JP2010249731A - 過負荷防止機構を備えたロードセル - Google Patents

Abstract

【課題】過負荷による破損を防ぐ過負荷防止用のストッパ部材を備えたロードセルであって、ストッパ部材の取り付け作業を精度よく、かつ、容易に行うことができるロードセルを提供する。
【解決手段】水平方向に延在する上ビーム部２と、下ビーム部３と、上ビーム部２及び下ビーム部３の一端同士を連結する固定部４と、他端同士を連結し負荷を受けて鉛直方向に変位する可動部５と、を備えたロバーバル型のロードセルである。断面が円形である円柱状のストッパ部材７をさらに備え、固定部４には断面が円形である第１円形孔９が形成されており、可動部５には断面が円形であって、かつ、第１円形孔９と同心である第２円形孔１０が形成されている。ストッパ部材７の基端部分が第１円形孔９にはめ込まれて固定され、かつ、ストッパ部材７の先端部分が第２円形孔１０の内面との間に所定幅の隙間が生じるように第２円形孔１０の内側に位置するように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、いわゆるロバーバル型のロードセルであって、特に過負荷による破損を防ぐ過負荷防止機構を備えたロードセルに関する。

いわゆるロバーバル型のロードセルは、被計量物の位置に影響を受けないロバーバル機構を採用したものであって、秤量用として広く利用されている。図４は、一般的なロバーバル型のロードセル４１の概略を示した図である。図４（ａ）に示すように、一般的なロバーバル型のロードセル４１は、上部に位置する上ビーム部４２と、下部に位置する下ビーム部４３と、装置本体などの静止体に固定される固定部４４と、鉛直方向に外力を受ける可動部４５とから成り、全体として矩形の形状を有している。そして、上ビーム部４２及び下ビーム部４３の外周面の両端に合計４つのひずみゲージ４６が貼着されている。

ロードセル４１に図４（ｂ）に示す矢印の方向に負荷をかけると、ロードセル４１の全体が歪む。この歪みに伴って、４箇所に貼着されたひずみゲージ４６のうち図中の左上と右下に貼着されたひずみゲージ４６は伸び、右上と左下に貼着されたひずみゲージ４６は縮む。当然ながら、ロードセル４１に加わる負荷が大きくなれば、ひずみゲージ４６の歪みの程度も大きくなる。また、ひずみゲージ４６は、その伸びや縮みの程度によって電気抵抗が変化するという特性を有している。そのため、ホイートストンブリッジ回路を用いてひずみゲージ４６の電気抵抗を電圧に変換し、この電圧値を取得することで、ロードセル４１にかかる負荷の大きさを検出することができる。

ただし、ロバーバル型のロードセル４１は、上記のような構成を備えていることから、ロードセル４１に過度の負荷がかかるとロードセル４１が大きく歪み、これによってひずみゲージ４６が破損してしまう恐れがある。そのため一般的には、ロードセル４１に過度な負荷がかかるのを防止するため、ロードセル４１の外部又はロードセル４１の本体にストッパ部材４７が設けられる。例えば、図４に示すように可動部４５の下方にストッパ部材４７が設けられる。図４のように、可動部４５の下方に隙間を空けてストッパ部材４７を設ければ、可動部４５がその隙間の分だけ変位するとストッパ部材４７に接触し、これ以上可動部４５が変位しなくなる。これにより、ロードセル４１に過度な負荷がかかるのを防止することができる。

また、別の機構として、図５に示すものがある。図５は、図４とは別の機構を有するロバーバル型のロードセル５１の斜視図である。図５に示すロードセル５１では、固定部５４の紙面手前側表面に溝が形成され、その溝に板状のストッパ部材５７が固定されている。また、可動部５５の紙面手前側表面にも溝が形成されているが、可動部５５に形成された溝の幅はストッパ部材５７の幅よりも大きく、可動部５５の溝とストッパ部材５７との間には上下方向においてわずかな隙間が生じている。図５に示すロードセル５１は、このような構成を有しているため、可動部５５に負荷がかかって変位すると、可動部５５に形成された溝の内側がストッパ部材５７に接触し、これ以上可動部５５が変位しなくなる。これにより、ロードセル５１に過度な負荷がかかるのを防止することができる。

さらに、別の機構としては、特許文献１で開示されているものがある（特許文献１の図１〜図４を参照）。特許文献１では、上ビームと下ビームの両方から内側に向かってストッパが設けられている。これらのストッパは、左右方向にわずかな隙間が生じるように形成されている。そのため、ロードセルに外力がかかって歪みが生じると、両ストッパが左右方向に変位して接触し、これ以上可動部が変位しなくなる。これにより、ロードセルに過度な負荷がかかるのを防止している。

特開平９−２８８０１９号公報

過負荷防止機構を備えたロバーバル型のロードセルとしては上記のものがあるが、実際のロードセルでは、可動部が変位する量は非常に小さく（図４や図５では、ストッパ部材４７、５７の前後に設けられた隙間は理解しやすいように大きく描かれているが、実際にはわずかである。）、ストッパ部材４７、５７の位置は接触の相手側部品との隙間を１００分の１ミリ単位で調整する必要がある。そのため、図４に示すロードセル４１において、可動部４５との隙間が適切な寸法となるようにストッパ部材４７を設置する作業は非常に難しい。また、図５に示すロードセル５１の場合では、固定部５４の溝とストッパ部材５７との境界部分において、両者を固定するためのカシメ作業を行うが、その際可動部５５の溝に対するストッパ部材５７の位置がずれてしまうことが多く、取り付け作業が非常に困難であった。また、特許文献１のロードセルの場合についても、ストッパ同士の隙間が非常に小さくなるように加工する必要があるが、このような加工も非常に困難であった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、過負荷による破損を防ぐ過負荷防止用のストッパ部材を備えたロードセルであって、ストッパ部材の取り付け作業を精度よく、かつ、容易に行うことができるロードセルを提供することを目的としている。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、本発明に係るロードセルは、水平方向に延在する上ビーム部と、該上ビーム部の下方において該上ビーム部に対して平行に延在する下ビーム部と、該上ビーム部及び該下ビーム部の一端同士を連結するとともに、静止体に固定される固定部と、該上ビーム部及び該下ビーム部の他端同士を連結するとともに、鉛直方向の負荷を受けて鉛直方向に変位する可動部と、を備えたロバーバル型のロードセルであって、断面が円形である円柱状のストッパ部材をさらに備え、前記固定部には断面が円形である第１円形孔が形成されており、前記可動部には断面が円形であって、かつ、前記第１円形孔と同心である第２円形孔が形成されており、前記ストッパ部材の基端部分が前記第１円形孔にはめ込まれて固定され、かつ、前記ストッパ部材の先端部分が前記第２円形孔の内面との間に所定幅の隙間が生じるように前記第２円形孔の内側に位置するように形成されている。

かかる構成によれば、互いに断面が同心円となるように第１円形孔と第２円形孔を形成し、基端部分が第１円形孔に固定される寸法で、かつ、先端部分が第２円形孔の内面との間に所定幅の隙間が生じるような寸法になるようストッパ部材を形成するといった比較的簡単な加工を行えば、ストッパ部材の基端部分を第１円形孔に挿入するだけで、ストッパ部材を精度良く取り付けすることができる。よって、本発明によれば、ストッパ部材の取り付け作業を精度よく、かつ、容易に行うことができる。

また、上記のロードセルにおいて、前記第１円形孔と前記第２円形孔とは同じ内径であり、かつ、前記ストッパ部材の先端部分は基端部分よりも外径が小さくなるように形成されていてもよい。

また、上記のロードセルにおいて、前記第１円形孔は前記第２円形孔よりも内径が小さく、かつ、前記ストッパ部材の先端部分は基端部分と同じ外径になるように形成されていてもよい。

本発明によれば、ストッパ部材の取り付け作業を精度よく、かつ、容易に行うことができるロードセルを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るロードセルの斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るロードセルの製造方法を示した図である。 本発明の第２実施形態に係るロードセルの製造方法を示した図である。 一般的なロバーバル型のロードセルの概略を示した図である。 従来の過負荷防止機構を備えたロードセルの斜視図である。

以下、本発明に係るロードセルの実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
はじめに、本発明の第１実施形態に係るロードセル１について説明する。図１は本実施形態に係るロードセル１の斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係るロードセル１は、ロバーバル型のロードセルであって、上ビーム部２、下ビーム部３、固定部４、及び可動部５から成る矩形状（正確には矩形の板枠状）のロードセル本体６と、ストッパ部材７と、から主に構成されている。以下、各構成について順に説明する。

上ビーム部２は、矩形状のロードセル本体６のうち上部に位置し、水平方向に延在する部分である。上ビーム部２の内周面（下面）には、その固定部４側と可動部５側において、上ビーム部２の伸延方向に対して直角の方向に伸延する溝状の切欠部が形成されている。また、上ビーム部２の外周面（上面）のうち上記の切欠部に対応する位置には、ひずみゲージ８が貼着されている。なお、上ビーム部２を含むロードセル本体６、及びストッパ部材７は、例えば、全てアルミニウムを材料としている。ただし、ストッパ部材７の材料をロードセル本体６の材料よりも剛性の高いものにするなど、ストッパ部材７とロードセル本体６とを異なる材料にしてもよい。

下ビーム部３は、矩形状のロードセル本体６のうち下部に位置し、水平方向に延在する部分である。また、下ビーム部３は、上ビーム部２と対になるよう上ビーム部２に対して平行に形成されている。下ビーム部３の内周面（上面）は、その固定部４側と可動部５側において、下ビーム部３の伸延方向に対して直角の方向に伸延する溝状の切欠部が形成されている。また、下ビーム部３の外周面（下面）のうち上記の切欠部に対応する位置には、ひずみゲージ８（図２（ｄ）を参照）が貼着されている。

固定部４は、矩形状のロードセル本体６のうち一方側の側部に位置し、鉛直方向に延在する部分である。つまり、固定部４は、上ビーム部２と下ビーム部３の一端（紙面左側）同士を連結している。また、固定部４は、その外周面側において、例えば装置の本体など地面に対して変位しない静止体に接して固定される。そのため、ロードセル１に上下方向の負荷が加わったとしても、固定部４が変位することはない。また、固定部４の中央部分には第１円形孔９が形成されている。第１円形孔９は、断面が円形であって、その中心軸が上ビーム部２及び下ビーム部３に対して平行に伸延している。

可動部５は、矩形状のロードセル本体６のうち他方側の側部に位置し、鉛直方向に延在している部分である。つまり可動部５は、固定部４に対向するとともに、上ビーム部２と下ビーム部３の他端（紙面右側）同士を連結している。また、可動部５は、その上面、下面、又は外周面に、秤量の対象となる被計量物を載せるための計量台や計量容器などが取り付けられ、鉛直方向に負荷を受けて鉛直方向に変位する。さらに、可動部５の中央部分には第２円形孔１０が形成されている。第２円形孔１０は、断面が円形であって、その中心軸が第１円形孔９の中心軸と一致しており、また、内径も第１円形孔９の内径と一致している。つまり、第１円形孔９と第２円形孔１０は同軸同径に形成されている。

ストッパ部材７は、過負荷による破損を防ぐための部材である。ストッパ部材７は、断面が円形である円柱状の形状を有しており、基端部分が他の部分より大径に形成されている。そして、基端部分が第１円形孔９に嵌挿されて固定部４に固定されており、先端部分が第２円形孔１０の内側に所定幅の隙間が生じるように配設されている。これは、ストッパ部材７の基端部分が第１円形孔９に挿入されるとその内部で固定されるような寸法に形成され、また、先端部分が第２円形孔１０に挿入されるとその内面との間に所定幅の隙間が生じるような寸法に形成されているからである。なお、本実施形態では、ストッパ部材７の先端は可動部５の外周面から外方に突出しないように形成されている。例えば、ストッパ部材７の先端が可動部５の外周面から外方に突出していると、可動部５の外周面に計量台などを取り付ける際には障害になってしまうからである。

以上が本実施形態に係るロードセル１の構成である。以上のように、本実施形態に係るロードセル１は、ストッパ部材７の基端部分が第１円形孔９に嵌挿されて固定部４に固定されているとともに、先端部分が第２円形孔１０とわずかな隙間が生じるようにその内側に位置している。そのため、上記の隙間の幅だけ可動部５が変位すると、第２円形孔１０の内面がストッパ部材７の外面に接触し、可動部５の移動が制限される。よって、ロードセル１に過度な負荷がかかることによるロードセル１（ひずみゲージ８）の破損を防ぐことができる。

次に、本実施形態に係るロードセル１の製造工程について説明する。図２は、本実施形態に係るロードセル１の製造工程を示したものである。以下、図２の（ａ）〜（ｄ）に沿って順に製造工程を説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、ストッパ部材７を加工する。具体的には、ストッパ部材７を中心軸で回転させ、バイト等で側面を削る旋盤加工を行う。この旋盤加工では、第１円形孔９に挿入したときにストッパ部材７が固定されるようなはめあいになる寸法（以下、「第１寸法」と称す。）までストッパ部材７全体を切削する。その後、第２円形孔１０と所定幅の隙間が生じるような外径寸法になるまで、ストッパ部材７の基端部分以外の部分を切削する。なお、本実施形態では、第１寸法の領域の幅（長さ）は、固定部４の厚み程度になるよう加工している。

続いて、図２（ｂ）に示すように、ロードセル本体６を加工する。具体的には、フライス盤を用いて、ドリル等で直方体の材料をくり抜いて、上ビーム部２、下ビーム部３、固定部４、及び可動部５を成形する。ただし、上ビーム部２、下ビーム部３、固定部４、及び可動部５を別々に製造し、ねじを用いてこれらを組み立ててロードセル本体６を形成してもよい。その後、固定部４の外周面側又は可動部５の外周面側からドリルを通し、第１円形孔９と第２円形孔１０を同時に加工する。なお、第１円形孔９及び第２円形孔１０の内径は、ストッパ部材７の基端部分が挿入されたときにストッパ部材７の基端部分が固定されるような寸法に加工する。これにより、同径同軸である第１円形孔９及び第２円形孔１０が同時に形成される。

続いて、図２（ｃ）に示すように、ストッパ部材７を固定部４の外周面側からロードセル本体６に挿入していく。具体的には、ストッパ部材７を第１円形孔９へ挿入し、さらに第２円形孔１０に向かって挿入していく。ただし、ストッパ部材７の先端部分側から挿入するものとする。ストッパ部材７の先端部分は、その外径が第１円形孔９や第２円形孔１０の内径よりもよりも小さいため、ストッパ部材７の先端部分側から挿入すると第１円形孔９及び第２円形孔１０から抵抗を受けることなく作業を行えるからである。

続いて、図２（ｄ）に示すように、ストッパ部材７をロードセル本体６に固定する。具体的には、図２（ｃ）の状態からストッパ部材７をさらに可動部５側へ挿入する。上記のように、ストッパ部材７の基端部分は、第１円形孔９に圧入して固定されるような寸法に形成されている。そのため、ストッパ部材７の基端部分が第１円形孔９に挿入されると、ストッパ部材７は第１円形孔９に固定される。なお、ストッパ部材７が第１円形孔９から外周面側に突出している場合は、その部分を切断しても良い。ストッパ部材７は、その先端部分が第２円形孔１０に一部でも挿入されていれば、ストッパとしての機能を果すからである。そして、最後にひずみゲージ８を所定の位置に貼着すれば、本実施形態に係るロードセル１が完成する。

以上が、本実施形態に係るロードセル１の製造工程である。上記のように、第１円形孔９及び第２円形孔１０を互いの断面が同心円となるように形成する加工や、ストッパ部材７を所定の外径寸法に仕上げる作業は比較的容易に行うことができる。そして、このように加工されている限り、ストッパ部材７を第１円形孔９にはめ込むだけで、ストッパ部材７の先端部分を第２円形孔１０と隙間を生じるようにその内側に配置することができる。なお、このようなストッパ部材７の配置は、断面が円形の孔と円柱の組合せによってはじめて実現できる。なぜなら、断面が円形の孔と円柱の組合せは、断面が矩形の孔と角柱など他の形状の組合せに比べて、両者（孔と柱）の中心軸が高い精度で一致するからである。そのため、断面が円形の孔（本実施形態では第１円形孔９が相当）と同心円の断面形状を有する他の孔（本実施形態では第２円形孔１０が相当）についても、円柱（本実施形態ではストッパ部材７が相当）と中心軸が高い精度で一致するのである。よって、本実施形態に係るロードセル１によれば、ストッパ部材７の取り付け作業を精度よく、かつ、容易に行うことができる。

なお、ロードセルにかかる力には水平方向の成分が含まれている場合があり、このときロードセルは捻れた状態で上下方向へ変位する。図４や図５に示すような従来のロードセルでは、ロードセルが捻れるとストッパ部材とこれに対向する部材との鉛直方向における隙間（距離）が小さくなる。そのため、上下方向の変位量が少ないにもかかわらずストッパ部材が作用してしまうという現象が生じる。ところが、本実施形態によれば、ストッパ部材７及び第２円形孔１０はいずれも断面が円形であるため、ロードセル（ロードセル本体６）が捻れたとしても、ストッパ部材７と第２円形孔１０との鉛直方向の隙間（距離）が変化することはない。そのため、ロードセル（ロードセル本体６）が捻れているか否かにかかわらず、常に同じ変位位置でストッパ部材７が作用する。つまり、本実施形態によれば、ロードセルに捻れが生じた場合であっても、ストッパ部材を適切に機能させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るロードセル１について説明する。本実施形態に係るロードセル１は、第１実施形態に係るロードセル１と基本的に同じ構成を備えている。ただし、第１実施形態に係るロードセル１では第１円形孔９と第２円形孔１０とは内径が同じであり、ストッパ部材７の基端部分は先端部分よりも外径が大きく形成されていたのに対し、本実施形態に係るロードセル１では、第１円形孔９が第２円形孔１０よりも内径が小さく、ストッパ部材７は基端部分と先端部分の外径が同じである点で両者は構成が異なる。つまり、本実施形態に係るストッパ部材７は段のない円柱形状に、また、第１円形孔と第２円形孔の内径は異なるように形成されている。

より具体的には、本実施形態に係るストッパ部材７は、円柱の形状を有しており、第１円形孔９に挿入したときにその内部に固定されるような外径寸法に基端から先端まで均一に加工されている。一方、第１円形孔９は、ストッパ部材７が挿入されたときストッパ部材７が固定されるような内径寸法に加工され、第２円形孔１０は、ストッパ部材７が挿入されたときストッパ部材７との間に所定幅の隙間が生じるような内径寸法に加工されている。

本実施形態に係るロードセル１は以上のような構成を備えているが、この場合であっても、ストッパ部材７の基端部分が第１円形孔に固定されるとともに、先端部分が第２円形孔１０とわずかな隙間が生じるようにその内側に位置している。そのため、上記の隙間の幅だけ可動部５が変位すると、第２円形孔１０の内面がストッパ部材７の外面に接触し、可動部５の移動が制限される。よって、ロードセル１に過度な負荷がかかることによるロードセル１（ひずみゲージ８）の破損を防ぐことができる。

次に、本実施形態に係るロードセル１の製造工程について説明する。図３は、本実施形態に係るロードセル１の製造工程を示したものである。以下、図３の（ａ）〜（ｄ）に沿って順に製造工程を説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、ストッパ部材７を加工する。具体的には、ストッパ部材７を中心軸で回転させ、バイト等で側面を削る旋盤加工を行う。この旋盤加工では、第１円形孔９に挿入したときにストッパ部材が固定されるような寸法になるまでストッパ部材７を切削する。

続いて、図３（ｂ）に示すように、ロードセル本体６を加工する。具体的には、フライス盤を用いて、ドリル等で直方体の材料をくり抜いて、上ビーム部２、下ビーム部３、固定部４、及び可動部５を成形する。ただし、上ビーム部２、下ビーム部３、固定部４、及び可動部５を別々に製造し、ねじを用いてこれらを組み立ててロードセル本体６を形成してもよい。その後、固定部４の外周面側又は可動部５の外周面側からドリルを通し、第１円形孔９と第２円形孔１０を同時に加工する。さらに、第２円形孔については、ドリルを外径の大きいものに交換して第１円形孔の内径よりも内径が大きくなるように加工する。なお、第１円形孔９の内径は、ストッパ部材７が挿入されたときにストッパ部材７が固定されるような寸法に加工する。また、第２円形孔１０は、ストッパ部材７が圧入により挿入された場合に所定幅の隙間が生じるような寸法に加工する。これにより、同軸であるが内径の異なる第１円形孔９及び第２円形孔１０がそれぞれ固定部４及び可動部５に形成される。

続いて、図３（ｃ）に示すように、ストッパ部材７を可動部５の外周面側からロードセル本体６に挿入していく。具体的には、ストッパ部材７を第２円形孔１０へ挿入し、さらに第１円形孔９に向かって挿入していく。ストッパ部材７は、その外径が第２円形孔１０の内径よりもよりも小さいため、第１円形孔９に挿入するまでは抵抗無く挿入することができる。

続いて、図３（ｄ）に示すように、ストッパ部材７をロードセル本体６に固定する。具体的には、図３（ｃ）の状態からストッパ部材７をさらに固定部４側へ挿入する。上記のように、ストッパ部材７は、第１円形孔９に固定されるような寸法に形成されている。そのため、ストッパ部材７が第１円形孔９に挿入されると、ストッパ部材７は第１円形孔９に固定される。そして、最後にひずみゲージ８を所定の位置に貼着すれば、本実施形態に係るロードセル１が完成する。

以上が、本実施形態に係るロードセル１の製造方法である。上記のうように、第１円形孔９及び第２円形孔１０を互いの断面が同心円となるように形成する加工や、ストッパ部材７を所定の外径に仕上げる作業は比較的容易に行うことができる。そして、このように加工されている限り、ストッパ部材７を第１円形孔９にはめ込むだけで、ストッパ部材７を第２円形孔１０に隙間を生じるようにその内側に配置することができる。よって、本実施形態に係るロードセル１によれば、ストッパ部材７の取り付け作業を精度よく、かつ、容易に行うことができる。

以上、本発明に係る第１実施形態及び第２実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

本発明によれば、ストッパ部材の取り付け作業を精度よく、かつ、容易に行うことができるロードセルを提供することができる。よって、ロードセルの技術分野において有益である。

１ ロードセル
２ 上ビーム部
３ 下ビーム部
４ 固定部
５ 可動部
６ ロードセル本体
７ ストッパ部材
８ ひずみゲージ
９ 第１円形孔
１０ 第２円形孔

Claims (3)

1. 水平方向に延在する上ビーム部と、
   該上ビーム部の下方において該上ビーム部に対して平行に延在する下ビーム部と、
   該上ビーム部及び該下ビーム部の一端同士を連結するとともに、静止体に固定される固定部と、
   該上ビーム部及び該下ビーム部の他端同士を連結するとともに、鉛直方向の負荷を受けて鉛直方向に変位する可動部と、
   を備えたロバーバル型のロードセルであって、
   断面が円形である円柱状のストッパ部材をさらに備え、
   前記固定部には断面が円形である第１円形孔が形成されており、
   前記可動部には断面が円形であって、かつ、前記第１円形孔と同心である第２円形孔が形成されており、
   前記ストッパ部材の基端部分が前記第１円形孔にはめ込まれて固定され、かつ、前記ストッパ部材の先端部分が前記第２円形孔の内面との間に所定幅の隙間が生じるように前記第２円形孔の内側に位置するように形成されている、ロードセル。
2. 前記第１円形孔と前記第２円形孔とは同じ内径であり、かつ、前記ストッパ部材の先端部分は基端部分よりも外径が小さくなるように形成されている、請求項１に記載のロードセル。
3. 前記第１円形孔は前記第２円形孔よりも内径が小さく、かつ、前記ストッパ部材の先端部分は基端部分と同じ外径になるように形成されている、請求項１に記載のロードセル。

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