JP4133831B2 - 力センサ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

発明の分野および背景
本発明は、計測しようとする力と支持力とがかかる２つの力入力要素を備える力センサに関する。この２つの力入力要素は、実質的に回転対称であり、軸方向に間隔を空けて配置されている。計測しようとする力と支持力とは、半径方向にかかる。２つの力入力要素間に軸方向に配置されたスプリング要素が、これらの要素を連結し、その荷重依存変形が電気信号に変換される。

この種の力センサは、例えば、米国特許第６，００２，０９０号により公知である。この種の力センサにおいては、一般に、計測方向の力が、可能な最大の出力信号を生成するのに対して、それに直角な方向の力は、まったく出力信号を生成しない（横方向感度がない）のが望ましい。この目標は、発生する荷重依存変形を計測するための歪みゲージを巧妙に配置することによって実質的に達成される。このことは、計測方向においては個々の歪みゲージの信号を加算するが、計測方向に直角な方向においてはそれらを減算することによって達成される。そのとき、機械設計および歪みゲージにおけるわずかな非対称性による残留信号のみが残留する。この残留誤差を補正するために、米国特許第６，００２，０９０号によれば、計測方向に感度を有する歪みゲージに加えて、追加の歪みゲージが、スプリング要素上に配置される。これらの追加の歪みゲージは、計測方向に直角な方向に感度があり、その信号が、計測方向における歪みゲージの信号中の誤差を補正する。しかしながら、これらの追加の歪みゲージおよびそれぞれの電子回路は、これらの力センサの製造をより高価なものにする。

発明の目的
したがって、本発明の目的は、プリアンブルに定義するタイプの力センサであって、純粋に機械的手段によって、すなわち歪みゲージなどの追加の計測要素を用いることなく、また追加の電子解析機器を用いることなく、その横方向感度を低下させた、力センサを提供することである。

発明の概要
本発明によれば、上記目的は、スプリング要素を包囲するガイド要素によって、２つの力入力要素をさらに相互連結することによって達成される。少なくとも２つの連結ロッドからなる平行ガイドとして、ガイド要素は、計測しようとする力の方向に直角な方向よりも、その力の方向において明らかに柔軟である。

これによって、２つの力入力要素間の追加のガイド要素のせいで、スプリング要素への力分路（force shunt）が生じ、その結果、かかった力の一部分だけがスプリング要素に作用する。追加のガイド要素の硬さが、方向によって異なるために、この割合は、力の方向に応じて変わる。追加のガイド要素は、計測方向において比較的柔軟であり、スプリング要素を通過する力成分が、比較的大きい。しかしながら、計測方向と直角方向には、追加のスプリング要素は硬く、このために、かかった力のほとんどを吸収する。したがって、計測方向に直角方向の力は、大幅に減少した形態でのみ、スプリング要素に到達する。したがって、スプリング要素上の歪みゲージの幾何学形状、およびホイートストンブリッジ（Wheatstone bridge）への接続による、既知の対策は、計測方向に直角な力の出力信号をほとんどゼロに減少させるのに十分である。

ガイド要素を実質的に管の形態に設計し、スプリング要素を管の内部で軸方向に配置し、かつ平行ガイドを管壁にある少なくとも１つの横方向穴によって製作する場合に、製造において有利な、特に空間節約型の実施態様が得られる。したがって、ガイド要素は、残りの力センサの実質的に回転対称な設計に適応するとともに、自動旋盤での同一作業において製造することができる。このことは、力入力要素およびガイド要素が、一体部品として設計されている場合に特に当てはまる。平行ガイドを形成するための横方向穴（単数または複数）は、チャッキングをやり直す必要なしに、マシニングセンタに装着することができる。

その他の有利な実施態様は、従属クレーム４〜１０から導き出すことができる。

好ましい実施態様の詳細な説明
以下に概略図を参照して本発明をより詳細に説明する。
力センサ１の側面図を、簡単にするためにスプリング要素を除いて、図１に示してある。スプリング要素２は、図２に側面図でも示してある。装着された状態において、スプリング要素の前部２１は、止り穴（blind hole）７の端部領域８と力固定（force-locked）で連結されており、一方でスプリング要素の後部２２は、止り穴の領域９に連結されている。

力センサ１は、対称軸１０に対して実質的に回転対称になるように設計されている。計測しようとする力および支持力は、図１において２つの矢印１１によって示されるように、最初に、ねじ１５を有し、フランジ６に隣接するカラー５に作用し、次いで、ねじ１３を有するアクスルスタンプ３に作用する。このように、フランジ６付きのカラー５およびアクスルスタンプ３が、２つの力入力要素を形成する。装着の際に力センサの力計測を正確に位置合わせするために、アクスルスタンプ３は、後部領域において四辺形４となっている。この四辺形の前部および後部の境界面は、計測の方向に平行であり、上部および下部の境界面４’は、計測の方向に直角である。四辺形の代わりに、例えば、方位補助具（orientation aid）を力センサの位置合わせのために設けることもできる。２つの力入力要素５／６と３との間に、最初にスプリング要素２、２番目にガイド要素１２がある。ガイド要素１２は、アクスルスタンプ３に連結された安定領域１８と、ネック領域１７を介してカラー５に連結された安定領域１９と、平行ガイドの形態で領域１８と１９を連結する３つの連結ロッド１４とからなる。３つの連結ロッド１４は、横方向穴１６を介してガイド要素１２から削り出され、このガイド要素のその他の部分はこの位置で管状である。ガイド要素をこのように設計することによって、ガイド要素は、計測しようとする方向に比較的柔軟であるが、その直角方向には、明らかに高い剛性を有する。例えば、計測しようとする力１１の方向の剛性は、１ＭＮ／ｍｍに達するだけであるのに対して、それに直角な方向の剛性は、１０００ＭＮ／ｍｍに達する。

図２に側面図で示すスプリング要素２、すなわち、図１の残りの力センサと全く同様に、力センサ１の止り穴７内に位置している。図３は、スプリング要素２の正面図、すなわち図２と比較し９０°回転させた図である。スプリング要素２は、例えば、中実円筒を両側からミリング加工して製作することができる。スプリング要素２の前部２１は、力センサを組立てるときに、溶接、接着、収縮嵌めまたはその他の方法で、止り穴７の端部領域８に力固定（force locked）して取り付けられる。中間部２３は、図１でわかるように、この領域では止り穴７の直径が大きいために、壁とはまったく接触しない。スプリング要素２の段部２２のみが、止り穴７の領域９で壁部と接触し、そこに溶接、接着、収縮またはその他の方法で接合される。スプリング要素２の後部領域２６は、図１による力センサの設計においては止り穴７の直径がそこではさらに大きいために、再び自由になっている。端部において、スプリング要素２はスロット２７を有し、このスロットは、設置に際して、スプリング要素を計測の方向に対して位置合わせするのを容易にする。スプリング要素２はまた、連続横方向穴２４を有して、それによって、歪みゲージを既知の方法で貼り付ける比較的肉薄の材料の領域のみが両側に残留する。

スプリング要素２と上述のように周辺にガイド要素１２を配置することによって、２つの要素は、力に関して平行に連結される。これによって計測力、および横方向力も、２つの経路に分割され、力成分の比が、それぞれの剛性の比に基づく状態となる。ガイド要素１２の剛性が、例えば、計測方向に１ＭＮ／ｍｍ、それと直角の方向に１０００ＭＮ／ｍｍであり、スプリング要素２の剛性が計測方向において１０ｋＮ／ｍｍであり、それに直角の方向に１００ｋＮ／ｍｍである場合には、計測方向においては作用力のせいぜい１％がスプリング要素２に作用し、その直角方向においては、せいぜい０．０１％だけが作用する。ガイド要素１２の剛性が２つの方向において大きく相違するために、横方向力は、計測しようとする力よりも、１００分の１程度の少ない量で、歪みゲージを備えるスプリング要素１２に伝達される。このことから、スプリング要素２上に歪みゲージを幾何学に配置し、それを接続してホイートストンブリッジを形成する既知の方法と合わせることによって、出力信号に対する横方向力の影響を大幅に抑制することが可能となり、全体計測精度においてその影響がなくなる。

図１において、２つの力入力要素３および５／６ならびにガイド要素１２は、一体部品として設計されている。この設計によって、確実にヒステリシスが低くなる。記述した数値例による形状寸法によって、計測力の９９％がガイド要素１２を介して容易に誘導され、そのために、ガイド要素のヒステリシスが低いことによって、力センサ全体のヒステリシスが低くなる。

図４は、力センサ１にねじ込むことができるスリーブ３１の側面図である。スリーブ３１は、回転対称に設計されており、対称軸３０を有する。このスリーブは、その芯穴（core bore）３２内に内面ネジ３３を有し、この内面ネジは、力センサ１の外面ネジ１５にねじ込むことができる。その外側には、スリーブ３１は、止りフランジ（blind flange）３４および外面ねじ３５を有し、力入力要素である、フランジ６を備えるカラー５を、このスリーブによって拡大することができる。次いで、所与の力センサ設置例の要件に応じて、外部ネジ３５、またはネジなし領域、またはフランジ３４に、力をかけることができる。例えば、金属薄板を止りフランジ３４と外部ネジ３５上のナットとの間に締め付けた状態で、スリーブ３１付きの力センサを、金属薄板に設けた穴に装着することができる。このように止りフランジ３４の近傍で力を入力することによって、作用力と支持力（図１の力１１）の間の横方向距離は減少し、それによって対応すべきトルクが減少する。さらに、スリーブ３１は、環境影響（例えば、塵）に対する保護として、また半径方向の過負荷保護としても作用する。

図５は、力センサの別の実施態様を示す側面図である。図１および図２の同一の部品は、同一の参照番号を付してあり、重複して説明はしない。この差異は、ガイド要素の形態のみにあり、ガイド要素４２は、安定領域４８と４９を連結する、２つの連結ロッド４４を有する。連結ロッド４４は、２つの穴４６および長穴４５によって形成される。ガイド要素内の第３の連結ロッドをなくしたことによって、計測すべき力１１の方向における剛性は、図１による実施態様の剛性の２／３にしか達しない。計測しようとする力に直角の方向の剛性も、ほぼ同じ係数で低下し、そのために、これらの２つの変更態様に対して、横方向力の抑制はほぼ同等となる。

図５は、完成した力センサにおいて、連結ロッド４４内の肉薄の場所、およびスプリング要素２内の歪みゲージ下の肉薄の場所は、同一面内にあることを示している。このことは、図１および図２に示す力センサについても当てはまる。

スプリング要素なしの力センサの側面図である。 スプリング要素の側面図である。 スプリング要素の前面図である。 力センサ上にねじ込み可能なスリーブを示す図である。 力センサの別の実施態様の側面図である。

Claims (10)

1. 計測しようとする力と支持力（１１）とがかかる２つの力入力要素（３、５／６）であって、実質的に回転対称であるとともに、軸方向に間隔を空けて配置されており、前記計測しようとする力と前記支持力とが半径方向にかかる、前記２つの力入力要素と、前記２つの力入力要素の間に軸方向に配置されたスプリング要素（２）であって、該記力入力要素を連結するとともに、その荷重依存変形が電気信号に変換される、前記スプリング要素とを備える力センサであって、
   前記２つの力入力要素（３、５／６）が、ガイド要素（１２、４２）によってさらに接合されて、該ガイド要素が、スプリング要素（２）を包囲するとともに、前記ガイド要素が、少なくとも２つの連結ロッド（１４、４４）からなる平行ガイドとして、計測しようとする力（１１）に直角の方向よりも、その力の方向にはるかに柔軟であり、ガイド要素（１２、４２）が、実質的に管状に設計され、スプリング要素（２）が、管の内部（７）に軸方向に配置され、かつ、平行ガイドが管壁に設けた少なくとも１つの横方向穴（１６、４５、４６）によって形成されることを特徴とする、前記力センサ。
2. 計測しようとする力と支持力（１１）とがかかる２つの力入力要素（３、５／６）であって、実質的に回転対称であるとともに、軸方向に間隔を空けて配置されており、前記計測しようとする力と前記支持力とが半径方向にかかる、前記２つの力入力要素と、前記２つの力入力要素の間に軸方向に配置されたスプリング要素（２）であって、該記力入力要素を連結するとともに、その荷重依存変形が電気信号に変換される、前記スプリング要素とを備える力センサであって、
   前記２つの力入力要素（３、５／６）が、ガイド要素（１２、４２）によってさらに接合されて、該ガイド要素が、スプリング要素（２）を包囲するとともに、前記ガイド要素が、少なくとも２つの連結ロッド（１４、４４）からなる平行ガイドとして、計測しようとする力（１１）に直角の方向よりも、その力の方向にはるかに柔軟であり、ガイド要素（１２）が、３つの連結ロッド（１４）を有することを特徴とする、請求項１に記載の力センサ。
3. ガイド要素（１２、４２）が、２つの力入力要素（３、５／６）と共に、一部品として設計されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の力センサ。
4. 力入力要素（３）が、計測しようとする力の方向に対して力センサを正確に位置合わせするための、四辺形（４）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の力センサ。
5. 力入力要素（３）が、計測しようとする力の方向に対して力センサを正確に位置合わせするための、方向ピンを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の力センサ。
6. スプリング要素（２）が、２つの力入力要素（３、５／６）の間に溶接されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の力センサ。
7. スプリング要素（２）が、２つの力入力要素（３、５／６）の間に収縮嵌めされていることを特徴とする、請求項１または２に記載の力センサ。
8. スプリング要素（２）が、２つの力入力要素（３、５／６）の間に接着されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の力センサ。
9. スプリング要素（２）が、平面スプリングとして設計されて、中心横方向穴（２４）を有し、歪みゲージ（２５）が、前記横方向穴によって形成される肉薄の場所に配設されることを特徴とする、請求項１または２に記載の力センサ。
10. スリーブ（３１）をさらに有し、該スリーブは、力入力要素（５／６）上にねじ込まれることが可能で、ガイド要素（１２、４２）を包囲することを特徴とする、請求項１または２に記載の力センサ。

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