JPH0726672Y2 - 荷重検出器 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、物体に作用する荷重（力，モーメント）を検
出する荷重検出器に関する。

〔従来の技術〕

物体に加わる荷重（力，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
能ロボツトにより組立作業や研摩，バリ取り作業を行う
場合、当該ロボツ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荷重検
出器として優れた性能を有するものが、特開昭61−2756
31号により提案されている。以下、図によりその概略構
成を説明する。

第４図は荷重検出器の全体構造の一部破断斜視図、第５
図（ａ）は第４図に示す荷重検出部の斜視図、第５図
（ａ）は第５図（ａ）に示す荷重検出部を矢印Vb方向か
らみた斜視図である。第４図で、１は荷重検出部であ
り、その構造は後述する。Ｅ、Ｆはそれぞれ図で荷重検
出部１の上下にこれと一体に成形されて設けられるフラ
ンジである。例えばこの荷重検出器がロボツトに適用さ
れる場合、フランジＥはロボツトのハンドと、又、フラ
ンジＦはロボツトのアームと結合される。Ｇは荷重検出
器のケースであり、フランジＦに固定される。Ｈはケー
スＧとフランジＥとの間に設けられるピンであり、荷重
検出器に過大な荷重が作用したとき、荷重検出器が破壊
されるのを防止するストツパ機能を有する。１はフラン
ジＥに設けられた取付け用のボルト穴、ＪはフランジＦ
に設けられた取付け用のボルト穴を示す。

次に、荷重検出部１の構造を説明する。第５図（ａ）、
（ｂ）で、X,Y,Zは座標軸を示し、又、A,B,C,Dは立方体
形状の荷重検出部１の各面を示す。２はＸ軸方向に形成
された貫通孔、３はＹ軸方向に形成された貫通孔を示
し、これら貫通孔2,3の形成により当該貫通孔2,3の両端
に薄肉部2f,2f′,3f,3f′が形成され、かつ、各貫通孔
2,3の両側に剛体部10,20,30が形成される。剛体部10、
薄肉部3f,3f′および剛体部20で１つの平行平板構造が
構成され、又、剛体部20、薄肉部2f,2f′および剛体部3
0で他の平行平板構造が構成される。各薄肉部2f,2f′,3
f,3f′の外面の所定個所には多数のひずみゲージＳが貼
着されている。これらひずみゲージＳのそれぞれは、定
められた荷重を検出するものであり、それら荷重はひず
みゲージを表わす符号Ｓに添字として付されている。即
ち、添字ｆは力成分、ｍはモーメント成分、X,Y,Zの座
標軸を示す。なお、添字のうちの数字は同一荷重検出用
のひずみゲージの番号を示す。例えば、ひずみゲージS
_fx1lはＸ軸方向の力成分を検出する11番のひずみゲージ
を示す。

第６図（ａ）〜（ｄ）は第５図に示す２つの平行平板構
造のうちの一方の平行平板構造の斜視図である。第６図
（ａ）は第４図に示す荷重検出器に力F_Xが作用したとき
の薄肉部3f,3f′の変形（ただし、極端に誇張して描い
てある。以下同じ。）、第６図（ｂ）はモーメントM_Zが
作用したときの薄肉部3f,3f′の変形、第６図（ｃ）は
力F_Zが作用したときの薄肉部3f,3f′の変形、第６図
（ｄ）はモーメントM_Yが作用したときの薄肉部3f,3f′
の変形をそれぞれ示す図である。又、力F_Yが作用したと
きは他の平行平板構造の薄肉部2f,2f′に第６図（ａ）
に示す変形と同じ変形が生じ、モーメントM_Xが作用した
ときは他の平行平板構造の薄肉部2f,2f′に第６図
（ｄ）に示す変形と同じ変形が生じる。なお、力F_Z，モ
ーメントM_Zが作用したとき、個の平行平板構造の薄肉部
2f,2f′にも第６図（ｃ）、（ｂ）に示す変形と同一変
形が生じる。

これらの変形に応じて各ひずみゲージにひずみが生じ、
このひずみによりひずみゲージの抵抗値が変化し、対応
するホイートストンブリツジ回路から作用した荷重に比
例した出力が発生し、各荷重を検出することができる。

ここで、力成分F_Z，モーメント成分M_X，M_Yを検出する各
ひずみゲージが各薄肉部の中央部分ではなく端部に貼着
されている理由を第７図に示す変形状態図を参照しなが
ら説明する。今、荷重検出部１に第７図に示すようにＺ
軸方向の力F_Zが作用した場合を考える。力F_Zは、剛体部
10、薄肉部3f,3f′，剛体部20、薄肉部2f,2f′、剛体部
30を通つて伝達され、その伝達過程において各薄肉部2
f,2f′,3f,3f′は変形する。ところで、この薄肉部の変
形は、１つの薄肉部、例えば薄肉部2fについてはどの個
所も同じであると考えられていた。しかしながら、本考
案者らが有限要素法解析（FEM解析）により薄肉部の変
形を詳細に解析したところ、当該変形はその薄肉部全体
に亘つて均一ではないことが見出された。この変形の状
態が第７図に示されるが、特にその変形の特徴が薄肉部
2f′（破線で示されている）の変形に現れている。即
ち、力F_Zが作用したとき、薄肉部2f′においてはその中
央部分より両端部が大きく圧縮変形されている。このよ
うな変形は他の各薄肉部2f,3f,3f′にも同様に生じる。
そして、このような不均一な変形が生じるのは、各剛体
部10,20,30が完全な剛体ではなく、力F_Zが作用したとき
若干の変形が生じるためであると考えられる。

なお、このような不均一の変形は力F_Zが逆方向に作用し
た場合にも生じ（この場合、端部が中央部分より大きな
引張変形を生じる）、又、モーメントM_X，M_Yが作用した
場合も同様に生じる。

上記従来の荷重検出器では、上記解析の結果に鑑み、力
成分F_Z，モーメント成分M_X，M_Yを検出する各ひずみゲー
ジを第５図（ａ）、（ｂ）に示すように薄肉部の端部に
貼着する構成とされている。これにより、同一の力成分
F_Z、モーメント成分M_X，M_Yに対して各ひずみゲージが中
央部分に貼着されている場合より大きなひずみを生じる
ことになり、結局、全体の剛性は何等低下させることな
く検出感度を向上させることができる。このことは、逆
に、検出感度が従来のものと同一であれば剛性を向上さ
せることができることになる。

〔考案が解決しようとする課題〕

第４図に示すように、従来の荷重検出器においては、ケ
ースＧを取付けるためのフランジＦの径が大きくされ、
又、フランジＥの径は小さくなる。さらに、取付の長さ
方向（Ｚ軸方向）の寸法をできるだけ小さくすることが
要望されるが、ピンＨによるストツパ構造を構成する必
要上、フランジＥの厚さは厚くせざるを得ず、このた
め、フランジＦの方の厚さが薄くされている。ところ
で、一般に荷重検出器は、これをロボツト等の構造体に
取付ける以前に０点調整がなされるが、上記従来の荷重
検出器においては、０点調整を行なった後これをフラン
ジE,Fにより外部構造体に取付けたとき、Ｚ軸方向の力
成分を検出するホイートストンブリツジ回路の出力の０
点がずれる、即ちドリフトが生じるという事態が生じて
いた。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
ドリフトを発生することがない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、本考案者等は種々検討を重
ねた結果、上記ドリフトが、フランジＦをボルト締めに
より外部構造に取付けることにより生じる。即ち、例え
ば、第４図において薄肉部2fの端部の両側のボルト穴J,
Jによりボルト締めを行なったとき、フランジＦが薄い
ため、フランジＦが変形して薄肉部2fの端部を平行平板
構造の積層方向へ押上げてこれを変形させ、この変形は
薄肉部2f、2f′の各端部において生じているということ
に想到した。

このため、本考案は、互いに直交させて積層した２つの
平行平板構造より成る荷重検出部と、この荷重検出部と
一体成形され前記平行平板構造の積層方向両側に設けら
れた２つのフランジとで構成される荷重検出器におい
て、前記積層方向に沿う力成分を検出する検出素子群
を、前記各フランジのうち前記積層方向の寸法が大きい
方のフランジ側の平行平板構造に配置したことを特徴と
する。

〔作用〕

荷重検出器を各フランジにより外部構造体に取付けたと
き、平行平板構造の積層方向の寸法が小さいフランジに
変形が生じても、当該フランジに隣接する側の平行平板
構造には、積層方向の力成分を検出する検出素子群は存
在しないので、当該力成分の検出には何等の影響も及ぼ
さない。

〔実施例〕

以下、本考案を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図（ａ）は本考案の実施例に係る荷重検出器の荷重
検出部の斜視図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の矢印1b
方向の斜視図である。図で、第５図（ａ）、（ｂ）に示
す部分と同一部分には同一符号を付して説明を省略す
る。又、各ひずみゲージは、第５図（ａ）、（ｂ）に示
す貼着位置を変えたもののみ図示し、貼着位置に変更の
ないひずみゲージについては図示が省略されている。本
実施例と従来のものとは、従来のものがＺ軸方向の力成
分を検出するためのひずみゲージを、すべて貫通孔２が
存在する平行平板構造に配置したのに対して、本実施例
はそれらをすべて貫通孔３が存在する平行平板構造、即
ち、Ｚ軸方向の寸法が大きいフランジＥと連結されてい
る平行平板構造に配置した点、およびこの配置に伴な
い、第１図（ｂ）に示すようにＸ軸まわりのモーメント
を検出するひずみゲージS_mxl1，S_mxl3を内側にずらした
点で相違するのであり、他の構成は同じである。第１図
（ａ），（ｂ）では、Ｚ軸方向の力成分を検出するひず
みゲージを、新たな番号を付した符号S_fz21〜S_fz28で示
してある。

このように、本実施例では、軸方向の力成分を検出する
ひずみゲージをすべてフランジＥ側の平行平板構造に配
置したので、フランジE,Fのボルト締めにより荷重検出
器が外部構造体に取付けられたとき、これらひずみゲー
ジには何等の影響はなく、Ｚ軸方向の力成分の検出機構
の調整された０点にずれを生じることはない。

第２図はＺ軸方向の力成分F_Zが作用したときの荷重検出
部の側面図である。図で、第１図に示す部分と同一部分
には同一符号が付してある。図は第７図とは異なる側面
をみた図であるが、このような変形を生じる理由はすで
に説明した。しかし、さらにFEM解析を行なった結果、
薄肉部3f、3f′の中央付近に、極く僅かながら伸び変形
が生じる現象が見出された。

第３図はＺ軸方向の力成分を検出するホイートストンブ
リツジ回路の回路図である。図で、S_fz21〜S_fz28は第１
図（ａ）、（ｂ）に示すものと同じひずみゲージ、Ｅは
電源、V_fzは出力電圧を示す。第２図に示す力F_Zが作用
すると、出力電圧V_fzは力F_zに応じた値となる。

〔考案の効果〕

以上述べたように、本考案では、２つの平行平板構造の
積層方向の力成分を検出する検出素子群を、当該積層方
向の寸法が大きい方のフランジ側の平行平板構造に配置
したので、ボルト締結時のドリフトの発生を防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本考案の実施例に係る荷重検出
器の検出部の斜視図、第２図は第１図に示す検出部の側
面図、第３図はホイートストンブリツジ回路の回路図、
第４図は荷重検出器の一部破断斜視図、第５図（ａ），
（ｂ）は従来の検出部の斜視図、第６図（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は検出部の変形を示す斜視図、
第７図は検出部の側面図である。 １……荷重検出部、2f,2f′,3f,3f′……薄肉部、E,F…
…フランジ、Ｇ……ケース、I,J……ボルト穴、S_fz21〜
S_fz28，S_mxl1，S_mxl3……ひずみゲージ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−318934（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−35235（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−275631（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−10137（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに直交させて積層した２つの平行平板
   構造より成る荷重検出部と、この荷重検出部と一体成形
   され前記平行平板構造の積層方向両側に設けられた２つ
   のフランジとで構成される荷重検出器において、前記積
   層方向に沿う力成分を検出する検出素子群を、前記各フ
   ランジのうち前記積層方向の寸法が大きい方のフランジ
   側の平行平板構造に配置したことを特徴とする荷重検出
   器