(57)【要約】【課題】荷重の測定精度を向上して実用性が高い３次元ロードセルを提供する。【解決手段】基部１２と、基部１２との間に間隙Ｇをあけて支持された荷重受部１４と、一端を基部１２に固定し他端を荷重受部１４に固定して荷重受部１４を基部１２に支持させ、荷重受部１４が荷重を受けた際に歪みを生じる複数の起歪部であり、任意の第１方向と、第１方向に交差する第２方向と、第１方向と第２方向を含む平面に交差する第３方向と、の３つの方向に向けて基部１４と荷重受部１４との間に渡架状に設けられた第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３と、第１、第２、第３起歪部にそれぞれ取り付けられたひずみゲージと、を含むことを特徴とする３次元ロードセル１０から構成される。【選択図】図１
2012002554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
基部との間に間隙をあけて支持された荷重受部と、
一端を基部に固定し他端を荷重受部に固定して荷重受部を基部に支持させ、荷重受部が荷重を受けた際に歪みを生じる複数の起歪部であり、任意の第１方向と、第１方向に交差する第２方向と、第１方向と第２方向を含む平面に交差する第３方向と、の３つの方向に向けて基部と荷重受部との間に渡架状に設けられた第１、第２、第３起歪部と、
第１、第２、第３起歪部にそれぞれ取り付けられたひずみゲージと、を含むことを特徴とする３次元ロードセル。
【請求項２】
第１、第２、第３起歪部は、互いに直交する３つの軸方向に沿って荷重受部と基部との間に渡架状に設けられたことを特徴とする請求項１記載の３次元ロードセル。
【請求項３】
３次元ロードセルは、素材を直線移動させながらダイスに引き抜き通過させて該素材を所望形状に塑性加工する引き抜き加工において、ダイスに作用する荷重を計測するロードセルであり、
荷重受部は、ダイスを取り付けるダイス取り付け部を有し、
第１起歪部は、素材の直線移動方向と平行な第１軸方向に沿って設けられ、
第２起歪部は、第１軸方向に直交となる第２軸方向に沿って設けられ、
第３起歪部は、第１軸方向及び第２軸方向にともに直交となる第３軸方向に沿って設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の３次元ロードセル。
【請求項４】
基部は、一つの隅部が切欠き凹設された一部切欠き箱型形状に設けられ、
荷重受部は、基部の切欠き凹設位置に設置されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の３次元ロードセル。
【請求項５】
基部と荷重受部と第１、第２、第３起歪部とが一体形成されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の３次元ロードセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重の大きさ、その方向、及び３次元的な３方向の成分の分力を測定できる３次元ロードセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロードセルは、弾性体にひずみゲージを貼り付けて、弾性体にかかる応力とひずみゲージからの出力の関係を利用して荷重を測定する荷重測定装置であり、従来、一つの方向の荷重を測定するように設計されたものが普及している。ロードセルは、構造が簡単で低コストで製造できるとともに、比較的に測定性能、応答性、信頼性が高いことから、例えば、はかりや天秤等の計量器等に利用されている。
【０００３】
また、例えば、特許文献１に開示されているように、ロードセルは、自動車や二輪車等の車輪の接地部への作用力を測定する車輪作用力測定装置にも利用されている。特許文献１では、車輪の回転軸線方向であるＺ軸方向に延びる基部９からＸ軸およびＹ軸方向に沿って外方に十字状に延びる４本のアーム部１０、１０…が設けられ、それらの４本の各アーム部１０、１０…にストレインゲージ１８、１８…を貼着した多分力ロードセルの技術が記載されている。そして、４本のアーム部に貼着したストレインゲージ１８、１８…による歪検出値に基づいて、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向の分力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚおよび各軸まわりの偶力Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの６分力を測定するものであった。なお、符号は特許文献１記載のものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１７３９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ロードセルは、上述のように様々な分野に広く利用されているが、３次元のように任意の方向にかかる荷重の計測を必要する場面も多い。しかしながら、従来のロードセルでは１つの方向しか測定できないので、荷重を測定するには複数のロードセルを測定しようとする各方向に沿って設置する必要があった。したがって、複数のロードセルはそれぞれ独立的に荷重を測定するので、３次元的な荷重及びその分力を測定するには精度が劣るとともに、取り付け位置が制約を受ける等の問題があった。また、特許文献１に記載されている多分力ロードセルは、車輪に適用した構成であるが、ストレインゲージが貼着されたアーム部は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に沿って十字状に配置され、Ｚ軸方向にはアーム部が配置されていない構成なので２次元的な配置構成となっていることから、３次元的な荷重を測定するには精度が劣るおそれがあった。
【０００６】
一方、鍛造加工において素材を塑性変形して部品を製造する際には、表面に焼き付きや傷などが無い高精度の製品が要求されるため、潤滑剤の使用が不可欠である。素材の塑性変形過程では、摩擦係数の測定による素材表面の摩擦評価及び潤滑剤の性能評価が重要である。しかしながら、素材は３次元的に塑性変形されることが多いとともに、変形過程で高温、高面圧となる結果、素材の摩擦面の環境は複雑となり、正確な摩擦係数を測定するのは困難であった。したがって、正確な摩擦係数を測定するための技術の開発が望まれていた。
【０００７】
本発明は上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、その一つの目的は、荷重の大きさ、その方向、及び３方向の分力を同時に測定でき、測定精度を向上させて実用性が高い３次元ロードセルを提供することにある。さらに、他の目的は、引き抜き加工や摩擦試験機等に良好に適用でき、素材の摩擦係数を正確に測定算出するために高精度な荷重の測定を実現できる３次元ロードセルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明は、基部１２と、基部１２との間に間隙Ｇをあけて支持された荷重受部１４と、一端を基部１２に固定し他端を荷重受部１４に固定して荷重受部１４を基部１２に支持させ、荷重受部１４が荷重を受けた際に歪みを生じる複数の起歪部であり、任意の第１方向と、第１方向に交差する第２方向と、第１方向と第２方向を含む平面に交差する第３方向と、の３つの方向に向けて基部１４と荷重受部１４との間に渡架状に設けられた第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３と、第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３にそれぞれ取り付けられたひずみゲージ１８と、を含むことを特徴とする３次元ロードセル１０から構成される。
【０００９】
また、第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３は、互いに直交する３つの軸方向に沿って荷重受部１４と基部１２との間に渡架状に設けられたこととしてもよい。
【００１０】
また、３次元ロードセルは、素材Ｍを直線移動させながらダイスに引き抜き通過させて該素材を所望形状に塑性加工する引き抜き加工において、ダイスに作用する荷重を計測するロードセルであり、荷重受部１４は、ダイスを取り付けるダイス取り付け部（２２）を有し、第１起歪部１６１は、素材の直線移動方向Ｌと平行な第１軸（ｘ軸）方向に沿って設けられ、第２起歪部１６２は、第１軸方向に直交となる第２軸（ｙ軸）方向に沿って設けられ、第３起歪部１６３は、第１軸方向及び第２軸方向にともに直交となる第３軸（ｚ軸）方向に沿って設けられたこととしてもよい。例えば、引き抜き加工を行って実際に製品を製造する場合に適用しても良いし、引き抜き加工を利用した材料試験機等に適用してもよい。
【００１１】
また、基部１２は、一つの隅部が切欠き凹設された一部切欠き箱型形状に設けられ、荷重受部１４は、基部１２の切欠き凹設位置（２２）に設置されたこととしてもよい。
【００１２】
また、基部１２と荷重受部１４と第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３とが一体形成されたこととしてもよい。例えば、金属材料からの削り出し加工や、溶融金属や溶融合成樹脂を鋳型に入れて成型加工等により一体形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の３次元ロードセルによれば、基部と、基部との間に間隙をあけて支持された荷重受部と、一端を基部に固定し他端を荷重受部に固定して荷重受部を基部に支持させ、荷重受部が荷重を受けた際に歪みを生じる複数の起歪部であり、任意の第１方向と、第１方向に交差する第２方向と、第１方向と第２方向を含む平面に交差する第３方向と、の３つの方向に向けて基部と荷重受部との間に渡架状に設けられた第１、第２、第３起歪部と、第１、第２、第３起歪部にそれぞれ取り付けられたひずみゲージと、を含むことから、構造が簡単であるとともに、第１、第２、第３起歪部を異なる３方向に向けて設けたことにより、該荷重の３方向成分の分力、及び荷重のかかる方向を精度良く測定できる。また、測定対称の試験機や各種装置等に取り付ける際も簡単に取り付けることができ、広い分野での応用に実用できる。特に、３次元ロードセルを摩擦試験機等に応用すれば、正確な摩擦係数の測定を実現することができ、素材試験の性能、信頼性を向上させ得る。
【００１４】
また、第１、第２、第３起歪部は、互いに直交する３つの軸方向に沿って荷重受部と基部との間に渡架状に設けられた構成とすることにより、測定対象の荷重のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の分力をスムーズに、高い精度で正確に測定でき、荷重分析を容易に行える。
【００１５】
また、３次元ロードセルは、素材を直線移動させながらダイスに引き抜き通過させて該素材を所望形状に塑性加工する引き抜き加工において、ダイスに作用する荷重を計測する３次元ロードセルであり、荷重受部は、ダイスを取り付けるダイス取り付け部を有し、第１起歪部は、素材の直線移動方向と平行な第１軸方向に沿って設けられ、第２起歪部は、第１軸方向に直交となる第２軸方向に沿って設けられ、第３起歪部は、第１軸方向及び第２軸方向にともに直交となる第３軸方向に沿って設けられた構成とすることにより、加工機等のダイスに３次元ロードセルを具体的に組み付けて、直交する３つ軸方向の分力を正確に測定でき、ダイスに作用する荷重の分析を行える。さらには、素材とダイスとの間の摩擦係数を正確に測定でき、素材表面の摩擦特性や潤滑剤の性能評価をスムーズかつ正確に行える。
【００１６】
また、基部は、一つの隅部が切欠き凹設された一部切欠き箱型形状に設けられ、荷重受部は、基部の切欠き凹設位置に設置された構成とすることにより、配置効率が良い構造を具体的に実現でき、引き抜き加工機やその他荷重測定対象物へ効率良く設置できる。
【００１７】
また、荷重受部と基部と第１、第２、第３起歪部とが一体形成された構成とすることにより、構成要素どうしの接続部分で荷重が吸収されて誤差が生じる等の不具合を防止でき、精度の高い荷重測定を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る３次元ロードセルの斜視図である。
【図２】図１の３次元ロードセルの平面図である。
【図３】図１の３次元ロードセルの正面図である。
【図４】図１の３次元ロードセルの側面図である。
【図５】３次元ロードセルによる荷重測定テストを行った例を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例に係る３次元ロードセルの荷重測定テストの結果のグラフである。
【図７】３次元ロードセルの他の実施形態の斜視図である。
【図８】図１の３次元ロードセルを引き抜き加工型の摩擦試験機に取り付けた例を説明する平面図である。
【図９】図８の摩擦試験機のダイス周辺の要部斜視説明図である。
【図１０】図９の平面図である。
【図１１】図９の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下添付図面を参照しつつ本発明の３次元ロードセルの実施形態について説明する。本発明に係る３次元ロードセルは、３次元の荷重計測に有利な荷重測定装置である。図１ないし図４は、本発明の３次元ロードセルの一実施形態を示している。本実施形態において、図１に示すように、３次元ロードセル１０は、基部１２と、荷重を受ける荷重受部１４と、複数の起歪部１６と、複数の起歪部１６にそれぞれ取り付けられたひずみゲージ１８と、を含む。
【００２０】
基部１２は、ある程度の剛性を備え荷重受部１４及び起歪部１６を一体的に組み付けて支持しているベース体である。基部１２は、荷重を受ける荷重受部１４に対する固定部となっており、荷重が荷重受部１４から起歪部１６に伝達された際に容易に変形しないような強度を有している。本実施形態では、基部１２は、図１、図２、図３、図４に示すように、例えば、炭素鋼等の金属から形成され、縦方向、横方向及び高さ方向にある程度の大きさで形成された中実のブロック体からなる。基部１２は、例えば、略立体矩形箱状の一つの隅部を切り欠き凹設して凹部２０を形成させた一部切欠き箱型形状に設けられている。なお、平面視で基部１２の横辺に沿った方向をｘ軸方向、平面視でｘ軸方向に直交する基部１２の縦辺に沿った方向をｙ軸方向、正面視で鉛直高さ方向すなわちｘ軸及びｙ軸を含む平面に直交する方向をｚ軸方向としている。基部１２の凹部２０には、例えば、ｘｙ平面、ｙｚ平面、ｘｚ平面にそれぞれ平行な３つの凹部側面２０１〜２０３が形成されており、これらの３つの凹部側面２０１〜２０３は荷重受部１４と対向している。なお、基部１２の形状は荷重受部１４、起歪部１６を支持しうる構造であれば任意の形状でも良い。また、基部１２は、例えば、図８のような引き抜き加工機や材料試験機等の他の装置へのロードセルの取り付けを可能にするために、他の装置側の構成部材等と係合する凸部、凹部や切欠き、孔、又は固定用のボルト孔等が設けられていても良い。
【００２１】
図１、図２、図３、図４に示すように、荷重受部１４は、測定対象物に直接又は間接に係合して荷重を受ける荷重受手段であり、基部１２との間に間隙Ｇをあけて支持されている。荷重受部１４は、該荷重受部１４から脚のように３方向に延設された複数の起歪部１６により基部１２に対して空中位置に支持されている。荷重受部１４は、固定的な基部１２に対して荷重を受けた際に僅かに動き得る可動部となっており、受けた荷重を複数の起歪部１６に伝達させる。本実施形態では、荷重受部１４は、例えば、炭素鋼等の金属から形成されており、略立体矩形箱状の一つの隅部を切り欠き凹設して受凹部２２を形成させた一部切り欠き箱型形状に設けられている。荷重受部１４は、基部１２の凹部２０内に収容状に配置されており、受凹部２２を外側に向けて露出させつつ、受凹部２２が設けられていない３つの側面２６１〜２６３を基部１２の凹部内面２０１〜２０３に平行状に対向させながら離隔配置される。受凹部２２は、例えば、略立体矩形状の凹部空間であり、後述のようなダイス等の工具が取り付けられるダイス取り付け部を構成する。なお、荷重受部１４は、本実施形態のような形状に限らず、例えば、受凹部２２を設けなくてもよく、測定対象に応じてその他任意の形状に形成してもよい。
【００２２】
図１、図２、図３、図４に示すように、起歪部１６は、一端を基部１２に固定し他端を荷重受部１４に固定して荷重受部１４を基部１２に支持する支持手段であり、かつ荷重受部１４が荷重を受けた際に歪みを生じる弾性体である。起歪部１６は、固定部としての基部１２と可動部としての荷重受部１４との間の間隙Ｇに介設された梁であり、荷重受部１４から荷重が伝達されると荷重の大きさに対応してひずみを生じ、荷重が解除されると弾性復帰する。それぞれの起歪部１６は、例えば、炭素鋼等の金属で形成された断面正方形状の四角柱状のアームからなる。なお、起歪部１６の形状は四角柱状に限らず、例えば、円柱状や、板状に形成されていても良い。
【００２３】
本実施形態では、複数の起歪部１６は、基部１２と荷重受部１４との間において異なる３つの軸方向に向けて直線状に渡架状に設けられており、第１方向となるｘ軸方向に向けて設けられた第１起歪部１６１（梁）と、第２方向となるｙ軸方向に向けて設けられた第２起歪部１６２（梁）と、第３方向となるｚ軸方向に向けて設けられた第３起歪部１６３（梁）と、を含む。第１、第２、第３起歪部１６１〜１６３は、互いに直交する３つの軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）方向に向けてそれぞれ１つずつ設けられ、起歪部は全部で３つ設けられた構成となっている。第１、第２、第３起歪部１６１〜１６３は、例えば、第１〜第３梁としてそれぞれ一端が基部１２の凹部側面２０１〜２０３に一体で繋げられ、他端が荷重受部１４の側面２６１〜２６３に一体で繋げられており、それらの基部１２と荷重受部１４の対向面に対して直交状に設けられている。直交する３つの方向に伸びた第１、第２、第３起歪部１６１〜１６３は、各方向の互いの干渉を配慮して設計されており、誤差が小さく、荷重のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の３次元方向の分力を簡単で正確に計測できる起歪部の配置構成を実現している。上記のように直交する３方向に向けて立体的に第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３を設けた構成であるから、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の分力の測定精度を向上でき、３次元の荷重測定用ロードセルとして実用性が高い。
【００２４】
本実施形態では、基部１２と荷重受部１４と第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３とを含むロードセル本体は、例えば、鋼塊を上述のような所定形状に削り出し加工して一体形成されている。これにより、３次元ロードセル１０は各構成要素間での継ぎ目やねじ等の接続部材が無い一体的な構造となり、荷重を受けた際に継ぎ目や接続部材の影響により荷重を吸収して測定精度を低下させるのを防止でき、高い測定精度を得ることができる。なお、ロードセル本体の材料は、例えば、ゴム、プラスチック、アルミニウム、鉄、その他合金等で形成してもよく、測定する荷重の大きさによって適宜選択するとよい。また、３次元ロードセル１０は、基部１２、荷重受部１４、第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３をそれぞれ別部材で構成し、それらを所定構造に連結して製造することとしてもよいが、上述のように一体成形した構造のものの方が高い測定精度を得られる。
【００２５】
図１、図２、図３、図４に示すように、ひずみゲージ１８は、それぞれの起歪部１６１、１６２、１６３に取り付けられており、それらの起歪部に生じた歪みに応じて電気抵抗が変化するひずみ検出センサである。ひずみゲージ１８は、例えば、抵抗線や金属箔を利用した従来周知のひずみゲージが利用され、それぞれの起歪部１６１、１６２、１６３ごとに１個又は複数個が取り付けられる。ひずみゲージ１８は、ブリッジ回路２４に電気的に接続される。ブリッジ回路２４は、例えば、周知従来のブリッジ回路が利用されており、ひずみゲージ１８の電気抵抗の変化を電圧変化に変換して出力する。なお、ブリッジ回路２４には、例えば、回路出力を増幅するアンプ装置や出力を数値で表示するモニタ装置や、数値を記録するレコーダ装置等が接続されてもよい。
【００２６】
よって、３次元ロードセル１０は、荷重受部１４が荷重を受けると、各起歪部１６で荷重に対応した歪みが生じ、それらの歪みに応じてひずみゲージ１８で電気抵抗の変化に変換され、その電気抵抗の変化をブリッジ回路２４で電圧変化に変換し、出力電圧に応じて所定の計算が行われてロードセルにかかる荷重Ｐ及びｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各方向の分力Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚが求められる。本実施形態では、例えば、ｘ軸方向の第１起歪部１６１に取り付けられた第１ひずみゲージ１８からの回路の出力値εｘ、ｙ軸方向の第２起歪部１６２に取り付けられた第２ひずみゲージ１８からの回路の出力値εｙ、ｚ軸方向の第３起歪部１６３に取り付けられた第３ひずみゲージ１８からの回路の出力値εz、とすると、３次元ロードセル１０にかかる荷重Ｐのｘ軸方向の分力Ｐｘ、荷重Ｐのｙ軸方向の分力Ｐｙ、荷重Ｐのｚ軸方向の分力Ｐｚはそれぞれ次の計算式で近似的に求められる。
【数１】
2012002554.tif 000003
第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３は全て荷重受部１４に一体的に固定されているので、各方向の起歪部１６１、１６２、１６３どうしが互いに影響を及ぼすようになっている。なお、Ａｘ、Ａｙ、Ａｚ、Ｂｘ、Ｂｙ、Ｂｚ、Ｃｘ、Ｃｙ、Ｃｚは起歪部の形状や構成、ブリッジ回路等を含む諸条件により定まるパラメータである。そして、荷重Ｐは各分力Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚの合力として、次の計算式で求められる。
【数２】
2012002554.tif 000004
或いは、合力Ｐは下記の式からも求められる。
【数３】
2012002554.tif 000005
さらに、荷重Ｐのｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向に対する角度θｘ、θｙ、θｚとすると、方向余弦及び、各角度θｘ、θｙ、θｚは次の計算式で求められる。
【数４】
2012002554.tif 000006
【数５】
2012002554.tif 000007
【００２７】
本実施形態では、第１〜第３起歪部（第１〜第３梁）１６１〜１６３のそれぞれのひずみεｘ、εｙ、εｚと、分力Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚの関係式を、上記［数１］の計算式で表すと仮定して、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各軸に対して荷重試験（圧縮試験）を行って分力Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚのデータをとり、それらのデータから最小２乗法により係数を求めた。
【数６】
2012002554.tif 000008
これらの係数を［数１］の計算式に代入すると、ひずみεx、εy、εzと分力Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚとの関係式は次の計算式となる。
【数７】
2012002554.tif 000009
上記計算式の確認のために、図５に示すように、３次元ロードセル１０を水平方向に対して、例えば、φｘ＝４５度、φｙ＝φｚ＝３０度傾けて鉛直方向に荷重Ｐ０を加えて実験を行った。すなわち、３次元ロードセル１０に、θｘ＝４５°、θｙ＝６０°、θｚ＝６０°の方向に向けて荷重Ｐ０を加えた。理論計算結果と上式から算出される分力および合力を比較した。図６はその比較した結果を示す。図６のグラフの横軸は本実施形態に係る３次元ロードセルに実際に加えた荷重Ｐ０（重量トン（ｔｆ：ton-force））、縦軸が３次元ロードセル１０が出力した各軸方向の分力Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ及び合力荷重Ｐ（重量トン（ｔｆ：ton-force））の結果である。なお、一例として、３次元ロードセルに、荷重Ｐ０＝０．７９ｔをθｘ＝４５°、θｙ＝６０°、θｚ＝６０°の方向に加えると［表１］の結果となった。
【表１】
2012002554.tif 000010
図６に示すように、実線で表した出力理想値に対してロードセル１０の出力結果の誤差が少なく、高い測定精度を期待できる。これにより、本実施形態では［数７］の計算式を利用して３次元ロードセルに任意に加えた荷重の分力、合力、方向等を得ることができる。
【００２８】
なお、３次元ロードセル１０の構成は上記実施形態に限定するものではない。例えば、第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向に複数設けられていても良い。図７は３次元ロードセルの他の実施形態１０ａを示しており、図７に示すように、複数の起歪部１６は、例えば、ｘ軸方向に向けて１つの第１起歪部１６１が形成されるが、ｙ軸方向に向けて２つの第２起歪部１６２ａ、１６２ｂが設けられ、ｚ軸方向に向けて２つの第３起歪部１６３ａ、１６３ｂが設けられ、合計５つの起歪部を有している。第２起歪部１６２ａ、１６２ｂどうし、及び第２起歪部１６３ａ、１６３ｂどうしは、互いに所定の間隙をあけて離隔して平行に配置されている。各々の起歪部１６は、例えば、略矩形板状に設けられている。略矩形板状の起歪部の表裏面にはひずみゲージ１８がそれぞれ２箇所取り付けられ、各起歪部１６ごとに計４箇所ずつ取り付けられている。この実施形態の３次元ロードセル１０ａでは、上記実施形態のロードセル１０と比較して、起歪部の耐荷重強度を高く構成できるので、例えば、数重量トン以上の大きな荷重を測定するのに好適に利用できる。３次元ロードセル１０は、起歪部１６の材料、断面積、形状、個数等の構成条件を変更することにより、数ｇｆから数千ｔｆの計測範囲に対応した製作を行える。３次元ロードセルのサイズやロードセルの材料を変えて製造することで、数十ｋｇの比較的小さな荷重を計測することも可能であるし、数千ｔｆの比較的大きな荷重を計測することも可能である。
【００２９】
また、第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３の方向は互いに直交する方向に向けて設けた構成に限らない。例えば、第１起歪部１６１は任意の第１方向αに向けて設け、第２起歪部１６２は該第１方向に直交しないθの角度で交差する第２方向βに向けて設け、第３起歪部１６３は第１方向と第２方向を含む平面に直交しないφの角度で交差する第３方向γに向けて設けて、互いに同一平面上で無く、かつ平行で無い３つの異なる方向に設けられるとよい。すなわち、第１、第２起歪部１６１、１６２は、互いに角度θ（０°＜θ＜１８０°）で交差する異なる第１方向αと第２方向βに向けて設けるとともに、第３起歪部１６３は、第１方向と第２方向を含む平面と角度φ（０°＜φ＜１８０°）で交差する第３方向γに向けて設けられるとよい。この場合でも、各方向へ向けてそれぞれ一つの起歪部が設けられても良いし、各方向に向けて複数の起歪部が設けられていても良い。
【００３０】
次に図８ないし図１１を参照しつつ、上記実施形態の３次元ロードセル１０を引抜き加工機に利用し、ダイスに作用する荷重を測定する場合について説明する。引き抜き加工機は、例えば、素材Ｍを直線移動させながらダイス３６に引き抜き通過させて該素材Ｍを所望形状に塑性加工する加工装置である。図８、図９に示すように、本実施形態では、引き抜き加工機は、例えば、引き抜き型の摩擦試験機３０からなる。摩擦試験機３０は、自動車部品等の鍛造のような複雑な塑性変形に酷似した塑性加工を引き抜き加工により再現し、素材Ｍやダイス３６に作用する荷重の分析、素材とダイスとの接触面の摩擦評価、さらには素材表面に使用する潤滑剤評価等を効率的に試験、評価に利用できる。
【００３１】
図８、図９に示すように、摩擦試験機３０は、例えば、機枠３２と、素材Ｍを直線移動させてダイス３６に対して引き抜き動作させる駆動部３４と、ダイス３６が取り付けられ該ダイス３６により素材Ｍを塑性変形させる加工部３８と、を含み、加工部３８のダイス３６に３次元ロードセル１０が組み付けられている。そして、素材Ｍの引き抜き動作の際に３次元ロードセル１０でダイス３６に作用する荷重を測定できるとともに、該荷重の測定値から所定の計算式を用いて素材の摩擦係数を求めることができる。
【００３２】
本実施形態では、素材Ｍは、例えば、鉄や鋼等の金属又は合金からなり、直径が１０〜２０ｍｍ程度の長い丸棒体が利用される。素材Ｍの表面には、鍛造用の潤滑剤が被膜付けされている。素材に使用する潤滑剤の種類を変更しながら摩擦評価を行って、潤滑剤の性能評価を行える。機枠３２は、引き抜き駆動部３４と加工部３８とを一体的に組み付けており、例えば、駆動部３４を支持している矩形板状の駆動部支持板４０と、駆動部支持板４０に対して横方向に離隔して平行に対向配置された矩形板状の中間支持板４２と、それらの２枚の支持板４０、４２を連結して支持する複数の支持ロッド４４と、支持板４２に固定され加工部３８を支持しているコ字板状の加工部支持板４６と、を含む。中間支持板４２及び加工部支持板４６には、素材Ｍを長手方向に通係させる貫通孔４８が設けられている。
【００３３】
駆動部３４は、例えば、素材Ｍの一端を着脱可能に掴んで固定するチャック５０がシリンダロッド先端側に設けられた駆動シリンダ５２を含む。駆動シリンダ５２は、チャック５０で一端を固定した状態で強制的に素材Ｍを長手方向に沿って水平横方向に直線移動させて引き抜き駆動させる。駆動シリンダ５２は、例えば、油圧シリンダからなり、駆動部支持板４０にシリンダ本体を固定され、油圧コントロール用の油圧制御装置５３に接続されている。駆動シリンダ５２には、素材Ｍの移動ストローク量を計測するストローク計測システム５４が設けられている。
【００３４】
加工部３８は、例えば、素材Ｍの長手方向と直交方向（素材の直径方向）に配置されて素材Ｍを挟持状に押圧する１対のダイス３６（３６ａ、３６ｂ）と、１対のダイス３６の支持機構と、を含む。ダイス３６の支持機構は、一方のダイス３６ａを所定位置に固定的に支持する固定台としての３次元ロードセル１０と、他方のダイス３６ｂを支持し一方のダイス３６ａに対して近接又は離隔方向に移動自在に支持する可動台５６と、加工部支持板４６に３次元ロードセル１０を支持及び可動台５６をガイド支持させる複数のガイドロッド５８と、可動台５６をガイドロッド５８に沿ってスライドさせながらダイス３６ｂに素材Ｍへの押圧力を作用させるための押圧用シリンダ６０と、を含む。
【００３５】
本実施形態では、３次元ロードセル１０は、ダイスに作用する荷重測定手段とダイスの試験機への支持手段とを兼用している。３次元ロードセル１０は、素材Ｍの長手方向に直交する一方側（図８の平面図上では、素材Ｍの下方側）に配置されて、その基部１２が加工部支持板４６、ガイドロッド５８に固定されている。図８、図９、図１０、図１１に示すように、３次元ロードセル１０は、ｘ軸方向すなわち第１起歪部１６１の渡設方向が素材Ｍの直線移動方向Ｌ（引き抜き方向）と平行となるように設置される。第２起歪部１６２は、引き抜き方向Ｌと直交な方向で水平方向Ｗすなわちダイスの押圧方向に沿って設けられている。第３起歪部１６３は、高さ方向Ｈに沿って設けられている。３次元ロードセル１０の荷重受部１４の受凹部２２には、ダイスホルダ６４が嵌合状に配置されてボルト等を介して取り付けられ、該ダイスホルダ６４にダイス３６ａが着脱交換可能に固定されている。３次元ロードセル１０のひずみゲージ１８は、例えば、ブリッジ回路２４を内部に含み、荷重Ｐや分力Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｚ、角度θｘ、θｙ、θｚ及び摩擦係数等を計算するとともに、測定結果を出力、モニタ表示及び記録等を行う負荷荷重計測システム６６に接続されている。
【００３６】
可動台５６は、例えば、ガイドロッド５８の長手方向に沿って水平方向Ｗにスライド移動自在に形成された矩形板状の可動支持板５６ａと、可動支持板５６ａの一面側に固定され一部にダイス取り付け用の凹部が設けられた支持台部５６ｂと、が一体的に組み付けられている。支持台部５６ｂの凹部には、ダイスホルダ６４が嵌合状に配置されてボルト等を介して取り付けられ、該ダイスホルダ６４にダイス３６ｂが着脱交換可能に固定されている。ガイドロッド５８は、例えば、コ字状の加工部支持板４６の対向板部４６ａ、４６ｂ間に、素材Ｍの引き抜き方向Ｌと直交方向Ｗに向けて架設されている。押圧用シリンダ６０は、例えば、油圧シリンダからなり、シリンダ本体が加工部支持板４６の板部４６ａに固定され、伸縮されるシリンダロッドの先端６４ａが可動台５６に固定されている。押圧用シリンダ６０は、油圧コントロール用の油圧制御装置６２に接続されている。
【００３７】
ダイス３６ａ、３６ｂは、例えば、２つの平面が所定の刃先角度をなしてノミ刃状のダイス先端を形成した平面ダイスからなる。ダイス３６ａ、３６ｂは、直線状の刃先を素材Ｍの長手方向に対して直交方向に当てられている。なお、ダイスは、例えば、ダイス先端に半球状の凸部が設けられたものでも良いし、凹凸が繰り返し形成された波形状に形成されたものでも良く、その他種々の鍛造条件に応じた任意のパターンのダイス形状のものが適宜選択されるとよい。
【００３８】
なお、摩擦試験機３０には、図示しないが、電磁誘導によりダイス３６と素材Ｍを加熱する加熱システム、加熱システムの温度コントロールシステム、ダイスの温度を計測する温度計測システム、ロードセル１０等を冷却する冷却システム等が設けられている。
【００３９】
摩擦試験を行う際には、押圧用シリンダ６０を駆動して可動台５６を水平方向Ｗに沿って移動させ、ダイス３６ａ、３６ｂで素材Ｍの両側から挟持しながら加圧する。そのダイス３６ａ、３６ｂにより一定の圧力で素材を加圧した状態で、駆動シリンダ５２を駆動して素材Ｍを引き抜き方向（Ｌ）に沿って直線移動させて引き抜き駆動させることにより、該素材を長手方向に亘って平面的に押しつぶし状に塑性変形（Ｍａ）させる。この際、ロードセル１０により、ダイス３６ａに作用する荷重Ｐ及びそのｘ軸、ｙ軸、ｚ軸各方向の分力Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚを測定される。そして、荷重及び分力の測定結果を利用して、その荷重のかかる方向（θｘ、θｙ、θｚ）、さらには、素材表面の摩擦係数を所定の計算式を用いて求めることができる。上述のように、３次元ロードセルは、異なる３つの方向に向けて第１、第２、第３起歪部が設けられているので、荷重の測定を高い精度に正確に行える結果、摩擦係数の測定（算出）も高い精度で正確に行うことができる。なお、本実施形態では、摩擦試験機３０には、図１の３次元ロードセル１０を利用した例で説明したが、例えば、数ｔｆ以上の荷重がかかる場合には、図７の３次元ロードセル１０ａを利用してもよい。この際、ｘ軸方向に向けて設けられた１つの第１起歪部１６１が素材Ｍの引き抜き方向に向けて平行に設定されるとよい。また、ロードセル１０は、上記のような摩擦試験機３０に限らず、実際に素材を所定の目的形状に塑性変形して製品を製造する引き抜き加工機に適用してもよい。さらに、３次元ロードセル１０は、引き抜き加工機に限らず、例えば、加圧機、型プレス機、その他鍛造、鋳造等の生産ライン、材料や製品の試験機、等種々の荷重測定に適用することができる。
【００４０】
上記のように本実施形態に係る３次元ロードセルでは、基部１２と、基部１２との間に間隙Ｇをあけて支持された荷重受部１４と、一端を基部１２に固定し他端を荷重受部１４に固定して荷重受部を基部に支持させ、荷重受部１４が荷重を受けた際に歪みを生じる複数の起歪部であり、任意の第１方向と、第１方向に交差する第２方向と、第１方向と第２方向を含む平面に交差する第３方向と、の３つの方向に向けて基部と荷重受部との間に渡架状に設けられた第１、第２、第３起歪部１６１、１６２、１６３と、第１、第２、第３起歪部にそれぞれ取り付けられたひずみゲージ１８と、を含むことにより、従来のロードセルのように一方向の荷重測定しかできないものや、特許文献１のロードセルのようにひずみゲージが貼り付けられるアームがｘ軸、ｙ軸方向の２方向のみに十字状に配置された２次元的な構成のものと比較して、荷重の３次元の各成分方向の分力を正確に計測でき、測定精度の高いロードセルを提供できる。したがって、例えば、摩擦試験機等に利用して、正確な摩擦係数の測定を可能とし、信頼度の高い摩擦試験や素材の潤滑剤の性能評価を実現できる。さらに、簡単な構造で高価値のロードセルを提供でき、荷重測定において広い分野に実用することができる。
【００４１】
以上説明した本発明の３次元ロードセルは、上記した実施形態のみの構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の本質を逸脱しない範囲において、任意の改変を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の３次元ロードセルは、例えば、計測機器、摩擦試験機や材料試験機等の試験機、プレス加工、鋳造又は鍛造加工等の加工機等その他任意の荷重測定に適用される。
【符号の説明】
【００４３】
１０    ３次元ロードセル
１２    基部
１４    荷重受部
１６１〜１６３  第１〜第３起歪部
１８    ひずみゲージ
３０    摩擦試験機
Ｇ    間隙
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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