JPWO2006006670A1 - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

不必要な外力に左右されずに正確に測定することができ、しかも、構造が簡素な荷重センサを得る。このために、測定対象物へ取り付ける取付部９と一体に形成され、前記測定対象物の重量又は荷重に応じて変位する起歪体３と、この起歪体３に接続され、該起歪体３の変位に応じて歪むセンサプレート１３と、このセンサプレート１３に取り付けられた歪みゲージとを具備し、前記起歪体３を、その中心が前記取付部９の軸心に一致させて、前記取付部９の一端側に配置する。そして、前記起歪体の内側に、前記センサプレートを収納する収納部５を形成し、センサプレート１３をホルダ１００で保持してこの収納部に収容させる。この際、センサプレート１３は、その中心を、取付部９の軸心及び起歪体３の中心に一致させて歪体３の中心に接続する。一方、外周縁１３ｂをホルダ１００の内周縁１００ａで保持させ、このホルダ１００の外周面１００ｂを収納部５の外縁の直立壁と接合する。なお、ホルダ１００に緩衝機能を設けると良い。

Description

この発明は、測定対象物に付加された荷重を、その変位から測定するための荷重センサ、特に車両の座席に付加された荷重を測定する荷重センサに関する。

従来、荷重センサ、特にロードセルでは、例えば、図１４及び図１５に示すように、アーム５０の一端を固定し、他端に受け皿５３を設け、受け皿５３に荷重を付加する片持ち梁の構造をしたものが採用されていた。かかるロードセルでは、付加された荷重により変形するアーム５０に歪ゲージ５４を直接貼り付け、アーム５０の歪みから付加された荷重を測定していた。そして、アーム５０の内側に孔５１を形成し、肉厚の薄い薄肉部５２を上下に２ヶ所ずつ設けている。歪ゲージ５４が、これら薄肉部５２にそれぞれ貼り付けられ、薄肉部５２の歪みを検知する。かかるロードセルでは、この図１４に示すように、アーム５０が平行四辺形に維持された状態で変形し薄肉部５２に適度な歪みを発生させ、付加された荷重を正確に測定することが可能である。この様な形態のロードセルを一般にロバーバル機構という。

このロバーバル機構のロードセルでは、図１５に示すように、目的とする荷重と共にアーム５０の延びる軸方向に直交する左右方向にずれた位置Ｐ１，Ｐ２で、受け皿５３に荷重が付加されると、検知される荷重に誤差が生じてしまう。この誤差を抑えるために、荷重印加部を変えながら薄肉部５２の角部を試行錯誤的に削りとるといった四隅調整を行っていた。

しかし、図１５に示すように、目的とする荷重と同時に荷重測定にとって不必要な方向からの荷重ノイズＦ１やＦ２が印加されると、誤差を抑制することができず、測定結果に悪影響を与えてしまう。

近年、自動車では、安全性をより向上させるために、シートに着座した搭乗者の体重を初めとした体格を判別し、判別結果に基づいてエアバッグ等の安全装置の作動を総合的に制御することが行われるようになってきた。かかる技術において、搭乗者の体重を測定するのに必要なのは鉛直方向の荷重であり、自動車の加減速等の際に生ずる水平方向の荷重は、測定結果に悪影響を及ぼす。例えば、路面の凹凸により生ずる振動、発進、ブレーキ又はハンドル操作により生ずる各種の加速度などである。このため、鉛直以外の方向から作用する荷重を除去することができる荷重センサが望まれる。

この点、上述の不都合を防止するために、特許文献には、力を受けて変位する部分と、この部分の変位に対応して歪む部分とを別個に設け、これらを一体化したロードセルに関する発明が示されている。このロードセルによれば、変位する部分と歪む部分とを連結軸で連結支持し、偏荷重による悪影響を極力抑えることが行われている。

この特許文献に示されているロードセルを自動車に使用することも一つの案として考えることもできる。
特開２００３−１６６８８５号公報

確かに、特許文献に記載の発明によれば、偏荷重の影響をある程度は抑えることは可能である。しかし、ロバーバル機構のロードセルは、もともとその構造が複雑である。特に、特許文献に記載のロードセルは、その構造が通常のロードセルに比べてもさらに複雑となる。このため、ロードセル自体に振動が加わる場合や、衝撃荷重が作用する用途には不向きである。また、ロバーバル機構のロードセルは、狭い場所に設置することについても不向きである。

そこで、本発明では、測定対象物に作用する荷重を測定する際に、不必要な外力に左右されずに正確に測定することができ、しかも、構造が簡素で、外形をコンパクトに形成できる荷重センサを提供する。

本発明では、上記課題を解決するために、測定対象物に取り付けられる取付部と一体に形成され、前記測定対象物の重量又は荷重に応じて変位する起歪体と、この起歪体に接続され、該起歪体の変位に応じて歪むセンサプレートと、このセンサプレートに取り付けられた歪みゲージと、を具備し、前記起歪体の内側には、前記センサプレートとこのセンサプレートを保持するホルダを収容させる収納部が形成され、前記センサプレートは、その中心が、前記取付部の軸心及び前記起歪体の中心に一致されて前記起歪体の中心と接続されると共に、その外周面が前記ホルダの内周面に接合され、このホルダの外周面は前記収納部の外縁の直立壁と接合されたことを特徴とする荷重センサを採用することとした。

また、本発明では、上記荷重センサにおいて、前記起歪体の中心には、前記取付部の軸心方向に延びる伝達ロッドの基端が、前記収納部の底面に接続されるように設けられている一方、前記センサプレートは、その中心が前記伝達ロッドの先端が接続されるように構成した。

さらには、本発明では上記荷重センサにおいて、前記伝達ロッドを前記起歪体と一体に形成すると共に、前記起歪体における前記収納部の底面に、前記伝達ロッドの基端の周囲を窪ませて、前記伝達ロッドの変形を許容する変形許容部を形成した。

その一方で、本発明では、上記の荷重センサに関し、前記収納部が、その半径方向に関し、前記収納部の外縁の直立壁から中心までの任意点における歪み量が一様となるように、その肉厚が中心に向かうに連れて厚く形成した。

そして、本発明では以上の荷重センサについて、前記取付部に、前記起歪体との境界から所定の距離だけ離れた位置に、前記測定対象物の表面に密接される取付座を形成し、これら起歪体と取付座との間の部位の外径を相対的に細くして、測定に不必要な負荷を前記取付座で吸収して前記起歪体に伝達されることを防止していることを特徴としている。

加えて、本発明では上記の荷重センサに関し、前記ホルダには、前記起歪体から伝達される測定に不必要な負荷を緩衝させる緩衝機能が具備されていることを特徴としている。

本発明によれば、起歪体とは別体のセンサプレートを設けたことにより、起歪体に歪みゲージ設定部分としての薄肉部や切り欠き部と、歪みを起こさない剛性の高い部分を設ける必要がない。その結果、荷重センサをコンパクトに形成できる。

また、薄肉部や切り欠き部を設けずにすむため、許容荷重を高く設定できる。このため、両端ねじ部やフランジ部を設ける構造に形成でき、当該荷重センサ自体を締結部品として機能させることができる。

また、別体とすることにより、変位による歪みを測定するセンサプレートの作動に必要な力が小さくてすむ。このため、変位伝達用の結合手段として細いロッドを採用できる。これにより、偏荷重、傾斜荷重、曲げ荷重、又は捻り荷重等、目的方向外の不必要な荷重による変位の伝達がロッドの変形により緩和され、使用時及び取付時に生ずる傾きや捻りによる誤差を小さくできる。

更に、別体としたため、センサプレートに作用せしめる力が小さくてすむことから、結合部の耐久性、長期的な信頼性も高い。

また、起歪体から離れた位置に取付座を設け、しかも起歪体と取付座との間の部位についてその径を細くしたため、締め込み時に発生する曲げモーメントや捻り荷重がセンサプレートへ伝達されることを防止する。これにより、測定誤差の発生を効果的に防止する。

また、構造を簡素にできるため、故障率を低減できることに加え、外観をも簡素に形成でき、取り付けやすい構造とすることができる。

なお、歪みゲージとして１回の成膜工程及びフォトリソ工程で形成される半導体歪みゲージを使用することで、センサプレートに対する全体的な位置、及び歪みゲージ相互間の位置がずれることがなく、この点でも高い信頼性を得ることができる。

荷重センサを起歪体と、その上部を覆うハウジングとの両側から当該荷重センサの軸方向に伸縮する荷重を加えると、これに伴い接合部が半径方向に広がったり、狭まったりする。この挙動は、収納部に設けられたセンサプレートを伸縮させ、最終的に歪ゲージに余分な歪みを付与してしまう。

この点、本発明では、ホルダが緩衝機能を備えたことにより、接合部が半径方向に広がったり、狭まったりしても、当該ホルダがその変形を伝達することを効果的に阻止する。これにより、センサプレートが伸縮せず、歪ゲージに余分な歪みが発生することなく、正確な測定結果を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる荷重センサの内部構造を示す縦断面図。 図１に示す荷重センサの横断面図。 起歪体の縦断面図。 センサプレートの縦断面図及び平面図。 一実形態にかかる荷重センサの斜視図。 別の実施形態にかかる荷重センサの斜視図。 さらに、別の実施形態にかかる荷重センサの斜視図。 さらに、別の実施形態にかかる荷重センサの斜視図。 無負荷状態における起歪体及びセンサプレートの状態を示す図。 荷重センサに伸縮荷重が作用したときの起歪体及びセンサプレートの状態を示す図。 荷重センサを取り付ける際に受ける影響を示す図。 本発明の荷重センサを取り付ける際に受ける影響を遮断することを示す図。 モーメントが作用した際の起歪体及びセンサプレートの状態を示す説明図。 従来から使用されているロードセルの一例を示す図。 図１４に示すロードセルの平面図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ・・・荷重センサ
２・・・・本体部
３・・・・起歪体
４・・・・基板搭載部
５・・・・収納部
７・・・・伝達ロッド
８・・・・変形許容部
９・・・・ねじ部（取付部）
１０・・・フランジ
１１・・・回路基板
１２・・・ＩＣチップ
１３・・・センサプレート
１３ａ・・連結孔
１４・・・薄板部
１８・・・負荷ノイズ遮断部
２０・・・ハウジング
２３・・・取付ねじ部
１００・・・ホルダ

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態にかかる荷重センサ１の内部構造を示している。

この荷重センサ１は、当該荷重センサ１の取り付けられる測定対象物（不図示）の重量又は荷重を測定する。荷重センサ１は、本体部２と、この本体部２を下から覆うようにして本体部２と合わされるハウジング２０とから構成されている。

本体部２は、測定対象物に取り付ける取付部としてのねじ部９と、このねじ部９と一体に形成され、ねじ部９の軸方向の一端にて半径方向に外側に張り出すようにして設けられた起歪体３とを備えている。

ねじ部９には、起歪体３から軸方向の上側にやや離れた位置に半径方向外側に向けて張り出すフランジ１０が形成されている。また、このフランジ１０と起歪体３との間の部位は、その外径がフランジ部１０よりも小さく形成された負荷ノイズ遮断部１８が設けられている。

起歪体３は、その中心がねじ部９の軸心と一致されるようにして略円盤状に形成されている。起歪体３の周縁には、一定の高さに形成された直立壁１５が下方に向けて突出するように形成されている。なお、直立壁１５の下部には、その肉厚の内側が外側に対してさらに下方に突出する突起部１５ａが形成されている。そして、この直立壁１５の下端には、起歪体３を下から覆うようにして、ハウジング２０が接合される。一方、この起歪体３の内側部分には、その下端面を上方に向けて窪ませた円形状の凹部が形成されている。この凹部は、収納部５であり、両持ち梁形状のセンサプレート１３がその内側に収納される。

さらに、起歪体３には、収納部５の上面５ｂの中心から下方に向けて突出する伝達ロッド７が、起歪体３と一部材をなすように一体に形成されている。また、収納部５の上面５ｂには、この伝達ロッド７の基端部の周囲を包囲するように一定の深さ窪ませてなる変形許容部８が設けられている。この変形許容部８は、伝達ロッド７がその軸線に対して撓む外力や捩られる外力を受けた際に、ロッドが変形することを許容するために設けられたものである。

このような起歪体３は、図３に示すように、その肉厚が半径方向外側から中心に向かうに連れ漸次厚くなるように形成されている。具体的には、当該起歪体３の断面形状は、その下面（本実施形態では５ｂ）が平坦に形成されている一方で、上面３ｂは、平方根曲線に近似した形状をなしている。このように起歪体３の全体形状を形成することにより、その半径方向に関し、全体としてほぼ一様な歪みが発生する。このため、局部的に集中的に応力が発生するということがない。

両持ち梁状のセンサプレート１３は薄板の部材からなり、センサプレート１３は、収納部５の上面５ｂとの間に隙間が形成されるように配されている。一方、回路基板１１は、円の両端を切り欠いて細長く形成され、その下面側にＩＣチップ１２が装着されている。この回路基板１１の長手方向の両端面は円弧状に形成されている。これら両端面の曲率は、後に詳細を説明するホルダ１００の内周縁１００ａとほぼ一致されており、更に回路基板１１は、センサプレート１３上の歪みゲージとの電気的接続のために角度的にもほぼ位置決めされて取り付けられている。

図４（ａ）、（ｂ）はセンサプレートの形状を示している。このセンサプレート１３は、略長方形に形成されており、その長軸方向の両端縁が円弧状に形成されている一方で、短軸方向の両端縁が直線状に形成されている。

このセンサプレート１３には、その中心に板厚方向を貫通する連結孔１３ａが形成されている。また、その下面を上面側に向けて窪ませることにより、板厚を薄くした薄板部１４が数カ所に設けられている。これら薄板部１４は、センサプレート１３の中心を通る直径方向に関し、一列をなして設けられている。これら薄板部１４は連結孔１３ａを対称軸として、その両側に２つずつ対称をなす位置にそれぞれ配置されている。

そして、センサプレート１３の上面には、これら薄板部１４に対応する部分に、当該センサプレート１３の歪みを検知する歪みゲージ（不図示）がそれぞれ取り付けられる。この歪みゲージは、半導体歪みゲージが使用されており、１回の成膜工程及びフォトリソグラフティ工程でそれぞれ設けられる。このため、当該荷重センサ１を稼働させた場合でも、センサプレート１３から剥離してしまうことがなく、予め設定されたセンサプレート１３の所定位置に止まっている。このため、センサプレート１３に対する絶対的な位置、並びに各歪みゲージ同士の相対位置がずれることがなく、設計通りの歪みを電気信号として取り出すことが可能である。なお、歪みゲージは回路基板１１とワイヤボンディングにより電気的に接続される。

かかる構造を有するセンサプレート１３は、その中心に形成された連結孔１３ａに伝達ロッド７の上端が挿入され、センサプレート１３の中心に固着されている。これにより、センサプレート１３の中心部分は、起歪体３の中心の変位が伝達ロッド７を介して伝達され、センサプレート１３の中心部分は、起歪体３の中心部分の変位に対応するようにして歪む。

一方、起歪体３の収納部５には、センサプレート１３を保持するリング状に形成されたホルダ１００が、直立壁１５の内周面に沿わされるようにして取り付けられている。このホルダ１００は、その内周縁側にセンサプレート１３を保持せしめ、その外周縁側が起歪体３の直立壁１５の内側に挿入されて取り付けられる。なお、このホルダ１００は、緩衝機能を有しており、ホルダ１００の内側に配置されているセンサプレート１３へ、測定に不必要な負荷が伝達することを阻止する。

ホルダ１００は、収納部５の上面に当接されるリング状の当接面１０１と、この当接面１０１の外周縁にて当接面１０１と垂直をなす周壁面１０２と、周壁面１０２の先端にて半径方向外側に向けて張り出すフランジ部１０３とから構成されている。当接面１０１の内周縁１００ａは、センサプレート１３の長軸方向の曲率と同寸に形成されている一方で、周壁面１０２の外周面はその径が、直立壁１５の内周面の径より若干小さく形成され、これらの間にクリアランスが設けられている。

このホルダ１００は、当接面１０１の内周縁１００ａにセンサプレート１３をはめ込ませ、ホルダ１００の周壁面１０２が直立壁１５の内側に挿入されて収納部５に取り付けられる。そして、直立壁１５の下部に形成された突起部１５ａの下端にフランジ部１０３が下から突き当てられ、突起部１５ａの外周縁と、このホルダ１００の外周縁１００ｂとが一致されて結合される。

このため、センサプレート１３は、ホルダ１００を介して収納部５の内部にはめ込まれるようにして収納される。これにより、センサプレート１３の起歪体３に対する位置関係が設計通りに確実に維持される。即ち、センサプレート１３が収納部５に収納されると、センサプレート１３の中心が、ねじ部９の軸心と同軸上にある起歪体３の中心と一致され、結合孔１３ａが、伝達ロッド７の軸心に一致される。一方、センサプレート１３の外周部分は、起歪体３の収納部５に取り付けられたホルダ１００を介してに拘束される。このため、センサプレート１３は、両持ち梁の構造となる。

このようにしてセンサプレート１３の取り付けられた本体部２の下部にハウジング２０が被せられる。ハウジング２０は円筒状に形成され、その下面が開口され、内部には空間部２１が形成されている。ハウジング２０は開口された上部が、本体部２を構成する起歪体３の周縁に形成された直立壁１５の下端と、密着されるようにして接合される。

このハウジング２０の上端は、肉厚の外側が内側によりも上方に向けて突出する突起部２０ａが形成されている。このため、ハウジング２０は、その上端における突起部２０ａが、起歪体１３の直立壁１５における突起部１５ａの外周部にて重ね合わされるようにして起歪体３に接合される。そして、ホルダ１００のフランジ部１０３は、直立壁１５の突起部１５ａと、ハウジング２０の上部における突起部２０ａの内側の凹んだ部分との間に配される。なお、図１に示すように、ハウジング２０は、その突起部２０ａの内周面、及びその内側の凹んだ部分が、起歪体３の突起部１５ａ、ホルダ１００のフランジ部との間にクリアランスが形成されるようにして起歪体３と結合される。

以上のように、周壁面１０２と直立壁１５の内周面との間にクリアランスが形成されると共に、突起部２０ａの内周面、及びその内側の凹んだ部分と、起歪体３の突起部１５ａ、ホルダ１００のフランジ部との間にクリアランスが形成されているため、これらのクリアランスが、センサプレート１３の中心と起歪体３の中心との一致、及びこの中心に対する対称配置を維持したままの状態で起歪体３及びハウジング２０に対するホルダ１００の相対的な位置の移動を許容する。これにより、ホルダ１００が緩衝機能を発揮し、その内周縁側に配されたセンサプレート１３に起歪体３から伝達される荷重測定に不必要な負荷の伝達を阻止している。

このようにして起歪体３に接合されたハウジング２０の内部に形成された空間部２１には、上述の回路基板１１が収納される。空間部２１には、ハウジング２０の内面を被覆するように、コネクトカバー２２が設けられている。このコネクトカバー２２は、ＩＣチップ１２と接続されており、ＩＣチップ１２を介して歪みゲージの出力が伝えられる。さらに、コネクトカバー２２の上部には、ホルダ１００の周壁面１０２との間に形成される隙間に配されたパッキン２４が取り付けられている。このパッキン２４は、コネクトカバー２２を本体部２に取り付けた際に、内部の空間部２１を外部環境から保護するために気密性を保持するためのものである。

一方、ハウジング２０の下部には下方に向けて突出する取付ねじ部２３が設けられている。この取付ねじ部２３は、測定対象物に取り付ける際に使用するものである。取付ねじ部２３はハウジング２０の中心に位置しており、ハウジング２０を本体部２に取り付けた際に、本体部２のねじ部９と同一軸に位置するように設けられている。

図５〜図８は、このような内部構造を有する荷重センサ１の外観に関する具体例を示している。図５に示す荷重センサ１Ａは、オーソドックスなタイプである。ハウジング２０の側面には半径方向外側に向けて突出するコネクタ３０が設けられている。このコネクタ３０は、電源や測定機器及びこれらを統合した信号処理基板などに接続される配線を備えた相手コネクタが接続される。なお、この図５には、表れていないが、コネクタ３０の内部には、複数の接続ピン３１が設けられている。

図６に示す荷重センサ１Ｂは、配線３１を直に接続したタイプである。ハウジング２０の側面には、配線が通される孔３２が形成され、３本の配線３１がこの孔３２から通されて内部に接続されている。

図７に示す荷重センサ１Ｃは、その下部中心に雌ねじ部３４の形成された円筒状のケース３３を設けている。ケース３３の側面には、半径方向外側に向けて突出するコネクタ３０が設けられている。このコネクタ３０についても、内部に複数の接続ピンが設けられていて、電源や測定機器等に接続される。このように雌ねじ部３４を設けることで、測定対象物への取付方法のバリエーションを拡張している。

図８に示す荷重センサ１Ｄは、本体部２に設けられたねじ部９を測定対象物へ締め付けると共に、ハウジング２０側を測定対象物へボルト締めして測定対象物へ取り付けるものである。

ハウジング２０の外部には、このハウジング２０を中心にして両側方へ張り出す板状の締め付け部３５が設けられている。この締め付け部３５には、その板厚方向を貫通する貫通孔３６が形成されており、この貫通孔３６にボルトが通されて、ハウジング側が測定対象物にボルト締めされる。そして、コネクタ３０は、これら締め付け部と直角をなしてハウジング２０の外周面から外側方に向けて突出するように設けられている。

これら図５〜図８に示すように、この荷重センサ１は、その外観が極めてシンプルである。

以上の構成を備えた荷重センサは次のように作用する。まず、荷重センサ１は、本体部２にハウジング２０を被せた状態で、本体部２のねじ部９を測定対象物にねじ込んだり、通して先端側をナットで締め付け固定する。そして、図５〜図７に示す荷重センサ１Ａ〜１Ｃについては、ハウジング２０の下部に設けられた取付ねじ部２３及びめねじ部３４を測定対象物にねじ部９と同様に取り付ける。これに対し、図８に示す荷重センサ１Ｄについては、締め付け部の貫通孔にボルトを通し、測定対象物に形成されたねじ穴に、このボルトを締め付けて測定対象物に取り付ける。

このように取り付けられて測定対象物に未だ負荷が作用しない無負荷状態では、図９に示すようにセンサプレート１３は平坦に保たれている。

この状態から測定対象物にねじ部９のねじ込まれた部分と、取付ねじ部２３のねじ込まれた部分間に荷重が作用すると、ねじ部９及び取付ねじ部２３を介して荷重センサ１に伝達される。すると、起歪体３は、その中心部が、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、起歪体３の外周部分に対してねじ部９の軸線方向に相対的に変位する。センサプレート１３は、その外周面１３ｂがホルダ１００の内周縁１００ａに接合されている一方で、中心が伝達ロッド７に接続されているため、起歪体３の変位に対応してその中心が周縁に対し、ねじ部９の軸線方向に沿って相対的に変位する。即ち、荷重センサ１に圧縮荷重が作用すると、図１０（ａ）に示すようにセンサプレート１３の中心が下側に向けて変位する。一方、荷重センサ１に引張り荷重が作用すると、図１０（ｂ）に示すように、センサプレート１３の中心が上側に向けて変位する。この動きは、センサプレート１３に形成された薄板部１４に集中的に歪みとして現れ、薄板部１４に設けられた歪みゲージは、その歪み量を抵抗値の変化として検知する。この抵抗値変化は上記のＩＣチップ１２で増幅され、電気信号にて荷重として測定される。

ここで、センサプレート１３からの歪み検知方式と起歪体３の形状との関係について説明する。

一般に、歪みゲージを用いた荷重センサの場合、荷重を変位に変換する構造体に薄肉部分を設けて、この部分に集中的に歪みを発生させる。歪みゲージは、この薄肉部分に配置される。しかし、この実施形態にかかる荷重センサ１では、起歪体３の歪みを直接検知するのではなく、センサプレート１３を介して起歪体３の歪みを検知する構造を採っている。このために、センサプレート１３に上記の薄板部１４を形成する一方で、起歪体３自体には薄肉部分を設けない構成を採用した。これにより、起歪体３は、負荷された荷重を全体が特性良く変位に変換し、センサプレート１３の薄板部１４に集中的に歪みを発生させている。なお、起歪体３には、応力集中が生じないため、耐破壊荷重も高められる。

次に、当該荷重センサ１に対して、ねじ部９の軸線方向と交わる横方向の荷重が加わった場合の作用を説明する。この場合、ねじ部９には曲げモーメントが作用する。このように軸線方向と交わる方向の外力は、この荷重センサ１の目的から見ると、単なる荷重ノイズにしか過ぎない。

今、図１１に示すように、測定対象物Ｍに接地させる座面４２を本体部４０に直接設けた場合を考察する。この本体部４０のねじ部４４を測定対象物Ｍに通し先端側をナット４５で締め付けると、本体部４０には軸力Ｆａが作用する。この影響により、起歪体４１の中心には、上方に向け作用する引張り力Ｆｃが作用すると共に、周縁部には反力Ｆｂが作用する。これにより起歪体４１にはモーメントが作用する。そしてモーメントに対応して、センサプレート４３も、これに対応して中央が上方に向けて撓んでしまう。このように、単に、本体部４０を取り付けただけでも軸線方向に荷重が作用していないにもかかわらず、あたかも軸線方向に荷重が作用したかのように誤作動を起こしてしまう。

これに対し、図１２に示す、本実施形態にかかる荷重センサ１の本体部２では、座面として作用するフランジ１０が、軸線方向について起歪体３からやや離れた位置に形成されている。しかも、この部位の外径が相対的に細く形成されている。このため、フランジ１０自体に加えて、この起歪体３とフランジ１０の間の部位が負荷ノイズ遮断部１８として機能する。

確かに、この本体部２についても、測定対象物Ｍにねじ部９を通し先端からナット４５で締め込むと、軸力Ｆａが作用する。その影響でフランジ１０の位置にて、中心には上方に向けて作用する引張り力Ｆｃが作用し、その反力Ｆｂがフランジの周縁に作用する。しかし、この本体部２では、これらの力により生ずるモーメントをフランジ１０が吸収する。図１２の破線で示すように、当該本体部２では、フランジ１０のみが撓み、さらには、起歪体３とフランジ１０の間の部位で吸収して起歪体３への影響が遮断される。

次に、伝達ロッド７の機能について説明する。

図１３（ａ）に示すように、目的方向以外の方向から外力Ｆが作用したとする。仮に、収納部５の底面について、伝達ロッド７の基端部の周囲に変形許容部８が形成されていないとすると、外力Ｆにより、伝達ロッド７は変形することなく本体部２と共に傾いてしまう。センサプレート１３は、その中心が伝達ロッド７に接合されている一方で、長軸方向の両端縁１３ｂが収納部５の内壁面に接合されているので、センサプレート１３は、図１３（ａ）に示すように変形してしまう。

これに対し、図１３（ｂ）に示すように、この実施形態にかかる本体部２のように、変形許容部８を設けることで、伝達ロッド７自体が変形し、外力Ｆの影響をセンサプレート１３に与えることを効果的に防止する。このため、不必要な外力の影響による測定誤差の発生を防止できる。

また、ねじ込んで測定対象物に荷重センサ１を取り付けるため、図１１に示す本体部４０のように、起歪体４１に座面４２を直接設けた場合には、測定対象物からの反力が起歪体４１に直に伝えられるだけでなく、起歪体４１にねじりモーメントが発生してしまう。

これに対し、図１２に示す、本実施形態の荷重センサ１では、フランジ１０が測定対象物から反力を受けたとしても、起歪体３にこの反力を伝達することなく、フランジ１０と起歪体３の間で吸収される。また、ねじ部９を締め込んだときに発生するねじりモーメントも、フランジ１０自体及びフランジ１０と起歪体３の間の部位で吸収され、起歪体３に悪影響を与えることがない。たとえ、この位置ですべてを吸収できない場合でも、伝達ロッド７が捩れを吸収しセンサプレート１３への伝達を遮断する。

以上のように、この荷重センサ１は、内部構造が極めて簡素であるにもかかわらず、不必要な方向に作用する荷重ノイズの影響を受けずに、所望の測定値をえることができる。

Claims (6)

1. 測定対象物に取り付けられる取付部と一体に形成され、前記測定対象物の重量又は荷重に応じて変位する起歪体と、この起歪体に接続され、該起歪体の変位に応じて歪むセンサプレートと、このセンサプレートに取り付けられた歪みゲージと、を具備し、
   前記起歪体の内側には、前記センサプレートとこのセンサプレートを保持するホルダを収容させる収納部が形成され、
   前記センサプレートは、その中心が、前記取付部の軸心及び前記起歪体の中心に一致されて前記起歪体の中心と接続されると共に、その外周面が前記ホルダの内周面に接合され、このホルダの外周面は前記収納部の外縁の直立壁と接合されたことを特徴とする荷重センサ。
2. 前記起歪体の中心には、前記取付部の軸心方向に延びる伝達ロッドの基端が、前記収納部の底面に接続されるように設けられている一方、
   前記センサプレートは、その中心が前記伝達ロッドの先端が接続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。
3. 前記伝達ロッドを前記起歪体と一体に形成すると共に、前記起歪体における前記収納部の底面に、前記伝達ロッドの基端の周囲を窪ませて、前記伝達ロッドの変形を許容する変形許容部を形成したことを特徴とする請求項２に記載の荷重センサ。
4. 前記収納部は、その半径方向に関し、前記収納部の外縁の直立壁から中心までの任意点における歪み量が一様となるように、その肉厚が中心に向かうに連れて厚く形成されたことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
5. 前記取付部に、前記起歪体との境界から所定の距離だけ離れた位置に、前記測定対象物の表面に密接される取付座を形成し、これら起歪体と取付座との間の部位の外径を相対的に細くして、測定に不必要な負荷を前記取付座で吸収して前記起歪体に伝達されることを防止していることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の荷重センサ。
6. 前記ホルダには、前記起歪体から伝達される測定に不必要な負荷を緩衝させる緩衝機能が具備されていることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の荷重センサ。

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