JPH1164126A - 力検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フレクシャを用いることなく、切削加工が簡
単で小型化ができる。 【構成】 起歪体１１は金属ブロックを基に角柱状に切
削されている。起歪体１１の一端は力受部となる自由端
１２とされ、他端は固定端１３とされていてフレーム１
４に取り付けられている。起歪体１１の中間部の長手方
向に沿って距離Ｌだけ離れた２個所のＡ点、Ｂ点には、
上下左右の側面にひずみゲージ１５ａ、１５ｂが貼付さ
れている。なお、上下面のひずみゲージ１５は自由端に
上下方向から加わる力を検出するためのものであり、左
右面のひずみゲージ１５は左右方向から加わる力を検出
するためのものである。ここで、自由端１２に上方から
力Ｆを加えると、起歪体１１は変形し、Ａ点、Ｂ点には
反時計廻りのモーメントが発生し、上下２組のひずみゲ
ージ１５ａ、１５ｂから出力が得られ、これらの出力を
差分することにより力Ｆを検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、力を測定するため
の新規な構造を有する力検出器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】荷重を測定する１つの方法としてロード
セルが使用されているが、荷重を測定する場合等には、
ロードセルは方形の金属ブロックから一体的に削り出す
ことが多い。例えば、図７に示すように板体状の金属ブ
ロック１に対し切削、切込みを行い、中央部に略ひょう
たん形の剥抜部２を設けてフレクシャ３を備えたロバー
バル機構を有する測定部４を形成し、ロバーバル機構の
フレクシャ３にひずみゲージ５を貼り付け、ロードセル
として荷重Ｆを測定している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの場合
に、略ひょうたん形の剥抜部２を形成するのは極めて厄
介であり、加工時間も掛かりコスト高となる。また、フ
レクシャ３の厚みは側面からノギスを挿し込んでしか測
定できず、測定精度に影響を与えるフレクシャ３の厚み
管理が不充分になり易いという問題点もある。更には、
ひずみゲージ５のフレクシャ３への貼り付けの際には、
ひずみゲージ５を隙間から挿し込んで行わなければなら
ず、完成後もその貼り付け状態を詳細に確認することは
容易ではない。

【０００４】また、ロードセルの力受部に荷重受部を固
定する際に、フレクシャ３にねじりモーメントがかかり
易く、破損しないように注意して取り付けなければなら
ない。

【０００５】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
フレクシャを用いることがなく、加工が容易で小型化で
き剛性が高い力検出器を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る力検出器は、一端を力受部の自由端とし
他端を固定端とする金属柱の前記力受部と固定端の間の
長手方向の異なる位置にひずみゲージを貼付し、前記力
受部に加わる力による前記ひずみゲージ同士の出力の差
分を求めることにより、前記力を検出することを特徴と
する。

【０００７】また、本発明に係る力検出器は、一端を力
受部の自由端とし他端を固定端とする金属柱の外側に力
受体となる筒部を離隔的に配置し、該筒部の端部を前記
力受部に接続し、前記力受部と固定端の間の長手方向の
異なる位置にひずみゲージを貼付し、前記力受体に加わ
る力による前記ひずみゲージ同士の出力の差分を求める
ことにより、前記力を検出することを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明を図１〜図６に図示の実施
例に基づいて詳細に説明する。図１は第１の実施例の力
検出器の側面図、図２は正面図であり、起歪体１１は例
えば鋼、アルミニウムなどの金属ブロックを基に角柱状
に切削されている。起歪体１１の一端は力受部となる自
由端１２とされ、他端は固定端１３とされていてフレー
ム１４に固定されている。起歪体１１の中間部の長手方
向に沿って距離Ｌだけ離れた２個所のＡ点、Ｂ点には、
上下左右の側面にひずみゲージ１５ａ、１５ｂが貼付さ
れており、これらの出力は図示しないブリッジ回路に接
続されている。なお、上下面のひずみゲージ１５は自由
端に上下方向から加わる力を検出するためのものであ
り、左右面のひずみゲージ１５は左右方向から加わる力
を検出するためのものである。

【０００９】ここで、自由端１２に上方から力Ｆを加え
ると、起歪体１１は変形し、Ａ点、Ｂ点には反時計廻り
のモーメントが発生し、上下２組のひずみゲージ１５
ａ、１５ｂから出力が得られ、これらの出力を差分する
ことにより力Ｆを検出することができる。

【００１０】この原理を次に説明すると、図１において
力Ｆが起歪体１１の自由端１２のＣ点に加わるとき、Ａ
点とＣ点間の距離をＬａとすると、Ａ点における曲げモ
ーメントＭａは、Ｍａ＝Ｆ・Ｌａとなる。

【００１１】また、断面係数をＺとすると、Ａ点におけ
る応力は、σａ＝Ｍａ／Ｚ＝Ｆ・Ｌａ／Ｚとなる。

【００１２】更に、起歪体１１の材料の縦弾性係数をＥ
とすると、ひずみゲージ１５ａによるひずみ量εａはε
ａ＝σａ／Ｅ＝Ｆ・Ｌａ／（Ｅ・Ｚ）となる。

【００１３】同様に、Ｂ点においてＢ点とＣ点間の距離
をＬｂとすると、Ｂ点での曲げモーメントＭｂ、応力σ
ｂ、ひずみゲージ１５ｂによるひずみ量εｂは、それぞ
れ次の通りとなる。 Ｍｂ＝Ｆ・Ｌｂ σｂ＝Ｆ・Ｌｂ／Ｚ εｂ＝Ｆ・Ｌｂ／（Ｅ・Ｚ）

【００１４】ここで、Ａ点、Ｂ点の曲げモーメントＭの
差分を求めると、 Ｍａ−Ｍｂ＝Ｆ・Ｌａ−Ｆ・Ｌｂ＝Ｆ（Ｌａ−Ｌｂ）＝
Ｆ・Ｌ が得られ、同様にして応力σの差分は、 σａ−σｂ＝Ｍａ／Ｚ−Ｍｂ／Ｚ＝（Ｍａ−Ｍｂ）／Ｚ
＝Ｆ・Ｌ／Ｚ となり、２組のひずみゲージ１５ａ、１５ｂで得られた
ひずみ量εの差分は、次式となる。 εａ−εｂ＝σａ／Ｅ−σｂ／Ｅ＝（σａ−σｂ）／Ｅ
＝Ｆ・Ｌ／（Ｅ・Ｚ）

【００１５】従って、検出すべき力Ｆは、 Ｆ＝（εａ−εｂ)(Ｅ・Ｚ）／Ｌ …(1) となり、仮にＣ点が移動し距離Ｌａ、Ｌｂが変化して
も、Ｌａ−Ｌｂ＝Ｌ及びＥ、Ｚは一定であるから、２個
所のひずみゲージ１５ａ、１５ｂの出力の差分から、
(1) 式のように力Ｆを求めることができる。また、力Ｆ
が自由端１２に分散して加えられても、(1) 式が適用さ
れ、力Ｆは合成力として検出される。

【００１６】なお、この場合に上方から力Ｆが加えられ
ると、上面のひずみゲージ１５は引き伸ばされ、下面の
ひずみゲージ１５は圧縮されるので、差分は上面のひず
みゲージ１５同士、及び下面のひずみゲージ１５同士の
出力の差分を求めてから、これらの差分を合成するよう
にブリッジ回路を構成すればよい。

【００１７】また、ひずみゲージ１５は上下両面に設け
なくとも、上面又は下面のみに貼付し差分を求めるよう
にしても支障はない。

【００１８】左右方向から起歪体１１に対して加わる力
Ｆについても、同様に検出が可能である。更に、力Ｆが
上下、左右の中間の斜め方向から加えられた場合には、
上下、左右でそれぞれ検出された力の分力から加えられ
た力の方向、大きさを求めることができる。

【００１９】また、起歪体１１は全長に渡って曲げ剛
性、ねじり剛性とも一定であるから、発生する応力は集
中応力を生じない一様な応力変化を示すことになる。

【００２０】図３は第２の実施例の断面図を示し、角柱
状の起歪体１１の外側に円筒状の力受体１６が離隔的に
設けられ、起歪体１１とは自由端１２において力受体１
６のフランジ部１７を介して連結されている。歪ゲージ
１５は第１の実施例と同様に起歪体１１のＡ点、Ｂ点に
貼付されている。この第２の実施例は、例えば操縦桿等
に加わる力を、握力を相殺して検出する場合などに好適
に使用することができる。

【００２１】この場合に、力受体１６上の任意の個所に
力Ｆが加わっても、その位置に拘わらず正確に力Ｆを測
定することができる。

【００２２】この原理を次に説明すると、図４において
力ＦがＢ点よりも先端側で力受体１６に上方から加えら
れた場合には、Ａ点、Ｂ点には反時計曲りのモーメント
が発生する。Ａ点とＤ点間の距離をＬａ’とすると、Ａ
点での曲げモーメントＭａは、Ｍａ＝Ｆ・Ｌａ’とな
る。

【００２３】また、断面係数をＺとすると、Ａ点におけ
る応力は、σａ＝Ｍａ／Ｚ＝Ｆ・Ｌａ’／Ｚとなる。

【００２４】更に、起歪体１１の材料の縦弾性係数をＥ
とすると、ひずみゲージ１５ａによるひずみ量εａはε
ａ＝σａ／Ｅ＝Ｆ・Ｌａ’／（Ｅ・Ｚ）となる。

【００２５】同様に、Ｂ点においてＢ点とＤ点間の距離
をＬｂ’とすると、曲げモーメントＭｂ、応力σｂ、ひ
ずみゲージ１５ｂによるひずみ量εｂはそれぞれ次の通
りとなる。 Ｍｂ＝Ｆ・Ｌｂ’ σｂ＝Ｆ・Ｌｂ’／Ｚ εｂ＝Ｆ・Ｌｂ’／（Ｅ・Ｚ） ここで、Ａ点、Ｂ点の曲げモーメントＭの差分を求める
と、 Ｍａ−Ｍｂ＝Ｆ・Ｌａ’−Ｆ・Ｌｂ’＝Ｆ（Ｌａ’−Ｌ
ｂ’）＝Ｆ・Ｌ が得られ、同様にして応力σの差分は、 σａ−σｂ＝Ｍａ／Ｚ−Ｍｂ／Ｚ＝Ｆ・Ｌ／Ｚ となり、２組のひずみゲージ１５ａ、１５ｂで得られる
ひずみ量εの差分は、次式となる。 εａ−εｂ＝σａ／Ｅ−σｂ／Ｅ＝Ｆ・Ｌ／（Ｅ・Ｚ）

【００２６】従って、力Ｆは、 Ｆ＝（εａ−εｂ)(Ｅ・Ｚ）／Ｌ …(2) となり、得られるひずみゲージ１５ａ、１５ｂの出力の
差分から、Ｄ点の位置に拘わらず、第１の実施例と同様
にして力Ｆを求めることができる。

【００２７】また、図５に示すように、力ＦがＡ点とＢ
点の中間のＤ点で力受体１６に加えられると、Ａ点に対
しては反時計廻りの曲げモーメント、Ｂ点に対しては時
計廻りの曲げモーメントが発生する。Ａ点と力Ｆが加え
られるＤ点との距離をＬａ”、Ｂ点とＤ点の距離をＬ
ｂ”とすると、Ａ点とＢ点間の距離Ｌは、Ｌ＝Ｌａ”＋
Ｌｂ”となる。

【００２８】Ａ点の曲げモーメントＭａはＭａ＝Ｆ・Ｌ
ａ”であり、その応力はσａはσａ＝Ｆ・Ｌａ”／Ｚと
なり、ひずみ量εａはεａ＝Ｆ・Ｌａ”／（Ｅ・Ｚ）と
なる。

【００２９】Ｂ点においては、曲げモーメントＭａ、応
力σｂ、ひずみ量εｂはそれぞれ、次式の通りとなる。 Ｍｂ＝−Ｆ・Ｌｂ” σｂ＝−Ｆ・Ｌｂ”／Ｚ εｂ＝−Ｆ・Ｌｂ”／（Ｅ・Ｚ）

【００３０】ここで、Ａ点とＢ点の曲げモーメントＭの
差分は、 Ｍａ−Ｍｂ＝Ｆ・Ｌａ”−（−Ｆ・Ｌｂ”）＝Ｆ（Ｌ
ａ”＋Ｌｂ”）＝Ｆ・Ｌ となり、同様にして応力σの差分は、 σａ−σｂ＝Ｍａ／Ｚ−Ｍｂ／Ｚ＝Ｆ・Ｌ／Ｚ となり、ひずみ量εの差分は次式となる。 εａ−εｂ＝σａ／Ｅ−σｂ／Ｅ＝Ｆ・Ｌ／（Ｅ・Ｚ）

【００３１】従って、 Ｆ＝（εａ−εｂ)(Ｅ・Ｚ）／Ｌ …(3) が得られる。このように、力Ｆが加えられるＤ点がこの
範囲で移動しても、Ｌａ”＋Ｌｂ”＝Ｌは一定であるか
ら、力Ｆを求めることができる。

【００３２】更に、図６に示すように、力ＦがＡ点より
も後方のＤ点で力受体１６に加えられると、Ａ点、Ｂ点
には共に時計廻りの曲げモーメントが発生する。

【００３３】Ａ点と力Ｆが加えられる点Ｄとの距離をＬ
ａ"'、Ｂ点とＤ点との距離をＬｂ"'とすると、Ａ点とＢ
点との距離ＬはＬ＝Ｌｂ"'−Ｌａ"'となる。

【００３４】Ａ点の曲げモーメントＭａ、応力σａ、ひ
ずみ量εａはそれぞれ、次の通りとなる。 Ｍａ＝−Ｆ・Ｌａ"' σａ＝−Ｆ・Ｌａ"'／Ｚ εａ＝−Ｆ・Ｌｂ"'／（Ｅ・Ｚ）

【００３５】同様に、Ｂ点における曲げモーメントＭ
ｂ、応力σｂ、ひずみ量εｂはそれぞれ、次の通りとな
る。 Ｍｂ＝−Ｆ・Ｌｂ"' σｂ＝−Ｆ・Ｌｂ"'／Ｚ εｂ＝−Ｆ・Ｌｂ"'／（Ｅ・Ｚ）

【００３６】Ａ点とＢ点の曲げモーメントＭの差分は、 Ｍａ−Ｍｂ＝−Ｆ・Ｌａ"'−（−Ｆ・Ｌｂ"'）＝Ｆ（Ｌ
ｂ"'−Ｌａ"'）＝Ｆ・Ｌ となり、同様にして応力σの差分は、 σａ−σｂ＝Ｍａ／Ｚ−Ｍｂ／Ｚ＝Ｆ・Ｌ／Ｚ となり、ひずみ量εの差分は、 εａ−εｂ＝σａ／Ｅ−σｂ／Ｅ＝Ｆ・Ｌ／（Ｅ・Ｚ）

【００３７】従って、 Ｆ＝（εａ−εｂ)(Ｅ・Ｚ）／Ｌ …(4) となり、力Ｆが加わるＤ点がこの範囲で移動してもその
位置に関係なく、力Ｆを正確に求めることができる。

【００３８】このように、第２の実施例においては、式
(2) 〜(4) は全く同一であり、力Ｆが力受体１６の何れ
の個所に加えられても、同様に検出が可能である。ま
た、力Ｆが分散して力受体１５に加えられても、これら
の力には合成力として検出することができる。

【００３９】なお、実施例では起歪体の断面形状を角柱
状としたが、丸柱状とすることもできる。ただし、この
場合にはひずみゲージの貼付個所は平坦に研削すること
が好ましい。また、力受体１６は円筒形ではなく、角筒
形であっても支障はない。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る力検出
器は、起歪体の加工が容易となり、フレクシャのために
内部を剥り抜く必要もないため剛性を高めることができ
る。

【００４１】また、本発明に係る力検出器は、起歪体の
外側に、離隔的に力受体を配置し、この力受体に加わる
力を検出するようにすることにより、例えば握持して操
作するなどの対象物に加わる力を握力と無関係に検出す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の側面図である。

【図２】正面図である。

【図３】第２の実施例の断面図である。

【図４】検出原理図である。

【図５】検出原理図である。

【図６】検出原理図である。

【図７】従来例の側面図である。

【符号の説明】

１１ 起歪体 １２ 自由端 １４ 固定端 １５ ひずみゲージ １６ 力受体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端を力受部の自由端とし他端を固定端
   とする金属柱の前記力受部と固定端の間の長手方向の異
   なる位置にひずみゲージを貼付し、前記力受部に加わる
   力による前記ひずみゲージ同士の出力の差分を求めるこ
   とにより、前記力を検出することを特徴とする力検出
   器。
2. 【請求項２】 前記金属柱は角柱とした請求項１に記載
   の力検出器。
3. 【請求項３】 一端を力受部の自由端とし他端を固定端
   とする金属柱の外側に力受体となる筒部を離隔的に配置
   し、該筒部の端部を前記力受部に接続し、前記力受部と
   固定端の間の長手方向の異なる位置にひずみゲージを貼
   付し、前記力受体に加わる力による前記ひずみゲージ同
   士の出力の差分を求めることにより、前記力を検出する
   ことを特徴とする力検出器。
4. 【請求項４】 前記筒部は円筒状とした請求項３に記載
   の力検出器。