JPH0419529A - 二次元ロードセルおよびそれを用いた荷重検出装置 - 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〕 本発明は、歪ゲージ式のロードセルに係り、特に縦荷重
と横荷重とを同一時に分離して検出するに好適な二次元
ロードセルおよび二次元荷重検出装置に関する。

〔従来の技術〕

歪ゲージ式のロードセルは、測定対象の荷重を弾性体か
らなるセルブロックに作用させ、その弾性体の微小な変
形を歪ゲージにより検出し、これにより前記荷重を測定
するものであり、従来から広く知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来のロードセルは、一方向の荷重を検出する
ものに限られ、例えば研削盤の研削力、マシニングセン
タやフライス盤の切削力等のような２方向の力、すなわ
ち二次元荷重を同時に検出することができなかった。

本発明の目的は、上記のような問題を解決すること、言
い換えれば、２方向の荷重を同一時に分離検出できる二
次元ロードセルおよび二次元荷重検出装置を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕 本発明の二次元ロードセルは、上記目的を達成するため
、基板と、この基板に対し鉛直に支持された一対の平行
な縦はりと、この縦はりの少なくとも一方の端部に直交
させて架橋された横はりと、この横はりと縦はりの結合
部に腕を介して前記横はりに対して平行に固定された荷
重受は板と、前記荷重受は板側の横はりと少なくとも一
方の縦はりにそれぞれ貼付された歪ゲージとを有するも
のとしたことにある。

また、横はり方向の荷重に対する剛性を持たせるには、
一対の平行な縦はりと、一対の平行な横はりを有してな
る四辺形の枠体と、前記一対の横はり両端部から前記枠
体の外側に対称にそれぞれ突設された腕および脚と、こ
の腕と脚を介して前記一対の横はりに対してそれぞれ平
行に設けられた荷重受は板と基板と、前記荷重受は板側
の横はりと少なくとも一方の縦はりにそれぞれ貼付され
た歪ゲージとを有してなるものとすることが望ましい。

また、前記各腕と各脚は前記縦はりと横はりに対し等角
度に突設されたものとするのが望ましい。

本発明の二次元荷重検出装置は、上記いずれかのロード
セルの歪ゲージを抵抗ブリッジ回路の一要素として、前
記荷重受は板に作用する横荷重と縦荷重とをそれぞれ分
離して測定する測定回路を具備してなるものとすること
により実現できる。

〔作用〕

このように構成されることから、本発明によれば、次の
作用により上記目的が達成される。

まず、本発明の二次元ロードセルにより、荷重を二次元
に分離して測定できる原理について説明する。

本発明の二次元ロードセルにより荷重を測定するには、
基板を固定して荷重受は板に測定荷重を作用させる。い
ま、第７図の概念構成図に示すように、荷重受は板１０
の中心部に任意の大きさと方向の荷重Ｆを受けたとする
と、その荷重Ｆは２つの腕６，７を介して横はり２と一
対の縦はり４゜５に働くことになる。なお、縦はり４，
５は基板を介して固定されている。ここで、荷重受は板
１０又は横はり２に平行な方向をＸ軸とし、これに直交
する縦はり４，５に平行な方向をＺ軸とすると、各腕６
，７には荷重ＦのＸ方向とＺ方向の分力Ｆｘ’＝１／２
ＦｘとＦｚ’ｌ／２Ｆｚがそれぞれ働く。このＦｘ’　
とＦｚ’　が働くことにより横はり２と縦はり４，５に
それぞれ応力が生ずる。ここで、Ｆｘ″を単独で作用さ
せたときの横はり２上の図示Ａ点と縦はり４，５上の図
示Ｂ。

０点の応力をそれぞれσ＾ＦＸ、σＢＦＸ　、σＣＦＸ
としＦｚ’　を単独で作用させたときの同各点Ａ、Ｂ。

Ｃの応力をそれぞれσ＾ＦＸｔ　σ１３ＦＸ　ｔ　　σ
ＣＦＺとし、有限要素法による構造解析を行ったところ
、それらの応力に、 σ＾ＦＸ＜＜σ＾ＦＺ。

σＢＦＸ＞＞σＢＦＺ。

σＣＦＸ＞＞σＣＦＺ の関係のあることが判明した。すなわち、横はり２に生
ずる応力σ＾は縦荷重Ｆｚに対応し、縦はリ４，５に生
ずる応力σＢ、σＣは縦荷重Ｆｘに対応するとみなすこ
とができる。したがって、横はり２の弾性体歪を測定す
ることにより、Ｚ軸方向の荷重成分Ｆｚを分離検出でき
、縦はり４および又は５の弾性体歪を測定することによ
り、Ｘ軸方向の荷重成分Ｆｘを分離検出できることにな
る。

よって、Ａ点に歪ゲージを貼り付けることにより、荷重
Ｆの縦荷重成分Ｆｚを分離して測定でき、Ｂ点及び／又
は０点に歪ゲージを貼り付けることにより、荷重Ｆの横
荷重成分Ｆｘを分離して測定できる。

なお、腕６，７と横はり２とのなす角度θ（第７図）は
９０°未満が望ましく、またロードセルのＸ軸方向の剛
性を高めること、又は横はり２に係るせん断力を大きく
して検出精度を高めることに着目すれば、小さいことが
望ましい。しかし、少なくともθ〉Ｏｏでなければなら
ない。

また、応力解析や製作の容易性を考慮すると、θ＝４５
ａが望ましく、かつ、ロードセル全体を縦・横方向対称
形に形成することにより、Ｘ軸方向の剛性を高くするこ
とができる。これによれば、工作機械のテーブル上など
、速度や加速度の変化の激しい場所で使用した場合にも
、安定した測定出力を得ることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図に、本発明に係る二次元ロードセルを用いてなる
二次元荷重検出装置の一実施例の全体構成図を示す。二
次元ロードセル１は、一対の平行な横はり２，３と一対
の平行な縦はり４，５を有してなる四辺形の枠体と、こ
の枠体上部の角部から外側に突設された腕６，７と、こ
れに対称に枠体下部の角部から突設された脚８，９と、
腕６と７を介して前記横はり２に対して平行に固定され
た荷重受は板１ｏと、脚８と９を介して前記横はり３に
対して平行に固定された基板１１を有して形成されてい
る。腕６，７および脚８，９はそれぞれ横はり２又は３
に対して４５°の角度をなして形成されているに のように形成された二次元ロードセル１に対し、荷重受
は板１０側の横はり２の中心部Ａ点に縦荷重検出用の歪
ゲージ２１が貼付され、縦はり４．５の対称なり点と０
点にそれぞれ横荷重検出用の歪ゲージ２２と２３が貼付
されている。歪ゲージ２１の端子はケーブル２４により
縦荷重検出用のブリッジボックス２５に導びかれ、さら
にこのブリッジボックス２５には固抵抗抵２６．２７゜
２８が接続されたケーブルが導びかれている。ブリッジ
ボックス２５の内部は、第２図に示すように、歪ゲージ
２１と固定抵抗２６，２７．２８を要素としてブリッジ
回路が組まれ、その出力電圧はケーブルを介して縦荷重
検出用の動歪測定器２９に導びかれ、ここにおいて、縦
荷重成分Ｆｚに比例した歪量が検出される。同様に、歪
ゲージ２２と２３の端子はケーブル３０と３１により横
荷重検出用のブリッジボックス３２に導びかれている。

ブリッジボックス３２の内部は、第３図に示すように、
歪ゲージ３０と３１および固定抵抗３３と３４をそれぞ
れ対向辺の要素とするブリッジ回路が組まれ、その出力
電圧はケーブルを介して横荷重検出用の動歪測定器３５
に導びかれ、ここにおいて横荷重成分Ｆｘに比例した歪
量が検出される。上記の固定抵抗２５〜２７，３３．３
４は測定中応力変化のない場所に設置される。なお、歪
ゲージ３０と３１は両方設けることにより、平均的な歪
量を検出できるので望ましいが、いずれか片方であって
もＦｘ酸成分検出できる。

ここで、第１図実施例の二次元ロードセルについての、
最適な歪ゲージ貼付位置を第４図〜第６図を用いて説明
する。それらの図は有限要素法による構造解析結果を説
明するものであり、第４図は解析対象の二次元ロードセ
ルの各部の寸法の一例を示し、第５図は縦荷重Ｆｚ’の
みを両腕６゜７に作用させたときの、Ａ、Ｂ、Ｃ各点に
おける応力測定値σ＾ＦｚＴ　σＢＦＺ　ｒ　σＣＦＺ
を示し、第６図は横荷重Ｆｘ’のみを両腕６，７に作用
させたときの、Ａ、Ｂ、Ｃ各点における応力測定値のσ
＾ＦＸ、σＢＦＸ　ｔ　σＣＦＸを示す・第４図に示す
各部寸法の二次元ロードセルに対し、Ｆｘ’　、Ｆｚ’
共に２５０ｋｇｆを各部６，７に作用させたとじて解析
したところ、Ａ点については横はり２の中央の応力の比
１σ＾ＦＸ　ｌ　／　ｌσ＾ｐａｃｔの値が最大となり
、Ｂ点と０点についてはｍ２／Ｑ２＝０．８７付近で、
それぞれ応力の比１σＢＦＸ　ｌ　／　ｌσＢＦＸ　ｌ
とσｃｒｚ　ｌ　／　ｌσＣＦＸ　＋の値が最大となる
結果が得られた。また、それらの比の値は次のとおりで
あり、通常の使用においては、縦荷重成分Ｆｚと横荷重
成分Ｆｘを同一時に分離して測定できることが可能であ
る。

σ＾ＦＸ　ｌ　／　ｌσ＾ｒｚ　ｌ　Ｘ　１００＝０．
５２９／３．４８Ｘ　１００＝１５．２％σａＦｔ　Ｉ
　／　ｌσＢＦＸ　Ｉ　Ｘ　１００＝　２．４４／２１
．２８Ｘ　１００＝　１１．４７％σｃｖｚ　Ｉ　／　
ｌσｃＦｘ　ｌ　Ｘ　１００＝０．７８７／２１．２７
６Ｘ　１００＝４．５％また、第１図実施例によれば、
腕６，７と腕８゜９をθ＝４５°の角度に設定し、それ
ぞれ２点支持としたことから、Ｘ軸方向の剛性が高く、
工作機械のテーブル上など、速度や加速度の変化が激し
いところで使用しても、安定した測定出力を得ることが
できる。

なお１脚の剛性が要求されない場合には、第８図のよう
に、縦はり４，５の下端を直接基板１１に固定してもよ
い。

また、第９図は、研削盤の研削力やマシニングセンター
、フライス盤の切削力を測定するため、広範囲の測定面
を得る方法として、上記の二次元ロードセル１を例えば
４ヶ組み合わせて使用した場合の一実施例を示す。同図
は正面からみた図であり、紙面の直角方向に、それぞれ
二次元ロードセルが並列に列設されている。

本実施例の荷重受は板１１に荷重Ｆが働いた場合、その
２方向酸分ＦｚはＦｚ検出用の歪ゲージ２１ｃ”ｆが検
出する歪量の代数和と対応している。したがって第１０
図のようにブリッジ回路を組むことにより、電気的にＦ
ｚ検出用の歪ゲージ２１　ｃ　＝　ｆの歪量を足し合わ
せ、動歪測定器に出力することができる。またＸ方向成
分ＦｘもＦｘ検出用の歪ゲージ２２　ａ”ｄ　、　２３
　ａ−ｄの歪の代数和と対応している。したがって第１
１図のようにブリッジ回路を組むことにより、Ｆｘ検出
用の歪ゲージ２２　ａ　”　ｄ　、　２３　ａ　−ｄの
歪量を電気的に足し合わせて出力することができる。な
お、第１０図と第１１図の各Ｒは固定抵抗であり、その
値は歪ゲージ２１　ｃ　＝　ｆ　、　２２　ａ　−ｄ　
、　２３　ａ〜ｄに合わせて選定される。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の二次元ロードセルは、基
板と、この基板に対し鉛直に支持された一対の平行な縦
はりと、この縦はりの少なくとも一方の端部に直交させ
て架橋された横はりと、この横はりと縦はりの結合部に
腕を介して前記横はりに対して平行に固定された荷重受
は板とを有するものとしたことから、荷重受は板に作用
する荷重の縦荷重成分により主として横はりに応力を生
じさせ、−力積荷重成分により主として縦はりに応力を
生じさせる。したがって、２方向の荷重を分離できるこ
とから、その結果それらのはりの歪を歪ゲージで測定す
ることにより、同一時に二次元荷重を検出できる。

また、一対の平行な縦はりと一対の平行な横はりを有し
てなる四辺形の枠体と、前記一対の横はり両端部から前
記枠体の外側に対称にそれぞれ突設された腕および脚と
、この腕と脚を介して前記一対の横はりに対してそれぞ
れ平行に設けられた荷重受は板と基板とを有してなるも
のによれば、横荷重を両端の腕と脚で２点支持するよう
にしていることから、横方向の剛性が強く、速度や加速
度の変化が激しい工作機械のテーブルに載置して使用し
ても、十分安定した測定出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の二次元荷重検出装置の全体構成図、第
２図と第３図は第１図実施例のブリッジ回路構成図、第
４図〜第６図は第１図実施例の歪ゲージの最適貼付位置
を説明する図、第７図は本発明の二次元ロードセルの作
用を説明する図、第８図は第１図実施例の変形例を示す
図、第９図は本発明の二次元荷重検出装置の他の実施例
の構成図、第１０図と第１１図は第９図実施例のブリッ
ジ回路構成図である。 １・・・二次元ロードセル、 ２．３・・・横はり、 ４，５・・・縦はり、 ６．７・・・腕、 ８．９・・・脚、 １０・・・荷重受は板、 １１・・・基板、 ２１．２２，２３・・・歪ゲージ、 ２５．３２・・・ブリッジボックス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板と、この基板に対し鉛直に支持された一対の平
   行な縦はりと、この縦はりの少なくとも一方の端部に直
   交させて架橋された横はりと、この横はりと縦はりの結
   合部に腕を介して前記横はりに対して平行に固定された
   荷重受け板と、前記荷重受け板側の横はりと少なくとも
   一方の縦はりにそれぞれ貼付された歪ゲージとを有して
   なる二次元ロードセル。 ２、一対の平行な縦はりと一対の平行な横はりを有して
   なる四辺形の枠体と、前記一対の横はり両端部から前記
   枠体の外側に対象にそれぞれ突設された腕および脚と、
   この腕と脚を介して前記一対の横はりに対してそれぞれ
   平行に設けられた荷重受け板と基板と、前記荷重受け板
   側の横はりと少なくとも一方の縦はりにそれぞれ貼付さ
   れた歪ゲージとを有してなる二次元ロードセル。 ３、前記各腕が前記縦はりと横はりに対し等角度に突設
   されたことを特徴とする請求項１、２いずれかに記載の
   二次元ロードセル。 ４、請求項１、２、３いずれかに記載の前記二次元ロー
   ドセルを具備し、前記歪ゲージを抵抗ブリッジ回路の一
   要素として前記荷重受け板に作用する横荷重と縦荷重と
   をそれぞれ分離して測定する測定回路を具備してなる二
   次元荷重検出装置。 ５、請求項１、２、３いずれかに記載の前記二次元ロー
   ドセルの荷重受け板と基板とを一体にして複数列設し、
   各二次元ロードセルの対応する位置に貼付された歪ゲー
   ジを直列接続し、この直列接続体をそれぞれ抵抗ブリッ
   ジ回路の一要素として、前記荷重受け板に作用する横荷
   重と縦荷重とをそれぞれ分離して測定する測定回路を具
   備してなる二次元荷重検出装置。