JPH0575634U - 荷重センサおよびそれを使用した荷重センサ構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 静的な荷重の検出が可能であるとともに、他
軸方向からの荷重の変化に影響されない荷重センサおよ
び荷重センサ構造を提供することを目的とする。 【構成】 板状の中央電極２を挟んで一方に作動部３
が、他方に検出部４が積層する荷重センサ１であって、
前記作動部３は前記中央電極２とこれに対向して配設さ
れた作動部側電極５との間に圧電体７が配設され、前記
中央電極２と作動部側電極５との間に交流電源９が接続
され、一方、前記検出部４は前記中央電極２とこれに対
向して配設された検出部側電極６との間に圧電体８が配
設され、前記中央電極２と検出部側電極６との間に測定
器１０が接続され、前記作動部側電極５と検出部側電極
６との間に予荷重を与えて拘束状態とするとともに、前
記両者５、６間に加わる荷重を測定器１０で検出する荷
重センサ。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は荷重センサおよびそれを使用した荷重センサ構造に関し、特に、圧 電素子を用いた荷重センサおよびそれを使用した荷重センサ構造に関するもので ある。

【０００２】

【従来技術および解決しようとする課題】

一般に、軸方向の荷重を検出する荷重センサ構造としては、図８に示すような 荷重センサ構造が知られている。

【０００３】 すなわち、この荷重センサ構造５１は、シャフト５２の外周側に筒状をなすと ともに、中央部の内径が所定の幅だけ大径となることで薄肉部５７ａが形成され ているセンサ部５７が位置し、このセンサ部５７の両端部が固定用リング５５、 ５６で固定されている。

【０００４】 また、前記センサ部５７の薄肉部５７ａに対応する外周面には歪ゲージ５３が 設けられ、前記固定用リング５５、５６を含めた外側は塵埃等の侵入を阻止する ためのカバー５４によって覆われている。

【０００５】 上記のように構成された荷重センサ構造５１においては、シャフト５２の軸方 向に作用する荷重をセンサ部５７に配設した歪ゲージ５３によって検出するよう になっていて、検出感度を向上させるためセンサ部５７に薄肉部５７ａが形成さ れている。

【０００６】 しかしながら、センサ部５７の変形量はシャフト５２の変形量に依存するため 、シャフト５２の径が大きいと歪ゲージ５３の出力が小さくなり、また、シャフ ト５２に対して軸方向以外の方向から荷重が作用すると、センサ部５７に圧縮、 引張り歪みが作用し、これを軸荷重として検出してしまい、荷重センサとしての 検出精度が悪くなるという問題点を有していた。

【０００７】 この問題点を解決するものとして圧電素子を用いた荷重センサが考えられるが 、圧電素子は、周知のように電極を取付けて機械的な力を加えて歪みを起こさせ ると電圧を発生し、逆に電圧を加えると機械的に変形するという性質を有する。

【０００８】 そして、歪みを与えた場合の出力電圧は歪みが与えられる時間に依存し、歪み の周波数が大きくなれば出力電圧は大きくなるが、周波数が小さくなると出力電 圧も小さくなり、定常的な変化に対しては零となる。

【０００９】 従って、動的な荷重の検出は可能であるが、静的な荷重や、ごく穏やかな変動 荷重の検出が困難であるという問題点を有していた。

【００１０】 この考案は上記のような従来のもののもつ問題点を解決したものであって、静 的な荷重や、ごく穏やかな変動荷重の検出が可能であるとともに、他軸方向から の荷重の変化に影響されない荷重センサおよびそれを使用した荷重センサ構造を 提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

上記の目的を達成するために、この考案は板状の中央電極を挟んで一方に作動 部が、他方に検出部が積層する荷重センサであって、前記作動部は前記中央電極 とこれに対向して配設された作動部側電極との間に圧電体が配設されて形成され 、前記中央電極と作動部側電極との間に交流電流を印加する交流電源が接続され 、一方、前記検出部は前記中央電極とこれに対向して配設された検出部側電極と の間に圧電体が配設されて形成され、前記中央電極と検出部側電極との間に測定 器が接続され、前記作動部側電極と検出部側電極との間に予荷重を与えて拘束状 態とし、前記両者間に加わる荷重を前記測定器で検出するという手段を採用した ものである。 また、前記中央電極が作動部側中央電極と検出部側中央電極とに分割され、前 記交流電源は作動部側電極と作動部側中央電極との間に接続され、前記測定器は 検出部側電極と検出部側中央電極との間に接続されているという手段を採用した ものである。 そして、前記圧電体が圧電素子であるという手段を採用したものである。 さらに、シャフトに挿通するケースとケースカバーとの間にセンサ部が配設さ れた荷重センサ構造であって、前記センサ部はシャフトの外周側の周方向に所定 の間隔で荷重センサが配設されて形成され、この荷重センサは板状の中央電極と 、この中央電極の一方側に形成された作動部と、他方側に形成された検出部とか らなり、前記作動部は中央電極とこの中央電極に対向して配設される作動部側電 極との間に圧電体が配設され、前記作動部側電極と中央電極との間に交流電流を 印加する交流電源が接続されて形成され、一方、検出部は前記中央電極とこの中 央電極に対向して配設された検出部側電極との間に圧電体が配設され、前記検出 部側電極と中央電極との間に測定器が接続されて形成され、前記各荷重センサの 作動部側電極と検出部側電極との間が前記ケースおよびケースカバーを介して所 定の予荷重で拘束状態となっているという手段を採用したものである。

【００１２】

【作用】

この考案は上記の手段を採用したことにより、作動部側電極と検出部側電極と の間に拘束方向から荷重が加わると、その荷重により作動部側の圧電素子の伸縮 が変化し、これに伴って検出部側の圧電素子に発生する電圧が変化する。

【００１３】 そして、この検出部側の圧電素子に発生する電圧の変化を測定器で検出し、荷 重と電圧の変化との関係が比例関係となるように回路において増幅、フィルタリ ング等の処理を行うことにより静荷重を検出することができる。

【００１４】 また、この荷重センサがシャフトに配設されて他軸方向から荷重が作用しても 、各荷重センサの出力電圧の違いは平均化されるため、他軸方向からの荷重をキ ャンセルすることができる。

【００１５】

【実施例】

以下、図面に示すこの考案の実施例について説明する。 図１にはこの考案による荷重センサの第１の実施例が示されていて、この荷重 センサ１は中央に位置する板状の中央電極２と、この中央電極２の一方側に形成 される作動部３と、他方側に形成される検出部４とが積層状態となったものであ る。

【００１６】 前記作動部３は中央電極２と、この中央電極２に対向して配設された作動部側 電極５との間に圧電体であるセラミックス製の圧電素子７が積層状態で配設され 、この作動部側電極５と中央電極２との間に交流電流を印加する交流電源９が接 続されている。

【００１７】 一方、前記検出部４は中央電極２と、この中央電極２に対向して配設された検 出部側電極６との間に圧電体であるセラミックス製の圧電素子８が積層状態で配 設され、この検出部側電極６と中央電極２との間に測定器１０が接続されている 。 また、この荷重センサ１の前記作動部側電極５と検出部側電極６との間には予 荷重ｆがかけられて拘束状態となっている。

【００１８】 つぎに、上記のように構成された荷重センサ１の作用について以下に説明する 。 まず、前記作動部側電極５と中央電極２との間に交流電流を印加すると、前記 圧電素子７は電圧の極性によって伸縮運動を繰り返す。

【００１９】 一方、前記作動部側電極５と検出部側電極６との間は拘束状態となっているた め、前記作動部３側の圧電素子７が伸縮運動を繰り返すと検出部４側の圧電素子 ８はこれに伴って逆位相で伸縮するようになり、測定器１０に正弦波状の電圧が 発生する。

【００２０】 この状態で前記作動部側電極５と検出部側電極６との間に拘束方向から荷重Ｆ が加わると、その荷重Ｆにより作動部３側の圧電素子７の伸縮量が変化し、これ に伴って検出部４側の圧電素子８に発生する電圧の振幅が変化する。

【００２１】 そして、この検出部４側の圧電素子８に発生する電圧の変化を測定器１０で検 出し、荷重Ｆと電圧の変化との関係が図２に示すように、比例関係となるように 回路において増幅、フィルタリング等を行うと静荷重Ｆを検出することができる 。

【００２２】 図３にはこの考案による荷重センサの第２の実施例が示されていて、この荷重 センサ２１は前記第１の実施例の荷重センサ１とほぼ同様であって、同一の部材 は同一の符号を使用してその詳しい説明を省略する。

【００２３】 そして、この実施例における荷重センサ２１が前記第１の実施例における荷重 センサ１と相違する点は、中央電極２２が作動部側中央電極２２ａと検出部側中 央電極２２ｂとに分割され、交流電源９は作動部側電極５と作動部側中央電極２ ２ａとの間に接続され、測定器１０は検出部側電極６と検出部側中央電極２２ｂ との間に接続されている点にある。

【００２４】 また、この荷重センサ２１の作用、効果は前記第１の実施例における荷重セン サ１とほぼ同様であるためその説明は省略する。

【００２５】 図４〜図６にはこの考案による荷重センサを使用した荷重センサ構造の実施例 が示されていて、この荷重センサ構造３１はシャフト３２に環状のケース３３お よびケースカバー３４を挿通させ、両者３３、３４間にセンサ部３７を配設して 、前記ケース３３とケースカバー３４間をプリロードナット３５、３６で固定す るとともに、両者３３、３４間に予荷重ｆをかけたものである。

【００２６】 前記センサ部３７は図５に示すように、環状に樹脂等で形成したセンサ本体３ ９と、このセンサ本体３９の周方向に等配に形成された貫通孔４０に配設された 荷重センサ４１とからなり、前記荷重センサ４１はセンサ本体３９と一体となっ ている。

【００２７】 そして、これら荷重センサ４１の両端部は前記センサ本体３９の端面から僅か に突出した状態で設けられるとともに、それぞれの荷重センサ４１の高さが揃っ た状態となっている。

【００２８】 また、これら荷重センサ４１は図６に示すように、前記第１の実施例における 荷重センサ１を長方体に形成したものであり、同一の部材は同一の符号を使用し て以下に説明する。

【００２９】 すなわち、この荷重センサ４１は中央に位置する板状の中央電極２と、この中 央電極２の一方側に形成される作動部３と、他方側に形成される検出部４とが積 層状態となったものである。

【００３０】 前記作動部３は中央電極２と、この中央電極２に対向して配設された作動部側 電極５との間に圧電体であるセラミックス製の圧電素子７が積層状態で配設され 、この作動部側電極５と中央電極２との間に交流電流を印加するようになってい る。

【００３１】 一方、前記検出部４は中央電極２と、この中央電極２に対向して配設された検 出部側電極６との間に圧電体であるセラミックス製の圧電素子８が積層状態で配 設され、この検出部側電極６と中央電極２との間に測定器１０が接続されるよう になっている。

【００３２】 そして、前記各荷重センサ４１は積層方向がセンサ本体３９の軸方向となるよ うに貫通孔４０に配設され、回路基板３８を介して交流電源９および測定器１０ に接続されている。

【００３３】 上記のように構成された荷重センサ構造３１の作用について以下に説明する。 まず、前記作動部側電極５と中央電極２との間に交流電流を印加すると、前記 圧電素子７は電圧の極性によって伸縮運動を繰り返す。

【００３４】 一方、前記センサ部３７はケース３３とケースカバー３４との間に配設されて 、プリロードナット３５、３６によって予荷重ｆがかけられて拘束状態となって いるため、センサ本体３９から突出する各荷重センサ４１の作動部側電極５と検 出部側電極６との間は拘束状態となる。

【００３５】 したがって、前記作動部３側の圧電素子７が伸縮運動を繰り返すと検出部４側 の圧電素子８もこれに伴って伸縮するようになり、測定器１０に電圧が発生する 。

【００３６】 この状態で前記シャフト３２に軸方向から荷重Ｆが加わると、センサ本体３９ の貫通孔４０に配設された荷重センサ４１は前記作動部側電極５と検出部側電極 ６との間に拘束方向から荷重Ｆが加わることになる。

【００３７】 そして、この荷重Ｆにより作動部３側の圧電素子７の伸縮量が変化し、これに 伴って検出部４側の圧電素子８に発生する電圧の振幅が変化する。

【００３８】 また、この検出部４側の圧電素子８に発生する電圧の変化を回路基板３８を介 して測定器１０で検出する。

【００３９】 そして、荷重Ｆと電圧の変化との関係が比例関係となるように回路において増 幅、フィルタリング等の処理を行うと静荷重Ｆを検出することができる。

【００４０】 また、図７に示すように、シャフト３２の軸方向と異なる方向からの荷重、い わゆる他軸方向荷重がかかって、歪み大の荷重センサ４１と歪み小の荷重センサ ４１とが表れた場合であっても、各荷重センサ４１がセンサ本体３９の周方向に 所定の間隔で配設されるとともに、各荷重センサ４１が回路基板３８に並列に接 続されていると、トータルの出力は算術的に平均されて他軸方向荷重はキャンセ ルされる。

【００４１】 また、前記荷重センサ４１は長方体に形成されているため、環状に形成する場 合と比較すると、圧電素子の切り出しが容易であるとともに、材料の無駄が無く 、材料が少なくすむためコストが安くなる。

【００４２】 なお、前記荷重センサの各実施例において、圧電体として圧電素子を使用した が、これに限定されることなく、圧電素子と電極とが積層したものであっても良 く、また、圧電素子としてはセラミックスの圧電素子に限定されない。

【００４３】 また、前記荷重センサ構造の実施例においては、センサ本体３９の貫通孔４０ に荷重センサ４１を配設したが、これに限定されることなく、センサ本体３９を 用いずに、シャフト３２の外周側のケース３３とケースカバー３４との間に周方 向に所定の間隔で配設されれば良いものである。

【００４４】 さらに、前記荷重センサ構造の実施例においては、荷重センサ４１の形状を直 方体としたがこれに限定されることなく、立方体、円柱体等他の形状であっても 良く、また、中央電極が二枚の荷重センサを使用しても良いものである。

【００４５】

【考案の効果】

この考案は前記のように中央電極を挟んで作動部と検出部とを積層させ、積層 方向を拘束状態としたため、作動部側電極と検出部側電極との間に拘束方向から 荷重が加わると、その荷重により作動部側の圧電素子の伸縮が変化し、これに伴 って検出部側の圧電素子に発生する電圧が変化し、この検出部側の圧電素子に発 生する電圧の変化を測定器で検出することにより静荷重を検出することができる 。

【００４６】 また、荷重センサがシャフトに配設されて他軸方向から荷重が作用しても、各 荷重センサの出力電圧の違いは平均化されるため、他軸方向からの荷重をキャン セルすることができ、測定精度が向上する。

【００４７】 さらに、荷重センサを長方体に形成すると、製造時の材料の無駄を防止するこ とができるとともに、製造コストを低減させることができるという効果を有する ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案による荷重センサの第１の実施例を示
す概略断面図である。

【図２】この考案による荷重センサの第１の実施例にお
ける荷重と検出部の出力電圧との関係を示す概略図であ
る。

【図３】この考案による荷重センサの第２の実施例を示
す概略断面図である。

【図４】この考案による荷重センサを使用した荷重セン
サ構造の実施例を示す概略断面図である。

【図５】この考案による荷重センサ構造のセンサ部を示
す概略図である。

【図６】この考案による荷重センサ構造の実施例におけ
る荷重センサを示す概略断面図である。

【図７】この考案による荷重センサ構造の実施例におい
て、他軸方向荷重がかかった状態を示す概略断面図であ
る。

【図８】従来の荷重センサ構造を示す概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１、２１、４１……荷重センサ ２、２２……中央電極 ２２ａ……作動部側中央電極 ２２ｂ……検出部側中央電極 ３……作動部 ４……検出部 ５……作動部側電極 ６……検出部側電極 ７、８……圧電素子 ９……交流電源 １０……測定器 ３１、５１……荷重センサ構造 ３２、５２……シャフト ３３……ケース ３４……ケースカバー ３５、３６……プリロードナット ３７、５７……センサ部 ３８……回路基板 ３９……センサ本体 ４０……貫通孔 ５３……歪ゲージ ５４……カバー ５５、５６……固定用リング ５７ａ……薄肉部

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状の中央電極（２、２２）を挟んで一
   方に作動部（３）が、他方に検出部（４）が積層する荷
   重センサ（１、２１、４１）であって、前記作動部
   （３）は前記中央電極（２、２２）とこれに対向して配
   設された作動部側電極（５）との間に圧電体が配設され
   て形成され、前記中央電極（２、２２）と作動部側電極
   （５）との間に交流電流を印加する交流電源（９）が接
   続され、一方、前記検出部（４）は前記中央電極（２、
   ２２）とこれに対向して配設された検出部側電極（６）
   との間に圧電体が配設されて形成され、前記中央電極
   （２、２２）と検出部側電極（６）との間に測定器（１
   ０）が接続され、前記作動部側電極（５）と検出部側電
   極（６）との間に予荷重を与えて拘束状態とし、前記両
   者（５）（６）間に加わる荷重を前記測定器（１０）で
   検出することを特徴とする荷重センサ。
2. 【請求項２】 前記中央電極（２２）が作動部側中央電
   極（２２ａ）と検出部側中央電極（２２ｂ）とに分割さ
   れ、前記交流電源（９）は作動部側電極（５）と作動部
   側中央電極（２２ａ）との間に接続され、前記測定器
   （１０）は検出部側電極（６）と検出部側中央電極（２
   ２ｂ）との間に接続されている請求項１記載の荷重セン
   サ。
3. 【請求項３】 前記圧電体が圧電素子（７、８）である
   請求項１および請求項２記載の荷重センサ。
4. 【請求項４】 シャフト（３２）に挿通するケース（３
   ３）とケースカバー（３４）との間にセンサ部（３７）
   が配設された荷重センサ構造（３１）であって、前記セ
   ンサ部（３７）はシャフト（３２）の外周側の周方向に
   所定の間隔で荷重センサ（４１）が配設されて形成さ
   れ、該荷重センサ（４１）は板状の中央電極（２、２
   ２）と、該中央電極（２、２２）の一方側に形成された
   作動部（３）と、他方側に形成された検出部（４）とか
   らなり、前記作動部（３）は中央電極（２、２２）と該
   中央電極（２、２２）に対向して配設される作動部側電
   極（５）との間に圧電体が配設され、前記作動部側電極
   （５）と中央電極（２、２２）との間に交流電流を印加
   する交流電源（９）が接続されて形成され、一方、検出
   部（４）は前記中央電極（２、２２）と該中央電極
   （２、２２）に対向して配設された検出部側電極（６）
   との間に圧電体が配設され、前記検出部側電極（６）と
   中央電極（２、２２）との間に測定器（１０）が接続さ
   れて形成され、前記各荷重センサ（４１）の作動部側電
   極（５）と検出部側電極（６）との間が前記ケース（３
   ３）およびケースカバー（３４）を介して所定の予荷重
   で拘束状態となっていることを特徴とする荷重センサ構
   造。