JP2000510578A - 剪断ビームロードセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 測定される荷重（Ｆ）によってビーム部材上に負荷された剪断力を測定するための片持ちビーム部材（１）とビーム材料の変形による影響を受けるようにビーム部材上に取り付けられた一つまたはそれ以上の歪ゲージとを含む剪断ビームロードセル。ビーム（１）の自由たわみ端部（２）は減少した材料厚みを持つ部分（１０）を持ち、この部分の上側が実質的にビームの縦中立軸に沿って位置しており測定される荷重（Ｆ）のための荷重適用表面（１１）を規定している。荷重適用表面（１１）は中立軸またはその延長部に沿って縦延長部を持ち、従って測定される荷重（Ｆ）のための荷重適用点がタンク、測定容器、土台等の温度変動による熱膨張の場合に荷重適用表面に沿って移動できる。

Description

【発明の詳細な説明】 剪断ビームロードセル 本発明は測定される荷重によってビーム部材（beam member）上に負荷された 剪断力を測定するためのビーム部材とビーム材料の変形による影響を受けるよう にビーム部材上に取り付けられた一つまたはそれ以上の歪ゲージ（strain gauge s）とを含む剪断ビーム（shear beam）形式のロードセル（load cell）に関する 。 種々の形式の電子重量計で抵抗歪ゲージに基づくビーム状ロードセルまたは力 変換器を用いることは知られている。その理由はこの形式のロードセルは非常に 信頼性があり、また長期間に渡りかつ苛酷な荷重条件下で検量及び再現データを 維持する能力を持つからである。ビーム状ロードセルはまた寸法が比較的小さく 、このため組み込み型及び低輪郭測定用途に適している。ロードセルは通常円筒 形であり、設置されるときそれらが設置される装置の改造を要することなく歪を 感知しまたは荷重を測定するために存在する軸またはその他の機械要素としばし ば置き換えることができる。 剪断ビーム形式のロードセルの顕著な特性は側力（すなわちロードセルの測定 方向以外の方向に作用する力）に耐える能力である。ロードセルは側面支持手段 を必要とせず、それらは公称荷重値の１００−２００％までの側力に耐えること ができる。 しかし、ロードセルはまた他の望ましくない力の影響を受け、測定用途では通 常のことであるがそれは測定誤差を起こす温度及び特に温度変動である。もちろ んロードセルに用いられている歪ゲージはそれ自身測定素子及び抵抗線が異なる 熱膨張係数を持つという事実に起因するある温度依存性を持つ。しかし、もし少 なくとも４個の歪ゲージが用いられ、もしそれらが同じ種類のものであり同じ材 料上に接着されておれば、温度変動に起因する抵抗の変化は各歪ゲージに対して 同じであろう。歪ゲージはブリッジ回路に配置されているのでブリッジの均合は 変化しないであろう。 測定精度に影響する望ましくない荷重力はまた例えば測定容器またはプラット ホームの温度膨張に起因する。この理由のためロードセルは通常側力または捩り のねじりモーメントのようなこの種の妨害力を排除するためにベアリングまたは 他の形式の実施態様を備えている。 ＳＥ−ＰＳ ８２ ０１３６５−７に、平坦な基台支持部材上の測定本体の横 移動を許容するためのそのような組み込みベアリングを備えた円筒状ロードセル が開示されている。ロードセルは横方向の移動を許容するような態様で土台また は他の基台支持部材上に直接配置することができる。このような組み込みベアリ ングによりロードセルは追加的なベアリングを要することなく荷重ブラケットに より荷重される。 しかし、多くの応用において、平坦な土台または基台支持部材上のこの形式の 移動は測定装置の実際的設計により許容されない。更に、円筒状測定本体中に組 み込まれたベアリングはこの形式のロードセルを比較的高価にする。例えばスラ イドベアリングまたはロールベアリングの形の組み込みベアリングは高精度を持 ちかつこの形式のロードセルに適用されるしばしば非常に重い荷重力に耐えるよ うに設計されねばならない。 他の形式の従来技術のロードセルはＵＳ−ＰＳ ３９６０２２８に開示されて いる。このロードセルはビームの自由たわみ測定端が測定される垂直荷重力を受 けるために適当に支持されるような態様で土台または他の取り付け手段に固定さ れた自由たわみビームを持つ。歪ゲージはビームの対向側に配置されビームの縦 中立軸に対して４５°の角度に実質的に配向されている。凹所がたわみビームの 自由端に荷重測定方向に形成されており、従って荷重の垂直力が凹所内の荷重ベ アリング表面に適用される。凹所内の荷重ベアリング表面は剪断ビームの縦中立 軸に接近して設けられており、従って剪断ビームに影響を与える逆側力のモーメ ントアーム及びねじりモーメントが最小となる。かくして、この形式のロードセ ルにおいて剪断ビームの対向側上の歪ゲージの不完全な配置による測定の不正確 性は減少する。 また二つの対向歪ゲージの正確な配置の場合においても前記配置は測定容器ま たは測定プラットホームの熱膨張による問題を解決しない。剪断ビームは土台ま たは同様物に固定されており、このような熱膨張を補償するための如何なる移動 も許容しない。 ＳＥ−ＰＳ ３１１５７３には、剪断ビームの形のロードセルが開示されてお り、そこでは剪断ビームの自由たわみ端がその第一ビームに平行にかつその側方 に自由に延びる第二ビームの一端に固定されており、この第二ビームが第一ビー ムより短く、この第二ビームの自由端に測定される荷重力の受け表面が設けられ ている。この第二ビームは好ましくは第一ビームを自由に囲む套管部材として作 られる。 このような配置の一つの重要な利点はロードセルが荷重適用点の如何なる変化 にも実質的に鈍感であるという事実である。特に測定容器または測定土台の熱膨 張による荷重適用点の如何なる変化もほんのわずかに測定結果に影響するにすぎ ない。 たとえ第一剪断ビームを囲む第二套管を持つこの形式のロードセルがこの重要 な利点を持つとしても、この形式のロードセルは構造がかなり高価であることは 理解されるべきである。従って、構造がより簡単なロードセルが望ましい。 本発明の目的は構造がより簡単でしかも逆側力やねじりモーメント並びに熱膨 張のような望ましくない力に対して極めて鈍感な剪断ビームロードセルを提供す ることである。 この発明によれば剪断ビームの自由端は減少した材料厚みを持つ部分を持ち、 この部分の上表面は実質的に剪断ビームの縦中立軸に沿って位置しており、測定 される荷重が適用される表面を提供する。この表面は平坦な表面、凸状、凹状等 でありうるが、荷重が適用される表面は荷重適用点が熱膨張の場合にこの表面に 沿って移動することができるように、縦方向（すなわち中立軸の方向）に延長部 を持つべきである。 好ましくは荷重力は前記表面上に支持されており熱膨張の場合にその表面に沿 って移動することのできるＵ−形状の荷重ブラケットにより適用される。好まし い一実施例において前記荷重ブラケットは同時に傾き停止を提供するために閉鎖 される。 荷重適用表面は好ましくはビームの最外方部に滑り止めを備えており、荷重支 持ブラケットまたは同様物のこの表面に沿った移動を制限する。 以下この発明が剪断ビームの幾つかの例を示す添付図面に関してより詳細に説 明されるであろう。図１は荷重支持、閉鎖ブラケットを備えたこの発明によるロ ードセルの透視図であり、図２は荷重適用表面がどのようなものであるかを示す 幾つかの例を示し、図３は荷重ブラケットが剪断ビームの荷重適用表面にどのよ うに連結されるかを示す幾つかの例を示す。 図１に示されたロードセルは一般的に自由たわみ端部２と、ボルト５，６によ り土台または同様物に固定された板支持部分４に一体的に連結されている取り付 け端部３を持つビーム部材１を含む。凹所７が片持ちビーム部材の自由たわみ部 の対向側に形成されており、対称的な、実質的にＩ−形状の横断断面を規定して いる。歪ゲージが周知の態様で前記凹所内に取り付けられており、荷重ブラケッ ト８によりビームの自由たわみ端部２に適用された荷重Ｆに起因する剪断歪を測 定する。この例ではビーム部材１は平行６面体の一般形状を持つが、ビームは円 筒状であってもよいことは理解されるべきである。 取り付け端部３は歪ゲージのためのケーブル接続器９を持つ。しかし、歪ゲー ジ装置自体は通常のものであり、ここでは詳細に述べない。 図１からビームの自由たわみ端部２は減少した材料厚みを持つ部分１０を持つ ことが分かる。特に、自由たわみビーム部材料の上側は荷重適用表面１１が形成 されるようにフライス加工または削り出されており、この表面はビームの縦中立 軸Ｎに沿って位置している。明細書の導入部で既に述べたように、もし荷重適用 点がビームの中立軸上に位置しているなら有利である。 この発明によれば荷重適用表面はビームの中立軸またはその延長部に沿って縦 延長部を持ち、従って荷重適用点はこの表面に沿って移動することができる。も し荷重ブラケット８が熱膨張により影響を受ける荷重に連結されているならこれ は事実である。そのとき荷重ブラケット８は表面１１に沿って滑るであろう。ビ ームは縦方向移動の大きさを制限するための滑り止めまたは安全止め１２を持つ 。Ｕ−形状の荷重ブラケット８は底部材１３により閉鎖されており、従って荷重 ブラケットはまた傾き停止保護機能を持つ。 荷重適用表面はやや丸い輪郭を持つ。図２には荷重適用表面の種々の輪郭を持 つ幾つかの例が示されている。図２ａは凸状のやや丸い荷重適用表面を示し、図 ２ｂは対応する凹状輪郭を、図２ｃは台形の凸状輪郭を、図２ｄは対応する凹状 輪郭を示し、図２ｅ，２ｆ，２ｇは同じ表面を滑り止め１２’，１２''，１２'' 'と一緒に示している。 既に述べたように荷重ブラケットは好ましくは閉鎖されており、従ってそれは また起こりうる傾き運動を防止できる。荷重適用表面に対するその接触表面１４ は図３ａに示されるように荷重適用表面の縦方向に湾曲させることができ、更に 図１に示されるように荷重適用表面の縦方向と直角に湾曲させることもできる。 図３ａの湾曲した接触表面１４は荷重適用表面に対する接触表面を減少し、それ によりまた摩擦を減少する。これは利点である。摩擦を減らすための一つの代替 実施例が図３ｂに示されている。この場合には荷重ブラケットは荷重適用表面の 縦方向に見て平坦な接触表面１４’を持ち、一方荷重適用表面それ自身はその中 間部に小さな上昇部１５を持つ。 ある場合にはもし荷重ブラケットが測定ビームの荷重適用表面の中間部に安定 な位置を維持するのが有利であろう。図３ｃには荷重ブラケットが安定な中立位 置に保持されるようにその縦方向の荷重適用表面がやや凸状に作られているのが 示されている。上昇部１５並びに図３ｃの凹面は比較的小さく、従って荷重適用 表面がなお測定ビームの中立軸の縦方向に実質的に平坦状に位置していることは 理解されるべきである。 測定される荷重は例えば熱膨張により影響を受けるタンクまたは大きな容器で ありうる。そのとき荷重ブラケット８はタンクの支持足に固定され、荷重適用表 面１１に沿って垂直な自然な作動位置に配置され、その底部材１３によりその位 置からはずれるのを防止される。この底部材は例えば屋外タンクまたは容器への 強い風による浮揚力の場合でさえも荷重ブラケットがロードセルから離れるのを 防ぐ。そもそもこのような閉鎖荷重ブラケットを可能とするために減少した材料 厚みを持つ測定ビーム部の最外方部の下側１６は真直ぐなまたは丸い傾斜部１７ を持つ。この傾斜部のおかげで荷重ブラケットは角度をつけてビーム上に挿入し 、それから垂直位置に置くことができ、この垂直位置では荷重ブラケットは滑り 止め１２の高さより小さな垂直遊びを持つ。 この発明は例示された実施例に限定されず、請求の範囲の範囲内で改変するこ とができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 測定される荷重によってビーム部材上に負荷された剪断力を測定するため のビーム部材とビーム材料の変形による影響を受けるようにビーム部材上に取り 付けられた一つまたはそれ以上の歪ゲージとを含む剪断ビームロードセルにおい て、剪断ビーム部材（１）の自由たわみ端部（２）が減少した材料厚みを持つ部 分（１０）を持ち、この部分の上側が実質的に剪断ビームの縦中立軸に沿って位 置しており測定される荷重（Ｆ）が適用される表面（１１）を提供すること、前 記荷重適用表面（１１）が縦延長部（すなわち中立軸の延長部に）を持ち、従っ て荷重適用点が測定容器または土台の熱膨張の場合に表面（１１）に沿って移動 することができることを特徴とするロードセル。 2. 剪断ビーム部材（１）が縦荷重適用表面（１１）上の荷重力（Ｆ）の荷重 適用点の移動の大きさを制限するためにビームの自由たわみ端部（２）の最外方 部に位置した滑り止め保護（１２）を持つことを特徴とする請求の範囲１に記載 のロードセル。 3. 荷重適用表面（１１）がやや丸い凸状輪郭（図２ａ）を持つことを特徴と する請求の範囲１に記載のロードセル。 4. 荷重適用表面（１１）が台形の凸状輪郭（図２ｃ）を持つことを特徴とす る請求の範囲１に記載のロードセル。 5. 荷重適用表面（１１）がやや丸い凹状輪郭（図２ｂ）を持つことを特徴と する請求の範囲１に記載のロードセル。 6. 荷重適用表面（１１）が台形の凹状輪郭（図２ｄ）を持つことを特徴とす る請求の範囲１に記載のロードセル。 7. Ｕ−形状荷重ブラケット（８）の二つの足間に接触表面（１３）を持つ荷 重ブラケットにより荷重力（Ｆ）が剪断ビーム（１）の自由たわみ端部に適用さ れ、この表面（１３）が剪断ビームの荷重適用表面（１１）と接触係合している ことを特徴とする請求の範囲１に記載のロードセル。 8. 荷重ブラケット（８）が同時に傾き停止保護を提供するように底部材（１ ４）による閉鎖デザインを持つことを特徴とする請求の範囲１に記載のロードセ ル。 9. 減少した材料厚みを持つ部分の下側（１６）が荷重ブラケットがその垂直 荷重適用位置に置かれる前に角度をつけてビーム上に挿入されることを可能とす るための外方傾斜部（１７）を持つことを特徴とする請求の範囲８に記載のロー ドセル。