CN107209073B - 力传感器单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种构造简单、能够容易地进行组装且容易小型化的力传感器单元。力传感器单元具备：筒体(10)；基板(20)，其堵塞筒体(10)的一端；力传感器(30)，其被支承在基板(20)上；以及力传递机构，其被配置在筒体(10)的内部空间中而向力传感器(30)传递力，并由接触构件(40)、螺旋弹簧(50)以及被操作构件(60)构成。按顺序排列在筒体(10)的内部空间内的各构件没有彼此粘接或卡合，除了基板(20)以外，仅仅是保有间隙地装嵌于筒体(10)的内部空间，能够容易地进行组装作业，并容易小型化。

Description

力传感器单元

技术领域

本发明涉及对从外部施加的力进行检测而以高的精度输出与力的大小相对应的电气信号的力传感器单元，更详细而言，涉及构造简单、能够容易地进行组装且能够小型化的力传感器单元。

背景技术

在日本实开平5-92656号公报的图1中，公开了如下的荷重计(力传感器)：在形成有贯通孔5的壳体2的内部，将一端由薄壁部7封闭的筒状的金属膜片6配设成封闭贯通孔5的一方的开口部5a，并在贯通孔5的内部配设钢球12，在贯通孔5的另一方的开口部5b侧，在预定的范围内能够移动地配设荷重承受部9，并在钢球12与荷重承受部9之间配设弹簧11，当作用于荷重承受部9的荷重经由弹簧11以及钢球12而作用于金属膜片6时，利用设置于金属膜片6的薄壁部7的应变片8对作用于荷重承受部9的荷重进行检测。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本实开平5-92656号公报图1

发明内容

发明要解决的课题

为了使力传感器即便在施加了冲击、过大的力情况下也不会破损，在多数情况下，力传感器本身具备受压部，该受压部具有对力传感器元件的机械位移的幅度进行限制的功能。如专利文献1所示的钢球12那样，受压部是表面与膜片相接触的球体12。在专利文献1示出的构造中，在球体12与膜片6相接触的部分的相反侧配置有与球体12接触的弹簧11。在配置该弹簧11时，荷重承受部9的行程会变大。然而，如以往那样，在使球体12与弹簧直接接触的情况下，在弹簧延伸时，弹簧的姿势会发生变化，球体与弹簧的接触位置产生位移。其结果为，通过弹簧而施加于球体的力的方向微妙地变化，在力传感器的输出中会产生偏差。另外，在专利文献1示出的构造中，存在小型化非常困难的问题。

本发明的目的在于提供一种构造简单、能够容易地进行组装且容易小型化的力传感器单元。

本发明的另一个目的在于提供一种能够阻止与力传感器的受压部接触的接触构件的转动并使接触构件顺利地滑动的力传感器单元。

本发明的再一个目的在于提供一种容易抓取多个在一个面上安装有力传感器单元的基板而使基板的制造变得容易的力传感器单元。

本发明的再一个目的在于提供一种尤其是在单元被小型化了的情况下也能够抑制操作特性的偏差的产生的力传感器单元。

本发明的再一个目的在于提供一种能够使被操作构件的行程最大化并能够阻止对受压部施加破坏力传感器这样的力的力传感器单元。

本发明的再一个目的在于提供一种使堵塞力传感器单元的筒体的一端的封闭构件的安装变得容易的力传感器单元。

本发明的再一个目的在于提供一种能够防止构成封闭构件的安装构造的爪部成为安装力传感器单元的障碍的力传感器单元。

用于解决课题的手段

本发明以力传感器单元为对象，所述力传感器单元具备：筒体；封闭构件，所述封闭构件堵塞筒体的一端；力传感器，所述力传感器被支承在封闭构件上；以及力传递机构，所述力传递机构被配置在筒体的内部空间中而向力传感器传递力。本发明的力传感器单元在筒体的另一端具备止动部，所述止动部具备与内部空间连通的开口部，并向筒体的径向内侧延伸。力传递机构具备：接触构件，所述接触构件与力传感器的受压部接触；被操作构件，所述被操作构件具有被操作部以及被卡止部，所述被操作部从开口部露出，所述被卡止部卡止于止动部；以及弹性构件，所述弹性构件配置于接触构件与被操作构件之间。接触构件和被操作构件分别具有与包围筒体的内部空间的内壁面相向而在内部空间内滑动的滑动部，滑动部具有容许滑动部沿着筒体的中心线滑动的形状。

在本发明的力传感器单元，在筒体的内部空间中按顺序排列有被支承在将筒端的一端堵塞的封闭构件上的力传感器、接触构件、弹性构件以及被操作构件。在组装时，从筒体的一端的开口按顺序插入各构件。首先，以如下的姿势插入被操作构件：使被操作构件的被卡止部卡止于筒体的另一端的止动部，被操作部从筒体的另一端的开口部露出，且筒体的内壁面与被操作构件的滑动部相向。接下来，插入弹性构件，接着，以使筒体的内壁面与接触构件的滑动部相向的姿势插入接触构件。最后，以将力传感器配置在筒体的内部空间中的姿势，利用封闭构件封闭筒体的一端的开口。此时，按顺序排列后的各构件没有彼此粘接或卡合，除了封闭构件以外，仅仅是插入于筒体的内部空间。

在从外部对这样组装后的力传感器单元的被操作构件的被操作部施加了力时，被操作构件从被卡止部被止动部卡止的最初的位置沿着筒体的中心线在筒体的内部空间内向接近力传感器的方向滑。被操作构件将弹性构件压缩，弹性构件进一步推压接触构件，接触构件在筒体的内部空间内沿着筒体的中心线也向接近力传感器的方向滑动，从而向力传感器的受压部传递力。然而，由于弹性构件的缓冲功能，接触构件滑动的幅度短于被操作构件滑动的幅度。与接触构件接触的受压部被接触构件推压而移动，由此会使力传感器元件机械位移，其结果为，输出与施加于被操作构件的被操作部的力的大小相对应的电气信号。在施加于被操作构件的被操作部的力消失时，力传感器元件的机械位移复位，受压部被力传感器元件推压而移动，与受压部接触的接触构件沿离开力传感器的方向滑动，弹性构件伸长，被操作构件沿离开力传感器的方向滑动，被卡止部被止动部卡止而停止，从而返回到最初的位置。

因此，根据本发明的力传感器单元，能够通过将各构件按顺序插入到筒体内、最后利用封闭构件封闭另一端的开口的简单的工序进行组装，且通过由被操作构件、弹性构件和接触构件来构成力传递机构，并夹着具有缓冲功能的弹性构件，从而能够增大被操作构件滑动的行程。

尤其是根据本发明，通过上述结构，容易进行小型化，并且在受压部与弹性构件之间配置有接触构件，所以在弹性构件变形的过程中，受压部与弹性构件的接触位置不会有实质上的位移。因此，能够抑制在力的检测精度中产生偏差。

另外，优选使本发明的力传感器单元的筒体的内部空间的横截面的轮廓形状具有多边形形状，使接触构件的滑动部的形状具有通过与筒体的内壁面接触来阻止以筒体的中心线为中心转动的形状。根据这样的结构的力传感器单元，通过阻止与力传感器的受压部接触的接触构件的转动，从而能够抑制起因于接触构件的转动的力传感器的输出变动。另外，在受压部由球体构成的情况下，通过阻止受压部转动，能够延长力传感器的寿命。此外，尤其是在力传感器单元的尺寸小的情况下，对于筒体的内壁面、接触构件的滑动部的形状而言，与圆筒(柱)形相比，多边形筒(柱)形更容易以高的精度进行制造，因此，接触构件在筒体内顺利地滑动，能够防止接触构件的扭动、扭转的产生。

此外，优选使本发明的力传感器单元的筒体的外周面的横截面的轮廓形状具有多边形形状，封闭构件由基板构成，在所述基板的位于内部空间侧的表面安装有力传感器，且所述基板的具备多个电极的背面向筒体的外侧露出，基板的轮廓形状具有与筒体的外周面的横截面的轮廓形状相同或近似的形状。根据这样的结构的力传感器单元，容易抓取多个在一个面上安装有力传感器单元的基板，基板的制造变得容易。其结果为，有助于力传感器单元的价格的降低。

此外，优选使本发明的力传感器单元的弹性构件由螺旋弹簧构成。根据该力传感器单元，尤其是在单元被小型化了的情况下，也能够抑制操作特性的偏差的产生。

此外，优选使将本发明的力传感器单元的弹性构件的弹性系数确定成：当对被操作构件施加了力传感器的最大测定容许力时，被操作构件的行程变为最大。像这样，能够使被操作构件的行程最大化，并能够阻止对受压部施加破坏力传感器这样的力。

此外，优选使本发明的力传感器单元具有如下构造：封闭构件由基板构成，在所述基板的位于内部空间侧的表面安装有力传感器，且所述基板的具备多个电极的背面向筒体的外侧露出，筒体由金属制构成，在筒体的一端具备向径向内侧弯曲而与基板的背面接触的两个以上的爪部。像这样，通过将筒体的爪部向径向内侧弯曲，从而能够容易地执行将筒体的一端堵塞的封闭构件的安装。

此外，优选使本发明的力传感器单元为：在基板的表面设置有与筒体的一端的端面抵接的被抵接部，在基板的背面形成有供爪部嵌合的多个凹部。像这样，由于构成封闭构件的安装构造的爪部与形成于基板的背面的多个凹部嵌合，所以能够防止该爪部成为安装力传感器单元的障碍，并能够进一步减小中心线方向的尺寸。

附图说明

图1是表示本发明的力传感器单元的一个实施方式的立体图，并示出了去除了筒体的一部分的状态。

图2(A)以及图2(B)分别是图1示出的实施方式的纵剖视图，图2(A)表示被操作构件位于最初的位置的状态，图2(B)表示被操作构件位于被压入到极限的位置的状态。

图3是图1示出的实施方式的仰视图。

图4是图1示出的实施方式的分解组装图。

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边对本发明的力传感器单元的一个实施方式进行说明。如各图所示，本实施方式的力传感器单元具备：筒体10；基板20，该基板20堵塞筒体10的一端；力传感器30，该力传感器30被支承在基板20上；以及力传递机构，该力传递机构被配置在筒体10的内部空间中而向力传感器30传递力，并由接触构件40、螺旋弹簧50以及被操作构件60构成。此外，本实施方式的力传感器单元为全长约7mm、最大外径约4mm的小型尺寸，另外，立方体形状的力传感器30的各边约为2mm，力传感器元件的机械位移的最大容许幅度约为0.1μm以下。

筒体10为八边形筒(柱)形状，因此，筒体10的内部空间的横截面的轮廓形状以及外周面的横截面的轮廓形状为八边形形状。另外，筒体10为金属制，在筒体10的一端具备两个爪部12、12，该两个爪部12、12向径向内侧弯曲而与基板20的背面接触。在筒体10的另一端的中心附近具备与筒体10的内部空间连通的圆形的开口部14，在筒体10的另一端的缘附近具备向筒体10的径向内侧延伸的环状的止动部16。

基板20在位于内部空间侧的表面安装传感器30，且具备四个电极22的背面向筒体10的外侧露出。基板20的轮廓形状是与筒体10的外周面的横截面的轮廓形状相同的八边形形状。通过使基板20的轮廓形状为八边形形状，从而容易抓取多个基板20，使基板20的制造变得容易。其结果为，能够谋求力传感器单元本身价格的降低。在基板20的表面设置有与筒体10的一端的端面抵接的被抵接部24，在基板20的背面以与筒体10的两个爪部12、12互补的形状形成有两个凹部26、26，该两个凹部26、26是使爪部12、12弯曲而与爪部12、12嵌合的两个凹部。

力传感器30被支承在基板20上，并具有：受压部32，该受压部32是球体；壳体34，受压部32的一部分从该壳体34的上表面露出，该壳体34对受压部32的移动进行限制；力传感器元件36，该力传感器元件36与受压部32接触，在从受压部32施加力时产生机械位移。力传感器元件所产生的机械位移被转换成电气信号而从基板20的电极22输出。

接触构件40与力传感器30的受压部32接触，向受压部32传递力。接触构件40的横截面是与筒体10的内壁面大致相同的八边形形状，并由滑动部42和圆柱状的螺旋弹簧支承部44构成，该滑动部42的一端与力传感器30的受压部32接触，该圆柱状的螺旋弹簧支承部44从滑动部42的另一端的中心附近突出。滑动部42的侧面与筒体10的内壁面相向，并被设计成如下形状：容许接触构件40在筒体10的内部空间内沿着中心轴滑动。

通过使接触构件40的横截面形状和筒体10的内壁面的横截面形状为八边形，从而阻止接触构件40的转动，由此能够抑制起因于接触构件40的转动的力传感器30的输出变动。另外，能够阻止由球体构成的受压部32的转动，延长力传感器的寿命。此外，尤其是在力传感器单元的尺寸小的情况下，对于筒体10的内壁面、滑动部42的形状而言，与整体为曲面的圆筒(柱)形相比，包含平面的八边形筒(柱)形更容易以高的精度进行制造，因此，接触构件40在筒体10内顺利地滑动，能够防止接触构件40的扭动、扭转的产生。

螺旋弹簧50是压簧，其被配置在接触构件40与被操作构件60之间，并发挥缓冲功能，抑制操作特性的偏差的产生。由于螺旋弹簧50的内径与接触构件40的螺旋弹簧支承部44的外径大致相同，所以螺旋弹簧支承部44进入内侧而对螺旋弹簧50进行支承。将螺旋弹簧50的弹性系数确定成：当从被操作构件60施加了力传感器30的最大测定容许力时，被操作构件60的行程变为最大。

被操作构件60具有：滑动部62，该滑动部62的一端与螺旋弹簧50接触，且该滑动部62的横截面形成为与筒体10的内壁面大致相同的八边形形状，以使被操作构件60能够沿着筒体10的中心线滑动；圆柱状的被操作部64，该圆柱状的被操作部64从滑动部62的另一端的中心附近突出，且在组装了时，该被操作部64的前端部分从筒体10的开口部14露出；以及被卡止部66，该被卡止部66是滑动部62的除了被操作部64突出的面以外的另一端面，并与筒体10的止动部16的内表面抵接而将被操作构件60卡止。

此外，在本实施方式中，接触构件40和被操作构件60被形成为相同的形状，但在其它的实施方式中，也可以为不同的形状。

接下来，一边参照图4，一边对本实施方式的组装过程进行说明。在组装本实施方式的力传感器单元时，从筒体10的一端的开口按顺序插入各构件。首先，以如下的姿势插入被操作构件60：使被卡止部66与筒体10的另一端的止动部16抵接而将其卡止，被操作部64的前端附近从筒体10的另一端的开口部14露出，且筒体10的内壁面与被操作构件60的滑动部62相向。接下来，插入螺旋弹簧50，接着，以使螺旋弹簧支承部44与螺旋弹簧50相向并使筒体10的内壁面与接触构件40的滑动部42相向的姿势插入接触构件40。最后，以将力传感器30配置在筒体10的内部空间中的姿势，利用基板20封闭筒体10的一端的开口。即，使基板20的被抵接部24与筒体10的一端的端面抵接。此时，调整彼此的角度，以使相对于从筒体10的一端突出的两个爪部12、12的中心线的角度与基板20的两个凹部26、26的角度一致。然后，通过将两个爪部12、12沿径向弯曲90°，并使其分别嵌合到凹部26、26中，从而将筒体10的一端的开口封闭。通过将该爪部12、12和凹部26、26组合，从而能够防止其成为安装力传感器单元的障碍，并能够使中心线方向的尺寸最小化。

按顺序排列在筒体10的内部空间内的各构件没有彼此粘接或卡合，除了基板20以外，仅仅是保有间隙地装嵌于筒体10的内部空间，能够容易地进行组装作业。

如上所述，根据本实施方式的力传感器单元，力传感器单元能够通过如下的简单的工序进行组装：按顺序将各构件插入到筒体10内，最后，利用基板20将筒体10的一端的开口封闭。

将组装后的本实施方式的力传感器单元内置于记录笔(日文：スタイラスペン)，为了进行外部输出，在力传感器单元的一端的电极22分别连接有电线(未图示)，操作构件70的一端的端面与力传感器单元的另一端的被操作构件60的被操作部64相接触。操作构件70的另一端是记录笔的笔尖(或连接于笔尖)，向力传感器单元传递记录笔的操作者在屏板处按压笔尖的力。操作构件70能够沿着力传感器单元的中心线滑动，以便相对于力传感器能够接近或离开。具体而言，在其内部，将操作构件70插入于固定有力传感器单元的中空的笔轴内。

接下来，一边参照图2(A)、图2(B)，一边对本实施方式的作用进行说明。图2(A)表示未对力传感器单元施加任何力而被操作构件60位于最初的位置的状态。即，被操作构件60的被操作部64的前端部分从筒体10的开口部14露出，且被卡止部66卡止于筒体10的止动部16。

图2(B)表示操作者通过向触控屏用力按压记录笔的笔尖而对力传感器单元施加最大测定容许力的状态。此时，被操作构件60被操作构件70从最初的位置推压而在筒体10的内部空间内沿着筒体10的中心线向接近力传感器30的方向最大限度地滑动。

被操作构件60将螺旋弹簧50压缩，螺旋弹簧50进一步推压接触构件40，接触构件40也在筒体10的内部空间内沿着筒体10的中心线向接近力传感器30的方向滑动，从而向力传感器30的受压部32传递力。

然而，由于螺旋弹簧50的缓冲功能，接触构件40的滑动的幅度远远短于被操作构件60的滑动的幅度。与接触构件40接触的受压部32被接触构件40推压而移动，由此会使力传感器元件36机械位移，其结果为，从电极22输出与施加于被操作构件60的被操作部64的力的大小相对应的电气信号。

在该状态下，对螺旋弹簧50的长度以及弹性系数进行调整，以使螺旋弹簧50推压接触构件40的力的大小与最大测定容许力大致相等。即，设计成：使被操作构件60能够在从图2(A)的最初的位置起到图2(B)的施加了最大测定容许力的位置之间的行程内滑动，在此期间，力传感器30能够进行安全且稳定的输出。

当记录笔的笔尖从触控屏离开而施加于被操作构件60的被操作部64的力消失时，力传感器元件36的机械位移复位，受压部32被力传感器元件36推压而移动，与受压部32接触的接触构件40沿离开力传感器30的方向滑动，螺旋弹簧50伸长，被操作构件60沿离开力传感器30的方向滑动，被卡止部66被止动部16卡止而停止，从而返回到图2(A)所示的最初的位置。

如上所述，根据本实施方式的力传感器单元，通过由被操作构件60、作为弹性构件的螺旋弹簧50和接触构件40来构成力传递机构，并夹着具有缓冲功能的螺旋弹簧50，从而能够增大被操作构件60的滑动的行程。

由此，构成确保力传感器30的输出的稳定性、确保避免施加过量的力的安全性的单元的各构件所要求的高的精度最终能够仅汇集于螺旋弹簧50。即，尤其是对于小型的力传感器30的力传感器元件36的机械位移而言，虽然稳定且没有破损的危险地产生该机械位移的范围非常窄，但通过将螺旋弹簧50夹在中间，从而将从外部施加的大的行程转换为小的幅度，由此限定产生力传感器元件36的机械位移的幅度。因此，尽可能精确地调整螺旋弹簧50的长度、弹性模量。

除此之外，如图2(B)所示，操作构件70的一端面与筒体10的止动部16的外表面抵接而停止。由此，能够防止如下情形：例如因记录笔的落下等事故，从操作构件70施加强烈的冲击而力传感器30被破坏。

工业上的可利用性

根据本发明，能够实现一种构造简单、能够容易地进行组装且容易小型化的力传感器单元。

附图标记说明

10筒体

12爪部

14开口部

16止动部

20基板

22电极

24被抵接部

26凹部

30力传感器

32受压部

34壳体

36力传感器元件

40接触构件

42滑动部

44螺旋弹簧支承部

50螺旋弹簧

60被操作构件

62滑动部

64被操作部

66被卡止部

70操作构件

Claims (7)

1.一种力传感器单元，所述力传感器单元具备：筒体；封闭构件，所述封闭构件堵塞所述筒体的一端；力传感器，所述力传感器被支承在所述封闭构件上；以及力传递机构，所述力传递机构被配置在所述筒体的内部空间中而向所述力传感器传递力，其特征在于，

在所述筒体的另一端具备止动部，所述止动部具备与所述内部空间连通的开口部，并向所述筒体的径向内侧延伸，

所述力传递机构具备：

接触构件，所述接触构件与所述力传感器的受压部接触；

被操作构件，所述被操作构件具有被操作部以及被卡止部，所述被操作部从所述开口部露出，所述被卡止部卡止于所述止动部；以及

弹性构件，所述弹性构件配置于所述接触构件与所述被操作构件之间，

所述接触构件和所述被操作构件分别具有与包围所述筒体的所述内部空间的内壁面相向而在所述内部空间内滑动的滑动部，所述滑动部具有容许所述滑动部沿着所述筒体的中心线滑动的形状，

所述筒体的所述内部空间的横截面的轮廓形状具有多边形形状，

所述接触构件的所述滑动部的形状具有通过与所述内壁面接触来阻止以所述筒体的中心线为中心转动的形状。

2.根据权利要求1所述的力传感器单元，其特征在于，

所述筒体的外周面的横截面的轮廓形状具有多边形形状，

所述封闭构件由基板构成，在所述基板的位于所述内部空间侧的表面安装有所述力传感器，且所述基板的具备多个电极的背面向所述筒体的外侧露出，所述基板的轮廓形状具有与所述筒体的外周面的横截面的轮廓形状相同或近似的形状。

3.根据权利要求1所述的力传感器单元，其特征在于，

所述弹性构件由螺旋弹簧构成。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的力传感器单元，其特征在于，

将所述弹性构件的弹性系数确定成：当对所述被操作构件施加了所述力传感器的最大测定容许力时，所述被操作构件的行程变为最大。

5.根据权利要求1或2所述的力传感器单元，其特征在于，

所述封闭构件由基板构成，在所述基板的位于所述内部空间侧的表面安装有所述力传感器，且所述基板的具备多个电极的背面向所述筒体的外侧露出，

所述筒体由金属制构成，在所述筒体的所述一端具备向所述径向内侧弯曲而与所述基板的背面接触的两个以上的爪部。

6.根据权利要求5所述的力传感器单元，其特征在于，

在所述基板的所述表面设置有与所述筒体的一端的端面抵接的被抵接部，

在所述基板的所述背面形成有供所述爪部嵌合的多个凹部。

7.根据权利要求1或2所述的力传感器单元，其特征在于，

所述力传感器的所述受压部由球体构成。