(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重の作用する荷重点から離反した位置に軸孔が設けられた板状の起歪体と、この起歪体の前記荷重点と前記軸孔との間に搭載された歪み素子と、前記起歪体の前記軸孔周縁部分に対向配置されたスペーサ部材と、前記軸孔を貫通し前記スペーサ部材を介して前記起歪体を支持する固定軸体と、この固定軸体に固定されて前記スペーサ部材を前記起歪体の板厚方向へ加圧する加圧部材とを備え、前記スペーサ部材のうち前記加圧部材に当接する座面を該加圧部材よりも小径に設定したことを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
請求項１の記載において、前記固定軸体がねじを刻設したボルトからなり、かつ前記加圧部材が該ボルトに締着されるナットからなることを特徴とする荷重センサ。
【請求項３】
請求項１または２の記載において、前記スペーサ部材が略中央の筒状部から径方向外側へ鍔部を突設してなる一対のワッシャからなり、これら両ワッシャの前記筒状部どうしを積層させて前記起歪体の前記軸孔内に配置させると共に、前記軸孔の外に位置する前記筒状部の端面を前記座面となしたことを特徴とする荷重センサ。
【請求項４】
請求項３の記載において、前記筒状部どうしを積層させた前記一対のワッシャの前記鍔部どうしの間隔を前記起歪体の板厚よりも大きく設定することにより、前記起歪体の前記軸孔周縁部分と前記鍔部との間に隙間を生じさせ、この隙間に接着固定剤を充填したことを特徴とする荷重センサ。
【請求項５】
請求項１または２の記載において、前記スペーサ部材が、前記起歪体の前記軸孔内に配置される管スペーサと、一端面を前記座面となして他端面が前記管スペーサに当接される一対の凸状ワッシャとからなり、これら両凸状ワッシャが前記加圧部材に加圧されて前記管スペーサを挟圧するように構成したことを特徴とする荷重センサ。
【請求項６】
請求項５の記載において、前記管スペーサの軸線方向の長さ寸法を前記起歪体の板厚よりも大きく設定することにより、前記起歪体の前記軸孔周縁部分と前記凸状ワッシャとの間に隙間を生じさせ、この隙間に接着固定剤を充填したことを特徴とする荷重センサ。
【請求項７】
請求項１または２の記載において、前記起歪体の前記軸孔周縁部分の所定個所に凹状または凸状の被押圧部を設けると共に、この被押圧部が前記スペーサ部材にて加圧されるようになし、かつ前記被押圧部を除く前記起歪体の表面が前記スペーサ部材に対して非接触に保たれるように構成したことを特徴とする荷重センサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかの記載において、前記起歪体のうち、前記軸孔周縁部分の板厚を、前記歪み素子を搭載している部分の板厚よりも大きく設定したことを特徴とする荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歪み素子を搭載した板状の起歪体の撓み具合によって荷重を検出する荷重センサに係り、特に、起歪体をボルト等の固定軸体に支持するための取付構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、この種の荷重センサの従来例を示す説明図である。同図において、符号１は厚膜抵抗体からなる歪み素子、２は軸孔２ａを有して歪み素子１を搭載した金属板製の起歪体で、この起歪体２の先端部には測定対象物からの荷重が加わる荷重点２ｂが設けられている。符号３は軸孔２ａに挿通されたボルトで、このボルト３はナット９等を用いて設置部材であるフレーム４等に固定されている。符号５，６はボルト３に外挿されている平板状のワッシャで、これら一対のワッシャ５，６の間に起歪体２の軸孔２ａの周縁部分を配置させている。符号７，８はボルト３に螺着せしめたナットで、これら一対のナット７，８の間にワッシャ６と起歪体２とワッシャ５とが積層状態で挟圧・固定されている。
【０００３】
すなわち、起歪体２をボルト３に取り付ける際には、ボルト３にナット８を螺合させた後、ワッシャ６と起歪体２およびワッシャ５を順次ボルト３に外挿してから、ナット７をボルト３に螺合させて両ナット７，８を締め付けていく。これにより、一対のナット７，８の間で、起歪体２の軸孔２ａの周縁部分を挟み込んだ一対のワッシャ５，６がボルト３の軸線方向に沿って挟圧されていくので、ワッシャ５，６を介して起歪体２をボルト３に強固に固定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種の荷重センサにおいて、起歪体２は例えば約２ｍｍ厚のＳＵＳ等からなる金属板であるが、この起歪体２とワッシャ５，６とを完全に面接触させることは困難なので、起歪体２の軸孔２ａの周縁部分にはワッシャ５，６からの加圧力が強く作用する場所と弱く作用する場所とが生じる。特に図１０に示すように、ナット７（または８）がボルト３に対し傾いて螺着された場合、ワッシャ５（または６）の一側部に過大な応力が集中してしまうため、同図の点Ｐを支点として他側部が浮き上がり起歪体２から離れてしまう。その結果、起歪体２の軸孔２ａの周縁部分において、ワッシャ５，６に加圧される応力集中個所が極端に不均一な分布となり、歪み素子１の特性に悪影響を及ぼすようなゆがみが起歪体２に生じてしまう。そして、取付時にこのようなゆがみが起歪体２に生じやすい荷重センサは、荷重点２ｂに同等の荷重が加わっても歪み素子１の出力値が製品ごとにばらつきやすいため高い信頼性が得にくくなる。なお、ナット７，８やボルト３に刻設されているねじ溝の公差によっても、図１０に示すようなナット７（または８）の傾きはある程度起こりうる。
【０００５】
本発明はこのような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、歪み素子の特性に悪影響を及ぼさずに起歪体が固定軸体に簡単かつ確実に取り付けられる、高信頼性の荷重センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明の荷重センサは、荷重の作用する荷重点から離反した位置に軸孔が設けられた板状の起歪体と、この起歪体の前記荷重点と前記軸孔との間に搭載された歪み素子と、前記起歪体の前記軸孔周縁部分に対向配置されたスペーサ部材と、前記軸孔を貫通し前記スペーサ部材を介して前記起歪体を支持する固定軸体と、この固定軸体に固定されて前記スペーサ部材を前記起歪体の板厚方向へ加圧する加圧部材とを備え、前記スペーサ部材のうち前記加圧部材に当接する座面を該加圧部材よりも小径に設定することとした。
【０００７】
このように加圧部材に当接するスペーサ部材の座面を該加圧部材よりも小さくしておくと、たとえ加圧部材が固定軸体に対して傾いたままスペーサ部材に加圧力を加えたとしても、加圧部材に直接押し込まれるのはスペーサ部材の内周部だけなので、該スペーサ部材の一部が浮き上がって起歪体から離れてしまうという現象は起こらない。したがって、起歪体を固定軸体に取り付ける際に、スペーサ部材による起歪体の応力集中個所が軸孔の周囲で極端に不均一な分布となる心配がなくなり、歪み素子の特性に悪影響を及ぼさずに起歪体を確実に固定軸体に取り付けることができる。なお、固定軸体がねじを刻設したボルトからなり、かつ加圧部材が該ボルトに締着されるナットからなる構成にしてあれば、起歪体の取付作業が簡単に行えるので好ましい。
【０００８】
また、かかる構成において、スペーサ部材が略中央の筒状部から径方向外側へ鍔部を突設してなる一対のワッシャからなり、これら両ワッシャの前記筒状部どうしを積層させて起歪体の軸孔内に配置させると共に、該軸孔の外に位置する前記筒状部の端面を前記座面となしておけば、両ワッシャの鍔部どうしの間隔を精度よく規定することができるので、これら鍔部どうしの間に起歪体の軸孔周縁部分を無理なく配置させることができる。そして、鍔部どうしの間隔を起歪体の板厚よりも大きく設定して、起歪体の軸孔周縁部分と該鍔部との間に隙間を生じさせ、この隙間に接着固定剤を充填しておけば、両ワッシャの加圧力が接着固定剤で分散されて起歪体に加わるため、起歪体に対する過度の応力集中が抑制できて好ましい。
【０００９】
あるいは、かかる構成において、スペーサ部材が、起歪体の軸孔内に配置される管スペーサと、一端面を前記座面となして他端面が前記管スペーサに当接される一対の凸状ワッシャとからなり、これら両凸状ワッシャが前記加圧部材に加圧されて前記管スペーサを挟圧するようにしておくことも可能である。この場合も、管スペーサの軸線方向の長さ寸法を起歪体の板厚よりも大きく設定して、起歪体の軸孔周縁部分と凸状ワッシャとの間に隙間を生じさせ、この隙間に接着固定剤を充填しておくことが好ましい。
【００１０】
あるいは、かかる構成において、起歪体の軸孔の周囲の所定個所に凹状または凸状の被押圧部を設けると共に、この被押圧部がスペーサ部材にて加圧されるようになし、かつ前記被押圧部を除く起歪体の表面がスペーサ部材に対して非接触に保たれるようにしておくことも可能である。この場合、起歪体の軸孔周縁部分は常に特定個所（被押圧部）だけにスペーサ部材の加圧力が加わることになるので、スペーサ部材による起歪体の応力集中個所を軸孔の周囲で均一な分布となすことができる。
【００１１】
また、上述した各構成において、起歪体のうち、軸孔周縁部分の板厚を、歪み素子を搭載している部分の板厚よりも大きく設定しておけば、荷重点に荷重を加えて起歪体を撓ませたとき、その変形の起点が板厚小なる部分と板厚大なる部分との境目に限定されてばらつかなくなるので、検出精度の向上が図れる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を図面を参照して説明すると、図１は第１の実施形態例に係る荷重センサの要部断面図、図２は図１に示す荷重センサの全体斜視図、図３は図１，２に示す起歪体の平面図、図４は第２の実施形態例に係る荷重センサの要部断面図、図５は第３の実施形態例に係る荷重センサの要部断面図、図６は第４の実施形態例に係る荷重センサの要部断面図、図７は第５の実施形態例に係る荷重センサの要部平面図、図８は図７のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図９と対応する部分には同一符号が付してある。
【００１３】
まず、図１〜図３を参照しつつ第１の実施形態例について説明すると、図中の符号１は厚膜抵抗体からなる歪み素子、２は軸孔２ａを有して歪み素子１を搭載した金属板製の起歪体であり、これら歪み素子１と起歪体２によって歪みゲージが構成されている。図２に示すように、本実施形態例に係る荷重センサは、自動車の座席に組み込まれて搭乗者の体重を検出するためのものであり、起歪体２の先端部に設けられた荷重点２ｂには、座席側に固定されたアーム１７を介して搭乗者の荷重が作用するようになっている。符号３は固定軸体としてのボルトであり、このボルト３はナット９を用いて設置部材であるシートフレーム４に固定されている。符号７，８は加圧部材としてボルト３に螺着せしめたナットである。符号１０，１１はスペーサ部材としてボルト３に外挿されている凸状ワッシャで、これら一対の凸状ワッシャ１０，１１は、起歪体２の軸孔２ａの周縁部分の表裏両面と対向する位置に配置されて、一対のナット７，８により挟圧・固定されている。ただし、ナット７に当接している凸状ワッシャ１０の座面１０ａや、ナット８に当接している凸状ワッシャ１１の座面１１ａは、これらナット７，８よりも小径に設定されており、各ナット７，８の外周部が凸状ワッシャ１０，１１と当接しないようになっている。
【００１４】
なお、本実施形態例では、図３に示すように、起歪体２の上面の４か所に歪み素子１が配設されており、これら４個の歪み素子１を結線してなるホイートストンブリッジ回路の４個の端子１ａが起歪体１の軸孔２ａ側の端部に集約させてある。
【００１５】
上述した構成において、歪み素子１が搭載された起歪体２（歪みゲージ）をボルト３に取り付ける際には、ボルト３にナット８を螺合させた後、凸状ワッシャ１１をボルト３に外挿し、さらに起歪体２の軸孔２ａの周縁部分をボルト３に外挿する。しかる後、凸状ワッシャ１０をボルト３に外挿してから、ナット７をボルト３に螺合させて両ナット７，８を締め付けていく。これにより、一対のナット７，８の間で、凸状ワッシャ１０，１１が起歪体２の板厚方向（ボルト３の軸線方向）に沿って挟圧されていくので、起歪体２の軸孔２ａの周縁部分が凸状ワッシャ１０，１１間に挟持された状態となる。つまり、起歪体２が凸状ワッシャ１０，１１を介してボルト３に支持された状態となる。
【００１６】
このように本実施形態例では、起歪体２を挟持する凸状ワッシャ１０，１１の小径な座面１０ａ，１１ａをナット７，８に当接させていることから、ナット７やナット８がボルト３に対して傾いたまま締め付けられた場合にも、ナット７，８から直接挟圧力を付与されるのは凸状ワッシャ１０，１１の内周部だけであり、凸状ワッシャ１０，１１の鍔状部分１０ｂ，１１ｂが浮き上がって起歪体２から離れてしまうことはない。つまり、起歪体２をボルト３に取り付ける際に、凸状ワッシャ１０，１１による起歪体２の応力集中個所が軸孔２ａの周囲で極端に不均一な分布となる心配がない。それゆえ、歪み素子１の特性に悪影響を及ぼさずに起歪体２を簡単かつ確実にボルト３に取り付けることができ、信頼性の高い荷重センサが得られる。
【００１７】
図４に示す第２の実施形態例では、ナット７，８間に挟み込むスペーサ部材として、略中央の筒状部１２ｃ，１３ｃから径方向外側へ鍔部１２ｂ，１３ｂを突設してなる一対のワッシャ１２，１３を用い、これら両ワッシャ１２，１３の筒状部１２ｃ，１３ｃどうしを積層させて起歪体２の軸孔２ａ内に配置させている。このようなワッシャ１２，１３を用いると、その鍔部１２ｂ，１３ｂどうしの間隔を精度よく規定することができるので、両鍔部１２ｂ，１３ｂ間に起歪体２の軸孔２ａの周縁部分を無理なく配置させることができる。ただし、図４において、鍔部１２ｂ，１３ｂどうしの間隔は起歪体２の板厚よりも若干大きく設定されているので、積層状態のワッシャ１２，１３と起歪体２の軸孔２ａの周縁部分との間には隙間が生じることとなり、この隙間に硬化してもほとんど収縮しない嫌気性の接着剤１４を充填させている。また、ワッシャ１２の筒状部１２ｃの上端面をナット７に当接する座面１２ａとなし、かつワッシャ１３の筒状部１３ｃの下端面をナット８に当接する座面１３ａとなしているが、これらの座面１２ａ，１３ａはナット７，８よりも小径に設定されている。
【００１８】
したがって本実施形態例においては、ナット７，８を締め付けてワッシャ１２，１３を挟圧・固定すると、各ワッシャ１２，１３による加圧力が接着剤１４を介して起歪体２の軸孔２ａの周縁部分に加えられることになり、それゆえ起歪体２に対する過度の応力集中が抑制できる。しかも、前述した第１の実施形態例と同様に、小径の座面１２ａ，１３ａをナット７，８に当接させているので、ナット７，８がボルト３に対して傾いたまま締め付けられた場合にも鍔部１２ｂ，１３ｂが浮き上がって起歪体２から離れてしまうことはなく、よってワッシャ１２，１３による起歪体２の応力集中個所は軸孔２ａの周囲でほぼ均一な分布となりやすい。そのため、歪み素子１の特性が極めて安定したものとなり、荷重センサの信頼性を一層高めることができる。
【００１９】
図５に示す第３の実施形態例では、ナット７，８間に挟み込むスペーサ部材として、起歪体２の板厚よりも長寸で軸孔２ａ内に配置される管スペーサ１５と、この管スペーサ１５の上下に積層配置された一対の凸状ワッシャ１６，１７とを用いている。一方の凸状ワッシャ１６はその上端面をナット７に当接する小径な座面１６ａとなし、かつ下端面の内周部を管スペーサ１５に当接させている。同様に、他方の凸状ワッシャ１７はその下端面をナット８に当接する小径な座面１７ａとなし、かつ上端面の内周部を管スペーサ１５に当接させている。したがって、ナット７，８を締め付けていくと、両凸状ワッシャ１６，１７が管スペーサ１５を挟圧することとなり、スペーサ部材の全体の形状としては図４に示した一対のワッシャ１２，１３と実質的に同じになる。なお、本実施形態例の場合も、管スペーサ１５および凸状ワッシャ１６，１７からなるスペーサ部材と、起歪体２の軸孔２ａの周縁部分との間の隙間に、嫌気性の接着剤１４を充填させている。
【００２０】
図６に示す第４の実施形態例では、ナット７，８間に挟み込むスペーサ部材として、略中央の筒状部１８ｃ，１９ｃから径方向外側へ鍔部１８ｂ，１９ｂを突設し、かつ各筒状部１８ｃ，１９ｃの座面１８ａ，１９ａ側の端部をテーパ面となした一対のワッシャ１８，１９を用いている。これら両ワッシャ１８，１９は、筒状部１８ｃ，１９ｃどうしを積層させて起歪体２の軸孔２ａ内に配置させており、起歪体２の軸孔２ａの周縁部分と鍔部１８ｂ，１９ｂとの間の隙間に、嫌気性の接着剤１４を充填させている。また、本実施形態例では、起歪体２のうち軸孔２ａの近傍の板厚が、歪み素子１を搭載している延出部分の板厚よりも大きくしてある。このように、荷重点２ｂとは反対側の基端部で起歪体２の板厚を増大させておくと、荷重点２ｂに荷重を加えて起歪体２を撓ませたとき、その変形の起点が板厚小なる部分と板厚大なる部分との境目Ｑに限定されてばらつかなくなるので、検出精度の向上が図れる。
【００２１】
図７，８に示す第５の実施形態例では、起歪体２の軸孔２ａの近傍の表裏両面にそれぞれ、凹状の被押圧部２ｃ，２ｄが複数（例えば４個ずつ）設けてある。ボルト３に外挿され起歪体２を介して対向する一対の凸状ワッシャ２０，２１は、それぞれ小径な座面２０ａ，２１ａをナット７，８に当接させている。また、凸状ワッシャ２０，２１にはそれぞれ、起歪体２の被押圧部２ｃ，２ｄ内に挿入される押圧突起２０ｂ，２１ｂが複数設けてある。これらの凸状ワッシャ２０，２１は、各押圧突起２０ｂ，２１ｂを対応する被押圧部２ｃ，２ｄ内に挿入した状態で、ナット７，８に挟圧されてボルト３に固定されるので、起歪体２は複数個所の被押圧部２ｃ，２ｄにおいて凸状ワッシャ２０，２１に挟圧される。ただし、被押圧部２ｃ，２ｄを除く起歪体２の表裏両面は、凸状ワッシャ２０，２１に対して非接触に保たれている。
【００２２】
すなわち本実施形態例は、起歪体２が挟圧される個所（被押圧部２ｃ，２ｄ）を予め特定するというものであり、凸状ワッシャ２０，２１による起歪体２の応力集中個所を軸孔２ａの周囲で均一な分布となすことができる。そして、凸状ワッシャ２０，２１の小径な座面２０ａ，２１ａをナット７，８に当接させているので、ナット７，８がボルト３に対して傾いたまま締め付けられた場合にも、押圧突起２０ｂ，２１ｂが浮き上がって起歪体２から離れてしまうことはない。なお、本実施形態例において、起歪体２の軸孔２ａの近傍に凸状の被押圧部を設けて挟圧されるようにしてもよい。
【００２３】
なお、上述した各実施形態例では、固定軸体としてボルト３を使用し、このボルト３にナット７，８を螺合させて締め付ける場合について例示しているが、リベットのようにねじ溝を持たない固定軸体に起歪体２を取り付ける場合には、ワッシャ等のスペーサ部材をかしめ等の手法で加圧すればよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２５】
ナット等の加圧部材でワッシャ等のスペーサ部材を加圧することにより起歪体を固定軸体に取り付けるという荷重センサで、加圧部材に当接するスペーサ部材の座面を該加圧部材よりも小径にしてあるので、加圧部材が固定軸体に対して傾いたままスペーサ部材に加圧力を加えた場合にも、スペーサ部材の一部が浮き上がって起歪体から離れてしまうという現象は起こらない。それゆえ、起歪体を固定軸体に取り付ける際に、スペーサ部材による起歪体の応力集中個所が軸孔の周囲で極端に不均一な分布となる心配がなくなり、歪み素子の特性に悪影響を及ぼさずに起歪体を簡単かつ確実に固定軸体に取り付けることが可能となり、信頼性の高い荷重センサが得られる。
【００２６】
また、かかる構成において、スペーサ部材が略中央の筒状部から径方向外側へ鍔部を突設してなる一対のワッシャからなり、これら両ワッシャの前記筒状部どうしを積層させて起歪体の軸孔内に配置させると共に、該軸孔の外に位置する前記筒状部の端面を前記座面となしておけば、両ワッシャの鍔部どうしの間隔を精度よく規定することができるので、これら鍔部どうしの間に起歪体の軸孔周縁部分を無理なく配置させることができる。そして、鍔部どうしの間隔を起歪体の板厚よりも大きく設定して、起歪体の軸孔周縁部分と該鍔部との間に隙間を生じさせ、この隙間に接着固定剤を充填しておけば、スペーサ部材の加圧力が接着固定剤で分散されて起歪体に加わるため、起歪体に対する過度の応力集中が抑制できる。
【００２７】
また、起歪体の軸孔の周囲の所定個所に凹状または凸状の被押圧部を設けると共に、この被押圧部がスペーサ部材にて加圧されるようになし、かつ被押圧部を除く起歪体の表面がスペーサ部材に対して非接触に保たれるように構成しておけば、起歪体の軸孔周縁部分は常に特定個所（被押圧部）だけにスペーサ部材の加圧力が加わることになるので、スペーサ部材による起歪体の応力集中個所を軸孔の周囲で均一な分布となすことができる。
【００２８】
また、起歪体のうち、軸孔周縁部分の板厚を歪み素子を搭載している部分の板厚よりも大きく設定しておけば、荷重点に荷重を加えて起歪体を撓ませたとき、その変形の起点が板厚小なる部分と板厚大なる部分との境目に限定されてばらつかなくなるので、検出精度の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態例に係る荷重センサの要部断面図である。
【図２】図１に示す荷重センサの全体斜視図である。
【図３】図１，２に示す起歪体の平面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態例に係る荷重センサの要部断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態例に係る荷重センサの要部断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態例に係る荷重センサの要部断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態例に係る荷重センサの要部平面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図９】従来例に係る荷重センサの要部断面図である。
【図１０】該従来技術の問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
１  歪み素子
２  起歪体
２ａ  軸孔
２ｂ  荷重点
２ｃ，２ｄ  被押圧部
３  ボルト（固定軸体）
７，８  ナット（加圧部材）
１０〜１３，１６〜２１  ワッシャ（スペーサ部材）
１０ａ〜１３ａ，１６ａ〜２１ａ  座面
１２ｂ，１３ｂ，１８ｂ，１９ｂ  鍔部
１２ｃ，１３ｃ，１８ｃ，１９ｃ  筒状部
１４  接着剤
１５  管スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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