JPH036432A - 多分力検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、機械的な力及び回転モーメントを測定する
多分力検出器、より詳しくは機械的な力を直交座標系で
それぞれ独立した３成分の力と３成分の回転モーメント
に分離して測定できる多成分ロードセルである多分力検
出器に関する。

〔従来の技術〕

この種の多分力検出器は、移動する物体、例えば航空機
、船舶、軌条車両等、あるいは固定設置しである設備、
例えば建築物、橋梁等の構造物に加わる機械的な力を独
立した座標成分に分解して測定するもので、既に種々の
方式のものが公知である。

上記の測定で力を検出するには、一般に力が加わった検
出物体の弾性変形歪を歪ゲージを用いて電気的に測定し
、検出物体に加わった力を算出している。これまで提唱
されている検出物体の形状及び力・歪変換方式は、検出
器を設置する場所、測定する力の成分の種類と数、被測
定体の形状等に依存するので多種多様である。

例えば、特開昭５７−１１８１３２号公報によれば、検
出器本体は固定フランジ上に設置した四枚の平板ビーム
を負荷側フランジに連結しである。

更に、特開昭６２−１７９８８７号公報によれば、細長
く狭い空間に挿入して使用できるもので、受感部は四本
の細長いロンドが装着しである。近年、多分力検出器も
小型化、軽量化が益々進み、同時に力と回転モーメント
の各成分を互いに干渉することなく、独立して電気的に
測定できることが重要になっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

それ故、この発明の課題は、寸法が小さく、軽量であっ
て、狭い設置個所でも容易に導入でき、それにもかかわ
らず六成分の力、及び回転モーノントを互いに干渉する
ことなく、高精度、高安定度で、早い応答速度を保証す
る多分力検出器を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の課題は、この発明により、固定フランジと、この
固定フランジの中心軸に同心に配置した負荷側フランジ
と、前記負荷側フランジに連結し、半径方向に互いに９
０°の確度を保って延び、前記中心軸に垂直な上下面及
び前記上下面に垂直な側面から成る長方形角柱の受感部
と、前記受感部に連結する断面を狭め、幅が短いくびれ
部分と、前記くびれ部分に直接連結し、両端を固定フラ
ンジに連結し、前記受感部の中心線に対して垂直に延び
る四枚の薄板の弾性継手と、を一体に形成した検出器本
体を備え、前記受感部の負荷側フランジ側の各面に少な
くとも二枚の歪ゲージを貼り付け、名刀と回転モーメン
トの成分に対応するブリッジ回路を構成した多分力検出
器によって解決されている。

この発明による他の有利な構成は、従属請求項に記載さ
れている。

〔作　用〕

この発明による多分力検出器の主要部の機能は、負荷側
から中心軸回りに四回回転対称にして、半径方向に延び
る四本の受感部とこの受感部が繋がる弾性継手部分によ
って、負荷側フランジに加わるどのよな力でも受感部の
角柱部分に圧縮と捩じり変形を生じさせなく、受感部の
曲げ弾性変形のみ与える。受感部の対称配置は直交軸に
独立した三成分の力と回転モーメントに対して測定する
力の干渉を少なめる。この構造は中心軸方向の寸法、即
ち軸方向の寸法を縮小させる角柱部分と弾性継手の間に
あるくびれ部分はこの隔週部分に加わる回転モーメント
を、半径方向の受感部の長さを縮めても効果的に伝達さ
せる。

〔実施例〕

第１ａ図及び第１ｂ図には、ガバー等の付属品を取り除
いたこの発明による一好適実施例である多分力検出器本
体の平面及び縦断面が示しである。

固定側フランジ１は、高さの低い円筒状のリング形で、
この検出器を基準位置に四本のボルト六８に通したボル
ト（図示せず）を用いて固定する。

試験対象物は負荷側フランジ４の中心穴９に貫通させて
（例えば回転軸のような物体の場合）又はこのフランジ
４の表面上に載置させて（ブロック状の物体の場合）保
持される。負荷側フランジ４から中心軸の周りに四回対
称に断面が長方形（又は正方形）の角柱部分である受感
部３−１〜３４が半径方向に延びている。つまり、第１
ａ図のように直交座標系ｘ、ｙ、ｚで受感部３−１と３
３がＸ軸に、また受感部３−２と３−４がＹ軸に沿って
延びている。受感部３−１〜３−４の断面は、一方がＸ
方向を向き、他方はこのＸ方向に垂直な方向を向いてい
て、中心軸Ｍ、即ちＺ軸方向の長さがＴで（第１ｂ図）
、この方向に垂直な長さがＢである（第１ａ図）。受感
部３−１〜３４の負荷側フランジ４とは反対の端部には
断面を狭めたくびれ部分７−１〜７−４があり、これ等
のくびれ部分を経由して前記受感部３−１〜３４の端部
はその受感部の延びる方向に垂直面を有する薄板の弾性
継手２−１〜２−４にそれぞれ繋がっている。くびれ部
分７−１〜７−４は、第１ａ図及び第１ｂ図に示すよう
に、はぼ弾性継手の厚さと同程度の幅と深さで角柱の全
ての面に付けてある。これ等の弾性継手２−１〜２−４
は、薄板の延長上でそれぞれ固定フランジ４に直接連結
している。

上に説明した全ての部材は、例えば放電加工のような精
密工作処置によって、一体の材料から切り出されている
。従って、第１図から判るように、弾性継手２−１〜２
−４と固定フランジ１の間には、四回対称に配置された
四個所の三日月形空間が生じる。また負荷側フランジ４
と固定フランジ１が対向し、受感部と弾性継手が両側を
仕切る空間はやはり四回対称に四個所化じる。（何れの
空間にも煩雑を避けるため引用数字を付けない）。歪ゲ
ージは受感部３−１〜３−４の角柱の各面で負荷側フラ
ンジ４の近くに貼り付けてある。

次に、負荷側フランジ４に加わった力をこの検出器本体
中でどのように弾性歪みに変換するのかを以下に説明す
る。

先ず、負荷側フランジ４にＸ軸方向にのみ力Ｆ。

を加える。この状態では、弾性継手２ｉ、２−３が柔で
あるため、簡単にＸ方向に弾性的に撓み、受感部３−１
．ａ−３がＸ方向に平行移動する。

これに対して、弾性継手１−２．２−４はＸ方向に剛で
あるため、Ｘ方向への変形をすることなく、前記力の大
部分は弾性継手２−２．２−４を経由して受感部３−２
．３−４のみに曲げ応力を加える。それ故、両受感部の
一本当たりに加わるＸ方向の力ｆＦＸは、 Ｘ ｒＦＸ” となる。ここで、完全に等号が成立しないのは、上記弾
性継手２−１．２−３の弾性変形に相当する僅かな反力
がこれ等の継手部分で消費されることを考慮に入れたた
めである。

この力ｆｒｘが受感部３−２又は３−４に加える曲げ応
力σＦには、 ｒＦＸ となる。次に、負荷側フランジ４にＸ方向に向けて力Ｆ
２のみが加わった場合、受感部３−１又は３−３に加わ
る力ｆＦＹ及び曲げ応力σＦ７は、対称性から上の二つ
の式で添字ＦＸをＦ７に換えたものに相当する。

力がＸ方向にのみ働く場合には、この力Ｆ２を四本の弾
性継手１−１．３−２．３−３．　３−４が均等に受は
持つ。従って、上と同じ考察から各−本が受は持つ力ｆ
ＦＺ及び曲げ応力σＦ２は、それぞれ、 ２ ｆｐｚ’ｉ 及び、 ９ ０ 負荷側フランジ４に対してＸ軸回りの回転モーメントＭ
Ｘが加わると、受感部１１．３−３には捩じり応力が加
わるが曲げ応力は加わらない、しかし弾性継手２−２．
２−４が剛であるので、受感部１２．３−４には曲げ応
力を受ける。回転モーメントＭＸによる受感部３−２に
作用するＺ方向の力ｆ　ＭＸＩ　は、 となる。ここで、Ｌは第１ｂ図に示す回転モーメントを
受は持つ角柱部分の腕の長さに相当する。

更に、曲げ応力σＭＸＩ　は、 及び となる。

検出器の構造の対称性から、Ｘ軸回りの回転モーメント
Ｍｖに対して受感部３−３及び３−１が受は持つ力ｆ。

□＋ｆＭ’／□と曲げ応力σ４□、σ、７□は上に相当
する式となる。

更に、Ｚ軸回りの回転モーメントＭ２に対して受感部３
−１．３−２．３−３．３−４が、下記のように、均等
にそれぞれ力ｆＭ□ｌ＋ｆＭ２□、　ｆ　ＭＺ３１ｆ、
□４及び曲げ応力σイア１．σイ２□、σ、２３．σ、
７１４を受ける。

となる。また、受感部３−４に対する力ｆ　ＮＸ２及び
曲げ応力σ□２は、それぞれ、 ｘ ｆＭｘｚ’ｉ Ｌ Ｉｊ”ｌ’／ｌｊ １ ２ 第２ａ図及び第２ｂ図に、上記の曲げ応力によって生じ
る弾性歪みを測定する歪ゲージの貼り付け位置を示す。

即ち、 ３−１受感部に１１−１．１２−１．１３−１．１４−
１３−２受感部に１１−２．１２−２．１３−２．１４
−２３−３受感部に１１−３．１２−３．１３−３．１
４−３３−４受感部に１）−４，１２’４．１３−４．
１４−４の歪ゲージが貼り付けてある。その場合、各歪
ゲージは受感部の柱状体の半径方向に向けた中心線上に
半径方向の曲げ歪みを最大感度で測定できるように貼り
付けける必要がある。

第３ａ〜３ｆ図に、上に述べた各座標軸にのみ作用する
名刀Ｆｘ、Ｆ’ｉ’、Ｆｚ又は各回転モーメントＭＸ、
ＭＶ、Ｍｚによって生じる受感部の剪断歪みを検知する
歪ゲージの結線図が示しである。各歪ゲージの抵抗に付
けた引用数字は第２ａ図と第２ｂ図に示した歪ゲージの
番号である。

上に述べた歪ゲージのブリッジ構成により、それぞれの
ブリッジが固有な力又は固有な回転モーメントのみを検
知し、それ以外の分力の影響を全く受けないことを表Ｉ
から理解できる。

３ ４ この表では、縦に配列した作用分力Ｆ　ｘ、　Ｆ　ｖ、
　Ｆ　ｚおよびＭ　Ｘ、　Ｍ　ｖ、　Ｍ　ｚに対して各
歪ゲージの抵抗増減を横に並べて表しである。同時に、
その時化しるブリッジの非平衡出力信号の状況も示しで
ある。

第２ａ図と第２ｂ図で貼り付けた歪ゲージは１６枚であ
るが、第３ａ〜３ｆ図から独立に結線して使用される歪
ゲージは３２枚必要である。それ故、第２ａ図と第２ｂ
図の各歪ゲージ位置に更に最低各−枚、つまり合計して
更に少なくとも１６枚の歪ゲージを追加する必要がある
。この対策としては、次の二つの方法を採用することが
できる。

第一の方法は、第４図に示すように各受感部の柱状体の
半径方向の中心線上で貼り付けした各歪ゲージＡに対し
て、更にもう一つの歪ゲージＢを同一中心線上に位置を
ずらして貼り付ける。その際、Ａの位置とＢの位置では
歪み量が異なるので、各受感部に対してＡ位置に対応す
る歪ゲージのみを用いてブリッジを第３ａ〜３１図に対
応させて構成する。

第二の方法は、第５図に示すように、各受感部の柱状体
の半径方向の中心線から第一の歪ゲージＡに対して垂直
にそれぞれ等間隔に左右にずらして二枚の歪ゲージＢ、
及びＢ２を貼り付ける方法である。そして、歪ゲージＢ
１とＢ２を各貼り付け位置で直列（第６ａ図）か、ある
いは並列（第６ｂ図）に結線する。ブリッジの各辺に組
み込んだ歪ゲージの抵抗はＡの位置に対応する歪ゲージ
のみで、又はＢ、とＢ２の位置に対応する歪ゲージのみ
で第３ａ〜３ｆ図に示したブリッジ結線に構成する必要
がある。

この発明による枠内でその根底をなす設計思想を逸脱す
ることなく、種々の変形を行えることば容易に想到でき
る。例えば、第１ａ図及び第１ｂ図に示した固定フラン
ジ１及び負荷側フランジ４を円形リング状でなく、四角
形又は他の正多角形に形成できる。また、負荷側フラン
ジの中心穴９を開けなく、目的に応じて単に円板又は多
角形の板であってもよい。

〔発明の効果〕

上の説明から容易に理解できるように、この発６ ７ 明による多分力検出器によって得られる著しい効果は、
特にその高さが低く、また半径方向の寸法も短いため、
例えば内燃機関の動力伝達回転軸が受ける大成分の機械
的力を狭い設置場所に挿入して測定でき、同時に装置全
体の重量も低減できる。

その場合、極めて簡単な構造にもかかわらす大成分の力
の分離を完全に分離することができ、それ等の力成分の
測定は互いに干渉することはない。

更に、一体構造のため、温度変化と経年変化に関し測定
精度と零点平衡を高い安定性で維持できる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図と第１ｂ図、それぞれこの発明による多分力検
出器の主要部の平面図と縦断面図。 第２ａ図と第２ｂ図、それぞれこの発明による多分力検
出器の主要部に貼り付けた歪ゲージの位置を示す部分平
面図と縦断面図。 第３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ及び３ｆ図、それぞれ
力Ｆｘ、Ｆｖ、Ｆｚ及び回転モーメントＭＸ。 Ｍ　ｖ　、　Ｍ　ｚを測定するための歪ゲージのブリッ
ジ結線図。 第４図、同−歪ゲージのタイプに対して柱状体の中心線
上に貼り付けた二種の歪ゲージ位置を示す受感部の模式
図（簡単のため一個所の歪ゲージに対してのみ示しであ
る）。 第５図、同−歪ゲージのタイプに対して柱状体の中心線
上及びこの中心線から外して貼り付けた三種の歪ゲージ
位置を示す受感部の模式図（簡単のため一個所の歪ゲー
ジに対してのみ示しである）。 第６ａ図と第６ｂ図、第５図の歪ゲージＢ１と８２のブ
リッジ結線に使用する平衡用接続配線図。 図中引用記号： １・・・固定フランジ、 ２−１．２−２．１−３．１−４・・・弾性継手、３−
１．３−２．３−３．３−４・・・受感部、４・・・負
荷側フランジ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固定フランジ（１）と、 この固定フランジの中心軸に同心に配置した負荷側フラ
   ンジ（４）と、 前記負荷側フランジに連結し、半径方向に互いに９０゜
   の確度を保って延び、前記中心軸に垂直な上下面及び前
   記上下面に垂直な側面から成る長方形角柱の受感部（３
   −１〜３−４）と、前記受感部に連結する断面を狭め、
   幅が短いくびれ部分（７−１〜７−４）と、前記くびれ
   部分に直接連結し、両端を固定フランジ（１）に連結し
   、前記受感部の半径方向の中心線に垂直に延びる四枚の
   薄板の弾性継手（２−１〜２−４）と、 を一体に形成した検出器本体を備え、前記受感部（３−
   １〜３−４）の負荷側フランジ（４）側の各面に少なく
   とも二枚の歪ゲージを貼り付け、各力と回転モーメント
   の成分に対応するブリッジ回路を構成していることを特
   徴とする多分力検出器。 ２、一方の歪ゲージを角柱面の半径方向の中心線上に貼
   り付け、他方の歪ゲージを前記中心線上で半径方向に前
   記一方のゲージからずらして貼り付けてある二枚の組で
   構成し、同一貼り付け位置に対応する歪ゲージでブリッ
   ジを形成してあることを特徴とする請求項１記載の多分
   力検出器。 ３、一方の歪ゲージを角柱面の半径方向の中心線上に貼
   り付け、他方の歪ゲージを中心線上の前記一方の歪ゲー
   ジの位置と同一位置で左右に等間隔にずらして配設した
   二枚の歪ゲージで構成し、同一貼り付け位置に対応する
   歪ゲージでブリッジを形成してあることを特徴とする請
   求項１記載の多分力検出器。 ４、前記中心線を外して貼り付けた二枚の歪ゲージを直
   列に接続して一枚の等価合成歪ゲージにしていることを
   特徴とする請求項３記載の多分力検出器。 ５、前記中心線を外して貼り付けた二枚の歪ゲージを並
   列に接続して一枚の等価合成歪ゲージにしていることを
   特徴とする請求項３記載の多分力検出器。