JP6966930B2

JP6966930B2 - 荷重検出装置

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Publication number: JP6966930B2
Application number: JP2017222016A
Authority: JP
Inventors: 克道杉原
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Filing date: 2017-11-17
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Description

本発明は、荷重検出装置に関する。

円筒状の起歪体と起歪体の周面に取り付けられた歪ゲージとを有するセンターホール型の荷重検出装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の荷重検出装置では、起歪体が、肉厚の厚い上方剛体部及び下方剛体部と、上方剛体部と下方剛体部との間に設けられる肉厚の薄い起歪部と、を有している。

特開平５−１８０７０７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の荷重検出装置では、歪ゲージが、その長手方向が荷重検出装置の軸方向に沿うように起歪部に取り付けられ、起歪部の上下には剛体部が設けられているので、荷重検出装置が軸方向に大きくなってしまうという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、荷重検出装置を小型化することを目的とする。

第１の発明は、荷重検出装置であって、円筒状の起歪体と、起歪体の歪みを検出する歪ゲージと、を備え、起歪体は、非拘束で支持される軸方向一端部に設けられる円環状の環状凹部と、軸方向他端部における環状凹部の反対側に、軸方向外方に向かって凸状に形成され外部荷重が作用する荷重受け部と、環状凹部を区画する円筒状の内側脚部及び円筒状の外側脚部と、を有し、歪ゲージは、環状凹部の底面における荷重受け部の頂面の真裏に取り付けられ、荷重受け部は、内側脚部及び外側脚部によって支持された両持ち梁構造であり、内側脚部及び外側脚部を支点として変形可能であることを特徴とする。

第１の発明では、歪ゲージが環状凹部の底面に取り付けられるので、起歪体の軸方向長さを短くできる。また、荷重受け部の頂面の真裏に歪ゲージが取り付けられるので、歪ゲージで検出される伸び歪に基づいて荷重を検出することができる。これにより、環状凹部の側面近傍の底面に歪ゲージを取り付けて圧縮歪を検出する場合に比べて、荷重検出装置の径方向の小型化を図ることができる。

第２の発明は、荷重受け部が、湾曲状の湾曲部とされ、湾曲部の頂面に、外部荷重が作用することを特徴とする。

第２の発明では、湾曲部としての荷重受け部の頂面に荷重が作用するので、荷重が作用したときにおける起歪体の応力集中を抑制できる。

第３の発明は、環状凹部には、環状凹部の底面と側面とを接続する湾曲面が設けられる
ことを特徴とする。

第３の発明では、環状凹部に湾曲面を設けることで、荷重受け部に荷重が作用したときにおける起歪体の応力集中をさらに抑制できる。

第４の発明は、荷重検出装置であって、円筒状の起歪体と、起歪体の歪みを検出する歪ゲージと、起歪体の軸方向一端部を非拘束で支持する支持部材と、を備え、起歪体は、非拘束で支持される軸方向一端部に設けられる円環状の環状凹部と、軸方向他端部における環状凹部の反対側に、軸方向外方に向かって凸状に形成され外部荷重が作用する荷重受け部と、環状凹部を区画する円筒状の内側脚部と円筒状の外側脚部と、を有し、支持部材は、内側脚部の先端部に当接し、内側脚部の径方向の変形にともなって径方向へ変形する内側当接部と、外側脚部の先端部に当接し、外側脚部の径方向の変形にともなって径方向へ変形する外側当接部と、を有し、歪ゲージは、環状凹部の底面に取り付けられることを特徴とする。

第４の発明では、歪ゲージが環状凹部の底面に取り付けられるので、起歪体の軸方向長さを短くできる。また、荷重受け部に荷重が作用したときに、支持部材の内側当接部及び外側当接部が起歪体の内側脚部及び外側脚部とともに変形するので、内側脚部及び外側脚部が支持部材上で滑ることを抑制することができる。これにより、荷重受け部への荷重を増加させるときに歪ゲージで検出される歪と、荷重受け部への荷重を減少させるときに歪ゲージで検出される歪との間のヒステリシスを低減することができる。

第５の発明は、支持部材は、内側当接部が、起歪体の荷重受け部に作用する荷重に応じて変形する内側脚部の先端部の移動量と同程度の移動量で先端が移動するように変形し、外側当接部が、起歪体の荷重受け部に作用する荷重に応じて変形する外側脚部の先端部の移動量と同程度の移動量で先端が移動するように変形するように形成されることを特徴とする。

第５の発明では、荷重受け部に荷重が作用したときの起歪体の内側脚部と外側脚部との間の広がりと、支持部材の内側当接部と外側当接部との間の広がりを同程度としたので、歪ゲージで検出される歪のヒステリシスをより効果的に抑制することができる。

第６の発明は、荷重検出装置であって、円筒状の起歪体と、起歪体の歪みを検出する歪ゲージと、起歪体の軸方向一端部を非拘束で支持する支持部材と、を備え、起歪体は、非拘束で支持される軸方向一端部に、周方向に沿って延設される円環状の環状凹部と、軸方向他端部における環状凹部の反対側に、軸方向外方に向かって凸状に形成され外部荷重が作用する荷重受け部と、環状凹部を区画する円筒状の内側脚部と円筒状の外側脚部と、を有し、支持部材は、内側脚部の先端面に当接する内側テーパ面と、外側脚部の先端面に当接する外側テーパ面と、を有し、歪ゲージは、環状凹部の底面に取り付けられ、内側テーパ面は、外周側に比べて内周側が高くなるように形成され、外側テーパ面は、内周側に比べて外周側が高くなるように形成されることを特徴とする。

第６の発明では、歪ゲージが環状凹部の底面に取り付けられるので、起歪体の軸方向長さを短くできる。また、荷重受け部に荷重が作用したときに、起歪体の内側脚部の先端部と外側脚部の先端部とが互いに離れるように変形することが、支持部材の内側テーパ面及び外側テーパ面によって規制される。これにより、荷重受け部への荷重を増加させるときに歪ゲージで検出される歪と、荷重受け部への荷重を減少させるときに歪ゲージで検出される歪との間のヒステリシスを低減することができる。

第７の発明は、外側テーパ面が、内側テーパ面に比べて、軸方向に直交する平面からの
傾斜角度が大きいことを特徴とする。

第７の発明では、荷重受け部に荷重が作用したときの起歪体の内側脚部と外側脚部との間の広がりを、より効果的に規制することができる。このため、歪ゲージで検出される歪のヒステリシスをより効果的に抑制することができる。

本発明によれば、荷重検出装置を小型化することができる。

荷重検出装置の構成を示す断面模式図である。第１実施形態に係る荷重検出装置の起歪体の平面図である。図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿う起歪体の断面図である。第２実施形態に係る荷重検出装置の起歪体及び支持部材の断面図であり、起歪体に所定の荷重が作用している状態を示す。第１実施形態に係る荷重検出装置の起歪体に所定の荷重が作用していない状態を示す図である。第１実施形態に係る荷重検出装置の起歪体に所定の荷重が作用している状態を示す図である。荷重検出装置に作用する荷重と歪ゲージの出力との関係を示す図である。第２実施形態の変形例に係る荷重検出装置の起歪体及び支持部材の断面図であり、起歪体に所定の荷重が作用している状態を示す。第３実施形態に係る荷重検出装置の起歪体及び支持部材の断面図である。起歪体の変形例について説明する図である。起歪体の別の変形例について説明する図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

荷重検出装置は、例えば、回転機器のスラスト荷重、ボルトの締結荷重、プレス成形機器の圧縮荷重等の検出に使用される装置である。以下では、回転機器のスラスト荷重を検出する荷重検出装置を一例に説明するが、荷重検出装置の用途は、これに限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る荷重検出装置１００を備える回転機器１０について説明する。なお、回転機器１０の回転中心軸に平行な方向を軸方向として、以下、説明する。図１に示すように、回転機器１０は、ポンプ、モータ等の駆動部（不図示）に接続される回転軸１１と、回転軸１１を回転自在に支持する一対の軸受１２ａ，１２ｂと、一対の軸受１２ａ，１２ｂ間に配置される荷重検出装置１００と、荷重検出装置１００及び軸受１２ａ，１２ｂを収容する有底円筒状の収容ケース１３と、収容ケース１３の開口部を閉塞する回転機器１０の本体ケース１４と、を備える。

荷重検出装置１００は、円筒状を呈するワッシャ型ロードセルである。荷重検出装置１００は、円筒状に形成され荷重を受けて歪む起歪体１１０と、円環状に形成される荷重受け板１２０と、円環状に形成される支持板１３０と、起歪体１１０に取り付けられ起歪体１１０の歪みを検出する複数の歪ゲージ１４０と、歪ゲージ１４０に接続される検出回路１６と、を備える。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、起歪体１１０は、軸方向一端部（図２Ｂにおける下端部）に、周方向に沿って延設される円環状の環状凹部１１４と、軸方向他端部（図２Ｂにおける上端部）における環状凹部１１４の反対側に、軸方向外方に向かって凸状に形成される荷重受け部１１５と、を有する。本実施形態では、荷重受け部１１５が、湾曲状の湾曲部として形成される。荷重受け部１１５には、後述するように外部荷重として回転機器１０の回転軸１１のスラスト荷重Ｆが作用する。

起歪体１１０は、径方向に直交する断面がＵ字状に形成される。起歪体１１０の材料には、回転機器１０の運転条件下で最大のスラスト荷重Ｆが作用した後、荷重が作用しなくたった場合に元の状態に戻る弾性材料として、例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属材料が採用される。

環状凹部１１４は、軸方向に直交する平面状の底面１１４ａと、互いに対向する内側側面１１４ｂ及び外側側面１１４ｃと、内側側面１１４ｂと底面１１４ａとを接続する内側湾曲面１１４ｄと、外側側面１１４ｃと底面１１４ａとを接続する外側湾曲面１１４ｅと、を備える。

起歪体１１０は、内側側面１１４ｂと円形状の貫通孔１１９の内周面との間の部位が内側脚部１１７ｉとされ、外側側面１１４ｃと起歪体１１０の外周面との間の部位が外側脚部１１７ｏとされる。なお、内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏを総称して脚部１１７とも記す。内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏは、同心の二重円筒状に設けられる。内側脚部１１７ｉと外側脚部１１７ｏとは荷重受け部１１５によって接続され、内側脚部１１７ｉ、外側脚部１１７ｏ及び荷重受け部１１５によって上記環状凹部１１４が区画される。

環状凹部１１４の底面１１４ａにおける荷重受け部１１５の頂面の真裏は、歪ゲージ１４０が取り付けられる取り付け面とされ、この取り付け面に歪ゲージ１４０が貼り付けられる。歪ゲージ１４０は、薄肉矩形状であり、長手方向が起歪体１１０の径方向に沿うように、かつ、短手方向が起歪体１１０の周方向に沿うように底面１１４ａに貼り付けられる。歪ゲージ１４０の取り付け面は平面状であるので、歪ゲージ１４０を予め設定された取り付け面（取り付け領域）に精度良く貼り付ける作業を容易に行うことができる。その結果、荷重検出装置１００の製造コストを低減することができる。

複数の歪ゲージ１４０は、起歪体１１０の周方向に沿って所定の間隔をあけて貼り付けられる。本実施形態では、９０度間隔で４枚の歪ゲージ１４０が貼り付けられる。これら４枚の歪ゲージ１４０は、ブリッジ回路を構成し、起歪体１１０の微小変化量である歪み量を電気信号に変換する。

このように、起歪体１１０は、歪ゲージ１４０が貼り付けられる荷重受け部１１５を一対の脚部１１７によって支持する構成であり、一対の脚部１１７で両持ち支持される荷重受け部（起歪部）１１５の変形量（径方向の伸び量）を歪ゲージ１４０で検出する。

図１に示すように、荷重受け板１２０及び支持板１３０は、起歪体１１０を軸方向両側から挟む一対の挟持部材であり、それぞれ表裏面が平坦な円環状に形成される。荷重受け板１２０は、起歪体１１０の荷重受け部１１５に当接するように配置され、支持板１３０は、起歪体１１０の内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏに当接するように配置される。荷重受け板１２０及び支持板１３０のそれぞれと起歪体１１０とは、接着、締結、溶接等の拘束がなされていない非拘束状態で当接しており、分解、組立作業を容易に行うことができる。

荷重受け板１２０、起歪体１１０及び支持板１３０は、それぞれ環状に形成されているので、中空部に回転軸１１を配置させることができる。回転軸１１には、軸本体から径方向外方に突出し、軸受１２ａに当接する円環状の鍔部１１ａが設けられる。

回転軸１１に軸方向のスラスト荷重Ｆが発生すると、スラスト荷重Ｆは軸受１２ａを介して荷重受け板１２０に伝達される。荷重受け板１２０にスラスト荷重Ｆが伝達されると、図２Ｂに示すように、荷重受け板１２０が起歪体１１０の荷重受け部１１５を押圧し、起歪体１１０にスラスト荷重Ｆが伝達される。起歪体１１０にスラスト荷重Ｆが伝達されると、起歪体１１０を非拘束で支持する支持板１３０に対し、内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏからスラスト荷重Ｆが伝達される。

したがって、起歪体１１０の荷重受け部１１５は、内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏを支点として歪みが生じる。すなわち、荷重受け部１１５は、内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏによって径方向両端部が支持された両持ち梁構造とされる。このため、荷重受け部１１５の中央部に荷重受け板１２０からの荷重が作用すると、梁としての荷重受け部１１５は、その両端部を支点として歪みが生じる。その結果、荷重受け部１１５の頂面の真裏が支持板１３０に向かって膨出するように、荷重受け部１１５が変形する（図４Ｂ参照）。これにより、各歪ゲージ１４０によって、せん断方向への応力による起歪体１１０の底面１１４ａの曲げが検出される。

起歪体１１０において荷重受け部１１５の頂面の真裏には、伸び歪が生じる。このため、荷重受け部１１５の頂面の真裏に配置される歪ゲージ１４０の抵抗値は、荷重が大きく、伸び歪が大きいほど増加する。

図１に示す検出回路１６は、４枚の歪ゲージ１４０に接続して構成されるブリッジ回路を有する。検出回路１６のブリッジ回路は、歪ゲージ１４０の抵抗値の変化を電圧または電流の変化により求めてスラスト荷重Ｆを検出する。歪ゲージ１４０及びブリッジ回路については、公知であるので詳細な説明は省略する。このように、複数の歪ゲージ１４０によって、起歪体１１０の荷重受け部１１５の伸び歪を検出するようにしたので、小さな荷重を効率よく検出できる。また、静荷重も精度よく測定することができる。

従来の円筒状の起歪体の周面に歪ゲージを取り付ける荷重検出装置では、起歪体の荷重に対する耐力及び歪ゲージ１４０を貼り付ける場所を確保するため、一定以上の長さの起歪部が必要となる。また、起歪部の長さが十分でないと、起歪部における応力分布が不均一となり、精度良く荷重を検出することが難しくなるので、検出精度の観点からも、起歪部には十分な長さが必要となる。このため、従来の構成では、荷重検出装置が軸方向に大きくなってしまうという問題があった。これに対して、本実施形態では、起歪体１１０に環状凹部１１４を設け、起歪部である荷重受け部１１５を一対の脚部１１７で支持する構成として、環状凹部１１４の底面１１４ａに歪ゲージ１４０を取り付け、底面１１４ａに生じる歪を歪ゲージ１４０で検出するようにした。歪ゲージ１４０は、長手寸法及び短手寸法に比べて、厚さの寸法が十分に小さいので、軸方向に直交する平面状の底面１１４ａに歪ゲージ１４０を貼り付ける構成とすることにより、起歪体１１０の軸方向長さを短くできる。その結果、荷重検出装置１００を小型化することができる。

上述した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。

（１）円筒状のワッシャ型ロードセルにおいて、円環状の環状凹部１１４の底面１１４ａに歪ゲージ１４０を設けるようにした。これにより、起歪体１１０の軸方向長さを短くできるので、荷重検出装置１００を小型化することができる。

（２）荷重受け部１１５が、湾曲状の湾曲部として形成され、荷重受け部１１５の頂面にスラスト荷重Ｆが作用するようにしたので、荷重が作用したときにおける起歪体１１０の応力集中を抑制できる。

（３）環状凹部１１４には、環状凹部１１４の底面１１４ａと側面１１４ｂ，１１４ｃとを接続する湾曲面１１４ｄ，１１４ｅが設けられている。このため、荷重受け部１１５に荷重が作用したときにおける起歪体１１０の応力集中をさらに抑制できる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る荷重検出装置２００について説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、図中、上記第１実施形態で説明した構成と同一の構成または相当する構成には同一の符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態に係る荷重検出装置２００は、上記第１実施形態に係る荷重検出装置１００の構成に加え、起歪体１１０と支持板１３０との間に、支持部材２５０を備える。支持部材２５０は、起歪体１１０と同じ材質、形状、寸法で形成される。なお、支持部材２５０において、起歪体１１０の内側脚部１１７ｉに相当する部位を内側当接部２５７ｉと称し、起歪体１１０の外側脚部１１７ｏに相当する部位を外側当接部２５７ｏと称する。なお、内側当接部２５７ｉ及び外側当接部２５７ｏを総称して当接部２５７とも記す。

支持部材２５０は、内側当接部２５７ｉの先端面が起歪体１１０の内側脚部１１７ｉの先端面に当接し、外側当接部２５７ｏの先端面が起歪体１１０の外側脚部１１７ｏの先端面に当接するように配置される。つまり、支持部材２５０と起歪体１１０とは、互いに当接する面に対して対称形状となるように配置される。支持部材２５０は、起歪体１１０の軸方向一端部（図示下端部）を非拘束で支持する。つまり、支持部材２５０と起歪体１１０とが当接する面は、接着、溶接などにより固定されていない。

支持部材２５０を設けたことによる作用効果を、上記第１実施形態と比較して説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、第１実施形態に係る荷重検出装置１００の起歪体１１０にスラスト荷重Ｆが作用することにより、起歪体１１０が変形する様子を示す。なお、図４Ｂでは、変形量を実際の変形量に比べて大きく誇張して図示している。図４Ｂに示すように、起歪体１１０の荷重受け部１１５にスラスト荷重Ｆが作用すると、上述したように、荷重受け部１１５は、一対の脚部１１７を支点として歪む。

このとき、一対の脚部１１７は支持板１３０に非拘束で支持されているので、スラスト荷重Ｆが起歪体１１０に作用した場合に、例えば、一対の脚部１１７が両側に開くように変形する。つまり、内側脚部１１７ｉは、その先端部（図示下端部）が径方向内方に移動するように変形し、外側脚部１１７ｏは、その先端部（図示下端部）が径方向外方に移動するように変形する。内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏの径方向の移動量Ｘ、すなわち荷重が作用していないときの位置（図４Ａにおける点Ｐ０）から所定の荷重が作用しているときの位置（図４Ｂにおける点Ｐ１）までの径方向距離は、荷重受け部１１５に作用するスラスト荷重Ｆが大きいほど、大きくなる。

起歪体１１０に作用する荷重Ｆが増加することにより、一対の脚部１１７が広がるように変形する際、これらの先端部は所定の摩擦抵抗を受けながら支持板１３０上を滑ることになる。同様に、起歪体１１０に作用する荷重Ｆが減少することにより、一対の脚部１１７間が狭まるように変形する際、これらの先端部は所定の摩擦抵抗を受けながら支持板１３０上を滑ることになる。

このため、起歪体１１０に対する荷重を増加させていく場合における荷重受け部１１５の変形量の特性と、起歪体１１０に対する荷重を減少させていく場合における荷重受け部１１５の変形量の特性と、が異なる現象である、いわゆるヒステリシスが生じる。つまり、第１実施形態では、図５に示すように、歪ゲージ１４０の出力には、起歪体１１０の脚部１１７と支持板１３０との間の滑りに起因するヒステリシスが生じる。

そこで、第２実施形態では、図３に示すように、起歪体１１０と同じ材質、形状、寸法の支持部材２５０を起歪体１１０に対向して配置し、起歪体１１０にスラスト荷重Ｆが作用したときに、支持部材２５０が起歪体１１０と同じように変形するようにした。

内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏは、荷重受け部１１５に荷重Ｆが作用したとき、内側脚部１１７ｉの先端部と外側脚部１１７ｏの先端部とが互いに離れるように変形する。起歪体１１０に荷重Ｆが作用すると、荷重Ｆの反力Ｆ’が支持部材２５０に作用する。このため、内側当接部２５７ｉは、内側脚部１１７ｉの径方向内方への変形にともなって径方向内方へ変形する。同様に、外側当接部２５７ｏは、外側脚部１１７ｏの径方向外方への変形にともなって径方向外方へ変形する。なお、内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏは、荷重受け部１１５に作用する荷重Ｆが増加するほど、内側脚部１１７ｉの先端部と外側脚部１１７ｏの先端部とが互いに近づくように変形する場合もある。この場合、内側当接部２５７ｉは、内側脚部１１７ｉの径方向外方への変形にともなって径方向外方へ変形する。同様に、外側当接部２５７ｏは、外側脚部１１７ｏの径方向内方への変形にともなって径方向内方へ変形する。

本第２実施形態では、上述のとおり、起歪体１１０と支持部材２５０とを同じ材質、形状、寸法としている。このため、支持部材２５０の内側当接部２５７ｉは、起歪体１１０の荷重受け部１１５に作用する荷重Ｆに応じて変形する内側脚部１１７ｉの先端部の移動量Ｘと同程度の移動量で先端が移動するように変形する。同様に、支持部材２５０の外側当接部２５７ｏは、起歪体１１０の荷重受け部１１５に作用する荷重Ｆに応じて変形する外側脚部１１７ｏの先端部の移動量Ｘと同程度の移動量で先端が移動するように変形する。

これにより、起歪体１１０の内側脚部１１７ｉと支持部材２５０の内側当接部２５７ｉとの間で滑りが発生することを防止できる。同様に、起歪体１１０の外側脚部１１７ｏと支持部材２５０の外側当接部２５７ｏとの間で滑りが発生することを防止できる。その結果、荷重受け部１１５への荷重を増加させるときに歪ゲージ１４０で検出される歪と、荷重受け部１１５への荷重を減少させるときに歪ゲージ１４０で検出される歪との間のヒステリシスを低減することができる。

＜第２実施形態の変形例＞
上記第２実施形態では、起歪体１１０と同じ材質、形状、寸法で形成された支持部材２５０を起歪体１１０に対向して配置させる例について説明したが、支持部材２５０の形状は、これに限定されない。図６に示すように、起歪体１１０よりも軸方向長さの短い支持部材４５０を起歪体１１０に対向して配置させてもよい。この場合、支持部材４５０は、以下の条件１，２を満足するように、材料、形状、寸法を設定することが好ましい。

（条件１）内側当接部４５７ｉが、起歪体１１０の荷重受け部１１５に作用する荷重に応じて変形する内側脚部１１７ｉの先端部の移動量Ｘと同程度の移動量で先端が移動するように変形すること

（条件２）外側当接部４５７ｏが、起歪体１１０の荷重受け部１１５に作用する荷重に応じて変形する外側脚部１１７ｏの先端部の移動量Ｘと同程度の移動量で先端が移動するように変形すること

つまり、支持部材４５０は、荷重受け部１１５に作用する荷重の大きさに応じた支持部材４５０の一対の当接部４５７の広がり量（あるいは狭まり量）が、起歪体１１０の一対の脚部１１７の広がり量（あるいは狭まり量）と同程度となるように、その材料、形状、寸法が設定されることが好ましい。

例えば、起歪体１１０の材料よりも弾性率の小さい材料で支持部材４５０を形成することにより、支持部材４５０の軸方向長さを起歪体１１０よりも短くした場合であっても、支持部材４５０の一対の当接部４５７の広がり量（あるいは狭まり量）を起歪体１１０の一対の脚部１１７の広がり量（あるいは狭まり量）と同程度にすることができる。また、起歪体１１０の脚部１１７よりも支持部材４５０の当接部４５７の径方向の幅を短くすることにより、支持部材４５０の軸方向長さを起歪体１１０よりも短くした場合であっても、支持部材４５０の一対の当接部４５７の広がり量（あるいは狭まり量）を起歪体１１０の一対の脚部１１７の広がり量（あるいは狭まり量）と同程度にすることができる。

このような変形例によれば、上記第２実施形態と同様の作用効果を得ることができ、さらに、上記第２実施形態よりも荷重検出装置４００の軸方向長さを短くすることができる。

＜第３実施形態＞
図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る荷重検出装置３００について説明する。以下では、上記第２実施形態と異なる点を中心に説明し、図中、上記第２実施形態で説明した構成と同一の構成または相当する構成には同一の符号を付して説明を省略する。

上記第２実施形態に係る荷重検出装置２００では、起歪体１１０にスラスト荷重Ｆが作用した場合に、支持部材２５０の当接部２５７が起歪体１１０の脚部１１７とともに変形することにより、歪ゲージ１４０の出力のヒステリシスを低減する例について説明した。これに対して、本第３実施形態に係る荷重検出装置３００の支持部材３５０は、起歪体３１０にスラスト荷重Ｆが作用した場合に、起歪体３１０の脚部３１７（３１７ｉ，３１７ｏ）の先端部が径方向に移動することを規制するように構成される。以下、詳しく説明する。

本第３実施形態に係る荷重検出装置３００は、上記第２実施形態で説明した支持部材２５０に代えて、起歪体３１０を非拘束で支持する円環状の支持部材３５０を備える。

本第３実施形態に係る荷重検出装置３００では、起歪体３１０の内側脚部３１７ｉの先端面（図示下端面）３１８ｉ及び外側脚部３１７ｏの先端面（図示下端面）３１８ｏが、それぞれテーパ面とされる。内側脚部３１７ｉの先端面３１８ｉ及び外側脚部３１７ｏの先端面３１８ｏは、それぞれ環状凹部１１４の中心に向かうにしたがって、脚部３１７の軸方向長さが長くなるように傾斜している。

支持部材３５０は、内側脚部３１７ｉの先端面３１８ｉに当接する内側テーパ面３５８ｉと、外側脚部３１７ｏの先端面３１８ｏに当接する外側テーパ面３５８ｏと、を有する。内側テーパ面３５８ｉは、径方向内側に向かって起歪体３１０側（荷重受け板１２０側）に傾斜する傾斜面であり、平面視で円環状を呈する。内側テーパ面３５８ｉが形成される円環状の部位は、外周側に比べて内周側の厚みが厚くなるように形成される。つまり、内側テーパ面３５８ｉは、支持板１３０に当接する支持部材３５０の底面からの高さが、外周側に比べて内周側が高くなるように形成される。同様に、外側テーパ面３５８ｏは、径方向外側に向かって起歪体３１０側（荷重受け板１２０側）に傾斜する傾斜面であり、平面視で円環状を呈する。外側テーパ面３５８ｏが形成される円環状の部位は、内周側に比べて外周側の厚みが厚くなるように形成される。つまり、外側テーパ面３５８ｏは、支持板１３０に当接する支持部材３５０の底面からの高さが、内周側に比べて外周側が高くなるように形成される。なお、内側テーパ面３５８ｉ及び外側テーパ面３５８ｏを総称してテーパ面３５８とも記す。

内側テーパ面３５８ｉは、起歪体３１０にスラスト荷重Ｆが作用することによって、内側脚部３１７ｉの先端部が径方向内方に移動するように、内側脚部３１７ｉが変形することを規制する。外側テーパ面３５８ｏは、起歪体３１０にスラスト荷重Ｆが作用することによって、外側脚部３１７ｏの先端部が径方向外方に移動するように、外側脚部３１７ｏが変形することを規制する。

軸方向に直交する平面からのテーパ面３５８の傾斜角度θｉ，θｏが大きすぎると、荷重受け部１１５に荷重が作用したときに、一対の脚部３１７の先端部同士が近づくように変形するおそれがある。このため、テーパ面３５８の傾斜角度θｉ，θｏは、荷重受け部１１５に荷重が作用したときに、一対の脚部３１７の先端部同士が近づくように変形しない程度の角度に設定される。

このように、本第３実施形態では、起歪体３１０の荷重受け部１１５に荷重が作用したとき、内側脚部３１７ｉの先端部と外側脚部３１７ｏの先端部とが互いに離れるように内側脚部３１７ｉ及び外側脚部３１７ｏが変形することを、内側テーパ面３５８ｉ及び外側テーパ面３５８ｏによって規制する。

第３実施形態では、荷重受け部１１５に荷重が作用したときに、起歪体３１０の一対の脚部３１７が広がるように変形することが、支持部材３５０の一対のテーパ面３５８によって規制される。これにより、荷重受け部１１５への荷重を増加させるときに歪ゲージ１４０で検出される歪と、荷重受け部１１５への荷重を減少させるときに歪ゲージ１４０で検出される歪との間のヒステリシスを低減することができる。

外側脚部１１７ｏの曲率は内側脚部１１７ｉの曲率よりも小さいので、外側脚部１１７ｏは内側脚部１１７ｉよりも変形しやすい。このため、外側テーパ面３５８ｏの傾斜角度θｏは、内側テーパ面３５８ｉの傾斜角度θｉに比べて大きい角度に設定することが好ましい（θｏ＞θｉ）。

これにより、荷重受け部１１５に荷重が作用したときの起歪体３１０の内側脚部３１７ｉと外側脚部３１７ｏとの間の広がりを、より効果的に規制することができる。このため、歪ゲージ１４０で検出される歪のヒステリシスをより効果的に抑制することができる。

次のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の実施形態で説明した構成を組み合わせたり、上述の異なる実施形態で説明した構成同士を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせることも可能である。

＜変形例１＞
上記実施形態では、起歪体１１０における荷重受け板１２０側の端部全体が湾曲状の荷重受け部１１５（湾曲部）とされる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８Ａに示すように、起歪体５１０における荷重受け板１２０側の端面の径方向中央部に、軸方向外方に突出する湾曲状の荷重受け部（湾曲部）５１５を設け、荷重受け部５１５の径方向両側を平面状の平面部としてもよい。また、図８Ｂに示すように、起歪体６１０における荷重受け板１２０側の端面の径方向中央部に、軸方向外方に突出する断面矩形状の荷重受け部６１５を設けてもよい。

＜変形例２＞
上記実施形態では、図２Ｂに示すように、環状凹部１１４の底面１１４ａと内側側面１１４ｂとの間に内側湾曲面１１４ｄを設け、環状凹部１１４の底面１１４ａと外側側面１１４ｃとの間に外側湾曲面１１４ｅを設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されない。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、内側湾曲面１１４ｄ及び外側湾曲面１１４ｅを省略することもできる。

＜変形例３＞
上記実施形態では、歪ゲージ１４０を４枚設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、８枚の歪ゲージ１４０を４５度間隔で起歪体１１０，３１０に貼り付けるようにしてもよい。

＜変形例４＞
上記実施形態では、回転機器１０のスラスト荷重を検出する荷重検出装置１００，２００，３００を一例に説明したが、本発明はこれに限定されない。ボルトの締結荷重、プレス成形機器の圧縮荷重、ブレーキ装置のブレーキ力等、種々の荷重を発生させる装置に適用することができ、それらの装置で発生する荷重を検出することができる。

＜変形例５＞
上記実施形態に係る荷重検出装置１００，２００，３００では、一対の挟持部材として、荷重受け板１２０及び支持板１３０を備える例について説明したが、荷重検出装置１００，２００，３００の使用方法によっては、荷重受け板１２０及び支持板１３０の一方または双方を省略することもできる。

＜変形例６＞
上記第２及び第３実施形態では、支持部材２５０，３５０と支持板１３０とを別部材で形成する例について説明したが、支持部材２５０，３５０と支持板１３０とを一体成形により形成してもよい。

＜変形例７＞
上記実施形態では、歪ゲージ１４０が、環状凹部１１４の底面１１４ａにおける荷重受け部１１５の頂面の真裏に取り付けられる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。環状凹部１１４の側面近傍の底面１１４ａに歪ゲージ１４０を取り付けて圧縮歪を検出するようにしてもよい。なお、上記実施形態のように、荷重受け部１１５の頂面の真裏に歪ゲージ１４０を取り付ける場合、環状凹部１１４の側面近傍の底面１１４ａに歪ゲージ１４０を取り付ける場合に比べて、荷重検出装置１００，２００，３００の径方向の小型化を図ることができる。

＜変形例８＞
上記第２実施形態では、荷重受け部１１５に荷重が作用したときの起歪体１１０の一対の脚部１１７間の広がり量（あるいは狭まり量）と、支持部材２５０の一対の当接部２５７間の広がり量（あるいは狭まり量）と、を同程度にする例について説明したが、本発明はこれに限定されない。一対の脚部１１７間の広がり量（あるいは狭まり量）に比べて、支持部材２５０の一対の当接部２５７間の広がり量（あるいは狭まり量）が、小さくてもよい。このような場合であっても第１実施形態に比べて、一対の脚部１１７が支持部材２５０上で滑ることを抑制することができるので、歪ゲージ１４０の出力のヒステリシスを抑制することができる。

以下、本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

荷重検出装置１００，２００，３００，４００は、円筒状の起歪体１１０，３１０，５１０，６１０と、起歪体１１０，３１０，５１０，６１０の歪みを検出する歪ゲージ１４０と、を備え、起歪体１１０，３１０，５１０，６１０は、非拘束で支持される軸方向一端部に、周方向に沿って延設される円環状の環状凹部１１４と、軸方向他端部における環状凹部１１４の反対側に、軸方向外方に向かって凸状に形成され外部荷重が作用する荷重受け部１１５，５１５，６１５と、を有し、歪ゲージ１４０は、環状凹部１１４の底面１１４ａに取り付けられる。

この構成では、歪ゲージ１４０が環状凹部１１４の底面１１４ａに取り付けられるので、起歪体１１０，３１０，５１０，６１０の軸方向長さを短くできる。その結果、荷重検出装置１００，２００，３００，４００を小型化することができる。

荷重検出装置１００，２００，３００，４００は、荷重受け部１１５，５１５が、湾曲状の湾曲部とされ、湾曲部の頂面に、外部荷重が作用する。

この構成では、湾曲部としての荷重受け部１１５，５１５の頂面に荷重が作用するので、荷重が作用したときにおける起歪体１１０，３１０，５１０の応力集中を抑制できる。

荷重検出装置１００，２００，３００，４００は、環状凹部１１４の底面１１４ａにおける荷重受け部１１５，５１５，６１５の頂面の裏に、歪ゲージ１４０が取り付けられる平面状の取り付け面が設けられる。

この構成では、荷重受け部１１５，５１５，６１５の頂面の裏（反対側）に歪ゲージ１４０が取り付けられるので、歪ゲージ１４０で検出される伸び歪に基づいて荷重を検出することができる。これにより、環状凹部１１４の側面近傍の底面１１４ａに歪ゲージ１４０を取り付けて圧縮歪を検出する場合に比べて、荷重検出装置１００，２００，３００，４００の径方向の小型化を図ることができる。

荷重検出装置１００，２００，３００，４００は、環状凹部１１４には、環状凹部１１４の底面１１４ａと側面とを接続する湾曲面１１４ｄ，１１４ｅが設けられる。

この構成では、環状凹部１１４に湾曲面１１４ｄ，１１４ｅを設けることで、荷重受け部１１５に荷重が作用したときにおける起歪体１１０，３１０の応力集中をさらに抑制できる。

荷重検出装置２００，４００は、起歪体１１０の軸方向一端部を非拘束で支持する支持部材２５０，４５０をさらに備え、起歪体１１０は、環状凹部１１４を区画する円筒状の内側脚部１１７ｉと円筒状の外側脚部１１７ｏとを有し、支持部材２５０，４５０は、内側脚部１１７ｉの先端部に当接し、内側脚部１１７ｉの径方向の変形にともなって径方向へ変形する内側当接部２５７ｉ，４５７ｉと、外側脚部１１７ｏの先端部に当接し、外側脚部１１７ｏの径方向の変形にともなって径方向へ変形する外側当接部２５７ｏ，４５７ｏと、を有する。

この構成では、荷重受け部１１５に荷重が作用したときに、支持部材２５０，４５０の内側当接部２５７ｉ，４５７ｉ及び外側当接部２５７ｏ，４５７ｏが起歪体１１０の内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏとともに変形するので、内側脚部１１７ｉ及び外側脚部１１７ｏが支持部材２５０，４５０上で滑ることを抑制することができる。これにより、荷重受け部１１５への荷重を増加させるときに歪ゲージ１４０で検出される歪と、荷重受け部１１５への荷重を減少させるときに歪ゲージ１４０で検出される歪との間のヒステリシスを低減することができる。

荷重検出装置２００，４００は、支持部材２５０，４５０の内側当接部２５７ｉ，４５７ｉが、起歪体１１０の荷重受け部１１５に作用する荷重に応じて変形する内側脚部１１７ｉの先端部の移動量と同程度の移動量で先端が移動するように変形し、支持部材２５０，４５０の外側当接部２５７ｏ，４５７ｏが、起歪体１１０の荷重受け部１１５に作用する荷重に応じて変形する外側脚部１１７ｏの先端部の移動量と同程度の移動量で先端が移動するように変形する。

この構成では、荷重受け部１１５に荷重が作用したときの起歪体１１０の内側脚部１１７ｉと外側脚部１１７ｏとの間の広がりと、支持部材２５０，４５０の内側当接部２５７ｉ，４５７ｉと外側当接部２５７ｏ，４５７ｏとの間の広がりを同程度としたので、歪ゲージ１４０で検出される歪のヒステリシスをより効果的に抑制することができる。

荷重検出装置３００は、起歪体３１０の軸方向一端部を非拘束で支持する支持部材３５０をさらに備え、起歪体３１０は、環状凹部１１４を区画する円筒状の内側脚部３１７ｉと円筒状の外側脚部３１７ｏとを有し、支持部材３５０は、内側脚部３１７ｉの先端面に当接する内側テーパ面３５８ｉと、外側脚部３１７ｏの先端面に当接する外側テーパ面３５８ｏと、を有し、内側テーパ面３５８ｉは、外周側に比べて内周側が高くなるように形成され、外側テーパ面３５８ｏは、内周側に比べて外周側が高くなるように形成される。

この構成では、荷重受け部１１５に荷重が作用したときに、起歪体３１０の内側脚部３１７ｉの先端部と外側脚部３１７ｏの先端部とが互いに離れるように変形することが、支持部材３５０の内側テーパ面３５８ｉ及び外側テーパ面３５８ｏによって規制される。これにより、荷重受け部１１５への荷重を増加させるときに歪ゲージ１４０で検出される歪と、荷重受け部１１５への荷重を減少させるときに歪ゲージ１４０で検出される歪との間のヒステリシスを低減することができる。

荷重検出装置３００は、外側テーパ面３５８ｏが、内側テーパ面３５８ｉに比べて、軸方向に直交する平面からの傾斜角度が大きい。

この構成では、荷重受け部１１５に荷重が作用したときの起歪体３１０の内側脚部３１７ｉと外側脚部３１７ｏとの間の広がりを、より効果的に規制することができる。このため、歪ゲージ１４０で検出される歪のヒステリシスをより効果的に抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１００，２００，３００，４００・・・荷重検出装置、１１０，３１０，５１０，６１０・・・起歪体、１１４・・・環状凹部、１１４ａ・・・底面、１１４ｂ・・・内側側面（側面）、１１４ｃ・・・外側側面（側面）、１１４ｄ・・・内側湾曲面（湾曲面）、１１４ｅ・・・外側湾曲面（湾曲面）、１１５，５１５，６１５・・・荷重受け部、１１７ｉ，３１７ｉ・・・内側脚部、１１７ｏ，３１７ｏ・・・外側脚部、１４０・・・歪ゲージ、２５０，３５０，４５０・・・支持部材、２５７ｉ，４５７ｉ・・・内側当接部、２５７ｏ，４５７ｏ・・・外側当接部、３５８ｉ・・・内側テーパ面、３５８ｏ・・・外側テーパ面

Claims

荷重検出装置であって、
円筒状の起歪体と、
前記起歪体の歪みを検出する歪ゲージと、を備え、
前記起歪体は、
非拘束で支持される軸方向一端部に、周方向に沿って延設される円環状の環状凹部と、
軸方向他端部における前記環状凹部の反対側に、軸方向外方に向かって凸状に形成され外部荷重が作用する荷重受け部と、
前記環状凹部を区画する円筒状の内側脚部及び円筒状の外側脚部と、を有し、
前記歪ゲージは、前記環状凹部の底面における前記荷重受け部の頂面の真裏に取り付けられ、
前記荷重受け部は、前記内側脚部及び前記外側脚部によって支持された両持ち梁構造であり、前記内側脚部及び前記外側脚部を支点として変形可能である
ことを特徴とする荷重検出装置。
請求項１に記載の荷重検出装置において、
前記荷重受け部は、湾曲状の湾曲部とされ、
前記湾曲部の頂面に、前記外部荷重が作用する
ことを特徴とする荷重検出装置。
請求項１または２に記載の荷重検出装置において、
前記環状凹部には、前記環状凹部の底面と側面とを接続する湾曲面が設けられる
ことを特徴とする荷重検出装置。
荷重検出装置であって、
円筒状の起歪体と、
前記起歪体の歪みを検出する歪ゲージと、
前記起歪体の軸方向一端部を非拘束で支持する支持部材と、を備え、
前記起歪体は、
非拘束で支持される前記軸方向一端部に、周方向に沿って延設される円環状の環状凹部と、
軸方向他端部における前記環状凹部の反対側に、軸方向外方に向かって凸状に形成され
外部荷重が作用する荷重受け部と、
前記環状凹部を区画する円筒状の内側脚部と円筒状の外側脚部と、を有し、
前記支持部材は、
前記内側脚部の先端部に当接し、前記内側脚部の径方向の変形にともなって径方向へ変形する内側当接部と、
前記外側脚部の先端部に当接し、前記外側脚部の径方向の変形にともなって径方向へ変形する外側当接部と、を有し、
前記歪ゲージは、前記環状凹部の底面に取り付けられることを特徴とする荷重検出装置。
請求項４に記載の荷重検出装置において、
前記支持部材は、前記内側当接部が、前記起歪体の前記荷重受け部に作用する荷重に応じて変形する前記内側脚部の前記先端部の移動量と同程度の移動量で先端が移動するように変形し、前記外側当接部が、前記起歪体の前記荷重受け部に作用する荷重に応じて変形する前記外側脚部の前記先端部の移動量と同程度の移動量で先端が移動するように変形するように形成されることを特徴とする荷重検出装置。
荷重検出装置であって、
円筒状の起歪体と、
前記起歪体の歪みを検出する歪ゲージと、
前記起歪体の前記軸方向一端部を非拘束で支持する支持部材と、を備え、
前記起歪体は、
非拘束で支持される軸方向一端部に、周方向に沿って延設される円環状の環状凹部と、
軸方向他端部における前記環状凹部の反対側に、軸方向外方に向かって凸状に形成され外部荷重が作用する荷重受け部と、
前記環状凹部を区画する円筒状の内側脚部と円筒状の外側脚部と、を有し、
前記支持部材は、
前記内側脚部の先端面に当接する内側テーパ面と、
前記外側脚部の先端面に当接する外側テーパ面と、を有し、
前記歪ゲージは、前記環状凹部の底面に取り付けられ、
前記内側テーパ面は、外周側に比べて内周側が高くなるように形成され、
前記外側テーパ面は、内周側に比べて外周側が高くなるように形成されることを特徴とする荷重検出装置。
請求項６に記載の荷重検出装置において、
前記外側テーパ面は、前記内側テーパ面に比べて、軸方向に直交する平面からの傾斜角度が大きい
ことを特徴とする荷重検出装置。