JPH10332502A - 6分力ロードセル - Google Patents
6分力ロードセルInfo
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- JPH10332502A JPH10332502A JP9223144A JP22314497A JPH10332502A JP H10332502 A JPH10332502 A JP H10332502A JP 9223144 A JP9223144 A JP 9223144A JP 22314497 A JP22314497 A JP 22314497A JP H10332502 A JPH10332502 A JP H10332502A
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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- G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
- G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
- G01L5/1627—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges
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- G—PHYSICS
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Abstract
り、且つ相互干渉誤差が力成分及びモーメント成分で全
て2%以内で精度の高い6分力ロードセルを提供する。 【解決手段】 本発明は三つの方向の力成分Fx,Fy,Fzと
三つの方向のモーメント成分Mx,My,Mzを同時に測定でき
る6分力ロードセルに関するもので、直交する方向に連
結部112と突出顎111を形成する上・下部リング1
1、12と、横縦ビーム13’、13”に区分され、ビ
ーム13’、13”の上・下・左・右に双眼鏡構造の貫
通口131、132と四つのホール133を形成し多数
のストレインゲージS1乃至S32が付着される十字型
ビーム13が一体に構成される感知部1と、前記感知部
1の上・下リング11、12の突出顎111に対応する
個数に形成された長孔211と、多数の組立孔31が形
成された上、下部ケース21、22から構成され、下部
ケース22の一側に入・出力線を引出すための引出ホー
ル221を形成した外部ケース2から構成されることを
特徴とするものである。
Description
Fx,Fy,Fxと三つの方向のモーメント成分Mx,My,Mzを同時
に測定できる6分力ロードセルに関する。
サーであるロードセル(load cell) は一つの方向の力だ
けを測定するように設計されており、実際の使用時には
測定しようとする方向にロードセルを付着しなければ信
頼性のある測定結果を得られなかった。しかし、機械設
備の自動化、工作機械の高級化等により、いろいろな方
向の力とモーメントを同時に正確に測定しなければなら
ない必要性が増加している。この場合、複数のロードセ
ルを測定しようとする方向に設置して測定することもで
きるが、空間上の制約を受ける場合には適用が難しくな
る。いろいろな方向の力とモーメントを同時に測定でき
る力測定センサーを多分力ロードセルと呼ぶ。
ルは、直交する四つのデフレクションバー(deflection
bar)の各面当たり一つずつ計16個の半導体ストレイン
ゲージ各々をブリッジに構成すると、それの出力電圧は
ストレインゲージの面に垂直な方向の力成分に比例する
ことになる。これらの出力を適切に算術的に加減すると
三つの方向の力とモーメント成分を測定できる。この方
法は製作が比較的に容易な長所があるが、誤差が5%程
度で精度が落ち、力やモーメントを直接測定するのでは
なく、算術的な方法で計算しなければならないので測定
速度が落ちる。
グで構成された直交型弾性体構造を考案した。この構造
では24個の薄ストレインゲージで六つのウィストンブ
リッジが構成され、算術的な計算無くブリッジの出力か
ら力及びモーメント成分を直接測定できる。このロード
セルの誤差は力成分の場合2%、モーメント成分の場合
3〜5%程度である。
allel plate)とモーメントを測定する放射平板(radial
plate)を利用して、6分力ロードセルを考案した。この
ロードセルの誤差は力成分の場合2%、モーメント成分
の場合3%程度と比較的良い特性を有しているが、製作
が容易でない短所がある。
のような従来の技術の問題点を解決し、ストレインゲー
ジ付着及び加工が容易であり、且つ相互干渉誤差が力成
分及びモーメント成分で全て2%以内で精度の高い6分
力ロードセルを提供することである。
するために、本発明は三つの方向の力成分と三つの方向
のモーメント成分を同時に測定できる6分力ロードセル
において、直交する方向に連結部112と突出顎111
を形成する上・下部リング11、12と、横縦ビーム1
3’、13”とに区分され、ビーム13’、13”の上
・下・左・右に双眼鏡構造の貫通口131、132と四
つのホール133を形成し、多数のストレインゲージS
1乃至S32が付着される十字型ビーム13から構成さ
れる感知部1と、前記感知部1の上・下部リング11、
12の突出顎111に対応する個数に形成された長孔2
11と、多数の組立孔31が形成された上・下部ケース
21、22から構成され、下部ケース22の一方の側に
入・出力線を引出すための引出ホール221を形成した
外部ケース2とから構成されることを特徴とする。ま
た、本発明は、上記十字型ビーム13の横ビーム13’
と下部リング12、縦ビーム13”と上部リング11
は、各々一定のギャップ134を形成して互いに当接は
しないが、横ビーム13’と上部リング11、縦ビーム
13”と下部リング12が直交するように連結部112
で連結され、感知部1が全体的に一体を成すようにする
ことを特徴とする。
3は、曲げモーメントMx,My の相互干渉誤差を2%以内
に減らす役割を果すことを特徴とする。
外部ケース2の長孔211がスライディング組み立てら
れることを特徴とする。また、上記十字型ビーム13に
付着されるストレインゲージS1乃至S32は、双眼鏡
構造の貫通口131、132に力或いはモーメントが加
わったときに最大変形率を有し、相互干渉変形率が互い
に相殺される時点に付着することを特徴とする。
測定するためにウィストンブリッジε1、ε3、ε2、
及びε4の形態に回路を構成することを特徴とする。
照して、詳細に説明すると次のとおりである。
される双眼鏡ロードセルの感知部の構造であり、図2は
感知部の上部面の変形率(strain)分布を、及び図3は図
1で力F 作用後の感知部の変形状態図を示したものであ
る。
に、他端は自由端にして、固定端と自由端の上・下部側
に各々ストレインゲージS1乃至S4を付着して、自由
端で力F が作用すると感知部の構造は、図3で示すよう
に変形をし、この時感知部の上部面の変形率の分布は図
2に示されている。また下部面の変形率の分布は上部面
の分布と反対の挙動を見せる。
は引張変形率を感知し、S2は圧縮変形率を感知するこ
とになる。従って引張変形率を感知するストレインゲー
ジS1、S4と圧縮変形率を感知するストレインゲージ
S2、S3でS1、S4、S2、S3の順にブリッジア
ームを形成してウィストンブリッジを構成すると力Fを
感知するロードセルになる。
感知部の形状であり、図5は力Fyが作用するとき感知部
の構造の変形挙動を、図6はモーメントMzが作用したと
きの変形挙動を図示したものである。
感知部はy 方向の力成分とz 方向のモーメント成分を測
定できる特徴を有しているものであり、力Fyが作用した
時感知部の構造の変形挙動は図5のように示され、モー
メントMzが作用したときの変形挙動は図6のように示さ
れる。この時、力とモーメントの作用による点A、B、
C、D及びA’、B’、C’、D’での変形率の値は表
1のようになる。
部であり、図8と図9はこの時のウィストンブリッジ構
成図で、図8は力Fyを測定するロードセルになり、図9
はモーメントMzを測定するロードセルになる。
は力Fyを感知するのに使用され、ストレインゲージSG
2、3、6、7はモーメントMzを感知するのに使用され
る。この時の出力信号FyとMzは次のとおりである。
と出力Eo/Ei は500μm/mになり、モーメントMzが
加わると出力Eo/Ei は0μm/mになる。他方、ロード
セルの場合、力Fyが加わると出力Eo/Ei は0μm/mに
なりモーメントMzが加わると出力Eo/Ei は1、376μ
m/mになる。
トレインゲージSG1乃至SG8をA、B、C、D、
A’、B’、C’、D’に付着し、図8と9のように回
路を構成すると、力Fy測定用ロードセルとモーメントMz
測定用ロードセルが得られることになる。この時作られ
るロードセルはお互いの相互作用の無い形状、即ち相互
干渉誤差が零になる特徴を有することになる。
y,Fzと三つの方向のモーメント成分Mx,My,Mzを測定でき
る6分力ロードセルの斜視図で、図11は本発明の6分
力ロードセルの分解斜視図を図示したものである。
11で示したとおり、大きく上・下部リング11、12
と十字型ビーム13に形成された感知部1と、上・下部
21、22に区分される外部ケース2から構成される。
組み立てて作るとき発生する組立誤差を減らすために、
ワイヤーカッティング機(Wire cutting machine)を利用
して一体型に構成される。即ち、感知部1の十字型ビー
ム13は横方向のビーム13’と縦方向のビーム13”
に分けられ、横方向のビーム13’は上部リング11と
連結部112に連結され、下部リング12とは形成され
たギャップ134により一定の間隔を維持し、縦方向の
ビーム13”は下部リング12に連結部112で連結さ
れ、上部リング11とは形成されたギャップ134にや
はり一定の間隔を維持する構造であるが、前記各々はビ
ーム13’、13”とリング11、12が直交するよう
に連結され、感知部1は全体的には一体に加工されてい
るのである。
的に説明するために、上部リング11、下部リング12
及び十字型ビーム13に区分して説明することにする。
方向に突出顎111と連結部112及び多数の組立孔3
1を形成する。前記突出顎111は外部ケース2と組立
時スライディングで組み立てられるように外部ケース2
の長孔211に対応する個数に構成する。そして多数の
組立孔31は外部ケース2の組立孔31と一致するよう
にする。
縦ビーム13”に区分され、横ビーム13’と下部リン
グ12と、縦ビーム13”と上部リング11とは一定の
ギャップ134を置いて互いに当接しないようになって
おり、そのギャップ134は実際には極小さく構成され
ている。また横ビーム13’と縦ビーム13”には双眼
鏡構造の上・下部に貫通される四つの貫通口131と左
・右に貫通される四つの貫通口132が形成されてお
り、曲げモーメントMx,My の相互干渉誤差を2%以内に
減らす役割を果すホール133が縦横に直交する十字型
ビーム13の中央の角に四つ形成されている。そして上
記双眼鏡構造の貫通口131、132に力又はモーメン
トが加わったときに、最大変形率の値を有して、相互干
渉変形率が互いに相殺される時点にストレインゲージS
1乃至S32を付着した。
明では左・右貫通口132が十字型のビーム13を中心
に内側に形成され、上・下貫通口131が外側に形成さ
れているが、実施例によっては各貫通口131、132
の位置を相互変形することも可能である。
成された上・下部ケース21、22に分離されるように
構成されており、感知部1の上・下部リング11、12
に形成された突出顎111とスライディング結合される
ように均一な四つの長孔211が上・下部ケース21、
22に形成されており、下部ケース22の一方の側には
入・出力線を引出すための多数のホール221を形成し
ている。
れるストレインゲージの付着位置を示す図である。
1、S15は底面のストレインゲージの付着図で、S1
7乃至S25及びS27、S30、S32は側面に付着
されるストレインゲージを示すものである。
ッジ構成図であり、各方向の力とモーメントに対応する
ゲージの位置は表2のとおりである。
ルは、ストレインゲージの付着及び加工が容易でありな
がら、相互干渉の誤差が力成分及びモーメント成分の全
てで2%以内で精度が優秀な特性を有しており、先端産
業機械の性能及び機能向上研究、自動車軸の設計及び建
設分野での構造モデルなど、多様な産業分野でその応用
の効果が期待される。
ードセルの感知部の構造図である。
ラフである。
る。
る。
挙動を示す図である。
示す図である。
知部を示す図である。
ブリッジを示す図である。
ィストンブリッジを示す図である。
分を測定できる6分力ロードセルの斜視図である。
ゲージの付着位置を示す図である。
る。
ジ
Claims (6)
- 【請求項1】 三つの方向の力成分と三つの方向のモー
メント成分を同時に測定できる6分力ロードセルにおい
て、直交する方向に連結部112と突出顎111を形成
する上・下部リング11、12と、横縦ビーム13’、
13”とに区分され、ビーム13’、13”の上・下・
左・右に双眼鏡構造の貫通口131、132と四つのホ
ール133を形成し、多数のストレインゲージS1乃至
S32が付着される十字型ビーム13から構成される感
知部1と、前記感知部1の上・下部リング11、12の
突出顎111に対応する個数に形成された長孔211
と、多数の組立孔31が形成された上・下部ケース2
1、22から構成され、下部ケース22の一方の側に入
・出力線を引出すための引出ホール221を形成した外
部ケース2とから構成されることを特徴とする6分力ロ
ードセル。 - 【請求項2】 上記十字型ビーム13の横ビーム13’
と下部リング12、縦ビーム13”と上部リング11
は、各々一定のギャップ134を形成して互いに当接は
しないが、横ビーム13’と上部リング11、縦ビーム
13”と下部リング12が直交するように連結部112
で連結され、感知部1が全体的に一体を成すようにする
ことを特徴とする請求項1記載の6分力ロードセル。 - 【請求項3】 上記十字型ビーム13のホール133
は、曲げモーメントMx,My の相互干渉誤差を2%以内に
減らす役割を果すことを特徴とする請求項1記載の6分
力ロードセル。 - 【請求項4】 上記感知部1の突出顎111と外部ケー
ス2の長孔211がスライディング組立られることを特
徴とする請求項1記載の6分力ロードセル。 - 【請求項5】 上記十字型ビーム13に付着されるスト
レインゲージS1乃至S32は、双眼鏡構造の貫通口1
31、132に力或いはモーメントが加わったときに最
大変形率を有し、相互干渉変形率が互いに相殺される時
点に付着することを特徴とする請求項1記載の6分力ロ
ードセル。 - 【請求項6】 前記各分力の力とモーメントを測定する
ためにウィストンブリッジ(Wheatstone bridge) ε1、
ε3、ε2、及びε4の形態に回路を構成することを特
徴とする請求項5記載の6分力ロードセル。
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