JP7159072B2

JP7159072B2 - ロードセル

Info

Publication number: JP7159072B2
Application number: JP2019020513A
Authority: JP
Inventors: 四輩熊
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2022-10-24
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: JP2020128885A

Description

本発明の実施形態は、力やトルクを検出することが可能なロードセルに関する。

ロードセルは、例えば力を受ける起歪体と、起歪体に設けられた歪センサとしての歪ゲージと、起歪体が固定される構造体を用いて構成される（例えば特許文献１参照）。

特開２０１７－１７２９８３号公報

起歪体は、例えば構造体にボルトを用いて固定される。しかし、ロードセルの小型化に伴い、起歪体をボルトにより構造体に固定することが困難となっており、構造体に対する起歪体の位置を高精度に保持することが困難となっている。

構造体に対して起歪体が高精度に固定されていない場合、歪ゲージにおいて、歪と電気抵抗の変化との比率としてのゲージファクタが小さくなり、例えば弱い力を正確に検出することが困難となるなどの問題がある。

本実施形態は、起歪体を本体に対して高精度に固定することが可能なロードセルを提供するものである。

本実施形態のロードセルは、第１開口部を有する第１構造体と、第２開口部を有する第２構造体と、前記第１構造体と第２構造体とを接続する第３構造体と、歪センサが設けられ、第１端部が前記第１構造体の前記第１開口部に挿入され、第２端部が前記第２構造体の前記第２開口部に挿入される起歪体と、前記第１開口部に挿入され、前記起歪体の前記第１端部を前記第１構造体に押圧させる第１ブロックと、前記第２開口部に挿入され、前記起歪体の前記第２端部を前記第２構造体に押圧させる第２ブロックと、を具備する。

本実施形態に係るロードセルを示す平面図。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図。図１を裏側から見た分解斜視図。図１の斜視図。本実施形態に適用される起歪体及び歪センサの一例を示す平面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には、同一符号を付している。

図１乃至図４は、本実施形態に係るロードセル１０を示している。
ロードセル１０は、本体としての第１構造体１１、第２構造体１２及び第３構造体１３と、例えば第１起歪体２１、第２起歪体２２、及び例えば２つの第１ブロック３１ａ、３１ｂ、及び２つの第２ブロック３２ａ、３２ｂを具備している。

第１構造体１１、第２構造体１２及び第３構造体１３は、金属例えばステンレススチール（ＳＵＳ）により一体的に構成されている。しかし、構造体の材料は、ＳＵＳに限定されるものではなく、鉄、アルミニウム、樹脂などの材料を使用することも可能である。

第１構造体１１及び第２構造体１２は、例えば円筒であり、第２構造体１２は、第１構造体１１の内側で、第１構造体１１と同心状に配置されている。すなわち、第１構造体１１と第２構造体１２は、中心軸を共有している。

図２、図３に示すように、第３構造体１３は、第１構造体１１と第２構造体１２の軸心に沿った方向の一端部、例えば上部において、第１構造体１１と第２構造体１２とを接続する。第３構造体１３は、弾性を有しており、第２構造体１２は、第１構造体１１に対して、軸心に沿った方向（図２に示す矢印Ｆ方向）及び軸心回り方向（図２に示す矢印Ｔ方向）に移動可能とされている。また、第３構造体１３は、直径方向に沿って、例えば２つの窓１３ａ、１３ｂを有している。

第１構造体１１は、２つの窓１３ａ、１３ｂに対応する側面に、例えば２つの第１開口部１１ａ、１１ｂを具備し、第２構造体１２は、２つの窓１３ａ、１３ｂに対応する側面に例えば２つの第２開口部１２ａ、１２ｂを具備している。第２開口部１２ａは、第１開口部１１ａに対向され、第２開口部１２ｂは、第１開口部１１ｂに対向されている。

第１起歪体２１は、第１構造体１１の第１開口部１１ａ内と、第２構造体１２の第２開口部１２ａ内に挿入される。すなわち、第１起歪体２１の第１端部は、第１開口部１１ａ内に配置され、第２端部は、第２開口部１２ａ内に配置される。

第２起歪体２２は、第１構造体１１の第１開口部１１ｂ内と、第２構造体１２の第２開口部１２ｂ内に挿入される。すなわち、第２起歪体２２の第１端部は、第１開口部１１ｂ内に配置され、第２端部は、第２開口部１２ｂ内に配置される。

第１起歪体２１及び第２起歪体２２は、例えばＳＵＳにより構成されている。第１起歪体２１及び第２起歪体２２の厚みは、例えば第３構造体１４の厚みより薄く、後述するように、第２構造体１２が第１構造体１１に対して移動した場合、変形可能とされている。

第１構造体１１の第１開口部１１ａ内には、第１ブロック３１ａが圧入され、第２構造体１２の第２開口部１２ａ内には、第２ブロック３２ａが圧入される。さらに、第１構造体１１の第１開口部１１ｂ内には、第１ブロック３１ｂが圧入され、第２構造体１２の第２開口部１２ｂ内には、第２ブロック３２ｂが圧入される。

第１ブロック３１ａ、３１ｂ及び第２ブロック３２ａ、３２ｂのそれぞれは、弾性体、例えばＳＵＳにより構成される。第１ブロック３１ａ、３１ｂ及び第２ブロック３２ａ、３２ｂのそれぞれは、例えば直方体とされているが、これに限らず、例えばくさび形のような形状であってもよい。

第１起歪体２１の第１端部は、第１ブロック３１ａにより第１開口部１１ａ内の例えば上面、すなわち第１構造体１１に圧接される。第１起歪体２１の第２端部は、第２ブロック３２ａにより第２開口部１２ａ内の例えば上面、すなわち第２構造体１２に圧接される。

第２起歪体２２の第１端部は、第１ブロック３１ｂにより第１開口部１１ｂ内の例えば上面、すなわち第１構造体１１に圧接される。第２起歪体２２の第２端部は、第２ブロック３２ｂにより第２開口部１２ｂ内の例えば上面、すなわち第２構造体１２に圧接される。

図４に示すように、第１開口部１１a、１１ｂ及び第２開口部１２ａ、１２ｂは、第１部分１２－１と第２部分１２－２を有する。第１部分は、第１起歪体２１及び第２起歪体２２の断面形状に類似し、第２部分１２－２は、第１ブロック３１ａ、３１ｂ及び第２ブロック３２ａ、３２ｂの断面形状に類似する。このため、第１起歪体２１、第２起歪体２２、及び第１ブロック３１ａ、３１ｂ及び第２ブロック３２ａ、３２ｂは、第１開口部１１a、１１ｂ、及び第２開口部１２ａ、１２ｂ内において、第１構造体１１及び第２構造体１２の円周方向及び軸心に沿った方向に移動しないように規制される。

図５は、第１起歪体２１及び第２起歪体２２の構成を概略的に示している。
第１起歪体２１の表面には、歪センサ（歪ゲージ）としての例えば薄膜抵抗体Ｒ１、Ｒ２と、複数の端子４１、４２、４３が配置されている。薄膜抵抗体Ｒ１は、端子４１と端子４２の間に接続され、薄膜抵抗体Ｒ２は、端子４２と端子４３との間に接続されている。

第２起歪体２２の表面には、歪センサとしての例えば薄膜抵抗体Ｒ３、Ｒ４及び複数の端子４４、４５、４６が配置されている。薄膜抵抗体Ｒ３は、端子４４と端子４５との間に接続され、薄膜抵抗体Ｒ４は、端子４５と端子４６との間に接続されている。これら薄膜抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、例えばホイートストンブリッジ回路を構成する。

図２に示すように、ロードセル１０に外部から矢印Ｆ方向の力が印加され、第１構造体１１に対して第２構造体１２が軸心に沿った方向に移動すると、第１起歪体２１及び第２起歪体２２が変形する。これにより、薄膜抵抗体Ｒ１～Ｒ４が圧縮又は伸張され、抵抗値が変化すると、ブリッジ回路から印加された力に応じた電気信号がセンサ出力として発生される。

また、ロードセル１０は、軸心回りに力が印加された場合、トルクセンサとしても機能する。

（実施形態の効果）
上記実施形態によれば、第１構造体１１は、第１開口部１１ａ、１１ｂを有し、第２構造体１２は、第２開口部１２ａ、１２ｂを有し、第１起歪体２１の第１端部は、第１開口部１１ａ内において、第１ブロック３１ａにより第１構造体１１に圧接され、第２端部は、第２開口部１２ａ内において、第２ブロック３２ａにより第２構造体１２に圧接され、第２起歪体２２の第１端部は、第１開口部１１ｂ内において、第１ブロック３１ｂにより第１構造体１１に圧接され、第２端部は、第２開口部１２ｂ内において、第２ブロック３２ｂにより第２構造体１２に圧接されている。このため、ボルトを用いる場合に比べて、ロードセル１０を小型化することが可能であり、第１構造体１１及び第２構造体１２が小型化された場合においても、第１起歪体２１及び第２起歪体２２を第１ブロック３１ａ、３１ｂ及び第２ブロック３２ａ、３２ｂによって、第１構造体１１及び第２構造体１２に確実に固定することができる。したがって、ロードセル１０に弱い力が印加された場合においても、印加された力を高精度に検出することが可能である。

また、本実施形態によれば、第１開口部１１ａ、１１ｂ内に第１ブロック３１ａ、３１ｂを圧入し、第２開口部１２ａ、１２ｂ内に第２ブロック３２ａ、３２ｂを圧入することにより、第１起歪体２１及び第２起歪体２２を第１構造体１１及び第２構造体１２に固定することができる。したがって、第１構造体１１及び第２構造体１２が小型化された場合においても、ボルトを用いる場合に比べて、製造が容易であり、製造コストを低廉化することが可能である。

尚、本体を構成する第１構造体１１及び第２構造体１２は、円筒形に限定されるものではなく、例えば直方体であってもよい。この場合、第３構造体１３は、第１構造体１１及び第２構造体１２を接続する構成であればよい。

起歪体の数は、２つに限定されるものではなく、１つまたは、３つ以上であってもよい。

起歪体に設けられる歪ゲージの数は、２つに限定されるものではなく、１つ又は４つでもよく、歪ゲージの種類は薄膜抵抗体に限定されるものではない。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…ロードセル、１１…第１構造体、１１a、１１ｂ…第１開口部、１２…第２構造体、１２a、１２ｂ…第２開口部、１２－１…第１部分、１２－２…第２部分、１３…第３構造体、２１…第１起歪体、２２…第２起歪体、３１ａ、３１ｂ…第１ブロック、３２ａ、３２ｂ…第２ブロック、Ｒ１～Ｒ４…薄膜抵抗体。

Claims

第１開口部を有する第１構造体と、
第２開口部を有する第２構造体と、
前記第１構造体と第２構造体とを接続する第３構造体と、
歪センサが設けられ、第１端部が前記第１構造体の前記第１開口部に挿入され、第２端部が前記第２構造体の前記第２開口部に挿入される起歪体と、
前記第１開口部に挿入され、前記起歪体の前記第１端部を前記第１構造体に押圧させる第１ブロックと、
前記第２開口部に挿入され、前記起歪体の前記第２端部を前記第２構造体に押圧させる第２ブロックと、
を具備するロードセル。
前記第１構造体は、円筒であり、
前記第２構造体は、前記第１構造体と同心状に配置された円筒である
請求項１記載のロードセル。
前記第１開口部及び前記第２開口部は、前記起歪体の前記第１端部又は前記第２端部が挿入される第１部分と、前記第１ブロック又は前記第２ブロックが挿入される第２部分とを具備する請求項１記載のロードセル。
前記第１構造体は、複数の前記第１開口部を含み、
前記第２構造体は、複数の前記第２開口部を含み、
前記起歪体は、複数の前記第１開口部及び複数の前記第２開口部にそれぞれ挿入される複数の前記起歪体を含み、
前記第１ブロックは、複数の前記第１開口部に挿入される複数の前記第１ブロックを含み、
前記第２ブロックは、複数の前記第２開口部に挿入される複数の前記第２ブロックを含む
請求項３記載のロードセル。
前記第３構造体は、円筒形の前記第１構造体の軸方向の一端部と、円筒形の前記第２構造体の軸方向の一端部との間に設けられ、前記第１開口部と前記第２開口部に対応する位置に複数の第３開口部を具備する請求項４記載のロードセル。
複数の第１開口部を有する円筒形の第１構造体と、
複数の第２開口部を有し、前記第１構造体と同心状に配置された円筒形の第２構造体と、
前記第１構造体と第２構造体とを接続する第３構造体と、
複数の歪センサが設けられ、第１端部が前記第１構造体の複数の前記第１開口部にそれぞれ挿入され、第２端部が前記第２構造体の複数の前記第２開口部に挿入される複数の起歪体と、
複数の前記第１開口部のそれぞれに挿入され、前記起歪体の前記第１端部を前記第１構造体に押圧させる複数の第１ブロックと、
複数の前記第２開口部のそれぞれに挿入され、前記起歪体の前記第２端部を前記第２構造体に押圧させる複数の第２ブロックと、
を具備するロードセル。