JP2001013017A - Load detector - Google Patents

Load detector

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JP2001013017A
JP2001013017A JP18099099A JP18099099A JP2001013017A JP 2001013017 A JP2001013017 A JP 2001013017A JP 18099099 A JP18099099 A JP 18099099A JP 18099099 A JP18099099 A JP 18099099A JP 2001013017 A JP2001013017 A JP 2001013017A
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JP
Japan
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load
force
detecting
deformation
load detector
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JP18099099A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshihiro Ueno
善弘 上野
Masaru Nakakita
勝 中北
Koji Taniguchi
康二 谷口
Kaoru Matsuoka
薫 松岡
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Measurement Of Force In General (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To miniaturize a cell block, and to simultaneously achieve superior time and load resolution in a load detector for detecting the amount of deformation of the cell block being elastically deformed according to an applied load for detecting the load. SOLUTION: In the load detector that is equipped with active strain gauges (a) to (d) that detect the amount of deformation of a rectangular parallelpiped block 11 as a cell block, Wheatstone bridge circuits A to D that output the detected amount of deformation as voltage, and a calculation processing part 5 that uses an output value corresponding to the amount of deformation for calculating and for detecting force or moment as a load, the calculation processing part 5 has at least two computing equations using at least two output values for detecting the force or moment, and at the same time shares at least one output value in each computing equation for simultaneously detecting at least bi-directional force or moment, thus eliminating the need for increasing a detection element according to the increase of the direction constituent of the load to be detected.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は荷重検出器に関し、
作用した荷重に応じて弾性変形するセルブロックの変形
量を検出することで荷重を検出する荷重検出器に関す
る。
The present invention relates to a load detector,
The present invention relates to a load detector that detects a load by detecting a deformation amount of a cell block that elastically deforms according to an applied load.

【0002】[0002]

【従来の技術】物体に作用する荷重を検出することは多
くの産業分野において不可欠であり、2方向以上の荷重
(力あるいはモーメント)を検出する荷重検出器は数多
く提案されている。荷重検出器の多くは、荷重検出器に
設けられた弾性部の変形量から、荷重検出器に作用した
荷重を求めるように構成されている。弾性部の変形量を
検出する手段としては、ひずみゲージ(電気抵抗ひずみ
ゲージ)を用いる方法が一般的であり、例えば特公平7
−85039号公報等に開示されている。特公平7−8
5039号公報では、3軸方向の力および3軸回りのモ
ーメントを検出可能な荷重検出器が提案されており、測
定側フランジと固定側フランジとを放射状平板および平
行平板で連結し、これらの平板で形成された弾性部の所
定位置にひずみゲージを貼着し、各荷重のそれぞれはひ
ずみゲージを4枚用いてホイートストンブリッジ回路を
構成することで検出を行うことが記載されている。
2. Description of the Related Art Detecting a load acting on an object is indispensable in many industrial fields, and many load detectors for detecting a load (force or moment) in two or more directions have been proposed. Many of the load detectors are configured to determine the load applied to the load detector from the amount of deformation of the elastic portion provided on the load detector. As a means for detecting the amount of deformation of the elastic portion, a method using a strain gauge (electric resistance strain gauge) is generally used.
-85039 and the like. Tokuhei 7-8
Japanese Patent No. 5039 proposes a load detector capable of detecting a force in three axial directions and a moment about three axes. The load detector and the fixed flange are connected by a radial flat plate and a parallel flat plate. It describes that a strain gauge is attached to a predetermined position of the elastic part formed by the above, and that each load is detected by forming a Wheatstone bridge circuit using four strain gauges.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、ひずみゲー
ジを用いた荷重検出器は通常、上記のように弾性部に貼
着されたひずみゲージを4枚用いてホイートストンブリ
ッジ回路を構成しており、荷重検出器に荷重が作用した
時に弾性部が変形してひずみゲージの抵抗値が変化し、
ホイートストンブリッジ回路の平衝状態が崩れることを
利用して、作用した荷重に比例した出力電圧をホイート
ストンブリッジ回路から得るようにしている。
By the way, a load detector using a strain gauge usually comprises a Wheatstone bridge circuit using four strain gauges attached to the elastic part as described above. When a load is applied to the detector, the elastic part is deformed and the resistance value of the strain gauge changes.
By utilizing the fact that the equilibrium state of the Wheatstone bridge circuit is broken, an output voltage proportional to the applied load is obtained from the Wheatstone bridge circuit.

【0004】しかしながら、上記したような荷重検出器
では、ひずみゲージはそれぞれ1方向の荷重を検出する
ためだけに用いられており、2方向以上の荷重を検出す
るためには、検出すべき荷重の方向成分の増加数に応じ
てひずみゲージ貼着枚数を増やす必要がある。そのた
め、検出すべき荷重の方向成分が増加すると、必然的に
弾性部を大きくしなければならない。しかるに弾性部が
大きくなると、荷重検出器の共振周波数が低下し、時間
分解能が低くなってしまう。時間分解能を下げないため
には、弾性部の弾性率を小さくする必要があり、荷重分
解能が低下してしまう、というように高い時間分解能と
荷重分解能との両立は困難であった。
However, in the above-described load detectors, the strain gauges are used only for detecting loads in one direction, and in order to detect loads in two or more directions, a load to be detected is required. It is necessary to increase the number of strain gauges attached according to the increase in the number of direction components. Therefore, when the directional component of the load to be detected increases, the elastic portion must necessarily be enlarged. However, when the elastic portion becomes large, the resonance frequency of the load detector decreases, and the time resolution decreases. In order not to lower the time resolution, it is necessary to reduce the elastic modulus of the elastic portion, and it is difficult to achieve both a high time resolution and a high load resolution.

【0005】一方、荷重検出器に作用する力の合力を測
定するためには、各軸方向の分力として検出された力を
内積する必要がある。ところが、検出素子としてひずみ
ゲージを用いた荷重検出器では、ひずみゲージが本来、
合力の作用としての物体の変形量を検出しているにもか
かわらず、ホイートストンブリッジ回路を4つのひずみ
ゲージで構成し、他軸方向の力の作用をキャンセルする
機構を設けて、1つの軸方向の分力のみ検出するように
しており、荷重検出器に作用する合力の検出精度が低く
なっていた。
On the other hand, in order to measure the resultant force of the forces acting on the load detector, it is necessary to inner product the forces detected as the component force in each axial direction. However, in a load detector using a strain gauge as a detecting element, the strain gauge is originally
Despite detecting the amount of deformation of the object as the effect of the resultant force, the Wheatstone bridge circuit is composed of four strain gauges, and a mechanism is provided to cancel the effect of the force in the other axial direction. Only the component force is detected, and the detection accuracy of the resultant force acting on the load detector is low.

【0006】本発明はこのような不都合に鑑みて創案さ
れたものであって、弾性部の小型化が可能であり、高い
時間分解能と荷重分解能の両立を可能とした荷重検出器
の提供を目的としている。また、高精度で合力を検出す
ることを可能とした荷重検出器の提供を目的としてい
る。
The present invention has been made in view of such inconvenience, and an object of the present invention is to provide a load detector capable of reducing the size of an elastic portion and achieving both high time resolution and load resolution. And Another object of the present invention is to provide a load detector capable of detecting a resultant force with high accuracy.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明に係る荷重検出器
は、上記目的を達成するために、計算処理部に、少なく
とも2つの検出素子で検出された変形量に対応する出力
値を用いて力あるいはモーメントを検出する演算式を少
なくとも2つ保有させるとともに、各演算式に少なくと
も1つの検出素子で検出された変形量に対応する出力値
を共用させて、少なくとも2方向の力あるいはモーメン
トを同時検出するように構成した。このことにより、検
出すべき荷重の方向成分の増加に応じて検出素子を増や
す必要がなくなり、検出素子を設けるセルブロックを小
型化することができ、荷重検出部に、高い共振周波数と
高い弾性率の両者を付与できる。したがって、荷重検出
器に作用する2方向以上の荷重成分を高い時間分解能と
荷重分解能とをもって同時検出することができる。
In order to achieve the above object, a load detector according to the present invention uses, in a calculation processing section, an output value corresponding to a deformation amount detected by at least two detection elements. At least two arithmetic expressions for detecting forces or moments are held, and each arithmetic expression is made to share an output value corresponding to the amount of deformation detected by at least one detecting element, so that forces or moments in at least two directions are simultaneously obtained. It was configured to detect. This eliminates the need to increase the number of detection elements in accordance with an increase in the directional component of the load to be detected, and makes it possible to reduce the size of the cell block provided with the detection elements. Can be provided. Therefore, it is possible to simultaneously detect load components acting on the load detector in two or more directions with high time resolution and load resolution.

【0008】あるいは、計算処理部に、少なくとも2つ
の検出素子で検出された変形量に対応する出力値を用い
て力をベクトル値として検出するベクトル演算式を保有
させるようにした。このことにより、荷重検出器の構成
を容易にすることができ、かつ高精度で合力を検出する
ことができる。
Alternatively, the calculation processing unit has a vector operation expression for detecting a force as a vector value using an output value corresponding to the amount of deformation detected by at least two detection elements. Thus, the configuration of the load detector can be simplified, and the resultant can be detected with high accuracy.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】請求項1記載の発明は、作用した
荷重に応じて弾性変形するセルブロックの変形量を検出
して前記荷重を検出する荷重検出器において、セルブロ
ックの変形量を検出する複数の検出素子と、各検出素子
で検出された変形量をそれぞれ電気信号として出力する
出力回路と、前記出力回路による出力値を用いて演算す
ることで荷重としての力あるいはモーメントを検出する
計算処理部とを具備し、前記計算処理部は、少なくとも
2つの前記出力値を用いて力あるいはモーメントを検出
する演算式を少なくとも2つ保有するとともに、各演算
式に少なくとも1つの前記出力値を共用して、少なくと
も2方向の力あるいはモーメントを同時検出可能に構成
したものである。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view of a load detector for detecting the amount of deformation of a cell block which elastically deforms in response to an applied load; A plurality of detecting elements, an output circuit for outputting the amount of deformation detected by each detecting element as an electric signal, and a calculation for detecting a force or moment as a load by calculating using an output value from the output circuit. A processing unit, wherein the calculation processing unit has at least two arithmetic expressions for detecting a force or a moment using at least two of the output values, and shares at least one of the output values for each arithmetic expression. Thus, at least two forces or moments can be simultaneously detected.

【0010】請求項2記載の発明は、請求項1記載の構
成において、セルブロックは平板状の弾性部を有し、弾
性部の背反する2側面にその面の変形量を測定する検出
素子が設けられたことを特徴とする。請求項3記載の発
明は、請求項1記載の構成において、検出素子はひずみ
ゲージであり、出力回路は少なくとも2つのホイートス
トンブリッジ回路を具備し、前記ひずみゲージは前記ホ
イートストンブリッジ回路ごとに少なくとも1つ設けら
れたことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, the cell block has a plate-shaped elastic portion, and two opposite sides of the elastic portion have detecting elements for measuring the amount of deformation of the surface. It is characterized by being provided. According to a third aspect of the present invention, in the configuration according to the first aspect, the detection element is a strain gauge, and the output circuit includes at least two Wheatstone bridge circuits, and the strain gauge is at least one for each Wheatstone bridge circuit. It is characterized by being provided.

【0011】請求項4記載の発明は、請求項1から請求
項3のいずれかに記載の構成において、計算処理部は、
少なくとも2つの検出素子に対応する出力値を加減演算
することで温度補正を行うように構成したことを特徴と
する。請求項5記載の発明は、作用した荷重に応じて弾
性変形するセルブロックの変形量を検出して前記荷重を
検出する荷重検出器において、セルブロックの変形量を
検出する複数の検出素子と、各検出素子で検出された変
形量をそれぞれ電気信号として出力する出力回路と、前
記出力回路による出力値を用いて演算することで荷重と
しての力あるいはモーメントを検出する計算処理部とを
具備し、前記計算処理部は、少なくとも2つの前記出力
値を用いて力をベクトル値として検出するベクトル演算
式を保有するように構成したものである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the configuration according to any one of the first to third aspects, the calculation processing unit comprises:
The temperature correction is performed by performing an addition / subtraction operation on output values corresponding to at least two detection elements. The invention according to claim 5 is a load detector that detects an amount of deformation of a cell block that elastically deforms according to an applied load and detects the load, wherein a plurality of detection elements that detect an amount of deformation of the cell block; An output circuit that outputs the amount of deformation detected by each detection element as an electric signal, and a calculation processing unit that detects a force or moment as a load by calculating using an output value from the output circuit, The calculation processing unit is configured to have a vector operation expression for detecting a force as a vector value using at least two of the output values.

【0012】請求項6記載の発明は、請求項5記載の構
成において、計算処理部は、ベクトル値として検出した
力を少なくとも2方向の力に分離する演算式を保有する
ことを特徴とする。請求項7記載の発明は、請求項5ま
たは請求項6のいずれかに記載の構成において、セルブ
ロックは三角柱状に形成され、3方の側面にその面の変
形量を測定する検出素子が設けられたことを特徴とす
る。
According to a sixth aspect of the present invention, in the configuration of the fifth aspect, the calculation processing unit has an arithmetic expression for separating a force detected as a vector value into a force in at least two directions. According to a seventh aspect of the present invention, in the configuration according to the fifth or sixth aspect, the cell block is formed in a triangular prism shape, and a detection element for measuring a deformation amount of the surface is provided on three side surfaces. It is characterized by having been done.

【0013】請求項8記載の発明は、請求項5または請
求項6のいずれかに記載の構成において、セルブロック
は三角錐状に形成され、少なくとも3つの側面にその面
の変形量を測定する検出素子が設けられたことを特徴と
する。請求項9記載の発明は、請求項5から請求項8の
いずれかに記載の構成において、検出素子はひずみゲー
ジであり、出力回路は少なくとも2つのホイートストン
ブリッジ回路を具備し、前記ひずみゲージは前記ホイー
トストンブリッジ回路ごとに少なくとも1つ設けられた
ことを特徴とする。
According to an eighth aspect of the present invention, in the configuration of the fifth or sixth aspect, the cell block is formed in a triangular pyramid shape, and at least three side surfaces are measured for the amount of deformation of the surface. A detection element is provided. According to a ninth aspect of the present invention, in the configuration according to any one of the fifth to eighth aspects, the detection element is a strain gauge, the output circuit includes at least two Wheatstone bridge circuits, and the strain gauge is At least one Wheatstone bridge circuit is provided.

【0014】以下、本発明の実施の形態を図面に基づい
て具体的に説明する。 (実施の形態1)図1は本発明の実施の形態1における
荷重検出器を簡略化して示す全体構成図、図2は同荷重
検出器における荷重検出部を示す概観斜視図である。図
1に示した荷重検出器において、荷重検出部1に、検出
素子としてのアクティブひずみゲージa,b,c,dが
設けられており、これらのアクティブひずみゲージa,
b,c,dのいずれか1つと、電気回路要素としての抵
抗体(あるいはダミーひずみゲージ)r1〜r12の内
の3つとでそれぞれ、ホイートストンブリッジ回路A,
B,C,Dが構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. (Embodiment 1) FIG. 1 is a simplified overall configuration diagram showing a load detector according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a schematic perspective view showing a load detector in the load detector. In the load detector shown in FIG. 1, the load detecting unit 1 is provided with active strain gauges a, b, c, and d as detecting elements.
b, c, d, and three of the resistors (or dummy strain gauges) r1 to r12 as electric circuit elements, respectively, are Wheatstone bridge circuits A,
B, C, and D are configured.

【0015】この荷重検出器にはまた、各ホイートスト
ンブリッジ回路A,B,C,Dに電圧を印可する電圧部
2と、各ホイートストンブリッジ回路A,B,C,Dか
らの出力信号をそれぞれ増幅するアンプ部3A,3B,
3C,3DおよびA/D変換器4A,4B,4C,4D
と、前記アンプ部3A〜3DおよびA/D変換器4A〜
4Dを経た出力信号を記録し演算を行う計算処理部5
と、計算処理部5で演算値として得られた荷重を外部装
置へ伝達するインタフェース6とが設けられている。
The load detector also includes a voltage section 2 for applying a voltage to each of the Wheatstone bridge circuits A, B, C, and D, and an output signal from each of the Wheatstone bridge circuits A, B, C, and D, respectively. Amplifier units 3A, 3B,
3C, 3D and A / D converters 4A, 4B, 4C, 4D
And the amplifier units 3A to 3D and the A / D converters 4A to 4A.
Calculation processing unit 5 that records the output signal that has passed through 4D and performs an operation
And an interface 6 for transmitting a load obtained as a calculation value by the calculation processing unit 5 to an external device.

【0016】図2に示したように、荷重検出部1は、好
ましくはアルミニウム合金等の金属材料からなる直方体
ブロック11に、上記した検出素子としてのアクティブ
ひずみゲージa,b,c,dが貼着されたものである。
ここで、荷重検出部1における各座標の名称を、紙面に
沿った上下方向をZ軸、紙面に沿った左右方向をX軸、
X軸とZ軸のいずれにも垂直な軸をY軸と定める。
As shown in FIG. 2, the load detecting section 1 has the active strain gauges a, b, c, and d as the above-described detecting elements attached to a rectangular parallelepiped block 11 preferably made of a metal material such as an aluminum alloy. It was worn.
Here, the name of each coordinate in the load detection unit 1 is Z-axis in the vertical direction along the paper surface, X-axis in the left-right direction along the paper surface,
An axis perpendicular to both the X axis and the Z axis is defined as a Y axis.

【0017】直方体ブロック11には、Y軸に軸心が沿
う貫通孔12を設けて、貫通孔12とY軸に沿うブロッ
ク外周面との間に平板構造の弾性部13および弾性部1
4を形成している。貫通孔12とブロック上面との間に
形成される剛体部は固定側フランジ16とし、貫通孔1
2とブロック下面との間に形成される剛体部は測定側フ
ランジ17としている。
The rectangular parallelepiped block 11 is provided with a through-hole 12 whose axis extends along the Y-axis, and the elastic portion 13 and the elastic portion 1 having a flat plate structure are provided between the through-hole 12 and the outer peripheral surface of the block along the Y-axis.
4 are formed. The rigid portion formed between the through hole 12 and the upper surface of the block is a fixed side flange 16,
The rigid portion formed between the block 2 and the lower surface of the block is a measurement-side flange 17.

【0018】アクティブひずみゲージa〜dはそれぞ
れ、弾性部13および弾性部14のブロック外周面にお
ける応力集中部にY軸に沿う方向に間隔をおいて貼着さ
れていて、測定側フランジ17に荷重が作用した際に
は、弾性部13および弾性部14のZ軸方向の変形量に
応じて抵抗値が変化する。したがって、弾性部13およ
び弾性部14におけるアクティブひずみゲージa〜dの
貼着部位が変形すると、その変形量はアクティブひずみ
ゲージa〜dでそれぞれ検出され、ホイートストンブリ
ッジ回路A〜Dからの出力電圧として独立に得られる。
各ホイートストンブリッジ回路A〜Dの出力電圧はアン
プ部3A〜3Dで増幅され、A/D変換機4A〜4Dに
よってデジタル信号に変換された後に、計算処理部5に
送られる。ここでは、ホイートストンブリッジ回路A,
B,C,Dから計算処理部5に送られる出力電圧をそれ
ぞれ、E1,E2,E3,E4と定める。
The active strain gauges a to d are respectively attached to the stress concentration portions on the outer peripheral surface of the elastic portion 13 and the elastic portion 14 at intervals in the direction along the Y-axis. Is applied, the resistance value changes according to the amount of deformation of the elastic portions 13 and 14 in the Z-axis direction. Therefore, when the bonded portions of the active strain gauges a to d in the elastic portion 13 and the elastic portion 14 are deformed, the amounts of the deformation are detected by the active strain gauges a to d, respectively, as output voltages from the Wheatstone bridge circuits A to D. Obtained independently.
The output voltages of the Wheatstone bridge circuits A to D are amplified by the amplifier units 3A to 3D, converted into digital signals by the A / D converters 4A to 4D, and sent to the calculation processing unit 5. Here, the Wheatstone bridge circuit A,
The output voltages sent from B, C and D to the calculation processing unit 5 are defined as E1, E2, E3 and E4, respectively.

【0019】以下、直方体ブロック11を固定側フラン
ジ16において固定した状態で、測定側フランジ17に
各方向の荷重が作用したときの出力について説明する。
測定側フランジ17にX軸の正の方向の力が作用した場
合には、E1およびE2として伸長ひずみに応じた出力
電圧、E3およびE4として圧縮ひずみに応じた出力電
圧が得られる。測定側フランジ17にX軸の正の方向か
ら見て反時計回りのモーメントが作用した場合には、E
1およびE3として伸長ひずみに応じた出力電圧、E2
およびE4として圧縮ひずみに応じた出力電圧が得られ
る。測定側フランジ17にZ軸の正の方向から見て反時
計回りのモーメントが作用した場合には、E1およびE
4として圧縮ひずみに応じた出力電圧、E2およびE3
として伸長ひずみに応じた出力電圧が得られる。測定側
フランジ17にZ軸の正の方向の力が作用した場合に
は、E1〜E4のすべてで伸長ひずみに応じた出力電圧
が得られる。
The output when a load in each direction acts on the measurement side flange 17 with the rectangular parallelepiped block 11 fixed on the fixed side flange 16 will be described below.
When a force in the positive direction of the X axis acts on the measurement-side flange 17, output voltages corresponding to the elongation strain are obtained as E1 and E2, and output voltages corresponding to the compression strain are obtained as E3 and E4. When a counterclockwise moment acts on the measurement side flange 17 as viewed from the positive direction of the X axis, E
The output voltage corresponding to the elongation strain as E1 and E3, E2
As E4 and E4, an output voltage corresponding to the compression strain is obtained. When a counterclockwise moment acts on the measurement side flange 17 as viewed from the positive direction of the Z axis, E1 and E1
Output voltage according to compression strain as E4, E2 and E3
As a result, an output voltage corresponding to the elongation strain is obtained. When a force in the positive direction of the Z-axis acts on the measurement-side flange 17, an output voltage corresponding to the elongation strain is obtained in all of E1 to E4.

【0020】したがって、計算処理部5で、アクティブ
ひずみゲージa〜dが貼着された弾性部13,14の変
形量に応じた出力電圧E1〜E4を演算することで、測
定側フランジ17に作用した荷重を分離測定できる。こ
の実施の形態1では以下の4つの演算式を用いて4方向
の力(F)あるいはモーメント(M)の検出を行う。 Fx=α1(E1+E2−E3−E4)…(1) Mx=α2(E1−E2+E3−E4)…(2) Mz=α3(E1−E2−E3+E4)…(3) Fz=α4(E1+E2+E3+E4)…(4) 式(1)を用いることでX軸方向のFx、式(2)を用
いることでX軸まわりのモーメントMx、式(3)を用
いることでZ軸まわりのモーメントMz、式(4)を用
いることでZ軸方向の力Fzを検出する。なお、式
(1)〜式(4)で用いたα1〜α4は、出力電圧と力
あるいはモーメントとを換算する係数であり、荷重検出
器の初期の較正時に決定されるものである。各演算式
は、出力電圧を加減演算することで他方向の荷重影響を
キャンセルしており、各方向の荷重を正確に検出するこ
とが可能である。
Therefore, the calculation processing unit 5 calculates the output voltages E1 to E4 in accordance with the deformation amounts of the elastic parts 13 and 14 to which the active strain gauges a to d are adhered, thereby acting on the measurement side flange 17. The applied load can be measured separately. In the first embodiment, force (F) or moment (M) in four directions is detected using the following four arithmetic expressions. Fx = α1 (E1 + E2-E3-E4) (1) Mx = α2 (E1-E2 + E3-E4) (2) Mz = α3 (E1-E2-E3 + E4) (3) Fz = α4 (E1 + E2 + E3 + E4) ( 4) Fx in the X-axis direction using equation (1), moment Mx around the X axis using equation (2), moment Mz about the Z axis using equation (3), equation (4) Is used to detect the force Fz in the Z-axis direction. Note that α1 to α4 used in the equations (1) to (4) are coefficients for converting the output voltage and the force or the moment, and are determined at the time of the initial calibration of the load detector. Each arithmetic expression cancels the influence of the load in the other direction by performing an addition / subtraction operation on the output voltage, and the load in each direction can be accurately detected.

【0021】このように、実施の形態1の荷重検出器で
は、弾性部13,14に貼着するアクティブひずみゲー
ジは4枚で済む。これに対して、従来の荷重検出器、つ
まり4枚のアクティブひずみゲージを用いて1つのホイ
ートストンブリッジ回路を構成し、1方向の力あるいは
モーメントを検出する荷重検出器では、2方向の力と2
方向まわりのモーメントを検出するためには、16枚の
アクティブひずみゲージを弾性部に貼着する必要があっ
た。
As described above, in the load detector according to the first embodiment, only four active strain gauges are attached to the elastic portions 13 and 14. On the other hand, in a conventional load detector, that is, a single Wheatstone bridge circuit using four active strain gauges and detecting a force or moment in one direction, a force in two directions and two forces are used.
In order to detect the moment around the direction, it was necessary to attach 16 active strain gauges to the elastic part.

【0022】したがって、実施の形態1の構成によって
弾性部13,14を従来よりも小型化することが可能と
なり、その結果、荷重検出部1の共振周波数を高くする
ことが可能になり、高い時間分解能が得られる。荷重分
解能と荷重検出精度については、4枚のアクティブひず
みゲージからの出力電圧を演算することで1方向の力あ
るいはモーメントを検出しているので、4枚のアクティ
ブひずみゲージを用いて1方向の力を検出するのと同等
のものが確保される。
Therefore, the configuration of the first embodiment makes it possible to reduce the size of the elastic portions 13 and 14 as compared with the prior art. As a result, it becomes possible to increase the resonance frequency of the load detecting portion 1 and increase the time required for the operation. Resolution is obtained. Regarding the load resolution and load detection accuracy, since the force or moment in one direction is detected by calculating the output voltage from the four active strain gauges, the force in one direction is detected using the four active strain gauges. Is equivalent to detecting the

【0023】また、アクティブひずみゲージを設ける際
には通常、弾性部13,14の応力集中部に貼着するよ
うにしており、高い貼着精度が必要であるが、実施の形
態1の構成によって4枚に低減可能であるため、荷重検
出器の制作が容易になる。アクティブひずみゲージa〜
dに対する温度の影響について説明する。直方体ブロッ
ク11は単一の金属材料から形成されているため熱膨張
率は均一であり、したがって、アクティブひずみゲージ
a〜dの貼着部の温度変化による膨張率は同一であり、
温度変化によるアクティブひずみゲージa〜dの抵抗値
の変化量、さらにはホイートストンブリッジ回路A〜D
からの出力電圧の変化量は同一である。上記式(1)〜
式(3)では、4つのホイートストンブリッジ回路A〜
Dのうち、2つのホイートストンブリッジ回路からの出
力電圧から他の2つのホイートストンブリッジ回路から
の出力電圧を減算してあるため、温度変化による出力電
圧の変化量はキャンセルされ、温度補正を行った荷重検
出が可能である。 (実施の形態2)図3に示す荷重検出部31は、先に図
2を用いて説明した荷重検出部1とほぼ同様の構成を有
しているが、アクティブひずみゲージの貼着位置が異な
っている。すなわち、アクティブひずみゲージa3,b
3,c3,d3は、弾性部13、14の応力集中部のほ
ぼ中央付近にZ軸に沿う方向に間隔をおいて貼着されて
いる。
When the active strain gauge is provided, it is usually attached to the stress concentration portions of the elastic portions 13 and 14, and high attachment accuracy is required. Since the number can be reduced to four, the production of the load detector becomes easy. Active strain gauge a ~
The effect of temperature on d will be described. Since the rectangular parallelepiped block 11 is formed of a single metal material, the coefficient of thermal expansion is uniform, and therefore, the coefficients of expansion of the active strain gauges a to d due to temperature changes are the same,
The amount of change in the resistance value of the active strain gauges a to d due to temperature change, and further, the Wheatstone bridge circuits A to D
Are the same. Formula (1) to
In equation (3), four Wheatstone bridge circuits A to
In D, since the output voltages from the other two Wheatstone bridge circuits are subtracted from the output voltages from the two Wheatstone bridge circuits, the amount of change in the output voltage due to the temperature change is canceled, and the temperature-corrected load Detection is possible. (Embodiment 2) The load detector 31 shown in FIG. 3 has substantially the same configuration as the load detector 1 described above with reference to FIG. ing. That is, active strain gauges a3, b
Reference numerals 3, c3, and d3 are attached to the vicinity of the center of the stress concentration portions of the elastic portions 13 and 14 at intervals in the direction along the Z axis.

【0024】これらのアクティブひずみゲージa3〜d
3は、図4に示すように、先に図1を用いて説明したの
と同様のホイートストンブリッジ回路A3,B3,C
3,D3に組み込まれており、貼着部位のZ方向の変形
量に応じた出力電圧が得られるように構成されている。
ここでは、ホイートストンブリッジ回路A3,B3,C
3,D3から計算処理部5に送られる出力電圧をそれぞ
れ、EA3,EB3,EC3,ED3と定める。
These active strain gauges a3-d
3, Wheatstone bridge circuits A3, B3, C similar to those described above with reference to FIG.
3, D3, and is configured to obtain an output voltage corresponding to the amount of deformation of the sticking portion in the Z direction.
Here, Wheatstone bridge circuits A3, B3, C
3 and D3, the output voltages sent to the calculation processing unit 5 are defined as EA3, EB3, EC3, and ED3, respectively.

【0025】以下、直方体ブロック11を固定側フラン
ジ16において固定した状態で、測定側フランジ17に
各方向の荷重が作用したときの出力について説明する。
測定側フランジ17にX軸の正の方向に力が作用した場
合には、EA3およびED3として圧縮ひずみに応じた
出力電圧、EB3およびEC3として伸長ひずみに応じ
た出力電圧が得られる。測定側フランジ17にY軸の正
の方向から見て反時計回りのモーメントが作用した場合
には、EA3およびEB3として伸長ひずみに応じた出
力電圧、EC3およびED3として圧縮ひずみに応じた
出力電圧が得られる。測定側フランジ17にZ軸の正の
方向の力が作用した場合には、EA3、EB3、EC
3、ED3のすべてで伸長ひずみに応じた出力電圧が得
られる。
The output when a load in each direction acts on the measurement side flange 17 with the rectangular parallelepiped block 11 fixed on the fixed side flange 16 will be described below.
When a force acts on the measurement side flange 17 in the positive direction of the X-axis, an output voltage corresponding to the compression strain is obtained as EA3 and ED3, and an output voltage corresponding to the extension strain is obtained as EB3 and EC3. When a counterclockwise moment acts on the measurement side flange 17 as viewed from the positive direction of the Y axis, the output voltage corresponding to the elongation strain as EA3 and EB3 and the output voltage corresponding to the compression strain as EC3 and ED3. can get. When a force in the positive direction of the Z-axis acts on the measurement side flange 17, EA3, EB3, EC
3. An output voltage corresponding to the elongation strain can be obtained in all of ED3.

【0026】したがって、計算処理部5で、アクティブ
ひずみゲージa3〜d3が貼着された弾性部13,14
の変形量に応じた出力電圧EA3〜ED3を演算するこ
とで、測定側フランジ17に作用した荷重を分離測定で
きる。この実施の形態2では以下の3つの演算式を用い
て3方向の力(F)あるいはモーメント(M)の検出を
行う。
Therefore, in the calculation processing section 5, the elastic sections 13, 14 to which the active strain gauges a3 to d3 are attached are attached.
By calculating the output voltages EA3 to ED3 in accordance with the amount of deformation, the load applied to the measurement-side flange 17 can be separately measured. In the second embodiment, force (F) or moment (M) in three directions is detected using the following three arithmetic expressions.

【0027】 Fx=α5(EA3−EB3−EC3+ED3)…(5) My=α6(EA3+EB3−EC3−ED3)…(6) Fz=α7(EA3+EB3+EC3+ED3)…(7) 式(5)を用いることでX軸方向の力Fx、式(6)を
用いることでY軸まわりのモーメントMy、式(7)を
用いることでZ軸方向の力Fzを検出できる。なお、式
(5)〜式(7)で用いたα5〜α7は出力電圧と力あ
るいはモーメントとを換算する係数であり、荷重検出器
の初期の較正時に決定されるものである。各演算式は出
力重圧を加減演算することで他方向の荷重影響をキャン
セルしており、各方向の荷重を正確に検出することが可
能である。 (実施の形態3)図5に示す荷重検出部51は、上部を
固定した片持ち梁の形態をなす弾性部51aの表裏の中
央部にアクティブひずみゲージa5,b5を貼着したも
のである。梁の上部を固定側フランジ56、下部を測定
側フランジ57とした。
Fx = α5 (EA3-EB3-EC3 + ED3) (5) My = α6 (EA3 + EB3-EC3-ED3) (6) Fz = α7 (EA3 + EB3 + EC3 + ED3) (7) By using the expression (5), X is obtained. The axial force Fx, the moment My around the Y axis by using the equation (6), and the force Fz in the Z axis direction by using the equation (7) can be detected. Note that α5 to α7 used in the equations (5) to (7) are coefficients for converting the output voltage and the force or the moment, and are determined at the time of the initial calibration of the load detector. Each arithmetic expression cancels the effect of the load in the other direction by performing the addition / subtraction operation on the output weight pressure, and the load in each direction can be accurately detected. (Embodiment 3) The load detecting section 51 shown in FIG. 5 is formed by attaching active strain gauges a5 and b5 to the front and back central portions of an elastic portion 51a in the form of a cantilever having an upper portion fixed. The upper part of the beam was a fixed-side flange 56 and the lower part was a measurement-side flange 57.

【0028】これらのアクティブひずみゲージa5,b
5は、図6に示すように、先に図1を用いて説明したの
と同様のホイートストンブリッジ回路A5,B5に組み
込まれており、貼着位置のZ方向の変形量に応じた出力
重圧が得られるように構成されている。ここでは、ホイ
ートストンブリッジ回路A5,B5から計算処理部5に
送られる出力電圧をそれぞれ、EA5,EB5と定め
る。
These active strain gauges a5, b
As shown in FIG. 6, 5 is incorporated in the same Wheatstone bridge circuits A5 and B5 as described above with reference to FIG. 1, and the output pressure corresponding to the amount of deformation of the sticking position in the Z direction is reduced. It is configured to be obtained. Here, the output voltages sent from the Wheatstone bridge circuits A5 and B5 to the calculation processing unit 5 are defined as EA5 and EB5, respectively.

【0029】弾性部51aを固定側フランジ56におい
て固定した状態で、測定側フランジ57に各方向の荷重
が作用したときの出力を説明する。測定側フランジ57
にX軸の正の方向に力が作用した場合には、EA5とし
て圧縮ひずみに応じた出力電圧、EB5として伸長ひず
みに応じた出力電圧が得られる。測定側フランジ57に
Z軸の正の方向に力が作用した場合には、EA5,EB
5の双方で圧縮ひずみに応じた出力電圧が得られる。
The output when a load in each direction acts on the measurement side flange 57 with the elastic portion 51a fixed on the fixed side flange 56 will be described. Measurement side flange 57
When a force acts in the positive direction of the X-axis, an output voltage corresponding to the compressive strain is obtained as EA5, and an output voltage corresponding to the elongation strain is obtained as EB5. When a force acts on the measurement side flange 57 in the positive direction of the Z axis, EA5, EB
5, an output voltage corresponding to the compression strain is obtained.

【0030】したがって、計算処理部5で、アクティブ
ひずみゲージa5,b5が貼着された弾性部51aの変
形量に応じた出力電圧EA5,EB5を演算すること
で、測定側フランジ57に作用した荷重を分離測定でき
る。この実施の形態3では以下の2つの演算式を用いて
2方向の力の検出を行う。 Fx=α8(EA5−EB5)…(8) Fz=α9(EA5+EB5)…(9) 式(8)を用いることでX軸方向の力Fx、式(9)を
用いることでZ軸方向の力Fzを検出できる。なお、式
(8)、式(9)で用いたα8、α9は出力電圧と力あ
るいはモーメントとを換算する係数であり、荷重検出器
の初期の較正時に決定されるものである。
Therefore, the calculation processing unit 5 calculates the output voltages EA5, EB5 according to the deformation amount of the elastic part 51a to which the active strain gauges a5, b5 are attached, thereby obtaining the load applied to the measurement side flange 57. Can be measured separately. In the third embodiment, force in two directions is detected using the following two arithmetic expressions. Fx = α8 (EA5-EB5) (8) Fz = α9 (EA5 + EB5) (9) Force Fx in the X-axis direction by using equation (8) and force in the Z-axis direction by using equation (9) Fz can be detected. Note that α8 and α9 used in equations (8) and (9) are coefficients for converting the output voltage and the force or moment, and are determined at the time of the initial calibration of the load detector.

【0031】なお、荷重検出部は上記した実施の形態1
〜3のような構造に限定されることはなく、任意に変更
可能である。 (実施の形態4)図7は本発明の実施の形態4における
荷重検出器を簡略化して示す全体構成図、図8は同荷重
検出器における荷重検出部を示す概観斜視図である。
Note that the load detecting unit is the same as that of the first embodiment.
The present invention is not limited to the structures as described above, and can be arbitrarily changed. (Embodiment 4) FIG. 7 is a simplified overall configuration diagram showing a load detector according to Embodiment 4 of the present invention, and FIG. 8 is a schematic perspective view showing a load detector in the load detector.

【0032】図7に示した荷重検出器において、荷重検
出部71に、検出素子としてのアクティブひずみゲージ
a7,b7,c7が設けられており、これらのアクティ
ブひずみゲージa7,b7,c7のいずれか1つと、電
気回路要素としての抵抗体(あるいはダミーひずみゲー
ジ)r1〜r9の内の3つとでそれぞれ、ホイートスト
ンブリッジ回路A7,B7,C7が構成されている。
In the load detector shown in FIG. 7, the load detecting section 71 is provided with active strain gauges a7, b7, and c7 as detecting elements, and any one of these active strain gauges a7, b7, and c7 is provided. One and three of the resistors (or dummy strain gauges) r1 to r9 as electric circuit elements constitute Wheatstone bridge circuits A7, B7, and C7, respectively.

【0033】この荷重検出器にはまた、各ホイートスト
ンブリッジ回路A7,B7,C7に電圧を印可する電圧
部2と、各ホイートストンブリッジ回路A7,B7,C
7からの出力信号を増幅するアンプ部3A,3B,3C
およびA/D変換器4A,4B,4Cと、前記アンプ部
3A〜3CおよびA/D変換器4A〜4Cを経た出力信
号を記録し演算を行う計算処理部5と、計算処理部5で
演算値として得られた荷重を外部装置へ伝達するインタ
フェース6とが設けられている。
This load detector also includes a voltage section 2 for applying a voltage to each of the Wheatstone bridge circuits A7, B7, C7, and a Wheatstone bridge circuit A7, B7, C
Amplifiers 3A, 3B, 3C that amplify the output signal from
And A / D converters 4A, 4B, and 4C, a calculation processing unit 5 that records the output signals that have passed through the amplifier units 3A to 3C and the A / D converters 4A to 4C, and performs a calculation. An interface 6 for transmitting a load obtained as a value to an external device is provided.

【0034】図8に示したように、荷重検出部71は、
好ましくはアルミニウム合金等の金属材料からなる正三
角柱ブロック72に、上記した検出素子としてのアクテ
ィブひずみゲージa7,b7,c7が貼着されたもので
ある。ここで、荷重検出部71における各座標の名称
を、紙面に沿った上下方向をZ軸、紙面に沿った左右方
向をX軸、X軸とZ軸のいずれにも垂直な軸をY軸と定
める。
As shown in FIG. 8, the load detecting section 71
The active strain gauges a7, b7, and c7 as the above-described detection elements are adhered to a regular triangular prism block 72 preferably made of a metal material such as an aluminum alloy. Here, the name of each coordinate in the load detection unit 71 is defined as a Z-axis in the vertical direction along the plane of the paper, an X-axis in the horizontal direction along the plane of the paper, and a Y-axis as an axis perpendicular to both the X-axis and the Z-axis. Determine.

【0035】正三角柱ブロック72の上部は固定側フラ
ンジ76、下部は測定側フランジ77とされている。ア
クティブひずみゲージa7〜c7は正三角柱ブロック7
2の各側面のほぼ中央部に貼着されていて、測定側フラ
ンジ77に力が作用した際に、各アクティブひずみゲー
ジa7〜c7の貼着部位のZ軸方向の変形量に応じて抵
抗値が変化する。
The upper part of the equilateral triangular prism block 72 is a fixed flange 76, and the lower part is a measuring flange 77. Active strain gauges a7 to c7 are equilateral triangular prism blocks 7.
2 are attached to substantially the center of each side surface, and when a force is applied to the measurement-side flange 77, the resistance value according to the amount of deformation in the Z-axis direction of the attachment site of each of the active strain gauges a7 to c7. Changes.

【0036】これらのアクティブひずみゲージa7〜c
7はそれぞれ、独立したホイートストンブリッジ回路A
7〜C7に接続されているため、各アクティブひずみゲ
ージa7〜c7の貼着部位の変形量は、ホイートストン
ブリッジ回路A7〜C7からの出力電圧として独立に得
られる。各ホイートストンブリッジ回路A7〜C7の出
力電圧はアンプ部3A〜3Dで増幅され、A/D変換器
4A〜4Cによってデジタル信号に変換された後に、計
算処理部5に送られる。ここでは、ホイートストンブリ
ッジ回路A7,B7,C7から計算処理部5に送られる
出力電圧をそれぞれ、EA7,EB7,EC7と定め
る。
These active strain gauges a7 to c
7 are independent Wheatstone bridge circuits A
7 to C7, the amounts of deformation of the attached portions of the active strain gauges a7 to c7 are independently obtained as output voltages from the Wheatstone bridge circuits A7 to C7. The output voltages of the Wheatstone bridge circuits A7 to C7 are amplified by the amplifier units 3A to 3D, converted into digital signals by the A / D converters 4A to 4C, and sent to the calculation processing unit 5. Here, the output voltages sent from the Wheatstone bridge circuits A7, B7, C7 to the calculation processing unit 5 are defined as EA7, EB7, EC7, respectively.

【0037】以下、正三角柱ブロック72を固定側フラ
ンジ76において固定した状態で、測定側フランジ77
に各方向の荷重が作用したときの出力値を図9を用いて
説明する。図9は正三角柱ブロック72をZ軸の正の方
向から見た平面図である。ここで、正三角柱ブロック7
2の中心からアクティブひずみゲージa7が貼着された
側面の法線方向をl軸、アクティブひずみゲージb7が
貼着された側面の法線方向をm軸、アクティブひずみゲ
ージb7が貼着された側面の法線方向をn軸と定める。
Hereinafter, with the equilateral triangular prism block 72 fixed on the fixed side flange 76, the measurement side flange 77
With reference to FIG. 9, the output values when the loads in the respective directions act on. FIG. 9 is a plan view of the regular triangular prism block 72 viewed from the positive direction of the Z axis. Here, the regular triangular prism block 7
From the center of 2, the normal direction of the side surface on which the active strain gauge a7 is stuck is the l-axis, the normal direction of the side surface on which the active strain gauge b7 is stuck is the m-axis, and the side surface on which the active strain gauge b7 is stuck. Is defined as the n-axis.

【0038】測定側フランジ77にl軸の正方向の力が
作用した場合には、アクティブひずみゲージa7では力
の大きさに比例した伸長ひずみ、b7,c7では圧縮ひ
ずみが検出される。m軸の正方向の力が作用した場合に
は、アクティブひずみゲージb7では力の大きさに比例
した伸長ひずみ、a7,c7では圧縮ひずみが検出され
る。n軸の正方向の力が作用した場合には、アクティブ
ひずみゲージc7では力の大きさに比例した伸長ひず
み、a7,b7では圧縮ひずみが検出される。各l〜n
軸の負方向の力が作用した場合にはそれぞれのアクティ
ブひずみゲージa7〜c7では正方向の力が作用した場
合と反対方向のひずみが検出される。各アクティブひず
みゲージa7〜c7で検出された変形量は、ホイートス
トンブリッジ回路3A〜3Cから、各座標軸l〜n方向
の力に比例した出力電圧として計算処理部5に伝達され
る。ここでは、ホイートストンブリッジ回路A7,B
7,C7からの出力をそれぞれ、EA7,EB7,EC
7と定める。
When a positive force of the l-axis is applied to the measurement side flange 77, an active strain gauge a7 detects an elongation strain proportional to the magnitude of the force, and b7 and c7 detect a compression strain. When a force in the positive direction of the m-axis is applied, the active strain gauge b7 detects an elongation strain proportional to the magnitude of the force, and a7 and c7 detect a compression strain. When a force in the positive direction of the n-axis is applied, the active strain gauge c7 detects an elongation strain proportional to the magnitude of the force, and a7 and b7 detect a compression strain. L to n
When the force in the negative direction of the shaft acts, the strain in the opposite direction to that in the case where the force in the positive direction acts is detected by each of the active strain gauges a7 to c7. The amount of deformation detected by each of the active strain gauges a7 to c7 is transmitted from the Wheatstone bridge circuits 3A to 3C to the calculation processing unit 5 as an output voltage proportional to the force in each of the coordinate axes l to n. Here, the Wheatstone bridge circuits A7, B
7, EA7, EB7, EC
Determined as 7.

【0039】したがって、計算処理部5で、アクティブ
ひずみゲージa7〜c7の貼着部位の変形量に応じた出
力電圧EA7〜EC7を用いて、式(10)に示す内積
の演算式によって演算することで、測定側フランジ77
に作用した力をベクトル値として検出できる。なお、式
(10)で用いたα10は出力電圧と力とを換算する係
数であり、荷重検出器の初期の較正で得られるものであ
る。
Therefore, the calculation processing unit 5 uses the output voltages EA7 to EC7 corresponding to the deformation amounts of the active strain gauges a7 to c7 in accordance with the deformation amount, and calculates the inner product according to the equation (10). The measurement side flange 77
Can be detected as a vector value. Note that α10 used in the equation (10) is a coefficient for converting the output voltage and the force, and is obtained by the initial calibration of the load detector.

【0040】 F=α10・EA7・EB7・EC7…(10) 測定側フランジ77にZ軸の正方向に力が作用した場合
にはアクティブひずみゲージa7〜c7で圧縮ひずみ、
負方向の力が作用した場合にはアクティブひずみゲージ
a7〜c7で伸張ひずみが検出されるが、アクティブひ
ずみゲージa7〜c7で検出される変形量は同じである
ため、式(10)に示した演算をすることでZ軸方向の
力による出力成分はキャンセルされる。
F = α10 · EA7 · EB7 · EC7 (10) When a force acts on the measurement-side flange 77 in the positive direction of the Z-axis, the active strain gauges a7 to c7 compress the strain.
When a negative force is applied, the active strain gauges a7 to c7 detect extensional strain. However, since the deformation amounts detected by the active strain gauges a7 to c7 are the same, the equation (10) is used. By performing the calculation, the output component due to the force in the Z-axis direction is canceled.

【0041】また、X軸方向の単位ベクトルをix、Y
軸方向の単位ベクトルをiyとすると、以下の式(1
1)、式(12)によって、式(10)で得られた力F
をX軸およびY軸方向の分力として分離測定することが
できる。 Fx=F・ix…(11) Fy=F・iy…(12) 上記からわかるように、この実施の形態4のように荷重
検出器を構成することで、荷重検出器の構成を容易に
し、かつ高精度で合力を検出することができる。また、
各軸方向の分力も、合力として得られた力に簡単な計算
を施すことで容易に得られる。これに対して従来の荷重
検出器では、ひずみゲージが本来、合力の作用としての
物体の変形量を検出しているにもかかわらず、ホイート
ストンブリッジ回路を4つのひずみゲージで構成し、他
軸方向の力の作用をキャンセルする機構を設けており、
各軸方向の分力を検出し、検出された分力を内積するこ
とで、荷重検出器に作用する力の合力を測定していた。
言い換えれば、荷重検出器の構成をわざわざ複雑にし
て、荷重検出器に作用している合力の検出精度を低下さ
せていたと言える。
The unit vector in the X-axis direction is ix, Y
Assuming that the unit vector in the axial direction is iy, the following equation (1)
1) According to equation (12), the force F obtained by equation (10)
Can be separately measured as component forces in the X-axis and Y-axis directions. Fx = F · ix (11) Fy = F · iy (12) As can be seen from the above, by configuring the load detector as in the fourth embodiment, the configuration of the load detector is simplified. In addition, the resultant force can be detected with high accuracy. Also,
The component force in each axial direction can also be easily obtained by performing a simple calculation on the resultant force. On the other hand, in the conventional load detector, despite the fact that the strain gauge originally detects the amount of deformation of the object as the action of the resultant force, the Wheatstone bridge circuit is configured with four strain gauges, A mechanism to cancel the action of the force of
The resultant force of the force acting on the load detector was measured by detecting the component force in each axial direction and scalarizing the detected component force.
In other words, it can be said that the configuration of the load detector was bothersomely complicated, and the detection accuracy of the resultant force acting on the load detector was reduced.

【0042】また、この実施の形態4の荷重検出器では
まず合力を検出するようにしているため、荷重検出部の
構成で他方向の力の影響をキャンセルする必要はない。
したがって高精度なアクティブひずみゲージの貼着は必
要とせず、荷重検出器の制作が容易になる。これに対し
て従来の荷重検出器では、各軸方向の分力を検出するた
めに他方向の力の影響を荷重検出部の構成でキャンセル
する必要があるため、アクティブひずみゲージの貼着を
高精度で行う必要があった。
In the load detector according to the fourth embodiment, the resultant force is first detected, so that it is not necessary to cancel the influence of the force in the other direction by the configuration of the load detector.
Therefore, it is not necessary to attach a high-precision active strain gauge, and the production of the load detector becomes easy. In contrast, with conventional load detectors, the effect of forces in other directions must be canceled by the configuration of the load detector to detect the component force in each axial direction. It had to be done with precision.

【0043】なお、この実施の形態4では荷重検出部7
1に正三角柱ブロック72を用いたが、これに限定され
るものではなく、三角柱であれば使用可能である。 (実施の形態5)図10に示した荷重検出部101の概
観斜視図において、符号102は好ましくはアルミニウ
ム合金等金属材料からなる上面が正三角形、他の3つの
側面が二等辺三角形の三角錐ブロックであり、三角錐上
部が固定側フランジ106、下部が測定側フランジ10
7とされている。アクティブひずみゲージa10,b1
0,c10はそれぞれ、二等辺三角形の略中央部に貼着
されており、各側面をなす二等辺三角形の対称線方向の
変形量に比例した抵抗値変化が得られる。ここで、荷重
検出部101における各座標の名称を、紙面に沿った上
下方向をZ軸、紙面に沿った左右方向をX軸、X軸とZ
軸のいずれにも垂直な軸をY軸と定める。
In the fourth embodiment, the load detector 7
Although the regular triangular prism block 72 is used for 1, the present invention is not limited to this, and any triangular prism can be used. (Embodiment 5) In the schematic perspective view of the load detecting section 101 shown in FIG. 10, reference numeral 102 denotes a triangular pyramid, preferably made of a metal material such as an aluminum alloy, whose upper surface is a regular triangle and whose other three sides are isosceles triangles. The upper part of the triangular pyramid is a fixed side flange 106 and the lower part is a measurement side flange 10.
7 is set. Active strain gages a10, b1
The reference numerals 0 and c10 are attached to substantially the center of the isosceles triangle, and a resistance value change proportional to the amount of deformation of the isosceles triangle forming each side in the direction of the symmetry line is obtained. Here, the name of each coordinate in the load detection unit 101 is Z axis in the vertical direction along the paper surface, X axis in the left and right direction along the paper surface, and X axis and Z axis.
The axis perpendicular to any of the axes is defined as the Y axis.

【0044】またアクティブひずみゲージa10〜c1
0は、図11に示すように、先に図1を用いて説明した
のと同様のホイートストンブリッジ回路A10,B1
0,C10に組み込まれており、抵抗値変化に比例した
出力電圧が得られるように構成されている。以下、三角
錐ブロック102を固定側フランジ106において固定
した状態で、測定側フランジ107に各方向の荷重が作
用したときの出力について説明する。ここで、図9に示
したのと同様に、アクティブひずみゲージa7が貼着さ
れた側面の法線方向内向きをo軸、アクティブひずみゲ
ージb7が貼着された側面の法線方向内向きをp軸、ア
クティブひずみゲージb7が貼着された側面の法線方向
内向きをq軸と定める。
Active strain gauges a10 to c1
0 is a Wheatstone bridge circuit A10, B1 similar to that described above with reference to FIG.
0, C10 so that an output voltage proportional to a change in resistance value can be obtained. Hereinafter, an output when a load in each direction acts on the measurement side flange 107 in a state where the triangular pyramid block 102 is fixed on the fixed side flange 106 will be described. Here, in the same manner as shown in FIG. 9, the inward in the normal direction of the side surface on which the active strain gauge a7 is attached is the o-axis, and the inward direction in the normal direction of the side surface on which the active strain gauge b7 is attached. The p-axis and the inward in the normal direction of the side surface on which the active strain gauge b7 is stuck are defined as the q-axis.

【0045】測定側フランジ107にo軸の正方向の力
が作用した場合には、アクティブひずみゲージa10で
力の大きさに比例した伸長ひずみ、アクティブひずみゲ
ージb10、c10で圧縮ひずみが検出される。p軸の
正方向の力が作用した場合には、アクティブひずみゲー
ジb10で力の大きさに比例した伸長ひずみ、a10、
c10で圧縮ひずみが検出される。q軸の正方向の力が
作用した場合には、アクティブひずみゲージc10で力
の大きさに比例した伸長ひずみ、a10、b10で圧縮
ひずみが検出される。各o〜q軸の負方向の力が作用し
た場合には、それぞれのアクティブひずみゲージa10
〜c10で正方向の力が作用した場合と反対方向のひず
みが検出される。各アクティブひずみゲージa10〜c
10で検出された変形量は、各ホイートストンブリッジ
回路A10,B10,C10から、各座標軸o〜q方向
の力に比例した出力電圧として計算処理部5に伝達され
る。ここでは、ホイートストンブリッジ回路A10,B
10,C10からの出力をそれぞれ、EA10,EB1
0,EC10と定める。
When a force in the positive direction of the o-axis is applied to the measurement side flange 107, an active strain gauge a10 detects an elongational strain proportional to the magnitude of the force, and the active strain gauges b10 and c10 detect a compressive strain. . When a force in the positive direction of the p-axis is applied, the active strain gauge b10 uses an elongation strain proportional to the magnitude of the force, a10,
At c10, a compression strain is detected. When a force in the positive direction of the q-axis is applied, an elongation strain proportional to the magnitude of the force is detected by the active strain gauge c10, and a compression strain is detected by a10 and b10. When a force in the negative direction of each of the o to q axes acts, the respective active strain gauges a10
In steps c10 to c10, a strain in a direction opposite to that in the case where a forward force is applied is detected. Each active strain gauge a10-c
The amount of deformation detected at 10 is transmitted from each of the Wheatstone bridge circuits A10, B10, and C10 to the calculation processing unit 5 as an output voltage proportional to the force in each of the coordinate axes o to q. Here, the Wheatstone bridge circuits A10, B
The outputs from C10 and C10 are EA10 and EB1 respectively.
0, EC10.

【0046】したがって、計算処理部5で、アクティブ
ひずみゲージa10〜d10の貼着部位の変形量に応じ
た出力電圧EA10〜EC10を用いて、式(13)に
示す内積の演算式によって演算することで、測定側フラ
ンジ107に作用した力をベクトル値として検出でき
る。なお式(13)で用いたα10は出力電圧と力とを
換算する係数であり、荷重検出器の初期の較正で得られ
るものである。
Therefore, the calculation processing unit 5 uses the output voltages EA10 to EC10 corresponding to the deformation amounts of the active strain gauges a10 to d10 to calculate the inner product according to the equation (13). Thus, the force acting on the measurement side flange 107 can be detected as a vector value. Note that α10 used in the equation (13) is a coefficient for converting the output voltage and the force, and is obtained by the initial calibration of the load detector.

【0047】 F=α13・EA10・EB10・EC10…(13) またX軸方向の単位ベクトルをix、Y軸方向の単位ベ
クトルをiy、Z軸方向の単位ベクトルをizとする
と、式(13)で得られた力Fを以下の式(14)、式
(15)、式(16)によってX軸方向、Y軸方向およ
びZ軸方向の分力として分離測定することができる。
F = α13 · EA10 · EB10 · EC10 (13) Further, if a unit vector in the X-axis direction is ix, a unit vector in the Y-axis direction is iy, and a unit vector in the Z-axis direction is iz, equation (13) Can be separated and measured as the component force in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction by the following equations (14), (15), and (16).

【0048】 Fx=F・ix…(14) Fy=F・iy…(15) Fz=F・iz…(16) なお、上記実施の形態1〜5では検出素子としてひずみ
ゲージを用いたが、検出素子は物体の変形量が検出でき
るものであれば、ひずみゲージに限定されることなく使
用可能である。
Fx = F · ix (14) Fy = F · ii (15) Fz = F · iz (16) In the first to fifth embodiments, a strain gauge is used as a detecting element. The detection element can be used without being limited to the strain gauge as long as it can detect the deformation amount of the object.

【0049】また実施の形態1〜5では検出素子として
のひずみゲージの出力をホイートストンブリッジ回路を
用いて電圧に変換したが、ひずみゲージの出力を電圧に
変換できるものであれば、ホイートストンブリッジ回路
に限定されることなく使用可能である。
In the first to fifth embodiments, the output of the strain gauge as a detecting element is converted to a voltage using a Wheatstone bridge circuit. However, if the output of the strain gauge can be converted to a voltage, the output is converted to a Wheatstone bridge circuit. It can be used without limitation.

【0050】[0050]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、荷重検出
器の計算処理部に、少なくとも2つの検出素子で検出さ
れた変形量に対応する出力値を用いて力あるいはモーメ
ントを検出する演算式を少なくとも2つ保有させ、各演
算式に、少なくとも1つの検出素子で検出された変形量
に対応する出力値を共用させることで、少なくとも2方
向の力あるいはモーメントを同時検出するように構成し
たことにより、検出すべき荷重の方向成分の増加に応じ
て検出素子を増やす必要がなく、検出素子を設けるセル
ブロックの小型化が可能になり、以下に示す効果が得ら
れる。
As described above, according to the present invention, the calculation for detecting the force or moment using the output value corresponding to the amount of deformation detected by at least two detecting elements is performed in the calculation processing unit of the load detector. By holding at least two expressions and sharing the output value corresponding to the amount of deformation detected by at least one detection element with each arithmetic expression, it is configured to simultaneously detect forces or moments in at least two directions. Accordingly, it is not necessary to increase the number of detection elements in accordance with an increase in the directional component of the load to be detected, and the cell block provided with the detection elements can be reduced in size, and the following effects can be obtained.

【0051】(1)共振周波数を高くすることが可能で
あり、高い時間分解能が得られる。 (2)検出素子の数を増やすことなく、従来と同等の荷
重分解能と荷重検出精度が確保できる。 (3)高精度の貼着を必要とする検出素子の数を少なく
することが可能であり、荷重検出器の制作が容易にな
る。
(1) The resonance frequency can be increased, and a high time resolution can be obtained. (2) The same load resolution and load detection accuracy as before can be secured without increasing the number of detection elements. (3) The number of detection elements requiring high-precision attachment can be reduced, and the production of a load detector is facilitated.

【0052】(4)温度補正を行った荷重検出が可能で
ある。また、荷重検出器の計算処理部に、少なくとも2
つの検出素子で検出された変形量に対応する出力値を用
いて力をベクトル値として検出するベクトル演算式を保
有させることにより、以下に示す効果が得られる。 (5)荷重検出器の構成を容易にすることができる。
(4) Load detection with temperature correction is possible. In addition, at least 2
By holding a vector operation expression for detecting a force as a vector value using an output value corresponding to the deformation amount detected by one of the detection elements, the following effects can be obtained. (5) The configuration of the load detector can be simplified.

【0053】(6)高精度な合力の検出が可能であり、
各軸方向の分力も合力として得られた力に簡単な計算を
施すことで容易に得られる。 (7)アクティブひずみゲージを高精度に貼着する必要
がなく、荷重検出器の制作が容易になる。
(6) It is possible to detect the resultant force with high accuracy,
The component force in each axial direction can also be easily obtained by performing a simple calculation on the force obtained as the resultant force. (7) It is not necessary to attach the active strain gauge with high precision, and the production of the load detector becomes easy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態1に係る荷重検出器の全体
構成図である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a load detector according to Embodiment 1 of the present invention.

【図2】同実施の形態1に係る荷重検出部の概観斜視図
である。
FIG. 2 is a schematic perspective view of a load detector according to the first embodiment.

【図3】本発明の実施の形態2に係る荷重検出部の概観
斜視図である。
FIG. 3 is a schematic perspective view of a load detector according to Embodiment 2 of the present invention.

【図4】同実施の形態2に係る全体構成図である。FIG. 4 is an overall configuration diagram according to the second embodiment.

【図5】本発明の実施の形態3に係る荷重検出部の概観
斜視図である。
FIG. 5 is a schematic perspective view of a load detector according to Embodiment 3 of the present invention.

【図6】同実施の形態3に係る全体構成図である。FIG. 6 is an overall configuration diagram according to the third embodiment.

【図7】本発明の実施の形態4に係る荷重検出器の全体
構成図である。
FIG. 7 is an overall configuration diagram of a load detector according to Embodiment 4 of the present invention.

【図8】同実施の形態4に係る荷重検出部の概観斜視図
である。
FIG. 8 is a schematic perspective view of a load detector according to the fourth embodiment.

【図9】同実施の形態4に係る荷重検出部の平面図であ
る。
FIG. 9 is a plan view of a load detector according to the fourth embodiment.

【図10】本発明の実施の形態5に係る荷重検出部の概
観斜視図である。
FIG. 10 is a schematic perspective view of a load detector according to Embodiment 5 of the present invention.

【図11】同実施の形態5に係る全体構成図である。FIG. 11 is an overall configuration diagram according to the fifth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 荷重検出部 a〜d アクティブひずみゲージ(検出素子) A〜D ホイートストンブリッジ回路(出力回路) 5 計算処理部 11 直方体ブロック(セルブロック) 13,14 弾性部 72 正三角柱ブロック(セルブロック) 102 三角錐ブロック(セルブロック) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Load detection part a-d Active strain gauge (detection element) A-D Wheatstone bridge circuit (output circuit) 5 Calculation processing part 11 Rectangular block (cell block) 13,14 Elastic part 72 Regular triangle block (cell block) 102 triangle Cone block (cell block)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 康二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 松岡 薫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2F049 AA12 BA04 BA06 CA01 CA05 CA09 CA11 DA01  ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Koji Taniguchi 1006 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Kaoru Matsuoka 1006 Kadoma Kadoma Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial F Term (reference) 2F049 AA12 BA04 BA06 CA01 CA05 CA09 CA11 DA01

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 作用した荷重に応じて弾性変形するセル
ブロックの変形量を検出して前記荷重を検出する荷重検
出器において、 セルブロックの変形量を検出する複数の検出素子と、 各検出素子で検出された変形量をそれぞれ電気信号とし
て出力する出力回路と、 前記出力回路による出力値を用いて演算することで荷重
としての力あるいはモーメントを検出する計算処理部と
を具備し、 前記計算処理部は、少なくとも2つの前記出力値を用い
て力あるいはモーメントを検出する演算式を少なくとも
2つ保有するとともに、各演算式に少なくとも1つの前
記出力値を共用して、少なくとも2方向の力あるいはモ
ーメントを同時検出可能に構成したことを特徴とする荷
重検出器。
1. A load detector for detecting the amount of deformation of a cell block elastically deformed according to an applied load and detecting the load, wherein a plurality of detection elements for detecting the amount of deformation of the cell block; An output circuit that outputs each of the deformation amounts detected in the above as an electric signal, and a calculation processing unit that detects a force or moment as a load by calculating using an output value of the output circuit. The unit holds at least two arithmetic expressions for detecting a force or a moment using at least two of the output values, and shares at least one of the output values for each of the arithmetic expressions so as to generate a force or a moment in at least two directions. A load detector characterized in that the load detector can be simultaneously detected.
【請求項2】 セルブロックは平板状の弾性部を有し、
弾性部の背反する2側面にその面の変形量を測定する検
出素子が設けられたことを特徴とする請求項1記載の荷
重検出器。
2. The cell block has a flat elastic portion,
The load detector according to claim 1, wherein a detection element that measures an amount of deformation of the elastic portion is provided on two opposite sides of the elastic portion.
【請求項3】 検出素子はひずみゲージであり、出力回
路は少なくとも2つのホイートストンブリッジ回路を具
備し、前記ひずみゲージは前記ホイートストンブリッジ
回路ごとに少なくとも1つ設けられたことを特徴とする
請求項1記載の荷重検出器。
3. The sensor according to claim 1, wherein the detecting element is a strain gauge, the output circuit includes at least two Wheatstone bridge circuits, and at least one strain gauge is provided for each of the Wheatstone bridge circuits. Load detector as described.
【請求項4】 計算処理部は、少なくとも2つの検出素
子に対応する出力値を加減演算することで温度補正を行
うように構成したことを特徴とする請求項1から請求項
3のいずれかに記載の荷重検出器。
4. The apparatus according to claim 1, wherein the calculation processing unit is configured to perform temperature correction by performing an addition / subtraction operation on output values corresponding to at least two detection elements. Load detector as described.
【請求項5】 作用した荷重に応じて弾性変形するセル
ブロックの変形量を検出して前記荷重を検出する荷重検
出器において、 セルブロックの変形量を検出する複数の検出素子と、 各検出素子で検出された変形量をそれぞれ電気信号とし
て出力する出力回路と、 前記出力回路による出力値を用いて演算することで荷重
としての力あるいはモーメントを検出する計算処理部と
を具備し、 前記計算処理部は、少なくとも2つの前記出力値を用い
て力をベクトル値として検出するベクトル演算式を保有
することを特徴とする荷重検出器。
5. A load detector for detecting the amount of deformation of a cell block elastically deformed according to an applied load and detecting the load, wherein a plurality of detecting elements for detecting the amount of deformation of the cell block; An output circuit that outputs each of the deformation amounts detected in the above as an electric signal, and a calculation processing unit that detects a force or moment as a load by calculating using an output value of the output circuit. The unit has a vector operation expression that detects a force as a vector value using at least two of the output values.
【請求項6】 計算処理部は、ベクトル値として検出し
た力を少なくとも2方向の力に分離する演算式を保有す
ることを特徴とする請求項5記載の荷重検出器。
6. The load detector according to claim 5, wherein the calculation processing unit has an arithmetic expression for separating a force detected as a vector value into a force in at least two directions.
【請求項7】 セルブロックは三角柱状に形成され、3
方の側面にその面の変形量を測定する検出素子が設けら
れたことを特徴とする請求項5または請求項6のいずれ
かに記載の荷重検出器。
7. The cell block is formed in a triangular prism shape.
7. The load detector according to claim 5, wherein a detection element for measuring a deformation amount of the surface is provided on one of the side surfaces.
【請求項8】 セルブロックは三角錐状に形成され、3
つの側面にその面の変形量を測定する検出素子が設けら
れたことを特徴とする請求項5または請求項6のいずれ
かに記載の荷重検出器。
8. The cell block is formed in a triangular pyramid shape.
7. The load detector according to claim 5, wherein a detection element for measuring a deformation amount of one of the side surfaces is provided.
【請求項9】 検出素子はひずみゲージであり、出力回
路は少なくとも2つのホイートストンブリッジ回路を具
備し、前記ひずみゲージは前記ホイートストンブリッジ
回路ごとに少なくとも1つ設けられたことを特徴とする
請求項5から請求項8のいずれかに記載の荷重検出器。
9. The sensor according to claim 5, wherein the detection element is a strain gauge, and the output circuit includes at least two Wheatstone bridge circuits, and at least one strain gauge is provided for each of the Wheatstone bridge circuits. The load detector according to any one of claims 1 to 8.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009519454A (en) * 2005-12-15 2009-05-14 エコル ポリテクニーク Microelectromechanical system with deformable part and stress sensor
WO2012033924A1 (en) * 2010-09-09 2012-03-15 Vishay Precision Group, Inc. Load cell for electronic game system
CN101603849B (en) * 2008-06-09 2012-07-04 株式会社百利达 A multi-point type weighing equipment and a manufacturing method for the same

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