JP2020085734A - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】荷重センサの荷重受け面における摩擦力を低減し、出力精度を向上する。【解決手段】荷重センサ１００は、起歪体３６および一面６２ａ側に設けられた固定部３３を有し、一面６２ａ側と他面６２ｂ側との間の中間部にレール３４が設けられたベース３０と、起歪体３６上に設けられたセンサエレメント１１と、少なくとも、平面視で、起歪体３６と重なる領域内におけるレール３４内に設けられたボール４１とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、荷重センサに関する。

測定対象物の荷重に応じて生じる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の荷重を測定する荷重センサが知られている。このような荷重センサの構造の一例を以下に示す。
荷重センサは、歪みゲージが実装されたセンサプレートと、このセンサプレートの周囲を保持するフランジとを備える。フランジのセンサプレート保持面と反対側の面に設けられた荷重受け面には、測定対象物の荷重を伝達するシャフトが接触する。荷重受け面は、円筒形状のフランジ表面の中央側の領域に設けられており、シャフトがフランジの荷重受け面を押圧するとフランジが変形する。フランジの変位に応じてセンサプレートが変形し、このセンサプレートに生じた歪みが歪みゲージにより検出される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８−５４２９３号公報

特許文献１に記載された荷重センサでは、フランジの荷重受け面とシャフトとの接触は面接触である。このため、伝達部材と被伝達部材との間に滑り摩擦が生じる。滑り摩擦による摩擦力は、荷重の負荷時と荷重の除荷時とでは、作用方向が逆となり、荷重の除荷時に変形が戻り難くなる。これは、滑り摩擦による系では、荷重を付加する前の状態に戻しても、状態が完全には戻らない、ヒステリシスを持つためである。このため、歪みゲージの出力が実際よりも大きくなり、高い検出精度が得難いものであった。

本発明の一態様によると、荷重センサは、起歪体および一面側に設けられた固定部を有し、前記一面側と厚さ方向において対向する他面側との間の中間部にレールが設けられたベースと、前記起歪体上に設けられたセンサエレメントと、少なくとも、平面視で、前記起歪体と重なる領域内における前記レール内に設けられたボールとを備える。

本発明によれば、荷重伝達面における摩擦力が低減され、検出精度を向上することができる。

図１（ａ）は、本発明の荷重センサの一実施形態を示す、上方からの外観斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）を裏面側からみた斜視図である。但し、図１（ｂ）では、図１（ａ）の第２ベース３２を取り除いた状態を示す。 図２は、図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ線断面図である。但し、図２では、図１（ａ）の外部出力端子は、図示を省略されている。 図３は、図２の矢印ＩＩＩ方向からみた側面図である。 図４は、本発明における荷重伝達経路を示す模式図である。 図５は、滑り摩擦を伴う比較例の系におけるヒステリシスの発生原理を示す図である。 図６は、センサエレメントが備える回路の概要ブロック図である。 図７は、本発明の変形例を示す側面図である。 図８は、図７に示されたボールユニットの平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

以下、図１〜図６を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
図１（ａ）は、本発明の荷重センサの一実施形態を示す、上方からの外観斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）を裏面側からみた斜視図である。但し、図１（ｂ）では、図１（ａ）の第２ベース３２を取り除いた状態を示す。
荷重センサ１００は、複数個（実施の形態では２個）のセンサエレメント１１ａ、１１ｂと、回路基板２１と、ベース３０とを備えている。
ベース３０は、軸心Ｏ側に、該ベース３０を上下方向、すなわち厚さ方向に貫通する円筒状の貫通孔６１が形成された、平面視で、略円環形状の部材である。ベース３０は、厚さ方向の中間部で２つに分割されており（図２も参照）、上方側の第１ベース３１と下方側の第２ベース３２とを有する。

第１ベース３１の一面６２ａには、一面６２ａの上方に突出する一対の固定部３３ａ、３３ｂが設けられている。固定部３３ａ、３３ｂは、それぞれ、内周側面が貫通孔６１の外周面と面一な円弧形状を有する。固定部３３ａ、３３ｂは、ベース３０の軸心Ｏを通り、センサエレメント１１ａ、１１ｂの周方向の中心を通る直線Ｃsに対して対称に設けられている。ベース３０の、固定部３３ａの周方向の一端と固定部３３ｂの周方向の他端との間、および固定部３３ａの周方向の他端と固定部３３ｂの周方向の一端との間は、固定部３３ａ、３３ｂが形成されていない領域であり、この２つの領域を、起歪体３６と呼ぶ。すなわち、ベース３０の、固定部３３ａの周方向の一端と固定部３３ｂの周方向の他端との間、および固定部３３ａの周方向の他端と固定部３３ｂの周方向の一端との間には、それぞれ、起歪体３６が設けられている。各起歪体３６上には、センサエレメント１１ａまたはセンサエレメント１１ｂが搭載されている。センサエレメント１１ａ、１１ｂの周方向の中心は、起歪体３６の周方向の中心とほぼ一致している。センサエレメント１１ａ、１１ｂは、ベース３０の軸心Ｏを通り、固定部３３ａ、３３ｂの周方向の中心を通る直線Ｃfに対して対称の位置に配置されている。

第１ベース３１の一面６２ａ上には、一面６２ａから突出する段部６３が設けられている。センサエレメント１１ａ、１１ｂは、接合層６４により段部６３に接合されている。段部６３は、第１ベース３１の一面６２ａ上にセンサエレメント１１ａ、１１ｂを固定する際の位置決め用部材である。すなわち、段部６３の位置および形状をカメラで読み取り、センサエレメント１１ａ、１１ｂを位置合わせして接合層６４に接合する。

ベース３０の一面６２ａと他面６２ｂとの間には、レール３４（図２参照）が設けられている。レール３４は、ベース３０の軸心Ｏと同軸に設けられ平面視で円環形状を有する。レール３４は、厚さ方向の中間部で２つに分割されており、上方側の第１レール３４ａと下方側の第２レール３４ｂ（図２参照）とにより構成されている。

センサエレメント１１ａ、１１ｂは、ベース３０が荷重を負荷されて歪むと、その歪み量を検出して回路基板２１に出力する。センサエレメント１１ａ、１１ｂは、歪みを電気信号に変換する回路、温度特性等による誤差を補正する回路を含んでいる。センサエレメント１１ａ、１１ｂの詳細については後述する。上述したように、センサエレメント１１ａ、１１ｂは、接合層６４により第１ベース３１に接合されている。接合層６４は、例えば、低融点ガラスや、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ等により形成されている。

回路基板２１は、固定部３３ａの外周側面７１の外周側に搭載されている。回路基板２１は、第１ベース３１の外周に沿って延在され、平面視で、ほぼ円弧形状を有する。回路基板２１の周方向の一端縁２２ａおよび他端縁２２ｂには、それぞれ、複数の入力端子２３が設けられている。各入力端子２３とセンサエレメント１１ａ、１１ｂの出力端子とは、ボンディングワイヤ２４により接続されている。回路基板２１の周方向のほぼ中央には、複数の外部出力端子２５が回路基板２１の出力パッド（図示せず）に、はんだ付け等により接合されている。ボンディングワイヤ２４は、点線で示すように、エポキシ樹脂等の樹脂２６により封止されている。また、図示はしないが、回路基板２１の外表面は、防水・防塵等のため、例えば、エポキシ樹脂等により形成された保護膜により被覆されている。

図２は、図１（ａ）のＩＩ−ＩＩ線（直線Ｃfと一致する）断面図である。但し、図２では、図１（ａ）の外部出力端子は、図示を省略されている。図３は、図２の矢印ＩＩＩ方向からみた側面図である。
第１ベース３１と第２ベース３２とは、上下方向に離間して配置されている。
図２に示されるように、固定部３３ａの外周側面７１の軸心Ｏからの半径Ｒfは、第１レール３４ａの外周縁７２の軸心Ｏからの半径Ｒbよりも大きい。すなわち、第１ベース３１の固定部３３ａの外周側面７１の外周側には、固定部３３ａは形成されていない。このため、第１ベース３１の固定部３３ａの外周側面７１の外周側は、変形がし難い変形抑制部３７となっている。回路基板２１は、変形抑制部３７上に搭載されているため、回路基板２１に生じる変形が抑制される構造となっている。また、回路基板２１に接続されている外部出力端子２５に対する摩擦や振動の影響が抑制される。このため、外部出力端子２５に接続される接続端子の取り付けを圧接や差し込み等の作業性の良い構造とすることが可能となる。
なお、第１ベース３１の固定部３３ｂの外周側面の外周側も同様であり、第１ベース３１の固定部３３ｂの外周側面の外周側も、変形がし難い変形抑制部３７となっている。

第１ベース３１の第１レール３４ａと第２ベース３２の第２レール３４ｂとの間には、複数のボール４１が収容されている。収容するボール４１の数は、例えば、７個〜１５個程度とすることができるが、配置されるボール４１の数に、特に、制限は無い。第１レール３４ａおよび第２レール３４ｂの底面は、ボール４１から負荷される荷重による応力集中を緩和するために、円弧状、楕円形状等のように所定の曲率で湾曲された形状を有する。

ボール４１は、例えば、ＳＣＭ４１５Ｈ、ＳＵＳ６３０等の硬い金属により形成されている。第１ベース３１および第２ベース３２の材料は、ボール４１から受ける荷重により打痕が形成されるのを防ぐことができるものが用いられる。第１ベース３１および第２ベース３２は、ボール４１から受ける荷重に対して弾性領域内で使用される。荷重によりボール４１が塑性変形をしてしまうと、荷重が印加されていない状態から歪みが発生していたり、感度が変化したりするなどの問題点が発生し、荷重センサ１００の精度が低下する。このため、第１ベース３１および第２ベース３２には、高荷重でも塑性変形し難い高耐力材料を用いる必要がある。第１ベース３１および第２ベース３２の材料は、例えば、ＳＣＭ４１５Ｈ、ＳＵＳ６３０等のボール４１の材料と同じ硬い金属を用いることができる。浸炭処理などの熱処理をすることで硬度を高くしてもよい。

図４は、本発明における荷重伝達経路を示す模式図である。
なお、以下の説明において、センサエレメント１１ａ、１１ｂを代表してセンサエレメント１１と呼ぶことがある。また、固定部３３ａ、３３ｂを代表して固定部３３と呼ぶことがある。
図示はしないが、荷重センサ１００のベース３０の固定部３３の外表面側は支持部材７３により固定される。また、ベース３０の他面６２ｂ側には、シャフトのような荷重伝達部材が対向して配置される。
上述した通り、平面視で、ベース３０の固定部３３と重ならない領域には、起歪体３６が設けられている。複数のボール４１のうち、少なくとも１つは、平面視で、ベース３０の起歪体３６と重なる領域内のレール３４内に配置されている。
被測定対象物からの荷重は、シャフト等の伝達部材（図示せず）を介してベース３０の第２ベース３２の他面６２ｂに負荷される。第２ベース３２に負荷された荷重は、ボール４１に伝達され、ボール４１から第１ベース３１に伝達され、第１ベース３１の固定部３３を支持する支持部材７３により支持される。第２ベース３２から第１ベース３１への負荷の伝達は、第２ベース３２の第２レール３４ｂとボール４１との接触部Ｔ1およびボール４１と第１ベース３１の第１レール３４ａとの接触部Ｔ2を介して行われる。接触部Ｔ1、Ｔ2における負荷の伝達にボール４１を用いているため、第２レール３４ｂとボール４１間、およびボール４１と第１レール３４ａ間の荷重伝達は、滑りではなく転がり摩擦が支配的となる。このため、本一実施の形態によれば、接触部Ｔ1、Ｔ2における摩擦力が小さい荷重センサ１００を得ることができる。

図５は、滑り摩擦を伴う比較例の系におけるヒステリシスの発生原理を示す図である。
比較例の荷重センサ１００Ｒは、例えば、シャフト等の荷重印加部材８１と、例えば、フランジ等の受圧部８２とを備えている。図示はしないが、受圧部８２は、起歪体としての機能を有し、受圧部８２上に歪みセンサが搭載されている。
荷重印加部材８１による荷重の印加に伴い起歪体である受圧部８２は変形し、荷重印加部材８１と受圧部８２の接触面で滑り摩擦が発生する。荷重が上昇する際には、荷重は、荷重センサ１００Ｒにおいて変形する場所の反発力と摩擦力の和として表せる。
つまり、荷重をＦload、反発力をＦkl、摩擦力をＦfとすると、下記の式（１）が成立する。
Ｆload＝Ｆkl＋Ｆf 式（１）
荷重が最大荷重になるまでこのような力のバランスをとっている。
つまり、式（１）におけるＦloadをＦmaxとし、ＦklをＦkmaxとする式（２）が成立する。
Ｆmax＝Ｆkmax＋Ｆf 式（２）

逆に、荷重が減少する時には摩擦は荷重が上昇する時と逆方向に働き、荷重は反発力から摩擦力を引いた値で表すことができる。
つまり、除荷時における荷重Ｆunloadと、反発力Ｆk2と、摩擦力Ｆfとの関係は、式（３）で表される。
Ｆunload＝Ｆk2−Ｆf 式（３）

式（１）のＦloadと式（３）のＦunloadとが等しいとすると、式（４）が得られる。
Ｆk2＝Ｆk1＋２Ｆf 式（４）
すなわち、荷重除荷時の反発力Ｆk2は、荷重印加時の荷重Ｆloadに２倍の摩擦力Ｆfを加えた大きさが必要である。換言すれば、荷重除荷時の反発力Ｆk2が式（４）を満足しなければ、起歪体である受圧部８２の変形が戻らないこととなる。つまり、比較例に示す滑り作用による系では、荷重センサ１００Ｒは、ヒステリシスを持つ。このため、負荷時と除荷時で荷重センサ１００Ｒの出力が異なるものとなる。

本発明の荷重センサ１００では、上述したように、接触部にボール４１を用いているため、荷重伝達は、転がり摩擦の作用が支配的となり、比較例に比し、摩擦力を低減することができる。

図６は、センサエレメントが備える回路の概要ブロック図である。
上述した通り、センサエレメント１１は、ベース３０の起歪体３６上に、段部６３および接合層６４を介して搭載されており、起歪体３６の変形を歪みとして計測可能なセンサ装置である。
センサエレメント１１は、不図示のセンサプレートと、センサプレート上に実装された電子素子により形成された、歪み検出部等の回路部を有している。
歪み検出部は、４つの歪ゲージ５０ａ〜５０ｄからなるブリッジ回路５１により構成される。センサエレメント１１は、さらに、ブリッジ回路５１の出力を増幅する増幅器５２、Ａ／Ｄ変換器５６、出力調整ロジック５３、温度特性誤差補正ロジック５４、温度計５５およびＤ／Ａ変換器５７等を備えている。ブリッジ回路５１により起歪体３６に追随して変形するセンサプレートの歪みを検出し、増幅器５２で検知信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器５６でデジタル信号に変換する。このデジタル信号を出力調整ロジック５３により所望の荷重に生ずる歪に応じた出力調整を行う。さらに、温度特性誤差補正ロジック５４と温度計５５により、センサエレメント１１自体およびセンサプレート等の構成部材の温度特性誤差を補正し、Ｄ／Ａ変換器５７にてアナログ信号に変換して出力する。

（変形例）
図７は、本発明の変形例を示す側面図であり、図８は、図７に示されたボールユニットの平面図である。
変形例の荷重センサ１００は、複数のボール４１が保持リング４２により一体化され、ボールユニット４０として構成されている点を特徴とする。
保持リング４２は、図８に図示されるように、径方向の幅がボール４１の直径より少し大きいリング状の部材であり、所定の中心角度毎に設けられたボール４１を収容するボール収容部（図示せず）を有している。図７に図示されるように、保持リング４２の厚さ（上下方向の長さ）は、ボール４１の直径より小さく、各ボール４１は、保持リング４２の上下面から外部に突出した状態で、ボール収容部に回転可能に収容されている。保持リング４２は、樹脂または金属により形成することができる。
変形例における他の構造は、一実施の形態と同様であり、同一の部材に同一の符号を付して説明を省略する。
この変形例においても、荷重の伝達は、ボール４１と起歪体３６との接触部においてなされ、転がり摩擦が支配的となる。

荷重センサ１００は、例えば、軸方向に作用する荷重の計測に用いることができる。このような荷重センサ１００の使用例の一態様を例示する。ベース３０の貫通孔６１にリードスクリューを、軸方向に移動可能に挿通する。荷重センサ１００は、固定部３３を、支持部材７３（図４参照）に固定しておく。リードスクリューには、荷重センサ１００の第１ベース３１の固定部３３に対向してナットが設けられている。リードスクリューが、荷重を受けて荷重センサ１００側に移動すると、ナットによりベース３０の荷重が負荷され、ベース３０のレール３４とボール４１とが接触する。荷重に応じてベース３０の起歪体３６が歪み、起歪体３６の歪み量がセンサエレメント１１により検出されて外部出力端子２５から出力される。このような、軸方向に作用する荷重を計測する場合、荷重センサ１００は、軸心Ｏ（図１参照）を、重力方向に向ける姿勢以外に、水平方向に向ける姿勢や傾斜状態に向ける姿勢等、任意の角度に向けて使用することができる。なお、荷重センサ１００は、通常のロードセルとして用いることも可能である。

本発明の一実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）荷重センサ１００は、起歪体３６および一面６２ａ側に設けられた固定部３３を有し、一面６２ａ側と他面６２ｂ側との間の中間部にレール３４が設けられたベース３０と、起歪体３６上に設けられたセンサエレメント１１と、少なくとも、平面視で、起歪体３６と重なる領域内におけるレール３４内に設けられたボール４１とを備える。この構成によるボール４１と起歪体３６との荷重の伝達は転がり摩擦が支配的となるので、荷重伝達面における摩擦力が低減され、検出精度を向上することができる。

なお、上記一実施の形態では、第１レール３４ａおよび第２レール３４ｂの底面は、所定の曲率で湾曲された形状として例示した。しかし、第１レール３４ａおよび第２レール３４ｂの底面は、平坦状としてもよい。

上記一実施の形態では、ベース３０は、厚さ方向（上下方向）の中間部で分割された第１ベース３１と第２ベース３２とを組み合わせて形成する構造として例示した。しかし、ベース３０は、ボール４１の直径より大きい高さ（上下方向の長さ）を有するリング状の外輪と内輪とを、内部にボール収容部となるレールを有する構造となるように一体化するようにしてもよい。

上記一実施の形態では、レール３４を、ベース３０の全周に沿う円環状に形成した構造として例示した。しかし、レール３４は、平面視で、起歪体３６に重なる領域内のみに設けてもよい。さらには、レール３４は、起歪体３６の周方向の中心部に、１つのボール４１のみが回動可能に収容されるサイズに設けてもよい。

上記一実施の形態では、回路基板２１は、第１ベース３１の一方の固定部３３ａの外周側の変形抑制部３７上にのみ搭載した構造として例示したが、他方の固定部３３ｂの外周側の変形抑制部３７上にも設けてもよい。また、回路基板２１は、荷重センサ１００には搭載せず、外部の機器や装置に搭載するようにしてもよい。

上記一実施の形態では、固定部３３は、平面視で、円弧形状として例示した。しかし、固定部３３は、平面視で、円形、多角形状等、任意な形状とすることができる。

上記一実施の形態や種々の変形例を組み合わせてもよい。本発明は上記実施形態や代替技術に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１１、１１ａ、１１ｂ センサエレメント
２１ 回路基板
３０ ベース
３１ 第１ベース
３２ 第２ベース
３３、３３ａ、３３ｂ 固定部
３４ レール
３４ａ 第１レール
３４ｂ 第２レール
３６ 起歪体
３７ 変形抑制部
４１ ボール
４２ 保持リング（保持部材）
６１ 貫通孔
６２ａ 一面
６２ｂ 他面
６３ 段部
７１ 外周側面
７２ 外周縁
１００ 荷重センサ
Ｏ 軸心
Ｔ1 、Ｔ2 接触部

Claims (10)

1. 起歪体および一面側に設けられた固定部を有し、前記一面側と厚さ方向において対向する他面側との間の中間部にレールが設けられたベースと、
   前記起歪体上に設けられたセンサエレメントと、
   少なくとも、平面視で、前記起歪体と重なる領域内における前記レール内に設けられたボールとを備える荷重センサ。
2. 請求項１に記載の荷重センサにおいて、
   前記ベースは、厚さ方向の中間部で分割された第１ベースと第２ベースを含み、
   前記レールは、厚さ方向の中間部で分割された第１レールと第２レールを含み、
   前記第１ベースは、前記第１レールおよび前記第２レールの一方を含み、前記第２ベースは、前記第１レールおよび前記第２レールの他方を含む荷重センサ。
3. 請求項１に記載の荷重センサにおいて、
   前記ベースは、中心側に前記ベースを厚さ方向に貫通する貫通孔を有する平面視で円環状に形成され、
   前記レールは、平面視で円環状に形成されている荷重センサ。
4. 請求項３に記載の荷重センサにおいて、
   前記固定部は、中心に対して対称に一対設けられ、
   前記起歪体は、前記固定部間それぞれに設けられている荷重センサ。
5. 請求項３に記載の荷重センサにおいて、
   前記レール内に２個を超える数の前記ボールが、ほぼ等間隔に設けられている荷重センサ。
6. 請求項５に記載の荷重センサにおいて、
   複数の前記ボールは、環状の保持部材に回転可能に保持されて一体化されている荷重センサ。
7. 請求項１に記載の荷重センサにおいて、
   前記固定部の外周側面は、前記レールの外周縁の外側に設けられている荷重センサ。
8. 請求項１に記載の荷重センサにおいて、
   前記ベースの前記固定部の外周側に変形抑制部が設けられ、
   前記変形抑制部上に回路基板が搭載されている荷重センサ。
9. 請求項１に記載の荷重センサにおいて、
   前記レールの底面は、所定の曲率で湾曲している荷重センサ。
10. 請求項１に記載の荷重センサにおいて、
    前記ベースは、前記起歪体上に突出して設けられた、前記センサエレメントを取り付ける際の位置決め用の段部を有する荷重センサ。

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