JP2006194709A - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 荷重の入力方向にずれが生じた場合であっても荷重を確実に検出することができる荷重センサを提供する。
【解決手段】 歪み変形可能なベース２の中心部に形成された穴３に球体１０が支持されている。ベース２には、球体１０の周囲に、４つの歪み検出素子Ｓ１，Ｓ２が形成されている。また、ベース２は、球体１０の一部が突出する貫通孔２１を有するカバー２０で覆われている。球体１０に対して鉛直方向に対して傾斜した方向から荷重が球体１０に入力されると、荷重が球体１０によって分散されて、分散された荷重がベース２に作用する。よって、ベース２に荷重が集中的に作用するのを防止できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ベースに設けられた歪み検出素子の歪みにより荷重を検出する荷重センサに関する。

従来、ベースに歪み検出素子を設けて、この歪み検出素子の歪み量に基づいて外部から作用する荷重を検出する荷重センサが種々提案されている。例えば、自動車用のブレーキバイワイヤ（Ｂｒａｋｅ ｂｙ Ｗｉｒｅ）に搭載される荷重センサでは、これをブレーキパッドと駆動部との間に配設して、ブレーキパッドに作用する荷重を検出するようになっている。また、この種の荷重センサでは、入力部の面に対して直交する方向にある駆動部から荷重が作用するようになっている（特許文献１参照）。すなわち、図７（ａ）を例に挙げて説明すると、ベース１０１上に歪み検出素子１０２が設けられた荷重センサ１００では、ベース１０１の中心に位置する入力部の面に対して直交する方向から駆動部１１０で押圧されるようになっている。
特表２００４−５１０１２４号公報（段落００２０，００２１、図６，図７）

しかしながら、前記した従来の荷重センサでは、制動時にブレーキパッドでディスクプレートを圧着したときに、ディスクプレートの回転力がブレーキパッドを介してベースに伝達されるため、駆動部からの荷重がベースの入力部に対して傾斜した方向から入力される。このため、図７（ｂ）に示すように、ベースに対して集中的に応力が作用するため、ベースが塑性変形して荷重検出ができなくなるという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、荷重の入力方向にずれが生じた場合であっても荷重を確実に検出することができる荷重センサを提供することを目的とする。

本発明は、歪み検出素子の歪みにより荷重を検出する荷重センサであって、前記歪み検出素子が設けられる歪み変形可能なベースと、前記ベースに支持されて前記荷重の入力部となる球体とを備えることを特徴とする。本発明によれば、球体を荷重の入力部とすることによって荷重が分散されるので、ベースに対して集中的に応力が作用するのを防止できる。なお、本発明での球体とは、力を分散させることができる形状であれば、真球に限定されるものではなく、例えば楕円状の球体（楕円球）を含む主旨である。

また、前記ベースには、前記球体を保持する穴が形成されていることが好ましい。これにより、球体をベース上に確実に保持して、球体が受けた荷重を確実にベースに伝達でき、また球体がベースから転がり落ちるのを防止できる。

また、前記球体の直径より小径の貫通孔を有するカバーを有し、前記カバーが、前記貫通孔から前記球体が突出するようにして設けられていることが好ましい。これにより、球体がベースから転がり落ちるのを確実に防止できる。

本発明によれば、荷重の入力方向が傾いてずれた場合であっても、ベースの塑性変形を防止して荷重を確実に検出することが可能になる。

図１は実施形態の荷重センサを示す平面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、図３は歪み検出素子の一例を示す断面図、図４は荷重センサを示す回路図である。この荷重センサ１は、例えば、車両用のブレーキバイワイヤにおいて、ブレーキパッドに与えられる荷重を検出するためのものであるが、ブレーキバイワイヤのための荷重センサに限定されるものではない。

図２に示すように、本実施形態の荷重センサ１は、ベース２と球体１０とを有している。ベース２は、円柱形状であり、その中心に図２において上下方向に貫通する穴３が形成されている。この穴３の上端は、前記球体１０と同じ曲率の球面状の受部３ａとなっている。これにより、球体１０の球面が、受部３ａの全面に接して支持されるようになっている。なお、ベース２は、歪み変形可能な材料であれば特に限定されるものではないが、例えば、セラミック、ステンレス鋼、アルミニウムなどから選択できる。球体１０は、ステンレス鋼、高炭素クロム鋼などで形成され、真球であることが好ましい。形状を真球にすることにより、荷重を良好に分散させることができる。なお、球体１０は、真球に限定されず、荷重を分散させることができるものであれば、楕円状の球体など球体に近似した形状であってもよい。

図１に示すように、前記ベース２には、前記球体１０の周囲に周方向に歪み検出素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が等間隔に配置されている。また、歪み検出素子Ｓ１とＳ２は、球体１０を挟んで互いに対向する位置に設けられ、歪み検出素子Ｓ３とＳ４は、球体１０を挟んで互いに対向する位置に設けられている。各歪み検出素子Ｓ１〜Ｓ４は、いずれも同じ構成であり、図３に示すように、絶縁層３１、歪みゲージ３２、リード３３およびコーティング層３４が積層されて構成されている。これら歪み検出素子Ｓ１〜Ｓ４の組合せの一例としては、絶縁層３１としてホウ珪酸鉛ガラス、歪みゲージ３２として所定の基材に抵抗素子として酸化ルテニウムを形成したもの、リード３３としてパラジウム銀、コーティング層３４としてホウ珪酸鉛ガラスを適用することができる。また、この場合のベース２の材料としては、フェライト系ステンレス鋼を選択することができる。

なお、前記した組合せに限定されるものではなく、絶縁層３１およびコーティング層３４としては、ベース２の材質や使用環境等に応じて、エポキシ系、シリコーンゴム系、合成ゴム系などの素材から選択することができる。また、歪みゲージ３２としては、ガラスエポキシやポリイミドなどからなる基材に抵抗素子として銅抵抗箔や抵抗線を形成したものから選択できる。また、リード３３としては、銅や銀などを選択できる。また、ベース２に設けられる歪み検出素子については、４個に限定されるものではなく、４個未満であっても４個を超えるものであってもよい。また、絶縁層３１をベース２に設ける場合の接着材、歪みゲージ３２の基材を絶縁層３１に設ける場合の接着材については、ベース２、絶縁層３１および基材の材質に応じて適宜選択することができる。

図１および図２に示すように、本実施形態の荷重センサ１には、カバー２０が設けられている。このカバー２０は、ステンレス鋼などで形成され、ベース２の外周面に嵌合して覆う環状の側面部２０ａと、ベース２の上面を覆う円板状の上面部２０ｂとが一体となって形成されたものである。また、ベース２の上面部２０ｂの中心には、前記球体１０の直径Ｒよりも小径の貫通孔２１が形成されている。ベース２の外周面には、フランジ２ｂが突出形成されて、このフランジ２ｂでベース２の下端部が支持されるようになっている。このカバー２０でベース２を覆ったときに、貫通孔２１から球体１０の上部が突出し、かつ、貫通孔２１の高さが、球体１０の赤道線よりも上側に位置するようになっている。これにより、球体１０が貫通孔２１から抜け出ることが防止され、球体１０が受部３ａに接しながら空転するだけで、ベース２から脱落するのを確実に防止できる。

本実施形態の荷重センサ１では、前記歪み検出素子Ｓ１〜Ｓ４によって、図４に示すホイートストンブリッジ回路が形成されている。各歪み検出素子Ｓ１〜Ｓ４は、歪みゲージ３２に引張力が作用するようにベース２が変形したときに抵抗値が増大し、また、歪みゲージ３２に圧縮力が作用するようにベース２が変形したときに抵抗値が減少するようになっている。そして、入力電圧Ｅによる抵抗値の変化を電圧（出力電圧ｅ）の変化として取り出して、荷重を求めるようになっている。

例えば、図５に示すように、ベース２の垂線Ｓに対して歪み検出素子Ｓ２側に傾斜した方向から球体１０に荷重Ｆが与えられると、歪み検出素子Ｓ１側に対して荷重（分力）Ｆａが、歪み検出素子Ｓ２側に対して荷重（分力）Ｆｂが作用する。なお、この場合、他の歪み検出素子Ｓ３，Ｓ４では歪みが検出されないものとして説明する。荷重Ｆａによって、歪み検出素子Ｓ１において大きな歪みが検出され、荷重Ｆｂによって、歪み検出素子Ｓ２において小さな歪みが検出される。このように、荷重Ｆの入力部として球体１０を設けてベース２に保持させることで、入力された荷重Ｆを分散させることができ、ベース２に過大な荷重が作用するのを阻止してベース２が塑性変形するのを防止できる。しかも、荷重Ｆａを歪み検出素子Ｓ１で、荷重Ｆｂを歪み検出素子Ｓ２でそれぞれ検出できるので、ベース２に作用する全体の荷重を確実に検出できるようになる。

また、図５に示す状態に対して、垂線Ｓに対してさらに傾斜した方向から荷重が入力された場合には、歪み検出素子Ｓ１に与えられる歪みが図５に示す場合よりも大きくなり、歪み検出素子Ｓ２に与えられる歪みが図５に示す場合よりも小さくなる。このような荷重が作用した場合であっても、球体１０に入力された荷重が分散されて、各歪み検出素子Ｓ１，Ｓ２によってベース２の歪みが検出されて、入力された荷重が検出される。また、図５において紙面に直交する方向と垂線Ｓとで形成される平面内において、荷重が入力された場合には、歪み検出素子Ｓ３，Ｓ４の各抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化により、荷重の検出が行われる。また、前記した各平面内とは異なる方向から荷重が入力された場合には、４つの歪み検出素子Ｓ１〜Ｓ４の出力電圧の変化により荷重の検出が行われる。

図６は、本実施形態の荷重センサの変形例を示す断面図である。この荷重センサ１Ａは、前記した荷重センサ１のベース２の形状を変更したものであり、その他の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

図６に示すように、この荷重センサ１Ａでは、ベース２の中心部に形成された穴３の上端部にテーパ状の受部３ｂが形成されている。これにより、球体１０が受部３ｂに支持されたときに、球体１０が受部３ｂに線状に接して支持されるようになる。この場合であっても、図５に示すように、垂線Ｓに対して傾斜した方向から荷重Ｆが入力された場合であっても、入力された荷重Ｆを分散させて、ベース２に荷重Ｆが集中的に作用するのを防止することができ、分散した荷重を確実に検出することができる。

本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、歪み検出素子Ｓ１〜Ｓ４として歪みゲージ式に替えて、静電容量式、圧電式、磁歪式、ジャイロ式などであってもよい。また、ベース２に形成される穴３は、貫通するものに限定されず、貫通しない有底状であってもよい。

本実施形態の荷重センサを示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 歪み検出素子の一例を示す断面図である。 荷重センサを示す回路図である。 本実施形態の荷重センサの作用を示す模式図である。 本実施形態の荷重センサの変形例を示す断面図である。 従来の荷重センサを示す作用図であり、（ａ）は荷重を検出できる場合、（ｂ）は荷重を検出できない場合である。

符号の説明

１，１Ａ 荷重センサ
２ ベース
３ 穴
３ａ，３ｂ 受部
１０ 球体
２０ カバー
２１ 貫通孔
Ｓ１〜Ｓ４ 歪み検出素子

Claims (3)

1. 歪み検出素子の歪みにより荷重を検出する荷重センサであって、
   前記歪み検出素子が設けられる歪み変形可能なベースと、前記ベースに支持されて前記荷重の入力部となる球体とを備えることを特徴とする荷重センサ。
2. 前記ベースには、前記球体を保持する穴が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
3. 前記球体の直径より小径の貫通孔を有するカバーを有し、前記カバーが、前記貫通孔から前記球体が突出するようにして設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の荷重センサ。

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