JP2010008089A - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 直交する二軸方向の分力を検出することのできる荷重センサを、加工性が良好であって低価格で提供可能なものとして提供する。
【解決手段】 本発明の荷重センサは、一端側に固定部１２を有する縦起歪体２の他端側から直交方向に横起歪体３を延設するとともに該横起歪体３の先端側には外力が作用する作用部１３を形成して成るＬ字型起歪部材１を具備する。前記縦起歪体２の表裏略同位置および前記横起歪体３の表裏略同位置には、ひずみ検知素子７，８，９，１０を配置する。前記横起歪体３の作用部１３に作用する外力のうち前記横起歪体３に平行な横分力と前記縦起歪体２に平行な縦分力とを、前記ひずみ検知素子７，８，９，１０の検知結果に基づいて演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直交する二軸方向の分力を検出することのできる荷重センサに関する。

従来から、同一平面内で直交する２軸方向の分力を検知することのできる荷重センサとして、種々のものが提案されている。例えば特許文献１には、図９に示すような複雑な立体形状の起歪部材５０に複数のひずみ検知素子（ひずみゲージ）５１を貼着して荷重センサを構成することが開示されている。また、特許文献２には、図１０に示すようなＴ字型の起歪部材６０に複数のひずみ検知素子６１を貼着することで荷重センサを構成することが開示されている。

しかし、これら従来の荷重センサでは、所定形状の起歪体５０，６０を形成するために複雑な削り出し作業や、ネジ等を用いた締結作業が必要となる。したがって、従来の荷重センサは加工性が悪く、低価格で提供することが困難であった。
実願昭５８−１６９５４３号公報 特開平７−２０９１１３号公報

本発明は上記問題点に鑑みて発明したものであって、直交する二軸方向の分力を検出することのできる荷重センサを、加工性が良好であって低価格で提供可能なものとして提供することを、課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明の荷重センサを、一端側に固定部１２を有する縦起歪体２の他端側から直交方向に横起歪体３を延設するとともに該横起歪体３の先端側には外力が作用する作用部１３を形成して成るＬ字型起歪部材１と、前記縦起歪体２の表裏略同位置および前記横起歪体３の表裏略同位置に配置したひずみ検知素子７，８，９，１０と、前記横起歪体３の作用部１３に作用する外力のうち前記横起歪体３に平行な横分力Ｆ３と前記縦起歪体２に平行な縦分力Ｆ２とを前記ひずみ検知素子７，８，９，１０の検知結果に基づいて演算する演算装置と、を具備するものとする。このようにすることで、Ｌ字型起歪部材１等を用いたシンプルな構成によって、直交する二軸方向の分力Ｆ２，Ｆ３を検出することが可能となる。

なお、上記構成の荷重センサにおいて、前記Ｌ字型起歪部材１は、厚みが一定の板金をＬ字状に湾曲加工したものであることが好適である。このようにすることで、荷重センサの加工性が非常に良好となる。

また、前記演算装置は、横分力Ｆ３と縦分力Ｆ２を基に合力Ｆ１を演算するものであることや、横分力Ｆ３と縦分力Ｆ２を基に合力Ｆ１の方向を演算するものであることが好適である。このようにすることで、作用部１３に作用する合力Ｆ１の大きさや方向を検知することが可能となる。

また、前記横起歪体３の作用部１３には、外力を作用させるための外力作用部材１５を回動自在に接続させていることが好適である。このようにすることで、作用部１３に曲げモーメントを生じることが防止され、外力作用部材１５を介して作用部１３に作用する外力を正確に検知することが可能となる。

また、前記ひずみ検知素子７，８，９，１０は、ひずみゲージ、圧電素子または半導体素子であることが好適である。これらを用いることでひずみを正確に検知することができる。

請求項１に係る発明は、荷重センサを、一端側に固定部を有する縦起歪体の他端側から直交方向に横起歪体を延設するとともに該横起歪体の先端側には外力が作用する作用部を形成して成るＬ字型起歪部材と、前記縦起歪部の表裏略同位置および前記横起歪部の表裏略同位置に配置したひずみ検知素子と、前記横起歪体の作用部に作用する外力のうち前記横起歪体に平行な横分力と前記縦起歪体に平行な縦分力とを前記ひずみ検知素子の検知結果に基づいて演算する演算装置と、で形成している。したがって、直交する二軸方向の分力を検出することのできる荷重センサを、加工性が良好であって低価格で提供可能なものとして提供できるという効果を奏する。

また請求項２に係る発明において、前記Ｌ字型起歪部材は、厚みが一定の板金をＬ字状に湾曲加工したものである。したがって、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の効果に加えて、加工性が非常に良好であって更に低価格で提供可能な荷重センサになるという効果を奏する。

また請求項３に係る発明において、前記演算装置は、横分力と縦分力を基に合力を演算するものである。したがって、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明の効果に加えて、作用部に作用する合力の大きさを検知することができるという効果を奏する。

また請求項４に係る発明において、前記演算装置は、横分力と縦分力を基に合力の方向を演算するものである。したがって、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項に係る発明の効果に加えて、作用部に作用する合力の方向を検知することができるという効果を奏する。

また請求項５に係る発明において、前記横起歪体の作用部には、外力を作用させるための外力作用部材を回動自在に接続させている。したがって、請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項に係る発明の効果に加えて、外力作用部を介して作用部に作用する外力を、更に正確に検知することができるという効果を奏する。

また請求項６に係る発明において、前記ひずみ検知素子は、ひずみゲージ、圧電素子または半導体素子である。したがって、請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項に係る発明の効果に加えて、ひずみを正確に検知し、ひいては外力を正確に検知することができるという効果を奏する。

本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１には、本発明の実施形態における一例の荷重センサを示している。この荷重センサは、厚みが一定の板金をＬ字状に湾曲加工して成るＬ字型起歪部材１に二対のひずみ検知素子７，８，９，１０を貼着することで形成したものであり、Ｌ字型起歪部材１の先端部分に加わる外力のうちでＬ字型の縦片に平行な成分の分力と、Ｌ字型の横片に平行な成分の分力とを検知するようになっている。以下、各構成について更に詳述する。

Ｌ字型起歪部材１は、Ｌ字型の縦片部分である平板状の縦起歪体２と、Ｌ字型の横片部分である同じく平板状の横起歪体３とで、主体を構成している。縦起歪体２および横起歪体３はともに弾性変形自在であり、縦起歪体２の図中下端から横起歪体３を直交方向に延設している。

Ｌ字型起歪部材１の縦起歪体２は、図中上方の一端側に固定部１２を設けて固定端とし、図中下方の他端側を自由端としたものである。固定部１２には、ネジ等の固定部材（図示せず）を挿通するための固定孔４を厚み方向に複数貫通させている。図２中に斜線で示す部分は、固定部１２を固定することでＬ字型起歪部材１全体を所定姿勢に支持させる支持体Ｓである。

Ｌ字型起歪部材１の横起歪体３は、縦起歪体２の自由端側から直角に延設されるものであって、その先端部には、検知対象の外力を作用させる作用部１３を形成している。作用部１３には、その厚み方向に貫通する挿通孔５を設けており、Ｓ字状の引掛金具から成る外力作用部材１５を、該挿通孔５内に回動自在に挿通させている。

これら挿通孔５、外力作用部材１５等の構造は特に限定するものではないが、少なくとも作用部１３に対して外力作用部材１５が、Ｌ字型起歪部材１の縦方向および横方向を含む所定平面内で回動自在（図中矢印Ｒ参照）となるように設ける。

二対のひずみ検知素子７，８，９，１０は、Ｌ字型起歪部材１の縦起歪体２側と横起歪体３側にそれぞれ一対ずつ配置している。具体的には、横起歪体３の表面中央部にひずみ検知素子７を貼着し、横起歪体３の裏面中央部には該ひずみ検知素子７と対を成すひずみ検知素子８を貼着している。また、縦起歪体２の表面中央部にひずみ検知素子９を貼着し、縦起歪体２の表面中央部には該ひずみ検知素子９と対を成すひずみ検知素子１０を貼着している。この対を成すひずみ検知素子７，８は横起歪体３の表裏略同位置に配置させ、同じく対を成すひずみ検知素子９．１０は縦起歪体２の表裏略同位置に配置させている。

本例ではひずみゲージを用いて上記ひずみ検知素子７，８，９，１０を構成しているが、ひずみを検知できるものであれば圧電素子や半導体素子等の他の素子を用いて上記ひずみ検知素子７，８，９，１０を構成してもよい。

また、上記ひずみ検知素子７，８，９，１０は、Ｌ字型起歪部材１に生じたひずみを検知できればよいので、配置箇所は縦起歪体２や横起歪体３の表面であれば足り、必ずしも中央には限定されない。なお、微小なひずみを検知するためには、ひずみ検知素子９，１０を縦起歪体２の固定部１２側に寄った位置に貼着する一方、ひずみ検知素子７，８は横起歪体３の縦起歪体２との連結部分側（作用部１３とは反対側）に寄った位置に貼着することが望ましい。

Ｌ字型起歪部材１に対する各ひずみ検知素子７，８，９，１０の貼着位置については、Ｌ字型起歪部材１に加わる外力の大きさ、Ｌ字型起歪部材１の寸法形状、各ひずみ検知素子７，８，９，１０の寸法形状、各ひずみ素子７，８，９，１０に対する配線等の関係に基づいて、適宜決定される。

そして、本例の荷重センサに備える演算装置（図示せず）においては、上記二対のひずみ検知素子７，８，９，１０の検知結果に基づいて横分力Ｆ３と縦分力Ｆ２を演算する。ここでの横分力Ｆ３は、横起歪体３の作用部１３に作用する外力のうち横起歪体３と平行に作用する分力である。また、縦分力Ｆ２は、横起歪体３の作用部１３に作用する外力のうち縦起歪体２と平行に作用する分力である。

以下、ひずみ検知素子７，８，９，１０の検知結果に基づいて横分力Ｆ３と縦分力Ｆ２を演算するための原理を説明する。図３には、横分力Ｆ３によってひずみ検知素子７が検知するひずみε１と、ひずみ検知素子８が検知するひずみε２と、ひずみ検知素子９が検知するひずみε３と、ひずみ検知素子１０が検知するひずみε４を、概略的に示している。これらひずみε１，ε２，ε３，ε４はそれぞれ下記式の関係にある。なお、εｔ１は力Ｆ３により横起歪体３に生じる引っ張りひずみ、εｂ１は力Ｆ３により縦起歪体２に生じる曲げひずみである。

ε１＝εｔ１
ε２＝εｔ１
ε３＝−εｂ１
ε４＝εｂ１
図４には、縦分力Ｆ２によってひずみ検知素子７が検知するひずみε１と、ひずみ検知素子８が検知するひずみε２と、ひずみ検知素子９が検知するひずみε３と、ひずみ検知素子１０が検知するひずみε４を、概略的に示している。これらひずみε１，ε２，ε３，ε４はそれぞれ下記式の関係にある。なお、εｔ２は縦分力Ｆ２により縦起歪体２に生じる引っ張りひずみ、εｂ２は縦分力Ｆ２により横起歪体３に生じる曲げひずみ、εｂ３は縦分力Ｆ２により縦起歪体２に生じる曲げひずみである。

ε１＝εｂ２
ε２＝−εｂ２
ε３＝−εｂ３＋εｔ２
ε４＝εｂ３＋εｔ２
したがって、横分力Ｆ３と縦分力Ｆ２が同時に作用したとき（つまり横分力Ｆ３と縦分力Ｆ２の合力Ｆ１が作用したとき）には、各ひずみε１，ε２，ε３，ε４は下記式のようになる。

ε１＝εｔ１＋εｂ２
ε２＝εｔ１−εｂ２
ε３＝−εｂ１−εｂ３＋εｔ２
ε４＝εｂ１＋εｂ３＋εｔ２
ここで、横起歪体３の表裏で対を成すひずみ検知素子７，８の検知結果の差をとると、下記式のようになり、横分力Ｆ３の影響がなくなって縦分力Ｆ２の曲げのみが影響することがわかる。

ε１−ε２＝εｔ１＋εｂ２−（εｔ１−εｂ２）＝２εｂ２ ・・・（式１）
また、縦起歪体２の表裏で対を成すひずみ検知素子９，１０の検知結果の差をとると、下記式のようになり、縦分力Ｆ２と横分力Ｆ３の曲げが影響することがわかる。

ε３−ε４＝−εｂ１−εｂ３＋εｔ２−（εｂ１＋εｂ３＋εｔ２）
＝−２（εｂ１＋εｂ３） ・・・（式２）
ところで、応力σ、ひずみε、曲げモーメントＭの一般的関係式は、ヤング率Ｅと断面係数Ｚを用いて以下の通りに表される。

σ＝Ｅ・ε ・・・（式３）
σ＝Ｍ／Ｚ ・・・（式４）
したがって、式３と式４から下記関係が得られる。

Ｍ＝Ｅ・ε・Ｚ ・・・（式５）
ここで、横起歪体３において縦分力Ｆ２により生じる曲げモーメントＭｖは、作用部１３とひずみ検知素子７，８との距離Ｘを用いて下記式のように表される。

Ｍｖ＝Ｆ２・Ｘ
⇔Ｆ２＝Ｍｖ／Ｘ ・・・（式６）
式１と式５を用いて式６を変形すると、以下の関係式が得られる。

Ｆ２＝Ｅ・εｂ２・Ｚ／Ｘ
＝Ｅ［（ε１−ε２）／２］Ｚ／Ｘ
＝Ｋ１（ε１−ε２） ・・・（式７）
式７のＫ１（＝Ｅ・Ｚ／２Ｘ）はその荷重センサ固有の定数となるため、事前に実験から求めておくことができる。式７の（ε１−ε２）の値は、例えば図５に示すようなブリッジ回路を用いて求めることができる。図中ブリッジ回路の出力ｅは、印加電圧Ｅａとゲージ率Ｋを用いた以下の関係を満たす。

ｅ＝１／４・Ｅａ・Ｋ（ε１−ε２）
また、縦起歪体２において横分力Ｆ３と縦分力Ｆ２により生じる曲げモーメントＭｈは、作用部１３とひずみ検知素子９，１０との縦方向の距離Ｙと、作用部１３とひずみ検知素子９，１０との横方向の距離Ｌとを用いて、下記式のように表される。

Ｍｈ＝Ｆ３・Ｙ＋Ｆ２・Ｌ
⇔Ｆ３＝（Ｍｈ−Ｆ２・Ｌ）／Ｙ ・・・（式８）
式２と式５を用いて式８を変形すると、以下の関係式が得られる。

Ｆ３＝［Ｅ・（εｂ１＋εｂ３）・Ｚ−Ｆ２・Ｌ］／Ｙ
＝［Ｅ・−（ε３−ε４）１／２・Ｚ−Ｆ２・Ｌ］／Ｙ
＝Ｋ２・（ε３−ε４）＋Ｋ３・Ｆ２ ・・・（式９）
式９のＫ２（＝−Ｅ・Ｚ／２Ｙ）とＫ３（＝−Ｌ／Ｙ）はその荷重センサ固有の定数となるため、事前に実験から求めておくことができる。式９の（ε３−ε４）の値は、例えば図６に示すようなブリッジ回路を用いて求めることができる。図中ブリッジ回路の出力ｅは、印加電圧Ｅａとゲージ率Ｋを用いた以下の関係を満たす。

ｅ＝１／４・Ｅａ・Ｋ（ε３−ε４）
そして、演算装置にて式８、式９等を用いて横分力Ｆ３と縦分力Ｆ２を演算して得ることができれば、合力Ｆ１の大きさや角度θは、下記式によって求められる。

Ｆ１＝（Ｆ３^２＋Ｆ２^２）^１／２ ・・・（式１０）
ＴＡＮθ＝Ｆ３／Ｆ２ ・・・（式１１）
したがって、本例の荷重センサにあっては、上記の加工性が良好であって安価に提供可能な構成によって、所定平面内で作用する外力の２軸方向の分力を演算することができる。また、本例の荷重センサにあっては、更に所定平面内で作用する合力の大きさや方向を演算することができ、加工性が良好であって低価格で提供可能な角度・荷重検知センサともなる。

次に、図７や図８に基づいて各種の変形例について説明する。なお、以下においては各例の特徴部分について述べるに留める。

図７には、縦起歪体２を支持体Ｓに固定するために設けた固定部１２の、各種変形例を示している。図１や図２に示した上記実施例では、固定部１２を、縦起歪体２から一直線状に延設しているが、図７（ａ）に示す変形例では、固定部１２を、縦起歪体２とは直交する方向に延設している。また、図７（ｂ）に示す変形例では、固定部１２を、縦起歪体２とは鋭角である角度αを成す方向に延設している。

このように、固定部１２の形状を適宜設定することにより、Ｌ字型起歪部材１を支持体Ｓに固定させる姿勢が任意に設定可能となる。いずれの姿勢でＬ字型起歪部材１を固定した場合であっても、Ｌ字型起歪部材１の縦方向および横方向を含む所定平面内にて作用する横分力Ｆ３と縦分力Ｆ２の大きさや、合力Ｆ１の大きさおよび角度を検知することができる。

図８には、横起歪体３の先端側に外力を作用させるための作用部１３の、各種変形例を示している。図１に示した上記実施例では、作用部１３を、Ｓ字状の引掛金具である外力作用部材１５を回動自在に係止させるための挿通孔５により形成しているが、図８（ａ）に示す変形例では、作用部１３を、Ｌ字型起歪部材１の幅方向を軸方向とするように円柱状の棒部材２０を固定することで形成している。上記棒部材２０は、その軸方向両端に紐状の外力作用部材（図示せず）を回動自在に引掛けるためのものである。

図８（ｂ）に示す変形例では、作用部１３を、横起歪体３の先端側から凹設した溝部２２内に棒部材２０を掛け渡すことより形成している。上記棒部材２０は、Ｓ字状の引掛金具である外力作用部材１５の一端側を回動自在に引掛係止させるためのものである。図８（ｃ）に示す変形例では、作用部１３を、横起歪体３の先端部に固定したコ字金具２３と、上記コ字金具２３に固定したレバー部材２４と、レバー部材２４の先端部に設けた棒部材２０とで形成している。上記棒部材２０は、その軸方向両端に紐状の外力作用部材（図示せず）を回動自在に引掛けるためのものである。また、図８（ｄ）に示す変形例では、作用部１３を、横起歪体３の先端部に固定したコ字型の板状金具２６と、上記板状金具２６に形成した一対の挿通孔５とで形成している。この挿通孔５は、棒状の外力作用部材（図示せず）を回動自在に貫通させるためのものである。

上記したいずれの変形例においても、外力作用部材１５は横起歪体３の作用部１３に対して、Ｌ字型起歪部材１の縦方向および横方向を含む所定平面内にて回動自在となっている。これにより、作用部１３に曲げモーメントが生じることが防止され、外力作用部材１５を介して作用部１３に作用する外力を正確に検知することが可能となる。

本発明の実施形態における一例の荷重センサの斜視図である。 同上の荷重センサに外力が作用する様子を示す説明図である。 同上の荷重センサに横外力が作用する様子を示す説明図である。 同上の荷重センサに縦外力が作用する様子を示す説明図である。 同上の荷重センサにおいて用いるブリッジ回路の説明図である。 同上の荷重センサにおいて用いる他のブリッジ回路の説明図である。 （ａ）、（ｂ）は同上の荷重センサが有する固定部の変形例を示す説明図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、同上の荷重センサが有する作用部の変形例を示す説明図である。 従来の荷重センサの斜視図である。 従来の他の荷重センサの斜視図である。

符号の説明

１ Ｌ字型起歪部材
２ 縦起歪体
３ 横起歪体
７ ひずみ検知素子
８ ひずみ検知素子
９ ひずみ検知素子
１０ ひずみ検知素子
１２ 固定部
１３ 作用部
１５ 外力作用部
Ｆ１ 合力
Ｆ２ 縦分力
Ｆ３ 横分力

Claims (6)

1. 一端側に固定部を有する縦起歪体の他端側から直交方向に横起歪体を延設するとともに該横起歪体の先端側には外力が作用する作用部を形成して成るＬ字型起歪部材と、前記縦起歪部の表裏略同位置および前記横起歪部の表裏略同位置に配置したひずみ検知素子と、前記横起歪体の作用部に作用する外力のうち前記横起歪体に平行な横分力と前記縦起歪体に平行な縦分力とを前記ひずみ検知素子の検知結果に基づいて演算する演算装置と、を具備することを特徴とする荷重センサ。
2. 前記Ｌ字型起歪部材は、厚みが一定の板金をＬ字状に湾曲加工したものであることを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
3. 前記演算装置は、横分力と縦分力を基に合力を演算するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷重センサ。
4. 前記演算装置は、横分力と縦分力を基に合力の方向を演算するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の荷重センサ。
5. 前記横起歪体の作用部には、外力を作用させるための外力作用部材を回動自在に接続させていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の荷重センサ。
6. 前記ひずみ検知素子は、ひずみゲージ、圧電素子または半導体素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の荷重センサ。
   
   

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