JPS6222408B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は被測定荷重を電気信号に変換して取
り出す荷重検出器に関するものである。

圧電素子を使用し、外部からこの圧電素子に対
して時間的に荷重値が変化する被測定荷重を印加
し、この被測定荷重により生ずる圧電素子の変位
に対応して発生する電気信号を圧電素子の電極間
に得て、この得られた電気信号によつて圧電素子
に与えられる被測定荷重を検出することは行なわ
れている。しかし、時間的に荷重値が変化しない
静的な荷重の測定は、この従来の手段では実現す
ることは出来ない。

この発明はこの従来の荷重検出器における難点
を解決し、被測定荷重の測定範囲が調整可能であ
り、広範囲の静的な荷重に対して優れた変換特性
下での検出測定が可能な荷重検出器を提供するも
のである。

この発明においては、複数個の圧電素子が互い
に重ね合わせて配設され、その配列方向において
これらの複数個の圧電素子をその両端間で受けて
固定支持する固定手段が設けられ、被測定荷重は
複数個の圧電素子の両端間に被検出荷重印加手段
により印加される。さらにこの発明においては、
調整電圧印加手段により重ね合わせて配設された
圧電素子中の変位用の圧電素子のそれぞれの電極
に対してこれらの変位用の圧電素子が同時に伸縮
するように調整電圧が印加される。又互いに重ね
合わせて配設された複数個の圧電素子中、調整電
圧印加手段により調整電圧が印加されない検出用
の圧電素子の電極端子間から被測定荷重に対応し
た検出電圧が取り出されるような構成を有する。
このような構成を有するためにこの発明によると
固定手段により複数個の圧電素子の配列方向に対
して与えられる締め付け力を調整し、又調整電圧
印加手段により、それぞれの変位用の圧電素子の
電極に与えられる調整電圧を調整することによ
り、測定可能な被測定荷重の範囲を拡大し、且つ
被測定荷重に応じて変換特性の優れた検出特性位
置において、被測定荷重の高精度の検出が可能と
なる。

以下、この発明の荷重検出器をその実施例に基
づき、図面を使用して詳細に説明する。先ず実施
例の具体的な説明に先立ち、圧電素子による荷重
検出の原理について説明する。

第１図に示すように圧電素子１１の電極１２−
１，１２−２間に第２図に示すような同一極性の
繰り返し交番電圧Eiを印加すると、圧電素子１
１には偏倚Δl₀範囲で伸長圧縮変形が生ずる。従
つて逆に圧電素子１１に外部から時間的変化を有
する繰返し荷重を印加して偏倚Δl₀を発生させ、
この偏倚Δl₀に対応して圧電素子１１の電極間に
発生する電圧を測定して印加された荷重を測定す
ることが出来る。しかしこの偏倚Δl₀はその偏倚
範囲に限度があり、このような測定方法では小さ
な印加力に対応する荷重しか精度よく測定するこ
とは出来ない。

第４図はこの発明の荷重検出器の実施例の構成
を示すもので、例えば円柱状の複数個の圧電素子
１１−１，１１−２，………１１−ｎが互いに重
ね合わせて配設され、この互いに重ね合わせて配
設された複数個の圧電素子１１−１，１１−２，
………１１−ｎに対してこれらの圧電素子１１−
１，１１−２，………１１−ｎを両端間で受けて
固定支持する固定手段が設けられる。各圧電素子
１１−１，１１−２，………１１−ｎにはその中
心位置を貫通して取付孔１４が形成され、互いに
重ね合わせて配設された圧電素子１１−１，１１
−２，………１１−ｎの取付孔１４に固定棒１５
が貫通挿入され、この固定棒１５の両端部分には
ねじが刻設される。この固定棒１５の両端部分に
設けられたねじに螺合するナツト１６−１，１６
−２により互いに重ね合わせて配設された複数個
の圧電素子１１−１，１１−２，………１１−ｎ
が固定棒１５により軸支固定可能に構成される。

このようにして互いに重ね合わせて配設された
複数個の圧電素子１１−１，１１−２，………１
１−ｎのｎ−１個の変位用の圧電素子１１−１〜
１１−（ｎ−１）の各電極に接続される調整電圧
線１７−１，１７−２が設けられその端子t₁，t₂
間から各圧電素子１１−１，１１−２，………１
１−ｎの電極１２−１，１２−２，１２−３，１
２−４，………１２（２ｎ−１）に対して調整電
圧Ｅ_iが印加可能に構成される。調整電圧Ｅ_iは互
いに重ね合わせて伸縮偏倚可能に配設された複数
個の変位用の圧電素子が同時に伸縮するような電
圧にされる。例えばこの調整電圧Eiは第２図に
示すように時間ｔに対して同一周期で同一波高値
のパルス電圧が繰り返して発生するような波形を
有する。複数個互いに重ね合わせて配設された圧
電素子中でこの調整電圧Eiが印加されない検出
用の圧電素子、第４図に示す実施例では最終段の
圧電素子１１−ｎの電極１２−（２ｎ−１），１２
−２ｎ間から出力電圧線１７−３，１７−４が取
り出され、その端子t₃，t₄間から被測定荷重Ｆに
対応して与えられる圧電素子の歪の抑圧度に応じ
た出力電圧E₀が取り出される。又被測定荷重Ｆ
は、互いに重ね合わせて固定配設された複数個の
圧電素子１１−１，１１−２，………１１−ｎの
両端の圧電素子１１−１と１１−ｎに対してその
電極１２−１，１２−２ｎ端板に直角に印加され
る。

この発明の検出器は実施例で説明したような構
成を有するため、互いに重ね合わせて配設された
複数個の圧電素子１１−１，１１−２，………１
１−ｎの配設状態での配設方向に対する固定手段
による締め付け力を固定棒１５に対するビス１６
−１，１６−２の締め付けを調整して所望の値に
設定することが出来る。

締め付け力は端子t₁，t₂間に印加される調整電
圧Eiに対する互いに重ね合わせて配設された複
数個の圧電素子の初期駆動条件を設定する。

即ち、固定手段による締め付け力をf₀として、
この状態で調整電圧Eiを複数個の圧電素子の各
電極に対して印加すれば、無荷重の状態で検出手
段に得られる出力電圧はE₀として得られる。固
定手段による締め付け力をf₁に増加させると、同
一の調整電圧Eiに対して無荷重の状態で検出手
段に得られる出力電圧はE₁に変化する。

又、調整電圧Eiの波高値を増加させると、そ
れぞれ検出手段に得られる出力電圧の上下限値の
幅が拡大される。

このようにして初期設定値f₀が固定手段によつ
て設定されて互いに重ね合わせて配設された複数
個の圧電素子１１−１〜１１−ｎに対して、調整
電圧Ｅ_iによる偏倚を妨げる方向に被測定荷重Ｆ
が印加される。よく知られている圧電素子の動作
特性から、締め付け力f₀の状態で被測定荷重F₁に
印加すると、圧電素子f₀＋F₁に対応して内部歪が
抑圧される。この状態から被測定荷重をF₁から
F₂に増加させると、圧電素子はf₀＋F₂に対応して
内部歪が抑圧される。従つて調整電圧により伸縮
偏倚する変位用の圧電素子１１−１〜１１−（ｎ
−１）には被測定荷重に対応した応力が生じ、変
位用の圧電素子に接続される検出用の圧電素子１
１−ｎの出力電圧線１７−３，１７−４間に被測
定荷重の値に対応して、被測定荷重F₂ではF₁よ
り大きな出力電圧が得られる。

初期設定値f₀に対して与える調整電圧の波高値
によつて検出手段に得られる出力電圧の幅を調整
することが出来る。又検出手段により出力端子間
には交流の検出電圧が得られるので、雑音による
誤差の影響を受けない安定した検出出力を得るこ
とが出来る。

第４図に示す実施例においては、同一極性の交
番印加電圧Eiを変位用の各圧電素子の電極に対
して印加して、変位用各圧電素子が同時に伸縮偏
倚するような構成としているが、圧電極性を有す
る圧電素子を使用し例えば印加電圧Eiを正負に
わたつて変化する交番電圧とし、互いに隣接する
圧電素子の圧電極性を逆にした配列として重ね合
わせて配設することも出来る。

第５図に第４図の実施例と同一部分に同一符号
を付してその構成を示したのは、この発明の荷重
検出器の他の実施例で、この実施例は第４図の実
施例において弾性体１３を複数個の圧電素子１１
−１〜１１−ｎに重ね合わせて配設し、弾性体１
３の端部と圧電素子１１−１の端部間に荷重が印
加されるように構成されている。

この実施例によると弾性体１３の弾性定数K₁
により全体の測定可能な変位量を拡大し、又弾性
体１３の弾性定数K₁を変化させることにより測
定感度の調整を行なうことが出来る。即ちこの場
合、調整電圧Eiによる互いに重ね合わせて配設
された圧電素子の偏倚をΔl₀とすると、全体の偏
倚ΔｘはΔｘ＝Δl₀＋Ｆ／Ｋ_１で与えられる。第５図の 実施例においては、弾性体１３を複数個重ね合わ
せて配設された圧電素子１１−１〜１１−ｎの最
終段の圧電素子１１−ｎに重ねて配設している
が、弾性体１３を複数個重ね合わせて配設された
圧電素子１１−１〜１１−ｎ内の任意の圧電素子
間に挿入して配設することも出来る。

このようにしてこの発明によれば、互いに重ね
合わせて配設される圧電素子の形状及び個数を選
定し、固定手段による締め付け力を調整し、更に
変位用の各圧電素子の電極間に印加される調整電
圧値を選択することにより、被測定荷重に対応し
た最適の初期条件を設定して直線性の優れた特性
領域での測定を可能とし、測定感度を向上させ、
更に被測定荷重範囲を拡大させることが出来る。
更に必要に応じて互いに重ね合わせて配設された
複数個の圧電素子に対して、弾性体を重ね合わせ
て配設させることにより偏倚を拡大させて荷重の
測定範囲を広めることが可能となる。

又この発明の荷重検出器は圧電素子を使用して
いるため消費電力が少なくてすみ、偏倚の経時変
化も殆んどなく、過渡特性も良好であり、調整電
圧Eiにより偏倚を発生させ、この偏倚に対応し
て荷重に応じて検出電圧を得る過程において電気
信号間の位相のずれは認められない。発明者の実
験によると、この発明では数Kgから数tonの範囲
の静的被測定荷重に対して高精度で安定な荷重の
検出を行なうことが可能であつた。

以上詳細に説明したように、この発明の荷重検
出器によると静的被測定荷重に対応して最適の感
度及び直線性を実現して、広範囲の荷重に対応し
て高精度の荷重検出を行なうことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電素子に対する荷重と電極間電圧と
の関係を示す原理図、第２図は調整電圧Eiの波
形例を示す図、第３図は圧電素子を二個重ね合わ
せて配設した状態での荷重と電極間電圧との関係
を示す原理図、第４図はこの発明の荷重検出器の
実施例の構成を示す図、第５図はこの発明の荷重
検出器の他の実施例の構成を示す図、第６図はこ
の発明の荷重検出器における荷重と検出電圧との
関係を示す図である。 １１，１１−１〜１１−ｎ：圧電素子、１２−
１〜１２−２ｎ：電極、１３：弾性体、１５：固
定棒、１６−１，１６−２：なつと、Ei：調整
電圧、Ｆ：荷重。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに重ね合わせて配設される複数個の圧電
   素子と、その重ね合わせて配設された複数個の圧
   電素子をその両端間で保持して固定支持する固定
   手段と、 前記複数個の圧電素子中の変位用の圧電素子の
   それぞれの電極間にこれら変位用の圧電素子が同
   時に伸縮偏倚するように調整電圧を印加する調整
   電圧印加手段と、 前記複数個の圧電素子の両端間に前記偏倚を抑
   圧するように被検出荷重を印加する被検出荷重印
   加手段と、 前記複数個の圧電素子中の前記調整電圧印加手
   段により調整電圧が印加されていない検出用の圧
   電素子の電極間から、前記被検出荷重に応じた検
   出電圧を検出する検出手段とを有することを特徴
   とする荷重検出器。