(57)【要約】【課題】従来、小型ＩＴ機器を構成する構造体などに外部から加わる荷重を、前記小型ＩＴ機器の内部において、複数方向の成分に分解して測定可能な荷重センサとして好適なものが存在しない、という課題があった。【解決手段】一個の起歪体の起歪作用面に垂直な一軸方向の荷重成分のみを測定する一軸方向荷重センサを複数個有し、第一の一軸方向荷重センサの起歪作用面を被測定体固定面とし、他の複数個の一軸方向荷重センサの起歪作用面は前記第一の一軸方向荷重センサの起歪体に面接触するように配置される構造の荷重センサによって上記課題が解決される。【選択図】図１
2006329653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定体を固定する被測定体固定面を有し、前記被測定体固定面に作用する荷重を測定する荷重センサであって、
一個の起歪体の起歪作用面に垂直な一軸方向の荷重成分のみを測定する一軸方向荷重センサを複数個有し、
第一の一軸方向荷重センサの起歪作用面を被測定体固定面とし、
他の複数個の一軸方向荷重センサの起歪作用面は前記第一の一軸方向荷重センサの起歪体に面接触するように配置される構造であることを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
特定一軸方向(z)と該特定一軸に直交する平面内の上下左右４方向(+y,-y,-x,+x)に対応する計5個のブロックB(z)、ブロックB(+y)、ブロックB(-y)、ブロックB(-x)、ブロックB(+x)からなり、
前記各ブロックは前記各方向を長手とする直方体であり、
前記各ブロックの長手方向を含む４つの各長手方向面はひずみゲージを装着するひずみゲージ接着面であり、
前記各ひずみゲージは前記各ひずみゲージ接着面の長手方向の変位を測定するように装着され、
前記各ブロックの前記ひずみゲージ接着面でないひとつの矩形面は筐体に固定される筐体固定面であり、
前記各ブロックの前記ひずみゲージ接着面でなくかつ筐体固定面でもない他のひとつの矩形面は荷重を受ける起歪作用面であり、
前記特定一軸方向(z)のブロックB(z)の前記起歪作用面は被測定体を固定し、
前記他の４つのブロックの前記起歪作用面は、前記ブロックB(z)の４つの前記ひずみゲージ接着面にそれぞれ接することにより作用を受ける構造である、
ことを特徴とする三軸方向荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重を複数方向成分に分解して測定可能な荷重センサ技術に関するものであり、特に、三軸方向荷重センサの小型化技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＴ機器の構造設計時や強度品質確認時に、当該ＩＴ機器を構成する構造体などに外部から加わる荷重を測定する必要がある。たとえば、パソコンのコネクタの障害として、挿入時にこじりながら挿入される事により、コネクタが変形、または半田接合部が切れる事例があるが、この時、どの程度の荷重がコネクタにかかったかを実測して、構造設計資料や品質保証資料を蓄積することが行われる。このような測定のためには、
（１）正確に荷重を測るには、パソコンの筐体内部に荷重センサを装着する必要がある。
（２）測りたい荷重は、挿抜方向、上下、左右の3次元方向の荷重である。
（３）測りたい荷重の大きさは、通常のコネクタ挿抜操作の荷重範囲に加えて、こじるな      どの異常操作での荷重範囲までの測定ができなければならない。
という要件がある。
【０００３】
上記要件（２）を満たす荷重センサとしては、従来はたとえば下記特許文献１に示すような６軸力覚センサを用いていた。これは各軸方向の力３成分のほかに各軸まわりのモーメント３成分を同時に連続的に検出するセンサで、産業用ロボット等の力制御用センサとしても使用可能である。このような６軸力覚センサでは、たとえば下記非特許文献１のようなものが公用である。
【０００４】
上記要件（３）については、通常のコネクタ挿抜操作の荷重は10kgf程度であるが、こじるなどの異常操作では各軸方向で20kgf程度までの測定ができなければならない。
【０００５】
下記非特許文献１において上記（３）の要件に適合するセンサ（たとえば型名で50-Iをもつもの）のサイズは外径57〜114mmで高さ25〜40mmの円筒型である。このサイズを上記要件（１）と照らすと、従来のデスクトップパソコンの筐体内部ではこのサイズのセンサはおおむね装着可能であった。
【０００６】
しかし、ＩＴ技術の進展に伴い、ノートパソコンや携帯電話などパーソナルＩＴ機器が大いに普及してきたが、これらパーソナルＩＴ機器ではその大きさや重量は重要な仕様項目であり、ベンダはできるだけ小型軽量化を目指した内部構造設計を行う。その結果、通常のノートパソコンでは筐体内部で荷重センサ取り付け可能なスペースはせいぜい縦、横、高さとも30mm以内である。すなわち、上記要件（１）はノートパソコンにおいては、「荷重センサは各方向ともに30mmを越えない大きさでなければならない。」との要件となり、上記非特許文献１で公用の６軸力覚センサではサイズが大きすぎて、ノートパソコンの筐体内部に装着使用することができない。
【０００７】
公用の６軸力覚センサのサイズを規定する要因は起歪体の構造にあると考えられる。すなわち、従来の６軸力覚センサに用いられる起歪体は、たとえば下記特許文献１に示すように、円板状を基本とした単一体であり、該起歪体の中心部を支持し、辺縁部を被測定体固定部（起歪作用部）とする。この単一体である起歪体面上に複数のひずみゲージ（下記特許文献１では24個）を３軸方向にわたって、厳密な位置関係で装着する構造であるため、該起歪体円板の直径にはそれなりの大きさが必要であった。
【特許文献１】特開平５−１４９８１１号公報
【非特許文献１】HYPERLINK "http://www.nitta.co.jp/images/product/pdf/6dof/ifs.pdf" http://www.nitta.co.jp/images/product/pdf/6dof/ifs.pdfニッタ株式会社６軸力覚センサIFS
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、従来、たとえばノートパソコンのコネクタに外部から加わる荷重を、パソコンの筐体内部において、三軸方向の成分に分解して測定可能な荷重センサとしては好適なものが存在しなかった。すなわち、小型ＩＴ機器を構成する構造体などに外部から加わる荷重を、前記小型ＩＴ機器の内部において、複数方向の成分に分解して測定可能な荷重センサとして好適なものが存在しない、という課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
小型ＩＴ機器を構成する構造体などに外部から加わる荷重を、前記小型ＩＴ機器の内部において、複数方向の成分に分解して測定可能な荷重センサとして好適なものが存在しない、という前記課題は、図１に示す如く、被測定体を固定する被測定体固定面を有し、前記被測定体固定面に作用する荷重を測定する荷重センサであって、一個の起歪体の起歪作用面に垂直な一軸方向の荷重成分のみを測定する一軸方向荷重センサを複数個有し（図1においては一軸方向荷重センサとして形成されたひずみゲージ装着ブロック１〜５の５個を有する）、第一の一軸方向荷重センサ（図1においてはひずみゲージ装着ブロック５）の起歪作用面を被測定体固定面とし、他の複数個の一軸方向荷重センサの起歪作用面は前記第一の一軸方向荷重センサの起歪体に面接触するように配置される構造の荷重センサ、によって解決される。
すなわち、一個の起歪体の起歪作用面に垂直な一軸方向の荷重成分のみを測定する一軸方向荷重センサは構造的に非常にシンプルであるため、極端に言えばひずみゲージ接着に必要な程度のサイズ（数ミリ角程度）に小型化が可能である。そして、第一の一軸方向荷重センサ（図1においてはひずみゲージ装着ブロック５）の起歪作用面に被測定体を固定して、第二の一軸方向荷重センサ（たとえばひずみゲージ装着ブロック１）の起歪作用面は前記第一の一軸方向荷重センサの起歪体に面接触するように配置することにより、前記被測定体からの荷重によって前記面接触した第二の一軸方向荷重センサの起歪体の起歪作用面に作用する荷重成分が前記第二の一軸方向荷重センサによって測定される。このようにそれぞれ独立の起歪体をもつ小型化された一軸方向荷重センサ同士を面接触させる構造によって、もとの被測定体の荷重のそれぞれの成分を測定することができる。したがって、この小型化された一軸方向荷重センサを三軸方向にたとえば５個配したとしても、このように構成された三軸方向荷重センサは図２に示すようにサイズを各方向ともに30mmを越えない大きさに抑えることが可能であり、このような構造で各ブロックの材質としてアルミニウムを選ぶと、図４に示すごとく、各方向で20kgfを越える荷重成分の測定が容易に可能である。したがって、本発明の三軸方向荷重センサは各方向ともに30mmを越えない大きさなので、ノートパソコンのような小型ＩＴ機器の内部に装着が可能であり、構造体たとえばコネクタの挿抜方向、上下、左右の3次元方向の荷重が測定でき、各方向で20kgfを越える荷重成分の測定が可能なので通常のコネクタ挿抜操作の荷重範囲に加えて、こじるなどの異常操作での荷重範囲までの測定が可能である。
【００１０】
また、前記課題は図３のごとく、特定一軸方向(z)と該特定一軸に直交する平面内の上下左右４方向(+y,-y,-x,+x)に対応する計5個のブロックB(z)、ブロックB(+y)、ブロックB(-y)、ブロックB(-x)、ブロックB(+x)からなり、前記各ブロックは前記各方向を長手とする直方体であり、前記各ブロックの長手方向を含む４つの各長手方向面（図３では丸付き数字１，２，３，４で示す）はひずみゲージを装着するひずみゲージ接着面であり、前記各ひずみゲージは前記各ひずみゲージ接着面の長手方向の変位を測定するように装着され、前記各ブロックの前記ひずみゲージ接着面でないひとつの矩形面（図３では丸付き数
字５で示す）は筐体に固定される筐体固定面であり、前記各ブロックの前記ひずみゲージ
接着面でなくかつ筐体固定面でもない他のひとつの矩形面（図３では丸付き数字６で示
す）は荷重を受ける起歪作用面であり、前記特定一軸方向(z)のブロックB(z)の前記起歪
作用面（図では丸付き数字６）は被測定体を固定し、前記他の４つのブロックの前記起歪
作用面（図では丸付き数字６）は、前記ブロックB(z)の４つの前記ひずみゲージ接着面
（図では丸付き数字１、２、３、４）にそれぞれ接することにより作用を受ける構造であ
る、三軸方向荷重センサによって解決される。
【００１１】
すなわち、上記のようにひずみゲージを装着した5個のブロックB(z)、ブロックB(+y)、ブロックB(-y)、ブロックB(-x)、ブロックB(+x)はそれぞれが一軸方向荷重センサであり、方向(z)ブロックB(z)の４つのひずみゲージ接着面に他の４つのブロックB(+y)、ブロックB(-y)、ブロックB(-x)、ブロックB(+x)の起歪作用面が面接触するので、このような構造でひずみゲージ装着ブロックおよび筐体を配することにより、図２に示すようにサイズを各方向ともに30mmを越えない大きさに抑えることが可能であり、このような構造で各ブロックの材質としてアルミニウムを選ぶと、図４に示すごとく、各方向で20kgfを越える荷重成分の測定が容易に可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の荷重センサは、小型ＩＴ機器を構成する構造体などに外部から加わる荷重を、前記小型ＩＴ機器の内部において、複数方向の成分に分解して測定可能な荷重センサとして好適であり、小型ＩＴ機器の構造設計や強度品質確認に有用であるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の荷重センサの実施例として構成された三軸方向荷重センサの１実施例を図１〜図４により説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１に本発明の第１実施例の三軸方向荷重センサの外観図と構成要素を示す。本三軸方向荷重センサは５個のひずみゲージ装着ブロック１〜５とこれらを固定する筐体６とからなる。ひずみゲージ装着ブロック１〜４は十字状に配され、その中心を貫くように配されたひずみゲージ装着ブロック５のひとつの面が被測定体固定面である。
【００１５】
図２は本三軸方向荷重センサの正面図と側面図である。本実施例ではひずみゲージ装着ブロック１〜４は同形の4mm×4mm×8mmの直方体であり、ひずみゲージ装着ブロック５は4mm×4mm×14mmの直方体である。本例ではブロックの材質はアルミニウムとした。筐体６は2mm厚の剛体（たとえばステンレス）を枡状に形成したもので、その５つの内壁にひずみゲージ装着ブロック１〜５を固定（たとえばビス止め）する。このような構造により、たて最大長Ly＝24mm、横最大長Lx＝28mm、奥行き最大長Lz＝18mmとなり、各方向ともに30mmを越えない大きさとなる。
【００１６】
図３はひずみゲージ装着ブロック１〜５の各面とひずみゲージ接着位置を説明するものである。本例では被測定体としてコネクタ荷重を想定し、コネクタ挿抜方向を方向(z)とし、この方向に配されたひずみゲージ装着ブロック５をブロックB(z)と表記している。同様に右方向(+x)のひずみゲージ装着ブロック１は方向(+x)ブロックB(+x)、ひずみゲージ装着ブロック２は左方向(-x)ブロックB(-x)、ひずみゲージ装着ブロック３は上方向(+y)ブロックB(+y)、ひずみゲージ装着ブロック４は下方向(-y)ブロックB(-y)である。図において丸付き数字１〜６は各ブロックにおける面識別番号をあらわす。また、丸付き×印は各ブロックのひずみゲージ接着面１，２，３，４におけるひずみゲージ接着位置を示す。したがって1ブロックに4個のひずみゲージがあり、5ブロックで計20個のひずみゲージを装着する。なお、ひずみゲージは市販の抵抗線型で面積2mm角程度であり、各接着位置において、ブロック面の長手方向の歪みを測定するように、所定の接着剤でアルミニウムのブロックと接着する。本ひずみゲージは歪み量50〜400μεの範囲を精度よく測定可能である。
【００１７】
図３にけるブロック（α）の面n(n=1,2,…,6)を面f(α,n)と表記すると、上記の説明を以下のように厳密に記述できる。すなわち、ひずみゲージ装着ブロック５はブロックB(z)であり、その起歪作用面f(z , 6)が被測定体固定面ｆ(z , 6)であり、その筐体固定面f(z , 5)で筐体６に固定される。そのひずみゲージ接着面ｆ(z , 1)はひずみゲージ装着ブロック３である方向(+y)ブロックB(+y)の起歪作用面f(+y , 6)と面接触する。これによって被測定体固定面ｆ(z , 6)における方向(+y)の荷重成分が方向(+y)ブロックB(+y)に伝えられる。
【００１８】
同様に、ひずみゲージ装着ブロック５のひずみゲージ接着面ｆ(z , 2)はひずみゲージ装着ブロック２である方向(-x)ブロックB(-x)の起歪作用面f(-x , 6)と面接触する。これによって被測定体固定面ｆ(z , 6)における方向(-x)の荷重成分が方向(-x)ブロックB(-x)に伝えられる。
【００１９】
同様に、ひずみゲージ装着ブロック５のひずみゲージ接着面ｆ(z , 3)はひずみゲージ装着ブロック４である方向(-y)ブロックB(-y)の起歪作用面f(-y , 6)と面接触する。これによって被測定体固定面ｆ(z , 6)における方向(-y)の荷重成分が方向(-y)ブロックB(-y)に伝えられる。
【００２０】
同様に、ひずみゲージ装着ブロック５のひずみゲージ接着面ｆ(z , 4)はひずみゲージ
装着ブロック１である方向(+x)ブロックB(+x)の起歪作用面f(+x , 6)と面接触する。これ
によって被測定体固定面ｆ(z , 6)における方向(+x)の荷重成分が方向(+x)ブロックB(+x)
に伝えられる。
【００２１】
次に、上記の計20個のひずみゲージをその装着面で識別し、面f(α,n)上のひずみゲージをh(α,n)と表記し、各ひずみゲージh(α,n)が測定する荷重成分について説明する。上記に述べた構造によって、被測定体固定面ｆ(z , 6)における方向(z)の荷重成分は方向
(z)ブロックB(z)に伝えられ、ひずみゲージh(z,1)、h(z,2)、h(z,3)、h(z,4)の歪み量と
して把握される。このとき、方向(+y)、方向(-x)、方向(-y)、方向(+x)の荷重成分は方向
(z)ブロックB(z)を曲げる方向に作用し、その曲げ方向の両側で方向(z)の荷重成分によら
ない逆向き等量のh(z,1)、h(z,2)、h(z,3)、h(z,4)の歪み量を生ずる。よって、測定されたh(z,1)、h(z,2)、h(z,3)、h(z,4)の歪み量の単純平均値を求めることにより、方向(z)
の荷重成分のみに対応した歪み量が得られる。
【００２２】
同様に、被測定体固定面ｆ(z , 6)における方向(+x)の荷重成分は方向(+x)ブロックB
(+x)に伝えられ、ひずみゲージh(+x,1)、h(+x,2)、h(+x,3)、h(+x,4)の歪み量として把握される。このとき、方向(+y)、方向(-z)、方向(-y)、方向(+z)の荷重成分は方向(+x)ブ
ロックB(+x)を曲げる方向に作用し、方向(+x)の荷重成分によらないh(+x,1)、h(+x,2)、h(+x,3)、h(+x,4)の歪み量を生ずる。よって、測定されたh(+x,1)、h(+x,2)、h(+x,3)、h(+x,4)の歪み量の単純平均値を求めることにより、方向(+x)の荷重成分のみに対応した歪
み量が得られる。
【００２３】
同様に、被測定体固定面ｆ(z , 6)における方向(-x)の荷重成分は方向(-x)ブロックB(-x)に伝えられ、ひずみゲージh(-x,1)、h(-x,2)、h(-x,3)、h(-x,4)の歪み量として把握される。このとき、方向(+y)、方向(-z)、方向(-y)、方向(+z)の荷重成分は方向(-x)ブロックB(-x)を曲げる方向に作用し、方向(-x)の荷重成分によらないh(-x,1)、h(-x,2)、h(-x,3)、h(-x,4)の歪み量を生ずる。よって、測定されたh(-x,1)、h(-x,2)、h(-x,3)、h(-x,4)の歪み量の単純平均値を求めることにより、方向(-x)の荷重成分のみに対応した歪み
量が得られる。
【００２４】
同様に、被測定体固定面ｆ(z , 6)における方向(+y)の荷重成分は方向(+y)ブロックB(+y)に伝えられ、ひずみゲージh(+y,1)、h(+y,2)、h(+y,3)、h(+y,4)の歪み量として把握される。このとき、方向(+z)、方向(+x)、方向(-z)、方向(-x)の荷重成分は方向(+y)ブロックB(+y)を曲げる方向に作用し、方向(+y)の荷重成分によらないh(+y,1)、h(+y,2)、h(+y,3)、h(+y,4)の歪み量を生ずる。よって、測定されたh(+y,1)、h(+y,2)、h(+y,3)、h(+y,4)の歪み量の単純平均値を求めることにより、方向(+y)の荷重成分のみに対応した歪
み量が得られる。
【００２５】
同様に、被測定体固定面ｆ(z , 6)における方向(-y)の荷重成分は方向(-y)ブロックB(-y)に伝えられ、ひずみゲージh(-y,1)、h(-y,2)、h(-y,3)、h(-y,4)の歪み量として把握される。このとき、方向(+z)、方向(+x)、方向(-z)、方向(-x)の荷重成分は方向(-y)ブロックB(-y)を曲げる方向に作用し、方向(-y)の荷重成分によらないh(-y,1)、h(-y,2)、h(-y,3)、h(-y,4)の歪み量を生ずる。よって、測定されたh(-y,1)、h(-y,2)、h(-y,3)、h(-y,4)の歪み量の単純平均値を求めることにより、方向(-y)の荷重成分のみに対応した歪み
量が得られる。
【００２６】
次に、測定可能範囲について図４によって説明する。図４は本実施例で使用したブロック（材質アルミニウム）に荷重を加えた時に発生する歪み量をプロットしたものである。本実施例で使用したひずみゲージは歪み量50〜400μεの範囲を精度よく測定するので、40kgfを上回る荷重まで十分測定可能であることがわかる。なおこの範囲では荷重に対して歪み量はリニアに変化するので、歪みから荷重への変換も容易である。
【００２７】
実施例では20個のひずみゲージからの出力は、市販の多チャンネルメモリレコーダ/アナライザによってデータ処理したので、歪み量荷重換算や上記平均演算は連続的にリアルタイムに行うことができた。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の荷重センサは、小型ＩＴ機器を構成する構造体などに外部から加わる荷重を、前記小型ＩＴ機器の内部において、複数方向の成分に分解して測定可能な荷重センサとして好適であるので、情報処理産業において、小型ＩＴ機器ベンダやコネクタ等部品開発メーカでの構造設計や強度品質確認に利用される可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施例の三軸方向荷重センサの外観図と構成要素
【図２】本発明の第１実施例の三軸方向荷重センサの正面図と側面図
【図３】本発明の第１実施例のひずみゲージ装着ブロックとひずみゲージ接着位置
【図４】本発明の第１実施例のブロック（材質アルミニウム）の歪み量
【符号の説明】
【００３０】
１〜５  一軸方向荷重センサとして形成されたひずみゲージ装着ブロック
６  筐体
Ly  たて最大長
Lx  横最大長
Lz  奥行き最大長
B(z)  特定一軸(z)方向測定用ブロック
B(+y)  上(+y)方向測定用ブロック
B(-y)  下(-y)方向測定用ブロック
B(-x)  左(-x)方向測定用ブロック
B(+x)  右(+x)方向測定用ブロック
【図１】
2006329653.tif 000003
【図２】
2006329653.tif 000004
【図３】
2006329653.tif 000005
【図４】
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