(57)【要約】【課題】線形性を改善した荷重センサを提供する。【解決手段】変形に応じて電気抵抗が変化する導電ゴムでセンサ体１が形成され、このセンサ体１に荷重を受ける方向の電気抵抗を取り出す電極２，２が取り付けられ、このセンサ体１の周囲に荷重を受ける方向と異なる方向への該センサ体１の変形を拘束する囲み部材３が設けられている。荷重と荷重を受ける方向の変形とが線形になる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形に応じて電気抵抗が変化する導電ゴムでセンサ体が形成され、このセンサ体に荷重を受ける方向の電気抵抗を取り出す電極が取り付けられ、このセンサ体の周囲に荷重を受ける方向と異なる方向への該センサ体の変形を拘束する囲み部材が設けられていることを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
上記センサ体に臨ませて被測定物の荷重を受けて上記センサ体を押圧する押し板が設けられていることを特徴とする請求項１記載の荷重センサ。
【請求項３】
上記センサ体を荷重による反力で支持する底部が上記囲み部材と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の荷重センサ。
【請求項４】
上記センサ体は、導電ゴムを絶縁体ゴムで被覆して形成されることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電ゴムを利用した荷重センサに係り、特に、線形性を改善した荷重センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンゴム等のゴム樹脂材料中に導電性微粒子を含有させた導電ゴムは長さ当たりの抵抗値が一定であり、変形により長さが変化すると電気抵抗が変化する。即ち、導電ゴムは、力を加えるとその力によって歪み、その歪みに応じて電気抵抗が変化する性質を持つため、人や物によって押されたかどうかでオン／オフするスイッチ素子を構成することができる。このような、導電ゴムによるスイッチ素子は電子機器に広く利用されている。
【０００３】
また、電気抵抗の大きさから加わった力の大きさを求めるアナログ的なセンサとしても導電ゴムを利用できる。例えば、被測定物の荷重が荷重支持物へ作用する場所に導電ゴムを介在させ、導電ゴムに荷重が加わるようにすると、その荷重の方向の電気抵抗を測ることで荷重を求めることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−０５０１６５号公報
【特許文献２】
特開平０６−０７４８４８号公報
【特許文献３】
特開平０５−０９９７６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、導電ゴムは、非圧縮性かつ柔軟であるため、機械的特性に幾何学的非線形特性が生じやすい。即ち、大きな荷重を受けた導電ゴムは、大変形した後、荷重を取り去っても変形が残留するというヒステリシス性或いはクリープ性を有する。また、変形により厚みが減少するとき、同時に面が広がるため、荷重を受ける面積が増加する。図４（ａ）に示した荷重を受けない導電ゴム４１の面積Ｓに対し、図４（ｂ）に示した荷重を受けた導電ゴム４１の面積Ｓ１は大きい。その結果、単位面積当たりの荷重が相対的に減少し、見掛け上の剛性が増加する。これらの性質は、荷重と電気抵抗との関係を非線形にする。このため、導電ゴムで構成した荷重センサは、荷重−電気抵抗特性の非線形性が強く、使用しにくい。図４（ｃ）に、導電ゴム単体に荷重をかけた場合の荷重−変位特性を示す（ここでいう変位は厚みの減少分のこと）。図示のように、荷重が大きいと見掛け上の剛性が増加する。この結果、荷重−電気抵抗特性が非線形になる。
【０００６】
また、導電ゴムは柔軟であるため、大きな荷重をかけると、厚みがほとんどなくなるほど歪みが大きくなるため、その厚み方向の電気抵抗がほぼゼロ（導通）にまでなってしまい、荷重計測が不可能になってしまう。図５に、荷重−電気抵抗特性を示す。図示のように、ある荷重以上では導電ゴムがほとんど導体となってしまい、電気抵抗の値が電気抵抗計測の計測誤差の程度になってしまう。
【０００７】
また、導電ゴムは、電気抵抗が歪みの分布（受圧面上の分布）に依存するので、荷重を作用させる面に凹凸があると、その凹凸によって電気抵抗が違ってくるという問題がある。即ち、図６に示されるように、被測定物又は荷重支持物に凹凸４２があると、導電ゴム４１がその凹凸４２に倣って変形するため、距離（厚み）が際立って短い箇所ができ、この箇所での電気抵抗が支配的になり、導電ゴム全体での電気抵抗の計測を誤らせてしまう。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、線形性を改善した荷重センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、変形に応じて電気抵抗が変化する導電ゴムでセンサ体が形成され、このセンサ体に荷重を受ける方向の電気抵抗を取り出す電極が取り付けられ、このセンサ体の周囲に荷重を受ける方向と異なる方向への該センサ体の変形を拘束する囲み部材が設けられているものである。
【００１０】
上記センサ体に臨ませて被測定物の荷重を受けて上記センサ体を押圧する押し板が設けられてもよい。
【００１１】
上記センサ体を荷重による反力で支持する底部が上記囲み部材と一体的に形成されてもよい。
【００１２】
上記センサ体は、導電ゴムを絶縁体ゴムで被覆して形成されてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１４】
図１及び図２に示されるように、本発明に係る荷重センサは、変形に応じて電気抵抗が変化する導電ゴムにより、荷重による圧力を受ける表裏の平面を有するセンサ体１が形成され、このセンサ体１にセンサ体１が荷重を受ける方向（厚み方向）におけるセンサ体１の電気抵抗を取り出すための２つの電極２，２が取り付けられ、このセンサ体１の周囲に荷重を受ける方向と異なる方向へのセンサ体１の変形を拘束する囲み部材３が設けられているものである。
【００１５】
センサ体１は、円盤状に形成されている。センサ体１の表裏の平面上の互いに対向する箇所にそれぞれ電極２，２が設けられている。各電極２はセンサ体１の表平面、裏平面を覆う薄板状に形成するとよい。また、この実施形態では、センサ体１は絶縁体ゴムからなる被覆体４で被覆されている。被覆体４は、下板４ａと上板４ｂとに分割形成されている。下板４ａは、センサ体１より径も厚みも大きい円盤状に形成され、センサ体１を嵌め込むための底のある穴を有する。上板４ｂは、下板４ａと同径の円盤状に形成されている。センサ体１を嵌め込んだ下板４ａに上板４ｂを被せることで、円盤状を呈する被覆体４の中に円盤状のセンサ体１が組み込まれた構造ができる。
【００１６】
本発明に係る荷重センサには、センサ体１の表平面に臨ませて被測定物５の荷重を受けてセンサ体１を押圧する押し板６が設けられている。この実施形態では、センサ体１が被覆体４で被覆されているので、押し板６は上板４ｂの上に重ねて設けられる。押し板６は、被覆体４と同径の円盤状に形成されている。押し板６は、剛性の高い金属や樹脂で構成される。
【００１７】
囲み部材３は、剛性の高い金属や樹脂で構成される。図１では、囲み部材３の外径は直方体として示されているが、これに限定されることはなく、荷重を受ける方向と異なる方向へのセンサ体１の変形（図示例では被覆体４の変形）を拘束することができればよい。この目的で、囲み部材３には、被覆体４を嵌め込むために被覆体４とほぼ同径の穴７が形成されている。この穴７の内周が被覆体４の外周に接していることにより、被覆体４の径方向への変形が拘束されている。
【００１８】
また、この穴７は、被覆体４の裏平面に接してセンサ体１を荷重の反力で荷重の反対方向から支持する底部８で塞がれている。この実施形態では、穴７の深さを囲み部材３の厚みより浅くすることで、底部８は囲み部材３と一体的に形成されている。
【００１９】
穴７の深さは、被覆体４の厚みより深く形成されている。穴７内に被覆体４を嵌め込んだ上に押し板６を嵌め込むようになっている。押し板６は、囲み部材３の上面より上に出ている。そして、この押し板６の上に被測定物５が乗ることになる。
【００２０】
センサ体１には、表平面と裏平面とにそれぞれ電極２が設けられ、これらの電極２に導通するリード線９，９が絶縁体ゴム４の外へ引き出されている。これにより、リード線９，９間にはセンサ体１が被測定物５によって受けた荷重に応じたセンサ体１の電極２，２間の電気抵抗が現れることになる。
【００２１】
図３に、センサ体１の電気抵抗を計測する回路を２種類示す。図３（ａ）の回路は、センサ体１の電気抵抗ＲＧ  に対して直列抵抗ＲＳ  を接続したものに定電圧Ｅを印加し、直列抵抗ＲＳ  の両端間電圧Ｖを計測するものである。図３（ｂ）の回路は、センサ体１の電気抵抗ＲＧ  に対して直列抵抗ＲＳ  を接続したものに定電圧Ｅを印加し、この閉回路に流れる電流Ａを計測するものである。
【００２２】
図２を用いて本発明の荷重センサの作用を説明する。
【００２３】
被測定物５の荷重が押し板６の上面にかかることにより、押し板６の下面が被覆体４を押圧する。この力に応じてセンサ体１を含む被覆体４の全体が変形する（体積弾性挙動）。しかし、被覆体４は、囲み部材３によって径方向への変形が拘束されているので、荷重の印加方向である厚み方向のみに変形する。被覆体４が径方向に変形しないことにより、センサ体１も径方向に変形しない。従って、大きな荷重が加わったときでも、導電ゴム単体で見られた面積の増加はなくなり、荷重と変位との関係が線形に保たれる。また、径方向への変形が拘束されている導電ゴムは、厚みがほとんどなくなるほどの変形はしないので、厚み方向の電気抵抗がゼロ近くにまで減少することがない。
【００２４】
本発明の荷重センサによれば、荷重を受ける方向と異なる方向への変形が拘束されたセンサ体１の変形には、せん断変形がほとんどないため、導電ゴム内の内部摩擦によるヒステリシスが小さくなる。また、大荷重が印加されたときでも、上記拘束の効果により見掛け上の剛性が高くなるため、変形が小さくなる。このため、荷重−変位特性の直線性がよくなり、荷重−電気抵抗特性の線形性がよくなる。
【００２５】
また、センサ体１を被覆体４の中に埋め込んだ構造にしたことにより、仮に押し板６や底部８に凹凸があっても、その凹凸がセンサ体１に及びにくい。そして、押し板６及び底部８を平坦に加工してあることにより、被覆体４に凹凸が形成されにくい。被測定物５に凹凸がある場合でも、上記押し板６及び底部８を平坦にした効果及びセンサ体１を被覆体４の中に埋め込んだ効果により、センサ体１には凹凸が生じない。よって、電気抵抗の計測が凹凸により影響されなくなり、荷重を正確に計測することが可能になる。
【００２６】
なお、上記実施形態では、センサ体１は絶縁体ゴムからなる被覆体４で被覆したが、被覆体４を設けずセンサ体１を被覆体４の大きさにして穴７に嵌め込んでもよい。この場合、囲み部材３は絶縁体であることが求められる。
【００２７】
また、囲み部材３は剛性の高い材料で構成したが、囲み部材３の剛性を適宜に選択することにより、センサ体１の径方向の変形を弾性的に拘束するようにしてもよい。
【００２８】
例えば、図７に示すように、囲み部材３が非常に高い剛性を有する剛体である場合、センサ体１及び被覆体４を構成するゴムに上面から鉛直に荷重（圧縮力）がかかると、ゴムの変形に対しては体積弾性率（体積変化に対する剛性）が支配的となる。ゴムは体積に関してほぼ非圧縮であり、体積弾性率が非常に大きい。このため、囲み部材３が存在しないときの自由なゴムの鉛直剛性に比べて、見掛けの鉛直剛性（圧縮力／鉛直変形量）は非常に大きくなる。言い換えると、ゴムの変形（厚み方向の変位）は非常に小さくなる。従って、大荷重を計測するには有利となるが、中〜小荷重を計測したい場合には、センサとしての敏感性（精度・分解能）が不十分になる可能性がある。
【００２９】
これに対し、図８に示すように、囲み部材３が適当に変形できる程度に囲み部材３の剛性を選択すると、囲み部材３も荷重を受けている鉛直方向とは異なる方向に変形することができる。例えば、破線で示した無負荷時のところから実線のところまで、幅が若干広がる。この変形分８１に応じて穴７も若干広がり、被覆体４のはみ出し８２を許容できるようになる。この場合、見掛けの鉛直剛性（圧縮力／鉛直変形量）が囲み部材３の剛性にも依存するようになり、図７の場合よりもゴムが変形（厚み方向の変位）しやすくなるので、センサとしての敏感性が高まり、中〜小荷重の計測に対応できるようになる。
【００３０】
囲み部材３の剛性の選択は、囲み部材３の材料の選択により可能である。よって、囲み部材３の材料を選択すれば、計測しようとする荷重に合わせたセンサの敏感性を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３２】
（１）線形性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す荷重センサの分解構造図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す荷重センサの断面図である。
【図３】本発明の荷重センサのための電気抵抗計測回路の回路図である。
【図４】導電ゴムの荷重−変位特性及びその特性の測定方法を示す図である。
【図５】導電ゴムの荷重−電気抵抗特性を示す図である。
【図６】受圧面に凹凸がある導電ゴムの断面図である。
【図７】本発明の一実施形態を示す荷重センサの断面図である。
【図８】本発明の一実施形態を示す荷重センサの断面図である。
【符号の説明】
１  導電ゴム
２  電極
３  囲み部材
４  絶縁体ゴム
５  被測定物
６  押し板
７  穴
８  底部
【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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【図８】
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