(57)【要約】【課題】高剛性かつ高強度であり、静的及び動的な荷重を高感度かつ高応答に計測可能な小型荷重センサを提供する。【解決手段】弾性体１の内部に２つの反射面２、３を配置し、光源４からの光を反射面２、３によって折り返し反射したうえで、光センサ５に入射させる。荷重による弾性体１の変形により、２つの反射面２，３のなす挟角の変化量を、光センサ５の受光位置によって検出する。光路６を長くすることで、高感度なけ計測が可能となり、光路６を含む断面を対称形状にすることで、温度変化等による弾性体１の変形に影響されるのを防ぐことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重を作用させる受力部を有する弾性体と、
前記弾性体に配置された複数の反射面と、
前記複数の反射面によって折り返し反射される光を発生する手段と、
前記反射面によって折り返し反射された光を受光する光検出手段と、を有し、
前記複数の反射面は、前記荷重による前記弾性体の変形に伴って、少なくとも２つの反射面のなす挟角が変化するように配置されていることを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
前記弾性体の断面形状は、前記荷重の作用線を含む面に対して対称であることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記弾性体は、円形、楕円形、あるいは多角形を含む断面形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の荷重センサ。
【請求項４】
前記複数の反射面及び前記光検出手段は、前記弾性体の内部に配置されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性体を用いて、静的及び動的な荷重を高感度かつ高応答に計測可能な荷重センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、荷重センサには、歪ゲージ式及び圧電式がある。特に、歪ゲージ式の荷重センサはロードセルとして広く一般に用いられている。しかし、歪ゲージ式ロードセルは、荷重により弾性体に生じる歪を計測するため、感度を向上させるためには弾性体の剛性を低下させる必要があり、高感度計測と高剛性の両立が困難である。
【０００３】
一方、圧電式荷重センサは、高感度かつ高剛性であるが、荷重により圧電体に生じる電荷を計測するため、原理的に長時間に亘る静的な荷重の計測が不可能である。そこで、従来、高剛性かつ高感度な荷重センサを提供するため、特許文献１に開示されたように、高剛性な弾性体に生じる微小な変形を、変位拡大機構（梃子）を用いて拡大し、高感度な荷重計測を実現する構成が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−６４７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来例では、着力部の高剛性化は可能であるが、変位拡大機構は着力部に比較して剛性が低下するため、動的な荷重の計測時において、変位拡大機構が振動し、計測誤差が生じる可能性がある。また、変位拡大機構の拡大率を向上させるためには、梃子の構成が複雑化し、センサ本体が大型化するという欠点がある。
【０００６】
本発明は、高剛性かつ高強度であり、静的及び動的な荷重を高感度かつ高応答に計測可能であって、しかも小型な荷重センサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の荷重センサは、荷重を作用させる受力部を有する弾性体と、前記弾性体に配置された複数の反射面と、前記複数の反射面によって折り返し反射される光を発生する手段と、前記反射面によって折り返し反射された光を受光する光検出手段と、を有し、前記複数の反射面は、前記荷重による前記弾性体の変形に伴って、少なくとも２つの反射面のなす挟角が変化するように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
荷重の作用により微小に変形した弾性体に対し、少なくとも２つの反射面で折り返し反射した光を検出することで、前記微小変形を高感度に検出することができる。このため、弾性体の剛性・強度が高くても、高感度な荷重計測が可能となる。
【０００９】
すなわち、弾性体の微小変形により、弾性体に配置された反射面の挟角が変化し、複数の反射面を経由して光検出手段に到達する光路長に応じて、反射面の角度変化が光検出手段の受光位置の変化として拡大される。その結果、高感度かつ高応答な荷重計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、第１の実施形態による荷重センサを示すもので、弾性体１と、少なくとも２つの反射面２、３と、光源４と、受光位置を検出する光検出手段である光センサ５と、を有する。光源４から発生した光は、反射面２、３によって折り返し反射され、光路６を通って光センサ５によって受光される。
【００１２】
本実施例においては、センサ製作の容易性を考慮し、荷重の作用線を含む面に対して対称で非常にシンプルな円筒形状の弾性体１を用いる。また、光源４及び光センサ５を弾性体１の外部に設置している。そのため、弾性体１には光路６を確保するための貫通穴１ａを設けている。
【００１３】
２つの反射面２、３は、弾性体１の内部に配置され、弾性体１の受力部７に荷重が作用すると、弾性体１の変形に伴って、反射面２と反射面３のなす挟角が、図１（ａ）に示すθからわずかに変化して、（ｂ）に示すθ１となる。それに伴い、光源４から２つの反射面２、３を経由した光の光センサ５における受光位置が大きく変化する。この受光位置の変化を検出することで、作用した荷重を高分解能で計測することが可能となる。
【００１４】
そして、反射面２、３から光センサ５までの距離を延長することで、荷重の計測分解能は向上する。
【００１５】
ここで使用する光源は、レーザ光源が望ましく、レーザダイオードなどの自発光素子でもよいし、光ファイバ等により荷重センサ部に導光されてもよい。受光位置を検出する光センサは、ＣＣＤエリアセンサ、２分割フォトダイオード、光位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅ：ＰＳＤ）などが選定可能であるが、位置検出分解能が高く、高速応答特性にすぐれるＰＳＤが望ましい。
【００１６】
図２は、第２の実施形態による荷重センサを示すもので、弾性体１０１、複数の反射面１０２〜１０５、レーザ光源１０６、光検出手段であるＰＳＤ１０７等を有し、レーザ光源１０６から発生された光は、光路１０８を通ってＰＳＤ１０７に入射する。本実施形態において、弾性体は１０１は、荷重の作用線を含む直交する２つの断面（ｘ−ｙ平面、ｙ−ｚ平面）及び作用線に直交する断面（ｘ−ｚ平面）に対称な形状を有する。
【００１７】
対称性にすぐれる弾性体の断面形状としては、図２に示すような多角形のほかに、円形や楕円形も挙げられる。このような弾性体の対称性により、温度変動に伴う弾性体の変形が対称に生じるため、反射面の挟角変動が抑制され、高安定な荷重計測が可能となる。さらに、レーザ光源及びＰＳＤを弾性体の内部に設置することにより、耐環境特性が向上するとともに、センサ本体がコンパクト化されている。
【００１８】
各反射面は、弾性体の内面に鏡面加工を施して構成してもよいし、平面鏡を弾性体上に接着等により設置してもよい。
【００１９】
弾性体１０１の変形によって反射面１０２〜１０５が変形するのを防ぐため、弾性体１０１に切りかき１０１ａを設けることが望ましい。
【００２０】
平面鏡を接着する場合には、接着部を平面鏡の中心のみに限定することが望ましい。
【００２１】
第２の実施形態においては、反射面を４箇所に設置し、それぞれの反射面が光を２回反射することにより、挟角変化に対する受光位置変化が極めて高倍率になっている。すなわち、弾性体の高剛性化・高強度化と荷重計測の高分解能化の両立が可能となっている。
【実施例】
【００２２】
弾性体を、図２に示すような６角形の断面形状、幅１００ｍｍ、高さ６０ｍｍ、厚さ４０ｍｍの機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）とし、分解能が０．１μｍのＰＳＤを用いた。これにより、弾性体の剛性３６Ｎ／μｍ、弾性限界１２ｋＮ以上、荷重計測分解能０．１３Ｎが得られた。一般的に、０．２Ｎ程度の分解能を得る高精度ロードセルの許容荷重が２ｋＮ程度であることから、本発明の荷重センサが高感度かつ高強度であることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１の実施形態による荷重センサを示すもので、（ａ）は荷重を作用させない状態を示す模式断面図、（ｂ）は荷重を作用させた状態を示す模式断面図である。
【図２】第２の実施形態による荷重センサを示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１、１０１    弾性体
１ａ    貫通穴
２、３、１０２〜１０５    反射面
４    光源
５    光センサ
６、１０８    光路
７    受力部
１０６    レーザ光源
１０７    ＰＳＤ
【図１】
2010112814.tif 000003
【図２】
2010112814.tif 000004