JP5885249B2

JP5885249B2 - 軸力センサ

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Publication number: JP5885249B2
Application number: JP2012112293A
Authority: JP
Inventors: 市毛　達男; 達男市毛; 正昭坂野; 智之石森
Original assignee: A&D Co Ltd
Current assignee: A&D Co Ltd
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: US20150128725A1; JP2013238511A; CN104204752B; WO2013172191A1; US9417142B2; CN104204752A

Description

本発明は軸力センサに係り、特にボルトの締付管理やサスペンション軸力測定装置などで使用される軸力センサに関する。

ボルトやネジ等の締付管理は一般に、締付け時のトルクを管理することによって行われている。しかし、これらのゆるみを防止するためには、締付けトルクよりも締付け軸力を直接計測して管理することが望まれており、そのために軸力センサが必要になる。

軸力センサの別の用途として、サスペンションの試験装置や電動式ディスクブレーキなどがある。たとえば特許文献１には電動式ディスクブレーキに使用される軸力センサが記載されている。この軸力センサは、一対の押圧板と、一対の押圧板に挟持された複数の水晶圧電素子とで構成され、一対の押圧板に圧縮力が加わった際、その軸力を水晶圧電素子によって検出することができる。

また、特許文献２には、サスペンション軸力測定装置が記載されている。この軸力測定装置は、サスペンションの上部に軸力測定部が設けられ、この軸力測定部を介してサスペンションが架台に支持される。軸力測定部としては６分力計が用いられ、サスペンションの軸力を６分力として計測できるようになっている。

特開２０１１−８０５８６特開２０１０−１９７２７６

ところで、軸力センサを大別すると、圧電素子を用いるもの、歪ゲージを用いるもの、超音波を利用するものに分けられる。圧電素子を用いるものや超音波を利用するものは、コストが非常に高くなるという問題がある。一方、歪ゲージを用いるものは安価で済むものの、厚みが嵩張るという問題がある。具体的に説明すると、歪ゲージを用いた従来の軸力センサは、その構成上、変形する部分に歪ゲージを取り付ける必要があり、歪ゲージは測定方向と平行に配置されていた。このため、軸力センサは少なくとも歪ゲージの大きさの分だけ、厚みが大きくなり、大型化するという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであり、安価且つ小型で高精度の軸力センサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、平行に配置された一対の押圧板と歪ゲージを備え、前記歪ゲージを前記一対の押圧板で挟んで構成されることを特徴とする軸力センサを提供する。

本発明の軸力センサは、一対の押圧板の間に歪ゲージを備えたサンドイッチ構造であり、非常に薄型である。この軸力センサによれば、一対の押圧板が両側から押圧された際、歪ゲージが押圧されて変形するので、受感部の抵抗値の変化を検出することによって、押圧力を検出することができる。なお、歪ゲージを用いた従来の軸力センサは、歪ゲージを測定方向と平行に配置しているのに対して、本発明の軸力センサは、歪ゲージを押圧板と平行に（すなわち測定方向と直交する方向に）配置しており、非常に薄型化することができる。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記歪ゲージは抵抗体から成る複数の受感部を備え、前記複数の受感部の少なくとも一つに前記一対の押圧板からの押圧力を伝達し、残りの前記受感部に対して前記押圧力を遮断する伝達・遮断機構を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、一対の押圧板が押圧された際、受感部の一部には押圧力が伝達され、残りの受感部には押圧力が伝達されない。押圧力が伝達される受感部では、押圧力を含めた様々な力（たとえば曲げ応力等を含めた力）が検出され、押圧力が伝達されない受感部では押圧力以外の力が検出される。したがって、２種類の受感部における検出値の差を利用することによって、押圧力のみを求めることができる。なお、歪ゲージを一対の押圧板で挟んだサンドイッチ構造の軸力センサは、押圧力以外の力の影響を受けやすく、押圧力の測定精度が低下しやすいという欠点があるが、本発明によれば、押圧力以外の力をキャンセルできるので、押圧力を高精度で測定することができる。

請求項３に記載の発明は請求項２において、前記伝達・遮断機構は、開口部を有する板状のスペーサであり、前記歪ゲージとともに前記一対の押圧板の間に配置され、前記歪ゲージの受感部は、前記スペーサが当接する位置と前記開口部の位置にそれぞれ配置されることを特徴とする。

本発明によれば、スペーサが当接する位置の受感部に押圧力が伝達され、開口部の位置の受感部に対して押圧力が遮断される。したがって、２種類の受感部における検出値の差から押圧力を検出することができる。また、本発明によれば、板状のスペーサを歪ゲージとともに一対の押圧板の間に挟んだサンドイッチ構造であり、非常に薄型である。

請求項４に記載の発明は、前記スペーサは、リング状に形成されるとともに、前記開口部が周方向に一定の角度間隔で配置され、前記歪ゲージは、前記受感部が前記開口部の位置と前記開口部同士の間に一定の角度間隔で配置されることを特徴とする。

本発明によれば、押圧力が伝達される受感部と押圧力が遮断される受感部とが一定の角度間隔で交互に配置されている。したがって、軸力以外の力を確実にキャンセルすることができ、中心位置での軸力を精度良く測定することができる。

請求項５に記載の発明は請求項１〜４のいずれか１において、前記押圧力が伝達される受感部同士、前記押圧力が遮断される受感部同士を対辺に配置したホイートストンブリッジ回路が組まれることを特徴とする。本発明によれば、軸力以外の力がキャンセルされ、軸力のみを検出することができる。

本発明の軸力センサによれば、一対の押圧板の間に歪ゲージを備えたサンドイッチ構造であり、一対の押圧板が両側から押圧された際、歪ゲージが押圧されて変形するので、受感部の抵抗値の変化を検出することによって、押圧力を検出することができる。

本実施の形態の軸力センサを示す斜視図図１の軸力センサの構成を示す分解斜視図図１の歪ゲージの配置を示す図図１の歪ゲージの回路図

以下、添付図面に従って本発明に係る軸力センサの好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明が適用された軸力センサ１０を示す斜視図であり、図２は軸力センサ１０の内部構成を示す分解斜視図である。図３は歪ゲージ１４の平面図であり、スペーサ１６の開口部１６Ａ〜１６Ｄと押圧部１６Ｅ〜１６Ｈの位置を二点鎖線で示している。

これらの図に示すように軸力センサ１０は、一対の押圧板１２と、歪ゲージ１４と、スペーサ１６とで構成されており、歪ゲージ１４とスペーサ１６を一対の押圧板１２で挟んだサンドイッチ構造になっている。

押圧板１２は、ステンレス等の金属板によってリング状に形成されている。押圧板１２の大きさは、被測定対象に応じて設定すればよく、たとえばボルト等の締結管理に使用する場合、押圧板の内径はボルトの軸部分を挿通できるような大きさに設定される。

スペーサ１６は、ステンレス等の金属板によってリング状に形成されている。スペーサ１６の材質は特に限定するものではないが、スペーサ１６で余計な歪みや応力の発生を防止するため、押圧板１２と同じ材質のものを用いることが好ましい。同様に、スペーサ１６の大きさ（内径、外径、厚み）は、特に限定するものではないが、スペーサ１６で余計な歪みや応力の発生を防止するため、押圧板１２と同様に設計することが好ましい。これにより、スペーサ１６が押圧板１２と略同じ特性になるので、余計な歪みや応力の発生を抑制することができる。なお、本実施の形態では押圧板１２とスペーサ１６を別体としたが、これに限定するものではなく、スペーサ１６を設ける代わりに押圧板１２の裏面に凹凸を形成してもよい。また、本実施の形態では一枚のスペーサ１６を歪ゲージ１４の片側に設けたが、二枚のスペーサ１６を歪ゲージ１４の両側に設けてもよい。

スペーサ１６には、４つの開口部１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄが表裏面に貫通するように形成されている。４つの開口部１６Ａ〜１６Ｄは、等間隔（９０度間隔）で配置されており、その大きさ（角度）は、全周を約１/８に分けた角度（約４５度）で形成されている。したがって、開口部１６Ａ〜１６Ｄ同士の間には、スペーサ１６の金属板の部分（以下、押圧部という）１６Ｅ、１６Ｆ、１６Ｇ、１６Ｈが配置される。これにより、スペーサ１６は、その周方向において、開口部１６Ａ〜１６Ｄと、押圧部１６Ｅ〜１６Ｈが等角度間隔で交互に配置される。

歪ゲージ１４は、リング状に形成されたベース２０を備え、このベース２０の上に、グリッドと呼ばれる８つの受感部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅ、２２Ｆ、２２Ｇ、２２Ｈが設けられている。ベース２０は、ポリイミド樹脂などの絶縁材料から成り、受感部２２Ａ〜２２Ｈは、そのベース２０の上に接着された厚さ数ミクロンの金属箔によって構成される。受感部２２Ａ〜２２Ｈは、円周方向に配置された多数の線状部分（ゲージグリッド）が折り返しタブによって別の線状部分に繋がることによりパターン化されており、外周側に配置された２個の接続用タブに接続されている。この接続用タブにリード線を接続することによって、後述の如くブリッジ回路が形成される。なお、各受感部２２Ａ〜２２Ｈを接続するようなパターンをベース２０上に金属箔で形成してもよい。また、ベース２０や受感部２２の材質は特に限定するものではなく、たとえばポリビニル樹脂やポリフェノール樹脂のベース２０を用いてもよい。さらに受感部２２Ａ〜２２Ｈのパターン形状は上記のものに限定されず、様々な形状のものを適宜選択することができる。たとえば多数の線状部分が径方向に配置され、これを内周側または外周側の折り返しタブで交互に接続したパターンや、線状部分が渦巻き状に形成されたパターンなど様々なもののなかから適宜選択することができる。

図３に示すように、受感部２２Ａ〜２２Ｈは、円周方向に一定の角度間隔（すなわち４５度の間隔）で配置されている。また、受感部２２Ａ〜２２Ｈは、歪ゲージ１４とスペーサ１６を重ねた際、開口部１６Ａ〜１６Ｄまたは押圧部１６Ｅ〜１６Ｈに重なる位置に配置されている。具体的には、受感部２２Ａ〜２２Ｄがそれぞれ開口部１６Ａ〜１６Ｄと重なる位置に配置され、受感部２２Ｅ〜２２Ｈが押圧部１６Ｅ〜１６Ｈの位置に配置される。このように配置された場合、受感部２２Ａ〜２２Ｄでは、押圧板１２との間に空間（開口部１６Ａ〜１６Ｄ）が配置されるので、押圧板１２からの押圧力は開口部１６Ａ〜１６Ｄで遮断され、受感部２２Ａ〜２２Ｄに伝わらない。一方、受感部２２Ｅ〜２２Ｈでは、押圧板１２との間にスペーサ１６の押圧部１６Ｅ〜１６Ｈが配置されるので、押圧板１２からの押圧力は受感部２２Ｅ〜２２Ｈに伝達される。

図４は歪ゲージ１４の回路図を簡略的に示したものである。同図に示すように、受感部２２Ａ〜２２Ｈはフルブリッジ回路を成すように接続されている。具体的には、開口部１６Ａ〜１６Ｄに配置された受感部２２Ａ〜２２Ｄ同士が対辺に配置され、押圧部１６Ｅ〜１６Ｈに配置された受感部２２Ｅ〜２２Ｈ同士が対辺に配置されるように接続されている。

次に上記の如く構成された軸力センサ１０の作用についてボルトの締付管理を行う例で説明する。

まず、軸力センサ１０にボルト（不図示）の軸部を挿通させる。そして、ボルトを締結し、軸力センサ１０で計測を行う。ボルトを締結することによって、一対の押圧板１２は挟圧方向に力を受ける。この押圧力はスペーサ１６の押圧部１６Ｅ〜１６Ｈを介して歪ゲージ１４の受感部２２Ｅ〜２２Ｈに伝達される。したがって、受感部２２Ｅ〜２２Ｈは押圧力に応じて抵抗値が変化する。一方、開口部１６Ａ〜１６Ｄに配置された受感部２２Ａ〜２２Ｄでは、押圧力が開口部１６Ａ〜１６Ｄで遮断されるので、押圧力は伝達されない。したがって、受感部２２Ａ〜２２Ｄは押圧力によって抵抗値が変化しない。

ところで、受感部２２Ａ〜２２Ｈでは、押圧力以外の力、たとえば曲げ応力なども受けており、これによっても抵抗値が変化する。たとえば、一対の押圧板１２の外周部に大きな圧縮力が加わった場合、歪ゲージ１４の内周部には大きな曲げ応力が働き、受感部２２Ａ〜２２Ｈは圧縮力以上に大きな影響を受けることがある。

そこで、本実施の形態では、押圧力が伝わる受感部２２Ｅ〜２２Ｈと、押圧力が伝わらない受感部２２Ａ〜２２Ｄを設けるとともに、これらでブリッジ回路を形成している。このため、押圧力以外の影響は互いにキャンセルされるため、押圧力のみが検出される。

このように本実施の形態の軸力センサ１０によれば、歪ゲージ１４を押圧板１２で挟んだサンドイッチ構造でありながら、高精度に軸力を検出することができる。また、本実施の形態によれば、歪ゲージ１４とスペーサ１６を一対の押圧板１２で挟んだサンドイッチ構造であるため、非常に薄く、小型である。

なお、上述した実施形態は、８個の受感部２２Ａ〜２２Ｈを設けたが、受感部の数はこれに限定するものではない。ただし、受感部の数が多いほど押圧力以外を精度良くキャンセルすることができる。また、受感部の配置は上述したものに限定するものではないが、押圧力が伝達される受感部と、押圧力が伝達されない受感部を交互に等間隔で配置することが好ましい。

また、上述した実施形態は、開口部１６Ａ〜１６Ｄを、径の異なる二つの同心円と二つの半径で囲まれた略扇状に形成したが、開口部の形状はこれに限定するものではなく、スペーサ１６が受感部２２Ａ〜２２Ｄに非接触となるように形成されていればよい。したがって、たとえば円形や楕円形、矩形状などであってもよい。

１０…軸力センサ、１２…押圧板、１４…歪ゲージ、１６…スペーサ、１６Ｅ〜１６Ｈ…押圧部、１６Ａ〜１６Ｄ…開口部、２０…ベース、２２Ａ〜２２Ｈ…受感部

Claims

平行に配置された一対の押圧板と歪ゲージを備え、前記歪ゲージを前記一対の押圧板で挟んで構成される軸力センサにおいて、
前記歪ゲージは抵抗体から成る複数の受感部を備え、
前記複数の受感部の少なくとも一つに前記一対の押圧板からの押圧力を伝達し、残りの前記受感部に対して前記押圧力を遮断する伝達・遮断機構を設け、
前記伝達・遮断機構は、開口部を有する板状のスペーサであり、前記歪ゲージとともに前記一対の押圧板の間に配置され、
前記歪ゲージの受感部は、前記スペーサが当接する位置と前記開口部の位置にそれぞれ配置されることを特徴とする軸力センサ。
前記スペーサは、リング状に形成されるとともに、前記開口部が周方向に一定の角度間隔で配置され、
前記歪ゲージは、前記受感部が前記開口部の位置と前記開口部同士の間に一定の角度間隔で配置されることを特徴とする請求項１に記載の軸力センサ。
前記押圧力が伝達される受感部同士、前記押圧力が遮断される受感部同士を対辺に配置したホイートストンブリッジ回路が組まれることを特徴とする請求項１または２に記載の軸力センサ。