JPH1123384A - 圧電式荷重センサ - Google Patents
圧電式荷重センサInfo
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- JPH1123384A JPH1123384A JP9178541A JP17854197A JPH1123384A JP H1123384 A JPH1123384 A JP H1123384A JP 9178541 A JP9178541 A JP 9178541A JP 17854197 A JP17854197 A JP 17854197A JP H1123384 A JPH1123384 A JP H1123384A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 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圧電式荷重セ
ンサを提供する。 【解決手段】 圧電式荷重センサＳ1 は、全体に亘り均
一な圧電定数ｄ1 を持つ第１検出体Ｄ1 と、第１検出体
Ｄ1 に積層されて、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 を荷重作用位置の検出に
用いる。例えば、圧電定数ｄ21の部分Ｐ0 に荷重が作用
していれば、Ｑ2 ／Ｑ1 ＝ｄ21／ｄ1 となる。このｄ21
／ｄ1 は既得の値として予め求めておくことができ、こ
れと測定値からのｄ21／ｄ1 とが略等しければ荷重作用
位置はＰ0 となる。また第１検出体Ｄ1 の出力値Ｑ1 を
荷重Ｆ（Ｎ）の検出に用いる。即ち、Ｆ＝Ｑ1 ／ｄ1 で
ある。
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圧電式荷重セ
ンサを提供する。 【解決手段】 圧電式荷重センサＳ1 は、全体に亘り均
一な圧電定数ｄ1 を持つ第１検出体Ｄ1 と、第１検出体
Ｄ1 に積層されて、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 を荷重作用位置の検出に
用いる。例えば、圧電定数ｄ21の部分Ｐ0 に荷重が作用
していれば、Ｑ2 ／Ｑ1 ＝ｄ21／ｄ1 となる。このｄ21
／ｄ1 は既得の値として予め求めておくことができ、こ
れと測定値からのｄ21／ｄ1 とが略等しければ荷重作用
位置はＰ0 となる。また第１検出体Ｄ1 の出力値Ｑ1 を
荷重Ｆ（Ｎ）の検出に用いる。即ち、Ｆ＝Ｑ1 ／ｄ1 で
ある。
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。
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。
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。
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。
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Ｑ
2 ／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。
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Ｑ
2 ／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。
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＞ｄ
22＞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 ，Ｑ 2 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 ，Ｑ
3 の比Ｑ 3 ／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。
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＞ｄ
22＞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 ，Ｑ 2 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 ，Ｑ
3 の比Ｑ 3 ／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。
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。
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。
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。
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。
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。
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１
０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。
０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 ，ＣＭ
2 の両端子間の導線１８に接続される。
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 ，ＣＭ
2 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。
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 ＝ｄ
21／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 ，Ｑ
2 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。
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 ＝ｄ
21／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 ，Ｑ
2 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）＝Ｑ 1 ／（ｄ1 ・ｇ）となる。
（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）＝Ｑ 1 ／（ｄ1 ・ｇ）となる。
【００１９】圧電素子の構成材料にはＢａＴｉＯ3 、Ｐ
ｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3 、ＫＮｂＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、Ｐｂ
（ＭｇＮｂ）Ｏ3 等のペロブスカイト型強誘電体、Ｌｉ
ＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等のＬｉＮｂＯ3 型強誘電体、
Ｋ3 Ｌｉ2 Ｎｂ5 Ｏ15、Ｂａ 2 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。
ｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ3 、ＫＮｂＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、Ｐｂ
（ＭｇＮｂ）Ｏ3 等のペロブスカイト型強誘電体、Ｌｉ
ＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 等のＬｉＮｂＯ3 型強誘電体、
Ｋ3 Ｌｉ2 Ｎｂ5 Ｏ15、Ｂａ 2 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Ｄ
1 〜Ｄ3 を相互に積層した構造を備えている。
基台１上に配設されて、第１，第２および第３検出体Ｄ
1 〜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Ｄ 2 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Ｑ
2 ／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。
圧電定数を持つ。また第２検出体Ｄ 2 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Ｑ
2 ／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。
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。
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Ｄ
1 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。
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Ｄ
1 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。
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Ｄ
1 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。
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Ｄ
1 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Ｍ
31〜Ｍ 33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。
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Ｍ
31〜Ｍ 33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１９，２
０；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。
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１９，２
０；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。
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。
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。
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１．０
kg、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 ／（ｄ
1 ・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。
kg、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 ／（ｄ
1 ・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。
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，Ｐ
22、したがってｘ＝０；ｘ＝１；ｘ 2 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
／Ｑ 1 を比べ、また荷重作用位置Ｐ00，Ｐ10，Ｐ20；Ｐ
21；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。
22、したがってｘ＝０；ｘ＝１；ｘ 2 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
／Ｑ 1 を比べ、また荷重作用位置Ｐ00，Ｐ10，Ｐ20；Ｐ
21；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。
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。
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。
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。
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〜Ｍ
23および第３検出体Ｄ 3 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。
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〜Ｍ
23および第３検出体Ｄ 3 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。
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。
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。
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。
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。
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。
る。
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)
- 【請求項１】 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。 - 【請求項２】 第１，第２および第３検出体（Ｄ1 〜Ｄ
3 ）を相互に積層した構造を備え、前記第１検出体（Ｄ
1 ）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 ／Ｑ
1 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（Ｄ 1 ）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。 - 【請求項３】 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。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17854197A JP3837207B2 (ja) | 1997-07-03 | 1997-07-03 | 圧電式荷重センサ |
| US09/108,316 US6065353A (en) | 1997-07-03 | 1998-07-01 | Piezoelectric load sensor, and process for detecting load-applied position |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17854197A JP3837207B2 (ja) | 1997-07-03 | 1997-07-03 | 圧電式荷重センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1123384A true JPH1123384A (ja) | 1999-01-29 |
| JP3837207B2 JP3837207B2 (ja) | 2006-10-25 |
Family
ID=16050291
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17854197A Expired - Fee Related JP3837207B2 (ja) | 1997-07-03 | 1997-07-03 | 圧電式荷重センサ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6065353A (ja) |
| JP (1) | JP3837207B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7152482B2 (en) | 2002-10-01 | 2006-12-26 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | Piezoelectric sensor and input device including same |
| JP2013019771A (ja) * | 2011-07-12 | 2013-01-31 | Nippon Steel & Sumitomo Metal | 荷重計測装置 |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6632010B2 (en) | 2001-08-09 | 2003-10-14 | A.O. Smith Corporation | Fluid-holding apparatus including a sensor |
| CN103975398B (zh) | 2011-08-18 | 2017-07-04 | 温彻斯特技术有限责任公司 | 具有大电感可调谐性的静电可调谐磁电电感器 |
| EP3379222B1 (en) | 2017-03-22 | 2020-12-30 | Methode Electronics Malta Ltd. | Magnetoelastic based sensor assembly |
| US11014417B2 (en) | 2018-02-27 | 2021-05-25 | Methode Electronics, Inc. | Towing systems and methods using magnetic field sensing |
| US11135882B2 (en) | 2018-02-27 | 2021-10-05 | Methode Electronics, Inc. | Towing systems and methods using magnetic field sensing |
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