(57)【要約】【課題】炭素繊維などの導電性材料を用いて３軸方向の荷重を検出できるようにするとともに、精度よく荷重を検出できるようにしたロードセルを提供する。【解決手段】円形の穴部２２を有するケース本体２と、その穴部２２に挿入可能に設けられる挿入体３１やフランジ体３２からなる作用体３と、前記穴部２２の内壁２１ａの直交方向にそれぞれ設けられ、一対の電極５２で挟まれた導電性材料５と、前記穴部２２の上面２１ｂに設けられ、一対の電極５２で挟まれた導電性材料５とを設けて構成する。そして、ボルト４などからなるオフセット部３０であらかじめ導電性材料５を押圧しておき、電気抵抗が線形的変化する領域の範囲内で、前記作用体３の押圧に基づく電気抵抗の変化を検出し、３軸方向の荷重を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に穴部を有するケース本体と、
当該ケース本体の穴部に挿入可能に設けられる作用体と、
前記穴部の内壁直交する方向にそれぞれ設けられ、一対の電極で挟まれた導電性材料と、
前記穴部の挿入方向を法線とする面に設けられ、一対の電極で挟まれた導電性材料と、
を設けて構成し、
前記作用体がケース本体を３軸方向に押圧することによる前記各導電性材料の電気抵抗の変化に基づいて３軸方向の荷重を検出するようにしたロードセル。
【請求項２】
前記ケース本体もしくは前記作用体に、前記導電性材料に対して点接触しうる突起部を設けてなるものである請求項１に記載のロードセル。
【請求項３】
前記作用体をあらかじめ導電性材料に押圧しておくオフセット部を設けるようにした請求項１に記載のロードセル。
【請求項４】
前記作用体をあらかじめ導電性材料に押圧しておくためのオフセット部をＸＹＺ各軸方向に沿ってそれぞれ複数箇所設け、前記突起部を、各軸方向に沿ったオフセット部の間に設けるようにした請求項２に記載のロードセル。
【請求項５】
前記ケース本体が、正方形状の穴部を有するものである請求項１に記載のロードセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重を検出するロードセルに関するものであって、より詳しくは、ＣＦＲＰなどの炭素繊維を用いて３軸方向の荷重を検出できるようにしたロードセルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在では、荷重を検出するセンサとして、ひずみゲージ式のロードセルが一般的に普及している。このひずみゲージ式のロードセルは、薄い金属板で構成された起歪体にひずみゲージを貼り付けるとともに、そのひずみゲージを用いてホイートストンブリッジを形成し、そこから出力される電気信号によって荷重を検出できるようにしたものである。このようなひずみゲージ式のロードセルは、精度が非常に高く、温度変化などの影響も少ないというメリットがある。
【０００３】
しかしながら、このようなひずみゲージ式のロードセルは、構造が複雑であるため、コストがかかり、また、小さくすることが難しいという欠点がある。
【０００４】
一方、炭素繊維などの導電性材料を用いて荷重を検出するようにしたロードセルも提案されている。例えば、下記の特許文献１には、炭素繊維に荷重を加えることによって電気抵抗が変化することに着目して荷重を検出できるようにしたものであって、図７に示すように、可動板６１の上下に炭素繊維６２を貼り付け、その可動板６１の動きによって押圧・張引される炭素繊維６２の電気抵抗の変化によって荷重を検出できるようにしたものが提案されている。このようなロードセルによれば、ひずみゲージなどを設ける必要がないため、ロードセル自体を小さく構成することができるとともに、コストを低減させることができるというメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−１９１５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような特許文献１に記載される炭素繊維を用いたロードセルでは、次のような問題がある。
【０００７】
すなわち、特許文献１に記載されるロードセルは、作用体６３に沿った一軸方向の荷重しか検出することができない。このため、３軸方向の荷重を検出する場合は、そのロードセルを３方向に向けなければならないが、このように３軸方向にロードセルを向けると、荷重を作用させるための作用体６３が３箇所に存在してしまい、一点で作用する３軸方向の荷重を同時に検出することができないといった問題がある。
【０００８】
また、上記特許文献１に示されるロードセルでは、炭素繊維６２を平面状に可動板６１に接触させて電気抵抗の増減を検出するようにしているが、作用体６３に荷重をかけると、機械的誤差から可動板６１が傾いてしまい、局所的に荷重がかかってしまう可能性がある。しかるに、このように局所的に炭素繊維６２に荷重がかかると、その部分での圧力が強くなるため、電気抵抗が小さく検出されてしまう。一方、同じ荷重であっても、平面状に接触した場合は、圧力が小さくなって、電気抵抗が大きくなってしまう。このため、同じ荷重であっても異なる荷重が検出されてしまうことになる。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、炭素繊維などの導電性材料を用いて３軸方向の荷重を検出できるようにするとともに、精度よく荷重を検出できるようにしたロードセル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】
【００１０】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、内側に穴部を有するケース本体と、当該ケース本体の穴部に挿入可能に設けられる作用体と、前記穴部の内壁における直交方向にそれぞれ設けられ、一対の電極で挟まれた導電性材料と、前記穴部の挿入方向を法線とする面に設けられ、一対の電極で挟まれた導電性材料と、を設けて構成し、前記作用体がケース本体を３軸方向に押圧することによる前記各導電性材料の電気抵抗の変化に基づいて３軸方向の荷重を検出するようにしたものである。
【００１１】
このように構成すれば、一つの作用体に作用する荷重から３軸方向の荷重を同時に検出することができ、構造を簡素化して低コストにロードセルを構成することができるようになる。
【００１２】
また、このような発明において、前記ケース本体もしくは前記作用体に、前記導電性材料に対して点接触しうる突起部を設けるようにする。
【００１３】
このように構成すれば、導電性材料を一点で押圧させることができるため、機械的誤差に基づく検出値のぶれを防止することができるようになる。
【００１４】
さらに、前記作用体をあらかじめ導電性材料に押圧しておくオフセット部を設けるようにする。
【００１５】
このように構成すれば、導電性材料をあらかじめ押圧させておくことにより、押圧によって非線形に変化する抵抗変化のうち線形的に変化する領域で電気抵抗の変化を検出して、荷重を検出することができるようになる。
【００１６】
また、前記作用体をあらかじめ導電性材料に押圧しておくためのオフセット部を複数箇所設け、前記突起部を、当該複数のオフセット部の間に設けるようにする。
【００１７】
このように構成すれば、一対のオフセット部の間に突起部を設けることで、作用体が３軸方向に変位する場合であっても、作用体の傾きを防止して、突起部による押圧状態を安定させることができるようになる。
【００１８】
また、前記ケース本体を、正方形状の穴部を有するもので構成することもできる。
【００１９】
このように構成すれば、正方形状の穴部の内壁に円柱状の挿入体を挿入することにより、内壁４箇所で接触させることができ、直交方向の荷重をそれぞれ検出することができるようになる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、内側に穴部を有するケース本体と、当該ケース本体の穴部に挿入可能に設けられる作用体と、前記穴部の内壁における直交方向にそれぞれ設けられ、一対の電極で挟まれた導電性材料と、前記穴部の挿入方向を法線とする面に設けられ、一対の電極で挟まれた導電性材料と、を設けて構成し、前記作用体がケース本体を３軸方向に押圧することによる前記各導電性材料の電気抵抗の変化に基づいて３軸方向の荷重を検出するようにしたので、一つの作用体に作用する３軸方向の荷重を同時に検出することができ、構造を簡素化して低コストにロードセルを構成することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態におけるロードセルの分解斜視図
【図２】同形態における断面概略図
【図３】同形態におけるフランジ体の下面を示す図
【図４】同形態における炭素繊維の押圧と抵抗値の関係を示す図
【図５】他の実施の形態におけるロードセルを示す図
【図６】他の実施の形態におけるロードセルを示す図
【図７】従来例における炭素繊維を用いたロードセルを示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態におけるロードセル１について説明する。
【００２３】
この実施の形態におけるロードセル１は、ＣＦＲＰなどの炭素繊維を押圧すると電気抵抗が変化することに着目して荷重を検出できるようにしたものであって、図１に示すように、内側に穴部２２を有するケース本体２と、当該ケース本体２の穴部２２に挿入可能に設けられる作用体３と、前記穴部２２の内壁２１ａの直交する方向にそれぞれ設けられ、一対の電極５２（図２参照）で挟まれた導電性材料５と、前記作用体３とケース本体２の上面２１ｂとの間に設けられ、一対の電極５２で挟まれた導電性材料５とを有するようにしたものであって、一つの作用体３に３軸方向に荷重が作用した場合に、その３軸方向の荷重を導電性材料５の電気抵抗の変化に基づいて同時に検出できるようにしたものである。以下、本実施の形態におけるロードセル１について詳細に説明する。
【００２４】
まず、このロードセル１を構成するケース本体２は、図１や図２に示すように、穴部２２を有するものであって、その穴部２２に作用体３を挿入できるようになっている。このケース本体２の穴部２２は、断面円形状となっており、また、そのケース本体２の上面２１ｂについては、平面状になっている。
【００２５】
このケース本体２に挿入される作用体３は、そのケース本体２の穴部２２に僅かな隙間をもって挿入される円柱状の挿入体３１と、その挿入体３１の上部に設けられるフランジ体３２とを有するように構成されている。そして、この挿入体３１の外周面に半球状の突起部３３を直交方向に設けるとともに、フランジ体３２の下面にも一定角度毎に半球状の突起部３３を設けるようにしている（図２参照）。そして、これらを突起部３３によって導電性材料５を押圧させるようにしている。
【００２６】
この導電性材料５は、押圧によって電気抵抗が変化する導電性シート５１（図２参照）と、この導電性シート５１を挟み込む一対の電極５２で構成されるものであって、例えば、ＣＦＲＰなどの炭素繊維を薄い金属板で挟み込んだものなどが用いられる。このような炭素繊維のうち、特にＰＡＮ系の炭素繊維は、押圧力や引張力を作用させると、電気抵抗が大きく変化することが知られている。そこで、この炭素繊維を薄い電極５２で挟んで電気抵抗の差分を検出することにより、荷重を検出できるようにしている。なお、ここでは、炭素繊維を薄い電極５２で挟むようにしているが、ケース本体２や作用体３を非導電性材料（例えば、セラミクス）などで構成しておき、半球状の突起部３３を金属で構成して導電性シート５１を挟むようにしてもよい。
【００２７】
このような、導電性材料５は、ケース本体２の穴部２２の内壁２１ａの直交する方向（ＸＹ軸方向）や、ケース本体２の上面２１ｂに設けられ、作用体３の突起部３３で３軸方向に押圧されるようになっている。この導電性材料５の電極５２には、図示しないケーブルが延出されており、この電極５２に電圧をかけることによって電気抵抗を検出して、荷重を検出できるようになっている。
【００２８】
ところで、このように導電性材料５の電気抵抗の変化を検出する場合、図４に示すように、抵抗値が初期の押圧状態では非線形状態に変化し、一定の押圧力が加えられた状態から線形的に抵抗値が変化する。このため、この実施の形態では、電気抵抗が線形的に変化する領域で抵抗値を検出できるように、オフセット部を設けるようにしている。
【００２９】
このオフセット部は、あらかじめ作用体３をケース本体２に押圧しておくことで、導電性材料５の抵抗曲線のうち線形領域で抵抗値を検出できるようにしたもので、Ｚ軸方向については、作用体３の上面に設けられた少し大きめの孔部３２ｂにボルト４を通し、ボルト４の頭部４１でフランジ体３２をケース本体２側に押圧し、また、そのボルト４の胴部４２の範囲内でフランジ体３２をＺ軸方向に変位させるようにしている。これにより、このボルト４であらかじめ導電性材料５を押圧することで、抵抗値を線形状態の領域で検出することができるようになる。また、このようにボルト４でフランジ体３２をＺ軸方向に押圧する場合、フランジ体３２を平面状態のままＺ軸方向に変位させる必要がある。このため、このボルト４を一定角度（９０度）毎に間欠的に設けておき、これによって平面を保ったままフランジ体３２をＺ軸方向に変位させるようにして、突起部３３による押圧状態を安定させるようにする。
【００３０】
また、Ｘ軸方向やＹ軸方向のオフセット部３０についても同様に、ケース本体２の側面から挿入体３１にボルト４を通してＸ軸方向やＹ軸方向に導電性材料５を押圧し、また、胴部４２の範囲内で変位できるようにしている。このとき、Ｘ軸方向やＹ軸方向についても、他の軸方向への僅かな変位を許容しておく必要があるため、ボルト４の胴部４２とケース本体２の孔部２３との隙間を僅かに空けておき、他の軸方向への変位を許容しつつ、そのボルト４の軸方向へ導電性材料５を押圧するようにしておく。また、このように隙間を空けておく場合、挿入体３１がぶれてしまう可能性があるため、Ｘ軸方向やＹ軸方向のそれぞれに上下一対の孔部２３を設けてボルト４を通すとともに、そのボルト４の中間位置に突起部３３を位置させるようにしている。このようにすれば、上下のボルト４によってＸ軸方向やＹ軸方向のぶれを防止することができ、突起部３３による押圧状態を安定させることができるようになる。
【００３１】
次に、このように構成されたロードセル１の作用について説明する。
【００３２】
まず、作用体３の上面２１ｂに荷重Ｐが作用した場合、その荷重ＰのうちＺ軸成分がフランジ体３２のＺ軸方向に作用することになる。すると、フランジ体３２が下方に押圧され、そのフランジ体３２に設けられた突起部３３によって導電性材料５が押圧されることになる。このとき、その導電性材料５は、Ｚ軸方向のオフセット部３０ですでに押圧されている状態であるため、図３における線形領域の範囲内での電気抵抗の変化を検出してＺ軸荷重を検出することができるようになる。このＺ軸方向に作用体３が変位する、挿入体３１のＸ軸方向やＹ軸方向に設けられたボルト４は、ケース本体２の孔部２３の僅かな隙間内でＺ軸方向に変位するようになる。
【００３３】
一方、荷重ＰのＹ軸方向の押圧によって、作用体３は同軸方向に変位する。すると、挿入体３１に設けられた突起部３３によって導電性材料５が押圧されることになる。このとき、導電性材料５は、Ｙ軸方向のオフセット部３０ですでに押圧された状態であるため、線形領域で抵抗変化を検出することができるようになる。なお、このようにＹ軸方向に挿入体３１が変位する場合、Ｚ軸方向に沿って取り付けたボルト４や、Ｘ軸方向に沿って取り付けたボルト４は、フランジ体３２に設けた孔部３２ｂやケース本体２に設けた孔部２３の範囲内でＹ軸方向に変位することになる。
【００３４】
Ｘ軸方向についても同様に、この作用体３は、その荷重ＰのＸ軸方向の成分に基づいて変位する。すると、その挿入体３１に設けられた突起部３３によって導電性材料５が押圧される。このときも、Ｘ軸方向のオフセット部３０ですでに押圧された状態であるため、線形領域で抵抗変化を検出することができるようになる。このときも、Ｚ軸方向に沿って取り付けたボルト４や、Ｙ軸方向に沿って取り付けたボルト４は、フランジ体３２に設けた孔部３２ｂや、ケース本体２に設けた孔部２３の範囲内でＸ軸方向に変位することになる。
【００３５】
そして、このように検出されたＸＹＺ軸方向の電気抵抗の差分変化に基づいて同軸方向の荷重を算出して出力する。
【００３６】
このように構成することにより、一つの作用体３に作用する荷重Ｐから導電性材料５を用いて３軸方向の荷重を同時に検出することができるようになる。
【００３７】
＜第二の実施の形態＞
【００３８】
次に、第二の実施の形態について説明する。上記実施の形態では、作用体３の上部にフランジ体３２を設けるようにしたが、第二の実施の形態では、図５に示すような構成を用いるようにする。
【００３９】
図５に示すロードセル１は、ケース本体２を上記実施の形態と同様に構成するとともに、Ｚ軸方向の荷重を検出する導電性材料５を、穴部２２の底面２１ｃに取り付けるようにしたものである。このように構成した場合であっても、作用体３に作用する３軸方向の荷重を同時に検出することができるようになる。なお、同図において、同じ符号を付したものは、上記実施の形態と同じ構成を有するものとして説明を省略する。
【００４０】
このように挿入体３１の底面で導電性材料５を押圧する場合、挿入体３１の底面２１ｃに突起部３３を設けるようにするとともに、同様のオフセット部３０であらかじめ圧力をかけるようにしてもよい。あるいは、挿入体３１の底部２１ｃを尖状にしておき、この圧力で初期の圧力を掛けるようにしてもよい。
【００４１】
＜第三の実施の形態＞
【００４２】
また、図６に示すようなケース本体２を用いることもできる。図６に示すケース本体２は、穴部２２を正方形状としたものであって、その内部に円柱状の挿入体３１を挿入させるようにしたものである。そして、その穴部２２の内壁２１ａに導電性材料５を設けるとともに、挿入方向を法線方向とする面にも導電性材料５を設ける。そして、正方形状の穴部２２に円形状の挿入体３１を有する作用体３を挿入すると、円柱状の挿入体３１が穴部２２の内壁２１ａに一点線状に接触することになり、突起部３３などを設けなくても荷重を集中させて抵抗値の変化を検出することができる。なお、このように挿入体３１を円柱形状とした場合は、Ｚ軸方向に沿って穴部２２に線状に接することになるため、中央部分を膨らました樽型形状として点接触させるようにしてもよい。
【００４３】
このように上記実施の形態によれば、内側に穴部２２を有するケース本体２と、当該ケース本体２の穴部２２に挿入可能に設けられる作用体３と、前記穴部２２の内壁２１ａにおける直交方向にそれぞれ設けられ、一対の電極５２で挟まれた導電性材料５と、前記穴部２２の挿入方向を法線とする面に設けられ、一対の電極５２で挟まれた導電性材料５と、を設けて構成し、前記作用体３がケース本体２を３軸方向に押圧することによる前記各導電性材料５の電気抵抗の変化に基づいて３軸方向の荷重を検出するようにしたので、一つの作用体３に作用する３軸方向の荷重を同時に検出することができ、構造を簡素化して低コストにロードセル１を構成することができるようになる。
【００４４】
また、前記ケース本体２もしくは前記作用体３に、前記導電性材料５に対して点接触しうる突起部３３を設けるようにしたので、導電性材料５を一点で押圧させることができるため、機械的誤差に基づく検出値のぶれを防止することができるようになる。
【００４５】
さらに、前記作用体３をあらかじめ導電性材料５に押圧しておくオフセット部３０を設けるようにしたので、導電性材料５をあらかじめ押圧させておくことで、非線形に変化する抵抗変化のうち線形的に変化する領域で電気抵抗の変化を検出して、荷重を検出することができるようになる。
【００４６】
また、前記作用体３をあらかじめ導電性材料５に押圧しておくためのオフセット部３０（ボルト４で押圧する部分）を複数箇所設け、前記突起部３３を、当該複数のオフセット部３０の間に設けるようにしたので、作用体３が３軸方向に変位する場合であっても、作用体３の傾きを防止して、突起部３３による押圧状態を安定させることができるようになる。
【００４７】
また、前記ケース本体２を、正方形状の穴部２２を有するようにするとともに、その穴部２２に円柱状の挿入体３１を挿入させるようにすれば、内壁２１ａ四箇所で局所的に接触させることができ、直交方向の荷重を集中させて荷重を検出することができるようになる。
【００４８】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。
【００４９】
例えば、上記実施の形態では、オフセット部３０を設けるようにして線形領域での抵抗変化を検出するようにしたが、オフセット部３０を設けることなく抵抗値を検出できるようにしてもよい。
【００５０】
また、上記実施の形態では、導電性材料５として、ＣＦＲＰなどの炭素繊維を用いるようにしたが、これに限らず、押圧や引っ張りによって電気的特性（抵抗値、起電力値など）が変化するピエゾフィルムなどの他の素材を用いるようにしてもよい。
【００５１】
また、上記実施の形態では、突起部３３を作用体３に設けるようにしたが、ケース本体２側に設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・ロードセル
２・・・ケース本体
２１ａ、ｂ、ｃ・・・上面、内壁、底面
２２・・・穴部
２３・・・孔部
３・・・作用体
３１・・・挿入体
３２・・・フランジ体
３２ｂ・・・孔部
３３・・・突起部
４・・・ボルト
４１・・・頭部
４２・・・胴部
５・・・導電性材料
５１・・・導電性シート
５２・・・電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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