JP6066490B2

JP6066490B2 - 荷重センサ

Info

Publication number: JP6066490B2
Application number: JP2013253455A
Authority: JP
Inventors: 辰一藤澤; 英司美齊津; 哲志小川
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: JP2015111084A; US20150160080A1; US9823144B2; CN204301899U

Description

本発明は、一軸方向に作用する荷重を測定する荷重センサに関する。

従来から一軸方向（例えば直交座標系におけるＺ軸方向）に作用する荷重（押圧力）を測定する荷重センサは従来から知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。特許文献１に記載の荷重センサは、緩衝部材としてコイルバネを用いたいわゆる上皿天秤の形態を有している。そして、この荷重センサは、軸の底面にストッパを設けたり、ケース貫通穴径を軸に合わせたりして、偏荷重や鉛直以外の衝撃を受けた時の対策を行っている。また、特許文献２に記載の荷重センサは、それぞれＭＲ素子からなる２個の検出素子と２個のコイルバネで広範囲の荷重を検知するようになっている。

特開昭６１−２７８７１９号公報特開２０００−２１４００２号公報

特許文献１に記載の荷重センサの構成では、検出部を荷重による変位部分と別の部分に配置しているため装置が大きくなり全体の小型化は難しい。また、上皿が大きいため、偏荷重に対し軸を長くしなければならず、やはり全体の小型化には不向きである。

また、特許文献２に記載の荷重センサの構成では、バネを２段で構成しているため、装置全体が大きくなってしまう。また、測定すべき荷重の作用する軸線方向の傾きを防止するような構成を有していないため、正確な荷重を測ることができない問題が生じている。

本発明の目的は、センサエレメントを保護するとともに、一軸方向に作用する荷重を正確に測定することができる荷重センサを提供することにある。さらには、全体の構成を小型化できるとともに、荷重が作用する軸線方向に対しずれた方向から押圧されたとしても、一軸方向に作用する荷重を正確に測定することができる荷重センサを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の請求項１に係る荷重センサは、
荷重を一軸方向に伝える押圧軸と、前記押圧軸を介して荷重を測定するセンサエレメントと、前記センサエレメントを保護する荷重制限手段とを有し、前記センサエレメントの測定許容範囲内においては当該センサエレメントを用いて荷重を測定するとともに、荷重が前記センサエレメントの測定許容範囲を超えた場合に前記荷重制限手段が前記センサエレメントの測定許容範囲を超えた荷重領域で変形する荷重センサにおいて、
前記センサエレメントは、起歪体とひずみゲージで構成されており、
前記荷重センサは、前記センサエレメントを前記押圧軸で押すことにより荷重を測定するようになっており、かつ
前記センサエレメントと前記荷重制限手段と前記押圧軸とを所定の配置状態で支持する支持体を有するとともに、前記押圧軸は、当該押圧軸に作用する荷重に応じて前記押圧軸が特定の一軸方向に移動するように板バネで前記支持体と連結しており、
前記起歪体は、板状をなし、一方の面に前記押圧軸の先端が離間可能に押し付けられるとともに、他方の面に前記ひずみゲージが貼付けられていることを特徴としている。

本発明の請求項１に係る荷重センサによると、押圧軸に作用する荷重であって測定すべき範囲の荷重を正確に測定するとともに、測定許容範囲を超えた荷重や衝撃荷重が押圧軸に加わった場合に荷重制限手段が荷重領域で変形してセンサエレメントを保護する。

また、本発明に係る荷重センサによると、センサエレメントと押圧軸と荷重制限手段を直列に配置できるので、荷重センサ全体の小型化を図れる。また、測定範囲を超えた荷重や衝撃荷重が押圧軸に加わった場合に荷重制限手段が荷重領域で変形するので、精度良く測定するとともに、これを超えた荷重が加わった場合にその余剰分の荷重を荷重制限手段が荷重領域で変形することでセンサエレメントに悪影響を及ぼすことなく、長期に亘って精度の良い荷重測定を可能とする。
また、本発明に係る荷重センサによると、押圧軸に荷重が作用したときに、簡易な構造の板バネを介して押圧軸が一軸方向にのみ移動するようになっているので、荷重センサ全体の小型化を図ることができる。また、押圧軸を介してセンサエレメントに常に一定方向に荷重が加わるようになるので、センサエレメントに無理な力が予期せぬ方向にかからず荷重を長期間正確に測定できる。その結果、荷重センサの製品寿命を延ばすことができる。
また、本発明に係る荷重センサによると、押圧軸に荷重が作用したときに、簡易な構造の板バネを介して押圧軸が一軸方向にのみ移動するようになっているので、荷重センサ全体の小型化を図ることができる。また、押圧軸を介してセンサエレメントに常に一定方向に荷重が加わるようになるので、センサエレメントに無理な力が予期せぬ方向にかからず荷重を長期間正確に測定できる。その結果、荷重センサの製品寿命を延ばすことができる。

また、本発明の請求項２に係る荷重センサは、請求項１に係る荷重センサにおいて、
前記押圧軸には、メカニカルストッパが形成されていることを特徴としている。

本発明の請求項２に係る荷重センサによると、過荷重や衝撃力が作用して押圧軸がセンサエレメントに向かって移動するのをメカニカルストッパで阻止できるので、これらの過荷重や衝撃力からセンサエレメントを保護して荷重センサの製品寿命を延ばすことができる。

本発明によると、センサエレメントを保護するとともに、一軸方向に作用する荷重を正確に測定することができる荷重センサを提供できる。さらには、全体の構成を小型化できるとともに、荷重が作用する軸線方向からずれた方向から押圧されたとしても、一軸方向に作用する荷重（押圧力）を正確に測定することができる荷重センサを提供できる。

本発明の一実施形態に係る荷重センサの斜視図である。図１に示した荷重センサをその長手方向軸線を含むように切断した断面斜視図である。図２に対応する断面図である。図１に示した荷重センサの作用を説明する説明図である。図１に示した荷重センサの作用を説明する図４に対応した特性図である。

以下、本発明の一実施形態に係る荷重センサについて図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る荷重センサの斜視図である。また、図２は、図１に示した荷重センサをその長手方向軸線を含むように切断した断面斜視図である。また、図３は、図２に対応する断面図である。

本発明の一実施形態に係る荷重センサ１は、センサエレメント（センサ部）１０を押圧軸２０で押すことにより荷重を測定する荷重センサであって、これに加わる荷重を一軸方向に伝える押圧軸２０と、押圧軸２０を介して荷重を測定するセンサエレメント１０と、センサエレメント１０を保護する荷重制限手段３０と、センサエレメント１０と荷重制限手段３０と押圧軸２０とを所定の配置状態で支持する支持ケース（支持体）４０とを有している。

以下、荷重センサ１を構成する各構成要素について詳細に説明する。センサエレメント１０は、起歪体１１０とひずみゲージ１２０で構成されている。起歪体１１０は、金属でできた厚さの薄い板状をなし、一方の面（図２及び図３中上側面）に押圧軸２０の先端が離間可能に押し付けられるとともに、他方の面（図２及び図３中下側面）にひずみゲージ１２０が貼付されている。そして、ひずみゲージ１２０が貼付けられた起歪体１１０の外側領域（起歪体端部１１１）は荷重制限手段３０をなすコイルバネ３０の一方の端部（図２中上側端部）３１が当接している。

起歪体１１０の他方の面には絶縁膜が形成されこの絶縁膜上に複数のひずみゲージ１２０が貼付され、それらがホイートストンブリッジ回路を形成するように互いに電気的に接続されている。ひずみゲージ１２０の出力は、ここでは詳細には図示しないＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）を介して荷重センサ１の外部に取り出されるようになっている。

荷重制限手段としてのコイルバネ３０は、後述する支持ケース４０に付勢された状態で組み込まれ、センサエレメント１０の測定許容範囲内においてはセンサエレメント１０を用いて荷重を測定するとともに、センサエレメント１０に加わる荷重がその測定許容範囲を超えた場合にセンサエレメント１０の測定許容範囲を超えた分の荷重領域で変形するようにバネ定数が設定されている。

押圧軸２０は例えば金属でできており、中実棒状の軸本体２１０と、軸本体２１０の一方の端部に荷重を受ける受圧部２２０を有している。また、押圧軸２０の軸本体２１０の他方の端部は軸本体中心部を曲率半径の大きい頂として周方向全体に亘ってなだらかなテーパ部が形成され、この中心の突出した押圧部２３０がセンサエレメント１０の起歪体１１０の一方の面（ひずみゲージ１２０の貼付面と反対側面）の中心部に当たるようになっている。

押圧軸２０の軸本体２１０には、受圧部２２０の近傍に軸本体２１０の全周に亘って拡径したメカニカルストッパ２５０が形成されている。メカニカルストッパ２５０の外径は、後述する支持ケース４０の押圧軸２０の軸側開口部４１の内径よりも大きくなっており、過荷重や衝撃力が受圧部２２０に加わった場合、メカニカルストッパ２５０が軸側開口部４１に突き当たって押圧軸２０がセンサエレメント１０に向かってそれ以上移動しないようになっている。なお、メカニカルストッパを形成せず受圧部２２０でこの機能を実現させてももちろん良い。また、軸本体２１０の長手方向においてメカニカルストッパ２５０と押圧部２３０との間には板バネ係合溝２１１，２１２（図３参照）が本実施形態では２箇所だけ所定の間隔で軸本体２１０の全周に亘って形成されている。

支持ケース４０は例えば金属でできており、円筒体形状をなし、内側空間の一方の端部から長手方向を略中央部までが押圧軸２０の軸本体２１０の軸挿入空間４２０として形成され、他方の端部から長手方向中央部までがセンサエレメント１０及びコイルバネ３０を収容するバネ収容空間４３０として形成されている。軸挿入空間４２０の内周面と、この空間に挿入される軸本体２１０の外周面との間はある程度離間しており、軸挿入空間４２０には内周面全体に板バネ係合溝４１１，４１２（図３参照）が２箇所だけ形成され、この２箇所の板バネ係合溝４１１，４１２とこれらそれぞれに対応する軸本体２１０の外周面全周に亘って形成された板バネ係合溝４１１，４１２間にリング状の板バネ５１，５２（５０）が各溝に係合した状態で介在している。なお、板バネおよび係合溝は２箇所に限定されるものではない。

板バネ５０の押圧軸長手方向の弾性は、押圧軸２０がその軸線方向に移動する際に移動の支障にならない程度となっている。また、２枚の板バネ５１，５２はそれぞれリング状をなしているので、押圧軸２０の移動方向は、その軸線方向と一致している。そして、板バネ５０の弾性変形を利用して支持ケース４０の軸挿入空間４２０内の押圧軸２０の軸本体２１０が両者の中心軸線を一致させた状態で板バネ５０から抵抗を受けることなくこの中心軸線方向に移動できるようになっている。なお、荷重センサ１を組み立てる場合、例えば板バネ５１，５２のそれぞれを押圧軸２０の軸本体２１０に形成された板バネ係合溝２１１，２１２に係合させ、この状態で支持ケース４０の軸側開口部４１から軸本体２１０を挿入して、板バネ５１，５２の外周部が支持ケース４０の軸挿入空間４２０に形成された板バネ係合溝４１１，４１２に係合するように組み付ける。

支持ケース４０のバネ収容空間４３０の内径は、軸挿入空間４２０の内径よりも大きく、かつバネ収容空間４３０側のバネ側開口部４２の内径よりも大きくなっている。そして、バネ収容空間４３０と軸挿入空間４２０との間に内側段部４３１が形成されるとともに、開口部側に外側段部４３２が形成されている。

支持ケース４０のバネ収容空間４３０の内側段部４３１には、起歪体１１０の一方の面の起歪体端部１１１が当接し、起歪体１１０の他方の面の起歪体端部１１２にはコイルバネ３０の一方の端部３１が当接している。また、支持ケース４０のバネ収容空間４３０の外側段部４３２には、コイルバネ３０の他方の端部３２が着座している。なお、荷重センサ１を組み立てる場合、例えば支持ケース４０のバネ収容空間４３０内へのセンサエレメント１０及びコイルバネ３０の収容作業は、センサエレメント１０及びコイルバネ３０のそれぞれを指で変形させて外形を小さくした状態で支持ケース４０のバネ側開口部４２からバネ収容空間４３０内に収容する。

押圧軸２０は、上述したようにこの軸に作用する荷重に応じて特定の一軸方向に移動するように板バネ５０で支持ケース４０と連結している。本実施形態に係る荷重センサ１は、このようにセンサエレメント１０と押圧軸２０を所定の配置状態で支持する支持ケース４０を有するとともに、押圧軸２０はこの軸に作用する荷重に応じて特定の一軸方向に移動するように板バネ５０で支持ケース４０と連結しているので、センサエレメント１０を押圧軸２０で押すことにより荷重を測定することができる。

続いて、本実施形態に係る荷重センサの作用について説明する。図４は、図１に示した荷重センサの作用を説明する説明図である。また、図５は、図１に示した荷重センサの作用を説明する図４に対応した特性図である。なお、図４における各構成要素の変形の度合いは、発明の理解の容易化を図るために実際の変形の度合いよりも誇張して示している。また、図５におけるＫ_１は、センサエレメント１０のバネ定数、Ｋ_２は、コイルバネのバネ定数、ｂは、コイルバネの初期荷重を表し、δは、押圧軸２０の最大移動量、すなわち押圧軸２０の押圧部２３０がセンサエレメント１０に接してからメカニカルストッパ２５０が支持ケース４０の軸側開口部４１に突き当たって停止するまでの押圧軸２０の移動量を表している。

以下、図４（ａ）から（ｄ）までの荷重変化に伴う荷重センサの状態変化について説明する。図４（ａ）は、荷重センサ１に押圧力が加わっていない状態を示している。なお、この状態は、図５の横軸がＦ_０の位置に相当する。この状態で、押圧軸２０の軸先端部である押圧部２３０はセンサエレメント１０の起歪体１１０に接触している。

押圧軸２０の受圧部２２０に押圧力が加わると、図４（ｂ）に示すようにコイルバネ３０は縮まない状態でセンサエレメント１０の起歪体１１０だけ、その中央部が押圧軸２０の押圧部２３０により押されて変形し、センサエレメント１０に加わる押圧力をひずみゲージ１２０の抵抗値変化によりホイートストンブリッジ回路に発生する電位差を利用して正確に測定する。なお、この状態は図５の横軸に示す押圧力ＦがＦ_０〜Ｆ_Ｓの位置に相当する。図５においては、測定精度を高めるためにセンサエレメント１０の測定許容範囲Ｆ_０〜Ｆ_Ｓのうち、Ｆ_０〜Ｆ_１（Ｆ_１＜Ｆ_Ｓ）を実際の測定範囲としている。

センサエレメント１０の測定許容範囲を超えた押圧力が受圧部２２０にさらに加わった場合、図４（ｃ）に示すようにコイルバネ３０は付勢され、この超えた分の荷重領域で変形する。なお、この状態は図５の横軸に示す押圧力ＦがＦ_Ｓ〜Ｆ_Ｌの位置に相当する。

コイルバネ３０をさらに付勢させる押圧力や衝撃力が加わった場合、図４（ｄ）に示すように押圧軸２０の軸本体２１０に備わったメカニカルストッパ２５０が支持ケース４０の軸側開口部４１の周囲に突き当たって、押圧軸２０のセンサエレメント１０に向かう更なる移動を阻止する。これによって例えばセンサエレメント１０の測定許容範囲をかなり超えた過大な押圧力や荷重センサ１に衝撃力が加わった場合などにおいてセンサエレメント１０をこれらの過大な押圧力や衝撃力から保護することができる。なお、この状態は、図５の横軸に示す押圧力ＦがＦ_Ｌより右側の位置（Ｆ≧Ｆ_Ｌ）に相当する。

以上説明したように、本実施形態に係る荷重センサ１は、押圧軸２０とセンサエレメント１０とコイルバネ３０が直列に配置され、押圧軸２０の軸本体２１０とセンサエレメント１０とコイルバネ３０が支持ケース４０に収容されている。また、センサエレメント１０は、厚さの薄い起歪体１１０と起歪体１１０に貼付されたひずみゲージ１２０とからなり、上述した各構成要素の配置方向に占める幅が非常に小さくなっている。これによって、荷重センサ１の全長を短くすることができる。荷重センサ１がこのような構成を有することによって、従来の荷重センサに比べてかなりの小型化と軽量化を図ることができる。その結果、本発明に係る荷重センサを組み込む対象製品の小型化にも貢献する。

また、押圧軸２０が支持ケース４０の内部に２枚のリング状の板バネ５０を介して支持されているので、押圧軸２０の受圧部２２０にかかった荷重に基づき押圧軸２０を軸線方向に移動させてセンサエレメント１０の起歪体１１０の一方の面に押圧軸先端の押圧部２３０が必ず垂直に押し付けられるようになる。その結果、荷重が作用する軸線方向からずれた方向から押圧されたとしても、一軸方向に作用する荷重を正確に測定することができるとともに、ひずみゲージ１２０と起歪体１１０との間に無理な応力が発生することなくセンサエレメントの寿命を延ばし、正確な荷重測定を長期間に亘って可能とする。

特に本実施形態に係る荷重センサ１を小型化した場合、センサエレメント１０の出力特性を高精度に維持するために荷重センサ１の小型化に応じてセンサエレメント１０の起歪体１１０も直径が小さく厚さがかなり薄いものにしなければならないが、この際に押圧軸先端の押圧部２３０が予期せぬ方向に向きながら起歪体１１０を押し込むと、起歪体１１０の破損を生じさせるおそれがあるが、本実施形態の場合、上述した起歪体１１０の一方の面に押圧軸先端の押圧部２３０が必ず垂直に押し付けられる構造に起因してこのような不具合が生じるおそれが無くなる。

また、測定すべき荷重が小さく荷重測定範囲も狭いにも関わらず押圧軸２０の受圧部２２０に係る荷重が一定せず、測定すべき荷重の大きさの範囲をかなり超えた過荷重や衝撃力が頻繁に作用する測定環境下においても本発明に係る荷重センサ１はその作用を十分に発揮する。つまり、上述したように荷重センサ１を小型化した場合にこれに伴ってセンサエレメント１０の起歪体１１０も直径が小さく厚さがかなり薄いものになるが、係る過荷重や衝撃力が加わった場合、第一段階としてコイルバネ３０が測定範囲を超えた分の余分な荷重や衝撃により荷重領域で変形し、さらには第二段階としてメカニカルストッパ２５０が支持ケース４０の軸側開口部４１に突き当たって押圧軸２０が移動しないため、センサエレメント１０を保護することができ、長期に亘って精度の良い荷重測定が可能となる。

なお、上述の実施形態はあくまで本発明の一実施例を示したものに過ぎず、その形状や材質、大きさ等については本発明の範囲を逸脱しない限り変更可能であることは言うまでもない。

したがって、例えば押圧軸を支持ケースに軸線方向移動可能に支持するために上述の実施形態においてはリング状の板バネが用いられていたが、この代わりに支持ケースの内周面に周方向等間隔で可撓性を有する片持ち梁状の板バネを延在させてその先端部を押圧軸に固定することで、押圧軸を支持ケースに軸線方向移動可能に支持しても良い。

また、例えば押圧軸と支持ケースとの間にリニアベアリングを介装して押圧軸がその軸線方向に移動するに際して抵抗力が生じないようにしても良い。

また、センサエレメントの起歪体は上述の実施形態においては金属でできていたが、センサエレメントの性能を発揮すればこの金属の種類は特に限定されず、アルミニウム合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ）など何れでも良く、金属以外であってもこれと同等の作用を発揮する樹脂でできていても良い。

また、本実施形態の場合、複数個のひずみゲージをそれらが互いにホイートストンブリッジ回路をなすように回路的に接続していたが、その代わりに起歪体の中心部に１つのひずみゲージのみ貼付してこの単一のひずみゲージのひずみ量から押圧力を検出するようにしても良い。

また、センサエレメントについては、ひずみゲージと起歪体とから構成されるひずみセンサを用いたが、必ずしもこれに限定されず、例えば半導体チップ状に形成された静電容量式圧力センサやピエゾ型圧力センサ、磁歪センサを用いて、押圧力に応じてこのセンサ素子に作用する圧力が変わるような構造としても良い。

また、荷重制限手段として本実施形態においては、コイルバネを使用したが、この代わりに相応の弾力性を有したゴム、ベローズ、本発明の作用を発揮できる程度の硬さを有したスポンジ等を用いても良い。

また、上述の実施形態では支持ケースのバネ収容空間の内径よりも開口部の内径の方が小さくなっていたが、この両者の部分を上記実施形態のように一体で形成せずに別体にして結合するようにしても良い。これによって、支持ケースのバネ収容空間が開口された状態でセンサエレメント及びコイルバネのそれぞれを縮むように変形させることなく収容し、その後に支持ケース４０の開口部を結合するようにすると、これらの部品の組み付け作業がし易くなる。

１荷重センサ
１０センサエレメント
２０押圧軸
３０コイルバネ（荷重制限手段）
３１一方の端部
３２他方の端部
４０支持ケース（支持体）
４１軸側開口部
４２バネ側開口部
５１，５２（５０）板バネ
１１０起歪体
１１１，１１２起歪体端部
１２０ひずみゲージ
２１０軸本体
２１１，２１２板バネ係合溝
２２０受圧部
２３０押圧部
２５０メカニカルストッパ
４１１，４１２板バネ係合溝
４２０軸挿入空間
４３０バネ収容空間
４３１内側段部
４３２外側段部

Claims

荷重を一軸方向に伝える押圧軸と、前記押圧軸を介して荷重を測定するセンサエレメントと、前記センサエレメントを保護する荷重制限手段とを有し、前記センサエレメントの測定許容範囲内においては当該センサエレメントを用いて荷重を測定するとともに、荷重が前記センサエレメントの測定許容範囲を超えた場合に前記荷重制限手段が前記センサエレメントの測定許容範囲を超えた荷重領域で変形する荷重センサにおいて、
前記センサエレメントは、起歪体とひずみゲージで構成されており、
前記荷重センサは、前記センサエレメントを前記押圧軸で押すことにより荷重を測定するようになっており、かつ
前記センサエレメントと前記荷重制限手段と前記押圧軸とを所定の配置状態で支持する支持体を有するとともに、前記押圧軸は、当該押圧軸に作用する荷重に応じて前記押圧軸が特定の一軸方向に移動するように板バネで前記支持体と連結しており、
前記起歪体は、板状をなし、一方の面に前記押圧軸の先端が離間可能に押し付けられるとともに、他方の面に前記ひずみゲージが貼付けられていることを特徴とする荷重センサ。
前記押圧軸には、メカニカルストッパが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。