JP2021162588A - Load sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外部から受けた荷重を測定する荷重センサに関する。 The present invention relates to a load sensor that measures a load received from the outside.
従来、外部から受けた荷重を測定する荷重センサが知られている。例えば、特許文献1には、2枚の円板状の剛性板と、円板状の複数の弾性部材と、円板状の受圧板と、歪みゲージとを有する荷重計が開示されている。2枚の剛性板は、一方の面において被測定物に接し、他方の面同士が平行となるように向かい合って設けられている。複数の弾性部材は、それぞれが剛性板の他方の面に一方の面が固着される。受圧板は、それぞれの弾性部材の他方の面の間に挟まれて固着される。歪みゲージは、受圧板に固定されている。
Conventionally, a load sensor that measures a load received from the outside is known. For example,
本発明の目的は、荷重センサの耐荷重性および測定精度の向上を図ることある。 An object of the present invention is to improve the load bearing capacity and measurement accuracy of a load sensor.
かかる課題を解決すべく、本発明は、第1の剛性部材と、第2の剛性部材と、弾性板材と、歪みセンサとを有する荷重センサを提供する。第1の剛性部材は、第1の陥没部を有する。第2の剛性部材は、第1の剛性部材と対向して配置される。また、第2の剛性部材は、荷重を受ける受圧部と、受圧部と位置的に対応した第2の陥没部と、第2の陥没部より突出した突出部とを有する。弾性板材は、第1の剛性部材および第2の剛性部材によって一部が挟持され、第1の陥没部および第2の陥没部によって形成される内部空間内において可撓自在である。また、弾性板材の開放端は、突出部と位置的に対応している。歪みセンサは、弾性板材に設けられており、受圧部に加わった荷重が突出部を介して作用することによって撓んだ弾性板材の歪み量を検知する。 In order to solve such a problem, the present invention provides a load sensor having a first rigid member, a second rigid member, an elastic plate material, and a strain sensor. The first rigid member has a first recessed portion. The second rigid member is arranged so as to face the first rigid member. Further, the second rigid member has a pressure receiving portion that receives a load, a second recessed portion that is positionedly corresponding to the pressure receiving portion, and a protruding portion that protrudes from the second depressed portion. The elastic plate material is partially sandwiched by the first rigid member and the second rigid member, and is flexible in the internal space formed by the first recessed portion and the second depressed portion. Further, the open end of the elastic plate material is positionedly corresponding to the protruding portion. The strain sensor is provided on the elastic plate material, and detects the amount of strain of the elastic plate material that is bent by the load applied to the pressure receiving portion acting through the protruding portion.
ここで、本発明において、第2の剛性部材を囲むように配置され、第1の剛性部材に固定された第3の剛性部材を設けてもよい。この第3の剛性部材は、その上部周りから受圧部側に向かって横方向に突出し、第2の剛性部材の上面と当接する。この場合、第3の剛性部材は、その上部中央に設けられ、受圧部が臨む開口部を有することが好ましい。 Here, in the present invention, a third rigid member arranged so as to surround the second rigid member and fixed to the first rigid member may be provided. The third rigid member projects laterally from around the upper portion toward the pressure receiving portion side and comes into contact with the upper surface of the second rigid member. In this case, it is preferable that the third rigid member is provided in the center of the upper portion thereof and has an opening facing the pressure receiving portion.
本発明において、上記受圧部は、第2の剛性部材の表面より隆起した平坦面を有していてもよい。この場合、上記隆起した平坦面における水平方向の断面積は、上記内部空間における水平方向の断面積以上であることが好ましい。 In the present invention, the pressure receiving portion may have a flat surface raised from the surface of the second rigid member. In this case, the horizontal cross-sectional area of the raised flat surface is preferably equal to or larger than the horizontal cross-sectional area of the internal space.
本発明において、上記歪みセンサは、弾性板材の片面または両面のそれぞれに設けられていることが好ましい。また、上記弾性板材は、突出部に対して点対称かつ等間隔で複数配置されていることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the strain sensor is provided on one side or both sides of the elastic plate material. Further, it is preferable that a plurality of the elastic plate materials are arranged point-symmetrically and at equal intervals with respect to the protruding portion.
本発明において、中空状のスペーサと、締結部材とをさらに設けてもよい。スペーサは、第1の剛性部材および第2の剛性部材のうちの一方に設けられた第1の取付孔に取り付けられる。スペーサの一方の端部は、第1の剛性部材と第2の剛性部材との対向面に到達するまで延在し、その他方の端部は、第1の取付孔より突出している。締結部材は、第1の取付孔に取り付けられたスペーサを介して、第1の剛性部材および第2の剛性部材のうちの他方に設けられた第2の取付孔と係合し、その軸力によって、第1の剛性部材と第2の剛性部材とを締結する。この場合、リング状の弾性体をさらに設けてもよい。このリング状の弾性体は、スペーサにおける第1の取付孔より突出した部位の外周側に設けられており、その一方の端部が、第1の剛性部材および第2の剛性部材のうちの一方と当接し、その他方の端部が、締結部材の頭部と当接する。 In the present invention, a hollow spacer and a fastening member may be further provided. The spacer is attached to the first mounting hole provided in one of the first rigid member and the second rigid member. One end of the spacer extends until it reaches the facing surface of the first rigid member and the second rigid member, and the other end protrudes from the first mounting hole. The fastening member engages with the second mounting hole provided on the other of the first rigid member and the second rigid member via the spacer attached to the first mounting hole, and its axial force thereof. To fasten the first rigid member and the second rigid member. In this case, a ring-shaped elastic body may be further provided. This ring-shaped elastic body is provided on the outer peripheral side of a portion of the spacer that protrudes from the first mounting hole, and one end thereof is one of a first rigid member and a second rigid member. And the other end abuts with the head of the fastening member.
本発明において、板状の弾性体をさらに設けてもよい。この板状の弾性体は、第1の剛性部材および第2の剛性部材のうちの少なくとも一方における、弾性板材を挟持する部位に沿って、この部位と弾性板材との間に設けられている。 In the present invention, a plate-shaped elastic body may be further provided. The plate-shaped elastic body is provided between this portion and the elastic plate material along a portion of at least one of the first rigid member and the second rigid member that sandwiches the elastic plate material.
本発明によれば、剛性の高い第2の剛性部材が荷重を受けるので、耐荷重性の向上を図ることができる。また、荷重によって生じた第2の剛性部材の変形を直接検知するのではなく、これを弾性板材の撓みに変換した上で、この撓みの程度(歪み量)を歪みセンサで検知する。内部空間内で可撓自在な弾性板材の歪み量を検知することで、第2の剛性部材の歪み量を直接検知する場合と比較して、荷重の測定精度の向上を図ることができる。 According to the present invention, since the second rigid member having high rigidity receives a load, the load bearing capacity can be improved. Further, instead of directly detecting the deformation of the second rigid member caused by the load, after converting this into the bending of the elastic plate material, the degree of this bending (strain amount) is detected by the strain sensor. By detecting the amount of strain of the elastic plate material that is flexible in the internal space, it is possible to improve the measurement accuracy of the load as compared with the case of directly detecting the amount of strain of the second rigid member.
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態に係る荷重センサの展開状態を示す概略図である。この荷重センサ1は、筐体を構成する上下の剛性部材2,3と、少なくとも一つの弾性板材4と、少なくとも一つの歪みセンサ5とを主体に構成されており、これらはボルトや接着剤などによって一体化されている。荷重センサ1は、上剛性部材3に加わった荷重(力)を測定する用途で用いられる。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a schematic view showing a deployed state of the load sensor according to the present embodiment. The
上下の剛性部材2,3は、鋼材などの剛性の高い材質で構成されており、円状または正方形状のプレート形状を有する。下剛性部材2は、プレート状の部材であって、実用上十分な剛性を確保すべく所定の厚さを有する。下剛性部材2の上面には、下方に向かって段差状に陥没し、円状または正方形状の開口形状を有する陥没部2aが設けられている。
The upper and lower
一方、上剛性部材3は、下剛性部材2に対応したプレート形状を有し、下剛性部材2と同様の理由から十分な厚さを有する。上剛性部材3の下面には、上方に向かって段差状に陥没した陥没部3aが設けられている。この陥没部3aは、下剛性部材2側の陥没部2aと位置的に対応しており、かつ、陥没部2aと同様の開口形状を有する。また、陥没部3aの略中央には、陥没部3aの頂面から下方(垂直方向)に向かって突出した突出部3bが設けられている。
On the other hand, the upper
突出部3bの先端形状は、図示したような平面状であってもよいが、図2に示すような曲面状(半球状)であってもよい。さらに、上剛性部材3の上面には、荷重を受ける受圧部3cが設けられている。この受圧部3cは、陥没部3bと位置的に対応しており、本実施形態では、上剛性部材3の上面より隆起した平坦面を有する。また、隆起した平坦面における水平方向の断面積は、陥没部3b(後述する内部空間A)における水平方向の断面積以上、すなわち、陥没部3bと同等かそれ以上のサイズを有する。受圧部3cのサイズが大きいほど、荷重センサ1としての耐荷重性および耐久性の向上を図ることができる。
The tip shape of the protruding
弾性板材4は、平板状の弾性部材であって、剛性部材2,3よりも弾性の高い金属材で構成されている。弾性板材4は、上下の剛性部材2,3の間に介在している。また、歪みセンサ5は、弾性板材4に設けられており、弾性板材4の歪み量を検知する。歪みセンサ5としては、例えば、弾性板材4の伸縮に応じた抵抗値の変化を検知する歪みゲージを用いることができる。
The
図3は、組立状態における荷重センサ1の概略的な断面図である。上下の剛性部材2,3は、互いに対向して配置されており、接着剤や締結部材(ボルトなど)によって一体化されている。また、下剛性部材2側の陥没部2aと、上剛性部材3側の陥没部3aとが対向することによって、一つの連続した内部空間Aが形成される。弾性板材4の一部は、下剛性部材2の上面と上剛性部材3の下面とによって挟持されており、その他の部分は、内部空間A内に臨んでおり、水平方向に延在している。これにより、弾性板材4は、内部空間A内において可撓自在、すなわち、垂直方向に弓なりに曲がることが可能な状態で保持される。弾性板材4の開放端は、突出部3bと位置的に対応するように、換言すれば、突出部3bと上下でオーバーラップするように配置されており、突出部3bと軽く接触している。また、歪みセンサ5は、弾性板材4における内部空間Aに臨んだ部位に配置されている。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the
ここで、歪みセンサ5は、荷重の測定精度を高めるという観点では、図1に示したように弾性板材4の両面に取り付けることが好ましいが、荷重センサ1の小型化を図るという観点から、一方の表面(上面または下面)のみに取り付けてもよい。
Here, the
弾性板材4は少なくとも一つあれば足りるが、荷重の検出精度を高めるために複数用いてもよい。この場合、複数の弾性板材4は、突出部3bに対して点対称かつ等間隔で配置されていることが好ましい。例えば、図4に示すように、4つの弾性板材4a〜4dを用いる場合、弾性板材4a〜4dのそれぞれの開放端が突出部3bと位置的に対応するように点対称に配置され、かつ、それぞれが90度の回転角度で等間隔に配置されるといった如くである。また、弾性板材4の開放端における先端形状は、図4に示したような平状であってもよいが、図5に示すように三角形状にしてもよい。三角形状にすることで、複数の弾性板材4の開放端を突出部3bの近傍により密集させることができるので、荷重の検出精度をより高めることができる。
At least one
荷重センサ1が荷重を測定するメカニズムは以下のとおりである。まず、受圧部3cが荷重を受けると、上剛性部材3の変形が生じる。これにより、突出部3bが下方に押し下げられ、この突出部3bと接触した弾性板材4の開放端も下方に押し下げられる。これにより、内部空間A内に臨んだ弾性板材4が撓んで歪みが生じ、この歪み量が歪みセンサ5で検知される。弾性板材4の歪み量は、突出部3bの変位量、すなわち、上剛性部材3の変形量と相関を有し、この変形量は、上剛性部材3に加わった荷重量に相当する。したがって、弾性板材4の歪み量を検知すれば、荷重量が一義的に特定されるので、荷重を測定することが可能となる。
The mechanism by which the
このように、本実施形態によれば、剛性の高い上剛性部材3が荷重を受けるので、耐荷重性の向上を図ることができる。また、荷重によって生じた上剛性部材3の変形を直接検知するのではなく、これを弾性板材4の撓みに変換した上で、この撓みの程度(歪み量)を歪みセンサ5で検知する。内部空間A内で可撓自在な弾性板材4の歪み量を検知することで、上剛性部材3の歪み量を直接検知する場合と比較して、荷重の測定精度の向上を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, since the highly rigid upper
なお、上述した実施形態では、測定精度の向上を図るために、上剛性部材3の表面より隆起した平坦面として受圧部3cを規定しているが、図6に示すように、受圧部3cは、耐荷重性の向上を図るべく、上剛性部材3の表面と面一であってもよい。
In the above-described embodiment, the pressure receiving portion 3c is defined as a flat surface raised from the surface of the upper
また、上述した実施形態では、荷重センサ1の筐体を2つの剛性部材2,3で構成する例について説明したが、以下に変形例を示すように、筐体を3つ以上の剛性部材で構成してもよい。
Further, in the above-described embodiment, an example in which the housing of the
図7は、第1の変形例に係る荷重センサの断面図である。この荷重センサ1Aは、筐体を構成する部材として、上下の剛性部材2,3の他に、横剛性部材6が設けられている。この横剛性部材6は、上剛性部材3を囲むように配置されている。横剛性部材6の下部は、上剛性部材3の周囲より横方向に突出した下剛性部材2の上面に、ボルトや接着剤などによって固定されている。また、横剛性部材6の上部周りには、突出部6aが設けられている。この突出部6aは、受圧部3c側に向かって横方向に突出して延在しており、上剛性部材3の上面と当接することによって、上剛性部材3の変位を規制する。さらに、横剛性部材6の上部中央には、開口部6bが設けられており、その開口形状は、突出部6aの連続した先端によって規定される。この開口部6bには、隆起した受圧部3cが臨んでいる。なお、それ以外の点については、上述した実施形態と同様なので、同一の符号を付してここでの説明を省略する。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the load sensor according to the first modification. The load sensor 1A is provided with a lateral
図8は、第2の変形例に係る荷重センサの断面図である。この荷重センサ1Bが、図7に示した荷重センサ1Aと相違する点は、横剛性部材6が、荷重センサ1B(下剛性部材2)の下面に至るまで延在し、上剛性部材3のみならず、下剛性部材2も囲むように配置されている点である。横剛性部材6および下剛性部材2は、ボルトや接着剤などによって、側部同士が固定されている。なお、それ以外の点については、図7に示した荷重センサ1Aと同様なので、同一の符号を付してここでの説明を省略する。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the load sensor according to the second modification. The difference between the load sensor 1B and the load sensor 1A shown in FIG. 7 is that the
(第2の実施形態)
つぎに、第2の実施形態として、荷重センサ1(各種の変形例を含む。以下同様。)に適した構成部材2,3の締結構造について説明する。図9は、第2の実施形態に係る荷重センサの断面図であり、図1等とは異なる視点から見た断面状態を示す。この荷重センサ1Cにおいて、上下の剛性部材2,3は、中空筒状のスペーサ7と、ボルト等の締結部材8とを用いて締結・固定されている。なお、第1の実施形態と同一の部材については、同一の符号を付して、ここでの説明を省略する。この点は、第3の実施形態についても同様である。
(Second Embodiment)
Next, as a second embodiment, a fastening structure of the
具体的には、下剛性部材2には、ネジ溝が形成された取付孔2bが設けられている。また、上剛性部材3には、この取付孔2bと位置的に対応した凹部3dおよび取付孔3eが設けられている。凹部3dは、上剛性部材3の平坦な上面に対して陥没しており、締結部材8の頭部8a(例えば、直径9mm)を収容可能な径および深さを有する。また、取付孔3eは、凹部3d底部と上剛性部材3の下面との間を上下に貫通しており、取付孔2bよりも大径に形成されている。一方、スペーサ7は、金属や樹脂などによって形成されており、取付孔3eの深さよりも大きな高さを有する。スペーサ7は、小径な取付孔2bに至ることなく、大径な取付孔3eに取り付けられている。この状態において、スペーサの一方の端部(下端)は、径の違いに起因した2つの取付孔2b,3eの段差部位、換言すれば、上下の剛性部材2,3の対向面に到達するまで延在すると共に、その他方の端部(上端)は、取付孔3eの上開口から上方に向かって所定の高さだけ突出する。
Specifically, the lower
上方から挿入された締結部材8は、取付孔3eに取り付けられたスペーサ7の中空部を貫通して、ネジ溝が形成された取付孔2bのみと係合する。これによって、上下の剛性部材2,3は、凹部3d内に収容された締結部材8の軸力によって一体化される。ここで、軸力とは、締結部材8を締め付けた際、軸方向に引っ張られて僅かに伸びた締結部材8が元に戻ろうとする力をいい、上下の剛性部材2,3を固定する力として作用する。このように、スペーサ7によって締結部材8の頭部8aが上剛性部材3と直接当接しないようにすることで、上剛性部材3に締結部材8の軸力を掛けることなく、上下の剛性部材2,3が固定される。
The
なお、図10に示すように、締結部材8の配置を上下逆にし、下から挿入された締結部材8によって、下剛性部材2に軸力を掛けることなく、上下の剛性部材2,3を固定してもよい。
As shown in FIG. 10, the arrangement of the
このように、本実施形態によれば、上下の剛性部材2,3のうちの一方にスペーサ7を取り付け、その一方の端部を剛性部材2,3の対向面に到達するまで延在させ、その他方の端部を取付孔3eより突出させる。このようなスペーサ7を介在させることで、スペーサ7が取り付けられた側の剛性部材(例えば、剛性部材3)に締結部材8の軸力を掛けることなく、上下の剛性部材2,3を締結部材8にて固定することが可能になる。
As described above, according to the present embodiment, the
なお、図11に示すように、第2の実施形態の変形例として、スペーサ7の一部、より具体的には、取付孔3eの上開口より突出した部位の外周側に、リング状の弾性体9(例えば、外径11.5mm、内径8.5mm、高さ0.5mm)を介在させてもよい。この弾性体9は、ゴムやシリコンなどの弾性材料によって形成してもよいし、スプリングワッシャーのようなバネ力を有するものであってもよい。弾性体9は、その一方の端部が上剛性部材3(図10の構成では下剛性部材2)と当接し、その他方の端部が締結部材8の頭部8aと当接し、両者の挟持によって縮み変形する。この変形した弾性体9の復元力によって、図9および図10に示したような空間Bに由来した部材同士のガタつきを軽減することが可能になる。
As shown in FIG. 11, as a modification of the second embodiment, a ring-shaped elasticity is formed on a part of the
(第3の実施形態)
つぎに、第3の実施形態として、荷重センサ1に板状の弾性体を介在させた例について説明する。図12は、第3の実施形態に係る荷重センサの展開状態を示す断面図である。この荷重センサ1Dでは、上下の剛性部材2,3の一部、すなわち、弾性板材4を挟持する部位(以下「挟持部位」という。)に沿って、板状の弾性体10が複数設けられている。この弾性体10は、ゴムやシリコンなどの弾性材料によって形成されている。弾性板材4を上下の剛性部材2,3で直接挟持するのではなく、弾性体10を介在させることで、締結部材8の軸力による剛性部材(例えば、上剛性部材3)の拘束を軽減できると共に、当該剛性部材の変形による弾性板材4への影響を軽減できる。
(Third Embodiment)
Next, as a third embodiment, an example in which a plate-shaped elastic body is interposed in the
なお、板状の弾性体10は、上下の剛性部材2,3の双方ではなく、どちらか一方のみに設けてもよい。また、板状の弾性体10は、挟持部位の一部に設けられていてもよいが、図12のように挟持部位の全面に設けられている方が、より高い効果を奏することができる。
The plate-shaped
1,1A〜1D 荷重センサ
2 下剛性部材
2a 陥没部
2b 取付孔
3 上剛性部材
3a 陥没部
3b 突出部
3c 受圧部
3d 凹部
3e 取付孔
4,4a〜4d 弾性板材
5 歪みセンサ
6 横剛性部材
6a 突出部
6b 開口部
7 スペーサ
8 締結部材
8a 頭部
9 リング状の弾性体
10 板状の弾性体
1,1A to
Claims (10)
第1の陥没部を有する第1の剛性部材と、
前記第1の剛性部材と対向して配置されていると共に、荷重を受ける受圧部と、前記受圧部と位置的に対応した第2の陥没部と、前記第2の陥没部より突出した突出部とを有する第2の剛性部材と、
前記第1の剛性部材および前記第2の剛性部材によって一部が挟持され、前記第1の陥没部および前記第2の陥没部によって形成される内部空間内において可撓自在であり、かつ、開放端が前記突出部と位置的に対応する弾性板材と、
前記弾性板材に設けられており、前記受圧部に加わった荷重が前記突出部を介して作用することによって撓んだ前記弾性板材の歪み量を検知する歪みセンサと
を有することを特徴とする荷重センサ。 In the load sensor
A first rigid member having a first recess and
A pressure receiving portion that is arranged so as to face the first rigid member and receives a load, a second recessed portion that is positionedly corresponding to the pressure receiving portion, and a protruding portion that protrudes from the second depressed portion. A second rigid member having and
A part is sandwiched by the first rigid member and the second rigid member, and is flexible and open in the internal space formed by the first recessed portion and the second depressed portion. An elastic plate whose ends correspond to the protrusions
A load provided on the elastic plate material and having a strain sensor for detecting the amount of strain of the elastic plate material that is bent by the load applied to the pressure receiving portion acting through the protruding portion. Sensor.
前記第3の剛性部材は、その上部周りから前記受圧部側に向かって横方向に突出し、前記第2の剛性部材の上面と当接する突出部を有することを特徴とする請求項2に記載された請求項1に記載された荷重センサ。 Further having a third rigid member arranged so as to surround the second rigid member and fixed to the first rigid member.
The third rigid member according to claim 2, wherein the third rigid member projects laterally from around the upper portion thereof toward the pressure receiving portion side and has a protruding portion that abuts on the upper surface of the second rigid member. The load sensor according to claim 1.
前記第1の取付孔に取り付けられた前記スペーサの中空孔を介して、前記第1の剛性部材および前記第2の剛性部材のうちの他方に設けられた第2の取付孔と係合し、その軸力によって、前記第1の剛性部材と前記第2の剛性部材とを締結する締結部材と
をさらに有することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載された荷重センサ。 It is attached to a first mounting hole provided in one of the first rigid member and the second rigid member, and one end thereof is a first rigid member and the second rigid member. A hollow cylindrical spacer extending until it reaches the facing surface of the above, and the other end projecting from the first mounting hole.
Through the hollow hole of the spacer attached to the first mounting hole, the first rigid member and the second mounting hole provided on the other of the second rigid members are engaged with each other. The load sensor according to any one of claims 1 to 7, further comprising a fastening member for fastening the first rigid member and the second rigid member by the axial force.
A plate-shaped elastic body provided between the elastic plate material and the portion along the portion sandwiching the elastic plate material in at least one of the first rigid member and the second rigid member. The load sensor according to any one of claims 1 to 9, further comprising.
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Cited By (1)
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2021
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Legal Events
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