KR100434166B1 - 센싱소자의 고정구조 - Google Patents

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KR100434166B1
KR100434166B1 KR10-2001-0066158A KR20010066158A KR100434166B1 KR 100434166 B1 KR100434166 B1 KR 100434166B1 KR 20010066158 A KR20010066158 A KR 20010066158A KR 100434166 B1 KR100434166 B1 KR 100434166B1
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야자키 소교 가부시키가이샤
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Abstract

하중측정개소에 걸리는 하중을 정밀하게 측정하는 것을 그 과제로 한다.
이를 해결하기 위한 수단으로 센싱소자(1)의 지지체인 판모양 부재(2)의 길이방향(X)의 중앙부 부근에 하중센서(3)를 배치한다. 판모양 부재(2)의 길이방향(X)이 하중측정개소(4 또는 5)에 걸리는 인장력 또는 압축력 방향(M)으로 신축하도록 이 판모양 부재(2)를 하중측정개소(4 또는 5)의 윗면 또는 밑면에 따라서 이 판모양 부재(2)의 길이방향(X)의 양단(2a,2b)을 하중측정개소(4 또는 5)에 용접한다.

Description

센싱소자의 고정구조{FIXING STRUCTURE FOR SENSING ELEMENT}
본 발명은 예를들면 트럭 등의 차량의 적재중량을 측정하는 데 이용할 수 있는 왜곡게이지식의 센싱소자의 고정구조에 관한 것이다.
본 발명은 일본특허출원 2000-329512호에 기초한 것으로서 그 전체 내용이 여기에 참조로 기재되어 있다.
종래기술로서, 최근 트럭 등의 중량물을 적재하여 주행하는 차량에 있어서는 주행중에 횡전(橫轉) 등의 교통사고를 일으키거나 차량이나 노면을 이상으로 빨리 열화시키는 등이 문제시되고 있다. 이와같은 문제의 발생요인의 하나로서 과적재를 들 수 있으며 이 과적재를 방지하기 위해 이전부터 차량의 적재중량 즉 차량에 걸리는 하중의 측정이 행해지고 있다.
종래, 차량의 하중 측정은 앉은뱅이 저울에 측정대상의 차량을 올려놓고 행했지만 시설이 커서 넓은 설치공간을 필요로 하기 때문에 설치할 수 있는 앉은뱅이 저울의 대수가 제한되어 많은 차량을 측정할 수 없는 외에 설치원가가 높아진다.
그래서 최근에는 차량자체에 탑재하여 하중을 측정하는 하중측정장치가 이용되고 있다.
예를들면 일본국 특개평 8-313332호 공보의 하중측정장치는 일단이 두갈래로 나뉜 브라켓을 통해 하대프레임에 연결되는 리프스프링의 타단과, 하대프레임에 연결된 나머지 하나의 브라켓 사이에 샤클이 끼워져 배치되는 것에 착안하여 이 샤클을 브라켓에 요동가능하게 연결하는 데 이용하는 샤클핀안에 예를들면 왜곡게이지식 센서 등의 하중측정용 왜곡게이즈식의 센싱소자를 부착하고, 각 차륜에 대응하는 여러개의 센싱소자의 측정치의 합계를 기초로 하중을 산출하도록 하고 있다.
각 센싱소자는 표면이 절연막으로 피복된 판모양 부재의 중앙부에 하중센서를 배치하여 되는 것으로 하중센서는 판모양 부재의 길이방향 및 폭방향 중 모두 45°로 교차하는 4개의 저항체를 대략 정방형모양으로 접속한 저항부와, 각 저항체의 접속개소에 배치된 4개의 단자부로 구성된다.
차량에 걸리는 하중 등으로 브라켓과 샤클 중 어느 한쪽이 다른쪽에 대해 차량의 높이방향을 따라 상대이동하면 폭방향을 따르는 전단력이 판모양 부재에 작용하여 하중센서의 저항치가 변화하여 하중의 크기가 검출된다.
그러나 일본국 특개평 8-313332호 공보의 하중측정장치는 센싱소자를 샤클핀의 각 수용부에 삽입하여 고정하도록 되어있기 때문에, 센싱소자가 수용부안에서 덜컹거리는 경우가 있어 그 때문에 측정정밀도가 저하하는 경우가 있다.
또 샤클핀에 구멍을 뚫어 이 구멍안에 센싱소자를 삽입하거나, 샤클핀안에서 리드선을 인출해야 하기 때문에 센싱소자의 하중측정 개소로의 부착작업이 번거롭고 또 하중측정개소인 샤클핀의 강도의 저하를 초래한다는 문제도 있다.
본 발명은 종래의 하중측정장치의 결점을 해결하는 수단을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
도 1은 본 발명에 관한 센싱소자의 고정구조를 도시하는 사시도.
도 2는 도 1에 도시하는 고정구조의 측면도.
도 3은 차량에 대한 센싱소자의 배치상태를 도시하는 모식도.
도 4는 차량의 후부 차축에 대한 센싱소자의 부착상태를 도시하는 사시도.
도 5는 차량의 후부 차축에 대한 센싱소자의 부착상태를 도시하는 종단면도.
도 6a는 차량용 하중센서의 확대평면도이며, 도 6b는 등가회로도이다.
도 7은 차축의 휨에 따라 변형한 하중센서를 도시하는 확대평면도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
1: 센싱소자 2: 판모양 부재
2a,2b: 판모양 부재의 길이방향의 양단
3: 하중센서 4,5: 차축
6: 차량 12a,12b: 용접부
14a,14b,14c,14d: 저항체 M: 차폭방향
X: 판모양 부재의 길이방향
Y: 판모양 부재의 폭방향
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 센싱소자용 고정구조는 상기 하중측정개소에 부착된 판모양 부재와, 길이방향으로 상기 판모양부재의 중앙부에서 상기 판모양부재에 의해 지지되는 하중센서를 구비하고, 판모양 부재의 길이방향으로 양단이 하중측정개소에 용접되고 하중측정개소에 걸리는 인장력 또는 압축력에 따라 길이방향으로 신축하며, 상기 센싱소자는 그 판모양 부재의 길이 방향이 인장력 또는 압축력의 방향에 따르도록 차축에 고정되는 것을 특징으로 한다.
이러한 고정구조에 따라서 판모양 부재를 하중측정개소에 용접으로 고정하므로 센싱소자의 하중측정개소에 쉽게 장착할 수 있다. 또 판모양 부재의 덜컹거림을 방지하여 정밀하게 하중을 특정할 수 있고 반복측정을 행해도 같은 정밀도로 측정할 수 있다. 또 센싱소자의 용접은 2곳에서 행해질 뿐이므로 그 이상의 개소에서 용접하는 경우에 비해 센싱소자에 걸리는 비틀림 방향의 용접응력을 방지할 수 있어 안정된 왜곡검출을 행할 수 있다. 또한 하중센서로부터 더욱 떨어진 곳을 용접하므로 하중센서 등에 대한 전열에 의한 영향을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 센싱소자용 고정구조에 있어서는 상기 판모양 부재가 상기 하중측정개소에 걸리는 압축력에 의해 좌굴을 일으키지 않을 정도로 얇게 형성된다.
이러한 구조에 따라 판모양 부재가 얇기 때문에 하중측정개소에 적절히 용접할 수 있다. 또 판모양 부재는 좌굴에 의한 휨을 회피할 수 있는 얇기 이기 때문에 정밀하게 하중을 검출할 수 있다.
또한 본 발명의 센싱소자용 고정구조에 있어서는 상기 하중센서가 상기 판모양 부재의 표면에 형성된 절연영역상에서 도전성 재료로 이루어지는 4개의 저항체를 브릿지 접속하고 이들 저항체끼리의 접속개소 중 한쪽의 대각선상의 2개의 접속개소 사이에 전압을 인가하는 것으로 다른쪽의 대각선상의 2개의 상기 접속개소 사이에 발생하는 전위차가 상기 판모양 부재에 작용하는 압축력 또는 인장력에 따라 변화하도록 구성되며, 상기 4개의 저항체중 2개의 저항체가 상기 판모양 부재의 길이방향으로 간격을 두고 대향함과 동시에 다른 2개의 저항체가 폭방향으로 간격을 두고 대향하도록 상기 절연영역상에 배치된다.
이러한 구조에 따라 용접부를 통해 판모양 부재에 가하는 압축력 또는 인장력을 저항체에 미치게 하여 저항체의 저항치를 변화시킬 수 있기 때문에 하중측정개소에 걸리는 하중을 적절히 검출할 수 있다.
다음 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 및 도 2와 같이 차량의 적재중량 등의 하중을 측정하기 위한 센싱소자(1)는 지지체인 대략 장방형의 판모양 부재(2)와, 판모양 부재(2)의 길이방향(X)의 중앙부 부근에 형성된 하중센서(3)를 구비하고 있다.
도 3과 같이 센싱소자(1)는 그 판모양 부재(2)의 길이방향(X)이 하중측정개소에 걸리는 인장력 또는 압축력의 방향을 따라 신축하도록 즉 차량(6)의 차폭방향(M)으로 평행하게 신축하도록 전후 차축(4)(5)의 좌우에 각각 배치된다. 도 3안의 부호 7은 앞 차바퀴를 나타내고, 부호 8은 뒤 차바퀴를 나타낸다. 각 판모양 부재(2)는 차축(4)(5)의 윗면에 따라서 도 1 및 도 2와 같이 각 판모양부재(2)의 길이방향(X)의 양단(2a)(2b)이 하중측정개소인 차축(4)(5)에 용접된다.
도 4 및 도 5와 같이 이 실시예에 있어 후부 차축(5)은 구동축(5a), 이 구동축(5a)을 감는 후부 차축관(5b), 후부 차축관(5b)에 베어링(9)을 통해 지지되는 뒤바퀴 드럼(10) 등을 갖고 있으며, 차량 중량은 모두 후부 차축관(5b)이 부담하고 구동축(5a)은 베어링(9)을 통해 후부 차축관(5b)으로 지지되면서 토오크를 전달할 뿐이다. 이 때문에 차량(6)의 자체 무게 및 적하중량이 후부 차축(5)에 작용하면 후부 차축관(5b)이 위쪽으로 뒤집어 지도록 휘어지고, 후부 차축관(5b)의 윗면에는 압축력이 작용하며 후부 차축관(5b)의 밑면에는 인장력이 작용하게 된다. 이 실시예에서는 각 판모양 부재(2)는 후부 차축관(5b)의 윗면에 부착되는 것으로부터 길이방향(X)으로 압축력을 받게 된다. 물론 각 판모양 부재(2)는 후부 차축관(5b)밑면에 부착해도 좋으며 그 경우는 길이방향(X)으로 인장력을 받게 된다. 후부 차축관(5b)의 중앙부에 배치되는 차동치차의 커버부(11)위에도 부착할 수 있다. 또 도시하지 않지만 앞부 차축(4)도 차량중량으로 휘는 개소를 갖고 있고, 이 휘는 개소의 윗면 또는 밑면에 판모양 부재(2)가 부착된다.
각 판모양 부재(2)는 그 길이방향(X)의 양단(2a)(2b) 즉 2점에서 차축(4) 또는 차축(5)에 용접되어 고정된다. 이에 따라 판모양 부재(2)에는 2개의 점모양 용접부(12a)(12b)가 형성된다. 이와같이 용접에 의해 고정하면 접착제, 나사, 핀 등의 다른 고정수단을 이용한 경우에 비해 반복하중을 받아도 재현성이 손상되지 않고 왜곡전달능력도 높다. 용접은 구체적으로는 텅스텐 이너트 가스(TIG)용접에 의한다. 또 이와같이 2점으로 고정하면 3점 이상의 다점으로 고정할 경우에 비해 센싱소자(1)에 비틀림 방향의 용접응력이 발생하지 않도록 할 수 있고 안정된 왜곡검출을 행할 수 있다. 또 용접해야 할 2점은 하중센서(3)로부터 더욱 떨어진 개소로서 하중센서(3)에 대한 전열에 의한 영향이 방지된다. 또 도 2와 같이 판모양 부재(2)는 차축(4) 또는 차축(5)에 대해 간극(δ)이 벌어지도록 용접된다.
판모양 부재(2)는 예를들면 강판을 대략 장방형으로 타발함으로써 형성된다. 판모양 부재(2)의 표면에는 실리콘 산화물 등의 절연막의 피복에 의한 절연영역(도시하지 않음)이 형성된다. 판모양 부재(2)에 있어 길이방향(X)의 중앙부는 그 양측에 절개부(13)가 형성됨으로써 폭이 좁아진다. 판모양 부재(2)는 바람직하게는 스테인레스 강판으로 만들어지고 더욱 바람직하게는 마텐자이트계(martensitic)의 석출경화형 스테인레스강으로서 17Cr-4Ni-4Cu-0.06C-0.25Nb(숫자는 중량%)의 조성의 것(SUS 630)으로 만들어진다. 이 조성의 스테인레스강을 이용함으로써 저온측에서의 온도특성이 향상된다.
또 판모양 부재(2)는 상술한 압축력의 작용에 의해 좌굴을 일으키지 않는 형상으로 형성된다. 판모양 부재(2)가 압축력에 의해 휘어지거나 좌굴을 일으키거나 하면 왜곡을 적절히 검출할 수 없다. 또 타발가공이나 용접을 하기 쉽도록 하기 위해 바람직하게는 압축력에 의해 좌굴을 일으키지 않을 정도로 얇게 형성된다.
좌굴을 일으키지 않는 판모양 부재(2)의 최소두께(h)는 예를들면 다음에 도시하는 오일러(Euler) 식에 의해 구할 수 있다.
식 1에 있어 σ는 좌굴응력(MPa), n은 고정계수(양단고정의 경우 n = 4), E는 판모양 부재(2) 재료의 종탄성 계수(MPa), I는 단면 2차모멘트(mm4), L은 판모양 부재(2)의 길이방향의 길이(mm), A는 판모양 부재(2)의 폭방향(Y)의 횡단면적(mm2)이다.
윗 식의 SUS630의 2%내력으로서 σ≤883(MPa), 판모양 부재(2)의 직사각형 횡단면의 높이(판모양 부재의 두께)h, 폭(b)으로서 I = bh3/12를 대입하면 다음식이 구해진다.
여기서 고정계수 n = 4, SUS630의 종탄성계수 E= 196200(MPa), L = 20(mm)으로 하여 식(2)에 대입하면 다음식이 구해진다.
그 결과 h ≥0.74(mm)가 되고 판모양 부재(2)의 두께는 0.74(mm)가 된다. 따라서 판모양 부재(2)의 두께는 0.74(mm)보다도 작게 되지 않을 정도의 얇기이면 압축력을 받아도 좌굴을 일으키지 않고 하중의 크기에 따라 신축하게 된다.
하중센서(3)는 판모양 부재(2)의 중앙부의 한쪽 면에 있어 예를들면 실리콘 산화막으로 이루어지는 절연영역상에 형성된다.
이 하중센서(3)는 도 6(a)(b)과 같이 도전성 재료로 이루어지는 4개의 저항체(14a, 14b, 14c, 14d)를 브릿지 접속하고 이들 저항체(14a, 14b, 14c, 14d)끼리의 접속개소 중 한쪽의 대각선상의 2개의 접속개소 사이에 전압을 인가함으로써 다른쪽의 대각선상의 2개의 상기 접속개소 사이에 발생하는 전위차가 판모양 부재(2)에 작용하는 압축력 또는 인장력에 따라 변화하도록 구성된다.
4개의 저항체(14a, 14b, 14c, 14d)는 같은 길이 및 폭으로 가늘고 길게 형성되고 정방향을 이루도록 단부 끼리가 연결되고 있다. 또 4개의 저항체(14a, 14b, 14c, 14d)중 2개의 저항체(14a,14c)가 판모양 부재(2)의 길이방향(X)으로 간격을 두고 대향함과 동시에 다른 2개의 저항체(14b,14d)가 폭방향(Y)으로 간격을 두고 대향하도록 배치된다. 4개의 저항체(14a, 14b, 14c, 14d)사이의 4개의 접속개소에는 각각 단자부(14e, 14f, 14g, 14h)가 배치된다. 즉 저항체(14a,14b)끼리, 저항체(14b,14c)끼리, 저항체(14c,14d)끼리, 저항체(14d,14e)사이에 각 단자부(14e,14f,14g,14h)가 저항체(14a, 14b, 14c, 14d)를 전기적으로 접속하도록 배치된다. 각 단자부(14e, 14f, 14g, 14h)는 대략 정방형으로 형성되고, 각 변이 판모양 부재(2)의 길이방향(X)과 폭방향(Y)으로 평행하게 뻗어있다. 그리고 저항체(14a,14b)의 접속개소에 배치된 단자부(14e)와, 저항체(14c,14d)의 접속개소에 배치된 단자부(14g)사이에 작동용 전원(B)으로부터 전압(V)이 인가되면 저항체(14b,14c)의 접속개소에 배치된 단자부(14f)와, 저항체(14d,14a)의 접속개소에 배치된 단자부(14h)사이로부터 출력되는 신호(S)의 크기가 판모양 부재(2)의 길이방향(X)에 걸리는 하중에 따라 변화하는 반도체 저항브릿지를 구성하고 있다.
또한 센싱소자(1)는 차축(4)(5)위에 고정되었을 때는 도 5와 같이 미리 커버(15)등으로 피복되어 보호되고 있다.
다음 상술과 같이 하중측정개소인 차축(4)(5)에 부착된 센싱소자(1)의 작용에 대해 설명한다.
차량(6)에 걸리는 하중으로 차축(4)(5)이 휘면 센싱소자(1)의 판모양 부재(2)가 2점의 용접부(12a)(12b)를 통해 압축된다. 그러면 하중센서(3)는 도 7과 같이 판모양 부재(2)의 길이방향(X)에 있어 대향하는 한쌍의 저항체(14a)(14c)는 원래의 치수에서 변하지 않지만 판모양 부재(2)의 폭방향(Y)에 있어 대향하는 한쌍의 저항체(14b)(14d)가 원래의 위치로부터 같은 길이씩 각각 줄어들어 저항체(14a)(14c)의 저항치(R14a)(R14c)는 원래 값에서 변하지 않지만 저항체(14b)(14d)의 저항치(R14b)(R14d)가 원래 값에서 같은 값씩 각각 내려간다. 이에 따라 단자부(14f)에 나타나는 전위 V4f= V * {R14b/(R14b+ R14c)}가 원래 값에서 내려감과 동시에 단자부(4h)에 나타나는 전위 V4h= V * {R14a/(R14a+ R14σ)}가 원래값에서 올라감에 따라 단자부(4f)(4h)사이의 전위차(V4f-V4h)가 원래 값에서 변화한다. 이 때문에 차량(6)에 걸리는 하중등으로 차축(4)(5)이 뒤로 젖혀지도록 휘면 하중센서(3)의 출력이 원래 값에서 변화한다. 이 출력의 변화는 하중의 증감에 비례한다.
각 하중센서(3)로부터의 신호는 도시하지 않은 제어장치에 입력되고 제어장치는 각 하중센서(3)로부터의 신호를 기초로 적하의 중량을 연산하며, 예를들면 적하의 중량이 제한중량을 넘으면 운전석 등에 배치된 경보기를 작동시킨다.
또한 상기 실시예에서는 센싱소자를 고정하는 하중측정개소를 차축으로서 설명했지만 그 외 사출성형기의 피스톤, 저류탱크의 벽면 등에도 센싱소자를 고정하여 그것들에 걸리는 하중을 측정할 수도 있다.
전술한 바와같이 본 발명에 따르면 센싱소자의 지지체인 판모양 부재의 길이방향의 중앙부 부근에 하중센서가 배치되고, 판모양 부재의 길이방향이 하중측정개소에 걸리는 인장력 또는 압축력의 방향을 따라 신축하도록 이 판모양 부재가 하중측정개소에 따라서 이 판모양 부재의 길이방향의 양단이 하중측정개소에 용접된 센싱소자의 고정구조이며, 판모양 부재를 용접에 의해 고정하므로 판모양부재를 하중측정개소에 간단히 장착할 수 있다. 또 판모양 부재의 덜컹거림을 방지하여 정밀하게 하중을 측정할 수 있고 반복측정을 행해도 같은 정밀도로 측정할 수 있다.또 센싱소자의 용접은 2곳에서 행해질 뿐이므로 그 이상의 개소에서 용접하는 경우에 비해 센싱소자에 걸리는 비틀림방향의 용접응력을 방지할 수 있고 안정된 왜곡검출을 행할 수 있다. 또한 하중센서로부터 더욱 떨어진 개소를 용접하므로 하중센서 등에 대한 전열에 의한 영향을 방지할 수 있다.
또 센싱소자의 고정구조에 있어서 판모양 부재는 하중측정개소에 걸리는 압축력에 의해 좌굴을 일으키지 않을 정도로 얇게 형성된 것으로 하중측정개소에 적절히 용접할 수 있다. 또 판모양 부재는 좌굴에 의한 휨을 회피할 수 있는 얇기이기 때문에 정밀한 하중을 검출할 수 있다.
또한 센싱소자의 고정구조에 있어서 하중센서가 판모양 부재의 표면에 형성된 절연영역상에서 도전성 재료로 이루어지는 4개의 저항체를 브릿지접속하고, 이들 저항체 끼리의 접속개소 중 한쪽의 대각선상의 2개의 접속개소사이에 전압을 인가하는 것을 다른쪽의 대각선 상의 2개의 접속개소 사이에 발생하는 전위차가 판모양 부재에 작용하는 압축력 또는 인장력에 따라 변화하도록 구성되며 4개의 저항체 중 2개의 저항체가 판모양 부재의 길이방향으로 간격을 두어 대향함과 동시에 다른 2개의 저항체가 폭방향으로 간격을 두고 대향하도록 절연영역상에 배치되는 것으로 용접부를 통해 판모양 부재에 가해지는 압축력 또는 인장력을 저항체에 미치게 하여 저항체의 저항치를 변화시킬 수 있기 때문에 적절하게 하중을 검출할 수 있다.

Claims (5)

  1. 하중측정개소에 부착된 센싱소자용 고정구조로서,
    상기 하중측정개소에 부착된 판모양 부재와,
    길이방향으로 상기 판모양부재의 중앙부에서 상기 판모양부재에 의해 지지되는 하중센서를 구비하고,
    판모양 부재의 길이방향으로 양단이 하중측정개소에 용접되고 하중측정개소에 걸리는 인장력 또는 압축력에 따라 길이방향으로 신축하며,
    상기 센싱소자는 그 판모양부재의 길이방향이 인장력 또는 압축력의 방향에 따르도록 차축에 고정되는 것 특징으로 하는 센싱소자의 고정구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 판모양 부재는 상기 하중측정개소에 걸리는 압축력에 의해 좌굴을 일으키지 않을 정도로 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 센싱소자의 고정구조.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하중센서는 상기 판모양 부재의 절연영역상에 배치된 4개의 저항체를 브릿지접속하고,이들 저항체는 4개의 접속개소에서 접속되며,
    이들 저항체 끼리의 접속개소 중 한쪽의 대각선상의 2개의 접속개소 사이에 전압을 인가하는 것으로 다른 쪽의 대각선상의 2개의 상기 접속개소 사이에 발생하는 전위차가 상기 판모양 부재에 작용하는 압축력 또는 인장력에 따라 변화하도록 구성되며,
    상기 4개의 저항체 중 2개의 저항체가 상기 판모양 부재의 길이방향으로 간격을 두고 대향함과 동시에 다른 2개의 저항체가 폭방향으로 간격을 두고 대향하도록 상기 절연 영역상에 배치되는 것을 특징으로 하는 센싱소자의 고정구조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 판모양 부재는 2개 부위에서 상기 하중측정개소에 용접되는 것을 특징으로 하는 센싱소자의 고정구조.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 판모양 부재와 상기 하중측정개소 사이에는 상호 간극이 형성되도록 용접되는 것을 특징으로 하는 센싱소자의 고정구조.
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