JP5034832B2 - Shear force detector - Google Patents
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Description
本発明は、平行に離間した被測定面間に生じ得る剪断力、剪断歪み等を測定できる剪断力検出装置に関する。 The present invention relates to a shearing force detection device capable of measuring shearing force, shearing strain, and the like that can occur between surfaces to be measured that are spaced apart in parallel.
力、圧力、変位等の力学量の検知および計測等の検出は、それらの絶対量を知るためのみならず、自動車等の各種機械を制御するために不可欠である。このような力学量として、例えば、 力、圧力、トルク、速度、加速度、位置、変位、衝撃力、重量質量、真空度、回転力、振動、騒音等がある。 Detection of mechanical quantities such as force, pressure, and displacement and detection of measurements are indispensable not only for knowing their absolute quantities but also for controlling various machines such as automobiles. Examples of such mechanical quantities include force, pressure, torque, speed, acceleration, position, displacement, impact force, weight mass, vacuum degree, rotational force, vibration, and noise.
このような力学量の検出には、各力学量に応じて変化する歪み(または応力)を介して計測する力学量センサ素子が広く利用される。力学量センサ素子は、一般的に圧力抵抗効果材料を利用して構成される。
圧力抵抗効果とは、圧縮応力、引張応力、剪断応力、静水圧等がある材料に印加されたときに、その材料の電気抵抗が変化する現象のことであり、その材料を圧力抵抗効果材料という。このような圧力抵抗効果材料を用いた力学量センサ素子の一例およびその利用例を下記特許文献にそれぞれ示す。
For the detection of such a mechanical quantity, a mechanical quantity sensor element that measures through strain (or stress) that changes in accordance with each mechanical quantity is widely used. The mechanical quantity sensor element is generally configured using a pressure resistance effect material.
The pressure resistance effect is a phenomenon in which the electrical resistance of a material changes when applied to a material having a compressive stress, tensile stress, shear stress, hydrostatic pressure, etc., and the material is called a pressure resistance effect material. . An example of a mechanical quantity sensor element using such a pressure resistance effect material and an example of its use are shown in the following patent documents.
ところで、これまでの力学量センサ素子は主に、垂直荷重(引張荷重または圧縮荷重)を測定するために使用されてきた。逆にいえば、剪断荷重を測定するためにあまり利用されてこなかった。勿論、図10に示すように、剪断荷重に最も感応する起歪部を被測定対象毎に設け、そこに歪みゲージを貼付して、起歪部の歪み量から剪断荷重を求めることもできる。 By the way, the conventional mechanical quantity sensor element has been mainly used for measuring a vertical load (tensile load or compressive load). Conversely, it has not been used much to measure shear loads. Of course, as shown in FIG. 10, it is also possible to obtain a shear load from the strain amount of the strain generating portion by providing a strain generating portion most sensitive to the shear load for each object to be measured and attaching a strain gauge thereto.
しかし、この方法では、一品一様でしか剪断荷重を測定できず汎用性がない。さらに、通常、印加される荷重は剪断荷重のみならず垂直荷重が加わった複合荷重であり、剪断荷重のみを正確に検出することは従来容易ではなかった。例えば、起歪部に歪みゲージを貼付して荷重を検出する場合、作用する荷重の方向によって歪みゲージの出力特性が異なり得る。このため、個別に補正したとしても、複合荷重から剪断荷重を正確に求めることは困難であるし、できたとしてもその範囲は狭い。 However, with this method, the shear load can be measured only with a single product and is not versatile. Further, the applied load is usually a composite load in which not only a shear load but also a vertical load is applied, and it has not been easy to accurately detect only the shear load. For example, when a load is detected by attaching a strain gauge to the strain generating portion, the output characteristics of the strain gauge may differ depending on the direction of the applied load. For this reason, even if individually corrected, it is difficult to accurately determine the shear load from the composite load, and even if it is possible, the range is narrow.
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、剪断荷重や剪断応力等の剪断力の計測に適した汎用性のある剪断力検出装置を提供することを目的とする。特に、垂直力(垂直荷重または垂直応力等)による影響を除去して剪断力のみの正確な計測を可能とする汎用性のある剪断力検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a versatile shear force detection apparatus suitable for measurement of shear force such as shear load and shear stress. In particular, it is an object of the present invention to provide a versatile shear force detection device that can remove the influence of vertical force (such as vertical load or vertical stress) and accurately measure only the shear force.
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、剪断力の計測を可能とする新たな剪断力検出構造を思いつき、本発明を完成するに至った。
(1)すなわち、本発明の剪断力検出装置は、第1ベースと、該第1ベースから直角方向へ延び該第1ベースと一体的に可動し得る第1アームと、該第1ベースから延び該第1ベースと一体的に可動し得ると共に該第1アームと平行に離間して対峙する第3アームと、からなる第1部材と、前記第1ベースと平行に離間して配設される第2ベースと、前記第1アームと前記第3アームとの間に配置され該第2ベースから直角方向へ該第1アーム及び該第3アームに対峙する向きに延び該第2ベースと一体的に可動し得る第2アームと、からなる第2部材と、
前記第1アームと前記第2アームとの間に挟持され、該第1アームおよび該第2アームと略直交する方向を感応方向とする圧縮力に感応する第1力学量センサ素子と、前記第3アームと前記第2アームとの間に挟持され前記感応方向の圧縮力に感応する第2力学量センサ素子と、からなり、
前記感応方向に相対変位し得る平行に離間した被測定面間に生じ得る剪断力を測定できることを特徴とする。
As a result of extensive research and trial and error, the present inventor has come up with a new shearing force detection structure capable of measuring shearing force, and has completed the present invention.
(1) That is, the shearing force detecting apparatus of the present invention includes a first base, a first arm capable of first base and integrally movable extending from the first base to the perpendicular direction, extends from the first base a third arm which faces spaced parallel to the first arm with may first base and integrally movable, a first member made of, are arranged spaced parallel to the first base The second base is disposed between the first arm and the third arm , and extends from the second base in a direction perpendicular to the first base and the third arm so as to be integrated with the second base. A second arm that is movable , and a second member comprising:
Wherein interposed between the first arm and the second arm, the first physical quantity sensor element sensitive to said first arm and said second arm in a direction substantially perpendicular to the compressive forces to be sensitive direction, wherein said A second mechanical quantity sensor element sandwiched between three arms and the second arm and sensitive to the compressive force in the sensitive direction ,
A shearing force that can be generated between parallel measurement surfaces that can be displaced relative to each other in the sensitive direction can be measured.
(2)先ず、本発明の第1ベースおよび第2ベースを、剪断力を測定したい測定対象の一部に設けた被測定面間に、それら各被測定面と一体的に可動するように配設する。例えば、平行な被測定面を第1被測定面と第2被測定面とした場合、第1アームを第1被測定面に、第2アームを第2被測定面に、それぞれが一体的に可動するように直接またはアタッチメントを介して間接に取り付ける。 (2) First, the first base and the second base of the present invention are arranged so as to be movable integrally with each measurement surface between measurement surfaces provided on a part of the measurement target whose shear force is to be measured. Set up. For example, when the parallel measured surfaces are the first measured surface and the second measured surface, the first arm is integrated with the first measured surface, the second arm is integrated with the second measured surface, and each is integrally formed. Attach directly or indirectly via attachments to move.
このようにすると、測定対象に剪断力が印加された場合、被測定面間に生じる平行な剪断力は、第1ベースに直交した第1アームおよび第3アームと第2ベースに直交した第2アームとをそれぞれ介して、力学量センサ素子の感応方向の垂直力に変換される。そして、第1アームと第2アームに挟持された(第1)力学量センサ素子は、第1アームおよび第2アームによって印加された垂直力を検知する。また、第3アームと第2アームに挟持された(第2)力学量センサ素子は、第3アームおよび第2アームによって印加された垂直力を検知する。要するに、本発明の剪断力検出装置によれば、測定対象の被測定面間に生じる平行な剪断力が垂直力に変換されて力学量センサ素子に印加され、力学量センサ素子がその垂直力を検出することで、測定対象に作用する剪断力が的確に検出される。 In this way, when a shearing force is applied to the measurement target, the parallel shearing force generated between the measured surfaces is the first arm orthogonal to the first base, the third arm, and the second arm orthogonal to the second base. an arm through each of which is converted into the vertical force of the sensitive direction of the mechanical quantity sensor element. Then, the (first) mechanical quantity sensor element sandwiched between the first arm and the second arm detects the normal force applied by the first arm and the second arm. Further, the (second) mechanical quantity sensor element sandwiched between the third arm and the second arm detects the normal force applied by the third arm and the second arm. In short, according to the shearing force detection device of the present invention, the parallel shearing force generated between the measurement target surfaces is converted into a vertical force and applied to the mechanical quantity sensor element, and the mechanical quantity sensor element generates the vertical force. By detecting, the shear force which acts on a measuring object is detected exactly.
この本発明の剪断力検出装置によれば、第1部材、第2部材および(第1および第2)力学量センサ素子が1セットとなっているため、わざわざ、測定対象に剪断力検出用の起歪部を個別に設ける必要もなく、剪断力検出装置を被測定面間に配設するだけで、前述のように測定対象に作用する剪断力を容易に検出できる。従って、本発明の剪断力検出装置は非常に汎用性が高く、利用自由度が高い。 According to the shearing force detection device of the present invention, the first member, the second member, and the (first and second ) mechanical quantity sensor elements are in one set. There is no need to provide an individual strain generating section, and the shearing force acting on the measurement object can be easily detected as described above only by arranging the shearing force detection device between the surfaces to be measured. Therefore, the shear force detection device of the present invention is very versatile and has a high degree of freedom of use.
(3)ところで、測定対象の被測定面間には、それらの被測定面に平行な剪断力のみならず、それらに垂直な垂直力も作用し得る。このような複合力が作用する場合であっても、本発明の剪断力検出装置によれば、特段の補正を行うことなく、測定対象に作用する剪断力を的確に計測することが可能である。例えば、本発明の上記剪断力検出装置において、前記感応方向にのみ感応し、該感応方向に直交する方向には実質的に感応しない力学量センサ素子を用いる。
これにより、測定対象に垂直力が作用等して、剪断力以外に垂直力が力学量センサ素子に作用する場合であっても、力学量センサ素子はその影響をほとんど受けずに、剪断力に相当する出力を正確に行い得る。すなわち、測定対象等に応じた個別的な補正等を行うことなく、剪断力だけを正確に計測できる。しかもこの場合、構造上も計測システム上もシンプルにできるため、本発明の剪断力検出装置の汎用性を一層高め得る。
(3) By the way, not only a shearing force parallel to these measurement surfaces but also a normal force perpendicular to them can act between the measurement surfaces to be measured. Even when such a composite force acts, according to the shear force detecting apparatus of the present invention, without performing any special correction, it is possible to accurately measure the shear force acting on the measurement object . For example, in the above-described shear force detection device of the present invention, a mechanical quantity sensor element that is sensitive only to the sensitive direction and is substantially insensitive to a direction orthogonal to the sensitive direction is used.
As a result, even if a normal force acts on the measurement target and a normal force other than the shear force acts on the mechanical quantity sensor element, the mechanical quantity sensor element is hardly affected by the shear force. The corresponding output can be performed accurately. That is, only the shearing force can be accurately measured without performing individual correction or the like according to the measurement object. In addition, in this case, since the structure and the measurement system can be simplified, the versatility of the shearing force detection device of the present invention can be further enhanced.
(4)本明細書でいう「第1」、「第2」または「第3」等は便宜上の呼称に過ぎない。また、「直交」または「平行」は本発明の作用や機能が達成される範囲内で、実質的に直交または実質的に平行であればよく、公差を問題にするほど厳格な意味に解釈すべきではない。 (4) “First”, “second”, “third”, and the like in this specification are merely names for convenience. Further, “orthogonal” or “parallel” may be substantially orthogonal or substantially parallel as long as the operation and function of the present invention are achieved, and is interpreted in a strict sense so that tolerance is a problem. Should not.
また、「力学量センサ素子が感応方向のみ感応する」または「力学量センサ素子が垂直力の影響を受けない」等の表現は、感応方向に直交する方向の垂直応力または垂直歪みが力学量センサ素子に作用したときに、力学量センサ素子からの電気的な出力が完全にゼロになることを意味しない。上記表現は、その出力が、感応方向に垂直応力または垂直歪みが作用した場合の出力と比較して、実質的に無視できる範囲内であれば足る。敢えていうなら、同入力に対して、感応方向の出力と垂直な方向の出力が、感応方向の出力の±5%以内であれば良い。勿論、それが±3%以内であると一層好ましい。 In addition, expressions such as “the mechanical quantity sensor element is sensitive only to the sensitive direction” or “the mechanical quantity sensor element is not affected by the normal force” indicate that the vertical stress or the vertical strain in the direction orthogonal to the sensitive direction is a mechanical quantity sensor. It does not mean that the electrical output from the mechanical quantity sensor element becomes completely zero when acting on the element. The above expression is sufficient if the output is within a substantially negligible range as compared with the output when normal stress or normal strain acts in the sensitive direction. In other words, the output in the direction perpendicular to the output in the sensitive direction with respect to the input may be within ± 5% of the output in the sensitive direction. Of course, it is more preferable that it is within ± 3%.
(5)ちなみに、剪断力(F)、剪断応力(τ)および剪断歪み(γ)は、横弾性係数Gおよび被測定面の面積(A)を用いて、τ=F/A=γGの関係にある。そうすると、「剪断力を検出する」というのも、「剪断応力を検出する」というのも、「剪断歪みを検出する」というのも、それらの間に本質的に相違はなく、結局はキャリブレーションの問題に帰着する。従って、便宜上、本発明では「剪断力検出装置」と呼称しているが、これは「剪断応力検出装置」とも換言できるし、「剪断歪み検出装置」とも換言できる。 (5) Incidentally, the shearing force (F), shearing stress (τ), and shearing strain (γ) are represented by the relationship of τ = F / A = γG using the lateral elastic modulus G and the area (A) of the measured surface. It is in. Then, there is essentially no difference between “detecting shear force”, “detecting shear stress”, and “detecting shear strain” between them. Result in problems. Therefore, for the sake of convenience, in the present invention, it is called a “shearing force detection device”, but this can also be called a “shearing stress detection device” or a “shearing strain detection device”.
さらに、本発明は、上述した力学量センサ素子周辺の構成に、力学量センサ素子からの電気信号を処理する演算処理手段、その結果を表示する表示手段等を加えて、剪断力等の計測装置または計測システムとして把握しても良い。演算処理手段は、例えば、マイコンや自動車のECU等であり、表示手段は、ディスプレーや自動車の計器表示板等である。 Furthermore, the present invention adds a calculation processing means for processing an electrical signal from the mechanical quantity sensor element, a display means for displaying the result, and the like to the configuration around the mechanical quantity sensor element described above, thereby measuring a measuring device for shearing force, etc. Or you may grasp | ascertain as a measurement system. The arithmetic processing means is, for example, a microcomputer or an ECU of an automobile, and the display means is a display, an instrument display board of the automobile, or the like.
発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なることを断っておく。
〈剪断力検出装置の構造〉
(1)本発明の剪断力検出装置は、基本的に、第1部材と第2部材と力学量センサ素子とからなる。
第1部材は、第1ベースと、第1ベースから直角方向へ延び第1ベースと一体的に可動し得る第1アームと、第1ベースから延び第1ベースと一体的に可動し得ると共に第1アームと平行に離間して対峙する第3アームとからなる。また、第2部材は、第1ベースと平行に離間して配設される第2ベースと、第1アームと第3アームとの間に配置され第2ベースから直角方向へ第1アーム及び第3アームに対峙する向きに延び第2ベースと一体的に可動し得る第2アームとからなる。第1ベースと第1アームおよび第3アームとは、ほぼ直交している限り、一体品でも、ねじや圧入等によって固定した組立品でも良い。また、それらの断面形状は、板状、角柱状、多角形状等、なんでも良い。第2ベースと第2アームについても同様である。
また、測定対象の形状や被測定面の状態等によっては、第1ベースや第2ベースにアタッチメントを設けて、本発明の剪断力検出装置の取付けを容易にしても良い。
The present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the invention. It should be noted that which embodiment is best depends on the target, required performance, and the like.
<Structure of shear force detector>
(1) The shearing force detection device of the present invention basically includes a first member, a second member, and a mechanical quantity sensor element.
The first member includes a first base, with a first arm may first base and integrally movable extend perpendicular from the first base may first base and integrally movable extending from the first base article third Ru arm and Tona which faces spaced parallel to the first arm. In addition , the second member is disposed between the first base and the third arm, the second base disposed in parallel with the first base, and disposed between the first arm and the third arm. The second arm extends in a direction facing the three arms and can move integrally with the second base . As long as the first base, the first arm, and the third arm are substantially orthogonal to each other, an integral product or an assembly fixed by screws, press-fitting, or the like may be used. Moreover, those cross-sectional shapes may be anything such as a plate shape, a prismatic shape, or a polygonal shape. The same applies to the second base and the second arm.
Further, depending on the shape of the measurement target, the state of the surface to be measured, and the like, an attachment may be provided on the first base or the second base to facilitate attachment of the shearing force detection device of the present invention.
(2)第1アームと第2アームとの間に挟持され第1アームおよび第2アームと略直交する方向を感応方向とする圧縮力に感応する第1力学量センサ素子、および第3アームと第2アームとの間に挟持され前記感応方向の圧縮力に感応する第2力学量センサ素子は、それぞれ直列または並列に複数であっても良い。力学量センサ素子を複数設けることで、剪断力の計測をより正確に行い得る。 (2) a first mechanical quantity sensor element that is sandwiched between the first arm and the second arm and is sensitive to a compressive force having a sensitive direction in a direction substantially orthogonal to the first arm and the second arm ; and a third arm; There may be a plurality of second mechanical quantity sensor elements sandwiched between the second arms and sensitive to the compressive force in the sensitive direction in series or in parallel . By providing a plurality of mechanical quantity sensor elements, the shear force can be measured more accurately.
上記のように構成することで、簡易な構造でありながら、測定対象に生じる剪断力の向きが感応方向内で変化しても、第1力学量センサ素子または第2力学量センサ素子の少なくとも一方により剪断力が検出される。このため、剪断力の安定した検出が可能となり、剪断力検出装置の汎用性も高まる。 With the above configuration, at least one of the first mechanical quantity sensor element and the second mechanical quantity sensor element is provided even if the direction of the shearing force generated in the measurement object is changed in the sensitive direction even though the structure is simple. By means of this, the shearing force is detected. For this reason, stable detection of the shearing force is possible, and the versatility of the shearing force detection device is enhanced.
(3)もっとも、力学量センサ素子が一つでも、予め圧縮力(予圧)がその力学量センサ素子に印加された状態にあれば、力学量センサ素子に作用する剪断力の向きが変化しても、その予圧が残存する限りで、力学量センサ素子は剪断力を検出可能である。従って、測定対象に作用する剪断力の向きが変化する場合でも、このような剪断力検出装置によれば幅広く剪断力を検出できることになる。
特に、前述したように、本発明の剪断力検出装置の第1部材が第1アームおよび第3アームを備えており、第1力学量センサ素子が第1アームと第2アームとにより、第2力学量センサ素子が第3アームと第2アームとにより、予圧が印加された状態にあると一層好適である。
(3) However, even if there is only one mechanical quantity sensor element, if the compression force (preload) is applied to the mechanical quantity sensor element in advance, the direction of the shearing force acting on the mechanical quantity sensor element changes. However, as long as the preload remains, the mechanical quantity sensor element can detect the shearing force. Therefore, even when the direction of the shearing force acting on the measurement object changes, such a shearing force detection device can widely detect the shearing force.
In particular, as described above, the first member of the shearing force detection device of the present invention includes the first arm and the third arm, and the first physical quantity sensor element includes the second arm and the second arm. It is more preferable that the mechanical quantity sensor element is in a state where a preload is applied by the third arm and the second arm.
この場合、第1部材と第2部材との間に剪断力が作用した場合、第1力学量センサ素子と第2力学量センサ素子に作用する圧縮力は、一方が増加し、他方が減縮する傾向を示す。ここで、予圧を与えた状態でゼロ点補正を的確に行い、両力学量センサ素子の出力の差分を取れば、力学量センサ素子が一つの場合に比べて0.4、入力される剪断力に対して得られる出力は2倍になる。しかも、差分をとることで、両者に共通する外乱等による雑音部分は相殺され、一層高精度な剪断力の検出や測定が可能となる。 In this case, when a shearing force acts between the first member and the second member, one of the compressive forces acting on the first mechanical quantity sensor element and the second mechanical quantity sensor element is increased, and the other is reduced. Show the trend. Here, if the zero point correction is performed accurately with the preload applied, and the difference between the outputs of the two mechanical quantity sensor elements is taken, the input shear force is 0.4, compared to the case where there is only one mechanical quantity sensor element. The output obtained for is doubled. In addition, by taking the difference, a noise portion caused by a disturbance or the like common to both is canceled out, and it becomes possible to detect and measure a shearing force with higher accuracy.
〈力学量センサ素子〉
(1)本発明では、力学量センサ素子の種類や形式等は拘らないが、例えば、力学量センサ素子は、特定方向の圧縮力の印加により電気的特性を変化させ得る感圧体と、該感圧体の該特定方向の両面側に配設された電気的絶縁性を有する絶縁体と、該感圧体から印加される圧縮力に応じて変化する電気信号を取出す電極とからなると好適である。
また前述したように、力学量センサ素子が感応方向にのみ感応し、感応方向に直交する方向では実質的に感応しないと、被測定面の剪断力を正確に効率よく検出できて好ましい。
<Mechanical quantity sensor element>
(1) In the present invention, regardless of the type or form of the mechanical quantity sensor element, the mechanical quantity sensor element includes, for example, a pressure-sensitive body capable of changing electrical characteristics by applying a compressive force in a specific direction, It is preferable that the pressure sensitive body comprises an electrically insulating insulator disposed on both sides in the specific direction and an electrode for taking out an electrical signal that changes in accordance with a compressive force applied from the pressure sensitive body. is there.
As described above, it is preferable that the mechanical quantity sensor element is sensitive only in the sensitive direction and is not substantially sensitive in the direction orthogonal to the sensitive direction, because the shear force of the surface to be measured can be detected accurately and efficiently.
(2)ところで、そのような力学量センサ素子として、例えば、前記感圧体がマトリックスとなる電気絶縁性材料と、該電気絶縁性材料中に分散して導電性を有する圧力抵抗効果材料とからなるものがある。
この圧力抵抗効果材料として、例えば、酸化ルテニウム(RuO2)、ルテニウム酸鉛またはペロブスカイト型複合酸化物(La1-XSrXMnO3:0<x<0.4)がある。これらを1種類で用いても、2種以上を組み合わせて用いても良い。
(2) By the way, as such a mechanical quantity sensor element, for example, an electrical insulating material in which the pressure sensitive body is a matrix, and a pressure resistance effect material dispersed in the electrical insulating material and having conductivity There is something to be.
As this pressure resistance effect material, for example, there are ruthenium oxide (RuO 2 ), lead ruthenate, or perovskite type complex oxide (La 1-X Sr X MnO 3 : 0 <x <0.4). These may be used alone or in combination of two or more.
なお、感圧体のマトリックスである電気絶縁性材料として、ホウケイ酸鉛ガラス等がある。また、前記絶縁体は、例えばZrO2(ジルコニア)、Al2O3(アルミナ)、MgAl2O4、SiO2、3Al2O3・2SiO2、Y2O3、CeO2、La2O3、Si3N4等からなる。また、これらにより表面が被覆されて電気的に絶縁状態となった金属等を絶縁体として用いることもできる。 An example of the electrically insulating material that is a matrix of the pressure sensitive body is lead borosilicate glass. The insulator is, for example, ZrO 2 (zirconia), Al 2 O 3 (alumina), MgAl 2 O 4 , SiO 2 , 3Al 2 O 3 .2SiO 2 , Y 2 O 3 , CeO 2 , La 2 O 3. , Si 3 N 4 or the like. In addition, a metal or the like whose surface is covered with these to be electrically insulated can be used as the insulator.
前記感圧体は、例えば、電気絶縁性材料100重量部に対して、圧力抵抗効果材料が10〜50重量部の割合で分散されていると好ましい。圧力抵抗効果材料が過少だと、RuO2等の導電性粒子同士の接触が少なくなり感圧体の抵抗値が非常に大きくなってしまい、力学量センサ素子の感度が低下し得る。逆に、圧力抵抗効果材料が過多だと、RuO2等の導電性粒子同士の接触が多くなり、感圧体の抵抗値が非常に小さくなってしまい、やはり、力学量センサ素子の感度が低下し得る。 In the pressure-sensitive body, for example, the pressure resistance material is preferably dispersed in a ratio of 10 to 50 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the electrically insulating material. If the pressure resistance effect material is too small, the contact between the conductive particles such as RuO 2 is reduced, the resistance value of the pressure sensitive body becomes very large, and the sensitivity of the mechanical quantity sensor element can be lowered. On the other hand, if the pressure resistance effect material is excessive, the contact between the conductive particles such as RuO 2 increases, the resistance value of the pressure sensitive body becomes very small, and the sensitivity of the mechanical quantity sensor element also decreases. Can do.
この他、力学量センサ素子に関しては、本発明者が既に出願している特開2003−63868号公報、特開2005−172793号公報、特開2007−107963号公報等の記載にも詳細に記載してある。 In addition, the mechanical quantity sensor element is also described in detail in the descriptions of JP-A-2003-63868, JP-A-2005-172793, JP-A-2007-107963, etc. that have already been filed by the present inventor. It is.
実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
〈剪断力検出装置〉
(1)構造
図1に本発明の一実施例である剪断力検出装置Mを示す。この剪断力検出装置Mは、台座1(第1部材)と台座2(第2部材)と力学量センサ素子S1(第1力学量センサ素子)および力学量センサ素子S2(第2力学量センサ素子)とからなる。
The present invention will be described more specifically with reference to examples.
<Shearing force detection device>
(1) Structure FIG. 1 shows a shearing force detection device M that is an embodiment of the present invention. The shear force detection device M includes a pedestal 1 (first member), a pedestal 2 (second member), a mechanical quantity sensor element S 1 (first mechanical quantity sensor element), and a mechanical quantity sensor element S 2 (second mechanical quantity). Sensor element).
台座1は、鉄製の断面コの字型をした角柱部材である。すなわち、台座1は、ベース11(第1ベース)とその両端から直角に延びるアーム12(第1アーム)およびアーム13(第3アーム)とが一体に形成されてなる。また、ベース11には、アタッチメントや測定対象に剪断力検出装置Mを取付けるための取付孔111、112が穿設されている。さらに、アーム12およびアーム13には、それぞれ力学量センサ素子S1、S2に予荷重(予圧)を印加するための、先端面が平坦なフラットボルト5、6が螺合している。
The
台座2は、鉄製の断面T字型をした角柱部材である。すなわち、台座2は、ベース21(第2ベース)とその中央から直角に延びるアーム22(第2アーム)とが一体に形成されてなる。また、ベース21には、アタッチメントや測定対象に剪断力検出装置Mを取付けるための取付孔211、212が穿設されている。
力学量センサ素子S1は、台座1のアーム12と台座2のアーム22の間にシム7を介して挟持されている。また、力学量センサ素子S2は、台座1のアーム13と台座2のアーム22の間にシム8を介して挟持されている。
The
The mechanical quantity sensor element S <b> 1 is sandwiched between the
力学量センサ素子S1、S2のそれぞれの片面は、アーム22の両面に接着面bで熱硬化性接着剤で接着固定されている。また、力学量センサ素子S1、S2のそれぞれの他面側は、シム7、8の片面にそれぞれ、接着面bで熱硬化性接着剤で接着されている。このシム7、8は、鉄製の薄い円板である。このシム7、8により、ねじ込まれたフラットボルト5、6による予荷重が力学量センサ素子S1、S2へ均等に作用する。なお、フラットボルト5、6によるよ荷重の印加により、結局、台座1と台座2とが連結されることになる。
One side of each of the mechanical quantity sensor elements S1 and S2 is bonded and fixed to both sides of the
また、アーム12とアーム22、アーム13とアーム22との間にセンサを取り付ける方法として圧入で行ってもよい。すなわち、台座1のアーム12とアーム13との距離を、アーム22とその両側に取り付けたシム7、8と力学量センサ素子S1、S2との距離(長さ)より短くし(数〜数十μm短くし)、アーム22に取り付けてあるシム7、8と力学量センサ素子S1、S2とを取り付けるときは、アーム12とアーム13との距離を機械的に治具を用いて広げておき、その後、アーム22を取り付け、治具をはずして圧入により取り付ける。
この剪断力検出装置Mで用いた力学量センサ素子S1、S2の詳細な構造を図2に示した。力学量センサ素子S1、S2は、感圧体とその両側を覆う絶縁体と感圧体の両端側に設けた電極とからなる。この感圧体は、圧力抵抗効果材料であるRuO2粒子をマトリックスであるガラス(電気絶縁性材料)中に分散させたものである。絶縁体はZrO2からなる。電極は銀である。この電極が図示しないオシロスコープ等の計測システムに接続される。これにより、図2に示した方向の荷重を力学量センサ素子へ印加させたとき、感圧体の抵抗値が変化して、その変化量から印加した荷重が計測される。なお、参考までに、本実施例で用いた力学量センサ素子S1、S2の単体での出力特性(荷重特性)の一例を図3に示す。ちなみに、この力学量センサ素子S1、S2は、2x2x2.5(mm)の角柱状である。
Moreover, you may carry out by press injection as a method of attaching a sensor between the
The detailed structure of the mechanical quantity sensor elements S1 and S2 used in the shearing force detection device M is shown in FIG. The mechanical quantity sensor elements S1 and S2 include a pressure sensitive body, an insulator covering both sides thereof, and electrodes provided on both ends of the pressure sensitive body. This pressure sensitive member is obtained by dispersing RuO2 particles as a pressure resistance effect material in glass (electrical insulating material) as a matrix. The insulator is made of ZrO2. The electrode is silver. This electrode is connected to a measurement system such as an oscilloscope (not shown). Thereby, when the load in the direction shown in FIG. 2 is applied to the mechanical quantity sensor element, the resistance value of the pressure sensitive body changes, and the applied load is measured from the change amount. For reference, an example of output characteristics (load characteristics) of the mechanical quantity sensor elements S1 and S2 used in this embodiment is shown in FIG. Incidentally, the mechanical quantity sensor elements S1 and S2 have a prismatic shape of 2 × 2 × 2.5 (mm).
(2)力学量センサ素子の製法
力学量センサ素子S1、S2は、感圧体と絶縁体とを焼成により一体形成してなる。この作製方法につき概説しておく。
先ず、絶縁体として、ジルコニア板(東ソー株式会社製)を2枚準備し、感圧体の材料として、粒径0.2〜5μmのRuO2の粒子とガラスとを含有する抵抗ペースト(ESL社製の3414A)を準備する。
(2) Manufacturing Method of Mechanical Quantity Sensor Element The mechanical quantity sensor elements S1 and S2 are formed by integrally forming a pressure sensitive body and an insulator by firing. This manufacturing method will be outlined.
First, two zirconia plates (manufactured by Tosoh Corporation) are prepared as insulators, and a resistance paste (manufactured by ESL Co., Ltd.) containing RuO2 particles having a particle diameter of 0.2 to 5 [mu] m and glass as a pressure-sensitive material. 3414A) is prepared.
この抵抗ペーストをジルコニア板の片面にスクリーン印刷し、温度850℃にて10分間保持して焼き付ける。同様に、もう一枚のジルコニア板の片面にも、抵抗ペーストを焼き付ける。この焼き付けにより、抵抗ペーストからバインダーや有機溶剤を蒸発させ、ジルコニア板の表面に、電気絶縁性材料(ガラス)のマトリックスに導電性材料(RuO2)からなる導電性粒子の分散した感圧体が形成された。なお、感圧体の厚みは10μmであった。 This resistance paste is screen-printed on one side of a zirconia plate and baked by holding at a temperature of 850 ° C. for 10 minutes. Similarly, the resistance paste is baked on one side of another zirconia plate. By this baking, the binder and the organic solvent are evaporated from the resistance paste, and a pressure sensitive body in which conductive particles made of conductive material (RuO2) are dispersed in a matrix of an electrically insulating material (glass) is formed on the surface of the zirconia plate. It was done. The thickness of the pressure sensitive body was 10 μm.
このように表面に感圧体を形成した2枚のジルコニア板を、その感圧体を形成した面同士で重ね合わせ、温度850℃にて10分間焼成した。これにより、2枚のジルコニア板は一体化した。焼成後、所望のサイズに加工し、図2に示したような、感圧体が絶縁体(ジルコニア板)で挟まれたサンドイッチ構造の力学量センサ素子S1、S2が得られた。
さらに、力学量センサ素子S1、S2の感圧体が露出した一対の側面に、銀ペースト(昭栄化学工業株式会社製)を塗布し、温度850℃にて10分間加熱した。これにより、感圧体に銀ペーストが焼き付けられ、感圧体を挟む一対の電極が形成された。
以上のようにして、力学量センサ素子S1、S2が得られた。
The two zirconia plates having the pressure-sensitive body formed on the surface in this way were superposed on the surfaces on which the pressure-sensitive body was formed, and baked at a temperature of 850 ° C. for 10 minutes. Thereby, the two zirconia plates were integrated. After firing, it was processed into a desired size, and mechanical quantity sensor elements S1 and S2 having a sandwich structure in which a pressure-sensitive body was sandwiched between insulators (zirconia plates) as shown in FIG. 2 were obtained.
Further, a silver paste (manufactured by Shoei Chemical Industry Co., Ltd.) was applied to the pair of side surfaces where the pressure sensitive bodies of the mechanical quantity sensor elements S1, S2 were exposed, and heated at a temperature of 850 ° C. for 10 minutes. Thereby, the silver paste was baked on the pressure sensitive body, and a pair of electrodes sandwiching the pressure sensitive body was formed.
The mechanical quantity sensor elements S1 and S2 were obtained as described above.
〈評価〉
(1)上記の剪断力検出装置Mに、取付孔111、112および取付孔211、212を用いて、試験的な測定対象となるアタッチメントA1、A2を取付けた様子を図4および図5に示す。図4は、剪断力検出装置Mに剪断荷重が作用するようにした様子を示す。図5は、剪断力検出装置Mに垂直荷重が作用するようにした様子を示す。
これら各場合について、剪断力検出装置Mに印加した入力荷重と、力学量センサ素子S1、S2の出力荷重(センサ出力荷重FS1、FS2)との関係をオートグラフで求めた。また、各センサ出力荷重から算出した出力荷重(Ft=FS1−FS2)と入力荷重との関係も求めた。これらの結果を図6〜図9にそれぞれ示す。
<Evaluation>
(1) FIGS. 4 and 5 show the attachment of the attachments A1 and A2 to be experimentally measured using the attachment holes 111 and 112 and the attachment holes 211 and 212 to the above-described shear force detection device M. . FIG. 4 shows a state in which a shear load is applied to the shear force detection device M. FIG. 5 shows a state in which a vertical load is applied to the shearing force detection device M.
In each of these cases, the relationship between the input load applied to the shear force detection device M and the output loads (sensor output loads F S1 and F S2 ) of the mechanical quantity sensor elements S1 and S2 was obtained by an autograph. Further, the relationship between the output load (F t = F S1 −F S2 ) calculated from each sensor output load and the input load was also obtained. These results are shown in FIGS.
なお、力学量センサ素子S1、S2には、フラットボルト5、6によって予め約20kgの予荷重を印加しておいた。また、剪断力検出装置Mに何ら荷重を印加していない状態で各力学量センサ素子S1、S2の出力がゼロとなるように、ゼロ点補正をした。
いうまでもないが、力学量センサ素子S1、S2から得られるのは抵抗値の変化(電気信号)である。従って、力学量センサ素子S1、S2から出力された電気信号と入力荷重との対応関係は、予めキャリブレーションして求めておいた(図3)。
Note that a preload of about 20 kg was previously applied to the mechanical quantity sensor elements S1 and S2 by the
Needless to say, what is obtained from the mechanical quantity sensor elements S1, S2 is a change in resistance value (electrical signal). Therefore, the correspondence between the electrical signals output from the mechanical quantity sensor elements S1 and S2 and the input load has been obtained by calibration in advance (FIG. 3).
(2)先ず、図6および図7から、力学量センサ素子S1、S2のセンサ出力荷重(FS1、FS2)および両者から求めた出力荷重(Ft)はいずれもせん断入力荷重に対してほぼ直線的に増減することが解った。従って、本実施例の剪断力検出装置Mを用いれば、測定対象の被測定面間に作用する剪断荷重(剪断力)を精度良く検出できることが確認された。
(2) First, from FIGS. 6 and 7, the sensor output loads (F S1 , F S2 ) of the mechanical quantity
ところで、図6に示すように、せん断荷重を入力した場合の各力学量センサ素子S1、S2のセンサ出力荷重(FS1、FS2)は、非線形性(N.L.:Non−Linear)がフルケール(F.S.)の4%F.S.以下、ヒステリシスが2%F.S.以下と十分に小さい。特に、図7に示すように、Ft=FS1−FS2 として剪断荷重を算出することことで、非線形性は2%F.S.以下、ヒステリシスが2%F.S.以下となる。 By the way, as shown in FIG. 6, the sensor output loads (F S1 , F S2 ) of the respective mechanical quantity sensor elements S1, S2 when a shear load is inputted have non-linearity (NL: Non-Linear). The full scale (FS) has a sufficiently small hysteresis of 4% FS or less and a hysteresis of 2% FS or less. In particular, as shown in FIG. 7, by calculating the shear load as F t = F S1 −F S2 , the non-linearity becomes 2% FS or less and the hysteresis becomes 2% FS or less.
(3)次に、図8および図9から、力学量センサ素子S1、S2のセンサ出力荷重(FS1、FS2)および両者から求めた出力荷重(Ft)はいずれも、垂直入力荷重に対してほとんど変化していないことが解った。従って、本実施例の剪断力検出装置Mを用いれば、測定対象の被測定面間に垂直荷重(垂直力)が作用する場合であっても、その影響を除去して、剪断荷重のみを精度良く検出できることが確認された。
このように、本発明にかかる剪断力検出装置によれば、垂直荷重等の影響を実質的に受けることなく、剪断荷重のみを正確に計測できることが確認された。
(3) Next, from FIGS. 8 and 9, the sensor output loads (F S1 , F S2 ) of the mechanical quantity
Thus, according to the shearing force detection apparatus concerning this invention, it was confirmed that only a shearing load can be measured correctly, without receiving the influence of a perpendicular | vertical load etc. substantially.
1 台座(第1部材)
2 台座(第2部材)
11、21 ベース
12、13、22 アーム
S1、S2 力学量センサ素子
M 剪断力検出装置
1 pedestal (first member)
2 Pedestal (second member)
11, 21
Claims (6)
前記第1ベースと平行に離間して配設される第2ベースと、前記第1アームと前記第3アームとの間に配置され該第2ベースから直角方向へ該第1アーム及び該第3アームに対峙する向きに延び該第2ベースと一体的に可動し得る第2アームと、からなる第2部材と、
前記第1アームと前記第2アームとの間に挟持され、該第1アームおよび該第2アームと略直交する方向を感応方向とする圧縮力に感応する第1力学量センサ素子と、
前記第3アームと前記第2アームとの間に挟持され前記感応方向の圧縮力に感応する第2力学量センサ素子と、からなり、
前記感応方向に相対変位し得る平行に離間した被測定面間に生じ得る剪断力を測定できることを特徴とする剪断力検出装置。 A first base, a first arm extending perpendicularly from the first base and movable integrally with the first base; and extending from the first base and movable integrally with the first base; A first member comprising a third arm facing and spaced apart from one arm in parallel ;
A second base disposed apart from and parallel to the first base; and the first arm and the third arm disposed between the first arm and the third arm in a direction perpendicular to the second base . a second arm capable of second base and integrally movable extending in a direction opposed to the arm, and a second member made of,
Is sandwiched between the second arm and the first arm, a first physical quantity sensor element sensitive to said first arm and said second arm in a direction substantially perpendicular to the compressive forces to be sensitive direction,
A second mechanical quantity sensor element sandwiched between the third arm and the second arm and sensitive to the compressive force in the sensitive direction ,
A shearing force detection device capable of measuring a shearing force that can be generated between parallel measurement surfaces that can be relatively displaced in the sensitive direction.
該感圧体の該特定方向の両面側に配設された電気的絶縁性を有する絶縁体と、
印加される圧縮力に応じて変化する電気信号を該感圧体から取出す電極とからなる請求項1〜3のいずれかに記載の剪断力検出装置。 The mechanical quantity sensor element includes a pressure-sensitive body capable of changing electrical characteristics by applying a compressive force in a specific direction;
An insulator having electrical insulation disposed on both sides in the specific direction of the pressure sensitive body;
The shearing force detection device according to any one of claims 1 to 3 , comprising an electrode that extracts an electric signal that changes in accordance with an applied compressive force from the pressure-sensitive body.
該電気絶縁性材料中に分散して導電性を有する圧力抵抗効果材料とからなる請求項4に記載の剪断力検出装置。 The pressure-sensitive body includes an electrically insulating material serving as a matrix,
The shear force detection device according to claim 4 , comprising a pressure resistance effect material dispersed in the electrically insulating material and having conductivity.
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