JP2023109029A - 荷重センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出値の高精度化とともに優れた耐衝撃性を得ることができる荷重センサ装置を提供すること。【解決手段】本発明の一態様に係る荷重センサ装置は、受圧部を有する荷重センサと、荷重センサを収納するハウジングと、荷重を受けて荷重センサを押圧する弾性体と、弾性体と荷重センサとの間に設けられる押圧部材と、を備え、押圧部材は、受圧部と接触可能な剛性押圧部と、剛性押圧部をハウジングに支持する弾性支持部と、を有し、弾性体に荷重が印加されていない状態では剛性押圧部と受圧部との間に隙間が設けられ、弾性体に荷重が印加されたときに、剛性押圧部と受圧部との隙間を縮めるように弾性支持部は弾性変形し、弾性支持部の弾性変形を緩和可能な緩衝部を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、荷重を検知する荷重センサ装置に関するものである。

近年、電子機器などにおいて荷重を検知する荷重センサ装置が多く利用されている。特許文献１には、第１電極が形成されている感圧面と第２電極とを有し、前記感圧面に作用する圧力に応じて前記第１電極と前記第２電極との間の電気的物性値が変化する感圧素子と、導電性を有する加圧部材と、前記加圧部材に前記感圧素子の前記第１電極方向への所定値以上の荷重がかかっている場合に前記加圧部材の一方の端部が前記感圧素子の前記第１電極と接触するように前記加圧部材を支持する支持部とを、備え、前記加圧部材と前記感圧素子の第２電極との間の電気的物性値の測定結果に基づき、前記加圧部材に荷重がかかっているか否かが判定される形で使用されることを特徴とする圧力センサが開示される。

特許文献２には、コイルに電流を流して磁性体を磁化し、該磁性体に荷重を加えてその磁気特性を変化させ、この磁気特性の変化を電圧変化に変換して出力することによって荷重を検出する磁歪式荷重センサを備える荷重検出装置において、弾性体を含んで構成される過荷重防止機構を前記磁歪式荷重センサ又はこれを含む荷重検出系に設けたことを特徴とする荷重検出装置が開示される。

特許文献３には、絶縁基板または絶縁シート上に形成された馬蹄形接点とその内側に隣接する略円形状の接点上に、ばね性を有する金属で形成されたダイヤフラムをテープを用いて馬蹄形接点と同心上に、かつ、接触するように貼り合わせて構成したスイッチユニットと、上記ダイヤフラムの中心部を押圧するロッドを下面に設けたボタンと、上記スイッチユニットのダイヤフラムとボタンのロッドの間に挟み込まれたシリコンゴムや発泡材料により形成されたダンパーシートからなるパネルスイッチが開示される。

特開２０１５－１５２４２９号公報 特開２００１－２８１０７４号公報 特許第２９２６９７０号公報

荷重を検知する荷重センサ装置においては、高い検知精度および荷重に対する検出値の直線性が求められるほか、製造過程や使用時に加えられる可能性がある衝撃に対する耐性を有していることが好ましい。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、検出値の高精度化とともに優れた耐衝撃性を得ることができる荷重センサ装置を提供することを目的とする。

本願発明者らは、検出値の高精度化の観点での検討の結果、荷重が印加されたときに荷重センサの受圧部を押圧する部材（押圧部材）と、受圧部とを、無負荷状態では非接触とすることがよいとの知見を得た。しかし、このように無負荷状態で非接触とすると、外部から衝撃を受けたときに、押圧部材と受圧部とが衝突し、この衝突により荷重センサがダメージを受ける可能性があることも明らかになった。そこでさらに検討した結果、荷重印加状態において剛性押圧部材が受圧部へと変位する際に、剛性押圧部材を弾性的に支持する部材の過剰変形および変形速度を緩和させることにより、荷重センサが前述した衝撃を受けた時にダメージを受ける可能性を低減させることができる、との新たな知見を得た。

かかる知見に基づき完成された本発明は、その一態様において、受圧部を有する荷重センサと、荷重センサを収納するハウジングと、荷重を受けて荷重センサを押圧する弾性体と、弾性体と荷重センサとの間に設けられる押圧部材と、を備え、押圧部材は、受圧部と接触可能な剛性押圧部と、剛性押圧部をハウジングに支持する弾性支持部と、を有し、弾性体に荷重が印加されていない状態では剛性押圧部と受圧部との間に隙間が設けられ、弾性体に荷重が印加されたときに、剛性押圧部と受圧部との隙間を縮めるように弾性支持部は弾性変形し、弾性支持部の弾性変形を緩和可能な緩衝部を備えることを特徴とする荷重センサ装置である。

このような構成によれば、押圧部材に弾性を持たせることによって、弾性体が押圧されたとき、弾性体から弾性支持部および剛性押圧部を介して受圧部に荷重を伝えることができる。この荷重センサ装置において、押圧部材に衝撃が加わった際、緩衝部によって弾性支持部の弾性変形を緩和することにより、剛性押圧部の変位速度を低下させて、剛性押圧部から受圧部へ伝わる衝撃力を緩和できるようになる。

上記荷重センサ装置において、弾性支持部は、剛性押圧部から荷重印加方向と交差する方向に延びる板バネ部を有していてもよい。また、板バネ部は、剛性押圧部と一体に設けられていてもよい。このように、弾性支持部が剛性押圧部から荷重印加方向と交差する方向に延びる板バネ部を有していることで、コイルバネに比べて剛性押圧部を安定かつ省スペースで支持できるとともに、荷重を受圧部に伝えやすくなる。

上記荷重センサ装置において、緩衝部は、押圧部材の荷重センサに対向する側に配置される第１軟弾性部材を有していてもよい。これにより、押圧部材に衝撃が加わった際、弾性変形する弾性支持部が第１軟弾性部材と接触して弾性支持部の弾性変形を緩和することができる。

上記荷重センサ装置において、第１軟弾性部材は第１貫通孔を有し、弾性体に荷重が印加された状態では、第１貫通孔を介して、剛性押圧部と受圧部とが接触可能であることが好ましい。これにより、押圧部材の荷重センサに対向する側に第１軟弾性部材が設けられていても、剛性押圧部が受圧部と接触する際には第１貫通孔を介して直接接触可能となり、第１軟弾性部材を介在せずに押圧部材の荷重を受圧部に伝えることができる。

上記荷重センサ装置において、緩衝部は、板バネ部の弾性体に対向する側に配置される第２軟弾性部材を有していてもよい。これにより、押圧部材に衝撃が加わった際、弾性変形する弾性支持部が第２軟弾性部材と接触して弾性支持部の弾性変形を緩和することができる。

上記荷重センサ装置において、第２軟弾性部材は第２貫通孔を有し、弾性体に荷重が印加された状態では第２貫通孔を介して弾性体または弾性体と剛性押圧部との間に配置された部材と、剛性押圧部と、が接することが好ましい。これにより、板バネ部の弾性体に対向する側に第２軟弾性部材が設けられていても、弾性体または弾性体と剛性押圧部との間に配置された部材と剛性押圧部とが第２貫通孔を介して直接接触可能となり、第２軟弾性部材を介在せずに弾性体から押圧部材へ荷重を伝えることができる。

上記荷重センサ装置において、緩衝部は、緩衝性を有する流動物質からなる部分をハウジング内に有していてもよい。これにより、流動物質からなる部分によって剛性押圧部の変位速度を低下させて、剛性押圧部から受圧部へ伝わる衝撃力を緩和できるようになる。

上記荷重センサ装置において、ハウジングは、弾性体に荷重が印加された状態における弾性体の荷重印加方向への変形量を規制するストッパを有していてもよい。これにより、弾性体に過荷重が加わった際にストッパによって弾性体の変形量が規制され、荷重センサを過荷重から保護することができる。

上記荷重センサ装置において、押圧部材の周縁部はハウジングに固定されていてもよい。これにより、押圧部材の周縁部がハウジングによって支持され、押圧部材の周縁部を支点として中央部分が撓むように変位させることができる。

上記荷重センサ装置において、荷重印加方向からみたときに、剛性押圧部は、その全体が弾性体の荷重受け部と重複し、受圧部は、その全体が剛性押圧部と重複するようになっていることが好ましい。これにより、弾性体の荷重受け部で受けた荷重を剛性押圧部を介して荷重印加方向にまっすぐ荷重センサの受圧部へ印加することができる。

上記荷重センサ装置において、荷重センサは、受圧部で受けた荷重によって変位する変位部と、変位部の変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子と、を有していてもよい。このような複数のピエゾ抵抗素子を用いた荷重センサでは、受圧部に衝撃が加わった際に複数のピエゾ抵抗素子による検出値のバランスが崩れやすい。上記のように、緩衝部によって弾性支持部の弾性変形を緩和し、剛性押圧部から受圧部へ伝わる衝撃力を緩和できることで、衝撃が加わった場合でも複数のピエゾ抵抗素子による検出値のバランスを維持しやすくなる。

上記荷重センサ装置において、緩衝部は、弾性支持部に接触して設けられることが好ましい。これにより、弾性支持部が弾性変形する際に緩衝部によって弾性変形を効果的に緩和できるようになる。

上記荷重センサ装置において、緩衝部は、弾性支持部に付着するゲル状の樹脂を含む。これにより、弾性支持部が弾性変形する際にゲル状の樹脂によって弾性変形を効果的に緩和できるようになる。

上記荷重センサ装置において、弾性体と剛性押圧部との間に剛性プレート部が設けられていてもよい。このような剛性プレート部が設けられることで、弾性体から剛性押圧部へ伝わる荷重の逃げを抑制して、測定精度を高めることができる。

本発明によれば、検出値の高精度化とともに優れた耐衝撃性を得ることができる荷重センサ装置を提供することが可能となる。

第１実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する斜視図である。 第１実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する、図１のＡ－Ａ線における断面図である。 第１実施形態に係る荷重センサ装置の分解斜視図である。 荷重センサの変位部を例示する平面図である。 第１実施形態に係る荷重センサ装置の緩衝部の配置を例示する斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る荷重センサ装置の動作を例示する図である。 第２実施形態に係る荷重センサ装置の分解斜視図である。 第２実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する断面図である。 第３実施形態に係る荷重センサ装置の分解斜視図である。 第３実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する断面図である。 第４実施形態に係る荷重センサ装置の分解斜視図である。 第４実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する断面図である。 第５実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する断面図である。 本発明例１の荷重試験の結果を例示する図である。 本発明例２の荷重試験の結果を例示する図である。 本発明例３の荷重試験の結果を例示する図である。 本発明例１～３における荷重試験の結果を示す図である。 本発明例４～６における荷重試験の結果を示す図である。 比較例の荷重試験の結果を例示する図である。 比較例の荷重試験の結果を例示する図である。 参考例１～２における荷重試験の結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する斜視図である。
図２は、第１実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する、図１のＡ－Ａ線における断面図である。
図３は、第１実施形態に係る荷重センサ装置の分解斜視図である。
図４は、荷重センサの変位部を例示する平面図である。
図５は、第１実施形態に係る荷重センサ装置の緩衝部の配置を例示する斜視図である。

第１実施形態に係る荷重センサ装置１は、外部からの荷重を受けて、その荷重に応じた信号を出力する装置である。荷重センサ装置１は、荷重センサ１０と、荷重センサ１０を収納するハウジング２０と、荷重を受けて荷重センサ１０を押圧する弾性体３１と、弾性体３１と荷重センサ１０との間に設けられる押圧部材３０とを備える。なお、実施形態の説明では、ハウジング２０における荷重センサ１０の実装面の法線方向をＺ方向、法線方向（Ｚ方向）に直交する方向の１つをＸ方向、他の１つをＹ方向とする。

荷重センサ１０は、受圧部１１と、センサ基板１２とを有する。受圧部１１は、センサ基板１２の上面から例えば円柱状に突出して設けられ、外部からの荷重を受ける部分である。受圧部１１はシリコン化合物またはシリコン（センサ基板１２と同一材料）からなる。

センサ基板１２は、受圧部１１で受けた荷重によって変位する変位部１２１と、変位部１２１の変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子１２２とを有する。センサ基板１２はベース基板１３の上に、例えば、Ａｕの拡散接合によって接合され、ベース基板１３はダイボンド樹脂１４によってハウジング２０に接続される。変位部１２１は、受圧部１１で受けた荷重によって変位する部分であり、センサ基板１２の受圧部１１とは反対側の面に設けられる。

ピエゾ抵抗素子１２２は、変位部１２１の変位量を電気的に検出する素子である。変位部１２１には複数のピエゾ抵抗素子１２２が設けられる。複数のピエゾ抵抗素子１２２は変位部１２１の周縁部に沿って、隣り合う素子どうしが９０°異なる位相（互いに直交する位置関係）で配置されている。受圧部１１で受けた荷重により変位部１２１が変位すると、その変位量に応じて複数のピエゾ抵抗素子１２２の電気抵抗が変化し、この複数のピエゾ抵抗素子１２２によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化し、この中点電位がセンサ出力となる。

ハウジング２０は例えば箱形に形成されており、縁部２１と、中央の凹部である収納部２２とを有する。縁部２１はハウジング２０の最上面となっており、外部からの荷重を受けた際に弾性体３１の荷重印加方向（Ｚ方向）への変形量を規制するストッパとしての役目を果たす。

収納部２２には荷重センサ１０が収納される。収納部２２にはパッドが設けられており、収納された荷重センサ１０とパッドとがボンディングワイヤ１５によって電気的に接続される。収納部２２内にはボンディングワイヤ１５などの保護の目的で樹脂（図示せず）が埋め込まれていてもよい。

縁部２１の内側で収納部２２を囲むように段差部２３が設けられる。段差部２３には後述する緩衝部５０および押圧部材３０の剛性押圧部３２が載置される。

押圧部材３０は、受圧部１１と接触する剛性押圧部３２と、剛性押圧部３２をハウジング２０に支持する弾性支持部３３とを有する。押圧部材３０の上には、外部からの荷重を受ける弾性体３１が設けられる。弾性体３１は突出部３１１とフランジ部３１２とを有する。弾性体３１は例えばラバーによって形成される。突出部３１１は例えば円柱状に設けられ、フランジ部３１２は突出部３１１を剛性押圧部３２の上に載置するための面を有する。

剛性押圧部３２は板状の部材であって、弾性体３１よりも固い材料で形成される。剛性押圧部３２には、例えば０．２ｍｍ厚程度のステンレス板が用いられる。剛性押圧部３２として、シリコン、セラミックス、ガラス、アルミニウムなどを用いてもよい。剛性押圧部３２の弾性率は弾性体３１の弾性率よりも高く、好ましい弾性率は６０ＧＰａ以上である。

荷重印加方向（Ｚ方向）からみたときに、剛性押圧部３２は、その全体が弾性体３１の荷重受け部と重複し、受圧部１１は、その全体が剛性押圧部３２と重複するようになっていることが好ましい。これにより、弾性体３１の荷重受け部で受けた荷重を剛性押圧部３２を介して荷重印加方向にまっすぐ荷重センサ１０の受圧部１１へ印加することができる。

弾性支持部３３は、枠部３３１およびアーム部３３２を有する。弾性支持部３３は、アーム部３３２と剛性押圧部３２との間に設けられた連結部分３３２ａによって剛性押圧部３２と連結される。枠部３３１には位置決め用の孔３３１ｈが設けられている。枠部３３１が載置されるハウジング２０の段差部２３には位置決め用の突起部２３ａが設けられており、段差部２３に枠部３３１を載置すると位置決め用の孔３３１ｈに突起部２３ａが嵌合して弾性支持部３３の載置位置が決まる。

アーム部３３２は、剛性押圧部３２から荷重印加方向と交差する方向に延びる板バネ部３３０である。剛性押圧部３２はアーム部３３２の弾性変形によって所定のバネ定数により支持される。このバネ定数は、アーム部３３２の材料のほか、幅、厚さ、長さおよび形状によって調整される。例えば、弾性支持部３３のアーム部３３２のバネ定数は、連結部分３３２ａの板幅が狭いほど小さくなり、ソフトなプリストローク感を得やすい。一方、連結部分３３２ａの板幅が広いほどアーム部３３２のバネ定数は大きくなり、押圧感を得やすい。

剛性押圧部３２を中心としてアーム部３３２が板バネ形状で対称に設けられていることにより弾性体３１からの荷重を直下の受圧部１１へ伝えやすくなる。また、剛性押圧部３２を荷重印加方向と交差する方向に延びる板バネ部３３０（アーム部３３２）で支持することで、荷重印加方向に延びるコイルバネで支持する場合に比べて剛性押圧部３２を安定かつ省スペースで支持することができる。なお、板バネ部３３０は、剛性押圧部３２と一体に設けられていてもよい。

また、押圧部材３０に弾性を持たせることによって、弾性体３１が押圧されたとき、弾性体３１から弾性支持部３３および剛性押圧部３２を介して荷重センサ１０の受圧部１１に荷重を伝えることができる。この際、受圧部１１と接触する剛性押圧部３２が例えば高剛性の材料（金属やシリコンなど）でできているため、荷重の逃げが抑制され、検出感度を高めることができる。

荷重センサ１０として複数のピエゾ抵抗素子１２２によるブリッジ回路で出力を得る構成の場合、凸型の受圧部１１で荷重を受けて変位部１２１を効率良く変位させる必要がある。このため、押圧部材３０から受圧部１１に荷重を伝える際、受圧部１１と接触する部材の剛性が低いと荷重を効果的に受圧部１１に伝えられない。本実施形態では、剛性押圧部３２によって受圧部１１を押圧するため、外部からの荷重の逃げを抑制し、効率良く受圧部１１へ荷重を伝えることができる。

荷重センサ装置１において、弾性体３１に荷重（衝撃を含む）が印加されていない状態（無負荷状態）では剛性押圧部３２と受圧部１１との間に隙間ｄが設けられる。そして、弾性体３１に荷重が印加されたときに、剛性押圧部３２と受圧部１１との隙間ｄを縮めるように弾性支持部３３は弾性変形する。そして、剛性押圧部３２と受圧部１１とが接することで、弾性体３１に印加された荷重が荷重センサ１０に伝わる。

このような荷重センサ装置１において、弾性支持部３３の弾性変形を緩和可能な緩衝部５０が設けられる。緩衝部５０は、弾性支持部３３の弾性変形によって剛性押圧部３２が変位する際、その変位速度を低下させる役目を果たす。

緩衝部５０は、押圧部材３０の荷重センサ１０に対向する側に配置される第１軟弾性部材５１を有する。第１軟弾性部材５１には、シリコーン、合成ゴム、ウレタン、ゲル状の樹脂など動的粘弾性の特性として損失正接（ｔａｎδ）が大きい衝撃吸収材料が用いられる。

第１軟弾性部材５１は、弾性支持部３３と常に接して設けられていてもよいし、弾性支持部３３が弾性変形した際に接するように設けられていてもよい。これにより、押圧部材３０に衝撃が加わった際、弾性変形する弾性支持部３３が第１軟弾性部材５１と接触して弾性支持部３３の弾性変形を緩和し、剛性押圧部３２の変位速度を低下させることができる。

第１軟弾性部材５１は第１貫通孔５１ｈを有する。これにより、弾性体３１に荷重が印加された状態では、第１貫通孔５１ｈを介して、剛性押圧部３２と受圧部１１とが接触可能となっている。すなわち、押圧部材３０の荷重センサ１０に対向する側に第１軟弾性部材５１が設けられていても、剛性押圧部３２が受圧部１１と接触する際には第１貫通孔５１ｈを介して剛性押圧部３２と受圧部１１とが直接接触可能となり、第１軟弾性部材５１を介在せずに押圧部材３０の荷重を受圧部１１に伝えることができる。

本実施形態に係る荷重センサ装置１では、押圧部材３０に衝撃が加わった際、緩衝部５０によって剛性押圧部３２の変位速度を低下できるため、荷重センサ１０の受圧部１１へ衝撃荷重が加わることを緩和することができる。これにより、荷重センサ１０の耐衝撃荷重を高めることができる。また、通常の荷重が加わった際には、第１貫通孔５１ｈを介して剛性押圧部３２と受圧部１１とが直接接触することから、荷重が効率良く受圧部１１に伝わり、高精度な荷重検出を行うことができる。

（荷重センサ装置の組み立て）
上記構成において、ハウジング２０の収納部２２に荷重センサ１０が収納され、荷重センサ１０と収納部２２のパッドとがボンディングワイヤ１５で接続される。収納部２２の段差部２３には緩衝部５０であるシート状の第１軟弾性部材５１が配置される。第１軟弾性部材５１の第１貫通孔５１ｈは、Ｚ方向にみて受圧部１１と重なる位置となる。第１軟弾性部材５１の上に押圧部材３０が載置される。さらに、剛性押圧部３２の上に弾性体３１が載置される。

そして、この状態でハウジング２０にフレーム４０が被せられる。フレーム４０はハウジング２０の側面に設けられたフック２５に掛けることで固定される。フレーム４０の中央には孔４０ｈが設けられており、フレーム４０をハウジング２０に被せた際、孔４０ｈから突出部３１１が上方に突出する状態となる。弾性体３１はフランジ部３１２でフレーム４０によって押さえられる。これにより、押圧部材３０がハウジング２０に固定される。

このように組み立てられた荷重センサ装置１において、押圧部材３０に荷重が印加されていない状態では剛性押圧部３２と受圧部１１との間に隙間ｄが設けられる。すなわち、剛性押圧部３２の受圧部１１の面は受圧部１１とは接していない。剛性押圧部３２と受圧部１１との間に隙間ｄがあることによって組み立てにおける公差を設けることができる。

つまり、剛性押圧部３２と受圧部１１とが接触する、または接触するほど接近していると、各部の寸法誤差や組み立ての際のずれなどによって剛性押圧部３２と受圧部１１とが衝突してしまう可能性が生じる。剛性押圧部３２のように剛性の高いものが受圧部１１と衝突すると荷重センサ１０へ悪影響を及ぼす可能性がある。本実施形態のように、剛性押圧部３２と受圧部１１との間に隙間ｄが設けられていることで、組み立て時の衝突を積極的に回避し、荷重センサ１０を保護することができる。

（荷重センサ装置の動作）
図６（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る荷重センサ装置の動作を例示する図である。図６（ａ）には荷重センサ装置１に荷重をかける状態を例示する図が示され、図６（ｂ）には荷重センサの出力例が示される。図６（ｂ）において横軸はプレート９０のＺ方向のストローク、縦軸は出力値（相対値）を表す。

図６（ａ）に示すように、荷重センサ装置１の押圧部材３０の弾性体３１にはプレート９０を介して荷重がかけられる。プレート９０から弾性体３１にＺ方向に荷重が加えられると、弾性支持部３３のバネ作用で支持されている剛性押圧部３２がＺ方向に押し込まれる。

ここで、剛性押圧部３２と荷重センサ１０の受圧部１１との間には隙間ｄが設けられているため、剛性押圧部３２が受圧部１１と接触するまでの間、受圧部１１には荷重がかからない。

したがって、図６（ｂ）に示すように、荷重センサ装置１に荷重がかかり始めて所定のストロークＳ１までは出力は発生しない。この領域をプリストローク領域Ｒ１と言う。プリストローク領域Ｒ１では、荷重がかかった際に弾性支持部３３が弾性変形し、剛性押圧部３２が受圧部１１に接触するまでの間、押圧部材３０はストロークするものの受圧部１１には荷重が伝わらず、出力値は増加しない。プリストローク領域Ｒ１の長さは隙間ｄによって設定可能である。また、プリストロークに必要な荷重は、弾性支持部３３のバネ定数によって設定可能である。

次に、プリストローク領域Ｒ１を越えて荷重がかかるとストロークに応じて出力値が増加する。この領域を受力領域Ｒ２と言う。受力領域Ｒ２では剛性押圧部３２が受圧部１１に接触しているため、弾性体３１から剛性押圧部３２を介して受圧部１１に荷重が伝わる。受圧部１１に接触する剛性押圧部３２の剛性によって、ストローク（荷重）の大きさにほぼ比例するように荷重センサ１０からの出力値が増加する。出力値はストロークに応じてＶ１まで増加する。

受力領域Ｒ２は、ハウジング２０の縁部２１がストッパとして機能するところまで続く。すなわち、押圧部材３０が押し込まれていき、プレート９０がハウジング２０の縁部２１に当たるとそれ以上は押し込まれなくなる。これにより押圧部材３０のストロークはＳ２で止まり、これ以上出力値は増加せず、荷重センサ１０への過負荷が防止される。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る荷重センサ装置の分解斜視図である。
図８は、第２実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する断面図である。
第２実施形態に係る荷重センサ装置１Ｂでは、緩衝部５０が第２軟弾性部材５２を有している。すなわち、緩衝部５０は、板バネ部３３０である弾性支持部３３の弾性体３１に対向する側に配置される第２軟弾性部材５２を有する。なお、第２実施形態では、緩衝部５０が第１軟弾性部材５１および第２軟弾性部材５２の両方を有しているが、第２軟弾性部材５２のみを有していてもよい。また、第２軟弾性部材５２と弾性体３１を一体に成形しても良い。

緩衝部５０が第２軟弾性部材５２を有することで、押圧部材３０に衝撃が加わった際、弾性変形する弾性支持部３３が第２軟弾性部材５２と接触して弾性支持部３３の弾性変形を緩和することができる。

第２軟弾性部材５２は第２貫通孔５２ｈを有する。これにより、弾性体３１に荷重が印加された状態では第２貫通孔５２ｈを介して弾性体３１または弾性体３１と剛性押圧部３２との間に配置された部材と、剛性押圧部３２と、が接する。すなわち、板バネの弾性体３１に対向する側に第２軟弾性部材５２が設けられていても、弾性体３１または弾性体３１と剛性押圧部３２との間に配置された部材と剛性押圧部３２とが第２貫通孔５２ｈを介して直接接触可能となり、第２軟弾性部材５２を介在せずに弾性体３１から押圧部材３０へ荷重を伝えることができる。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する分解斜視図である。
図１０は、第３実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する断面図である。
第３実施形態に係る荷重センサ装置１Ｃは、第１実施形態に係る荷重センサ装置１の構成に加え、弾性体３１と剛性押圧部３２との間に剛性プレート部６０を備えている。剛性プレート部６０は剛性押圧部３２と同様の剛性を有する部材であって、剛性押圧部３２と同じようにステンレス材などから構成されていればよい。

先に説明した荷重センサ装置１では、弾性体３１によって剛性押圧部３２を直接押圧しているが、荷重センサ装置１Ｃでは、弾性体３１で受けた荷重を、剛性プレート部６０を介して剛性押圧部３２に伝えている。剛性プレート部６０は剛性押圧部３２に対向する側に凸部６１を有し、他の部材と干渉することなく剛性押圧部３２の中央部分に力を伝達することができる。したがって、弾性体３１で受けた荷重が荷重センサ１０に伝わりやすく、感度の向上を図ることができる。

（第４実施形態）
図１１は、第４実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する分解斜視図である。
図１２は、第４実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する断面図である。
第４実施形態に係る荷重センサ装置１Ｄは、第２実施形態に係る荷重センサ装置１Ｂの構成に加え、弾性体３１と剛性押圧部３２との間に、第３実施形態と同様に剛性プレート部６０を備えている。剛性プレート部６０の凸部６１は第２軟弾性部材５２の第２貫通孔５２ｈの内部に配置されるため、凸部６１は剛性押圧部３２に直接的に接触している。これにより、第３実施形態に係る荷重センサ装置１Ｃと同様、荷重センサ装置１Ｄでは、弾性体３１で受けた荷重が、剛性プレート部６０を介して剛性押圧部３２に効率的に伝達されている。したがって、弾性体３１で受けた荷重が荷重センサ１０に伝わりやすく、感度の向上を図ることができる。

（第５実施形態）
図１３は、第５実施形態に係る荷重センサ装置の構成を例示する断面図である。
第５実施形態に係る荷重センサ装置１Ｅでは、緩衝部５０が、緩衝性を有する流動物質からなる部分（流動物質部分５３）をハウジング２０内に有している。流動物質部分５３には、例えば、シリコーンゲル、シリコーンオイル、エラストマー、ゲル状またはオイル状の樹脂が用いられる。ハウジング２０の収納部２２に上記のゲルや樹脂等を充填することで流動物質部分５３を構成してもよい。

流動物質部分５３は、弾性支持部３３と常に接して設けられていてもよいし、弾性支持部３３が弾性変形した際に接するように設けられていてもよい。これにより、押圧部材３０に衝撃が加わった際、弾性変形する弾性支持部３３が流動物質部分５３と接触して弾性支持部３３の弾性変形を緩和し、剛性押圧部３２の変位速度を低下させることができる。

（緩衝部の作用効果）
次に、本実施形態に係る荷重センサ装置１で適用される緩衝部５０の作用効果について説明する。
緩衝部５０の作用効果を調べるため、荷重センサ装置に対する荷重試験を行った。
荷重試験は、高さ約９．２ｃｍの位置から錘を荷重センサ装置に落下して荷重（衝撃荷重）を与え、その後に通常の荷重に対する荷重センサ装置の出力の変化を測定した。
荷重試験において、落下する錘の重さは、３０ｇ、５０ｇ、８０ｇ、１００ｇである。初期値は、錘による衝撃荷重を与えていない場合である。

荷重試験で測定した項目は、荷重センサ装置の出力における感度（ｍＶ／Ｖ／Ｎ）、オフセット（ｍＶ／Ｖ）およびオフセットの初期値に対する相対値である。ここで、感度は、単位荷重当たりの出力である。オフセットは、無負荷状態での出力である。この荷重試験を、緩衝部５０を備えた本実施形態に係る荷重センサ装置（本発明例１～６）、緩衝部５０を備えていない比較例に係る荷重センサ装置（比較例）、参考例に係る荷重センサ装置（参考例）について行った。

表１には、本発明例１～３における構成と荷重試験の値が示される。
表２には、本発明例４～６における構成と荷重試験の値が示される。

表１に示す本発明例１～３に係る荷重センサ装置の構成において、弾性体３１の硬さは８０（ショアＡ硬さ。以下、硬さの表記は同様である。）、ダイボンド樹脂１４はエポキシである。また、本発明例１～３に係る荷重センサ装置は、弾性体３１と剛性押圧部３２との間に剛性プレート部６０を備えている。
本発明例１に係る荷重センサ装置の構成は、第３実施形態に係る荷重センサ装置１Ｃ（図９、図１０参照）の構成に対応する。
すなわち、本発明例１では、緩衝部５０として第１軟弾性部材５１のみが設けられ、その硬さが３０である。
本発明例２および３に係る荷重センサ装置の構成は、第４実施形態に係る荷重センサ装置１Ｄ（図１１、図１２参照）の構成に対応する。
すなわち、本発明例２では、緩衝部５０として第１軟弾性部材５１および第２軟弾性部材５２が設けられ、第１軟弾性部材５１の硬さが２０、第２軟弾性部材５２の硬さが３０である。また、本発明例３では、緩衝部５０として第１軟弾性部材５１および第２軟弾性部材５２が設けられ、第１軟弾性部材５１の硬さが２０、第２軟弾性部材５２の硬さが２０である。

表２に示す本発明例４～６に係る荷重センサ装置の構成においては、弾性体３１の硬さは５０である。その他の構成については、本発明例４は本発明例１と同じであり、本発明例５は本発明例２と同じであり、本発明例６は本発明例３と同じである。

図１４は、本発明例１の荷重試験の結果を例示する図である。
図１５は、本発明例２の荷重試験の結果を例示する図である。
図１６は、本発明例３の荷重試験の結果を例示する図である。
図１４～１６の横軸は、荷重センサ装置に印加する通常の荷重を示し、縦軸は荷重センサ装置の出力を示す。
図１４～１６に示すように、錘３０ｇ、５０ｇおよび８０ｇのそれぞれで衝撃荷重を与えた場合には、初期値とほぼ同じ出力変化（傾斜および出力値）を得ている。一方、錘１００ｇで衝撃荷重を与えた場合には、通常の荷重に対する出力変化の傾斜は初期値とほぼ同様であるが、出力値が低くなる方向にオフセットしていることが分かる。したがって、錘８０ｇまでは衝撃荷重を受けても緩衝部５０による緩衝効果によって剛性押圧部３２の変位速度を低下させて受圧部１１へ伝わる衝撃力を緩和できるという結果となった。

表１、表２の「オフセット相対値」は、各錘重量におけるオフセット量を初期値のオフセット量で除した相対値である。表１および表２に示されるように、本発明例１から本発明例４および本発明例６では、いずれも、錘重量が１００ｇ未満の場合のオフセット相対値はほぼ１であり、錘重量が１００ｇの場合のみオフセット相対値が１から外れる結果となった。本発明例５では、錘重量が１００ｇに至る全ての場合においてオフセット相対値はほぼ１であった。

図１７は、表１に対応した本発明例１～３における荷重試験の結果を示す図である。
図１８は、表２に対応した本発明例４～６における荷重試験の結果を示す図である。
図１７および図１８において、横軸は荷重試験の錘の重さを示し、縦軸はオフセットを示している。
本発明例１～６のいずれにおいても、錘８０ｇまでは衝撃荷重を受けても出力値のオフセットにほとんど変化が生じないことが分かる。また、本発明例６については、錘１００ｇの衝撃荷重を与えてもオフセットにほとんど変化が生じていない。

表３には、比較例における構成と荷重試験の値が示される。

表３に示す比較例に係る荷重センサ装置の構成において、弾性体３１の硬さは８０、ダイボンド樹脂１４はエポキシである。比較例に係る荷重センサ装置は、緩衝部５０における第１軟弾性部材５１および第２軟弾性部材５２のいずれも備えていない。

図１９および図２０は、比較例の荷重試験の結果を例示する図である。
図１９において、横軸は荷重センサ装置に印加する通常の荷重を示し、縦軸は荷重センサ装置の出力を示す。
図２０において、横軸は荷重試験の錘の重さを示し、縦軸はオフセットを示している。
図１９および図２０に示すように、比較例に係る荷重センサ装置では、錘３０ｇ、５０ｇ、８０ｇおよび１００ｇのそれぞれで衝撃荷重を与えた場合、錘が重くなるほど出力値が低くなる方向にオフセットしていることが分かる。表３においても、錘重量が３０ｇの場合でもオフセット相対値は１から大きく外れ、錘重量が増えるほどオフセット相対値が大きくなる傾向が確認された。

上記荷重試験の結果から、緩衝部５０を備える本発明例１～６に係る荷重センサ装置では、緩衝部５０を備えていない比較例に係る荷重センサ装置に比べて耐衝撃性に優れていることが確認された。これは、緩衝部５０によって衝撃荷重が加えられた際に弾性支持部３３の弾性変形を緩和し、剛性押圧部３２の変位速度を低下させて、剛性押圧部３２の受圧部１１への急激な接触（衝突）が回避されていると考えられる。

一方、緩衝部５０を備えていない比較例に係る荷重センサ装置では、比較的小さい衝撃荷重でも出力値のオフセットが発生している。特に、荷重センサ１０として複数のピエゾ抵抗素子１２２によるブリッジ回路で出力を得る構成の場合、受圧部１１に衝撃荷重が印加されることでブリッジ回路の抵抗値のバランスが崩れやすい。このため、緩衝部５０を備えていない比較例に係る荷重センサ装置では、小さい衝撃荷重でもブリッジ回路へのダメージが大きく、出力値のオフセットが顕著に表れたものと考えられる。

表４には、参考例１～２における構成と荷重試験の値が示される。

表４に示す参考例１～２に係る荷重センサ装置において、ダイボンド樹脂１４はシリコーンである。参考例１～２に係る荷重センサ装置は、緩衝部５０における第１軟弾性部材５１および第２軟弾性部材５２のいずれも備えていない。
参考例１では、弾性体３１の硬さは８０である。
参考例２では、弾性体３１の硬さは５０である。

図２１は、表４に対応した参考例１～２における荷重試験の結果を示す図である。
図２１において、横軸は荷重試験の錘の重さを示し、縦軸はオフセットを示している。
参考例１～２のいずれにおいても、錘８０ｇまでは衝撃荷重を受けても出力値のオフセットにほとんど変化が生じないことが分かる。この結果は、ダイボンド樹脂１４を軟質材料から構成することにより、緩衝部５０を設けた場合と同様の効果（耐衝撃性の向上）が得られることを示している可能性がある。

以上説明したように、本実施形態によれば、検出値の高精度化とともに優れた耐衝撃性を得ることができる荷重センサ装置１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄおよび１Ｅを提供することが可能となる。

なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

１，１Ｂ，１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ…荷重センサ装置
１０…荷重センサ
１１…受圧部
１２…センサ基板
１３…ベース基板
１４…ダイボンド樹脂
１５…ボンディングワイヤ
２０…ハウジング
２１…縁部
２２…収納部
２３…段差部
２３ａ…突起部
２５…フック
３０…押圧部材
３１…弾性体
３２…剛性押圧部
３３…弾性支持部
４０…フレーム
４０ｈ…孔
５０…緩衝部
５１…第１軟弾性部材
５１ｈ…第１貫通孔
５２…第２軟弾性部材
５２ｈ…第２貫通孔
５３…流動物質部分
６０…剛性プレート部
６１…凸部
９０…プレート
１２１…変位部
１２２…ピエゾ抵抗素子
３１１…突出部
３１２…フランジ部
３３０…板バネ部
３３１…枠部
３３１ｈ…孔
３３２…アーム部
３３２ａ…連結部分
Ｒ１…プリストローク領域
Ｒ２…受力領域
Ｓ１，Ｓ２…ストローク
ｄ…隙間

Claims (15)

1. 受圧部を有する荷重センサと、
   前記荷重センサを収納するハウジングと、
   荷重を受けて前記荷重センサを押圧する弾性体と、
   前記弾性体と前記荷重センサとの間に設けられる押圧部材と、
   を備え、
   前記押圧部材は、
   前記受圧部と接触可能な剛性押圧部と、
   前記剛性押圧部を前記ハウジングに支持する弾性支持部と、を有し、
   前記弾性体に荷重が印加されていない状態では前記剛性押圧部と前記受圧部との間に隙間が設けられ、
   前記弾性体に荷重が印加されたときに、前記剛性押圧部と前記受圧部との隙間を縮めるように前記弾性支持部は弾性変形し、
   前記弾性支持部の弾性変形を緩和可能な緩衝部を備えることを特徴とする荷重センサ装置。
2. 前記弾性支持部は、前記剛性押圧部から荷重印加方向と交差する方向に延びる板バネ部を有する、請求項１に記載の荷重センサ装置。
3. 前記板バネ部は、前記剛性押圧部と一体に設けられた、請求項２に記載の荷重センサ装置。
4. 前記緩衝部は、前記押圧部材の前記荷重センサに対向する側に配置される第１軟弾性部材を有する、請求項２または請求項３に記載の荷重センサ装置。
5. 前記第１軟弾性部材は第１貫通孔を有し、
   前記弾性体に荷重が印加された状態では、前記第１貫通孔を介して、前記剛性押圧部と前記受圧部とが接触可能である、請求項４に記載の荷重センサ装置。
6. 前記緩衝部は、前記板バネ部の前記弾性体に対向する側に配置される第２軟弾性部材を有する、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の荷重センサ装置。
7. 前記第２軟弾性部材は第２貫通孔を有し、
   前記弾性体に荷重が印加された状態では前記第２貫通孔を介して前記弾性体または前記弾性体と前記剛性押圧部との間に配置された部材と、前記剛性押圧部と、が接する、請求項６に記載の荷重センサ装置。
8. 前記緩衝部は、緩衝性を有する流動物質からなる部分を前記ハウジング内に有する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の荷重センサ装置。
9. 前記ハウジングは、前記弾性体に荷重が印加された状態における前記弾性体の荷重印加方向への変形量を規制するストッパを有する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の荷重センサ装置。
10. 前記押圧部材の周縁部は前記ハウジングに固定されている、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の荷重センサ装置。
11. 荷重印加方向からみたときに、前記剛性押圧部は、その全体が前記弾性体の荷重受け部と重複し、前記受圧部は、その全体が前記剛性押圧部と重複する、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の荷重センサ装置。
12. 前記荷重センサは、
    前記受圧部で受けた荷重によって変位する変位部と、
    前記変位部の変位量を電気的に検出する複数のピエゾ抵抗素子と、を有する、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の荷重センサ装置。
13. 前記緩衝部は、前記弾性支持部に接触して設けられる、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の荷重センサ装置。
14. 前記緩衝部は、前記弾性支持部に付着するゲル状の樹脂を含む、請求項１３に記載の荷重センサ装置。
15. 前記弾性体と前記剛性押圧部との間に剛性プレート部が設けられた、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の荷重センサ装置。