JP6990152B2 - 荷重変換器 - Google Patents

Description

本発明は、荷重変換器に関し、特に、荷重を電気信号に変換するための荷重変換器に関する。

従来から、ロボットアーム等に用いられる荷重変換器（ロードセル）において、ロバーバル機構を有するロバーバル型の荷重変換器が広く知られている。このような荷重変換器は、ロバーバル型の起歪体として用いられる金属製のブロック体を有している。このブロック体は、例えば、中空形状（円筒形状）を有するワッシャ型の荷重変換器であり、中空形状の内部に配線を通したり、モータのシャフトを通したりするようになっている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７－３１５９２３号公報

しかしながら、このようなロボットアーム等に用いられる荷重変換器は、例えば、ロボットアームが物体を掴んで持ち上げる場合等に、荷重が均等に印加されずに偏荷重が印加される。そして、荷重変換器に偏荷重が印加されると、偏荷重により荷重変換器の出力が大きく変動し、出力がばらつくおそれがある。また、荷重変換器に偏荷重が印加されると、荷重の大きい部分が過荷重となる可能性があり、荷重変換器のブロック体が破損するおそれがある。このように、従来の荷重変換器に対しては、偏荷重や過荷重が発生した場合にも、荷重変換器の出力のばらつきや破損の発生を防止することができる構造が求められていた。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、偏荷重や過荷重が発生した場合にも、荷重変換器の出力のばらつきや破損の発生を防止することができる荷重変換器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る荷重変換器は、ブロック体と、該ブロック体に取り付けられたひずみゲージとを備え、前記ブロック体は、支持部材に固定される複数の固定部と、前記複数の固定部の間に夫々設けられ外部部材から荷重を受ける複数の可動部と、前記固定部と前記可動部との間に夫々延びる複数のビーム部とを有する筒状に形成されており、前記可動部は、前記外部部材からの荷重を受ける複数の可動部突部を有しており、前記固定部は、前記複数の可動部突部の間に設けられ前記可動部の変位を規制する複数の可動部規制突部を有している。

本発明の一態様に係る荷重変換器において、前記固定部は、前記支持部材に支持される複数の固定部突部を有しており、前記可動部は、前記複数の固定部突部の間に設けられ前記固定部の変位を規制する複数の固定部規制突部を有している。

本発明の一態様に係る荷重変換器において、前記複数のビーム部は、夫々、前記外部部材側に設けられた外部部材側ビーム部材を有しており、前記外部部材側ビーム部材は、夫々、前記可動部突部側に設けられた可動部突部側起歪部と、前記可動部規制突部側に設けられた可動部規制突部側起歪部とを有しており、前記複数の可動部規制突部のうちの１つの可動部規制突部の両側の可動部規制突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられている。

本発明の一態様に係る荷重変換器において、前記複数の可動部規制突部のうち、両側の可動部規制突部側起歪部にひずみゲージが取り付けられた可動部規制突部の隣の可動部規制突部の両側の可動部突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられている。

本発明の一態様に係る荷重変換器において、前記複数の可動部規制突部のうち、両側の可動部規制突部側起歪部にひずみゲージが取り付けられた可動部規制突部と対向する可動部規制突部の両側の可動部規制突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられている。

本発明の一態様に係る荷重変換器において、前記複数のビーム部は、夫々、前記支持部材側に設けられた支持部材側ビーム部材を有しており、前記支持部材側ビーム部材は、夫々、前記固定部突部側に設けられた固定部突部側起歪部と、固定部規制突部側に設けられた固定部規制突部側起歪部とを有しており、前記複数の固定部突部のうちの１つの固定部突部の両側の固定部突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられている。

本発明の一態様に係る荷重変換器において、前記複数の固定部突部のうち、両側の固定部突部側起歪部にひずみゲージが取り付けられた固定部突部の隣の固定部突部の両側の固定部規制突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられている。

本発明の一態様に係る荷重変換器において、前記複数の固定部突部のうち、両側の固定部突部側起歪部にひずみゲージが取り付けられた固定部突部と対向する固定部突部の両側の固定部突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられている。

本発明の一態様に係る荷重変換器において、前記固定部突部側起歪部及び前記固定部規制突部側起歪部に取り付けられたひずみゲージは、ブリッジ回路を形成している。

本発明の一態様に係る荷重変換器において、前記可動部規制突部側起歪部及び前記可動部突部側起歪部に取り付けられたひずみゲージは、夫々径方向内側と径方向外側に並んで取り付けられており、径方向外側のひずみゲージと径方向内側のひずみゲージにより２つのブリッジ回路を形成している。

本発明の一態様に係る荷重変換器において、前記外部部材側ビーム部材に取り付けられた複数のひずみゲージと前記支持部材側ビーム部に取り付けられた複数のひずみゲージとが、前記ブロック体の軸線方向において対応した位置に配置されている。

本発明に係る荷重変換器によれば、偏荷重や過荷重が発生した場合にも、荷重変換器の出力のばらつきや破損の発生を防止することができる。

本発明の実施の形態に係る荷重変換器の構成を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る荷重変換器の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る荷重変換器の構成を概略的に示す底面図である。 本発明の実施の形態に係る荷重変換器の構成を概略的に示す側面図である。 本発明の実施の形態に係る荷重変換器を別の角度から見た構成を概略的に示す側面図である。 図２に示す荷重変換器の構成を概略的に示すＸ－Ｘ断面図である。 図２に示す荷重変換器の構成を概略的に示すＹ－Ｙ断面図である。 本発明の実施の形態に係る荷重変換器のひずみゲージの位置及び配線の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る荷重変換器のひずみゲージの位置及び配線の構成を概略的に示す底面図である。 本発明の実施の形態に係る荷重変換器のひずみゲージにより形成されたホイートストンブリッジ回路を示す電気回路図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る荷重変換器１の構成を概略的に示す斜視図であり、図２は、荷重変換器１の構成を概略的に示す平面図である。図３は、荷重変換器１の構成を概略的に示す底面図であり、図４は、荷重変換器１の構成を概略的に示す側面図である。図５は、荷重変換器１を別の角度から見た構成を概略的に示す側面図である。図６は、図２に示す荷重変換器１の構成を概略的に示すＸ－Ｘ断面図であり、図７は、図２に示す荷重変換器１の構成を概略的に示すＹ－Ｙ断面図である。

本発明の実施の形態に係る荷重変換器１は、例えば、ロボットアームの土台部分（外部部材２００（図６，７））と支持部材１００（図６，７）との間に取り付けられており、ロボットアームが物体を掴んで持ち上げる場合等にロボットアームに印加される荷重を検出する役割を担っている。なお、本発明の実施の形態に係る荷重変換器１が適用される対象は、上記に限られず種々の対象に適用される。

本発明の実施の形態に係る荷重変換器１は、ブロック体１０と、ブロック体１０に取り付けられたひずみゲージ２０とを備えている。ブロック体１０は、支持部材１００（図６，７）に固定される複数の固定部３０と、複数の固定部３０の間に夫々設けられ外部部材２００（図６，７）から荷重を受ける複数の可動部４０と、固定部３０と可動部４０との間に夫々延びる複数のビーム部５０とを有する筒状に形成されている。

可動部４０は、外部部材２００からの荷重を受ける複数の可動部突部４１を有しており、固定部３０は、複数の可動部突部４１の間に設けられ可動部４０の変位を規制する複数の可動部規制突部３２を有している。また、固定部３０は、支持部材１００に支持される複数の固定部突部３１を有しており、可動部４０は、複数の固定部突部３１の間に設けられ固定部３０の変位を規制する複数の固定部規制突部４２を有している。以下、荷重変換器１の構成について具体的に説明する。

ブロック体１０は、外形が、略円柱形状に形成されており、その中央部分には、略円柱形状の開口部１１が形成されている。すなわち、ブロック体１０は、全体として中空形状（円筒状）に形成されている。ブロック体１０は、アルミニウムや鉄等の金属材料から一体に形成されている。つまり、固定部３０、可動部４０、ビーム部５０は、同一の材料から一体に形成されたブロック体１０の各部分である。

ブロック体１０において、複数の固定部３０は、外形が、略扇形状の内周側部分が切り取られた形状であり、ブロック体１０の中心軸線である軸線Ｙ１方向に沿って夫々延びている。複数の固定部３０の外周面には、ブロック体１０の軸線Ｙ１方向における中央部分において、固定部３０の外周面から内周側に凹む溝部３３が、ブロック体１０の軸線Ｙ１の周方向に沿って夫々延びている。溝部３３は、後述するホイートストンブリッジ回路Ｗ１～３を構成するためにひずみゲージ２０と接続しているケーブル（図示せず）を収容するために形成されている。

複数の固定部３０は、夫々、外部部材２００に対向する面である対向面３０ａと、支持部材１００に対向する面である対向面３０ｂとを有している。複数の固定部３０は、夫々、図６に示すように、対向面３０ａ，３０ｂの中央部分において、対向面３０ａと対向面３０ｂとを貫通し、段差を有する円柱形状の貫通孔３０ｃが形成されている。貫通孔３０ｃは、ブロック体１０と支持部材１００とをねじ等により固定するために形成されている。

複数の固定部３０は、ブロック体１０の軸線Ｙ１から同心円状又は略同心円状に等角度間隔又は略等角度間隔に複数設けられており、ブロック体１０の壁面を形成している。具体的に、複数の固定部３０は、ブロック体１０の軸線Ｙ１から同心円状又は略同心円状に９０度間隔に４つ設けられている。４つの固定部３０のうちの２つの固定部３０は、夫々、ブロック体１０の径方向において対向している。なお、複数の固定部３０の複数の固定部突部３１及び複数の可動部規制突部３２の詳細については後述する。

ブロック体１０において、複数の可動部４０は、外形が、略扇形状の内周側部分が切り取られた形状であり、ブロック体１０の軸線Ｙ１方向に沿って夫々延びている。複数の可動部４０の外周面には、ブロック体１０の軸線Ｙ１方向における中央部分において、複数の可動部４０の外周面から内周側に凹む溝部４３が、ブロック体１０の軸線Ｙ１の周方向に沿って夫々延びている。また、複数の可動部４０の外周面には、ブロック体１０の軸線Ｙ１の周方向における中央部分において、複数の可動部４０の外周面から内周側に凹む溝部４４が、ブロック体１０の軸線Ｙ１方向に沿って夫々延びている。溝部４３，４４は、後述するホイートストンブリッジ回路Ｗ１～３を構成するためにひずみゲージ２０と接続しているケーブル（図示せず）を収容するために形成されている。

複数の可動部４０は、夫々、外部部材２００に対向する面である対向面４０ａと、支持部材１００に対向する面である対向面４０ｂとを有している。複数の可動部４０は、夫々、図７に示すように、対向面３０ａの中央部分において、対向面３０ａから対向面３０ｂに向かって延びる円柱形状の有底孔４０ｃが形成されている。有底孔４０ｃは、ブロック体１０と外部部材２００とをボルト等により固定するために形成されている。

複数の可動部４０は、ブロック体１０の軸線Ｙ１から同心円状又は略同心円状に等角度間隔又は略等角度間隔に複数設けられており、ブロック体１０の壁面を形成している。また、複数の可動部４０は、ブロック体１０の軸線Ｙ１の周方向において、複数の固定部３０の間に夫々設けられている。具体的に、複数の可動部４０は、ブロック体１０の軸線Ｙ１から同心円状又は略同心円状に９０度間隔に４つ設けられている。また、４つの可動部４０は、ブロック体１０の周方向において、夫々、４つの固定部３０と４５度ずつずらされて設けられている。４つの可動部４０のうちの２つの可動部４０は、夫々、ブロック体１０の径方向において対向している。なお、複数の可動部４０の複数の可動部突部４１及び複数の固定部規制突部４２の詳細については後述する。

ブロック体１０において、複数のビーム部５０は、外形が、略直方体形状に形成されており、ブロック体１０の軸線Ｙ１方向に沿って夫々延びている。複数のビーム部５０は、夫々、外部部材２００に対向する面である対向面５０ａと、支持部材１００に対向する面である対向面５０ｂとを有している。複数のビーム部５０の対向面５０ａは、ブロック体１０の外部部材２００側の端面である外部部材側端面１０ａを形成している。複数のビーム部５０の対向面５０ｂは、ブロック体１０の支持部材１００側の端面である支持部材側端面１０ｂを形成している。

複数の固定部３０において、ブロック体１０の支持部材側端面１０ｂよりも支持部材１００側に突出している部分については、夫々、複数の固定部突部３１として構成されている。複数の固定部突部３１は、夫々、固定部３０の対向面３０ｂにおいて支持部材１００に接触してボルト等により支持部材１００に固定されるようになっている。

複数の可動部４０において、ブロック体１０の支持部材側端面１０ｂよりも支持部材１００側に突出している部分については、夫々、複数の固定部規制突部４２として構成されている。複数の固定部規制突部４２の軸線Ｙ１方向における高さは、複数の固定部突部３１の軸線Ｙ１方向における高さよりも低くなっている。複数の固定部規制突部４２は、支持部材１００から離れており、ロボットアーム（外部部材２００）に偏荷重や過荷重が発生した場合に、支持部材１００に接触する。すなわち、複数の固定部規制突部４２は、ストッパの機能を果たすようになっている。

複数の可動部４０において、ブロック体１０の外部部材側端面１０ａよりも外部部材２００側に突出している部分については、夫々、複数の可動部突部４１として構成されている。複数の可動部突部４１は、夫々、可動部４０の対向面４０ａにおいて外部部材２００に接触してボルト等により外部部材２００に固定されるようになっている。

複数の固定部３０において、ブロック体１０の外部部材側端面１０ａよりも外部部材２００側に突出している部分については、夫々、複数の可動部規制突部３２として構成されている。複数の可動部規制突部３２の軸線Ｙ１方向における高さは、複数の可動部突部４１の軸線Ｙ１方向における高さよりも低くなっている。複数の可動部規制突部３２は、外部部材２００から離れており、ロボットアーム（外部部材２００）に偏荷重や過荷重が発生した場合に、外部部材２００に接触する。すなわち、複数の可動部規制突部３２は、ストッパの機能を果たすようになっている。

複数のビーム部５０は、夫々、ビーム部５０の内周側の面である内周面５０ｃと、ビーム部５０の外周側の面である外周面５０ｄとを有している。複数のビーム部５０は、夫々、内周面５０ｃ，外周面５０ｄの中央部分において、内周面５０ｃと外周面５０ｄとを貫通する所謂骨形状の貫通孔６０が形成されている。

具体的に、貫通孔６０は、スリット孔６１と、支持部材側連結孔６２と、外部部材側連結孔６５とを有している。スリット孔６１は、内周面５０ｃ，外周面５０ｄの中央部分において、直方体形状にブロック体１０の径方向に沿って夫々延びている。支持部材側連結孔６２は、支持部材１００側において夫々スリット孔６１と連結して形成されている。外部部材側連結孔６５は、外部部材２００側において夫々スリット孔６１と連結して形成されている。

支持部材側連結孔６２は、固定部３０の固定部突部３１側において円柱形状にブロック体１０の径方向に沿って夫々延びている固定部突部側連結孔６３と、可動部４０の固定部規制突部４２側において円柱形状にブロック体１０の径方向に沿って夫々延びている固定部規制突部側連結孔６４とを有している。外部部材側連結孔６５は、固定部３０の可動部規制突部３２側において円柱形状にブロック体１０の径方向に沿って夫々延びている可動部規制突部側連結孔６６と、可動部４０の可動部突部４１側において円柱形状にブロック体１０の径方向に沿って夫々延びている可動部突部側連結孔６７とを有している。

すなわち、複数のビーム部５０は、夫々、支持部材１００側のビーム部材である支持部材側ビーム部材５１と、外部部材２００側のビーム部材である外部部材側ビーム部材５４とを有している。支持部材側ビーム部材５１及び外部部材側ビーム部材５４は、夫々、互いに対称又は略対称の形状を有している。支持部材側ビーム部材５１及び外部部材側ビーム部材５４は、夫々、固定部３０と可動部４０との間に延びている板状の部分であり、固定部３０及び可動部４０に対して直交して又は略直交して延びている。

支持部材側ビーム部材５１は、固定部３０の固定部突部３１側の起歪部である固定部突部側起歪部５２と、可動部４０の固定部規制突部４２側の起歪部である固定部規制突部側起歪部５３とを有している。支持部材側ビーム部材５１の固定部突部側起歪部５２及び固定部規制突部側起歪部５３は、夫々、ブロック体１０の径方向に沿って延びている。

支持部材側ビーム部材５１の固定部突部側起歪部５２及び固定部規制突部側起歪部５３は、固定部突部側連結孔６３及び固定部規制突部側連結孔６４により、支持部材側ビーム部材５１の内側面５１ａが支持部材１００側に凹んで形成されている。すなわち、支持部材側ビーム部材５１の固定部突部側起歪部５２及び固定部規制突部側起歪部５３は、内側面５１ａにおいて支持部材１００側に円弧状に凹む面によって形成されている薄肉の部分である。

外部部材側ビーム部材５４は、固定部３０の可動部規制突部３２側の起歪部である可動部規制突部側起歪部５５と、可動部４０の可動部突部４１側の起歪部である可動部突部側起歪部５６とを有している。外部部材側ビーム部材５４の可動部規制突部側起歪部５５及び可動部突部側起歪部５６は、夫々、ブロック体１０の径方向に沿って延びている。

外部部材側ビーム部材５４の可動部規制突部側起歪部５５及び可動部突部側起歪部５６は、可動部規制突部側連結孔６６及び可動部突部側連結孔６７により、外部部材側ビーム部材５４の内側面５４ａが外部部材２００側に凹んで形成されている。すなわち、外部部材側ビーム部材５４の可動部規制突部側起歪部５５及び可動部突部側起歪部５６は、内側面５４ａにおいて外部部材２００側に円弧状に凹む面によって形成されている薄肉の部分である。

複数のビーム部５０は、ブロック体１０の軸線Ｙ１から同心円状又は略同心円状に等角度間隔又は略等角度間隔に複数設けられており、ブロック体１０の壁面を形成している。また、複数のビーム部５０は、ブロック体１０の軸線Ｙ１の周方向において、固定部３０と可動部４０との間に夫々設けられている。

具体的に、複数のビーム部５０は、ブロック体１０の軸線Ｙ１から同心円状又は略同心円状に４５度間隔に８つ設けられている。また、複数のビーム部５０は、ブロック体１０の周方向において、夫々、４つの固定部３０及び４つの可動部４０と２２．５度ずつずらされて設けられている。８つのビーム部５０のうちの２つのビーム部５０は、夫々、ブロック体１０の径方向において対向している。

支持部材側ビーム部材５１の固定部突部側起歪部５２及び固定部規制突部側起歪部５３には、支持部材側端面１０ｂ側からひずみゲージ２０が取り付けられている。また、外部部材側ビーム部材５４の可動部規制突部側起歪部５５及び可動部突部側起歪部５６には、外部部材側端面１０ａ側からひずみゲージ２０が取り付けられている。外部部材側ビーム部材５４の可動部規制突部側起歪部５５及び可動部突部側起歪部５６に取り付けられた複数のひずみゲージ２０と支持部材側ビーム部５１の固定部突部側起歪部５２及び固定部規制突部側起歪部５３に取り付けられた複数のひずみゲージ２０とが、ブロック体１０の軸線Ｙ１方向において対応した位置に配置されている。

図８は、本発明の実施の形態に係る荷重変換器１のひずみゲージ２０の位置及び配線の構成を概略的に示す平面図であり、図９は、荷重変換器１のひずみゲージ２０の位置及び配線の構成を概略的に示す底面図である。図１０は、荷重変換器１のひずみゲージ２０により形成されたホイートストンブリッジ回路Ｗ１～３を示す電気回路図である。

本発明の実施の形態に係る荷重変換器１では、複数の可動部規制突部３２のうちの１つの可動部規制突部３２の両側の可動部規制突部側起歪部５５に、夫々ひずみゲージ２０が取り付けられている。また、複数の可動部規制突部３２のうち、両側の可動部規制突部側起歪部５５にひずみゲージ２０が取り付けられた可動部規制突部３２の隣の可動部規制突部３２の両側の可動部突部側起歪部５６に、夫々ひずみゲージ２０が取り付けられている。

複数の可動部規制突部３２のうち、両側の可動部規制突部側起歪部５５にひずみゲージ２０が取り付けられた可動部規制突部３２と対向する可動部規制突部３２の両側の可動部規制突部側起歪部５５に、夫々ひずみゲージ２０が取り付けられている。可動部規制突部側起歪部５５及び可動部突部側起歪部５６に取り付けられたひずみゲージ２０は、夫々内周側（径方向内側）と外周側（径方向外側）に並んで取り付けられており、外周側のひずみゲージ２０と内周側のひずみゲージ２０により２つのホイートストンブリッジ回路Ｗ１，２を形成している。

具体的に、ホイートストンブリッジ回路Ｗ１は、図８，１０に示すように、ひずみゲージ２０ａ～２０ｈにより形成されている。ひずみゲージ２０ａ，２０ｂは、複数の可動部規制突部３２のうちの１つの可動部規制突部３２（以下、可動部規制突部３２ａという。）の両側の可動部規制突部側起歪部５５（以下、可動部規制突部側起歪部５５ａ，５５ｂという。）に外部部材側端面１０ａ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ａ，２０ｂは、ブロック体１０の圧縮ひずみを検出するようになっている。

ひずみゲージ２０ｃ，２０ｄは、可動部規制突部３２ａの一方側の隣の可動部規制突部３２（以下、可動部規制突部３２ｂという。）の両側の可動部突部側起歪部５６（以下、可動部突部側起歪部５６ａ，５６ｂという。）に外部部材側端面１０ａ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｃ，２０ｄは、ブロック体１０の引っ張りひずみを検出するようになっている。

ひずみゲージ２０ｅ，２０ｆは、可動部規制突部３２ａと対向する可動部規制突部３２（以下、可動部規制突部３２ｃという。）の両側の可動部規制突部側起歪部５５（以下、可動部規制突部側起歪部５５ｃ，５５ｄという。）に外部部材側端面１０ａ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｅ，２０ｆは、ブロック体１０の圧縮ひずみを検出するようになっている。

ひずみゲージ２０ｇ，２０ｈは、可動部規制突部３２ａの他方側の隣の可動部規制突部３２（以下、可動部規制突部３２ｄという。）の両側の可動部突部側起歪部５６（以下、可動部突部側起歪部５６ｃ，５６ｄという。）に外部部材側端面１０ａ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｇ，２０ｈは、ブロック体１０の引っ張りひずみを検出するようになっている。

図１０に示すように、ホイートストンブリッジ回路Ｗ１の一辺には、ひずみゲージ２０ａ，２０ｂが接続されており、ひずみゲージ２０ａ，２０ｂに対向する対辺には、ひずみゲージ２０ｅ，２０ｆが接続されている。また、ひずみゲージ２０ａ，２０ｂ、及びひずみゲージ２０ｅ，２０ｆが接続されている辺に隣接する辺には、ひずみゲージ２０ｃ，２０ｄ、及びひずみゲージ２０ｅ，２０ｆが接続されている。

ホイートストンブリッジ回路Ｗ１の入力端（＋）と入力端（－）との間には、ブリッジ電源（図示せず）からブリッジ電圧が入力され、出力端（＋）と出力端（－）との間からは、印加荷重に対応したひずみ検出電圧が出力される。また、出力端（＋）及び出力端（－）は、静ひずみ測定器や動ひずみ測定器等のひずみ測定器（図示せず）にケーブルを介して接続されており、この結果、荷重測定系が構成される。

ホイートストンブリッジ回路Ｗ２は、図８，１０に示すように、ひずみゲージ２０ｉ～２０ｐにより形成されている。ひずみゲージ２０ｉ，２０ｊは、可動部規制突部３２ａの両側の可動部規制突部側起歪部５５ａ，５５ｂに外部部材側端面１０ａ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｉ，２０ｊは、ひずみゲージ２０ａ，２０ｂよりも内周側において、ひずみゲージ２０ａ，２０ｂとブロック体１０の径方向に並んで貼着されている。ひずみゲージ２０ｉ，２０ｊは、ブロック体１０の圧縮ひずみを検出するようになっている。

ひずみゲージ２０ｋ，２０ｌは、可動部規制突部３２ｂの両側の可動部突部側起歪部５６ａ，５６ｂに外部部材側端面１０ａ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｋ，２０ｌは、ひずみゲージ２０ｃ，２０ｄよりも内周側において、ひずみゲージ２０ｃ，２０ｄとブロック体１０の径方向に並んで貼着されている。ひずみゲージ２０ｋ，２０ｌは、ブロック体１０の引っ張りひずみを検出するようになっている。

ひずみゲージ２０ｍ，２０ｎは、可動部規制突部３２ｃの両側の可動部規制突部側起歪部５５ｃ，５５ｄに外部部材側端面１０ａ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｍ，２０ｎは、ひずみゲージ２０ｅ，２０ｆよりも内周側において、ひずみゲージ２０ｅ，２０ｆとブロック体１０の径方向に並んで貼着されている。ひずみゲージ２０ｍ，２０ｎは、ブロック体１０の圧縮ひずみを検出するようになっている。

ひずみゲージ２０ｏ，２０ｐは、可動部規制突部３２ａの可動部規制突部３２ｄの両側の可動部突部側起歪部５６ｃ，５６ｄに外部部材側端面１０ａ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｏ，２０ｐは、ひずみゲージ２０ｇ，２０ｈよりも内周側において、ひずみゲージ２０ｇ，２０ｈとブロック体１０の径方向に並んで貼着されている。ひずみゲージ２０ｏ，２０ｐは、ブロック体１０の引っ張りひずみを検出するようになっている。

図１０に示すように、ホイートストンブリッジ回路Ｗ２の一辺には、ひずみゲージ２０ｉ，２０ｊが接続されており、ひずみゲージ２０ｉ，２０ｊに対向する対辺には、ひずみゲージ２０ｍ，２０ｎが接続されている。また、ひずみゲージ２０ｉ，２０ｊ、及びひずみゲージ２０ｍ，２０ｎが接続されている辺に隣接する辺には、ひずみゲージ２０ｋ，２０ｌ、及びひずみゲージ２０ｏ，２０ｐが接続されている。

ホイートストンブリッジ回路Ｗ２の入力端（＋）と入力端（－）との間には、ブリッジ電源（図示せず）からブリッジ電圧が入力され、出力端（＋）と出力端（－）との間からは、印加荷重に対応したひずみ検出電圧が出力される。また、出力端（＋）及び出力端（－）は、静ひずみ測定器や動ひずみ測定器等のひずみ測定器（図示せず）にケーブルを介して接続されており、この結果、荷重測定系が構成される。

また、本発明の実施の形態に係る荷重変換器１では、複数の固定部突部３１のうちの１つの固定部突部３１の両側の固定部突部側起歪部５２に、夫々ひずみゲージ２０が取り付けられている。複数の固定部突部３１のうち、両側の固定部突部側起歪部５２にひずみゲージ２０が取り付けられた固定部突部３１の隣の固定部突部３１の両側の固定部規制突部側起歪部５３に、夫々ひずみゲージ２０が取り付けられている。

複数の固定部突部３１のうち、両側の固定部突部側起歪部５２にひずみゲージ２０が取り付けられた固定部突部３１と対向する固定部突部３１の両側の固定部突部側起歪部５２に、夫々ひずみゲージ２０が取り付けられている。固定部突部側起歪部５２及び固定部規制突部側起歪部５３に取り付けられたひずみゲージ２０は、ホイートストンブリッジ回路Ｗ３を形成している。

具体的に、ホイートストンブリッジ回路Ｗ３は、図９，１０に示すように、ひずみゲージ２０ｑ～２０ｘにより形成されている。ひずみゲージ２０ｑ，２０ｒは、複数の固定部突部３１のうちの１つの固定部突部３１（以下、固定部突部３１ａという。）の両側の固定部突部側起歪部５２（以下、固定部突部側起歪部５２ａ，５２ｂという。）の径方向における中央部分に支持部材側端面１０ｂ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｑ，２０ｒは、ブロック体１０の引っ張りひずみを検出するようになっている。

ひずみゲージ２０ｓ，２０ｔは、固定部突部３１ａの一方側の隣の固定部突部３１（以下、固定部突部３１ｂという。）の両側の固定部規制突部側起歪部５３（以下、固定部規制突部側起歪部５３ａ，５３ｂという。）の径方向における中央部分に支持部材側端面１０ｂ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｓ，２０ｔは、ブロック体１０の圧縮ひずみを検出するようになっている。

ひずみゲージ２０ｕ，２０ｖは、固定部突部３１ａと対向する固定部突部３１（以下、固定部突部３１ｃという。）の両側の固定部突部側起歪部５２（以下、固定部突部側起歪部５２ｃ，５２ｄという。）の径方向における中央部分に支持部材側端面１０ｂ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｕ，２０ｖは、ブロック体１０の引っ張りひずみを検出するようになっている。

ひずみゲージ２０ｗ，２０ｘは、固定部突部３１ａの他方側の隣の固定部突部３１（以下、固定部突部３１ｄという。）の両側の固定部規制突部側起歪部５３（以下、固定部規制突部側起歪部５３ｃ，５３ｄという。）の径方向における中央部分に支持部材側端面１０ｂ側から貼着されている。ひずみゲージ２０ｗ，２０ｘは、ブロック体１０の圧縮ひずみを検出するようになっている。

図１０に示すように、ホイートストンブリッジ回路Ｗ３の一辺には、ひずみゲージ２０ｑ，２０ｒが接続されており、ひずみゲージ２０ｑ，２０ｒに対向する対辺には、ひずみゲージ２０ｕ，２０ｖが接続されている。また、ひずみゲージ２０ｑ，２０ｒ、及びひずみゲージ２０ｕ，２０ｖが接続されている辺に隣接する辺には、ひずみゲージ２０ｓ，２０ｔ、及びひずみゲージ２０ｗ，２０ｘが接続されている。

ホイートストンブリッジ回路Ｗ３の入力端（＋）と入力端（－）との間には、ブリッジ電源（図示せず）からブリッジ電圧が入力され、出力端（＋）と出力端（－）との間からは、印加荷重に対応したひずみ検出電圧が出力される。また、出力端（＋）及び出力端（－）は、静ひずみ測定器や動ひずみ測定器等のひずみ測定器（図示せず）にケーブルを介して接続されており、この結果、荷重測定系が構成される。

荷重変換器１は、ロバーバル型の起歪体として作用し、荷重変換器１が受ける荷重によって可動部規制突部側起歪部５５、可動部突部側起歪部５６、固定部突部側起歪部５２及び固定部規制突部側起歪部５３が夫々変形し、この荷重がひずみゲージ２０を介して電気的に検出される。具体的には、荷重変換器１は、外部部材２００から荷重を受けると、固定部３０及び可動部４０が変位し、可動部規制突部側起歪部５５、可動部突部側起歪部５６、固定部突部側起歪部５２及び固定部規制突部側起歪部５３に応力が発生し、ひずみが生じる。

ひずみゲージ２０は、可動部規制突部側起歪部５５、可動部突部側起歪部５６、固定部突部側起歪部５２及び固定部規制突部側起歪部５３のひずみによる抵抗の変化を検知する。そして、ホイートストンブリッジ回路Ｗ１～３のひずみ測定器（図示せず）は、各ひずみゲージ２０の抵抗の変化を演算処理することで、外部部材２００に加えられた荷重を算出することができる。

このように、本発明の実施の形態に係る荷重変換器１は、可動部４０が、外部部材２００からの荷重を受ける複数の可動部突部４１を有しており、固定部３０が、複数の可動部突部４１の間に設けられ可動部４０の変位を規制する複数の可動部規制突部３２を有している。このため、偏荷重や過荷重が発生した場合にも、荷重変換器１の出力のばらつきや破損の発生を防止することができる。

具体的に、荷重変換器１は、複数の可動部規制突部３２の軸線Ｙ１方向における高さは、複数の可動部突部４１の軸線Ｙ１方向における高さよりも低くなっている。このため、複数の可動部規制突部３２が、外部部材２００から離れており、ロボットアーム（外部部材２００）に偏荷重や過荷重が発生した場合にも、複数の可動部規制突部３２が外部部材２００に接触し、ストッパの機能を果たすため、ブロック体１０の偏荷重や過荷重による破損を防止することができる。

また、荷重変換器１は、複数の固定部規制突部４２の軸線Ｙ１方向における高さが、複数の固定部突部３１の軸線Ｙ１方向における高さよりも低くなっている。このため、複数の固定部規制突部４２が、支持部材１００から離れており、ロボットアーム（外部部材２００）に偏荷重や過荷重が発生した場合にも、複数の固定部規制突部４２が支持部材１００に接触し、ストッパの機能を果たすため、ブロック体１０の偏荷重や過荷重による破損を防止することができる。

また、荷重変換器１は、複数の可動部４０において、ブロック体１０の外部部材側端面１０ａよりも外部部材２００側に突出している部分が、夫々、複数の可動部突部４１として構成されており、ブロック体１０の支持部材側端面１０ｂよりも支持部材１００側に突出している部分が、夫々、複数の固定部規制突部４２として構成されている。また、複数の固定部３０において、ブロック体１０の支持部材側端面１０ｂよりも支持部材１００側に突出している部分が、夫々、複数の固定部突部３１として構成されており、ブロック体１０の外部部材側端面１０ａよりも外部部材２００側に突出している部分が、夫々、複数の可動部規制突部３２として構成されている。

このように、複数の可動部規制突部３２と複数の固定部規制突部４２との規制位置がずれている（位相が異なっている）ため、ロボットアーム（外部部材２００）に偏荷重や過荷重が発生する場合にも、より多くの可動部規制突部３２及び固定部規制突部４２によりストッパの機能を果たすため、ブロック体１０の偏荷重や過荷重による破損を更に防止することができる。

さらに、荷重変換器１は、複数の可動部規制突部３２のうちの１つの可動部規制突部３２の両側の可動部規制突部側起歪部５５に、夫々ひずみゲージ２０が取り付けられている。また、複数の可動部規制突部３２のうち、両側の可動部規制突部側起歪部５５にひずみゲージ２０が取り付けられた可動部規制突部３２の隣の可動部規制突部３２の両側の可動部突部側起歪部５６に、夫々ひずみゲージ２０が取り付けられている。複数の可動部規制突部３２のうち、両側の可動部規制突部側起歪部５５にひずみゲージ２０が取り付けられた可動部規制突部３２と対向する可動部規制突部３２の両側の可動部規制突部側起歪部５５に、夫々ひずみゲージ２０が取り付けられている。このため、上述のように配置されたひずみゲージ２０により、ロボットアーム（外部部材２００）に偏荷重や過荷重が発生した場合にも、精度よくブロック体１０が受ける荷重を検出することができ、荷重変換器１の出力のばらつきを防止することができる。

さらに、荷重変換器１は、可動部規制突部側起歪部５５及び可動部突部側起歪部５６に取り付けられたひずみゲージ２０が、夫々内周側と外周側に並んで取り付けられており、外周側のひずみゲージ２０と内周側のひずみゲージ２０により２つのホイートストンブリッジ回路Ｗ１，２を形成している。また、固定部突部側起歪部５２及び固定部規制突部側起歪部５３に取り付けられたひずみゲージ２０が、ホイートストンブリッジ回路Ｗ３を形成している。このため、上述のように配置されたひずみゲージ２０により、ロボットアーム（外部部材２００）に偏荷重や過荷重が発生した場合にも、更に精度よくブロック体１０が受ける荷重を検出することができ、荷重変換器１の出力のばらつきを更に防止することができる。

このように、本発明に係る荷重変換器１によれば、ロボットアーム（外部部材２００）に偏荷重や過荷重が発生した場合にも、荷重変換器１の出力のばらつきや破損の発生を防止することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記本発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の概念及び特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題及び効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせてもよい。例えば、上記実施の形態における、各構成要素の形状、材料、配置、サイズ等は、本発明の具体的使用態様によって適宜変更され得る。

例えば、本発明の実施の形態に係る荷重変換器１においては、４つの固定部３０、４つの可動部４０及び８つのビーム部５０によりブロック体１０を形成した場合を一例に本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば、６つの固定部３０、６つの可動部４０及び１２つのビーム部５０によりブロック体１０を形成してもよく、任意の数の固定部、可動部及びのビーム部によりブロック体１０を形成すればよい。

また、本発明の実施の形態に係る荷重変換器１においては、複数のビーム部５０の内周面５０ｃ，外周面５０ｄの中央部分において、内周面５０ｃと外周面５０ｄとを貫通する所謂骨形状の貫通孔６０を形成した場合を一例に本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば、支持部材側連結孔６２及び外部部材側連結孔６５が円柱形状にブロック体１０の径方向に沿って夫々延びた所謂メガネ形状の貫通孔６０を形成してもよく、種々の形状の貫通孔６０を適用することができる。

また、本発明の実施の形態に係る荷重変換器１においては、荷重変換器１がひずみゲージ２０により形成されたホイートストンブリッジ回路Ｗ１～３を有する場合を一例に本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれに限らず、例えば、ホイートストンブリッジ回路Ｗ１～３のうちのいずれか１つのホイートストンブリッジ回路のみを有していてもよく、複数の可動部規制突部３２のうちの１つの可動部規制突部３２の両側の可動部規制突部側起歪部５５に、夫々ひずみゲージ２０が取り付けられていればよい。

１…荷重変換器、１０…ブロック体、１０ａ…外部部材側端面、１０ｂ…支持部材側端面、１１…開口部、２０（２０ａ～２０ｘ）…ひずみゲージ、３０…固定部、３０ａ…対向面、３０ｂ…対向面、３０ｃ…貫通孔、３１…固定部突部、３２…可動部規制突部、３３…溝部、４２…固定部規制突部、４０…可動部、４０ａ…対向面、４０ｂ…対向面、４０ｃ…有底孔、４１…可動部突部、４２…固定部規制突部、４３，４４…溝部、５０…ビーム部、５０ａ…対向面、５０ｂ…対向面、５０ｃ…内周面、５０ｄ…外周面、５１…支持部材側ビーム部材、５１ａ…内側面、５２…固定部突部側起歪部、５３…固定部規制突部側起歪部、５４…外部部材側ビーム部材、５４ａ…内側面、５５…可動部規制突部側起歪部、５６…可動部突部側起歪部、６０…貫通孔、６１…スリット孔、６２…支持部材側連結孔、６３…固定部突部側連結孔、６４…固定部規制突部側連結孔、６５…外部部材側連結孔、６６…可動部規制突部側連結孔、６７…可動部突部側連結孔、１００…支持部材、２００…外部部材、Ｗ１～３…ホイートストンブリッジ回路、Ｙ１…軸線

Claims (10)

1. ブロック体と、
   該ブロック体に取り付けられたひずみゲージとを備え、
   前記ブロック体は、支持部材に固定される複数の固定部と、前記複数の固定部の間に夫々設けられ外部部材から荷重を受ける複数の可動部と、前記固定部と前記可動部との間に夫々延びる複数のビーム部とを有する筒状に形成されており、
   前記可動部は、前記外部部材からの荷重を受ける複数の可動部突部を有しており、
   前記固定部は、前記複数の可動部突部の間に設けられ前記可動部の変位を規制する複数の可動部規制突部を有しており、
   前記固定部は、前記支持部材に支持される複数の固定部突部を有しており、
   前記可動部は、前記複数の固定部突部の間に設けられ前記固定部の変位を規制する複数の固定部規制突部を有していることを特徴とする荷重変換器。
2. 前記複数のビーム部は、夫々、前記外部部材側に設けられた外部部材側ビーム部材を有しており、
   前記外部部材側ビーム部材は、夫々、前記可動部突部側に設けられた可動部突部側起歪部と、前記可動部規制突部側に設けられた可動部規制突部側起歪部とを有しており、
   前記複数の可動部規制突部のうちの１つの可動部規制突部の両側の可動部規制突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の荷重変換器。
3. 前記複数の可動部規制突部のうち、両側の可動部規制突部側起歪部にひずみゲージが取り付けられた可動部規制突部の隣の可動部規制突部の両側の可動部突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられていることを特徴とする請求項２記載の荷重変換器。
4. 前記複数の可動部規制突部のうち、両側の可動部規制突部側起歪部にひずみゲージが取り付けられた可動部規制突部と対向する可動部規制突部の両側の可動部規制突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられていることを特徴とする請求項２又は３記載の荷重変換器。
5. 前記複数のビーム部は、夫々、前記支持部材側に設けられた支持部材側ビーム部材を有しており、
   前記支持部材側ビーム部材は、夫々、前記固定部突部側に設けられた固定部突部側起歪部と、固定部規制突部側に設けられた固定部規制突部側起歪部とを有しており、
   前記複数の固定部突部のうちの１つの固定部突部の両側の固定部突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の荷重変換器。
6. 前記複数の固定部突部のうち、両側の固定部突部側起歪部にひずみゲージが取り付けられた固定部突部の隣の固定部突部の両側の固定部規制突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられていることを特徴とする請求項５記載の荷重変換器。
7. 前記複数の固定部突部のうち、両側の固定部突部側起歪部にひずみゲージが取り付けられた固定部突部と対向する固定部突部の両側の固定部突部側起歪部に、夫々ひずみゲージが取り付けられていることを特徴とする請求項５又は６記載の荷重変換器。
8. 前記固定部突部側起歪部及び前記固定部規制突部側起歪部に取り付けられたひずみゲージは、ブリッジ回路を形成していることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載の荷重変換器。
9. 前記可動部規制突部側起歪部及び前記可動部突部側起歪部に取り付けられたひずみゲージは、夫々径方向内側と径方向外側に並んで取り付けられており、径方向外側のひずみゲージと径方向内側のひずみゲージにより２つのブリッジ回路を形成していることを特徴とする請求項２乃至８のいずれか１項記載の荷重変換器。
10. 前記外部部材側ビーム部材に取り付けられた複数のひずみゲージと前記支持部材側ビーム部材に取り付けられた複数のひずみゲージとが、前記ブロック体の軸線方向において対応した位置に配置されていることを特徴とする請求項５乃至９のいずれか１項記載の荷重変換器。
    

Images