JP2019200054A - ロードセル - Google Patents

Abstract

【課題】歪みゲージの出力特性の直線性を確保しつつ、より小型・軽量化されたロードセルを提供する。【解決手段】本発明の一形態に係るロードセルは、円環状の起歪体と、少なくとも１つの歪みセンサとを具備する。前記起歪体は、第１の外径を有する外周面と、内周面と、前記外周面に凹設され前記第１の外径よりも小さい第２の外径を有する円筒面とを有する。前記歪みセンサは、前記円筒面及び前記内周面の少なくとも一方に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、円環状の起歪体を備えたロードセルに関するものである。

荷重または重量を測定するためのセンサとして、多種多様なロードセルが開発されている。特許文献１には、より低コストで薄型に形成できる起歪体を備えたロードセルが開示されている。当該ロードセルは、概して、少なくとも１つの歪みゲージ及び円環状の起歪体を備え、歪みゲージは、起歪体の外周面に形成された湾曲形状の凹面に配置される。

しかし、上記構成のロードセルでは、起歪体が荷重により圧縮するときに、歪みゲージの外周面に反りが生じてしまうため、歪みゲージの直線的な出力特性を得ることができない。

特開２０００−１４６７１８号公報

この種のロードセルにおいては、歪みゲージの出力特性の直線性と、起歪体の低コスト化・軽量化を実現できる起歪体が要求される。しかし、この種の円環型起歪体において、高さ寸法を低くしようとすると（低コスト化・軽量化を行おうとすると）、歪みゲージの出力特性の直線性が下がってしまう。その一方で、歪みゲージの出力特性の直線性を保持しようとすると、さらなる低コスト化・軽量化を行うことができない。
換言すると、歪みゲージの出力特性の直線性と、起歪体の高さ寸法（つまりロードセルのコスト・重量）との間にトレードオフが生じている。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、歪みゲージの出力特性の直線性を確保しつつ、より小型・軽量化されたロードセルを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るロードセルは、円環状の起歪体と、少なくとも１つの歪みセンサとを具備する。
前記起歪体は、第１の外径を有する外周面と、内周面と、前記外周面に凹設され前記第１の外径よりも小さい第２の外径を有する円筒面とを有する。
前記歪みセンサは、前記円筒面及び前記内周面の少なくとも一方に配置される。

前記第１の外径をｄ１、前記第２の外径をｄ２、前記起歪体の内径をｄ３としたとき、前記起歪体は、
３０ｍｍ≦｛ｄ３＋（ｄ１−ｄ３）／２｝≦５０ｍｍ、
０．１２≦｛（ｄ１−ｄ２）／（ｄ１−ｄ３）｝≦０．１７
の関係を満たしてもよい。

前記歪みセンサは、第１の歪みセンサと、第２の歪みセンサとを有してもよい。前記第１の歪みセンサは、前記内周面に配置され、前記起歪体の軸方向の歪みを検出する。前記第２の歪みセンサは、前記円筒面に配置され、前記起歪体の周方向の歪みを検出する。

前記起歪体は、軸方向に相互に対向する第１の受圧面及び第２の受圧面をさらに有し、前記第１の受圧面及び前記第２の受圧面はそれぞれ、等角度間隔で形成された複数の切欠き凹部を有してもよい。

前記複数の切欠き凹部は、前記第１の受圧面及び前記第２の受圧面の前記軸方向に相互に対向する位置にそれぞれ設けられてもよい。

前記歪みセンサは、前記複数の切欠き凹部と前記軸方向に対向しない位置に配置されてもよい。

以上述べたように、本発明によれば、歪みゲージの出力特性の直線性を確保しつつ、ロードセルのさらなる小型・軽量化が可能となる。

本発明の第１実施形態におけるロードセルの斜視図である。 本発明の第１実施形態におけるロードセルの側断面図である。 本発明の第１実施形態におけるロードセルの平面図である。 本発明のロードセルの回路構成図である。 起歪体の形状とその変形態様とを説明する模式図である。 （凹部深さ）／（肉厚）と、歪みゲージの出力特性の直線性誤差との関係を示したグラフである。 本発明の第２実施形態におけるロードセルの斜視図である。 起歪体が加工バラツキによって軸方向に部分的に厚く形成された場合の、ロードセルの概略側面図である。 本発明の第２実施形態におけるロードセルの作用を説明する概略側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
＜第１実施形態＞

図１は、本発明の第１実施形態におけるロードセル１００の斜視図である。

本実施形態のロードセル１００は、軸心Ａｘを有する円環状の起歪体１０と、起歪体１０の軸方向または周方向に加わる力に応じた歪みを検知する歪みセンサ２０と、を備える。

図１に示されているように、ロードセル１００は、起歪体１０の周面に、歪みセンサ２０が配置されることで構成される。ロードセル１００は、軸方向に対向する２つの部材間に配置され、これら２つの部材間に挟まれる起歪体１０の軸方向変位が歪みセンサ２０によって検出される。ロードセル１００の適用対象は特に限定されず、例えば、航空機ホイール向け電動ブレーキの制御に用いられる荷重センサとして構成される。

以下、ロードセル１００の詳細について説明する。図２はロードセル１００（起歪体１０）の部分側断面図、図３はロードセル１００の平面図である。

（起歪体）
起歪体１０は、外周面１１と、内周面１２と、外周面１１に形成された凹部１３と、軸方向に相互に対向する第１の受圧面１４及び第２の受圧面１５とを有する。起歪体１０は、典型的には、ステンレス鋼、アルミニウム合金等の金属材料で構成される。

外周面１１は外径ｄ１（第１の外径）を有し、内周面１２は内径ｄ３を有する。凹部１３は、起歪体１０の外径ｄ１と内径ｄ３の差の半分に相当する肉厚Ｔよりも小さい深さｔで外周面１１の一部の領域に一様な断面形状で形成される。凹部１３は、外径ｄ１よりも小さい外径ｄ２（第２の外径）を有する円筒面１３１と、外周面１１と円筒面１３１との間に形成されたテーパ部１３２とを有する。

第１の受圧面１４及び第２の受圧面１５は、それぞれ軸心Ａｘに直交する平面で形成される。第１の受圧面１４及び第２の受圧面１５は、それらの全面にわたって、軸方向に相対変位可能な２つ部材に各々当接することが可能に構成される。上記２つの部材としては、適用例が電動ブレーキアクチュエータの場合、例えばホイールシリンダ側の部材とブレーキパッド側の部材とが挙げられる。これにより、ブレーキ作動時において起歪体１０が第１及び第２の受圧面１４，１５を介して軸方向に圧縮荷重を受けることになる。

凹部１３は、外周面１１の軸方向の中央部に形成される。当該軸方向に沿った凹部１３の形成幅Ｈ２は、起歪体１０の高さＨ１よりも小さい。凹部１３と第１の受圧面１４及び第２の受圧面１５との間の距離ｈ１は、いずれも等しい大きさに形成されるが、これに限られず、異なる大きさに形成されてもよい。

円筒面１３１は、凹部１３の底面に相当し、外周面１１及び内周面１２と同心的に形成される。円筒面１３１は、凹部１３の上記軸方向の中央部に形成される。当該軸方向に沿った円筒面１３１の形成幅Ｈ３は、凹部１３の形成幅Ｈ２よりも小さい。つまり、凹部１３は、その底面である円筒面１３１に向かって上記軸方向に沿った形成幅が漸次小さくなるように形成される。

テーパ部１３２は、凹部１３の側壁面を形成し、円筒面１３１を挟んで上記軸方向に相互に対向する。各テーパ部１３２は、円筒面１３１に対して所定の角度で傾斜する平坦な面で形成されてもよいし、Ｒ加工された湾曲面で形成されてもよい。

テーパ部１３２は、起歪体１０が軸方向の荷重を受けたときに、外周面１１と円筒面１３１との間の領域に作用する応力集中を緩和するためのものである。したがって、検出すべき荷重の大きさや起歪体１０の材質、凹部１３の深さｔの大きさ等によっては、テーパ部１３２の形成を省略することも可能である。

起歪体１０の製造方法は特に限定されず、典型的には、鋳造あるいは成形により形成される。この場合、起歪体がまず円環状に鋳造あるいは成形され、その後、外周面１１を旋盤等で切削加工することで凹部が形成されてもよい。あるいは、起歪体の鋳造あるいは成形と同時に凹部が形成され、その後、必要に応じて表面の仕上げ加工が施されてもよい。

（歪みセンサ）
歪みセンサ２０は、起歪体１０の周面に少なくとも１つ配置される。本実施形態では、起歪体１０の周方向に等角度間隔で配置された複数の歪みセンサ２０を含む。複数の歪みセンサ２０は、起歪体１０の軸方向に沿った歪みを検出する第１の歪みセンサ２１と、起歪体１０の周方向の沿った歪みを検出する第２の歪みセンサ２２とを有する。以下、個別に説明する場合を除き、第１の歪みセンサ２１及び第２の歪みセンサ２２を歪みセンサ２０と総称する。

本実施形態では、歪みセンサ２０として、歪みゲージが用いられる。歪みゲージは、検出方向における長さの変化を抵抗値の変化として検出する素子である。第１の歪みセンサ２１は、検出方向を起歪体１０の軸方向に向けて配置され、第２の歪みセンサ２２は、検出方向を起歪体１０の周方向に向けて配置される。歪みゲージには、箔歪みゲージ、線歪みゲージ、半導体歪みゲージなどがあるが、本実施形態では特定の種類の歪みゲージに限定されず、どの種類の歪みゲージを用いてもかまわない。

本実施形態において、第１の歪みセンサ２１及び第２の歪みセンサ２２はそれぞれ２つずつ用いられる。これら歪みセンサ２１，２２の配置間隔は任意であるが、起歪体１０の周面において等角度間隔になるようにそれぞれ配置されることが、偏荷重に対する出力安定性という観点から好ましい。

歪みセンサ２０は、起歪体１０の円筒面１３１及び内周面１２の少なくとも一方に配置される。本実施形態では、第１の歪みセンサ２１が内周面１２に配置され、第２の歪みセンサ２２が円筒面１３１に配置される。これにより、ロードセル１００の小型化を図りつつ、検出出力の利得を大きくすることができる。さらに、第１の歪みセンサ２１の出力（軸方向の歪み）から第２の歪みセンサ２２の出力（周方向の歪み）を減算することで、起歪体１０の熱膨張による歪みゲージの検知誤差をキャンセルすることができる。

図４は、本実施形態のロードセル１００の回路構成図である。各歪みセンサ２１，２２は、図４のようにブリッジを組んだ回路を構成する。図４に示されているように、歪みセンサの抵抗変化は、周方向に隣接する任意の２つの歪みセンサ２１，２２を印加電圧（入力）側、他の２つの歪みセンサ２１，２２を検出（出力）側としたホイートストンブリッジ回路を用いて電圧に変換される。各組の歪みセンサ２１、２２は、配線６を介して並列に検出器７に接続される。各歪みセンサ２１、２２は、単一の歪みゲージで構成される例に限られず、複数の歪みゲージの直列接続体で構成されてもよい。

歪みセンサ２０は、典型的には、電気絶縁体である樹脂ベースと、その上に配置され抵抗材料の金属箔と、引出線であるゲージリードとを有する。歪みセンサ２０は測定箇所（円筒面１３１、内周面１２）に接着剤等の接合材を用いて接着される。そして、被測定箇所に発生した歪み、接着剤、ひずみゲージのベースを介して歪み受感部に伝達される。

なお、起歪体１０の内周面１２に配置された第１の歪みセンサ２１の引出線は、第１の受圧面１４又は第２の受圧面１５に形成された径方向に連続する凹部、又は、円筒面１３１を径方向に貫通する貫通孔を介して、起歪体１０の外部へ導出されてもよい。
また、歪みセンサ２０として、歪みゲージの代わりに圧電素子や光ファイバ式歪みゲージを使用してよい。この場合、ブリッジ回路は不要となる。

（ロードセルの作用）
以上のように構成されるロードセル１００においては、外周面１１の一部に凹部１３が形成された環状の起歪体１０を有しているため、凹部１３が形成されていない起歪体と比較して、軸方向の圧縮荷重に対する周面の反りの発生を抑制することができる。これにより、周面に配置された歪みセンサ２０の出力特性の直線性が確保され、荷重の検出精度の向上を図ることができる。

例えば、図５（ａ）に示すように外周面に凹部を有していない起歪体Ｓ１は、白抜き矢印で示す軸方向荷重を受けた際、周面に外方へ向かう反りが生じることがある。この場合、起歪体Ｓ１の外周面（又は内周面）に配置された歪みセンサ２０は、起歪体Ｓ１の軸方向の圧縮歪みだけでなく、径方向の変形も検出してしまうため、歪みセンサ２０の出力特性の直線性が得られにくい。このような問題を解消するためには、例えば、図５（ｂ）に示すように歪みセンサ２０の配置領域に反りが生じない程度に起歪体Ｓの高さＨを大きくする必要がある。この場合、起歪体Ｓの高さの増加の分、起歪体Ｓの大型化、重量化及び製造コストの増加を招くことになる。

一方、本実施形態によれば、起歪体１０の外周面１１に凹部１３を形成することで、圧縮荷重が起歪体１０の外周側に偏るように構成される。これにより、図５（ｃ）に示すように起歪体１０の周面（凹部１３の底面及び内周面）に反りが生じるのを極力抑えることが可能となるため、起歪体１０の高さを大きくすることなく、当該周面に配置された歪みセンサ２０の出力特性の直線性を確保することができる。

特に、歪みセンサ２０が配置される円筒面１３１が起歪体１０の軸方向に平行な面で形成されているため、円筒面１３１に作用する圧縮荷重を軸方向に平行な圧縮歪みに変換することができる。したがって、歪みセンサ２０の支持面が湾曲面で形成される従来技術（上記特許文献１参照）と比較して、出力特性の直線性を改善することができる。

通常、起歪体の材料として高強度用にステンレス鋼（例えばSUS630）または低強度用にアルミニウムが用いられる。一般的に、起歪体の直径が5.0cm程度、径方向肉厚が2.0mm程度の場合、高さが少なくとも2.0cm程度の設計になる。
その一方で本実施形態では、起歪体の寸法として、直径が5.0cm、径方向肉厚が2.0mmで、凹部深さｔを0.25mm、高さを8.0mm程度（既存2.0cmの半分以下）に縮小設計することができる。

起歪体１０の外周面１１に形成される凹部１３の形成幅Ｈ２及び深さｔは特に限定されず、起歪体１０の外径や肉厚Ｔ、高さＨ１、材質等に応じて適宜設定することができる。
一例を挙げると、起歪体１０の外径をｄ１、内径をｄ３としたとき、｛ｄ３＋（ｄ１−ｄ３）／２｝の値を起歪体１０の直径中央値ｄ（図１参照）と定義する。そして、直径中央値ｄが３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の場合には、凹部深さｔ｛（ｄ１−ｄ２）／２｝は、肉厚Ｔ｛（ｄ１−ｄ３）／２｝に対して１２％以上１７％以下の大きさに設定される。

換言すると、起歪体１０の外径ｄ１、内径ｄ３及び円筒面１３１の外径ｄ２は、以下の関係を満たす。
３０ｍｍ≦｛ｄ３＋（ｄ１−ｄ３）／２｝≦５０ｍｍ、
０．１２≦｛（ｄ１−ｄ２）／（ｄ１−ｄ３）｝≦０．１７
肉厚Ｔに対する凹部深さｔの比率（以下、比率（ｔ／Ｔ）という）が１２％未満では、起歪体１０は内周側にたわみ易くなり、１７％を超えると、起歪体１０は外周側にたわみ易くなる。比率（ｔ／Ｔ）を１２％以上１７％以下に設定することで、起歪体１０のたわみを抑えて歪みセンサ２０の出力特性の直線性を高めることができる。

図６は、比率（ｔ／Ｔ）と、歪みセンサ２０の出力特性の直線性誤差との関係を示す一実験結果である。図５に示されているように、縦軸の直線性誤差は、横軸の比率（ｔ／Ｔ）に対して１つの極小点を有している。比率（ｔ／Ｔ）を１２％以上１７％以下の範囲で、直線性誤差を０．５％以下に抑えることができる。

ここで、直線性誤差には正負が存在するため、誤差の振り幅は２倍となる。本実施形態では直線性誤差の目標値を１．０％（±０．５０％）とし、この目標値に対する比率（ｔ／Ｔ）の範囲に余裕を設けて、比率（ｔ／Ｔ）の閾値を１２〜１７％に設定した。この閾値範囲は、直線性誤差が約±０．４０％となる閾値である。

以上のように、本実施形態によれば、軸方向圧縮時における起歪体１０の周面の反りを抑制し、歪みゲージ２の出力特性の直線性を改善することができる。本実施形態では、起歪体１の高さをより下げることが可能となるので、ロードセルのさらなる小型化・軽量化を実現することができる。
＜第２実施形態＞

図７は、本発明の第２実施形態におけるロードセル２００の斜視図である。以下、第１実施形態と異なる構成について主に説明し、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態のロードセル２００は、起歪体１０の第１の受圧面１４及び第２の受圧面１５がそれぞれ図７に示すような複数の切欠き凹部１４０，１５０を有する点で第１の実施形態と異なる。

切欠き凹部１４０は、第１の受圧面１４の複数個所に設けられる。同様に、切欠き凹部１５０は、第２の受圧面１５の複数個所に設けられる。第１の受圧面１４側の切欠き凹部１４０と第２の受圧面１５側の切欠き凹部１５０は、円筒面１３１を挟んで起歪体１０の軸方向に平行な方向に相互に対向する位置に設けられる。

歪みセンサ２０（第１の歪みセンサ２１及び第２の歪みセンサ２２）は、第１の実施形態と同様に、起歪体１０の周面（円筒面１３１及び内周面１２）に配置される。歪みセンサ２０は、各切欠き凹部１４０，１５０と起歪体１０の軸方向に対向しない位置にそれぞれ配置される。受圧面１４，１５は、切欠き凹部１４０，１５０により、それぞれ周方向に複数の領域に分割される。

切欠き凹部１４０，１５０の個数、形成範囲、形成深さ等は特に限定されず、起歪体１０の形態（直径、高さ、材質など）に応じて適宜設定される。本実施形態において切欠き凹部１４０，１５０は、第１の受圧面１４及び第２の受圧面１５に、起歪体１０の軸方向のまわりに等角度間隔でそれぞれ４つずつ設けられる。各切欠き凹部１４０，１５０は、受圧面１４，１５から円筒面１３１に達する深さで形成される。各切欠き凹部１４０，１５０は、受圧面１４，１５の周方向に、受圧面１４，１５の各分割領域における周方向の長さよりも大きな長さで形成される。

本実施形態のロードセル２００においては、第１及び第２の受圧面１４，１５にそれぞれ複数の切欠き凹部１４０，１５０が設けられているため、起歪体１０の高さにばらつきが生じている場合でも、その影響を少なくすることができる。

例えば図８に示されているように、起歪体１０がその加工バラツキにより、軸方向に沿った高さ（厚み）が部分的に異なる領域が生じる場合がある。そして、歪みセンサ２０が配置されていない周方向領域が他の領域よりも部分的に厚く形成されている場合、２つの部材５間で起歪体１０に軸方向荷重が作用したとき、各受圧面１４，１５がその全域にわたって均一に押圧されないことになるため、歪みセンサ２０の配置領域における圧縮歪みを精度よく測定することができなくなるおそれがある。また、各受圧面１４，１５にうねりを生じさせるような歪みが起歪体１０に当初から生じている場合についても同様である。

そこで本実施形態では、各受圧面１４，１５に複数の切欠き凹部１４０，１５０が設けられているため、各受圧面１４，１５が周方向にそれぞれ複数の領域に分割された非連続面に形成される。このため、起歪体１０に部分的に厚みが大きい領域が生じていたり、受圧面１４，１５にうねりを生じさせるような歪みが起歪体１０に生じていたりする場合でも、図９（ａ）、（ｂ）にやや誇張して示すように、受圧面１４，１５に圧縮荷重が作用したときに切欠き凹部１４０，１５０の形成部位が優先的に変形して、各受圧面１４，１５の全領域に圧縮荷重がほぼ均等に作用することになる。これにより、起歪体１０の、歪みセンサ２０が配置された領域が確実に圧縮されるようになる。

以上のように本実施形態によれば、起歪体１０の円筒面１３１及び内周面１２に適正な圧縮歪みを生じさせることができるため、歪みセンサ２０による適切な歪み測定が可能となる。また、歪みセンサ２０が切欠き凹部１４０，１５０と軸方向に対向しない位置に配置されているため、切欠き凹部１４０，１５０の変形の影響を受けにくくなり、これにより歪みセンサ２０の測定精度をさらに向上させることが可能となる。

なお、切欠き凹部１４０，１５０を形成する場合、受圧面１４，１５の面積が減り、荷重に耐えられなくなるのを防止するために、起歪体１０の肉厚Ｔを増やし、受圧面積を切欠き凹部１４０，１５０がないときと比較して概ね同一に（例えば±１０％の範囲に）してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、ロードセル１００，２００の適用対象として航空機用ホイール向け電動ブレーキの制御に用いられる荷重センサを例に挙げて説明したが、適用対象は勿論これに限られず、車両用途、産業機器用途などの荷重センサとして用いられてもよい。

また、以上の実施形態では、歪みセンサ２０として、起歪体１０の円筒面１３１及び内周面１２にそれぞれ配置されたが、円筒面１３１にのみ、又は内周面１２にのみ、歪みセンサ２０が配置されてもよい。歪みセンサ２０の数も４つに限られず、１つ、２つあるいは３つであってもよい。

１０…起歪体
１１…外周面
１２…内周面
１３…凹部
１４…第１の受圧面
１５…第２の受圧面
２０…歪みセンサ
２１…第１の歪みセンサ
２２…第２の歪みセンサ
１００，２００…ロードセル
１３１…円筒面
１４０，１５０…切り欠き凹部

Claims (6)

1. 第１の外径を有する外周面と、内周面と、前記外周面に凹設され前記第１の外径よりも小さい第２の外径を有する円筒面とを有する円環状の起歪体と、
   前記円筒面及び前記内周面の少なくとも一方に配置された少なくとも１つの歪みセンサと
   を具備するロードセル。
2. 請求項１に記載のロードセルであって、
   前記第１の外径をｄ１、前記第２の外径をｄ２、前記起歪体の内径をｄ３としたとき、
   前記起歪体は、
   ３０ｍｍ≦｛ｄ３＋（ｄ１−ｄ３）／２｝≦５０ｍｍ、
   ０．１２≦｛（ｄ１−ｄ２）／（ｄ１−ｄ３）｝≦０．１７
   の関係を満たす
   ロードセル。
3. 請求項１又は２に記載のロードセルであって、
   前記歪みセンサは、
   前記内周面に配置され、前記起歪体の軸方向の歪みを検出する第１の歪みセンサと、
   前記円筒面に配置され、前記起歪体の周方向の歪みを検出する第２の歪みセンサと、を有する
   ロードセル。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のロードセルであって、
   前記起歪体は、軸方向に相互に対向する第１の受圧面及び第２の受圧面をさらに有し、
   前記第１の受圧面及び前記第２の受圧面はそれぞれ、等角度間隔で形成された複数の切欠き凹部を有する
   ロードセル。
5. 請求項４に記載のロードセルであって、
   前記複数の切欠き凹部は、前記第１の受圧面及び前記第２の受圧面の前記軸方向に相互に対向する位置にそれぞれ設けられる
   ロードセル。
6. 請求項４または５に記載のロードセルであって、
   前記歪みセンサは、前記複数の切欠き凹部と前記軸方向に対向しない位置に配置される
   ロードセル。

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