(57)【要約】【課題】            荷重検出部の出力電圧が大きく荷重速度の検出感度が良く、変動荷重の荷重速度を測定するのに適した応答性に優れコンパクトな荷重速度検出要素及びこれを用いた荷重速度検出方法、荷重速度検出要素を用いたセンサを提供する。【解決手段】        表裏面に一対の電極を有する圧電フィルムと、該圧電フィルムの両面に配設した弾性部材とを備えてなり、前記弾性部材は、そのヤング率をポアソン比で除した値が、前記圧電フィルムのヤング率をポアソン比で除した値より小さいものである荷重速度検出要素を荷重伝達部材で挟持して荷重速度検出部を構成し、該荷重速度検出部からの信号を荷重速度として検出することにより行う。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表裏面に一対の電極を有する圧電フィルムと、該圧電フィルムの両面に配設した弾性部材とを備えてなり、
前記弾性部材は、そのヤング率をポアソン比で除した値が、前記圧電フィルムのヤング率をポアソン比で除した値より小さいものである荷重速度検出要素を荷重伝達部材で挟持して荷重速度検出部を構成し、該荷重速度検出部からの信号を荷重速度として検出することを特徴とする荷重速度検出方法。
【請求項２】
表裏面に一対の電極を有する圧電フィルムと、該圧電フィルムの両面に配設した弾性部材とを備えてなり、
前記弾性部材は、そのヤング率をポアソン比で除した値が、前記圧電フィルムのヤング率をポアソン比で除した値より小さいものであることを特徴とする荷重速度検出要素。
【請求項３】
弾性部材は、その厚さが0.5〜10ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の荷重速度検出要素。
【請求項４】
弾性部材は、ゴム、コルク、塩化ビニールのいずれか又はこれらの組み合わせからなるものであることを特徴とする請求項２又は３に記載の荷重速度検出要素。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれかに記載の荷重速度検出要素を荷重伝達部材で挟持してなることを特徴とする荷重速度検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電フィルムを利用した圧電型の荷重速度検出要素及びこれを用いた荷重速度検出方法、荷重速度検出要素を用いた荷重速度検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電フィルムは、その面内に生ずる面内歪みの時間的変化量、言い換えれば荷重の時間的変化量（荷重速度）に比例した出力電圧を発生する特性を有する。この性質を利用して変動荷重を対象とする荷重速度、あるいはその荷重速度から求められる荷重の大きさ、歪み、応力等を求めるための測定装置用のセンサとして利用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、圧電フィルムを利用した「衝撃に応答する靴、及び衝撃に応答して光り又は音を放出する物」が提案されている。また、特許文献２には、圧電型振動センサが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平5-172624号公報
【特許文献２】特開平5-333990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、圧電フィルム自体に発生する出力電圧が低いので、従来の装置では、特許文献１に提案されたような衝撃荷重を測定対象とするものに限られるという問題があった。また、通常の変動荷重を測定するには、圧電フィルムに生ずる歪みを増大させて出力電圧を増幅しなければならず、例えば特許文献２に提案されている慣性質量部を設けなければならないという問題があった。
【０００６】
このため、圧電フィルムには薄くて柔軟で耐衝撃性及び応答性に優れ、それ自体が荷重速度に比例した出力電圧を発生するという特性があるにもかかわらず、圧電フィルムを用いた応答性に優れコンパクで高感度の変動荷重速度検出センサを作成することが困難であった。
【０００７】
本発明はかかる従来の問題に鑑み、荷重検出部の出力電圧が大きく荷重速度の検出感度が良く、変動荷重の荷重速度を測定するのに適した応答性に優れコンパクトな荷重速度検出要素及びこれを用いた荷重速度検出方法、荷重速度検出要素を用いた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】
【０００８】
本発明に係る荷重速度検出方法は、表裏面に一対の電極を有する圧電フィルムと、該圧電フィルムの両面に配設した弾性部材とを備えてなり、前記弾性部材は、そのヤング率をポアソン比で除した値が、前記圧電フィルムのヤング率をポアソン比で除した値より小さいものである荷重速度検出要素を荷重伝達部材で挟持して荷重速度検出部を構成し、該荷重速度検出部からの信号を荷重速度として検出する方法である。
【０００９】
上記荷重速度検出方法の実施に使用される荷重速度検出要素の弾性部材は、その厚さが0.5〜10ｍｍであるのが好ましく、また、ゴム、コルク、塩化ビニールのいずれか又はこれらの組み合わせからなるものであるのが好ましい。
【００１０】
荷重速度検出センサは、上記荷重速度検出要素を荷重伝達部材で挟持してなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る荷重速度検出要素は、荷重検出部の出力が大きく荷重速度の検出感度が良好で、これを用いて荷重速度検出部を構成しその荷重速度検出部からの信号を荷重速度として検出するようにすれば、変動荷重の荷重速度を高感度で測定することができる。また荷重速度検出要素を用いた荷重速度検出センサによれば測定対象物、荷重の負荷条件等にかかわらず容易にかつ高感度で変動荷重の荷重速度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る荷重速度検出方法は、荷重速度検出要素を荷重伝達部材で挟持して荷重速度検出部を構成し、該荷重速度検出部からの信号を荷重速度として検出することにより実施される。
【００１３】
荷重速度検出要素10は、図１に示すように、圧電フィルム11と、その表裏面に設けた一対の電極12、14と、圧電フィルム11と電極12、14を挟むように配設された弾性部材16、18を備えている。
【００１４】
荷重速度検出要素10を構成する圧電フィルム11は公知のものが使用できる。例えば、呉羽化学株式会社製のPVDF（商標ＫＦピエゾフィルム）が使用できる。このPVDFは、厚みが40〜100μｍで可撓性を有し、ヤング率が2000〜4000MPaで、ポアソン比は0.3〜0.35である。
【００１５】
圧電フィルム11の表裏面に設ける一対の電極12、14は、圧電フィルム11の表裏面にアルミニウムを蒸着し、導電性塗料を塗布し又はスパッタリングにより構成することができる。銅箔を圧電フィルム11に接着して構成してもよい。この電極12、14は、圧電フィルム11の変形を阻害することなくその変形に追従でき、導電性に優れたものであればよい。また、電極12、14は圧電フィルム11の表裏面の全体にわたっているのがよく、これにより、圧電フィルム11の面積に応じた出力電圧を得ることができる。
【００１６】
弾性部材16、18は、そのヤング率Eeをポアソン比υeで除した値Ee/υeが圧電フィルム11のヤング率Epをポアソン比υpで除した値Ep/υpより小さい値を有するものである。これによって、以下に説明するように、弾性部材16、18の面内歪みが圧電フィルム11の面内歪みより大きくなって弾性部材16、18が圧電フィルム11に生じる面内歪みを増大させ、圧電フィルム11からの出力電圧が増幅される。この効果は、増幅因子υeEp/υpEeに左右され、一般的にはその値が大きい荷重速度検出要素10ほど高感度になる。しかし、実際には、弾性部材16、18のヤング率が小さくなるとその座屈等により弾性部材16、18の歪み増幅効果がなくなるため、荷重特性や測定対象物等を考慮して適切な材料が選択される。
【００１７】
弾性部材16、18は、上述のように圧電フィルム11に生ずる面内歪みを増大する機能を有するものであるから、電極12、14、従って圧電フィルム11の全面にわたり、かつ、それらと一体に固着されているのがよい。この固着には公知の接着剤が使用できる。例えば、SBR接着剤、セメダイン株式会社製の接着剤（商標セメダインスーパーＸ）が使用できる。
【００１８】
荷重速度の検出は、上記荷重速度検出要素10を荷重伝達部材22、24で挟持して荷重速度検出部100を構成し、荷重速度検出部100からの信号を荷重速度として検出することによって行われる。荷重速度検出部100は、例えば、図２（ａ）に示すように、荷重速度検出要素10を荷重伝達部材22、24で挟持したものを荷重Ｗの直下、測定対象物30の上に載置して構成される。
【００１９】
荷重伝達部材22、24は、荷重Ｗを弾性部材16、18を介して圧電フィルム11に伝達する機能を有する。荷重伝達部材22、24は、剛体であれば十分であるが、図２（ｂ）に示すように荷重Ｗに対して局部的に変形するものは適さない。圧電フィルムに面内歪みと曲げ歪みが混在すると面内歪みに比例した出力電圧が得られなくなるためである。
【００２０】
荷重伝達部材22、24としてはその剛性及び加工性等から、ヤング率210000MPaのステンレス鋼製、ヤング率70000MPaのアルミニウム合金製の金属板が適している。測定対象物や荷重の負荷条件等によっては、合板、樹脂板、コンクリート板、石板、セラミクス板、鉄筋コンクリート板、繊維強化樹脂板等を使用することができる。また、それらの板厚も適当な値が選択される。なお、荷重伝達部材22、24は荷重速度検出要素10を挟持しておればよく、必ずしも荷重速度検出要素10は荷重伝達部材22、24に固着されていなくてもよい。
【００２１】
荷重速度検出方法は上記の構成でもって行う方法であり、弾性部材16、18によって圧電フィルムの面内歪みが効果的に拡大され、これによって増幅された出力電圧を得て、荷重速度を高感度で測定することができるようになる。以下に、この弾性部材16、18の出力電圧増幅効果を図３に示すモデルを利用して説明する。図３は図２（ａ）をモデル化したもので、単位長さの荷重速度検出部100に変動荷重が作用している場合を示す。ｗは時間ｔにおける垂直方向の荷重の大きさを示す。なお、図３（ａ）は、弾性部材16、18が荷重伝達部材22、24に固着されている場合を示し、図３（ｂ）は、弾性部材16、18が荷重伝達部材22、24に固着されていない場合を示すが、両者の歪み増幅の機構（メカニズム）は同一であるので図３（ａ）について説明する。
【００２２】
荷重ｗにより、弾性部材16、18及び圧電フィルム11は、荷重ｗ方向の圧縮歪みとポアソン効果による横歪み（面内歪み）を生ずる。この場合、圧電フィルム11に生ずる出力電圧は、その面内歪みに起因する出力電圧のみを考慮すればよい。圧縮歪みに起因する出力電圧は、圧電フィルム11の厚さ（40〜100μm）が薄く圧縮歪みが小さいため無視することができる。弾性部材16、18の面内歪みε'e、圧電フィルム11の面内歪みε'pはそれぞれ以下の（１）（２）式に示す通りである。
ε'e＝υeｗ/Ee・・・・・・(1)
ε'p＝υpｗ/Ep・・・・・・(2)
(1)式を(2)式で除すると、
ε'e /ε'p＝υeEp/υpEe・・(3)
本発明では、Ee/υe<Ep/υpであるから  ε'e /ε'p＝υeEp/υpEe  >1
すなわち、ε'e>ε'pとなる。
【００２３】
したがって、弾性部材16、18と圧電フィルム11は固着されているから、これらの変形状態は図３（ａ）に示すようになり、弾性部材16、18の面内歪みεeはε'eより小さくなるが、圧電フィルム11の面内歪みεpはε'pより大きくなる。圧電フィルム11に生ずる出力電圧はこの面内歪みεpに比例した出力電圧を発生するから、出力電圧は弾性部材16、18によって増幅されることになる。すなわち、圧電フィルム11の出力電圧は、増幅因子υeEp/υpEe値が大きくなればなるほど大きくなる。
【００２４】
なお、上記では荷重伝達部材22に負荷される荷重ｗが垂直方向の荷重として検討したが、斜め荷重であってもその荷重の垂直成分に対して同様に適用される。斜め荷重の水平成分は弾性部材16、18の水平方向の変形と釣り合い、圧電フィルム11の面内歪みには影響を与えない。
【００２５】
また、上記荷重伝達部材22、24は剛体として検討したが、必ずしも剛体でなくても同様に適用できる。例えば、圧電フィルムが図２（ｂ）のように局部的に変形するのでなく、圧電フィルム11全体が一定の曲率を持って撓むような場合は、圧電フィルム11に生ずる曲げ歪みは小さくその歪みに起因する出力電圧は無視することができる。
【００２６】
以上荷重速度検出要素10を用いた荷重速度の検出について説明したが、荷重速度を検出する荷重速度検出部100の構成は上述のものに限られない。すなわち、測定対象物30や荷重の負荷条件等を考慮して最適な構成が選択される。例えば、円柱状の鋼30（24）が異なる方向から荷重を受ける場合は、図４に示すような構成の荷重速度検出部100が適している。この場合はどの方向からの荷重についても、また、異なる方向から同時に作用する荷重（Ｗ1、Ｗ2、Ｗ3）についてもそれらの荷重速度を測定することができる。
【００２７】
上記の場合、測定対象物30が荷重伝達部材24と同様の作用をするから、特に荷重伝達部材24を設けなくてもよい。また、荷重速度検出要素10は、図４（ｂ）に示すような円弧状の形状をしたものを使用することができ、図１に示す平板上のものを図４（ｂ）の形状と同等になるように撓めて使用することもできる。
【００２８】
荷重速度の検出は上述のように荷重速度検出部を構成して行うことができるが、荷重速度検出要素10を荷重伝達部材22、24で挟持してなる荷重速度検出センサ1を用いるのがよい。これによれば、測定対象物の形状や剛性に左右されることなく容易に荷重速度を高感度で測定することができる。
【００２９】
図５に荷重速度検出センサ1の一実施例を示す。これは、４つの荷重速度検出要素10を対称に配列し荷重伝達部材22、24で挟持してなり、各荷重速度検出要素10からの出力電圧を検知できるように配線5を設けたものである。この荷重速度検出センサ1によれば、荷重速度のみならず荷重の方向及び荷重中心の移動状況等も測定することができる。
【００３０】
図６の場合は、水平方向荷重（剪断荷重）Ｗの荷重速度を高精度で測定できる荷重速度検出センサ1の一実施例である。すなわち、前後端面に荷重速度検出要素10が接着された平板状の荷重伝達部材24に、潤滑層25を介してコ字状の荷重伝達部材22が被せられており、荷重伝達部材22のアーム部22a、荷重速度検出要素10及び荷重伝達部材24は一体に固着されている。これによって、荷重速度検出要素10は垂直方向の荷重Ｗを受けることになり、荷重Ｗによる荷重速度を高精度で測定できる。なお、潤滑層25は、例えばフッ素樹脂フィルムが使用できる。
【実施例１】
【００３１】
図２（ａ）に示すような荷重速度検出部100を構成し、弾性部材22、24を種々変えた場合の荷重速度検出部100からの出力電圧により弾性部材の増幅効果を調べた。荷重速度検出部100は、ポアソン比0.3、ヤング率3000MPa、厚さ40μmのPVDFからなる圧電フィルム11と、その表裏面にアルミ蒸着した電極12、14と、以下に示す弾性部材16、18と、厚さ3mmのアルミニウム（A5083）合金板の荷重伝達部材22、24とから構成した。
【００３２】
弾性部材16、18として表１に示すポアソン比及びヤング率を有する厚さ2mmのニトリルゴム板、コルク板又は塩化ビニール（軟質）板を用いた場合の、各弾性部材16、18の増幅因子υeEp/υpEeと出力電圧の関係を表１に併せて示す。表１によると、増幅因子υeEp/υpEeと出力電圧は直線的な関係はみられないが、増幅因子υeEp/υpEeの値の大きいニトリルゴム板は出力電圧が高く、弾性部材16、18として適していることが分かる。また、コルク板、塩化ビニールも荷重速度検出要素10の弾性部材16、18として使用できることが分かる。
【００３３】
【表１】
2005221339.tif 000003
【００３４】
図７は、上記の弾性部材（ニトリルゴム板、コルク板）の板厚をかえて試験した場合の板厚と出力電圧の関係を示す。図７によると出力電圧は、弾性部材の板厚に比例して増大するが、板厚が10mm程度になると、ほぼ一定値になる。この結果より、弾性部材の板厚は10mm以下とするのがよいことが分かり、また、弾性部材の板厚が0.5〜10mmの範囲で荷重速度検出要素10の弾性部材16、18として使用できることが分かる。
【実施例２】
【００３５】
荷重速度検出センサ1を用いて変動荷重の荷重速度及び変動荷重を測定する試験装置を組み立て、その装置による試験結果とロードセルを用いた試験装置（株式会社共和電業製ロードセル、容量２ｋＮ）による試験結果とを比較した。本試験装置は、図８に示すように、荷重速度検出センサ1、配線5、ＡＤ変換装置2、演算装置3及び表示・記録装置4からなる。荷重速度検出センサ1は、表１のニトリルゴムを弾性部材16、18とする荷重速度検出要素10を４つ配列した図５に示す構成のものを使用した。荷重速度検出要素10の縦横の大きさは縦140mm、横70mmで、荷重伝達部材22、24の縦横の大きさは縦300mm、横150mmであった。試験は、荷重速度検出センサ1をロードセルの上に載せて荷重速度検出センサ1とロードセルに同じ変動荷重を与えるようにして行った。変動荷重は、人が床面に置いた荷重速度検出センサ1に片足を乗せてある程度体重を負荷し、数度揺すって足を降ろし、また片足を乗せて数度揺すって足を降ろす操作を３回繰り返して与えた。
【００３６】
試験結果を図９に示す。図９（ａ）は、本試験装置で測定した荷重速度の時間あたりの変化状態を示し、同（ｂ）は同（ａ）を積分したもので荷重の変化状態を示す。同（ｃ）は、ロードセルを用いた試験装置で同様な試験を行った場合の荷重の変化状態を示す。同（ａ）によると、荷重速度の変化状態がよく分かる。また、同（ｂ）と同（ｃ）を比較すると、本装置で測定した荷重の変化状態とロードセルを用いた試験装置で測定した荷重の変化状態とはよく一致していることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る荷重速度検出要素を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の荷重速度検出要素を用いた荷重速度検出部の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図２の荷重速度検出部に荷重ｗが作用する場合の荷重速度検出要素の変形状態を示すモデル図である。
【図４】荷重速度検出部の他の構成を示す断面図である。
【図５】荷重速度検出センサの実施例を示す平面断面図である。
【図６】荷重速度検出センサの他の実施例を示す正面断面図である。
【図７】荷重速度検出要素の弾性部材板厚を変化させた場合の出力電圧を示す図である。
【図８】変動荷重の荷重速度を測定する試験装置のレイアウト図である。
【図９】図８の試験装置による出力結果を示す図（（ａ）、（ｂ））と、ロードセルを用いた試験装置による出力結果を示す図（（ｃ））である。
【符号の説明】
【００３８】
1    荷重速度検出センサ
2    ＡＤ変換装置
3    演算装置
4    表示・記録装置
5    配線
10    荷重速度検出要素
11    圧電フィルム
12、14    電極
16、18    弾性部材
22、24    荷重伝達部材
25    潤滑層
30    測定対象物
100    荷重速度検出部
【図１】
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【図２】
2005221339.tif 000005
【図３】
2005221339.tif 000006
【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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【図９】
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