JP2009168668A - 歪検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歪検出装置に過大な応力が加わっても、起歪体と絶縁層との間が剥離せずに特性が安定する歪検出装置を提供する。
【解決手段】歪検出装置は、金属製の起歪体１１と、この起歪体１１の外表面側に設けられたガラスからなる絶縁層１３と、この絶縁層１３の外表面に設けられた少なくとも２つの歪抵抗素子１５とを備え、前記起歪体１１と絶縁層１３との間に位置して緩衝層１２が設けられる。緩衝層１２はＡｇとガラスとの混合物によって構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷重を負荷することによって発生する歪を検出する歪検出装置に関するものである。

従来のこの種の歪検出装置について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は従来の歪検出装置の上面図であり、図５は同歪検出装置の側断面図を示したものである。この図４，図５に示すように、歪検出装置は板状に加工した金属からなる起歪体１を備えており、この起歪体１には上面から下面にわたって貫通するように３つの孔２が設けられている。前記起歪体１の上面には、ガラスからなる絶縁層３が設けられている。前記絶縁層３の上面には、銀からなる回路パターン４が設けられている。

符号５は４つの歪抵抗素子であり、この歪抵抗素子５は前記絶縁層３の上面に前記回路パターン４と電気的に接続するように設けられている。そして、前記歪抵抗素子５は、銀からなる電源電極６、出力電極７およびＧＮＤ電極８を回路パターン４によって電気的に接続することによりブリッジ回路を構成している。符号９は保護層であり、この保護層９は、前記起歪体１の上面に設けた絶縁層３、回路パターン４および歪抵抗素子５を覆うように設けられている。

以上のように構成された従来の歪検出装置の動作について説明する。歪検出装置における起歪体１の孔２のうち外側の二つを固定した状態で、中央の孔２に上方から下方に向かって荷重が負荷されると、この負荷された荷重により、起歪体１に反りが発生して、４つの歪抵抗素子５に抵抗値の変化が生じる。この４つの歪抵抗素子５の抵抗値の変化をブリッジ回路で出力して、演算装置（図示せず）で荷重に変換することにより、歪検出装置に加わる荷重を算出することができる。

ここで、図５に示す従来の歪検出装置では、起歪体１の縦弾性係数は約２１０ＧＰａであるのに対し、絶縁層３の縦弾性係数は約１２０ＧＰａである。このため、歪検出装置において過大な荷重が負荷される場合を考えてみると、過大な荷重の負荷により、起歪体１は大きく歪むことができるが、絶縁層３は歪まないことになり、その結果、起歪体１と絶縁層３との間に剥離が生じてしまう。そのため、（表１）に示すように、負荷荷重が５００ｋｇｆまでは、正確な検出荷重を測定することができる。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２０００−１８０２５５号公報

しかしながら、上記従来の構成においては、（表１）に示すように、歪検出装置に６００ｋｇｆ以上の過大な応力が加わった場合に、起歪体１が大きく歪むと、ガラスからなる絶縁層３はあまり撓まないため、起歪体１と絶縁層３との間が剥離することになり、これにより、起歪体１に加わる応力が正確に歪抵抗素子５に伝わらなくなってしまうため、歪検出装置の出力信号が変動してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、歪検出装置に過大な応力が加わっても、起歪体と絶縁層との間が剥離するということはなく、これにより、出力信号が変動するということがない特性の安定した歪検出装置を提供することを目的とするものである。

前記の目的を達成するため、本発明は、起歪体と、この起歪体の外側に設けられた絶縁層と、この絶縁層の外表面に設けられた少なくとも２つの歪抵抗素子と、電極と、前記歪抵抗素子及び前記電極と電気的に接続されることによりブリッジ回路を構成する回路パターンと、前記起歪体と前記絶縁層との間に位置する緩衝層と、を有する歪検出装置である。

この構成によれば、起歪体と絶縁層との間に位置して緩衝層が設けられているため、歪検出装置に過大な応力が加わることにより、起歪体が大きく歪んだ場合は、それに伴い、絶縁層よりも歪み易い緩衝層が歪むことになり、これにより、起歪体と緩衝層との間および緩衝層と絶縁層との間が剥離するということはなくなる。このため、起歪体に加わる応力は正確に歪抵抗素子に伝わることになり、これにより、出力信号が安定するという作用効果を有する。

ここで、前記緩衝層は、前記絶縁層よりも歪み易い材質で構成されているのが好ましい。この態様では、起歪体が歪んだ場合に緩衝層を中位に歪ませることができ、絶縁層がほとんど歪まない場合でも、起歪体と緩衝層との間の剥離および緩衝層と絶縁層との間の剥離を防止することができる。

この態様において、前記起歪体は金属製であり、前記絶縁層はガラス製であり、前記緩衝層は、ガラスと金属の混合物によって構成されているのが好ましい。この態様では、緩衝層を絶縁層よりも歪み易い構成にし易くすることができる。

さらに、前記緩衝層は、ガラスと銀の混合物によって構成されているのが好ましい。この態様では、緩衝層を絶縁層よりも歪み易い構成にし易くすることができる。

また、前記起歪体は筒状に構成されるとともに、前記起歪体の一端側に第１の取付部材が接合される一方、前記起歪体の他端側に第２の取付部材が接合され、前記起歪体に前記緩衝層が被せられ、前記緩衝層に前記絶縁層が被せられているのが好ましい。

この態様では、第１の取付部材及び第２の取付部材に外力が作用した場合に、起歪体が歪むので、その歪みに応じて緩衝層及び絶縁層を歪ませることができる。

以上説明したように、本発明によれば、起歪体と緩衝層との間および緩衝層と絶縁層との間が剥離するということはなくなるため、起歪体に加わる応力は正確に歪抵抗素子に伝わることになり、これにより、出力信号が変動するということがない特性の安定した歪検出装置を提供できるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の一実施の形態における歪検出装置の斜視図であり、図２は同歪検出装置の側断面図であり、図３は同歪検出装置における起歪体の展開図である。

図２に示すように、歪検出装置は、所定の厚みを有する円筒形状のステンレス鋼材からなる起歪体１１を備えており、この起歪体１１の筒軸方向の一端側には第１の開口部１１ａが形成され、他端側には第２の開口部１１ｂが形成されている。また、起歪体１１の外側には、Ａｇ（銀）とガラスの混合物からなる緩衝層１２が設けられている。この緩衝層１２は、起歪体１１に被せられていて円筒形状に構成されている。緩衝層１２は、起歪体１１と同心状に配設されて起歪体１１の表面を覆っている。なお、緩衝層１２を構成する金属としては、Ａｇに代えて、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、ＡｇＰｄ合金（銀パラジウム合金）、ＡｇＰｔ合金（銀白金合金）、ＡｕＡｇ合金（金銀合金）等を用いてもよい。

緩衝層１２の外側面には、ガラスからなる絶縁層１３が前記緩衝層１２の大部分を覆うように設けられている。この絶縁層１３も円筒形状に構成されており、絶縁層１３は緩衝層１２と同心円状に配設されて、緩衝層１２に被せられている。

絶縁層１３の上面（外面）には、Ａｇからなる回路パターン１４と、この回路パターン１４と電気的に接続された２つの歪抵抗素子１５とが設けられている。この歪抵抗素子１５は電源電極１７、出力電極１８およびＧＮＤ電極１９を回路パターン１４によって電気的に接続することによりハーフブリッジ回路を構成している。各歪抵抗素子１５は、絶縁層１３の略半周に亘る長さを有し、起歪体１１の中心軸を挟んで互いに対向する位置に配設されている。

起歪体１１には、ＳＵＳ４３０からなる第１の取付部材２１と、ＳＵＳ４３０からなる第２の取付部材２３とが設けられている。第１の取付部材２１は前記起歪体１１の一端側に接合され、第１の開口部１１ａを閉塞するフランジ部２１ａを有している。フランジ部２１ａは、起歪体１１の外径と略同一の外径を有する。第１の取付部材２１は、フランジ部２１ａの外側面に繋がるように設けられたネジ部２２を有する。このネジ部２２の外径はフランジ部２１ａの外径よりも小さくなっている。

第２の取付部材２３は前記起歪体１１の他端側に接合され、第２の開口部１１ｂを閉塞するフランジ部２１ｂを有している。フランジ部２１ｂは、起歪体１１の外径と略同一の外径を有する。第２の取付部材２３は、フランジ部２１ｂの外側面に繋がるように設けられたネジ部２２を有する。このネジ部２２の外径はフランジ部２１ｂの外径よりも小さくなっている。

以上のように構成された歪検出装置について、次にその製造方法を説明する。

まず、予め準備した起歪体１１の表面に、粒径が約１μｍのＡｇ粉とガラス粉と樹脂バインダーと溶剤とから構成された電極ペースト（図示せず）をスクリーン印刷した後、１２０℃の温度乾燥機で約２０分間乾燥し、さらにピーク温度６００℃で１０分間焼成することにより、起歪体１１の表面に緩衝層１２を形成する。

次に、緩衝層１２の表面に、絶縁層１３の材料であるガラスをペースト化した材料をスクリーン印刷した後、１２０℃の温度乾燥機で約２０分間乾燥し、さらにピーク温度６００℃で１０分間焼成することにより、緩衝層１２の表面に絶縁層１３を形成する。

次に、絶縁層１３の表面における歪抵抗素子１５を設ける位置に、ペースト化した歪抵抗素子材料をスクリーン印刷した後、１２０℃の温度乾燥機で約２０分間乾燥し、さらにピーク温度６００℃で１０分間焼成することにより、絶縁層１３の表面に歪抵抗素子１５を形成する。

次に、起歪体１１における一端側の第１の開口部１１ａに第１の取付部材２１のフランジ部２１ａを当接させた後、起歪体１１と第１の取付部材２１とを溶接により互いに接合する。

最後に、起歪体１１における他端側の第２の開口部１１ｂに第２の取付部材２２のフランジ部２１ｂを当接させた後、起歪体１１と第２の取付部材２２とを溶接により互いに接合する。

以上のようにして構成され、かつ組み立てられた歪検出装置について、次にその動作を説明する。

歪検出装置が水平方向になるように、第１の取付部材２１を第１の相手側取付部材（図示せず）に取り付けるとともに、第２の取付部材２３を第２の相手側取付部材（図示せず）に取り付ける。

そして、この状態において、第１の相手側取付部材（図示せず）に、上方より荷重が加えられると、起歪体１１における上側の部位で引張応力が発生するとともに起歪体１１における下側の部位で圧縮応力が発生する。これに伴い、緩衝層１２及び絶縁層１３にも同様に引張応力及び圧縮応力が発生し、起歪体１１における上側に位置する一方の歪抵抗素子１５に引張応力が発生するとともに、下側に位置する他方の歪抵抗素子１５に圧縮応力が発生する。したがって、前記２つの歪抵抗素子１５に、応力により歪が発生すると、ハーフブリッジ回路を構成する歪抵抗素子１５の抵抗値が変化するため、出力電極１８の電位が変化する。この電位の変化を出力電極１８から出力信号として外部コンピュータ（図示せず）に出力し、起歪体１１に加わる荷重を測定することができる。

ここで、歪検出装置に過大な荷重が負荷される場合を考えて見ると、本実施形態における歪検出装置においては、起歪体１１と絶縁層１３との間に縦弾性係数が約８３ＧＰａと小さく、絶縁層１３よりも歪易い緩衝層１２が設けられているため、過大な荷重の負荷により、起歪体１１が大きく歪んだ際には、その影響で緩衝層１２が中位に歪むことになり、これにより、絶縁層１３がほとんど歪まなくても、起歪体１１と緩衝層１２との間および緩衝層１２と絶縁層１３との間に剥離が生じることはない。その結果、（表２）に示すように、本実施の形態における歪検出装置においては、負荷荷重６００ｋｇｆ〜９００ｋｇｆ（５８８０〜８８２０Ｎ）の間でも、正確な検出荷重を測定できる。

すなわち、本発明の一実施の形態における歪検出装置においては、起歪体１１と絶縁層１３との間に位置して緩衝層１２を設けているため、歪検出装置に過大な応力が加わることにより、起歪体１１が大きく歪んだ場合は、それに伴い、絶縁層１１よりも歪み易い緩衝層１２が歪むことになり、これにより、起歪体１１と緩衝層１２との間および緩衝層１２と絶縁層１３との間が剥離するということはなくなるため、起歪体１１に加わる応力は正確に歪抵抗素子１５に伝わることになり、これにより、出力信号が安定するという効果を有するものである。

さらに、負荷荷重を１０００ｋｇｆ（９８００Ｎ）あるいは１５００ｋｇｆ（１４７００Ｎ）まで増加させると、（表２）に示すように、負荷荷重の増加に伴い、検出荷重も増加する傾向にあるため、すなわち、正確な荷重を検出することはできていないものの、緩衝層１２が作用することにより、起歪体１１と緩衝層１２との間および緩衝層１２と絶縁層１３との間が剥離するということはなくなるため、歪検出装置の破壊強度が向上するという効果を有するものである。

本発明は、歪検出装置に過大な応力が加わっても、起歪体と絶縁層との間が剥離するということはなく、これにより、出力信号が変動するということがない特性の安定した歪検出装置を提供することができるという効果を有するものであり、特に荷重を負荷することによって発生する歪を検出する歪検出装置として有用なものである。

本発明の一実施の形態における歪検出装置の斜視図である。 同歪検出装置の側断面図である。 同歪検出装置における起歪体の展開図である。 従来の歪検出装置の上面図である。 従来の歪検出装置の側断面図である。

符号の説明

１１ 起歪体
１２ 緩衝層
１３ 絶縁層
１４ 回路パターン
１５ 歪抵抗素子
１７，１８，１９ 電極
２１ 第１の取付部材
２２ 第２の取付部材

Claims (5)

1. 起歪体と、この起歪体の外側に設けられた絶縁層と、この絶縁層の外表面に設けられた少なくとも２つの歪抵抗素子と、電極と、前記歪抵抗素子及び前記電極と電気的に接続されることによりブリッジ回路を構成する回路パターンと、前記起歪体と前記絶縁層との間に位置する緩衝層と、を有する歪検出装置。
2. 前記緩衝層は、前記絶縁層よりも歪み易い材質で構成されている請求項１に記載の歪検出装置。
3. 前記起歪体は金属製であり、前記絶縁層はガラス製であり、前記緩衝層は、ガラスと金属の混合物によって構成されている請求項２に記載の歪検出装置。
4. 前記緩衝層は、ガラスと銀の混合物によって構成されている請求項３に記載の歪検出装置。
5. 前記起歪体は筒状に構成されるとともに、前記起歪体の一端側に第１の取付部材が接合される一方、前記起歪体の他端側に第２の取付部材が接合され、
   前記起歪体に前記緩衝層が被せられ、前記緩衝層に前記絶縁層が被せられている請求項１から４のいずれか１項に記載の歪検出装置。

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