JP2010210357A - ひずみゲージ式荷重変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 円筒状または円柱状を呈し且つ特に、軸方向寸法が小さい起歪体にひずみゲージを添着してなるひずみゲージ式荷重変換器において、全体を大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させると共に温度変化による零点の変動を補償する。
【解決手段】 円柱状の起歪体１０の外周面に軸方向と平行な垂直方向に配向して垂直方向のひずみゲージ１１を添着するとともに、同外周面に垂直方向に対して角度θをなす方向に配向して補償用のひずみゲージ１２を添着する。補償用ひずみゲージ１２の角度θは、ポアソン比ぶんによるひずみが零となる角度とする。補償用ひずみゲージ１２の垂直方向に対する添着角度θと出力ε０＝０とする関係は、起歪体１０の材料のポアソン比νに関して、ひずみゲージ１１で検出される出力をε１としたとき、次式で表される。
ε０＝（１／２）・ε１｛１−ν＋（１＋ν）ｃｏｓ２θ｝
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷重変換器に係り、特にひずみゲージ素子の配置構成による特性向上を考慮したひずみゲージ式荷重変換器に関するものである。

いわゆるロードセルに代表される荷重変換器として、円筒状外周面を有する円柱状または円筒状の起歪体にひずみゲージを接着し起歪体における荷重をひずみゲージによって検出するひずみゲージ式荷重変換器が知られている。この種のひずみゲージ式荷重変換器には、ワッシャ型と称され、円筒状の起歪体の軸方向の長さを短寸としたものも知られている。特許文献１（特開平５−１８０７０７号）には、円筒状の起歪体を用いるひずみゲージ式荷重変換器の一例が示されている。
ところで、この種の円柱／円筒状の起歪体を用いるひずみゲージ式荷重変換器においては、起歪体の円筒状外周面に両側方から対向させて垂直、つまり軸方向のひずみを検知するように一対の垂直方向（軸方向）向きのひずみゲージを配置するとともに、起歪体の円筒状外周面にこれら垂直方向（軸方向）向きのひずみゲージとは軸を中心として９０°異なる方向において対向し、水平、つまり円周方向のひずみを検知するように一対の水平方向（円周方向）向きのひずみゲージを配置して、これら各一対のひずみゲージによりホイートストンブリッジを構成するものが主に用いられている。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来のひずみゲージ式変換器の構成を模式的に示すもので、このうち、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、左側面図、（ｃ）は、正面図である。

図６に示すように、中実円柱状の起歪体ＣＦの外周面に、垂直、つまり軸方向のひずみを検知するように垂直方向（縦方向）のひずみを検知するひずみゲージＧ１と、水平、つまり円周方向のひずみを検知するように水平方向（横方向）のひずみを検知するひずみゲージＧ２と、ひずみゲージＧ１と同様に垂直方向のひずみを検知するひずみゲージＧ３と、ひずみゲージＧ２と同様に水平方向向きのひずみを検知するひずみゲージＧ４とを、同一円周上に等間隔（＝等角度間隔）で接着する。すなわち、例えば、中実円柱状の起歪体ＣＦの正面およびその背面に、それぞれ、軸方向のひずみを検知するようにして、ひずみゲージＧ１およびＧ３を接着する。さらに、これら軸方向のひずみゲージＧ１およびＧ３とは円柱状の軸に対して９０°ずれた位置の起歪体ＣＦの左側面および右側面に、それぞれ、円周方向のひずみを検知するようにして、ひずみゲージＧ２およびＧ４を接着する。
また、例えば、図７に示すように、中空円筒状の起歪体ＣＨの場合も、その外周面に、垂直、つまり軸方向のひずみを検知するように垂直方向（縦方向）のひずみを検知するひずみゲージＧ１と、水平つまり円周方向のひずみを検知するように水平方向（横方向）のひずみを検知するひずみゲージＧ２と、ひずみゲージＧ１と同様に垂直方向のひずみを検知するひずみゲージＧ３と、ひずみゲージＧ２と同様に水平方向向きのひずみを検知するひずみゲージＧ４とを、同一円周上に等間隔（＝等角度間隔）で接着する。

すなわち、中空円筒状の起歪体ＣＨの外周部の例えば正面およびその背面に、それぞれ、軸方向のひずみを検知するようにして、ひずみゲージＧ１およびＧ３を接着する。さらに、これら軸方向のひずみゲージＧ１およびＧ３とは円筒状の軸に対して９０°ずれた位置の起歪体ＣＨの外周部の例えば左側面および右側面に、それぞれ、円周方向のひずみを検知するようにして、ひずみゲージＧ２およびＧ４を接着する。
図６または図７のひずみゲージＧ１〜Ｇ４は、図８に示すようにブリッジ接続してホイートストンブリッジを構成する。すなわち、ひずみゲージＧ１−ひずみゲージＧ２−ひずみゲージＧ３−ひずみゲージＧ４を順次直列に接続し、このひずみゲージＧ１−ひずみゲージＧ２−ひずみゲージＧ３−ひずみゲージＧ４の直列回路の両端を接続してループ接続とする。ひずみゲージＧ１とひずみゲージＧ４の接続点と、ひずみゲージＧ２とひずみゲージＧ３の接続点との間には、ブリッジ電源入力電圧ｅｉが印加され、この印加電圧ｅｉは、ひずみゲージＧ１とひずみゲージＧ２の直列回路の両端、並びにこの直列回路と並列に接続されたひずみゲージＧ３とひずみゲージＧ４の直列回路の両端に供給される。
ひずみゲージＧ１とひずみゲージＧ２の接続点と、ひずみゲージＧ３とひずみゲージＧ４の接続点との間から、ブリッジ出力電圧Δｅが取り出され、この出力電圧Δｅは、ひずみゲージＧ１とひずみゲージＧ４の直列回路の両端、並びにこの直列回路と並列に接続されたひずみゲージＧ２とひずみゲージＧ３の直列回路の両端から出力される。

図８のブリッジ構成において、ひずみゲージＧ１で検知されるひずみをε１、ひずみゲージＧ２で検知されるひずみをε２、ひずみゲージＧ３で検知されるひずみをε３、そしてひずみゲージＧ４で検知されるひずみをε４とすると、垂直ひずみは、ε１＋ε３、水平ひずみは、ε２＋ε４であり、全体のひずみεは、ε１＋ε２＋ε３＋ε４となる。ここで、起歪体ＣＦまたはＣＨの材料のポアソン比をν、ひずみゲージＧ１〜Ｇ４のゲージ率（ΔＲ／Ｒ／ε）をＫｓとすると、出力電圧Δｅは、印加電圧ｅｉに関して、次式であらわされる。
Δｅ＝１／４・｛Ｋｓ・ε（１＋ν）・ｅｉ｝ （１）
このようなひずみゲージ式荷重変換器においては、断面幅に対する高さの比が小さい、またはそれより高さが低い、すなわち全体として薄い形状を起歪体が有している場合等には、水平方向のゲージ出力の荷重−ひずみ特性が悪く、出力特性に悪影響を及ぼして、荷重変換器特性を低下させることがある。
そのような場合の解決策としては、起歪体内部の起歪部近傍にひずみが生じないダミー板等を設け、そのダミー板等にダミーゲージを接着して、水平方向のゲージの代わりとして用い、垂直方向のゲージのみを起歪体に設けて、ブリッジを構成することが行われている。

ダミー板等に水平方向のゲージの代わりのダミーゲージを設ける場合、垂直方向のゲージだけとなるので、ひずみε′は、ε１＋ε３となり、出力Δｅ′は、次式であらわされる。
Δｅ′＝１／２・Ｋｓ・ε′・ｅｉ （２）
起歪体材料のポアソン比νを、ν＝０．３とすると、水平方向のゲージを使用した場合と比べて約７７％の出力が得られる。
しかしながら、全体の形状が小さい場合には、ダミーゲージを設けるためのダミー板等を起歪部近傍に設けることができない。
このように、起歪体の内部の起歪部近傍にダミー板等を設けることができない場合には、外部にダミーゲージを含むブリッジボックスを設けてブリッジを構成することになる。ところが、外部にブリッジボックスを設けた場合には、起歪体材料の膨張およびゲージの温度特性による零点の温度補償を行うことができず、しかも配線が煩雑となる。

特開平５−１８０７０７号公報

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、円筒状外周面を有し且つ軸方向寸法が小さい起歪体にひずみゲージを添着してなるひずみゲージ式荷重変換器において、全体を大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させ得るひずみゲージ式荷重変換器およびそのようなひずみゲージ式荷重変換器に好適なシート状ひずみゲージを提供することを目的としている。
本発明の請求項１〜請求項８の目的は、特に、簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させることを可能とするひずみゲージ式荷重変換器を提供することにある。
本発明の請求項９〜請求項１０の目的は、特に、簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させ且つ温度による零点の補償を可能とし、もって測定精度を向上させることを可能とするひずみゲージ式荷重変換器を提供することにある。
本発明の請求項１１の目的は、特に、簡易に、大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させ得ると共に、温度による零点の補償を可能とするひずみゲージ式荷重変換器を構成することを可能とするシート状ひずみゲージを提供することにある。

請求項１に記載した本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器は、上述した目的を達成するために、
主として軸方向に印加される荷重によりひずみを生ずる円筒状または円柱状を呈する起歪体と、前記起歪体に発生するひずみに基づいて印加された荷重を検知すべく該起歪体に添着されるひずみゲージとを具備するひずみゲージ式荷重変換器において、
前記ひずみゲージは、
前記起歪体における前記円筒状または円柱状の軸方向のひずみ成分を検出すべく、前記起歪体に前記軸方向に沿って配置される第１のひずみゲージ素子と、
前記起歪体における前記円筒状または円柱状の軸に直交する方向のひずみ成分の影響を受けないように、前記起歪体の前記軸方向に対して所定角度傾斜させて配置される第２のひずみゲージ素子と、
を備えてなり、さらに、
前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子をブリッジ接続してひずみ成分を抽出するブリッジ回路を含むことを特徴としている。

請求項２に記載した本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器は、請求項１のひずみゲージ式荷重変換器であって、
前記第１のひずみゲージ素子は、前記起歪体の前記円筒状または前記円柱状の軸に対して対称的に複数個配置されることを特徴としている。
請求項３に記載した本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器は、請求項１または請求項２のひずみゲージ式荷重変換器であって、
前記第２のひずみゲージ素子は、少なくとも前記第１のひずみゲージ素子の温度補償に用いられることを特徴としている。
請求項４に記載した本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器は、請求項１〜請求項３のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器であって、
前記第２のひずみゲージ素子は、前記第１のひずみゲージ素子に個別に対応してその近傍に少なくとも１個配置されることを特徴としている。

請求項５に記載した本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器は、請求項１〜請求項４のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器であって、
前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、それぞれ個別にゲージベース上にゲージ素子部が形成されたゲージシートからなることを特徴としている。
請求項６に記載した本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器は、請求項１〜請求項５のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器であって、
前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、共通のゲージベース上にそれぞれ第１のゲージ素子部と第２のゲージ素子部が形成されて一体的に形成されたゲージシートからなることを特徴としている。
請求項７に記載した本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器は、請求項１〜請求項６のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器であって、
前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、近接して並置されてなることを特徴としている。

請求項８に記載した本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器は、請求項１〜請求項６のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器であって、
前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、重ね合わせて配置されてなることを特徴としている。
請求項９に記載した本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器は、上述した目的を達成するために、
主として軸方向に印加される荷重によりひずみを生ずる円筒状または円柱状を呈する起歪体と、前記起歪体に発生するひずみに基づいて印加された荷重を検知すべく該起歪体に添着されるひずみゲージとを具備するひずみゲージ式荷重変換器において、
前記ひずみゲージは、
前記起歪体における前記円筒状または前記円柱状の軸方向のひずみ成分を検出すべく、前記起歪体に前記軸方向に沿って配置される少なくとも一対の第１のひずみゲージ素子と、
前記起歪体における前記円筒状の軸に直交する方向のひずみ成分の影響を受けないように、前記起歪体の前記軸方向に対して所定角度傾斜させて配置される少なくとも一対の第２のひずみゲージ素子と、
を備えてなり、さらに、
前記第１のひずみゲージ素子および第２のひずみゲージ素子をブリッジ接続してひずみ成分を抽出するブリッジ回路を含むことを特徴としている。

請求項１０に記載した本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器は、請求項１〜請求項９のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器であって、
前記所定角度は、起歪体の材料および形状に依存するポアソン比に基づく歪み成分の影響が最小となる角度であることを特徴としている。
請求項１１に記載した本発明に係るゲージ式荷重変換器用のシート状ひずみゲージは、上述した目的を達成するために、
共通のゲージベースと、
前記ゲージベース上に一体的に形成され、測定が予定される起歪体の軸方向に添着されるべき第１のゲージ素子部と、
前記ゲージベース上に、前記第１のゲージ素子部に対して所定角度傾斜させて一体的に形成された第２のゲージ素子部と、を備えてなり、前記所定角度は、前記測定が予定される前記起歪体の材料、形状に依存するポアソン比に基づく歪み成分の影響を極力小さくさせる角度に設定したことを特徴としている。

本発明によれば、円筒状または円柱状を呈する且つ軸方向寸法が小さい起歪体にひずみゲージを添着してなるひずみゲージ式荷重変換器において、全体を大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させ得るひずみゲージ式荷重変換器およびそのようなひずみゲージ式荷重変換器に好適なシート状ひずみゲージを提供することができる。
すなわち、本発明の請求項１のひずみゲージ式荷重変換器によれば、
主として軸方向に印加される荷重によりひずみを生ずる円筒状または円柱状を呈する起歪体と、前記起歪体に発生するひずみに基づいて印加された荷重を検知すべく該起歪体に添着されるひずみゲージとを具備するひずみゲージ式荷重変換器において、
前記ひずみゲージは、
前記起歪体における前記円筒状または円柱状の軸方向のひずみ成分を検出すべく、前記起歪体に前記軸方向に沿って配置される第１のひずみゲージ素子と、
前記起歪体における前記円筒状または前記円柱状の軸に直交する方向のひずみ成分の影響を受けないように、前記起歪体の前記軸方向に対して所定角度傾斜させて配置される第２のひずみゲージ素子と、
を備えてなり、さらに、
前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子をブリッジ接続してひずみ成分を抽出するブリッジ回路を含むことにより、
簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させることが可能となる。

本発明の請求項２のひずみゲージ式荷重変換器によれば、
請求項１のひずみゲージ式荷重変換器において、
前記第１のひずみゲージ素子は、前記起歪体の前記円筒状または前記円柱状の軸に対して対称的に複数個配置されることにより、
簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させることが可能となる。
本発明の請求項３のひずみゲージ式荷重変換器によれば、
請求項１または請求項２のひずみゲージ式荷重変換器において、
前記第２のひずみゲージ素子は、少なくとも前記第１のひずみゲージ素子の温度補償に用いられることにより、
簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させることが可能となると共に、温度による零点の変動を補償することが可能となる。
本発明の請求項４のひずみゲージ式荷重変換器によれば、
請求項１〜請求項３のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器において、
前記第２のひずみゲージ素子は、前記第１のひずみゲージ素子に個別に対応してその近傍に少なくとも１個配置されることにより、
簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させることが可能となる。

本発明の請求項５のひずみゲージ式荷重変換器によれば、
請求項１〜請求項４のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器において、
前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、それぞれ個別にゲージベース上にゲージ素子部が形成されたゲージシートからなることにより、
簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させることが可能となる。
本発明の請求項６のひずみゲージ式荷重変換器によれば、
請求項１〜請求項５のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器において、
前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、共通のゲージベース上にそれぞれ第１のゲージ素子部と第２のゲージ素子部が形成されて一体的に形成されたゲージシートからなることにより、
簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させることが可能となる。

本発明の請求項７のひずみゲージ式荷重変換器によれば、
請求項１〜請求項６のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器において、
前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、近接して並置されてなることにより、
簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させることが可能となる。
本発明の請求項８のひずみゲージ式荷重変換器によれば、
請求項１〜請求項６のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器において、
前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、重ね合わせて配置されてなることにより、
簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させることが可能となる。

また、本発明の請求項９のひずみゲージ式荷重変換器によれば、
主として軸方向に印加される荷重によりひずみを生ずる円筒状または円柱状を呈する起歪体と、前記起歪体に発生するひずみに基づいて印加された荷重を検知すべく該起歪体に添着されるひずみゲージとを具備するひずみゲージ式荷重変換器において、
前記ひずみゲージは、
前記起歪体における前記円筒状または前記円柱状の軸方向のひずみ成分を検出すべく、前記起歪体に前記軸方向に沿って配置される少なくとも一対の第１のひずみゲージ素子と、
前記起歪体における前記円筒状の軸に直交する方向のひずみ成分の影響を受けないように、前記起歪体の前記軸方向に対して所定角度傾斜させて配置される少なくとも一対の第２のひずみゲージ素子と、
を備えてなり、さらに、
前記第１のひずみゲージ素子および第２のひずみゲージ素子をブリッジ接続してひずみ成分を抽出するブリッジ回路を含むことにより、
特に、簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性および測定精度を向上させることが可能となる。

本発明の請求項１０のひずみゲージ式荷重変換器によれば、
請求項１〜請求項９のいずれか１項のひずみゲージ式荷重変換器において、
前記所定角度は、起歪体の材料および形状に依存するポアソン比に基づく歪み成分の影響が最小となる角度であることにより、
特に、簡単な構成で大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性および測定精度を向上させることが可能となる。
そして、本発明の請求項１１のシート状ひずみゲージによれば、
共通のゲージベースと、
前記ゲージベース上に一体的に形成され、測定が予定される起歪体の軸方向に添着されるべき第１のゲージ素子部と、
前記ゲージベース上に、前記第１のゲージ素子部に対して所定角度傾斜させて一体的に形成された第２のゲージ素子部と、
を備えてなり、
前記所定角度は、前記測定が予定される前記起歪体の材料、形状に依存するポアソン比に基づく歪み成分の影響を極力小さくさせる角度に設定したことにより、
特に、簡易に、大型化および複雑化することなく、荷重−ひずみ特性を向上させ得ると共に、温度による零点の変動を補償し得るひずみゲージ式荷重変換器を構成することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係るひずみゲージ式荷重変換器の原理構成を説明するための模式的側面図である。 図１のひずみゲージ式荷重変換器の起歪部におけるシート状ひずみゲージの配置構成を説明するための模式的展開図である。 図１の原理に従ったひずみゲージ式荷重変換器を構成するための本発明の第２の実施の形態に係るシート状ひずみゲージの構成を示す模式的正面図である。 図１の原理に従ったひずみゲージ式荷重変換器を構成するための本発明の第３の実施の形態に係るシート状ひずみゲージの構成を示す模式的平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るひずみゲージ式荷重変換器の起歪部におけるシート状ひずみゲージの配置構成を示す模式的正面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、円柱状のひずみゲージ式荷重変換器の従来の一例の構成を模式的に示すもので、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、左側面図、（ｃ）は、正面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、円筒状のゲージ式荷重変換器の従来の他の一例の構成を模式的に示すもので、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、左側面図、（ｃ）は、正面図である。 本発明に係るゲージ式荷重変換器におけるゲージブリッジの接続構成を模式的に示す回路構成図である。

以下、本発明の実施の形態に基づき、図面を参照して本発明のゲージ式荷重変換器およびそれに用いるシート状ひずみゲージを詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の第１の実施の形態に係るゲージ式荷重変換器の要部の構成を示している。図１は、ひずみゲージ式荷重変換器の原理構成を説明するための模式的側面図であり、図２は、図１のひずみゲージ式荷重変換器の起歪部におけるシート状ひずみゲージの配置構成を説明するための模式的展開図である。
図１は、図６における水平方向（荷重印加方向に対し、直交する方向）のひずみゲージＧ２またはＧ４が添着された起歪体ＣＦの左側面図にほぼ対応するもので、図２には、起歪体１０、ひずみゲージ１１およびひずみゲージ１２が示されている。この場合、起歪体１０は、図６の起歪体ＣＦと同様の円柱状の起歪体とし、ひずみゲージ１１は、図６のひずみゲージＧ１と同様の垂直方向のひずみε１を検出すべく接着された垂直方向のひずみゲージである。ひずみゲージ１２は、図６のひずみゲージＧ４に位置的には対応するが、ひずみゲージ１１と関連して垂直方向のひずみのみを取り出すための補償用ひずみゲージであり、水平方向のひずみε２を検出するものではない。図２には、起歪体１０の外周面を展開して、ひずみゲージ１１およびひずみゲージ１２の配設状態を示している。

尚、本明細書および特許請求の範囲において、「添着」という用語を用いているが、これは、「接着、貼付、蒸着、スパッタリング、融着」などを含む概念として用いるものとする。
本発明に係るひずみゲージ式荷重変換器においては、従来、図６に示すひずみゲージＧ２およびＧ４のように水平方向に配置していたひずみゲージをポアソン比ぶんによるひずみε２およびε４が生じない角度に変えて、図１および図２に示す補償用のひずみゲージ１２のように配置し、垂直方向のひずみのみを取り出すようにする。
従来の図６のような構成の場合、垂直方向のひずみゲージＧ１およびＧ３と水平方向のひずみゲージＧ２およびＧ４の出力は、起歪体ＣＦに引っ張り応力が加えられると、垂直方向のひずみゲージＧ１およびＧ３の抵抗値が増大するが、水平方向のひずみゲージＧ２およびＧ４の抵抗値が減小し、一方、起歪体ＣＦに圧縮応力が加えられると、垂直方向のひずみゲージＧ１およびＧ３の抵抗値は減小するが水平方向のひずみゲージＧ２およびＧ４の抵抗値が増大する。そこで、水平方向に配置していたひずみゲージを、垂直方向と水平方向との間に生じるひずみが最小となる方向に配置することにより、垂直方向のひずみによるゲージ特性のみを出力として得ることができ、検出特性を向上させることができる。

すなわち、図１および図２において、図示ε０方向の補償用ひずみゲージ１２の出力ε０、つまり補償用ひずみゲージ１２の垂直方向に対する貼り付け角度θと出力ε０との関係は、起歪体１０の材料のポアソン比νに関して、垂直方向ひずみ（垂直方向のひずみゲージ１１で検出される出力）をε１、そして水平方向、つまりポアソン比方向、のひずみをε２（ε２＝−νε１）として、次式であらわされる。
ε０＝（１／２）・ε１｛１−ν＋（１＋ν）ｃｏｓ２θ｝ （３）
補償用ひずみゲージ１２の角度θ方向におけるひずみε０を零とするためには、例えばポアソン比ν＝０．３の場合、角度θは、約６１．３°とすればよい。
したがって、従来水平方向に配置していたひずみゲージの代わりにこの角度θ方向に配置したひずみゲージ１２を補償用として設けることによって、ひずみゲージ１２は、ポアソン比方向のひずみを感知しなくなり、これを用いて温度補償等を行うことによって荷重計測精度を向上させることが可能となる。つまり、ポアソン比νが０．３の場合には、補償用ひずみゲージ１２は、垂直方向に対して６１．３°の方向に向けて接着（以下、「添着」という）すればよい。

上述した本発明の第１の実施の形態においては、図１および図２に示されるように、円柱状の起歪体１０の外周面に円柱状の軸方向と平行な垂直方向に配向して垂直方向のひずみゲージ１１を添着するとともに、同外周面に垂直方向に対して上述した角度θをなす方向に配向して補償用のひずみゲージ１２を添着している。
なお、図１および図２においては、本発明の原理を説明するために、垂直方向のひずみゲージ１１および補償用のひずみゲージ１２を各１個ずつ示して、ハーフブリッジを構成するようにしているが、図６に示した従来の構成とほぼ同様に、円柱状の軸を挟んで１８０°異なる方向から対峙するように垂直方向の一対のひずみゲージおよび同様にこれより９０°ずらせて、円柱状の軸を挟んで１８０°異なる方向から対峙するように補償用の一対のひずみゲージ１２を設けて、図８の場合と同様にブリッジ接続してフルブリッジを構成するようにしても良い。さらに、円柱状の起歪体１０を用いるものとして説明したが、図７に示したのと同様の中空の円筒状の起歪体を用いるようにしても、上述と同様に構成して同様の効果を得ることができる。

また、上述した垂直方向のひずみゲージと補償用のひずみゲージ、特に補償用のひずみゲージは、それぞれ所定の角度方向に正確に合わせて配置されなければならないが、正確に方向を合わせてひずみゲージを起歪体の円筒状の外周面に添着するのは容易ではない。そこで、予め使用される起歪体の円筒状の外周面の寸法に合わせて、シート状ひずみゲージを形成すれば、位置合わせを容易に行うことが可能となると考えられる。それが、本発明の第２および第３の実施の形態に係るシート状ひずみゲージである。
すなわち、本発明の第２の実施の形態に係るシート状ひずみゲージは、図３に示すように、共通のシート状のゲージベース２１０上に、図１および図２の垂直方向のひずみゲージ１１に対応する第１のゲージ素子部２１１と、図１および図２の補償用のひずみゲージ１２に対応して、第１のゲージ素子部２１１に対して所定角度θをなして配置される第２のゲージ素子部２１２とを設けてシート状ひずみゲージ２１として一体的に形成している。この場合、第１のゲージ素子部２１１と第２のゲージ素子部２１２とは、多くの場合直列的に接続されて用いられるので、直列的に接続された状態として形成され、その直列回路の両端および両者の接続点に接続用の端子部を設けている。

この図３のような、シート状ひずみゲージ２１は、予め種々の起歪体の寸法および材料に合わせて製造しておき、使用しようとする起歪体に対応するものを選択し、垂直方向の第１のゲージ素子部２１１の方向を、起歪体の軸に平行な方向に正しく一致させて、起歪体に添着するようにして用いる。このため、第１のゲージ素子部２１１の方向さえ正しく合わせれば、それと一体的に設けられている第２のゲージ素子部２１２は、正しく角度θ方向に向けて配置されることになる。なお、第１のゲージ素子部２１１と第２のゲージ素子部２１２との接続関係および第２のゲージ素子部２１２の角度θの向きは、種々の場合が考えられるので、種々の形態のものを用意しておけば、使用条件の異なる種々の状況に対処することが可能となる。
また、本発明の第３の実施の形態に係るシート状ひずみゲージは、図４に示すように、共通のシート状のゲージベース３１０上に、図１および図２の垂直方向のひずみゲージ１１に対応する第１のゲージ素子部３１１と、図１および図２の補償用のひずみゲージ１２に対応して、第１のゲージ素子部３１１に対して所定角度θをなして配置される第２のゲージ素子部３１２ａと、第１のゲージ素子部３１１に対して所定角度θをなして配置される第３のゲージ素子部３１２ｂとを設けてシート状ひずみゲージ３１として一体的に形成している。

この場合、図４に示しているように、第２のゲージ素子部３１２ａと第３のゲージ素子部３１２ｂは、第１のゲージ素子部３１１を挟んでその両側に配置され、所定角度θを互いに逆方向にとっている。また、第２のゲージ素子部３１２ａと第３のゲージ素子部３１２ｂは、直列的に接続された状態として形成され、その直列回路の両端に接続用の端子部を設けており、第１のゲージ素子部３１１は、第２のゲージ素子部３１２ａおよび第３のゲージ素子部３１２ｂとは直接接続されておらず、単にその両端に接続用の端子部を設けている。このように、ゲージ素子部３１１、３１２ａおよび３１２ｂ等の配置および数は、起歪体への添着状態および所要とする結線状態に応じた種々の形態が考えられ、それらに応じた複数の種類のものを用意しておくことが望ましい。
もちろん、この図４のシート状ひずみゲージ３１も、予め種々の起歪体の寸法および材料に合わせて製造しておき、使用しようとする起歪体に対応するものを選択し、垂直方向の第１のゲージ素子部３１１の方向を、起歪体の軸に平行な方向に正しく一致させて、起歪体に添着するようにして用いる。このため、第１のゲージ素子部３１１の方向さえ正しく合わせれば、それと一体的に設けられている第２および第３のゲージ素子部３１２ａおよび３１２ｂは、それぞれ正しく角度θ方向に向けて配置されることになる。

さらに、上述した本発明の第１の実施の形態においては、図１および図２に示されるように、起歪体１０の外周面に円柱状の軸方向と平行な垂直方向に配向して垂直方向のひずみゲージ１１を添着するとともに、同外周面に垂直方向に対して上述した角度θをなす方向に配向して補償用のひずみゲージ１２を添着するものとしたが、垂直方向のひずみゲージと補償用のひずみゲージは、かならずしも異なる位置に配置する必要はない。そこで、本発明の第４の実施の形態に係るひずみゲージ式荷重変換器においては、図５に示すように、起歪体の外周面に垂直方向に配向して垂直方向のひずみゲージ４１を添着するとともに、この垂直方向のひずみゲージ４１上に垂直方向に対して上述した角度θをなす方向に配向して補償用のひずみゲージ４２を重ね合わせて添着する構成とする。
このようにしても、図１および図２に示す実施の形態とほぼ同様に機能する。また、これら垂直方向のひずみゲージ４１と補償用のひずみゲージ４２に対応するゲージ素子部を共通のゲージベース上に重ね合わせて一体に構成し、シート状ひずみゲージを構成するようにしてもよい。

尚、第２の実施の形態〜第４の実施の形態のひずみゲージは、起歪体の軸に平行な方向（垂直方向）に添着すべきひずみゲージ２１１、３１１、４１と補償用のひずみゲージ２１２、３１２ａ、３１２ｂ、４２とが１枚のシート状に形成されているので、このシート状のひずみゲージを、円柱状の軸を挟んで１８０°異なる方向から対峙するように添着し、垂直ひずみ検出用のひずみゲージ２１１、３１１、４１と補償用のひずみゲージ２１２、３１２ａ、３１２ｂ、４２とを互いに隣接する辺にそれぞれ接続することで、フルブリッジ回路が構成されることになる。
また、シート状のひずみゲージを、円柱状の軸を挟んで、９０°間隔で添着し、同様に接続することで、ダブルブリッジまたは各ブリッジ辺に複数のひずみゲージが直列に接続されたブリッジ回路を構成することができる。
その他、本発明は、上述し且つ図面に示した実施の形態にのみ限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々変形して実施することができることはいうまでもない。

１０ 起歪体
１１，４１ 垂直方向のひずみゲージ
１２，４２ 補償用のひずみゲージ
２１，３１ シート状ひずみゲージ
２１０，３１０ ゲージベース
２１１，３１１ 垂直方向のゲージ素子部
２１２，３１２ａ，３１２ｂ 補償用のゲージ素子部

Claims (11)

1. 主として軸方向に印加される荷重によりひずみを生ずる円筒状または円柱状を呈する起歪体と、前記起歪体に発生するひずみに基づいて印加された荷重を検知すべく該起歪体に添着されるひずみゲージとを具備するひずみゲージ式荷重変換器において、
   前記ひずみゲージは、
   前記起歪体における前記円筒状または円柱状の軸方向のひずみ成分を検出すべく、前記起歪体に前記軸方向に沿って配置される第１のひずみゲージ素子と、
   前記起歪体における前記円筒状または円柱状の軸に直交する方向のひずみ成分の影響を受けないように、前記起歪体の前記軸方向に対して所定角度傾斜させて配置される第２のひずみゲージ素子と、
   を備えてなり、さらに、
   前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子をブリッジ接続してひずみ成分を抽出するブリッジ回路を含む
   ことを特徴とするひずみゲージ式荷重変換器。
2. 前記第１のひずみゲージ素子は、前記起歪体の前記円筒状の軸に対して対称的に複数個配置されることを特徴とする請求項１に記載のひずみゲージ式荷重変換器。
3. 前記第２のひずみゲージ素子は、少なくとも前記第１のひずみゲージ素子の温度補償に用いられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のひずみゲージ式荷重変換器。
4. 前記第２のひずみゲージ素子は、前記第１のひずみゲージ素子に個別に対応してその近傍に少なくとも１個配置されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のひずみゲージ式荷重変換器。
5. 前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、それぞれ個別にゲージベース上にゲージ素子部が形成されたゲージシートからなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のひずみゲージ式荷重変換器。
6. 前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、共通のゲージベース上にそれぞれ第１のゲージ素子部と第２のゲージ素子部が形成されて一体的に形成されたゲージシートからなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のひずみゲージ式荷重変換器。
7. 前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、近接して並置されてなることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のひずみゲージ式荷重変換器。
8. 前記第１のひずみゲージ素子および前記第２のひずみゲージ素子は、重ね合わせて配置されてなることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のひずみゲージ式荷重変換器。
9. 主として軸方向に印加される荷重によりひずみを生ずる円筒状または円柱状を呈する起歪体と、前記起歪体に発生するひずみに基づいて印加された荷重を検知すべく該起歪体に添着されるひずみゲージとを具備するひずみゲージ式荷重変換器において、
   前記ひずみゲージは、
   前記起歪体における前記円筒状または円柱状の軸方向のひずみ成分を検出すべく、前記起歪体に前記軸方向に沿って配置される少なくとも一対の第１のひずみゲージ素子と、
   前記起歪体における前記円筒状または円柱状の軸に直交する方向のひずみ成分の影響を受けないように、前記起歪体の前記軸方向に対して所定角度傾斜させて配置される少なくとも一対の第２のひずみゲージ素子と、
   を備えてなり、さらに、
   前記第１のひずみゲージ素子および第２のひずみゲージ素子をブリッジ接続してひずみ成分を抽出するブリッジ回路を含む
   ことを特徴とするひずみゲージ式荷重変換器。
10. 前記所定角度は、起歪体の材料および形状に依存するポアソン比に基づく歪み成分の影響が最小となる角度であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のひずみゲージ式荷重変換器。
11. 共通のゲージベースと、
    前記ゲージベース上に一体的に形成され、測定が予定される起歪体の軸方向に添着されるべき第１のゲージ素子部と、
    前記ゲージベース上に、前記第１のゲージ素子部に対して所定角度傾斜させて一体的に形成された第２のゲージ素子部と、
    を備えてなり、
    前記所定角度は、前記測定が予定される前記起歪体の材料、形状に依存するポアソン比に基づく歪み成分の影響を極力小さくさせる角度に設定
    したことを特徴とするゲージ式荷重変換器用のシート状ひずみゲージ。

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