多軸力ロードセル

【課題】フルブリッジ回路の採用が可能で、分力間の干渉も少なく高精度で小型の多軸力ロードセルを得る。
【解決手段】２つのロードセル半部１１ａ、１１ｂが上下対称に組み合わされており、それぞれのロードセル半部１１ａ、１１ｂにおいては、ねじ部１２を有する平板状の荷重受部１３が４本の十字状に配置したスポーク柱１４の内端部により支持され、スポーク柱１４の外端部は外周の円筒形の円筒体１５に接続されており、円筒体１５の端部同士が接続されている。
２つの荷重受部１３は上下に独立して設けられることになり、スポーク柱１４もそれぞれ上下に４本ずつ存在し、スポーク柱１４の総本数は８本となり、３２素子の歪ゲージ１６に接着するには、１本のスポーク柱１４当たり４素子を接着することになり、断面が四角のスポーク柱１４では一面に１素子の歪ゲージ１６を接着すればよいので、小型化が実現できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型化が可能な６分力測定を含む多軸力ロードセルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７は従来の通常の６分力ロードセルの斜視図、図８は平面図、図９は断面図である。この形状の６分力ロードセル１は、特許文献１、その他でその構造は周知であり、一応の水準の測定精度が得られる。このロードセル１は上面の荷重受部２が十字状に配置した４本の断面四角形のスポーク柱３を介して外周の円筒体４に支持されているが、スポーク柱３を完全に支持するためには、円筒体４は十分な剛性が必要とされる。このロードセル１は全ての分力、つまり図１０に示すようにＸ、Ｙ、Ｚ軸の３方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚとその軸回りの３つの偶力Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの座標軸が、一点に集中しているという利点を持っていて、焦点形６分力ロードセルとも云われている。
【０００３】
図１１の模式断面図のように、台座５に固定した円筒体４の剛性が不足すると、図１２に示すように引っ張り荷重により円筒体４が僅かに内側にすぼまり、又は図１３に示すように圧縮荷重により外側に拡がる変形が生ずる。これにより、円筒体４と例えば台座５との間に相対的な引きずりが生じ、これがヒステリシス発生の原因となって、安定した高精度の歪検出が困難となることがある。
【０００４】
ロードセル１には、４本のスポーク柱３に３方向の力とその偶力検出に必要な歪ゲージ６が接着されて、通常ではフルブリッジ回路の構成が必要となる。それぞれの分力を検出する歪ゲージ６の接着位置の配置は、検出すべき１つの分力に対しては検出応力が最大限に有効な歪を捉え、それをブリッジ出力として信号を出さなければならない。他の５つの分力に対しては、なるべくは不感又は応力歪が相殺されて、歪検出の出力がないようにフルブリッジ回路を構成して、分力間の干渉を避けるように配置されている。
【０００５】
フルブリッジ回路構成では、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｘ、Ｍｙは各４素子の歪ゲージ６による構成に、Ｆｚ、Ｍｚを測定するための各８素子を加えて、計３２素子の歪ゲージ６を用いて６分力を検出することになる。４本のスポーク柱３には、それぞれ８素子の歪ゲージ６を接着し、１本のスポーク柱３の各面に、それぞれ２素子の歪ゲージ６の接着をしなければならない。長さ２ｍｍ程度の歪ゲージ６を接着するとしても、２素子の歪ゲージ６を接着するための占有面積をスポーク柱３の各面上に必要とする。
【０００６】
一方、前述したように円筒体４の剛性を確保する必要があり、直径方向の厚み寸法を大きくする必要が生じ、図９に示すように、円筒体４の肉厚を大きくすると、円筒体４の内径が小さくなりスポーク柱３が短くなる。円筒体４の外径が２５ｍｍ程度以下のロードセル１では、スポーク柱３が配置される円筒体４の内径が小さくなり過ぎて、４本のスポーク柱３に計３２素子もの歪ゲージ６を接着することは困難である。
【０００７】
最近になって、ヒューマノイドロボットの手首或いは更に小さい指等に加わる力の測定用、その他の医療用等に、外径２５ｍｍ以下、特に外径１８ｍｍ以下で高安定の６分力ロードセルの要望が多い。
【０００８】
現状では、これらの小径の６分力ロードセルでは、歪ゲージ６の接着面積の不足のため、ブリッジ回路構成を２素子の歪ゲージと残りの２素子を歪ゲージに相当する単純な抵抗を用いてダミー化する手法を用い、歪検出回路を所謂ハーフブリッジ回路とした構成が採用されている。しかし、このハーフブリッジ回路はフルブリッジ回路と比較して、検出出力電圧が約１／２になり、ＳＮ比の低下でノイズの増加を伴い、更に周囲の温度変化に対する温度安定度も悪化し、分力相互間の干渉特性も生じ易い。
【０００９】
更に、直径１８ｍｍ以下のロードセルでは歪ゲージの接着面積がなく、所謂１ゲージ法のブリッジ回路が用いられている。この１ゲージ法では、残りの３素子分の歪ゲージがダミー化され、出力が１／４となって、ハーフブリッジ回路よりも更に温度特性を始め、諸特性が悪化する。
【００１０】
このようなハーフブリッジ回路或いは１ゲージ法の歪検出回路を用いて、ロードセルを超小形化する場合には、残りのダミー抵抗はロードセル１の内部に収納できないので、別位置に固定しなければならないが、この場合に、ダミー抵抗を設置する適当な場所がないことも屡々発生する。別位置に配置した場合には、ロードセル本体とダミー抵抗間に温度差が発生し易く、零安定度等が大幅に悪化する。
【００１１】
【特許文献１】特開昭５７−１６９６４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、フルブリッジ回路の採用が可能で、分力間の干渉も少なく高精度で小型の多軸力ロードセルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明に係る多軸力ロードセルの技術的特徴は、円筒形の保持体の中心に、十字状に配置した断面四角形の４本のスポーク柱によって荷重受部を支持した同形の２つのロードセル半部を、前記保持体の端部同士を向き合わせて上下対称に配置して前記保持体の端縁同士を接続し、前記スポーク柱の各面に歪ゲージを貼付したことにある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る多軸力ロードセルによれば、それぞれ４本のスポーク柱を有する２つの半部部材を組み合わせることにより、高精度化、小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を図１〜図６に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は実施例の斜視図、図２は平面図、図３は断面図である。この多軸力ロードセルである６分力ロードセルは、２つのロードセル半部１１ａ、１１ｂが上下対称に組み合わされている。それぞれのロードセル半部１１ａ、１１ｂにおいては、ねじ部１２を有する平板状の荷重受部１３が４本の十字状に配置したスポーク柱１４の内端部により支持され、スポーク柱１４の外端部は外周の円筒形の円筒体１５に接続されている。
【００１６】
各ロードセル半部１１ａ、１１ｂは従来の６分力ロードセルの形状と相似形であり、例えばアルミニウムなどの金属ブロックから機械加工などにより切り出して製作されている。上下のロードセル半部１１ａ、１１ｂは円筒体１５の端縁同士を固着して一体構造とされ、一体化するに際しては、２つのロードセル半部１１ａ、１１ｂのスポーク柱１４は各平行面を一致して配置されている。
【００１７】
この構造により、２つの荷重受部１３は上下に独立して設けられることになり、スポーク柱１４もそれぞれ上下に４本ずつ存在し、スポーク柱１４の総本数は８本となり、３２素子の歪ゲージ１６を接着するには、１本のスポーク柱１４当たり４素子を接着することになり、断面が四角のスポーク柱１４では一面に１素子の歪ゲージ１６を接着すればよいことになる。
【００１８】
実際の製作に当たっては、各ロードセル半部１１ａ、１１ｂのスポーク柱１４に歪ゲージ１６を貼り付け、リード線を引き出してから、円筒体１５同士を溶接等により固着することになる。
【００１９】
例えば、フルブリッジ回路構成により、上方のロードセル半部１１ａにＦｘ、Ｆｙ、Ｍｘ、Ｍｙ検出機能を持たせ、下方のロードセル半部１１ｂにＦｚ、Ｍｚ検出の機能を持たせると、Ｆｚ、Ｍｚの座標軸（Ｚ軸）はＦｘ、Ｍｘの座標軸（Ｘ軸）とＦｙ、Ｍｙの座標軸（Ｙ軸）の交点と交叉し、従来の焦点形６分力ロードセルと同じ座標が構成でき、実際の動きも同様になる。これにより、６分力ロードセルの焦点位置は上方のロードセル半部１１ａの焦点と見倣すことができる。
【００２０】
このように、従来では小形化する場合に大きな無駄寸法となる円筒体１５の厚みも極度に薄くして、荷重受部１３の円板部と同等な厚み或いは円板部の厚み以下に薄くした構造とすることができる。
【００２１】
そして、上下の荷重受部１３のねじ部１２に被測定体を連結して測定を行う。図４はこの６分力ロードセルに引張り荷重を負荷した状態の模式断面図であり、上下のロードセル半部１１ａ、１１ｂのスポーク柱１４、荷重受部１３と外周の円筒体１５の変形を誇張して図示している。上下の荷重受部１３内に引っ張り荷重を負荷すると、荷重受部１３にそれぞれスポーク柱１４が負荷の増加に伴って膨らむ方向に弾性変形する。この変形は上下それぞれ４本のスポーク柱１４に殆ど等しい歪を発生させることになり、この弾性変形に連動して薄く成形された円筒体１５が内側にすぼまるように弾性変形をする。
【００２２】
図５は圧縮荷重を負荷した状態の模式断面図であり、上下のロードセル半部１１ａ、１１ｂは引っ張り荷重の場合と逆向きに変形し、同様に作用する。
【００２３】
このように、荷重を負荷すると円筒体１５が変形し、従来構造に比べて大きな弾性歪が発生するが、上下４本のスポーク柱１４と円筒部１５が一体に弾性変形を起こすので、上下のロードセル半部１１ａ、１１ｂで変形が相殺され、測定精度に影響を与えることはない。
【００２４】
円筒体１５の肉厚を薄くしたことで、スポーク柱１４の長さを増加させることができ、構造上からも円筒体１５が他の部分例えば台座等と相対的に引きずりを起こす摺動摩擦は全く発生しなくなり、これによって発生するヒステリシスと、それに関連していた非直線性も大きく改善される。
【００２５】
この６分力ロードセルについては、６分力測定ではなく、５、４、３、２分力測定に使用してもよい。また、上下のスポーク柱１４は必ずしもその向きを一致させなくともよい。
【００２６】
本発明によれば、高精度のフルブリッジ回路が使用できる６分力ロードセルを小形化する場合の全ての障害が解決できる。
【００２７】
なお、外径１７ｍｍのフルブリッジ回路の小形ロードセルを試作したところ、問題のない性能が得られた。
【００２８】
図６は６分力ロードセルの変形例であり、上下の各スポーク柱１４の外端部はフレクシャ１７を介して、円筒部１５に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施例の６分力ロードセルの斜視図である。
【図２】平面図である。
【図３】断面図である。
【図４】引っ張り荷重が加わった場合の模式断面図である。
【図５】圧縮荷重が加わった場合の模式断面図である。
【図６】変形例の６分力ロードセルの平面図である。
【図７】従来の６分力ロードセルの斜視図である。
【図８】平面図である。
【図９】断面図である。
【図１０】３方向の力と３つの偶力の説明図である。
【図１１】円筒体の肉厚を薄くした場合の模式断面図である。
【図１２】引っ張り荷重が加わった場合の模式断面図である。
【図１３】圧縮荷重が加わった場合の模式断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１１ａ、１１ｂロードセル半部
１２ねじ部
１３荷重受部
１４スポーク柱
１５円筒体
１６歪ゲージ
１７フレクシャ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形の保持体の中心に、十字状に配置した断面四角形の４本のスポーク柱によって荷重受部を支持した同形の２つのロードセル半部を、前記保持体の端部同士を向き合わせて上下対称に配置して前記保持体の端縁同士を接続し、前記スポーク柱の各面に歪ゲージを貼付したことを特徴とする多軸力ロードセル。
【請求項２】
前記スポーク柱の一面には、高々１素子の歪ゲージを貼付するようにした請求項１に記載の多軸力ロードセル。
【請求項３】
前記保持体の厚みを薄くしたことを特徴とする請求項１に記載の多軸力ロードセル。

【図１】