JP2014044180A - 歪みセンサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ドアパネル等の対象物の外力による変形を検出するとともに、過大な変形による歪みセンサ３の損傷を回避できるようにする。
【解決手段】歪みセンサモジュール１は、回路基板からなる起歪板２と、半導体型歪みセンサ３と、回路部４と、コネクタ５と、を有し、中央の取付ネジ６の１点において対象物に取り付けられる。起歪板２の一端部２ａには、突起部材１１によって突起部が形成されているので、取付ネジ６で固定した初期状態では、起歪板２が僅かに撓み、プリロードが与えられる。対象物が外力により起歪板２へ向かって凸となる方向に変形すると、歪みセンサ３に生じていた歪みが減少するので、対象物の変形が検出される。対象物が同方向に過度に変形しても、起歪板２は撓まないので、歪みセンサ３の損傷は生じない。
【選択図】図１

Description

この発明は、セキュリティシステム等に好適な歪みセンサモジュールに関する。

例えばドア等が不審者により無理やりに開かれたことを検出するために、従来は、振動センサが多く用いられている（特許文献１）。しかし、この種の振動センサは、外部から加わった衝撃による加速度に応答するものであるため、例えば外力が比較的緩やかに加えられてドアパネル等が徐々に変形していくような場合には、その異常を必ずしも検知できない。

そのため、このような態様の異常の検知のために、外力によるドアパネル等の歪みの発生を監視することが検討されている。

ここで、近年、従前の抵抗線式ストレインゲージに代えて、半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成するとともに、増幅回路を同じ基板上に形成した半導体型歪みセンサが本出願人らによって種々提案されている（例えば特許文献２参照）。

特許文献３は、肉薄部を有する起歪部材にストレインゲージの抵抗線を貼着してなるストレインゲージ式ロードセルにおいて、起歪部材を塑性変形が生じないセラミックにて形成することを開示している。

特開２００９−２７７２１２号公報 特開２００５−１１４４４３号公報 特開昭６３−２７３０２９号公報

上記の半導体型歪みセンサは、従前の抵抗線式ストレインゲージに比べて遙かに感度が高く、外力によるドアパネル等対象物の変形つまり歪みを精度よく検出することが可能であるが、その反面、脆い薄肉の半導体チップとして構成されているため、過大な変形には追従できず、特に引張や曲げ方向の力に対しては、損傷し易い、という欠点がある。

なお、特許文献３では、肉薄部を有する中空の起歪部材を用いる構成であり、対象物に取り付けてその歪み検出を行う用途には適用することができない。

この発明は、対象物の表面に取り付けられる起歪板と、この起歪板の歪みに応答するように該起歪板に支持された歪みセンサと、を備え、上記対象物の特定の方向の変形を検出する歪みセンサモジュールであって、上記起歪板が上記対象物に対し１点で固定されるとともに、この固定点と上記起歪板の一端部との間に上記歪みセンサが配置されていることを特徴としている。

すなわち、上記構成では、基本的には、対象物が外力によって変形すると、該対象物の表面に取り付けられた起歪板が同様に撓み、これに応じて、歪みセンサの出力信号が変化する。これによって、対象物の変形が検出される。

しかし、上記起歪板は、対象物に対し１点で固定されているため、対象物が起歪板へ向かって凸となる方向へ変形したときには、起歪板の上記一端部が対象物の表面から離れようとする。そのため、この方向で対象物の過大な変形があったとしても、歪みセンサに過大な歪みや曲げ力が作用することがなく、歪みセンサの損傷は生じない。

本発明では、対象物が変形していない初期状態において起歪板にプリロードを与えるか否かによって、検出し得る対象物の変形方向が定まる。

本発明の一つの態様では、起歪板の上記一端部に、対象物に局部的に接する突起部を備えており、上記固定点で固定したときに上記突起部により起歪板にプリロードが与えられる。つまり、起歪板の一部が固定点において対象物の表面に接した状態に固定されるのに対し、上記一端部が上記突起部によって持ち上げられた形となり、これにより起歪板にプリロードが与えられる。従って、このプリロードによる起歪板の初期歪みに対応した出力信号が初期状態（つまり対象物が変形していない状態）において得られる。

この場合、対象物が起歪板へ向かって凸となる方向へ変形したときに、突起部が相対的に対象物の表面から離れる方向へ移動することとなるので、上記プリロードひいては初期歪みが減少する。突起部が対象物の表面から完全に離れれば、起歪板の歪みは０となる。

従って、上記プリロードによる上記起歪板の初期歪みの減少に基づいて、上記対象物の変形を検出することができる。

他方、本発明の他の態様では、プリロードを特に与えることなく、初期状態で起歪板が対象物の表面に自然に接した状態となって用いられる。この場合、対象物が起歪板とは反対側へ凸となる方向に変形すると、これに追従して起歪板が撓み変形し、その歪みに応じた出力信号が得られる。これにより、対象物の変形が検出される。

上記起歪板としては、金属板や硬質合成樹脂板など適宜な材料からなるものを用いることができる。好ましい一つの例では、起歪板が弾性変形可能な回路基板から形成されている。つまり、歪みセンサや必要な回路部品等を実装した回路基板そのものを起歪板とすることができ、歪みセンサモジュールの簡素化が図れる。

この発明によれば、対象物の外力による変形を確実に検出することができる。そして、対象物が起歪板へ向かって凸となる方向へ大きく変形したとしても、歪みセンサが損傷を来すことがなく、歪みセンサを確実に保護することができる。

この発明に係る歪みセンサモジュールの一実施例を示す斜視図。 この歪みセンサモジュールを対象物に取り付けた状態を示す側面図。 対象物が矢印Ａ方向の外力で変形した状態の説明図。 対象物に作用した荷重と歪みセンサ出力との関係を示した特性図。 （Ａ）外力により出力が変化したときと（Ｂ）センサ損傷により出力が変化したときとを対比して示した特性図。 歪みセンサの両側の２点で固定した比較例の説明図。 この発明に係る歪みセンサモジュールの第２の実施例を示す斜視図。 この歪みセンサモジュールを対象物に取り付けた状態を示す側面図。 対象物が矢印Ｂ方向の外力で変形した状態の説明図。 対象物が矢印Ａ方向の外力で変形した状態の説明図。 対象物に作用した荷重と歪みセンサ出力との関係を示した特性図。

図１は、この発明に係る歪みセンサモジュール１の一実施例を示している。この歪みセンサモジュール１は、必要な配線を備えた回路基板からなる起歪板２と、この起歪板２の表面に接着やハンダ付け等により固定された歪みセンサ３と、１チップマイクロコンピュータを含む回路部４と、外部配線との接続を行うコネクタ５と、を備えている。

上記起歪板２を構成する回路基板は、例えば銅板の表面に印刷回路の層を備えたいわゆるメタルベース基板からなり、少なくとも歪みセンサ３による検出範囲の変位については弾性変形となるように、起歪板として必要な弾性を備えている。この起歪板２は、平坦な帯状をなし、その長手方向の略中央部に、該起歪板２をドアパネル等の対象物２１（図２参照）の表面に取り付けるための単一の取付ネジ６が設けられている。そして、この取付ネジ６が配置されている部分を含めて長手方向の一端部２ａ側の部分は幅が狭く形成されており、かつ他端部２ｂ側の部分は幅が広くなっている。このように幅広となっている領域の表面に上記回路部４ならびにコネクタ５が配置されている。

上記歪みセンサ３は、例えば特許文献２に開示されているように半導体基板に複数の拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路を形成するとともに、増幅回路を同じ基板上に形成した半導体型歪みセンサからなり、例えば数ｍｍ角程度の１つのチップとして構成されている。この歪みセンサ３は、起歪板２の一端部２ａ側の部分つまり幅が狭い領域に配置されており、取付ネジ６よりも一端部２ａ寄りに位置している。なお、上記のような半導体型歪みセンサは、特定の方向（一般には互いに直交する２方向）に沿った歪みに対し高い感度を有しているが、この歪み検出方向が上記起歪板２の長手方向の撓みに対応するように、歪みセンサ３が配置されている。なお、図示例はコネクタ５を介して有線で歪みセンサモジュール１が外部機器に接続されるが、電池またはワイヤレス方式の給電ならびに出力信号の送受信を行うように構成することも可能である。

ここで、本実施例の歪みセンサモジュール１は、初期状態で起歪板２にプリロードを与える構成となっており、そのために、起歪板２の一端部２ａに、ネジあるいはリベット等からなる突起部材１１が取り付けられている。この突起部材１１は、起歪板２に設けた孔を貫通しているとともに、先端が起歪板２の裏面つまり取付面２ｃ（図２，３参照）から僅かに突出しており、突起部１１ａ（図２，３参照）を構成している。

取付ネジ６、歪みセンサ３および突起部１１ａの三者は、起歪板２の長手方向の中心線に沿うように一列に並んで配置されており、図示例では、取付ネジ６と突起部１１ａとの間の略中央に歪みセンサ３が位置している。なお、起歪板２の裏面つまり取付面２ｃは、突起部１１ａと取付ネジ６とを除いて、凹凸のない平面をなしている。

上記のように構成された歪みセンサモジュール１は、図２に示すように、ドアパネル等の対象物２１の平坦な表面２１ａに取付ネジ６によって取り付けられる。なお、歪みセンサモジュール１の回転防止等のために起歪板２のコネクタ５寄りの部分を補助的に固定するようにしてもよい。

取付ネジ６を締め付けることによって起歪板２の取付面２ｃは対象物２１の表面２１ａに密接する。しかし、この実施例では、起歪板２の一端部２ａ寄りに突起部１１ａが存在するので、該突起部１１ａが対象物２１の表面２１ａに接し、この結果、その付近の起歪板２の一端部２ａは、図２に示すように、対象物２１の表面２１ａから僅かに浮き上がる。これにより、起歪板２は初期状態において僅かに撓み、プリロードが与えられた状態となる。このとき、歪みセンサ３からは、このプリロードに対応した歪みの大きさを示す出力信号が得られる。

このような初期状態から対象物２１が図２の矢印Ａ方向に外力を受け、該対象物２１が起歪板２へ向かって凸となる方向へ変形すると、図３に示すように突起部１１ａが対象物２１の表面２１ａから離れようとし、プリロードによる起歪板２の撓みが減少していく。そして、最終的には、突起部１１ａが対象物２１の表面２１ａから完全に離れ、起歪板２の撓みが実質的に０となって、歪みセンサ３からは、この歪み０を示す出力信号が得られる。

図４は、上記歪みセンサモジュール１から得られる出力信号の特性を示している。図の縦軸は、対象物２１に加わった荷重の大きさを示しており、荷重０よりも下側が上記の矢印Ａ方向の荷重に相当し、荷重０よりも上側が逆方向つまり図２の矢印Ｂ方向の荷重に相当する。横軸は、起歪板２の歪みに対応する出力信号の大きさを模式的に示しており、ここでは、便宜上、伸び方向の歪みを受けると出力が大となり、これとは逆の圧縮方向の歪みを受けると出力が低下するものとして示しているが、これとは逆の特性とすることも可能である。図中のａ点が初期状態（対象物２１の荷重が０）の特性であり、前述したように、歪みセンサ３は、プリロードに対応した歪みを示す。ｂ点は、対象物２１の変形に伴って突起部１１ａが対象物２１の表面２１ａから離れる瞬間に相当し、これよりも対象物２１の変形が増加しても歪みセンサ３の出力信号は変化しない。換言すれば、このときの出力信号が、歪みセンサ３の歪み０に対応する。

図３は、対象物２１が矢印Ａ方向の外力によって大きく変形した状態を示しているが、このように対象物２１が過大に変形しても、歪みセンサモジュール１は取付ネジ６の１点のみで対象物２１に固定されていることから、起歪板２は何ら撓むことがない。従って、歪みセンサ３に過大な力が作用することはなく、歪みセンサ３の損傷が確実に回避される。

仮に、図６に例示するように起歪板２が歪みセンサ３の両側の２点で対象物２１に固定されていたとすると、矢印Ａ方向の過大な外力により対象物２１が大きく変形したときに、起歪板２が同様に大きく撓むため、脆弱な歪みセンサ３が損傷（チップの破断や断線など）する。特に、図示する方向の対象物２１の変形では、歪みセンサ３に曲げと引張方向の荷重が作用するため、より損傷を生じやすい。

なお、この実施例の歪みセンサモジュール１は、対象物２１が矢印Ａ方向とは逆方向つまり図２の矢印Ｂ方向に外力を受けることは基本的に想定していない。但し、図４に示すように、ある程度の変形までは、起歪板２の撓みが増加するに伴って対象物２１の変形に応じた出力信号が得られる。図４の特性例では、ｃ点において歪みセンサ３の損傷が生じてしまい、出力信号が０近傍の一定範囲内となる。従って、この実施例では、対象物２１に作用する荷重として、図４に示すＬ１の範囲（ｂ点〜ｃ点の範囲に対応する）が計測可能範囲となる。

図５は、対象物２１の変形と歪みセンサ３の損傷との識別について説明するものであり、歪みセンサ３の出力レベルがステップ的に変化したときに、（Ａ）のようにセンサ出力があるレベルに留まっていれば、対象物２１の変形であると判断することができる。これに対し、（Ｂ）のようにセンサ出力が０付近まで低下した場合には、歪みセンサ３の損傷ないし断線等の異常であると判断することができる。なお、図４の例では、対象物２１の変形に伴ってａ点からｂ点へとセンサ出力が高くなるが、図５（Ａ）では、理解を容易にするために、センサ出力が対象物２１の変形に伴って低くなるように描いてある。

以上のように、上記実施例では、ドアパネル等の対象物２１が外力によって変形（特に起歪板２へ向かって凸となる方向へ変形）したことを歪みセンサ３によって確実に検出することができる。特に、防犯用途で多用される振動センサと異なり、徐々に外力を加えて対象物２１を変形させていったような場合でも、確実な検出が可能である。また歪みセンサモジュール１としてモジュール化したものを対象物２１の適当な位置に取り付ければよいので、極めて容易に適用できる。そして、対象物２１が外力によって過度に変形したような場合でも、歪みセンサ３の損傷を確実に回避することができる。

次に、図７および図８は、この発明の第２の実施例を示している。この実施例は、初期状態でプリロードを与えることなく用いるようにしたものであって、歪みセンサモジュール１０１は、図７に示すように、起歪板２の一端部２ａに突起部材１１を備えていない。この相違点以外は、基本的に前述した第１の実施例の歪みセンサモジュール１と同一の構成を有している。起歪板２の裏面つまり取付面２ｃは、取付ネジ６を除いて、凹凸のない平面をなしている。

上記の歪みセンサモジュール１０１は、中央の取付ネジ６によって対象物２１の表面２１ａに取り付けられる。この第２の実施例では、前述した突起部１１ａを具備しないことから、図８に示すように、起歪板２の取付面２ｃの全体が対象物２１の表面２１ａに密接し、起歪板２は撓んでいない状態となる。つまり初期状態では、歪みセンサ３の歪みは実質的に０であり、図１１のｄ点で示すような歪み０に対応した出力信号が得られる。

図９は、対象物２１が図８の矢印Ｂ方向に外力を受けて、該対象物２１が起歪板２とは反対側へ向かって凸となるように変形した状態を示している。この方向の対象物２１の変形においては、取付ネジ６によって対象物２１に固定されている起歪板２が対象物２１に追従して撓み、歪みセンサ３に圧縮方向の歪みが生じる。これにより、図１１のｄ点からｅ点へ向かって出力信号が変化する。なお、対象物２１が上記の方向に過度に大きく変形すると、歪みセンサ３の損傷が生じ得る。図１１の特性例では、ｅ点において歪みセンサ３の損傷が生じ、出力信号が０近傍の一定範囲内となる。

一方、図１０は、図９とは反対方向つまり図８の矢印Ａ方向の外力が対象物２１に作用し、該対象物２１が起歪板２へ向かって凸となる方向へ変形したときの状態を示している。この方向への対象物２１の変形においては、図示するように対象物２１の表面２１ａが起歪板２の取付面２ｃから離れるため、起歪板２の撓みは生じない。そのため、前述した実施例と同様に、この方向へ対象物２１が過度に変形したとしても、歪みセンサ３の損傷が生じることがない。なお、この図１０の方向の変形は、この第２の実施例の歪みセンサモジュール１０１では検出できない。従って、この第２の実施例では、対象物２１に作用する荷重として、図１１に示すＬ２の範囲（ｄ点〜ｅ点の範囲に対応する）が計測可能範囲となる。

このように、上述した２つの実施例は、対象物２１に対し同一の面に取り付けるものと仮定すれば、それぞれ逆方向の変形を検出することができる。実際の適用に際しては、用途や適用箇所等に応じて、２つの異なる形式の歪みセンサモジュール１，１０１を組み合わせて用いたり、同じ対象物２１の両側に適当に配置することも可能である。なお、第１の実施例の歪みセンサモジュール１と第２の実施例の歪みセンサモジュール１０１とは突起部材１１の有無のみが異なるので、起歪板２そのものを、その他の部品と同様に両者に共通なものとすることもでき、突起部材１１を装着するか否かによって、その検出態様を選択するようにすることもできる。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、図１の実施例では、ネジやリベット等からなる突起部材１１を用いているが、接着あるいはハンダ付け等によって起歪板２の取付面２ｃに突起部を形成してもよく、あるいは、起歪板２そのものの一部に段部を形成して突起部とすることもできる。また、起歪板２として回路基板とは別に適宜な材質の板状部材を用い、これに回路基板を固定するようにしてもよい。なお、この発明の歪みセンサモジュールは、建物のドアや窓、自動販売機等のドアや外装パネル、等におけるセキュリティ用途に適しているが、その他、種々の部材の何らかの原因による変形を検出する用途に広く適用することができる。

１，１０１…歪みセンサモジュール
２…起歪板
３…歪みセンサ
４…回路部
５…コネクタ
６…取付ネジ
１１ａ…突起部

Claims (6)

1. 対象物の表面に取り付けられる起歪板と、この起歪板の歪みに応答するように該起歪板に支持された歪みセンサと、を備え、上記対象物の特定の方向の変形を検出する歪みセンサモジュールであって、
   上記起歪板が上記対象物に対し１点で固定されるとともに、この固定点と上記起歪板の一端部との間に上記歪みセンサが配置されていることを特徴とする歪みセンサモジュール。
2. 上記一端部に、上記対象物に局部的に接する突起部を備え、上記固定点で固定したときに上記突起部により上記起歪板にプリロードが与えられることを特徴とする請求項１に記載の歪みセンサモジュール。
3. 上記プリロードによる上記起歪板の初期歪みの減少に基づいて、上記対象物の変形を検出することを特徴とする請求項２に記載の歪みセンサモジュール。
4. 上記対象物が上記起歪板とは反対側へ凸となる方向への上記対象物の変形を検出することを特徴とする請求項１に記載の歪みセンサモジュール。
5. 上記起歪板が、弾性変形可能な回路基板から形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の歪みセンサモジュール。
6. 上記対象物が上記起歪板側へ凸となる方向と上記起歪板とは反対側へ凸となる方向への上記対象物の変形を検出することを特徴とする請求項１に記載の歪みセンサモジュール。

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