JP7260094B2 - 荷重変換器及びこれを用いた荷役助力装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷重を電気信号に変換する荷重変換器と、これを用いてモータによって吊った荷役物を上下動させる作業を助力する荷役助力装置に関するものである。

従来から工業製品の組立てを行う工場では、大きな重量を有する工具、作業用機器、製品、半完成品などの荷役物を吊下げて上下動させる荷役機械を使用している。その中でも、使用者が大きな重量の荷役物に対してバランス状態を作り出し、軽い操作力で任意の高さに上下動できるように助力を発生させる荷役助力装置が一部で使用されている。このように助力を発生させる荷役助力装置において、モータによる助力を行ってバランス状態を作り出し、荷役物に小さな操作力を加えることでスムーズに移動させるものは、単に上下動作を電動モータで行うものとは異なり、荷役物の荷重やこれに加わる操作力を例えば荷重センサ（荷重変換器）で検出して、回転角検出器と繋がったＡＣサーボモータ等で細かい力制御を行うように構成されている。

特開２０１８－１２８３６５号公報

このような荷役助力装置に用いる吊下げ式の従来の荷重変換器（特許文献１）は例えば図１０（ａ）～（ｃ）で示すような構成であった。従来の荷重変換器は、荷重Ｗが加わる第２の接続部３Ｌ、３Ｒと、第１の接続部３ａに設けられた荷重を支持する接続軸１９と、第１の接続部３ａと第２の接続部３Ｌ、３Ｒとの間にあって断面積が小さく荷重Ｗによって弾性変形する起歪部３ｂと、起歪部３ｂに添着された感歪抵抗体Ｇｂとで構成されている。起歪部３ｂは荷重方向に弾性変形するように設けられ、荷重方向と平行に生ずる剪断歪みを検出するため、図１０（ａ）、図１０（ｃ）に示す配置で感歪抵抗体Ｇｂは起歪部３ｂに添着される。

さてここで荷役助力装置にて扱う荷重Ｗの範囲を拡大する場合には、変換器の全体を大きくし、理想的なロバーバル機構を維持するのが通例である。しかしながら、扱う荷重Ｗの範囲を拡大するが荷重変換器の大きさはそのままという制約が課せられた場合には、例えば面３ｃと面３ｄとで挟まれた起歪部３ｂの厚みを増加させて適応させること等が考えられる。この時、荷重変換器は、拡大された測定レンジ内において荷重と測定出力の直線性が低下し、精確な荷重の検出が困難になるという課題が生じていた。

このような問題に鑑みて、本発明は、精確な荷重を検出する荷重変換器とこれを用いた荷役助力装置を提供することを目的としている。

本発明の荷重変換器は、上記の目的を達成するために、
荷重の導入によって弾性変形する起歪部に感歪抵抗体を添着して荷重の大きさに応じた電気信号を出力する荷重変換器であって、
感歪抵抗体は、起歪部に生じる剪断応力と曲げ応力との引張方向の成分を検出する第１感歪抵抗体と、起歪部に生じる剪断応力と曲げ応力との圧縮方向の成分を検出する第２感歪抵抗体と、を有し、
第１感歪抵抗体と第２感歪抵抗体とは、ホイートストンブリッジ回路で隣り合う辺に配置され、
荷重変換器が略円柱の形状であって、ホイートストンブリッジ回路の各辺の第１感歪抵抗体と第２感歪抵抗体とがそれぞれ複数で直列に配置され、円柱の軸方向に生ずるねじりトルクを相殺するように第１感歪抵抗体と第２感歪抵抗体とがホイートストンブリッジ回路で配置されている。

本発明の荷重変換器は、上記の目的を達成するために、
感歪抵抗体のうち、起歪部の同一面に添着される第１感歪抵抗体と第２感歪抵抗体とが単一基材上に形成されて、それぞれの最大感度検出方向が直交し、かつそれぞれの最大感度検出方向が剪断応力の方向と４５度となるように構成されている。

本発明の荷重変換器は、上記の目的を達成するために、
起歪部は、支持部と荷重導入部の間に配置されて小なる断面積をなす同一形状の複数の座繰り穴部を有し、感歪抵抗体が、座繰り穴部の底面に設けられている。

本発明の荷役助力装置は、上記の目的を達成するために、
吊り部材に吊るされて荷役物の昇降動作を助力する荷役助力装置であって、
吊り部材と規制された角度範囲で回転可能に接続される本発明の荷重変換器と、
半円弧部とこれに繋がる直線部からなる長円形の環が交互に連接され、一端が荷役物に繋がるリンクチェーンと、
リンクチェーンを巻きつけるロードシーブと、
ロードシーブを回転させるモータ部と、
ロードシーブを担持するとともに荷重変換器と規制された角度範囲で回転可能に接続する担持接続部と、
ロードシーブ及びモータ部の少なくとも１つの回転角を検出して回転角信号を出力する回転角検出部と、
モータ部の回転を制御する制御回路部と、
を備え、
荷重変換器はロードシーブに加わる荷重を検出して荷重信号に変換して出力し、
制御回路部は荷重信号と回転角信号を受信し演算して荷役物の上下動の助力をモータ部によって制御するように構成されている。

本発明の荷重変換器によれば、感歪抵抗体の位置、最大感度方向及び感歪抵抗体のホイートストンブリッジ回路内での配置によって、精確に荷重を検出することができる。

本発明の実施形態に係る荷役助力装置の斜視構成図である。 本発明の実施形態に係る荷役助力装置内の荷重変換器及び駆動装置周辺の斜視構成図である。 本発明の実施形態に係る荷役助力装置内の荷重変換器周辺の斜視構成図である。 本発明の実施形態に係る荷重変換器の斜視図である。 本発明の第１の実施形態の荷重変換器の模式的な正面図（ａ）、Ｓ１－Ｓ１で切断した断面図（ｂ）、背面図（ｃ）及び正面図（ａ）のＲ部における剪断応力による起歪体の変形を示す模式図（ｄ）である。 本発明の第１の実施形態の荷重変換器の感歪抵抗体を含むホイートストンブリッジ回路図である。 本発明の第１の実施形態の荷重変換器に発生する荷重と測定出力の非直線性率を表したグラフである。 本発明の第２の実施形態の荷重変換器の模式的な正面図（ａ）、Ｓ２-Ｓ２で切断した断面図（ｂ）、背面図（ｃ）及び正面図（ａ）のＲ部における剪断応力による起歪体の変形を示す模式図（ｄ）である。 本発明の第２の実施形態の荷重変換器の感歪抵抗体を含むホイートストンブリッジ回路図である。 従来の荷重変換器の模式的な正面図（ａ）、Ｓ３-Ｓ３で切断した断面図（ｂ）、背面図（ｃ）及び正面図（ａ）のＲ部における剪断応力による起歪体の変形を示す模式図（ｄ）である。 従来の荷重変換器の感歪抵抗体を含むホイートストンブリッジ回路図である。 従来の荷重変換器に加わる荷重と測定出力の非直線性率を表したグラフである。 従来の荷重変換器において発生する曲げ応力による荷重と測定出力の非直線性率を模式的に表したグラフ（ａ）と、剪断応力による荷重と測定出力の非直線性率を模式的に表したグラフ（ｂ）である。

以下、本発明の実施形態に係る荷重変換器とこれを用いた荷役助力装置について、図面を基に詳細な説明を行う。図１は本発明の実施形態に係る荷重変換器を有している荷役助力装置である。

荷役助力装置１は、主なるものとして、本体部２２と、制御回路部２０と、操作部２５と、リンクチェーン８と、荷役用フック１５と、リンクチェーン収納部２６と、を含んでいる。本体部２２はカバー２１にて外部環境から保護するように覆われ、内部には制御回路部２０等が収納されている。操作部２５は、無線若しくは有線で荷役助力装置１の操作を行うものである。荷役用フック１５は、荷役物２８を係止するものである。荷役助力装置１は吊り部材１６にて構造物２７などに吊下げられて、荷役用フック１５に吊るした荷役物２８の昇降の助力を行う。

カバー２１は後述の荷重変換器３、モータ部２、ロードシーブ１３及びこれらの周辺の部材を覆って外部環境から保護するものである。また本体部２２には、モータ部２や操作部２５と電気的に繋がってこれらを制御する制御回路部２０や、リンクチェーン８を巻回して昇降させる機構部材が配置されている。

リンクチェーン８は、半円弧部とこれに繋がる直線部からなる長円形の環が交互に連接されたものであって、その一端は荷役用フック１５に繋がっていて、他端（無負荷側）はリンクチェーン収納部２６内に収納されている。

操作部２５は荷役助力装置１の操作を行うものであって、自動バランスと手動昇降操作の切り換え、手動昇降操作の指令、非常停止などのスイッチが設けられている。なお本実施形態では操作部２５は制御回路部２０と無線で繋がっているが、有線方式であっても良い。また操作部２５は、荷役用フック１５の近傍にリンクチェーン８に沿って設けられる不図示のホルダ等に着脱可能な構成であっても良い。

図２は本発明の実施形態に係る荷役助力装置１の本体部２２内の荷重変換器３及び駆動装置周辺の内部構造を示した斜視図であって、幾つかの部材を省略して表したものである。

モータ部２は、モータ２ａと減速機７で構成される。減速機７は、モータ２ａの負荷側に取り付けられて、モータ２ａの回転速度を所定の速度に減速している。減速機７は例えば波動歯車減速機である。波動歯車減速機は外周が楕円状のウエーブジェネレータと、外周に多数の外歯が形成されウエーブジェネレータに外嵌されてウエーブジェネレータの回転により円周方向へ撓まされる位置が変化するようにした弾性変形可能なフレクスプラインと、フレクスプラインの外周側にあってフレクスプラインの外歯と嵌合する内歯を備えたサーキュラスプラインからなる。そして動力は、フレクスプラインを回転出力として繋げた回転出力軸に取り出されて伝達するようになっている。

減速機７に波動歯車減速機のようなバックラッシが極めて小さいものを使用することで、モータ２ａの正逆回転切り換えを頻繁に行って助力動作を行う時に、切り換え時の制御不能な領域をなくし、スムーズな操作感を実現できる。減速機７にて減速された図２には現れない回転出力軸は、ロードシーブ１３に連結され、モータ２ａの駆動によってロードシーブ１３を連続的に正逆に回転させることができる。

ロードシーブ１３は、モータ部２の回転出力軸により回転してリンクチェーン８の繰り出し、巻上げを行う。本実施形態ではロードシーブ１３は円筒フランジ状の外形をしていて、回転出力軸と繋がっている。リンクチェーン８が巻きつけられる位置はおおよそ吊り部材１６の鉛直下であって、荷役助力装置１の重心位置に近いところに設けられる。リンクチェーン８はロードシーブ１３に設けられたチェーンポケット１４に嵌入されておおよそ１８０度巻きつけられる。

回転角検出部４は、モータ部２の反負荷側にあって、モータ部２の回転角の位置を検出して回転角信号を出力するもので、いわゆるロータリーエンコーダである。本実施形態ではモータ部２の反負荷側に設けたが、ロードシーブ１３や減速機７近傍に設けて減速後の回転角位置を検出しても良い。

この荷役助力装置１を吊下げるための吊り部材１６には、軸１７を介してブラケット１８が規制された角度範囲で回転自在に取り付けられている。そしてブラケット１８は略柱状の荷重変換器３と接続軸１９を介して接続され（図３参照）、さらに荷重変換器３は接続板５Ｒと第２の接続部３Ｒ、接続板５Ｌと第２の接続部３Ｌによってそれぞれ接続されている。

一方、ロードシーブ１３は略Ｕの字型をした担持板６に担持板固定爪６ａにて固定及び担持されている。担持板６の端部付近の向かい合う面はおおよそ平行であり、接続板５Ｒ、５Ｌからその両端の一部を延伸して９０度に曲げた突起部分にボルトで固定されている。この担持板６と接続板５Ｒ、５Ｌを合わせて担持接続部と定義する。

図３は本発明の実施形態に係る荷役助力装置内の荷重変換器３周辺の詳細を示した斜視図である。

ブラケット１８はこれを平面に展開した時に延伸部が互いに垂直な４方向に伸びる十字形状で、対向する１組みの平行な延伸部があって、対向するもう１組みの平行な延伸部は逆側へ折れ曲がっている。よってブラケット１８は軸１７によって、図３でｘ軸方向すなわち方向Ａａを中心として回転方向がＲａにて吊り部材１６と相対的に規制された角度範囲で回転するように接続されている。一方、ブラケット１８は荷重変換器３に挿通された接続軸１９によって、ｚ軸方向に平行な軸Ａｂを中心として回転方向がＲｂにて荷重変換器３と相対的に規制された角度範囲で回転するように接続されている。

さらに荷重変換器３の両側から突き出た円柱突起を有する第２の接続部３Ｒと第２の接続部３Ｌは、ｘ軸方向に平行な軸Ａｃを中心として接続板５Ｒ、５Ｌに設けられた孔に係合する。したがって荷重変換器３は、軸Ａｃを中心する回転方向Ｒｃにてブラケット１８と相対的に規制された角度範囲で回転可能に接続されている。

図４は本発明の第１から第３の実施形態に係る荷重変換器３の共通な部分の詳細を示した斜視図である。

荷重変換器３は例えばｘ軸方向に伸びた略円柱の形状であって、いわゆるピン型ロードセルに類似したものであって、荷重の大きさに応じた電気信号を出力する。荷重変換器３はｙｚ平面に平行で軸Ａｂを通る第１の鉛直面１０と、第１の鉛直面１０に垂直なｘｙ平面に平行で軸Ａｃを通る第２の鉛直面１１と、に対して面対称な形状で構成されている（但し、引出ケーブル３ｈ等の配線は除く）。そして吊り部材及び測定対象物にそれぞれ接続する接続部は、第１の接続部３ａと第２の接続部３Ｒ、３Ｌを有する。

接続軸１９は、例えば中空の円筒状であり、中空内部にはネジが切られていて、ブラケット１８によって挟み込まれて両側からボルトで固定できるように構成されている。そして荷重変換器３はこの接続軸１９を水平方向に挿通できる隙間のはめあい穴を有している。第１の接続部３ａは、荷重変換器３のうち接続軸１９の円筒外面と当接する部位であって、荷重変換器３に加わる荷重を支持してブラケット１８を介して吊り部材１６に接続する部分である。したがって第１の接続部３ａは、荷重変換器３の一部であって、接続軸１９の円筒外面に当接して支持されているため、荷重変換器３は接続軸１９の軸Ａｂを中心に規制された角度範囲で回転できる。接続軸１９は、これに限らず第１の接続部３ａへ圧入されて荷重変換器３に固定して結合したものであってもよい。また接続軸１９は、面３ｃから延伸して突起として設けられて、第１の接続部３ａと一体構造であっても良い。その際はこの接続軸１９はブラケット１８に対して規制された角度範囲で回転可能な構造となる。すなわち第１の接続部３ａは、ｚ軸に平行な直線を軸線とする円柱面を有する凹み（貫通穴、座繰り穴）若しくは突起を含んで吊り部材１６と規制された角度範囲で回転自在で接続する部分周辺を指す。

一方、第２の接続部３Ｒと第２の接続部３Ｌは、第１の接続部３ａからｘ軸正負の方向に位置し、接続軸１９の軸Ａｂに直交する軸Ａｃを軸線とした第２の円柱面を有する円柱の突起である。第２の接続部３Ｒと第２の接続部３Ｌは、左右対称の形状にてそれぞれ設けられ、これらの円柱突起の軸Ａｃは同一であり、その円柱面の直径も同一である。そしてこの第２の接続部３Ｒ及び第２の接続部３Ｌに、ロードシーブ１３に加わる荷重が担持板６、さらに接続板５Ｒ、５Ｌを経て伝わることになる。接続板５Ｒ、接続板５Ｌにはこの第２の接続部３Ｒ及び第２の接続部３Ｌの円柱突起よりわずかに大きい隙間のはめあい穴が設けられて、この穴に第２の接続部３Ｒ及び第２の接続部３Ｌの円柱の突起が挿入されて、荷重変換器３は規制された角度範囲で回転自在となる。

なお、第２の接続部３Ｒ及び第２の接続部３Ｌは本実施形態では円柱の突起であるがこれに限らず、円柱型の凹みによるものであっても良い。その際は例えば、接続板５Ｒ、５Ｌにカシメ等を行った段付き円柱状の軸がこの凹みに隙間を有して挿入される等の構成でも良い。すなわち第２の接続部３Ｒ及び第２の接続部３Ｌは、円柱面を有する凹み（座繰り穴）若しくは突起を含み、荷重変換器３は、接続板５Ｒ、５Ｌを介して担持板６と規制された角度範囲で回転自在で接続する。

よって第１の接続部３ａが荷重を支持する支持部として、第２の接続部３Ｒ及び第２の接続部３Ｌが荷重を導入する荷重導入部として作用することになる。

この第１の接続部３ａと第２の接続部３Ｒ及び第１の接続部３ａと第２の接続部３Ｌのそれぞれ中間位置に相対的に小なる断面積にて設けられているのが、起歪部３ｂである
（図５参照）。起歪部３ｂは、第２の接続部３Ｒと第２の接続部３Ｌからの荷重を受けて弾性変形する。また起歪部３ｂは、第２の接続部３Ｒと第２の接続部３Ｌと同様に左右対称の形状である。詳細は後述するが、この起歪部３ｂには感歪抵抗体Ｇが添着されている。そしてこの起歪部３ｂの一部の開口を塞いで感歪抵抗体Ｇを外部から遮断するのが封止部材９であり、外部から水や油等の侵入を防止する。封止部材９はＯリングと蓋状の部材からなり、Ｏリングが起歪部３ｂの側壁面を全周に渡って密着して感歪抵抗体Ｇを外部から遮断している。

さてこの構成で、従来の荷重変換器では図１０（ａ）～（ｃ）に示すように感歪抵抗体Ｇｂが起歪部３ｂに添着されていた。感歪抵抗体Ｇｂは、感歪抵抗体Ｇ１ｔｂ～Ｇ４ｔｂ、感歪抵抗体Ｇ１ｃｂ～Ｇ４ｃｂで構成されている。例えば図１０（ａ）において、感歪抵抗体Ｇ１ｔｂは、座繰り穴部底面３ｅの第２の接続部３Ｌ寄りで、ｘｙ座標系でプラス４５度の方向Ｎに最大感度を有するように添着されている。そして感歪抵抗体Ｇ１ｃｂは、座繰り穴部底面３ｅの第１の接続部３ａ寄りで、ｘｙ座標系でマイナス４５度の方向Ｍに最大感度を有するように添着されている。さらに感歪抵抗体Ｇ２ｃｂは、座繰り穴部底面３ｅの第１の接続部３ａ寄りで、ｘｙ座標系でプラス４５度の方向Ｎに最大感度を有するように添着されている。そして感歪抵抗体Ｇ２ｔｂは、座繰り穴部底面３ｅの第２の接続部３Ｒ寄りで、ｘｙ座標系でマイナス４５度の方向Ｍに最大感度を有するように添着されている。一方図１０（ｃ）は図１０（ａ）の背面図であって、基本的に同じレイアウトで感歪抵抗体Ｇ３ｔｂ～Ｇ４ｔｂ、感歪抵抗体Ｇ３ｃｂ～Ｇ４ｃｂが、それぞれ座繰り穴部底面３ｆに添着されている。これらの感歪抵抗体Ｇｂの配置方法は剪断応力τの方向に４５度に最大感度を有するようにしたもので一般的なものである。

図１１は従来の荷重変換器における感歪抵抗体Ｇ１ｔｂ～Ｇ４ｔｂ、感歪抵抗体Ｇ１ｃｂ～Ｇ４ｃｂを含んだホイートストンブリッジ回路図である。感歪抵抗体Ｇ１ｔｂ～Ｇ４ｔｂは剪断応力において引張方向の検出である。感歪抵抗体Ｇ１ｔｂ及び感歪抵抗体Ｇ４ｔｂがホイートストンブリッジ回路の一辺で直列に配置され、感歪抵抗体Ｇ２ｔｂ及び感歪抵抗体Ｇ３ｔｂもホイートストンブリッジ回路の一辺で直列に配置される。そして感歪抵抗体Ｇ１ｔｂ及び感歪抵抗体Ｇ４ｔｂと、感歪抵抗体Ｇ２ｔｂ及び感歪抵抗体Ｇ３ｔｂとの組合せでは、ホイートストンブリッジ回路では向かい合う辺として配置される。

一方で感歪抵抗体Ｇ１ｃｂ～Ｇ４ｃｂは剪断応力において圧縮方向の検出である。感歪抵抗体Ｇ１ｃｂ及び感歪抵抗体Ｇ２ｃｂがホイートストンブリッジ回路の一辺で直列に配置され、感歪抵抗体Ｇ３ｃｂ及び感歪抵抗体Ｇ４ｃｂもホイートストンブリッジ回路の一辺で直列に配置される。そして感歪抵抗体Ｇ１ｃｂ及び感歪抵抗体Ｇ２ｃｂと、感歪抵抗体Ｇ３ｃｂ及び感歪抵抗体Ｇ４ｃｂの組合せでは、ホイートストンブリッジ回路では向かい合う辺として配置される。

したがって、感歪抵抗体Ｇ１ｔｂ、Ｇ４ｔｂと感歪抵抗体Ｇ３ｃｂ、Ｇ４ｃｂとはホイートストンブリッジ回路ではそれぞれ隣り合う辺に配置される。また感歪抵抗体Ｇ２ｔｂ、Ｇ３ｔｂと感歪抵抗体Ｇ１ｃｂ、Ｇ２ｃｂとはホイートストンブリッジ回路ではそれぞれ隣り合う辺に配置される。

発明者はこのような感歪抵抗体Ｇｂの配置で荷重変換器３を構成した時、荷重と検出出力の関係において直線性の低下という課題に直面した。これを表したものが図１２のグラフである。図１２のグラフは、横軸を荷重Ｐとし、縦軸を非直線性率（％）として、荷重変換器の直線性を示す。非直線性率（％）は、対象荷重範囲の両端（０付近とＰｍａｘ）における実際の出力を直線で結んでこれを理想直線とし、対象荷重範囲内のある荷重における理想直線上の出力と実際の出力の差を、対象荷重範囲の両端の実際の出力差で除算してこれを百分率で表したものである。図１１に示す従来の感歪抵抗体Ｇｂの配置で荷重変換器３を構成した時、非直線性率はマイナス側に現れ、おおよそ－０．０８％という結果であった。

これに対して発明者は鋭意検討した結果、荷重変換器３が図１０（ａ）の破線ＢＢのように撓んでいて、感歪抵抗体Ｇｂには剪断応力に加えて曲げ応力の成分も加わってしまい直線性が低下することを見出し、本発明に至っている。すなわち、荷重変換器３は理想的なロバーバル機構を維持できず、弓なりの曲げの撓みによって、感歪抵抗体Ｇｂが添着されている起歪部３ｂに剪断歪みとともに曲げ歪みが発生している。そしてこの曲げ歪みは、剪断応力を検出する感歪抵抗体からの歪み量に干渉して直線性、ヒステリシス特性に影響を与え、精確な荷重の検出を妨げている。

発明者は単軸の感歪抵抗体を、荷重変換器３の面３ｇにｘ軸方向に平行な軸Ａｃに最大感度を有するように添着して測定したところ、図１３（ａ）で模式的に示すように、Ｐ＝０～最大荷重Ｐｍａｘの範囲での曲げの非直線性率は曲線ｍ１のようにプラス側で山型傾向になるという結果を得た。一方、剪断の感歪抵抗体Ｇｂでは、図１３（ｂ）で模式的に示すように、Ｐ＝０～最大荷重Ｐｍａｘの範囲での剪断の非直線性率は曲線ｖ１のようにマイナス側で谷型傾向になるという結果を得た。

図１０（ｄ）は、荷重Ｗが第２の接続部３Ｒに導入された時に図１０（ａ）の起歪部３ｂに生じる剪断応力の引張方向と圧縮方向とを示している。荷重変換器３が図１０（ａ）の破線ＢＢのように撓んでいて、感歪抵抗体Ｇｂには曲げ応力の成分も加わっていると、従来の配置の剪断型の感歪抵抗体Ｇ１ｔｂ～Ｇ４ｔｂは、剪断応力は引張方向で、曲げ応力も引張方向を検出する。一方で剪断型の感歪抵抗体Ｇ１ｃｂ～Ｇ４ｃｂでは、剪断応力は圧縮方向で、曲げ応力は引張方向を検出する（図１０（ｄ）参照）。したがって曲げ応力の検出はいずれも引張方向の成分となっていてこのような偏りが生じていると思われる。

そこで発明者は、一方の剪断型の感歪抵抗体を剪断応力と曲げ応力の引張方向の成分で検出するように、そして他方の剪断型の感歪抵抗体Ｇを剪断応力と曲げ応力を圧縮方向の成分で検出するように配置することで、曲げ応力による影響を大きく改善できることを見出した。次に本発明を適用した荷重変換器について説明する。

図５は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器３の正面図（ａ）、Ｓ１-Ｓ１断面図（ｂ）、背面図（ｃ）であり、封止部材９等を省略して表したものである。また図５（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器３の正面図（ａ）の起歪部３ｂにおける剪断応力による起歪体の変形を示す模式図である。

感歪抵抗体Ｇは、第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ～Ｇ４ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ～Ｇ４ｃで構成されている。起歪部３ｂを構成する座繰り穴部底面３ｅ及び座繰り穴部底面３ｆそれぞれには、第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ～Ｇ４ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ～Ｇ４ｃが設けられており、本実施形態ではこれらは剪断型の歪みゲージである。そして第１感歪抵抗体Ｇ１ｔと第２感歪抵抗体Ｇ１ｃは単一基材上に形成されて一体となっていて、それぞれの最大感度検出方向が直交し、かつそれぞれの最大感度検出方向が剪断応力の方向と４５度となっている。そして第１感歪抵抗体Ｇ１ｔと第２感歪抵抗体Ｇ１ｃは起歪部３ｂの同一面に配置されている。

より詳細には図５（ａ）において、第１の接続部３ａと第２の接続部３Ｌの間に設けられた第１感歪抵抗体Ｇ１ｔは鉛直上方向をｙ軸正の方向とするｘｙ直交座標系上でプラス４５度のＮ方向に最大感度を有し、第２感歪抵抗体Ｇ１ｃはマイナス４５度のＭ方向に最大感度を有している。そして第１感歪抵抗体Ｇ２ｔと第２感歪抵抗体Ｇ２ｃも同様に単一基材上に形成されて一体となっていて、それぞれの最大感度検出方向が直交し、かつそれぞれの最大感度検出方向が剪断応力の方向と４５度となっている。より詳細には、第１の接続部３ａと第２の接続部３Ｒの間に設けられた第１感歪抵抗体Ｇ２ｔはｘｙ座標系上でマイナス４５度のＭ方向に最大感度を有し、第２感歪抵抗体Ｇ２ｃはプラス４５度のＮ方向に最大感度を有している。

図５（ｂ）は、図５（ａ）を断面Ｓ１－Ｓ１で切断した断面図である。第１の実施形態における起歪部３ｂは円柱面を有する同一形状の複数の座繰り穴部であって、座繰り穴部の直径寸法及び深さ（面３ｃから座繰り穴部底面３ｅまでの距離、面３ｄから座繰り穴部底面３ｆまでの距離）の寸法は全て同一である。そしてこの座繰り穴部の凹み方向は面３ｃ及び面３ｄから互いに反対向きで配置されている。各座繰り穴部底面３ｅ、３ｆは平面である。そしてこの座繰り穴部底面３ｅと座繰り穴部底面３ｆとで挟まれた箇所が起歪部３ｂである。

図５（ｃ）は、荷重変換器３の背面図である。正面図の図５（ａ）と同様に、第１感歪抵抗体Ｇ３ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ３ｃ、第１感歪抵抗体Ｇ４ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ４ｃが、座繰り穴部底面３ｆにそれぞれ配置されている。そして第１感歪抵抗体Ｇ３ｔと第２感歪抵抗体Ｇ３ｃ、第１感歪抵抗体Ｇ４ｔと第２感歪抵抗体Ｇ４ｃもそれぞれ同様単一基材で一体形成され起歪部３ｂの同一面に配置されている。

なお第１感歪抵抗体Ｇ１ｔの裏側には第１感歪抵抗体Ｇ４ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ１ｃの裏側には第２感歪抵抗体Ｇ４ｃ、第１感歪抵抗体Ｇ２ｔの裏側には第１感歪抵抗体Ｇ３ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ２ｃの裏側には第２感歪抵抗体Ｇ３ｃという配置となっている。これらの感歪抵抗体Ｇから引き出される配線は、図に現れない穴等を通してまとめられ最終的に引出ケーブル３ｈにて制御回路部２０へ繋がっている。

この構成で第２の接続部３Ｒと第２の接続部３Ｌの両側に測定対象物であるロードシーブ１３に加わる荷重Ｗが導入されると、第１の接続部３ａにて支持され、起歪部３ｂは鉛直上下方向に剪断応力と曲げ応力により弾性変形することになる。したがって第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ～Ｇ４ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ～Ｇ４ｃによって剪断応力と曲げ応力が検出され、第２の接続部３Ｒと第２の接続部３Ｌに加わる荷重を検出することができる。この時、荷重変換器３は、第２の接続部３Ｒ及び第２の接続部３Ｌによって接続板５Ｒ及び接続板５Ｌと相対的に規制された角度範囲で回転することができ、一方で接続軸１９によってブラケット１８と相対的に規制された角度範囲で回転することができる。ゆえに荷重変換器３はリンクチェーン８を斜めに引いた際にも、鉛直下向き荷重を正確に検出することができる。

図６は第１の実施形態における第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ～Ｇ４ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ～Ｇ４ｃを含んだホイートストンブリッジ回路図である。第１感歪抵抗体Ｇ１ｔと第１感歪抵抗体Ｇ４ｔ、第１感歪抵抗体Ｇ２ｔと第１感歪抵抗体Ｇ３ｔは剪断応力において引張方向の成分の検出であって、曲げ応力では引張方向の成分の検出である。第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ及び第１感歪抵抗体Ｇ４ｔがホイートストンブリッジ回路の一辺で直列に配置され、第１感歪抵抗体Ｇ２ｔ及び第１感歪抵抗体Ｇ３ｔもホイートストンブリッジ回路の一辺で直列に配置される。そして第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ及び第１感歪抵抗体Ｇ４ｔと、第１感歪抵抗体Ｇ２ｔ及び第１感歪抵抗体Ｇ３ｔとの組合せでは、ホイートストンブリッジ回路では向かい合う辺として配置される。

一方で第２感歪抵抗体Ｇ１ｃと第２感歪抵抗体Ｇ４ｃ、第２感歪抵抗体Ｇ２ｃと第２感歪抵抗体Ｇ３ｃは圧縮方向の成分の検出であって、曲げ応力では圧縮方向の成分の検出である。第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ及び第２感歪抵抗体Ｇ４ｃがホイートストンブリッジ回路の一辺で直列に配置され、第２感歪抵抗体Ｇ２ｃ及び第２感歪抵抗体Ｇ３ｃもホイートストンブリッジ回路の一辺で直列に配置される。そして第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ及び第２感歪抵抗体Ｇ４ｃと、第２感歪抵抗体Ｇ２ｃ及び第２感歪抵抗体Ｇ３ｃの組合せでは、ホイートストンブリッジ回路では向かい合う辺として配置される。

したがって、第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ、Ｇ４ｔと第２感歪抵抗体Ｇ２ｃ、Ｇ３ｃとはホイートストンブリッジ回路ではそれぞれ隣り合う辺に配置される。また第１感歪抵抗体Ｇ２ｔ、Ｇ３ｔと第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ、Ｇ４ｃとはホイートストンブリッジ回路ではそれぞれ隣り合う辺に配置される。

ここで第１の実施形態の荷重変換器３における第２感歪抵抗体Ｇ２ｃと第２感歪抵抗体Ｇ４ｃのホイートストンブリッジ回路での位置は、図１１に示した従来の荷重変換器のホイートストンブリッジ回路と比較して、これらが入れ替わっていることが判る。この配置は、まず荷重変換器３がｘ軸方向に柱状であって、起歪部３ｂがｘ軸方向に並んで配置され、ここに感歪抵抗体Ｇが配置されているためである。そしてこの荷重変換器３をｘ軸に平行な軸Ａｃを中心軸とした回転体と見立てると、第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ～Ｇ４ｔと第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ～Ｇ４ｃの起歪部３ｂへの配置はこの回転体のねじりトルクを検出するものとなっている。したがって荷重Ｗの導入により回転体のねじりトルクの成分が加わり、これをキャンセルさせるために第２感歪抵抗体Ｇ２ｃと第２感歪抵抗体Ｇ４ｃとのホイートストンブリッジ回路での位置を従来のものに対して入れ替えている。

この配置で電源Ｅを端子Ｔ１－Ｔ３間に印加すると、端子Ｔ２－Ｔ４間に出力＋ＳＩＧ、－ＳＩＧが電圧として出力される。この出力電圧は増幅器３０にて増幅され、Ａ／Ｄ変換器３１でデジタル変換されて数値化され、これを元にＣＰＵ３２が演算して荷重が求められる。なお増幅器３０、Ａ／Ｄ変換器３１、ＣＰＵ３２は制御回路部２０に含まれていても良いし、独立して設けられていても良い。したがって、剪断応力も曲げ応力も引張方向の第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ～Ｇ４ｔは向かい合う辺に配置され、剪断応力も曲げ応力も圧縮方向の第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ～Ｇ４ｃは向かい合う辺に配置され、引張方向と圧縮方向の感歪抵抗体Ｇは隣り合う辺に配置されることから、図１２（ａ）、（ｂ）に示す山型と谷型の特性が相殺しあって出力の直線性率を向上させていると言える。

図７は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器３の荷重出力の非直線性率の特性を実測した例である。従来の荷重変換器の非直線性率の－０．０８％と比較して、本発明の第１の実施形態の荷重変換器ではこれが±０．０１％以下となって低減されていることが判る。なお本発明の第１の実施形態では、例えば第１感歪抵抗体Ｇ１ｔと第２感歪抵抗体Ｇ１ｃとの剪断方向（荷重方向Ｗ）の離間距離を大きくすると直線性が向上する傾向が見られたが、本実施形態では添着する座繰り穴部底面３ｅ、３ｆの大きさ及びヒステリシス特性を勘案して設定されている。

また第１の実施形態における第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ～Ｇ４ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ～Ｇ４ｃは８個の歪みゲージで構成されて１辺の抵抗値が高くなるので、電源Ｅの電圧を高くすることができて出力＋ＳＩＧ、－ＳＩＧを大きくすることができる。また荷重変換器３の捻れに関しても第１感歪抵抗体Ｇ１ｔ～Ｇ４ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ１ｃ～Ｇ４ｃによってキャンセルすることができるという利点がある。

以上の構成にて、荷役用フック１５に荷役物２８が吊るされると、荷役物２８の重量によってリンクチェーン８が引っ張られるため、荷役用フック１５、リンクチェーン８、ロードシーブ１３、担持板６、接続板５Ｒと接続板５Ｌを介して荷重変換器３の第２の接続部３Ｒと第２の接続部３Ｌが下方に引張られ、第１の接続部３ａが荷重を支持し、荷重変換器３の起歪部３ｂが変形する。そしてロードシーブ１３に加わる荷重を起歪部３ｂの変形量として起歪部３ｂに設けられた感歪抵抗体Ｇにて検出した荷重信号と、回転角検出部４にて検出した回転角信号とを制御回路部２０は受信する。制御回路部２０はこれを基に演算して、荷役物２８がバランスするようにモータ部２に対して助力する制御を行う。もちろん人手によって荷役物にわずかな外力を印加して上下動させつつバランスするような動作を行うことも可能である。

図８は本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器３の正面図（ａ）、Ｓ２-Ｓ２断面図（ｂ）、背面図（ｃ）であり、封止部材９を省略して表した模式図である。また図８（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器３の正面図（ａ）の起歪部３ｂにおける剪断応力による起歪体の変形を示す模式図である。第１の実施形態と同様に起歪部３ｂは円柱面を有する複数の座繰り穴部であって、座繰り穴部の直径寸法及び深さ（面３ｃから座繰り穴部底面３ｅまでの距離、面３ｄから座繰り穴部底面３ｆまでの距離）の寸法は全て同一である。

感歪抵抗体Ｇは、第１感歪抵抗体Ｇ２ｔ、Ｇ４ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ２ｃ、Ｇ４ｃで構成されている。起歪部３ｂを構成する座繰り穴部底面３ｅと座繰り穴部底面３ｆとの中央部それぞれには、第１感歪抵抗体Ｇ２ｔと第２感歪抵抗体Ｇ２ｃ、第１感歪抵抗体Ｇ４ｔと第２感歪抵抗体Ｇ４ｃが設けられており、第２の実施形態ではこれらは剪断型の歪みゲージである。そして第１感歪抵抗体Ｇ２ｔと第２感歪抵抗体Ｇ２ｃは単一基材上に形成されて一体となっていて、それぞれの最大感度検出方向が直交し、かつそれぞれの最大感度検出方向が剪断応力の方向と４５度となっている。すなわち図８（ａ）において、第１感歪抵抗体Ｇ２ｔは鉛直上方向をｙ軸正の方向とするｘｙ直交座標系上でマイナス４５度のＭ方向に最大感度を有し、第２感歪抵抗体Ｇ２ｃはプラス４５度のＮ方向に最大感度を有している。そして図８（ｃ）における第１感歪抵抗体Ｇ４ｔと第２感歪抵抗体Ｇ４ｃも同様に単一基材上に一体形成されたものである。

第２の実施形態は、第１の実施形態における第１感歪抵抗体Ｇ１ｔと第１感歪抵抗体Ｇ３ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ１ｃと第２感歪抵抗体Ｇ３ｃを省いて部品点数を減じ、添着工程及び配線工程の簡素化を図ったものである。

図９は第２の実施形態における第１感歪抵抗体Ｇ２ｔ、第１感歪抵抗体Ｇ４ｔ、第２感歪抵抗体Ｇ２ｃ及び第２感歪抵抗体Ｇ４ｃを含んだホイートストンブリッジ回路図である。第１感歪抵抗体Ｇ２ｔと第１感歪抵抗体Ｇ４ｔは剪断応力において引張方向の検出であって、曲げ応力においても引張方向の検出であって、ホイートストンブリッジ回路では向かい合う辺として配置される。

一方で第２感歪抵抗体Ｇ２ｃと第２感歪抵抗体Ｇ４ｃは剪断応力において圧縮方向の検出であって、曲げ応力においても圧縮方向の検出であって、ホイートストンブリッジ回路では向かい合う辺として配置される。

したがって、第１感歪抵抗体Ｇ２ｔと第２感歪抵抗体Ｇ２ｃとはホイートストンブリッジ回路ではそれぞれ隣り合う辺に配置される。また第１感歪抵抗体Ｇ４ｔと第２感歪抵抗体Ｇ４ｃとはホイートストンブリッジ回路ではそれぞれ隣り合う辺に配置される。

この配置で電源Ｅを端子Ｔ１－Ｔ３間に印加すると、端子Ｔ２－Ｔ４間に出力＋ＳＩＧ、―ＳＩＧが電圧にて出力される。この出力電圧は増幅器３０にて増幅され、Ａ／Ｄ変換器３１でデジタル変換されて数値化され、これを元にＣＰＵ３２が演算して荷重が求められる。なお増幅器３０、Ａ／Ｄ変換器３１、ＣＰＵ３２は制御回路部２０に含まれていても良いし、独立して設けられていても良い。

第２の実施形態による荷重変換器３は第１の実施形態同様に、剪断応力も曲げ応力も引張方向の第１感歪抵抗体Ｇ２ｔ、Ｇ４ｔは向かい合う辺に配置され、剪断応力も曲げ応力も圧縮方向の第２感歪抵抗体Ｇ２ｃ、Ｇ４ｃは向かい合う辺に配置され、引張方向と圧縮方向の感歪抵抗体Ｇは隣り合う辺に配置されることから、図１２（ａ），（ｂ）に示す山型と谷型の特性が打ち消し合って出力の直線性率を向上させていると言える。

以上、本発明の第１及び第２の実施形態によれば、小型化の制約のもと、理想的なロバーバル特性を得るのが困難な場合であっても、精確な荷重変換器を提供することができる。すなわち本発明では、曲げ歪みによる非直線性特性と、剪断歪みに生ずる非直線性特性とが、理想の荷重直線を軸として正負で略対称に現れることを利用している。したがって、曲げ応力による歪みと剪断応力による歪みを和算して打ち消し合うように構成することで荷重出力の直線性を改善している。

なお第１から第２の実施形態に係る荷重変換器３では、吊り部材１６が第１の接続部３ａに接続され、測定対象物であるロードシーブ１３が第２の接続部３Ｒ、３Ｌに接続されているが、これを逆にして吊り部材１６が第２の接続部３Ｒ、３Ｌに接続され、測定対象物であるロードシーブ１３が第１の接続部３ａに接続される構造であっても良い。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態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の変更が可能である。

本発明の活用例として、荷役物を吊下げて昇降動作により搬送や組立て作業を行う荷役助力装置への適用が可能である。

１ ：荷役助力装置
２ ：モータ部
２ａ ：モータ
３ ：荷重変換器
３ａ ：第１の接続部（支持部）
３ｂ ：起歪部
３ｃ ：面
３ｄ ：面
３ｅ ：座繰り穴部底面（起歪部）
３ｆ ：座繰り穴部底面（起歪部）
３ｇ ：面
３ｈ ：引出ケーブル
３Ｌ、３Ｒ ：第２の接続部（荷重導入部）
４ ：回転角検出部
５Ｌ、５Ｒ ：接続板
６ ：担持板
６ａ ：担持板固定爪
７ ：減速機
８ ：リンクチェーン
９ ：封止部材
１０ ：第１の鉛直面
１１ ：第２の鉛直面
１３ ：ロードシーブ
１４ ：チェーンポケット
１５ ：荷役用フック
１６ ：吊り部材
１７ ：軸
１８ ：ブラケット
１９ ：接続軸（突起）
２０ ：制御回路部
２１ ：カバー
２２ ：本体部
２５ ：操作部
２６ ：リンクチェーン収納部
２７ ：構造物
２８ ：荷役物
３０ ：増幅器
３１ ：Ａ／Ｄ変換器
３２ ：ＣＰＵ
Ｇ、Ｇｂ ：感歪抵抗体
Ｇ１ｔ～Ｇ４ｔ ：第１感歪抵抗体
Ｇ１ｃ～Ｇ４ｃ ：第２感歪抵抗体

Claims (4)

1. 荷重の導入によって弾性変形する起歪部に感歪抵抗体を添着して前記荷重の大きさに応じた電気信号を出力する荷重変換器であって、
   前記感歪抵抗体は、前記起歪部に生じる剪断応力と曲げ応力との引張方向の成分を検出する第１感歪抵抗体と、前記起歪部に生じる前記剪断応力と前記曲げ応力との圧縮方向の成分を検出する第２感歪抵抗体と、を有し、
   前記第１感歪抵抗体と前記第２感歪抵抗体とは、ホイートストンブリッジ回路で隣り合う辺に配置され、
   前記荷重変換器が略円柱の形状であって、前記ホイートストンブリッジ回路の各辺の前記第１感歪抵抗体と前記第２感歪抵抗体とがそれぞれ複数で直列に配置され、前記円柱の軸方向に生ずるねじりトルクを相殺するように前記第１感歪抵抗体と前記第２感歪抵抗体とが前記ホイートストンブリッジ回路で配置される、
   ことを特徴とする荷重変換器。
2. 前記感歪抵抗体のうち、前記起歪部の同一面に添着される前記第１感歪抵抗体と前記第２感歪抵抗体とが単一基材上に形成されて、それぞれの最大感度検出方向が直交し、かつそれぞれの前記最大感度検出方向が前記剪断応力の方向と４５度となるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の荷重変換器。
3. 前記起歪部は、支持部と荷重導入部の間に配置されて小なる断面積をなす同一形状の複数の座繰り穴部を有し、前記感歪抵抗体が、前記座繰り穴部の底面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷重変換器。
4. 吊り部材に吊るされて荷役物の昇降動作を助力する荷役助力装置であって、
   前記吊り部材と規制された角度範囲で回転可能に接続される請求項１から３のいずれか一項に記載の荷重変換器と、
   半円弧部とこれに繋がる直線部からなる長円形の環が交互に連接され、一端が前記荷役物に繋がるリンクチェーンと、
   前記リンクチェーンを巻きつけるロードシーブと、
   前記ロードシーブを回転させるモータ部と、
   前記ロードシーブを担持するとともに前記荷重変換器と規制された角度範囲で回転可能に接続する担持接続部と、
   前記ロードシーブ及び前記モータ部の少なくとも１つの回転角を検出して回転角信号を出力する回転角検出部と、
   前記モータ部の回転を制御する制御回路部と、
   を備え、
   前記荷重変換器は前記ロードシーブに加わる荷重を検出して荷重信号に変換して出力し、
   前記制御回路部は前記荷重信号と前記回転角信号を受信し演算して前記荷役物の上下動の助力を前記モータ部によって制御することを特徴とする荷役助力装置。
   

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