(57)【要約】【課題】小型化された場合や荷重やモーメントが大きくなった場合であっても、正確にその荷重やモーメントを検出できるようにしたロードセルを提供する。【解決手段】起歪体であるビーム４に貼り付けられたひずみゲージ５を用いて直交する３軸のひずみ量を検出し、当該ひずみ量から荷重を検出するようにしたロードセル１において、前記各ひずみ量を相互に積算したひずみ積算量に干渉係数を積算して各荷重を検出する。具体的には、ビーム４に貼り付けられたひずみゲージ５から直交する３軸のひずみ量を検出し、荷重をＦ、モーメントをＭ、干渉係数をＲ、ひずみゲージの出力をεとして、数６を用いて各荷重やモーメントを検出する。【選択図】図１
2020041868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
起歪体に貼り付けられたひずみゲージを用いて直交する３軸のひずみ量を検出し、当該ひずみ量から荷重を検出するようにしたロードセルにおいて、
前記各ひずみ量を相互に積算したひずみ積算量に干渉係数を積算して各荷重を検出するようにしたロードセル。
【請求項２】
起歪体に貼り付けられたひずみゲージから直交する3軸のひずみ量を検出し、当該ひずみ量から荷重を検出するロードセルにおいて、
ひずみゲージの出力をε、干渉係数をＲ、荷重をＦ、モーメントをＭとした場合、次式で各荷重を検出するようにしたロードセル。
【数６】
2020041868.tif 000013
【請求項３】
起歪体に貼り付けられたひずみゲージから直交する3軸のひずみ量を検出し、当該ひずみ量から荷重を検出するロードセルにおいて、
ひずみゲージの出力をε、干渉係数をＲ、荷重をＦとした場合、次式で各モーメントを検出するようにしたロードセル。
【数７】
2020041868.tif 000014
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明は、荷重やモーメントを検出できるようにしたロードセルに関するものであって、より詳しくは、小型化された場合や大きな荷重やモーメントを受けた場合であっても、正確にその荷重やモーメントなどを検出できるようにしたロードセルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、荷重を検出するセンサとして、ひずみゲージを用いたロードセルが一般に普及している。このひずみゲージを用いたロードセルは、金属で構成された起歪体にひずみゲージを貼り付けるとともに、そのひずみゲージでホイートストンブリッジを形成し、そこから出力される電圧の変化によって荷重などを検出できるようにしたものである。このようなひずみゲージを用いたロードセルは、精度が高く、温度変化の影響も少ないというメリットがある。
【０００３】
ところで、このようなひずみゲージを用いたロードセルを用いて荷重を検出する場合、起歪体のひずみが小さいことを前提として、次の数１の関係が成立している。
【０００４】
【数１】
2020041868.tif 000003
【０００５】
ここで、εは単位長さ当たりのひずみ量であり、Ｋはゲージ係数、Ｒはひずみゲージの元の抵抗値、ΔＲはひずみによって生じた抵抗値を示すものである。
【０００６】
そして、このようなひずみゲージを用いて荷重やモーメントを検出する場合、複数のひずみゲージからホイートストンブリッジを形成し、電圧変化から荷重やモーメントを検出する。
【０００７】
具体的には、ひずみゲージの出力から６軸の荷重やモーメントを検出する場合、次の数２を用いて計算するようにしている（特許文献１など参照）。
【０００８】
【数２】
2020041868.tif 000004
【０００９】
ここで、Ｆは荷重、Ｍはモーメント、Ｒは干渉係数、εはひずみ量であり、それぞれの引数はｘｙｚ軸に対する値を示すものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−１２２１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、このようなロードセルで荷重やモーメントを検出する場合、次のような問題を生じる。
【００１２】
すなわち、ロードセルの小型化が進むと起歪体も小さくなる。一方、近年、要求される検出荷重が大きくなってきている。このため、起歪体に掛かる荷重が大きくなった場合に、伸縮、撓み、捻れなどが大きくなってしまう。このとき、従来のような直線的な一次関数を用いた近似では、起歪体の複雑な撓みや捻れなどを考慮することができず、誤差を生じやすくなっていた。
【００１３】
そこで、本発明は上記課題を解決するために、小型化された場合や荷重やモーメントが大きくなった場合であっても、正確にその荷重やモーメントを検出できるようにしたロードセルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、起歪体に貼り付けられたひずみゲージを用いて直交する３軸のひずみ量を検出し、当該ひずみ量から荷重またはモーメントを検出するようにしたロードセルにおいて、前記各ひずみ量を相互に積算したひずみ積算量に干渉係数を積算して各荷重を検出するようにしたものである。
【００１５】
具体的には、起歪体に貼り付けられたひずみゲージから直交する３軸のひずみ量を検出し、当該ひずみ量から荷重を検出するロードセルにおいて、荷重をＦ、モーメントをＭ、干渉係数をＲ、ひずみゲージの出力をεとした場合、次式で各荷重やモーメントを検出する。
【００１６】
【数６】
2020041868.tif 000005
【００１７】
【数７】
2020041868.tif 000006
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、各ひずみ量を相互に積算したひずみ積算量に干渉係数を積算して各荷重を検出するようにしたので、ひずみゲージに大きな荷重やモーメントがかかることによって起歪体が大きく変形した場合であっても、二次近似によって正確な値を検出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施の形態であるロードセルの平面概略図
【図２】同形態におけるロードセルの断面概略図
【図３】同形態における実荷重とひずみ量を示す図
【図４】同形態における従来例との比較表
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
この実施の形態におけるロードセル１は、ケース本体２と、このケース本体２の内部に設けられた起歪体であるビーム４と、このビーム４に貼り付けられたひずみゲージ７とを備えてなるものであって、ビーム４に外力を作用させることによって、ビーム４に張り付けられたひずみゲージ７を変形させ、その抵抗変化から荷重やモーメントを検出できるようにしたものである。そして、特徴的に、そのひずみゲージ７から出力されるひずみ量を相互に積算し、それに、干渉係数を掛けることによって、正確な値を検出できるようにしたものである。以下、本実施の形態について、詳細に説明する。
【００２２】
まず、この実施の形態で説明するロードセル１は、ビーム式と称されるものであって、ケース本体２の一部を構成する中空状のリング部３の中心部分に上下面から少し浮かせたハブ５（図２参照）を設け、そのハブ５とリング部３との間に起歪体である十文字状のビーム４を設けて連結させたものである。このビーム４は、上下方向に沿った薄い板状をなしており、ハブ５に荷重をかけることで変形するようになっている。このとき、ハブ５を軸方向（Ｚ軸方向に）に押圧すると、起歪体であるビーム４は剪断変形し、また、ハブ５を左右方向に水平移動させると、ビーム４に撓みや圧縮を生じるようになる。また、ハブ５を回転させると、ビーム４が撓むように変形する。これらの起歪体は、これらの変形が可能なように、基盤回路を取り付けた蓋体６から所定の隙間を設けて取り付けられている。
【００２３】
ひずみゲージ７は、起歪体のビーム４の各面に貼り付けられるものであって、各ビーム４の表面、裏面、上面、下面の各面の四箇所に取り付けられている。このときビーム４をハブ５から四方向に放射状に設けている場合は、合計１６枚以上のひずみゲージ７が貼り付けられることになる。このひずみゲージ７は、周知のように、変形によって抵抗が変化するようになったもので、絶縁体のゲージベース上に設けられた受感抵抗体のわずかな変形によって電気抵抗が変化するように構成されるものである。
【００２４】
図２の蓋体６の基盤回路に設けられる変換部８は、ビーム４に貼り付けられたひずみゲージ７を用いてブリッジ回路を構成し、電圧変化の信号を出力できるように構成されている。 そして、その出力を、ローパスフィルタを用いて高周波成分のノイズを除去し、増幅回路を用いて増幅する。 そして、演算部９を用いて、増幅した信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、「ひずみ／荷重変換行列」を用いた演算を行って、荷重やモーメントを出力する。
【００２５】
この演算部９で「ひずみ／荷重変換行列」を用いた演算を行う場合、起歪部のひずみが小さい場合、次の数２に示す直線的な一次近似式を用いて荷重やモーメントを求めることができる。
【００２６】
【数２】
2020041868.tif 000007
【００２７】
なお、上の数２は、荷重とモーメントを求める場合の式であり、３軸の荷重のみを求める場合は３×３行列を用いた次の数３が用いられる。
【００２８】
【数３】
2020041868.tif 000008
【００２９】
一方、ビーム４のひずみが非常に大きくなると、一次近似では誤差が大きくなり、正確な値を検出することかできなくなる。そこで、この実施の形態では、次式を用いて演算を行う。
【００３０】
【数４】
2020041868.tif 000009
【００３１】
なお、上式においてはｘ軸の荷重のみついて示すが、ｙ軸、ｚ軸の荷重やモーメントについても同様の二乗近似式で示される。
【００３２】
また、荷重のみを検出する場合は、上の数４のモーメントの項が無視されることになるため、次式のように省略される。
【００３３】
【数５】
2020041868.tif 000010
【００３４】
そして、この二乗項を展開して全ての軸に沿った荷重やモーメントを計算する。これにより、次の数６（荷重とモーメントを計算する場合）や数７（荷重のみを計算する場合）を用いて計算される。
【００３５】
【数６】
2020041868.tif 000011
【００３６】
【数７】
2020041868.tif 000012
【００３７】
この行列の各成分である干渉係数Ｒを推定する場合、拡張カルマンフィルタを用いる。この拡張カルマンフィルタは、推定したい状態量をマトリックスの中のそれぞれの要素として、実負荷がマトリックスとひずみ量の積算値となるようにマトリックスの要素（６×２７の場合、１６２個の要素）を推定するものである。通常のカルマンフィルタでは、方程式の制約で実現できないが、このような拡張カルマンフィルタを用いれば、非線形に対応して、マトリックスの要素を推定していくことが可能となる。
【００３８】
この拡張カルマルフィルタを用いて推定された「ひずみ／荷重変換行列」を用いて計算された値は、出力部を介して、３軸方向の荷重や、３軸方向を中心としたモーメントとして出力される。
【００３９】
このように二次近似された演算部９を用いて荷重やモーメントを計算した結果を説明する。
【００４０】
図３に示す数値は実際にロードセル１に与えた荷重やモーメントと、ひずみゲージ７から出力されたひずみ量である。
【００４１】
図４の左図は、従来の一次近似である６×６行列を用いて演算した結果であり、右図は６×２７行列を用いて演算した結果を示すものである。
【００４２】
この一次近似で演算した結果と実際に与えた荷重などを比較すると、太枠で示されたｚ軸の荷重やモーメントの値が、実際に与えた荷重と大きく異なっていることがわかる。
【００４３】
一方、６×２７の二次近似で演算した場合、二次近似された太枠の値は、実際に与えた値と近くなっていることがわかる。また、これ以外の各軸の荷重やモーメンも、実際に与えた荷重などと近くなっていることが分かり、誤差が全体的に小さくなっていることが分かる。
【００４４】
このように、上記実施の形態によれば、各ひずみ量を相互に積算したひずみ積算量に干渉係数を積算して各荷重を検出するようにしたので、ひずみゲージ７に大きな荷重がかかることによって起歪体が大きく変形した場合であっても、二次近似によって正確な値を検出することができるようになる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。
【００４６】
例えば、上記実施の形態では、ビーム式のロードセル１を用いるようにしたが、これ以外のタイプのロードセル１として、ビーム型、コラム型、Ｓ字型、ダイヤフラム型などのロードセル１でこのような二次近似を用いるようにしてもよい。
【００４７】
また、上記実施の形態では、３軸方向の荷重と３軸まわりのモーメントを算出するようにしたが、これらの一部（例えば、荷重のみ、モーメントのみなど）を算出できるようにしてもよい。
【００４８】
また、上記実施の形態では、２次近似で荷重やモーメントを算出するようにしているが、３次近似以上を用いて荷重やモーメントを算出するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・ロードセル
２・・・ケース本体
３・・・リング部
４・・・ビーム（起歪体）
５・・・ハブ
６・・・蓋体
７・・・ひずみゲージ
８・・・変換部
９・・・演算部
【図１】
2020041868.tif 000015
【図２】
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【図３】
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【図４】
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