JP4122246B2 - 荷重センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤフラムに歪センサを取付け所定の荷重までの押圧に対して荷重を検出する荷重センサに関し、特に薄型で荷重を精度よく検出できる荷重センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、歩行ロボットの脚などに用いられる荷重センサには、ダイヤフラムに歪センサを取付け、そこから出力される信号によって荷重を検出するものが用いられている。このような荷重センサは広く知られており、例えば特開平７−２８０６７１のように、ダイヤフラムの上部に操作体を設けて荷重を検出するものがある。なお、この例においては、操作体の前後左右の動きを検出するために操作体にはコイル状のバネを設けている。
【０００３】
一方、上方からの荷重を検出する荷重センサにおいては、過大荷重や衝撃荷重に対して、ダイヤフラムが破損しないように機械的なストッパを設けることがある。この場合においては、例えば図５のように中心部を薄肉状の感圧部１２ａとし、この感圧部１２ａに歪センサを取付けたダイヤフラム１２の上面に、ゴムからなる駆動体１１を設け、さらにそれを取囲むように操作体１０を設ける。
【０００４】
操作体１０は、荷重がかかっていない状態では、ダイヤフラム１２との間に隙間を生じるように形成される。操作体１０に荷重をかけると、駆動体１１を介してダイヤフラム１２の感圧部１２ａに歪みを生じ、歪センサによって荷重を検出する。操作体１０に所定以上の荷重をかけた場合、操作体１０の下面はダイヤフラム１２の厚肉部１２ｂに当接して、感圧部１２ａにはそれ以上大きな荷重がかからないようにすることで、過大荷重や衝撃荷重に対して感圧部１２ａを保護することができる。これに近い荷重センサとして例えば特許文献１〜３に示すようなものがある。
【特許文献１】
実開平６−７０３０号公報
【特許文献２】
特開平７−７７４６７号公報
【特許文献３】
特開平５−１４２０７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の荷重センサにおいては、以下に述べるような問題点を有していた。
操作体とダイヤフラムの間にゴムからなる駆動体を設けた場合においては、ゴムの寸法精度や環境温度の変化などによって、検出荷重にバラツキを生じやすく、精度の面で問題がある。特に、設計上は所定の荷重において操作体がダイヤフラムに当接するようにされるものの、上記要因によってバラツキが生じると、操作体がダイヤフラムに当接する荷重にもバラツキが生じる。ゴムは、荷重に対して線形に変位せず、荷重の低い段階で大きく変位して、ある程度の荷重になるとほとんど変位しなくなる。したがって、駆動体のわずかな特性の変化により、ダイヤフラムの感圧部に非常に大きな荷重がかかる場合があり、ダイヤフラムの破損を招くことがあった。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、荷重を精度よく検出することができると共に、過大荷重や衝撃荷重に対して破損しにくい荷重センサを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る荷重センサは、中心部に薄肉状の感圧部を形成し、該感圧部に歪み素子が取り付けられた板状の圧力検出手段を備え、
上記感圧部には荷重を加える操作体によって押圧される駆動体を戴置した荷重センサにおいて、
上記駆動体と操作体を連結するための、荷重に対する変位量が線形性を有する弾性体を設け、
上記圧力検出手段には感圧部の外周に厚肉部を形成し、該厚肉部により上記圧力検出手段を支持し、
上記駆動体は上記感圧部に当接する鍔部を有し、該鍔部に係合するように上記弾性体が配置され、該弾性体を介して上記操作体が上記駆動体に連結され、
上記操作体は、上記駆動体が略納まるように空洞が内部に形成され、上記弾性体を介して上記駆動体を上記感圧部に押圧すると共に、所定の荷重において下面が上記圧力検出手段の厚肉部に当接することを特徴として構成されている。
【０００８】
本発明によれば、操作体と駆動体は荷重に対する変位量が線形性を有する弾性体を介して連結され、操作体は弾性体を介して駆動体を感圧部に押圧しているので、安定的に荷重を検出することができると共に、機械的ストッパの作動する荷重を環境条件等によらず略一定とすることができる。
【００１１】
さらに、本発明に係る荷重センサは、上記操作体と上記厚肉部の間には上記弾性体が荷重に対して線形に変位する限界変位量より小さな隙間を設けていることを特徴として構成されている。
【００１２】
本発明によれば、操作体と圧力検出手段の隙間を弾性体の限界変位量より小さくしているので、弾性体が線形に変位する領域のみ用いることにより、常に一定の荷重で駆動体を圧力検出手段に当接させることができる。
【００１３】
さらにまた、本発明に係る荷重センサは、上記操作体は上記駆動体を押圧する段部を有し、上記弾性体は皿バネによって構成されて上記鍔部と段部にそれぞれ係合し、上記駆動体と操作体を連結することを特徴として構成されている。
【００１４】
本発明によれば、弾性体を皿バネにて構成しているので、弾性体の変位する方向の長さを短くしても、弾性体を線形に変位させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図に沿って詳細に説明する。図１は、本実施形態における荷重センサの縦断面図を示している。また、図２は、本実施形態における荷重センサに用いられる圧力検出手段たるダイヤフラム４の平面図を示している。本実施形態における荷重センサは、円盤形状からなるダイヤフラム４の中心部を薄肉状として感圧部４ａを形成し、この感圧部４ａには歪センサ７を４つ設け、感圧部４ａの上面には駆動体２を戴置すると共に、駆動体２は弾性体３を介して操作体１に連結されているものである。
【００１６】
ダイヤフラム４は、図１及び図２に示すように、円盤形状に形成され、中心部を薄肉状にして撓みやすくされる。中心部の薄肉状の部分には、その中心付近に２つ歪センサ７、７を設け、周縁部に近い場所にも中心付近の歪センサ７、７を挟んで略対称な位置に、それぞれ１つずつ歪センサ７、７を設けて、感圧部４ａを構成する。
【００１７】
感圧部４ａは、上方から荷重をかけられると、中心付近には圧縮方向の歪みが生じ、周縁部付近には引っ張り方向の歪みが生じる。各歪センサ７、７は、図示しないブリッジ回路に接続されて、荷重を検出する。ブリッジ回路は、従来のものと同様である。ダイヤフラム４の周縁部は厚肉状とされ、厚肉部４ｂを構成する。厚肉部４ｂは、図１に示すように、その底面及び側面をケース体５に当接され、ダイヤフラム４を支えている。
【００１８】
ダイヤフラム４の感圧部４ａには駆動体２が戴置される。駆動体２は、金属材料によって形成され、感圧部４ａに当接する部分を幅広に形成した鍔部２ａを有した二段の円筒形状からなる。鍔部２ａの底面は、ダイヤフラム４の感圧部４ａに当接、押圧するために、鍔部２ａはその直径を感圧部４ａの直径よりも小さく形成される。
【００１９】
駆動体２は、操作体１によって押圧される。操作体１は、樹脂材料によって形成され、駆動体２に比べて幅広とされると共に、駆動体２を内部に略納めることができるように空洞を形成されている。操作体１の内部の空洞は、駆動体２の鍔部２ａに合わせて、二段の円筒形状からなり、段部１ｂを形成されている。また、操作体１の上面は、略球面状に形成されており、荷重を加えられた場合にその荷重が均一に駆動体２に伝わるようにされている。
【００２０】
操作体１と駆動体２は、弾性体３によって連結される。弾性体３には、略円形の板状からなるリング形状を有すると共に、内周から外周に向かって傾斜状に形成された部材を互いに対向するように重ねた皿バネを用いる。皿バネは、変位する方向の高さを比較的低く抑えることができ、その場合でも荷重の低い領域からストロークが略線形に変位するため、操作体１と駆動体２の間隔をそれほど大きくする必要がなく、したがって荷重センサの薄型化を図ることができる。
【００２１】
弾性体３は、操作体１の段部１ｂと、駆動体２の鍔部２ａにそれぞれ係合し、駆動体２の鍔部２ａより上部の、幅狭に形成された部分を取囲むように設けられる。また、弾性体３と操作体１の段部１ｂとの間にはワッシャ６を設けている。操作体１は樹脂材料から形成されているために、皿バネから局所的に荷重を受けた場合には、へこみ等を生じる可能性があるため、ワッシャ６を設けることで段部１ｂにおける荷重を分散させてへこみ等を生じないようにしている。
【００２２】
操作体１の底面は、略平面状に形成されて当接面１ａを構成し、荷重をかけられていない状態において、ダイヤフラム４との間に隙間を有している。操作体１に荷重を加えると、所定の荷重までは弾性体３を介して駆動体２を押圧し、所定の荷重に達すると当接面１ａはダイヤフラム４の厚肉部４ｂに当接、押圧することで、駆動体２にはそれ以上の荷重はかからないので、ダイヤフラム４の感圧部４ａの過大荷重や衝撃荷重による破損を防ぐことができる。
【００２３】
操作体１の当接面１ａを所定の荷重でダイヤフラム４に当接させるためには、弾性体３の荷重に対するストロークの関係から、当接面１ａとダイヤフラム４の隙間の間隔を決めることで可能となる。図４には弾性体３の荷重に対するストロークの関係を示す。皿バネのストロークは、荷重に対して略比例しているので、当接面１ａとダイヤフラム４を当接させる設定荷重に対して設ける隙間の間隔を容易に求めることができる。
【００２４】
ただし、荷重とストロークの関係はある一定の荷重を超えると比例関係とはならなくなる。この荷重を限界荷重といい、この限界荷重における皿バネのストロークを限界変位量という。したがって、当接面１ａとダイヤフラム４を当接させる設定荷重は、皿バネの限界荷重より小さな値とする。すなわち隙間の設定値は限界変位量よりも小さくする必要がある。
【００２５】
図４には、皿バネの荷重に対するストロークと共に、ゴムを用いた場合の荷重に対するストロークを示している。この図のようにゴムを用いると荷重の小さい領域で荷重に対してストロークが大きく変化する。また、ゴムは環境温度によってその硬度が変化するために、そのわずかな違いによって設定荷重に誤差が生じて、操作体１の動作が不安定となる。皿バネを用いると、荷重に対するストロークは限界荷重に達するまでは略比例関係にあり、また環境温度に対する特性の変化も少ないために、安定して荷重を検出でき、また一定の荷重で操作体１の当接面１ａをダイヤフラム４に当接させることができる。
【００２６】
図３には、本実施形態における荷重センサの組立図を示す。荷重センサを構成するダイヤフラム４、駆動体２、操作体１、及び弾性体３は、ケース体５の中に納められている。ケース体５は、固定板５ｂとカバー５ａからなり、固定板５ｂにはダイヤフラム４が取付けられる。ダイヤフラム４の厚肉部４ｂの底面は、固定板５ｂに戴置され、操作体１からの荷重を支えている。ダイヤフラム４の感圧部４ａには歪センサ７、７が設けられ、感圧部４ａの上面には駆動体２が戴置される。そして、その鍔部２ａには皿バネからなる弾性体３を係合し、弾性体３の上端にはワッシャ６を設ける。
【００２７】
さらに、駆動体２及び弾性体３を略覆うように操作体１を配置し、その段部１ｂをワッシャ６に当接させる。この段階で、操作体１の底面である当接面１ａとダイヤフラム４との隙間は、上述のような所定の荷重を加えられた場合に当接面１ａがダイヤフラム４に当接する間隔となる。ダイヤフラム４及び操作体１の周囲はカバー５ａによって取囲まれ、このカバー５ａは固定板５ｂに固定される。カバー５ａを固定板５ｂに固定した状態において、操作体１はその上面がカバー５ａの上面から突出するように背高状に形成され、外部からの荷重を受ける構造とされている。
【００２８】
以上の構成から、本実施形態における荷重センサは、以下のように動作する。操作体１に外部から荷重を加えられた場合、操作体１は弾性体３を介して駆動体２を押圧し、駆動体２はダイヤフラム４の感圧部４ａを押圧する。ダイヤフラム４の感圧部４ａに設けられた歪センサ７を含む図示しないブリッジ回路は、感圧部４ａの撓みに応じた信号を出力して、荷重を検出する。
【００２９】
外部からの荷重が大きくなると、弾性体３は圧縮され縮んでいき、操作体１は下方に押下げられる。やがて、荷重がある一定の値に達すると、操作体１の底面である当接面１ａは、ダイヤフラム４の厚肉部４ｂに当接し、さらに荷重を増すと厚肉部４ｂを押圧する。当接面１ａが厚肉部４ｂに当接すると、弾性体３はそれ以上縮むことはなく、駆動体２にそれ以上の荷重はかからなくなる。したがって、感圧部４ａにかかる荷重もそれ以上大きくなることはなく、ダイヤフラム４を過大荷重や衝撃荷重から保護することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、操作体と駆動体は弾性体を介して連結されており、弾性体は荷重に対してストロークが略比例するので、荷重を安定的に検出することができ、また周辺環境によらず略一定荷重で操作体を圧力検出手段に当接させることができ、過大荷重や衝撃荷重から圧力検出手段の破損を防ぐことができる。さらに、操作体は弾性体を介して駆動体を圧力検出手段に押圧しているので、圧力検出手段に対して均一に荷重をかけることができ、荷重の検出を正確に行うことができる。
【００３１】
また、本発明によれば、操作体からの過大荷重や衝撃荷重を厚肉部で受けることができるので、より強い過大荷重や衝撃荷重に耐える荷重センサとすることができる。
【００３２】
さらに、本発明によれば、操作体と圧力検出手段の隙間を弾性体の限界変位量より小さくしているので、弾性体が線形に変位する領域のみ用いることにより、常に一定の荷重で駆動体を圧力検出手段に当接させることができ、安定した動作を行わせることができる。
【００３３】
さらにまた、本発明によれば、弾性体を皿バネにて構成しているので、弾性体の変位する方向の長さを短くしても、弾性体を線形に変位させることができ、荷重センサを薄型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における荷重センサの縦断面図である。
【図２】本実施形態における荷重センサに用いられるダイヤフラムの平面図である。
【図３】本実施形態における荷重センサの組立図である。
【図４】ゴム及び皿バネの荷重に対するストロークを模式的に示した図である。
【図５】従来の荷重センサの縦断面図である。
【符号の説明】
１ 操作体
１ａ 当接面
１ｂ 段部
２ 駆動体
２ａ 鍔部
３ 弾性体
４ ダイヤフラム
４ａ 感圧部
４ｂ 厚肉部
５ ケース体
５ａ カバー
５ｂ 固定板
６ ワッシャ
７ 歪センサ

Claims (3)

1. 中心部に薄肉状の感圧部を形成し、該感圧部に歪み素子が取り付けられた板状の圧力検出手段を備え、
   上記感圧部には荷重を加える操作体によって押圧される駆動体を戴置した荷重センサにおいて、
   上記駆動体と操作体を連結するための、荷重に対する変位量が線形性を有する弾性体を設け、
   上記圧力検出手段には上記感圧部の外周に厚肉部を形成し、該厚肉部により上記圧力検出手段を支持し、
   上記駆動体は上記感圧部に当接する鍔部を有し、該鍔部に係合するように上記弾性体が配置され、該弾性体を介して上記操作体が上記駆動体に連結され、
   上記操作体は、上記駆動体が略納まるように空洞が内部に形成され、上記弾性体を介して上記駆動体を上記感圧部に押圧すると共に、所定の荷重において下面が上記圧力検出手段の厚肉部に当接することを特徴とする荷重センサ。
2. 上記操作体と上記厚肉部の間には上記弾性体が荷重に対して線形に変位する限界変位量より小さな隙間を設けていることを特徴とする請求項１記載の荷重センサ。
3. 上記操作体は上記駆動体を押圧する段部を有し、上記弾性体は皿バネによって構成されて上記鍔部と段部にそれぞれ係合し、上記駆動体と操作体を連結することを特徴とする請求項１または２記載の荷重センサ。

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