JP7187359B2

JP7187359B2 - ロードセル

Info

Publication number: JP7187359B2
Application number: JP2019043992A
Authority: JP
Inventors: 嵩幸遠藤; 四輩熊; ありさ大竹
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2022-12-12
Anticipated expiration: 2039-03-11
Also published as: JP2020148496A

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、複数の第１切り欠き部を有する第１構造体と、複数の第２切り欠き部を有する第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構造体の複数の前記第１切り欠き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切り欠き部に挿入される複数の起歪体と、複数の前記第１切り欠き部内にそれぞれ圧入され、前記起歪体の前記第１端部を前記第１構造体に固定させ、第１ストッパを有する複数の第１ブロックと、複数の前記第２切り欠き部内にそれぞれ圧入され、前記起歪体の前記第２端部を前記第２構造体に固定させ、前記第１ストッパから所定距離離間された第２ストッパを有する複数の第２ブロックと、を具備する。

第１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の一部を分解して示す斜視図。第１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。第２実施形態に係るロードセルを示す斜視図。図５の一部を分解して示す斜視図。

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、第１センサチップを構成する第１起歪体１４、第２センサチップを構成する第２起歪体１５、例えば２つの第１ブロック１６ａ、１６ｂ、及び２つの第２ブロック１７ａ、１７ｂ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ほぼ中間部において、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１、２に示す矢印Ｚ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。

第１構造体１１は、直径方向に例えば２つの第１切り欠き部１１ａ、１１ｂを具備し、第２構造体１２も、直径方向に例えば２つの第２切り欠き部１２ａ、１２ｂを具備している。第１切り欠き部１１ａ、１１ｂ及び第２切り欠き部１２ａ、１２ｂは、例えば凹字状である。第１切り欠き部１１ａ、１１ｂにより、第１構造体１１の内側と外側が連通され、第２切り欠き部１２ａ、１２ｂにより、第２構造体１２の内側と外側が連通されている。

第１構造体１１及び第２構造体１２は、必ずしも円筒形である必要はなく、第３構造体１３により互いに接続され、第１切り欠き部１１ａ、１１ｂ及び第２切り欠き部１２ａ、１２ｂを具備する構成であれば、例えば直方体であってもよい。

第１起歪体１４は、第１構造体１１の第１切り欠き部１１ａ内と、第２構造体１２の第２切り欠き部１２ａ内に挿入される。すなわち、第１起歪体１４の第１端部は、第１切り欠き部１１ａ内に配置され、第２端部は、第２切り欠き部１２ａ内に配置される。

第２起歪体１５は、第１構造体１１の第１切り欠き部１１ｂ内と、第２構造体１２の第２切り欠き部１２ｂ内に挿入される。すなわち、第２起歪体１５の第１端部は、第１切り欠き部１１ｂ内に配置され、第２端部は、第２切り欠き部１２ｂ内に配置される。

第１起歪体１４及び第２起歪体１５は、例えばＳＵＳにより構成されている。第１起歪体１４及び第２起歪体１５の厚みは、例えば第３構造体１３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切り欠き部１１ａ内には、第１ブロック１６ａが設けられ、第２構造体１２の第２切り欠き部１２ａ内には、第２ブロック１７ａが設けられる。さらに、第１構造体１１の第１切り欠き部１１ｂ内には、第１ブロック１６ｂが設けられ、第２構造体１２の第２切り欠き部１２ｂ内には、第２ブロック１７ｂが設けられる。

第１ブロック１６ａ、１６ｂ及び第２ブロック１７ａ、１７ｂは、第１切り欠き部１１ａ、１１ｂ及び第２切り欠き部１２ａ、１２ｂの形状に対応した例えば直方体であり、例えば第１構造体１１、第２構造体１２、第３構造体１３と同様の材料、又は、硬質のゴムにより製造されている。

図３に示すように、第１ブロック１６ａ、１６ｂ及び第２ブロック１７ａ、１７ｂの幅Ｗ１は、第１構造体１１の第１切り欠き部１１ａ、１１ｂ、及び第２構造体１２の第２切り欠き部１２ａ、１２ｂの幅Ｗ２より僅かに広い（Ｗ１＞Ｗ２）。このため、第１ブロック１６ａ、１６ｂ及び第２ブロック１７ａ、１７ｂは、第１切り欠き部１１ａ、１１ｂ及び第２切り欠き部１２ａ、１２ｂにそれぞれ圧入される。

第１起歪体１４の第１端部は、第１ブロック１６ａにより第１切り欠き部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１４の第２端部は、第２ブロック１７ａにより第２切り欠き部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１５の第１端部は、第１ブロック１６ｂにより第１切り欠き部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１５の第２端部は、第２ブロック１７ｂにより第２切り欠き部１２ｂ内の例えば上面、すなわち第２構造体１２に圧接される。

第１切り欠き部１１ａ、１１ｂ及び第２切り欠き部１２ａ、１２ｂの幅Ｗ２は、第１起歪体１４及び第２起歪体１５の幅Ｗ３とほぼ等しいか僅かに大きい（Ｗ２≧Ｗ３）。このため、第１、第２起歪体１４、１５は、第１切り欠き部１１a、１１ｂ、及び第２切り欠き部１２ａ、１２ｂ内において、第１構造体１１及び第２構造体１２の円周方向に移動しないように規制される。

第１ブロック１６ａ、１６ｂ及び第２ブロック１７ａ、１７ｂの形状は、直方体に限らず、第１切り欠き部１１ａ、２２ｂ、第２切り欠き部１２ａ、１２ｂに圧入可能で、第１、第２起歪体１４、１５の第１、第２端部に面接触又は線接触し、第１、第２端部を押圧可能な形状であればよい。

第１ブロック１６ａ、１６ｂは、第１ストッパＳＴ１１、ＳＴ１２をそれぞれ有し、第２ブロック１７ａ、１７ｂは、第２ストッパＳＴ１３、ＳＴ１４をそれぞれ有している。

第１ストッパＳＴ１１は、第１ストッパ部材１６ａ－１、１６ａ－２を有し、第１ストッパＳＴ１２は、第１ストッパ部材１６ｂ－１、１６ｂ－２を有している。第１ストッパ部材１６ａ－１、１６ａ－２は、第１ブロック１６ａから第２構造体１２の方向に延出され、第１ストッパ部材１６ｂ－１、１６ｂ－２は、第１ブロック１６ｂから第２構造体１２の方向に延出されている。

第１ストッパ部材１６ａ－１と第１ストッパ部材１６ａ－２、及び第１ストッパ部材１６ｂ－１と第１ストッパ部材１６ｂ－２は、それぞれ第１構造体１１及び第２構造体１２の円周方向に所定距離離間されている。換言すると、第１ストッパ部材１６ａ－１と第１ストッパ部材１６ａ－２は、例えばトルクの印加方向（図２に示す矢印Ｔ方向）に所定距離離間され、第１ストッパ部材１６ｂ－１と第１ストッパ部材１６ｂ－２も、トルクの印加方向に所定距離離間されている。

第２ストッパＳＴ１３、ＳＴ１４は、第２ストッパ部材１７ａ－１、１７ｂ－１をそれぞれ有している。第２ストッパ部材１７ａ－１は、第２ブロック１７ａから第１構造体１１の方向に延出され、第１ストッパ部材１６ａ－１、１６ａ－２の相互間に配置される。第２ストッパ部材１７ｂ－１は、第２ブロック１７ｂから第１構造体１１の方向に延出され、第１ストッパ部材１６ｂ－１、１６ｂ－２の相互間に配置される。

第１ストッパ部材１６ａ－１、１６ａ－２と第２ストッパ部材１７ａ－１との間の距離、及び第１ストッパ部材１６ｂ－１、１６ｂ－２と第２ストッパ部材１７ｂ－１との間の距離は、ロードセル１０にトルク方向の定格荷重が印加されたとき、第１構造体１１と第２構造体１２が相対的に移動する距離と等しくされている。このため、ロードセル１０に定格荷重以上のトルクが印加された場合、第１ストッパ部材１６ａ－１、１６ａ－２、１６ｂ－１、１６ｂ－２のいずれかが第２ストッパ部材１７ａ－１、１７ｂ－１に当接され、第１、第２起歪体１４、１５の破壊が防止される。

第１ストッパＳＴ１１、ＳＴ１２の形状は、上記に限定されるものではなく、図３の破線内に示すように、変形可能である。すなわち、第１ストッパＳＴ１１は、第２ストッパＳＴ１３と同時に、１つのストッパ部材により構成されている。第１ストッパＳＴ１１と第２ストッパＳＴ１３との間の距離は、上記と同様である。

図４は、第１起歪体１４及び第２起歪体１５の構成を概略的に示している。
第１起歪体１４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が配置され、第２起歪体１５の表面には、歪センサとしての例えば薄膜抵抗体Ｒ３、Ｒ４が配置される。薄膜抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、第１、第２起歪体１４、１５において大きな歪が発生する位置に配置される。具体的には、薄膜抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、第１、第２起歪体１４、１５の長手方向中央部より、第２構造体１２側に配置される。

薄膜抵抗体Ｒ１～Ｒ４は、例えば図示せぬホイートストンブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路より、ロードセルの出力信号が出力される。ブリッジ回路の構成は適宜変更可能である。

図２に示すように、ロードセル１０に外部から矢印Ｚ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１４及び第２起歪体１５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。

第１実施形態の場合、ロードセル１０は、第１ストッパＳＴ１１、ＳＴ１２、及び第２ストッパＳＴ１３、ＳＴ１４を具備しているため、ロードセル１０をトルクセンサとして機能させることも可能である。

（第１実施形態の効果）
第１実施形態によれば、第１構造体１１は、第１切り欠き部１１ａ、１１ｂを有し、第２構造体１２は、第２切り欠き部１２ａ、１２ｂを有している。第１起歪体１４の第１端部は、第１切り欠き部１１ａ内に圧入された第１ブロック１６ａにより、第１構造体１１に密着して固定され、第２端部は、第２切り欠き部１２ａ内に圧入された第２ブロック１７ａにより、第２構造体１２に密着して固定される。また、第２起歪体１５の第１端部は、第１切り欠き部１１ｂ内に圧入された第１ブロック１６ｂにより、第１構造体１１に密着して固定され、第２端部は、第２切り欠き部１２ｂ内に圧入された第２ブロック１７ｂにより、第２構造体１２に密着して固定されている。このため、ボルトを用いて起歪体を固定する場合に比べて、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ブロック１６ａ、１６ｂ及び第２ブロック１７ａ、１７ｂによって、第１起歪体１４及び第２起歪体１５を第１構造体１１及び第２構造体１２に確実且つ高精度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切り欠き部１１ａ、１１ｂ内に第１ブロック１６ａ、１６ｂを圧入し、第２切り欠き部１２ａ、１２ｂ内に第２ブロック１７ａ、１７ｂを圧入することにより、第１起歪体１４及び第２起歪体１５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。

さらに、第１ブロック１６ａ、１６ｂは、第１切り欠き部１１ａ、１１ｂ内に圧入され、第２ブロック１７ａ、１７ｂは、第２切り欠き部１２ａ、１２ｂ内に圧入される。このため、第１ブロック１６ａ、１６ｂは第１切り欠き部１１ａ、１１ｂ内に密着され、第２ブロック１７ａ、１７ｂは、第２切り欠き部１２ａ、１２ｂ内に密着される。したがって、第１ブロック１６ａ、１６ｂ及び第２ブロック１７ａ、１７ｂは、第１切り欠き部１１ａ、１１ｂ及び第２切り欠き部１２ａ、１２ｂを密閉するパッキンとして機能し、ロードセル１０内に塵埃や水分が侵入することを防止できる。

また、第１ブロック１６ａ、１６ｂは、第１ストッパＳＴ１１、ＳＴ１２をそれぞれ具備し、第２ブロック１７ａ、１７ｂは、第１ストッパＳＴ１１、ＳＴ１２からそれぞれトルクの印加方向に所定距離離間した第２ストッパＳＴ１３、ＳＴ１４をそれぞれ具備している。このため、ロードセル１０に定格荷重を超えるトルク方向の力や図１に示す矢印Ｘ方向の並進力が印加された場合において、第１起歪体１４、第２起歪体１５を保護することが可能である。

尚、起歪体の数は、２つに限定されるものではなく、１つ又は、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。

（第２実施形態）
図５、図６は、第２実施形態に係るロードセル１０を示している。
第１実施形態に係るロードセル１０は、トルク方向の力に対して第１、第２起歪体１４、１５を保護する第１、第２ストッパＳＴ１１～ＳＴ１４を具備している。これに対して、第２実施形態に係るロードセル１０は、トルク方向以外の力に対して第１、第２起歪体１４、１５を保護する第１、第２ストッパＳＴ２１～ＳＴ２４を具備している。

第１ストッパＳＴ２１は、第１ストッパ部材１６ａ－３、１６ａ－４を有し、第１ストッパＳＴ２２は、第１ストッパ部材１６ｂ－３、１６ｂ－４を有している。第１ストッパ部材１６ａ－３、１６ａ－４は、第１ブロック１６ａから第２構造体１２の方向に延出され、第１ストッパ部材１６ｂ－３、１６ｂ－３は、第１ブロック１６ｂから第２構造体１２の方向に延出されている。

第１ストッパ部材１６ａ－３と第１ストッパ部材１６ａ－４、及び第１ストッパ部材１６ｂ－３と第１ストッパ部材１６ｂ－４は、それぞれ第１構造体１１及び第２構造体１２の軸に沿った方向に所定距離離間されている。換言すると、第１ストッパ部材１６ａ－３と第１ストッパ部材１６ａ－４は、図２に示す矢印Ｚ方向に所定距離離間され、第１ストッパ部材１６ｂ－３と第１ストッパ部材１６ｂ－４も、矢印Ｚ方向に所定距離離間されている。

第２ストッパＳＴ２３、ＳＴ２４は、第２ストッパ部材１７ａ－２、１７ｂ－２をそれぞれ有している。第２ストッパ部材１７ａ－２は、第２ブロック１７ａから第１構造体１１の方向に延出され、第１ストッパ部材１６ａ－３、１６ａ－４の相互間に配置される。第２ストッパ部材１７ｂ－２は、第２ブロック１７ｂから第１構造体１１の方向に延出され、第１ストッパ部材１６ｂ－３、１６ｂ－４の相互間に配置される。

第１ストッパ部材１６ａ－３、１６ａ－４と第２ストッパ部材１７ａ－２との間の距離、及び第１ストッパ部材１６ｂ－３、１６ｂ－４と第２ストッパ部材１７ｂ－２との間の距離は、ロードセル１０にトルク以外の方向に定格荷重が印加されたとき、第１構造体１１と第２構造体１２が相対的に移動する距離と等しくされている。このため、ロードセル１０に定格荷重以上のトルク以外の力が印加された場合、第１ストッパ部材１６ａ－３、１６ａ－４、１６ｂ－３、１６ｂ－４のいずれかが第２ストッパ部材１７ａ－２、１７ｂ－２に当接され、第１、第２起歪体１４、１５の破壊が防止される。

第１ストッパＳＴ２１、ＳＴ２２の形状は、上記に限定されるものではなく、図５の破線内に示すように、変形可能である。すなわち、第１ストッパＳＴ２１は、第２ストッパＳＴ２３と同様に、１つのストッパ部材により構成されている。第１ストッパＳＴ２１と第２ストッパＳＴ２３との間の距離は、上記と同様である。

第２実施形態の場合、ロードセル１０は、第１ストッパＳＴ２１、ＳＴ２２、及び第２ストッパＳＴ２３、ＳＴ２４を具備しているため、ロードセル１０を力覚センサとして機能させることも可能である。

（第２実施形態の効果）
第２実施形態によっても、第１実施形態と同様に、第１ブロック１６ａ、１６ｂ及び第２ブロック１７ａ、１７ｂにより第１、第２起歪体１４、１５を高精度に固定することができる。

しかも、第１ブロック１６ａ、１６ｂは、第１ストッパＳＴ２１、ＳＴ２２をそれぞれ具備し、第２ブロック１７ａ、１７ｂは、第１ストッパＳＴ２１、ＳＴ２２からそれぞれ第１、第２構造体の軸方向に所定距離離間した第２ストッパＳＴ２３、ＳＴ２４を具備している。このため、ロードセル１０に定格荷重を超えるトルク以外の方向の力が印加された場合において、第１起歪体１４、第２起歪体１５を保護することが可能である。

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。

１０…ロードセル、１１…第１構造体、１１ａ、１１ｂ…第１切り欠き部、１２…第２構造体、１２ａ、１２ｂ…第２切り欠き部、１３…第３構造体、１４…第１起歪体、１５…第２起歪体、１６ａ、１６ｂ…第１ブロック、１７ａ、１７ｂ…第２ブロック、ＳＴ１１、ＳＴ１２、ＳＴ２１、ＳＴ２２…第１ストッパ、ＳＴ１３、ＳＴ１４、ＳＴ２３、ＳＴ２４…第２ストッパ、１６ａ－１～１６ａ－４、１６ｂ－１～１６ｂ－４…第１ストッパ部材、１７ａ－１、１７ｂ－１、１７ａ－２、１７ｂ－２…第２ストッパ部材、Ｒ１～Ｒ４…薄膜抵抗体。

Claims

複数の第１切り欠き部を有する第１構造体と、
複数の第２切り欠き部を有する第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構造体の複数の前記第１切り欠き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切り欠き部に挿入される複数の起歪体と、
複数の前記第１切り欠き部内にそれぞれ圧入され、前記起歪体の前記第１端部を前記第１構造体に固定させ、第１ストッパを有する複数の第１ブロックと、
複数の前記第２切り欠き部内にそれぞれ圧入され、前記起歪体の前記第２端部を前記第２構造体に固定させ、前記第１ストッパから所定距離離間された第２ストッパを有する複数の第２ブロックと、
を具備することを特徴とするロードセル。
前記第１ブロック及び前記第２ブロックの幅は、前記第１切り欠き部及び前記第２切り欠き部の幅より広いことを特徴とする請求項１記載のロードセル。
前記第１構造体は円筒形であり、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形であることを特徴とする請求項２記載のロードセル。
前記第２ストッパは、前記第１ストッパに対して、前記第１、第２構造体の円周方向に離間されることを特徴とする請求項３記載のロードセル。
前記第１ストッパは、前記第２構造体の方向に延出され、前記第１、第２構造体の円周方向に離間された一対の第１ストッパ部材を有し、前記第２ストッパは、前記第１構造体の方向に延出され、一対の前記第１ストッパ部材の相互間に配置された第２ストッパ部材を具備することを特徴とする請求項４記載のロードセル。
前記第２ストッパは、前記第１ストッパに対して、前記第１、第２構造体の軸心方向に離間されることを特徴とする請求項３記載のロードセル。
前記第１ストッパは、前記第２構造体の方向に延出され、前記第１、第２構造体の軸心方向に離間された一対の第１ストッパ部材を有し、前記第２ストッパは、前記第１構造体の方向に延出され、一対の前記第１ストッパ部材の相互間に配置された第２ストッパ部材を具備することを特徴とする請求項６記載のロードセル。