JP2000227373A - 多軸型力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多軸型力センサにおける小型化を向上する。 【解決手段】 枠２の４辺の互いに対向する内面同士間
を十字状に互いに直交するＸ梁３・Ｙ梁４を設け、Ｘ・
Ｙ梁の枠との支持部にスリット５により分割しかつ各梁
の枠に向かう延出端に直交して一体化される直交梁６ａ
〜６ｄを設け、Ｘ・Ｙ梁をスロットにより左右に分割し
て各一対の平行分割梁３ａ〜３ｄ・４ａ・４ｄを設け
て、直交梁及び平行分割梁に歪みゲージを貼り付ける。 【効果】 直交梁がＸ・Ｙ梁と概ね同じ長さに形成され
ていることから、Ｘ・Ｙ梁がその軸線方向に大きくたわ
み得るため、直交梁に貼り付けた歪みゲージにより検出
し得る軸力の出力ゲインを増大し得ると共に、各平行分
割梁の分割された各面に歪みゲージをそれぞれ貼り付け
ることができるため、各面に貼り付けける歪みゲージを
１枚以下にして、多軸型力センサの小型化を向上し得
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、多軸型力センサに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多軸型力センサとして互いに直交する３
軸（Ｘ・Ｙ・Ｚ）の各軸線方向力（Ｆｘ・Ｆｙ・Ｆｚ）
及び各モーメント（Ｍｘ・Ｍｙ・Ｍｚ）の６軸力を検出
するための６軸力計が知られており、その６軸力計にあ
っては、起歪部の形状が十字ビーム形・平行平板形・歪
みリング形などがある。

【０００３】上記多軸型力センサの起歪部に抵抗線歪み
ゲージを貼り付けて、力に応じた歪発生部の歪みを電気
抵抗変化として検出するようにしたものがある。また、
歪み出力を大きくしかつ相互干渉を小さくするために、
４枚あるいは８枚の歪みゲージを１組としたホイートス
トンブリッジを用いており、そのような６軸力計として
十字ビーム形の一例を図６を参照して以下に示す。

【０００４】図６において、矩形の枠２１の互いに対峙
する各一対の辺同士を連結するように４本の起歪部とし
てのビームが十字状に設けられ、十字の交差部に入力さ
れた力を検出するようにしている。その十字状ビームの
Ｙ軸に沿って延在する２本のビームには、Ｘ軸方向の軸
力Ｆｘ検出用の４枚の歪みゲージ２２ａ・２２ｂ・２２
ｃ・２２ｄと、Ｘ軸回りのモーメントＭｘ検出用の４枚
の歪みゲージ２３ａ・２３ｂ・２３ｃ・２３ｄと、Ｚ軸
回りのモーメントＭｚ検出用の４枚の歪みゲージ２４ａ
・２４ｂ・２４ｃ・２４ｄとがそれぞれ貼り付けられて
いる。なお、他の３力についてはＸ軸に沿って延在する
２本のビームに同様に貼り付ければ良く、図示省略す
る。また、各歪みゲージの配置は任意であり、各４枚の
歪みゲージによりホイートストンブリッジを構成して、
出力を増幅器などで増幅している。

【０００５】例えばＸ梁に沿う軸力Ｆｘは、これに直交
するＹ梁の水平面内の曲げ歪みから検出し、Ｘ軸回りの
モーメントＭｘは、同じくＹ梁の垂直面内の曲げ歪みか
ら検出するようになっている。同様にして、Ｙ梁に沿う
軸力Ｆｙは、Ｘ梁の水平面内の曲げ歪みから検出し、Ｙ
軸回りのモーメントＭｙは、Ｘ梁の垂直面内の曲げ歪み
から検出するようになっている。そしてＺ軸方向の軸力
ＦｚはＸ梁あるいはＹ梁の垂直面内の曲げ歪みから、Ｚ
軸回りのモーメントＭｚはＸ梁あるいはＹ梁の水平面内
の曲げ歪みから、それぞれ検出するようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
示例では４本のビームに最低でも計２４枚の歪みゲージ
を配設する必要があり、１本当たり６枚の歪みゲージを
配設することになる。その場合、取り出す出力の関係か
ら、図に示されるように１本のビームの１面上に２枚の
歪みゲージを配置することになる。通常、１面上に２枚
の歪みゲージを配置する場合には、出力特性を良くする
目的から、それら２枚の歪みゲージをビームの軸線方向
に沿って互いに直列に配設することになり、そのため、
ビームの長さが長くなって、多軸型力センサの小型化を
向上することが困難であるという問題がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決し
て、多軸型力センサにおける小型化を向上することを実
現するために、本発明に於いては、互いに直交する３軸
方向の軸力及びモーメントを同時に又は個別に検出する
べく、枠と、２本の梁を前記枠の中心軸に対して互いに
直交させかつ当該梁の各延出端を前記枠により支持され
た十字梁と、前記十字梁に設けられた歪みゲージとを有
する多軸型力センサであって、前記十字梁の前記枠との
支持部をスリットにより分割して前記十字梁の各梁にそ
れぞれ直交しかつ前記十字梁の各梁と概ね同じ長さに形
成された直交梁を前記十字梁の各梁毎に一体化して設
け、前記直交梁に軸力検出用歪みゲージを貼り付けると
共に、前記十字梁の少なくとも一方の梁に前記中心軸に
沿う向きに開設されたスロットにより左右対称に分割し
た互いに平行な一対の平行分割梁を設け、前記各平行分
割梁にそれぞれ歪みゲージを貼り付けたものとした。

【０００８】これによれば、互いに直交して設けられた
十字梁がそれぞれの軸線方向の軸力によりその軸線方向
に変位した際に、枠との支持部に分割して設けた直交梁
が十字梁の各梁と概ね同じ長さに形成されていることか
ら大きくたわみ得るため、直交梁に貼り付けた歪みゲー
ジにより検出し得る軸力の出力ゲインを増大し得ると共
に、十字梁の少なくとも一方の梁をスロットにより分割
して一対の平行分割梁を設けたことから、各平行分割梁
の分割された各面に歪みゲージをそれぞれ貼り付けるこ
とができるため、歪みゲージを梁の１面に互いに直列に
配置して貼り付けることを回避できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に添付の図面に示された具体
例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明す
る。

【００１０】図１は、本発明に基づき構成された６軸型
力センサの概略構成を示している。この力センサ１は、
弾性材のブロックから削り出して形成されたものであ
り、正方形の枠２と、枠２の４辺の互いに対向する内面
同士間を連結する２本のビームが枠２の中心を貫通する
中心軸にて互いに直交してなる十字梁としてのＸ梁３・
Ｙ梁４とからなる。

【００１１】両梁３・４の枠２に向かう各延出端は、枠
２の辺に沿って延在するスリット５により枠２の各辺の
内側に設けられた各直交梁６ａ・６ｂ・６ｃ・６ｄの中
央部に突き合わせ状態に一体化されている。このよう
に、各梁３・４は、各直交梁６ａ〜６ｄを介して枠２に
支持されていると共に、直交梁６ａ〜６ｄが梁３・４の
長さと概ね同一長さであって薄肉状に形成されているこ
とから、両梁３・４が各軸線方向への変位を許容されて
いる。

【００１２】さらに、Ｘ・Ｙ両梁３・４には、それぞれ
の軸心上に延在しかつ両梁３・４に直交する方向である
枠２の中心軸方向に貫通する長孔形状のスロット１５に
より、各軸心に対して左右対称にかつ互いに平行になる
ように形成された各一対の平行分割梁３ａ・３ｂ・３ｃ
・３ｄと４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄとが設けられている。

【００１３】以下、本力センサ１におけるＸ・Ｙ・Ｚ軸
を、Ｘ梁３の軸線をＸ軸、Ｙ梁４の軸線をＹ軸、Ｘ・Ｙ
両軸の交点を通り両軸に直交する仮想的軸をＺ軸とす
る。そのＺ軸上に荷重を受ける入力ロッド（図示せず）
を挿通しかつ固定するための立方体状のロッド取付部７
が、枠２の中心の両梁３・４の交差部に設けられてい
る。したがって、Ｘ・Ｙ両梁３・４と各直交梁６ａ〜６
ｄとが起歪部となる。

【００１４】そして、本発明により、梁のたわみをを検
出すると共にホイートストンブリッジを構成して出力す
るための各歪みゲージが図２に示されるように貼り付け
られている。なお、図において、図示されない裏面側の
ものについては（）内に示し、ゲージの厚さは配置説明
のために厚くしている。以下に、各梁のたわみに対応さ
せて各ゲージの配置を説明する。

【００１５】上記したようにＸ梁３の軸線方向両端縁と
枠２の対応する辺との間にスリット５が設けられている
と共に、Ｘ梁３の軸線方向両端角部が両腕状の薄肉の直
交梁６ａ〜６ｄにより支持されていることから、Ｘ梁３
は、直交梁６ａ・６ｂのたわみによりＸ軸方向に移動可
能である。

【００１６】このとき、各直交梁６ａ・６ｂは、図３に
示されるように、近似的にＸ梁３と枠２との結合部にお
ける各梁の中心Ｏａ・Ｏｂ・Ｏｃ・Ｏｄを力の作用点と
した両端固定梁となり、各直交梁６ａ・６ｂは、中間に
変曲点をもったたわみを生じる。したがって、図２に示
されるようにＸ軸方向の軸力＋Ｆｘの負荷が加わると、
Ｘ梁３が図のＸ軸の矢印方向に移動し得る。なお、図２
に示すたわみの変形形態は、説明上極端にして示してい
る。

【００１７】上記直交梁６ａ・６ｂのたわみを利用して
軸力Ｆｘを検出するべく、各直交梁６ａ・６ｂのＸ軸方
向に対峙する面には、歪みゲージ８ａ・８ｂ・８ｃ・８
ｄがそれぞれ貼り付けられている。また、各歪みゲージ
８ａ〜８ｄの位置は、変曲点を避けて梁の両端近傍にす
ると良く、表裏面のいずれか一方に統一して配置する。

【００１８】図２に示される場合の軸力＋Ｆｘの求め方
は、上記各歪みゲージ８ａ〜８ｄの出力をそれぞれεａ
・−εｂ・εｃ・−εｄとすると、

【００１９】 ＋Ｆｘ＝（εａ）−（−εｂ）＋（εｃ）−（−εｄ）

【００２０】となり、枠２の中心に対して対称位置に配
置されていれば、（εａ＝εｂ＝εｃ＝εｄ＝ε）であ
るから、（＋Ｆｘ＝４ε）となる。したがって、歪みゲ
ージの出力の４倍の値となって軸力Ｆｘが出力される。

【００２１】なお、他の軸力による負荷が作用したとき
には、各歪みゲージの出力が、各出力の負号により、ブ
リッジ出力としたときに相殺されるため、出力は０とな
る。

【００２２】また、Ｙ軸方向軸力Ｆｙは、Ｙ梁４の両端
に結合された各直交梁６ｃ・６ｄにそれぞれ対応する各
歪みゲージ９ａ・９ｂ・９ｃ・９ｄを貼り付け、各梁の
たわみを検出することにより、上記と同様にして検出し
得る。

【００２３】これにより、十字ビーム形の多軸型力セン
サにおいて、Ｘ・Ｙ両梁３・４に互いに直列に配設して
いた２枚の歪みゲージ（Ｘ／Ｙ軸力用とＭｚ用）を１枚
の歪みゲージ（Ｍｚ用）のみにすることができるため、
Ｘ・Ｙ両梁３・４の軸線方向長さを極力短くすることが
できる。したがって、Ｘ梁３のＹ軸方向に向いたＹ面と
Ｙ梁のＸ軸方向に向いたＸ面とに、それぞれ各１枚のＭ
ｚ用歪みゲージ１０ａ・１０ｂ・１０ｃ・１０ｄが貼り
付けられている。

【００２４】次に、Ｚ軸方向の軸力Ｆｚ・Ｘ軸回りのモ
ーメントであるＸ軸モーメントＭｘ・Ｙ軸回りのモーメ
ントであるＹ軸モーメントＭｙの各出力値の求め方につ
いて、以下に示す。これらの力に対しては、Ｘ・Ｙ両梁
３・４にあっては、上記各梁の中心（上記Ｏａ・Ｏｂ・
Ｏｃ・Ｏｄに対応）を概ね自由端としてみなすことがで
きる。

【００２５】軸力Ｆｚの負荷を掛けたときにはＸ・Ｙ両
梁３・４の図３に示すＺ面が、Ｘ軸モーメントＭｘの負
荷を掛けたときにはＹ梁の図４に示すＺ面が、Ｙ軸モー
メントＭｙの負荷を掛けたときにはＸ梁のＺ面が、それ
ぞれの場合における曲げによる引っ張りや圧縮の変形を
起こすため、Ｘ梁の上記Ｚ面に歪みゲージ１１ａ・１１
ｂ・１１ｃ・１１ｄ及び１４ａ・１４ｂ・１４ｃ・１４
ｄを配設し、Ｙ梁の上記Ｚ面に歪みゲージ１２ａ・１２
ｂ・１２ｃ・１２ｄ及び１３ａ・１３ｂ・１３ｃ・１３
ｄを配設する。

【００２６】なお、前記したようにＸ・Ｙ両梁３・４共
それぞれ互いに平行する各一対の平行分割梁３ａ〜３ｄ
・４ａ〜４ｄを有しており、Ｘ梁３には上記各歪みゲー
ジ１１ａ〜１１ｄ及び１４ａ〜１４ｄがそれぞれスロッ
ト１５を挟んで左右にかつＺ面の表裏にそれぞれ配設さ
れ、Ｙ梁４には上記各歪みゲージ１２ａ〜１２ｄ及び１
３ａ〜１３ｄが同様にそれぞれスロット１５を挟んで左
右にかつＺ面の表裏にそれぞれ配設されている。したが
って、歪みゲージ貼り付け用のＺ面は計１６面あり、ま
た、定格負荷に対して出力を４倍に、他の負荷に対して
は出力を相殺させるように歪みゲージのレイアウトを決
めることで、Ｚ面の各１面にひずみゲージを１枚以下に
した配置が可能になる。

【００２７】このようにすることにより、Ｘ・Ｙ両梁３
・４の各軸（Ｘ軸・Ｙ軸）に平行に各歪みゲージを分配
して配置でき、１面に互いに直列に２枚の歪みゲージを
配置する必要がなくなる。それにより、Ｘ・Ｙ両梁３・
４の軸線方向長さを短くすることができ、多軸型力セン
サを極力小型化し得る。なお、本図示例にあっては、軸
力Ｆｚ用にはゲージ１１ａ〜１１ｄ及び１２ａ〜１２ｄ
が用いられるが、ゲージ１２ａ〜１２ｄは必須ではな
い。また、Ｚ軸モーメントＭｚ用にはゲージ１０ａ〜１
０ｄが用いられ、Ｘ軸モーメントＭｘ用にはゲージ１３
ａ〜１３ｄが用いられ、Ｙ軸用モーメントＭｙにはゲー
ジ１４ａ〜１４ｄが用いられる。

【００２８】なお、本実施の形態にあっては、Ｘ・Ｙ両
梁３・４共それぞれ分割したが、このようにすることに
より、Ｘ軸モーメントＭｘ・Ｙ軸モーメントＭｙ・Ｚ軸
方向の軸力Ｆｚに対する出力を増大することができる
が、本発明によれば、少なくともいずれか一方が分割さ
れていれば良い。

【００２９】

【発明の効果】このように本発明によれば、枠との支持
部に分割して設けた直交梁が十字梁（Ｘ梁・Ｙ梁）の各
梁と概ね同じ長さに形成されていることから、十字梁が
その軸線方向に大きくたわみ得るため、直交梁に貼り付
けた歪みゲージにより検出し得る軸力の出力ゲインを増
大し得ると共に、十字梁の少なくとも一方の梁をスロッ
トにより分割して一対の平行分割梁を設けたことから、
各平行分割梁の分割された各面に歪みゲージをそれぞれ
貼り付けることができるため、各面に貼り付けける歪み
ゲージを１枚以下にすることができる。したがって、十
字梁の軸線方向長さを極力短くすることができ、多軸型
力センサの小型化を向上し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による６軸型力検出器の概略構成を示す
斜視図。

【図２】歪みゲージの配置を示す平面図。

【図３】軸力Ｆｘによる変形を誇張して示す図２に対応
する図。

【図４】軸力Ｆｚによる変形を誇張して示す図２の矢印
IV−IV線に沿って見た断面図。

【図５】モーメントＭｙによる変形を誇張して示す図４
と同様の図。

【図６】従来の６軸型力検出器の概略構成を示す斜視
図。

【符号の説明】

１ 力センサ ２ 枠 ３ Ｘ梁 ４ Ｙ梁 ５ スリット ６ａ・６ｂ・６ｃ・６ｄ 直交梁 ７ ロッド取付部 ８ａ・８ｂ・８ｃ・８ｄ 軸力Ｆｘ検出用歪みゲージ ９ａ・９ｂ・９ｃ・９ｄ 軸力Ｆｙ検出用歪みゲージ １０ａ・１０ｂ・１０ｃ・１０ｄ 歪みゲージ １１ａ・１１ｂ・１１ｃ・１１ｄ 歪みゲージ １２ａ・１２ｂ・１２ｃ・１２ｄ 歪みゲージ １３ａ・１３ｂ・１３ｃ・１３ｄ 歪みゲージ １４ａ・１４ｂ・１４ｃ・１４ｄ 歪みゲージ １５ スロット ２２ａ・２２ｂ・２２ｃ・２２ｄ 軸力Ｆｘ検出用歪み
ゲージ ２３ａ・２３ｂ・２３ｃ・２３ｄ モーメントＭｘ検出
用歪みゲージ ２４ａ・２４ｂ・２４ｃ・２４ｄ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに直交する３軸方向の軸力及びモー
   メントを同時に又は個別に検出するべく、枠と、２本の
   梁を前記枠の中心軸に対して互いに直交させかつ当該梁
   の各延出端を前記枠により支持された十字梁と、前記十
   字梁に設けられた歪みゲージとを有する多軸型力センサ
   であって、 前記十字梁の前記枠との支持部をスリットにより分割し
   て前記十字梁の各梁にそれぞれ直交しかつ前記十字梁の
   各梁と概ね同じ長さに形成された直交梁を前記十字梁の
   各梁毎に一体化して設け、前記直交梁に軸力検出用歪み
   ゲージを貼り付けると共に、 前記十字梁の少なくとも一方の梁に前記中心軸に沿う向
   きに開設されたスロットにより左右対称に分割した互い
   に平行な一対の平行分割梁を設け、前記各平行分割梁に
   それぞれ歪みゲージを貼り付けたことを特徴とする多軸
   型力センサ。