CN106461478A - 应变传感器和使用了该应变传感器的载荷检测装置 - Google Patents

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中岛耕郎
中岛耕一郎
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Abstract

应变传感器构成为对载荷进行检测。该应变传感器具备：具有环形形状的应变部；构成为被施加载荷的第一受压部；与应变部连接的第二受压部；以及至少设置于第一受压部和应变部中的任一方的应变检测元件。第一受压部在从应变部离开的第一方向上与应变部连接。第二受压部在从应变部离开的与第一方向相反侧的第二方向上与应变部连接。第一受压部仅设置于比应变部靠第一方向的位置。该应变传感器能够与载荷的施加方式无关而稳定地检测载荷。

Description

应变传感器和使用了该应变传感器的载荷检测装置
技术领域
本发明涉及一种对被施加的载荷进行检测的应变传感器和使用了该应变传感的载荷检测装置。
背景技术
使用对应变体的应变进行检测的应变传感器，来检测车辆用踏板类的踏入载荷。
图9是专利文献1中公开的现有的应变传感器1的剖视图。应变传感器1具有相互同心地配设的应变体2、固定构件(第一构件)3及位移构件(第二构件)4。在应变体2的下侧的外侧面设有第一应变电阻元件(应变检测元件)5。并且，第一应变电阻元件5的一端通过电路图案(未图示)与电源电极电连接。而且，另一端与第二输出电极连接。另外，在应变体2的下侧的外侧面上，与第一应变电阻元件5大致平行地设有第二应变电阻元件(应变检测元件)6。第二应变电阻元件6的一端通过电路图案(未图示)与电源电极电连接。另外，第二应变电阻元件6的另一端与第一输出电极(未图示)电连接。
此外，在应变体2的上侧的外侧面上设有第三应变电阻元件(应变检测元件)7。并且，第三应变电阻元件7的一端通过电路图案(未图示)与第一应变电阻元件5及第二输出电极电连接。另外，第三应变电阻元件7的另一端与GND电极(未图示)连接。
此外，在应变体2的上侧的外侧面上，与第三应变电阻元件7大致平行地设有第四应变电阻元件(应变检测元件)8。并且，第四应变电阻元件8的一端通过电路图案与第二应变电阻元件6及第一输出电极电连接。另外，第四应变电阻元件8的另一端与GND电极电连接。如以上那样构成全桥电路。
铁素体系不锈钢制的固定构件(第一构件)3包括圆盘形状的安装部9和轴部10，该轴部10在长度方向的中间部一体地具备安装部9。并且，在通过安装部9将应变体2的一端开口部闭塞的状态下，将安装部9的外周部以嵌合状态焊接于应变体2的侧缘。另外，固定构件3的轴部10的一端部将应变体2的内侧贯通。金属制(例如铁素体系不锈钢制)的位移构件(第二构件)4包括圆环形状的垫圈11和固定于垫圈11的一端的作为壳体而发挥功能的圆筒状的安装构件12。并且，在安装构件12的内侧，垫圈11的外周部通过焊接以嵌合状态固定于应变体2中的另一端部的开口缘。在作为壳体而发挥功能的圆筒状的安装构件12内收容有安装部9、应变体2、垫圈11。
应变传感器1构成为，通过在与应变体2的轴心2A垂直的方向上对位移构件4施加载荷，由此在应变体2上作用有剪切力。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4230500号公报
发明内容
应变传感器构成为对载荷进行检测。该应变传感器具备：具有环形形状的应变部；构成为被施加载荷的第一受压部；与应变部连接的第二受压部；以及至少设置于第一受压部和应变部中的任一方的应变检测元件。第一受压部在从应变部离开的第一方向上与应变部连接。第二受压部在从应变部离开的与第一方向相反侧的第二方向上与应变部连接。第一受压部仅设置于比应变部靠第一方向的位置。
该应变传感器能够与载荷的施加方式无关而稳定地检测载荷。
附图说明
图1A是实施方式的应变传感器的俯视图。
图1B是实施方式的应变传感器的侧视图。
图1C是图1A所示的应变传感器的线IC-IC处的剖视图。
图2是实施方式的应变传感器的应变部的外周面的展开图。
图3是实施方式的应变传感器的电路图。
图4A是在实施方式的应变传感器上施加有载荷时的局部放大剖视图。
图4B是在比较例的应变传感器上施加有载荷时的局部放大剖视图。
图5是实施方式的另一应变传感器的剖视图。
图6是实施方式的再一应变传感器的剖视图。
图7是使用了实施方式的应变传感器的载荷检测装置的侧视图。
图8是图7所示的载荷检测装置的线VIII-VIII处的剖视图。
图9是现有的应变传感器的剖视图。
具体实施方式
图1A和图1B分别是实施方式的应变传感器21的俯视图和侧视图。图1C是图1A所示的应变传感器21的线IC-IC处的剖视图。
应变传感器21包括应变部22、与应变部22连接的受压部25、27、以及在应变部22上设置的应变检测元件28。应变部22具有包围中心轴22L的环形形状。具有环形形状的应变部22具有沿着中心轴22L而彼此位于相反侧的开口部23、26。受压部25与应变部22的开口部23连接。受压部25具有面向应变部22的开口部23而与开口部23连接的面24。受压部27与应变部22的开口部26连接。具有环形形状的应变部22具有：朝向从中心轴22L以直角呈放射状离开的径向22R的外周面22A；以及与径向22R相反地朝向中心轴22L的内周面22B。应变检测元件28设置在应变部22的外周面22A上。受压部27构成为固定于固定部44(参照图1C)。受压部25的径向22R的长度L1比应变部22的中心轴22L的轴向22M的长度L2长。在受压部25的内侧设有具有面29、30的承受部31。即，承受部31设置于受压部25的与径向22相反的方向上的部分。受压部25的面24面向应变部22。承受部31的面29面向应变部22。承受部31的轴向22M的长度L3比受压部25的轴向22M的长度L4短。在承受部31上以朝向径向22R的承受部31的内侧而使轴向22M的长度变短的方式设有锥面32。由此，在形成承受部31时能够防止产生飞边。因此，能够防止向承受部31的特定的位置的应力集中。承受部31的面29面向应变部22的开口部26。受压部25的开口部26侧的面24和承受部31的开口部26侧的面29位于比连接部33在轴向22M上靠开口部23侧的位置，连接部33是应变部22与受压部25连接的部位。这样，受压部25从应变部22沿着轴向22M且在从应变部22离开的方向D1上与应变部22连接。受压部27在从应变部22离开的与方向D1相反侧的方向D2上与应变部22连接。
图2是实施方式的应变传感器21的应变部22的外周面22A的展开图。图3是实施方式的应变传感器21的电路图。应变检测元件28包括应变电阻34、35、36、37。在应变部22的外周面22A设有包括输出电极38、39、电源电极40及接地电极41在内的电路图案28A。应变电阻34在电源电极40与输出电极38之间与电源电极40和输出电极38串联连接。应变电阻35在接地电极41与输出电极38之间与接地电极41和输出电极38串联连接。应变电阻36在电源电极40与输出电极39之间与电源电极40和输出电极39串联连接。应变电阻37在接地电极41与输出电极39之间与接地电极41和输出电极39串联连接。应变电阻34、36与应变电阻35、37相比，在轴向22M上更接近受压部25配置。如图3所示，由应变检测元件28和电路图案28A构成全桥电路。当应变部22发生变形时，应变检测元件28的应变电阻34～37的电阻值发生变化，通过检测该变化能够检测出在应变部22上产生的应变。因此，通过将应变检测元件28配置在应变部22大幅发生变形的部位，由此能够提高应变传感器21的灵敏度。需要说明的是，虽然将应变检测元件28设置于应变部22，但也可以将应变检测元件28的一部分设置于受压部25、受压部27。
接着，对应变传感器21的制造方法进行说明。
在由不锈钢等金属等的弹性构件构成的环形形状的基材的外周面印刷玻璃糊剂之后，在约550℃下烧成约10分钟来形成应变部22。接着，在应变部22的外周面22A印刷银的糊剂，并在约550℃下烧成约10分钟来形成电路图案28A。接着，印刷电阻糊剂，并将应变部22在约550℃下烧成约10分钟，由此形成应变电阻34～37，从而形成应变传感器21。
接着，对在应变传感器21上施加有载荷时在应变传感器21上产生的应变的检测进行说明。图4A是在应变传感器21上施加有载荷F1时的局部放大剖视图。图4B是在比较例的应变传感器521上施加有载荷F1时的局部放大剖视图。在图4B中，在与图1A至图1C所示的实施方式的应变传感器21相同的部分上标注相同的参照符号。比较例的应变传感器521取代实施方式的应变传感器21的受压部25，而具备通过连接部33与应变部22的开口部23连接的受压部525。受压部525具有比连接部33更向方向D2延伸的承受部531。载荷F1经由受压部525(承受部531)而在部位P3处向应变部22的部位传递，在应变部22中的连接部33附近的部位P1处，应变部22大幅发生变形。优选应变检测元件28设置于应变部22大幅发生变形的部位P1。在以下的说明中，对在设有应变检测元件28的一部分的部位P1处作用的力矩进行说明。
在实施方式中，具有沿着中心轴22L延伸的棒形状的构件42对承受部31施加载荷F1。此时，存在：沿径向22R对承受部31施加载荷F1的情况；以及构件42与承受部31的部位P2倾斜接触而仅对承受部31的一部分施加载荷F1，从而向受压部25传递偏载荷的情况。在构件42与承受部31倾斜接触时，存在从构件42向承受部31的面30侧施加载荷F1的情况、从构件42向承受部31的面29侧施加载荷F1的情况，针对上述各情况来说明向受压部25传递载荷F1时的动作。
在沿径向22R对承受部31施加载荷F1的情况下，由于受压部27固定于固定部44，因此与承受部31的形状无关地、以沿径向22R按压的方式向受压部25传递载荷F1。由此，在部位P1处作用有从部位P1的方向D1朝向径向22R的方向的力矩M1。
另外，在构件42与承受部31的面30附近的部位倾斜接触而对承受部31施加有偏载荷时，与承受部31的形状无关地、以沿径向22R按压的方式向受压部25传递载荷F1。由此，在部位P1处作用有上述方向的力矩M1。
另一方面，在构件42与承受部31、531的面29、529附近的部位倾斜接触而对承受部31、531偏颇地施加载荷F1时，如图4A、图4B所示，根据承受部31、531的形状的不同，向受压部25、525分别传递的载荷的方向也不同。
在图4A所示的实施方式的应变传感器21中，面29位于比连接部33靠方向D1的位置，与沿径向22R对承受部31施加载荷F1的情况同样，沿径向22R向部位P1传递载荷。这样，在从构件42向承受部31施加载荷F1时，无论构件42怎样与承受部31接触，向受压部25传递的载荷的方向都成为径向22R。因此，对部位P1作用有上述方向的力矩M1，与载荷F1向承受部31的施加方式无关，应变部22都同样地变形，因此即便存在偏载荷的影响，也能够稳定地检测应变。
与此相对，在图4B所示的比较例的应变传感器521中，承受部31向方向D2延伸，且面529位于比连接部33靠方向D2的位置，因此对应变部22施加的载荷与沿径向22R对承受部31施加载荷F1时不同。虽然承受部531整体被载荷F1沿径向22R按压，但对部位P1以承受部531与构件42的接触点为中心而作用有从部位P1的方向D2朝向径向22R的方向的力矩M2。因此，向承受部31的面30附近的部位施加有载荷F1时，应变部22的变形方式与实施方式的应变传感器21不同。这样，根据构件42向承受部31、531接触的接触方式的不同而灵敏度有所不同，因此比较例的应变传感器521无法稳定地检测应变。
另外，在图9所示的现有的应变传感器1中，若从固定构件3向应变体2施加载荷时施加有偏颇的载荷，则根据载荷的施加方式的不同而导致对载荷的灵敏度发生变化，从而无法稳定地检测载荷。
这样，根据面29相对于连接部33位于方向D1还是位于方向D2，而导致应变传感器的检测灵敏度大幅发生变化。实施方式的应变传感器21的面29位于比连接部33靠方向D1的位置。即，受压部25的承受部31构成为，在轴向22M上比连接部33靠方向D1的部位承受载荷，在轴向22M上比连接部33靠方向D2的部位不承受载荷。因此，应变传感器21能够稳定地检测应变即载荷，能够提高检测精度。
另外，根据面29相对于连接部33位于方向D1还是位于方向D2，而导致向受压部25传递的载荷的方向发生变化，但面29接近连接部33的话能够减小偏载荷的影响。因此，在实施方式的应变传感器21中，以使面24和面29成为同一平面的方式形成承受部31。因此，能够将受压部25和承受部31由同一构件形成，从而能够简化工序而提高生产率。而且，在应变传感器21中，由于在接近连接部33的位置具有面29，因此能够更有效地减小偏载荷的影响。
需要说明的是，承受部31的轴向22M的长度短的话能减小偏载荷的影响，但当过于短时，因应力集中而变得容易损坏。因此，根据使用用途来将承受部31的轴向22M的长度适当设计成不会因应力集中而破坏的程度的长度为好。
需要说明的是，虽然实施方式的应变传感器21具备承受部31，但也可以不具备承受部31而从构件42对受压部25直接施加载荷。在该情况下，只要面24位于比连接部33靠方向D1的位置，就能够得到实施方式的效果。
需要说明的是，应变检测元件28也可以至少设置于受压部25和应变部22中的任一方。
图5是实施方式的另一应变传感器21A的剖视图。在图5中，在与图1C所示的应变传感器21相同的部分标注相同的参照符号。在应变传感器21A中，应变检测元件28不设置于应变部22，而设置于受压部25。应变传感器21A具有与图1C所示的应变传感器21同样的效果。
图6是实施方式的再一应变传感器21B的剖视图。在图6中，在与图1C所示的应变传感器21相同的部分标注相同的参照符号。在应变传感器21B中，应变检测元件28不是仅设置于应变部22，而是设置于应变部22和受压部25。应变传感器21B具有与图1C所示的应变传感器21同样的效果。
图7是使用了实施方式的应变传感器21(21A、21B)的载荷检测装置43的侧视图。图8是图7所示的载荷检测装置43的线VIII-VIII处的剖视图。
在应变传感器21(21A、21B)的受压部27的外周安装有固定部44，受压部27固定于固定部44。
载荷检测装置43具备被输入作为踏力的载荷F2的踏板臂即输入构件45、与输入构件45连接的连接构件48、及与连接构件48连接且传递载荷F2的传递构件49。连接构件48包括U形夹47和与输入构件45连接的U形夹销46。传递构件49是与U形夹47连接的操作杆。
在踏板臂(输入构件45)上设有孔50，应变传感器21(21A、21B)嵌合于孔50。应变传感器21(21A、21B)通过螺钉等与踏板臂连接。在应变传感器21(21A、21B)的中心部，以沿着应变传感器21(21A、21B)的轴向22M延伸的方式插入有U形夹销46。应变传感器21(21A、21B)的承受部31与U形夹销46接触。固定部44以与踏板臂接触的方式被固定。
载荷检测装置43安装于车辆43A，当车辆的乘坐人员踩踏踏板臂(输入构件45)而对踏板臂施加作为踏力的输入载荷F2时，通过踏板臂将U形夹销46(连接构件48)朝向操作杆(传递构件49)按压。由于在应变传感器21(21A、21B)中插入有U形夹销46，因此通过U形夹销46而向操作杆的方向对承受部31施加载荷F3。即，传递构件49与连接构件48连接，将基于输入载荷F2的载荷F3向应变传感器21(21A、21B)的受压部25的承受部31传递。通过载荷F2而在应变部22上产生剪切应变，通过在应变部22设置的应变检测元件28来检测剪切应变，由此能够检测出载荷F2。
在此，根据乘坐人员的踏板臂的踩踏方式的不同，U形夹销46有时与应变传感器21(21A、21B)倾斜接触，但由于应变传感器21(21A、21B)能够减小偏载荷的影响，因此能够与乘坐人员的踩踏方式无关而稳定地检测载荷F2。
工业实用性
本发明的应变传感器能够与应变的传递方式无关而稳定地检测应变，因此在车辆用踏板类的踏入载荷的检测、车辆用驻车制动器的拉索张力的检测、车辆用座椅的座面载荷的检测等中是有用的。
符号说明：
21 应变传感器
22 应变部
23 开口部(第一开口部)
24 面(第一面)
25 受压部(第一受压部)
26 开口部(第二开口部)
27 受压部(第二受压部)
28 应变检测元件
29 面(第二面)
31 承受部
32 锥面
43 载荷检测装置
45 输入构件
48 连接构件
49 传递构件

Claims (6)

1.一种应变传感器，其对载荷进行检测，
所述应变传感器的特征在于，具备：
应变部，其具有环形形状；
第一受压部，其构成为被施加所述载荷，且在从所述应变部离开的第一方向上与所述应变部连接；
第二受压部，其在从所述应变部离开的与所述第一方向相反侧的第二方向上与所述应变部连接；以及
应变检测元件，其至少设置于所述第一受压部和所述应变部中的任一方，
所述第一受压部仅设置在比所述应变部靠所述第一方向的位置。
2.根据权利要求1所述的应变传感器，其中，
所述应变部的所述环形形状包围沿轴向延伸的中心轴，
所述第一受压部具备承受部，所述承受部设置在所述第一受压部的与从所述中心轴离开的径向相反的方向上的部分，
所述承受部的所述轴向的长度比所述第一受压部的所述轴向的长度短。
3.根据权利要求2所述的应变传感器，其中，
所述第一受压部具有面向所述应变部的第一面，
所述承受部具有面向所述应变部的第二面。
4.根据权利要求3所述的应变传感器，其中，
所述第一面和所述第二面设置在同一平面上。
5.根据权利要求1所述的应变传感器，其中，
所述应变部的所述环形形状包围沿轴向延伸的中心轴，
所述第一受压部具有朝向与从所述中心轴离开的径向相反的方向而使所述第一受压部的所述轴向的长度变短的锥面。
6.一种载荷检测装置，其特征在于，具备：
权利要求1至5中任一项所述的应变传感器；
输入构件，其被施加输入载荷；
连接构件，其与所述输入构件连接；以及
传递构件，其与所述连接构件连接，将基于所述输入载荷的载荷向所述应变传感器的所述第一受压部传递。
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