JP2011075494A - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】力センサ（ロードセル）用起歪体において、荷重位置によってもたらされる偶力の影響を消去する測定手法を提案し、また、必要によっては荷重位置を知る目的に用いる事ができること、その双方を用いることも可能となる測定法について提案し、さらに、起歪体を用いた場合の、簡便で有益な過負荷防止機構を提案し、加えて、起歪体を用いた場合に課題となる、溝部における過度の応力集中による疲労破壊を防ぐ適切な溝形状について提案することができる荷重センサを提供する。
【解決手段】四隅に歪みゲージを貼り付けた薄肉部を有し、薄肉部を形成する空洞がスリットで結合されている構造を有している。荷重方向と平行な２つの薄肉部間の距離aと、荷重方向と直交する２つの薄肉部間の距離bとの比が、ａ：ｂ=１：３〜３：１の範囲にある。荷重方向と平行のスリットが、荷重の増加に伴い衝突することにより過負荷防止機能を発揮する。
【選択図】図１

Description

本発明は、力センサに用いられる荷重センサに関するものである。

従来、力センサとして多く用いられているビーム型ロードセルは、平行平板構造を採りながらも、その２枚のはりの間隔（はり間距離）の効果を生かすことができていなかった。このことから、電子天秤などに用いられた場合、荷重位置によってもたらされる偶力の影響を完全に消去できない場合がある。加えて、有効な過負荷防止やひずみ検出部である溝部における疲労の問題などについても検討が行われていないことから、本機構の特徴をじゅうぶんに生かしきれていない。

例えば、平行平板構造を採るロードセルにおいて、その２枚のはりの間隔がせまいことに起因すると思われる、被計量物によってもたらされる荷重位置の影響を取り除くために、平行平板構造の基本的な変形機構を崩すという措置が行われている（例えば、特許文献１、２または３参照）。

また、過負荷防止については、起歪体に開けた穴に基部から平行ピンを通し、穴と平行ピンとの隙間によって過負荷差動点を決めるものや、セットスクリューの突き出し量による隙間をもって作動点を決めるものなど、過負荷防止の方法は多く提案されている。これら、他の部品を用いての過負荷防止は、その過負荷防止作動点の調整に高度な技術と労力とを要する（例えば、非特許文献１、２、特許文献４または５参照）。

過負荷防止機構について、荷重端側の負荷を起歪部においても負担するもの、あるいは支点側と荷重端側との間にある不感体の干渉によるもの、変位量が小さい部位での干渉によるものなど、溝付きはりの変形の特徴を用いたものもあるが、不感体部位の体積を大きくとっていることから測定における反応が遅くなること、などの問題点がある（例えば、特許文献６、７または８参照）。

溝部形状については、多くは円弧溝を用いたもので、応力集中の回避や取得できるひずみ信号値の大きさなどに着目したものはない。弾性ヒンジの分野で、応力の分散を考えての溝形状最適化の研究が行われてはいるが、高次の関数を用いたもので実用的とはいえない（例えば、非特許文献３参照）。

特開２００６−４７１１８号公報 特開２０００−２１４００８号公報 特開２００２−３６５１２５号公報 実用新案登録第３０８８３１５号公報 実開平５−３８５３５号公報 特開平９−２８８０１９号公報 特開２００４−４５２０５号公報 特開２００３−２４７８８６号公報

D. M.Stefanescu, T. Manescu, "Strain Gauges Emplacement Possibilities for Force/TorqueTransducers in Robotics", Proceedings of IMEKO-XV world Congress, 1999年, p.117-124 C. R.Flatau, "Force Sensing in Robots and Manipulators", Proceedings of 2ndInternational CISM IFToMM Symposium On the Theory and Practice of Robots andManipulators, 1976年, p.294-306 大岩孝彰、杉本俊彦、「弾性ヒンジの最適化に関する研究」、精密工学会誌、1997年、p.1454-1458

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、力センサ（ロードセル）用起歪体において、荷重位置によってもたらされる偶力の影響を消去する測定手法について提案をすることを目的としている。

また、必要によっては荷重位置を知る目的に用いる事ができること、その双方を用いることも可能となる測定法について示すことを目的としている。

さらに、起歪体を用いた場合の、簡便で有益な過負荷防止機構を提案することを目的としている。

加えて、起歪体を用いた場合に課題となる、溝部における過度の応力集中による疲労破壊を防ぐ適切な溝形状について提案することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る荷重センサは、四隅に歪みゲージを貼り付けた薄肉部を有し、前記薄肉部を形成する空洞がスリットで結合されている構造を有する荷重センサにおいて、荷重方向と平行な２つの薄肉部間の距離aと、荷重方向と直交する２つの薄肉部間の距離bとの比が、ａ：ｂ=１：３〜３：１の範囲にあることを、特徴とする。

本発明に係る荷重センサは、荷重方向と平行のスリットが、荷重の増加に伴い衝突することにより過負荷防止機能を発揮するよう構成されていることが好ましい。また、本発明に係る荷重センサは、固定端と起歪部と自由端とを有することが好ましい。本発明に係る荷重センサは、前記起歪部の構成部材が前記自由端より前記固定端に多く連結されていることが好ましい。本発明に係る荷重センサは、荷重点を中心点として、線対称位置に２個並列されていることが好ましい。

本発明に係る荷重センサは、両端部を各々荷重点側端部及び支点側端部として有し、両端部の間にＨ溝型形状の溝を持つ起歪部から成る平行平板はり構造の高指向性弾性はりとしてもよい。

また、前記Ｈ溝型起歪部の変形様を用いることにより、起歪部の加工段階で過負荷防止機構を付与することから、支点側と荷重端側の部位がある隙間をもって互いに接触する形状を有していてもよい。

さらに、適切な溝形状を構成することによって、前記Ｈ溝型起歪部の溝部における過度の応力集中を防ぎ、また必要となる多くのひずみ値を取得することから、応力を分散できる溝部形状を持っていてもよい。

本発明に係る荷重センサは、その荷重位置に関りなく、被計量物の荷重位置の影響を消去し、どのような位置に荷重されてもその実荷重のみを知る事を可能とする。

また、必要であれば、その荷重位置を知ることも、その両方を同時に知ることも可能とする。

Ｈ溝型はり方式を用いることにより、起歪体における変形の多くを力信号として取り出せることは公知となっている。しかし、このような溝付きはりにおいて、楕円の短軸と長軸との比を１／５程度とした楕円状の溝形状は、過度の応力集中を防ぐことができることから、起歪部の疲労破壊防止に貢献できる。また、その楕円溝形状は、その発生ひずみ値においても有利である。

さらに、Ｈ溝型はりの変形様を用いることにより、きわめて簡便に、しかも精度の高い作動点を持つ過負荷防止機構の付与を可能とする。この過負荷防止機構は、設計・加工段階で付与できることから、その生産性も上がる。また、他の部品を用いないことから、微小領域となる分野における機構の過負荷防止としても有用である。

本発明の実施の形態の荷重センサを示すＨ溝型はりの正面図である。 本発明の実施の形態の荷重センサの、平行平板はりにおける変形状態を示す横断面図である。 本発明の実施の形態の荷重センサの、Ｈ溝型はりにおける応力出現機構を示す横断面図である。 本発明の実施の形態の荷重センサに関連する、４節リンク機構（ロバーバル機構）における荷重位置の影響相殺原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態の荷重センサの、Ｈ溝型はりにおける各溝部の発生ひずみの様子を示す横断面図である。 本発明の実施の形態の荷重センサの、腕木の先に荷重位置を持ったＨ溝型はり構造を示す横断面図である。 図６に示すＨ溝型はりの荷重点による各溝部の発生ひずみ値についての解析結果を示すグラフである。 図６に示すＨ溝型はりの腕木長さを長くした場合のモデルの横断面図、および、ひずみ値の解析結果を示すグラフである。 図８に示すＨ溝型はりのはり間距離を狭くした場合のモデルの横断面図、および、ひずみ値の解析結果を示すグラフである。 図９に示すＨ溝型はりのはり間距離を変えた場合のモデルの横断面図、および、ひずみ値の解析結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の荷重センサの、腕木の先に荷重位置を持ったＨ溝型はりの、荷重位置をロードセルより離した場合の実モデルの横断面図、および、ひずみ値の実験結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の荷重センサの、腕木の先に荷重位置を持ったＨ溝型はりの、荷重位置をロードセル上に設けた場合の実モデルの横断面図、および、ひずみ値の実験結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の荷重センサの、はり間距離の狭いＨ溝型の起歪部を単列で用いた場合のモデルの横断面図、および、ひずみ値の解析結果を示すグラフである。 図１３に示すＨ溝型の起歪部のはり間距離を広くした場合のモデルの横断面図、および、ひずみ値の解析結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の荷重センサの、はり間距離の狭いＨ溝型の起歪部を複列で用いた場合のモデルの横断面図、および、ひずみ値の解析結果を示すグラフである。 図１５に示すＨ溝型の起歪部のはり間距離を広くした場合のモデルの横断面図、および、ひずみ値の解析結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の荷重センサの、Ｈ溝型の起歪部を産業用機器の把持指として用いた場合のモデルの横断面図である。 従来のＨ溝型はりの過負荷防止機構のモデルの横断面図、および、ひずみ値の実験結果を示すグラフである。 従来のＮ型過負荷防止機構のモデルの横断面図である。 本発明の実施の形態の荷重センサの、過負荷防止機構のモデルを示す横断面図である。 本発明の実施の形態の荷重センサの、Ｈ溝型の起歪部に楕円溝を用いた場合のモデルの斜視図、および、はりのたわみの解析結果を示すグラフである。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図２１は、本発明の実施の形態の荷重センサを示している。
図１に示すように、本発明の実施の形態の荷重センサは、高指向性弾性はりであるＨ溝型はりを起歪体として用いることにより、荷重位置によってもたらされる偶力の影響除去と荷重位置情報とを同時に得ることができる。つまり、はりにおいて、支点側となる部位(1)と荷重点側となる部位(2)との間に、Ｈ溝型の起歪体(3a)、(3b)を構成したロードセルにおいて、溝部(4a)、(4b)あるいは(4c)、(4d)あるいは(4a)、(4b)、(4c)、(4d)における発生ひずみを合計することで、荷重位置によらず実荷重を知る事ができる。また、(4a)、(4c)あるいは(4b)、(4d)のひずみ値のみを個別に、あるいは合わせて取得することで、荷重位置情報を知る事ができる。これは、Ｈ溝型はりが平行平板はり構造の進展型であることからもたらされる変形様によるものである。また、同時に、平行平板はり構造の変形様を用いることによって、他の部品を用いることなく簡便に過負荷防止機能を付与できる。これは、はりに設けた剛体はり部(5)が、変形の進行によって荷重点側となる部位(2)の凹部に接触することから、その変形の進行が止まる現象を用いたものである。

本発明の実施の形態の荷重センサの荷重測定機構は、両端部を各々荷重点側端部および支点側端部として有し、両端部の間にＨ溝型平行平板構造を持つ起歪部とから成り、その平行はりを成す２枚のはり間距離を適切に取るものとする。じゅうぶんなはり間距離（h）を取る事ができない場合には、荷重端側と支点側とが互いに対抗する形となった複列式起歪部構造をとる（図１５参照）。

そのうえで、Ｈ型はり構造の溝部を成す部位におけるひずみ信号値の組み合わせによって、荷重端側に伸びたはりにおける荷重位置の影響を除去する。あるいは、積極的に荷重位置を知ることにも、その双方を同時に知ることにも用いる。

また、Ｈ溝型起歪部において、支点側はり端部から伸びた部材が、はりの荷重端側凹部に達する形状としたうえで、双方の成す隙間によって過負荷時の変形の進行を止める。

さらに、Ｈ溝型起歪部において、その溝部形状を、これまでの円弧あるいは角溝形状から、楕円の短軸と長軸との比を1/5程度とした楕円形状とする。

本発明の実施例である荷重位置に起因する偶力の影響の相殺機構について、図２〜図１７を用いて説明する。

図２は、平行平板はりの横断面形状で、はり長さ（l）に比較して板厚（t）はじゅうぶんに薄いものとする。このようなはりの自由端(2)に荷重（F）を加えると、上はりの支点側(1)表面（a）には引張応力が生じ、自由端側（b）には圧縮応力が生ずる。また、下はりの支点側表面（c）には圧縮応力が生じ、自由端側（d）は引張応力が生ずる。このことによって、端面は、ほぼ平行に変位する。このことは公知となっている。

同様に、図２において、平行平板はりの端面を平行に変位させる偶力（M）は、両はりのはり間距離（h）によってもたらされることから、（h）の小さい段階では単板はりと同様の変形様を併せて持つこととなる。

図３は、Ｈ溝型はりの横断面形状で、基本的形状は公知となっているロードセルと同様である。また、その基本的な変形様が平行平板はりと同様であることから、平行平板はりの捩れに抗することを目的とした進展型ととらえられる。このことから、自由端に荷重すると、その溝部には図３のような引張応力/圧縮応力が生ずる。このことも公知である。

図４は、上皿天秤における荷重位置相殺機構（ロバーバルのバランス機構）を説明するための４節リンク機構モデルである。平行四辺形を形作るリンクにおいて、自由端側のリンク（b-d）に腕木（l_arm）を伸ばし、任意の位置に荷重（F）を加えたとする。このモデルにおいて、回転節（a）（b）（c）（d）の回転に抵抗がない場合には、腕木長さによる偶力（-Mbd）によって引き起こされる上側リンク（l1）と下側リンク（l2）にかかる力（-Mb1，Md1）が、互いに向きの違う等しい大きさであることから相殺され、リンク（b-d）には（-Fy）方向の力のみ加わることになる。

図５は、Ｈ溝型はりの各溝部を、前述の４節リンク機構の回転節になぞらえ、上記の現象をＨ溝型はりに重ねて検討を行ったものである。はりの自由端（２）に荷重した場合のＨ溝型はりにおける各溝部（a，b，c，d）の応力は、平行平板はりと同様の変形となることから、図５に示すように、溝部（a）では溝の外側には引張応力が生じ、内側には圧縮応力が生ずる。同様に溝部（b）では、溝の外側には圧縮、内側には引張、溝部（c）では溝の外側には圧縮、内側には引張、溝部（d）では溝の外側には引張、内側には圧縮の応力が生ずる。

このＨ溝型はりの自由端（溝部cと溝部dとの間のリンク）に設けた腕木に荷重した場合、ロバーバル機構の例と同じく、溝部(b)と溝部（d）との間のリンク（（２）の部位）には、時計回りの偶力が働くこととなる。ロバーバル機構の場合には、回転節に摩擦がないことから、図４におけるFxによって引き起こされる影響が、Fyに比べて無視できるほど小さかったのが、図５のＨ溝型はりの場合には、回転節となる溝部に大きな回転抵抗があることから、図５に示すように、上はりには引張力、下はりには圧縮力が加わることとなる。

このことから、図６に示すような、腕木の先に荷重位置を持ったＨ溝型はり構造の溝部における応力は、はり外側の溝部（a）においては、平行平板はりの変形様によってもたらされた引張応力に腕木長さによって加わる引張力が加わることから、その応力は増大する。溝部（b）においては、平行平板はりの変形様によってもたらされた圧縮応力に腕木長さによって引張力が加わることから、その応力は減少する。下側はり外側の溝部（c）においては、平行平板はりの変形様によってもたらされた圧縮応力に腕木長さによって加わる圧縮力が加わることから、その応力は増大する。溝部（d）においては、平行平板はりの変形様によってもたらされた引張応力に腕木長さによって圧縮力が加わることから、その応力は減少する。はり溝部の内側（a',b',c',d'）においては、応力の向きが逆となることから、傾向は逆となるが、表れる現象は同じである。

図７は、このことを確認するために行った有限要素法を用いた図６における発生ひずみ値についての解析結果の例である。はり溝部の外側では、支点側（a，c）の値が大きく、荷重端側（b，d）で小さくなっている。また、溝部の内側では、支点側で小さく荷重端側で大きくなっている。このことは、上記の推計が正しいことを裏付けるものである。

図８は、同様に上記の検証に用いたモデルで、腕木長さを長くした場合の荷重点の影響を調べたものである。図８（a）において、支点側溝部（a）（c）においては、荷重点の腕木長さが長くなるにしたがって値は大きくなり、逆に荷重点側の溝部（b）（d）においては，次第に小さくなる。しかし、図８（b）のように、双方の値を合算することによって、その偶力による影響は相殺される。なお、モデルにおいて取得したひずみ値は、はりの表面側のみについてである。

図９は、平行平板はり構造におけるはり間距離（h）の影響を調べることから、Ｈ溝型はりのはり間距離を小さくした場合のモデルおよびFEAによる解析結果である。２枚のはり間きょり（h）によって作り出される偶力（M）が小さいことから、腕木長さによってもたらされる逆向きの偶力の影響を相殺できず、荷重点長さに応じて出力ひずみが増大している。

図１０は、前述のことを詳細に検証するために行ったＦＥＡの結果である。はり間距離（h）を増やしていくにしたがって、4点の溝部におけるひずみ信号の合計値は、荷重点位置に関り無く一定値となる。このことから、適正なはり間距離（h）をとることによって、荷重点による影響を相殺できることがわかる。

図１１および図１２は、これらのことを確認するために行った実モデルによる実験結果である。ロードセルモデルはＡ2017製で、はり長さ(35mm)、溝部厚さ(1mm)、溝部長さ(5mm)、はり間距離(20mm)、はり厚さ(6mm)としたうえで、荷重する腕部を自由端側に突き出したモデル、および、腕部を起歪体の上部に折りたたんだモデルである。双方とも、これまでのＦＥＡの結果と同様の結果である。

図１３、図１４、図１５および図１６は、前述の検討結果を荷重計のロードセルとして用いた場合についての検討結果である。
図１３は、はり間距離（h）が、はり部長さ（l）と溝部厚さ（t）とに比して狭いＨ溝型の起歪部を単列で用いた場合の例である。図１３中の発生ひずみ値は、ＦＥＡにおける４点の溝部の合計で、荷重計にみたてたモデルの左右端に行くに従って偶力の影響を受けて、その値は大きくなっている。

図１４は、図１３のモデルに比べて、そのはり間距離（h）を大きくした場合の例である。図１３同様、図１４中の発生ひずみ値は、ＦＥＡにおける４点の溝部の合計であるが、図１３に比して、そのひずみ値は全体的に平坦となっており、荷重位置によってもたらされる偶力の影響を相殺できているのがわかる。

図１５は、はり間距離（h）が、はり部長さ（l）と溝部厚さ（t）とに比して狭いＨ溝型の起歪部を複列で用いた場合の例である。図１３のモデルに比べて、その解析結果におけるひずみ値はかなり平坦となる。このような構成は、荷重計の高さ方向の寸法を小さくしたい場合に有用である。
図１６は、図１５のモデルのはり間距離を大きくしたもので、解析結果におけるひずみ値は、じゅうぶんに平坦となる。

図１７は、Ｈ溝型の起歪部を産業用機器の把持指として用いた場合のモデル図である。図１７中のE1〜E4は、溝部に配置されたひずみ検出素子である。また、図１７中の黒丸は、被把持物体である。物体の把持時において、このE1〜E4までの取得ひずみ信号を合計することで、把持位置に関係なくその把持力のみを知る事ができる。また、E1とE3とにおけるひずみ信号を用いることで、その把持位置を知る事ができる。さらに、必要であれば、その双方を同時に用いることも可能である。対となっている指部の開き度をエンコーダーなどを用いて知る事ができれば、物体の大きさもわかる。このことから、これまでカメラ画像などからの信号に頼っていた物体の把持情報を、力信号を用いることで代用できることから、その構成が簡素となり有用である。

図１８、図１９および図２０は、溝型はりにおける過負荷防止機構の例である。
図１８は、これまで申請者等が論文において発表してきた公知の方法である。セットスクリューや平行ピンを用いたものに比べ、他の部品を用いての組立・調整作業がないことから、きわめて簡便で有用な手法である。設計段階でその作動点を決められることから、その作動精度も高い。また、図１９は、はり間距離が小さい場合などに有効となるＮ型の溝形状の例である。しかし、これら図１８および図１９においては、過負荷防止の役を担う部位（不感体部）が起歪体を構成するはりであることから、過負荷時には起歪部にも負担が加わることになる。そこで新たに、図２０のような構成を提案する。本構造では、過負荷を受けるのは基部(1a)から伸びた荷重受け部(1b)であり、過負荷となった荷重を全て担うことになる。また、その作動点は、これまで同様、溝部の溝幅(s)の大きさによって決まる。Ｈ溝型はり構造をロードセルとして用いた場合の感度向上手段としては、溝部の厚さを薄くすることと、はり長さを長くすることとで可能となる。一般的に、溝部厚さは、その加工において制限がある。このことから、はり長さを長くとることになれば、図１８および図１９の構造では、その作動点を決める溝幅が極めて小さな値となることから、形状によっては構成が不可能となる。しかし、図２０の構造であれば、そのはり終端の変位が作動点の溝幅となることから、はり間距離に比してはり長さの長い場合にも、作動点の溝幅を確保しやすくなる。

図２１は、Ｈ溝型の起歪部に短軸と長軸との比が1/5の楕円溝を用いた場合の変位について、材料力学的計算値とＦＥＡの結果とについて、計算の容易な角溝と比較して示したたものである。楕円溝は、多く用いられている円弧溝に比べ、その応力が溝部全体に分散されていることから、溝付きはりの課題となる溝部の金属疲労を抑え、その寿命を延ばす事ができる。また、その変位計算の容易な角溝に比べ、取得ひずみ値が大きく、極端な集中応力もない。図１６の結果より、本過負荷防止機構の作動点を材料力学的手法による計算によって求める場合には、その楕円溝部における面積を角溝の面積として換算することで、その計算された変位に大きな違いがない事から、簡便かつ有用な手法である。

１ 支点側となる部位
２ 荷重点側となる部位
３ａ、３ｂ 起歪体
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 溝部
５ 剛体はり部

Claims (5)

1. 四隅に歪みゲージを貼り付けた薄肉部を有し、前記薄肉部を形成する空洞がスリットで結合されている構造を有する荷重センサにおいて、荷重方向と平行な２つの薄肉部間の距離aと、荷重方向と直交する２つの薄肉部間の距離bとの比が、ａ：ｂ=１：３〜３：１の範囲にあることを、特徴とする荷重センサ。
2. 荷重方向と平行のスリットが、荷重の増加に伴い衝突することにより過負荷防止機能を発揮するよう構成されていることを、特徴とする請求項１記載の荷重センサ。
3. 固定端と起歪部と自由端とを有することを、特徴とする請求項１または２記載の荷重センサ。
4. 前記起歪部の構成部材が前記自由端より前記固定端に多く連結されていることを、特徴とする請求項３記載の荷重センサ。
5. 荷重点を中心点として、線対称位置に２個並列されていることを、特徴とする請求項１、２、３または４記載の荷重センサ。