JP2020197425A - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】荷重センサの感度低下を抑制しつつ、ひずみ検出素子が搭載される基板を形成するために必要な材料を削減する。【解決手段】鋼球２は、荷重にＬＤ応じて変位可能である。基板３は、鋼球２を支持する一対の第一支持部３１と一対の第二支持部３２を有している。第一ひずみ検出素子４１は、一対の第一支持部３１の一方に生じた第一ひずみＳ１を検出する。一対の第一支持部３１は、第一方向に対向しているとともに鋼球２の変位に応じて変位可能である一対の第一自由端３１ａを有している。一対の第二支持部３２は、前記第一方向と直交する第二方向に対向しつつ第一自由端３１ａから離間しているとともに鋼球２の変位に応じて変位可能である第二自由端３２ａを有している。一対の第一支持部３１の各々は、前記第一方向に沿う最大寸法Ｄ１が前記第二方向に沿う最大寸法Ｄ２よりも長い。【選択図】図１

Description

本発明は、荷重センサに関連する。

特許文献１は、鋼球とひずみ検出素子を用いた荷重センサを開示している。鋼球は、加えられた荷重に応じて変位可能である。ひずみ検出素子は、伸縮に伴って抵抗値が変化する金属抵抗体を備えている。ひずみ検出素子が搭載された基板は、鋼球を支持している。荷重による鋼球の変位は、基板にひずみを生じさせる。当該当該ひずみによって生じる金属抵抗体の抵抗値の変化を通じて、加えられた荷重が検出される。

特開２００４−００３９３４号公報

本発明の目的は、荷重センサの感度低下を抑制しつつ、ひずみ検出素子が搭載される基板を形成するために必要な材料を削減することである。

上記目的を達成するための一態様は、荷重センサであって、
荷重に応じて変位可能である質量体と、
前記質量体を支持する一対の第一支持部と一対の第二支持部を有している基板と、
前記一対の第一支持部の一方に生じた第一ひずみを検出する第一ひずみ検出素子と、
を備えており、
前記一対の第一支持部は、第一方向に対向しているとともに前記質量体の変位に応じて変位可能である一対の第一自由端を有しており、
前記一対の第二支持部は、前記第一方向と直交する第二方向に対向しつつ前記第一自由端から離間しているとともに前記質量体の変位に応じて変位可能である第二自由端を有しており、
前記一対の第一支持部の各々は、前記第一方向に沿う最大寸法が前記第二方向に沿う最大寸法よりも長い。

第一方向に沿って対向する一対の第一自由端と第二方向に沿って対向しつつ各第一自由端と離間する一対の第二自由端は、基板に形成された空隙部によって区画されうる。これにより、第一ひずみ検出素子が搭載される基板を形成するために必要な材料を削減できる。他方、第一ひずみ検出素子が搭載されている第一支持部は第一方向に細長い形状を有しているので、質量体を通じて基板に加えられる荷重が集中しやすく、第一支持部に生じるひずみ量を効率よく大きくできる。第一ひずみ検出素子によって検出されるひずみ量を大きくできるので、荷重センサの感度の低下を抑制できる。したがって、荷重センサの感度の低下を抑制しつつ、ひずみ検出素子が搭載される基板を形成するために必要な材料を削減できる。

一実施形態に係る荷重センサの構成を例示している。 図１の荷重センサにおける荷重検出回路の構成を例示している。 図１の荷重センサの別構成例を示している。 図３の荷重センサの別構成例を示している。 図３の荷重センサの別構成例を示している。 図５の荷重センサの別構成例を示している。

添付の図面を参照しつつ、実施形態の例について以下詳細に説明する。以下の説明に用いられる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

添付の図面において、矢印Ｆは、図示された構造の前方向を示している。矢印Ｂは、図示された構造の後方向を示している。矢印Ｕは、図示された構造の上方向を示している。矢印Ｄは、図示された構造の下方向を示している。矢印Ｌは、図示された構造の左方向を示している。矢印Ｒは、図示された構造の右方向を示している。これらの方向に係る表現は、構造の理解のために便宜上用いられるものであり、当該構造の使用時における実際の姿勢を限定する意図はない。

図１の（Ａ）は、一実施形態に係る荷重センサ１の構成を例示している。荷重センサ１は、鋼球２と基板３を備えている。図１の（Ｂ）は、図１の（Ａ）における矢印IBに沿う方向から見た基板３の形状を、鋼球２との位置関係と併せて例示している。

鋼球２は、荷重ＬＤに応じて上下方向に変位可能である。基板３は、鋼球２を下方から支持している。鋼球２に加えられた荷重ＬＤは、鋼球２の変位を通じて基板３に伝達される。鋼球２は、質量体の一例である。

図１の（Ｂ）に示されるように、基板３は、一対の第一支持部３１を有している。各第一支持部３１は、第一自由端３１ａを有している。各第一自由端３１ａは、鋼球２と接触している。各第一自由端３１ａは、鋼球２の変位に応じて変位可能である。すなわち、各第一支持部３１は、鋼球２の変位に応じて撓み変形が可能である。

各第一支持部３１は、前後方向に細長い形状を有している。すなわち、各第一支持部３１の前後方向に沿う最大寸法Ｄ１は、左右方向に沿う最大寸法Ｄ２よりも大きい。一対の第一自由端３１ａは、前後方向に沿って対向している。前後方向は、第一方向の一例である。左右方向は、第二方向の一例である。

基板３は、一対の第二支持部３２を有している。各第二支持部３２は、第二自由端３２ａを有している。各第二自由端３２ａは、左右方向に沿って対向しつつ、一対の第一自由端３１ａから離間している。各第二自由端３２ａは、鋼球２と接触している。各第二自由端３２ａは、鋼球２の変位に応じて変位可能である。すなわち、各第二支持部３２は、鋼球２の変位に応じて撓み変形が可能である。

荷重センサ１は、第一ひずみ検出素子４１を備えている。第一ひずみ検出素子４１は、伸縮に伴って抵抗値が変化する金属抵抗体を備えている。本例においては、第一ひずみ検出素子４１は、基板３における一対の第一支持部３１の一方に配置されている。金属抵抗体の伸縮方向は、前後方向に沿っている。

基板３には、第一ひずみ検出素子４１を含む荷重検出回路５が形成されている。図２は、荷重検出回路５の構成を例示している。本例においては、荷重検出回路５は、ホイートストンブリッジ回路を含んでいる。端子５１と端子５２の間には、不図示の電源から供給される電圧Ｖｉが印加される。第一ひずみ検出素子４１の金属抵抗体は、ホイートストンブリッジ回路を構成する四つの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４の一つ（Ｒ１）を提供している。

図１の（Ｂ）に例示されるように、鋼球２の変位に伴って一対の第一支持部３１と一対の第二支持部３２が変位すると、一方の第一支持部３１に配置された第一ひずみ検出素子４１の金属抵抗体の伸縮方向に沿う伸縮ひずみＳ１（いわゆる正のひずみ）が発生する。これにより、第一ひずみ検出素子４１の金属抵抗体の抵抗値が変化する。すなわち、第一ひずみ検出素子４１は、一方の第一支持部３１に生じた伸縮ひずみＳ１を検出できる。伸縮ひずみＳ１は、第一ひずみの一例である。

これにより、図２に例示されるホイートストンブリッジ回路を構成している四つの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４同士の関係が変化し、端子５３と端子５４の間の電圧Ｖｏも変化する。この電圧Ｖｏの値の変化をモニタすることによって、鋼球２に加えられた荷重ＬＤを検出できる。

図１の（Ｂ）に示されるように、前後方向に沿って対向する一対の第一自由端３１ａと左右方向に沿って対向しつつ各第一自由端３１ａと離間する一対の第二自由端３２ａは、基板３に形成された空隙部３３によって区画されている。これにより、第一ひずみ検出素子４１が搭載される基板３を形成するために必要な材料を削減できる。

他方、第一ひずみ検出素子４１が搭載されている第一支持部３１は前後方向に細長い形状を有しているので、鋼球２を通じて基板３に加えられる荷重が集中しやすく、第一支持部３１に生じる正のひずみ量を効率よく大きくできる。第一ひずみ検出素子４１によって検出されるひずみ量を大きくできるので、荷重センサ１の感度の低下を抑制できる。

したがって、荷重センサ１の感度の低下を抑制しつつ、第一ひずみ検出素子４１が搭載される基板３を形成するために必要な材料を削減できる。

図３は、荷重センサ１の構成の別例を示している。図１の（Ｂ）に例示された構成と実質的に同じ要素については、同一の参照符号を付与し、繰り返しとなる説明を省略する。

本例においては、荷重センサ１は、第一ひずみ検出素子４１に加えて第二ひずみ検出素子４２を備えている。第二ひずみ検出素子４２は、伸縮に伴って抵抗値が変化する金属抵抗体を備えている。第二ひずみ検出素子４２は、一対の第二支持部３２の一方に配置されている。金属抵抗体の伸縮方向は、前後方向に沿っている。さらに、各第二支持部３２は、第二自由端３２ａに近づくにつれて前後方向に沿う寸法が小さくなる部分３２ｂを有している。

この場合、鋼球２の変位に伴って一対の第一支持部３１と一対の第二支持部３２が変位すると、第二ひずみ検出素子４２の金属抵抗体には、左右方向に沿う曲げひずみＳ２（いわゆる負のひずみ）が発生する。これにより、第二ひずみ検出素子４２の金属抵抗体の抵抗値が変化する。すなわち、第二ひずみ検出素子４２は、一方の第二支持部３２に生じた曲げひずみＳ２を検出できる。曲げひずみＳ２は、第二ひずみの一例である。

第二ひずみ検出素子４２の金属抵抗体は、図２に例示されるホイートストンブリッジ回路を構成する四つの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４のうち、第一ひずみ検出素子４１と隣り合う抵抗値Ｒ２を提供しうる。この場合、温度の影響による見かけひずみを抑制できる。さらに、第一ひずみ検出素子４１に作用するひずみと第二ひずみ検出素子４２に作用するひずみの符号が逆とされているので、図１の（Ｂ）に例示されるひずみ抵抗素子が単一である場合と比較して出力電圧を二倍にできる。したがって、荷重センサ１の感度を高めることができる。

さらに、第二支持部３２は第二自由端３２ａに近づくにつれて前後方向の寸法が小さくなる部分３２ｂを有しているので、第二支持部３２に生じる負のひずみ量を効率よく大きくできる。第二ひずみ検出素子４２によって検出されるひずみ量を大きくできるので、荷重センサ１の感度の低下を抑制できる。

したがって、この場合においても、荷重センサ１の感度の低下を抑制しつつ、複数のひずみ検出素子が搭載される基板３を形成するために必要な材料を削減できる。

上記の例においては、第二支持部３２における第二自由端３２ａに近づくにつれて前後方向の寸法が小さくなる部分３２ｂは、直線状に延びる一対の縁部３２ｃを有している。各縁部３２ｃの一端は、前後方向の寸法が一定である第二自由端３２ａに連なっている。しかしながら、部分３２ｂの形状は、様々な形状をとりうる。

図４の（Ａ）は、部分３２ｂの形状の第一の別例を示している。本例における部分３２ｂは、内側に凸である弧状に延びる一対の縁部３２ｃを有している。各縁部３２ｃの一端は、前後方向の寸法が一定である第二自由端３２ａに連なっている。

図４の（Ｂ）は、部分３２ｂの形状の第二の別例を示している。本例における部分３２ｂは、直線状に延びる一対の縁部３２ｃを有している。一対の縁部３２ｃの一端同士は連なっており、第二自由端３２ａを形成している。すなわち、本例における第二自由端３２ａは、前後方向の寸法が一定である部分を有していない。

図４の（Ｃ）は、部分３２ｂの形状の第三の別例を示している。本例における部分３２ｂは、外側に凸である弧状に延びる一対の縁部３２ｃを有している。一対の縁部３２ｃの一端同士は連なっており、第二自由端３２ａを形成している。すなわち、本例における第二自由端３２ａは、前後方向の寸法が一定である部分を有していない。

図５は、荷重センサ１の構成の別例を示している。図３に例示された構成と実質的に同じ要素については、同一の参照符号を付与し、繰り返しとなる説明を省略する。本例においては、荷重センサ１は、第一ひずみ検出素子４１と第二ひずみ検出素子４２に加えて、第三ひずみ検出素子４３と第四ひずみ検出素子４４を備えている。

第三ひずみ検出素子４３と第四ひずみ検出素子４４の各々は、伸縮に伴って抵抗値が変化する金属抵抗体を備えている。第三ひずみ検出素子４３は、一対の第一支持部３１の他方に配置されている。第三ひずみ検出素子４３の金属抵抗体の伸縮方向は、前後方向に沿っている。第四ひずみ検出素子４４は、一対の第二支持部３２の他方に配置されている。第四ひずみ検出素子４４の金属抵抗体の伸縮方向は、前後方向に沿っている。

この場合、鋼球２の変位に伴って一対の第一支持部３１と一対の第二支持部３２が変位すると、第三ひずみ検出素子４３の金属抵抗体には、金属抵抗体の伸縮方向に沿う伸縮ひずみＳ３（いわゆる正のひずみ）が発生する。すなわち、第三ひずみ検出素子４３は、他方の第一支持部３１に生じた伸縮ひずみＳ３を検出できる。伸縮ひずみＳ３は、第三ひずみの一例である。他方、第四ひずみ検出素子４４の金属抵抗体には、左右方向に沿う曲げひずみＳ４（いわゆる負のひずみ）が作用する。すなわち、第四ひずみ検出素子４４は、他方の第二支持部３２に生じた曲げひずみＳ４を検出できる。曲げひずみＳ４は、第四ひずみの一例である。

第三ひずみ検出素子４３の金属抵抗体は、図２に例示されるホイートストンブリッジ回路を構成する四つの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４のうち、第二ひずみ検出素子４２と隣り合う抵抗値Ｒ３を提供しうる。第四ひずみ検出素子４４の金属抵抗体は、図２に例示されるホイートストンブリッジ回路を構成する四つの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４のうち、第一ひずみ検出素子４１および第三ひずみ検出素子４３と隣り合う抵抗値Ｒ４を提供しうる。

図３に例示された構成を参照して説明したように、このような構成によれば、温度の影響による見かけひずみを抑制できるだけでなく、図１の（Ｂ）に例示されるひずみ抵抗素子が単一である場合と比較して出力電圧を四倍にできる。したがって、荷重センサ１の感度をさらに高めることができる。

図６は、荷重センサ１の構成の別例を示している。図５に例示された構成と実質的に同じ要素については、同一の参照符号を付与し、繰り返しとなる説明を省略する。本例においては、各第二支持部３２は、空隙部３２ｄを有している。空隙部３２ｄは、基板３を貫通するように形成されている。空隙部３２ｄは、前後方向に延びている。

このような構成によれば、鋼球２の変位に伴って第二支持部３２に生じるひずみを第二自由端３２ａへ集中しやすくできる。換言すると、鋼球２の変位に伴う第二支持部３２の変形効率を高めることができる。これにより、第二ひずみ検出素子４２と第四ひずみ検出素子４４による曲げひずみの検出感度を高めることができる。また、空隙部３２ｄの分だけ基板３を形成するための材料を削減できる。したがって、荷重センサ１の感度の低下を抑制しつつ、複数のひずみ検出素子が搭載される基板３を形成するために必要な材料を削減できる。

空隙部３２ｄは、図３および図４に例示された荷重センサ１における第二支持部３２にも形成されうる。

上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするための例示にすぎない。上記の実施形態に係る構成は、本発明の趣旨を逸脱しなければ、適宜に変更・改良されうる。

荷重ＬＤに応じて変位可能であり、当該変位によって荷重ＬＤを基板３で伝達可能であれば、鋼球２の形状は、適宜に変更されうる。特に基板３と接触しない上側の形状は、任意に定められうる。基板３と接触する下側の形状は、例えば円錐状や角錐状とされうる。

１：荷重センサ、２：鋼球、３：基板、３１：第一支持部、３１ａ：第一自由端、３２：第二支持部、３２ａ：第二自由端、３２ｂ：第二自由端に近づくにつれて前後方向の寸法が小さくなる部分、３２ｄ：空隙部、４１：第一ひずみ検出素子、４２：第二ひずみ検出素子、４３：第三ひずみ検出素子、４４：第四ひずみ検出素子、Ｄ１：第一支持部の前後方向に沿う最大寸法、Ｄ２：第一支持部の左右方向に沿う最大寸法、ＬＤ：荷重、Ｓ１：伸縮ひずみ、Ｓ２：曲げひずみ、Ｓ３：伸縮ひずみ、Ｓ４：曲げひずみ

Claims (4)

1. 荷重に応じて変位可能である質量体と、
   前記質量体を支持する一対の第一支持部と一対の第二支持部を有している基板と、
   前記一対の第一支持部の一方に生じた第一ひずみを検出する第一ひずみ検出素子と、
   を備えており、
   前記一対の第一支持部は、第一方向に対向しているとともに前記質量体の変位に応じて変位可能である一対の第一自由端を有しており、
   前記一対の第二支持部は、前記第一方向と直交する第二方向に対向しつつ前記第一自由端から離間しているとともに前記質量体の変位に応じて変位可能である第二自由端を有しており、
   前記一対の第一支持部の各々は、前記第一方向に沿う最大寸法が前記第二方向に沿う最大寸法よりも長い、
   荷重センサ。
2. 前記一対の第二支持部の一方に生じた前記第一ひずみとは正負が逆の第二ひずみを検出する第二ひずみ検出素子を備えており、
   前記一対の第二支持部の各々は、前記第二自由端に近づくにつれて前記第一方向に沿う寸法が小さくなる部分を有している、
   請求項１に記載の荷重センサ。
3. 前記一対の第一支持部の他方に生じた前記第一ひずみとは正負が同じ第三ひずみを検出する第三ひずみ検出素子と、
   前記一対の第二支持部の他方に生じた前記第一ひずみとは正負が逆の第四ひずみを検出する第四ひずみ検出素子と、
   を備えている、
   請求項２に記載の荷重センサ。
4. 前記一対の第二支持部の各々は、前記基板を貫通しつつ前記第一方向に延びる空隙部を有している、
   請求項２または３に記載の荷重センサ。

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