JPH0461289B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は荷重を高精度に検出することができる
荷重検出装置に関する。

〔従来の技術〕

機械を構成する各機械部品が受ける荷重を検出
することは、当該機械の望ましい制御を実現させ
る上で重要である。

従来、このような荷重の検出に際して用いられ
る荷重検出装置として実開昭57−46842号公報、
特開昭50−97376号公報に記載される技術（以下、
「従来技術１、従来技術２」という）がある。

従来技術１は、力の伝達部材を構成するブラケ
ツト間に作用する力を検出する荷重検出装置とし
てシエアピン型ロードゼルを設けたものである。
このシエアピン型ロードセルは、ブラケツト間に
配置され、荷重を受ける柱状体を形成する荷重負
担部と、この荷重負担部の軸心方向に沿つて形成
した穴に挿入される挿入部材とからなつている。
この挿入部材は、両端及び中央位置に荷重負担部
と結合する結合部を有し、これらの結合部と一体
的に該結合部の寸法よりも小さい寸法を有する固
定部を有し、中央位置にある固定部と一方の端部
側にある固定部との間、及び中央位置にある固定
部と他方の端部側にある固定部との間にそれぞれ
１つづつ設けられ、荷重負担部に与えられる荷重
に感応して変形してひずみを拡大する変形感応
部、すなわちセンサ部を有している。センサ部に
はひずみゲージが貼られている。

この従来技術１にあつては、荷重負担部の中央
位置にある結合部部分に荷重が負荷されると、両
端に位置する結合部の間の部分全体が一様にたわ
む。このときのたわみは、曲げによるたわみと、
せん断力によるたわみとの複合されたものであ
る。このたわみはセンサ部において拡大され、ひ
ずみゲージによつて検出され信号として出力され
る。その信号値と、たわみの関係式とに基づいて
負荷された荷重を求めるようになつている。

また、従来技術２は、力の伝達部材を構成する
一対のボスと、これらのボスの間に配置される別
のボスとを連結する柱状体、すなわち測定用ピン
の両端部に、かつその軸心方向に２つの穴を形成
し、これらの穴のそれぞれに挿入部材、すなわち
荷重変換体を設けたものである。これらの荷重変
換体全体がボルト形状に形成され、その軸心方向
に沿つて貫通する穴を有し、測定用ピンに結合す
る結合部間に荷重に感応して変形する変形感応
部、すなわち環状溝を有しており、環状溝に対応
する内周面にはひずみゲージが貼られている。

この従来技術２にあつては、荷重変換体がひず
み拡大機能は持たないものの、上記した従来技術
１と同様に、測定用ピンにかかる荷重に応じて荷
重変換体が一様に曲げ変形し、曲げによるたわみ
に相応する信号がひずみゲージから出力され、そ
の信号に応じて測定用ピンにかかる荷重が求めら
れるようになつている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記した従来技術１、２のいずれも
曲げ変形によるひずみが含まれるひずみに基づい
て荷重を求めるようにしてある。一般に曲げ変形
によるひずみの大きさは、荷重の作用点の位置が
異なると曲げ変形の形態が変化することに伴つて
異なる大きさとなることから、上記した従来技術
１、２では荷重の作用点が変化するような力の伝
達部材における荷重の検出には適していない。例
えば、従来技術１において、荷重の作用点が中央
位置からずれた位置にあつたとすると、荷重の作
用点が中央位置にあつたときの曲げ変形によるひ
ずみと異なつた大きさの曲げひずみ成分がひずみ
ゲージで検出され、したがつて、荷重の作用点が
中央位置にあるときの当該荷重の値と異なる荷重
の値が求められてしまう。このことは従来技術２
にあつても同様である。

このように、上記した従来技術１、２に示され
るものは、荷重の作用点、すなわち荷重のかかる
位置が変動し得る力の伝達部材における荷重の検
出にあつては、検出値の誤差が大きく、荷重検出
精度が低下する問題がある。

本発明は、上記した従来技術における実情に鑑
みてなされたもので、その目的は、荷重の作用点
の変動の影響を受けることなく当該荷重の値を求
めることができる荷重検出装置を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するために、本発明は、力の伝
達部材間に配置され、荷重を受ける柱状体と、こ
の柱状体の曲げ変形に対する中立軸に形成した穴
と、この穴に挿入され、両端に上記柱状体と結合
する結合部を有し、これらの結合部に連設して該
結合部の寸法よりも小さい寸法を有する固定部を
有し、これらの固定部の間に設けられ上記柱状体
に与えられる荷重に感応して変形してひずみを拡
大し、その対称軸を上記中立軸にほぼ一致させた
変形感応部を有する挿入部材と、この挿入部材の
上記変形感応部の変形量を信号に変換し、上記柱
状体のせん断変形によるひずみ成分のみを取出す
信号変換手段とを備え、上記力の伝達部材が柱状
体に接する部位に設けられる互いに対向する端面
によつて形成される領域内に上記結合部の互いに
対向する端面のそれぞれが位置するように、上記
挿入部材を配置した構成にしてある。

〔作用〕

本発明は、上記のように変形感応部の対称軸を
柱状体の曲げ変形に対する中立軸に一致するよう
に構成してあることから、曲げ変形に伴つて生じ
る変形感応部のひずみが基本的に微小であり、し
かも固定部及び変形感応部が力の伝達部材の端面
間に位置し、これらの固定部及び変形感応部が柱
状体に接触せず、直接的な力を受けない構成にし
てあるので、荷重の作用点の位置の変動にかかわ
らず安定した比較的大きなひずみ拡大率が得ら
れ、さらに、信号変形手段によつてせん断変形に
よるひずみ成分のみが取り出され、このせん断変
形によるひずみ成分に応じて荷重を求めることが
できる構成にしてあることから、曲げ変形による
ひずみ成分を荷重を求める演算に関与させないよ
うにすることができ、したがつて、荷重の作用点
の位置が変動して曲げ変形によるひずみの大きさ
が変化してもその影響を受けることなく当該荷重
の値を求めることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の荷重検出装置を図に基づいて説
明する。

第１図は本発明の一実施例を示す断面部分を含
む側面図、第２図はこの実施例に備えられる挿入
部材を示す斜視図、第３図は第１図に示す荷重検
出装置において生じる変形の態様を例示する説明
図、第４図はこの実施例に備えられるひずみゲー
ジの結線図である。

第１図において、１，２は力の伝達部材すなわ
ち機械構成部材、３はこれらの機械構成部材１，
２を連結するピンを兼ねる本発明の荷重検出装置
である。この荷重検出装置３は例えば円柱状の柱
状体４と、この柱状体４の曲げ変形に対する中立
軸に形成した２つの断面円形の穴５，６と、これ
らの穴５，６に挿入され、例えば金属よりなる挿
入部材７，８とを備えている。なお、挿入部材７
は機械構成部材１と機械構成部材２の一方の腕部
との間に、すなわち１つの力の伝達経路中に配置
してあり、また挿入部材８は機械構成部材１と機
械構成部材２の他方の腕部との間に、すなわち上
記の力の伝達経路とは別の力の伝達経路中に配置
してある。挿入部材７は第２図にも示すように、
両端に柱状体４と結合する結合部すなわち穴５と
ほぼ同径の円柱状の結合部９，１０を備え、これ
らの結合部９，１０に連接して該結合部９，１０
の径寸法よりも小さい寸法を有する固定部９ａ，
１０ａを備え、中央に柱状体４に与えられる荷重
に感応して変形し、ひずみを拡大する薄板状の変
形感応部１１を備えている。同様に挿入部材８
も、結合部１２，１３と固定部１２ａ，１３ａと
変形感応部１４を有している。なお、第３図に例
示するように、距離Ｌで示す挿入部材７の結合部
９，１０のそれぞれの内側端面間の領域が、距離
L′で示す機械構成部材１の端面と、この端面と相
対向する機械構成部材２の腕の端面との間の領域
内に含まれるように、この挿入部材７の結合部
９，１０、固定部９ａ，１０ａ、変形感応部１１
の長さ寸法、及び穴５の長さ寸法を設定してあ
る。上記した変形感応部１１，１４は、それぞれ
の対称軸を曲げ変形に対する中立軸にほぼ一致さ
せてあり、その長さ寸法、すなわち固定部間の距
離に応じた大きさにひずみを拡大する。なお、挿
入部材７，８の結合部９，１０，１２，１３は、
焼ばめ、溶接、テーパねじによる締付け、接着剤
による固着等の手段によつて柱状体４に結合され
る。

また、１５，１６は上述した変形感応部１１の
変形量を信号に変換する信号変換手段例えばひず
みゲージで、これらのひずみゲージ１５，１６は
変形感応部１１上で互いに直交し、かつ柱状体４
の軸心方向とほぼ45°の角度で、しかも柱状体４
の軸心に対して図示上下方向に対称に位置するよ
うに貼付けてある。また第１〜３図にあつては図
示されていないが、変形感応部１１のひずみゲー
ジ１６が貼付けられている位置の裏側部分にひず
みゲージ１６と直交する向きにひずみゲージ１７
を、また変形感応部１１のひずみゲージ１５が貼
付けられている位置の裏側部分にひずみゲージ１
５と直交する向きにひずみゲージ１８を貼付けて
ある。すなわち、これらのひずみゲージ１５と１
６、およびひずみゲージ１７と１８とは柱状体４
の曲げ変形に対する中心軸に関して対称な位置に
配置してある。

同様に、１９，２０は変形感応部１４に貼付け
たひずみゲージであり、また第１〜３図にあつて
は図示されていないが、変形感応部１４のひずみ
ゲージ２０，１９が貼付けられている位置の裏側
部分に、それぞれひずみゲージ２１，２２を貼付
けてある。これらのひずみゲージ１５〜１８、お
よびひずみゲージ１９〜２２は、第４図に例示す
るブリツジを構成している。同第４図においてei
は入力電圧、e₁はひずみゲージ１５〜１８による
電力電圧、e₂はひずみゲージ１９〜２２による電
力電圧を示している。２３，２４はそれぞれひず
みゲージ１５〜１８、あるいはひずみゲージ１９
〜２２に接続されるリード線で、これらのリード
線２３，２４は挿入部材７，８の結合部９，１
０，１３に形成した通路２５ａ，２５ｂ，２６に
挿通され、穴５、およびこの穴５と穴６とを連通
させる穴５０を経て柱状体４の外部に導かれる。

５１，５２は柱状体４の両端を閉鎖するカバー
である。またバー５１の内部にはリード線２３，
２４が挿通可能な穴５３が形成されている。５４
はリード線２３，２４が接続されるコネクタで、
カバー５１に支持されている。すなわちカバー５
１はコネクタ５４を支持する支持部材を兼ねてい
る。５５，５６はそれぞれカバー５１，５２を柱
状体４に締結するボルト、５７，５８，５９は荷
重検出装置３の内部を密封するＯリングである。

なお、第５図は第１図に示す荷重検出装置３に
接続される装置の一例を示すブロツク図である。
同第５図において、２７は演算装置で、例えばマ
イクロコンピユータからなつており、ひずみゲー
ジ１５〜１８，１９〜２２の出力電圧e₁，e₂が入
力される入力装置２８と、ひずみゲージの出力電
圧e₁，e₂と力の大きさとの相関関係が記憶される
記憶装置２９と、入力装置２８に入力された信号
に応じて論理判断、演算等をおこなうCPU（中央
処理装置）３０と、このCPU３０において得ら
れた結果を出力する出力装置３１とからなつてい
る。また３２は出力装置３１に接続したデイスプ
レイ等からなる表示装置である。これらの演算装
置２７および表示装置３２は、荷重検出装置３に
よつて出力された信号を処理する信号処理手段を
構成している。なお一般には、この種の信号処理
手段は第５図に示すものに限らず、種々の形態を
とり得る。

上述のように構成した実施例にあつて、仮に第
１図に示すように、機械構成部材１に未知の力
W₃、機械構成部材２に未知の力W₁，W₂がそれ
ぞれ作用したとする（W₃＝W₁＋W₂）。このと
き、例えば第３図に例示する側の場合、力W₁に
よる柱状体４の変形が、結合部９，１０を介して
当該挿入部材７に伝えられるので、この挿入部材
７には柱状体４の全変形量のうち、距離Ｌの範囲
における変形量δを生じる。この柱状体４の変
形、したがつて距離Ｌの範囲における挿入部材７
の変形量δには、第６図ａに示すせん断力による
変形と、第６図ｂに示す曲げモーメントによる変
形を生じる。

この場合、柱状体４では距離Ｌの間の変形量δ
が変形感応部１１，１４ではその長さ寸法ｄの間
に生じる。すなわち第３図に示すように、例えば
挿入部材７の結合部９，１０の径寸法に比べて固
定部９ａ，１０ａの寸法を小さく設定してあるこ
とから、固定部９ａ，１０ａは穴５の壁面から離
れた状態に保たれ、したがつて該穴５の壁面から
力を受けることによる変形を生じることがなく、
変形感応部１１のみが良好に変形する。このと
き、（Ｌ／ｄ）倍のひずみ拡大率が得られ、しか
も力W₁が固定部９ａ，１０ａ、および変形感応
部１１，１４に直接作用しないので、力W₁の作
用点の変動にかかわらず拡大率の変化を生じるこ
とがなく、安定したひずみ拡大率が得られる。な
お挿入部材８においても同様である。

そして、せん断力による変形に際しては同第６
図ａに示すように、ひずみゲージ１５，１９，１
７，２１が伸び、ひずみゲージ１６，２０、１
８，２２が縮む。そして、これらのひずみゲージ
１５〜１８，１９〜２２は第４図に示すようにブ
リツジを構成してあることから、せん断力すなわ
ち力W₁，W₂に応じたe₁，e₂が出力される。この
とき、変形部感応部１１の表面上は一様なせん断
ひずみを生じる。そのためゲージの貼付け位置に
よる出力の差はない。ただしゲージの向きが45°
からずれると出力が変化するが、そのときでもず
れた角度のコサインで出力するので、数度のずれ
であれば極めて微小な出力変動しか生じない。こ
のようにゲージの貼付け位置の誤差による出力変
化がほとんど生じないため、左右の検出部や多数
の検出器の定格出力をそろえることが容易にでき
る。また、変形感応部１１の表面上が一様なせん
断ひずみとなつているため、ゲージ長の長いひず
みゲージでも使うことができ、使用するひずみゲ
ージの大きさにほとんど制約を受けない。

なお、変形感応部１１，１４を曲げ変形の中立
軸に沿つて配置してあることから、曲げモーメン
トによる変形に伴うひずみはきわめて微小であ
る。さらに、第４図に示すようにブリツジを構成
してあることから、この曲げモーメントによる変
形に際しては同第６図ｂに示すように、ひずみゲ
ージ１５，１９，１８，２２が伸び、ひずみゲー
ジ１７，２１，１６，２０が縮み、したがつて伸
びと縮みがキヤンセルされ、結局、曲げモーメン
トによる変形に伴う信号が出力されることはな
い。換言すれば、曲げモーメントによる変形には
何らかかわりなく、すなわち力W₁，W₂のかかる
場所である作用点の位置の変動に何ら影響される
ことなく、変形感応部１１に平行な特定の一方向
のせん断ひずみ成分のみを検出することができ、
このせん断ひずみ成分に基づいて演算することに
より力W₁，W₂を求めることができる。このよう
に本実施例では、荷重すなわちW₁，W₂のかかる
位置が変動しても検出誤差の小さい安定した検出
値を得ることができ、力W₁，W₂を高精度に検出
することができる。また変形感応部１１，１４は
薄板状に形成してあることから両端の結合部９，
１０に比べて剛性が小さくなり、荷重伝達部全体
の変形が、変形感応部１１，１４に集中し、ひみ
が大となり、十分な検出感度を確保することがで
きる。

なお、ひずみゲージ１５〜１８，１９〜２２か
ら出力された出力電圧e₁，e₂は例えば前述の第５
図に示す装置において処理され、出力電圧e₁に相
応する力W₁、出力電圧e₂に相応する力W₂が求め
られ、また必要ならばCPU３０におけるW₁＋W₂
＝W₃の演算によつて得られる力W₃が求められ、
これらのW₁，W₂、あるいはW₃が演算装置２７
の出力装置３１から表示装置３２に出力され、こ
の表示装置３２において表示される。

また上記実施例にあつては、挿入部材７，８が
挿入される穴５，６を柱状体４の曲げ変形に対す
る中立軸に形成してあることから、この穴５，６
による柱状体４の強度の低下をほとんど無視しう
る程小さく抑えることができる。すなわち、柱状
体４が力を受けたとき、当該柱状体４に生じる最
大応力は通常曲げ応力で現われることから、柱状
体４の強度はこの曲げ応力で評価するのが妥当で
あり、この曲げ応力は一般に柱状体４の直径の３
乗に対応して大きくなる。したがつて、柱状体４
の外径寸法つまり直径が十分に確保されているこ
の第１の実施例にあつては、その曲げ変形に対す
る中立軸に穴５，６が形成されていても、十分な
強度を確保することができる。

またこの実施例にあつては、ひずみゲージ１５
〜１８，１９〜２２が挿入部材７，８の結合部
９，１０あるいは結合部１２，１３によつて柱状
体４の内部に閉塞された状態に配置されることか
ら、柱状体４の外部の異物の当該ひずみゲージ１
５〜１８，１９〜２２への接触を完全に防止する
ことができる。

なお、この実施例にあつては第１図に示すよう
に部材２の図示右方の腕と部材１との間の力の伝
達経路に挿入部材７を設け、部材２の図示左方の
腕と部材１の間の力の伝達経路に挿入部材８を設
け、すなわち挿入部材を伝達経路ごとに設けてあ
るが、これは荷重の作用点の位置が変動すること
を考慮したものであり、荷重の作用点の位置が例
えば柱状体４の中央位置とか、右端から全長の1/
３の位置とかのようにあらかじめ分つている場合
には、上述のように挿入部材を伝達経路ごとに設
けずに、単に１つの伝達経路についてのみ挿入部
材を設けるようにしてもよく、このようにしても
所望の荷重を検出することができる。

第７図はこの実施例に備えられる挿入部材の別
の例を示す斜視図である。

前述した第１，２図に示した挿入部材７，８の
代りに、この第７図に示す挿入部材３３を設ける
こともできる。この第７図に示す挿入部材３３
は、柱状体４に結合される結合部３４，３５を両
端に備え、これらの結合部３４，３５に連設して
該結合部３４，３５の径寸法よりも小さい寸法を
有する固定部３４ａ，３５ａを備え、中央にこれ
らの固定部３４ａ，３５ａに連設され互いに平行
になるように配置される薄肉部３６，３７からな
る変形感応部３８を備えている。なお、薄肉部３
６，３７は角穴３９により形成される。また、４
０は結合部３４に形成され、ひずみゲージに接続
されるリード線が挿通可能な通路である。このよ
うに構成した変形感応部３８を有する挿入部材３
３を備えたものも、薄肉部３６，３７に平行な方
向の剪断力のみを検出することができる。

第８図ａ〜ｅは第７図に示した挿入部材３３の
変形感応部３８を構成する薄肉部の別の例を示す
説明図である。

このような薄肉部は前述の第７図に示すような
平板状の一対の薄肉部、すなわち四角穴を間に挟
むように形成される薄肉部３６，３７に限らず、
第８図ａに示すような角部が曲面状にされた四角
穴を挟んで形成される薄肉部４１、第８図ｂに示
すような八角穴を挟で形成される薄肉部４２、第
８図ｃに示すような丸穴を挟んで形成される薄肉
部４３、第８図ｄに示すようなだ円状の穴を挟ん
で形成される薄肉部４４、第８図ｅに示すような
２つの丸穴とこれらの丸穴を連絡する通路によつ
て構成された穴を挟んで形成される薄肉部４５で
あつてもよい。特に、第８図ｃ，ｄ，ｅに示す穴
によつて形成される薄肉部４３，４４，４５は製
作が容易である。

なお、前述した実施例にあつては信号変換手段
の一例としてひずみゲージを挙げたが、本発明は
これに限らず、信号変換手段を差動変圧器、磁気
センサ、圧電素子等によつて構成することもでき
る。

また、上記では柱状体４を円柱状に形成してあ
るが本発明はこれに限らず、柱状体４は角柱状を
含む各種の形状をとり得る。

〔発明の効果〕

本発明の荷重検出装置は、以上のように構成し
てあることから、曲げ変形に伴つて生じる変形感
応部のひずみを基本的に微小することができると
ともに、荷重の作用点の位置の変動にかかわらず
安定した比較的大きなひずみ拡大率が得られ、ま
た、従来のように曲げ変形によるひずみ成分を荷
重を求める演算に関与させることがなく、したが
つて、荷重の作用点の位置が変動して曲げ変形に
よるひずみの大きさが変化してもその影響を受け
ることなく当該荷重の値を求めることができ、そ
れ故、荷重のかかる位置が変動し得る力の伝達部
材における荷重の検出にあたり検出誤差を小さく
することができ、従来に比べて高い荷重検出精度
が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の荷重検出装置の一実施例を示
す断面部分を含む側面図、第２図はこの実施例に
備えられる挿入部材を示す斜視図、第３図は第１
図に示す荷重検出装置において生じる変形の態様
を例示する説明図、第４図はこの実施例に備えら
れるひずみゲージの結線図、第５図は第１図に示
す荷重検出装置に接続される装置の一例を示すブ
ロツク図、第６図ａ，ｂは第１図に示す荷重検出
装置において生じる変形の基本形態を例示する説
明図で、同第６図ａは剪断力による変形を示す説
明図、第６図ｂは曲げモーメントによる変形を示
す説明図、第７図は第１図に示す実施例に備えら
れる挿入部材の別の例を示す斜視図、第８図ａ〜
ｅは第７図に示す挿入部材の変形感応部を構成す
る薄肉部の別の例を示す説明図である。 ３……荷重検出装置、４……柱状体、５，６，
５０，５３……穴、７，８，３３……挿入部材、
９，１０，１２，１３，３４，３５……結合部、
１１，１４，３８……変形感応部、１５，１６，
１７，１８，１９，２０，２１，２２……ひずみ
ゲージ（信号変換手段）、２３，２４……リード
線、２５ａ，２５ｂ，２６，４０……通路、３
６，３７，４１，４２，４３，４４，４５……薄
肉部、５１，５２……カバー、５４……コネク
タ、５５，５６……ボルト、５７，５８，５９…
…Ｏリング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 力の伝達部材間に配置され、荷重を受ける柱
   状体と、この柱状体の曲げ変形に対する中立軸に
   形成した穴と、この穴に挿入され、両端に上記柱
   状体と結合する結合部を有し、これらの結合部に
   連設して該結合部の寸法よりも小さい寸法を有す
   る固定部を有し、これらの固定部の間に設けられ
   上記柱状体に与えられる荷重に感応して変形して
   ひずみを拡大し、その対称軸を上記中立軸にほぼ
   一致させた変形感応部を有する挿入部材と、この
   挿入部材の上記変形感応部の変形量を信号に変換
   し、上記柱状体のせん断変形によるひずみ成分の
   みを取出す信号変換手段とを備え、上記力の伝達
   部材が上記柱状体に接する部位に設けられる互い
   に対向する端面によつて形成される領域内に上記
   結合部の互いに対向する端面のそれぞれが位置す
   るように、上記挿入部材を配置したことを特徴と
   する荷重検出装置。 ２ 変形感応部が、互いに対向し、柱状体の変形
   方向に関して平行に配置される一対の薄肉部に信
   号変換手段を配置したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の荷重検出装置。 ３ 信号変換手段がひずみゲージであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の荷重検出装
   置。 ４ 結合部はひずみゲージに接続されるリード線
   が挿通可能な通路を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第３項記載の荷重検出装置。 ５ 柱状体はリード線が接続されるコネクタを支
   持する支持部材を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載の荷重検出装置。