JPS6352028A - 荷重検出器 - 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〕 本発明は、物体に作用する荷重（力、モーメント）を検
出する荷重検出器に関する。

〔従来の技術〕

荷重検出器には種々の型のものがあるが、その中でも特
願昭５９−１７９４０３号で提案されている平行たわみ
梁構造を用いた荷重検出器が優れた特徴を備えている。

このような荷重検出器を図により説明する。

第４図（ａｌ、　（ｂ）、　（Ｃ）は平行たわみ梁構造
の側面図である。図で、ｘ、ｙ、ｚは座標軸を示す（Ｙ
軸は紙面に垂直な方向）。１，２は剛体部、３．３゛は
剛体部１と剛体部２とを連結する薄肉部である。

薄肉部３．３′は平板形状であり、互いに平行に配置さ
れている。剛体部１．２および薄肉部３゜３′により平
行たわみ梁構造４が構成される。この平行たわみ梁構造
４は、１つの剛体ブロックにＹ軸方向の方形の貫通孔５
を形成することにより構成される。６ａ〜６ｄは薄肉部
３．３′における剛体部１．２との連結部分近辺に貼着
されたひずみゲージを示す。７は剛体部１が固定される
固定部である。

このような平行たわみ梁構造４の剛体部２に、Ｚ軸方向
の力Ｆ２を作用させると、平行たわみ梁構造４はその薄
肉部３．３′　の変形により、第４図（ｂ）に示すよう
に変形する。又、剛体部２にＹ軸方向の軸まわりのモー
メントＭ、を作用させると、平行たわみ梁構造４はその
薄肉部３．３′の変形により、第４図ｔｃ）に示すよう
に変形する。さらに図示されていないが、剛体部２のＸ
軸方向の軸まわりのモーメントを作用させた場合も、平
行たわみ梁構造４は変形する。これらの変形に応じて各
部のひずみゲージ６ａ〜６ｄに伸縮ひずみが生じ、これ
に応じてその抵抗値が変化する。したがって、ひずみゲ
ージの貼着個所を選定し、これらひずみゲージにより適
宜の電気回路を構成すれば、その電気回路の出力により
上記力やモーメントの大きさを検出することができる。

そして、このような平行たわみ梁構造４を適宜組合わす
ことにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の力およびｘ、ｙ、Ｙ軸
まわりのモーメントのすべてを検出し得る荷重検出器を
構成することができる。

前記特願昭５９−１７９４０３号にはこのような荷重検
出器が示されている。これを第５図面の簡単な説明する
。第５図は従来の荷重検出器の斜視図である。図でｘ、
ｙ、ｚはこの荷重検出器の中心を通る座標軸を示す、１
０は中心剛体部、１１Ａ、１１Ｂは中心剛体部１０から
Ｙ軸方向に張出した張出し部、ＩＩＣ，ＩＩＤは中心剛
体部１０からＸ軸方向に張出した張出し部である。

１２２〜１２ｄはそれぞれ各張出し部１１Ａ〜１１Ｄの
端部となる周辺剛体部を示す。各張出し部１１Ａ〜ＩＩ
Ｄには第４図（ａ）に示す平行たわみ梁構造４が構成さ
れている。１３は中心剛体部１０の中心においてＹ軸に
沿ってあけられた貫通孔である。各張出し部１１Ａ〜Ｉ
ＩＤの隣接するものの中間部分から貫通孔１３まで方形
の貫通孔が形成され、これにより４つの平行たわみ梁構
造４が中心剛体部１０に構成されることになる。１４は
周辺剛体部１２ｃ、１２ｄに連結された環状体、１５は
周辺剛体部１２ａ、１２ｂに連結された環状体である。

各平行たわみ梁構造４の適宜個所にはひずみゲージ６が
貼着されている。

上記荷重検出器においては、各張出し部１１Ａ〜ＩＩＤ
に構成された平行たわみ梁構造４によりＹ軸およびＹ軸
に沿う方向の力、ならびにＹ軸まわりのモーメントが検
出され、又、中心剛体部１０に構成された平行たわみ梁
構造４によりＹ軸に沿う方向の力、およびＹ軸、Ｙ軸ま
わりのモーメントが検出される。即ち、上記荷重検出器
はすべての力およびモーメントを検出することができる
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、上記荷重検出器におけるＹ軸に沿う力Ｆｚ、
Ｘ軸まわりのモーメントＭＸ、およびＹ軸まわりのモー
メントＭＹを検出する。平行たわみ梁構造４は中心剛体
部１０に構成されており、荷重検出器の中心近くに位置
している。このため、荷重検出器にモーメントＭｘ、Ｍ
ｙが作用したとき、当該平行たわみ梁構造４に作用する
力が大きくなり、その薄肉部３，３′に大きな応力が発
生する。即ち、モーメントは、作用した力とその作用点
からの距離との積であるので、距離が小さい程（中心に
近い位置程）作用する力は大きくなることになる。した
がって、上記荷重検出器においては力Ｆ２が作用したと
きに比較してモーメントＭ、、Ｍｙが作用したときの薄
肉部３．３゛　に発生する応力が大きくなる。この結果
、上記荷重検出器はモーメントＭ、、ＭＹの定格荷重と
してあまり大きな値を選定することはできないという欠
点があった。

さらに、上記荷重検出器はその形状が比較的複雑であり
、加工に手間を要するという問題もあった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、モー
メントの定格荷重として大きな値を選定することができ
、しかも構造が簡素で加工が容易な荷重検出器を提供す
るにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、中心剛体部から
４つの張出し部を直交する方向に設け、これら各張出し
部に、２つの剛体部とこれら剛体部を連結する互いに平
行な薄肉部とで構成される平行たわみ梁構造を設け、こ
れら各平行たわみ梁構造のうち対向するものどうしは、
その薄肉部を通る面が互いに直交する方向にあるように
したことを特徴とする。

〔作用〕

荷重検出器に力、モーメントが作用すると、そのＸ軸、
Ｙ軸、Ｚ軸成分に応じて各平行たわみ梁構造の薄肉部が
変形する。この場合、各平行たわみ梁は荷重検出器の中
心から離れた位置にあるので、モーメントによってその
薄肉部に発生する過大な応力は抑制される。薄肉部の変
形は適宜の手段でこれに応じた信号としてとり出され、
この信号に基づいて荷重が検出される。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る荷重検出器の斜視図であ
る０図で、ｘ、ｙ、ｚは荷重検出器の中心を通る座標軸
を示す。２０は中心剛体部、２１Ａ、２１Ｂは中心剛体
部２０からＹ軸方向に延びる張出し部、２１Ｃ，２１Ｄ
は中心剛体部２０からＸ軸方向に延びる張出し部である
。２２ａ〜２２ｄはそれぞれ各張出し部２１Ａ〜２１Ｄ
の端部となる周辺剛体部である。２３は周辺剛体部２２
ｃ、２２ｄに連結された環状体、２４は周辺剛体部２２
ａ、２２ｂに連結された環状体である。

各環状体２３．２４は荷重検出の対象となる物体の所定
個所に固定される。

４Ａ、４Ｂ、４Ｃ，４Ｄはそれぞれ張出し部２１Ａ、２
１Ｂ、２１Ｃ，２１Ｄに設けられた平行たわみ梁構造を
示し、第４図（ａ）に示す構造と同じ構造である。平行
たわみ梁構造４Ａはその薄肉部３．３′がＹ軸とＺ軸で
なす平面に平行な平面（Ｙ−Ｚ平面）となるように設け
られ、平行たわみ梁構造４Ｂはその薄肉部３，３′がＸ
−Ｚ平面となるように設けられ、又、平行たわみ梁構造
４Ｂ、４Ｃはその薄肉部３．３′がＸ−Ｙ平面となるよ
うに設けられている。各薄肉部３．３′にはひずみゲー
ジが貼着されるが、その図示は省略する。

次に、第１図に示す本実施例の荷重検出器による荷重検
出を第２図（ａｌ、　（ｂ）、　（Ｃ）および第３図を
参照しながら説明する。第２図（ａ）、　（ｂ）、　（
Ｃ）はＸ軸方向の張出し部の斜視図である。各図で、第
１図に示す部分と同一部分には同一符号が付されている
。

なお、説明を容易にするため、平行たわみ梁構造４Ｃの
薄肉部を３ｃ、３ｃ’　とし、平行たわみ梁構造４Ｄの
薄肉部を３ｄ、３ｄ’　とする。第２図（ａｌ〜（Ｃ１
に示す構造の場合、周辺剛体部２２ｃ。

２２ｄは適宜固定されていて変形しないものとし、中心
剛体部２０に力、モーメントを作用させたときの各薄肉
部３ｃ、３ｃ”　、３ｄ、３ｄ’　の変形について考え
る。なお、これは第１図に示す環状体２４に力、モーメ
ントを作用させるのと同じ状態である。６ｅ〜６Ｉｌは
各薄肉部３ｃ、３ｃ’　。

３ｄ、３ｄ′に貼着されたひずみゲージである。

今、Ｚ軸方向の力Ｆ２を中心剛体部２０に作用させると
、薄肉部３ｃ、３ｃ’にはＹ軸に垂直な方向の剪断変形
とＸ軸方向の引張、圧縮変形が生じ、薄肉部３ｃ、３ｃ
’　は第２図（ｂ）に示すように変形する。このとき、
ひずみゲージ６ｅ、６ｇは伸び、ひずみゲージ６ｆ、６
ｈは縮む。そこで、これら各ひずみゲージ６０〜６ｈで
ブリッジ回路を構成すれば力Ｆ２を検出することができ
る。このブリッジ回路を第３図に示す。

第３図は力Ｆ２を検出するブリッジ回路の回路図である
。図で、６０〜６ｈは第２図（ａ）〜（Ｃ）に示すひず
みゲージ、Ｅｉｎは直流電源、Ｅｏｕｔはブリッジ回路
の出力信号である。逆の変形（伸びと縮み）を生じる関
係にあるひずみゲージは対称的に接続されている。各ひ
ずみゲージ６８〜６ｈの変形によりこれに応じてその抵
抗値が変化し、したがって出力信号Ｅｏｕｔも変化する
。結局、出力信号Ｅｏｕｔは力Ｆ２に比例した値となる
ので、これにより力Ｆ２を検出することができる。

次に、Ｙ軸まわりのモーメントＭ７を中心剛体部２０に
作用させた場合には、第２図（ｂ）に示すように、薄肉
部３ｃ、３ｃ′には力Ｆ２を作用させた場合と類似の変
形が生じる。ただし、前記剪断変形の正負が逆になるた
め、再変形は厳密には同じではない。ここで、モーメン
トＭｙを検出するためのひずみゲージを、薄肉部３ｃの
ひずみゲージ６ｅ〜６ｈの貼着位置と対応する薄肉部３
ｃ’上の位置に貼着しておけば、これらひずみゲージで
第３図に示すと同様のブリッジ回路を構成することによ
り、モーメントＭＶを検出することができる。

さらに、Ｘ軸まわりのモーメントＭＸを中心剛体部２０
に作用させた場合、中心剛体部２０全体がＸ軸まわりに
回転した変形となる。この場合、薄肉部３ｃ、３ｃ”　
、３ｄ、３ｄ’には第２図（ｅ）に示すような変形が生
じる。この変形により、ひずみゲージ５ｉ、５１は伸び
、ひずみゲージ６ｊ。

６には縮む、これらひずみゲージ６１〜６１で第３図に
括弧で示すようにブリッジ回路を構成すれば、その出力
信号ＥｏｕｔはモーメントＭ、に比例し、これによりモ
ーメントＭ、を検出することができる。

又、Ｙ軸方向の力Ｆ７を中心剛体部２０に作用させた場
合には、薄肉部３ｄ、３ｄ″が第２図（′ｂ）に示す薄
肉部３ｃ、３ｃ’　の変形と同様の態様で変形する。こ
の変形を、例えば薄肉部３ｄ′に貼着した４枚のひずみ
ゲージによりとり出し、これらひずみゲージでブリッジ
回路を構成することにより力Ｆ、を検出することができ
るのは上記の説明から明らかである。

以上、張出し部２１Ｃ，２１Ｄによる力およびモーメン
トの検出について述べたが、張出し部２１Ａ、２１Ｂに
よる力およびモーメントの検出も全く同様に行なわれる
。結局、第１図に示す荷重検出器によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸方向の力成分、およびＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸まわりのモー
メント成分を検出することができる。

ここで、第１図に示す荷重検出器に力ＦＸ。

Ｆｖ、Ｆｚ、モーメントＭＸ　、Ｍｙ　、Ｍｚを作用さ
せた場合の各平行たわみ梁構造の薄肉部の変形の態様お
よび検出に使用する薄肉部を次表にまとめてみる。

なお、上記表中、第２図（ｂ）の変形とは第２図ｔｂｌ
に示される薄肉部３ｃ、３ｃ’　　と同じような変形態
様、第２図（Ｃ）の変形とは第２図（Ｃ）に示される薄
肉部３ｄ、３ｄ″　と同じような変形態様をいう。

ところで、第３図（ｂ）に示される薄肉部３ｃ。

３ｃ’　のような変形は力によっても、又、モーメント
によっても生じる。即ち、例えば、力Ｆｘを検出するに
は、上記の表から平行たわみ梁構造４Ａの薄肉部の変形
を利用することになる。一方、モーメントＭ２を検出す
るには、やはり上記の表から平行たわみ梁構造４Ａの薄
肉部又は平行たわみ梁構造４Ｄの薄肉部の変形を利用す
ることができ、これはモーメントＭ２が作用したとき、
それに応じて平行たわみ梁構造４Ａの薄肉部が変形する
ことを意味する。これを平行たわみ梁構造４Ａの薄肉部
からみると、そこに貼着されたひずみゲージによるブリ
ッジ回路からは力Ｆ、が作用した場合も、モーメントＭ
２が作用した場合もそれぞれに応じた出力信号Ｅｏｕｔ
が出力されることになる。したがって、その出力信号Ｅ
ｏｕｔをみただけでは、それが力ＦＸの作用によるもの
かモーメン）Ｍｚの作用によるものか区別することがで
きないことになる。この問題を解決し、作用した荷重を
区別するには次の手段を用いればよい。以下、この手段
を説明する。

まず、第１図に示す構造における各平行たわみ梁構造の
薄肉部に、前記の表にしたがってひずみゲージを貼着す
る。そして、各検出対象荷重ＦＸ。

Ｆｖ　、Ｆｚ　、ＭＸ　、Ｍｙ　、Ｍｘ毎にこれらひず
みゲージによりブリッジ回路を構成する。このようにし
て荷重検出器を構成した後、この荷重検出器に順次既知
の荷重を負荷してゆき、それぞれの場合について上記６
つのブリッジ回路の出力を測定するという校正作業を繰
返えす、この結果、次式％式％ Ｍ２に対して校正された各ブリッジ回路の出力をＥ、〜
Ｅ、で表すと、 （４）式に示されるように、Ｃは荷重と出力と変換マト
リックスである。上記校正作業はこの変換マトリックス
を求める作業である。この作業を上記各式に基づいて具
体的に述べると次のようになる。

例えば、上記荷重検出器に既知の力Ｆ、のみを作用させ
ると＋１）式は次のように表わされる。

（５）式中、Ｆｘは既知、Ｅ　ｔ　’＝　Ｅ　ｂは測定
により得られる値であるから、（５）式によりＣＩＩ〜
Ｃａｌを求めることができる。同様に、力ＦＶ、Ｆ２．
モーメン）Ｍｘ　、Ｍｖ　１Ｍｚを個別に荷重検出器に
作用させてゆけば、変換マトリックスＣを完成すること
ができる。

ここで、＋１）式の両辺に変換マトリックスＣの逆行列
Ｃ−１を乗じると次式を得ることができる。

Ｆ　＝　Ｃ−’・Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）結局
、（６）式に基づいて荷重検出器に作用した荷重の各軸
の成分を知ることができる。即ち、荷重検出器に未知の
荷重が作用したとき、６つのブリッジ回路の出力Ｅを測
定して（６）式の演算（補償演算）を実行すれば、当該
未知の荷重を、各軸成分毎に区別して求めることができ
る。

本実施例では、第１図に示す構造としたので、荷重の検
出に携わる平行たわみ梁構造はすべて荷重検出器の中心
部分から離れた個所に配置されることになり、従来の荷
重検出器において、中心部分近くの平行たわみ梁構造の
薄肉部に過大な応力が生じるという問題を解決すること
ができ、ひいては、従来と等しい大きさの荷重検出器を
構成した場合、そのモーメントの定格荷重をより大きな
値に選定することができる。

又、張出し部を単純な十文字状とし、薄肉部形成のため
の貫通孔の数も４つで済むので従来の荷重検出器に比べ
て全体構造が簡素となり、加工も容易となって、荷重検
出器を安価に製作することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、４つの張出し部のそれ
ぞれに、所定の平行たわみ梁構造を構成したので、これ
ら各平行たわみ梁構造を中心部分から離れた個所に配置
して平行たわみ梁構造の薄肉部に過大な応力が発生する
のを避けることができ、ひいては、従来のものと等しい
大きさの荷重検出器を構成した場合、そのモーメントの
定格荷重をより大きな値に選定することができる。さら
に、全体構造が簡素であるので加工も容易となり、価格
を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る荷重検出器の斜視図、第
２図（ａｌ、　（ｂ）、　ｆｃｌは第１図に示すＸ軸方
向の張出し部の斜視図、第３図は第２図ｆａ）に示すひ
ずみゲージのブリッジ回路の回路図、第４図（ａ）。 （ｂ）、　（Ｃ１は平行たわみ梁構造の側面図、第５図
は従来の荷重検出器の斜視図である。 ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ，４Ｄ・・・・・・平行たわみ梁構造
、２０・・・・・・中心剛体部、２１Ａ、２１Ｂ、２１
Ｃ。 ２ＬＤ・・・・・・張出し部。 第１図 ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ，４０平行りわと）構放；？〔ン中ハ
！晒ｑリイＳＶ ２／Ａ、２１Ｂ、２／Ｃ，２／Ｄ：タム出し神６８６１
ニジ（、？？”ｒ”−シ゛ 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 中心剛体部と、この中心剛体部から直交する方向に張出
   した４つの張出し部とを備え、２つの剛体部およびそれ
   ら各剛体部間を連結する互いに平行な薄肉部で構成され
   る平行たわみ梁構造を、対向する各平行たわみ梁構造の
   薄肉部を通る面が互いに直交方向にあるように前記各張
   出し部に設けたことを特徴とする荷重検出器。