(57)【要約】【課題】  高剛性・高感度であり、静荷重の測定時にもドリフトが生じない力センサの提供を目的としている。【解決手段】  測定対象としての荷重を受け弾性変形する着力部である上プレート２ｂと上プレート２ｂの変位量を拡大する変位拡大機構３と変位拡大機構３が拡大した上プレート２ｂの変位量を測定する歪ゲージ変位センサ４と、を有することを特徴としている。また、変位拡大機構３が、複数の梃子３５，３６からなり、各梃子３５，３６の力点、支点、作用点のうち、１つの作用点とその隣の梃子の力点とが重なり、上プレート２ｂの変位量が、各梃子３５，３６の倍率を掛け合わせた倍率に拡大されたものを変位センサ４が測定する構成とすることもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象としての荷重を受け、弾性変形する着力部と
該着力部の変位量を拡大する変位拡大機構と、
該変位拡大機構が拡大した前記着力部の変位量を測定する変位センサと、
を有することを特徴とする力センサ。
【請求項２】
前記変位拡大機構は梃子であり、支点から作用点までの距離が、力点から支点までの距離よりも長くなっていることを特徴とする請求項１記載の力センサ。
【請求項３】
前記変位拡大機構が、複数の梃子からなり、各梃子の力点、支点、作用点のうち、１つの作用点とその隣の梃子の力点とが重なり、前記着力部の変位量が、各梃子の倍率を掛け合わせた倍率に拡大されたものを前記変位センサが測定することを特徴とする請求項２記載の力センサ。
【請求項４】
前記変位拡大機構と前記変位センサとが、所望の剛性を有する構造体で囲まれた空間内に収納されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の力センサ。
【請求項５】
前記着力部は、前記変位拡大機構の上部に設けられた前記所望の剛性を有する構造体であることを特徴とする請求項４記載の力センサ。
【請求項６】
前記変位センサは与圧が印加された状態で前記変位拡大機構に取り付けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の力センサ。
【請求項７】
前記変位センサが歪ゲージであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の力センサ。
【請求項８】
前記変位センサが静電容量型変位センサであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高剛性・高感度であり、静荷重の測定時にドリフトが発生しない力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
力センサには、歪ゲージを用いるタイプと、水晶の圧電効果を利用して荷重を加えたときの電荷量を検出するタイプがある。
【０００３】
歪ゲージを用いるタイプの場合、歪ゲージは起歪部に貼り付けられている。歪ゲージの感度は、起歪部の剛性に反比例する。すなわち、剛性が小さいほど起歪部の変形量が大きくなり歪ゲージの感度も高くなる。逆に、剛性が大きいほど起歪部の変形量は小さくなり歪ゲージの感度も小さくなる。そのため、起歪部を中空構造にして、他の部分よりも剛性を小さくすることによって、歪ゲージの感度を高くすることが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、歪ゲージを用いる力センサでは、剛性を高くすると感度が落ち、感度を高くすると剛性が落ちるため、精密加工分野における切削加工や研削加工に使用されるバイトにかかる負荷のモニタや制御等、高感度・高剛性が求められる分野には使用することができない。
【０００５】
一方、水晶の圧電効果を利用する力センサは、高剛性で高感度であるのだが、静荷重の測定時に荷電がディスチャージされることによるドリフトが生じるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は高剛性・高感度であり、静荷重の測定時にもドリフトが生じない力センサの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明の力センサは、測定対象としての荷重を受け弾性変形する着力部と該着力部の変位量を拡大する変位拡大機構と該変位拡大機構が拡大した前記着力部の変位量を測定する変位センサと、を有することを特徴としている。
【０００８】
また、前記変位拡大機構は梃子であり、支点から作用点までの距離が、力点から支点までの距離よりも長くなっている構成としたり、前記変位拡大機構が、複数の梃子からなり、各梃子の力点、支点、作用点のうち、１つの作用点とその隣の梃子の力点とが重なり、前記着力部の変位量が、各梃子の倍率を掛け合わせた倍率に拡大されたものを前記変位センサが測定する構成としたり、前記変位拡大機構と前記変位センサとが、所望の剛性を有する構造体で囲まれた空間内に収納されていることとしたり、前記着力部は、前記変位拡大機構の上部に設けられた前記所望の剛性を有する構造体である構成としたり、前記変位センサは与圧が印加された状態で前記変位拡大機構に取り付けられていることとしたり、前記変位センサが歪ゲージである構成としたり、前記変位センサが静電容量型変位センサである構成とすることもできる。
【発明の効果】
【０００９】
測定対象からの荷重を受けて弾性変形する着力部と、着力部の変位量を拡大する変位拡大機構と、該変位拡大機構が拡大した前記着力部の変位量を測定する変位センサとを有する構成とすることで、着力部で生じる小さな変位が、変位拡大機構を介して変位センサに大きな変位として伝達されるため、高感度な測定が可能となる。
【００１０】
変位拡大機構は梃子であり、支点から作用点までの距離が力点から支点までの距離よりも長くなっていることとすることで、変位拡大機構による着力部への変位量の拡大率が大きくなり、力センサがより高感度となる。
【００１１】
変位拡大機構と変位センサとが、所望の剛性を有する構造体で囲まれた空間内に収納されている構成とすることで、より高い剛性を要求されるような用途にも使用することが可能である。
【００１２】
変位センサが歪ゲージであることとすることで、静荷重を測定するときのドリフトを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の力センサを、図面を基に説明する。
図１（ａ）は本発明の力センサの構造を示した図である。力センサ１は剛体ブロック２、変位拡大機構３、変位センサとしての歪ゲージ変位センサ４を有している。剛体ブロック２は所望の剛性を有する構造体であり、変位拡大機構３の端面にそれぞれ当接するように配置された、枠２ａ，上ブロック２ｂ及び下ブロック２ｃによって構成されている。本実施例の場合、その剛性は変位拡大機構３よりも大きいものとなっている。
【００１４】
変位拡大機構３は剛体ブロック２によって囲まれた空間内に収納されており、変位拡大機構３の上面に当接するように設けられた上プレート２ｂが、測定対象からの荷重を受ける着力部となっている。剛体ブロック２で囲まれた空間には、与圧が印加されており、これによって、歪ゲージ変位センサ４と変位拡大機構３との間の遊びをなくすことができ、上プレート２ｂの小さな変位も歪ゲージ変位センサ４に伝達される。
【００１５】
変位拡大機構３は金属製の厚いブロックで、紙面を垂直方向に貫通する溝３１，３２，３３，３４が形成されており、それらの溝に囲まれる形で、ほぼ水平な形状をした２つの第１梃子３５，３５と、逆Ｌ字型の形状をした２つの第２梃子３６，３６が設けられている。第１梃子３５，３５は、溝３２，３２と溝３３，３３との間が支点３５ａ，３５ａとなり、溝３１と溝３２，３２の間が力点３５ｂ，３５ｂ、溝３１と溝３３，３３との間が作用点３５ｃ，３５ｃとなっている。第１梃子３５，３５の作用点３５ｃ，３５ｃは、第２梃子３６，３６の力点３６ｂ，３６ｂと一連の繋がった形状となっている。そのため、作用点３５ｃ，３５ｃと力点３６ｂ，３６ｂとの間に遊びがなく、第１梃子３５，３５の変位がダイレクトに第２梃子３６，３６に伝達される。第２梃子３６，３６は溝３３，３３と溝３４との間が支点３６ａ，３６ａであり、歪ゲージ変位センサ４との接合部が作用点３６ｃ，３６ｃとなっている。図１の実施例では２つの梃子によって上プレート２ｂの変位を拡大しているが、本発明はこのような実施例に限定するものではない。
【００１６】
図１（ｂ）は第１梃子３５と第２梃子３６の構造の模式図である。それぞれの梃子３５，３６は、支点３５ａ，３６ａから作用点３５ｃ，３６ｃまでの距離ｂ，ｄが、支点３５ａ，３６ａから力点３５ｂ，３６ｂまでの距離ａ，ｃよりも長くなっている。そのため、力点３５ｂ，３６ｂの小さな動きが、作用点３５ｃ，３６ｃでの大きな動きに拡大されることとなる。また、第１梃子３５の作用点３５ｃと第２梃子３６の力点３６ｂが接続されているので、第１梃子３５の作用点で拡大された動きが、第２梃子３６の力点３６ｂに伝達され、その動きを第２梃子３６の作用点３６ｃがさらに拡大する構成となっている。そして、その拡大された動きが第２梃子３６の作用点３６ｃに取り付けられた歪ゲージ変位センサ４に伝達される。それぞれの梃子３５，３６の拡大率は、（ｂ／ａ）×（ｄ／ｃ）により求められる。
【００１７】
上記のような構成の力センサ１に対して、着力部である上プレート２ｂに、図１（ａ）の矢印Ａで示すような図に対して下向きの荷重がかかると、変位拡大機構３に下向きの力が加わり、それに伴って力点３５ｂ，３５ｂが下に変位する。すると第１梃子３５，３５は支点３５ａ，３５ａを中心に回動し、作用点３５ｃ，３５ｃには矢印に示す上向きの力が加わる。第２梃子３６，３６の力点３６ｂ，３６ｂは第１梃子３５，３５の作用点３５ｃ，３５ｃと一連の繋がった形状をしているため、力点３６ｂ，３６ｂにもダイレクトに上向きの力がかかる。それに伴い作用点３６ｃ，３６ｃは支点３６ａ，３６ａを中心に、図の矢印に示す左右方向へ移動する。第２梃子３６，３６の作用点３６ｃ，３６ｃの動きは歪ゲージ変位センサ４に伝達され、歪ゲージ変位センサ４を左右方向に引っ張る。
【００１８】
図２は、歪ゲージ変位センサの構造を示す斜視図である。歪ゲージ変位センサ４は、歪ゲージ基板４１、基板ホルダ４２、ヘッド部４３とを有している。基板ホルダ４２は歪ゲージ基板４１を保持するアーム部４２ａが設けられており、アーム部４２ａの先端から直角に伸びたコ字型の保持部４２ｂによって、歪ゲージ基板４１の端部を保持している。また、アーム部４２ａの下には切欠部４２ｃが形成されている。歪ゲージ基板４１は、両端部分を保持部材４２ｂに保持されており、歪ゲージ基板４１の下方には空間が設けられている。また、歪ゲージ基板４１の中央部分にはヘッド部４３が接合されている。ヘッド部４３と基板ホルダ４２が２つの第２梃子３６，３６のそれぞれの作用点３６ｃ，３６ｃに取付けられているため、力センサ１に荷重がかかると矢印Ｄに示すように図の上下方向に引っ張られる。
【００１９】
図３は歪ゲージ基板の斜視図である。歪ゲージ基板４１は、ジルコニア基板等の絶縁基板、または絶縁膜が形成された金属板等の基板と、歪ゲージ４４，４５，４６，４７とを有している。歪ゲージ４４，４５，４６，４７はＣｒ−Ｎ等、歪を受けると抵抗値が大きく変化する感歪材料を、基板上にスパッタリング法等のＰＶＤ法を用いてつづら折れ状に形成されており、ヘッド部４３を挟んで２つずつ、合計４つ配置されている。
【００２０】
４つの歪ゲージ４４，４５，４６，４７の抵抗をそれぞれ、Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄとすると、歪ゲージ４４，４６，４７，４７は、図４に示すようなホイートストン・ブリッジ回路を構成するように接続されている。歪ゲージ変位センサ４の基板ホルダ４２とヘッド部４３を図２の矢印Ｄの方向へ引っ張ると、歪ゲージ基板４１の中央部分が図２の上方へ移動して、歪ゲージ基板４１の中央部分が凸状に歪む。この時、基板ホルダ４２との接合部分は変形しないため、接合部分の周辺は凹状に歪む。従って、内側の歪ゲージ４５，４６には引張力が加わり、外側の歪ゲージ４４，４７には圧縮力が加わるため、内側の歪ゲージ４５，４６と外側の歪ゲージ４４，４７との間で逆方向の歪が生じる。
【００２１】
図５はそれぞれの歪ゲージの歪の大きさを示したグラフである。グラフの横軸は歪ゲージの位置を示し、縦軸が歪の大きさを表している。縦軸は原点Ｏより上が正の歪を表し、原点Ｏより下が負の歪を表す。
【００２２】
このグラフが示すとおり、ヘッド部に近い２つの歪ゲージ４５，４６は引張力によって凸状に歪んで正の歪を生じ、ヘッド部から遠い２つの歪ゲージ４４，４７は圧縮力によって凹状に歪んで負の歪を生じる。このような歪が生じることで、それぞれの歪ゲージ４４，４５，４６，４７の抵抗が変化する。元の抵抗値をＲａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄとし、歪ゲージ４４，４５，４６，４７の歪による変化量をΔＲａ，ΔＲｂ，ΔＲｃ，ΔＲｄとすると、入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏｕｔは数１の式で表すことができる。ここで、ΔＲｂとΔＲｃは負の歪のため、抵抗変化が負でありその結果式の符号が全て正になる。
【数１】
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【００２３】
従って、歪ゲージ変位センサ４を２つの第２梃子３６，３６の作用点３６ｃ，３６ｃに取付けることによって、力センサ１にかかった荷重の大きさを出力電圧Ｖｏｕｔの変化として測定することが可能となる。実際には、得られたＶｏｕｔを増幅器によって増幅したものを測定することとなる。このように歪ゲージ変位センサ４を用いることで、常に一定の荷重が加わる静荷重であっても、Ｖｉｎが一定の電圧であれば、Ｖoutも一定になるので、水晶の圧電効果を利用する力センサのようなドリフトは生じない。
【００２４】
一例として、以下のような構成の力センサの変位量を示す。
力センサの形状は１００×１００×２５ｍｍ、剛性は１×１０８ｍ／Ｎ、拡大機構の拡大率は４０倍、歪ゲージ変位センサ部の歪ゲージ基板は１０×４×０．２ｍｍのジルコニア基板で、感歪材料としてＣｒ−Ｎをスパッタリング法を用いて成膜したものである。歪ゲージの厚さは約１μｍ、ゲージ率は６、ゲージ抵抗は３ｋΩとなっている。さらに、歪ゲージ変位センサの出力電圧は５００倍のアンプで増幅している。このような力センサ１に１０ｍＮの荷重をかけると、５ｍＶの出力が得られた。
【００２５】
なお、上記実施例では変位拡大機構３を剛体ブロック２で囲んで剛性を高めているが、変位拡大機構３で充分な剛性を得られる場合には、剛体ブロック２は不要である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）は本発明の力センサの構造を示した図であり、（ｂ）は第１梃子と第２梃子の構造の模式図である。
【図２】歪ゲージ変位センサの構造を示す斜視図である。
【図３】歪ゲージ基板の斜視図である。
【図４】歪ゲージ変位センサのホイートストン・ブリッジの回路図である。
【図５】それぞれの歪ゲージの歪の大きさを示したグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１              力センサ
２              剛体ブロック
３              変位拡大機構
４              歪ゲージ変位センサ
３５，３６      梃子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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