JP5348451B2 - 荷重検出装置 - Google Patents

Description

外部から加えられた力を圧電効果を用いて測定して、その荷重を検出する荷重検出装置に関する。

圧電効果を利用した、従来の荷重検出装置として、振動発生部としての第１圧電素子とこの第１圧電素子に隣接して配設された振動検出部としての第２圧電素子と、振動検出手段と、振動特性演算手段と、荷重演算手段とを備えたものがある（例えば特許文献1参照
）。この荷重検出装置では、振動特性演算手段が第１圧電素子の振動により伝播する振動の振動特性を第２圧電素子の出力信号から演算し、この振動特性演算手段の出力信号に基づき荷重演算手段が印加されている荷重を演算する。

上記の荷重検出装置では、振動発生部としての圧電素子と振動検出部としての圧電素子、つまり２種類の圧電素子を用意されていたが、一つの圧電素子で振動発生部と振動検出部を兼用する荷重検出装置も知られている（例えば特許文献1参照）。この荷重検出装置
は、振動発生及び振動検出の機能を有する圧電素子と、この圧電素子を振動させる駆動信号を出力する駆動部と、圧電素子からの検出信号を抽出するとともに抽出した検出信号に基づいて圧電素子の振動特性値を検知する振動検知部と、振動検知部からの振動特性値に基づいて圧電素子に印加された荷重を演算する演算部とを備えている。その際、振動検知部には、駆動部からの駆動信号と圧電素子からの検出信号とを重畳化した重畳信号が伝達される。
特開２０００−２３０８５３号公報（段落番号００２２−００２６、図２） 特開２００６−２５８６９３号公報（段落番号００１２−００２４、図１、図４）

上述した従来の圧電効果を利用した荷重検出装置では、圧電素子からの出力信号の変化は被測定物によって荷重を受けた圧電素子の振動特性の影響だけでなく、その圧電素子の圧力感知面に接する被測定物の特性、特に圧力感知面への圧力の作用状態による影響も受ける。この後者の影響によって荷重検出が不安定なものとなる。この問題は、振動発生機能と振動検出機能を別々の圧電素子に受け持たせたタイプのものでも、また振動発生機能と振動検出機能を一つの圧電素子に兼用させているタイプのものでも、同様に生じる。
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。

上記目的を達成するための本発明に係る荷重検出装置の第１特徴構成は、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、
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、
前記非作用区画面は、前記調整体と前記圧力感知面とが接触しない状態が維持される第１非作用区画面と、前記調整体が前記圧力感知面の全面に接触する状態が維持される第２非作用区画面とに区分けられ、
前記作用区画面からの検出信号を評価する場合に、前記第１非作用区画面からの無負荷信号と前記第２非作用区画面からの最大負荷信号とを参照信号として用いる点にある。

この構成によれば、被測定物による圧電体ユニットの圧力感知面への力の作用は直接行われずに、調整体を介して行われる。この調整体は、被測定物による力の作用を圧電体ユニットが安定した荷重信号を生じることができるような力の作用状態に調整して、その作用力を圧力感知面に及ぼす。例えば、圧電体ユニットは、その厚み方向中央部に圧電素子を備えると共に、その両面にそれぞれ電極を設けてある。この圧電体ユニットに外力が作用すると、圧電体が所定の圧縮変形を受ける。圧電体の内部には、通電状態により或いは外力により動作状態が変化する多数のダイポールが配置されており、上記圧縮変形を受ける結果、多数のダイポールの動作自由度が制限される。この制限の程度に応じて、駆動部から印加する電圧に基づく圧電体ユニットの振動状態が変化する。この振動状態の変化を測定することで、被測定物の荷重を検出することができる。
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。
また、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。

本発明に係る荷重検出装置の第２特徴構成は、前記圧電体ユニットの圧電体に高分子材料を用い、前記圧電体ユニットをフレキシブルなシート状に構成した点にある。

本発明に係る荷重検出装置の第３特徴構成として、前記圧電体ユニットが圧電体を複数層重ねて構成することができる。

本発明に係る荷重検出装置の第４特徴構成として、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り、前記弾性部材を前記圧電体ユニットの片面側にのみに配置することができる。

本発明に係る荷重検出装置の第５特徴構成として、特徴構成として、前記弾性部材を、ウレタン材料或いはアクリル材料で構成することができる。
弾性材料にウレタン材料を用いた場合には、検出電圧の変化率は小さいが幅広い荷重領域に対して良好な直線性が示される。また、弾性材料としてアクリル材料を用いた場合には、荷重の小さい領域で検出電圧の変化率が高く高精度の荷重検出が期待できる。

本発明に係る荷重検出装置の第６特徴構成として、前記調整体より高い剛性を有し前記荷重を受ける受け部を備え、前記受け部が前記調整体と一体成形されるように構成することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、最も基本的な構成からなる第１実施例の荷重検出装置を模式的に示すブロック図である。図２は、図１の荷重検出装置に外力（荷重）が印加された状態を示すブロック図である。図に示すようにこの基本的な構成をもつ荷重検出装置は、圧電体ユニット１と、圧電体ユニット１に装着される調整体２と、圧電体ユニット１を駆動する駆動部３と、圧電体ユニット１から得られる電気信号を検出する検出部４と、検出部４からの検出信号を評価する評価部５とを備えている。

圧電ユニット１は、基本的には、シート状の圧電体１０と、その上下両面に形成された第１電極面１１と第２電極面１２とからなる。圧電体１０をフレキシブルなシート状に構成する場合、圧電体材料としてポリフッ化ビニリデンのような高分子圧電材料が適している。第１電極面１１と第２電極面１２への外力（荷重）印加に起因する圧電体１０の歪変位に応じて電荷が生じることで、第１電極面１１と第２電極面１２間から電流を取り出すことができる。つまり、この第１電極面１１と第２電極面１２とは、圧力感知面でもある。また第１電極面１１と第２電極面１２間に電圧が与えられると、圧電体１０に歪変位が生じ、例えば、当該電圧の印加を繰り返し行うことで、第１電極面１１と第２電極面１２が振動する。

この実施例では、第１電極面１１でもある圧力感知面１１に弾性材料からなる調整体２が装着されている。この調整体２の圧力感知面１１に接触する下側部分２ａは、その上側部分２ｂからの突起部として形成されている。この実施例では、下側部分２ａは圧力感知面１１から遠ざかるほどその断面積が大きくなる曲面体形状、ほぼドーム状形状となっている。したがって、調整体２の上側部分２ｂに被測定物の荷重がかかると、突起部である下側部分２ａの圧力感知面１１との接触箇所が変形し、その接触面積が変化する。その際、加えられた荷重が大きいほど、接触箇所の変形が大きくなり、圧力感知面１１と調整体２との接触面積が増加し、圧電体１０の歪変位に対する抑制効果が大きくなる。これにより、圧力感知面１１に対して大きな力が局所的に印加されることによって荷重の検出が不安定になるといった従来の問題は抑制される。

駆動部３は、圧電体１０に電圧を印加するため、一方の電極面、例えば第１電極面１１と電気的に接続され、他方の電極面である第２電極面１２が接地されている。検出部４は、外力印加に起因する圧電体１０の歪変位に応じて電荷に基づく電流を検出するために第１電極面１１と電気的に接続されている。検出部４によって検出された圧電体１０の歪変位に応じた信号は評価部５に送られる。評価部５は、信号振幅値と荷重との関係を示すテーブル等を参照しながら、得られた信号振幅値に対応する荷重を算定する。

駆動部３は、図１で模式的に示されているような周期パルス状の駆動信号を生成して、圧電体ユニット１に送信することにより、第１電極１１と第２電極１２との間に駆動電圧を印加する。駆動信号の周期は、圧電体１０を効率的に歪変位（振動）させるため、圧電体１０の共振周波数とすると好適である。例えば、７５ｋＨｚで２０Ｖp-pの駆動信号が
用いられるが、検出対象となる荷重のレベルや検出精度によって最適化することになる。

上記のような駆動信号が圧電体ユニット１に送信されると、検出部４には、図１で模式的に示されているような、駆動信号とこの駆動信号により圧電体１０に生じた電荷に基づく検出信号とが重畳された重畳信号が入力する。この重畳信号は、方形波状の正方向のパルス信号からなる駆動信号と、負方向の正弦波状の半波信号（検出信号）とで構成される。したがって、検出部４はこの重畳信号から半波信号成分を検出信号として抽出して、必要な前処理を施し、評価部５に送る。もう少し詳しく説明すると、駆動信号は所定の周期で正方向への振幅を有する繰り返しパルスである。この駆動信号により、パルス幅に相当する期間（駆動期間）圧電体１０に電圧が印加され、歪変形（振動）する。パルスの立ち下がりから次のパルスまでの立ち上がりの間での圧電体１０の歪変形が圧電効果を通じて電極面に電荷を供給し、検出信号を生じさせる。

図２で模式的に示されているように、被測定物の荷重が調整体２を介して圧電体ユニット１の圧力感知面１１に加わると、圧力感知面１１と調整体２との接触面積が増加するとともに、圧電体１０の歪変位が抑制される。その結果、圧電効果を通じて電極面に供給される電荷が少なくなり、検出部４で検出される検出信号の振幅値が小さくなる。

圧電体ユニット１に加えられる荷重が大きいほど、圧電体１０の歪変位が抑制されるので、検出信号の振幅値が小さくなる。このような、圧電体ユニット１に加えられる荷重と検出信号の振幅値との関係を示すグラフの一例が図３に示されている。このように、予め実験的かつ統計的に算定された荷重と検出信号の振幅値との関係はテーブル化され、評価部５に設定されている。

上述した第１の実施例は、一つの圧電体ユニットが振動発生機能と振動検出機能を兼用していたが、振動発生機能と振動検出機能を別々の圧電体ユニットに受け持たせることも可能である。そのような圧電体ユニット１Ａと１Ｂとを備えた荷重検出装置が第２実施例として図４と図５に示されている。図４は、第４実施例の荷重検出装置を模式的に示すブロック図であり、図５は、図４の荷重検出装置に外力（荷重）が印加された状態を示すブロック図である

第２実施例の圧電体ユニットは、圧電材料（ポリフッ化ビニリデン）のフィルムからなる圧電体１０を４層重ね、各層の両側に第１から第５までの電極面１３ａ〜１３ｅが形成されている。この４層重ね構造により、２つの圧電体ユニット、つまり圧電体ユニット１Ａと１Ｂが作り出されている。つまり、一つの圧電体ユニット１Ａでは２つの圧電体１０の間に第２電極面１３ｂが配置されており、その両側に第１電極面１３ａと第３電極面１３ｃが配置されている。また、もう一つの圧電体ユニット１Ｂでは２つの圧電体１０の間に第４電極面１３ｄが配置されており、その両側に圧電体ユニット１Ａと共通である第３電極面１３ｃと第５電極面１３ｅが配置されている。

圧電体ユニット１Ａは駆動用圧電体ユニット１Ａとして動作するために、第２電極面１３ｂが駆動部３と電気的に接続されている。圧電体ユニット１Ｂは検出用圧電体ユニット１Ｂとして動作するために、第４電極面１３ｄが検出部４と電気的に接続されている。第１電極面１３ａと第３電極面１３ｃと第５電極面１３ｅとは接地している。この構成により、検出部４には、駆動信号により電圧が印加された駆動用圧電体ユニット１Ａの圧電体１０に生じる歪変形（振動）に起因して検出用圧電体ユニット１Ｂの圧電体１０が受ける圧力変動に基づく検出信号だけが入力する。従って、検出部は、第１実施例のように、重畳信号から検出信号を取り出す処理は不必要となる。

この第２実施例において利用されている調整体２が図６に示されている。この調整体２はウレタンなどの弾性体から作られているが、第1電極面でもある圧力感知面１３ａに接
触する下側部分２ａは多数の均等に分布された突起部として形成されている。各突起部は、圧力感知面として機能する第１電極面１３ａから遠ざかるほどその断面積が大きくなる曲面体形状、ほぼドーム状形状となっている。したがって、調整体２の上側部分２ｂに被測定物の荷重がかかると、突起部と圧力感知面との接触箇所が変形し、加えられた荷重が大きいほど、その接触面積が増加する。つまり、駆動部３からの駆動信号により駆動用圧電体ユニット１Ａの圧電体１０に励起される歪変位（振動）が制限される部分とされない部分の割合が変化し、その作用が駆動用圧電体ユニット１Ａと一体化されている検出用圧電体ユニット１Ｂに及ぶ。その結果、検出用圧電体ユニット１Ｂからの検出信号の出力特性が調整体２を介して加えられた外力（荷重）に依存する形で変化する。例えば、駆動信号として、７５ｋＨｚ、２０Ｖp-pの正弦波を用い印加する外力（圧力）を０〜６０ｋＰ
ａまで変化させた時、出力電圧が１１０〜５０ｍＶp-pまで変化することが確認されてい
る。

上記第２実施例の変形例としての第３実施例を、図７を用いて説明する。
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。

調整体２の上述した構造により、調整体２と圧力感知面との接触状態が変化しない非作用区画面と、調整体２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が形成されることになる。この作用区画面に対応する第１電極面セグメント１４ａ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第２電極面セグメント１４ｂ（第１非作用区画面）と第３電極面セグメント１４ｃ（第２非作用区画面）とから取り出される電気信号が参照信号となる。なお、第２電極面セグメント１４ｂ（第１非作用区画面）から取り出される参照信号は、調整体２に加えられる荷重に依存しない無負荷（零点調整）参照信号である。また、第３電極面セグメント１４ｃ（第２非作用区画面）から取り出される参照信号は、調整体２に加えられる最大荷重に対応する最大荷重参照信号である。無負荷参照信号と最大荷重参照信号とにより検出信号の出力範囲を規定することができ、正確なキャリブレーションを通じて、正確な荷重検出が可能となる。参照信号としては、無負荷参照信号と最大荷重参照信号とが得られることが好適であるが、無負荷参照信号または最大荷重参照信号だけでもよく、所望の参照信号に応じて圧電体ユニット１の構造と調整体２の構造を適合させるとよい。

検出用圧電体ユニット１Ｂから、検出信号と無負荷参照信号と最大荷重参照信号とが送られてくるので、この実施例の検出部４は、第１検出部４１と第２検出部４２と第３検出部４３を含んでいる。第１検出部４１は第１電極面セグメント１４ａから取り出される検出信号を入力する。第２検出部４２は第２電極面セグメント１４ｂから取り出される無負荷参照信号を入力する。第３検出部４３は第３電極面セグメント１４ｃから取り出される最大荷重参照信号を入力する。

上述した実施例の説明では、調整体２の材料は弾性体とし、下側部分２ａは突起部として形成されている例だけを示している。しかしながら、調整体２の材料は弾性体に限定されるわけではない。また、下側部分２ａは突起部として形成されるのではなく、圧力感知面に全体的に接触させておいて加えられた荷重に応じて分散的に力を圧力感知面に付与するような構造を採用してもよい。調整体２の材料別の、荷重に対する検出電圧の関係が図８に示されている。図８において、点線で描かれたグラフはウレタン材料を用いたもので、幅広い荷重領域に対して変化率は小さいが良好な直線性が示されている。また、実線で描かれたグラブはアクリル材料を用いたもので、小さい荷重領域では、高い変化率を示しており、高精度の荷重検出が期待できる。このように、調整体２に使用する材料によって荷重に対する検出電圧の関係が異なるので、測定すべき荷重に応じて最適な材料を選択するとよい。

調整体２の変形例として、図９に示すように、調整体２の上側部分２ｂに高剛性層６を配置することも提案される。この高剛性層６の剛性を調整体２の剛性より高くしておくことで、被測定物による荷重印加を均等に調整体２に加えることができ、荷重検出の安定化に貢献できる。
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。

本発明による荷重検出装置の第１実施例を模式的に示すブロック図 図１の荷重検出装置に荷重が印加された状態を示すブロック図 荷重−検出電圧特性の一例を示すグラフ 本発明による荷重検出装置の第２実施例を模式的に示すブロック図 図３の荷重検出装置に荷重が印加された状態を示すブロック図 調整体の一例を示す斜視図 本発明による荷重検出装置の第３実施例を模式的に示すブロック図 調整体の材料別での荷重−検出電圧特性の一例を示すグラフ 高剛性層を取り付けた調整体の一例を示す模式図

１ ：圧電体ユニット
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（第１非作用区画面）
１４ｃ：第３電極面セグメント（第２非作用区画面）

Claims (7)

1. 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、
   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、
   前記非作用区画面は、前記調整体と前記圧力感知面とが接触しない状態が維持される第１非作用区画面と、前記調整体が前記圧力感知面の全面に接触する状態が維持される第２非作用区画面とに区分けられ、
   前記作用区画面からの検出信号を評価する場合に、前記第１非作用区画面からの無負荷信号と前記第２非作用区画面からの最大負荷信号とを参照信号として用いる荷重検出装置。
2. 前記圧電体ユニットの圧電体に高分子材料を用い、前記圧電体ユニットをフレキシブルなシート状に構成してある請求項１に記載の荷重検出装置。
3. 前記圧電体ユニットが圧電体を複数層重ねて構成してある請求項１又は２に記載の荷重検出装置。
4. 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り、
   前記弾性部材を前記圧電体ユニットの片面側にのみに配置してある請求項１から３の何れか一項に記載の荷重検出装置。
5. 前記弾性部材をウレタン材料で構成してある請求項４に記載の荷重検出装置。
6. 前記弾性部材をアクリル材料で構成してある請求項４に記載の荷重検出装置。
7. 前記調整体より高い剛性を有し前記荷重を受ける受け部を備え、
   前記受け部が前記調整体と一体成形されてある請求項１から６の何れか一項に記載の荷重検出装置。

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