JP4779333B2 - 歪検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、特に荷重を付加することによって発生する歪を検出する歪検出装置に関するものである。
従来、この種の歪検出装置は、図１２、図１３、図１４に示されるような構成を有していた。
図１２は従来の歪検出装置の下面図、図１３は同歪検出装置の斜視図、図１４は同歪検出装置の取付け状態を示す断面図である。
図１２、図１３において、１は弾性部材の表面に絶縁層を形成した絶縁基板で、この絶縁基板１は押圧部材２の下面に固着されている。また、前記絶縁基板１の下面には４つの歪抵抗素子３を設けており、この歪抵抗素子３をそれぞれ一対の電源電極４、一対の出力電極５および一対のＧＮＤ電極６と電気的に接続することにより、ブリッジ回路を構成している。
以上のように構成された従来の歪検出装置について、次にその動作を説明する。
図１４に示すように、従来の歪検出装置を相手側の固定部材７にネジ８を使用して固定した後、絶縁基板１の略中央の上面に押圧部材２により押圧力が付加されると、この押圧力により前記絶縁基板１に曲げモーメントが発生し、この曲げモーメントにより前記絶縁基板１の下面に設けた４つの歪抵抗素子３にも曲げモーメントが発生する。そして、この歪抵抗素子３に曲げモーメントが生じると歪抵抗素子３の抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化を一対の出力電極５により外部のコンピュータ（図示せず）等に出力し、絶縁基板１に加わる押圧力を測定するものである。
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平８−８７３７５号公報
しかしながら、上記従来の構成においては、絶縁基板１を相手側の固定部材７にネジ８で締め付け固定しているため、衝撃印加時に固定位置がズレを起こし梁として構成される固定長さが変化し、歪検出装置の特性（感度および０点電圧など）を悪化させるという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、固定位置のズレを起こさず特性の安定した歪検出装置を提供することを目的とするものである。
前記従来の課題を解決するために、本発明の歪検出装置は、固定エリアを有する基板と、前記固定エリアの中心と各々の軸芯が一致するように、前記基板の第一面、第二面に固定された第一の固定部材および第二の固定部材と、前記第一の固定部材の軸芯から放射方向に配置され、前記基板の前記固定エリアの外側に位置する複数の歪抵抗素子を有するブリッジ回路と、前記歪抵抗素子と電気的に接続されて前記基板上に設けられた回路部と、を備え、前記第二の固定部材の固定面は、前記固定エリアの外側の領域で前記基板の第二面に固定されており、前記第一の固定部材と前記第二の固定部材が前記基板に溶接または溶着で固定されており、前記第二の固定部材が固定されている前記基板の一部を円弧状とし、前記第二の固定部材の外形形状と一致させた構成としたものである。
本構成によって、第一の固定部材と第二の固定部材が基板上で梁を形成しており、この第一の固定部材と第二の固定部材が一体的に固定されることによって衝撃印加時に固定位置のズレを起こさないため、梁として構成される固定長さが変化しない。これにより歪検出装置の特性（感度および０点電圧など）が変動を起こさない効果を有するものである。
梁を形成している第一の固定部材と第二の固定部材が基板に溶着などにより一体的に固定されていることによって、衝撃印加時に固定部の位置ズレを起こすことがないため、梁として構成される固定長さが変化することはない。これにより歪検出装置の特性（感度および０点電圧など）は変動を起こさず安定した特性を維持できるという効果を有するものである。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１および２に記載の歪検出装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態１における歪検出装置の組立て斜視図、図２は同歪検出装置の分解斜視図、図３は同歪検出装置における基板の作成プロセス図である。
図１、図２において、基板１１の片面には第一の固定部材２１が固定され、他面にはその軸芯を同じとする位置に第二の固定部材３１が固定されている。基板１１の端部には回路部を覆い、信号を取り出すためのコネクタ４１が設けられている。図３の（ａ）から（ｅ）に順に示すように、基板１１はステンレスからなり、その一方の面に絶縁層１１ａを形成し、その上に配線電極１１ｂと歪抵抗素子１１ｃを設け、更にその上から保護膜１１ｄを積層形成したものである。図２に示すように、第一の固定部材２１は基板１１と熱膨張係数を概ね一致させたステンレスからなり、円柱部２１ａとこの円柱部２１ａと軸芯をほぼ同じくするネジ部２１ｂを備えている。第二の固定部材３１は基板１１と熱膨張係数を概ね一致させたステンレスからなり、リング形状の凸部３１ａとこのリング形状の凸部３１ａと軸芯をほぼ同じくするネジ部３１ｂを備えている。コネクタ４１は、例えばガラスフィラを含有したＰＢＴ樹脂により成形されたものであり、少なくとも３本の端子４１ａと取付け穴４１ｂと枠体４１ｃを有している。
以上の構成部品からなる歪検出装置の組立て方法について述べる。
まず、図３（ｂ）に示すように基板１１の一方の面に絶縁層１１ａを印刷した後、焼成する。次に（ｃ）のごとく、この絶縁層１１ａの上に配線電極１１ｂを印刷した後、焼成し、さらに（ｄ）のごとく、歪抵抗素子１１ｃを配線電極１１ｂにおいてブリッジ構成となるように印刷した後、焼成する。また（ｅ）のごとく、これら印刷焼成された層を水分などに対する保護のために、ＩＣなどの回路部品の実装に供するランド部および接続電極１１ｉ以外を覆うように保護膜１１ｄを印刷した後、焼成する。次に、図２に示すように、基板１１の固定に供するエリア１１ｅの中心と第一の固定部材２１の軸芯がほぼ一致するように、例えばレーザ溶接により固定に供するエリア１１ｅと第一の固定部材２１の円柱部２１ａとで形成される隅肉部にて一体的に固定する。同様に、第二の固定部材３１も基板１１の固定に供するエリア１１ｇに、第一の固定部材２１の軸芯と第二の固定部材３１の軸芯が一致するように配置し、例えばレーザ溶接によりリング形状の凸部３１ａと固定に供するエリア１１ｇとをレーザ溶接により一体的に固定する。このようにして固定された第一の固定部材２１の円柱部２１ａの外周と第二の固定部材３１のリング形状の凸部３１ａとによって基板１１上で梁を構成する。コネクタ４１はネジ５１によりコネクタ４１の取付け穴４１ｂを通して基板１１の穴部１１ｈに固定され、さらに基板１１上の接続電極１１ｉがコネクタ４１の端子４１ａと半田などにより金属結合される。さらにコネクタ４１の枠体４１ｃの内部は、回路部の保護のため例えばシリコン樹脂のようなもので覆うのが良い。
なお、第一の固定部材２１と第二の固定部材３１の固定方法はレーザ溶接以外の溶接および接着などの方法を用いてもよい。また、第一の固定部材２１と第二の固定部材３１が基板１１に対して上下逆の構成にしてもよい。ただし、この場合第二の固定部材３１には図４に示すように基板１１に設けた配線電極１１ｂや保護膜１１ｄとの干渉を避けるために、切り欠き部３１ｃが必要となる。
また、基板１１と第一の固定部材２１と第二の固定部材３１の熱膨張係数は概ね一致させることが望ましい。また、回路部には歪抵抗素子１１ｃの抵抗値の変動を補正するＩＣを設けても良い。
以上のように構成、組立てられた本発明の実施の形態１における歪抵抗装置について、その動作を説明する。
まず、第二の固定部材３１が図示しない相手側の取付け部材に取付けられる。次に第一の固定部材２１が被測定物からの荷重を受けると、第一の固定部材２１の円柱部２１ａの底面の外周と第二の固定部材３１のリング形状の凸部３１ａの内周によって基板１１上で構成された梁が撓む。この撓みによる歪によって歪抵抗素子１１ｃの抵抗値が変化する。この歪抵抗素子１１ｃは配線電極１１ｂにおいてブリッジ構成となっているため歪に応じて出力が変化する。このようにして被測定物からの荷重が出力の変化として得られる。得られた出力変化は図示しない処理回路により演算処理され荷重として変換されるものである。
以上のように本発明の実施の形態１によれば第一の固定部材２１および第二の固定部材３１が基板１１に対して一体的に固定されていることによって、衝撃印加時に固定位置のズレを起こさないため、梁として構成される固定長さが変化しない。これにより歪検出装置の特性（感度および０点電圧など）の変動を起こさず安定した特性を維持できるという効果を有するものである。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項３および４に記載の歪検出装置について、図５を参照しながら本発明の実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。
基板１１の固定に供するエリア１１ｅの中央に穴部１１ｊを設ける。また、第一の固定部材２１の円柱部２１ａの底部にネジ部２１ｃを設ける。さらに締付け部材６１を加えた構成とする。この構成における組立てについて本発明の実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。穴部１１ｊにネジ部２１ｃを挿通し、この挿通されたネジ部２１ｃを基板１１に対して締付け部材６１により締付け固定する。その後、第一の固定部材２１の円柱部２１ａの底面が第一の固定部材２１の軸芯とほぼ一致するように、例えばレーザ溶接により固定に供するエリア１１ｅと第一の固定部材２１の円柱部２１ａとで形成される隅肉部にて一体的に固定される。
この構成によって第一の固定部材２１への強度的負担を軽減することによって、衝撃印加時における固定位置の破壊限界値を高める効果を有するものである。なお、締付け部材６１による締付け固定は、溶接後に行っても同じ効果がある。さらに、締付け部材６１も基板１１に対して例えばレーザ溶接により一体的に固定することで締付け部材６１の緩みを防止し、破壊限界値を高める効果がある。
また、図６に示すように第一の固定部材２１と締付け部材６１が上下逆に配置する構成も可能となる。第一の固定部材２１にはつば部２１ｄとネジ部２１ｅが設けられている。第一の固定部材２１を基板１１の穴部１１ｊを挿通した後、第一の固定部材２１のつば部２１ｄと基板１１の固定に供するエリア１１ｇを例えばレーザ溶接により固定する。基板１１の穴部１１ｊに挿通されたネジ部２１ｅを基板１１に対して締付け部材６１により締付け固定する。このような構成とすることにより、上記と同様に衝撃印加時における固定位置の破壊限界値を高める効果を有するものである。
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項５に記載の歪検出装置について、図７、図８を参照しながら本発明の実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。
第二の固定部材３１に案内部３１ｄが設けられている。図８に示すように、この案内部３１ｄに基板１１を挿入し、第二の固定部材３１と基板１１を例えばレーザ溶接により一体的に固定する。この構成によって仮に第二の固定部材３１と基板１１の溶着部が破断しても、機械的に保持される効果を有するものである。
（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４を用いて、本発明の特に請求項６に記載の歪検出装置について、図９、図１０を参照しながら本発明の実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。
基板１１に挿通穴１１ｋを設け、第二の固定部材３１のリング形状の凸部３１ａには鉤型部３１ｅを設ける。この挿通穴１１ｋに鉤型部３１ｅを挿入し回転させることにより、図１０に示すように第二の固定部材３１を基板１１に懸架するようにした後、例えばレーザ溶接により一体的に固定する。この構成によって仮に第二の固定部材３１と基板１１の溶着部が破断しても、機械的に保持される効果を有するものである。
（実施の形態５）
以下、本発明の実施の形態５を用いて、本発明の特に請求項７に記載の歪検出装置について、図１１を参照しながら本発明の実施の形態１と異なる点についてのみ説明する。基板１１の一部を第二の固定部材３１と同一の外形形状１１Ｌとする。この構成にすることにより、例えばレーザ溶接の際には両者が突合せ形状となり、溶着時に効率良く溶着深さを得ることができるもので、第二の固定部材３１と基板１１との溶着強度を上げることができ衝撃印加時に固定位置の破壊限界値を高める効果を有するものである。
本発明の歪検出装置は、組立て時に構成された梁の長さが変化しないので特性が安定しており、出力信号の精度を必要とする歪検出装置等の用途への適用に有用である。
本発明の実施の形態１における歪検出装置の組立て斜視図 同歪検出装置の分解斜視図 （ａ）〜（ｅ）同歪検出装置における基板の作成プロセスを示す斜視図 第二の固定部材のもう一つの実施例の斜視図 本発明の実施の形態２における歪検出装置の分解斜視図 同歪検出装置の締付け部材と第一の固定部材を上下反転した構成の分解斜視図 本発明の実施の形態３における歪検出装置の分解斜視図 本発明の実施の形態３における基板と第二の固定部材の配置を示す斜視図 本発明の実施の形態４における歪検出装置の分解斜視図 本発明の実施の形態４における基板と第二の固定部材の配置を示す斜視図 本発明の実施の形態５における歪検出装置の分解斜視図 従来の歪検出装置の下面図 従来の歪検出装置の斜視図 従来の歪検出装置の取付け状態を示す断面図
符号の説明
１１ 基板
１１ａ 絶縁層
１１ｂ 配線電極
１１ｃ 歪抵抗素子
１１ｄ 保護膜
１１ｅ 固定に供するエリア
１１ｆ 固定に供するエリア
１１ｇ 固定に供するエリア
１１ｈ 穴部
１１ｉ 接続電極
１１ｊ 穴部
１１ｋ 挿通穴
１１Ｌ 外形形状
２１ 第一の固定部材
２１ａ 円柱部
２１ｂ ネジ部
２１ｃ ネジ部
２１ｄ つば部
２１ｅ ネジ部
３１ 第二の固定部材
３１ａ 凸部
３１ｂ ネジ部
３１ｃ 切り欠き部
３１ｄ 案内部
３１ｅ 鉤型部
４１ コネクタ
４１ａ 端子
４１ｂ 取付け穴
４１ｃ 枠体
５１ ネジ
６１ 締付け部材

Claims (1)

  1. 固定エリアを有する基板と、
    前記固定エリアの中心と各々の軸芯が一致するように、前記基板の第一面、第二面に固定された第一の固定部材および第二の固定部材と、
    前記第一の固定部材の軸芯から放射方向に配置され、前記基板の前記固定エリアの外側に位置する複数の歪抵抗素子を有するブリッジ回路と、
    前記歪抵抗素子と電気的に接続されて前記基板上に設けられた回路部と、を備え、
    前記第二の固定部材の固定面は、前記固定エリアの外側の領域で前記基板の第二面に固定されており、
    前記第一の固定部材と前記第二の固定部材が前記基板に溶接または溶着で固定されており、
    前記第二の固定部材が固定されている前記基板の一部を円弧状とし、前記第二の固定部材の外形形状と一致させた歪検出装置。
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