JPH0351730A - 荷重検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、種々の物体に加わる荷重について、その所定
軸方向の力や所定軸まわりのモーメントを検出する荷重
検出器に関する。

Ｃ従来の技術〕 ある物体又はある物体の特定部分に加わる荷重（力又は
モーメント）を検出することは、多くの分野において不
可欠のことである。例えば、高機能ロボットにより組立
作業や研摩・パリ取り作業を行なう場合、当該ロボット
のハンドに作用する力を正確に検出することが必要であ
るし、又、航空機、船舶、車両等のモデル試験を実施す
る場合も、各部にかかる荷重の検出が主要な項目となる
。

このような荷重を検出するための優れた検出器として、
ある基準軸方向の力成分のみ又はある基準軸まわりのモ
ーメント成分のみを検出する平行平板構造を用いた検出
器が提案されている。以下、この検出器を図により説明
する。

第７図（ａ）、　　（ｂ）は平行平板構造で構成された
荷重検出器の側面図である０図で、Ｘ、Ｙ。

２は座標軸を示す（Ｙ軸は紙面に垂直な方向）。

１．２は剛体、３．３′は剛体１と剛体２とを連結する
薄肉部である。薄肉部３．３′は平板形状であり、互い
に平行に配置されている。剛体１゜２および薄肉部３．
３′により平行平板構造４が構成される。この平行平板
構造４は、１つの剛体ブロックにＹ軸方向の方形の貫通
孔５を形成することにより構成される。６は薄肉部３．
３′における剛体１，２との連結部分近辺にに貼着され
たひずみゲージを示す。７は剛体１が固定される固定部
である。

このような平行平板構造４の剛体２に、Ｚ軸方向の力Ｆ
Ｚを作用させると、平行平板構造４はその薄肉部３．３
′の変形により、第７図（ｂ）に示すように変形する。

なお、この変形は極端に誇張して描かれている。この変
形に応じて各部のひずみゲージ６に伸縮ひずみが生じ、
これに応じてその抵抗値が変化する。したがって、ひず
みゲージの貼着個所を選定し、これらのひずみゲージに
より適宜のホイートストンブリッジ回路を構成すれば、
その回路の出力により上記力の大きさを検出することが
できる。そして、このような平行平板構造４を適宜組合
わすことにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の力およびｘ、　ｙ
、　　ｚ軸まわりのモーメントのすべてを検出し得る荷
重検出器を構成することができる。

なお、上記平行平板構造４においては、貫通孔５が方形
である場合を例示したが、実質的に平行な薄肉部を構成
することができれば貫通孔は方形に限ることはなく、円
形その他の形状のものであっても、荷重検出機能に差異
は生じない。

ここで、−例として、このような平行平板構造を旋盤の
バイトに適用し、バイトに作用する主分力、背分力およ
び通分力を検出し、この検出値に基づいて研削加工の際
に生じる種々の現象を解明するために用いられる検出器
付バイトの構成を図により説明する。

第８図は検出器を備えたバイトの斜視回である。

図で、１０はバイトを示す。１２はパイｌ−１０を刃物
台（図示されていない）に固定するための固定部、１３
はパイ）１０に作用する力（主分力。

背分力、通分力）を検出する検出器が構成されている検
出部、１４はバイト１０の先端部である。

１５は先端部１４に取付けられたチップ、１６はチップ
１５を固定するクツション、１７はチップ１５を押圧す
る爪である。

検出部１３には、矢印Ｆ１方向の主分力を検出するため
の平行平板構造１３Ｆｌ、矢印Ｆ！力方向背分力を検出
するための平行平板構造１３Ｆｚおよび矢印Ｆ、方向の
通分力を検出するための平行平板構造１３Ｆ３がそれぞ
れ複数の貫通孔を形成することにより構成されている。

１３ＳＩ。

１３３！、１３Ｓｉはそれぞれ平行平板構造１３Ｆ＋、
１３Ｆｇ、１３Ｆ３の変形を検出するひずみゲージであ
る。

次に、上記パイ）１０を用いた検出動作について説明す
る。バイトｌＯは固定部１２を用いて刃物台に固定され
る。一方、被削物は図示しない回転テーブルに固定して
回転せしめられ、チップ１５と接触することにより切削
が行われる。この場合、チップ１５のすくい面の方向は
ほぼ主分力の方向と同じであり、向きは反対となる。こ
の切削加工中、バイト１０には矢印Ｆ１向きの主分力、
矢印Ｆｔ向きの背分力、および矢印Ｆ、向きの通分力が
作用する。各分力はチップ１５から先端部１４、検出部
１３、固定部１２を経て刃物台に伝達される。この伝達
過程において、主分力は平行平板構造１３Ｆ１に対して
これに比例した曲げ変形を発生せしめるが、他の平行平
板構造１３Ｆ！、１３Ｆ３は平行平板構造の特性により
当該主分力に対して極めて高い剛性を示し、はとんど変
形しない、同様に、背分力および通分力はそれぞれ平行
平板構造１３Ｆｇ、１３Ｆｓに対してこれに比例した曲
げ変形を発生せしめるが、他の平行平板構造にはほとん
ど影響を与えない。

これら各平行平板構造１３Ｆ＋、１３Ｆｚ。

１３Ｆ、の曲げ変形の大きさはひずみゲージ１３Ｓ＋、
１３３ｇ、１３Ｓｓを用いて電気信号としてとり出され
、これにより、主分力、背分力および通分力をそれぞれ
独立して検出することができる。

以上、平行平板構造を有する荷重検出器をバイトに適用
した例について述べたが、その適用はバイトに限ること
はなく、極めて多数の分野で用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、平行平板構造を有する荷重検出器においては
、ひずみゲージ６は第７図（ａ）に示すように剛体１，
２と薄肉部３．３′との結合部分に貼着されることが多
い、これは、薄肉部３３３′の変形時の伸び、縮みが当
該結合部分に最も顕著に現れ、大きなゲ１′ンを得るこ
とができるためである。このため、ひずみゲージ６は第
７図（ａ）に示される構造においては必然的に当該結合
部分の表面に露出して貼着されることになる。

一方、荷重検出器が使用される場所の環境は劣悪な場合
が多く、例えば、第８図に示すバイトの場合、加工時に
は荷重検出器に切粉や冷却用の油が飛敗し、又、他の物
体と接触する可能性が大きい。

このような劣悪な環境で荷重検出器が使用される場合、
ひずみゲージおよびその配線が外部に露出しているため
、それらが損傷したり電気的短絡を生じる事故がしばし
ば発生し、信頼性のある荷重検出が実施できないという
問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
ひずみゲージを保護することができ、ひいては信頼性を
向上せしめることができる荷重検出器を提供するにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、２つの剛体間を
互いに平行な複数の薄肉部で結合した荷重検出器におい
て、前記薄肉部の外表面と結合する前記各剛体間の間隔
を前記薄肉部の内表面と結合する前記各剛体間の間隔よ
り小さく構成するとともに、前記薄肉部の内表面の所定
個所に当該薄肉部の変形を検出するひずみゲージを設け
たことを特徴とする。

〔作用〕

２つの剛体間に荷重が作用すると、薄肉部はこの荷重に
応じて変形し、この変形はひずみゲージにより検出され
る。ひずみゲージは薄肉部の内表面に設けられているの
で、薄肉部自体が飛敗してくる異物に対する遮蔽体とな
り、ひずみゲージおよびその配線が保護される。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図（ａ）、　　（ｂ）は本発明の実施例に係る荷重
検出器の側面図である。図で、第７図（ａ）に示す部分
と同−又は等価な部分には同一符号を付して説明を省略
する。２０は本実施例の平行平板構造、２１．２２は切
欠き部を示す０本実施例の荷重検出器における平行平板
構造２０は、１つの剛体ブロックに貫通孔５を形成して
作られる。

この貫通孔５を形成する場合、従来は薄肉部３゜３′の
厚さだけ残して形成されるが、本実施例の貫通孔５は薄
肉部３，３′の厚さより大きい厚さｄを残して形成され
る０次に、剛体ブロックの各表面に、貫通孔５の幅ｉよ
り小さい幅ＩｔＩを有する切欠き部（ｍ）２１．２２が
貫通孔５と同一方向に形成される。切欠き部２１．２２
の深さは厚さｄから薄肉部の厚さを減じた寸法とされ、
かつ、貫通孔５の幅の中心と切欠き部２１．２２の幅の
中心とは一致せしめられる。

平行平板構造２０が上記のように構成されるので、剛体
１．２と薄肉部３．３′との４つの結合個所Ｐは、外面
（図の上下表面）では切欠部２１．２２の端縁となり、
内面では貫通孔５の内壁平面上に存在することになる。

これにより、ひずみゲージ６を図示のように当該内壁平
面上に貼着することができ、ひずみゲージ６が外部に露
出しないようにすることができる。そして、貫通孔５の
両側開口部を適宜の材料で覆えば、ひずみゲージ６は外
部から完全に遮断され、保護される。又、ひずみゲージ
６の配線も、剛体１又は剛体２に貫通孔５の壁面に達す
る貫通孔をあけて挿通ずることにより外部に露出するの
を防止することができる。

第１図（ｂ）は剛体２にＺ軸方向の力Ｆ８が加えられた
ときの変形を示す図であり、第７図（ｂ）に示す場合と
同じく極端に誇張して描かれている。

本実施例における薄肉部３．３′の変形も従来のものの
変形と同じである。

次に、本実施例の荷重検出器を、第３図に示すものと同
様に旋盤のバイトに適用した例について説明する。第２
図は本実施例の荷重検出器を備えたバイトの側面図であ
る０図で、第１図（ａ）および第８図に示す部分と同−
又は等価な部分には同一符号を付して説明を省略する。

このバイトに設けられた荷重積出器２０は、バイトのチ
ップ１５に加わる主分力を検出するものであり、その動
作は第１図（ａ）、　　（ｂ）およびその説明で述べた
動作と同一である。上記構造において、各ひずみゲージ
６は貫通孔５の内壁面に貼着されているので、研削加工
部分から飛散してくる切粉や油がひずみゲージ６やその
配線を直撃することはな（、予期せぬ接触からも保護さ
れる。又、貫通孔５の開口部に適宜の覆いを設ければ切
粉や油の衝撃や付着はほぼ完全に防止することができる
。

第３図は本発明の荷重検出器を備えた他のバイトの側面
図である０図で、第８図に示す部分と同−又は等価な部
分には同一符号を付して説明を省略する。３０は第１図
（ａ）に示す荷重検出器２０とほぼ同一構成の荷重検出
器、３３．３３’はその薄肉部である。３５は貫通孔を
示す０貫通孔３５は、第１図（ａ）に示す貫通孔５と異
なり薄肉部３３．３３’に対して垂直でないある角度を
もって形成されている。したがって、薄肉部３３と薄肉
部３３′とはＺ軸方向（上下方向）において段差（ずれ
）を存する。３６はひずみゲージであり、第１図（ａ）
に示すものと同じく貫通孔３５の内壁面に貼着されてい
る。なお、図示しないが、ひずみゲージ３６の配線は固
定部１２にあけられた貫通孔を通って外部に４出される
。３７．３８は第１図（ａ）に示す切欠き部２１．２２
と等価の切欠き部である。

上記のバイトは、第８図に示すバイトが３つの平行平板
構造を備えているのに対し、１つの平行平板構造を備え
ているのみであり、この１つの平行平板構造を用いた荷
重検出器３０により、主分力、背分力および送分力を検
出する。以下、その検出手段の概略を説明する。

第４図（ａ）、　　（ｂ）は主分力が作用したときの荷
重検出器の変形態様図およびその検出回路の回路図であ
る。図で、第３図に示す部分と同一部分には同一符号が
付しである。３６ｆ＋ｔ〜３６Ｌａはひずみゲージを示
す。主分力Ｆ、が作用すると、薄肉部３３．３３’に図
示のような変形（この変形も極端に誇張して描かれてい
る。以下の変形態様部においても同じ。）が生じ、これ
に応じて各ひずみゲージ３６ｆ、〜３６ｆ、に伸鴫を生
じその抵抗値が変化する。各ひずみゲージ３６ｆ、〜３
６ｆ、で第４図（ｂ）に示すようにホイートストンブリ
ッジ回路を構成し、直流電源Ｅの電圧を印加すると、出
力端からは主分力Ｆ１に比例した信号ＶＺが出力される
。

なお、ひずみゲージ３６ｆｔｇをζトずみゲージ３６ｆ
、の貼着個所と同一個所にこれと平行に貼着し、かつ、
ひずみゲージ３６ｆ、ｆｆをひずみゲージ３６ｆ、の貼
着個所と同一個所にこれと平行に貼着しても主分力Ｆ、
を検出することができる。

第５図（ａ）、（ｂ）は背分力が作用したときの荷重検
出器の変形態様図およびその検出回路の回路図である。

図で、第３図に示す部分と同一部分には同一符号が付し
である。３６ｆｚ＋〜３６ｆｔｍはひずみゲージを示す
。背分力Ｆ２が作用すると、薄肉部３３．３３’に図示
のような変形が生じ、これに応じて各ひずみゲージ３６
ｆｔ、〜３６ｆｚｎに伸縮を生じその抵抗値が変化する
。各ひずみゲージ３６ｆｍ＋〜３６ｆ！４で第５図（ｂ
）に示すようにホイートストンブリッジ回路を構成し、
直流型ＩＰの電圧を印加すると、出力端からは背分力Ｆ
２に比例した信号ＶｆＲが出力される。

第６図（ａ）、　　（ｂ）は送分力が作用したときの荷
重検出器薄肉部の変形態様Ｍ、第６図（ｃ）は検出回路
の回路図である。送分力が作用し、た場合の変形を第４
図（ａ）、第５回（ａ）に準じて描くのは回能であるの
で、当該変形は薄肉部のみを抽出することにより示すこ
ととする。送分力Ｆ！は第３図において紙面に垂直な方
向に作用する力である。この場合の薄肉部３３の変形は
第６図（ａ）、薄肉部３３′の変形は第６図（ｂ）に示
すような変形となる一３６ｆｓ＋〜３６ｆｆｆ４はひず
みゲージを示す、送分力Ｆ、が作用すると、薄円部３３
，３３’に図示のような変形が生じ、これに応じて各ひ
ずみゲージ３６ｆ３１〜３６ｆ３４に伸縮を生じその抵
抗値が変化する。各ひずみゲージ３６ｆ！＋〜３６ｆｓ
ａで第６図（ｃ）に示すようにホイートストンブリッジ
回路を構成し、直流電源Ｅの電圧を印加すると、出力端
からは送分力Ｆ。

に比例した信号ｖ０が出力される。

このように、上記荷重検出器３０は各ひずみゲージを貫
通孔３５の内壁面に貼着した構造となっているので、研
削加工部分から飛散してくる切粉や油がひずみゲージを
直撃することはなく、又、貫通孔３５の両側開口部に、
薄肉部３３．３３’の変形の障害とならないように適当
な覆いを設ければ、ひずみゲージやその配線は飛散して
くる異物や予期しない衝撃から完全に保護される。

なお、上記荷重検出器３０は、薄肉部３３．３３′間に
ずれを設けたので、３軸方向の力を充分なゲインで検出
することができる。さらに、詳細な説明は省略するが、
ひずみゲージの貼着個所を適切に選択することにより、
３軸まわりのモーメントをも検出することができる。こ
のような機能は、薄肉部３３．　３３１にずれを設けた
ことによる機能であり、この場合、ひずみゲージを外側
に貼着する構造としても同一の機能が発注される。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は、薄肉部の変形時におりる
最大伸縮を生じる部分が、薄肉部内表面に連続しこれと
同一平面上に存在するようにしたので、ひずみゲージお
よびその配線を薄肉部内表面に設けることができ、これ
により、ひずみゲージおよびその配線を、飛来する異物
や他物体との接触から保護することができ、ひいては荷
重検出器の信鯨性を向上せしめることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　　（ｂ）は本発明の実施例に係る荷重
検出器の側面図、第２図および第３図は荷重検出器を適
用したバイトの側面図、第４図（ａ）。 （ｂ）は第３図に示すバイトに主骨；りが作用したとき
の変形態様図およびその変形の検出回路図、第５図（３
）、（ｂ）は第３図に示すバイトに背分力が作用したと
きの変形態様図およびその変形の検出回路図、第６図（
ａ）、　　（ｂ）は第３図に示すバイトに送分力が作用
したときの各薄肉部の変形Ｒ１Ａ様図、第６図（Ｃ）は
その変形の検出回路図、第７図（ａ）、（ｂ）は従来の
荷重検出器の側面図、第８図は従来の荷重検出器を適用
したバイトの斜視図である。 １．２・・・・・・・・・開端、３．３′・・・・・・
・・・薄肉部、５・・・・・・・・・貫通孔、６・・・
・・・・・・ひずみゲージ、２０・・・・・・・・・荷
重検出器、２１．２２・・・・・・・・・切欠き部。 第１図 （ａ） （ｂ） ）、 ２１．２２：切欠き邪 ２１ 第３ 図 第５ 図 第６ 図 ζａノ （ｂ） （Ｃ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）２つの剛体間を互いに平行な複数の薄肉部で結合
   した荷重検出器において、前記薄肉部の外表面と結合す
   る前記各剛体間の間隔を前記薄肉部の内表面と結合する
   前記各剛体間の間隔より小さく構成するとともに、前記
   薄肉部の内表面の所定個所に当該薄肉部の変形を検出す
   るひずみゲージを設けたことを特徴とする荷重検出器
2. （２）請求項（１）において、前記所定個所は、前記薄
   肉部の外表面における前記剛体との結合部に対応する個
   所であることを特徴とする荷重検出器