JP2006300833A - ロードセルおよび計量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷重を高精度に検出可能とする。
【解決手段】中心側に配置される芯部１１と、芯部１１の外周側に空隙１５をあけて配置される外周枠部１２と、芯部１１と外周枠部１２との間を架橋する上下一対の起歪部１３，１４とを備え、芯部１１あるいは外周枠部１２の一方を支持固定部とすると共に他方を荷重負荷部とし、上下一対の起歪部１３，１４は周方向に等間隔をあけて３組設けていると共に、外周枠部１２には各組の起歪部１３，１４の上下間に対応する位置で外側面から内側面へと貫通する貫通孔１２ｃを穿設し、起歪部１３，１４には１組毎に各４枚の歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ４を貼り付けると共に、歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ４を用いてホイートストンブリッジ回路ＷＨ１〜ＷＨ３を形成し、各ホイートストンブリッジ回路ＷＨ１〜ＷＨ３からの出力を並列和算している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロードセルおよび計量装置に関し、詳しくは、起歪部が荷重により変形するのを歪ゲージで検出することにより荷重値を算出可能とするロードセルおよびそれを用いた計量装置に関する。

従来より、物体の重さを計量したり、構造物に作用する力を測定するために、歪ゲージを用いたロードセルが多種利用されている。一般的なロードセルは、機械加工で起歪体を成形すると共に該起歪体の薄肉部に歪ゲージを貼着し、荷重による負荷で該薄肉部に生じる歪を検出して荷重値を換算する構造としている。
例えば、特開２０００−３４６７２３号公報等に開示されたロードセル１は、図１０に示すように、被計量物を搭載する荷重台からの荷重を受ける円柱状の受荷重部２と、この受荷重部２の外周に一体的に形成されて受荷重部２に作用する荷重により変形する薄枠状の起歪体３と、起歪体３を介して受荷重部２の外周側に接合された周囲枠４と、起歪体３に貼着された複数の歪ゲージ５Ａ、５Ｂとを備えている。

しかしながら、前記公報のロードセル１によると、受荷重部２と周囲枠４との間を１つの起歪体３で連結しているだけであるため、受荷重部２に対する荷重位置の変動による偏置誤差の影響を受けやすいという問題がある。また、起歪体３は円環状に連続しているため、歪ゲージ５Ａ、５Ｂを局所的に貼着するだけでは起歪体３で生じる歪を精細に検出するのが難しいという問題もある。
特開２０００−３４６７２３号公報

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、荷重を高精度に検出可能なロードセルおよび計量装置を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、荷重負荷により歪が生じる起歪部に複数の歪ゲージを貼着しているロードセルにおいて、
中心側に配置される芯部と、該芯部の外周側に間隔をあけて配置される外周枠部と、前記芯部と前記外周枠部との間を架橋する上下一対の起歪部とを備え、前記芯部あるいは前記外周枠部の一方を支持固定部とすると共に他方を荷重負荷部とし、
前記上下一対の起歪部は周方向に等間隔をあけて３組設けていると共に、前記外周枠部には各組の起歪部の上下間に対応する位置で外側面から内側面へと貫通する貫通孔を穿設し、
前記起歪部には１組毎に各４枚の歪ゲージを貼り付けると共に、前記歪ゲージを用いてホイートストンブリッジ回路を形成し、前記各ホイートストンブリッジ回路からの出力を並列和算する回路を設けていることを特徴とするロードセルを提供している。

前記構成とすると、芯部と外周枠部とを架橋する起歪部は上下一対ずつ設けているので、荷重負荷の位置変動があってもバランスされるロバーバル機構が形成され、偏置誤差の影響を低減することができる。
また、起歪部は周方向に間隔をあけて３組に分割して設けているので、各起歪部に発生する歪を局所的に貼着された歪ゲージで的確に検出することができ、荷重の検出精度を向上することが可能となる。ここで、例えば起歪部を対向する２組とすれば、荷重負荷の位置変動が２組の起歪部の幅を直線的に結んだ平面上でずれても偏置誤差を最小限に吸収することができるものの、該平面上から外れると起歪部に対して捻り応力が発生し偏置誤差が出やすくなり精度が低下する。一方、起歪部を４組とすれば、荷重負荷の位置変動による起歪部に対する捻り応力はなくなるが、４組の各起歪部に対してバランスよく荷重できず、最悪の場合には４組のうち３組だけに荷重負荷が加わる結果となり精度が低下する。したがって、起歪部は周方向に３組設けて３点支持とすれば、荷重が均等に負荷されて最も良い精度が得られる。

さらに、外周枠部には、上下一対の起歪部の上下間に対応する位置で外側面から内側面へと貫通する貫通孔を穿設しているので、芯部と起歪部と外周枠部とを一体物で形成する加工作業が非常に行いやすい利点がある。即ち、荷重量を正確にひずみ量に反映させるためには荷重負荷部と起歪部とが別体物でなく一体物であることが望まれるが、前記貫通孔から中心側に向けて切削加工を行うだけで、上下に分かれた起歪部を簡単に形成することができ、製造効率が非常に良好な構造となる。
また、各組の起歪部の歪ゲージで形成された各ホイートストンブリッジ回路からの出力をそれぞれ並列和算してロードセルの出力としているので、荷重負荷位置による出力誤差を低減することができる。

前記起歪部の周方向の幅は前記芯部の外周長の１％〜５％としていると好ましい。

前記構成とすると、３組の起歪部の間で周方向に十分な間隔があけられているため、荷重負荷部で発生した荷重が各起歪部に歪として局所的に現れ、局所的に貼着された歪ゲージで的確に検出することができ、荷重の検出精度を向上することが可能となる。１％〜５％としたのは、１％未満とするとロードセルを小型化した場合に起歪部に歪ゲージを貼れなくなる一方、５％を超えると歪ゲージに対して起歪部が大きくなるために起歪部上の歪が均一でない場合に検出精度が低下するからである。

前記起歪部は、径方向両側に向けて徐々に肉厚を大にする断面テーパ形状とし、前記歪ゲージを径方向両側に貼り付けていると好ましい。

即ち、起歪部で生じる応力は径方向両側に向けて増大する傾向にあることが知られているが、前記構成とすると、径方向両側に向けて起歪部の肉厚を増大化しているので、応力値の径方向分布を均一化することができ、歪ゲージの取付位置のバラツキによる歪検出誤差を低減することが可能となる。

前記芯部および前記外周枠部は同心円上に配置された円環状であると共に、前記起歪部は厚さ方向が上下方向となる板状としていると好ましい。

前記構成とすると、芯部および外周枠部を円環状として同心円配置しているので、荷重負荷による応力発生が等方的となりやすく測定精度の向上に貢献する。また、起歪部は厚さ方向が上下方向となる板状とすることで、上下方向の荷重による歪を起歪部に好適に発生させることができる。

また、本発明は、前記ロードセルを用い、前記ロードセルの前記芯部あるいは前記外周枠部の一方は支持固定材に固定していると共に、他方は被計量物を収容する容器側に固定していることを特徴とする計量装置を提供している。

前記構成とすると、前記容器内に被計量物が収容されると、芯部あるいは外周枠部の容器が固定された側に荷重が負荷され、該被計量物の重量を計測することができる。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、芯部と外周枠部とを架橋する起歪部は上下一対ずつ設けているので、荷重位置の変動があってもバランスされるロバーバル機構が形成され、偏置誤差を低減することができる。また、起歪部は周方向に間隔をあけて３組に分割しているので、各起歪部に発生する歪を局所的に貼着された歪ゲージで的確に検出でき、荷重の検出精度が向上する。さらに、外周枠部には、上下一対の起歪部の上下間に対応する位置で外側面から内側面へと貫通する貫通孔を穿設しているので、上下一対の起歪部を芯部および外周枠部と一体物で形成する作業が行いやすく加工性が良好となる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
本実施形態のロードセル１０はホッパー計量用の荷重計であり、図１乃至図３に示すように、中心穴１１ａを有する円筒状の芯部１１の外周側に空隙１５をあけて略円筒状の外周枠部１２を同心円上に配置し、芯部１１と外周枠部１２との間を周方向に等間隔をあけて架橋する上下一対の起歪部１３，１４を３組形成している。また、芯部１１、外周枠部１２および起歪部１３，１４は金属製で、具体的にはアルミニウムやステンレスや鉄やこれらの合金等で一体的に形成しており、特に、高張力アルミ合金を用いると好ましい。

芯部１１は、ホッパー受用の中心穴１１ａを有する円筒状で、所要箇所に取付用のボルト穴１１ｂを穿設している。
外周枠部１２は、円筒部１２ａの内側面から内方に突出する薄厚の突出部１２ｂを設けており、各組の起歪部１３，１４の上下間に対応する位置には外側面から内側面へと断面長円状の貫通孔１２ｃを穿設している。また、所要箇所には取付用のボルト穴１２ｄを穿設していると共に、突出部１２ｂの起歪部１３、１４が存在する位置には切欠部１２ｅを設けて起歪部１３、１４の径方向長さを確保している。

起歪部１３、１４は、図２乃至図４に示すように、貫通孔１２ｃの高さと同一の上下間隔をあけて配置された板状で、周方向の幅ｂは芯部１１の外周長の１％〜５％としている。起歪部１３、１４の径方向長さｐは１０ｍｍ〜２５ｍｍとしており、好ましくは１５ｍｍ〜２０ｍｍとしている。起歪部１３、１４は、図４に示すように、径方向両側に向けて徐々に肉厚が大となるよう内テーパ部１３ａ、１４ａと外テーパ部１３ｂ、１４ｂを形成している。また、起歪部１３，１４の中心の最薄部の厚さｔは０．５ｍｍ〜２．０ｍｍであり、好ましくは０．８ｍｍ〜１．７ｍｍとしている。内テーパ部１３ａ、１４ａおよび外テーパ部１３ｂ、１４ｂのテーパ角度θは５°〜３０°としており、好ましくは１５°〜２５°としている。

上下の起歪部１３、１４の内テーパ部１３ａ、１４ａおよび外テーパ部１３ｂ、１４ｂのそれぞれには計４枚の歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ４を接着している。歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ４は、図５に示すように、上下一対で１組の起歪部１３、１４毎に１つずつのホイートストンブリッジ回路ＷＨ１、ＷＨ２、ＷＨ３を形成し、各ホイートストンブリッジ回路ＷＨ１、ＷＨ２、ＷＨ３からの出力を並列和算するように回路構成している。なお、隣接する歪ゲージＳＧ１とＳＧ２、ＳＧ３とＳＧ４の間の距離をｌとすると、ｌ＝６ｍｍ〜２０ｍｍとしており、好ましくは８ｍｍ〜１２ｍｍとしている。

以上の構成のロードセル１０によれば、外周枠部１２を固定部材に支持固定すると共に、計量対象となるホッパー（図示せず）を芯部１１に固定し、ホッパーの供給路を中心穴１１ａに貫通して取り付ければ、ホッパーの荷重が芯部１１に負荷されることで起歪部１３，１４に生じる応力が各歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ４で検出され、並列和算された出力値から荷重値を換算することができる。なお、逆に、供給路に芯部１１の中心穴１１ａを支持固定して、外周枠部１２にホッパーを固定しても同様の結果が得られる。また、中心穴１１ａを金属板等で塞いで重量物を載せて荷重負荷を加えても同様の結果が得られる。

また、前記ロードセル１０は、芯部１１と外周枠部１２とを架橋する起歪部１３，１４は上下一対ずつ設けているので、芯部１１に対する荷重負荷の位置変動があってもバランスされるロバーバル機構が形成されて偏置誤差が低減される。また、起歪部１３，１４は周方向に間隔をあけて３組を分割配置しているので、各起歪部１３，１４に発生する応力を局所的に貼着された歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ４で的確に検出でき、荷重の検出精度も向上する。

さらに、外周枠部１２には外側面から内側面へと貫通する貫通孔１２ｃを穿設しているので、芯部１１と外周枠部１２との間にある上下一対の起歪部１３，１４は貫通孔１２ｃを通して切削することで容易に形成でき、加工性が良好となっている。
また、図４（Ｂ）に示すように、起歪部１３，１４で生じる応力は通常は径方向両側に向けて増大する傾向となるが、起歪部１３，１４は径方向両側に向けて徐々に肉厚が大となるよう内テーパ部１３ａ、１４ａと外テーパ部１３ｂ、１４ｂを設けているので、
応力値の径方向分布の両側域Ｒが平坦化されて応力分布が均一化される。よって、両側域Ｒにおいては歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ４の取付位置が若干位置ズレしたとしても、検出誤差が極力出ないように工夫されている。

次に、起歪部１３，１４の好ましい形状例を示す。

定格荷重に大小によって表１に示すような形状とすることが好ましい。即ち、定格荷重が起歪部１３，１４に負荷された場合に生じる歪量が歪ゲージＳＧ１〜ＳＧ４の歪検出レンジに入るように起歪部１３、１４の板厚ｔやテーパ角度θや幅ｂなどの値を決定している。具体的には、
σ＝［３ｗｌ／{２ｂ（ｔ＋ｌ／２・ｔａｎθ）^２}］／３
で起歪部１３、１４に生じる応力σを算出し、
ε＝（σ／Ｅ）・４
で起歪部１３，１４に生じる歪εを算出して確かめる。
ここで、ｗは荷重値［ｋｇ・ｆ］、ｌは隣接する歪ゲージＳＧ１、ＳＧ２の距離ｌ、ｂは起歪部１３，１４の幅、ｔは起歪部１３，１４の最も薄肉部分の板厚である。

次に、実施例と比較例について図６を用いて説明する。
実施例は実施形態と同様で、上下一対の起歪部１３，１４を周方向の３ヶ所に等間隔をあけて３組配置している。比較例１は、左右一対の起歪部を周方向の１ヶ所に並列配置している。比較例２は、上下一対の起歪部を周方向の２ヶ所に等間隔をあけて２組配置している。実施例および比較例１，２は他の条件は全て同一としている。

図６には非直線性とヒステリシスについての実験結果を示しており、両者の目標仕様はともに０．０３％ＲＯとしている。実施例では比較例１、２に比べて非直線性、ヒステリシスともに目標仕様である０．０３％ＲＯに非常に近い値を示していることが分かる。
なお、非直線性とは、図７に示すように、無負荷時の出力と定格負荷時の出力を結ぶ基準直線に対する荷重増加時の出力と最大偏差を定格出力に対する％で表したものをいう。ヒステリシスとは、定格荷重までの荷重増加時と荷重減少時の間を往復させた時の同一試験に対する出力の差の最大値で、定格出力に対する％で表したものをいう。また、ＲＯは定格出力を意味している。

次に、図８はロードセル１０を使用した計量装置１００を示す。
ロードセル１０の外周枠部１２は支持固定材２１にボルトＢ２で締結固定している。一方、芯部１１の中心穴１１ａには円筒部材２０の円筒部２０ａを貫通すると共に、該円筒部２０ａの上側外周から側方に突出した鍔部２０ｂを芯部１１のボルト穴１１ｂにボルトＢ１で締結固定している。円筒部材２０の円筒部２０ａの下側外周には環状部材２３を外嵌固定し、環状部材２３から垂下された垂直片２４の下端内面に設けられた弾性材２５で容器２６の外周面を圧接保持している。また、円筒部材２０の上面開口には被計量物Ｗを供給するための投入配管２２を遊嵌挿入している。
以上の構成によれば、投入配管２２から落下された被計量物Ｗは容器２６内に蓄積され、容器２６に負荷された被計量物Ｗの重量が円筒部材２０を介してロードセル１０の芯部１１に負荷されるので、被計量物Ｗの重量を計測することができる。

次に、図９はロードセル１０を使用した別の計量装置２００の例を示す。
ロードセル１０の芯部１１の中心穴１１ａに被計量物Ｗを供給するために支持固定された投入配管３０（支持固定材）の円筒部３０ａを貫通していると共に、円筒部３０ａの外周から側方に突出した鍔部３０ｂを芯部１１のボルト穴１１ｂにボルトＢ１で締結固定している。一方、外周枠部１２には、大径の円筒部材３１の円筒部３１ａの上端縁より側方に突出した鍔部３１ｂをボルトＢ２でボルト穴１２ｄに締結固定している。円筒部材３１の円筒部３１ａの外周には環状部材３２を外嵌固定し、環状部材３２から垂下された垂直片３３の下端内面に設けられた弾性材３４で容器３５の外周面を圧接保持している。
以上の構成によれば、投入配管３０から落下された被計量物Ｗは容器３５内に蓄積され、容器３５に負荷された被計量物Ｗの重量が円筒部材３１を介してロードセル１０の外周枠部１２に負荷されるので、被計量物Ｗの重量を計測することができる。

本発明の実施形態のロードセルを示す斜視図である。 ロードセルの上面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 （Ａ）は要部断面図、（Ｂ）は応力曲線を示すグラフである。 起歪体に接着された歪ゲージの回路構成図である。 実施例および比較例を示す図面である。 非直線性およびヒステリシスを説明するグラフである。 ロードセルを使用した計量装置を示す図面である。 ロードセルを使用した別の計量装置を示す図面である。 （Ａ）は従来例を示す上面図、（Ｂ）は断面図である。

符号の説明

１０ ロードセル
１１ 芯部
１２ 外周枠部
１２ｃ 貫通孔
１３，１４ 起歪部
１３ａ、１４ａ 内テーパ部
１３ｂ、１４ｂ 外テーパ部
１５ 空隙
２６、３５ 容器
１００、２００ 計量装置
ＳＧ１〜ＳＧ４ 歪ゲージ
Ｗ 被計量物
ＷＨ１〜ＷＨ３ ホイートストンブリッジ回路

Claims (5)

1. 荷重負荷により歪が生じる起歪部に複数の歪ゲージを貼着しているロードセルにおいて、
   中心側に配置される芯部と、該芯部の外周側に間隔をあけて配置される外周枠部と、前記芯部と前記外周枠部との間を架橋する上下一対の起歪部とを備え、前記芯部あるいは前記外周枠部の一方を支持固定部とすると共に他方を荷重負荷部とし、
   前記上下一対の起歪部は周方向に等間隔をあけて３組設けていると共に、前記外周枠部には各組の起歪部の上下間に対応する位置で外側面から内側面へと貫通する貫通孔を穿設し、
   前記起歪部には１組毎に各４枚の歪ゲージを貼り付けると共に、前記歪ゲージを用いてホイートストンブリッジ回路を形成し、前記各ホイートストンブリッジ回路からの出力を並列和算する回路を設けていることを特徴とするロードセル。
2. 前記起歪部の周方向の幅は前記芯部の外周長の１％〜５％としている請求項１に記載のロードセル。
3. 前記起歪部は、径方向両側に向けて徐々に肉厚を大にする断面テーパ形状とし、前記歪ゲージを径方向両側に貼り付けている請求項１または請求項２に記載のロードセル。
4. 前記芯部および前記外周枠部は同心円上に配置された円環状であると共に、前記起歪部は厚さ方向が上下方向となる板状としている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のロードセル。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のロードセルを用い、前記ロードセルの前記芯部あるいは前記外周枠部の一方は支持固定材に固定していると共に、他方は被計量物を収容する容器側に固定していることを特徴とする計量装置。

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