出電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 を比べ、また荷重作用位置Ｐ00，Ｐ10，Ｐ20；Ｐ21；Ｐ22、したがってｙ＝０；ｙ＝１；ｙ＝２について理論電気量比Ｑ3 ／Ｑ1 と表３の測定値からの算出電気量比Ｑ3 ／Ｑ1 を比べると表４のようになる。
【００３９】
【表４】
図５は、表４のｘ＝０，１，２について、理論電気量比と算出電気量比との関係をグラフ化したものである。
【００４１】
表４，図５から明らかなように、理論電気量比と算出電気量比とがよく一致しており、したがって算出電気量比Ｑ2 ／Ｑ1 によりｘ軸方向における荷重作用位置を検出することができ、また算出電気量比Ｑ3 ／Ｑ1 によりｙ軸方向における荷重作用位置を検出することができる。つまり、この荷重センサＳ2 によれば２次元的に荷重作用位置を検出することが可能である。
【００４２】
また実荷重と表３の算出荷重Ｗを比べると表５のようになる。
【００４３】
【表５】
図６は、表５に基づいて実荷重と算出荷重との関係をグラフ化したものである。表５，図６から明らかなように、実荷重と算出荷重とがよく一致しており、これにより荷重の検出を行うことが十分に可能であることが判る。
【００４５】
なお、第１〜第３検出体Ｄ1 〜Ｄ3 の積層方向における位置は前記具体例に限定されない。圧電素子としては、例えば、図１における第１検出体Ｄ1 の全３個の圧電素子Ｍ1 および第２検出体Ｄ2 の全３個の圧電素子Ｍ21〜Ｍ23をそれぞれ１つにまとめたような直方体状をなすもの、図４の第１検出体Ｄ1 の全９個の圧電素子Ｍ1 、第２検出体Ｄ2 の全９個の圧電素子Ｍ21〜Ｍ23および第３検出体Ｄ3 の全９個の圧電素子Ｍ31〜Ｍ33を、それぞれ１つにまとめたような平板状をなすもの等を使用することが可能である。また圧電素子としては、直方体状、平板状等の形態を有し、且つ圧電定数が一端部側から他端部側に向って直線的に漸減するものも使用可能である。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、計測物理量を少なくすることにより複雑な信号処理機構を必要とせずに、荷重作用位置の検出を１次元的に、またその荷重の検出をその作用位置に囚われることなく、それぞれ迅速に行うことが可能な、構造が簡単で、製造コストの安い圧電式荷重センサを提供することができる。
【００４７】
請求項２記載の発明によれば、前記効果に加え、荷重作用位置の検出を２次元的に、且つ迅速に行うことが可能な圧電式荷重センサを提供することができる。
【００４８】
請求項３記載の発明によれば、荷重作用位置を２次元的に検出することが可能な圧電式荷重センサにおいて、その製造コストを一層低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電式荷重センサの第１例の斜視図である。
【図２】圧電式荷重センサの第１例の分解図である。
【図３】圧電式荷重センサの第２例の斜視図である。
【図４】圧電式荷重センサの第２例の分解斜視図である。
【図５】理論電気量比と算出電気量比との関係を示すグラフである。
【図６】実荷重と算出荷重との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ 圧電定数漸減方向
Ｄ1 〜Ｄ3 第１〜第３検出体
Ｑ1 〜Ｑ3 出力値
Ｓ1 ，Ｓ2 圧電式荷重センサ
ｄ1 ，ｄ21〜ｄ23，ｄ31〜ｄ33 圧電定数
Claims (3)
- 全体に亘り均一な圧電定数ｄ1 を持つ第１検出体（Ｄ1 ）と、前記第１検出体（Ｄ1 ）に積層され、且つその積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って漸減する圧電定数ｄ21＞ｄ22＞ｄ23を持つ第２検出体（Ｄ2 ）とを備え、前記第１および第２検出体（Ｄ1 ，Ｄ2 ）の両出力値Ｑ1 ，Ｑ2 の比Ｑ2 ／Ｑ1 を荷重作用位置の検出に用い、また前記第１検出体（Ｄ1 ）の出力値Ｑ1 を荷重の検出に用いることを特徴とする圧電式荷重センサ。
- 第１，第２および第３検出体（Ｄ1 〜Ｄ3 ）を相互に積層した構造を備え、前記第１検出体（Ｄ1 ）は、その全体に亘り均一な圧電定数ｄ1 を持ち、前記第２検出体（Ｄ2 ）は、その積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って漸減する圧電定数ｄ21＞ｄ22＞ｄ23を持ち、前記第３検出体（Ｄ3 ）は、その積層方向と交差する方向において、一端部側より他端部側に向って漸減する圧電定数ｄ31＞ｄ32＞ｄ33を持つと共にその圧電定数漸減方向（Ｂ）が前記第２検出体（Ｄ2 ）の圧電定数漸減方向（Ａ）と交差するように配置され、前記第１および第２検出体（Ｄ1 ，Ｄ2 ）の両出力値Ｑ1 ，Ｑ2 の比Ｑ2 ／Ｑ1 を、その第２検出体（Ｄ2 ）の前記圧電定数漸減方向（Ａ）における荷重作用位置の検出に用い、また前記第１および第３検出体（Ｄ1 ，Ｄ3 ）の両出力値Ｑ1 ，Ｑ3 の比Ｑ3 ／Ｑ1 を、その第３検出体（Ｄ3 ）の前記圧電定数漸減方向（Ｂ）における荷重作用位置の検出に用い、さらに前記第１検出体（Ｄ1 ）の出力値Ｑ1 を、各荷重作用位置における荷重の検出に用いることを特徴とする圧電式荷重センサ。
- 前記第３検出体（Ｄ3 ）は、前記第２検出体（Ｄ2 ）を水平面内で９０°回転させたものと同一の構造を有する、請求項２記載の圧電式荷重センサ。
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