JP2005098989A

JP2005098989A - 荷重センサ

Info

Publication number: JP2005098989A
Application number: JP2004211707A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Miyake; 利勝三宅
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2005-04-14
Also published as: US20050050958A1; US7077016B2

Abstract

【課題】落下衝撃で発生する最大応力が小さくなると共に、左右の歪み素子の応力差がほとんど無い荷重センサを提供する。
【解決手段】固定部１ｂ及びこの固定部１ｂから腕状に延設された荷重受け部１ｄとを有する起歪体１と、起歪体１の同一平面上で、固定部１ｂ側及び荷重受け部１ｄ側にそれぞれ設けられた歪み素子２〜５とを備え、起歪体１の腕部１ｅの断面積は、固定部１ｂ側から荷重受け部側１ｄに向かって先細り形状となし、最細部近傍に荷重受け部１ｄ側の歪み素子２、５を配設し、荷重受け部１ｄに衝撃荷重が加わった際の、最大応力を小さくし、固定部１ｂ側の歪み素子３、４に加わる応力と荷重受け部１ｄ側の歪み素子２、５に加わる応力の差を少なくした。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の座席シートに使用される荷重センサに係り、特に歪み素子の歪みを重量値に変換する荷重センサの構造に関する。

従来の荷重センサの構造としては、固定端１１１と自由端１１２を有する平板状の起歪体１１０と、起歪体１１０の同一平面上に設けられた歪みセンサ１３０〜１３３と、起歪体１１０の中央方向に延設されたレバー１４０とを有し、このレバー１４０の表面に荷重をかけて、その荷重により起歪体１１０が変形すると共に、歪みセンサ１３０〜１３３が歪み、その歪みを重量値に変換する構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図８、図９は、この従来の荷重センサを示し、図８は荷重センサの側面図、図９は荷重センサの部分平面図である。

図において、起歪体１１０はステンレス等の金属板からなり、固定端１１１と自由端１１２を有し、中央に向かって板幅がくびれた幅狭になっており、可撓性を有している。また、固定端１１１と自由端１１２にはワッシャー１２０〜１２３が表裏の両面に積層されている。固定端１１１側のワッシャー１２０、１２１はネジ１４３により固定され、自由端１１２側のワッシャー１２２、１２３はネジ１４４により固定されている。また、自由端１１２側のワッシャー１２２の表面にはレバー１４０が設けられ自由端１１２に固定されている。また、起歪体１１０は基台１４５に固定され、固定端１１１を基点として自由端１１２が自由に撓むようになっている。

起歪体１１０の裏面には、くびれ部を挟んで対象位置に歪みセンサ１３０〜１３３が同一面上に設けられている。これら歪みセンサは圧縮力、引張り力などの応力を受けることにより導電性材料の密度が変化して抵抗値が変化するものである。なお歪みセンサ１３０〜１３３の抵抗値は同一である。歪みセンサ１３０〜１３３は入力電極、グランド電極、第１出力電極、第２出力電極にそれぞれ接続されてブリッジ回路を構成するようになっている。

上記荷重センサの動作としては、レバー１４０に何ら応力がかからない時は歪みセンサ１３０〜１３３の抵抗値は一定であり、ブリッジが平衡状態となっているが、レバー１４０に荷重がかかると、起歪体１１０の裏面を基準として固定端１１１側に圧縮力が生じ、自由端１１２側に引張り力が生ずるように起歪体１１０が撓み、歪みセンサ１３０〜１３３が圧縮、引張られることにより荷重に比例して各歪みセンサの抵抗値が変化する。この時、入力電極からブリッジ回路に印加された電圧が、歪みセンサ１３０〜１３３によって分圧され、第１出力電極と第２出力電極間の偏差電圧として表れる。そして、この偏差電圧を所望の回路で重量値に変換して、図示せぬ表示素子に信号を送信するものとなる。

特開２００１−３３０５２２号公報

しかしながら、上述した従来の荷重センサの構造においては、自動車への座席シートの取り付け時に加わる荷重を想定した落下衝撃試験を行なうと、この衝撃で発生する最大応力が起歪体のくびれ部の中央部ではなく固定側に発生する。このため、起歪体がくびれ部を中心に左右対称形状のため、衝撃による永久歪みが左右で異なってしまい、正しい検出出力が得られなくなってしまうという問題があった。

したがって、本発明では上述した問題点を解決し、落下衝撃で発生する最大応力が小さくなると共に、左右の歪み素子の応力差がほとんど無い荷重センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では第１の解決手段として、固定部及びこの固定部から腕状に延設された荷重受け部とを有する起歪体と、この起歪体の同一平面上で、前記固定部側及び荷重受け部側にそれぞれ設けられた歪み素子とを備え、前記起歪体の腕部の断面積は、前起固定部側から荷重受け部側に向かって先細り形状となし、この最細部近傍に前記荷重受け部側の歪み素子を配設し、前記荷重受け部に衝撃荷重が加わった際の、前記固定部側の歪み素子に加わる応力と荷重受け部側の歪み素子に加わる応力の差を少なくした構成とした。

また、第２の解決手段として、前記起歪体は、一定の厚さからなる平板で形成されている構成とした。
また、第３の解決手段として、前記起歪体は、中央の基台に前記固定部が形成され、この固定部を挟んで両側に前記腕部が一対設けられ、これら一対の腕部の先端にそれぞれ前記荷重受け部が形成されている構成とした。
また、第４の解決手段として、前記固定部側及び荷重受け部側の歪み素子は、前記起歪体の固定部を挟んで両側にそれぞれ一対づつ設けられている構成とした。

以上説明したように、本発明の荷重センサは、固定部及びこの固定部から腕状に延設された荷重受け部とを有する起歪体と、起歪体の同一平面上で、固定部側及び荷重受け部側にそれぞれ設けられた歪み素子とを備え、起歪体の腕部の断面積は、固定部側から荷重受け部側に向かって先細り形状となし、最細部近傍に荷重受け部側の歪み素子を配設し、荷重受け部に衝撃荷重が加わった際の、発生する応力を固定部側に集中させず荷重受け部側へ分散させたことによって、落下衝撃で発生する最大応力が小さくなるため、落下による負荷で永久歪みが発生し難くなる。また、落下衝撃で発生する左右の歪みセンサ位置での応力が略等しくなるため、落下で永久歪みが発生しても、ブリッジ抵抗バランスを保持し、出力のオフセット電圧がシフトし難くなる。

また、起歪体は、一定の厚さからなる平板で形成されていることから、可撓性を有するものとなり、一定した歪みの発生が得られる。
また、起歪体は、中央の基台に固定部が形成され、固定部を挟んで両側に腕部が一対設けられ、これら一対の腕部の先端にそれぞれ荷重受け部が形成されていることから、固定部に対して対向した両位置での荷重検出ができ、あらゆる方向からの荷重に対しても安定した荷重検出ができる。
また、固定部側及び荷重受け部側の歪み素子は、起歪体の固定部を挟んで両側にそれぞれ一対づつ設けられていることから、両側の歪み素子によって平衡した検出ができ、荷重に対する検出誤差を少なくできる。

以下、本発明の荷重センサの実施形態を図１乃至図７に示す。図１は本発明に係る荷重センサの平面図、図２〜図４は起歪体の応力分布を示す図で固定部から荷重受け部までの距離に対する応力をグラフ化したもので、図２は腕部の断面積を固定部側から荷重受け部側に向かって略均一の形状としたもの、図３は腕部の断面積を固定部側及び荷重受け部側から中央に向かって対称にくびれ形状としたもの、図４は腕部の断面積を固定部側から荷重受け部側に向かって先細り形状としたものを示す。図５〜図７は起歪体の応力分布図で応力に応じて区別化（濃淡化）したもので、図５は腕部の断面積を固定部側から荷重受け部側に向かって略均一の形状としたもの、図６は腕部の断面積を固定部側及び荷重受け部側から中央に向かって対称にくびれ形状としたもの、図７は腕部の断面積を固定部側から荷重受け部側に向かって先細り形状としたものを示している。

図において、起歪体１は、ステンレス等の金属板からなり、一定の厚さからなる平板で略Ｔ字型に形成されている。この起歪体１は、中央に取付け孔１ｃを有する固定部１ｂが設けられた基台１ａと、この固定部１ｂの両側に翼状に設けられた一対の荷重受け部１ｄ、１ｄとを備えており、この一対の荷重受け部１ｄ、１ｄと固定部１ｂとの間には、一対の腕部１ｅ、１ｅが設けられており、この一対の腕部１ｅ、１ｅは、断面積が、固定部１ｂ側から荷重受け部１ｄ側に向かって先細り形状となるように形成されている。また、一対の荷重受け部１ｄ、１ｄには丸孔１ｆ、１ｆが設けられており、基台１ａの下端側には一対のネジ孔１ｇ、１ｇが設けられている。

この起歪体１が、自動車などの座席シートに取付けられる場合には、前記固定部１ｂの取付け孔１ｃに取付け用のネジ（図示せず）が挿通され車体に固定されると共に、荷重受け部１ｄの丸孔１ｆに座席シートの一部に当接されるレバー（図示せず）が係合されるものとなる。そして、このレバーに加わる荷重によって腕部１ｅが適宜撓むものとなり、この腕部１ｅに配設される後述する歪み素子２〜５に歪み応力が加わることにより荷重検出を行なうようになっている。

このように、起歪体１は、一定の厚さからなる平板で形成されており可撓性を有するので、一定した歪みの発生が得られるものとなる。また、起歪体１は、中央の基台１ａに固定部１ｂが形成され、この固定部１ｂを挟んで両側に腕部１ｅ、１ｅが一対設けられており、これら一対の腕部１ｅ、１ｅの先端にそれぞれ荷重受け部１ｄが形成されているので、固定部１ｂに対して対向した両位置での荷重検出ができ、あらゆる方向からの荷重に対しても安定した荷重検出ができるものとなっている。

また、前記起歪体１の一方の同一平面上で、固定部１ｂ側及び荷重受け部１ｄ側の腕部１ｅには、それぞれ歪み素子２〜５が設けられている。この固定部１ｂ側及び荷重受け部１ｄ側の腕部１ｅにそれぞれ配設された歪み素子２〜５は、前記起歪体１の固定部１ｂを挟んで両側にそれぞれ一対づつ設けられている。
このうち、固定部１ｂ側の歪み素子３、４は、前記腕部１ｅの付け根部の最太部近傍に配設されており、また、荷重受け部１ｄ側の歪み素子２、５は、前記腕部１ｅの先細り形状となった最細部近傍に配設されている。

このように、固定部１ｂ側及び荷重受け部側１ｄの歪み素子２〜５は、起歪体１の固定部１ｂを挟んで両側にそれぞれ一対づつ設けられているので、両側の歪み素子によって平衡した検出ができ、荷重に対する検出誤差を少なくできるものとなっている。

これらの歪み素子２〜５は、低融点ガラス材料等からなるバインダに導電性材料たる金属ないしは金属酸化物を分散させたものから構成されており、圧縮力、引張り力などの応力を受けることにより分散されている導電性材料の密度が変化することによって絶対的な抵抗値が変化するものとなっている。尚、それぞれの歪み素子２〜５の抵抗値は同一の値に形成されている。

これらの歪み素子２〜５は、図示しない配線パターンによって、基台１ａのネジ孔１ｇに取付けられる配線コネクタ（図示せず）の入力電極、グランド電極、第１出力電極、第２出力電極にそれぞれ接続されており、ブリッジ回路を構成するようになっている。そして、歪み素子２〜５に応力がかからない場合には抵抗値は一定であり、ブリッジが平衡な状態になっている。

この状態で、荷重受け部１ｄに荷重が加わると、起歪体１の腕部１ｅが撓み、腕部１ｅに配設されている歪み素子２〜５が圧縮、引張られるようにして、荷重に比例して各歪み素子の抵抗値が変化するものとなる。そして図示しない入力電極からブリッジ回路に印加された電圧は、各歪みセンサ２〜５によって分圧され、第１出力電極と第２出力電極間の偏差電圧として表れるものとなる。そして、この偏差電圧を所望の回路で重量値に変換して、図示しない表示素子に信号を送信するものとなる。

次に、図２〜図７を用いて起歪体１に加わる応力分布について説明する。この場合、荷重負荷として荷重受け部１ｄの両側１３．５ｍｍの範囲に３ｋｇｆを加えた場合を示している。
まず、図２及び図５に示すのは、起歪体１の腕部１ｅの断面積を、固定部１ｂ側から荷重受け部１ｄ側に向かって略均一の形状となるように対向する両辺を直線状の辺で形成した場合を示している。この場合、起歪体１に設けられた各歪み素子２〜５は、図１に示す歪み素子３、４及び２、５が、固定部１ｂの中心からそれぞれ１１ｍｍ（図１にＬ１で示す）、及び２０ｍｍ（図１にＬ２で示す）近傍の位置に固着されており、この両位置における起歪体１に加わる応力としては、それぞれ１７５０ｋｇｆ／ｃｍ^２、８５０ｋｇｆ／ｃｍ^２となることを示している。この固定部１ｂの中心から荷重受け部１ｄまでの距離に対する応力をグラフ化したものを図２に示している。

すなわち、起歪体１の腕部１ｅの断面積が、固定部１ｂ側から荷重受け部１ｄ側に向かって略均一の形状となるように対向する両辺を直線状の辺で形成した場合には、固定部１ｂ側に近い位置に固着された歪み素子３、４の方が、固定部１ｂ側から遠い位置で荷重受け部１ｄ側に固着された歪み素子２、５に比べて大きな応力を受けるものとなっている。この起歪体１に加わる応力分布図を図５に示している。

尚、図においては簡易的（便宜的）に、腕部１ｅに加わる応力の大小を色の濃淡（濃い部分が応力大、淡い部分が応力小）で表わしているが、基台１ａ、固定部１ｂ、及び荷重受け部１ｄのうち撓まない部分については最も濃い部分で表わされている。この場合、図からも分かるように、固定部１ｂ側に近い位置で歪み素子３、４が固着される部分Ａの方が、荷重受け部１ｄ側に近い位置で歪み素子２、５が固着される部分Ｂに比べて濃淡が濃く表れているのが分かる。

図２及び図５に示すように、起歪体１の腕部１ｅの断面積が、固定部１ｂ側から荷重受け部１ｄ側に向かって略均一の形状となるように対向する両辺を直線状の辺で形成した場合には、落下時の衝撃で発生する最大応力が、固定部１ｂ側と荷重受け部１ｄ側との中央よりも左側に発生するものとなり、固定部１ｂ側に固着された歪み素子３、４と、荷重受け部１ｄ側に固着された歪み素子２、５とで加わる応力に差がでることから、これら各歪み素子３、４と２、５との永久歪みが違ってきてしまい、また、歪みによる抵抗値に差がでることから、出力のオフセット電圧がシフトしてしまう問題が発生する。

次に、図３及び図６に示すのは、起歪体１の腕部１ｅの断面積を、固定部１ｂ側及び荷重受け部１ｄ側から中央に向かって対称にくびれ形状とした場合を示している。この場合も、起歪体１に設けられた各歪み素子２〜５は、図１に示す歪み素子３、４及び２、５が、固定部１ｂの中心からそれぞれ１１ｍｍ（図１にＬ１で示す）、及び２０ｍｍ（図１にＬ２で示す）近傍の位置に固着されており、この両位置における起歪体１に加わる応力としては、それぞれ１７５０ｋｇｆ／ｃｍ^２、９００ｋｇｆ／ｃｍ^２となることを示している。この固定部１ｂの中心から荷重受け部１ｄまでの距離に対する応力をグラフ化したものを図３に示している。

すなわち、起歪体１の腕部１ｅの断面積が、固定部１ｂ側及び荷重受け部１ｄ側から中央に向かって対称にくびれ形状とした場合には、同じく、固定部１ｂ側に近い位置に固着された歪み素子３、４の方が、固定部１ｂ側から遠い位置で荷重受け部１ｄ側に固着された歪み素子２、５に比べて大きな応力を受けるものとなっている。この起歪体１に加わる応力分布図を図６に示している。

尚、同じように、図においては簡易的（便宜的）に、腕部１ｅに加わる応力の大小を色の濃淡（濃い部分が応力大、淡い部分が応力小）で表わしているが、基台１ａ、固定部１ｂ、及び荷重受け部１ｄのうち撓まない部分については最も濃い部分で表わされている。この場合にも、図からも分かるように、固定部１ｂ側に近い位置で歪み素子３、４が固着される部分Ａの方が、荷重受け部１ｄ側に近い位置で歪み素子２、５が固着される部分Ｂに比べて濃淡が濃く表れているのが分かる。

図３及び図６に示すように、起歪体１の腕部１ｅの断面積が、固定部１ｂ側及び荷重受け部１ｄ側から中央に向かって対称にくびれ形状とした場合にも、同じように、落下時の衝撃で発生する最大応力が、固定部１ｂ側と荷重受け部１ｄ側との中央よりも固定部１ｂ側に発生するものとなり、固定部１ｂ側に固着された歪み素子３、４と、荷重受け部１ｄ側に固着された歪み素子２、５とで加わる応力に差がでることから、これら各歪み素子３、４と２、５との永久歪みが違ってきてしまい、また、歪みによる抵抗値に差がでることから、出力のオフセット電圧がシフトしてしまう問題が発生する。また、更に中央がくびれているため、中央（固定部１ｂから１５ｍｍ近傍の位置）での歪み応力が最高値（３３００ｋｇｆ／ｃｍ^２）となっている。

次に、図４及び図７に示すのは、起歪体１の腕部１ｅの断面積を、固定部１ｂ側から荷重受け部１ｄ側に向かって先細り形状とした場合を示している、この場合も、起歪体１に設けられた各歪み素子２〜５は、図１に示す歪み素子３、４及び２、５が、固定部１ｂの中心からそれぞれ１１ｍｍ（図１にＬ１で示す）、及び２０ｍｍ（図１にＬ２で示す）近傍の位置に固着されており、この両位置における起歪体１に加わる応力としては、それぞれ１４００ｋｇｆ／ｃｍ^２、１２５０ｋｇｆ／ｃｍ^２となることを示している。この固定部１ｂの中心から荷重受け部１ｄまでの距離に対する応力をグラフ化したものを図４に示している。

すなわち、この場合のように、起歪体１の腕部１ｅの断面積が、固定部１ｂ側から荷重受け部１ｄ側に向かって先細り形状とした場合には、固定部１ｂ側に近い位置に固着された歪み素子３、４と、固定部１ｂ側から遠い位置で荷重受け部１ｄ側に固着された歪み素子２、５とでは、略同様な応力を受けるものとなっている。この起歪体１に加わる応力分布図を図７に示している。

尚、同じように、図においては簡易的（便宜的）に、腕部１ｅに加わる応力の大小を色の濃淡（濃い部分が応力大、淡い部分が応力小）で表わしているが、基台１ａ、固定部１ｂ、及び荷重受け部１ｄのうち撓まない部分については最も濃い部分で表わされている。この場合には、図からも分かるように、固定部１ｂ側に近い位置で歪み素子３、４が固着される部分Ａと、荷重受け部１ｄ側に近い位置で歪み素子２、５が固着される部分Ｂとの濃淡がほぼ同程度に表れているのが分かる。

図４及び図７に示すように、起歪体１の腕部１ｅの断面積が、固定部１ｂ側から荷重受け部１ｄ側に向かって先細り形状とした場合には、落下時の衝撃で発生する応力が、固定部１ｂ側と荷重受け部１ｄ側との中央に対して左右両側に略同じように発生するものとなり、固定部１ｂ側に固着された歪み素子３、４と、荷重受け部１ｄ側に固着された歪み素子２、５とで加わる応力にほぼ差がでないことから、落下による負荷で、歪みの差が発生し難くなり、また、歪みによる抵抗値に差がでないことから、落下で永久歪みが発生しても、ブリッジ抵抗バランスが保持され、出力のオフセット電圧がシフトし難くなる。また、腕部１ｅの中央がくびれておらず断面積が大きく取れるため、中央（固定部１ｂから１５ｍｍ近傍の位置：図１にＬ３で示す）での最大応力を低く抑える（１９００ｋｇｆ／ｃｍ^２）ことができるものとなる。

すなわち、本発明の構成では、起歪体１を上記図４及び図７の構造としており、このように、本発明の荷重センサは、固定部１ｂ及びこの固定部１ｂから腕状に延設された荷重受け部１ｄとを有する起歪体１と、この起歪体１の同一平面上で、固定部１ｂ側及び荷重受け部１ｄ側にそれぞれ設けられた歪み素子３、４及び２、５とを備えており、起歪体１の腕部１ｅの断面積は、固定部１ｂ側から荷重受け部１ｄ側に向かって先細り形状となし、最細部近傍に荷重受け部１ｄ側の歪み素子２、５を配設し、荷重受け部１ｄに衝撃荷重が加わった際の、発生する応力を集中させず、分散させたことによって、落下衝撃で発生する最大応力が小さくなり、落下による負荷で永久歪みが発生し難くなっている。また、落下衝撃で発生する左右の歪み素子２、３、及び４、５の固着位置での応力が略等しくなるため、落下で永久歪みが発生しても、ブリッジ抵抗バランスを保持して、出力のオフセット電圧がシフトし難くなるものとなっている。

本発明の一実施例である荷重センサを示す平面図である本発明の起歪体の腕部の断面積を略均一の形状とした時の固定部から荷重受け部までの距離に対する応力をグラフ化した図である。本発明の起歪体の腕部の断面積を固定部側及び荷重受け部側から中央に向かって対称にくびれ形状とした時の固定部から荷重受け部までの距離に対する応力をグラフ化した図である。本発明の起歪体の腕部の断面積を固定部側から荷重受け部側に向かって先細り形状とした時の固定部から荷重受け部までの距離に対する応力をグラフ化した図である。本発明の起歪体の腕部の断面積を固定部側から荷重受け部側に向かって略均一の形状とした時の応力分布図で応力に応じて区別化（濃淡化）した図である。本発明の起歪体の腕部の断面積を固定部側及び荷重受け部側から中央に向かって対称にくびれ形状とした時の応力分布図で応力に応じて区別化（濃淡化）した図である。本発明の起歪体の腕部の断面積を固定部側から荷重受け部側に向かって先細り形状とした時の応力分布図で応力に応じて区別化（濃淡化）した図である。従来の荷重センサを示す側面図である。従来の荷重センサを示す部分平面図である。

符号の説明

１：起歪体
１ａ：基台
１ｂ：固定部
１ｃ：取付け孔
１ｄ：荷重受け部
１ｅ：腕部
１ｆ：丸孔
１ｇ：ネジ孔
２：歪み素子
３：歪み素子
４：歪み素子
５：歪み素子

Claims

固定部及びこの固定部から腕状に延設された荷重受け部とを有する起歪体と、この起歪体の同一平面上で、前記固定部側及び荷重受け部側にそれぞれ設けられた歪み素子とを備え、前記起歪体の腕部の断面積は、前起固定部側から荷重受け部側に向かって先細り形状となし、この最細部近傍に前記荷重受け部側の歪み素子を配設し、前記荷重受け部に衝撃荷重が加わった際の、前記固定部側の歪み素子に加わる応力と荷重受け部側の歪み素子に加わる応力の差を少なくしたことを特徴とする荷重センサ。
前記起歪体は、一定の厚さからなる平板で形成されていることを特徴とする請求項１記載の荷重センサ。
前記起歪体は、中央の基台に前記固定部が形成され、この固定部を挟んで両側に前記腕部が一対設けられ、これら一対の腕部の先端にそれぞれ前記荷重受け部が形成されていることを特徴とする請求項１、又は２記載の荷重センサ。
前記固定部側及び荷重受け部側の歪み素子は、前記起歪体の固定部を挟んで両側にそれぞれ一対づつ設けられていることを特徴とする請求項３記載の荷重センサ。