JP4605525B2 - Force transducer - Google Patents

Description

本発明は、電気的に検出する力変換器に係り、小型高精度の力変換器に関する。    The present invention relates to a force transducer for electrical detection, and relates to a small and highly accurate force transducer.

特許公開平５−７９９３０号    Japanese Patent Publication No. 5-79930

（従来の技術）
外周部と中央部を放射状の梁で連結され、その放射状に配置された梁に側面から穴をあけ、起歪部とし、周縁部を固定し、中央部に力を加え、電気抵抗検出手段ひずみゲージを用いる力変換器が知られている。(Conventional technology)
Peripheral part and central part are connected by a radial beam, holes are drilled from the side of the radially arranged beam to form a strain-generating part, the peripheral part is fixed, a force is applied to the central part, and electrical resistance detection means strain Force transducers using gauges are known.

従来の力変換器例図３において、力変換器本体１１の中央１２には荷重を受ける加重印加部１３が設けられ、加重印加部１３と周縁部１４との間は３個の梁２１〜２３を介して接続されている。各梁２１〜２３は横方向に穿設された円形穴を各梁に有し、貫通孔２４〜２６を通して深い位置に梁があり、２４穴を貫通して梁２１に円形穴があけられ、同様に各当該梁に円形穴があけられ、該円形穴の上下方向の厚さを薄くされた起歪部の上面及び下面に電気抵抗検出手段ひずみゲージが接着等で設けられている。  In FIG. 3, a load applying unit 13 that receives a load is provided at the center 12 of the force converter main body 11, and three beams 21 to 23 are provided between the load applying unit 13 and the peripheral portion 14. Connected through. Each beam 21-23 has a circular hole drilled in the transverse direction in each beam, there is a beam in a deep position through the through holes 24-26, a circular hole is drilled in the beam 21 through the 24 holes, Similarly, circular holes are formed in each of the beams, and electrical resistance detecting means strain gauges are provided by bonding or the like on the upper and lower surfaces of the strain-generating portion whose thickness in the vertical direction is reduced.

このような構成において加重印加部に力（Ｆ）が負荷されると、力（Ｆ）に比例した応力で当該各梁にあけられた円穴の周囲にひずみを生じ、このひずみを電気抵抗検出手段ひずみゲージで測定することで、力（Ｆ）の大きさを測定することができる。  In such a configuration, when a force (F) is applied to the load application unit, a strain is generated around the circular hole formed in each beam with a stress proportional to the force (F), and this strain is detected by electric resistance. By measuring with a means strain gauge, the magnitude of force (F) can be measured.

しかし、特に小型の力変換器では、穴の周囲のひずみは、力の大きさで起こる変形によって最大応力点が移動したり、要求位置間隔が小さすぎる等の制約があり、最大応力点にひずみゲージを設けられない問題があった。  However, especially in a small force transducer, the strain around the hole is limited by the deformation caused by the magnitude of the force and the maximum stress point moves or the required position interval is too small. There was a problem that the gauge could not be provided.

さらに、穴の上下のひずみゲージ設けられていない最弱部の位置には、最大剪断応力が働くため、ひずみ検出部以外で弾性域を逸脱してしまうため負荷される力（Ｆ）に制限を受け、起歪部での弾性限界より小さい力（Ｆ）を上限にされ、ひずみゲージからの値をも制限されるため、ダイナミックレンジが小さく制限されることで高精度を保てない問題があった。この最弱部は力（Ｆ）により変形し、最大応力点を移動させてしまうため直線性誤差の原因にもなっていた。  Furthermore, since the maximum shear stress works at the position of the weakest part where the strain gauge is not provided above and below the hole, the force (F) to be applied is limited because it deviates from the elastic region other than the strain detection part. However, since the force (F) smaller than the elastic limit at the strain generating portion is set as the upper limit and the value from the strain gauge is also limited, there is a problem that high accuracy cannot be maintained by limiting the dynamic range to be small. It was. The weakest part is deformed by force (F), and the maximum stress point is moved, which causes a linearity error.

梁の起歪部の加工に関して、周縁部の穴を貫通して内部の深い位置にある梁に起歪部となる加工するため、起歪部として必要な形状の加工や寸法精度を保つことが困難であり、起歪部として機能を十分に果たせない問題があった。  With regard to the processing of the strained portion of the beam, the processing of the shape required as the strained portion and the dimensional accuracy can be maintained because the strained portion is processed into the beam in the deep position inside through the hole at the periphery. There is a problem that it is difficult and cannot sufficiently function as a strain generating portion.

また、深い位置にある梁に、かろうじて加工できる円形の横穴により上下の厚さが薄くなった最弱部の位置には最大剪断応力が発生するためダイナミックレンジの制約、ひずみゲージ要求位置間隔が小さすぎるため、最大応力点にひずみゲージを設けられない制約や丸穴の形状で発生する変位による最大応点の移動などの原因により、直線性誤差、ステリシス誤差や再現性誤差、を引き起こしたり、出力を小さく抑えなければならないなどの問題があった。  In addition, since the maximum shear stress is generated at the weakest position where the thickness of the top and bottom is thin due to a circular horizontal hole that can be barely machined in a deep beam, the dynamic range is limited and the strain gauge required position interval is small. Therefore, the linear stress error, the steric error, the reproducibility error, etc. are caused by the restriction that the strain gauge cannot be provided at the maximum stress point and the movement of the maximum response point due to the displacement generated in the shape of the round hole. There were problems such as having to keep it small.

上記の問題点を解決するために、中心部から周縁部へほぼ等配放射状の複数の梁で結合されている梁の群が、軸方向に適宜離間して複数あり、当該上下の梁の群の位相を異にすることで、ロバーバル形成のための機械加工可能な開口部が上下の加重方向となるため、各々の梁にある起歪部の形状の自由度を大きく増すことが可能になる。 In order to solve the above-mentioned problem, there are a plurality of beams that are connected by a plurality of beams that are substantially equally spaced from the center to the periphery, and are separated from each other in the axial direction. By making the phases different, the opening that can be machined for the formation of the roval is in the vertical load direction, so that the degree of freedom of the shape of the strain-generating portion in each beam can be greatly increased. .

各梁における複数の起歪部は力（Ｆ）における各梁の中で最大歪を発生するような形状とし、電気抵抗歪検出手段ひずみゲージを最大歪を発生部へ配置することでダイナミックレンジを最大とし、最大応力点の移動を回避しようとするものである。  A plurality of strain generating portions in each beam are shaped so as to generate the maximum strain in each beam in force (F), and a dynamic range is provided by arranging an electric resistance strain detecting means strain gauge on the generating portion. The maximum is to avoid the movement of the maximum stress point.

以下、図１により本実施例を説明する。１の１は、本実施例の上面図であり、下にその１の２断面図が示されている。中心部１２から周縁部１４へ梁３１から３３の梁の群と軸方向へ適宜距離を離間した位置に梁３４から３６の梁の群があり、各々の梁の群の位相は60度ずれて配置されている。 Hereinafter, this embodiment will be described with reference to FIG. 1 of 1 is a top view of the present embodiment, and two cross-sectional views of the 1 are shown below. There is a group of beams 34 to 36 at an appropriate distance in the axial direction from the group of beams 31 to 33 from the central portion 12 to the peripheral portion 14, and the phase of each group of beams is shifted by 60 degrees. Has been placed.

このため、梁３１の起歪部３１ａ，３１ｂの加工は図中下方からエンドミル加工を行うことができ、梁３４については、図中上方からからエンドミル加工を行うことができ、従来ような奥まった部分の加工はなく、広い開口部から剛性の大きな工具で理想の起歪部の形を加工できる。３１ａ、３１ｂのような２ヶ所の半円形起歪部を設けることにより、たわみによって最大応力点の移動も阻止できる。  For this reason, the processing of the strained portions 31a and 31b of the beam 31 can be end milled from below in the figure, and the beam 34 can be end milled from above in the figure. There is no processing of the part, and the shape of the ideal strain generating part can be processed from a wide opening with a rigid tool. By providing two semicircular strain generating parts such as 31a and 31b, the movement of the maximum stress point can be prevented by the deflection.

梁の１つについて説明する。梁３１にはその梁の最弱部を起歪部３１ａと３１ｂとにして、ひずみゲージＧ１、Ｇ２が接着により設けられている。中心部１２へ力（Ｆ）が図１断面図中上方から加わるとＧ１のひずみゲージは伸び、Ｇ４のひずみゲージは縮むことになる。
つまり、ひずみゲージの設けられている起歪部の他に最弱部が存在しないため、起歪部は弾性比例限界までひずませることが可能であり、大きな信号を得られる。One of the beams will be described. Strain gauges G1 and G2 are provided on the beam 31 by bonding, with the weakest portions of the beam as strain-generating portions 31a and 31b. When a force (F) is applied to the central portion 12 from above in the cross-sectional view of FIG. 1, the G1 strain gauge expands and the G4 strain gauge contracts.
That is, since the weakest part does not exist other than the strain generating part provided with the strain gauge, the strain generating part can be distorted to the elastic proportional limit, and a large signal can be obtained.

各梁とも同様に働き、図２では、これらのひずみゲージで作られるホイートストンブリッジである。なお図２には、温度補償抵抗、感度調整抵抗、入力抵抗調整抵抗、零点調整抵抗は表記していない。  Each beam works similarly, and in FIG. 2 is a Wheatstone bridge made of these strain gauges. In FIG. 2, the temperature compensation resistor, the sensitivity adjustment resistor, the input resistance adjustment resistor, and the zero point adjustment resistor are not shown.

発明の効果The invention's effect

以上のように請求項１又は２の発明によれば、各梁の起歪部形状を加工面から制約されることなく、最適な形状にすることができ、必要な数を必要な位置に設けることができ、各歪検出手段であるひずみゲージを最大応力点の移動のない最大応力点へ設けることができ、直線性誤差、ヒステレリシス誤差、再現性誤差、クリープ特性に関して測定範囲の大きい高精度な小型力変換機を得ることができる。  As described above, according to the first or second aspect of the present invention, the shape of the strained portion of each beam can be made an optimal shape without being constrained from the machining surface, and a necessary number is provided at a necessary position. Strain gauges that are each strain detection means can be installed at the maximum stress point where the maximum stress point does not move, and high accuracy with a large measurement range in terms of linearity error, hysteresis error, repeatability error, and creep characteristics. A small force transducer can be obtained.

本発明の実施例の上面図とその断面図である。It is the upper side figure of the Example of this invention, and its sectional drawing. 本発明の実施例の検出回路説明図である。It is detection circuit explanatory drawing of the Example of this invention. 従来の力変換器装置の実施例、斜視図であるFIG. 5 is a perspective view of an example of a conventional force transducer device.

符号の説明Explanation of symbols

１１ 力変換機
１２ 中央部
１３ 加重印加部
１４ 周縁部
１５ 検出ベース部材
２１、２２、２３ 梁
２４、２５、 ２６ 貫通穴
３１ 梁
３１ａ、３１ｂ 起歪部
Ｇ１〜Ｇ１２ 電気抵抗検出手段ひずみゲージDESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Force converter 12 Center part 13 Weight application part 14 Peripheral part 15 Detection base member 21,22,23 Beam 24,25, 26 Through-hole 31 Beam 31a, 31b Strain generation part G1-G12 Electrical resistance detection means Strain gauge

Claims (2)

単一一体素材からの機械切削加工により製作される単軸の力変換器において、垂直加重を受ける中心軸付近から、水平面上にほぼ等配放射状に3箇所以上の梁が周縁部に結合されている梁の群があり、これと同等の梁の群を、垂直方向に適宜離間し、上下少なくとも2箇所設け、上の梁の群に対し、下の梁の群を水平面上に、時計方向あるいは、反時計方向にずらすことにより、おおよそ３０度ないし６０度の位相角度を有する構造を特徴とする力変換器。 In a single-axis force transducer manufactured by machining from a single unitary material, three or more beams are connected to the peripheral edge of the horizontal axis from the vicinity of the central axis subject to vertical load in an approximately even radial pattern. There is a group of beams that are equivalent to each other, and a group of beams equivalent to this is separated from each other in the vertical direction as appropriate, and at least two places are provided above and below. Alternatively, a force transducer characterized by a structure having a phase angle of approximately 30 to 60 degrees by shifting it counterclockwise. 請求項１記載の力変換器において、梁の起歪部を垂直方向の上下開口部のみから機械切削加工可能なことを特徴とする力変換器。
The force transducer according to claim 1, wherein the strained portion of the beam can be machine-cut only from the upper and lower openings in the vertical direction.