JP2005515463A

JP2005515463A - ロードセル

Info

Publication number: JP2005515463A
Application number: JP2003562581A
Authority: JP
Inventors: ペーターゼーリヒクラウス
Original assignee: Bizerba SE and Co KG
Current assignee: Bizerba SE and Co KG
Priority date: 2002-01-26
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2005-05-26
Also published as: US20050023048A1; WO2003062761A1; EP1468257A1; EP1468257B1; DE10202951A1; DE50313182D1

Abstract

被測定重量を記録するための力変換器と、弾性変形可能なばね部の変形を感知するためのセンサ機構と、初期荷重を補償するための装置とを備えたロードセルであって、前記力変換器が、ハウジングに固定された非変形部と、前記ばね部と、力導入部とを有するものを提供するために、前記被測定重量が前記力導入部に作用し、且つ、前記補償装置が、前記力導入部に直接接続されると共に該力導入部に対して前記被測定重量に対向する補正力を行使するばねを備えることを提案する。

Description

本発明は、被測定重量を記録するための力変換器を備えたロードセルに関する。この力変換器は、ハウジングに固定された非変形部と、弾性変形可能なばね部と、力導入部とを有する。本ロードセルは又、前記ばね部の変形を感知するためのセンサ機構と、初期荷重を補償するための装置とを備える。

計量ユニットに関しては、現在、電気機械式力変換器（別名「ロードセル」）が被測定重量を電気値に変換するために使用されるのが通常である。この電気値は、更に適当な形式に処理される。その結果、計量ユニットには次のような測定値が示される。即ち、ユーザがそのディスプレイから読み取ることができる形式の測定値である。最もよく使用されるロードセルは、ひずみゲージ技法又は電磁力補償原理に基づくものである。

計量ユニットが作動している間、ロードセルには被測定物の重量だけでなく一定の初期荷重が加わる。この初期荷重は、計量ユニットのいわゆる載荷板（被測定物を載置可能）の重量と、計量ユニットの力導入部自体の重量とにより構成される。初期荷重の更なる構成要素として、例えば、特定の被測定物を容れるための容器の重量がある。

計量ユニットにおいては、上記初期荷重は計量ユニットの使用荷重範囲の概ね10〜20％に達することが多い。つまり、ロードセルには計量ユニットの使用荷重範囲よりも概ね10〜20％だけ高い荷重容量が必要となる。このため、使用荷重範囲15kgの計量ユニットであれば、荷重容量18kgのロードセルが使用されるのが通常である。

こうしてロードセルの荷重容量を大きくしたところで、このような一般の計量ユニットであれば何らの問題もない。

しかし、初期荷重がかなり大きい特殊な用途のための計量ユニットもある。この計量ユニットは、次のようなローラコンベア又は搬送ベルトを備えたものであることが多い。即ち、被測定物を計量ユニットの上で運搬し、この計量ユニットを通過する際に計量する、載荷板に載置された受動的ないし能動的に駆動されるローラコンベア又は搬送ベルトである。容器の重量に起因する大きな初期荷重を備えた容器計量ユニットにもここでは触れておくべきである。

このような計量ユニットの場合、初期荷重は計量範囲それ自体とほぼ同じである。初期荷重が計量ユニットの計量範囲よりもかなり大きくなるケースもある。

例えば、計量範囲１kg・初期荷重３kgの計量ユニットに必要な使用領域は既にわかっている。このような計量ユニットを作ることには相当多くの技術上の問題がある。

上述の例では、計量ユニットの計量範囲は１kg、初期荷重は３kgであるから、使用するロードセルには少なくとも４kgの荷重容量が必要である。測定では１kgだけが使用される以上、ロードセルの測定可能範囲の25％だけが利用されることになる。この例で、計量ユニットの目盛りを誤りなく0.1とした場合（この値が必要となることが多い）、この計量ユニットは1000g/0.1gの精度を有する。これは10,000目盛りに対応する。

ロードセルから見ると、これは全く違った様相を呈する。ロードセルの荷重範囲は４kgである以上、上記例に係る0.1gの分解能によれば、4000g/0.1g、即ち40,000目盛りがロードセルには必要である。従って、ロードセルには計量ユニットの４倍の精度が必要となる。これは計量システムにとってかなりの負担であり、構造設計上の観点から、金銭面で高額の支出が求められる。

これに加えて、次のような事実もある。即ち、計量のために実際に使用されるロードセルの出力信号（通常は電圧）は、最大可能値の25％に過ぎない。このように出力信号がかなり弱いため、システムが電磁干渉を受け易くなる。その結果、測定精度が低下する、或いは、追加の遮蔽手段が必要となる。

特開平09-243441 A1より、磁力補償を使用する第２の能動的に作動するロードセルを用いて初期荷重補償を実現することが知られている。この解決法は、技術的に極めて複雑であると共に、２個のロードセルを使用することから非常に高価である。

DE 200 22 494 U1は、別の方法を採用する。これによると、ハウジングに固定された力導入部の端に形成される伝達レバーが設けられており、この伝達レバーを用いると、初期荷重補償に役立つ力を天秤の原理に基づいて導入することができる。この解決法もロードセルの構造が複雑になるため、製造コストが高くなる。

ここでは、特殊な場合ではあるが、ばねが初期荷重を補償するために使用される。しかし、このばねは力導入部には直接作用せず、レバー機構を介して力導入部に接続される。その結果、ロードセルが振動するようになるが、これは多くの使用目的にとって適当でない。このことは特に、独自に作動する計量装置（材料運搬ラインに多く使用される）を使用する場合に当てはまる。
特開平09-243441 A1 DE 200 22 494 U1 DE 200 22 491 U1 DE 23 16 131（GB 1 428 024） DE 25 56 117 LU 84066 US 4,858,145

本発明の目的は、大きな初期荷重を伴って作動する場合にも上述の欠点が避けられるようなロードセルを開発することである。

この目的は、冒頭に述べたロードセルにおいて、以下の通りに本発明に従うことで達成される。即ち、本発明によれば、上記補償装置は、上記力導入部に直接接続されると共にこの力導入部に対して被測定重量に対向する補正力を行使するばねを備える。なお、前記力導入部には、前記被測定重量が作用する。

上記目的を達成するための本発明に係る解決法は、次のことを考慮すると、一見、かなりの問題を抱えるように見える。即ち、本発明の解決法によれば、被測定重量に対向する力をばねの形で力導入部に直接作用させる。このため、ばねの「誤り」は計量ユニットの精度と計量結果の信頼性に直接影響を及ぼす。ばねは力導入部に直接作用する以上、ばね力のいかなる変化もロードセルの測定誤差を直接引き起こす。このように接続したことに関係するばね力の変化の原因は、次の通りである。
・ばね力の温度（ばねの弾性率の温度係数）への依存
・ばね材料における材料クリープ
・ばねの固定／規制箇所における変化
・ばねの端部支持部における変化

しかし、驚くべきことに、上述の問題は下に示す通りほぼ克服可能であることが判明している。

温度がもたらすばね力の変化に対しては、ばね材料に特殊な金属合金を使用することで対抗することができる。この合金は、従来のばね鋼よりもはるかに低い温度係数を有する。この係数が100分の１の材料が、上記目的には最適である。特に、鉄・ニッケル・クロム合金（例えば、Hanau所在のVakuumschmelze GmbH & Co. KG社の商品名「Thermelast」で入手可能）が適格である。このような材料を使用すれば、温度変化がもたらす測定誤差が100分の１まで減じられる。

上述の測定誤差の残りの原因は、温度変化がもたらす測定誤差と比較した場合に重要ではないことが判明している。

上記ハウジング構造体のいかなる固定部も、原則として、上記ばねのための端部支持部として使用することができる。その例として、計量ユニットの枠や床板が挙げられる。このような固定部に、上記非変形部が固定される。こうして、前記非変形部はハウジングに固定される。

しかし、計量ユニットの枠や床板は十分な硬度を有しないのが通常であり、計量ユニットの負荷中にこれらの部分が変形すると、ばねの端部支持部を介して測定誤差が生じることが判明している。

従って、本発明に係るロードセルは、次のように構成するのが好適である。即ち、ロードセルを一体的に嵌め込み交換することができるように構成することである。この目的のために、次のようにすることが好適である。即ち、上記力変換器が上記端部支持部を備えると共に、上記補償装置のばねの一端は上記力導入部に接続され、その他端は前記力変換器の端部支持部に接続されるようにする。

これにより、上記端部支持部と上記ロードセルとの間の相対的な移動が回避される。このような移動は、直接的に、ばねにかかる力の変化、従って計量誤差として別に現れる。

上記端部支持部は、延長アームとして形成するのが好適である。この延長アームは、上記力変換器のハウジングに固定された部分から、上記力導入部と略平行に延伸する。

上記端部支持部と上記延長アームについては、上記力変換器のハウジング固定部に固定（例えば、ねじ留め）された別個の部分としてもよい。或いは又、上記力変換器の更なる構成要素と一体成形する、即ち、とりわけ上記ハウジング固定部及び上記力導入部と共に１つのブロックから作るようにするのが好適である。

本発明に係るロードセルにおいては、初期荷重を補償するために使用されるばねが引張ばねとして形成されるのが好適である。

上述の通り、計量ユニットの精度を高めること或いは計量ユニットを干渉に強くすることが問題となっている場合には、ばね材料の選択が特に重要である。この点に関し、弾性率の温度係数が５ppm/℃未満の材料からばねを作ることが推奨されるべきである。

特に好適な材料は、鉄・ニッケル・クロム合金である。この合金は、弾性率の温度係数に関する上述の要求をとりわけ満足させることができる。

上記合金の具体例として、「Thermelast」（Vakuumschmelze GmbH & Co. KG社、Hanau所在）なる名称の材料が挙げられる。

このようなシステムの更なる重要な改良は、上記ばねのばね硬度を適切に設定することにより達成される。これは、次のような理由による。即ち、ばね硬度が、付与されるばね力に関係なく、ばねの適切な幾何学的デザインにより設定可能であることが判明していることによる。これにより達成可能な利点の仕組みは、後述の通りである。

全てのロードセルにおいて、被測定重量の負荷中に、ロードセル本体の変形や撓みが生じる。これは、負荷中に、ロードセルの力導入部が作用する力の方向に変位することを意味する。

このため、被測定重量の負荷中は、ロードセル自体がばねのように作用する。このような変形や撓みは非常に小さいことから（一般的には、１mmの数十分の一の範囲である）、この「ロードセルばね」は非常に高い硬度を有する。この硬度は、数量的観点からいわゆるばね硬度k_WZにより表される。このばね硬度は、ばねに作用する力とその変位の指数として定義される。約10kg（100Nに対応）の測定範囲を有する既知のロードセルの場合、ばね定数k_WZは約300N/mmであることが判明している。

本発明に従い、ばねの助力を得て初期荷重を補償する場合、このばねは上記「ロードセルばね」に平行な力となるように配される。正確な分析によれば、この補償ばね自体が生み出す測定誤差は、ばね硬度の比k_KF/k_WZで表される。ここで、k_KFは補償ばねのばね定数であり、k_WZはロードセルのばね定数である。

従って、上記補償ばねの構造設計上、この補償ばねがロードセルよりもはるかに小さなばね定数を有することが保証されれば、補償ばねがもたらす誤差の影響はかなり減らされる。

このため、本発明に係るロードセルは次のように設計するのが好適である。即ち、上記補償ばねのばね定数k_KFがロードセルのばね部のばね定数k_WZの10分の１かそれ以下となるように設計することである。

この係数は、構造設計上、100分の１かそれよりも小さくすることが可能である。その手段については、当業者のよく知るところである。

本発明に係るロードセルは、ひずみゲージを備えたセンサ機構を有するのが好適である。このひずみゲージにより、上記ばね部の弾性変形は測定される。

このようにするのではなく、本ロードセルがセンサ機構／力測定装置として電磁力補償装置を有するようにしてもよい。

本発明のこれら利点と更なる利点については、図面を参照しつつ、より詳細に下で説明する。

１枚だけしかない図面は、本発明に係るロードセル１０の概略構成を示す。

本発明に係るロードセル１０においては、その一部１１が計量ユニットのハウジング（図示しない）に固定される。この部分１１により、ロードセル１０はハウジングに保持される。このハウジングに固定された部分１１から離れる方向に、力導入部（ばね部）１２が延伸する。又、力導入部１２と略平行に、同じく延長アーム１４が延伸する。本件力変換器のハウジングに固定されていない部分とハウジングに固定された部分１１との間に、力導入部１２は回転軸１６を有する。回転軸１６は、力Ｆが力導入部１２の非固定部に作用する場合に、力導入部１２の弾性変形を許容する。力導入部１２の上面であって回転軸１６の領域に含まれる部分に、２個のひずみゲージ１８が配される。ひずみゲージ１８を用いることで、力導入部１２の変形の程度、従って力Ｆを測定することができる。

力導入部１２に作用する初期荷重を補償するために、ばね２０が設けられる。このばねは、引張ばねとして形成される。ばね２０の一端は力導入部１２上の端部支持部２２に固定され、他端は延長アーム１４上に保持される。こうして、ばね２０は上記ハウジングに固定される。

引張ばね２０のばね力により、上記力導入部に作用する初期荷重を補償することができる。従って、力導入部１２は、実際に求める計量範囲に沿って設計するだけでよい。

延長アーム１４及び上記ハウジングに固定された部分１１は、力導入部１２と一体成形することが適宜可能である。但し、図１の例に示す通り、延長アーム１４と部分１１を２つの部分から構成することはできない。

図１に示した実施例では、初期荷重を補償するために使用される引張ばね２０の両端が本ロードセルの一部に固定される。この形式の初期荷重補償による場合、上記ハウジングやその起こり得る曲げ撓みないしひずみに関係なく、常に一定の初期荷重補正を行うのが有利である。これにより、この種の測定誤差が最初からなくなる。

図示した通り、補償ばね２０の両端は締め付け固定機構２２，２４に固定される。もっとも、このばねについては、締め付け接続部２２，２４の代わりに、溶接スポット（例えば、レーザ溶接）を用いて力導入部１２又は延長アーム１４に固定することも可能である。これにより、本ロードセルの耐用年数中にばね２０の固定ないし規制箇所が変化することが概ね除かれる。こうして変化を除くことは、更なる測定誤差の原因を最小限にすることに役立つ。

適当な合金（例えば、鉄・ニッケル・クロム合金「Thermelast」）を補償ばね２０を作るために使用することは、温度変化に起因する測定誤差が概ね除かれることを許容する。

本発明に係るロードセル１０の概略構成を示す。

Claims

被測定重量を記録するための力変換器と、弾性変形可能なばね部の変形を感知するためのセンサ機構と、初期荷重を補償するための装置とを備えたロードセルであって、
前記力変換器が、ハウジングに固定された非変形部と、前記ばね部と、力導入部とを有するものにおいて、
前記被測定重量が前記力導入部に作用し、且つ、
前記補償装置が、前記力導入部に直接接続されると共に該力導入部に対して前記被測定重量に対向する補正力を行使するばねを備えること、
を特徴とするロードセル。
請求項１に記載のロードセルにおいて、
上記力変換器が端部支持部を備えると共に、
上記補償装置のばねの一端が上記力導入部に接続され、該ばねの他端が前記力変換器の端部支持部に接続されること、
を特徴とするもの。
請求項２に記載のロードセルにおいて、
上記端部支持部が延長アームであり、且つ、
前記延長アームが、上記力変換器のハウジングに固定された部分から、上記力導入部と略平行に延伸すること、
を特徴とするもの。
請求項２又は３に記載のロードセルにおいて、
上記端部支持部又は上記延長アームが、上記力変換器の更なる構成要素と一体成形されることを特徴とするもの。
請求項１〜４のいずれかに記載のロードセルにおいて、
上記ばねが引張ばねであることを特徴とするもの。
請求項５に記載のロードセルにおいて、
上記ばねが、弾性率の温度係数が５ppm/℃未満の材料から作られることを特徴とするもの。
請求項５又は６に記載のロードセルにおいて、
上記ばねが、鉄・ニッケル・クロム合金から作られることを特徴とするもの。
請求項１〜７のいずれかに記載のロードセルにおいて、
上記補償ばねのばね定数k_KFが、上記ばね部のばね定数k_WZの10分の１かそれ以下であることを特徴とするもの。
請求項１〜８のいずれかに記載のロードセルにおいて、
上記ばねが、レーザスポット溶接により上記力導入部に接続されることを特徴とするもの。
請求項１〜９のいずれかに記載のロードセルにおいて、
上記ばね部の弾性変形が、ひずみゲージを備えたセンサ機構により測定されることを特徴とするもの。
請求項１〜９のいずれかに記載のロードセルにおいて、
本ロードセルが、センサ機構として電磁力補償装置を有することを特徴とするもの。