(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック板と複数の絶縁性弾性板と受圧板および支持板を、それぞれ厚み方向に組み合わせて構成される荷重変換器であって、前記圧電セラミック板は、両面に電極を有し、前記圧電セラミック板の一方の面には第１の絶縁性弾性板が設けられ、他方の面には第２の絶縁性弾性板が設けられ、前記第１の絶縁性弾性板の圧電セラミック板が設置された面と反対側の面には、受圧板が設けられ、一方、第２の絶縁性弾性板の圧電セラミック板が設置された面と反対側の面には支持板が設けられ、前記圧電セラミック板の両面の電極に交流信号を印加する手段と該交流信号に対する前記電極のインピーダンス変化を検出する手段とを備え、前記圧電セラミック板の厚みは、該圧電セラミック板の共振時の波長の１／２波長にほぼ等しく、前記第１の絶縁性弾性板と第２の絶縁性弾性板の厚みは、第１または第２の絶縁性弾性板の共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しく、前記支持板の厚みは、支持板の共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しく、前記受圧板は計測荷重を厚み方向に受けることを特徴とする荷重変換器。
【請求項２】
圧電セラミック板と弾性板と受圧板および支持板を組み合わせて構成される荷重変換器であって、前記圧電セラミック板は、両面に電極を有し、前記圧電セラミック板の一方の面に、弾性板の片側の面を固着し、該弾性板の側面の両端に、それぞれ高弾性材料による受圧板と支持体を固着しており、前記圧電セラミック板の厚みは、該圧電セラミック板の共振時の波長の１／２波長にほぼ等しく、前記弾性板の厚みは、該弾性板の共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しく、前記受圧板は計測荷重を厚み方向に受けることを特徴とする荷重変換器。
【請求項３】
圧電セラミック板と複数の絶縁性弾性板と受圧板および支持板を組み合わせて構成される荷重変換器であって、前記圧電セラミック板は、両面に電極を有する板状の形状であって、前記圧電セラミック板の一方の面に、第１の絶縁性弾性板の片面、および圧電セラミック板の他方の面に第２の絶縁性弾性板の片面を固着し、第１および第２の絶縁性弾性板の側面の両端に、それぞれ高弾性材料による受圧板と支持体とを固着しており、前記圧電セラミック板の厚みは、該圧電セラミック板の共振時の波長の１／２波長にほぼ等しく、前記第１の絶縁性弾性板および第２の絶縁性弾性板の厚みは、それぞれの共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しく、前記受圧板は計測荷重を厚み方向に受けることを特徴とする荷重変換器。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の荷重変換器において、支持体と加圧部材とからなる静的予備荷重機構が付加されたことを特徴とする荷重変換器。
【請求項５】
請求項１に記載の荷重変換器において、前記交流信号の周波数を圧電セラミック板の共振周波数と反共振周波数の中間点に設定し、計測荷重に対してインピーダンスの変化を電圧として取り出すことを特徴とする荷重変換器。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の荷重変換器において、圧電セラミック板の材質を、ジルコン酸チタン酸鉛系材料とし、絶縁性弾性板の材質を、ＦＲＰとし、受圧板と支持板と支持体と加圧部材の材質を、ステンレス系材料とすることを特徴とする荷重変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アシスト自転車等に使用される荷重変換器に関するもので、特に圧電セラミック材料を使用した荷重変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電セラミック材料を使用した荷重変換器は、特開平３−２９５４３０に開示されているように、荷重変換器の構造は、中心ボルト締めの構造をとっており、荷重の変化に相当する電荷を、インピーダンス変換器を用いて電圧として取り出す方法をとっていた。
【０００３】
また、特開平３−２５１２７６に開示されている荷重変換器では、時間、間隔Δｔ時間ごとに荷重の変化をコンデンサのチャージ電荷として読み取り、次に、リセットを行い、再び同じ工程を繰り返して、圧力変化に相当するチャージ電荷を蓄積させる方法をとっていた。これにより、測定電圧を測定時間ごとに累積することにより、連続的に荷重を測定することが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の圧電セラミック材料を使用した第１の例による荷重変換器は、荷重が数百ｋｇの値をとる場合、荷重変換器が大きくならざるを得なかった。または、荷重を分圧して使用する方法をとるしかなかった。
【０００５】
一方、第２の例である荷重を連続的に測定する方式の荷重変換器においては、上述した如く、Δｔ時間ごとにチャージ電荷を電圧として読み取り、リセットを行い、また再び同じ工程を繰り返していたが、荷重が大きくなることにより、変換器の形状が大きくなったり、分圧機構を設けなければならなかった。また、連続的な荷重を検出するために、複雑な処理回路を必要とした。
【０００６】
従って、本発明の目的は、大きな荷重に対しても形状が小型で、かつ荷重を連続的に検出でき、複雑な検出回路を必要としない荷重変換器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による荷重変換器は、圧電セラミック板の両面に複数の絶縁性弾性板を設け、第１の絶縁性弾性板に受圧板を、第２の絶縁性弾性板に支持板を設ける構成とすることにより、小型化、薄型化を実現するものである。
【０００８】
また、低荷重での安定性確保のために、加圧部材を付加して予備加圧することにより、低荷重から高荷重までの広範囲にわたって、計測荷重の検出を可能とするものである。
【０００９】
また、本発明による荷重変換器では、圧電セラミック板の共振周波数と反共振周波数の中間点付近の周波数で励振することにより、計測荷重とインピーダンスがリニアリティーを持つものである。これにより、計測荷重に対するインピーダンス変化を電圧として読み取ることができ、計測荷重の値が検出可能となる。その結果、計測荷重を連続的に検出でき、かつ検出回路が簡単で、安価な回路構成が実現できる。
【００１０】
即ち、本発明は、圧電セラミック板と複数の絶縁性弾性板と受圧板および支持板を、それぞれ厚み方向に組み合わせて構成される荷重変換器であって、前記圧電セラミック板は、電極を有し、前記圧電セラミック板の一方の面には第１の絶縁性弾性板が設けられ、他方の面には第２の絶縁性弾性板が設けられ、前記第１の絶縁性弾性板の圧電セラミック板が設置された面と反対側の面には、受圧板が設けられ、一方、第２の絶縁性弾性板の圧電セラミック板が設置された面と反対側の面には支持板が設けられ、前記圧電セラミック板の両面の電極に交流信号を印加する手段と該交流信号に対する前記電極のインピーダンス変化を検出する手段とを備え、前記圧電セラミック板の厚みは、該圧電セラミック板の共振時の波長の１／２波長にほぼ等しく、前記第１の絶縁性弾性板と第２の絶縁性弾性板の厚みは、第１または第２の絶縁性弾性板での共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しく、前記支持板の厚みは、支持板の共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しく、前記受圧板は計測荷重を厚み方向に受ける荷重変換器である。
【００１１】
また、本発明は、圧電セラミック板と弾性板と受圧板および支持板を組み合わせて構成される荷重変換器であって、前記圧電セラミック板は、両面に電極を有し、前記圧電セラミック板の一方の面に、弾性板の片側の面を固着し、該弾性板の側面の両端に、それぞれ高弾性材料による受圧板と支持体を固着しており、前記圧電セラミック板の厚みは、該圧電セラミック板の共振時の波長の１／２波長にほぼ等しく、前記弾性板の厚みは、該弾性板の共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しく、前記受圧板は計測荷重を厚み方向に受ける荷重変換器である。
【００１２】
また、本発明は、圧電セラミック板と複数の絶縁性弾性板と受圧板および支持板を組み合わせて構成される荷重変換器であって、前記圧電セラミック板は、両面に電極を有する板状の形状であって、前記圧電セラミック板の一方の面に、第１の絶縁性弾性板の片面、および圧電セラミック板の他方の面に第２の絶縁性弾性板の片面を固着し、第１および第２の絶縁性弾性板の側面の両端に、それぞれ高弾性材料による受圧板と支持体とを固着しており、前記圧電セラミック板の厚みは、該圧電セラミック板の共振時の波長の１／２波長にほぼ等しく、前記第１の絶縁性弾性板および第２の絶縁性弾性板の厚みは、それぞれの共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しく、前記受圧板は計測荷重を厚み方向に受ける荷重変換器である。
【００１３】
また、本発明は、前記荷重変換器において、支持体と加圧部材とからなる静的予備荷重機構が付加された荷重変換器である。
【００１４】
また、本発明は、前記荷重変換器において、前記交流信号の周波数を圧電セラミック板の共振周波数と反共振周波数の中間点に設定し、計測荷重に対してインピーダンスの変化を電圧として取り出すことを特徴とする荷重変換器である。
【００１５】
また、本発明は、前記荷重変換器において、圧電セラミック板の材質を、ジルコン酸チタン酸鉛系材料とし、絶縁性弾性板の材質を、ＦＲＰとし、受圧板と支持板と支持体と加圧部材の材質を、ステンレス系材料とする荷重変換器である。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例による荷重変換器について説明する。
【００１７】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１による荷重変換器の基本構成の説明図である。また、図２は、図１の荷重変換器の基本構成を用いて、加圧部材６と支持体５による静的予備荷重機構を付加した構成の荷重変換器を示す。
【００１８】
図１より、荷重変換器の基本構成は、圧電セラミック板１の上面に、第１の絶縁性弾性板２ａが設けられ、圧電セラミック板１の下面には、第２の絶縁性弾性板２ｂが設けられ、さらに前記第１の絶縁性弾性板２ａの上には受圧板３が設けられ、前記第２の絶縁性弾性板２ｂには支持板４が設けられている。図１のごとく、計測荷重は、受圧板３の厚み方向に印加される。
【００１９】
圧電セラミック板１の材質には、ジルコン酸チタン酸鉛系圧電材料が用いられる。寸法は、外径が６ｍｍで、厚み２ｍｍのものを使用した。また、その上面には、電極７ａ、下面には、電極７ｂが形成されている。
【００２０】
第１の絶縁性弾性板２ａ、および第２の絶縁性弾性板２ｂは、その材質をＦＲＰとしており、寸法は、外径６ｍｍで厚み約１ｍｍのものを使用した。
【００２１】
受圧板３と支持板４は、ステンレス系材料を使用した。収納筒５の材質には、軟鉄材を使用した。加圧部材６は、ステンレス系のばね材を用い、絞り加工により作製した。
【００２２】
図２は、図１の荷重変換器の基本構成をもとに加圧部材６と収納筒５による静的予備荷重機構を追加した荷重変換器である。前記静的予備荷重機構によって、約１０ｋｇの静荷重を発生させている。
【００２３】
荷重変換器の全体の外形寸法は、外径が１０ｍｍで、高さを９ｍｍとした。また、荷重変換器の荷重零における圧電セラミック板の共振周波数は、１６４０ｋＨｚで、反共振周波数は１８００ｋＨｚであった。計測周波数は、前記共振周波数と反共振周波数の中間点に設定され、この条件下で、インピーダンス変化率が計測荷重に対してリニアになる。
【００２４】
図５に、図２の荷重変換器におけるインピーダンス変化率対荷重特性を示す。
ここで、前記圧電セラミック板の厚みは、計測周波数とする共振周波数において、圧電セラミック板の共振時の波長の１／２波長にほぼ等しく、前記第１の絶縁性弾性板２ａと第２の絶縁性弾性板２ｂの厚みは、第１または第２の絶縁性弾性板での共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しく、前記支持板４の厚みは、支持板の共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しくしている。
【００２５】
（実施例２）
図３は、本発明の実施例２による荷重変換器の断面図である。図３にて、圧電セラミック板１１は、両面に電極８ａ、８ｂを有する板状の形状である。弾性体板１２の両端に、受圧板１３と支持体１４を固着し、前記弾性板１２の片側の面にセラミック板１１を固着している。また、加圧部材１５が受圧板１３の周辺部に設置されている。ここで、圧電セラミック板１１の材質は、ジルコン酸チタン酸鉛系圧電材料が用いられる。
【００２６】
また、弾性板１２の材質はＦＲＰを使用し、受圧板１３の材質はステンレス材料を使用し、支持体１４の材質は軟鉄材を用いた。また、加圧部材１５は、ステンレス系のばね材を用い、絞り加工にて作製した。荷重変換器の全体の外形寸法は、外形が１０ｍｍで、高さを９.５ｍｍとした。
【００２７】
ここで、前記圧電セラミック板１１の厚みは、計測周波数である共振周波数において、前記圧電セラミック板１１の共振時の波長の１／２波長にほぼ等しく、前記弾性板１２の厚みは、該弾性体１２の共振時の波長の１／４波長の整数倍にほぼ等しくした。
【００２８】
（実施例３）
図４は、本発明の実施例３による荷重変換器の断面図である。図４にて、圧電セラミック板２１は、両面に電極９ａ、９ｂを有する板状の形状であって、前記圧電セラミック板２１の両面には、第１の絶縁性弾性板２２ａの片面、および第２の絶縁性弾性板２２ｂの片面を固着し、第１および第２の絶縁性弾性板の厚み方向と直交する両端に高弾性材料による受圧板２３と支持板２４とを固着している。
【００２９】
また、加圧部材２５が受圧板２３の周辺部に設置されている。ここで、圧電セラミック板２１，第１の絶縁性弾性板２２ａ、第２の絶縁性弾性板２２ｂ、受圧体２３，支持体２４，加圧部材２５の材質は、先の実施例２と同材質のものを用いた。荷重変換器の全体の外形寸法は、外径が１０ｍｍで、高さを１０ｍｍとした。
【００３０】
前記圧電セラミック板２１の厚みは、計測周波数である共振周波数において、その圧電セラミック板２１の共振時の波長の１／２波長に等しく、前記第１の絶縁性弾性板２２ａおよび第２の絶縁性弾性板２２ｂの厚みは、第１、第２の絶縁性弾性体の共振時の波長の、１／４波長の整数倍に等しくした。
【００３１】
ここで、実施例１の荷重変換器は、計測荷重を荷重変換器の圧電セラミック板に対して直接加える直接型である。一方、実施例２の荷重変換器は、荷重を荷重変換器の圧電セラミック板に対して間接的に加える間接型である。また、実施例３の荷重変換器も、実施例２と同じく間接型である。
【００３２】
実施例２と実施例３による荷重変換器の、インピーダンス変化率対荷重特性について、インピーダンスの変化率そのものは、実施例１の荷重変換器より少ないが、計測周波数は、実施例１の荷重変換器と同様、共振周波数と反共振周波数の中間点に設定され、インピーダンス変化率が計測荷重に対してリニアとなる。
【００３３】
本発明の荷重変換器では、３００ｋｇ程度の大きな計測荷重を検出することが可能となる。また、形状を小型にでき、連続的に計測荷重の検出が可能で、かつ、計測荷重を検出する検出回路が簡単となる。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明したごとく、本発明によれば、大きな荷重に対しても形状が小型で、かつ荷重を連続的に検出でき、複雑な検出回路を必要としない荷重変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による荷重変換器の基本構成の断面図。
【図２】  本発明の実施例１の荷重変換器の断面図。
【図３】  本発明の実施例２の荷重変換器の断面図。
【図４】  本発明の実施例３の荷重変換器の断面図。
【図５】  本発明の実施例１の荷重変換器によるインピーダンス変化率対荷重特性を示す図。
【符号の説明】
１，１１，２１    圧電セラミック板
２ａ，２２ａ    第１の絶縁性弾性板
２ｂ，２２ｂ    第２の絶縁性弾性板
３，１３，２３    受圧板
４    支持板
６，１５，２５    加圧部材
７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ    電極
１２    弾性板
５，１４，２４    支持体
【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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