JP7172854B2

JP7172854B2 - 荷重測定装置およびその製造方法

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Publication number: JP7172854B2
Application number: JP2019096808A
Authority: JP
Inventors: 倫央郷古; 敏尚谷口; 敦資坂井田; 圭司岡本; 芳彦白石; 正裕浅野; 富一石川; 篤史日下; 友弘井村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2039-05-23
Also published as: JP2020190517A

Description

本発明は、荷重測定装置およびその製造方法に関するものである。

従来、特許文献１に記載された荷重センサがある。この荷重センサは、被検出体から印加される荷重に応じて弾性変形する弾性部材と、弾性部材の台座側の面を支持するプレートと、下プレートおよび弾性部材を台座に固定する固定部材と、を備えている。

この荷重センサは、さらに、台座と下プレートの間に設けられ弾性部材が弾性変形する際の発熱または吸熱により下プレートと台座の間を流れる熱流に応じた電圧を出力する熱流センサを備えている。

また、ロードセルと呼ばれる荷重センサも広く知られている。この荷重センサは、薄肉の梁に付加された薄板状の４つの歪みゲージと、４つの歪みゲージをブリッジ状に接続したホイーストンブリッジ回路と、を有している。

この荷重センサは、梁が撓んで歪みゲージが面方向に伸びると歪みゲージの抵抗値が大きくなり、梁が撓んで歪みゲージが面方向に縮むと歪みゲージの抵抗値が小さくなる。この荷重センサは、ホイーストンブリッジ回路で歪みゲージの抵抗値の変化を測定することで梁に加わる荷重を測定するようにしている。

特開２０１７－２２３５１３号公報

上記特許文献１に記載された荷重センサは、被検出体から弾性部材に荷重が印加された際に、熱流センサから熱流に応じた電圧が出力され、弾性部材に印加された荷重を測定することができる。

しかし、上記特許文献１に記載された荷重センサは、台座と下プレートの間に設けられ弾性部材が弾性変形する際の発熱または吸熱により下プレートと台座の間を流れる熱流に応じた電圧を熱流センサが出力する構成となっている。したがって、被検出体から弾性部材に同じ荷重が保持され続けると、弾性部材の発熱または吸熱が低下し、下プレートと台座の間を流れる熱流が小さくなり、熱流を検出する熱流センサから出力される電圧も小さくなる。すなわち、弾性部材に同じ加重が保持され続けると、荷重を測定することができなくなってしまうといった問題がある。

また、上記したような荷重が加わると撓む梁に薄板状の４つの歪みゲージを配置した荷重センサは、体格が大きく、また、測定する荷重の大きさに合わせて梁の剛性を代える必要がある。例えば、大きな荷重を測定するためには剛性の高い梁を用いる必要があるが、この場合、小さな荷重を精度よく測定することができなくなってしまう。また、小さな荷重を精度よく測定するためには剛性の低い梁を用いる必要があるが、この場合、大きな荷重がかかった際に梁が損傷してしまうといった問題がある。

本発明は上記点に鑑みたもので、梁を用いることなく、かつ、荷重が保持され続けた場合でも荷重を測定できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、複数の貫通孔（１１ａ）が形成されるとともに被検出体から受ける荷重に応じて弾性変形する絶縁性の第１シート（１１）と、複数の貫通孔に配置された複数の電気抵抗素子（１５）と、第１シートの一面側に積層配置された絶縁性の第２シート（１２）と、第１シートの他面側に積層配置された絶縁性の第３シート（１３）と、第２シートおよび第３シートの少なくとも一方に配置され、複数の電気抵抗素子の間を直列に接続する配線パターン（１６、１７）と、を備えている。そして、被検出体からの荷重に応じて複数の電気抵抗素子が複数の貫通孔の軸線方向に伸縮して直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が変化する。

このような構成によれば、被検出体からの荷重に応じて複数の電気抵抗素子が複数の貫通孔の軸線方向に伸縮して直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が変化するので、梁を用いることなく、かつ、荷重が保持され続けた場合でも荷重を測定することができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の荷重測定装置の全体構成を示した概略断面図である。第１実施形態の荷重測定装置の形状を表した図である。荷重測定装置の回路を示した図である。荷重が印加される前後の電気抵抗素子の様子を表した図である。複数の電気抵抗素子および配線パターンによって構成される抵抗回路を模式的に表した図である。第１シート、第２シートおよび第３シートを熱プレスにより一体成形する製造工程を示した図である。荷重測定装置を冶具に組付けた例を示した図である。第２実施形態の荷重測定装置の全体構成を示した図である。第２実施形態の荷重測定装置に用いられる荷重測定装置の概略断面図である。第２実施形態の荷重測定装置の回路構成を示した図である。第３実施形態の荷重測定装置の全体構成を示した図である。第３実施形態の荷重測定装置に用いられる一部の荷重測定装置の概略断面図である。荷重が印加される前後の電気抵抗素子の様子を表した図である。第３実施形態の荷重測定装置の回路構成を示した図である。第４実施形態の荷重測定装置の形状を表した図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る荷重測定装置について図１～図７を用いて説明する。荷重測定装置は、被検出体から受ける荷重を測定するものである。荷重測定装置は、荷重検出部１０、受圧部１４、ベース１８および測定回路１９を備えている。

荷重検出部１０は、第１シート１１、第２シート１２、第３シート１３、電気抵抗素子１５、配線パターン１６、１７を備えている。受圧部１４は、図２に示すように円形状を成している。第１シート１１、第２シート１２および第３シート１３は、熱可塑性樹脂により構成されている。

第１シート１１は、絶縁性を有する絶縁シートによって構成されている。第１シート１１は、被検出体から受ける荷重に応じて弾性変形する。第１シート１１には、表裏を貫通する複数の貫通孔１１ａが形成されている。貫通孔１１ａは、ドリル、レーザー光等により形成することができる。第１シート１１の厚みは、０．３ミリメートル程度、貫通孔１１ａの直径は、２００ミクロン程度、複数の貫通孔１１ａの間隔は、０．５ミリメートル程度となっている。また、第１シート１１は、直径１０ミリメートル程度の円形を成している。

第１シート１１の複数の貫通孔１１ａには、複数の電気抵抗素子１５が配置されている。電気抵抗素子１５の材質としては、例えば、クロメル・アルメル等を用いることができる。クロメル・アルメルは、変形した際の熱抵抗の変化が大きいため、荷重を感度良く測定するすることが可能である。なお、クロメル、アルメルは登録商標である。

第１シート１１の一面側には、第２シート１２が配置され、第１シート１１の他面側には、第３シート１３が配置されている。第２シート１２および第３シート１３は、それぞれ絶縁性を有する絶縁シートによって構成されている。

第２シート１２には、配線パターン１６が埋設され、第３シート１３には、配線パターン１７が埋設されている。具体的には、第２シート１２および第３シート１３に、それぞれエッチングにより凹部を形成し、この凹部に配線パターン１６、１７を埋設している。

第１シート１１の複数の貫通孔１１ａに形成された複数の電気抵抗素子１５は、配線パターン１６および配線パターン１７によって直列に接続されている。

荷重測定装置は、図２に示すように電極１６ａおよび電極１７ａを有している。電極１６ａは、配線パターン１６に接続され、電極１７ａは、配線パターン１７に接続されている。

受圧部１４は受圧面１４ａを有している。受圧部１４は、第１シート１１、第２シート１２および第３シート１３に集中的に荷重が印加して損傷するのを防止する。受圧部１４は、第１シート１１、第２シート１２および第３シート１３を保護するととに、受圧面１４ａを介して被検出体から受ける荷重を拡散させる。

ベース１８は、受圧部１４が受けた荷重を第１シート１１、第２シート１２および第３シート１３に均一に伝えるものであり、ステンレス等の金属部材によって構成されている。

測定回路１９は、図３に示すように、抵抗１９１～１９３、電源１９４および電圧計１９５を有し、第１シート１１に形成された複数の電気抵抗素子１５、配線パターン１６および配線パターン１７とともにホイーストンブリッジ回路を構成している。電極１６ａと電極１７ａの間には、直列に接続された複数の電気抵抗素子１５が配置される。

抵抗１９１と電極１６ａの接続点と、抵抗１９２と抵抗１９３の接続点との間には、電源１９４の出力電圧が印加される。抵抗１９１、抵抗１９２、抵抗１９３および複数の電気抵抗素子１５によって構成される抵抗回路の抵抗値は同じになっている。

抵抗１９１と抵抗１９２の接続点の電位は、電源１９４の出力電圧を抵抗１９１と抵抗１９２で分圧した値となる。また、複数の電気抵抗素子１５によって構成される抵抗回路と抵抗１９３との接続点の電位は、電源１９４の出力電圧を複数の電気抵抗素子１５によって構成される抵抗回路と抵抗１９３で分圧した値となる。

ここで、受圧部１４に上下方向上側から下側への荷重が印加されると、図４に示すように、第１シート１１および電気抵抗素子１５が圧縮される。これにより、電気抵抗素子１５は積層方向と交差する面側に膨張する。また、電気抵抗素子１５の積層方向の長さは短くなる。このため、電気抵抗素子１５の電気抵抗値は小さくなり、複数の電気抵抗素子１５によって構成される抵抗回路の抵抗値も小さくなる。

したがって、複数の電気抵抗素子１５によって構成される抵抗回路と抵抗１９３の接続点の電位は大きくなる。また、抵抗１９１と抵抗１９２の接続点の電位は、被検出体からの荷重の大きさと関係なく電源１９４の出力電圧を抵抗１９１と抵抗１９２で分圧した値のままとなる。つまり、被検出体からの荷重に応じた電圧が電圧計１９５により計測されることになる。

本実施形態の荷重測定装置の動作原理について図５を用いて説明する。本実施形態の荷重測定装置は、図５に示すように、電極１６ａと電極１７ａの間に、複数の電気抵抗素子１５が配線パターン１６および配線パターン１７によって直列に接続されている。

すなわち、配線パターン１６および配線パターン１７によって直列に接続された複数の電気抵抗素子１５は、線状部材を短く切断したものを配線パターン１６と配線パターン１７で繋ぎ合わせたような構成となっている。

このような構成の荷重測定装置においては、各電気抵抗素子１５の軸方向に荷重が印加される。したがって、荷重に応じて複数の電気抵抗素子１５がそれぞれ伸縮するので、複数の電気抵抗素子１５によって構成される抵抗回路の抵抗値の変動を大きくすることができる。このため、荷重を精度よく測定することができる。

なお、電気抵抗素子１５を面積の大きな１つの円盤で構成とすることも考えられるが、この場合、電気抵抗素子１５の電気抵抗値が非常に小さくなって配線抵抗が誤差として影響するようになるといった問題や荷重による伸縮量の変動が少なくなるといった問題がある。このため、荷重を精度よく測定することができない。

次に、第１シート１１、第２シート１２および第３シート１３を熱プレスにより一体成形する製造工程について図６を用いて説明する。本実施形態の荷重測定装置は、熱可塑性樹脂を用いた一括積層プロセスであるＰＡＬＡＰ（登録商標）を用いて成形される。

まず、作業者は、第１工程Ｓ１００にで、第１シート１１、第２シート１２および第３シート１３を用意する。そして、電気抵抗素子１５を構成する粉末状の粒子をペースト状にして第１シート１１の貫通孔１１ａに印刷により充填する。

次に、作業者は、第２工程Ｓ２００にて、第１シート１１を第２シート１２および第３シート１３で挟むよう配置する。具体的には、第３シート１３の上に第１シート１１を配置し、その後、第１シート１１の上に第２シート１２を配置する。

次に、作業者は、第３工程Ｓ３００にて、粉末状の粒子が焼結するとともに第１シート、第２シートおよび第３シートが結合するよう第１シート、第２シートおよび第３シートの積層方向の両側から第１シート、第２シートおよび第３シートに高圧を加えながら熱プレスする。

この際、第１シート１１、第２シート１２および第３シート１３は、熱可塑性樹脂により構成されているので加熱によって溶け、また、ペースト状にされた電気抵抗素子１５の粒子は第１シート１１の貫通孔１１ａの内部で焼結する。その後、冷却されると第１シート１１、第２シート１２および第３シート１３が結合して一体化する。

そして、熱プレスすることによって被検出体からの荷重に応じて複数の貫通孔の軸線方向に伸縮して直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が変化する電気抵抗素子を複数の貫通孔に形成するとともに第１シート、第２シートおよび第３シートが一体化する。

なお、第１シート１１の貫通孔１１ａに電気抵抗素子１５を１つ１つ埋め込むことも考えられるが、この場合、効率良く製造することができない。また、電気抵抗素子１５を埋め込む際のばらつきが大きくなってしまう。

これに対し、本実施形態のような一体成形を行うことで、第１シート１１の貫通孔１１ａに電気抵抗素子１５を均一に形成することができ、また、効率よく製造することができる。また、電気抵抗素子１５の高さを均一に形成することで、荷重の測定感度を向上することもできる。

以上、説明したように、本荷重測定装置は、複数の貫通孔１１ａが形成されるとともに被検出体から受ける荷重に応じて弾性変形する絶縁性の第１シート１１を備えている。また、複数の貫通孔１１ａに配置された複数の電気抵抗素子１５と、第１シート１１の一面側に積層配置された絶縁性の第２シート１２と、第１シート１１の他面側に積層配置された絶縁性の第３シート１３と、を備えている。さらに、第２シート１２および第３シート１３に配置され、複数の電気抵抗素子１５の間を直列に接続する配線パターン１６、１７を備えている。そして、被検出体からの荷重に応じて複数の電気抵抗素子１５が複数の貫通孔１１ａの軸線方向に伸縮して直列に接続された複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗値が変化する。

また、本荷重測定装置は、直列に接続された複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗値に応じた電圧を測定する測定回路１９を備えている。

したがって、測定回路１９によって測定された電圧により被検出体から受ける荷重の大きさを認識することができる。

また、配線パターン１６、１７は、第２シートおよび第３シートの両方に配置されている。また、第２シートに配置された配線パターン１６と第３シートに配置された配線パターン１７により直列に接続された複数の電気抵抗素子１５の軸方向に電流が流れるよう構成されている。さらに、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子１５が圧縮変形して複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗値が小さくなるよう構成されている。

このように、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗値が小さくなるよう構成することができる。

また、本荷重測定装置の製造方法は、熱可塑性樹脂によって構成された第１シート１１、第２シート１２および第３シート１３を用意することを含んでいる。

また、電気抵抗素子を構成する粉末状の粒子をペースト状にして第１シートの貫通孔に印刷により充填することを含んでいる。

また、第２シートおよび第３シートの少なくとも一方に複数の電気抵抗素子の間を直列に接続する配線パターン１６、１７を配置することを含んでいる。

また、第１シートを第２シートおよび第３シートで挟むよう配置することを含んでいる。

また、粉末状の粒子が焼結するとともに第１シート、第２シートおよび第３シートが結合するよう第１シート、第２シートおよび第３シートの積層方向の両側から第１シート、第２シートおよび第３シートに高圧を加えながら熱プレスすることを含んでいる。

また、熱プレスすることによって被検出体からの荷重に応じて複数の貫通孔の軸線方向に伸縮して直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が変化する電気抵抗素子を複数の貫通孔に形成するとともに第１シート、第２シートおよび第３シートが一体化することを含んでいる。

したがって、梁を用いることなく、かつ、荷重が保持され続けた場合でも荷重を測定することができる。

なお、このような荷重を測定するものとして圧電シートと呼ばれるものがある。しかし、この圧電シートは、荷重を精度よく測定することはできない。このため、圧電シートの用途は、圧電スイッチ等に限られる。

本実施形態の荷重測定装置の適用例について説明する。図７に示すように、ボルトで挟持された２枚の板材を有する冶具Ｊの内部に荷重検出部１０を埋設することもできる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る荷重測定装置について図８～図１０を用いて説明する。本実施形態の荷重測定装置は、４つの荷重測定装置Ａ～Ｄと、締結ボルト２０、挟み込み板２１、２２およびケース２３を備えている。

４つの荷重測定装置Ａ～Ｄは、それぞれ第１シート１１、第２シート１２、第３シート１３、電気抵抗素子１５、配線パターン１６、１７を備えている。なお、本実施形態の４つの荷重測定装置Ａ～Ｄは、図１に示した荷重測定装置と比較して、受圧部１４およびベース１８を備えていない点が異なる。

挟み込み板２１および挟み込み板２２は、締結ボルト２０に締結されている。荷重測定装置Ａおよび荷重測定装置Ｂは、挟み込み板２１とケース２３の間に固着され、荷重測定装置Ｃおよび荷重測定装置Ｄは、ケース２３の内側の上面と挟み込み板２２の間に固着されている。

挟み込み板２１および挟み込み板２２の締結ボルト２０の軸方向の長さは、被検出体から受ける荷重の大きさと関係なく一定となっている。

ケース２３は、金属等によって構成されている。ケース２３の上面に、挟み込み板２１、荷重測定装置Ａおよび荷重測定装置Ｂが配置され、ケース２３の内側の上面に、挟み込み板２２、荷重測定装置Ｃおよび荷重測定装置Ｄが配置されている。

締結ボルト２０の上下方向上側から下側への荷重が印加されると、荷重測定装置Ａおよび荷重測定装置Ｂは、複数の電気抵抗素子１５が挟み込み板２１とケース２３によって圧縮され、荷重測定装置Ａおよび荷重測定装置Ｂの電気抵抗素子１５の抵抗値は小さくなる。

また、締結ボルト２０の上下方向上側から下側への荷重が印加されると、荷重測定装置Ｃおよび荷重測定装置Ｄの複数の電気抵抗素子１５は挟み込み板２１によって伸長し、荷重測定装置Ｃおよび荷重測定装置Ｄの電気抵抗素子１５の抵抗値は大きくなる。

本実施形態の荷重測定装置の回路構成を図１０に示す。本実施形態の荷重測定装置は、４つの荷重測定装置Ａ～Ｄ、電源１９４および電圧計１９５を有している。図１０では、荷重測定装置Ａが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗を抵抗１５Ａ、荷重測定装置Ｂが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗値を抵抗１５Ｂと記してある。また、荷重測定装置Ｃが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗を抵抗１５Ｃ、荷重測定装置Ｄが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗を抵抗１５Ｄと記してある。

荷重測定装置Ａが有する複数の電気抵抗素子１５と荷重測定装置Ｃが有する複数の電気抵抗素子１５とが第１接続点Ｓ１にて接続されている。また、荷重測定装置Ｂが有する複数の電気抵抗素子１５と荷重測定装置Ｄが有する複数の電気抵抗素子１５とが第２接続点Ｓ２にて接続されている。

荷重測定装置Ａが有する複数の電気抵抗素子１５と荷重測定装置Ｄが有する複数の電気抵抗素子１５との接続点Ｓ３と、荷重測定装置Ｂが有する複数の電気抵抗素子１５と荷重測定装置Ｃが有する複数の電気抵抗素子１５との接続点Ｓ４との間に電源１９４が接続されている。電圧計１９５は、第１接続点Ｓ１と第２接続点Ｓ２との間の電圧を測定する。

締結ボルト２０の上下方向上側から下側への荷重が印加されると、荷重測定装置Ａが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗１５Ａの抵抗値は小さくなり、荷重測定装置Ｃが有する複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗素子１５の抵抗１５Ｃの抵抗値は大きくなる。したがって、第１接続点Ｓ１の電位は上昇する。

また、締結ボルト２０の上下方向上側から下側への荷重が印加されると、荷重測定装置Ｂが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗１５Ｂの抵抗値は小さくなり、荷重測定装置Ｄが有する複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗素子１５の抵抗１５Ｄの抵抗値は大きくなる。したがって、第２接続点Ｓ２の電位は低下する。

つまり、締結ボルト２０の上下方向上側から下側への荷重が印加されると、電圧計１９５により測定される第１接続点Ｓ１と第２接続点Ｓ２との間の電圧は大きくなる。このように、電圧計１９５は、被検出体から受ける荷重に応じた電圧を測定することができる。

なお、各荷重測定装置Ａ～Ｄの各電気抵抗素子１５には、測定回路１９の電源１９４から電圧が印加される。このため、電気抵抗素子１５が発熱して電気抵抗素子１５の温度が上昇して抵抗値が変化する。また、周囲温度の変化によっても電気抵抗素子１５の温度が上昇して抵抗値が変化する。

しかし、各荷重測定装置Ａ～Ｄの各電気抵抗素子１５は、同じように温度が上昇するため、測定回路１９のホイーストンブリッジ回路で温度上昇による抵抗値の変化分をキャンセルすることができる。

以上、説明したように、本荷重測定装置は、４つの荷重測定装置Ａ～Ｄを備えるとともに、４つの荷重測定装置Ａ～Ｄがそれぞれ有する直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値に応じた電圧を測定する測定回路１９を備えている。

また、４つの荷重測定装置Ａ～Ｄは、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子が圧縮されるよう配置された第１、第２の荷重測定装置Ａ、Ｂを有している。

さらに、４つの荷重測定装置は、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子が伸長されるよう配置された第３、第４の荷重測定装置Ｃ、Ｄを有している。

また、第１の荷重測定装置Ａが有する直列に接続された複数の電気抵抗素子１５と第３の荷重測定装置Ｃが有する直列に接続された複数の電気抵抗素子１５とが第１接続点Ｓ１にて互いに接続されている。

また、第２の荷重測定装置Ｂが有する直列に接続された複数の電気抵抗素子１５と第４の荷重測定装置Ｄが有する直列に接続された複数の電気抵抗素子１５とが第２接続点Ｓ２にて互いに接続されている。

また、第１の荷重測定装置Ａが有する直列に接続された複数の電気抵抗素子１５と第４の荷重測定装置Ｄが有する直列に接続された複数の電気抵抗素子１５とが第３接続点Ｓ３にて互いに接続されている。

また、第２の荷重測定装置Ｂが有する直列に接続された複数の電気抵抗素子１５と第３の荷重測定装置Ｃが有する直列に接続された複数の電気抵抗素子１５とが第４接続点Ｓ４にて互いに接続されている。

また、第３接続点Ｓ３には、第４接続点Ｓ４に対して正の電圧が印加されるようになっている。そして、測定回路１９は、第１接続点Ｓ１と第２接続点Ｓ２との間の電圧を測定する。

このような構成によれば、第１～第４の荷重測定装置Ａ～Ｄの各電気抵抗素子１５の温度が変化しても、第１～第４の荷重測定装置Ａ～Ｄの各電気抵抗素子１５の抵抗値が同じように変化するため、温度変化による抵抗値の変化分がキャンセルされる。したがって、測定された電圧に対する各電気抵抗素子の温度変化による影響を抑制することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る荷重測定装置について図１１～図１４を用いて説明する。本実施形態の荷重測定装置は、４つの荷重測定装置Ｅ～Ｈを備えている。荷重測定装置Ｅおよび荷重測定装置Ｆは、同一面上に並んで配置されている。また、荷重測定装置Ｇおよび荷重測定装置Ｈも、同一面上に並んで配置されている。

また、荷重測定装置Ｇの上下方向上側に荷重測定装置Ｅが配置され、荷重測定装置Ｈの上下方向上側に荷重測定装置Ｆが配置されている。

荷重測定装置Ｅおよび荷重測定装置Ｆは、図９に示した荷重測定装置Ａ～Ｃと同様の構成となっている。

また、荷重測定装置Ｇおよび荷重測定装置Ｈは、図１２に示すように、第１シート１１、第２シート１２、第３シート１３、電気抵抗素子１５、配線パターン１７を備えている。なお、荷重測定装置Ｇおよび荷重測定装置Ｈは、図９に示した荷重測定装置Ａ～Ｃと比較して配線パターン１６を有しておらず、第３シートに配置された配線パターン１７によって複数の電気抵抗素子１５が直列に接続されている点が異なる。

荷重測定装置Ｅおよび荷重測定装置Ｆは、被検出体からの荷重の増加に伴って直列に接続された複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗値が小さくなるよう構成されている。

また、荷重測定装置Ｇおよび荷重測定装置Ｈは、被検出体からの荷重の増加に伴って直列に接続された複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗値が大きくなるよう構成されている。

具体的には、荷重測定装置Ｇおよび荷重測定装置Ｈは、図１３に示すように、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子が圧縮変形すると、複数の電気抵抗素子１５を流れる電流経路Ｉの断面積が減少する。このため、直列に接続された複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗値が大きくなる。

本実施形態の荷重測定装置の回路構成を図１３に示す。本実施形態の荷重測定装置は、４つの荷重測定装置Ｅ～Ｈ、電源１９４および電圧計１９５を有している。図１４では、荷重測定装置Ｅが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗を抵抗１５Ｅ、荷重測定装置Ｆが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗を抵抗１５Ｆと記してある。また、荷重測定装置Ｇが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗を抵抗１５Ｇ、荷重測定装置Ｈが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗を抵抗１５Ｈと記してある。

荷重測定装置Ｅが有する複数の電気抵抗素子１５と荷重測定装置Ｇが有する複数の電気抵抗素子１５とが第１接続点Ｓ１にて接続されている。また、荷重測定装置Ｈが有する複数の電気抵抗素子１５と荷重測定装置Ｆが有する複数の電気抵抗素子１５とが第２接続点Ｓ２にて接続されている。

荷重測定装置Ｅが有する複数の電気抵抗素子１５と荷重測定装置Ｈが有する複数の電気抵抗素子１５との接続点と、荷重測定装置Ｇが有する複数の電気抵抗素子１５と荷重測定装置Ｆが有する複数の電気抵抗素子１５との接続点との間に電源１９４が接続されている。電圧計１９５は、第１接続点Ｓ１と第２接続点Ｓ２との間の電圧を測定する。

被検出体から上下方向上側から下側への荷重が印加されると、荷重測定装置Ｅが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗１５Ｅの抵抗値は小さくなり、荷重測定装置Ｇが有する複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗素子１５の抵抗１５Ｇの抵抗値は大きくなる。したがって、第１接続点Ｓ１の電位は上昇する。

また、被検出体から上下方向上側から下側への荷重が印加されると、荷重測定装置Ｆが有する複数の電気抵抗素子１５の抵抗１５Ｆの抵抗値は小さくなり、荷重測定装置Ｈが有する複数の電気抵抗素子１５の電気抵抗素子１５の抵抗１５Ｈの抵抗値は大きくなる。したがって、第２接続点Ｓ２の電位は低下する。

つまり、被検出体から上下方向上側から下側への荷重が印加されると、電圧計１９５により測定される第１接続点Ｓ１と第２接続点Ｓ２との間の電圧は大きくなる。このように、電圧計１９５は、被検出体から受ける荷重に応じた電圧を測定することができる。

なお、各荷重測定装置Ｅ～Ｈの各電気抵抗素子１５の温度が変化しても、各荷重測定装置Ｅ～Ｈの各電気抵抗素子１５は、同じように温度が上昇するため、測定回路１９のホイーストンブリッジ回路で温度上昇による抵抗値の変化分をキャンセルすることができる。

以上、説明したように、本実施形態の本荷重測定装置は、４つの荷重測定装置Ｅ～Ｈを４つ備えるとともに４つの荷重測定装置Ｅ～Ｈが有する直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値の変化に応じた電圧を測定する測定回路１９と、を備えている。

また、４つの荷重測定装置Ｅ～Ｈは、被検出体からの荷重の増加に伴って直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が小さくなるよう構成された第１、第２の荷重測定装置Ｅ、Ｆを有している。

また、４つの荷重測定装置は、被検出体からの荷重の増加に伴って直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が大きくなるよう構成された第３、第４の荷重測定装置Ｇ、Ｈを有している。

また、第１の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子と第３の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子とが第１接続点Ｓ１にて互いに接続されている。

また、第２の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子と第４の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子とが第２接続点Ｓ２にて互いに接続されている。

また、第１の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子と第４の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子とが第３接続点Ｓ３にて互いに接続されている。

また、第２の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子と第３の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子とが第４接続点Ｓ４にて互いに接続されている。

また、第３接続点には、第４接続点に対して正の電圧が印加されるようになっている。そして、測定回路は、第１接続点と第２接続点Ｓ２との間の電圧を測定する。

また、配線パターンは、第２シートおよび第３シートの一方側に配置されている。また、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子が圧縮変形して複数の電気抵抗素子を流れる電流の電流経路が短くなることにより複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が大きくなるよう構成されている。

このように、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が大きくなるよう構成することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態に係る荷重測定装置について図１５を用いて説明する。本荷重測定装置は、図１５に示す形状を成している。なお、図１５は、第２シート１２および受圧部１４を省略してある。

本実施形態の荷重測定装置は、円形を成す第１シート１１に複数の電気抵抗素子１５が同心円状に配置されている。また、本荷重測定装置は、第１シート１１の周方向に隣接する複数の電気抵抗素子１５の間を、第２シート１２に形成された円弧状の配線パターン１６と第３シート１３に形成された円弧状の配線パターン１７により交互に接続した荷重検出部を有している。また、複数の電気抵抗素子１５は、配線パターン１６および配線パターン１７によって直列に接続されている。また、電極１６ａおよび電極１６ｂは、それぞれ配線パターン１６に接続されている。また、電極１６ａおよび電極１６ｂは、第２シート１２および受圧部１４に形成された切り欠き部に形成されており、外部に露出している。このように、荷重測定装置を構成することもできる。

（他の実施形態）
（１）上記実施形態では、電気抵抗素子１５の材質として、例えば、クロメル・アルメル等を用いることを示したが、このような材質のものに限定されるものではなく、例えば、金、銅等の金属、Ｐ型半導体、Ｎ型半導体等の半導体を用いることもできる。

（２）熱プレスすることにより第１シート１１～第３シート１３が一体化して第１シート～第３シートの境界が明確にならないことも考えられるが、この場合、電気抵抗素子１５が形成されている領域が第１シート１１、電気抵抗素子１５より第１シート１１の一面側に形成されている領域が第２シート１２、電気抵抗素子１５より第１シート１１の他面側に形成されている領域が第３シート１３とすることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

（まとめ）
上記各実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、本荷重測定装置は、複数の貫通孔が形成されるとともに被検出体から受ける荷重に応じて弾性変形する絶縁性の第１シートを備えている。また、複数の貫通孔に配置された複数の電気抵抗素子と、第１シートの一面側に積層配置された絶縁性の第２シートと、第１シートの他面側に積層配置された絶縁性の第３シートと、を備えている。また、第２シートおよび第３シートの少なくとも一方に配置され、複数の電気抵抗素子の間を直列に接続する配線パターンを備えている。そして、被検出体からの荷重に応じて複数の電気抵抗素子が複数の貫通孔の軸線方向に伸縮して直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が変化する。

また、第２の観点によれば、本荷重測定装置は、直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値に応じた電圧を測定する測定回路を備えている。

したがって、測定回路によって測定された電圧により被検出体から受ける荷重の大きさを認識することができる。

また、第３の観点によれば、配線パターンは、第２シートおよび第３シートの両方に配置されている。また、第２シートに配置された配線パターンと第３シートに配置された配線パターンにより直列に接続された複数の電気抵抗素子の軸方向に電流が流れるよう構成されている。さらに、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子が圧縮変形して複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が小さくなるよう構成されている。

このように、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が小さくなるよう構成することができる。

また、第４の観点によれば、配線パターンは、第２シートおよび第３シートの一方側に配置されている。また、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子が圧縮変形して複数の電気抵抗素子を流れる電流の電流経路が短くなることにより複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が大きくなるよう構成されている。

また、第５の観点によれば、本荷重測定装置は、請求項１に記載された荷重測定装置を４つ備えるとともに、４つの荷重測定装置がそれぞれ有する直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値に応じた電圧を測定する測定回路を備えている。

また、４つの荷重測定装置は、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子が圧縮されるよう配置された第１、第２の荷重測定装置を有している。

さらに、４つの荷重測定装置は、被検出体からの荷重の増加に伴って複数の電気抵抗素子が伸長されるよう配置された第３、第４の荷重測定装置を有している。

また、第１の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子と第３の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子とが第１接続点にて互いに接続されている。

また、第２の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子と第４の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子とが第２接続点にて互いに接続されている。

また、第１の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子と第４の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子とが第３接続点にて互いに接続されている。

また、第２の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子と第３の荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子とが第４接続点にて互いに接続されている。

また、第３接続点には、第４接続点に対して正の電圧が印加されるようになっている。そして、測定回路は、第１接続点と第２接続点との間の電圧を測定する。

このような構成によれば、第１～第４の荷重測定装置の各電気抵抗素子の温度が変化しても、第１～第４の荷重測定装置の各電気抵抗素子の抵抗値が同じように変化するため、温度変化による抵抗値の変化分がキャンセルされる。したがって、測定された電圧に対する各電気抵抗素子の温度変化による影響を抑制することができる。

また、第６の観点によれば、本荷重測定装置は、請求項１に記載された荷重測定装置を４つ備えるとともに４つの荷重測定装置が有する直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値の変化に応じた電圧を測定する測定回路と、を備えている。

また、４つの荷重測定装置は、被検出体からの荷重の増加に伴って直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が小さくなるよう構成された第１、第２の荷重測定装置を有している。

また、４つの荷重測定装置は、被検出体からの荷重の増加に伴って直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が大きくなるよう構成された第３、第４の荷重測定装置を有している。

また、第７の観点によれば、請求項１に記載された荷重測定装置の製造方法であって
熱可塑性樹脂によって構成された第１シート、第２シートおよび第３シートを用意することを含んでいる。

また、第２シートおよび第３シートの少なくとも一方に複数の電気抵抗素子の間を直列に接続する配線パターンを配置することを含んでいる。

また、熱プレスすることによって被検出体からの荷重に応じて複数の貫通孔の軸線方向に伸縮して直列に接続された複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が変化する電気抵抗素子を複数の貫通孔に形成するとともに第１シート、第２シートおよび第３シートが一体化することとを含んでいる。

１１第１シート
１１ａ貫通孔
１２第２シート
１３第３シート
１４電気抵抗素子
１６、１７配線パターン
１９測定回路

Claims

複数の貫通孔（１１ａ）が形成されるとともに被検出体から受ける荷重に応じて弾性変形する絶縁性の第１シート（１１）と、
前記複数の貫通孔に配置された複数の電気抵抗素子（１５）と、
前記第１シートの一面側に積層配置された絶縁性の第２シート（１２）と、
前記第１シートの他面側に積層配置された絶縁性の第３シート（１３）と、
前記第２シートおよび前記第３シートの少なくとも一方に配置され、前記複数の電気抵抗素子の間を直列に接続する配線パターン（１６、１７）と、を備え、
前記被検出体からの荷重に応じて前記複数の電気抵抗素子が前記複数の貫通孔の軸線方向に伸縮して前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子の電気抵抗値が変化する荷重測定装置。
前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子の前記電気抵抗値に応じた電圧を測定する測定回路（１９）を備えた請求項１に記載の荷重測定装置。
前記配線パターンは、前記第２シートおよび前記第３シートの両方に配置され、
前記第２シートに配置された前記配線パターンと前記第３シートに配置された前記配線パターンにより前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子の軸方向に電流が流れるよう構成され、
前記被検出体からの荷重の増加に伴って前記複数の電気抵抗素子が圧縮変形して前記複数の電気抵抗素子の前記電気抵抗値が小さくなるよう構成されている請求項１または２に記載の荷重測定装置。
前記配線パターンは、前記第２シートおよび前記第３シートの一方側に配置され、
前記被検出体からの荷重の増加に伴って前記複数の電気抵抗素子が圧縮変形して前記複数の電気抵抗素子を流れる電流経路の断面積が減少することにより前記複数の電気抵抗素子の前記電気抵抗値が大きくなるよう構成されている請求項１または２に記載の荷重測定装置。
請求項１に記載された荷重測定装置（Ａ～Ｄ）を４つ備えるとともに、４つの前記荷重測定装置がそれぞれ有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子の前記電気抵抗値に応じた電圧を測定する測定回路（１９）を備え、
４つの前記荷重測定装置は、前記被検出体からの荷重の増加に伴って前記複数の電気抵抗素子が圧縮されるよう配置された第１、第２の前記荷重測定装置（Ａ、Ｂ）と、前記被検出体からの荷重の増加に伴って前記複数の電気抵抗素子が伸長されるよう配置された第３、第４の前記荷重測定装置（Ｃ、Ｄ）と、を有し、
前記第１の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子と前記第３の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子とが第１接続点（Ｓ１）にて互いに接続され、
前記第２の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子と前記第４の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子とが第２接続点（Ｓ２）にて互いに接続され、
前記第１の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子と前記第４の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子とが第３接続点（Ｓ３）にて互いに接続され、
前記第２の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子と前記第３の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子とが第４接続点（Ｓ４）にて互いに接続され、
前記第３接続点には、前記第４接続点に対して正の電圧が印加されるようになっており、
前記測定回路は、前記第１接続点と前記第２接続点との間の電圧を測定する荷重測定装置。
請求項１に記載された荷重測定装置（Ｅ～Ｈ）を４つ備えるとともに４つの前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子の前記電気抵抗値の変化に応じた電圧を測定する測定回路（１９）と、を備え、
４つの前記荷重測定装置は、前記被検出体からの荷重の増加に伴って前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子の前記電気抵抗値が小さくなるよう構成された第１、第２の前記荷重測定装置（Ｅ、Ｆ）と、前記被検出体からの荷重の増加に伴って前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子の前記電気抵抗値が大きくなるよう構成された第３、第４の前記荷重測定装置（Ｇ、Ｈ）と、を有し、
前記第１の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子と前記第３の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子とが第１接続点（Ｓ１）にて互いに接続され、
前記第２の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子と前記第４の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子とが第２接続点（Ｓ２）にて互いに接続され、
前記第１の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子と前記第４の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子とが第３接続点（Ｓ３）にて互いに接続され、
前記第２の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子と前記第３の前記荷重測定装置が有する前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子とが第４接続点（Ｓ４）にて互いに接続され、
前記第３接続点には、前記第４接続点に対して正の電圧が印加されるようになっており、
前記測定回路は、前記第１接続点と前記第２接続点との間の電圧を測定する荷重測定装置。
請求項１に記載された荷重測定装置の製造方法であって、
熱可塑性樹脂によって構成された前記第１シート（１１）、前記第２シート（１２）および前記第３シート（１３）を用意することと、
電気抵抗素子を構成する粉末状の粒子をペースト状にして前記第１シートの前記貫通孔に印刷により充填することと、
前記第２シートおよび前記第３シートの少なくとも一方に前記複数の電気抵抗素子の間を直列に接続する配線パターン（１６、１７）を配置することと、
前記第１シートを前記第２シートおよび前記第３シートで挟むよう配置することと、
前記粉末状の粒子が焼結するとともに前記第１シート、前記第２シートおよび前記第３シートが結合するよう前記第１シート、前記第２シートおよび前記第３シートの積層方向の両側から前記第１シート、前記第２シートおよび前記第３シートに高圧を加えながら熱プレスすることと、
前記熱プレスすることによって前記被検出体からの荷重に応じて前記複数の貫通孔の軸線方向に伸縮して前記直列に接続された前記複数の電気抵抗素子の前記電気抵抗値が変化する前記電気抵抗素子を前記複数の貫通孔に形成するとともに前記第１シート、前記第２シートおよび前記第３シートが一体化することと、を含む荷重測定装置の製造方法。