JPH0886701A - 荷重センサおよび被測定荷重作用体の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 起歪体と荷重作用体との軸を合わせ易くし
て、正確に荷重が起歪体に伝達されるようにする。 【構成】 アンダ―ハウジング１内に固定された起歪体
３と、この起歪体３に荷重を伝達する被測定荷重作用体
１５とは溶接で接合されている。両者の溶接性を良好に
維持するため、ステンレス鋼の起歪体３に対して、作用
体１５はボロン入り鋼で製作されている。溶接は電子ビ
ーム溶接等の低入熱溶接で行われ、溶接中は、ばね等で
加圧して寸法の狂いを抑えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は荷重センサに関し、特
に、機械的変形を電気信号に変換する機能を有する起歪
体に対して、正確に被測定荷重を伝達させることができ
る荷重センサおよび被測定荷重作用体の接合方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】荷重や加速度等の力を検出する手段とし
て半導体歪みゲージを起歪体に張り付け、該起歪体に伝
達された力を歪みゲージで電気信号に変換して検出する
荷重センサが知られている。そして、近年は、歪みゲー
ジをスパッタ蒸着等で形成した薄膜歪みゲージが採用さ
れて大量生産時のコスト低下に寄与している。ところ
で、この薄膜歪みゲージを採用したセンサでは、製造設
備上の事情から起歪体のサイズが制限され、大きくする
ことが困難である。このように、起歪体のサイズが小さ
いため、被測定荷重を外部から起歪体に伝達することが
容易ではない。そのため、上記の起歪体に被測定荷重を
伝達するための機構が種々検討されている。

【０００３】例えば、特開平５−１１８９３５号公報に
記載されたマイクロロードセルでは、起歪体にくぼみを
形成し、このくぼみに、該くぼみと表面形状が合致する
金属球を配し、この金属球を介して力を伝達するように
している。また、実開平６−７０３０号公報に記載され
た荷重計では、起歪体にねじ孔を設け、該ねじ孔に螺入
されたプランジャを介して被測定荷重を伝達するように
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
ロードセルでは、繰り返し荷重により、金属球または起
歪体が偏摩耗することから、荷重の印加方向が一定であ
るにもかかわらず、起歪体への力のベクトルに変化が生
じ、次第に測定精度が低下していくという問題点があっ
た。

【０００５】一方、上記従来の荷重計では、プランジャ
を起歪体のねじ部に螺入して締め付け固定するため、そ
の締め付けトルク及び軸力による残留応力が、起歪体の
締付け座面に発生し、精度が低下する。精度の低下を制
御回路で補償しようとするためには、調整幅を大きくし
なければならず、回路が複雑になる。

【０００６】また、プランジャを螺入する際、締付け座
面の絶縁部等がねじられてクラックが入ることもある。
該クラックを防止するため、締付け座面には成膜しない
ようにする方法をとると、マスキングが複雑になる。一
方、座ぐりを形成する等、起歪体の形状からクラックを
防止しようとにすれば、形状が複雑になり、サイズも大
きくなるという問題点が生じる。さらに、起歪体に対す
るプランジャの直角度を確保しなければ、起歪体に発生
する応力が均一とならず、測定誤差が出るという問題点
もある。このように、ねじ結合では、製造上の工夫によ
って測定精度を向上させることが困難である。

【０００７】本発明の目的は、上記の問題点を解消し、
被測定荷重の印加方向と起歪体に作用する力のベクトル
を一致させることができ、強度も確保できる荷重センサ
および被測定荷重作用体の接合方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決し、目
的を達成するための本発明は、被測定荷重を測定するた
めの歪みゲージが設けられた起歪体および該起歪体を固
定するホルダからなる荷重検知部と、前記荷重検知部を
中央に配設したハウジングと、前記起歪体の中心軸の端
面と突き合わせ配置され、該突き合わせ面が低入熱溶接
方法によって溶接された被測定荷重作用体とを具備した
点に第１の特徴がある。また、本発明は、前記起歪体が
ステンレス鋼であり、前記被荷重作用体がボロンを含有
した鋼である点に第２の特徴がある。

【０００９】さらに、本発明は、被測定荷重を測定する
ための歪みゲージが設けられた起歪体、および該起歪体
に突き合わせ配置された被測定荷重作用体の接合方法に
おいて、前記起歪体および被測定荷重作用体を回転治具
で保持し、該起歪体および被測定荷重作用体の突き合わ
せ面を弾圧的に押圧した状態で前記回転治具を溶接速度
に相当する速度で回転させながら低入熱溶接方法により
溶接する点に第３の特徴がある。

【００１０】

【作用】前記第１および第２の特徴によれば、起歪体と
被測定荷重作用体とを突き合わせ面で溶接した構造にし
ているため、前記起歪体と被測定荷重作用体との突き合
わせ面の加工が容易であり、従って互いの軸合わせが容
易である。また、低入熱溶接により接合されるので、起
歪体に設けられた歪みゲージが受ける熱影響を少なくで
きる。また、前記起歪体をステンレス鋼で形成し、前記
被荷重作用体をボロン含有鋼で形成したので良好な溶接
性を維持できる。

【００１１】さらに、第３の特徴によれば、回転治具で
保持された起歪体および被測定荷重作用体は、互いの突
き合わせ部が加圧された状態で低入熱溶接される。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。図１は本発明の一実施例に係る荷重センサの断面図
である。同図において、有底円筒形のアンダ―ハウジン
グ１は、その底部に被測定荷重を接続するためのねじ付
きのロッド２を有する。該アンダ―ハウジング１内の前
記ロッド２と同心位置には、荷重検知用の歪みゲージを
設けた検知ダイアフラム３を配している。該検知ダイア
フラム３の中心軸には、被測定荷重の印加作用部となる
ねじ付きのロッド１５が接合されており、さらに、前記
ロッド１５にフランジ４が結合されている。ロッド１５
と検知ダイアフラム３との接合に関しては、さらに詳細
に後述する。

【００１３】前記検知ダイアフラム３を所定位置に固定
するため、次のような構成が採られている。まず、前記
検知ダイアフラム３は環状のホルダ５の内周に嵌合され
ている。該ホルダ５の外周には環状の支持板６，７の内
周が嵌合され、該支持板６，７の内周部は、ホルダ５の
外周に接合されたインナブッシュ８，９により、該イン
ナブッシュ８，９とホルダ５との間で挟まれて固定され
ている。一方、アンダ―ハウジング１の外周には筒状の
メインハウジング１０が圧入され、その端部の爪１１が
内側に折り曲げられて、アンダ―ハウジング１にかしめ
られている。前記アンダ―ハウジング１の端部とメイン
ハウジング１０との間には前記支持板６，７の外周部と
アウタブッシュ１２とが配されていて、これらは、前記
爪１１の結合によってアンダ―ハウジング１に対して挟
み込まれ、固定されている。

【００１４】前記ホルダ５の一端には検知ダイアフラム
３上の歪みゲージの抵抗変化を外部に引出すための回路
基板１３は適宜な手段によって固定されている。該基板
１３と歪みゲージ（共に図示せず）とは、例えば、Ａｕ
のワイヤ１４によって接続されている。

【００１５】前記フランジ４の外周の端面１６はストッ
パ面となるものであり、前記メインハウジング１０の端
面と予定の間隙ｇを有して対向している。この間隙ｇ
は、検知ダイアフラム３の耐荷重つまり被測定荷重によ
る支持板６，７の最大変位量つまり検知ダイアフラム３
の変位量に相当する値以下に設定する。最大変位量に近
付けるだけ、測定可能範囲は大きくなる。このように間
隙ｇを設定してストッパ面１６とメインハウジング１０
とを対向配置しておくことにより、被測定荷重Ｐとして
検知ダイアフラム３の弾性限界内の任意に設定された荷
重が印加されたときに、ストッパ面１６とメインハウジ
ング１０の端面とが当接し、それ以上の荷重が印加され
るのを防止できる。

【００１６】なお、前記支持板６，７の弾性範囲内であ
れば、荷重と歪みとが平衡した状態で検知ダイアフラム
３の歪みが測定されるので、該支持板６，７の弾性係数
にばらつきがあっても荷重の測定精度には影響しない。

【００１７】続いて、検知ダイアフラム３とロッド１５
との接合方法について説明する。検知ダイアフラム３と
ロッド１５とは溶接によって接合される。図２におい
て、検知ダイアフラム３の中心軸の端面３ａ、および該
端面３ａと接合されるロッド１５の端面は、共にそれぞ
れの軸と正確に直角度を合わせて予め加工しておく。検
知ダイアフラム３およびロッド１５の外形が共に単純な
円柱形であるため、前記直角度を出すための加工は、周
知の加工技術によって容易に行うことができる。

【００１８】検知ダイアフラム３は、起歪体として最適
な材料としてＳＵＳ６３０系のステンレス鋼が使用され
ている。検知ダイアフラム３と溶接するためには、ロッ
ド１５についても少なくともＳＵＳ６３０系ステンレス
鋼で製作するのが好ましい。しかし、コストの面，加工
性等から該ステンレス鋼を使用できない場合は、鋼にボ
ロンを添加した材料を使用できる。本実施例では、炭素
を０．２０％、ボロンを０．００１０〜０．００３０％
含む鋼を使用した。なお、炭素量は０．３％以下であれ
ばよい。この材料によれば、検知ダイアフラム３との溶
接を良好に維持でき、荷重の印加作用部としても十分な
強度が得られる。

【００１９】検知ダイアフラム３とロッド１５との溶接
には、レーザ溶接または電子ビーム溶接法など、熱影響
の少ない低入熱溶接方法が採られる。熱影響によって歪
みゲージの特性が変化することがあるので、これを避け
るためである。

【００２０】溶接に際しては、検知ダイアフラム３およ
びロッド１５を突き合わせ状態で回転治具１７ａ，１７
ｂで保持する。そして、ロッド１５に矢印Ａ方向にばね
１８等で圧力を加えた状態で、前記回転治具１７ａ，１
７ｂを溶接速度に相当する速度で矢印Ｂ方向に回転させ
ながら突き合わせ部１９を円周溶接する。前記ばね１８
等による加圧は、溶接により検知ダイアフラム３とロッ
ド１５との接合面が膨張して仕上がり寸法に誤差が生じ
るのを防止するためである。この目的を達成するためで
あれば、ロッド１５を加圧するのに限らず、検知ダイア
フラム３を矢印Ａの逆方向に加圧してもよいし、検知ダ
イアフラム３とロッド１５の両者を加圧してもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１の発明によれば、起歪体と被測定荷重作用体とを突き
合わせ面で溶接した構造にしているため、前記起歪体と
被測定荷重作用体との突き合わせ面の加工が容易であ
り、従って互いの軸合わせが容易である。したがって、
被荷重作用体に印加された荷重は正確に起歪体に伝達さ
れ、精度の良い測定結果を得ることができる。また、低
入熱溶接により接合されるので、起歪体に設けられた歪
みゲージが受ける熱影響を少なくできるほか、ねじ等で
締結されるもののように、起歪体に残留歪みを生じるこ
ともない。

【００２２】また、前記起歪体をステンレス鋼で形成
し、前記被荷重作用体をボロン含有鋼で形成したので良
好な溶接性が維持され、溶接部にクラックが入ったり、
未溶融部が生じたりする溶接欠陥が生じない。

【００２３】さらに、請求項３の発明によれば、回転治
具で保持された起歪体および被測定荷重作用体は、互い
の突き合わせ部が加圧された状態で低入熱溶接されるの
で、溶接による突き合わせ部の熱膨張による寸法の誤差
が生じることがなく荷重センサを製作することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す荷重センサの断面図
である。

【図２】 荷重センサの製作方法を示す図である。

【符号の説明】

１…アンダ―ハウジング、 ３…検知ダイアフラム、
４…フランジ、 ５…ホルダ、 ６，７…支持板、
８，９…インナブッシュ、 １０…メインハウジング、
１３…回路基板、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定荷重を測定するための歪みゲージ
   が設けられた起歪体および該起歪体を固定するホルダか
   らなる荷重検知部と、 前記荷重検知部を中央に配設したハウジングと、 前記起歪体の中心軸の端面と突き合わせ配置され、該突
   き合わせ面が低入熱溶接方法によって溶接された被測定
   荷重作用体とを具備したことを特徴とする荷重センサ。
2. 【請求項２】 前記起歪体がステンレス鋼であり、前記
   被荷重作用体がボロンを含有した鋼であることを特徴と
   する荷重センサ。
3. 【請求項３】 被測定荷重を測定するための歪みゲージ
   が設けられた起歪体、および該起歪体に突き合わせ配置
   された被測定荷重作用体の接合方法において、 前記起歪体および被測定荷重作用体を回転治具で保持
   し、該起歪体および被測定荷重作用体の突き合わせ面を
   弾圧的に押圧した状態で前記回転治具を溶接速度に相当
   する速度で回転させながら低入熱溶接方法により溶接す
   ることを特徴とする被測定荷重作用体の接合方法。