KR101626885B1 - 하중 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

고감도 하중 검출 장치는 원통형의 주벽부, 해당 주벽부와 동축 상에 관통공이 형성되고 주벽부가 재치되는 재치면 사이에 틈새를 갖고 주벽부의 내주면에 지지되는 원판형의 원판형 부재, 적어도 관통공에 대향하는 측의 형상이 관통공의 내경보다 큰 직경을 갖는 구 형상으로 형성되는 동시에 관통공에 재치되어 검출 대상의 하중이 입력되는 하중 입력부, 및 관통공에 대해 점대칭이 되도록 원판형 부재에 배치되고 하중 입력부에 입력되는 하중에 따른 스트레인을 검출하는 센서를 구비한다.

Description

하중 검출 장치{Load detection device}
본 발명은, 예를 들면 차량에 구비되는 각종 장치에 입력되는 하중을 검출하는 하중 검출 장치에 관한 것이다.
종래에는 이러한 하중 검출 장치에 관한 기술로서　하기 특허 문헌 1 및 2에 기재된 것이 있었다.　
특허 문헌 1에 기재된 다이어프램형 하중 검출 센서는 설치부에 장착되는 고정부와 고정부의 중심으로 검출 대상의 하중이 가해지는 볼록 가중부를 포함하는 스트레인 발생부(strain generating portion)와 해당 스트레인 발생부에 배치된 스트레인 게이지를 구비하여 구성된다. 스트레인 게이지는 스트레인 발생부에 대하여 가중부의 중심 축으로부터 일정한 거리에서 균등하게 약 전체 둘레에 걸쳐 배치되고, 고정부는 설치부에 고정 나사를 이용하여 체결 고정된다.
특허 문헌 2에 기재된 하중 센서는　스트레인(strain) 검출 소자가 재치되고(올려놓아지고), 스트레인에 따라 변형하는 중앙에 구멍을 갖는 베이스 및　해당 베이스에 의해 지지되어 하중의 입력부가 되는 구(球)체를 구비하여 구성된다.
특허 문헌 1 일본 특허 공개 2004-156938 호 공보 특허 문헌 2 일본 특허 공개 2006-194709 호 공보
특허 문헌 1에 기재된 기술에서는 스트레인 발생부의 중앙부에 볼록 가중부가 형성되어 있으므로 해당 가중부에 응력이 집중하고, 하중이 가해졌을 때 스트레인 발생부의 직경 방향 외측　부위에 발생하는 압축 변형보다 가중부 근방에 발생하는 인장 변형이 더 커진다. 그러므로 스트레인 발생부에 발생하는 인장 변형과 압축 변형의 크기가 불균형해져 고감도화가 쉽지 않다.
또한, 특허 문헌 2에 기재된 기술에서는 스트레인 검출 소자가 설치되는 베이스가 직접 재치면에 설치되어 있다. 따라서 베이스에는 압축력　밖에 작용하지 않고, 구체에 입력된 하중이 작은 경우에는 스트레인 검출 소자가 변형되기 어려워져 검출 감도가 낮아진다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 감안하여 고감도 하중 검출 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하중 검출 장치의 특징 구성은 원통형의 주벽부, 상기 주벽부와 동일 축 상에 관통공이 형성되고 상기 주벽부가 재치되는 재치면과의 사이에 틈새를 갖고 상기 주벽부의 내주면에　의해 지지되는　원판형의 원판형 부재, 적어도 상기 관통공에 대향하는 측의 형상이 상기 관통공의 내경보다 큰 직경을 갖는　구(球) 형상으로 형성되는 동시에 상기 관통공에 재치되어 검출 대상의 하중이 입력되는 하중 입력부, 및 상기 관통공에 대해 점대칭이 되도록 상기 원판형 부재에 배치되고 상기 하중 입력부에 입력되는 하중에 따른 스트레인을 검출하는 센서를 구비하고 있는 점에 있다.
이러한 특징 구성이라면 원판형 부재를 재치면에서　뜬　상태로 만들 수 있기 때문에 원판형 부재를 하중 입력부에 입력된 하중에 따라 변형되기 쉽게 만들 수 있다. 그러므로　하중 입력부에 입력된 하중이 감쇠하는 것을 억제하면서　해당 하중을 원판형 부재에 배치된 센서에 전달할 수 있기 때문에 검출 감도를 높이는 것이 가능하다. 또한, 센서가 관통공에 대해 점대칭으로 배치되어 있기 때문에 하중 입력부에 입력되는 하중의 방향과 관계없이 검출하는 것이 가능하다.
또한, 상기 센서가 상기 관통공의 주위에 감도 방향을 원주 방향에　부합시켜 원주 방향으로 균등 배치된 제1 센서군과 상기 관통공의 주위에 감도 방향을 직경 방향에 부합시켜　원주 방향으로 균등 배치된 제2 센서군을 구비하여 구성되고, 상기 제1 센서군은 상기 제2 센서군의 직경 방향 내측에 배치되는 것이　바람직하다.
이 때, 센서의 감도 방향은 하중을 검출할 수 있는 검출 방향이며, 센서의 구조에 의해 결정되는 것이다. 하중 입력부에 하중이 입력되면, 원판형 부재의 직경 방향 중앙 측 부분에는　원주 방향으로 스트레인이　생기고,　직경 방향 외측 부분에는 직경 방향으로 스트레인이 생긴다. 그러므로　상술한 구성이라면, 제1 센서군에서 원주 방향의 스트레인을 검출하고, 제2 센서군에서 직경 방향의 스트레인을 검출하기 쉽도록 만드는 것이 가능하다. 따라서 제1 센서군 및 제2 센서군에 의해 각각의 부분에 발생하는 스트레인을 검출하기 쉬워지므로 검출 감도를 높일 수 있다.
또한, 상기 원판형 부재는 직경 방향 외측의 외환부(outer ring portion)와 해당 외환부의 직경 방향 내측의 내환부(inner ring portion)를 포함하여 구성되고, 상기 내환부는　직경 방향 내측일수록 두께가 얇게 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성이라면, 하중 입력부에 입력되는 하중에 의해 원판형 부재를 변형하기 쉽게 만들 수 있다. 따라서 검출 감도를 높이는 것이 가능하다.
또한, 상기 원판형 부재는 상기 주벽부의 축 방향 중앙 측에서 지지되어 있는 것이　바람직하다.
이러한 구성이라면, 원판형 부재보다도 재치면측의 주벽부와　재치면과 반대측의 주벽부에서 원판형 부재를 유지하는 형태가 되고, 특히 원판형 부재 주변부와 주벽부와의 접속부 부근의 강성이 높아진다. 따라서 외부로부터의 하중에 의해 원판형 부재를 이상적으로 변형시키는 것이 가능해지고,　검출 감도를 높일 수가 있다.
또한, 상기 재치면에 평행하는 방향으로의 상기 주벽부의 이동을 규제하는 스토퍼가 상기 재치면에 부설되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성이라면, 하중 입력부에 입력된 하중에 의해 주벽부가 이동하는 것을 억제하고, 해당 하중에 의한 주벽부를 변형하기 쉽게 만들 수 있다. 따라서 주벽부의 스트레인에 따라 원판형 부재도 변형하기 쉽게 만들 수 있기 때문에 검출 감도를 높이는 것이 가능하다.
이 때, 상술한 하중 센서는 예를 들어 차량의 각 기능부에 작용하는 하중을 검출하는 데 이용된다. 차량에 탑재되는 경우에는 특히 저(低)연비화의 관점에서 경량화 및 소형화가 요구된다. 경량화 및 소형화 방법의 하나로서 하중 검출 장치의 제품 높이를 낮게 하는(저배화, 높이 낮추기) 것을 고려할 수 있다. 구체적으로는 예를 들어, 하중 입력부를 반구형, 나아가서는 그 이상으로　얇게 자른 형상으로 하는 것을 고려할 수 있다. 그러나 하중 입력부를 얇게 자른 형상으로 구성하면, 입력되는 하중의 크기(검출 대상으로의 하중의 크기) 및 하중이 입력되는 위치에 따라서는 해당 하중 입력부에 큰 굽힘 응력이 더해져, 그 형상에 따라서는 해당 하중 입력부에 소성 변형 및 파단 등이 발생할 가능성이 있다.
그래서 상기 하중 입력부가 상기 검출 대상의 하중이 입력되는 입력면과 상기 입력면의 반대편에 형성된 곡면 형상의 출력면을 갖고, 상기 출력면에서 하중을 출력하고, 상기 원판형 부재가 상기 하중 입력부의 곡면과 상기 하중 입력부의 중심을 중심으로 하는 연속적인 원형 선 또는 파단된 원형 선으로　접촉하는 접촉부를 포함하고, 상기 주벽부가 상기 원판형 부재를 재치면 사이에서 지지하는 지지 부재이고, 상기 입력면의 직경 범위가 상기 하중 입력에 따른 상기 원판형 부재의 굴곡에 따라 변화하는 상기 접촉부의 지름을 기준으로 설정되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성이라면, 하중 입력부의 높이를 낮게 하여 구성할 수 있다. 그러므로 하중 검출 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 하중 검출 장치를 축 방향으로　볼 때 하중이 입력되는 입력면과 접촉부의 위치를 가까이 할 수 있다. 그러므로 하중이 입력된 때에 하중 입력부에 작용하는　굽힘 모멘트를 작게 하여 하중 입력부에 입력되는 하중과 접촉부와의 위치 어긋남에 따른 굽힘 응력을 저감할 수 있다. 따라서 내구신뢰성이 우수한 하중 입력부를 포함하는 하중 검출부를 구현할 수 있다.
또한, 상기 입력면이 상기 하중 입력에 따른 상기 원판형 부재 굴곡에 따라 변화하는 상기 접촉부의 직경 방향에 부합하는　최대 변화량을 기준으로 설정되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성이라면, 하중의 입력에 따라 접촉부의 위치가 가장 크게 이동한 경우에도 하중 검출 장치를 축 방향으로 볼 때 하중이 입력된 입력면과 접촉부의 위치가　너무 떨어지지 않도록 설정할 수 있다. 따라서 하중 입력부에 입력되는 하중에 따른 굽힘 응력의 저감 효과를 더욱 높일 수 있다.
또한, 상기 입력면은 상기 원판형 부재의 굴곡에 따라 상기 접촉부의 지름이 변화한 경우에도 축 방향을 따라　본 경우에 상기 접촉부와 중복되는 영역에 설정되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성이라면, 하중의 입력에 따라 접촉부의 위치가 가장 크게 이동한 경우에도 하중 검출 장치를 축 방향으로 볼 때　하중이 입력된 입력면과 접촉부의 위치를 일치시킬 수 있다. 따라서 하중의 입력에 따라 생기는 굽힘 응력의 억제 효과를 더 높일 수 있다.
또한, 상기 입력면에는 환형의 중간 가압 부재가 재치되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 구성이라면, 하중 입력부의 입력면에 대해 환형에 하중을 입력하는 것이 가능하다. 따라서 하중 검출 장치를 축 방향으로　볼 때 원주 방향으로 설치되는 접촉부의 위치에 하중이 입력되는 입력면을 일치시킬 수 있기 때문에 하중 입력부에 생기는 굽힘 응력을 저감할 수 있다.
또한, 상기 하중 입력부와 접촉하는 상기 중간 가압 부재의 면의 원주　방향에 수직인 단면 및 상기 중간 가압 부재와 접촉하는 상기 하중 입력부의 면의　원주　방향에 수직인 단면 중 적어도 한 쪽이 곡면인 것이 바람직하다.
이러한 구성에서도 곡면으로 형성된 부위를 하중에 따라 변형시키는 것이 가능하다. 그러므로　하중의 입력에 따라 위치가 변하는 접촉부와 마찬가지로 하중의 입력 중심의 위치도 이동시킬 수 있기 때문에 하중 검출 장치를 축 방향으로　볼 때 하중이 입력된 입력면과 접촉부의 위치를 가까이 할 수　있다. 따라서 하중의 입력에 따라 생기는 굽힘 응력을 억제할 수 있다.
또한, 상기 하중 입력부는 상기 중간 가압 부재가 재치되는 측면이 평면이고, 상기 중간 가압 부재 중 상기 하중 입력부에 접촉하는 면의 상기 원주 방향에 수직인 단면이 곡면인 것이 바람직하다.
이러한 구성이라면, 하중 입력부에 접하는 중간 가압 부재를 하중에 따라 변형시킬 수 있다. 그러므로 하중의 입력에 따라 위치가 변하는 접촉부와 마찬가지로 하중의 입력 중심의 위치도 이동시킬 수 있기 때문에 하중 검출 장치를 축 방향으로 볼 때 하중이 입력된 입력면과 접촉부의 위치와 가까이 할 수 있다. 따라서 하중의 입력에 따라 생기는 굽힘 응력을 억제할 수 있다.
도 1은 제1 실시 예에 따른 하중 검출 장치의 측방 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 제1 실시 예에 따른 하중 검출 장치를 아래쪽에서 본 도면이다.
도 3은 센서의 연결 형태를 나타내는 회로도이다.
도 4는 제1 실시 예에 따른 스트레인 발생부의 각 부의 치수 설정에 대해 나타내는 도면이다.
도 5는 제1 실시 예에 따른 스트레인 발생부의 파라미터를 설정할 때 사용한 센서의 연결 형태를 나타내는 회로도이다.
도 6은 제1 실시 예에 따른 주벽부의 파라미터 설정에 대한 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 제1 실시 예에 따른 원판형 부재 파라미터 설정에 대한 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 제1 실시 예에 따른 접촉 직경의 파라미터 설정에 대한 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 제2 실시 예에 따른 하중 검출 장치의 측방 단면을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 제2 실시 예에 따른 하중 검출 장치를 개략적으로 나타낸 전개 사시도이다.
도 11은 제2 실시 예에 따른 하중 검출 장치를 아래쪽에서 본 도면이다.
도 12는 제2 실시 예에서 접촉부보다 직경 방향 외측에 하중이 입력된 경우의 예에 대해 나타내는 도면이다.
도 13은 제2 실시 예에서 접촉부보다 직경 방향 내측에 하중이 입력된 경우의 예에 대해　나타낸 도면이다.
도 14는 제2 실시 예에 따른 하중 입력 중심과 접촉부와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는　다른 실시 예에 따른 스토퍼를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 16은 다른　실시 예에 따른 스토퍼를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 17은 다른 실시 예에 따른 중간 가압 부재에 대해 나타내는 도면이다.
[제1 실시 예]
이하, 본 발명의 제1 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 하중 검출 장치(100)는 외부로부터 입력되는 하중을 검출하는 기능을 구비하고 있다. 이하, 하중 검출 장치(100)에 대해 도면을 이용하여 설명한다.
도 1은 본 실시 예에 따른 하중 검출 장치(100)의 측방 단면을　나타내고, 도 2는 하중 검출 장치(100)를 아래쪽에서 본 개략도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 하중 검출 장치(100)는 스트레인 발생부(10), 하중 입력부(20), 센서(30)를 포함하여 구성된다. 스트레인 발생부(10)는 주벽부(11)와 원판형 부재(15)를 포함하여 구성된다.
주벽부(11)는 관형으로 되어있다. 본 실시 예에서 주벽부(11)는 원통형으로 구성되어 있다. 즉, 주벽부(11)는 축 방향으로 직교하는 단면이 원형인 원통형으로 구성된다.
원판형 부재(15)는 주벽부(11)와 동축 상에 관통공(16)이 형성되고 주벽부(11)가 재치되는 재치면(40)과의 사이에 간극을 갖고 주벽부(11)의 내주면(12)에 지지되는 원판형으로 구성된다. 즉, 원판형 부재(15)의 중심부에는 관통공(16)이 형성되고, 해당 관통공(16)은 원판형 부재(15)를 축 방향으로 관통하고 있다. 따라서 원판형 부재(15)는 이른바 도넛형으로 구성된다. 이러한 원판형 부재(15)는 해당 원판형 부재(15)의 외주면이 주벽부(11)의 내주면(12)에 맞닿아 고정된다. 이 경우, 자세한 내용은 후술하지만, 주벽부(11)와 원판형 부재(15)의 고정은 원판형 부재(15)에 작용하는 하중이 주벽부(11)에 전달될 때 감쇠되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
그러므로 주벽부(11) 및　원판형 부재(15)는 하중을 받아 변형 가능한 재료, 예를 들어 세라믹이나 알루미늄, 스테인레스 등의 재료를 이용하여 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나 원판형 부재(15)에 작용하는 하중이 주벽부(11)에 전달될 때 감쇠되지 않는 것이면, 주벽부(11)와 원판형 부재(15)는　별체로　형성될　수도 있다.
이 때, 본 실시 예에서 원판형 부재(15)는 주벽부(11)의 축 방향 중앙 측에서 지지된다. 즉, 원판형 부재(15)는 주벽부(11)의 쌍방의 축 방향 단부에서 이격되어 주벽부(11)의 내주면(12)에 지지된다. 그러므로 주벽부(11)를 한 쪽의　축 방향 단부를 저(低)부로 하여 재치면(40)에 재치하면, 원판형 부재(15)와 재치면(40) 사이에 틈새가 생기도록 구성된다. 따라서 원판형 부재(15)보다도 재치면(40)과는 반대측의 주벽부(11)를 제1 주벽부(51)로 하고, 원판형 부재(15)보다도 재치면(40) 측의　주벽부(11)를 제2 주벽부(52)로 하면, 제2 주벽부(52), 원판형 부재(15) 및 재치면(40)에 의해 공간(41)이 형성된다. 한편, 제1 주벽부(51)의 축 방향 단면, 제1 주벽부(51) 및 원판형 부재(15)에 의해 공간(42)이 형성된다.
또한, 원판형 부재(15)는 외환부(17)와 내환부(18)를 포함하여 구성된다. 도 2에 나타낸 바와 같이 외환부(17)과 내환부(18)는 직경 방향으로 연속하여 구성된다. 원판형 부재(15)를 축 방향으로 보고, 직경 방향 외측 부위가 외환부(17)에 상응한다. 또한, 외환부(17)의 직경 방향 내측이 내환부(18)에 상응한다. 본 실시 예에서 외환부(17)는 두께가 균일하게 형성된다. 한편, 내환부(18)는 직경 방향 내측일수록 두께가 얇게 형성된다. 상술한 바와 같이, 원판형 부재(15)의 직경 방향 중앙부에는 관통공(16)이 형성된다. 그러므로 내환부(18)는 외환부(17)와의 경계(도 2에서 점선으로 나타낸 부위)에서 관통공(16)을 향해 점차 얇아지도록 형성된다. 본 실시 예에서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 원판형 부재(15)를 직경 방향에서 볼 때 원판형 부재(15)의 재치면(40)에 대향하는 측의 면(71)이 평탄하게 되도록 외환부(17)와 내환부(18)가 형성되고, 원판형 부재(15)의 재치면(40)에 대향하는 측의 면(71)과는 반대측의 면(72)의 직경 방향 내측에 테이퍼형부(73)를 갖도록 형성된다.
하중 입력부(20)는 적어도 관통공(16)에 대향하는 측의 형상이 관통공(16)의 내경보다 큰 직경을 갖는 구 형상으로 형성되는 동시에 관통공(16)에 재치되어 검출 대상의 하중이 입력된다. 도 1에 나타낸 바와 같이 적어도 관통공(16)에 대향하는 측이란, 원판형 부재(15)의 면(72)에 대향하는 측이다. 하중 입력부(20)는 이러한 측의 형상이 구 형상으로 구성된다. 따라서 본 실시 예에서 하중 입력부(20)는 구 형상으로 형성된다.
구 형상의 직경은 관통공(16)의 내경보다 크도록 구성된다. 또한, 원판형 부재(15)는 직경 방향 중앙 측이 테이퍼형부(73)를 가지도록 구성된다. 본 실시 예에서는 이러한 테이퍼형부(73)에 하중 입력부(20)가 재치된다. 따라서 하중 입력부(20)는 관통공(16)을 관통하지 않고, 테이퍼형부(73)와 환형에 선접촉할 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 센서(30)는 원판형 부재(15)를 축 방향으로 보고, 관통공(16)에 대해 점 대칭이 되도록 원판형 부재(15)에 배치된다. 본 실시 예에서 센서(30)는 공지의 스트레인 검출 소자로 구성된다. 자세한 설명은 생략하지만, 스트레인 검출 소자는 외부로부터 입력되는 하중에 따라 자기 변형함으로써 저항 값이 변화한다. 이 저항 값의 변화에 따라 스트레인을 검출할 수 있다. 이러한 센서(30)는 원판형 부재(15)의 면(71)에 배치된다. 이로 인해, 하중 입력부(20)에 입력되는 하중에 따라 원판형 부재(15)가 변형하고, 해당 변형으로 인해 센서(30)에 생긴 스트레인을 검출할 수 있다.
본 실시 예에서 센서(30)는 가늘고 긴 형상으로 형성된다. 즉, 상면에서 보았을 때 사각형 형상을 가지도록 구성된다. 또한, 본 실시 예에서 센서(30)는 복수로 구성되어, 제1 센서군(31)과 제2 센서군(32)을 구성한다. 본 실시 예에서 제1 센서군(31) 및 제2 센서군(32)도 각각 복수의 가늘고　긴 형상의 센서(30)로 구성된다.
제1 센서군(31)은 센서(30)가 관통공(16)의 주위에 종방향(본 실시 예의 센서(30)의 감도 방향은　종방향이라 함)(길이 방향)을 원주 방향에 부합시켜 원주 방향으로 균등 배치된다. 센서(30)의 종방향을 원주 방향에　부합시키는 것은　센서(30)의 종방향이 관통공(16)의 바깥 가장자리의 접선과 평행하게 배치하는 것을 의미한다. 본 실시 예에서 제1 센서군(31)은 4 개의 센서(30)를 포함하여 구성된다. 이러한 4 개의 센서(30)는 관통공(16)을 중심으로 균등하게 즉, 원판형 부재(15)의 축심을 회전축으로　하여　90도마다 위치를　이동하여 배치된다.
이로 인해, 하중 입력부(20)에 외력이 작용하면 내환부(18)는 하방으로 변위한다. 이때 내환부(18)는 관통공(16)의 원주 방향을 따라 인장력이 작용한다. 따라서 제1 센서군(31)은 주로 인장 변형을 검출하게 된다.
또한, 제2 센서군(32)은 관통공(16)의 주위에 종방향을 직경 방향에 부합시켜　원주 방향으로 균등 배치된다. 센서(30)의 종방향을 직경 방향에 부합시키는 것은 센서(30)의 종방향이 원판형 부재(15)의 직경 방향에 일치시켜 배치하는 것을 말한다. 본 실시 예에서, 제2 센서군(32)은 4 개의 센서(30)를 포함하여 구성된다. 이러한 4 개의 센서(30)는 관통공(16)을 중심으로 균등하게 즉, 원판형 부재(15)의 축심을 회전축으로 하여　90도마다 위치를 이동하여 배치된다.
이로 인해, 하중 입력부(20)에 외력이 작용하면 내환부(18)는 하방으로 변위한다. 이때 외환부(17)에 굴곡이 생겨, 해당 외환부(17)의 이면에는 압축력이 작용한다. 따라서 제2 센서군(32)은 주로 압축 변형을 검출하게 된다.
이러한 제1 센서군(31)과 제2 센서군(32)은 제1 센서군(31)이 제2 센서군(32)의 직경 방향 내측이 되도록 배치된다. 또한, 본 실시 예에서는 제1 센서군(31)과 제2 센서군(32)이 원주 방향으로 위치를 이동하여 배치된다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 센서군(31)과 제2 센서군(32)은 원판형 부재(15)의 축심을 회전축으로 하여 45도마다 위치를 이동하여, 제1 센서군(31)을 구성하는 종방향이 원주 방향에　부합하는 센서(30)와 제2 센서군(32)을 구성하는 종방향이 직경 방향에　부합하는 센서(30)가 원주 방향으로 교대로 나란히 배치된다.
본 실시 예에서 센서(30)는 공지의 스트레인 검출 소자를 이용하여 구성된다. 본 실시 예에서는 제1 센서군(31) 및 제2 센서군(32)의 각각을 구성하는 4 개의 스트레인 검출 소자 중 직경 방향으로 서로 대향하는 2 개의 스트레인 검출 소자를 직렬 연결하여, 도 3에 도시된 바와 같이 휘트스톤 브리지 회로를 구성한다. 이 휘트스톤 브리지 회로는 스트레인 검출 소자에 인장력이 작용한 경우에는 저항 값이 증가하고, 스트레인 검출 소자에 압축력이 작용한 경우에는 저항 값이 감소하도록 구성되어 있다. 이러한 저항 값의 변화를 전압 또는 전류의 변화에 의해 요구하여 하중을 검출하고 있다. 이러한 스트레인 검출 소자 및 휘트스톤 브리지 회로에 대해서는 공지이기 때문에 설명은 생략한다.
이와 같이　하중 검출 장치(100)를 구성함으로써 하중 입력부(20)에 하중이 주어진 경우, 제1 센서군(31)에서는 압축 변형이 발생하고, 제2 센서군(32)에서는 인장 변형이 발생할 수 있다. 따라서 좋은 감도로　하중을 검출하는 것이 가능하다.
다음으로, 스트레인 발생부(10)의 각 부의 치수 설정에 대해 도 4를 이용하여 설명한다. 도 4에 나타낸 바와 같이 하중 입력부(20)가 구 형상으로 구 직경(S)으로서 구성되고, 관통공(16)의 내경을 φd로 하고, 원판형 부재(15)의 외경 즉, 주벽부(11)의 내경을 φD로 한다. 또한, 원판형 부재(15)의 외환부(17)의 두께를 T로 한다. 원판형 부재(15)의 면(71)에서 재치면(40) 측의 주벽부(11)의 한 쪽의 축 방향 단부까지의 축 방향 길이(제2 주벽부(52)의 축 방향 길이)를 H2로 하고, 원판형 부재(15)의 면(72)에서 주벽부(11)의 다른 쪽의 축 방향 단부까지의 축 방향 길이(제1 주벽부(51)의 축 방향 길이)를 H1로 한다.
원판형 부재(15)의 면(71)에는 센서(30)가 설치된다. 도 5의 예에서 제1 센서군(31)은 저항 값(R1 및 R3)을 갖는 센서(30)로 구성되어 원주 방향에 발생하는 스트레인을 검출한다. 또한, 제2 센서군(32)은 저항　값(R2 및 R4)을 갖는 센서(30)로 구성되어 직경 방향에 발생하는 스트레인을 검출한다. 이러한 센서(30)에 의해, 도 5와 같은 브리지 회로가 형성되어 있다. 센서(30)에 인장 변형 및 압축 변형이 발생하면, 센서(30)는 인장 변형 및 압축 변형에 따라 저항 값이 변화하고, 해당 변화에 따라 출력 전압이 증폭기(Amp)(70)에서 출력된다.
이 경우에도 센서(30)는 주벽부(11)의 축심에 대해 점대칭(회전 대상)으로 배치하고, 브리지 회로의 4변에 균등하게 연결함으로써 하중의 경사로 인한 스트레인 발생부(10)에 발생하는 스트레인의 불균형의 영향에 의한 하중 검출 오차가 포함되는 것을 피할 수 있다.
이 때, S = 50mm, φD = 40mm, T = 3mm, φd = 17mm로서 스트레인 발생부(10)를 구성하여, H1 및 H2를 변화시킨 경우에는 센서(30)에 발생하는 스트레인의 크기 비율에 미치는 영향에 대해 살펴봤다. 이러한 결과가 도 6에 나타난다. 도 6에서 가로축은 H1 / T의 비율이며, 세로축은 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이다. 또한, 도 4에서 S, φD, T, φd 등의 부호는 이해하기 쉽도록 나타낸 것이며, 상기 사이즈에 맞춘 것은 아니다.
도 6에 나타낸 바와 같이, H1 및 H2를 원판형 부재(15)의 두께(T)에 대해 확대함에 따라 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이 커지고 있는 것으로 나타났다. 이 때, 하중 검출 장치(100)의 감도는 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이 1에 가까워지면 고감도가 된다. 고감도 하중 검출 장치(100)의 기준으로, 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이 예를 들어 0.8이라 하면, H1 / T의 비율이 0.6 이상, H2 / T의 비율이 1.3 이상인 것이 바람직한 것으로 나타났다.
다음으로 S = 50mm, φD = 40mm, T = 3mm, H1 = 4mm, H2 = 5mm로서 스트레인 발생부(10)를 구성하여, φd를 변화시킨 경우에 센서(30)에 발생하는 스트레인의 크기 비율에 미치는 영향에 대해 살펴봤다. 이러한 결과가 도 7에 나타난다. 도 7에서 가로축은 φD / φd의 비율이며, 세로축은 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, φD / φd 비율을 확대함에 따라 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이 작아지고 있는 것으로 나타났다. 즉, φD / φd의 비율을 조정하여 하중 검출 장치(100)의 감도가 조정되는 것으로 나타났다. 이 때, 하중 검출 장치(100)의 감도는 상술한 바로는 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이 1에 가까워지면 고감도가 된다. 고감도 하중 검출 장치(100)의 기준으로, 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이 예를 들어 0.9 이상 1.1 이하로 하면 φD / φd의 비가 1.6 ~ 2.1 정도가 좋은 것으로 나타났다.
다음으로,　φD = 40mm, T = 3mm, H1 = 4mm, H2 = 5mm, φd = 21mm로서 스트레인 발생부(10)를 구성하여, 하중 입력부(20)의　구 직경(S)을 변화시켜 하중 입력부(20)와 원판형 부재(15)가 환형에 접촉하는 접촉 직경(φL)을 변화시킨 경우에 센서(30)에 발생하는 스트레인의 크기 비율에 미치는 영향에 대해 살펴봤다. 이러한 결과가 도 8에 나타난다. 도 8에서 가로축은 φD / φL의 비율이며, 세로축은 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, φD / φL 비율을 확대함에 따라 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이 커지고 있는 것으로 나타났다. 즉, φD / φL의 비율을 조정함으로써 하중 검출 장치(100)의 감도가 조정되는 것으로 나타났다. 이 때, 하중 검출 장치(100)의 감도는 상술한　바로는 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이 1에 가까워지면 고감도가 된다. 고감도 하중 검출 장치(100)의 기준으로 직경 방향의 발생 스트레인(εr)과 원주 방향의 발생 스트레인(εθ)의 비율이 예를 들어 0.9 이상 1.1 이하라 하면 φD / φL의 비율이 1.45 ~ 1.7 정도가 바람직한 것으로 나타났다. 즉, 접촉 직경(φL)은 관통공(16)보다 약간 외측에서 고감도가 된다. 또한, 관통공(16)의 주변에 배치되는 센서(30)는 설치 형편 상, 관통공(16)을 따라 배치하는 것은 어렵고, 관통공(16)보다 약간 외측에 배치된다. 따라서 접촉 직경(φL)과 관통공(16)의 주변에 배치되는 센서(30)와의 거리가 가까운 경우에 고감도가　되는 것으로 나타났다.
이와 같이 본 실시 예에 따른 하중 검출 장치(100)에 의하면, 원판형 부재(15)를 재치면(40)에서 뜬 상태로 만들기 때문에, 원판형 부재(15)를 하중 입력부(20)에 입력된 하중에 따라 변형하기 쉽게　만들 수 있다. 그러므로 하중 입력부(20)에 입력된 하중이 감쇠되는 것을 억제하면서,　해당 하중을 원판형 부재(15)에 배치된 센서(30)에 전달할 수 있다. 따라서 검출 감도를 높이는 것이 가능하다. 또한, 센서(30)가 관통공(16)에 대해 점대칭으로 배치되어 있기 때문에 하중 입력부(20)에 입력되는 하중의 방향에 관계없이 검출할 수 있다.
[제2 실시 예]
다음으로 하중 검출 장치의 제2 실시 예에 대해 설명한다. 본 실시 예에 따른 하중 검출 장치는 제품의 높이를 낮게 한 저배(低背, 낮은 높이) 사양이라도 외부에서 입력되는 하중을 적절히 검출할 수 있도록 구성되어 있다. 이하, 본 실시 예의 하중 검출 장치에 대하여 도면을 이용하여 설명한다.
도 9는 본 실시 예에 따른 하중 검출 장치(100)의 측방 단면도이다. 도 10은 하중 검출 장치(100)의 일부를 단면으로 한 전개 사시도이다. 도 11은 하중 검출 장치(100)를 아래쪽에서 본 개략도이다. 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이 하중 검출 장치(100)는 스트레인 발생부(10), 하중 입력부(20) 및 센서(30)를 포함하여 구성된다. 스트레인 발생부(10)는 지지 부재(13)와 원판형 부재(15)를 포함하여 구성된다.
본 실시 예에서 지지 부재(13)는 상기 제1 실시 예의 주벽부(11)에 해당한다. 지지 부재(13)는 관형으로 이루어지고, 원통형으로 구성되어 있다. 즉, 지지 부재(13)는 축 방향에 직교하는 단면이 원형인 원통형으로 구성된다.
하중 입력부(20)는 검출 대상에서 하중이 입력되는 입력면(24)과 해당 입력면(24)의 반대편에 형성된 곡면 형상의 출력면(29)을 가지며 해당 출력면(29)에서 하중을 출력한다. 본 실시 예에서 하중 입력부(20)는 예를 들어 구체를 중심에서 벗어난 위치에서 절단한 경우의 용량이 작은 쪽의 물체나 타원 구체를 중심에서 벗어난 위치에서 장축에 평행하게 절단한 경우의 용량이 작은 쪽의 물체와 같은 형상으로 형성된다. 따라서 하중 입력부(20)는 도 9에 나타낸 바와 같이 측면에서 볼 때 평평한 상태로 구성된다. 입력면(24)은 이러한 절단할 때 생기는 면에 설치된다. 한편, 출력면(29)은　절단 전부터의 곡면에 설치된다. 이 출력면(29)은 적어도 일부가 후술하는 원판형 부재(15)와 접촉하도록 구성되고, 입력면(24)에 입력된 하중은 원판형 부재(15)에 출력된다.
또한, 본 실시 예에서 하중 입력부(20)는 축 방향으로 관통하는 구멍부(26)가 설치된다. 따라서 하중 입력부(20)는 상면에서 볼 때　원판형으로 구성된다. 또한, 도 9 및도 10에 나타낸 바와 같이 하중 입력부(20)는 그 외경이 지지 부재(13)의 내경보다 작게 구성된다. 따라서 하중 입력부(20)는 공간(42)에 수납 가능하게 구성된다.
원판형 부재(15)는 원판 형상으로 형성되어 하중 입력부(20)의 곡면과 하중 입력부(20)의 중심을 중심으로 하는 연속적인 원형 선 또는 파단된 원형 선에서 접촉하는 접촉부(22)를 포함하여 구성된다. 본 실시 예의 원판형 부재(15)는 상술한 제1 실시 예에 따른 원판형 부재(15)와 동일하므로 설명은 생략한다. 또한, 본 실시 예에서 제1 실시 예에 따른 제1 주벽부(51)가 제1　지지 부재(81)에 해당하고, 제1 실시 예에 따른 제2 주벽부(52)가 제2 지지 부재(82)에 해당한다. 따라서 제2 지지 부재(82), 원판형 부재(15), 및　재치면(40)에 의해 공간(41)이 형성된다. 한편, 제1 지지 부재(81)의 축 방향 단면, 제1 지지 부재(81), 및　원판형 부재(15)에 의해 공간(42)이 형성된다.
또한, 원판형 부재(15)는 상기 제1 실시 예와 마찬가지로 외환부(17)와 내환부(18)를　포함하여 구성된다. 도 11은 원판형 부재(15)를 아래에서 본 도면이다. 원판형 부재(15)는 직경 방향 중앙 측이 테이퍼형부(73)를 포함하여 구성된다 (도 9 및 도 10 참조). 본 실시 예에서는 이러한 테이퍼형부(73)에 하중 입력부(20)가 재치된다. 따라서 하중 입력부(20)는 관통공(16)을 관통하지 않고, 테이퍼형부(73)와 환형에 선접촉할 수 있다. 이러한 선접촉하는 부분이 접촉부(22)에 해당한다. 도 10에서 접촉부(22)는 일점 쇄선으로 표시된다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 실시 예에 따른 하중 입력부(20)에는 해당 하중 입력부(20)를 축 방향으로 관통하는 구멍부(26)가 설치된다. 하중 입력부(20)는 구멍부(26)의 축심이 관통공(16)의 축심과 동축이 되도록 원판형 부재(15)에 재치된다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 본 실시 예에서도 센서(30)는 원판형 부재(15)를 축 방향으로 보고 관통공(16)에 점 대칭이 되도록 원판형 부재(15)에 배치된다. 그 구성은 상기 제1 실시 예와 동일하므로 설명은 생략한다.
이 때, 본 하중 검출 장치(100)의 하중 입력부(20)는 입력면(24)의 직경 범위가 하중의 입력에 따른 원판형 부재(15)의 굴곡에 따라 변화하는 접촉부(22)의 직경을 기준으로　설정된다. 원판형 부재(15)는 하중 입력부(20)에 입력된 하중에 따라 휜다. 이 굴곡에 의해 접촉부(22)의 직경이 변화한다. 입력면(24)은 하중 입력부(20)의 면(28)에　환형으로 형성된다. 상기 검출 대상의 하중이 이 입력면(24)에 입력된다. 따라서 본 실시 예에 따른 하중 검출 장치(100)에서는 검출 대상의 하중이 환형에 입력된다.
이 때, 하중 입력부(20)에 입력된 하중은 접촉부(22)를 통해 원판형 부재(15)에 전달되고, 원판형 부재(15)를 휘게 한다. 이 굴곡으로 인해 센서(30)를　변형시켜 하중을 검출한다. 따라서 하중 입력부(20)에 입력된 하중을 적절히 검출하려면 해당 하중이 접촉부(22)에 대해 감쇠하지 않고 전달할 필요가 있다.
다음으로 입력면(24)의 설정에 대해 설명하기 전에 하중 입력부(20)에 대한 하중이 입력되는 위치와 접촉부(22)와의 관계에 대해 설명한다. 우선, 도 12의 상단에 나타낸 바와 같이, 하중 검출 장치(100)를 측면에서 볼 때 하중을 입력하기 전의 접촉부(22)보다 직경 방향　외측의 위치에서　하중 입력부(20)에 하중이 입력되는 예에 대해　생각한다. 이러한 경우,　도 12의 하단에 나타낸 바와 같이, 원판형 부재(15)가 입력된 하중에 따라 원판형 부재(15) 중 접촉부(22)보다 직경 방향 외측인 부분이 하중의 입력 방향(지면상 아래쪽)으로 휘기 때문에 접촉부(22)가 직경 방향 외측으로 이동한다. 따라서 접촉부(22)는 확경(직경 방향으로 확장)한다. 또한, 도 12의 하단에서 이동 전(도 12의 상단과 동일한 상태)의 접촉부(22)의 위치가 흰 동그라미로 표시되고, 이동 후 접촉부(22)의 위치가 검은 동그라미로 표시된다.
또한, 도 13의 상단에 나타낸 바와 같이, 하중 검출 장치(100)를 측면에서 볼 때 하중을 입력하기 전의 접촉부(22)보다 직경 방향 내측의 위치에서 하중 입력부(20)에 하중이 입력되는 경우도, 도　13의 하단에 나타낸 바와 같이, 원판형 부재(15)가 입력된 하중에 따라 원판형 부재(15) 중 접촉부(22)보다 직경 방향 외측인 부분이 하중의 입력원의 방향(지면상 위쪽)으로 휘기 때문에 접촉부(22)가 약간 직경 방향 외측으로 이동한다. 따라서 이 경우에도 접촉부(22)는 확경한다. 이와 같이, 접촉부(22)와 하중의 입력 위치와의 관계에 의해　원판형 부재(15)의 휘는 형태가 달라지지만,　어느 것이든　하중이 입력되었을 때의 접촉부(22)의 위치는 직경 방향 외측으로 이동한다.
본 하중 검출 장치(100)에는 상술한 바와 같은　입력면(24)이 설정되어 있다. 입력면(24)은 하중의 입력에 따른 원판형 부재(15)의 굴곡에 따라 변화하는 접촉부(22)의 직경 방향에　부합하는 최대 변화량을 기준으로 설정된다. 상술한 바와 같이 접촉부(22)는 하중의 입력에 따라 직경이 커진다(확경한다). 직경 방향에　부합하는 최대 변화량이란 하중 검출 장치(100)가 검출 가능한 하중의 입력을 실시한 경우에 접촉부(22)의 직경이 가장 크게 변화한 경우의 변화량을 말한다.
보다 구체적으로는, 입력면(24)은 원판형 부재(15)의 굴곡에 따라 접촉부(22)의 직경이 변화한 경우에도 축 방향을 따라 볼 때 접촉부(22)와 중복 영역으로 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 하중 검출 장치(100)를 축 방향을 따라 볼 때, 하중의 입력 유무에 관계없이 접촉부(22)가 입력면(24)과 축 방향으로 중복하도록 입력면(24)을 설정하는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 구현하기 위해 입력면(24)은 직경 방향으로 소정의 폭을 갖고 구성된다. 이 소정의 폭은 하중이 입력됨에 따라　접촉부(22)가 직경 방향 외측으로 이동한 경우에도 하중의 입력 위치와 접촉부(22)가 항상 축 방향으로 중복하도록 구성된다. 이로 인해　도 14에 나타낸 바와 같이 하중의 입력에 따라 접촉부(22)가 직경 방향 외측으로 이동한 경우에는 하중 입력 중심도 직경 방향 외측으로 이동하게 된다. 따라서 하중 입력부(20)를 통해 하중의 입력 중심과 접촉부(22)가 축 방향으로 항상 일치하도록 하는 것이 가능하므로 하중이 입력된 때에 하중 입력부(20)에 작용하는 굽힘 모멘트를 작게 할 수 있다. 따라서 하중 입력부(20)에 입력되는 하중과 접촉부(22)의 위치 차이에 따른 굽힘 응력을 항상　0으로 할 수 있다. 따라서　굽힘력에 강한 재료나 반복 굽힘 내구성(신뢰 내구성)이 높은　저가의 재료를 사용하지 않고, 신뢰 내구성이 뛰어난 하중 입력부(20)를 구성할 수 있다.
이러한 입력면(24)에는 환형의 중간 가압 부재(50)를 재치하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 입력면(24)은 환형으로 구성된다. 이러한 환형의 입력면(24)에 중간 가압 부재(50)를 재치하는 것이 바람직하다. 이로 인해 접촉부(22)의 위치가 직경 방향 외측으로 이동한 경우에도 접촉부(22)가 하중 입력 위치와 축 방향으로 중복되도록 구성할 수 있다.
또한, 본 실시 예에 따른 하중 검출 장치(100)에 의하면, 상술한 바와 같이 강도나 반복 굽힘 내구성(신뢰 내구성)이 낮은 저가의 재료를 이용하여 하중 입력부(20)의 신뢰 내구성을 향상시킬 수 있다. 따라서 비용 상승　없이 내구성이 뛰어난 하중 검출 장치(100)를 저렴하게　구현할 수 있다.
[다른 실시예]
상기 제1 실시 예에서는 하중 입력부(20)가 구 형상인 것처럼 도시했다. 그러나 본 발명의 적용　범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 하중 입력부(20)는 원판형 부재(15)에 대향하는 측만 구 형상일 수　있고, 원판형 부재(15)에 대향하지 않는 측의 형상은 구 형상이 아닐 수도 있다. 즉 반구형일 수도 있다.
상기 실시 예에서는 센서(30)가 원판형 부재(15)의 면(71)에 배치되는 것으로 설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 센서(30)가 원판형 부재(15)의 면(72)에 배치되는 구성으로 하는 것도 당연히 가능하다. 또한, 제1 센서군(31)을 면(71)에 배치하고, 제2 센서군(32)을 면(72)에 배치하는 구성으로　하는 것도　당연히 가능하다.
상기 실시 예에서는 센서(30)가 제1 센서군(31)과 제2 센서군(32)으로 구성된 것으로 설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 센서군(31) 및 제2 센서군(32)의 한쪽에서 센서(30)를 구성하는 것도 당연히 가능하다.
상기 실시 예에서는 제1 센서군(31)이 제2 센서군(32)의 직경 방향 내측에 배치되는 것으로 설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 센서군(31)과 제2 센서군(32)의 직경 방향의 위치를 서로 동일하게 배치하는 것도 가능하고, 제1 센서군(31)을 제2 센서군(32)의 직경 방향 외측에 배치하도록 구성하는 것도 당연히 가능하다.
상기 실시 예에서는 제1 센서군(31)과 제2 센서군(32)은 서로 원주 방향의 위치를 바꾸어 배치되도록 도시했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 센서군(31)과 제2 센서군(32)은 각각의 센서(30)가 직경 방향의 위치를 일치시켜서 배치하는 것도 당연히 가능하다.
상기 실시 예에서는 제1 센서군(31) 및 제2 센서군(32)가 각각 4 개의 센서(30)로 구성되도록 도시했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 센서군(31) 및 제2 센서군(32)을 4개 이외의 개수로 구성된 센서(30)로 구성하는 것도 가능하고, 제1 센서군(31)이 갖는 센서(30)와 제2 센서군(32)이 갖는 센서(30)를 각각　다른　개수로 구성하는 것도 당연히 가능하다.
상기 실시 예에서는 원판형 부재(15)의 내환부(18)가 직경 방향 내측이 될수록 두께가 얇아지도록 형성되어 있는 것으로　설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 내환부(18)도 외환부(17)와 같이 균일한 두께로 구성하는 것도 당연히 가능하다.
상기 제1 실시 예에서 원판형 부재(15)는 주벽부(11)의 축 방향 중앙 측에서 지지되어 있는 것으로 설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 원판형 부재(15)를　재치면(40)과　설치하는 측과는 반대측의 주벽부(11)의 축 방향 단부에 지지하도록 구성하는 것도 당연히 가능하다.
상기 제1 실시 예에서는 하중 검출 장치(100)는　재치면(40)에 재치되는 것으로 설명했다. 예를 들어, 하중 입력부(20)에 대각선 방향으로 하중이 입력된 경우, 주벽부(11)에 하중에 따른 변형이 전달되기 쉽도록 재치면(40)에 평행한 방향으로의 주벽부(11)의 이동을 규제하는 스토퍼(90)가 재치면(40)에　설치된 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 스토퍼(90)는 예를 들어 도 15에 나타낸 바와 같이, 주벽부(11)의 내경을 외경으로　하는 환형의 돌기로 구성하는 것이 바람직하다. 또는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 주벽부(11)의 외경을 내경으로 하는 환형의 돌기로 구성하는 것도 가능하다. 이러한 스토퍼(90)는 주벽부(11)의 측방으로의 이동을 규제함과 동시에 주벽부(11)가 변형하는 것을 막는 일이 없도록 높이를 높게 할 필요는 없다. 물론, 환형의 돌기가 아니라 환형의 오목부로 구성하고, 주벽부(11)를 끼워 넣어 배치하는 구성으로 하는 것도 가능하고, 원주 방향으로 불연속적인 복수의　돌기로 스토퍼(90)를 구성하는 것도 가능하다.
상기 제1 실시 예에서는 주벽부(11)가 원통형인 것으로 설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 주벽부(11)가 다각형상일 수도 있다. 이러한 경우, 하중 입력부(20)에 입력되는 하중에 의해 원판형 부재(15)가 변형하기 쉽도록 원판형 부재(15)의 외주의 일부가 주벽부(11)의 내주면으로부터 이격하도록 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 주벽부(11)의 내주면의 모서리 부분에는 원판형 부재(15)가 맞닿지 않도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 원판형 부재(15)를 예를 들어 다각형상으로 구성하는 것도 가능하다. 즉, 원판형 부재(15)의 축 방향에서 볼 때 단면 형상을 육각형이나 팔각형으로 구성함으로써 주벽부(11) 내주면의 모서리 부분과 원판형 부재(15)가 맞닿지 않도록 구성하는 것도 가능하다.
상기 실시 예에서는 센서(30)가 관통공(16)의 주위에 종방향을 원주 방향에 부합시키고 원주 방향으로 균등 배치되는 것으로　설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 센서(30)의 감도 방향이 횡방향(종방향의 수직이 되는 방향)인 경우는 센서(30)가 관통공(16)의 주위에 횡방향을 원주 방향에 부합시켜 원주 방향으로 균등 배치되는 구성으로 하는 것도 당연히 가능하다.
상기 제2 실시 예에서는, 접촉부(22)가 원판형 부재(15)와 원주 방향을 따라 연속되는 선의 형태로 접촉하는 것으로 설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 원주 방향을 따라 단속적인 선 형태로 접촉하는 구성으로 하는 것도 가능하고 점 상에 접촉하도록 구성하는 것도 당연히 가능하다.
상기 제2 실시 예에서는 입력면(24)이 하중의 입력에 따른 원판형 부재(15)의 굴곡에 따라 변화하는 접촉부(22)의 직경 방향에 부합하는 최대 변화량을 기준으로 설정되는 것으로　설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 접촉부(22)의 최대 변화량을 고려하지 않고 입력면(24)을 설정하는 것도 당연히 가능하다.
상기 제2 실시 예에서는 입력면(24)에는 환형의 중간 가압 부재(50)가 재치되어 있는 것으로 설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 중간 가압 부재(50)를 구비하지 않고 구성하는 것도 당연히 가능하다.
또한, 상기 제2 실시 예에서는 도 9에서 중간 가압 부재(50) 및 하중 입력부(20)가 서로 접촉하는 면이 평면인 것처럼 도시했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 하중 입력부(20)와 접촉하는 중간 가압 부재(50)의 면의 원주 방향에 수직인 단면 및 중간 가압 부재(50)와 접촉하는 하중 입력부(20)의 면의 원주 방향에 수직인 단면 중 적어도 한 쪽을 곡면으로 구성하는 것도 가능하다. 즉, 하중 입력부(20)는 중간 가압 부재(50)가 재치되는 면이 평면이고, 중간 가압 부재(50) 중 하중 입력부(20)에 접촉하는 면의 원주 방향에 수직인 단면이 곡면일 수도 있다. 혹은　중간 가압 부재(50)는 하중 입력부(20)에 재치되는 면이 평면이며, 하중 입력부(20) 중 중간 가압 부재(50)에 접촉하는 면의 원주 방향에 수직인 단면이 곡면일 수도 있다. 또한, 중간 가압 부재(50) 중 하중 입력부(20)에 접촉하는 면의 원주 방향에 수직인 단면 및 하중 입력부(20) 중 중간 가압 부재(50)에 접촉하는 면의 원주 방향에 수직인 단면의 양쪽을 곡면으로 구성하는 것도 당연히 가능하다.
도 17에서는 상기 일례로서 하중 입력부(20)는 중간 가압 부재(50)가 재치되는 면이 평면이고, 중간 가압 부재(50) 중 하중 입력부(20)에 접촉하는 면의 원주 방향에 수직인 단면이 곡면인 경우의 예를 나타낸다. 중간 가압 부재(50)는 하중이 입력되지 않은 상태에서 접촉부(22)의 상부에 배치된다. 즉, 중간 가압 부재(50)가 하중 입력부(20)와 접촉하는 위치와 접촉부(22)의 위치는 하중 검출 장치(100)를 축 방향으로 볼 때　일치하고 있다.
이러한 경우,　도 17의 상단에 나타낸 바와 같이 중간 가압 부재(50)에 하중이 입력되면, 도 8의 하단에 표시되는 것과 같이 하중 입력부(20)가 하중의 입력 방향(지면상 아래쪽)으로 내려간다. 이로 인해, 하중 입력부(20)는 하중 입력부(20) 중 접촉부(22)보다 직경 방향 외측인 부위가 하중 입력원의 방향(지면상 위쪽)으로 휜다. 이 경우, 중간 가압 부재(50)의 곡면을 따라 접촉부(22)도 직경 방향 외측으로 이동하므로 접촉부(22)의 직경이 감소한다. 한편, 하중이 입력되는 위치도 약간 직경 방향 외측으로 이동한다. 그러므로 하중이 입력된 경우의 접촉부(22)와 하중을 입력하는 위치를 축 방향으로 보고　접근할 수 있기 때문에 하중이 입력된 때에 하중 입력부(20)에 작용하는 굽힘 모멘트를 작게 할 수 있다. 따라서 하중 입력부(20)에 입력되는 하중과 접촉부(22)의 위치 어긋남에 따른 굽힘 응력을 작게 할 수 있다. 그러므로 굽힘력에 강한 재료나 신뢰 내구성이 높은 비싼 재료를 사용하지 않고, 신뢰 내구성이 뛰어난 하중 입력부(20)를 포함하는 하중 검출 장치(100)를 구현할 수 있다.
상기 제2 실시 예에서는 하중 입력부(20)에 구멍부(26)가 설치되어 있는 것으로 설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 구멍부(26)를 구비하지 않고 하중 입력부(20)를 구성하는 것도 당연히 가능하다.
상기 제2 실시 예에서는 지지 부재(13)가 원통형인 것으로 설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 지지 부재(13)를 원통형 이외의 형상으로 구성하는 것도 당연히 가능하다.
상기 제2 실시 예에서는 지지 부재(13)가 제1 지지 부재(81)와 제2 지지 부재(82)를 포함하는 것으로 설명했다. 그러나 본 발명의 적용 범위는 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 지지 부재(81) 없이 지지 부재(13)를 구성하는 것도 당연히 가능하다.
본 발명은 스트레인 검출 소자의 변형에 따라 하중을 검출하는 하중 검출 장치에 이용될 수 있다.
11 : 주벽부 12 : 내주면
13 : 지지 부재 15 : 원판형 부재
16 : 관통공 17 : 외환부
18 : 내환부 20 : 하중 입력부
22 : 접촉부 24 : 입력면
29 : 출력면 30 : 센서
31 : 제1 센서군 32 : 제2 센서군
40 : 재치면 50 : 중간 가압 부재
90 : 스토퍼 100 : 하중 검출 장치

Claims (11)

  1. 원통형의 주벽부;
    상기 주벽부와 동축 상에 관통공이 형성되고, 상기 주벽부가 재치되는 재치면 사이에 틈새를 갖고 상기 주벽부의 내주면에 지지되는 원판형의 원판형 부재;
    적어도 상기 관통공에 대향하는 측의 형상이 상기 관통공의 내경보다 큰 직경을 갖는 구 형상으로 형성되는 동시에 상기 관통공에 재치되어 검출 대상의 하중이 입력되는 하중 입력부; 및
    상기 관통공에 대해 점대칭이 되도록 상기 원판형 부재에 배치됨과 동시에 상기 원판형 부재의 하중 입력부와 접하는 면과는 반대 면에 설치되어 상기 하중 입력부에 입력되는 하중에 따른 스트레인을 검출하는 센서를 구비하며,
    상기 원판형 부재는 직경 방향 외측의 외환부와 해당 외환부의 직경 방향 내측의 내환부를 포함하여 구성되고,
    상기 내환부는 직경 방향 내측일수록 두께가 얇게 형성되는 하중 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서가 상기 관통공의 주위에 감도 방향을 원주 방향으로 부합시켜 원주 방향으로 균등 배치된 제1 센서군 및 상기 관통공의 주위에 감도 방향을 직경 방향으로 부합시켜 원주 방향으로 균등 배치된 제2 센서군을 구비하여 구성되고,
    상기 제1 센서군은 상기 제2 센서군의 직경 방향 내측에 배치되어 있는 하중 검출 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 원판형 부재는 상기 주벽부의 축 방향 중앙 측에서 지지되어 있는　하중 검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재치면에 평행한 방향으로의 상기 주벽부의 이동을 규제하는 스토퍼가 상기 재치면에 부설되어 있는 하중 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하중 입력부가 상기 검출 대상으로부터의 하중이 입력되는 입력면과 상기 입력면의 반대측에 형성된 곡면 형상의 출력면을　포함하여 상기 출력면에서 하중을 출력하고,
    상기 원판형 부재가 상기 하중 입력부의 곡면과 상기 하중 입력부의 중심을 중심으로 하는 연속적인 원형 선 또는 파단된 원형 선에 접촉하는 접촉부를 포함하고,
    상기 주벽부가 상기 원판형 부재를 재치면 사이에서 지지하는 지지 부재이며,
    상기 입력면의 직경 범위가 상기 하중 입력에 따른 상기 원판형 부재의 굴곡에 따라 변화하는 상기 접촉부의　직경을 기준으로 설정되어 있는 하중 검출 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 입력면이 상기 하중의 입력에 따른　상기 원판형 부재의 굴곡에 따라 변화하는 상기 접촉부의 직경 방향에 부합하는 최대 변화량을 기준으로 설정되어 있는　하중 검출 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 입력면은 상기 원판형 부재의 굴곡에 따라 상기 접촉부의 직경이 변화한 경우에도 축 방향을 따라 보았을　때 상기 접촉부와 중복되는 영역에 설정되어 있는 하중 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 입력면에는 환형의 중간 가압 부재가 재치되어 있는 하중 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하중 입력부와 접촉하는 상기 중간 가압 부재의 면의 원주 방향에 수직인 단면 및 상기 중간 가압 부재와 접촉하는 상기 하중 입력부의 면의 원주 방향에 수직인 단면의 적어도 한쪽이 곡면인 하중 검출 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하중 입력부는 상기 중간 가압 부재가 재치되는 측의 면이 평면이고, 상기 중간 가압 부재 중 상기 하중 입력부에 접촉하는 면의 상기 원주 방향에 수직인 단면이 곡면인 하중 검출 장치.
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