JPS63255635A - 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】 （ａ）　　技術分野 本発明は、多分力検出器に関し、より詳細にはＸ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸の３軸からなる直交座標系を仮想したとき、物
体の任意の一点に作用する力および回転モーメン１へを
Ｘ軸方向の分力Ｆｘ、Ｙ軸方向の分力Ｆｙ、Ｚ軸方向の
分力Ｆ２、Ｘ軸まわりの回転モーメントＭｘ　、　Ｙ　
ｌ１ｌｉｌｌまわりの回転モーメン１〜Ｍｙおよび２軸
まわりの回転モーメントＭｚなる６つの独立した分力と
して検出する多分力検出器に関するものである。

（ｂ）　　従来技術 物体に任意の外力を印加した場合、その物体には最大６
種類の分力（力および回転モーメント）が作用する。こ
れらの分力をＨ１測する手段として、従来はロー１くセ
ルが用いられていた。しかしながら、ロードセルは、力
の作用系としては最も単純な方向の力のみが印加される
ことを前提にし、その方向の力を測定するだけであり、
計測すべき力以外の他の分力が作用した場合にはその干
渉を避けることができない。従来から他の分力の影響を
少なくするために、種々の技術的考慮がなされている。

その−例として特開昭５７−１１．８１３２号公報記載
の多分力検出器がある。この従来例の構成を第２１図の
正面図にて示す。

すなわち、上記従来例は、測定側フランジ８０と固定側
フランジ８１とをそれぞれ平行な状態で対向する４本（
２対）のビー１１８２〜８５によって連接し、−Ｉ−起
工つのフランジ８０．８１の配設３一 方向（板面に直交する方向）を２軸とするＸ、Ｙ。

２の３軸直交座標系を仮想したとき、Ｘ軸方向の分力Ｆ
ｘ　、Ｙ軸方向の分力Ｆｙおよび２軸まわりの回転モー
メントＭｚは、上記ビーム８２〜８５に生じるせん断応
力に感応するように該ビーム８２〜８５に接着したひず
みゲージ８６ａ〜８６ｃ、８７ａ〜８７ｇ、８８ａ〜８
８ｃのうち例えば８７ｂ、８７ｄ等によって検出し、他
の分力は上記ビーム８２〜８５に生しる垂直応力に感応
するように該ビーム８２〜８５に接着したひずみゲージ
（例えば分力Ｆｚにはひずみゲージ８７ａ　、８７ｃ　
、８７ｆ等）によって検出するように構成されている。

。 また実公昭５４−２１０２１号公報記載の多分力検出用
トランスジューサは、ｉｌ＋！ｌ定側フランジと固定側
フランジとを弾性的に連接する４本のビー１１の両端近
傍部にバネ定数髪方向によって異ならせるへく切欠部を
形成すると共に−１−記ビームの両端にそれぞれ一対の
ひずみゲージを複数貼りこれらのひずみゲージにより所
定の分力を検出するためのブリッジ回路をそれぞれ構成
しである。

さらに、実開昭５８−１６９５４３号公報には、第２２
図の斜視図に示すように、２対の平行表面を有する方形
梁の各中間に、それぞれ各−面側から他面側に貫通する
断面矩形状の垂直孔８９と水平孔９０を穿Ｉ没すること
によって４木のＮＦ行梁９２ａ〜９２ｄ　（ただし９２
ｄは図には現われていない）で剛性大なる梁の両軸端を
一体に連接した構成とし、そして各平行梁９２ａ〜９２
ｄの両端に応力集中用の凹み９１を形成し、その凹み９
１の形成された面と隣り合う面にひずみゲージ９３．９
３・・・を貼着してなる４平行辺型ロードセ　　。

ルが開示されている。

さてここで、第２１図に示すビーム８２〜８５にＸ軸方
向の力が印加された場合、または第２２図における平行
梁９２ａ〜９２ｄにｚ−７方向の力が印加された場合、
ビーム８２〜８５または平行梁９２ａ〜９２ｄに発生す
る垂直応力の分布状態を考えてみると、（以下第２１図
のビーム８２を代表として説明する）、ビーム８２の両
端部近傍の横断面においては、応力は一定となっている
がその大きさが小さく測定側フランジ８０および固定側
フランジ８１と各ビーム８２の連結部においてはその影
響を受けて応力に乱れ（応力分布が均一でなく）所望の
特性が得にくい。この両端部近傍から離れた中間部近傍
の横断面においては、はぼ均等分布になっている。また
ビーム８２のＺ軸方向の長さを短くした場合、上記中間
部近傍の断面における応力分布が一様ではなく、複雑な
分布状態を呈する。

このようにビーム８２がある程度短い場合、およびビー
ム８２が長い場合であっても、ひずみゲージ添着位置が
、ビーム８２の端面よりあまり離れていない場合には、
そのひすみゲージによっては、Ｚ軸方向の力に正確に対
応した電気信号を得ることができない。このため、ビー
ム８２の側周面上にひずみゲージを添着する従来の多分
力検出器においては、ビーム８２のＺ軸方向の長さをあ
る程度長くとる必要があった。しかしながら、ビーム８
２をあまり長くすると、印加される力によって、ビーム
８２に座屈現象が発生し、Ｚ軸から傾斜した方向の力に
対して影響を受は易くなり、分力および回転モーメント
の検出精度が低下するという問題があった。また、多分
力検出器を力の伝達系中に介挿するような場合、ビーム
８２の長さを大きくすることができず、仮に大きくすれ
ば、被測定対象物が大型化するという問題があった。

また、上記応力のひずみゲージによる検出感度を向上せ
しめるためには、ビーム８２を細く、つまり外周が小さ
くなるようにするのが望ましいが、細くした場合には座
屈が発生しやすくなるという強度面での問題があった。

このように、上述した従来の多分力検出器においては、
分力の検出精度を」−げるためには、ビーム８２〜８５
および平行梁９２ａ〜９２ｃの長さを座屈を生じない範
囲である程度以上長くせざるを得す、そのため、多分力
検出器自体が大型化、高重量化してしまうばかりでなく
、その多分力検出器を用いて分力の測定を行なう必要の
ある被測定対象物に適用できる範囲が制限されるという
難−７＝ 点があった。

（ｃ）　目的 本発明は、上述した従来の多分力検出器の欠点を解消す
べくなされたもので、その目的とするところは、小型、
軽量で、座屈を生じる虞れがなく、高容量に対応でき、
各分力の分離能力と検出感度を向上せしめた測定精度の
極めて高い多分力検出器を提供することにある。

（ｄ）　　構成 以下、本発明の要旨を実施例に基づいて詳述する。

第１図（ａ）は、本発明に係る多分力検出器の一実施例
の構成を示す正面図、第１図（ｂ）は、第１図（ａ）の
底面図である。ただし、第１図（ｂ）においてひずみゲ
ージは省略しである。

第１図（ａ）、（ｂ）において、１は下端面が被測定対
象物に固定される厚肉で剛性が大なる短円柱形の固定側
フランジ、２は物理的形状が固定側フランジ１と略同−
に形成され且つ、平行な状態で対向する入力側フランジ
、３〜６はそれぞれ上記固定側フランジ１と上記入力側
フランジ２とを弾性的に連結する四角柱状の連結梁とし
てのビーム、７〜１０はこれらのビーム３〜６の略中央
部に設けられ、該中央部の外周が他の部位の外周よりも
小さくなるように切欠かれてその横断面がビーム３〜６
の横断面より小さい相似形を呈する狭窄部であり、上記
固定側フランジ１〜狭窄部１０までをもって起歪体本体
１１を構成している。

この起歪体本体１１において、ビーム３と４（あるいは
ビーム５と６）を結ぶ方向にＹ軸をとり、ビーム３と６
（あるいはビーム４と５）を結ぶ方向にＸ軸をとり、固
定側フランジ１と入力側フランジ２とを結ぶ方向にＺ軸
をとり、各軸Ｘ、Ｙ。

Ｚ方向の分力をそれぞれＦｘ　、Ｆｙ　、Ｆｚとし、各
軸Ｘ、Ｙ、Ｚを中心とする回転モーメントをそれぞれＭ
ｘ　、　Ｍｙ　、　Ｍｙ、とする。また、固定側フラン
ジ１と入力側フランジ２との対向する端面間の距離をＩ
（、各ビーム３〜６のＹ軸方向の中心間の距離をＬ□、
同様にＸ軸方向の中心間の距離をり、とする。尚、１２
〜５１　（ただしここでは不連続の番号）は、ビーム３
〜Ｇおよび狭窄部７〜］Ｏに添着されたひずみゲージで
あるが、詳しくは以下の図面の説明で述べる。

第２図（ａ）は、第１図（ａ）に示す多分力検出器のた
わみ状態を誇張して示す線図、第２図（ｂ）は、同じく
曲げモーメント線図である。尚、Ｍｍａｘは＋１１１１
ずモーメントの最大値を示す。

第３図は、第１図（ａ）の固定側フランジ側から見たＡ
−Ａ’線矢視方向断面図である。第３図において、各ビ
ーム３〜６のそれぞれの４つの側面および各狭窄部７〜
１０のそ九ぞれの４つの側面に対して、図中」１方の側
面をａ面と呼び、順次時計方向に各側面をｂ面、０面、
ｄ面と呼ぶことにする。すなわち、各す面とｄ面はＸ軸
方向に沿い、各ａ面と０面はＹ軸方向に沿う側面である
。

１２〜１５は狭窄部７の各側面にゲージ軸が２軸方向と
合致する方向（以下「縦方向」という）に添着されたひ
ずみゲージで、ひずみゲージ１２はａ面に添着され以下
同様にｂ面〜ｄ面に対応して添着されている。そして、
以下同様に、】６〜１９は狭窄部８のａ面〜ｄ面に、２
０〜２３は狭窄部９のａ面〜ｄ面に、２４〜２７は狭窄
部１０のａ面〜ｄ面に縦方向に添着されたひずみゲージ
である。尚、１５’　、１７’　、２１’　、２７’は
それぞれ次に説明するケージ軸が２軸と略直交する方向
（以下「横方向」という）に添着されたひずみゲージで
ある。

第４図は、−■−述のゲージ軸の方向が異なる二つのひ
ずみケージの添着状態を示す拡大図である。

第４図において、１５′は先に触れた狭窄部７のｄ面に
ひずみゲージ１５に対し直角に添着された横方向のひず
みゲージである。従って、ひすみゲージ１５′は、狭窄
部７が２軸方向に伸長すると、抵抗値がビーム３の材料
が持つポアッソン比に従って減少するように感応し、圧
縮に対しては抵抗値が増加するように感応する。ひずみ
ゲージ１５は、狭窄部７が２軸方向に伸長すると抵抗値
が増加、圧縮すると減少するように構成されている。

尚、第３図における狭窄部８，９の各ｌ）面、狭窄部１
０のｄ面の合計４面に第４図に示すような縦　１１一 方向と横方向のひずみゲージが一対づつ添着されている
が、第４図は、その代表として狭窄部７のみを示した。

従って同様に横方向の他のひずみゲージ１７’　、２１
’　、２７’はそれぞれ縦方向のひずみゲージ１７，２
１．２７と対を成し、それぞれ狭窄部８，９のｂ面、狭
窄部１０のｄ面に添着されている。

第５図は、第１図（ａ）の底面側から見たＣ−Ｃ′矢矢
視内向断面図ある。第５図においてビーム３〜６の各側
面の呼び方は第３図と同様で、図中上方の側面をａ面と
し、順次時計方向にｂ面〜ｄ面と呼ぶ。２８〜３１はビ
ーム３の」〕端部のａ面〜ｄ面に、３２〜３５はビーム
４の上端部のｄ面〜ｄ面に、３６〜３９はビーム５の」
二端部のａ面〜ｄ面に、４０〜４３はビーム６の上端部
のａ面〜ｄ面に、それぞわ添着された縦方向のひずみゲ
ージである。従って、これらのひずみゲージ２８〜４３
は、ビーム３〜６のそれぞれのａ面〜ｄ面のＺ軸方向に
対する伸長および圧縮に感応するように、すなわちビー
ム３〜６の曲げ応力に感１２一 応するように構成されている。ただし、上記ひずみゲー
ジ２８〜４３は、すべてゲージ軸と各ビーム３〜６の各
側面の幅方向の中心線とが合致するように添着されてい
る。従って、例えば、ビーム３を例にとると（他のビー
ム４〜６に関しても同様）、ａ面がＺ軸方向に伸長し０
面がＺ軸方向に圧縮したとき、ひずみゲージ２８は抵抗
が増加しひずみゲージ３０は抵抗が減少するが、ｂ面お
よびｄ面のひすみゲージ２９．３１はゲージ軸の軸心が
中立軸と合致しているので抵抗値は変化しない。また逆
にｄ面がＺ軸方向に伸長し１〕面が圧縮した場合、ひず
みゲージ３］−の抵抗値は増加し、ひずみゲージ２９の
抵抗値は減少するが、ａ面Ｃ面のひずみゲージ２８．３
０は中立軸上にあるのでその抵抗値は変化しない。

第６図は、第１図（ａ）のＢ−Ｂ’矢視方向断面図であ
る。第６図において、ビーＡ　３〜６の４つの側面の呼
び方は、第３図および第５図と同様なので省略する。４
４〜４７．４８〜５１．５２〜５５および５６〜５９は
、それぞれビーム３゜４．５および６の下端部のａ面〜
ｄ面にそれぞれ縦方向に添着されたひずみゲージである
。第５図と第６図との違いは、ビーム３〜６の上端部と
下端部との違いのみでその他は第５図と略同−に構成さ
れている。

尚、第３図〜第５図において、第１図（ａ）。

（ｂ）と同一部材には同一番号を付して説明は省略する
。

第７図〜第１３図は、各分力および各回転モーメントを
検出するブリッジ回路で、第７図は分力Ｆｘ、第８図は
分力Ｆｙ、第９図および第１０図は回転モーメントＭ２
、第１１図は、分力Ｆ２、第１２図は回転モーメントＭ
ｘ、第１３図は回転モーメントＭｙを検出するブリッジ
回路である。

第７図において、６０は第１辺、６１は第２辺、６２は
第３辺、６３は第４辺を指し、また６４゜６４′は入力
端子、６５．６５’は出力端子である。ブリッジが不平
衡になったとき、出力端子６５から６５′に向って流れ
る電流を−ｊと記し、逆方向の電流子ｉと記すことにす
る。尚、第８図以下には特にこれら番号は付さないが図
中同一部位は同一番号とする。また以下、分力Ｆｘ　を
検出するブリッジをｒＦｘブリッジ」と略記し、他の分
力、回転モーメントも同様に略記するものとする。第７
図に示すＦｘブリッジの各辺の構成を説明すると、第１
辺は、ひずみゲージ２８と３２との直列枝路よりなり、
以下同様に第２辺はひずみゲージ３８と４２との直列枝
路、第３辺はひずみゲージ５４．５８の直列枝路、第４
辺はひすみゲージ４４，４．８の直列枝路より構成され
ている。

第８図に示すＦｙブリッジの各辺も同様にして、第１辺
はひずみゲージ３１，４．３の直列枝路、第２辺は、ひ
ずみゲージ３３．３７の直列枝路、第３辺はひずみゲー
ジ４９．５３の直列枝路、第４辺はひずみゲージ４７．
５９の直列枝路より構成されている。

第９図および第１０図は、共にＭｚブリッジであるが、
第９図は、ビーム３〜６の上端部に添着されたひずみゲ
ージよりなり、第１０図は同様に下端部のひすみゲージ
よりなるので、以下第９図をＭｚブリッジ（上）、第１
０図をＭｚブリッジ（下）とそれぞれ略記する。第９図
に示すＭｚブリッジ（上）の各辺の構成を説明すると、
第１辺はひずみゲージ２９．３４の並列枝路、第２辺は
ひずみゲージ３５．３６の並列枝路、第３辺はひずみゲ
ージ３９，４．０の並列枝路、第４辺はひずみゲージ３
０．４４の並列枝路より構成されている。また、第１０
図に示すＭｚブリッジ（下）の各辺の構成を説明すると
、第１辺はひずみゲージ５０．４５の並列枝路、第２辺
はひずみゲージ５１．５２の並列枝路、第３辺はひずみ
ゲージ５５．５６の並列枝路、第４辺はひずみゲージ４
−６．５７の並列枝路より構成されている。

第１１図に示すＦｚブリッジは、第１辺は、横方向のひ
ずみゲージ１７’　、２１’の直列枝路、第２辺はひず
みゲージ１６．２２の直列枝路、第３辺は横方向のひず
みゲージ１５′、　２７　＋の直列枝路、第４辺はひず
みゲージ１２．２６の直列枝路より構成されている。

第１２図に示すＭｘブリッジは、第１辺はひず一１６＝ みゲージ１７．２１の直列枝路、第２辺はひずみゲージ
１５．２７の直列枝路、第３辺はひずみゲージ１９．２
３の直列枝路、第４辺はひずみゲージ１３．２５の直列
枝路より構成されている。

第１３図に示すＭｙブリッジは、第１辺はひずみゲージ
１６．１２の直列枝路、第２辺はひずみゲージ２２．２
６の直列枝路、第３辺はひずみゲージ１４．１８の直列
枝路、第４辺はひずみゲージ２０．２４の直列枝路より
構成されている。

第１４図、第１５図は、第７図〜第１３図に示した各ブ
リッジ回路において、各分力が作用した場合の各ひずみ
ゲージの抵抗変化と出力の関係を示す図である。同図に
おいてひずみゲージの抵抗の増加は十記号で表示し、減
少は一記号で表示し、変化しない場合はＯで表示する。

また１は先に定義したブリッジ回路の出力＋１を表示し
、−１は−１に対応している。その他については、後述
の動作の説明において詳述する。

さて、このように構成された本実施例の動作について説
明する。入力端フランジ２に分力Ｆ”　ｘの力が作用す
ると、ビーム３〜６は曲げモーメントを受け、ビーム３
〜６のそれぞれの上端部（第５図）においては、各ビー
ム３〜６の各８面はＺ軸方向に圧縮し、各０面はＺ軸方
向に伸長する。そしてビーム３〜６の下端部（第６図）
において、ビーム３〜６の各８面は伸長し、各０面はＺ
軸方向に圧縮する。この時、ビーム３〜６内に発生する
曲げ応力の分布状態は第２図（ｂ）に示すように、ビー
ム３〜６の両端部が最大（Ｍｍａｘ）になり、Ｚ軸方向
の中間位置でゼロとなる。従って、ビーム３〜６の各々
の上端部および下端部の各々の８面、０面にひずみゲー
ジ２８，３０，３２゜３４．３６，３８，４０．４２お
よび４４，４６゜４８．５０，５２，５４，５６．５８
を添着することにより分力Ｆｘを曲げ応力として検出す
ることができ、狭窄部７〜１０の各ａ面〜ｄ面（第３図
）に添着したひずみゲージ１２〜２７．１５’　。

１７’　、２１’　、２７’　はビーム３〜６の分力Ｆ
ｘ　、Ｆｙ　、Ｍｚによる曲げ応力には感応しないよう
にすることができる。また、ビーム３〜６の上端部およ
び下端部の各す面とｄ面においては、各す面とｄ面の軸
方向（Ｘ軸方向）の中心線が中立軸になっているので、
ゲージ軸を上記中立軸に合致させるように各ひずみゲー
ジ２９，３１゜３３．３５，３７，３９，４１．４３お
よび４５゜４７．４９，５１，５３，５５，５７．５９
を添着することによって分力Ｆｘには感応しないように
することができる。

分力Ｆｙに対しては、分力Ｆｘの場合のビーム３〜６の
各８面、０面を各す面、ｄ面に置き変えれば全く同じ考
え方が成＼γする。

回転モーメントＭｚが入力側フランジ２に作用すると、
−■〕記同様に各ビーム３〜６に曲がりが生じるが、上
記分力Ｆｘ　、Ｆｙと異なり曲げ方向がＸ軸もしくはＹ
軸に平行な方向ではなく、ビーム３〜６の上端部では回
転モーメントＭｚと逆向きの接線方向、同下端部では回
転モーメンｈＭｚと同じ向きの接線方向が曲げ方向とな
る。従って、ビーム３〜６の」一端部（第５図）におい
ては、ビーム３の０面とｄ面、ビーム４の８面とｄ面、
ビ一ム５の８面と５面、ビーム６の５面と０面がそれぞ
れ圧縮し、上記各ビーム３〜６の上記各面のそれぞれの
対面が伸長する。そしてビーム３〜６の下端部において
は、ビーム３の８面と５面、ビーム４の５面と０面、ビ
ーム５のｄ面と０面、ビーム６の８面とｄ面がそれぞれ
圧縮し、上記各面の対面がそれぞれ伸長する。ここで、
説明を簡単にするためにＬ１＝Ｌ２＝Ｌとし、回転モー
メントＭｚによって１本のビームに加わるＸ軸方向およ
びＹ軸方向の力をそれぞれＦｘｍ、　Ｆｙｍとすれば、
となり、結局、Ｘ軸方向とＹ軸方向の曲げ応力として回
転モーメントＭｚを検出することができる。

分力Ｆｚが入力側フランジ２に作用すると、ビーム３〜
６の他の部位より細く削成された狭窄部７〜１ｏに垂直
応力が集中する。ビーム３〜６の上端部および下端部に
は僅かな応力しか発生せず、さらにこれらの部位に添着
されたひずみゲージ２８〜５９によって組まれた各ブリ
ッジ回路でそれらの出力を打消すようになされているの
で、分力２Ｏ− Ｆｚには反応しない。そして狭窄部７〜１０にひずみゲ
ージ１２〜２７および横方向のひずみゲージ１５’　、
１７’　、２１’　、２７’　を添着することによって
分力Ｆｚをより高感度に検出することができる。

回転モーメンｔ−Ｍｘが入力側フランジ２に作用すると
、狭窄部８，９が圧縮、狭窄部７，１０が引張りの垂直
応力を発生するので、ひずみゲージ１２〜２７によって
回転モーメントＭｘが検出できる。

回転モーメントＭｙの場合は、回転モーメントＭｘの場
合の狭窄部８，９が７，８に、また狭窄部７，１０が９
，１０に代るだけで回転モーメントＭｘ　と同じ考え方
が成立する。

」二連の応力の分布状態から、６つの分力Ｆｘ　。

Ｆｙ　、Ｍｘ　、Ｍｙ　、Ｍｚの検出が可能であること
がわかる。

次に、これらの応力分布から各分力を電気信号として分
離して検出する各ブリッジ回路の動作を説明する。

今、入力側フランジ２に第１図（ｂ）に示す方向に全力
Ｆｘが作用した場合、第５図および第６図においては、
ひずみゲージ２８，３２，５４゜５８がそれぞれ８面、
０面の２軸方向への圧縮によって抵抗値が減少し、逆に
ひずみゲージ３８゜４２．４４．４８はＺ軸方向の引張
応力を受は抵抗値は増加する。そして、第５図、第６図
における各ビーム３〜Ｇの６面と８面に添着されたひず
みゲージの抵抗値はその位置が中立軸にあるので変化し
ない。

ここで第７図のＦｘブリッジを参照すると、第１辺を構
成するひずみゲージ２８．３２はいずれも抵抗値が減少
し第２辺はいずれも増加、第３辺はいずれも減少、第４
辺はいずれも増加となりその結果、出力端子６５が出力
端子６５′より電位が低くなり、＋ｉの出力となる。す
なわち分力Ｆｘ　が検出される。

次に入力側フランジ２に分力ｒｙが作用した場合、ひす
みゲージ３１，４３，４．９．５３はＺ軸方向の圧縮に
よって抵抗値が減少し、以下同様にひずみゲージ３３，
３７，４７．５９は抵抗値が増加し、その結果、第８図
のＦｙブリッジにおいては、第１辺と第３辺の抵抗値が
減少し、第２辺と第４辺の抵抗値が増加する。従って＋
１の出力となり、分力Ｆｙが検出される。

次に、回転モーメン１〜Ｍｚが第１−図（ｂ）に示す方
向に作用した場合、ひずみゲージ２９，３４゜３９．４
０，５１，５２，４６．５７は抵抗値が増加し、ひすみ
ゲージ３５　、３６　、３０　、４１　。

５０．４−５．５５．５６は抵抗値が減少するので、第
９図においては、第１辺と第３辺の抵抗値が増加し、第
２辺と第４辺の抵抗値が減少して−ｊの出力となり、第
１０図においては、第１辺と第３辺の抵抗値が減少し第
２辺と第４辺の４１Ｌ抗値が増加するので＋ｊの出力と
なって分力Ｍｚが検出される。尚、この時、Ｆ”ｘブリ
ッジにおいては、ひずみゲージ３２．４−２．５４．．
４４の抵抗値が減少し、ひずみゲージ２８．３８，５８
．４８の抵抗値が増加して、その結果例えば第１辺内に
おいてはひずみゲージ３２と２８との抵抗値変化が互い
に逆なので、互いの抵抗値の変化が打消され、最終的に
第１辺〜第４辺に抵抗値の変化はなかったことになる。

また、第８図のＦｙブリッジにおいてもひずみゲージ３
１．３７，４９．５９が抵抗値減少、ひずみゲージ４．
３，３３，５３．４７が抵抗値増加となって上記と同様
の打消し作用が成立つ。また逆に分力ＦｘおよびＦｙを
受けたときの第９図、第１０図に示すＭｚブリッジ（１
−）、（下）においては、代表としてＭｚブリッジ（上
）を検証してみると、分力Ｆｘを受けたときひずみゲー
ジ２９，３５，３９．４１は抵抗値に変化がなく、ひず
みゲージ３４．３’Ｏが抵抗値増加、ひずみゲージ３６
．４−０が抵抗値減少し、第１辺、第２辺と第３辺、第
４辺との変化がまったく同じなので出力端子６５．６５
’間の電位は平衡を保持したままとなり出力はＯとなる
。また、分力Ｆｙを受けたときはひすみゲージ３４，３
６，４０．３０の抵抗値に変化はなく、ひずみゲージ２
９．４１が抵抗値増加、ひずみゲージ３５．３９が抵抗
値減少となって結局、Ｍｚブリッジ（−Ｌ′、）は平衡
状態を保ち出力は０となる。っまり分力Ｆｘ　＋　Ｆｙ
　、Ｍｚは互いに分離して検出し得ることがわかる。

次に、本発明の要部である分力Ｆ２、Ｍｘ。

Ｍｙの検出・分離について説明する。人力側フランジ２
に第１図（ａ）に示す方向（引張り）に分力Ｆｚが作用
した場合、狭窄部７〜１ｏのａ面〜ｄ面に添着された縦
方向のひずみゲージ１２〜２７はすべて抵抗値増加とな
り、横方向のひずみゲージ１５’　、１７’　、２］’
　、２７’はすべて抵抗値が減少する。従って、第１１
図に示すＦｚブリッジにおいては、第１辺と第３辺の抵
抗値が減少し、第２辺と第４辺の抵抗値が増加して＋１
の出力となり、分力Ｆｚが検出できる。尚、この場合、
第１２図に示すＭｘブリッジおよび第１３図に示すＭｙ
ブリッジは、全辺の各ひずみゲージの抵抗値が同一に増
加するので、平衡が保持されたままの状態となり、その
結果出力０となる。つまり、分力Ｆｚに対して上記Ｍｘ
ブリッジ、Ｍｙブリッジは反応せず、分力Ｆｚと分カＭ
ｘ才９よびＭｙとが分離できる。また、縦方向のひずみ
ゲージ（例えばひずみゲージ１５）と横方向のひずみゲ
ージ（例えばひずみゲージ１５′）の抵抗の変化率を比
較すると、縦方向のひずみゲージ１５の抵抗値の変化率
を±Ｄとし、狭窄部７〜１０を成す材料のポアッソン比
νをｙ　＝　０　、３　　とすると横方向のひずみゲー
ジ１５′の抵抗値の変化率にはに＝±０．３　　ＸＤと
なる。つまり縦方向のひずみゲージの変化率に比べると
横方向のひずみケージの変化率の方が小さいのである。

入力側フランジ２に分力Ｍｘが第１図（ｂ）に示す方向
に作用した場合、狭窄部８，９は圧縮、狭窄部７，１０
は引張りの力を受ける。従って、縦方向のひずみゲージ
１６〜２３と横方向のひずみゲージ１５’　、２７’は
抵抗値が減少し、縦方向のひすみゲージ１２〜１５．２
４〜２７、横方向のひすみゲージ１７’、２］、’は抵
抗値が増加する。そこで、第１２図に示すＭｘブリッジ
においては、第１辺と第３辺が抵抗値減少、第２辺と第
４辺が抵抗値増加となり、その結果＋ｉ出力となって分
力Ｍｘが検出される。尚、この場合、Ｍｙブリッジにお
いては、ひずみゲージ１２，２６．１．４．２４が抵抗
値増加、ひずみゲージ１６゜２２．１８．２０が抵抗値
減少となり各辺において増減が打消され平衡状態を保持
するので分力ＭｘとＭＹは分離される。

また、Ｆｚブリッジにおいては、第１辺と第４辺が共に
抵抗値増加、第２辺と第３辺が共に抵抗値減少となるが
、第２辺と第４辺を構成するひずみゲージ１６，２２，
２６．１２が縦方向であるのに対して第１辺と第３辺を
構成するひずみゲージ］　７’　、２１’　、２７’　
、１５’　が横方向であるので、出力端子６５．６５’
は完全に同電位になる。

次に、分力Ｍｙが第１図（ｂ）に示す方向に作用した場
合、第３図においては狭窄部７，８が圧縮、狭窄部９，
１０引張りの力を受ける。従って縦方向のひずみゲージ
１２〜１９、横方向のひずみゲージ２１’　、２７’が
抵抗値減少、縦方向のひすみゲージ２０〜２７、横方向
のひずみゲージ１５’、１．７’　が抵抗値増加となる
。その結果、第１３図に示すＭｙブリッジにおいては、
第１辺と第３辺が抵抗値減少、第２辺と第４辺が抵抗値
増加となり、結局＋１の出力となって分力Ｍｙが検出さ
れる。尚、この時、第１２図に示すＭｘブリッジにおい
ては、ひずみゲージ１７，１５゜１９．１３は抵抗減少
、ひずみゲージ２１，２７゜２３．２５は抵抗増加とな
り各連山で増減が打消し合って平衡状態が保たれるので
、分力ＭｙとＭｘは分離される。

また、Ｆｚブリッジにおいても、各連山において抵抗値
の増減が打消し合って平衡状態が保たれるので、結局、
分力ＭｙとＦｚも分離される。以上のことをまとめて示
したのが第１４図、第１５図である。

従って、第１−４図、第１５図に示すように、第７図〜
第１３図に示すブリッジ回路を構成することにより、各
検出対象の分力Ｆ　ｘ　、Ｆ　ｙ　ｇ　ＭＺ　ｇＦ７．
、Ｍｘ　、Ｍｙを分力相互間の干渉を生しることなく高
精度でしかも高感度で検出できることがわかる。

本実施例では、ビーム３〜６の中間部、すなわち曲げ応
力がゼロになる位置近傍に狭窄部７〜１０を設ける構成
としたから、Ｚ軸方向の分力Ｆｚ　、Ｍｘ　、Ｍｙを他
の分力と完全に分離して検出でき、さらに−１−記分力
Ｆｚ　、Ｍｘ　、Ｍｙ　を安定に、しかも高感度で検出
できる利点がある。また上記狭窄部を設ける構成とした
ことにより起歪体本体を小型化、軽量化できる利点かあ
る。さらにビーム３〜６を角柱状としたことにより、起
歪体本体１１を切削加工等によって一体成形が可能とな
り、該起歪体本体１１の製造コストが低減できる。

尚、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく
、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施ができるも
のである。

例えば、各分力を検出するフリツジ回路は、第１６図〜
第２０図に示すような構成としてもよい。

すなわち、分力Ｆｘは第］に図、分力Ｆｙは第１７図、
分力Ｍｚは第１８図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、
分力Ｍｘは第１９図（ａ）、（ｂ）、分力Ｍｙは第２０
図（ａ）、（ｂ）のように構成してもよい。

また、例えば、狭窄部７，８．１０の各６面、ビーム４
の８面およびビーム６の８面と６面にそれぞれ１枚のひ
ずみゲージ１５，１９，２７．３２および４０，４３を
添着する構成も可能である。

この場合、分力Ｆｚ　、Ｍｘ　、Ｍｙは上記ひずみゲー
ジ１５，１９．２７で検出し得、分力Ｆｘ　。

Ｆｙ　、Ｍｚは上記ひすみゲージ３２，４０．４３で検
出し得る。すなわち、ビーム３本、狭窄部２箇所、ひす
みゲージ６枚によって最少限各分力を分離識別し得る構
成が＜１′ｆられる。

また、狭窄部７〜１０にケージ軸がＺｌｌｌｌＩＩに対
して４５度傾斜するように添着し、または該狭窄部７〜
１０にロゼソ１〜型ひずみケージを添着して、モーメン
トＭｚを上記狭窄部７〜１０に発生するせん断応力とし
て検出してもよい。

また、ビーム３〜６および狭窄部７〜１０の断面形状は
正方形に限ることなく、該断面の縦横比は計測対象とす
る外力に応じて適宜選んでもよい。

また、上述の実施例ではＭ、ｚ　　（下）ブリッジは使
用してないが、Ｍｚ（ト）ブリッジの代りにＭｚ（下）
ブリッジを用いてもよい３．この場合ブリッジの出力は
、＋１となる。また、Ｍｚ（上）ブリッジとＭｚ（下）
ブリッジの一方の出力を反転し合成して用いてもよい。

また、ひすみゲージ１２．１６，２２．２６はＭｙブリ
ッジとＦｚブリッジとで共用しているが、電気的に分離
する必要があるときは、それぞれの同一部位に２枚重ね
て添着してもよい。

（ｅ）　　効果 以」−１詳述したように本発明によれば、小型、軽量で
、座屈を生じる虞れがなく、高容量に対応でき、しかも
検出感度を向−Ｊ−、させ得ると共に各分力における該
検出感度を均一化させ、さらに各分力の分離能力を向−
１−させることをもって測定精度の高い多分力検出器を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明に係る多分力検出４Ｗの＝３１
− 一実施例の構成を示す正面図、第１図（ｂ）は、第１図
（ａ）の底面図、第２図（ａ）は、同実施例における作
用を説明するための線図、第２図（ｂ）は、同じく曲げ
モーメント図、第３図は、第１図（ａ）のＡ−Ａ’矢矢
視内向断面図第４図は、狭窄部におけるケージ軸の方向
が異なる二つのひすみゲージの添着状態を拡大して示す
正面図、第５図は、第１図（ａ）のｃ−ｃ’矢矢視内向
断面図第６図は、第１図（ａ）のＢ−＋３　’矢視方向
断面図、第７図〜第１３図は各分力を検出するブリッジ
回路の構成を示す回路図で、第７図は、Ｆｘブリッジ、
第８図は、Ｆｙブリッジ、第９図は、Ｍｚブリッジ（−
ｈ）、第１０図はＭｚブリッジ（下）、第１１図はＦｚ
ブリッジ、第１２図は、Ｍｘブリッジ、第１３図はＭｙ
フリッジ、第１４図２第１５図は、各分力と各ブリッジ
回路の出力関係を示す図、第１６図〜第２０図は、上記
各ブリッジ回路の変形例を示す回路図で、第１６図はＦ
ｘブリッジ、第１７図は、１．”ｙブリッジ、第１８図
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はＭｚブリソジ、第１
９図（ａ）、（ｂ）はＭｘブリッジ、第２０図（ａ）、
（ｂ）はＭｙブリッジ、第２１図は、従来例の構成を示
す正面図、第２２図は、別の従来例の構成を示す斜視図
である。 １・・・・・固定側フランジ、 ２　　・入力側フランジ、 ２３〜６　・・ビーム、 ７〜１０　　狭窄部、 １１・・・・・起歪体本体、 １２〜２７・・・狭窄部に添着さＡｔだ縦方向のひずみ
ゲージ、 １５’　、１７’　、２１’　、２７’　　・・・・狭
窄部に添着された横方向のひすみケージ、 ２８〜４３　・ビーム上端部に添着されたひずみゲージ
、 ４４〜５９・・・ビーム下端部に添着されたひずみゲー
ジ。 特許出願人　株式会社　共和宿業、 （・。 代理人弁理士真Ｆｌｌ修冶１．（ ＋８・）、−勺 第　　４　　図 第　　５　　　因 第　　１６　　図 第　　１７　　図 ３１　　電　　　　　　２９ 一、５３　　〜４１ ．４９　５＋、 ．５９５７．Ｆ５ （″ 第　　１８　　図 （ａ）　　　　　（ｂ） （ｃ）　　　　　（ｄ） 第　　１９　　図 （乙）（ｂ） 第　　２０　　図 （ａ）　　　　　（ｂ） 第　　２１　　図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸からなる直交座標系を仮
   想したとき、物体の任意の一点に作用する力および回転
   モーメントをＸ軸方向の分力Ｆｘ、Ｙ軸方向の分力Ｆｙ
   、Ｚ軸方向の分力Ｆ２、Ｘ軸まわりの回転モーメントＭ
   ｘ、Ｙ軸まわりの回転モーメントＭｙおよびＺ軸まわり
   の回転モーメントＭｚなる６つの独立した分力として検
   出する多分力検出器において、共に厚肉で剛性が大なる
   互いに平行な状態で対向する入力側フランジおよび固定
   側フランジと、この二つのフランジを弾性的に連結する
   全体形状が略角柱状を呈しその中間部の外周が他の部位
   の外周より細くなるように該中間部の４側面が切欠かれ
   て狭窄部が形成された４本の連結梁とから起歪体本体が
   形成され、上記二つのフランジが配設される方向を上記
   直交座標系のＺ軸としたとき、上記連結梁の上記狭窄部
   にゲージ軸がＺ軸方向に合致するように添着されたひず
   みゲージによって上記分力Ｆｚ、上記回転モーメントＭ
   ｘおよびＭｙを各々該狭窄部に生じる垂直応力として検
   出し、上記連結梁の少なくとも一端部近傍にゲージ軸が
   Ｚ軸方向と合致するように添着されたひずみゲージによ
   って上記分力Ｆｘ、Ｆｙを該連結梁に生じる曲げ応力と
   して検出し、上記連結梁の少なくとも一端部近傍にゲー
   ジ軸がＺ軸方向と合致するように添着されたひずみゲー
   ジによって上記分力Ｍｚを該連結梁に生じる曲げ応力と
   して検出するように構成したことを特徴とする多分力検
   出器。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の多分力検出器におい
   て、４本の連結梁は、それぞれＺ軸に直交する２本の対
   角線からなる仮想の４角形の各頂点と対応する部位に配
   設され、それぞれの上記各連結梁の相隣る側面はＸ軸お
   よびＹ軸方向に沿うように配設されている多分力検出器
   。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の多分力検出器におい
   て、分力Ｆｚ、回転モーメントＭｘおよびＭｙを検出す
   るひずみゲージは、任意に選ばれる少なくとも３本の上
   記連結梁のそれぞれの狭窄部を形成する４側面のうち任
   意の一側面に少なくとも１つ添着されている多分力検出
   器。
4. （４）特許請求の範囲第１項記載の多分力検出器におい
   て、分力ＦｘおよびＦｙ、回転モーメントＭｚを検出す
   るひずみゲージは、任意に選ばれる少なくとも２本の上
   記連結梁のうちの１本が有する４側面のうち少なくとも
   相隣る側面に１つづつ添着され、他の１本が有する４側
   面のうち任意の１側面に添着されている多分力検出器。