CN101140191A - 载荷检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种载荷检测装置，该载荷检测装置包括：空心圆筒形应变体(11)，该应变体在其外周面或内周面上设有至少一个应变检测元件(16等)；固定到该应变体的一个轴向端部上的第一部件(21)；以及固定到该应变体的另一个轴向端部上的第二部件(24)。该载荷检测装置构造成当第二部件和第一部件之一在垂直于应变体的轴线(C)的方向上接收载荷时，剪力被施加到该应变体上。

Description

载荷检测装置
本申请基于2006年9月7日提交的日本专利申请No.2006-243455，其内容通过参考结合于此。
技术领域
本发明涉及用于各种载荷的检测的载荷检测装置，所述载荷诸如车辆踏板等的下压载荷、车辆驻车制动器的缆索拉力和车辆座椅的座椅载荷。
背景技术
用于以上检测的传统的载荷检测装置具有如图9至图11所示的结构。图9是传统的载荷检测装置的透视图，图10是该载荷检测装置中的应变体的展开图，图11是该载荷检测装置的电路图。在图9至图11中，载荷检测装置包括空心圆筒形应变体1、一对周向应变检测元件2、一对轴向应变检测元件3、电源电极4、GND电极5以及输出电极6等。
也就是说，在受到载荷时发生应变的空心圆筒形应变体1的外周面上，设有检测应变体1上发生的应变的一对周向应变检测元件2和一对轴向应变检测元件3。同样在空心圆柱形应变体1的外周面上，还设有通过电路图案7与成对的周向应变检测元件2和成对的轴向应变检测元件3电连接的电源电极4、GND电极5和输出电极6。因而，构造出如图11所示的桥接电路。
如此构造的传统载荷检测装置在载荷(压缩力)平行于空心圆筒形应变体1的轴线C施加到该应变体的状态下使用。也就是说，当压缩力平行于应变体1的轴线C施加时，在挠曲(deflected)的应变体1中发生应变，并且成对的轴向应变检测元件3的阻值降低，而成对的周向应变检测元件2的阻值升高。与电源电极4、GND电极5和输出电极6一起构成桥接电路的成对的轴向应变检测元件3和成对的周向应变检测元件2从输出电极6输出对应于施加到应变体1上的压缩力的输出信号(电压)。作为公开这种载荷检测装置的公知文献，可例举随后的专利文献1(日本专利申请特开No.H6-207866)。
然而，以上载荷检测装置具有这样的构造，即，使得载荷平行于应变体1的轴线C施加到该应变体1上，并且因此在应变体1中发生压缩应变。然而空心圆筒形应变体1很难通过轴线C方向上的压缩力变形，从而有检测到的压缩应变的幅度的限制。因而，成对的轴向应变检测元件3和成对的周向应变检测元件2可能很难检测到应变。结果，降低了从输出电极6输出的输出信号的灵敏度。
本发明是考虑到上述情况而做出的，并且因此其目的是提供其中应变体可通过施加到其上的载荷容易地挠曲的载荷检测装置，从而提高输出信号的灵敏度。
发明内容
为了实现以上目的，在根据本发明的载荷检测装置中，应变体构造成比传统的应变体易于挠曲，并且在应变体上设置至少一个应变检测元件以比传统的应变检测元件更可靠地检测应变体上的应变。详细地，本发明提供一种载荷检测装置，其特征在于，(i)一空心圆筒形应变体，在其外周面或内周面上设有至少一个应变检测元件，(ii)固定到该应变体的一个轴向端部上的第一部件，和(iii)固定到该应变体的另一个轴向端部上的第二部件，(iv)其中载荷检测装置构造成当第二部件和第一部件之一受到沿垂直于应变体的轴线的方向的载荷时，剪力被施加在应变体上。
优选地，第一部件总体上具体轴状构形，而第二部件总体上具有圈状构形。另外，第一部件包括支承应变体的所述一个轴向端部的第一支承部分，和从第一支承部分的两侧沿应变体的轴线延伸的轴部分。此外，第一支承部分优选地支承应变体的所述一个端部的全周(all-around)。
第一支承部分优选地与轴部分形成一体并具有盘形，并且轴部分贯穿应变体的孔并在其两个轴向端部处被固定。另外，第一支承部分包括支承应变体的盘形支承部分和可轴向滑动地配合到轴部分上的管状配合部分，并且轴部分贯穿应变体的孔，并且在其两个轴向端部处被固定。
第二部件可包括支承应变体的所述另一个端部的第二支承部分和位于应变体径向外侧的空心部分。第二支承部分优选地支承应变体的所述另一个端部的全周。第二支承部分优选地与第一支承部件的第一支承部分相对，并且可相对于第一支承部分径向地移动。优选地在应变体的轴向方向和/或周向方向上在内周面或外周面上布置有多个应变检测元件，并且所述多个应变检测元件在周向方向上布置在整个应变体上。
根据本发明的载荷检测装置，其包括：一空心圆筒形应变体，在其外周面或内周面上设有至少一个应变检测元件；固定到应变体的一个轴向端部上的第一部件；和固定到应变体的另一个轴向端部上的第二部件。该载荷检测装置构造成当第二部件和第一部件之一受到沿垂直于应变体的轴线的方向的载荷时，剪力被施加到应变体上。显然，应变体的两个轴向端部分别由第一支承部件和第二支承部件支承。
因而，在垂直于轴线的方向上施加载荷，该载荷的幅度与传统技术中在空心圆筒形应变体的轴向方向上施加到其上的载荷的幅度相同。结果，应变体比传统技术较容易地变形并且较容易地发生应变，这使得通过应变检测元件的应变检测较容易，以提高输出信号的灵敏度。
根据权利要求2所述的载荷检测装置，借助通过将第一部件的一部分插入第二部件保持轴向长度较短，应变体的一个端部和另一个端部可由第一部件和第二部件支承。根据权利要求3所述的载荷检测装置，应变体的一个端部可由第一支承部件的支承部分适当地支承，第一支承部件的轴部分是固定的。根据权利要求4所述的载荷检测装置，应变体的一个端部的全周可由第一支承部分可靠地支承。
根据权利要求5和6所述的载荷检测装置，当载荷检测装置附装到第一和第二相配附装件上时，在其安装到第二相配附装件的预定位置上之后，可将轴部分插入到第一部件的配合部分的内侧，并同时插入到第一相配附装件的附装孔中。以这种方式，载荷检测装置可以容易地附装到相配附装件上，而不会使第一和第二相配附装件的结构较复杂。
根据权利要求7和12所述的载荷检测装置，第二部件可在第二部分处支承应变体的所述另一个端部，并且可在空心部分处接收载荷。根据权利要求8和13所述的载荷检测装置，应变体的所述另一个端部的全周可由第二部件可靠地支承。根据权利要求9和14所述的载荷检测装置，彼此相对的第二支承部分和第一支承部分可支承应变体的两端，以将剪力施加到应变体上。
根据权利要求10、11、15和16所述的载荷检测装置，即使当载荷在绕轴线周向地移动的点处施加到第二部件上时，应变检测元件中的任意一个也可检测应变，这使得能够准确地检测施加到应变体的载荷。
附图说明
图1是示出作为本发明一个示例的载荷检测装置的透视图；
图2是图1所示的载荷检测装置的纵向截面图；
图3是图1所示的载荷检测装置的侧视图；
图4是在图1所示的载荷检测装置中采用的应变体的展开视图；
图5是该载荷检测装置的电路图；
图6是示出图1所示的载荷检测装置的工作状态的视图；
图7是本发明另一个实施例的载荷检测装置的侧视截面图；
图8是在本发明该另一个实施例中采用的载荷检测装置的应变体的展开图；
图9是传统的载荷检测装置的透视图；
图10是在图1所示的以上载荷检测装置中的应变体的展开视图；
图11是该载荷检测装置的电路图。
具体实施方式
以下，将参照附图说明根据本发明的一个实施例的载荷检测装置。
图1是示出作为本发明一个示例的载荷检测装置10的透视图，图2是图1所示的载荷检测装置10的纵向截面图，图3是图1所示的载荷检测装置10的侧视图，图4是在载荷检测装置10中采用的应变体的展开图。
如图1至图4所示，载荷检测装置10包括具有空心形状的应变体11、总体上为轴状构形的固定件(第一部件)21和总体上是圈状——即相互同轴地布置的环状构形——的移动件(第二部件)24。在图2和4中，例如由铁素体不锈钢制成并且可容易地弹性变形的金属制空心圆筒形应变体11布置成其轴线C水平地定向。该应变体在图2的纵向截面图中具有矩形形状，该矩形形状在轴向方向上长并且在径向方向上短。在应变体11的外周面上，相邻地设置有全都由导电材料制成的电源电极12、第一输出电极13、第二输出电极14和GND电极15。
在图4中，在应变体11的外周面上，在周向方向和轴向方向上的不同位置处布置有四个应变电阻元件16、18、19和20，以构造完全桥接电路28。应变电阻元件16等通过其膨胀/收缩将应变转换成电阻的变化和电阻的变化。完全桥接电路28作为整体将电阻的变化转换成电压的变化。
详细地，在图4中，应变体11在外周面的下部处设有第一应变电阻元件(应变检测元件)16。第一应变电阻元件16的一端经由电路图案17电连接到电源电极12，其另一端电连接到第二输出电极14。在图4中，在应变体11的外周面的下部处，还与第一应变电阻元件16基本平行地设有第二应变电阻元件(应变检测元件)18，该第二应变电阻元件的一端经由电路图案17电连接到电源电极12，其另一端电连接到第一输出电极13。
在图4中，应变体11在外周面的上部处设有第三应变电阻元件(应变检测元件)19。第三应变电阻元件19的一端经由电路图案17电连接到第一应变电阻元件16和第二输出电极14，其另一端电连接到GND电极15。在图4中，在应变体11的外周面的上部处，还与第三应变电阻元件19基本平行地设有第四应变电阻元件(应变检测元件)20，该第四应变电阻元件的一端电连接到第二应变电阻元件18和第一输出电极13，其另一端电连接到GND电极15。这样，构造成完全桥接电路28。
在应变体11的轴向方向上，应变电阻元件16和18以及应变电阻元件19和20相邻地布置，而在应变体的周向方向上，应变电阻元件16和19以及应变电阻元件18和20间隔地布置。
金属制固定件(第一部件)21例如由铁素体不锈钢制成，并且包括盘形附装部分(第一支承部分)22和轴部分23，附装部分22一体地设置在轴部分的纵向中部上。附装部分22的外周22a通过焊接与在应变体11的一个轴向端部处的一端接合，从而使外周22a在一个轴向端部处(图2中的左端)封闭应变体11的开口。固定件21的轴部分23的另一个轴向端部(图2中的右端)贯穿空心圆筒形应变体11的空心部分。
金属制移动件(第二部件)24例如由铁素体不锈钢制成，并且包括环形垫圈25和总体为圆筒形的附装件26，该附装件附装到垫圈25的一个轴向端部上以用作外壳。附装件26包括盘部分26a和空心部分26b。在附装件26的空心部分26b的径向内侧，垫圈(第二支承部分)25的外周25a与应变体11的在另一个轴向端部(图2中的右端)处的另一个边缘通过焊接接合。利用在附装部分22的外周22a与垫圈25的外周25a之间形成的轴向间隙29c，布置上述应变体11。
顺便提及，固定件21的附装部分22的外周22a也位于附装件26的空心部分26b的径向内侧，以与外周25a轴向相对。这样，在用作外壳的附装件26内，容纳有附装部分22、应变体11和垫圈25。
在附装部分22的外周面与空心部分26b的内周面之间形成有径向空间29a，同时在轴部分23的外周面与垫圈25的内周面之间形成有径向空间29b。结果，垫圈25可相对于固定件21的附装部分22径向地移动。
在该实施例中，载荷检测装置10在应变体11和移动件24的空心部分26b接收沿垂直于轴线C的方向施加的载荷的状态下使用。应注意，应变体11具有这样的截面形状，即，其径向尺寸小于轴向尺寸，并且易于通过径向向内施加的剪力而变形。
因此，当载荷垂直于轴线C(在图2中向下)施加到移动件24上时，剪力施加到应变体11上。当接收这种剪力时，与载荷平行于应变体的轴线C施加到应变体11上的传统技术相比，应变体11在其径向或厚度方向上更容易变形。结果，第一应变电阻元件16、第二应变电阻元件18、第三应变电阻元件19和第四应变电阻元件20容易检测到应变，由此提高了来自输出电极13和14的输出信号的灵敏度。
接下来，将说明如此构造的根据本发明一个实施例的载荷检测装置的制造过程。
首先，在待形成为应变体11的1mm厚度的空心圆筒形无缝不锈管(未示出)的外周面上印制玻璃胶(未示出)，然后将其在大约850℃的温度下烘烤大约10分钟的时间。接下来，在不锈管的外周面上，印制包含作为主要成分的银的导电胶(未示出)，然后将其在大约850℃的温度下烘烤大约10分钟。这样，电源电极12、第一输出电极13、第二输出电极14、GND电极15和电路图案17形成在不锈管的外周面上。
然后，在外周面上印制金属釉基电阻胶(未示出)之后，将不锈管在大约130℃下干燥大约10分钟，随后在大约850℃下烘烤不锈管大约10分钟。借此，形成第三应变电阻元件19、第四应变电阻元件20、第一应变电阻元件16和第二应变电阻元件18。通过上述过程，不锈管被制造成应变体11。
接下来，在固定件21的轴部分23贯穿应变体11的空心部分的状态，附装部分22通过焊接在一个轴向端部处抵靠到应变体11的开口端的整个外周上。随后，移动件24的垫圈25通过焊接在应变体11的另一个轴向端部处抵靠到开口端边缘上。最后，附装件26嵌合到垫圈25上并通过焊接附装到其上。
顺便提及，上述不锈管的印制和烘烤可在固定件21的附装部分22和垫圈25焊接到应变体11的各端部上之后进行。
在下文中，将说明如此构造的根据本发明一个实施例的载荷检测装置10的工作。
载荷检测装置10分别在固定件21的轴部分23的两端处固定到第一相配附装件(未示出)上，在移动件24的附装部分26处固定到第二相配附装件(未示出)上，从而使轴线C水平地定向。
这里，在根据本发明的所述实施例中，固定件21设置有轴部分23，该轴部分贯穿空心圆筒形应变体11的空心部分，并且在其两个轴向端部处被固定，这允许在其两个轴向端部处通过第一相配附装件支承固定件21。
保持并固定已贯穿应变体11的轴部分23的两个轴向端部对于防止在轴部分23上出现力矩是有效的。也就是说，与以悬臂方式支承应变体11的一个轴向端部的情况相比，防止了由垂直于轴线C并且从第二相配附装件施加到移动件24并继而施加到轴部分23的力产生的力矩的出现。结果，抑制了支承位置由于第一相配附装件(未示出)而变化，以避免完全桥接电路28的输出信号的变化。
在该状态下，如图6中的箭头X所示，当从第二相配附装件(未示出)向移动件24的空心部分26b施加向下的载荷时，移动件24，即垫圈25和附装部分26，相对于固定件24即附装部分22向下移动。载荷作为剪力施加到应变体11上。因而，在应变体11中沿剪切方向出现应变(弯曲应变)，这导致在都接收拉力的第四应变电阻元件20和第一应变电阻元件16中出现拉应力，而在都接收压力的第三应变电阻元件19和第二应变电阻元件18中出现压应力。因此，第一应变电阻元件16和第四应变电阻元件20的阻值升高，而第三应变电阻元件19和第二应变电阻元件18的阻值降低。
通过将电压施加到电源电极12并将GND电极15接地，测量第一输出电极13与第二输出电极14之间的电压差，以基于预定关系确定施加到应变体11的载荷。应注意，在图6中，为了容易理解该实施例，夸大了应变体11的应变。
在下文中，将说明本发明的其它实施例。应注意，在以下说明中，具有与在上述实施例中相同的功能的部件被标以相同的附图标记，并且省略了其说明。
在上述载荷检测装置10中，固定件21的轴部分23在其两个轴向端部处被固定，该轴部分23与固定件21形成一体并且贯穿空心圆筒形应变体11。然而，在另一实施例的载荷检测装置40中，如图7所示，固定件27设有贯穿空心圆筒形应变体11的管状套筒(配合部分)28。与固定件27独立的轴部件29固定地或可滑动地插入到套筒28的径向内侧，并且在其两个轴向端部处被固定。在这种情况下，同样可提供与以上实施例相同的优点。这里，可滑动的轴部件29提高了支承两个轴向端部的支承机构的柔性，由此即使当轴部件29与套筒28之间发生相对运动时，输出也不变化。
考虑图7的载荷检测装置40到相配附装件的附装。如上文所说明的，固定件27设有贯穿空心圆筒形应变体11的管状套筒28，并且与固定件27独立的轴部件29被插入到套筒28内侧，以在其两个轴向端部处被固定。因此，当载荷检测装置40附装到第一和第二相配附装件上时，在将载荷检测装置40的应变体11、固定件27和移动件24安装到第二相配附装件的预定位置上之后，可将轴部件29插入固定件27的套筒28的径向内侧，并插入到第一相配附装件的附装孔中。借此，载荷检测装置40能够容易地附装到相配附装件上，而无需使第一和第二相配附装件的结构复杂。
在以上实施例的载荷检测装置10中，如图4所示，在应变体11的外周面上，第一应变电阻元件16和第二应变电阻元件18与第三应变电阻元件19和第四应变电阻元件20周向地间隔。然而，在图8所示的另一个实施例中，第一应变电阻元件30、第二应变电阻元件31、第三应变电阻元件32和第四应变电阻元件33可布置在应变体11的整个外周面上。根据这种结构，由于第一应变电阻元件30、第二应变电阻元件31、第三应变电阻元件32和第四应变电阻元件33设置在应变体11的基本整个外周面上，所以可精确地测量施加到应变体11上的载荷。
也就是说，即使径向向内朝向轴线C的载荷施加到从预定点周向地偏移的点，第一应变电阻元件30、第二应变电阻元件31、第三应变电阻元件32和第四应变电阻元件33中任意一个的阻值也会发生变化。结果，桥接电路28工作以可靠地测量施加到应变体11上的载荷。顺便提及，应变电阻元件可由诸如金属薄膜之类的材料制成。
根据本发明的载荷检测装置，应变体容易地通过施加的载荷变形，从而提高了从完全桥接电路28的输出电极13和14输出的输出信号的灵敏度。特别地，该载荷检测装置可有效地用于各种载荷的检测，诸如车辆踏板等的下压载荷的检测、车辆驻车制动器的缆索拉力的检测和车辆座椅的座椅载荷的检测。
到此，已参照附图说明了本发明的一些实施例，但本发明也可以以如下的其它实施模式来实施。
例如，在本发明的上述载荷检测装置10中，电源电极12、第一输出电极13、第二输出电极14、GND电极15、电路图案17以及第一至第四应变电阻元件16至20设置在应变体11的外周面上。然而，电源电极12、第一输出电极13、第二输出电极14、GND电极15、电路图案17以及第一至第四应变电阻元件16至20可设置在应变体11的内周面上。
另外，在本发明的载荷检测装置10中构造成完全桥接电路的第一至第四应变电阻元件16至20可构造成半桥接电路。
在本发明的上述载荷检测装置10中，作为应变检测元件的第一至第四应变电阻元件16至20由厚膜电阻器构造。然而，第一至第四应变电阻元件16至20可由薄膜电阻器构造。作为应变检测元件，可使用压电元件等。总之，应变检测元件可充分地检测应变并将其转换成电信号。
在本发明的上述载荷检测装置10中，固定件21和移动件24分别用作第一部件和第二部件，但如果需要，可修改其预定形状。
在本发明的上述载荷检测装置10中，应变体11具有1mm的厚度，但可将该厚度修改成各种值。
上述应变体11由无缝不锈管构造。然而，其可通过接合矩形不锈板的两个纵向端部构造，或者其可在焊接到附装部分22和垫圈25上时形成为管形。
另外，本发明可以以没有逐个说明的各种方式实施，这些方式是基于本领域的技术人员的知识而修改或改进的。

Claims (16)

1.一种用于检测所施加的载荷的载荷检测装置，其特征在于包括：
空心圆筒形应变体(11)，所述应变体在其外周面或内周面上设有至少一个应变检测元件(16，18，19，20)；
固定到所述应变体(11)的一个轴向端部上的第一部件(21；27)；以及
固定到所述应变体的另一个轴向端部上的第二部件(24)；
其中所述载荷检测装置构造成当所述第二部件和所述第一部件之一在垂直于所述应变检测体的轴线的方向上接收载荷时，剪力被施加到所述应变体上。
2.根据权利要求1所述的载荷检测装置，其中，所述第一部件(21；27)总体上具有轴状构形，而所述第二部件(24)总体上具有圈状构形。
3.根据权利要求2所述的载荷检测装置，其中，所述第一部件(21；27)包括支承所述应变体的一个轴向端部的第一支承部分(22)和从所述第一支承部分的两侧沿所述应变体的轴线延伸的轴部分(23；29)。
4.根据权利要求3所述的载荷检测装置，其中，所述第一支承部分(22)支承所述应变体(11)的所述一个端部的全周。
5.根据权利要求4所述的载荷检测装置，其中，所述第一支承部分(22)与所述轴部分(23)形成一体并具有盘形；所述轴部分贯穿所述应变体的孔并且在两个轴向端部处被固定。
6.根据权利要求4所述的载荷检测装置，其中，所述第一支承部分(27)包括支承所述应变体的盘形支承部分(22)和可轴向滑动地配合到所述轴部分(29)上的管状配合部分(28)；所述轴部分贯穿所述应变体的孔并且在两个轴向端部处被固定。
7.根据权利要求5所述的载荷检测装置，其中，所述第二部件(24)包括支承所述应变体的另一个端部的第二支承部分(25)和位于所述应变体径向外侧的空心部分(26)。
8.根据权利要求7所述的载荷检测装置，其中，所述第二支承部分(25)支承所述应变体(11)的所述另一个端部的全周。
9.根据权利要求8所述的载荷检测装置，其中，所述第二支承部分(25)与所述第一支承部件(21)的第一支承部分(22)相对，并且可相对于所述第一支承部分径向地移动。
10.根据权利要求9所述的载荷检测装置，其中，所述多个应变检测元件(16，18，19，20)在轴向方向和/或周向方向上布置在所述内周面或所述外周面上。
11.根据权利要求10所述的载荷检测装置，其中，所述多个应变检测元件(16等)在周向方向上布置在整个应变体上。
12.根据权利要求6所述的载荷检测装置，其中，所述第二部件(24)包括支承所述应变体的另一个端部的第二支承部分(25)和位于所述应变体径向外侧的空心部分(26)。
13.根据权利要求12所述的载荷检测装置，其中，所述第二支承部分(25)支承所述应变体的所述另一个端部的全周。
14.根据权利要求13所述的载荷检测装置，其中，所述第二支承部分(25)与所述第一支承部件(21)的支承部分(22)相对，并且可相对于所述支承部分(22)径向地移动。
15.根据权利要求14所述的载荷检测装置，其中，所述多个应变检测元件(16等)在轴向方向和/或周向方向上布置在所述内周面或所述外周面上。
16.根据权利要求15所述的载荷检测装置，其中，所述多个应变检测元件在周向方向上布置在整个应变体上。
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