JP6981895B2 - 荷重センサ - Google Patents

Description

本発明は、荷重センサに関する。

荷重センサ（荷重検出装置）として、例えば、センサシートと、該センサシートの少なくとも一面に設けられた当て板とを有するものが知られている。このタイプの荷重センサは、当て板に荷重が掛けられるとセンサシートが潰されて、該センサシートから荷重に応じた出力（電圧変化）が検出される。

特開２０１０−０５４２９６号公報 特開２０１０−２１０４６９号公報

理想的には、当て板の全面に均一に荷重が掛けられれば、センサシートから正確な出力を検出することができる。しかし、当て板の全面に均一に荷重が掛けられることは稀であり、実際には、当て板に掛けられる荷重が部分的（局所的）に集中することにより、センサシートからの出力がばらついてしまうことが多かった。

本発明は、以上の問題意識に基づいて完成されたものであり、正確な荷重検出を実現可能な荷重センサを提供することを目的とする。

本実施形態の荷重センサは、センサシートと、前記センサシートの少なくとも一面に設けられた当て板と、を有する荷重センサであって、前記当て板は、前記センサシートに沿う基部と、前記センサシートから離れるに連れて面積を減じるように前記基部から突出する突出部と、を有し、前記当て板は、平面視したときに円形をなしており、前記基部は、円柱部から構成されており、前記突出部は、曲面部から構成されており、前記円柱部の直径をＡとし、前記曲面部の曲率半径をＢとしたとき、０．０７＜Ａ／Ｂ＜１．１６を満足する、ことを特徴としている。
本実施形態の荷重センサは、センサシートと、前記センサシートの少なくとも一面に設けられた当て板と、を有する荷重センサであって、前記当て板は、前記センサシートに沿う基部と、前記センサシートから離れるに連れて面積を減じるように前記基部から突出する突出部と、を有し、前記当て板は、平面視したときに円形をなしており、前記基部は、円柱部から構成されており、前記突出部は、曲面部から構成されており、前記円柱部の高さをＣとし、前記曲面部の高さをＤとしたとき、０．１０＜Ｃ／Ｄ＜１．００を満足する、ことを特徴としている。
本実施形態の荷重センサは、センサシートと、前記センサシートの少なくとも一面に設けられた当て板と、を有する荷重センサであって、前記当て板は、前記センサシートに沿う基部と、前記センサシートから離れるに連れて面積を減じるように前記基部から突出する突出部と、を有し、前記当て板は、平面視したときに円形をなしており、前記基部は、円柱部から構成されており、前記突出部は、曲面部から構成されており、前記円柱部の直径をＡとし、前記曲面部の曲率半径をＢとしたとき、０．０７＜Ａ／Ｂ＜１．１６を満足し、前記円柱部の高さをＣとし、前記曲面部の高さをＤとしたとき、０．１０＜Ｃ／Ｄ＜１．００を満足する、ことを特徴としている。

前記当て板は、金属材料、樹脂材料若しくはゴム材料又はこれらの複合材料から構成されていてもよい。特に、前記当て板は、ＳＵＳ材料から構成されることが好ましい。

前記センサシートは、基材シートと、前記基材シートの両面に位置する電極シートと、前記基材シートと前記電極シートのうち少なくとも前記基材シートの外囲に位置するカバーレイとを有していてもよい。

本発明によれば、正確な荷重検出を実現可能な荷重センサを提供することができる。

本実施形態による荷重センサを示す正面図である。 本実施形態による荷重センサを示す平面図である。 本実施形態による荷重センサを示す断面図である。 別実施形態による荷重センサを示す正面図である。 別実施形態による荷重センサを示す正面図である。 別実施形態による荷重センサを示す正面図である。 荷重付加試験装置の一例を示す概念図である。 中心一致位置と中心ずらし位置で押込腕部が当て板の曲面部を押し込む状態を示した概念図である。 当て板をＳＵＳ材料の一体成形品としたタイプの荷重センサの荷重付加試験の結果を示すグラフである。 当て板をエチレンプロピレンゴムの一体成形品としたタイプの荷重センサの荷重付加試験の結果を示すグラフである。

図１、図２は、本実施形態による荷重センサ１を示す正面図、平面図である。荷重センサ１は、センサシート１０と、センサシート１０の上面（一面）に設けられた当て板２０とを有している。センサシート１０と当て板２０は、図示を省略した接着剤又は粘着剤（例えば両面テープ）により一体化されている。センサシート１０は平面視したときに相対的に大径の円形をなしており、当て板２０は平面視したときに相対的に小径の円形をなしており、センサシート１０と当て板２０が同心円状に配置されている。図示を省略しているが、センサシート１０の周方向の一部には、センサシート１０の出力（電圧変化）を伝送する信号伝送部が接続されている。

当て板２０は、例えば、ＳＵＳ等の金属材料で構成された一体成形品とすることができる。当て板２０をＳＵＳ材料で構成することによって、耐久面・硬度面に優れた当て板２０を実現することができる。当て板２０は、センサシート１０に沿う円柱部（基部）２１と、円柱部２１から突出する曲面部（突出部）２２とを有している。曲面部２２は、センサシート１０から離れるに連れて面積が単調減少する。図１では、当て板２０の円柱部２１と曲面部２２の境界に二点鎖線の仮想線を描いている。

当て板２０を円柱部２１と曲面部２２で構成することにより当て板２０の成型性（加工性）を向上させることができる。すなわち、当て板２０を成型（加工）するに当たり、単一の円柱部材を用意して、当該円柱部材の下方周縁をチャック（把持）した上で、当該円柱部材の上方（上面）に曲面部を成型（加工）することができる。

当て板２０の円柱部２１と曲面部２２の構成には自由度があるが、例えば、円柱部２１と曲面部２２の直径をＡとし、曲面部２２の曲率半径をＢとしたとき、０．０７＜Ａ／Ｂ＜１．１６を満足することが好ましい。また、円柱部２１の高さをＣとし、曲面部２２の高さをＤとしたとき、０．１０＜Ｃ／Ｄ＜１．００を満足することが好ましい。当該式を満足することでより正確な荷重検出が実現可能となるが、当該式の上下限を超えると荷重検出が困難となったり製造が困難になったりするおそれがある。

ここでは、当て板２０をＳＵＳ等の金属材料で構成された一体成形品とした場合を例示して説明した。しかし、当て板２０をＡＢＳ樹脂等の樹脂材料で構成された一体成形品とすることも可能である。また、当て板２０をエチレンプロピレンゴム等のゴム材料で構成された一体成形品とすることも可能である。さらに、当て板２０を金属材料と樹脂材料とゴム材料の一部又は全部による複合材料から構成することも可能である。この場合、例えば、当て板２０の基部２１を樹脂材料又はゴム材料として、当て板２０の突出部２２を金属材料としてもよい。

図３は、本実施形態による荷重センサ１を示す断面図である。センサシート１０は、基材シート１１と、基材シート１１の上面に位置する電極シート１２と、基材シート１１の下面に位置する電極シート１３と、基材シート１１と電極シート１２と電極シート１３のうち少なくとも基材シート１１の外囲に位置するカバーレイ１４とを有している。基材シート１１の上面と電極シート１２の下面の間には、押圧空間１５が形成されている。

基材シート１１は、例えば、ポリエステル、ナイロン、綿、ビニロン、レーヨン、アラミド等の繊維材料、カーボンブラック、グラファイト、金属粉末等の導電性付与材料、ビニル系、アクリル系、ポリエステル系、エポキシ系、フェノール系などの樹脂やスチレンブタジエン、クロロプレン、シリコーン、フッ素、エチレンプロピレンなとのゴムのバインダー材料等から構成されており、荷重センサ１の出力（電圧変化）を検出するセンサ本体として機能する。基材シート１１が検出した荷重センサ１の出力（電圧変化）は、信号伝送部（図示略）により外部機器や制御機器（図示略）に伝送される。

電極シート１２は、基材シート１１から離れる下方から上方に向かって順に、金膜層１２Ａと、銅膜層１２Ｂと、ポリイミド樹脂層１２Ｃとを積層して一体化することにより構成されている。基材シート１１の上面と電極シート１２の金膜層１２Ａの下面の間には押圧空間１５が形成されている。

電極シート１３は、基材シート１１から離れる上方から下方に向かって順に、金膜層１３Ａと、銅膜層１３Ｂと、ポリイミド樹脂層１３Ｃとを積層して一体化することにより構成されている。基材シート１１の下面と電極シート１３の金膜層１３Ａの上面は、互いに密着して積層されている。

カバーレイ１４は、例えば、ポリイミド等の材料から構成されており、電極シート１２、１３（特に銅膜層１２Ｂ、１３Ｂ）の酸化を防止する酸化防止膜として機能する。カバーレイ１４は、基材シート１１、電極シート１２の金膜層１２Ａ及び電極シート１３の金膜層１３Ａの外囲に位置している。またカバーレイ１４は、電極シート１２の銅膜層１２Ｂと電極シート１３の銅膜層１３Ｂの上下方向の一部の外囲に位置している。

なお、図３を参照して説明したセンサシート１０の構成は一例にすぎず、種々の設計変更が可能である。例えば、電極シート１２、１３から一部の層を省略し、且つ／又は、電極シート１２、１３に一部の層を追加することが可能である。また、センサシート１４からカバーレイ１４を省略することも可能である。

以上のように構成された荷重センサ１は、荷重付加体（図示略）により当て板２０の曲面部２２が下方に押し込まれると、電極シート１２が押圧空間１５の内部で変位して、基材シート１１を押圧する。基材シート１１は、電極シート１２からの押圧力やその変位量に基づいて、センサシート１０の出力（電圧変化）を検出する。基材シート１１による出力（電圧変化）は、信号伝送部（図示略）により外部機器や制御機器（図示略）に伝送されて、荷重検出が実行される。

ここで、一般的な荷重センサにおいて、理想的には、当て板の全面に均一に荷重が掛けられれば、センサシートから正確な出力（電圧変化）を検出することができる。しかし、当て板の全面に均一に荷重が掛けられることは稀であり、実際には、当て板に掛けられる荷重が部分的（局所的）に集中することにより、センサシートからの出力がばらついてしまうことが多かった。

本実施形態では、上記問題点を重要な技術課題として捉えて、当て板２０に、センサシート１０に沿う基部２１と、センサシート１０から離れるに連れて面積を減じるように基部２１から突出する突出部２２とを形成している。また、当て板２０は平面視したときに円形をなしており、基部２１は円柱部から構成されており、突出部２２は曲面部から構成されている。この構成により、荷重付加体（図示略）が当て板２０の曲面部（突出部）２２の頂部を下方に押し込んだ場合はもちろんのこと、荷重付加体（図示略）が当て板２０の曲面部（突出部）２２の周辺部を下方に押し込んだ場合であっても、センサシート１０（基材シート１１）から正確な出力（電圧変化）を検出して、正確な荷重検出を実行することができる。また、センサシート１０（基材シート１１）が検出可能な荷重の範囲を広げることにより、フレキシブルな制御を実行することができる。

図４〜図６は、別実施形態による荷重センサ１を示す正面図である。図４では、当て板２０の曲面部２２の曲率半径を図１よりも小さくしている。図５では、当て板２０の曲面部２２の曲率半径を図１よりも大きくしている。図６では、当て板２０の曲面部２２の曲率半径は図１と同じで、センサシート１０の下面（当て板２０と反対側の面）に、支持板３０を設けている。支持板３０は、例えば、当て板２０と同様に、ＳＵＳ等の金属材料で構成された一体成形品とすることができる。

以上のように構成された荷重センサ１は、例えば、車両部品として搭載してもよいし、医療用ベッドや介護用ベッドに内蔵してもよい。荷重センサ１の適用対象には自由度があり、種々の設計変更が可能である。

本出願人は、本実施形態による荷重センサ１の優位性を確認するための実証実験を行った。

図１〜図３に示す荷重センサ１のうち、当て板２０をＳＵＳ材料の一体成形品としたタイプとエチレンプロピレンゴムの一体成形品としたタイプの２種類を作製して、荷重付加試験を行った。

図７は、荷重付加試験装置４０の一例を示す概念図である。荷重付加試験装置４０は、計測台４１と、荷重付加装置４２と、信号転送部４３と、データロガー４４とを有している。計測台４１の上面に、荷重センサ１と、信号転送部４３と、データロガー４４とが設置される。

荷重付加装置４２は、計測台４１に設置された荷重センサ１の上方に支持されている。荷重付加装置４２は、下方に延びて荷重センサ１の当て板２０の曲面部２２を押し込み可能な押込腕部（押込アタッチメント）４２Ａを有している。押込腕部４２Ａは、押込腕部４２Ａの中心部を荷重センサ１の当て板２０の曲面部２２の中心部に一致させた中心一致位置（図８Ａ）と、押込腕部４２Ａの中心部を荷重センサ１の当て板２０の曲面部２２の中心部からずらした中心ずらし位置（図８Ｂ）との間で駆動可能となっており、中心一致位置と中心ずらし位置で、荷重センサ１の当て板２０の曲面部２２を押し込むことができる。

信号転送部４３は、荷重センサ１のセンサシート１０の基材シート１１による出力（電圧変化）を伝送信号として受け取り、当該伝送信号をデータロガー４４に転送する。データロガー４４は、信号転送部４３から転送された伝送信号に基づいて、荷重センサ１に加えられた荷重を演算する（荷重検出を実行する）。

荷重付加試験では、当て板２０をＳＵＳ材料の一体成形品としたタイプとエチレンプロピレンゴムの一体成形品としたタイプの２種類の荷重センサ１について、中心一致位置（図８Ａ）で０Ｎから１０００Ｎまで荷重を付加した場合の電圧（Ｖ）の変動、及び、中心ずらし位置（図８Ｂ）で０Ｎから１０００Ｎまで荷重を付加した場合の電圧（Ｖ）の変動を測定した。

図９は、当て板２０をＳＵＳ材料の一体成形品としたタイプの荷重センサ１の荷重付加試験の結果を示すグラフである。図１０は、当て板２０をエチレンプロピレンゴムの一体成形品としたタイプの荷重センサ１の荷重付加試験の結果を示すグラフである。図９、図１０に明らかなように、当て板２０をＳＵＳ材料とエチレンプロピレンゴムのいずれで形成した場合でも、荷重と電圧との関係の線形性を確保することに成功している。しかも、中心一致位置（図８Ａ）と中心ずらし位置（図８Ｂ）のいずれであっても、荷重に対する電圧の検出値が略同一となっており、当て板２０の曲面部２２のどこを押しても略同一の出力（電圧変化）を得て、正確な荷重検出を実現可能であることが分かる。

以上の実施形態では、センサシート１０の一面（上面）に当て板２０を設けた場合を例示して説明したが、センサシート１０の両面（上下面）に当て板２０を設けることも可能である。すなわち、当て板２０は、センサシート１０の少なくとも一面に設けられていればよい。

以上の実施形態では、センサシート１０と当て板２０が平面視したときに円形をなしている場合を例示して説明したが、センサシート１０と当て板２０の形状は円形に限定されず種々の設計変更が可能である。例えば、センサシート１０と当て板２０を矩形形状としてもよいし、センサシート１０と当て板２０の一方を円形形状として他方を矩形形状としてもよい。

以上の実施形態では、当て板２０の基部２１を円柱部から構成し、当て板２０の突出部２２を曲面部から構成した場合を例示して説明した。しかし、当て板２０の基部２１は、円柱部に限定されずセンサシート１０に沿う形状であればよく、当て板２０の突出部２２は、曲面部に限定されずセンサシート１０から離れるに連れて面積を減じるように基部２１から突出する形状であればよい。この場合、当て板２０の突出部２２は、センサシート１０から離れるに連れて面積が単調減少する場合のほか、ミクロに見たとき、センサシート１０から離れるに連れて面積が同一又は増大する箇所があってもよい。

１ 荷重センサ
１０ センサシート
１１ 基材シート（センサ本体）
１２ 電極シート
１２Ａ 金膜層
１２Ｂ 銅膜層
１２Ｃ ポリイミド樹脂層
１３ 電極シート
１３Ａ 金膜層
１３Ｂ 銅膜層
１３Ｃ ポリイミド樹脂層
１４ カバーレイ（酸化防止膜）
１５ 押圧空間
２０ 当て板
２１ 円柱部（基部）
２２ 曲面部（突出部）
３０ 支持板
４０ 荷重付加試験装置
４１ 計測台
４２ 荷重付加装置
４２Ａ 押込腕部（押込アタッチメント）
４３ 信号転送部
４４ データロガー

Claims (5)

1. センサシートと、
   前記センサシートの少なくとも一面に設けられた当て板と、
   を有する荷重センサであって、
   前記当て板は、
   前記センサシートに沿う基部と、
   前記センサシートから離れるに連れて面積を減じるように前記基部から突出する突出部と、
   を有し、
   前記当て板は、平面視したときに円形をなしており、
   前記基部は、円柱部から構成されており、
   前記突出部は、曲面部から構成されており、
   前記円柱部の直径をＡとし、前記曲面部の曲率半径をＢとしたとき、０．０７＜Ａ／Ｂ＜１．１６を満足する、
   ことを特徴とする荷重センサ。
2. センサシートと、
   前記センサシートの少なくとも一面に設けられた当て板と、
   を有する荷重センサであって、
   前記当て板は、
   前記センサシートに沿う基部と、
   前記センサシートから離れるに連れて面積を減じるように前記基部から突出する突出部と、
   を有し、
   前記当て板は、平面視したときに円形をなしており、
   前記基部は、円柱部から構成されており、
   前記突出部は、曲面部から構成されており、
   前記円柱部の高さをＣとし、前記曲面部の高さをＤとしたとき、０．１０＜Ｃ／Ｄ＜１．００を満足する、
   ことを特徴とする荷重センサ。
3. センサシートと、
   前記センサシートの少なくとも一面に設けられた当て板と、
   を有する荷重センサであって、
   前記当て板は、
   前記センサシートに沿う基部と、
   前記センサシートから離れるに連れて面積を減じるように前記基部から突出する突出部と、
   を有し、
   前記当て板は、平面視したときに円形をなしており、
   前記基部は、円柱部から構成されており、
   前記突出部は、曲面部から構成されており、
   前記円柱部の直径をＡとし、前記曲面部の曲率半径をＢとしたとき、０．０７＜Ａ／Ｂ＜１．１６を満足し、
   前記円柱部の高さをＣとし、前記曲面部の高さをＤとしたとき、０．１０＜Ｃ／Ｄ＜１．００を満足する、
   ことを特徴とする荷重センサ。
4. 前記当て板は、ＳＵＳ材料から構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の荷重センサ。
5. 前記センサシートは、基材シートと、前記基材シートの両面に位置する電極シートと、前記基材シートと前記電極シートのうち少なくとも前記基材シートの外囲に位置するカバーレイとを有している、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の荷重センサ。

Images