変動荷重検出パッド及びこれを用いた変動荷重検出板、分布型変動荷重検出板、並びに変動荷重検出装置
【課題】薄型で、且つ、大きな変動荷重を検出することが可能な変動荷重検出パッド及びこれを用いた変動荷重検出板、分布型変動荷重検出板、並びに変動荷重検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】変動荷重検出パッド１は、高分子圧電材料から形成された圧電板１１と、圧電板１１を挟む一対の電極板１２、１３と、一対の電極板１２、１３を挟む一対の絶縁板１４、１５とを備える。そして、一対の電極板１２、１３はそれぞれ圧電板１１に直に面接触し、且つ、非接着である。
【解決手段】変動荷重検出パッド１は、高分子圧電材料から形成された圧電板１１と、圧電板１１を挟む一対の電極板１２、１３と、一対の電極板１２、１３を挟む一対の絶縁板１４、１５とを備える。そして、一対の電極板１２、１３はそれぞれ圧電板１１に直に面接触し、且つ、非接着である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変動荷重検出パッド及びこれを用いた変動荷重検出板、分布型変動荷重検出板、並びに変動荷重検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１ｋＮ（１００ｋｇ）〜１ＭＮ（１００ｔｏｎ）もの大きな変動荷重の計測、モニタリング技術が求められている。このような大きな変動荷重の計測等が求められる対象としては、例えば、クレーン車におけるアウトリガーのベース底面の変動荷重、コンテナトレーラのコンテナと車両との間の変動荷重、軌道と枕木の間の変動荷重、プレス機械の変動荷重、車両の衝突衝撃力などが挙げられる。
【０００３】
このような重量物の変動荷重の測定では、薄型で、受圧面積が大きく、且つ、大きな変動荷重を計測可能な測定装置が要求される。また、状況によっては対象物が負荷する荷重に加え、ずれ力を検出することを要求される。
【０００４】
薄型で受圧面積が大きい圧力検出装置として、特許文献１に代表される変動荷重検出パッドが知られている。圧力検出装置には圧力を検出する素子として圧電フィルムが用いられており、圧電フィルムは、フィルム面の押圧、或いは、フィルム面方向への伸縮によって、フィルムの厚みを変化させ、この厚みの変化に応じて生じる電荷変動を両面に配置されている電極膜を介して取り出すことで、作用している荷重を検出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２２６８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１等に開示されているように、通常、圧電板の表面に蒸着やスパッタリングによる金属膜、或いは導電性ペーストなどの電極膜が形成されたものが使用されている。これらの電極膜は非常に薄く強度が弱いので、大きな荷重が作用すると、電極膜のひび割れや剥離が生じる。このため、大きな変動荷重の計測には用いることは困難である。
【０００７】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、薄型で、且つ、大きな変動荷重を検出することが可能な変動荷重検出パッド及びこれを用いた変動荷重検出板、分布型変動荷重検出板、並びに変動荷重検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る変動荷重検出パッドは、
高分子圧電材料から形成された圧電板と、
前記圧電板を挟む一対の電極板と、
前記一対の電極板を挟む一対の絶縁板と、を備え、
前記一対の電極板はそれぞれ前記圧電板に直に面接触し、且つ、非接着であり、
負荷される荷重に応じて前記圧電板の厚みを変化させ、前記圧電板から前記荷重に応じた電圧を出力させる、ことを特徴とする。
【０００９】
また、前記一対の電極板のうち少なくとも一方が前記圧電板の面積よりも小さいことが望ましい。
【００１０】
また、前記電極板が金属板であることが望ましい。
【００１１】
また、前記金属板が耐腐食性の金属板或いは表面に錆止め処理が施された金属板であることが好ましい。
【００１２】
また、前記絶縁板は、硬質樹脂素材から構成されていてもよい。
【００１３】
また、前記絶縁板は、前記荷重を前記一対の電極板に分散させる弾性素材から構成されていてもよい。
【００１４】
本発明に係る変動荷重検出板は、
上記いずれかの変動荷重検出パッドと、
前記変動荷重検出パッドを挟む一対の受圧板と、
前記一対の受圧板を互いに押し合わせて前記変動荷重検出パッドと一体的に固定させる固定部材と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記圧電板に所定の負荷が加わるように前記固定部材によって固定され、
前記所定の負荷を超える荷重に応じて前記圧電板の厚み変化を生じさせるように構成してもよい。
【００１６】
本発明の第１の観点に係る分布型変動荷重検出板は、上記いずれかの変動荷重検出パッドが同一平面上に複数配置されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第２の観点に係る分布型変動荷重検出板は、上記いずれかの変動荷重検出板が同一平面上に複数配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る変動荷重検出装置は、
凹部が形成されて受圧面及び垂下部を有する断面コの字状の受圧部材と、
前記垂下部内壁に対向配置される一対の上記の変動荷重検出板と、
前記一対の変動荷重検出板に当接するずれ力伝達部を有し、前記ずれ力伝達部が前記受圧部材の凹部に内包される支持部材と、
前記受圧部材と前記支持部材との間に配置された弾性板と、を備え、
前記受圧部材に負荷される荷重によって前記受圧面に沿って生じるずれ力が前記ずれ力伝達部に伝達され、
前記ずれ力伝達部によって前記一対の変動荷重検出板のいずれかが押圧され、
前記一対の変動荷重検出板からそれぞれ出力される電圧の差から前記ずれ力を検出する、ことを特徴とする。
【００１９】
また、前記一対の変動荷重検出板が二組それぞれ対向配置され、一組の前記変動荷重検出板を結ぶ線と他の一組の前記変動荷重検出板を結ぶ線とが十字状に交差するよう構成してもよい。
【００２０】
また、前記凹部が円盤状であり、前記凹部の周壁に複数対の前記変動荷重検出板がそれぞれ対向配置され、
前記支持部材は複数対の前記変動荷重検出板に当接する円盤状の前記ずれ力伝達部を備えていてもよい。
【００２１】
更に、前記支持部材の底面に上記いずれかの変動荷重検出パッドが配置され、前記受圧部材に加わる変動荷重を検出するよう構成してもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る変動荷重検出パッドは、機械的強度を有する一対の電極板で圧電板を挟んだ形態である。そして、圧電板と電極板とは直に面接触しており、且つ、非接着である。
【００２３】
電極板は機械的強度を有するので、大きな荷重が作用しても、電極板にひび割れ等が生じにくく、大きな変動荷重の計測に用いることができる。
【００２４】
また、電極板と圧電板とは非接着であるので、電極板と圧電板との間に接着層がなく、静電容量が生じない。更に、ポアソン効果による電極板の面方向への伸びが生じない。このため、電極板に挟まれた圧電板は、面に沿って伸ばされることなく、負荷される荷重に応じて厚み方向に圧縮されるので、変動荷重を精度良く検出できる利点がある。
【００２５】
更に、それぞれ薄い圧電板、電極板、絶縁板から構成されるため、薄型で、且つ、受圧面積を大きく構成することができ、様々な使用用途に適応させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施の形態１に係る変動荷重検出パッドの外観斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る変動荷重検出パッドの平面透視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ’断面図である。
【図５】（Ａ）は電極膜が形成された圧電板の断面図、（Ｂ）は圧縮荷重が加わった状態の断面図である。
【図６】電極板の曲げ変形による影響を説明する図である。
【図７】凹凸がある場所での変動荷重検出パッドの使用状況を示す断面図である。
【図８】実施の形態２に係る変動荷重検出板の断面図である。
【図９】実施の形態３に係る分布型変動荷重検出板の外観斜視図である。
【図１０】実施の形態４に係る変動荷重検出装置の外観斜視図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ’断面図である。
【図１２】実施の形態４に係る変動荷重検出装置の部分断面図である。
【図１３】実施の形態４に係る変動荷重検出装置の支持部材の平面図である。
【図１４】（Ａ）は実施の形態５に係る変動荷重検出装置の外観斜視図、（Ｂ）はＡ−Ａ’断面図、（Ｃ）はＢ−Ｂ’断面図である。
【図１５】実施の形態６に係る変動荷重検出装置の外観斜視図である。
【図１６】実施の形態６に係る変動荷重検出装置の支持部材の外観斜視図である。
【図１７】図１５のＡ−Ａ’断面図である。
【図１８】実施の形態７に係る変動荷重検出装置の断面図である。
【図１９】実施の形態８に係る変動荷重検出装置の断面図である。
【図２０】実施例１における荷重と変動荷重検出パッドの出力との関係を示す図である。
【図２１】実施例２における荷重と変動荷重検出パッドの出力との関係を示す図である。
【図２２】実施例３における荷重と変動荷重検出パッドの出力との関係を示す図である。
【図２３】実施例４における荷重と変動荷重検出装置の出力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る変動荷重検出パッド１は、図１の外観斜視図、図２の平面透視図、図３及び図４の断面図に示すように、主として、圧電板１１と、圧電板１１を挟む一対の電極板１２、１３と、電極板１２、１３を挟む一対の絶縁板１４、１５と、スペーサ１６を介して圧電板１１と電極板１２、１３と絶縁板１４、１５とを一体に固定する接着部材１７とから構成される。
【００２８】
圧電板１１は、フィルム状の薄膜であり、柔軟性を備える高分子圧電材料から形成されている。圧電板１１の具体的な素材の一例を挙げると、ポリフッ化ビニリデンや、シアン化ビニリデン等である。圧電板１１は、たとえば、市販の厚さ２０μｍ〜２００μｍ、弾性率約３０００ＭＰａのポリフッ化ビニリデンを所定の形状寸法に切り出して用いればよい。
【００２９】
高分子圧電材料から構成された圧電板１１は、板面が押圧されることによって、圧電板１１の厚みが変化し、この厚みの変化に応じた電荷変動が生じる。この電荷変動、即ち電圧を両面に配置されている電極板１２、１３を介して検出することで、変動荷重検出パッド１に作用している荷重を測定することができる。
【００３０】
電極板１２、１３は、圧電板１１を挟むように配置されている。それぞれの電極板１２、１３は圧電板１１に直に面接触し、且つ、圧電板１１に非接着である。そして、それぞれの電極板１２、１３には、圧電板１１が発生する電荷信号を出力するための電気配線（不図示）を接続する端子部１８、１９が設けられている。圧電板１１に蒸着、スパッタリングあるいは導電性ペーストなどによって電極膜が形成され、電極膜に配線を接続する方法では、電極膜が薄いので配線の接続方法が限られていたが、電極板１２、１３は金属板であるので、ハンダ付け、カシメ、ネジ止めなど、種々の方法で容易に端子部１８、１９に配線を接続することができる。
【００３１】
電極板１２、１３には、ともに、面内には強度を有し、面外にはある程度の柔軟性を有する薄い金属板を用いる。
【００３２】
電極板１２、１３は、圧電板１１と直に接触して配置されるので、長期間使用した場合でも、接触面に錆が生じにくいステンレス、アルミ、銅など、耐腐食性の金属板であることが好ましい。或いは、電極板１２、１３は、錆の発生を抑えるために、少なくとも圧電板１１と接する面に貴金属メッキ（金メッキ、銀メッキ等）等、錆止め処理が施された金属板であってもよい。
【００３３】
電極板１２、１３の少なくとも一方は、圧電板１１の面積より小さく構成するとよい。電極板１２、１３がともに圧電板１１の寸法よりも大きいと、圧電板１１からはみ出した部分で電極板１２、１３が接触してしまい、圧電板１１から発生する電荷信号が計測できないおそれがあるためである。
【００３４】
電極板１２、１３は圧電板１１の表面と直に接触し、圧電板１１との境界面には強い圧力が作用するので、電極板１２、１３の圧電板１１に接触する面は、滑らかな平面に加工したものを用いるとよい。滑らかさの程度としては、圧電板１１に傷を付けない研磨仕上げ（精密仕上げ）程度の滑らかさであればよい。
【００３５】
絶縁板１４、１５は、電極板１２、１３と圧縮力を負荷する対象物との間を電気的に絶縁する作用を備える。対象物の負荷により、絶縁板１４、１５にも大きな圧力が加わるので、絶縁板１４、１５は電気絶縁性が高く、且つ、弾性率が大きい材料から構成される。絶縁板１４、１５として、樹脂シート、樹脂板、繊維強化樹脂シート等の硬質樹脂が用いられ、具体的には、ポリエチレンテレフタラート樹脂、ナイロン樹脂、硬質塩化ビニル、ベークライト等が挙げられる。
【００３６】
絶縁板１４と電極板１２、及び、絶縁板１５と電極板１３は、それぞれ接着部材１７で接着されている。更に、絶縁板１４と絶縁板１５の縁同士は、絶縁板１４、１５の縁全域に渡って、スペーサ１６を介し、接着部材１７で接着されている。このようにして、圧電板１１、電極板１２、１３、絶縁板１４、１５が一体的に固定され、変動荷重検出パッド１が形成されている。
【００３７】
接着部材１７として、接着剤や粘着材等、絶縁板１４と絶縁板１５とを接着し得る種々のものが用いられる。圧電板１１、及び電極板１２、１３を積層し、その厚みが大きい場合には、必要に応じてスペーサ１６を挟んで接着してもよい。
【００３８】
また、圧電板１１の寸法（面積）が小さい場合には、絶縁板１４、１５の縁同士を、接着部材１７を介して接着するだけで、圧電板１１と電極板１２、１３と絶縁板１４、１５とを一体に固定することができるが、圧電板１１の寸法が大きい場合には、以下のように構成するとよい。
【００３９】
図２の透視図、及び、図４の断面図に示すように、圧電板１１及び電極板１２、１３に１箇所又は複数箇所の対応する開口部を設け、開口部分にもスペーサ１６を介して絶縁板１４、１５同士を接着する。図２では、圧電板１１及び電極板１２、１３に２箇所の円形状の開口部を設けている。
【００４０】
上記のように構成することで、圧電板１１と電極板１２、１３とが非接着であっても、圧電板１１と電極板１２、１３との相互のずれを防止することができる。
【００４１】
以上のように構成された変動荷重検出パッド１では、変動荷重検出パッド１の厚み方向に圧縮荷重を受けると、圧電板１１が圧縮荷重に応じて圧縮され、圧縮量に応じた電荷を発生する。そして、この電荷を電極板１２、１３、及び、端子部１８、１９を介して取り出すことで、変動荷重検出パッド１に負荷された変動荷重を精度良く検出することができる。
【００４２】
ここで、本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１において、電極板１２、１３として金属板を用いる理由、及び、電極板１２、１３と圧電板１１とが非接着である理由について説明する。
【００４３】
まず、電極板１２、１３として金属板を用いる理由について説明する。
【００４４】
前述のように、従来では圧電板１１の両面に蒸着やスパッタリング等の極薄い電極膜が形成されているが、この電極膜は強度が低いので、大きな変動荷重が作用すると、電極膜のひび割れや、電極膜の剥離が生じる。このため、大きな変動荷重の検出ができない。
【００４５】
一方、本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１では、金属板から構成される電極板１２、１３を用いているため、変動荷重検出パッド１に大きな圧縮力が作用しても、強度の高い電極板１２、１３の破損は生じにくい。したがって、変動荷重検出パッド１は、負荷される大きな変動荷重にも十分に耐え得ることができ、大きな変動荷重の検出を可能にしている。
【００４６】
更に、電極板１２、１３に金属板を用いるもう一つの理由について、図５を参照して説明する。
【００４７】
図５（Ａ）は、従来の蒸着又はスパッタリング等で圧電板１１両面に薄い電極膜２０、２１を形成し、電極膜２０、２１上に弾性層２２、２３を設けた場合の変動荷重検出パッド５１の断面を模式的に示しており、また、図５（Ｂ）は、変動荷重検出パッド５１に剛性板２４、２５を介して圧縮力が加わった状態の断面図を模式的に示している。
【００４８】
矢印で示すように、変動荷重検出パッド５１に厚み方向に圧縮力が作用すると図５（Ｂ）に示すように、圧電板１１は厚さ方向に縮むと同時に、圧電板１１自身のポアソン効果によって面に沿って（圧縮力に対して垂直方向）伸びる変形をする。また、圧縮力が作用すると、弾性層２２、２３も厚さ方向に縮むと同時に、弾性層２２、２３のポアソン効果によって面に沿って（圧縮力に対して垂直方向）伸びる変形をする。この弾性層２２、２３の伸びは、弾性層２２、２３の弾性率が小さいほど大きく、また弾性層２２、２３の厚さが厚いほど大きくなる。
【００４９】
電極膜２０、２１が蒸着やスパッタリング等で形成されている場合、電極膜２０、２１は弾性層２２、２３の伸びに対して強度的に抵抗しないので、弾性層２２、２３が伸びることにより、圧電板１１も引き伸ばされることになる。したがって、圧電板１１は、圧縮荷重を受けて厚さ方向に縮むことに加え、弾性層２２、２３による圧電板１１の引き伸ばしにより、余計に厚さ方向に縮むことになる。
【００５０】
圧縮力は圧電板１１の表面全体に作用するのに対して、弾性層２２、２３が圧電板１１を水平方向に引き伸ばす力は薄い圧電板１１の切断面に作用する。このため、弾性層２２、２３が圧電板１１を引き伸ばすことによって生じる圧電板１１の厚さ変化は、圧縮荷重による厚さ変化に対し、無視できない量である。このため、圧電板１１からは、圧縮歪みによる電荷変動に加え、無視できない量の引き伸ばし歪みによる電荷変動が生じる。したがって、負荷される圧縮荷重と圧電板１１からの電荷変動が比例しなくなり、圧縮荷重の精度の高い検出ができないことになる。
【００５１】
たとえば、圧電体の両面にアルミ蒸着電極膜を付けた一辺が１００ｍｍ四角の圧電フィルム（厚さ８０μｍ）の両面に、厚さが異なるポリエチレンテレフタラート樹脂シート（０．２ｍｍ、０．７ｍｍ、１．２ｍｍ、１．７ｍｍ）をそれぞれゴム系接着剤で接着して、これを油圧サーボ試験機の圧縮平板の上に置き、上面側に６０×６０ｍｍ四角の金属の加圧板を置いて、繰り返し圧縮力２．５トンを負荷したときのセンサ出力を表１に示す。計測装置の構成は後述する実施例１で説明するものと同様である。表１より電極膜が薄い場合には、弾性層２２、２３の厚さによって圧電体の出力は変化し、弾性層が厚くなるほど出力が大きくなることがわかる。
【表１】
【００５２】
これに対して本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１は、電極板１２、１３が強度を有する金属板である。このため、変動荷重検出パッド１に負荷される圧縮力で、弾性層２２、２３のポアソン効果による水平方向の伸びが生じても、電極板１２、１３が引き伸ばされることはない。電極板１２、１３は、例えば、ステンレス薄板の場合、厚さ０．１ｍｍ以上あれば弾性層２２、２３の厚さや弾性率による影響を受けない。したがって、電極板１２、１３が引き伸ばされることはないので、電極板１２、１３に挟まれた圧電板１１も引き伸ばされることがない。
【００５３】
また、電極膜が蒸着やスパッタリングなどの極薄い電極膜の場合には、弾性層が圧電板を水平方向に引き伸ばす影響が、圧縮力を負荷した面積の外側にもある程度及ぶ。このため、圧電板の出力が荷重負荷面積の影響を受けることになる。即ち、たとえ同じ力を加えたとしても、力が加わっている面積によって、圧電板からの電荷変動が異なることになり、精度の高い測定が困難になる。
【００５４】
これに対して本発明の変動荷重検出パッド１は、圧縮力を受けると、電極板１２、１３は接触摩擦によって圧電板１１の面に沿った伸びを拘束する。即ち、圧電板１１には、圧縮力による厚さ変化のみが生じるようになる。このため、荷重負荷面積の影響をほとんど受けず、圧縮力に応じた電荷を発生するので、変動荷重を精度よく検出することができる。
【００５５】
以上説明したように、本発明の変動荷重検出パッド１では、電極板１２、１３として金属板を用いることにより、パッド寸法が小さくても、或いは大きくても圧縮力と圧電板１１からの出力との比例定数が変化せず、更に、圧電板１１の出力が、荷重負荷面積の影響をほとんど受けない利点を備えている。
【００５６】
続いて、本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１において、電極板１２、１３と圧電板１１とが非接着である理由について説明する。
【００５７】
電極板１２、１３と圧電板１１とが接着されている場合、電極板１２、１３と圧電板１１との間に、接着部材或いは粘着部材からなる接着層が生じることになる。これによって、電極板１２、１３と圧電板１１の間で静電容量が生じ、圧電板１１の出力信号が大幅に小さくなってしまう。
【００５８】
また、圧電板１１の表面に電極板１２、１３が接着されていると、大きな圧縮力が作用した場合に、電極板１２、１３と圧電板１１の間に介在する接着層の厚さ変化が生じる。接着層の厚さ変化が生じると、電極板１２、１３と圧電板１１表面で構成された静電容量が変化することとなり、検出精度が低下してしまう。
【００５９】
これに対して、本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１では、電極板１２、１３と圧電板１１表面とが非接着状態にあるので、電極板１２、１３面と圧電板１１表面の間隔が零になり、静電容量が生じないので精度の高い計測を実現できる。
【００６０】
また、電極板１２、１３は薄い金属薄板から構成されているとよい。電極板１２、１３として、厚い金属板が用いられている場合、変動荷重検出パッド１は使用中に圧縮力を受けて面外に撓むこともある。たとえば、図６に示すように圧縮力を受けて、電極板１２、１３の紙面下側に向けて凸状に曲げ変形したとする。このとき、電極板１２、１３は弾性率の大きい金属板であるので、上下の電極板１２、１３は、図６の一点鎖線で示すそれぞれの中立軸周りに曲がる。すると、紙面上、上側の電極板１２の圧電板１１と接触する面は曲げ変形によって伸びる歪みを生じる。また、下側の電極板１３の圧電板１１と接触する表面は曲げ変形によって縮む歪みを生じる。すると電極板１２、１３と圧電板１１の間の摩擦力によって、圧電板１１の上側表面は伸びる歪みを生じ、圧電板１１の下側表面は縮む歪みを生じる。その結果、圧電板１１は曲げ変形による出力を生じるようになる。
【００６１】
これに対して、電極板１２、１３が薄い金属薄板であれば、電極板１２、１３が曲げ変形しても電極板１２、１３表面の曲げ歪みの変化が少なく、変動荷重検出パッド１が使用中に面外に撓んだ場合でも精度の高い計測が可能になる。
【００６２】
続いて、変動荷重検出パッド１の耐荷力について説明する。変動荷重検出パッド１において、圧電板１１に作用する圧力は、絶縁板１４、１５、及び、電極板１２、１３を介して伝達される。例えば、面積が小さい方の電極板１２の表面が一辺５０ｍｍの正方形であって、１００ｋＮ（１０ｔｏｎ）の圧縮荷重が変動荷重検出パッド１両面の中央部に作用した場合、圧電板１１に作用する圧力は４０ＭＰａ（σ＝１００，０００（Ｎ）／（５０×５０）ｍｍ２＝４０）である。たとえば、圧電板１１の厚さを０．１ｍｍとすると、４０ＭＰａの圧力によって生じる圧電板１１の厚さの縮み量は約０．００１３ｍｍ（（δ＝σ×ｈ／Ｅ＝４０（ＭＰａ）×０．１（ｍｍ）／３０００（ＭＰａ））であり、圧電板１１の厚みの約１．３％である。この厚み変化は圧電板１１の耐荷能力の範囲にある。つまり、５０ｍｍ四角の加圧板寸法の変動荷重検出パッド１で１０トンの圧縮力が計測可能である。
【００６３】
次に、変動荷重検出パッド１の全体の剛性を、上記圧電板１１の縮み量に加えて、仮に、電極板１２、１３がともに厚さ０．１ｍｍのステンレス板、一対の絶縁板１４、１５がともに厚さ０．２ｍｍで弾性率Ｅ＝２５００ＭＰａの樹脂板である場合について概略計算したものを表２に示す。
【表２】
【００６４】
同表において、変動荷重検出パッド１の全体厚さは０．７ｍｍである。この変動荷重検出パッド１に１００ｋＮ（１０ｔｏｎ）の圧縮力を加えたときの全体厚さの縮み量の合計は０．００７８ｍｍと極わずかである。このように本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１は大きな圧縮力に対して剛性のある構成となっている。
【００６５】
上記では、硬質樹脂シートを用いた絶縁板１４、１５について説明したが、絶縁板１４、１５として、電極板１２、１３に圧縮荷重を分散させるクッション部材としての機能を兼ねる弾性素材から構成してもよい。絶縁板１４、１５として、例えば、天然ゴム、合成ゴム、布引ゴム等の低弾性率の素材を用いるとよい。
【００６６】
絶縁板１４、１５として、弾性素材を用いた場合、重量物たとえば、トレーラの台車表面や、コンクリートの地面等に設置して対象物の圧縮力を計測する際に効果的である。このような場合、変動荷重検出パッド１を載置しようとする台車やコンクリート等の支持部材の表面に砂粒が付着していること、溶接のスパッタが付いていること、或いは、局部的に撓んでおり平面ではないことがある。
【００６７】
図７に、圧縮力を負荷する対象物２６の表面、及び、載置台２７の表面に砂粒２８が付着している箇所で変動荷重検出パッド１を使用した場合の断面を模式的に示す。ゴム板のような低弾性率の絶縁板１４、１５により、対象物２６と載置台２７の表面の砂粒２８による凹凸の影響を吸収して、電極板１２、１３になだらかに圧縮力を伝達するようになる。
【００６８】
また、変動荷重検出パッド１は、圧電板１１が柔軟性を有する高分子材料から構成されていること、及び、電極板１２、１３は強度を備え、且つ、面外に撓むことが可能な金属薄板であるため、圧電板１１と電極板１２、１３が圧力の分布に応じて撓み変形することができる。
【００６９】
このため、変動荷重検出パッド１を載置しようとする台車やコンクリート等に砂粒が付着している等、載置する箇所に凹凸を有する場合でも精度良く変動荷重を計測することができる。
【００７０】
また、変動荷重検出パッド１は、圧電板１１と電極板１２、１３がスペーサ１６の部分を除き、変動荷重検出パッド１の略全面にわたって配置されているので、受圧面積の大きい変動荷重検出パッド１を実現することができる。また、受圧面の形状は、矩形の他、用途に応じて自由に製作して用いることができる。
【００７１】
（実施の形態２）
続いて、実施の形態２に係る圧縮力を検出する変動荷重検出板２について図８の断面図を参照して説明する。
【００７２】
変動荷重検出板２は、上述した変動荷重検出パッド１を、一対の受圧板３１、３２で挟み、固定部材３３でこれらを一体的にした構成である。
【００７３】
固定部材３３として、例えば、上述した変動荷重検出パッド１に設けた開口部にボルトを通してナットで締め付ける固定具が用いられる。
【００７４】
受圧板３１、３２は、それぞれ機械的強度を有する金属等から形成される。
【００７５】
変動荷重検出パッド１の開口部の直径をボルト直径より少し大きめに製作してボルト及びナットで締め付け、２枚の受圧板３１、３２が変動荷重検出パッド１を圧縮するように互いに押圧した状態となる。このように固定することで、変動荷重検出パッド１内に配置されている圧電板１１には、所定の負荷が加わった状態、即ち、所定の厚み程、圧電板１１が圧縮された状態となる。
【００７６】
このようにすると、所定の圧縮力を越える圧縮力に対して変動荷重検出板２が抵抗無く厚み変化を生じさせる、即ち、所定の圧縮力を超える圧縮力に応じて、圧電板１１の厚み変化を生じさせることができる。
【００７７】
また、変動荷重検出パッド１の寸法を変動荷重検出板２の寸法の大部分にわたって配設するようにすると、薄くて、受圧面積が大きく、強度の高い変動荷重検出板２を構成することができる。
【００７８】
また、固定部材３３はボルト頭部およびナットが受圧板３１、３２から突出しない埋め込み状態にするとよい。そして、変動荷重検出板２は、載置台等の上に置いての使用、あるいは一方の面を粘着シートで固定しての使用、或いは受圧板３１、３２のどちらか一方を大きく作製してネジ等により壁等に固定して使用することができる。なお、受圧板３１、３２同士の周囲の隙間はゴム系接着剤などでシールしてもよい。
【００７９】
（実施の形態３）
続いて、実施の形態３に係る分布型変動荷重検出板３について、図９を参照して説明する。分布型変動荷重検出板３は、図９の外観斜視図に示すように、上述した変動荷重検出パッド１を同一平面上に複数配置した構成である。このように、変動荷重検出パッド１を配置することで、どの箇所にどの程度の荷重が加わっているのか、容易に検出することができる。
【００８０】
変動荷重検出パッド１は、全て同寸法のものを用いるとよい。また、変動荷重検出パッド１は、それぞれの端面を接着して配置しても、剛性板等の上にそれぞれの変動荷重検出パッド１を配置してもよい。なお、図９では、変動荷重検出パッド１を二次元状に配置しているが、一次元的に配置してもよく、使用用途に応じて適宜適切な配置にすればよい。
【００８１】
また、実施の形態２に係る変動荷重検出板２を用い、同様に、同一平面上に二次元的、或いは一次元的に配列させて用いてもよい。
【００８２】
（実施の形態４）
続いて、上述した変動荷重検出板２を用いた、圧縮荷重が加わった際のずれ力を検出する変動荷重検出装置４について説明する。
【００８３】
図１０の外観斜視図、図１１の断面図を示すように、実施の形態４に係る変動荷重検出装置４は、主として、受圧面及び垂下部を有する断面コの字状の受圧部材４１と、垂下部内壁に対向配置される一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’と、一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’に当接するずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’を有し、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’が受圧部材４１に内包される支持部材４３と、受圧部材４１と支持部材４３との間に配置された弾性板４２とから構成される。
【００８４】
受圧部材４１は、一方の底面が開口した函体であり、機械的強度を備える金属等の素材から形成されている。受圧部材４１の垂下部内壁には、一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’が対向して配置されている。変動荷重検出板２ａ、２ａ’は、上述した変動荷重検出板２と同様の構成であるため、説明を省略する。なお、図では受圧部材４１は、函体の場合について説明しているが、１軸のずれ力を検出する場合には、板状部材が断面コの字状に折り曲げられた形態であってもよい。
【００８５】
支持部材４３は、金属等機械的強度の高い素材から形成されている。支持部材４３は、断面コの字状の受圧部材４１に一部が内包されており、支持部材４３と受圧部材４１の受圧面の裏面との間には弾性板４２が配置されている。支持部材４３は、ベース４６等に固定されていてもよい。そして、ベース４６には、壁や載置台等にネジ等で固定して使用するための孔４５が設けられていてもよい。
【００８６】
受圧部材４１の垂下部に対向する支持部材４３の側面に、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’が形成されている。ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’は、受圧部材４１の垂下部に配置された変動荷重検出板２ａ、２ａ’に向けて円弧状に突出し、それぞれのずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’が、変動荷重検出板２ａ、２ａ’と接触している。
【００８７】
前記ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’の両端の円孤部は、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’の幅の中心と接触部を半径とする円弧状に加工してある。また、図示はしていないが、受圧部材４１の両端の垂下部には、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’に変動荷重検出板２ａ、２ａ’を押しつけて接触させるための調節ネジ等が備えられている。
【００８８】
弾性板４２は受圧部材４１の底面の圧縮力を支持部材４３に伝達するとともに、ずれ力を伝達しない特性を備える。つまり、受圧部材４１が受けたずれ力は垂下部に固定された一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’からずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’を介して支持部材４３に伝達するようにしたものである。弾性板４２には、ゴム板、硬質ゴム板、あるいは軟質塩化ビニル、フッ素樹脂板のような低弾性率の板を用いるとよい。
【００８９】
弾性板４２が圧縮力を受けると、図１２の破線で示す元の状態から、実線で示す状態に厚さ方向に大きく縮むと同時に、幅方向にも広がって支持部材４３からはみ出すので、矩形に形成する場合、弾性板４２の形状は図１３の平面図で示すように、圧縮力が作用した状態で支持部材４３の上面の寸法に略一致する形状に作製するとよい。図１３に示すように、各辺を内方に湾曲させた形状の弾性板４２にすることで、圧縮力が加わった際に、破線で示す形状に変形することになる。
【００９０】
続いて、上記変動荷重検出装置４のずれ力の検出原理について説明する。受圧部材４１の表面に圧縮力と同時にずれ力が作用すると、圧縮力によって弾性板４２は厚さ方向に縮む。また、圧縮力が受圧部材４１の中央からずれた位置に作用する場合は、受圧部材４１はわずかに回転する。
【００９１】
また、弾性板４２は摩擦力によってずれ力の一部を支持部材４３に伝達するように感じられるが、実際には、ずれ力によって弾性板４２を剪断変形させようとしても、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’は両端の円弧部が変動荷重検出板２ａ、２ａ’と接触していること、及び、変動荷重検出板２ａ、２ａ’が厚さ方向に硬いので、受圧部材４１が変動荷重検出板２ａ、２ａ’を介してずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’押しても、受圧部材４１はずれ力の方向にほとんど変位することができない。
【００９２】
つまり、弾性板４２は弾性率が小さいので、ずれ力によって容易に剪断変形するものであるが、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’が受圧部材４１の変位を止めることになる。このため、弾性板４２は剪断変形せず、ずれ力をほとんど伝達しないことになる。
【００９３】
このため、ずれ力のほとんど全てが、一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’に伝達されることになるので、一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’、すなわち、それぞれの変動荷重検出板２ａ、２ａ’内に配置されている圧電板１１からの出力を取り出し、その差分を計測することでずれ力を計測できるのである。
【００９４】
以上説明したように、本実施の形態に係るずれ力を検出する変動荷重検出板４は、起歪部を宙に浮かせないで圧縮力を弾性板４２で受け止める構造であるので、薄くて、受圧面積が大きく、強度の高い変動荷重検出板４を提供することができる。
【００９５】
なお、本実施の形態に係るずれ力の検出原理は、変動荷重検出板２ａ、２ａ’が厚さ方向に硬いことが必要であるが、厚さ方向に硬いものであれば従来のセラミクスなどの圧電体であっても適用することができる。
【００９６】
（実施の形態５）
また、上記では、１軸方向のずれ力を検出する形態について説明したが、２軸方向のずれ力を検出する形態にすることもできる。例えば、以下の構成にすればよい。
【００９７】
図１４（Ａ）は、実施の形態５に係る変動荷重検出装置５の外観斜視図、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）は、それぞれ図１４（Ａ）のＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。受圧部材４１は、垂下部分がＸ軸方向及びＸ軸方向に直交するＹ軸方向の２方向に設けられた函体である。そして、図１４（Ｂ）に示すように、受圧部材４１のＸ軸方向に対向するそれぞれの垂下部内壁に変動荷重検出板２ａ、２ａ’が配置され、また、図１４（Ｃ）に示すように、Ｙ軸方向に対向するそれぞれの垂下部内壁に変動荷重検出板２ｂ、２ｂ’が配置されている。したがって、支持部材４３のＸ軸方向に突出させて形成されたずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’がそれぞれ変動荷重検出板２ａ、２ａ’と当接するように配置され、また、支持部材４３のＹ軸方向に突出させて形成されたずれ力伝達部４４ｂ、４４ｂ’がそれぞれ変動荷重検出板２ｂ、２ｂ’と当接するように配置されている。
【００９８】
このように構成することで、変動荷重検出板２ａ、２ａ’からの出力電圧の差、及び、変動荷重検出板２ｂ、２ｂ’からの出力電圧の差を検出することにより、受圧部材４１の受圧面に作用するＸ軸及びＹ軸方向のずれ力を検出することができる。
【００９９】
（実施の形態６）
更に、複数対の変動荷重検出板２を用いて、複数軸のずれ力を検出する形態とすることもできる。複数軸のずれ力を検出するには、例えば、以下の構成にすればよい。
【０１００】
図１５は、実施の形態６に係る変動荷重検出装置６の外観斜視図、図１６は支持部材４３の外観斜視図、図１７は、図１５のＡ−Ａ’断面図である。
【０１０１】
受圧部材４１は、受圧面を底面とする扁平の円筒から構成されており、つまり、内部に円盤状の凹部が形成されているものである。受圧部材４１に形成されたこの円盤状の凹部にずれ力伝達部４４が形成された支持部材４３が内包されている。
【０１０２】
ベース４６に固定された支持部材４３は、扁平の円柱体であり、円柱体の全周に渡り外方へ向けて円弧状に突出したずれ力伝達部４４が形成されている。支持部材４３と受圧部材４１の受圧面の裏面との間に弾性板４２が配置されている。
【０１０３】
そして、受圧部材４１の凹部周壁には、図１７に示すように、受圧部材４１の中心を中心点として、複数対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’、２ｃ、２ｃ’、２ｄ、２ｄ’、２ｅ、２ｅ’、２ｆ、２ｆ’、２ｇ、２ｇ’、２ｈ、２ｈ’がそれぞれ放射状に配置されている。
【０１０４】
上記の構成とすることで、受圧部材４１の受圧面に作用する複数軸のずれ力を検出することができる。
【０１０５】
（実施の形態７）
続いて、実施の形態７に係る変動荷重検出装置７について、図１８の断面図を参照して説明する。変動荷重検出装置７は、上述した変動荷重検出装置４の別の構成の一例を示すものである。
【０１０６】
受圧部材４１の垂下部の幅を広くして、支持部材４３のずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’の幅を小さくした構成である。また、弾性板４２はずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’の左右２箇所に設けて圧縮力を支持部材４３に伝達するようにしたものである。また、図１８では支持部材４３をピン等の固定部材４７で対象物に固定するようにしているが、図を上下逆転させて、支持部材４３を上側に、受圧部材４１を下側にして使用してもよい。また、上記同様に２軸のずれ力を検出するように構成してもよい。
【０１０７】
（実施の形態８）
続いて、受圧部材４１の受圧面に垂直方向に作用する圧縮力と、受圧面の表面に沿う方向に作用するずれ力の両方を検出する変動荷重検出装置８について図１９を用いて説明する。
【０１０８】
変動荷重検出装置８は、実施の形態４で説明した変動荷重検出装置４において、支持部材４３とベース４６との間に、実施の形態１で説明した変動荷重検出パッド１を挟み込んだ構成である。
【０１０９】
例えば、支持部材４３とベース４６との間に、変動荷重検出パッド１を挟み込んで、所定の圧力を加えてボルト・ナット等の固定部材４８で固定することで、固定部材４８の圧縮力を越える圧縮力に対して変動荷重検出パッド１が抵抗無く厚み変化を生じうるように固定することができる。
【０１１０】
このように構成することで、受圧部材４１の受圧面に作用する圧縮力と、ずれ力との双方を同時に検出することができる。
【０１１１】
（実施例１）
絶縁板としてポリエチレンテレフタラート樹脂板を用いた変動荷重検出パッドについて実験を行った。一辺が８０ｍｍ四角で厚さ８０μｍの圧電板の両面に、厚さ０．１ｍｍのステンレスの電極板を圧電板と直に接触するように配置し、その両側に厚さ０．２ｍｍのポリエチレンテレフタラート樹脂板を接着して縁部分を固定した変動荷重検出パッド（以下、変動荷重検出パッドＡ１と記す）を作製した。
【０１１２】
変動荷重検出パッドＡ１を容量２００ＫＮの油圧サーボ疲労試験機の圧縮平板に挟んで２Ｈｚの繰り返し速度で圧縮力を加えた。
【０１１３】
電極板には電気配線を接続し、電気配線には積分回路を接続し（コンデンサ４．４μＦを並列に接続）、積分回路の出力を電圧記録計（入力インピーダンス１ΜΩ、オムニエースＲＡ１３００、ＮＥＣ三栄）に接続して、油圧サーボ疲労試験機のロードセルの荷重波形と同時に記録した。
【０１１４】
図２０は、試験機のロードセルで記録した圧縮力の変動幅と変動荷重検出パッドＡ１の出力の変動幅の関係の一例を示すが、変動荷重検出パッドＡ１の出力は荷重と良い比例関係にあることがわかる。
【０１１５】
また、図２０に、一辺が２０ｍｍ四角および４０ｍｍ四角で同じ構成の変動荷重検出パッドＡ１を用いた実験結果も示しているが、パッド出力はパッド寸法の影響を受けないことがわかる。
【０１１６】
また、最大１００ｋＮ（約１０ｔｏｎ）の正弦波形を２０００回繰り返して負荷したが、変動荷重検出パッドの出力波形には変化が見られなかった。したがって、変動荷重検出パッドＡ１は、電極板として金属板を用いているので、破損することもなく耐荷重が大きいことがわかる。
【０１１７】
（実施例２）
続いて、アルミ蒸着電極膜を形成した圧電フィルムを用いた場合の耐用性について検証した。
【０１１８】
アルミ蒸着電極膜を付けた一辺が１００ｍｍ四角の圧電フィルム（厚さ８０μｍ）の両面に、厚さ０．５ｍｍのシリコンゴム板をゴム系接着剤で接着した出力増幅部材を設けた変動荷重検出パッド（以下、これを変動荷重検出パッドＢ１と記す）を作成した。また、厚さ１ｍｍのシリコンゴム板を用いて同様に変動荷重検出パッド（以下、変動荷重検出パッドＢ２と記す）作成した。更に、実施例１と同様の構成で、圧電板の寸法を一辺が１００ｍｍ四角とした変動荷重検出パッド（以下、変動荷重検出パッドＡ２と記す）を作成した。
【０１１９】
これらの変動荷重検出パッドＢ１、Ｂ２、Ａ２を、それぞれ油圧サーボ疲労試験機の圧縮平板の上に置き、上面側に４０×４０ｍｍ四角、６０×６０ｍｍ四角、又は１００×１００ｍｍ四角の金属の加圧板を置いて、繰り返し圧縮力を負荷した。計測装置の構成は実施例１で説明したものと同じである。
【０１２０】
その結果を図２１に示す。アルミ蒸着電極膜を形成した変動荷重検出パッドＢ１、Ｂ２では、×印で示すように、４０×４０ｍｍ四角の加圧板で荷重した場合、それぞれ約０．７トン、２．０トンの荷重で電極膜にひび割れが生じ、それ以上の荷重を計測することができなかった。一方、金属板を電極板に用いた変動荷重検出パッドＡ２では、それ以上の荷重でも破損することなく計測できていることがわかる。
【０１２１】
また、変動荷重検出パッドＢ１、Ｂ２の出力は、シリコンゴム板による荷重負荷面積によって変化し、荷重負荷面積が小さい方がセンサ出力は大きくなっており、一定の出力が生じていない。一方、変動荷重検出パッドＡ２では、面方向に伸びにくい金属板を電極板として用いているため、加圧板の面積の相違による荷重負荷面積による影響を受けず、いずれも一定の出力が生じていることがわかる。
【０１２２】
（実施例３）
絶縁板としてシリコンゴム板を用いた変動荷重検出パッドについて実験を行った。
【０１２３】
厚さ８０ミクロンの圧電フィルムの両面に０．１ｍｍ厚のステンレス板を配置し、その外側の両面にゴム硬度７０で厚さ１ｍｍのシリコンゴム板を接着した、一辺が５０ｍｍ四角の変動荷重検出パッド（以下、変動荷重検出パッドＡ３と記す）を作成した。
【０１２４】
この変動荷重検出パッドＡ３の底面に直径０．７ｍｍの針金を２本略平行に敷き、変動荷重検出パッドＡ３上面には直径０．７ｍｍの針金１本を底面の針金とほぼ直交するように置いて、両側を油圧サーボ疲労試験機の圧縮平板で挟んで繰り返して圧縮力を加えた。
【０１２５】
また、変動荷重検出パッドＡ３の底面と上面に厚さ０．５ｍｍのアルミ板を千鳥状にずらせて置いて圧縮平板で繰り返して圧縮力を加えた。
【０１２６】
その結果を図２２に示す。針金を置いた場合でも、また、アルミ板を置いた場合でも、針金等を置かない場合と同様に、変動荷重検出パッドＡ３は加えた荷重とセンサ出力が精度良く比例関係を示すことがわかる。
【０１２７】
（実施例４）
実施の形態４で説明した変動荷重検出装置を用いて実験を行った。
【０１２８】
実験室では大きなずれ力を負荷することが困難なため、変動荷重検出装置の支持部材を油圧サーボ疲労試験機の水平なベッドの上に傾斜させておき、アクチュエータに先端部を丸くした押し棒を取り付けて１Ｈｚの繰り返し速度で受圧板の上面を押した。傾斜角度は８．８度、１４度、１７．２度、あるいは４５度にした。
【０１２９】
そして、試験機のロードセルの波形とセンサの出力波形を記録した。ずれ力は試験機のベッドと支持部材の傾斜角度θから、押し棒に加えた力Ｗにｓｉｎθを乗じて、ずれ力＝Ｗ×ｓｉｎθで求めた。
【０１３０】
図２３にずれ力と変動荷重検出装置の出力との関係を示す。グラフより、変動荷重検出装置は、ずれ力とセンサ出力が精度良く比例関係を示すことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
以上説明したように、本発明に係る変動荷重検出パッドは、薄型でありながら、耐荷重が大きく、大きな変動荷重を検出することができる。したがって、クレーン車におけるアウトリガーのベース底面の変動荷重、コンテナトレーラのコンテナと車両との間の変動荷重、軌道と枕木の間の変動荷重、プレス機械の変動荷重、車両の衝突衝撃力等、大きな荷重を測定する際に利用可能である。
【符号の説明】
【０１３２】
１ 変動荷重検出パッド
２、２ａ〜２ｈ、２ａ’〜２ｈ’変動荷重検出板
３ 分布型変動荷重検出板
４ 変動荷重検出装置
５ 変動荷重検出装置
６ 変動荷重検出装置
７ 変動荷重検出装置
８ 変動荷重検出装置
１１ 圧電板
１２ 電極板
１３ 電極板
１４ 絶縁板
１５ 絶縁板
１６ スペーサ
１７ 接着部材
１８ 端子部
１９ 端子部
２０ 電極膜
２１ 電極膜
２２ 弾性層
２３ 弾性層
２４ 剛性板
２５ 剛性板
２６ 対象物
２７ 載置台
２８ 砂粒
３１ 受圧板
３２ 受圧板
３３ 固定部材
４１ 受圧部材
４２ 弾性板
４３ 支持部材
４４ ずれ力伝達部
４４ａ、４４ａ’、４４ｂ、４４ｂ’ずれ力伝達部
４５ 孔
４６ ベース
４７ 固定部材
４８ 固定部材
５１ 変動荷重検出パッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変動荷重検出パッド及びこれを用いた変動荷重検出板、分布型変動荷重検出板、並びに変動荷重検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１ｋＮ（１００ｋｇ）〜１ＭＮ（１００ｔｏｎ）もの大きな変動荷重の計測、モニタリング技術が求められている。このような大きな変動荷重の計測等が求められる対象としては、例えば、クレーン車におけるアウトリガーのベース底面の変動荷重、コンテナトレーラのコンテナと車両との間の変動荷重、軌道と枕木の間の変動荷重、プレス機械の変動荷重、車両の衝突衝撃力などが挙げられる。
【０００３】
このような重量物の変動荷重の測定では、薄型で、受圧面積が大きく、且つ、大きな変動荷重を計測可能な測定装置が要求される。また、状況によっては対象物が負荷する荷重に加え、ずれ力を検出することを要求される。
【０００４】
薄型で受圧面積が大きい圧力検出装置として、特許文献１に代表される変動荷重検出パッドが知られている。圧力検出装置には圧力を検出する素子として圧電フィルムが用いられており、圧電フィルムは、フィルム面の押圧、或いは、フィルム面方向への伸縮によって、フィルムの厚みを変化させ、この厚みの変化に応じて生じる電荷変動を両面に配置されている電極膜を介して取り出すことで、作用している荷重を検出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２２６８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１等に開示されているように、通常、圧電板の表面に蒸着やスパッタリングによる金属膜、或いは導電性ペーストなどの電極膜が形成されたものが使用されている。これらの電極膜は非常に薄く強度が弱いので、大きな荷重が作用すると、電極膜のひび割れや剥離が生じる。このため、大きな変動荷重の計測には用いることは困難である。
【０００７】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、薄型で、且つ、大きな変動荷重を検出することが可能な変動荷重検出パッド及びこれを用いた変動荷重検出板、分布型変動荷重検出板、並びに変動荷重検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る変動荷重検出パッドは、
高分子圧電材料から形成された圧電板と、
前記圧電板を挟む一対の電極板と、
前記一対の電極板を挟む一対の絶縁板と、を備え、
前記一対の電極板はそれぞれ前記圧電板に直に面接触し、且つ、非接着であり、
負荷される荷重に応じて前記圧電板の厚みを変化させ、前記圧電板から前記荷重に応じた電圧を出力させる、ことを特徴とする。
【０００９】
また、前記一対の電極板のうち少なくとも一方が前記圧電板の面積よりも小さいことが望ましい。
【００１０】
また、前記電極板が金属板であることが望ましい。
【００１１】
また、前記金属板が耐腐食性の金属板或いは表面に錆止め処理が施された金属板であることが好ましい。
【００１２】
また、前記絶縁板は、硬質樹脂素材から構成されていてもよい。
【００１３】
また、前記絶縁板は、前記荷重を前記一対の電極板に分散させる弾性素材から構成されていてもよい。
【００１４】
本発明に係る変動荷重検出板は、
上記いずれかの変動荷重検出パッドと、
前記変動荷重検出パッドを挟む一対の受圧板と、
前記一対の受圧板を互いに押し合わせて前記変動荷重検出パッドと一体的に固定させる固定部材と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記圧電板に所定の負荷が加わるように前記固定部材によって固定され、
前記所定の負荷を超える荷重に応じて前記圧電板の厚み変化を生じさせるように構成してもよい。
【００１６】
本発明の第１の観点に係る分布型変動荷重検出板は、上記いずれかの変動荷重検出パッドが同一平面上に複数配置されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第２の観点に係る分布型変動荷重検出板は、上記いずれかの変動荷重検出板が同一平面上に複数配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る変動荷重検出装置は、
凹部が形成されて受圧面及び垂下部を有する断面コの字状の受圧部材と、
前記垂下部内壁に対向配置される一対の上記の変動荷重検出板と、
前記一対の変動荷重検出板に当接するずれ力伝達部を有し、前記ずれ力伝達部が前記受圧部材の凹部に内包される支持部材と、
前記受圧部材と前記支持部材との間に配置された弾性板と、を備え、
前記受圧部材に負荷される荷重によって前記受圧面に沿って生じるずれ力が前記ずれ力伝達部に伝達され、
前記ずれ力伝達部によって前記一対の変動荷重検出板のいずれかが押圧され、
前記一対の変動荷重検出板からそれぞれ出力される電圧の差から前記ずれ力を検出する、ことを特徴とする。
【００１９】
また、前記一対の変動荷重検出板が二組それぞれ対向配置され、一組の前記変動荷重検出板を結ぶ線と他の一組の前記変動荷重検出板を結ぶ線とが十字状に交差するよう構成してもよい。
【００２０】
また、前記凹部が円盤状であり、前記凹部の周壁に複数対の前記変動荷重検出板がそれぞれ対向配置され、
前記支持部材は複数対の前記変動荷重検出板に当接する円盤状の前記ずれ力伝達部を備えていてもよい。
【００２１】
更に、前記支持部材の底面に上記いずれかの変動荷重検出パッドが配置され、前記受圧部材に加わる変動荷重を検出するよう構成してもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る変動荷重検出パッドは、機械的強度を有する一対の電極板で圧電板を挟んだ形態である。そして、圧電板と電極板とは直に面接触しており、且つ、非接着である。
【００２３】
電極板は機械的強度を有するので、大きな荷重が作用しても、電極板にひび割れ等が生じにくく、大きな変動荷重の計測に用いることができる。
【００２４】
また、電極板と圧電板とは非接着であるので、電極板と圧電板との間に接着層がなく、静電容量が生じない。更に、ポアソン効果による電極板の面方向への伸びが生じない。このため、電極板に挟まれた圧電板は、面に沿って伸ばされることなく、負荷される荷重に応じて厚み方向に圧縮されるので、変動荷重を精度良く検出できる利点がある。
【００２５】
更に、それぞれ薄い圧電板、電極板、絶縁板から構成されるため、薄型で、且つ、受圧面積を大きく構成することができ、様々な使用用途に適応させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施の形態１に係る変動荷重検出パッドの外観斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る変動荷重検出パッドの平面透視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ’断面図である。
【図５】（Ａ）は電極膜が形成された圧電板の断面図、（Ｂ）は圧縮荷重が加わった状態の断面図である。
【図６】電極板の曲げ変形による影響を説明する図である。
【図７】凹凸がある場所での変動荷重検出パッドの使用状況を示す断面図である。
【図８】実施の形態２に係る変動荷重検出板の断面図である。
【図９】実施の形態３に係る分布型変動荷重検出板の外観斜視図である。
【図１０】実施の形態４に係る変動荷重検出装置の外観斜視図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ’断面図である。
【図１２】実施の形態４に係る変動荷重検出装置の部分断面図である。
【図１３】実施の形態４に係る変動荷重検出装置の支持部材の平面図である。
【図１４】（Ａ）は実施の形態５に係る変動荷重検出装置の外観斜視図、（Ｂ）はＡ−Ａ’断面図、（Ｃ）はＢ−Ｂ’断面図である。
【図１５】実施の形態６に係る変動荷重検出装置の外観斜視図である。
【図１６】実施の形態６に係る変動荷重検出装置の支持部材の外観斜視図である。
【図１７】図１５のＡ−Ａ’断面図である。
【図１８】実施の形態７に係る変動荷重検出装置の断面図である。
【図１９】実施の形態８に係る変動荷重検出装置の断面図である。
【図２０】実施例１における荷重と変動荷重検出パッドの出力との関係を示す図である。
【図２１】実施例２における荷重と変動荷重検出パッドの出力との関係を示す図である。
【図２２】実施例３における荷重と変動荷重検出パッドの出力との関係を示す図である。
【図２３】実施例４における荷重と変動荷重検出装置の出力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る変動荷重検出パッド１は、図１の外観斜視図、図２の平面透視図、図３及び図４の断面図に示すように、主として、圧電板１１と、圧電板１１を挟む一対の電極板１２、１３と、電極板１２、１３を挟む一対の絶縁板１４、１５と、スペーサ１６を介して圧電板１１と電極板１２、１３と絶縁板１４、１５とを一体に固定する接着部材１７とから構成される。
【００２８】
圧電板１１は、フィルム状の薄膜であり、柔軟性を備える高分子圧電材料から形成されている。圧電板１１の具体的な素材の一例を挙げると、ポリフッ化ビニリデンや、シアン化ビニリデン等である。圧電板１１は、たとえば、市販の厚さ２０μｍ〜２００μｍ、弾性率約３０００ＭＰａのポリフッ化ビニリデンを所定の形状寸法に切り出して用いればよい。
【００２９】
高分子圧電材料から構成された圧電板１１は、板面が押圧されることによって、圧電板１１の厚みが変化し、この厚みの変化に応じた電荷変動が生じる。この電荷変動、即ち電圧を両面に配置されている電極板１２、１３を介して検出することで、変動荷重検出パッド１に作用している荷重を測定することができる。
【００３０】
電極板１２、１３は、圧電板１１を挟むように配置されている。それぞれの電極板１２、１３は圧電板１１に直に面接触し、且つ、圧電板１１に非接着である。そして、それぞれの電極板１２、１３には、圧電板１１が発生する電荷信号を出力するための電気配線（不図示）を接続する端子部１８、１９が設けられている。圧電板１１に蒸着、スパッタリングあるいは導電性ペーストなどによって電極膜が形成され、電極膜に配線を接続する方法では、電極膜が薄いので配線の接続方法が限られていたが、電極板１２、１３は金属板であるので、ハンダ付け、カシメ、ネジ止めなど、種々の方法で容易に端子部１８、１９に配線を接続することができる。
【００３１】
電極板１２、１３には、ともに、面内には強度を有し、面外にはある程度の柔軟性を有する薄い金属板を用いる。
【００３２】
電極板１２、１３は、圧電板１１と直に接触して配置されるので、長期間使用した場合でも、接触面に錆が生じにくいステンレス、アルミ、銅など、耐腐食性の金属板であることが好ましい。或いは、電極板１２、１３は、錆の発生を抑えるために、少なくとも圧電板１１と接する面に貴金属メッキ（金メッキ、銀メッキ等）等、錆止め処理が施された金属板であってもよい。
【００３３】
電極板１２、１３の少なくとも一方は、圧電板１１の面積より小さく構成するとよい。電極板１２、１３がともに圧電板１１の寸法よりも大きいと、圧電板１１からはみ出した部分で電極板１２、１３が接触してしまい、圧電板１１から発生する電荷信号が計測できないおそれがあるためである。
【００３４】
電極板１２、１３は圧電板１１の表面と直に接触し、圧電板１１との境界面には強い圧力が作用するので、電極板１２、１３の圧電板１１に接触する面は、滑らかな平面に加工したものを用いるとよい。滑らかさの程度としては、圧電板１１に傷を付けない研磨仕上げ（精密仕上げ）程度の滑らかさであればよい。
【００３５】
絶縁板１４、１５は、電極板１２、１３と圧縮力を負荷する対象物との間を電気的に絶縁する作用を備える。対象物の負荷により、絶縁板１４、１５にも大きな圧力が加わるので、絶縁板１４、１５は電気絶縁性が高く、且つ、弾性率が大きい材料から構成される。絶縁板１４、１５として、樹脂シート、樹脂板、繊維強化樹脂シート等の硬質樹脂が用いられ、具体的には、ポリエチレンテレフタラート樹脂、ナイロン樹脂、硬質塩化ビニル、ベークライト等が挙げられる。
【００３６】
絶縁板１４と電極板１２、及び、絶縁板１５と電極板１３は、それぞれ接着部材１７で接着されている。更に、絶縁板１４と絶縁板１５の縁同士は、絶縁板１４、１５の縁全域に渡って、スペーサ１６を介し、接着部材１７で接着されている。このようにして、圧電板１１、電極板１２、１３、絶縁板１４、１５が一体的に固定され、変動荷重検出パッド１が形成されている。
【００３７】
接着部材１７として、接着剤や粘着材等、絶縁板１４と絶縁板１５とを接着し得る種々のものが用いられる。圧電板１１、及び電極板１２、１３を積層し、その厚みが大きい場合には、必要に応じてスペーサ１６を挟んで接着してもよい。
【００３８】
また、圧電板１１の寸法（面積）が小さい場合には、絶縁板１４、１５の縁同士を、接着部材１７を介して接着するだけで、圧電板１１と電極板１２、１３と絶縁板１４、１５とを一体に固定することができるが、圧電板１１の寸法が大きい場合には、以下のように構成するとよい。
【００３９】
図２の透視図、及び、図４の断面図に示すように、圧電板１１及び電極板１２、１３に１箇所又は複数箇所の対応する開口部を設け、開口部分にもスペーサ１６を介して絶縁板１４、１５同士を接着する。図２では、圧電板１１及び電極板１２、１３に２箇所の円形状の開口部を設けている。
【００４０】
上記のように構成することで、圧電板１１と電極板１２、１３とが非接着であっても、圧電板１１と電極板１２、１３との相互のずれを防止することができる。
【００４１】
以上のように構成された変動荷重検出パッド１では、変動荷重検出パッド１の厚み方向に圧縮荷重を受けると、圧電板１１が圧縮荷重に応じて圧縮され、圧縮量に応じた電荷を発生する。そして、この電荷を電極板１２、１３、及び、端子部１８、１９を介して取り出すことで、変動荷重検出パッド１に負荷された変動荷重を精度良く検出することができる。
【００４２】
ここで、本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１において、電極板１２、１３として金属板を用いる理由、及び、電極板１２、１３と圧電板１１とが非接着である理由について説明する。
【００４３】
まず、電極板１２、１３として金属板を用いる理由について説明する。
【００４４】
前述のように、従来では圧電板１１の両面に蒸着やスパッタリング等の極薄い電極膜が形成されているが、この電極膜は強度が低いので、大きな変動荷重が作用すると、電極膜のひび割れや、電極膜の剥離が生じる。このため、大きな変動荷重の検出ができない。
【００４５】
一方、本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１では、金属板から構成される電極板１２、１３を用いているため、変動荷重検出パッド１に大きな圧縮力が作用しても、強度の高い電極板１２、１３の破損は生じにくい。したがって、変動荷重検出パッド１は、負荷される大きな変動荷重にも十分に耐え得ることができ、大きな変動荷重の検出を可能にしている。
【００４６】
更に、電極板１２、１３に金属板を用いるもう一つの理由について、図５を参照して説明する。
【００４７】
図５（Ａ）は、従来の蒸着又はスパッタリング等で圧電板１１両面に薄い電極膜２０、２１を形成し、電極膜２０、２１上に弾性層２２、２３を設けた場合の変動荷重検出パッド５１の断面を模式的に示しており、また、図５（Ｂ）は、変動荷重検出パッド５１に剛性板２４、２５を介して圧縮力が加わった状態の断面図を模式的に示している。
【００４８】
矢印で示すように、変動荷重検出パッド５１に厚み方向に圧縮力が作用すると図５（Ｂ）に示すように、圧電板１１は厚さ方向に縮むと同時に、圧電板１１自身のポアソン効果によって面に沿って（圧縮力に対して垂直方向）伸びる変形をする。また、圧縮力が作用すると、弾性層２２、２３も厚さ方向に縮むと同時に、弾性層２２、２３のポアソン効果によって面に沿って（圧縮力に対して垂直方向）伸びる変形をする。この弾性層２２、２３の伸びは、弾性層２２、２３の弾性率が小さいほど大きく、また弾性層２２、２３の厚さが厚いほど大きくなる。
【００４９】
電極膜２０、２１が蒸着やスパッタリング等で形成されている場合、電極膜２０、２１は弾性層２２、２３の伸びに対して強度的に抵抗しないので、弾性層２２、２３が伸びることにより、圧電板１１も引き伸ばされることになる。したがって、圧電板１１は、圧縮荷重を受けて厚さ方向に縮むことに加え、弾性層２２、２３による圧電板１１の引き伸ばしにより、余計に厚さ方向に縮むことになる。
【００５０】
圧縮力は圧電板１１の表面全体に作用するのに対して、弾性層２２、２３が圧電板１１を水平方向に引き伸ばす力は薄い圧電板１１の切断面に作用する。このため、弾性層２２、２３が圧電板１１を引き伸ばすことによって生じる圧電板１１の厚さ変化は、圧縮荷重による厚さ変化に対し、無視できない量である。このため、圧電板１１からは、圧縮歪みによる電荷変動に加え、無視できない量の引き伸ばし歪みによる電荷変動が生じる。したがって、負荷される圧縮荷重と圧電板１１からの電荷変動が比例しなくなり、圧縮荷重の精度の高い検出ができないことになる。
【００５１】
たとえば、圧電体の両面にアルミ蒸着電極膜を付けた一辺が１００ｍｍ四角の圧電フィルム（厚さ８０μｍ）の両面に、厚さが異なるポリエチレンテレフタラート樹脂シート（０．２ｍｍ、０．７ｍｍ、１．２ｍｍ、１．７ｍｍ）をそれぞれゴム系接着剤で接着して、これを油圧サーボ試験機の圧縮平板の上に置き、上面側に６０×６０ｍｍ四角の金属の加圧板を置いて、繰り返し圧縮力２．５トンを負荷したときのセンサ出力を表１に示す。計測装置の構成は後述する実施例１で説明するものと同様である。表１より電極膜が薄い場合には、弾性層２２、２３の厚さによって圧電体の出力は変化し、弾性層が厚くなるほど出力が大きくなることがわかる。
【表１】
【００５２】
これに対して本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１は、電極板１２、１３が強度を有する金属板である。このため、変動荷重検出パッド１に負荷される圧縮力で、弾性層２２、２３のポアソン効果による水平方向の伸びが生じても、電極板１２、１３が引き伸ばされることはない。電極板１２、１３は、例えば、ステンレス薄板の場合、厚さ０．１ｍｍ以上あれば弾性層２２、２３の厚さや弾性率による影響を受けない。したがって、電極板１２、１３が引き伸ばされることはないので、電極板１２、１３に挟まれた圧電板１１も引き伸ばされることがない。
【００５３】
また、電極膜が蒸着やスパッタリングなどの極薄い電極膜の場合には、弾性層が圧電板を水平方向に引き伸ばす影響が、圧縮力を負荷した面積の外側にもある程度及ぶ。このため、圧電板の出力が荷重負荷面積の影響を受けることになる。即ち、たとえ同じ力を加えたとしても、力が加わっている面積によって、圧電板からの電荷変動が異なることになり、精度の高い測定が困難になる。
【００５４】
これに対して本発明の変動荷重検出パッド１は、圧縮力を受けると、電極板１２、１３は接触摩擦によって圧電板１１の面に沿った伸びを拘束する。即ち、圧電板１１には、圧縮力による厚さ変化のみが生じるようになる。このため、荷重負荷面積の影響をほとんど受けず、圧縮力に応じた電荷を発生するので、変動荷重を精度よく検出することができる。
【００５５】
以上説明したように、本発明の変動荷重検出パッド１では、電極板１２、１３として金属板を用いることにより、パッド寸法が小さくても、或いは大きくても圧縮力と圧電板１１からの出力との比例定数が変化せず、更に、圧電板１１の出力が、荷重負荷面積の影響をほとんど受けない利点を備えている。
【００５６】
続いて、本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１において、電極板１２、１３と圧電板１１とが非接着である理由について説明する。
【００５７】
電極板１２、１３と圧電板１１とが接着されている場合、電極板１２、１３と圧電板１１との間に、接着部材或いは粘着部材からなる接着層が生じることになる。これによって、電極板１２、１３と圧電板１１の間で静電容量が生じ、圧電板１１の出力信号が大幅に小さくなってしまう。
【００５８】
また、圧電板１１の表面に電極板１２、１３が接着されていると、大きな圧縮力が作用した場合に、電極板１２、１３と圧電板１１の間に介在する接着層の厚さ変化が生じる。接着層の厚さ変化が生じると、電極板１２、１３と圧電板１１表面で構成された静電容量が変化することとなり、検出精度が低下してしまう。
【００５９】
これに対して、本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１では、電極板１２、１３と圧電板１１表面とが非接着状態にあるので、電極板１２、１３面と圧電板１１表面の間隔が零になり、静電容量が生じないので精度の高い計測を実現できる。
【００６０】
また、電極板１２、１３は薄い金属薄板から構成されているとよい。電極板１２、１３として、厚い金属板が用いられている場合、変動荷重検出パッド１は使用中に圧縮力を受けて面外に撓むこともある。たとえば、図６に示すように圧縮力を受けて、電極板１２、１３の紙面下側に向けて凸状に曲げ変形したとする。このとき、電極板１２、１３は弾性率の大きい金属板であるので、上下の電極板１２、１３は、図６の一点鎖線で示すそれぞれの中立軸周りに曲がる。すると、紙面上、上側の電極板１２の圧電板１１と接触する面は曲げ変形によって伸びる歪みを生じる。また、下側の電極板１３の圧電板１１と接触する表面は曲げ変形によって縮む歪みを生じる。すると電極板１２、１３と圧電板１１の間の摩擦力によって、圧電板１１の上側表面は伸びる歪みを生じ、圧電板１１の下側表面は縮む歪みを生じる。その結果、圧電板１１は曲げ変形による出力を生じるようになる。
【００６１】
これに対して、電極板１２、１３が薄い金属薄板であれば、電極板１２、１３が曲げ変形しても電極板１２、１３表面の曲げ歪みの変化が少なく、変動荷重検出パッド１が使用中に面外に撓んだ場合でも精度の高い計測が可能になる。
【００６２】
続いて、変動荷重検出パッド１の耐荷力について説明する。変動荷重検出パッド１において、圧電板１１に作用する圧力は、絶縁板１４、１５、及び、電極板１２、１３を介して伝達される。例えば、面積が小さい方の電極板１２の表面が一辺５０ｍｍの正方形であって、１００ｋＮ（１０ｔｏｎ）の圧縮荷重が変動荷重検出パッド１両面の中央部に作用した場合、圧電板１１に作用する圧力は４０ＭＰａ（σ＝１００，０００（Ｎ）／（５０×５０）ｍｍ２＝４０）である。たとえば、圧電板１１の厚さを０．１ｍｍとすると、４０ＭＰａの圧力によって生じる圧電板１１の厚さの縮み量は約０．００１３ｍｍ（（δ＝σ×ｈ／Ｅ＝４０（ＭＰａ）×０．１（ｍｍ）／３０００（ＭＰａ））であり、圧電板１１の厚みの約１．３％である。この厚み変化は圧電板１１の耐荷能力の範囲にある。つまり、５０ｍｍ四角の加圧板寸法の変動荷重検出パッド１で１０トンの圧縮力が計測可能である。
【００６３】
次に、変動荷重検出パッド１の全体の剛性を、上記圧電板１１の縮み量に加えて、仮に、電極板１２、１３がともに厚さ０．１ｍｍのステンレス板、一対の絶縁板１４、１５がともに厚さ０．２ｍｍで弾性率Ｅ＝２５００ＭＰａの樹脂板である場合について概略計算したものを表２に示す。
【表２】
【００６４】
同表において、変動荷重検出パッド１の全体厚さは０．７ｍｍである。この変動荷重検出パッド１に１００ｋＮ（１０ｔｏｎ）の圧縮力を加えたときの全体厚さの縮み量の合計は０．００７８ｍｍと極わずかである。このように本実施の形態に係る変動荷重検出パッド１は大きな圧縮力に対して剛性のある構成となっている。
【００６５】
上記では、硬質樹脂シートを用いた絶縁板１４、１５について説明したが、絶縁板１４、１５として、電極板１２、１３に圧縮荷重を分散させるクッション部材としての機能を兼ねる弾性素材から構成してもよい。絶縁板１４、１５として、例えば、天然ゴム、合成ゴム、布引ゴム等の低弾性率の素材を用いるとよい。
【００６６】
絶縁板１４、１５として、弾性素材を用いた場合、重量物たとえば、トレーラの台車表面や、コンクリートの地面等に設置して対象物の圧縮力を計測する際に効果的である。このような場合、変動荷重検出パッド１を載置しようとする台車やコンクリート等の支持部材の表面に砂粒が付着していること、溶接のスパッタが付いていること、或いは、局部的に撓んでおり平面ではないことがある。
【００６７】
図７に、圧縮力を負荷する対象物２６の表面、及び、載置台２７の表面に砂粒２８が付着している箇所で変動荷重検出パッド１を使用した場合の断面を模式的に示す。ゴム板のような低弾性率の絶縁板１４、１５により、対象物２６と載置台２７の表面の砂粒２８による凹凸の影響を吸収して、電極板１２、１３になだらかに圧縮力を伝達するようになる。
【００６８】
また、変動荷重検出パッド１は、圧電板１１が柔軟性を有する高分子材料から構成されていること、及び、電極板１２、１３は強度を備え、且つ、面外に撓むことが可能な金属薄板であるため、圧電板１１と電極板１２、１３が圧力の分布に応じて撓み変形することができる。
【００６９】
このため、変動荷重検出パッド１を載置しようとする台車やコンクリート等に砂粒が付着している等、載置する箇所に凹凸を有する場合でも精度良く変動荷重を計測することができる。
【００７０】
また、変動荷重検出パッド１は、圧電板１１と電極板１２、１３がスペーサ１６の部分を除き、変動荷重検出パッド１の略全面にわたって配置されているので、受圧面積の大きい変動荷重検出パッド１を実現することができる。また、受圧面の形状は、矩形の他、用途に応じて自由に製作して用いることができる。
【００７１】
（実施の形態２）
続いて、実施の形態２に係る圧縮力を検出する変動荷重検出板２について図８の断面図を参照して説明する。
【００７２】
変動荷重検出板２は、上述した変動荷重検出パッド１を、一対の受圧板３１、３２で挟み、固定部材３３でこれらを一体的にした構成である。
【００７３】
固定部材３３として、例えば、上述した変動荷重検出パッド１に設けた開口部にボルトを通してナットで締め付ける固定具が用いられる。
【００７４】
受圧板３１、３２は、それぞれ機械的強度を有する金属等から形成される。
【００７５】
変動荷重検出パッド１の開口部の直径をボルト直径より少し大きめに製作してボルト及びナットで締め付け、２枚の受圧板３１、３２が変動荷重検出パッド１を圧縮するように互いに押圧した状態となる。このように固定することで、変動荷重検出パッド１内に配置されている圧電板１１には、所定の負荷が加わった状態、即ち、所定の厚み程、圧電板１１が圧縮された状態となる。
【００７６】
このようにすると、所定の圧縮力を越える圧縮力に対して変動荷重検出板２が抵抗無く厚み変化を生じさせる、即ち、所定の圧縮力を超える圧縮力に応じて、圧電板１１の厚み変化を生じさせることができる。
【００７７】
また、変動荷重検出パッド１の寸法を変動荷重検出板２の寸法の大部分にわたって配設するようにすると、薄くて、受圧面積が大きく、強度の高い変動荷重検出板２を構成することができる。
【００７８】
また、固定部材３３はボルト頭部およびナットが受圧板３１、３２から突出しない埋め込み状態にするとよい。そして、変動荷重検出板２は、載置台等の上に置いての使用、あるいは一方の面を粘着シートで固定しての使用、或いは受圧板３１、３２のどちらか一方を大きく作製してネジ等により壁等に固定して使用することができる。なお、受圧板３１、３２同士の周囲の隙間はゴム系接着剤などでシールしてもよい。
【００７９】
（実施の形態３）
続いて、実施の形態３に係る分布型変動荷重検出板３について、図９を参照して説明する。分布型変動荷重検出板３は、図９の外観斜視図に示すように、上述した変動荷重検出パッド１を同一平面上に複数配置した構成である。このように、変動荷重検出パッド１を配置することで、どの箇所にどの程度の荷重が加わっているのか、容易に検出することができる。
【００８０】
変動荷重検出パッド１は、全て同寸法のものを用いるとよい。また、変動荷重検出パッド１は、それぞれの端面を接着して配置しても、剛性板等の上にそれぞれの変動荷重検出パッド１を配置してもよい。なお、図９では、変動荷重検出パッド１を二次元状に配置しているが、一次元的に配置してもよく、使用用途に応じて適宜適切な配置にすればよい。
【００８１】
また、実施の形態２に係る変動荷重検出板２を用い、同様に、同一平面上に二次元的、或いは一次元的に配列させて用いてもよい。
【００８２】
（実施の形態４）
続いて、上述した変動荷重検出板２を用いた、圧縮荷重が加わった際のずれ力を検出する変動荷重検出装置４について説明する。
【００８３】
図１０の外観斜視図、図１１の断面図を示すように、実施の形態４に係る変動荷重検出装置４は、主として、受圧面及び垂下部を有する断面コの字状の受圧部材４１と、垂下部内壁に対向配置される一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’と、一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’に当接するずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’を有し、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’が受圧部材４１に内包される支持部材４３と、受圧部材４１と支持部材４３との間に配置された弾性板４２とから構成される。
【００８４】
受圧部材４１は、一方の底面が開口した函体であり、機械的強度を備える金属等の素材から形成されている。受圧部材４１の垂下部内壁には、一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’が対向して配置されている。変動荷重検出板２ａ、２ａ’は、上述した変動荷重検出板２と同様の構成であるため、説明を省略する。なお、図では受圧部材４１は、函体の場合について説明しているが、１軸のずれ力を検出する場合には、板状部材が断面コの字状に折り曲げられた形態であってもよい。
【００８５】
支持部材４３は、金属等機械的強度の高い素材から形成されている。支持部材４３は、断面コの字状の受圧部材４１に一部が内包されており、支持部材４３と受圧部材４１の受圧面の裏面との間には弾性板４２が配置されている。支持部材４３は、ベース４６等に固定されていてもよい。そして、ベース４６には、壁や載置台等にネジ等で固定して使用するための孔４５が設けられていてもよい。
【００８６】
受圧部材４１の垂下部に対向する支持部材４３の側面に、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’が形成されている。ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’は、受圧部材４１の垂下部に配置された変動荷重検出板２ａ、２ａ’に向けて円弧状に突出し、それぞれのずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’が、変動荷重検出板２ａ、２ａ’と接触している。
【００８７】
前記ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’の両端の円孤部は、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’の幅の中心と接触部を半径とする円弧状に加工してある。また、図示はしていないが、受圧部材４１の両端の垂下部には、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’に変動荷重検出板２ａ、２ａ’を押しつけて接触させるための調節ネジ等が備えられている。
【００８８】
弾性板４２は受圧部材４１の底面の圧縮力を支持部材４３に伝達するとともに、ずれ力を伝達しない特性を備える。つまり、受圧部材４１が受けたずれ力は垂下部に固定された一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’からずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’を介して支持部材４３に伝達するようにしたものである。弾性板４２には、ゴム板、硬質ゴム板、あるいは軟質塩化ビニル、フッ素樹脂板のような低弾性率の板を用いるとよい。
【００８９】
弾性板４２が圧縮力を受けると、図１２の破線で示す元の状態から、実線で示す状態に厚さ方向に大きく縮むと同時に、幅方向にも広がって支持部材４３からはみ出すので、矩形に形成する場合、弾性板４２の形状は図１３の平面図で示すように、圧縮力が作用した状態で支持部材４３の上面の寸法に略一致する形状に作製するとよい。図１３に示すように、各辺を内方に湾曲させた形状の弾性板４２にすることで、圧縮力が加わった際に、破線で示す形状に変形することになる。
【００９０】
続いて、上記変動荷重検出装置４のずれ力の検出原理について説明する。受圧部材４１の表面に圧縮力と同時にずれ力が作用すると、圧縮力によって弾性板４２は厚さ方向に縮む。また、圧縮力が受圧部材４１の中央からずれた位置に作用する場合は、受圧部材４１はわずかに回転する。
【００９１】
また、弾性板４２は摩擦力によってずれ力の一部を支持部材４３に伝達するように感じられるが、実際には、ずれ力によって弾性板４２を剪断変形させようとしても、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’は両端の円弧部が変動荷重検出板２ａ、２ａ’と接触していること、及び、変動荷重検出板２ａ、２ａ’が厚さ方向に硬いので、受圧部材４１が変動荷重検出板２ａ、２ａ’を介してずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’押しても、受圧部材４１はずれ力の方向にほとんど変位することができない。
【００９２】
つまり、弾性板４２は弾性率が小さいので、ずれ力によって容易に剪断変形するものであるが、ずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’が受圧部材４１の変位を止めることになる。このため、弾性板４２は剪断変形せず、ずれ力をほとんど伝達しないことになる。
【００９３】
このため、ずれ力のほとんど全てが、一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’に伝達されることになるので、一対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’、すなわち、それぞれの変動荷重検出板２ａ、２ａ’内に配置されている圧電板１１からの出力を取り出し、その差分を計測することでずれ力を計測できるのである。
【００９４】
以上説明したように、本実施の形態に係るずれ力を検出する変動荷重検出板４は、起歪部を宙に浮かせないで圧縮力を弾性板４２で受け止める構造であるので、薄くて、受圧面積が大きく、強度の高い変動荷重検出板４を提供することができる。
【００９５】
なお、本実施の形態に係るずれ力の検出原理は、変動荷重検出板２ａ、２ａ’が厚さ方向に硬いことが必要であるが、厚さ方向に硬いものであれば従来のセラミクスなどの圧電体であっても適用することができる。
【００９６】
（実施の形態５）
また、上記では、１軸方向のずれ力を検出する形態について説明したが、２軸方向のずれ力を検出する形態にすることもできる。例えば、以下の構成にすればよい。
【００９７】
図１４（Ａ）は、実施の形態５に係る変動荷重検出装置５の外観斜視図、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）は、それぞれ図１４（Ａ）のＡ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図である。受圧部材４１は、垂下部分がＸ軸方向及びＸ軸方向に直交するＹ軸方向の２方向に設けられた函体である。そして、図１４（Ｂ）に示すように、受圧部材４１のＸ軸方向に対向するそれぞれの垂下部内壁に変動荷重検出板２ａ、２ａ’が配置され、また、図１４（Ｃ）に示すように、Ｙ軸方向に対向するそれぞれの垂下部内壁に変動荷重検出板２ｂ、２ｂ’が配置されている。したがって、支持部材４３のＸ軸方向に突出させて形成されたずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’がそれぞれ変動荷重検出板２ａ、２ａ’と当接するように配置され、また、支持部材４３のＹ軸方向に突出させて形成されたずれ力伝達部４４ｂ、４４ｂ’がそれぞれ変動荷重検出板２ｂ、２ｂ’と当接するように配置されている。
【００９８】
このように構成することで、変動荷重検出板２ａ、２ａ’からの出力電圧の差、及び、変動荷重検出板２ｂ、２ｂ’からの出力電圧の差を検出することにより、受圧部材４１の受圧面に作用するＸ軸及びＹ軸方向のずれ力を検出することができる。
【００９９】
（実施の形態６）
更に、複数対の変動荷重検出板２を用いて、複数軸のずれ力を検出する形態とすることもできる。複数軸のずれ力を検出するには、例えば、以下の構成にすればよい。
【０１００】
図１５は、実施の形態６に係る変動荷重検出装置６の外観斜視図、図１６は支持部材４３の外観斜視図、図１７は、図１５のＡ−Ａ’断面図である。
【０１０１】
受圧部材４１は、受圧面を底面とする扁平の円筒から構成されており、つまり、内部に円盤状の凹部が形成されているものである。受圧部材４１に形成されたこの円盤状の凹部にずれ力伝達部４４が形成された支持部材４３が内包されている。
【０１０２】
ベース４６に固定された支持部材４３は、扁平の円柱体であり、円柱体の全周に渡り外方へ向けて円弧状に突出したずれ力伝達部４４が形成されている。支持部材４３と受圧部材４１の受圧面の裏面との間に弾性板４２が配置されている。
【０１０３】
そして、受圧部材４１の凹部周壁には、図１７に示すように、受圧部材４１の中心を中心点として、複数対の変動荷重検出板２ａ、２ａ’、２ｂ、２ｂ’、２ｃ、２ｃ’、２ｄ、２ｄ’、２ｅ、２ｅ’、２ｆ、２ｆ’、２ｇ、２ｇ’、２ｈ、２ｈ’がそれぞれ放射状に配置されている。
【０１０４】
上記の構成とすることで、受圧部材４１の受圧面に作用する複数軸のずれ力を検出することができる。
【０１０５】
（実施の形態７）
続いて、実施の形態７に係る変動荷重検出装置７について、図１８の断面図を参照して説明する。変動荷重検出装置７は、上述した変動荷重検出装置４の別の構成の一例を示すものである。
【０１０６】
受圧部材４１の垂下部の幅を広くして、支持部材４３のずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’の幅を小さくした構成である。また、弾性板４２はずれ力伝達部４４ａ、４４ａ’の左右２箇所に設けて圧縮力を支持部材４３に伝達するようにしたものである。また、図１８では支持部材４３をピン等の固定部材４７で対象物に固定するようにしているが、図を上下逆転させて、支持部材４３を上側に、受圧部材４１を下側にして使用してもよい。また、上記同様に２軸のずれ力を検出するように構成してもよい。
【０１０７】
（実施の形態８）
続いて、受圧部材４１の受圧面に垂直方向に作用する圧縮力と、受圧面の表面に沿う方向に作用するずれ力の両方を検出する変動荷重検出装置８について図１９を用いて説明する。
【０１０８】
変動荷重検出装置８は、実施の形態４で説明した変動荷重検出装置４において、支持部材４３とベース４６との間に、実施の形態１で説明した変動荷重検出パッド１を挟み込んだ構成である。
【０１０９】
例えば、支持部材４３とベース４６との間に、変動荷重検出パッド１を挟み込んで、所定の圧力を加えてボルト・ナット等の固定部材４８で固定することで、固定部材４８の圧縮力を越える圧縮力に対して変動荷重検出パッド１が抵抗無く厚み変化を生じうるように固定することができる。
【０１１０】
このように構成することで、受圧部材４１の受圧面に作用する圧縮力と、ずれ力との双方を同時に検出することができる。
【０１１１】
（実施例１）
絶縁板としてポリエチレンテレフタラート樹脂板を用いた変動荷重検出パッドについて実験を行った。一辺が８０ｍｍ四角で厚さ８０μｍの圧電板の両面に、厚さ０．１ｍｍのステンレスの電極板を圧電板と直に接触するように配置し、その両側に厚さ０．２ｍｍのポリエチレンテレフタラート樹脂板を接着して縁部分を固定した変動荷重検出パッド（以下、変動荷重検出パッドＡ１と記す）を作製した。
【０１１２】
変動荷重検出パッドＡ１を容量２００ＫＮの油圧サーボ疲労試験機の圧縮平板に挟んで２Ｈｚの繰り返し速度で圧縮力を加えた。
【０１１３】
電極板には電気配線を接続し、電気配線には積分回路を接続し（コンデンサ４．４μＦを並列に接続）、積分回路の出力を電圧記録計（入力インピーダンス１ΜΩ、オムニエースＲＡ１３００、ＮＥＣ三栄）に接続して、油圧サーボ疲労試験機のロードセルの荷重波形と同時に記録した。
【０１１４】
図２０は、試験機のロードセルで記録した圧縮力の変動幅と変動荷重検出パッドＡ１の出力の変動幅の関係の一例を示すが、変動荷重検出パッドＡ１の出力は荷重と良い比例関係にあることがわかる。
【０１１５】
また、図２０に、一辺が２０ｍｍ四角および４０ｍｍ四角で同じ構成の変動荷重検出パッドＡ１を用いた実験結果も示しているが、パッド出力はパッド寸法の影響を受けないことがわかる。
【０１１６】
また、最大１００ｋＮ（約１０ｔｏｎ）の正弦波形を２０００回繰り返して負荷したが、変動荷重検出パッドの出力波形には変化が見られなかった。したがって、変動荷重検出パッドＡ１は、電極板として金属板を用いているので、破損することもなく耐荷重が大きいことがわかる。
【０１１７】
（実施例２）
続いて、アルミ蒸着電極膜を形成した圧電フィルムを用いた場合の耐用性について検証した。
【０１１８】
アルミ蒸着電極膜を付けた一辺が１００ｍｍ四角の圧電フィルム（厚さ８０μｍ）の両面に、厚さ０．５ｍｍのシリコンゴム板をゴム系接着剤で接着した出力増幅部材を設けた変動荷重検出パッド（以下、これを変動荷重検出パッドＢ１と記す）を作成した。また、厚さ１ｍｍのシリコンゴム板を用いて同様に変動荷重検出パッド（以下、変動荷重検出パッドＢ２と記す）作成した。更に、実施例１と同様の構成で、圧電板の寸法を一辺が１００ｍｍ四角とした変動荷重検出パッド（以下、変動荷重検出パッドＡ２と記す）を作成した。
【０１１９】
これらの変動荷重検出パッドＢ１、Ｂ２、Ａ２を、それぞれ油圧サーボ疲労試験機の圧縮平板の上に置き、上面側に４０×４０ｍｍ四角、６０×６０ｍｍ四角、又は１００×１００ｍｍ四角の金属の加圧板を置いて、繰り返し圧縮力を負荷した。計測装置の構成は実施例１で説明したものと同じである。
【０１２０】
その結果を図２１に示す。アルミ蒸着電極膜を形成した変動荷重検出パッドＢ１、Ｂ２では、×印で示すように、４０×４０ｍｍ四角の加圧板で荷重した場合、それぞれ約０．７トン、２．０トンの荷重で電極膜にひび割れが生じ、それ以上の荷重を計測することができなかった。一方、金属板を電極板に用いた変動荷重検出パッドＡ２では、それ以上の荷重でも破損することなく計測できていることがわかる。
【０１２１】
また、変動荷重検出パッドＢ１、Ｂ２の出力は、シリコンゴム板による荷重負荷面積によって変化し、荷重負荷面積が小さい方がセンサ出力は大きくなっており、一定の出力が生じていない。一方、変動荷重検出パッドＡ２では、面方向に伸びにくい金属板を電極板として用いているため、加圧板の面積の相違による荷重負荷面積による影響を受けず、いずれも一定の出力が生じていることがわかる。
【０１２２】
（実施例３）
絶縁板としてシリコンゴム板を用いた変動荷重検出パッドについて実験を行った。
【０１２３】
厚さ８０ミクロンの圧電フィルムの両面に０．１ｍｍ厚のステンレス板を配置し、その外側の両面にゴム硬度７０で厚さ１ｍｍのシリコンゴム板を接着した、一辺が５０ｍｍ四角の変動荷重検出パッド（以下、変動荷重検出パッドＡ３と記す）を作成した。
【０１２４】
この変動荷重検出パッドＡ３の底面に直径０．７ｍｍの針金を２本略平行に敷き、変動荷重検出パッドＡ３上面には直径０．７ｍｍの針金１本を底面の針金とほぼ直交するように置いて、両側を油圧サーボ疲労試験機の圧縮平板で挟んで繰り返して圧縮力を加えた。
【０１２５】
また、変動荷重検出パッドＡ３の底面と上面に厚さ０．５ｍｍのアルミ板を千鳥状にずらせて置いて圧縮平板で繰り返して圧縮力を加えた。
【０１２６】
その結果を図２２に示す。針金を置いた場合でも、また、アルミ板を置いた場合でも、針金等を置かない場合と同様に、変動荷重検出パッドＡ３は加えた荷重とセンサ出力が精度良く比例関係を示すことがわかる。
【０１２７】
（実施例４）
実施の形態４で説明した変動荷重検出装置を用いて実験を行った。
【０１２８】
実験室では大きなずれ力を負荷することが困難なため、変動荷重検出装置の支持部材を油圧サーボ疲労試験機の水平なベッドの上に傾斜させておき、アクチュエータに先端部を丸くした押し棒を取り付けて１Ｈｚの繰り返し速度で受圧板の上面を押した。傾斜角度は８．８度、１４度、１７．２度、あるいは４５度にした。
【０１２９】
そして、試験機のロードセルの波形とセンサの出力波形を記録した。ずれ力は試験機のベッドと支持部材の傾斜角度θから、押し棒に加えた力Ｗにｓｉｎθを乗じて、ずれ力＝Ｗ×ｓｉｎθで求めた。
【０１３０】
図２３にずれ力と変動荷重検出装置の出力との関係を示す。グラフより、変動荷重検出装置は、ずれ力とセンサ出力が精度良く比例関係を示すことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
以上説明したように、本発明に係る変動荷重検出パッドは、薄型でありながら、耐荷重が大きく、大きな変動荷重を検出することができる。したがって、クレーン車におけるアウトリガーのベース底面の変動荷重、コンテナトレーラのコンテナと車両との間の変動荷重、軌道と枕木の間の変動荷重、プレス機械の変動荷重、車両の衝突衝撃力等、大きな荷重を測定する際に利用可能である。
【符号の説明】
【０１３２】
１ 変動荷重検出パッド
２、２ａ〜２ｈ、２ａ’〜２ｈ’変動荷重検出板
３ 分布型変動荷重検出板
４ 変動荷重検出装置
５ 変動荷重検出装置
６ 変動荷重検出装置
７ 変動荷重検出装置
８ 変動荷重検出装置
１１ 圧電板
１２ 電極板
１３ 電極板
１４ 絶縁板
１５ 絶縁板
１６ スペーサ
１７ 接着部材
１８ 端子部
１９ 端子部
２０ 電極膜
２１ 電極膜
２２ 弾性層
２３ 弾性層
２４ 剛性板
２５ 剛性板
２６ 対象物
２７ 載置台
２８ 砂粒
３１ 受圧板
３２ 受圧板
３３ 固定部材
４１ 受圧部材
４２ 弾性板
４３ 支持部材
４４ ずれ力伝達部
４４ａ、４４ａ’、４４ｂ、４４ｂ’ずれ力伝達部
４５ 孔
４６ ベース
４７ 固定部材
４８ 固定部材
５１ 変動荷重検出パッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子圧電材料から形成された圧電板と、
前記圧電板を挟む一対の電極板と、
前記一対の電極板を挟む一対の絶縁板と、を備え、
前記一対の電極板はそれぞれ前記圧電板に直に面接触し、且つ、非接着であり、
負荷される荷重に応じて前記圧電板の厚みを変化させ、前記圧電板から前記荷重に応じた電圧を出力させる、ことを特徴とする変動荷重検出パッド。
【請求項２】
前記一対の電極板のうち少なくとも一方が前記圧電板の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の変動荷重検出パッド。
【請求項３】
前記電極板が金属板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の変動荷重検出パッド。
【請求項４】
前記金属板が耐腐食性の金属板或いは表面に錆止め処理が施された金属板であることを特徴とする請求項３に記載の変動荷重検出パッド。
【請求項５】
前記絶縁板は、硬質樹脂素材から構成されることを特徴とする請求項１に記載の変動荷重検出パッド。
【請求項６】
前記絶縁板は、前記荷重を前記一対の電極板に分散させる弾性素材から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の変動荷重検出パッド。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の変動荷重検出パッドと、
前記変動荷重検出パッドを挟む一対の受圧板と、
前記一対の受圧板を互いに押し合わせて前記変動荷重検出パッドと一体的に固定させる固定部材と、を備えることを特徴とする変動荷重検出板。
【請求項８】
前記圧電板に所定の負荷が加わるように前記固定部材によって固定され、
前記所定の負荷を超える荷重に応じて前記圧電板の厚み変化を生じさせる、ことを特徴とする請求項７に記載の変動荷重検出板。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載の変動荷重検出パッドが同一平面上に複数配置されていることを特徴とする分布型変動荷重検出板。
【請求項１０】
請求項７又は８に記載の変動荷重検出板が同一平面上に複数配置されていることを特徴とする分布型変動荷重検出板。
【請求項１１】
凹部が形成されて受圧面及び垂下部を有する断面コの字状の受圧部材と、
前記垂下部内壁に対向配置される一対の請求項７又は８に記載の変動荷重検出板と、
前記一対の変動荷重検出板に当接するずれ力伝達部を有し、前記ずれ力伝達部が前記受圧部材の凹部に内包される支持部材と、
前記受圧部材と前記支持部材との間に配置された弾性板と、を備え、
前記受圧部材に負荷される荷重によって前記受圧面に沿って生じるずれ力が前記ずれ力伝達部に伝達され、
前記ずれ力伝達部によって前記一対の変動荷重検出板のいずれかが押圧され、
前記一対の変動荷重検出板からそれぞれ出力される電圧の差から前記ずれ力を検出する、ことを特徴とする変動荷重検出装置。
【請求項１２】
前記一対の変動荷重検出板が二組それぞれ対向配置され、一組の前記変動荷重検出板を結ぶ線と他の一組の前記変動荷重検出板を結ぶ線とが十字状に交差していることを特徴とする請求項１１に記載の変動荷重検出装置。
【請求項１３】
前記凹部が円盤状であり、前記凹部の周壁に複数対の前記変動荷重検出板がそれぞれ対向配置され、
前記支持部材は複数対の前記変動荷重検出板に当接する円盤状の前記ずれ力伝達部を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の変動荷重検出装置。
【請求項１４】
更に、前記支持部材の底面に請求項１乃至６のいずれかに記載の変動荷重検出パッドが配置され、前記受圧部材に加わる変動荷重を検出する請求項１１乃至１３のいずれかに記載の変動荷重検出装置。
【請求項１】
高分子圧電材料から形成された圧電板と、
前記圧電板を挟む一対の電極板と、
前記一対の電極板を挟む一対の絶縁板と、を備え、
前記一対の電極板はそれぞれ前記圧電板に直に面接触し、且つ、非接着であり、
負荷される荷重に応じて前記圧電板の厚みを変化させ、前記圧電板から前記荷重に応じた電圧を出力させる、ことを特徴とする変動荷重検出パッド。
【請求項２】
前記一対の電極板のうち少なくとも一方が前記圧電板の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の変動荷重検出パッド。
【請求項３】
前記電極板が金属板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の変動荷重検出パッド。
【請求項４】
前記金属板が耐腐食性の金属板或いは表面に錆止め処理が施された金属板であることを特徴とする請求項３に記載の変動荷重検出パッド。
【請求項５】
前記絶縁板は、硬質樹脂素材から構成されることを特徴とする請求項１に記載の変動荷重検出パッド。
【請求項６】
前記絶縁板は、前記荷重を前記一対の電極板に分散させる弾性素材から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の変動荷重検出パッド。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の変動荷重検出パッドと、
前記変動荷重検出パッドを挟む一対の受圧板と、
前記一対の受圧板を互いに押し合わせて前記変動荷重検出パッドと一体的に固定させる固定部材と、を備えることを特徴とする変動荷重検出板。
【請求項８】
前記圧電板に所定の負荷が加わるように前記固定部材によって固定され、
前記所定の負荷を超える荷重に応じて前記圧電板の厚み変化を生じさせる、ことを特徴とする請求項７に記載の変動荷重検出板。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載の変動荷重検出パッドが同一平面上に複数配置されていることを特徴とする分布型変動荷重検出板。
【請求項１０】
請求項７又は８に記載の変動荷重検出板が同一平面上に複数配置されていることを特徴とする分布型変動荷重検出板。
【請求項１１】
凹部が形成されて受圧面及び垂下部を有する断面コの字状の受圧部材と、
前記垂下部内壁に対向配置される一対の請求項７又は８に記載の変動荷重検出板と、
前記一対の変動荷重検出板に当接するずれ力伝達部を有し、前記ずれ力伝達部が前記受圧部材の凹部に内包される支持部材と、
前記受圧部材と前記支持部材との間に配置された弾性板と、を備え、
前記受圧部材に負荷される荷重によって前記受圧面に沿って生じるずれ力が前記ずれ力伝達部に伝達され、
前記ずれ力伝達部によって前記一対の変動荷重検出板のいずれかが押圧され、
前記一対の変動荷重検出板からそれぞれ出力される電圧の差から前記ずれ力を検出する、ことを特徴とする変動荷重検出装置。
【請求項１２】
前記一対の変動荷重検出板が二組それぞれ対向配置され、一組の前記変動荷重検出板を結ぶ線と他の一組の前記変動荷重検出板を結ぶ線とが十字状に交差していることを特徴とする請求項１１に記載の変動荷重検出装置。
【請求項１３】
前記凹部が円盤状であり、前記凹部の周壁に複数対の前記変動荷重検出板がそれぞれ対向配置され、
前記支持部材は複数対の前記変動荷重検出板に当接する円盤状の前記ずれ力伝達部を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の変動荷重検出装置。
【請求項１４】
更に、前記支持部材の底面に請求項１乃至６のいずれかに記載の変動荷重検出パッドが配置され、前記受圧部材に加わる変動荷重を検出する請求項１１乃至１３のいずれかに記載の変動荷重検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１１−４３４４２（Ｐ２０１１−４３４４２Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９２５５７（Ｐ２００９−１９２５５７）
【出願日】平成２１年８月２１日（２００９．８．２１）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２１日（２００９．８．２１）
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【Ｆターム（参考）】
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