(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
密封空間となるセンサ室を形成し、外部からの荷重によって伸縮可能に構成されたベローズが備えられた収容容器（３１、３２、３３、３４）と、
前記収容容器が形成する前記センサ室内に収容され、前記センサ室内の圧力の検出を行う圧力検出部（３５）とが備えられ、
前記収容容器は、
中空状の略円筒形状を成し、該円筒形状の軸方向において伸縮可能に構成されたベローズ（３２）と、
前記ベローズの一端側の開口部分において、前記開口部分における密封性が確保されるように固定されたセンサヘッド（３１）と、
前記ベローズの他端側の開口部分において、前記開口部分における密封性が確保されるように固定されたハウジング（３３）とを有し、
前記センサヘッドには貫通孔（３１ｂ）が形成され、該貫通孔内には、ボール（３１ｃ）および外周面に溝部が形成されたキャップ部（３１ｄ）からなる蓋部（３１ｃ、３１ｄ）が嵌入され、前記ボールによって広げられた前記キャップ部の溝部が前記貫通孔の内壁面にかしめられて前記貫通孔における密閉性が確保されていることを特徴とする荷重検出装置。
【請求項２】
前記センサ室内には液体（３８）が封入されており、前記圧力検出部は、前記センサ室内における前記液体の圧力を検出するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の荷重検出装置。
【請求項３】
前記ハウジングには窓部（３３ａ）が形成され、該窓部には、前記圧力検出部が搭載されたステム（３４）が嵌入されており、該ステムと、前記ベローズ、前記センサヘッド、前記ハウジングとを有して、前記収容容器が構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の荷重検出装置。
【請求項４】
前記ステムには穴部（３４ａ）が形成されており、該穴部から前記圧力検出部に接続される端子（３７）が引き出されていることを特徴とする請求項３に記載の荷重検出装置。
【請求項５】
前記センサヘッドは、前記ベローズよりも外径が大きくされた部位（３１ａ）を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の荷重検出装置。
【請求項６】
前記センサヘッドと前記ハウジングの少なくともいずれか一方は、前記センサヘッド又は前記ハウジングと前記ベローズとの固定部位よりも前記ベローズの内側に向かって延長された構成となっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の荷重検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入力された荷重の検出を行う荷重検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、荷重検出装置は、荷重が入力されるとその荷重に応じて駆動されるピストンと、ピストンと共に液が収容されたシリンダとを備えた構成となっており、ピストンがシリンダ内を摺動すると、シリンダ内に収容された液の圧力が変動することから、この圧力をセンシングすることで入力された荷重の検出を行うようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来構成においては、ピストンとシリンダとの間に生じる摺動抵抗によりヒステリシスが発生し、荷重検出装置の検出精度が低下するという問題がある。
【０００４】
また、ピストンとシリンダとの間がシールされた構成となっているが、摺動部位をシールしていることから完全なシールが困難であると共に耐久性に問題があり、オイル漏れによってピストン位置が変化し、荷重検出装置の検出精度が低下するという問題がある。
【０００５】
さらに、ピストンに偏荷重がかかると、ピストンが傾き、ピストンとシリンダとの間に発生する摺動抵抗が大きくなって荷重検出装置の検出抵抗が低下するという問題もある。
【０００６】
本発明は、上記問題の少なくともいずれか１つを解決することで、検出精度の高い荷重検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、密封空間となるセンサ室を形成し、外部からの荷重によって伸縮可能に構成されたベローズが備えられた収容容器（３１、３２、３３、３４）と、収容容器が形成するセンサ室内に収容され、センサ室内の圧力の検出を行う圧力検出部（３５）とが備えられ、収容容器として、中空状の略円筒形状を成し、該円筒形状の軸方向において伸縮可能に構成されたベローズ（３２）と、ベローズの一端側の開口部分において、開口部分における密封性が確保されるように固定されたセンサヘッド（３１）と、ベローズの他端側の開口部分において、開口部分における密封性が確保されるように固定されたハウジング（３３）とを有した構成が適用され、センサヘッドには貫通孔（３１ｂ）が形成され、該貫通孔内には、ボール（３１ｃ）および外周面に溝部が形成されたキャップ部（３１ｄ）からなる蓋部（３１ｃ、３１ｄ）が嵌入され、ボールによって広げられたキャップ部の溝部が貫通孔の内壁面にかしめられて貫通孔における密閉性が確保されていることを特徴としている。
【０００８】
このような構成においては、荷重の反作用によって圧力変動が起きるようになっているため、センサ室内の圧力を圧力検出部で検出することで、荷重検出を行うことができる。このため、従来のピストンとシリンダを利用する場合のように摺動部位をシールするということがなく、摺動抵抗によるヒステリシスが発生することもない。従って、摺動抵抗によるヒステリシスを理由とする検出精度の低下が発生せず、また、シールの耐久性を理由とする検出精度の低下も発生しないことから、検出精度の高い荷重検出装置とすることができる。また、センサヘッドに形成した貫通孔を通じてセンサ室内に例えば液体が封入され、この貫通孔が蓋部によって蓋締めされるようにすることで密閉性を確保することができる。
【０００９】
例えば、請求項２に示すようにセンサ室内に液体（３８）を封入し、圧力検出部によりセンサ室内における液体の圧力を検出するようにすることができ、温度変化による液体の体積変化をベローズの伸縮によって吸収可能で、温度特性の優れた荷重検出装置とすることができる。
【００１０】
また、例えば、請求項３に示すように、ハウジングに窓部（３３ａ）を形成し、この窓部に、圧力検出部が搭載されたステム（３４）を嵌入することで、このステムと、ベローズ、センサヘッド、ハウジングとを有して、収容容器を構成することができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、センサヘッドは、ベローズよりも外径が大きくされた部位（３１ａ）を有していることを特徴としている。このような部位を設けることにより、何かがベローズに直接接触することを防止でき、ベローズへの損傷を防止することができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明では、センサヘッドとハウジングの少なくともいずれか一方は、センサヘッド又はハウジングとベローズとの固定部位よりもベローズの内側に向かって突出した形状となっていることを特徴としている。このようにすることで、センサ室内の容積を小さくできる。これにより、例えば、センサ室内に注入する液体の液量を少なくすることができる。これにより、液体の温度による体積変化を小さくすることができ、温度特性の優れた荷重検出装置とすることができる。
【００２２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の一実施形態である荷重検出装置１の断面構成を示す。以下、この図に基づいて荷重検出装置１の構成についての説明を行なう。
【００２４】
荷重検出装置１には、断面コの字状のコップ形状を成す第１、第２のカバー部材２１、２２とスプリング部２３とを有した荷重伝達部材２０が備えられている。この荷重伝達部材２０に対し、図中矢印で示すように荷重が入力され、この荷重伝達部材２０に入力された荷重を荷重検出装置１で検出するようになっている。  スプリング部２３は、第１、第２のカバー２１、２２の間に配置されている。第１のカバー部材２１は、第２のカバー部材２２の内周面をほとんど摺動抵抗が無い状態で移動できるように構成されている。なお、スプリング部２３のバネ力は入力される荷重の大きさとの関係で決定され、例えば、入力される荷重の大きさに応じてバネ力が大きくなるように構成されている。
【００２５】
また、荷重検出装置１には、センサ部３０が備えられている。このセンサ部３０は、センサヘッド３１、ベローズ３２、ハウジング３３、ステム３４、圧力検出部としてのセンサチップ３５、及びボンディングワイヤ３６を介してセンサチップ３５に電気的に接続された端子３７とを有して構成されている。このセンサ部３０は、センサヘッド３１、ベローズ３２、ハウジング３３、ステム３４によって構成される収容容器によって外形が形成され、この収容容器内に形成されるセンサ室にオイル等の液体３８が封入された構成となっている。以下、センサ部３０を構成する各構成要素の詳細について説明する。
【００２６】
センサヘッド３１は、例えばステンレス等の金属で構成されている。このセンサヘッド３１は、部分的に径大とされたフランジ部３１ａを備えた略円盤形状を成しており、その中央部にセンサ室内に封入する液体３８を導入するための貫通孔３１ｂが形成された構成となっている。貫通孔３１ｂは径の大きさが２段階に変化した形状となっている。この貫通孔３１ｂ内には、ボール３１ｃ及び外周面に溝部が形成されたキャップ部３１ｄからなる蓋部が嵌入され、ボール３１ｃによって広げられたキャップ部３１ｄの外周部の溝部が貫通孔３１ｂの内壁面にかしめられて、貫通孔３１ｂにおける密封性が確保されている。
【００２７】
センサヘッド３１のフランジ部３１ａの外径はベローズ３２の外径よりも大きくされている。これにより、何かがベローズ３２に直接接触することが防止され、ベローズ３２への損傷が防止できるようになっている。
【００２８】
なお、上記した荷重伝達部材２０に備えられた第２のカバー部材２２の底面にはバーリング加工による固定用穴部２２ａが形成されており、この固定用穴部２２ａ内にセンサヘッド３１に形成された突起部３１ｅが圧入され、センサヘッド３１と第２のカバー２２との固定が行われている。
【００２９】
ベローズ３２は、例えばステンレス等の金属で構成され、中空状の略円筒形状を成し、略円筒形状の軸方向に対して伸縮可能な構成となっている。このベローズ３２の一端側の開口部分からセンサヘッド３１の一部（フランジ部３１ａよりも小径な部分）が嵌入されている。この嵌入部位において、ベローズ３２とセンサヘッド３１とが溶接固定され、ベローズ３２の一端側の開口部分の密封性が確保されている。
【００３０】
なお、上記したセンサヘッド３１は、その一部がベローズ３２に嵌入されるように構成されているが、センサヘッド３１の嵌入部位はベローズ３２と溶接される部位よりもハウジング３３側に突出（延長）した構成とされている。このように嵌入部位をできるだけ突出形状にさせることで、センサ室内の容積を小さくでき、センサ室内に注入する液体３８の液量を少なくすることができる。
【００３１】
ハウジング３３は、例えばステンレス等の金属で構成され、中央部に窓部３３ａが形成された円盤形状を成している。このハウジング３３の一部は、ベローズ３２の他端側の開口部分に嵌入されており、この嵌入部位においてベローズ３２とハウジング３３とが溶接固定され、ベローズ３２の一端側の開口部分の密封性が確保されている。
【００３２】
また、このハウジング３３も、その外径がベローズ３２の外径よりも大きくされており、何かがベローズ３２に直接接触することによるベローズ３２の損傷を防止している。
【００３３】
ステム３４は、センサチップ３５を搭載し、定位置に保持する部材である。このステム３４には複数の穴部（本実施形態の場合には４つあり、図２中ではそのうちの２つが表されている）３４ａが形成されており、これら各穴部３４ａから端子３７が引き出されている。そして、各端子３７を介してセンサチップ３５との電気的接続が図れるようになっている。また、このステム３４は、ハウジング３３に形成された窓部３３ａ内に嵌め込み可能な形状となっており、センサチップ３５及び端子３７と共にステム３４をハウジング３３の窓部３３ａに嵌め込むことでセンサ部３０の外形が形成されるようになっている。
【００３４】
なお、ステム３４は、ハウジング３３の窓部３３ａに嵌め込まれた時に、ハウジング３３より凹んだ構成となるようにされ、この凹み部分にセンサチップ３５が配置されるようになっている。また、ステム３４に形成された複数の穴部３４ａ内にはガラスハーメチック３９が充填され、各端子３７とステム３４との間の絶縁が図られていると共に、穴部３４ａにおける密封性が確保されるようになっている。
【００３５】
センサチップ３５には、いわゆる歪ゲージによるピエゾ抵抗効果を利用したセンシング素子が形成されている。すなわち、センサチップ３５には、半導体基板４０を部分的に薄肉形状にしたダイヤフラム部と、ダイヤフラム部上に形成された４つの歪ゲージをホイートストンブリッジ状に接続して構成した素子部と、ホイートストンブリッジの中間出力の増幅、オフセット補償、オフセット温度特性補償等を行う処理回路部とが形成されている。そして、これらダイヤフラム部、素子部、処理回路部が形成された半導体基板４０がガラス製台座４１に接合されてセンサチップ３５が構成されている。
【００３６】
端子３７は、センサチップ３５にボンディングワイヤ３６を介して接続されているものであり、具体的には素子部へ電源電圧を印加するための電源端子、素子部を接地電位点に接続するＧＮＤ端子、素子部の中間出力を処理回部路で処理した後の信号を出力するための出力端子等がある。
【００３７】
なお、ボンディングワイヤ３６の紙面最上部は、センサチップ３５の表面よりもセンサヘッド３１側に突出した状態となるが、センサチップ３５がステム３４とハウジング３３とにより形成される凹み部分に配置されることから、ボンディングワイヤ３６の紙面最上部がハウジング３３の紙面最上部からは突出しないようになっている。このため、荷重が入力された際に、移動してきたセンサヘッド３１とボンディングワイヤ３６とが接触することを防止することができる。
【００３８】
このように構成された荷重検出装置１は、例えばステーを介してレバー部にネジにて締結固定され、コネクタを介して外部配線に電気的に接続できる構成となっている。
【００３９】
以上説明した荷重検出装置１の作動を荷重の入力と共に説明する。まず、図１の矢印で示したように荷重が第１のカバー２１に加えられる。これによりスプリング部２３が弾性変形する。この状態においては、スプリング部２３に加えられる荷重分が、第２のカバー２２を介してセンサヘッド３１に加えられる。そして、センサヘッド３１に加えられた荷重に応じてベローズ３２が押し縮められ、センサ室の容積が減少して、センサ室内の液体３８の圧力が増加する。これにより、センサチップ３５のダイヤフラム部にかかる圧力が変動し、素子部を構成するホイートストンブリッジの中間出力が変化して、端子３７から入力された荷重に応じた信号が出力される。
【００４０】
このように、上記構成の荷重検出装置１を用いることにより、入力された荷重の検出を行なうことができる。そして、このような構成の荷重検出装置１においては、加えられる荷重に応じて変動する液体３８の圧力に基づいて荷重検出を行っているが、その液体３８がセンサヘッド３１、ベローズ３２、ハウジング３３、ステム３４等によって形成される密封空間となるセンサ室内に液密に封入され、ベローズ３２の伸縮によって圧力変動が起きるようにしている。このため、従来のピストンとシリンダを利用する場合のように摺動部位をシールするということがなく、摺動抵抗によるヒステリシスが発生することもない。
【００４１】
従って、摺動抵抗によるヒステリシスを理由とする検出精度の低下が発生せず、また、シールの耐久性を理由とする検出精度の低下も発生しないことから、検出精度の高い荷重検出装置１とすることができる。
【００４２】
さらに、従来のようにピストンとシリンダを利用する場合には、ピストンに偏荷重がかけられると、ピストンの傾きによって検出精度の低下が生じたが、本荷重検出装置１においては、多少偏荷重により第２のカバー２２が傾いたとしてもセンサ室内の液体３８の体積変化にはほとんど影響を与えないため、検出精度が低下することはない。
【００４３】
また、センサチップ３５に備えられる半導体基板に処理回路部も作り込み、センサ室内に処理回路部ごとセンサチップ３５を収容している。このため、素子部と処理回路部との距離を短くでき、電波ノイズがのり難い構成とできる。これにより、電波ノイズに強い荷重検出装置１にすることができる。
【００４４】
（第２実施形態）
図２に、本発明の第２実施形態における荷重検出装置１の断面構成を示す。また、図２に示す荷重検出装置１に備えられたハウジング５３の上面図を図３に示す。以下、図２、図３に基づいて、本実施形態における荷重検出装置１の構成について説明する。なお、本実施形態に示す荷重検出装置１においても第１実施形態で示した荷重伝達部材２０を適用することが可能であるが、ここでは省略するものとする。
【００４５】
図２は、荷重検出装置１のうちのセンサ部の断面構成を示している。このセンサ部は、センサヘッド５１、ベローズ５２、ハウジング５３、圧力検出部としてのセンサチップ５４、及びボンディングワイヤ５５を介してセンサチップ５４に電気的に接続された端子５６とを有して構成されている。本実施形態では、ベローズ５２およびハウジング５３によって収容容器が構成され、この収容容器内に形成されるセンサ室にオイル等の液体５７が封入された構成となっている。以下、センサ部を構成する各構成要素の詳細について説明する。
【００４６】
センサヘッド５１は、例えばステンレス等の金属で構成されている。このセンサヘッド５１は、断面コの字状のコップ形状を成しており、コップ形状の入口からベローズ５２が嵌入されるようになっている。
【００４７】
ベローズ５２は、例えばステンレス等の金属で構成され、断面略コの字状のコップ形状を成していると共に、コップ形状の側面部がコップ形状の深さ方向に対して伸縮可能な構成となっている。このベローズ５２の底面側（コップ形状の底面側）がセンサヘッド５１に圧入され、ベローズ５２とセンサヘッド３１とが固定されている。
【００４８】
ハウジング５３は、例えばステンレス等の金属で構成され、略円柱形状を成している。ハウジング５３は、略円柱形状の一端側からコップ形状で構成されたベローズ５２内に嵌入され、この嵌入部位においてハウジング５３の外周面とベローズ５２の内周面とを溶接することで、ベローズ５２の入口側の密封性が確保されている。具体的には、ハウジング５３は、その外径が３段階に分けられた段差形状とされており、ベローズ５２に嵌入される一端側から順に、ベローズ５２の内径よりも外径が小さくされた領域（第３領域）５３ａ、ベローズ５２の内径に対して若干小さくもしくは略同等とされてた領域（第１領域）５３ｂ、ベローズ５２の内径よりも大きくされた領域（第２領域）５３ｃによって構成されている。これらのうち、領域５３ａ、５３ｂがベローズ５２内に嵌入され、領域５３ｂにおいてハウジング５３の外周面とベローズ５２の入口側の内周面とが溶接されている。
【００４９】
また、ハウジング５３のうち外形がベローズ５２の内径よりも小さくされた領域５３ａは、ハウジング５３をできる限りベローズ５２の底面側に突出させるためと、ベローズ５２が伸縮する際にベローズ５２の傾きを防止するガイドとしての役割を果たさせるために設けられている。このような領域５２ａを設けることにより、センサ室内の容積を小さくでき、センサ室内に注入するオイル等の液体５７の液量を少なくすることができる。
【００５０】
また、このハウジング５３には、略円柱形状の一端面と側面とを貫通させた貫通孔５３ｄが形成されている。貫通孔５３ｄのうちハウジング５３の側面側の孔は、領域５３ｃに形成され、ハウジング５３をベローズ５２内に嵌入させた後に、貫通孔５３ｄを通じて液体５７をセンサ室内に封入できるように構成されている。そして、この貫通孔５３ｄのうちハウジング５３の側面側の孔内には、ボール５３ｅ及び外周面に溝部が形成されたキャップ部５３ｆからなる蓋部が嵌入され、ボール５３ｅによって広げられたキャップ部５３ｆの外周部の溝部が貫通孔５３ｄの内壁面にかしめられて、貫通孔５３ｄにおける密封性が確保されている。
【００５１】
さらに、ハウジング５３のうちベローズ５２に嵌入される側の端面には、凹部５３ｇが形成されており、この凹部５３ｇ内にセンサチップ５４が搭載されるようになっている。また、ハウジング５３には、略円柱形状の両端面を連通させた複数の穴部５３ｈが形成されており、各穴部５３ｈから端子５６が引き出されている。各穴部５３ｈ内にはガラスハーメチック５８が充填され、各端子５６とハウジング５３との間の絶縁が図られていると共に、穴部５３ｈにおける密封性が確保されるようになっている。そして、各端子５６を介してセンサチップ５４との電気的接続が図れるようになっている。
【００５２】
なお、センサチップ５４の構成については、第１実施形態と同様であり、ガラス製台座５９を介してハウジング５３の凹部５３ｇ内に搭載され、このセンサチップ５４にかかる液体５７の圧力に基づき、入力された荷重に応じた出力信号が出力されるようになっている。また、センサチップ５４がハウジング５３の凹部５３ｇ内に搭載されるようになっていることから、ボンディングワイヤ５５の紙面最上部がハウジング５３の表面よりも突出しない状態となる。このため、ボンディングワイヤ５５とベローズ５２の底部とが接触することを防止することができる。
【００５３】
以上説明した荷重検出装置１では、センサヘッド５１に荷重が加えられると、ハウジング５３の領域５３ａによってベローズ５２の傾きが防止された状態でベローズ５２が押し縮められる。これにより、センサ室内の液体５７の圧力が増加する。そして、第１実施形態と同様の作動を行ない、端子５６から入力された過重に応じた信号が出力される。このように、本実施形態における荷重検出装置１においても第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００５４】
そして、本実施形態に示す荷重検出装置１においては、ベローズ５２を略コップ形状としているため、荷重検出装置１を形成する際に必要とされる溶接部位が１ヶ所ですむ構造となる。このため、より簡素な構成で荷重検出装置１を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における荷重検出装置の断面構成を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態における荷重検出装置の断面構成を示す図である。
【図３】図２に示す荷重検出装置に備えられたハウジングの上面図である。
【符号の説明】
１…荷重検出装置、２０…荷重伝達部材、２１…第１のカバー、
２２…第２のカバー、２３…スプリング部、３０…センサ部、
３１…センサヘッド、３２…ベローズ、３３…ハウジング、３４…ステム、
３５…センサチップ、３８…液体。
【図１】
0004759838.tif 000002
【図２】
0004759838.tif 000003
【図３】
0004759838.tif 000004