JP2018054293A - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】荷重受け面に凹部を配し、フランジを変形領域と剛体領域に分離し信頼性の高い荷重センサを提供すること。【解決手段】フランジ５と歪ＩＣ４を搭載したセンサプレート１との接合部１ｂ、ＰＷＢガイドとの接合部１ｃ、カバー８との接合部１ｄ及びフランジ側面２４と荷重センサ受け面２３の接合部１ｃ等がある接合ライン１ｆよりも、凹部中心線３ａが内側になる様にフランジ５の荷重受け面５ｃに凹部３を配し、フランジ５の変形領域５ａと剛体領域５ｂを分離した構成とする。【選択図】 図１Ｂ

Description

本発明は、測定対象物の荷重（押力、推力）に応じて歪む部材の歪みを歪みゲージで検知し、これを電気信号に変換して測定対象物に付加された荷重を測定する荷重センサに関する。

従来から、測定対象物に取り付けられる起歪体２０とこの起歪体２０に接続される平板状のセンサプレート１とを具備する荷重センサが知られている（図７）。この従来の荷重センサは例えば、特許文献１に示すように、起歪体２０は肉厚の板材により構成され、その周縁が矩形状に形成されている。この起歪体２０の上面には、周縁から内側に入り込んだ位置に下面側に向けて窪ませた凹所２１が形成されている。そして、センサプレート１は、薄板材が長方形に形成された部材である。センサプレート１は、起歪体２０の凹所２１を横断するようにして起歪体２０の上面に配置され、その長軸方向の両端１ａ、１ａが凹所２１の縁部２１ａに溶接により固定され、起歪体２０に接合される。更には、センサプレート１に配された歪ゲージ２２や起歪体２０の変位をセンサプレート１へ伝達する伝達部７から構成されている。

特願２００６−５２９１５６号公報

しかし、上記特許文献１に代表される従来の荷重センサには、つぎのような改善点があることを見いだした。

荷重を起歪体に受けると起歪体の中央部分は＋Ｚ方向に変位する際、起歪体の上面周縁にある起歪体の受け面、つまり荷重センサ受け面に規制される為、モーメント力が発生し起歪体の縁部は変形する。この為、センサプレートと起歪体の接合部或いは、センサプレートに配された歪ゲージ等を保護し荷重センサの筐体としての側面及びカバーにおける、筐体側面と起歪体との接合部或いは筐体側面とカバーの接合部には応力が発生し、信頼性に改善の余地が残されている。

上記課題を解決するために、本発明における荷重センサでは、荷重を受ける起歪体をフランジとして変形領域と剛体領域に分ける構成とする。

荷重の受け面とセンサエレメントを具備するフランジからなる荷重センサにおいて、フランジと歪ＩＣを搭載したセンサプレートとの接合部、ＰＷＢガイドとの接合部、カバーとの接合部及びフランジ側面と荷重センサ受け面の接合部等がある接合ラインよりも、凹部中心線が内側になる様にフランジの荷重受け面に凹部を配し、フランジの変形領域と剛体領域を分離した構成とする。

本発明によれば、荷重を受けた際、変形領域では＋Ｚ方向に変位してセンサエレメントへ歪を伝達し、剛体領域は変形領域での＋Ｚ方向の変位によるモーメントの影響を受けない接合部の信頼性の高い荷重センサを提供することが可能となる。

本発明の実施例１にかかる荷重センサである。 図１ＡのＡ−Ａで示した断面線の矢視方向から見た断面図である。 図１ＡのＣで示した矢視方向から見たフランジの斜視図 図１ＡのＤで示した矢視方向から見たセンサプレート及び歪ＩＣの矢視図 ＰＷＢガイドとＰＷＢ ＡＳＳＹの斜視図である。 歪ＩＣのブロック図である。 歪ＩＣの略回路図である。 従来の荷重センサの断面図である。 本発明の実施例２にかかる荷重センサセンサを示した断面図である。 本発明の実施例３にかかる荷重センサセンサを示した断面図である。 本発明の実施例４にかかる荷重センサセンサを示した断面図である。 本発明の実施例５にかかる荷重センサセンサのフランジを示した断面図である。 本発明の実施例６にかかる荷重センサセンサを示した断面図である。 本発明の実施例７にかかる荷重センサセンサを示した断面図である。

以下、本発明の荷重センサの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。

本発明の実施例１を、図１から図６を用いて説明する。

図１及び図２は、フランジ５の荷重受け面５ｃに凹部３を設けた実施例である。荷重センサ１００は、円板状のセンサプレート１と、このセンサプレート１に取り付けられた２個の歪ＩＣ４ａ、４ｂと、センサプレート１の周囲を保持し、且つ荷重９０を受けるフランジ５とカバー８、ＰＷＢ(Printed Wiring Board：プリント配線板) ＡＳＳＹ３１などから構成されている。

フランジ５には位置決めピン２があり、軸９１に対して回転方向の位置決めの役割を果たしている。センサプレート１は、その外周をフランジ５に固定され、フランジ５はセンサプレート１の中央部６と接続されるフランジ５が荷重９０を受けた時の変位を伝達する伝達部７を有している。荷重９０を伝達する為に、シャフト９２が、フランジ５のフランジ荷重受け面５ｃに接触して、フランジに荷重９０を負荷する。

フランジ５の荷重受け面に５ｃには凹部３が、シャフト９２が囲われるように配されている。この凹部３により、フランジ５は変形領域の５ａと剛体領域の５ｂに分離される。凹部３の中心線３ａ、３ａの半径Ｒ１は、フランジ５に接合されているセンサプレート１・カバー８・ＰＷＢガイド２９の接合部１ｂ〜１ｄ、荷重センサ受け面２３と本実施例ではフランジ５と一体化されているフランジ５の側面２４との接合部である１ｅ、これら接合部が配置されている接合ライン１ｆの半径Ｒ２より小さく構成されている（Ｒ１＜Ｒ２）。

このような構成にすることにより、シャフト９２がフランジ５の荷重受け面５ｃに接触して荷重をかけると変形領域５ａが変形する。その変位は、伝達部７を通してセンサプレート１を変形させる。変形によりセンサプレート１に生じた歪を、歪ＩＣ４ａ、４ｂが検出する。

他方、フランジとの接合部１ｂ〜１ｄは、凹部３より外側の剛体領域５ｂ上に配されている為、荷重９０の影響を受けることなく、接合の信頼性を保てる。さらに、シャフト９２がフランジ５の中心である加重印加軸９１から軸ずれした加重印加軸９１ａにずれて加重を印加しても、シャフト９２がフランジ５の荷重受け面５ｃの変形領域５ａの中にあれば、誤差は少なくて済む。

図３に示すように、歪ＩＣ４が２個センサプレート１に搭載されている。歪ＩＣ４ａ、４ｂは、センサプレート１にガラス３０ａ、３０ｂにて接合されている。センサプレート１は伝達部７に対しセンサプレート１の歪ＩＣ４ａ、４ｂの搭載部が概略長方形となる様に、センサプレート１の周囲のフランジ接続部を除いて長方形の長辺の外側に半円状の抜き部９ａ、９ｂを有する。センサプレート１は、その外周をフランジ５に固定されている。フランジ５は、センサプレート１の中央部６と接続されるフランジ５が荷重９０を受けた時の変位をセンサプレート１に伝達する伝達部７を有している。歪ＩＣ４ａ、４ｂをセンサプレート１の中央部６に対してその両側に配している。このように配置することで、２個の歪ＩＣ４ａ、４ｂの出力を比較することにより、故障診断が可能である。

図４はＰＷＢガイド２９とＰＷＢ ＡＳＳＹ３１ａ、３１ｂの斜視図である。ＰＷＢ ＡＳＳＹ３１は同一の物がＰＷＢガイド２９の中心に対して対称に２セット配置されている。ＰＷＢガイド２９はフランジ５に固定され、ＰＷＢ ＡＳＳＹ３１を接着剤３３にて固定し、ＰＷＢガイド２９の凸部３４ａ〜３４ｅにより位置決めされている。ＰＷＢ ＡＳＳＹ３１ａ、３１ｂと歪ＩＣ４ａ、４ｂはアルミワイヤボンディング（以降アルミＷ／Ｂと略す）３５にて電気的に接続される。尚、図１Ｂにあるように、ＰＷＢ ＡＳＳＹ３１ａには、歪ＩＣ４ａからアルミＷ／Ｂ出力用３５ａとして、電源・ＧＮＤ・出力の３本が接続されており、歪ＩＣ４ｂからアルミＷ／Ｂ通信用３５ｂとして、通信線の４本が接続されている。対して断面の反対側（図示無し）のＰＷＢ ＡＳＳＹ３１ｂには、歪ＩＣ４ｂからアルミＷ／Ｂ出力用３５ｂとして、電源・ＧＮＤ・出力の３本が接続されており、歪ＩＣ４ａからアルミＷ／Ｂ通信用３５ａとして、通信線の４本が接続されている。この様な構成にする事により、アルミＷ／Ｂ３５を歪ＩＣ４と最短で接続し、ノイズ防止・振動耐性向上させアルミＷ／Ｂ３５のレイアウトを簡潔に纏めている、また、ＰＷＢ３２の小型化、ひいては荷重センサ１００の小型化を図っている。ＰＷＢ ＡＳＳＹ３１にはコネクタ３６が搭載されており、ＰＷＢ３２に搭載されている、更には、ノイズ防止や電源・出力安定の為のコンデンサ３７や信号の保護の為の保護抵抗３８も搭載されている。コネクタ３６やコンデンサ３７や保護抵抗３８はＰＷＢ３２に半田３９（図示無）にて接続されている。

図５と図６にて本実施例における歪ＩＣについて、説明する。図５は歪ＩＣ４のブロック図であり、図６は歪ＩＣの略回路図である。

歪ＩＣ４は、内部に４つの歪ゲージ１０ａ〜１０ｄからなるブリッジ回路１１を構成し、増幅器１２、歪に対する出力調整ロジック１３、温度特性誤差補正ロジック１４、温度センサ１５等を備えている。ブリッジ回路１１にて設置対象であるセンサプレート１の歪を検出し、出力調整ロジック１３により所望の荷重すなわちセンサプレートに生ずる歪に応じた出力の設定、温度補正ロジック１４と温度計１５により歪ＩＣ４自体あるいは、センサプレート１等の構成部材の温度特性誤差を補正可能である。

以上のように説明したように、荷重受け面に荷重印加部を囲う様に凹部を配置することにより、荷重を受けた際、フランジは荷重により変形し易い変形領域すなわち荷重印加部と、変形し難い剛体領域に分離する事が可能になり、剛体領域に配された荷重センサの筐体としての側面やカバーとの接合部への変形による応力印加を低減する事が出来る。

この結果、接合部分の信頼性を向上させる他、荷重位置がずれたとしても変形領域内であれば、誤差の低減が可能である。更には、歪ＩＣに出力調整ロジック、温度補正ロジック、温度計等を備える事により、歪ＩＣによる補正を行えるので出力調整による荷重センサの組立誤差のキャンセル、センサプレート、フランジ、歪ＩＣ内部の歪ゲージの温度特性の補正を図れる。また、歪ＩＣの補正機能により、組立バラツキや、特性のばらつきを低減できる為、歩留まりを向上させる他、別途出力を補正する回路を準備しなくて済む。その結果、コストダウンも併せて図ることができる。

図８は、本発明の実施例２にかかる荷重センサ１００を示した斜視図である。実施例１と同様の構成については説明を省略する。

フランジ５の荷重受け面５ｃの側面に凹部３ｂを配して、実施例１と同様に、接合部１ｂ〜１ｅが剛体領域５ｂで分離され接合の信頼性を高める事が可能である。

図９は、本発明の実施例３にかかる荷重センサ１００を示した斜視図である。実施例１と同様の構成については説明を省略する。

実施例１に対して更に荷重受け面５ｃの中央に凹部３ｃを配して、より荷重を受けた時に変形領域５ａが変形し易い構成として剛体領域５ｂと分離して接合部１ｂ〜１ｅの接合の信頼性を高める事が可能である。

図１０は、本発明の実施例４にかかる荷重センサ１００を示した斜視図である。実施例４は、実施例１と実施例２を組み合わせて、凹部３と３ｂを配して、より荷重を受けた時に変形領域５ａが変形し易い構成として剛体領域５ｂと分離して接合部１ｂ〜１ｄの接合の信頼性を高める事が可能である。

図１１は、本発明の実施例５にかかる荷重センサ１００のフランジ５のみを示した斜視図である。その他の部品構成は実施例１と同様であるが、フランジ５に凹部３を構成する他に、肉盗み３ｄを組み合わせて、より荷重を受けた時に変形領域５ａが変形し易い構成として剛体領域５ｂと分離して接合部の接合の信頼性を高める事が可能である。

図１２は、本発明の実施例６にかかる荷重センサ１００を示した斜視図である。実施例１と同様の構成については説明を省略する。

実施例１に対して加重受け面５ｃに凹部３を配置せず、フランジ５の変形領域５ａを軟材料５ｄで構成する。具体的には、フランジ５の材料の縦弾性係数よりも低い縦弾性係数の軟材料５ｄとし、これらを焼結で一体化されたフランジ５として構成することにより荷重を受けた時に変形領域５ａが変形し易い構成として剛体領域５ｂと分離して接合部１ｂ〜１ｅの接合の信頼性を高める事が可能である。

図１３は、本発明の実施例７にかかる荷重センサ１００を示した斜視図である。実施例１と同様の構成については説明を省略する。

実施例１に対して加重受け面５ｃに凹部３を配置せず、フランジ５の変形領域５ａを軟材料５eで構成する。具体的には、フランジ５の材料の縦弾性係数よりも低い縦弾性係数の軟材料５eとし、フランジ５と軟材料５ｅを別々に製作した後、圧入で一体化されたフランジ５として構成することにより荷重を受けた時に変形領域５ａが変形し易い構成として剛体領域５ｂと分離して接合部１ｂ〜１ｅの接合の信頼性を高める事が可能である。

尚、実施例として、センサプレートに歪ＩＣを配した構成で説明したが、荷重受け面５ｃの反対側に直接歪ＩＣを配して、センサプレート無で構成しても良い。以上荷重センサとして説明して来たが、荷重と荷重方向の変位が１：１で対応している場合、変位センサとして応用しても良い。

Ｍ モーメント
Ｒ１ 凹部３の半径
Ｒ２ 接合ラインの半径
１ センサプレート
１ａ 両端
１ｂ 接合部（フランジ側面２４とセンサプレート１）
１ｃ 接合部（フランジ側面２４とＰＷＢガイド２９）
１ｄ 接合部（フランジ側面２４とカバー８）
１ｅ 接合部（フランジ側面２４とフランジ５）
１ｆ 接合ライン
２ 位置決めピン
３ 凹部
３ａ 凹部中心線
３ｂ 側面に配する凹部
３ｃ 中心に配する凹部
３ｄ 肉盗み部
４ａ〜４ｃ 歪ＩＣ
５ フランジ
５ａ 変形領域
５ｂ 剛体領域
５ｃ 荷重受け面
５ｄ 軟材料
６ フランジ中央部
７ 伝達部
８ カバー
９ａ〜９ｃ 半円状抜き部
１０ａ〜１０ｄ 歪ゲージ
１１ ブリッジ回路
１２ 増幅器
１３ 出力調整ロジック
１４ 温度補正ロジック
１５ 温度計
１６ Ａ／Ｄ（アナログデジタル変換）
１７ Ｄ／Ａ（デジタルアナログ変換）
２０ 起歪体
２１ 凹所
２１ａ 縁部
２２ 歪ゲージ
２３ 荷重センサ受け面
２４ 側面
２９ ＰＷＢガイド
３０ａ、３０ｂ ガラス
３１ａ、３１ｂ ＰＷＢ ＡＳＳＹ
３２ ＰＷＢ
３３ 接着剤
３４ａ〜３４ｄ 凸部
３５ａ アルミＷ／Ｂ（アルミワイヤボンディング）出力用３本
３５ｂ アルミＷ／Ｂ（アルミワイヤボンディング）通信用４本
３６ コネクタ
３７ コンデンサ
３８ 保護抵抗
３９ 半田
９０ 荷重（または推力）
９１ 荷重印加軸
９１ａ 軸ずれした荷重印加軸
９２ シャフト
１００ 荷重センサ

Claims (13)

1. 荷重の受け面を有するフランジとセンサエレメントを具備する荷重センサにおいて、前記荷重受け面に荷重を受けた時、フランジを変形領域と剛体領域とに分離した構成としたことを特徴とする荷重センサ。
2. 請求項１に記載の荷重センサであって、前記荷重の受け面の変形領域は、凹部で部分的または全部囲われていることを特徴とする荷重センサ
3. 請求項２に記載の荷重センサであって、前記加重受け面の変形領域を作る凹部の略半径は、前記フランジに構成される部材の接合部よりも内側にある事を特徴とする荷重センサ
4. 請求項１に記載の荷重センサであって、前記フランジの側面に凹部を設けたことを特徴とする荷重センサ
5. 請求項１に記載の荷重センサであって、前記フランジの変形領域を剛体領域より軟らかい材料としたことを特徴とする荷重センサ
6. 請求項１に記載の荷重センサであって、前記フランジの変形領域を肉盗みすることにより、構成したことを特徴とする荷重センサ
7. 請求項２に記載の荷重センサであって、前記変形領域の中央に凹部を設けたことを特徴とする荷重センサ
8. 請求項２に記載の荷重センサであって、請求項３に記載のフランジの側面にも凹部を設けたことを特徴とする荷重センサ
9. 請求項５に記載の荷重センサであって、前記変形領域と剛体領域を特性の異なる焼結材で構成し、一体化したことを特徴とする荷重センサ
10. 請求項５に記載の荷重センサであって、前記変形領域を圧入する構成として、一体化したことを特徴とする荷重センサ
11. 請求項１〜１０のセンサエレメントは、複数の歪ゲージからブリッジ回路を構成していることを特徴とする。
12. 請求項１〜１０のセンサエレメントは、複数の歪ゲージで構成するブッリッジ回路を、ＩＣにて構成し、歪ＩＣとしたことを特徴とする荷重センサ。
13. 請求項１２記載の歪ＩＣは、ブリッジ回路の他に、出力調整ロジック、温度補正ロジック、温度計のいずれか、または、全てを備えたＩＣにて構成し、出力調整或いは、温度補正を可能としたことを特徴とする荷重センサ。

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