JP7171476B2

JP7171476B2 - ロードセル

Info

Publication number: JP7171476B2
Application number: JP2019043990A
Authority: JP
Inventors: 嵩幸遠藤; 四輩熊
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2039-03-11
Also published as: JP2020148494A

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、起歪体が締結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ている。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。

実施形態のロードセルは、内側に第１鍔部と第１ねじ山を有する筒状の第１部材と、前記第１部材と同心状に配置され、外側に第２鍔部と第２ねじ山を有する筒状の第２部材と、筒状で、外側に前記第１ねじ山に螺合される第３ねじ山を有する第１構造体と、前記第１構造体の内側に設けられ、筒状で内側に前記第２ねじ山に螺合される第４ねじ山を有する第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられ、弾性を有する第３構造体とを有し、前記第１構造体の外側に前記第１部材が装着され、前記第２構造体の内側に前記第２部材が装着される第１起歪体と、第１端部が前記第１構造体と前記第１鍔部との間に設けられ、第２端部が前記第２構造体と前記第２鍔部との間に設けられ、歪センサを有する少なくとも１つの第２起歪体と、を具備する。

第１実施形態に係るロードセルを示す上面図。図１を分解して示す斜視図。図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図。第１実施形態に適用される歪センサの一例を示す図。第２実施形態に係るロードセルを示す断面図。

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。

（第１実施形態）
図１乃至図４は、第１実施形態に係るロードセルを示している。ロードセル１０は、第１部材１１、第２部材１２、第１起歪体１３、例えば２つの第２起歪体１４、１５、第１弾性体１６、及び第２弾性体１７を具備している。

第１部材１１、第２部材１２、第１起歪体１３、第２起歪体１４、１５は、例えばステンレススチール（ＳＵＳ）により構成されている。しかし、ＳＵＳに限定されるものではなく、他の金属材料、例えば鉄やアルミニウムを用いることも可能である。

図２に示すように、第１部材１１は、筒状であり、内側に第１鍔部１１ａと第１ねじ山（又はねじ溝）１１ｃとを有している。
第２部材１２は、第１部材１１より小さい直径を有し、第１部材１１と同心状に配置される。第２部材１２は、外側に第２鍔部１２ａと第２ねじ山（又はねじ溝）１２ｃとを有している。

第１起歪体１３は、筒状の第１構造体１３ａと、第１構造体１３ａの内側に設けられた筒状の第２構造体１３ｂと、第１構造体１３ａと第２構造体１３ｂとの間に設けられ、これらを接続する第３構造体１３ｃと、を具備している。第３構造体１３ｃは、弾性を有している。このため、第２構造体１３ｂは、第１構造体１３ａに対して軸心方向（図３に示す矢印Ａ方向）に移動することが可能である。

第１構造体１３aの外側には、第３ねじ山１３ｅが設けられ、第２構造体１３ｂの内側には、第４ねじ山１３ｆが設けられる。第３ねじ山１３ｅは、第１部材１１の第１ねじ山１１ｃに螺合され、第４ねじ山１３ｆは、第２部材１２の第２ねじ山１２ｃに螺合される。

第１ねじ山１１ｃと第３ねじ山１３ｅ、及び第２ねじ山１２ｃと第４ねじ山１３ｆは、それぞれ雄ねじと雌ねじの関係であればよい。

第３構造体１３ｃの厚みは、第２起歪体１４、１５の厚みより厚い。このため、ロードセルで検出可能な力の範囲（定格荷重）や耐荷重（許容荷重）などは、第３構造体１３ｃの長さ（第１構造体１３ａと第２構造体１３ｂとの間の距離）と、厚みを変えることで調整できる。

第１起歪体１３の第１構造体１３ａの外側には、第１部材１１が装着される。具体的には、第１部材１１の内径は、第１構造体１３ａの外径より僅かに大きく、第１部材１１は、第１ねじ山１１ｃを第１構造体１３ａの第３ねじ山１３ｅに螺合することにより、第１構造体１３ａの外側に装着される。

また、第１起歪体１３の第２構造体１３ｂの内側には、第２部材１２が装着される。具体的には、第２部材１２の外径は、第２構造体１３ｂの内径より僅かに小さく、第２部材１２は、第２ねじ山１２ｃを第２構造体１３ｂの第４ねじ山１３ｆに螺合することにより、第２構造体１３ｂの内側に装着される。

図２に示すように、第１構造体１３ａ及び第２構造体１３ｂの第１起歪体１３の直径方向に位置する部分には、複数の切り欠き部１３ｄが設けられている。これら切り欠き部１３ｄは、２つの第２起歪体１４、１５の位置決めに用いられる。このため、これら切り欠き部１３ｄの幅は、第２起歪体１４、１５の幅にほぼ等しく、深さは、第２起歪体１４、１５の厚みよりも僅かに浅い。

第１弾性体１６は、リング状の例えば皿ばねであり、第１部材１１の内側に第１鍔部１１ａに沿って設けられる。第１弾性体１６の外径は、第１部材１１の内径にほぼ等しく、第１弾性体１６の内径は、第２起歪体１４、１５の第１端部に当接可能な大きさとされている。

第２弾性体１７は、リング状の例えば皿ばねであり、第２部材１２の外側に第２鍔部１２ａに沿って設けられる。第２弾性体１７の内径は、第２部材１２の外径とほぼ等しく、第２弾性体１７の外径は、第２起歪体１４、１５の第２端部に当接可能な大きさとされている。

組み立て時、先ず、例えば第１構造体１３ａの複数の切り欠き部１３ｄに第２起歪体１４、１５の第１端部が挿入され、第２構造体１３ｂの複数の切り欠き部１３ｄに第２起歪体１４、１５の第２端部が挿入される。

この後、例えば第１弾性体１６が第１部材１１の内側に装着され、第１ねじ山１１ｃと第３ねじ山１３ｅとが螺合されることにより、第１部材１１が第１起歪体１３の第１構造体１３aの外側に装着される。この状態より、第１弾性体１６が第２起歪体１４、１５の第１端部に当接し、所定の接触圧力となるまで、第１部材１１が第１構造体１３ａの外側に捩じ込まれる。このため、図３に示すように、第２起歪体１４、１５の第１端部は、第１部材１１の第１鍔部１１ａが第１弾性体１６を押圧することにより、第１弾性体１６によって第１構造体１３ａに固定される。

また、第２弾性体１７が第２部材１２の外側に装着され、第２ねじ山１２ｃと第４ねじ山１３ｆとが螺合されることにより、第２部材１２が第１起歪体１３の第２構造体１３ｂの内側に装着される。この状態より、第２弾性体１７が第２起歪体１４、１５の第２端部に当接し、所定の接触圧力となるまで、第２部材１２が第２構造体１３ｂの内側に捩じ込まれる。このため、図３に示すように、第２起歪体１４、１５の第２端部は、第２部材１２の第２鍔部１２ａが第２弾性体１７を押圧することにより、第２弾性体１７によって第２構造体１３ｂに固定される。

前述したように、切り欠き部１３ｄの深さは、第２起歪体１４、１５の厚みより僅かに浅い。このため、切り欠き部１３ｄに第２起歪体１４、１５が挿入された場合、第２起歪体１４、１５の上面は切り欠き部１３ｄから僅かに突出する。このため、第１弾性体１６と第２弾性体１７は、第２起歪体１４、１５の上面に当接し、第２起歪体１４、１５を第１構造体１３ａと第２構造体１３ｂに確実に固定することができる。

第１部材１１の第１ねじ山１１ｃは、第１鍔部１１ａの下方で、第１鍔部１１ａの近傍に設け、第２部材１２の第２ねじ山１２ｃは、第２鍔部１２ａの下方で、第２鍔部１２ａの近傍に設けた。しかし、第１ねじ山１１ｃ、第２ねじ山１２ｃの位置は、これに限定されるものではなく、第１ねじ山１１ｃ及び第２ねじ山１２ｃがそれぞれ螺合される第３ねじ山１３ｅ及び第４ねじ山１３ｆと共に、第１弾性体１６及び第２弾性体１７により、第２起歪体１４、１５を十分な圧力で押圧できる位置であればよい。

上記構成において、第１部材１１に対して第２部材１２が図３に示す矢印Ａ方向の力を受けた場合、第１起歪体１３の第２構造体１３ｂが第１構造体１３ａに対して矢印Ａ方向に移動する。これに伴い、第２起歪体１４、１５がその厚み方向（矢印Ａ方向）に変形される。

すなわち、第２起歪体１４、１５の厚みは、第３構造体１３ｃの厚みより薄い。このため、第１構造体１３ａと第２構造体１３ｂが相対的に移動することにより、第２起歪体１４、１５が連動して変形する。

図４は、第２起歪体１４、１５に設けられた歪センサ（歪ゲージ）の一例を示している。第２起歪体１４には、歪センサとしての例えば薄膜抵抗体Ｒ１、Ｒ２が設けられ、第２起歪体１５には、歪センサとしての例えば薄膜抵抗体Ｒ３、Ｒ４が設けられている。

薄膜抵抗体Ｒ１、Ｒ２及び薄膜抵抗体Ｒ３、Ｒ４は、第２起歪体１４、１５の第２端部側、すなわち、第２構造体１３ｂの近傍に配置されている。この理由は、第１起歪体１３の第２構造体１３ｂが、第１構造体１３ａに対して図示矢印Ａ方向に移動した場合、第２起歪体１４、１５に生じる歪は、第２構造体１３ｂ側の方が第１構造体１３ａより大きいためである。

薄膜抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、例えばブリッジ回路を構成し、第２起歪体１４、１５に印加された力を電気信号として出力する。

尚、例えば第３構造体１３ｃに複数の開口部を設けることにより、第２構造体１３ｂを第１構造体１３ａに対して軸心回り（図３に示す矢印Ｂ方向）に移動させることも可能である。この場合、ロードセル１０により、トルクを検討することが可能である。

（第１実施形態の効果）
上記第１実施形態によれば、第２起歪体１４、１５は、第１部材１１の内側に装着された第１弾性体１６、及び第２部材１２の外側に装着された第２弾性体１７により、第１起歪体１３の第１構造体１３ａと第２構造体１３ｂに固定される。このため、ロードセル１０の形状が小型化された場合においても第２起歪体１４、１５を第１起歪体１３の第１構造体１３ａと第２構造体１３ｂに確実に固定することができる。

しかも、第２起歪体１４、１５は、第１弾性体１６及び第２弾性体１７を用いて固定されるため、例えばボルトを用いて第２起歪体１４、１５を固定する場合に比べて、スペースを削減でき、ロードセル１０の形状を小型化することが可能である。

さらに、第２起歪体１４、１５は、第１弾性体１６が装着された第１部材１１を第１起歪体１３の第１構造体１３aの外側に捻じ込み、第２弾性体１７が装着された第２部材１２を第１起歪体１３の第２構造体１３ｂの内側に捻じ込むだけで組み立てることができる。このため、組み立てが容易であり、製造コストを低廉化することが可能である。

また、第１部材１１は、第１ねじ山１１ｃと第１構造体１３ａの第３ねじ山１３ｅとを螺合することにより、第１構造体１３ａに装着され、第２部材１２は、第２ねじ山１２ｃと第２構造体１３ｂの第４ねじ山１３ｆとを螺合することにより、第２構造体１３ｂに装着される。第１ねじ山１１ｃと第３ねじ山１３ｅとの摩擦力、及び、第２ねじ山１２ｃと第４ねじ山１３ｆとの摩擦力は、第１弾性体１６と第２弾性体１７の弾性により、強められる。すなわち、第１弾性体１６は、第１ねじ山１１ｃと第３ねじ山１３ｅに対してばね座金として機能し、第２弾性体１７は、第２ねじ山１２ｃと第４ねじ山１３ｆに対してばね座金として機能する。このため、第１ねじ山１１ｃと第３ねじ山１３ｅとの緩み、及び第２ねじ山１２ｃと第４ねじ山１３ｆとの緩みを防止できる。したがって、第２起歪体１４、１５を第１起歪体１３の第１構造体１３ａと第２構造体１３ｂに確実に固定することができる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態を示している。第１実施形態において、第２起歪体１４、１５は、第１弾性体１６及び第２弾性体１７としての皿ばねを用いて固定した。これに対して、第２実施形態は、第１鍔部１１ｂ及び第２鍔部１２ｂを弾性体とし、第１鍔部１１ｂ及び第２鍔部１２ｂのそれ自体により、第２起歪体１４、１５を固定する。

具体的には、図５に示すように、第１部材１１の第１鍔部１１ｂは、第１部材１１の装着方向に向かって傾斜され、第２部材１２の第２鍔部１２ｂも、第１部材１１の装着方向に向かって傾斜されている。すなわち、第１鍔部１１ｂの先端部は、第１起歪体１３の第１構造体１３aに接近するように傾斜され、第２鍔部１２ｂの先端部は、第１起歪体１３の第２構造体１３ｂに接近するように傾斜されている。このため、第１鍔部１１ｂ及び第２鍔部１２ｂは、弾性を有している。

この後、第１部材１１の第１ねじ山１１ｃが第１構造体１３ａの第３ねじ山１３ｅに螺合されることにより、第１部材１１が第１起歪体１３の第１構造体１３aの外側に装着され、第１鍔部１１ｂが第２起歪体１４、１５の第１端部に当接される。この状態より、所定の接触圧力となるまで、第１部材１１が第１構造体１３ａに捩じ込まれる。このため、図５に示すように、第２起歪体１４、１５の第１端部は、第１部材１１の第１鍔部１１ｂにより、第１構造体１３ａに固定される。

また、第２部材１２の第２ねじ山１２ｃが第２構造体１３ｂの第４ねじ山１３ｆに螺合されることにより、第２部材１２は、第１起歪体１３の第２構造体１３ｂの内側に装着され、第２鍔部１２ｂが第２起歪体１４、１５の第２端部に当接される。この状態より、所定の接触圧力となるまで、第２部材１２が第２構造体１３ｂに捩じ込まれる。このため、図５に示すように、第２起歪体１４、１５の第２端部は、第２部材１２の第２鍔部１２ｂにより、第２構造体１３ｂに固定される。

（第２実施形態の効果）
上記第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。しかも、第２実施形態によれば、第２起歪体１４、１５は、弾性を有する第１鍔部１１ｂと第２鍔部１２ｂとにより、第１起歪体１３の第１構造体１３a及び第２構造体１３ｂに固定できる。このため、第１実施形態に比べて部品点数を削減することができ、組み立てを一層容易化することが可能である。

しかも、弾性を有する第１鍔部１１ｂと第２鍔部１２ｂは、ばね座金として機能するため、第１ねじ山１１ｃと第３ねじ山１３ｅとの緩み、及び第２ねじ山１２ｃと第４ねじ山１３ｆとの緩みを防止できる。したがって、第２起歪体１４、１５を第１起歪体１３の第１構造体１３ａと第２構造体１３ｂに確実に固定することができる。

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。

１１…第１部材、１１ａ、１１ｂ…第１鍔部、１１ｃ…第１ねじ山、１２…第２部材、１２ａ、１２ｂ…第２鍔部、１２ｃ…第２ねじ山、１３…第１起歪体、１３ａ…第１構造体、１３ｂ…第２構造体、１３ｃ…第３構造体、１３ｅ…第３ねじ山、１３ｆ…第４ねじ山、１４、１５…第２起歪体、１６…第１弾性体、１７…第２弾性体。

Claims

内側に第１鍔部と第１ねじ山を有する筒状の第１部材と、
前記第１部材と同心状に配置され、外側に第２鍔部と第２ねじ山を有する筒状の第２部材と、
筒状で、外側に前記第１ねじ山に螺合される第３ねじ山を有する第１構造体と、前記第１構造体の内側に設けられ、筒状で内側に前記第２ねじ山に螺合される第４ねじ山を有する第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられ、弾性を有する第３構造体とを有し、前記第１構造体の外側に前記第１部材が装着され、前記第２構造体の内側に前記第２部材が装着される第１起歪体と、
第１端部が前記第１構造体と前記第１鍔部との間に設けられ、第２端部が前記第２構造体と前記第２鍔部との間に設けられ、歪センサを有する少なくとも１つの第２起歪体と、
を具備するロードセル。
前記第１鍔部と前記第２起歪体の前記第１端部との間に設けられるリング状の第１弾性体と、
前記第２鍔部と前記第２起歪体の前記第２端部との間に設けられるリング状の第２弾性体と、
をさらに具備する請求項１記載のロードセル。
前記第１弾性体及び前記第２弾性体は、皿ばねである
請求項２記載のロードセル。
前記第１鍔部及び前記第２鍔部は、弾性体である
請求項１記載のロードセル。
前記第３構造体の厚みは、前記第２起歪体の厚みより厚い
請求項１記載のロードセル。
前記第１構造体及び前記第２構造体は、前記第２起歪体が挿入される切り欠き部をそれぞれ有し、前記切り欠き部の深さは、前記第２起歪体の厚みより浅い
請求項１記載のロードセル。
内側に第１鍔部と第１ねじ山を有する筒状の第１部材と、
前記第１部材と同心状に配置され、外側に第２鍔部と第２ねじ山を有する第２部材と、
筒状で、外側に前記第１ねじ山に螺合される第３ねじ山を有する第１構造体と、前記第１構造体の内側に設けられ、筒状で内側に前記第２ねじ山に螺合される第４ねじ山を有する第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられ、弾性を有する第３構造体とを有し、前記第１構造体の外側に前記第１部材が装着され、前記第２構造体の内側に前記第２部材が装着される第１起歪体と、
前記第１鍔部に設けられるリング状の第１弾性体と、
前記第２鍔部に設けられるリング状の第２弾性体と、
第１端部が前記第１構造体と前記第１弾性体との間に設けられ、第２端部が前記第２構造体と前記第２弾性体との間に設けられ、歪センサを有する少なくとも１つの第２起歪体と、
を具備するロードセル。
前記第１弾性体及び前記第２弾性体は、皿ばねである
請求項７記載のロードセル。
内側に弾性を有する第１鍔部と第１ねじ山を具備する筒状の第１部材と、
前記第１部材と同心状に配置され、外側に弾性を有する第２鍔部と第２ねじ山を具備する第２部材と、
筒状で、外側に前記第１ねじ山に螺合される第３ねじ山を有する第１構造体と、前記第１構造体の内側に設けられ、筒状で内側に前記第２ねじ山に螺合される第４ねじ山を有する第２構造体と、前記第１構造体と前記第２構造体との間に設けられ、弾性を有する第３構造体とを有し、前記第１構造体の外側に前記第１部材が装着され、前記第２構造体の内側に前記第２部材が装着される第１起歪体と、
第１端部が前記第１構造体と前記第１鍔部との間に設けられ、第２端部が前記第２構造体と前記第２鍔部との間に設けられ、歪センサを有する少なくとも１つの第２起歪体と、
を具備するロードセル。