JPH03131730A - 力学センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、外から加えられた荷重や圧力によるゲージ材
の歪みに起因した電気抵抗値の変化から、該荷重や圧力
を検出する力学センサに関する。

［従来の技術］ 周知のように、外部荷重や外部圧力などの力を検出する
ための力学センサは、−例として測定装置の検出素子や
ロボットシステムにおける機械的接触を検出するための
接触センサ、その他の多種多様な用途に使用されている
。

従来、このような力学センサとして、第１４図に示す構
造のものがあった。

即ち、同図に示すように、平面形状が円形状を成し、円
筒状の外側壁１に薄い弾性を有するはり部材２が懸架す
ると共に、はり部材２の中心に被測定荷重を受けるため
の円形突起３が設けられ、更に、第１５図に示すように
、はり部材２の上面と下面に夫々一対ずつのゲージ部材
４ａ、４ｂ。

５．ａ、５ｂが固着されている。

そして、円形突起３に対して上方から被測定荷重Ｗを付
与するとはり部材２が伸び、同時にはり部材２の伸びに
伴ってゲージ部材４ａ、　　４ｂ、　　５ａ、５ｂも伸
び、この伸びによるゲージ部材４ａ。

４ｂ、５ａ、５ｂの抵抗値の変化から被測定荷重Ｗを電
気的に検出することができる構造となっている。

このような構造の力学センサは直線ばり形と呼ばれてお
り、他に、同様な原理に基づいたビーム形、中空円筒形
、せん新形、ダイアフラム形などの力学センサが知られ
ている。

又、最も基本的な構造の力学センサとして、第１６図及
び第１７図に示す構造のものがある。即ち、弾性を有し
且つ薄い電気絶縁物から成るベース６に適宜のパターン
形状のゲージ部材７を蒸着やエツチング技術などで形成
し、ゲージ部材７の両端にリード線８．９を接続した構
造をしており、該ベース６を被測定物に直接接着して、
被測定物の伸縮に伴うベース６及びゲージ部材７の伸縮
でゲージ部材７の抵抗値が変化するのをリード線８゜９
を介して電気的に検出することにより、被測定物の歪を
測定することができるようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第１４図及び第１５図に示した荷重や圧
力などを検出するための力学センサは構造が複雑であり
、使用範囲が限定されたり、高価格であるなどの問題が
あった。

又、第１６図及び第１７図に示した被測定物の歪を測定
するための力学センサは被測定物の変形量を検出するも
のであることから、荷重や圧力などの力を直接的に検出
することは基本的に困難である。

本発明はこのような課題に鑑みて成されたものであり、
外部からの荷重や圧力などの力を検出するためのセンサ
であって、極めて簡素かつ新規な構造を有し低価格な力
学センサを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために本発明は、可撓性を有
する弾性体でゲージ部材を挟む構造を有し、該弾性体と
ゲージ部材の積層方向から加えられた荷重や圧力に対す
る弾性体の水平方向への歪に伴うゲージ部材の電気的変
化を検出することにより、荷重や圧力などの力を検出す
ることができる構造とした。

ゲージ部材としては、金属材料、半導体材料、導電性を
有する高分子材料などを適用し、弾性体としては、電気
的絶縁性を有し且つ弾性を有するゴム材や高分子材料な
どを適用することが好適である。

又、上記ゲージ部材の両端を一対の弾性体で挟むことに
より積層構造としてもよいし、ゲージ部材を弾性体で一
体にモールドすることにより、ゲージ部材に対して弾性
体を積層させる構造としてもよい。

又、上記の弾性体とゲージ部材から成る積層構造を基本
として、更に、その外側を可撓性を有するフィルム材な
どで被覆してもよい。又、フィルム材と弾性体とを油膜
を介して接触させる構造にすることにより、接触抵抗に
よる感度低下を防止するようにしてもよい。

又、上記の弾性体とゲージ部材から成る積層構造を基本
として、更に、弾性体の少なくとも一側面を硬質材で支
持することにより、センサ全体の曲げによる測定誤差の
発生を防止する構造としてもよい。

又、可撓性を有するベースにゲージ部材を固着し、これ
らのベースとゲージ部材を一体として弾性体で挟む構造
とすることにより、弾性体の歪み量がゲージ部材の伸び
の許容範囲を越える場合であっても、ベースの強度によ
りゲージ部材の断線等を防止することができるようにし
てもよい。

［作用］ このような構造を有する本発明の力学センサにあっては
、弾性体とゲージ部材の積層方向から荷重や圧力などの
力を加えると、その力に対する弾性体の水平方向への歪
みに伴ってゲージ部材も歪み、その歪による電気的変化
を測定することにょり力を検出することができる。

又、極めて簡単な構造であることから低価格化を実現す
ることができる。又、弾性率の異なる弾性体やその弾性
体の厚さを変えることにより、検出感度を容易に制御す
ることができるので、広範囲の使用目的を適用すること
ができる。

又、平面形状を任意にすることが可能であり、特に小形
かつ薄形にすることができるので、利用範囲が広い。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面と共に説明する。

まず構造を説明すると、第１図及び第２図において、平
面形状が環状（一部分が切れている）で薄い板状の金属
で形成されたゲージ部材１８を、可撓性を有する高分子
材から成る弾性体１９でモールドすることにより一体に
成形し、ゲージ部材１８の両端に接続された測定用のリ
ード細線２０゜２１が弾性体１９の外部に引き出されて
いる。

次に作用を説明する。荷重が掛かっていない状態でのゲ
ージ部材１８の直径をＤ１弾性体１９の厚さをＷとした
場合、第３図に示すように積層方向に荷重Ｆが掛かると
、弾性体１９が荷重Ｗの分だけ圧縮されると同時に水平
方向（積層方向に対して垂直の方向）にも伸び、更に該
水平方向への伸びに従ってゲージ部材１８も同方向へ変
形する。

ここで、弾性体１９が外力によって生じる応力をσ、厚
み方向の歪をε、材料のヤング率をＥ１材料のポアソン
比をν、外力の作用する方向と直交する方向の歪を８１
とすると、 σ＝ε・Ｅ ε１＝ν・ε εｆ σ＝ε　・　Ｅ＝　□　・　Ｅ ν の関係式から、弾性体１９の水平方向への歪ε１を検出
することにより、外力Ｆを検出することができる。そし
て、この歪εｆはゲージ部材１８の変形による抵抗の変
化量としてリード細線２０゜２１間で電気的に測定する
ことができるので、結果として、この抵抗値を測定する
ことにより、外力Ｆを検出することができる。

第５図と第６図は弾性体１９の材質と厚さＷを変化した
時の実験結果を示す。尚、測定は第４図に示すように、
実施例の力学センサを平坦な台の上に置き、その上に更
にロードセル２０を載せてロードセル２０の上から垂直
方向に荷重Ｆを掛け、荷重Ｆの変化に対するリード細線
２０．２１間の抵抗値の変化を測定し、更に、抵抗値か
ら弾性体１９の歪を上記式から逆算し、更にその逆算し
た応力とロードセル２０で測定した荷重Ｆを比較検討し
た。尚、ゲージ部材の直径を一定にして実験した。

まず、第５図は、弾性体１９をシリコンゴムで形成し、
厚さＷを３ｍｍ〜１５ｍｍの範囲で変化させたときの荷
重Ｆ（単位面積当たりの力）に対する歪（単位：μ８１
マイクロストレイン）を示す。このように、荷重に対す
る力学センサで検出される歪の関係は直線性を有し、し
かも、厚さＷを変えることによって、その直線性を崩す
ことなく感度を調節することができる。

又、第６図は弾性体１９の材質と厚さを変えた場合の実
験結果を示す。即ち、塩化ビニールを４ｍｍと１２ｍｍ
の厚さにした場合と、シリコン樹脂を３ｍｍと１２ｍｍ
の厚さにした場合を示す。

この結果からも明らかなように、荷重Ｆに対する弾性体
１９の歪の直線性が維持され、それをゲージ部材１８の
抵抗値の変化として検出することができるので、材質と
厚さを変更することにより感度を調節することができる
。

このように、この実施例によれば、構造が極めて簡素で
あり、感度も容易に設定することができる力学センサを
提供することができる。又、構造上極めて薄形のものを
実現することができる。

又、用途に応じて比較的広い弾性体中に複数のゲージ部
材を適宜に配列し、面に対する荷重の分布を測定するな
どの利用が可能である。例えば、自動車用座席シートの
座面にこの力学センサを取り付け、着座したときの圧力
分布を測定するなどに利用できる。このような場合、全
ての検出点において凹凸の無い均一な厚さのセンサとな
るので、特異点の無い自然な測定が可能となる。

次に、他の実施例を第７図に基づいて説明する。

同図は縦断面構造を示し、ゲージ部材１８を弾性体１９
で挟み、更にその外側を可撓性を有するフィルム材２２
で密閉し、フィルム材２２の内側面と弾性体１９の間に
潤滑油の油膜２３．２４を設けた構造となっている。そ
して、ゲージ部材１８の弾性体１９及びフィルム材２２
の積層方向から掛かる力をゲージ部材１８の両端に接続
したリード細線２０．２１間の電気的抵抗値の変化とし
て検出する。

この実施例によれば、油膜２３．２４による潤滑効果が
発揮されることから、接触抵抗による測定精度の低下を
低減することができ、特に薄いセンサの場合に効果があ
る。

第８図は油膜２３．２４を設けない場合での荷重に対す
る検出値の特性と、油膜２３．２４を設けた場合の特性
を実験によって比較した特性図である。同図から明らか
なように、油膜を設けた場合には、フィルム材２２と弾
性体１９の間の接触摩擦が低減されるので、弾性体１９
の水平方向への変形が大きくなり、検出感度が向上する
。

次に、更に他の実施例を第９図に基づいて説明する。同
図は縦断面構造を示し、ゲージ部材１８を弾性体１９で
挟み、更に弾性体１９の一側面に曲げや捩じれに対して
高強度の硬質材２５が形成されている。

この実施例によれば、弾性体１９が曲がったり捩じれる
ことでゲージ部材１８の抵抗値が変化して、実際に測定
しようとする荷重や圧力に対する測定誤差が発生すると
いう場合を防止することができる。特に、柔らかな弾性
体を使用する場合に効果がある。

次に、更に他の実施例を第１０図に基づいて説明する。

同図は縦断面構造を示し、可撓性を有するベース２６と
ゲージ部材１８を固着し、これらのベース２６とゲージ
部材１８を一体として弾性体１９で挟む構造となってい
る。そして、積層方向からの力による弾性体１９及びベ
ース２６の水平方向への歪によりゲージ部材１８が変化
し、リード線２０．２１間の電気的抵抗値の変化とじて
付与された力を検出することができる。

この実施例によれば、弾性体１９の変形率よりもベース
２６の変形率の方を小さくすることにより、弾性体１９
の歪み量がゲージ部材１８の伸びの許容範囲を超える場
合であっても、ベース２６の強度によりゲージ部材１８
の破壊等を防止することができる。

又、これらの実施例において、ゲージ部材１９の平面形
状は適宜でよく、感度や使用目的等に応じて、例えば第
１１図に示すように２重の環状にしたり、星形にするな
どしてもよい。

又、これらの実施例は、力学センサとして完成された構
造を有するが、第１３図に示すように、枠体２７内に上
記実施例の構造の力学センサを内蔵し、更に該力学セン
サを一側から付勢するように垂直方向に移動自在な突起
部材１８を設けることにより、突起部材２８を介して外
力Ｆを検出するようにしてもよい。このような構成とす
ると、内蔵する力学センサを感度や容量に応じて容易に
変更することができ、利便性に優れている。

又、本発明の力学センサは、第１４図及び第１５図など
で説明した従来の圧力検出用センサの一部として適用す
ることができる。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、可撓性を有する弾
性体でゲージ部材を挟む構造を有し、該弾性体とゲージ
部材の積層方向から加えられた荷重や圧力に対する弾性
体の水平方向への歪みに伴うゲージ部材の電気的変化を
検出することにより、荷重や圧力などの力を検出するよ
うにしたので、極めて簡素な構造で小形、薄形、計量化
、低価格化などの力学センサを提供することができる。

そして、ロボットシステムの接触センサ、力学センサ、
又は、圧力センサ、リミットスイッチ、ストップスイッ
チ、運動具や衣料器具や玩具などの部品等に利用したり
、座席シートの面圧分布や靴の足圧分布などの用具の機
能や性能の解析等の測定装置などの多種多様な分野で利
用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例の構造を示す要部平面図；第２図は第
１図のＢ−Ｂ線縦断面図； 第３図は一実施例の作用を説明するための説明図；第４
図は一実施例の特性を実測するための測定装置の概略構
成図； 第５図及び第６図は一実施例の特性図；第７図は他の実
施例の構造を示す縦断面図；第８図は他の実施例の特性
を示す特性図；第９図は更に他の実施例の構造を示す縦
断面図；第１０図は更に他の実施例の構造を示す縦断面
図；第１１図及び第１２図はゲージ部材の変形例を示す
構造説明図； 第１３図は更に他の実施例の構造を示す縦断面図；第１
４図は従来例の構造を示す平面図；第１５図は第１４図
のＡ−Ａ縦断面図である。 図中の符号、 １８：ゲージ部材 １９：弾性体 ２０．２１：り一 ド細線 ２２：フィルム材 ２３．２４：油膜 ２５：硬質部材 ２６：ベース ２７：枠体 ２８：突起 ２９：コネクタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）可撓性を有する弾性体でゲージ部材を挟む構造を
   有し、該弾性体とゲージ部材の積層方向から加えられた
   荷重や圧力に対する弾性体の水平方向への歪に伴うゲー
   ジ部材の電気的変化を出力することを特徴とする力学セ
   ンサ。
2. （２）請求項（１）の力学センサにおいて、前記弾性体
   の外側を油膜を介在してフィルム材で被覆したことを特
   徴とする力学センサ。
3. （３）請求項（１）の力学センサにおいて、前記弾性体
   の少なくとも一側面を硬質材で支持することを特徴とす
   る力学センサ。
4. （４）可撓性を有するベースにゲージ部材を固着し、こ
   れらのベースとゲージ部材を一体として弾性体で挟む構
   造を有し、該弾性体とゲージ部材の積層方向から加えら
   れた荷重や圧力に対する弾性体の水平方向への歪に伴う
   ゲージ部材の電気的変化を出力することを特徴とする力
   学センサ。