JP2013108792A - ロードセル - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみ検出手段により出力されるひずみ検出信号に含まれる誤差成分を減少させることが可能なロードセルを提供することを課題とする。
【解決手段】
本願発明に係るロードセルのひずみ検出手段７は、起歪部に貼着された４つの垂直用ひずみゲージＳＧ_１〜ＳＧ_４を含んで構成されるホイートストンブリッジ回路を備え、ホイートストンブリッジ回路の一辺に、起歪部の側面に貼着される垂直用ひずみゲージＳＧ_１と、垂直用ひずみゲージＳＧ_１が貼着された側面に隣接する側面に貼着される垂直用ひずみゲージＳＧ_２とが含まれ、ホイートストンブリッジ回路の一辺の対辺に垂直用ひずみゲージＳＧ_１が貼着された側面の背面である側面に貼着される垂直用ひずみゲージＳＧ_３と、垂直用ひずみゲージＳＧ_２が貼着された側面の背面である側面に貼着される垂直用ひずみゲージＳＧ_４とを含んで構成されていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、曲げモーメントの荷重によって起歪部に生じた曲げひずみを検出した場合、その曲げひずみによる誤差成分が少ないひずみ検出信号を出力するロードセルに関する。

従来から物体の重量を測定する重量測定装置として、ロードセルを用いたトラックスケールが広く一般に知られている。
ここで、ロードセルとは、作用した荷重を電気信号に変換する荷重変換器であり、一般に、荷重によりひずみが発生する起歪部を有する起歪体と、ひずみゲージによりひずみ量を検出して電気信号であるひずみ検出信号を出力するひずみ検出手段とを備えている。
そして、トラックスケールにおいて、トラックを載置する計量台の下方にロードセルが配置され、トラックの荷重により起歪部に発生したひずみ量をひずみ検出手段が検出することにより、トラックの重量を測定している。

ところで、トラックスケールにおいて、計量台の撓み又は計量台の移動に伴い、計量台の下方に配置されるロードセルが傾倒する場合があるが、ロードセルが傾倒すると、起歪体に曲げモーメントによる荷重が作用し、起歪体が湾曲する。なお、以下において、曲げモーメントによる荷重を、単に「曲げ荷重」と称する。また、曲げ荷重により起歪部に生じたひずみを「曲げひずみ」と称する。

そのため、ひずみ検出手段が起歪部に発生した曲げひずみを検出し、ひずみ検出信号に誤差成分が含まれてしまい、トラックの重量を正確に測定できないという問題があった。
これに対し、下記特許文献において、起歪部にひずみ検出手段のほかに、曲げひずみを検出する曲げひずみ検出手段が貼着されたロードセルが開示されている（特許文献１の明細書段落００４５、００４６参照）。
そして、曲げひずみ検出手段から出力される曲げひずみ検出信号に対応する曲げ荷重をメモリから抽出して、曲げ荷重の補償を行うことが開示されている（特許文献１の明細書段落００６０等参照）。

特開２０１０−１８５７４２号公報

ここで、従来から、高精細な重量測定を行うため、ひずみ検出手段により出力されるひずみ検出信号自体に含まれる誤差成分が少ないことが切望されている。

また、近年において、トラックスケールの低床化が望まれており、それに伴いロードセルの高さの短縮化が求められているが、ロードセルの高さを短縮化した場合、起歪体に作用する曲げ荷重の影響が大きくなり、ひずみ検出手段により出力されたひずみ検出信号に含まれる誤差成分も大きくなるという問題がある。
そのため、特に、高さが短縮化されたロードセルにおいては、ひずみ検出信号に含まれる誤差成分が少ないことが強く望まれている。

また、高さが短縮化されたロードセルによれば、荷重により起歪部に生じるひずみの分布範囲が極小化する。よって、高さが短縮化されたロードセルにおいては、上記特許文献１に開示されるように、ひずみ検出手段のほかに、さら曲げ荷重を検出する曲げひずみ検出手段を貼着すること自体が困難であるという問題がある。

また、上記特許文献１に記載される発明のように、ひずみ検出手段のほかに、さらに曲げひずみ検出手段を設けることは、部品点数の増加、及び製造工程の複雑化という問題を生じさせていた。

さらに、曲げひずみ検出手段を設けた場合、所定の曲げ荷重と、その所定の曲げ荷重をかけた場合に曲げひずみ検出手段により検出される曲げひずみ誤差信号との対応関係の情報をメモリに記憶しておく必要があり、メモリに記憶させるデータ量が増大した。

そこで、本発明は、前記する背景に鑑みて創案された発明であって、ひずみ検出手段により出力されるひずみ検出信号に含まれる誤差成分を減少させることが可能なロードセルを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本願発明に係るロードセルは、作用する荷重に応じたひずみ量が発生する起歪部と、前記起歪部に貼着され、前記起歪部に発生したひずみ量を検出し、ひずみ検出信号を出力するひずみ検出手段と、を備えるロードセルであって、前記起歪部は、４つの側面を有する四角柱に形成され、前記ひずみ検出手段は、前記起歪部の垂直方向のひずみを検出する４つの垂直用ひずみゲージを含んで構成されるホイートストンブリッジ回路であり、前記４つの垂直用ひずみゲージは、前記４つの側面における一の側面に貼着される第１の垂直用ひずみゲージと、前記４つの側面における側面であって、前記一の側面に隣接する２つの側面の一方である側面に貼着される第２の垂直用ひずみゲージと、前記４つの側面における側面であって、前記一の側面の背面側にある側面に貼着される第３の垂直用ひずみゲージと、前記４つの側面における側面であって、前記一の側面に隣接する２つの側面の他方である側面に貼着される第４の垂直用ひずみゲージと、から構成され、前記ホイートストンブリッジ回路は、前記ホイートストンブリッジ回路上における一辺に、前記第１の垂直用ひずみゲージと、前記第２の垂直用ひずみゲージとを含み、
前記ホイートストンブリッジ回路上における前記一辺の対辺に、前記第３の垂直用ひずみゲージと、前記第４の垂直用ひずみゲージとを含んでいることを特徴とする。

本願発明に係るロードセルによれば、起歪部である四角柱の４つの側面それぞれに貼着された垂直用ひずみゲージが、起歪部に発生した垂直方向のひずみ量を検出する。
また、ホイートストンブリッジ回路において、４つの垂直用ひずみゲージが一辺とその対辺に含まれるように構成されている。
よって、起歪部に荷重がかかった場合、４つの側面において垂直方向に圧縮されるようにひずみ、その圧縮ひずみを垂直用ひずみゲージが検出して抵抗値が下がることとなる。そして、ホイートストンブリッジ回路上において、垂直用ひずみゲージを含む一辺とその対辺との合成抵抗値が下がり、ひずみ量に対応した電位差であるひずみ検出信号を出力できる。

ここで、本願発明に係るひずみ検出手段は、４つの側面に貼着される４つの垂直用ひずみゲージのそれぞれが、背面側にある垂直用ひずみゲージと、ホイートストンブリッジ回路上において、一辺とその対辺に配置されるように構成されている。
よって、起歪部に曲げ荷重がかかり、４つの側面のうち１つの側面に圧縮する圧縮荷重が作用し、また、その側面の背面側にある側面には引張荷重が作用し、垂直用ひずみゲージが、圧縮荷重による曲げひずみと引張荷重による曲げひずみを検出しても、ホイートストンブリッジ回路の特性によりキャンセルされる。
そのため、本発明においては、圧縮荷重と引張荷重の曲げひずみを検出したことによる誤差成分が含まないひずみ検出信号を出力することができる。

一方で、圧縮荷重と引張荷重が作用しない側面においては、曲げ荷重による偏荷重が作用し、その側面に貼着された垂直用ひずみゲージが偏荷重による曲げひずみを検出し、抵抗値が変化することとなる。
ここで、本願発明に係るホイートストンブッリジ回路における一辺とその対辺は、ある側面に貼着された垂直用ひずみゲージと、その側面に隣接する一方の側面に貼着された垂直用ひずみゲージとを含んでおり、１つの垂直用ひずみゲージを含んで構成されている場合に比べて、高い合成抵抗値となっている。
そのため、本発明においては、偏荷重による曲げひずみを検出して抵抗値が変化したとしても、本願発明のホイートストンブリッジ回路上の一辺とその対辺の合成抵抗値において変化する割合が小さいため、偏荷重の曲げひずみを検出したことによる誤差成分が減少したひずみ検出信号を出力することができる。

また、請求項２に係るロードセルは、前記ひずみ検出手段は、前記起歪部の水平方向のひずみを検出する４つの水平用ひずみゲージをさらに備えており、前記４つの水平用ひずみゲージは、前記一の側面に貼着される第１の水平用ひずみゲージと、前記４つの側面における側面であって、前記一の側面に隣接する２つの側面の一方である側面に貼着される第２の水平用ひずみゲージと、前記４つの側面における側面であって、前記一の側面の背面側にある側面に貼着される第３の水平用ひずみゲージと、前記４つの側面における側面であって、前記一の側面に隣接する２つの側面の他方である側面に貼着される第４の水平用ひずみゲージと、から構成され、前記ホイートストンブリッジ回路は、前記ホイートストンブリッジ回路上における前記一辺とその対辺とに隣り合う他辺に、前記第１の水平用ひずみゲージと、前記第２の水平用ひずみゲージとを含み、前記ホイートストンブリッジ回路上における前記他辺の対辺に、前記第３の水平用ひずみゲージと、前記第４の水平用ひずみゲージとを含んでいることを特徴とする。

請求項２に係るロードセルによれば、起歪部である四角柱の４つの側面それぞれに貼着された水平用ひずみゲージが、起歪部に発生した水平方向のひずみ量を検出する。
また、ホイートストンブリッジ回路において、４つの水平用ひずみゲージが他辺とその対辺に含まれるように構成されている。
よって、起歪部に荷重がかかった場合、４つの側面において水平方向に引っ張られて伸張し、その伸張ひずみを水平用ひずみゲージが検出して抵抗値が上がることとなる。そして、ホイートストンブリッジ回路上において、水平用ひずみゲージを含む他辺とその対辺との合成抵抗値が上がり、ひずみ量に対応した電位差であるひずみ検出信号を出力できる。

また、請求項２に係るひずみ検出手段は、４つの側面に貼着される４つの水平用ひずみゲージのそれぞれが、背面側にある水平用ひずみゲージと、ホイートストンブリッジ回路上において、他辺とその対辺に配置されるように構成されている。
よって、起歪部に曲げ荷重がかかり、４つの側面のうち１つの側面に圧縮する圧縮荷重が作用し、また、その側面の背面側にある側面には引張荷重が作用し、水平用ひずみゲージが、圧縮荷重による曲げひずみと引張荷重による曲げひずみを検出しても、ホイートストンブリッジ回路の特性によりキャンセルされる。
そのため、本発明においては、圧縮荷重と引張荷重の曲げひずみを検出したことによる誤差成分が含まないひずみ検出信号を出力することができる。

一方で、圧縮荷重と引張荷重が作用しない側面においては、曲げ荷重による偏荷重が作用し、その側面に貼着された水平用ひずみゲージが偏荷重による曲げひずみを検出し、抵抗値が変化することとなる。
ここで、本願発明に係るホイートストンブッリジ回路における他辺とその対辺は、ある側面に貼着された水平用ひずみゲージと、その側面に隣接する一方の側面に貼着された水平用ひずみゲージとを含んでおり、１つの水平用ひずみゲージを含んで構成されている場合に比べて、高い合成抵抗値となっている。
そのため、本発明においては、偏荷重による曲げひずみを検出して抵抗値が変化したとしても、本願発明のホイートストンブリッジ回路上の他辺とその対辺の合成抵抗値において変化する割合が小さいため、偏荷重の曲げひずみを検出したことによる誤差成分が減少したひずみ検出信号を出力することができる。

以上、本発明によれば、ひずみ検出手段により出力されるひずみ検出信号に含まれる誤差成分を少なくすることができるロードセルを提供することができる。

また、本発明によれば、高さが短縮化されたロードセルに適用すれば、ロードセルがひずみ検出信号に含まれる誤差成分を大きく減少させることができるため、より大きな効果を得ることができる。

さらに、本発明によれば、従来技術のように、ひずみ検出手段のほかに、さらに曲げひずみ検出手段を設ける必要がないため、部品点数の増加、製造工程の複雑化、及び、メモリに記憶させるデータ量の増大という問題を回避できる。

実施形態に係るトラックスケールの外観を示す外観図であり、（ａ）は、トラックスケールを正面から見た正面図であり、（ｂ）は、トラックスケールを上方から見た平面図である。 （ａ）は、図１（ａ）の一点鎖線Ａで囲まれた範囲に含まれるロードセルを拡大した拡大図であり、（ｂ）は、図１（ｂ）のＢ−Ｂ線で切った場合のロードセルの断面を示す断面図である。 実施形態に係る起歪部の各面を示す図であり、（ａ）は左側面を示す図、（ｂ）は正面を示す図、（ｃ）は右側面を示す図、（ｄ）は背面を示す図である。 実施形態に係るひずみ検出手段のホイートストンブリッジ回路を示す回路図である。 荷重の変化による、ひずみ検出信号の最大許容誤差を示すグラフであり、（ａ）は、実施例に係るロードセルによるデータ、であり、（ｂ）は比較例に係るロードセルによるデータである。

次に、本発明のロードセルを備えたトラックスケールについて、図面を適宜参照しながら説明する。なお、実施形態のロードセルの説明において、技術的に同一要素であるものについては、同一の符号を付している。

トラックスケール１は、図１に示すように、トラックＴを上方に載置して、トラックＴの重量を測定する装置であり、トラックＴが載置される計量台２と、その計量台２の下方に配置されて、計量台２を支持する４つのロードセル３と、ロードセル３から送出したひずみ検出信号を受けてトラックＴの重量を算出する算出部（不図示）とから構成されている。以下、トラックスケール１を構成する各構成について説明する。

計量台２は、図１（ｂ）に示すように、平面視で略矩形の平板であり、上方にトラックＴが載置される。また、図２（ａ）に示すように、計量台２の四隅近傍のそれぞれであって底面側に、一対の支持部５が配置されている。この一対の支持部５は、ロードセル３を支持するための部品であり、中心部が貫孔しており、この中心部にロードセル３の上部と下部が収納して、ロードセル３が所定の位置からずれないように支持している。

ロードセル３は、作用した荷重を電気信号であるひずみ検出信号に変換し、算出部に送出するためのものである。ロードセル３は、図１（ｂ）に示すように、計量台２の四隅に配置されて、計量台２を支持しており、計量台２に載置されたトラックＴの重量に相当する荷重が４つのロードセル３に分散して作用するように構成されている。
また、ロードセル３は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、上下方向に長い起歪体６と、その起歪体６に貼着されたひずみゲージＳＧ_１〜ＳＧ_８（図３参照）を有するひずみ検出手段７（図４参照）と、回路基板８と、カバー９と、起歪体６の両端に取り付けられた荷重伝達部材１０とを備える。

起歪体６は、図２（ｂ）に示すように、上下方向に延伸しているとともに、上下方向の両端部１１に比べて、中央部である起歪部１２が凹んだ形状に形成された部品である。

起歪部１２は、上下方向から見た断面形状が四角形である四角柱に形成されており、図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、４つの側面１２ａ〜１２ｄを有している。なお、説明の都合上、側面１２ａ〜１２ｄについて、図２に示すロードセル３を正面から見た場合における起歪部１２の左側の側面を左側面１２ａ、正面側から見える側面を正面１２ｂ、右側の側面を右側面１２ｃと、正面１２ｂの背面を背面１２ｄと称する。

また、起歪部１２は、トラックＴの荷重が作用することによりひずみが発生する部分であり、具体的に、起歪部１２に荷重がかかった場合、垂直方向に圧縮されるとともに水平方向に伸張され、四角柱を構成するそれぞれの側面１２ａ〜１２ｄに、垂直方向の圧縮ひずみと、水平方向の伸張ひずみが生じる。

一方で、図２（ａ）に示すように、計量台２が左側に向かって変位する力Ｆ_１が作用し、ロードセル３が左側に傾倒した場合において、曲げ荷重Ｆ_２〜Ｆ_４が起歪部１２に作用する。

ここで、曲げ荷重Ｆ_２は、起歪部１２の左側面１２ａ（図３（ａ）参照）に作用して、左側面１２ａ（図３（ａ）参照）を上下方向に圧縮させて、垂直方向の圧縮曲げひずみと水平方向に伸張曲げひずみを生じさせる。なお、以下において、曲げ荷重Ｆ_２を単に「圧縮荷重Ｆ_２」と称する。
また、曲げ荷重Ｆ_３は、起歪部１２の右側面１２ｃ（図３（ｃ）参照）に作用して、右側面１２ｃを上下方向に引っ張るように伸張させ、垂直方向の伸張曲げひずみと水平方向に圧縮曲げひずみを生じさせる。なお、以下において、曲げ荷重Ｆ_３を単に「引張荷重Ｆ_３」と称する。

一方で、曲げ荷重Ｆ_４は、正面１２ｂと背面１２ｄに作用し、垂直方向の圧縮曲げひずみと水平方向の伸張曲げひずみを生じさせる。なお、曲げ荷重Ｆ_４を単に「偏荷重Ｆ_４」と称して説明することとする。
ただし、偏荷重Ｆ_４は、圧縮荷重Ｆ_２に比べて荷重が小さいため、正面１２ｂと背面１２ｄに生じる曲げひずみは、右側面１２ｃに生じるひずみ量よりも小さい。

また、起歪体６における両端部１１は、円柱形に形成されて、図２（ｂ）に示すように、荷重伝達部材１０に結合する部分であり、荷重により形状が変形しないように、水平方向における断面積が、起歪部１２の水平方向の断面積より大きくなるように形成されている。

図４に示すひずみ検出手段７は、荷重により起歪部１２に生じた垂直方向の垂直ひずみと水平方向の水平ひずみを検出するための手段であり、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、垂直ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_１〜ＳＧ_４と、水平ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_５〜ＳＧ_８とが四角柱である起歪部１２の４つの側面１２ａ〜１２ｄに貼着されている。

より詳細に説明すると、図３（ａ）に示すように、起歪部１２の左側面１２ａには、ひずみゲージＳＧ_１とひずみゲージＳＧ_５とが貼着されている。また、図３（ｂ）〜（ｄ）に示すように、起歪部１２の正面１２ｂには、ひずみゲージＳＧ_２とひずみゲージＳＧ_６とが貼着され、起歪部１２の右側面１２ｃには、ひずみゲージＳＧ_３とひずみゲージＳＧ_７とが貼着され、起歪部１２の背面１２ｄには、ひずみゲージＳＧ_４とひずみゲージＳＧ_８とが貼着されている。

そして、起歪部１２に貼着されるひずみゲージＳＧ_１〜ひずみゲージＳＧ_８は、図示しない配線により接続され、図４に示すようなホイートストンブリッジ回路を構成するように構成されている。

具体的に、ホイートストンブリッジ回路は、図４に示すように、ホイートストンブリッジ回路を構成する４辺における一辺とその対辺とに、また、一辺とその対辺との間にある他辺とその対辺とに、検出するひずみの方向が同種であるひずみゲージが含まれるように構成されている。

つまり、左側面１２ａに貼着されて垂直ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_１と、正面１２ｂに貼着されて垂直ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_２とが一辺に含まれており、その対辺には、右側面１２ｃに貼着されて垂直ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_３と、背面１２ｄに貼着されて垂直ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_４とが含まれるように構成されている。

また、他辺に、左側面１２ａに貼着されて水平ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_５と、正面１２ｂに貼着されて水平ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_６とが含まれており、その対辺には、右側面１２ｃに貼着されて水平ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_７と、背面１２ｄに貼着されて水平ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_８とが含まれるように構成されている。

このホイートストンブリッジ回路によれば、トラックＴの荷重が作用した場合、垂直方向において圧縮するようにひずむため、ひずみゲージＳＧ_１、ＳＧ_２を含む一辺の合成抵抗値Ｒ２と、ひずみゲージＳＧ_３、ＳＧ_４を含むその対辺の合成抵抗値Ｒ４とが下がる。
また、トラックＴの荷重が作用することにより、水平方向において伸張するようにひずむため、ひずみゲージＳＧ_５、ＳＧ_６を含む他辺の合成抵抗値Ｒ１と、ひずみゲージＳＧ_７、ＳＧ_８を含むその対辺の合成抵抗値Ｒ３とが上がる。よって、接続点ａ、ｂには、検出したひずみ量に対応する出力電圧Ｖ_ｅが生じ、ひずみ検出信号を出力することができる。

また、ひずみ検出手段７のホイートストンブリッジ回路は、図４に示すように、左側面１２ａに貼着されるひずみゲージＳＧ_１と、その背面側である右側面１２ｃに貼着されるひずみゲージＳＧ_３とが、対辺となるように構成されている。
同様に、ひずみゲージＳＧ_２は、背面側にあるひずみゲージＳＧ_４と対辺となるように構成されている。また、水平方向のひずみを検出するひずみゲージＳＧ_５〜ひずみゲージＳＧ_８においても、ひずみゲージＳＧ_５とひずみゲージＳＧ_７とが対辺となるように構成され、ひずみゲージＳＧ_６とひずみゲージＳＧ_８とが対辺となるように構成されている。

上記するような構成によれば、例えば、図２（ａ）に示すように、一方の面側には圧縮荷重Ｆ_２が作用し、その背面側には引張荷重Ｆ_３が作用した場合、左側面１２ａが垂直方向に圧縮されるため、ひずみゲージＳＧ_１は圧縮し、また、右側面１２ｃが垂直方向に引っ張られるため、ひずみゲージＳＧ_３は伸張する。
その結果、ひずみゲージＳＧ_１は、抵抗値が下がり、ひずみゲージＳＧ_３は、抵抗値が上がることとなる。また、通常、力Ｆ_１を原因とする圧縮荷重Ｆ_２と引張荷重Ｆ_３により、ひずみゲージＳＧ_１の抵抗値の変化量と、ひずみゲージＳＧ_３の抵抗値の変化量は、略同じ程度変化する。

ここで、ホイートストンブリッジ回路の特性により、一辺の抵抗値が上がったとしても、その対辺側の抵抗値が下がり、かつ、一辺と対辺との抵抗値の変化量が同じである場合に、ホイートストンブリッジ回路から出力される出力電圧Ｖ_ｅの変化が、極めて微小なものとなる。
そのため、圧縮荷重Ｆ_２と引張荷重Ｆ_３とにより、ひずみゲージＳＧ_１とひずみゲージＳＧ_３の抵抗値が変化したとしても、実施形態のホイートストンブリッジ回路においては、出力電圧Ｖ_ｅは、極めて微小な程度しか変化しない。
よって、ひずみ検出手段７によれば、圧縮荷重Ｆ_２と引張荷重Ｆ_３とによる曲げひずみを検出したとしても、ホイートストンブリッジ回路のより実質上キャンセルされるため、圧縮荷重Ｆ_２と引張荷重Ｆ_３とにおける誤差成分を含まない出力電圧Ｖ_ｅを出力することが可能となる。

なお、正面１２ｂと背面１２ｄには偏荷重Ｆ_４が作用し、ひずみゲージＳＧ_２、ＳＧ_４が圧縮することとなる。また、ひずみゲージＳＧ_２、ＳＧ_４との抵抗値の変化量は同じとなる。しかしながら、ひずみゲージＳＧ_２とひずみゲージＳＧ_４との両者ともに、抵抗値が下がるため、上記するホイートストンブリッジの特性が適用される場合に該当しない。よって、ひずみゲージＳＧ_２とひずみゲージＳＧ_４は一辺と対辺に配置されるものの、偏荷重Ｆ_４による曲げひずみを検出した場合には、出力電圧Ｖ_ｅには、その曲げひずみによる誤差成分が含まれることとなる。

よって、本実施形態のホイートストンブリッジ回路においては、偏荷重Ｆ_４による出力信号の誤差成分を減少させるため、一辺に、ひずみゲージＳＧ_１とひずみゲージＳＧ_２とが含まれ、その対辺に、ひずみゲージＳＧ_３とひずみゲージＳＧ_４とが含まれるように構成されている。
また、ホイートストンブリッジ回路の他辺に、ひずみゲージＳＧ_５とひずみゲージＳＧ_６とが含まれ、その対辺に、ひずみゲージＳＧ_７とひずみゲージＳＧ_８とが含まれるように構成されている。

上記構成の場合、ホイートストンブリッジ回路の各辺における合成抵抗値Ｒ１〜Ｒ４は、二つのひずみゲージの抵抗値を合計した値となり、ホイートストンブリッジ回路の各辺に含まれるひずみゲージが１つの場合に比べて、合成抵抗値が大きくなる。
そのため、ホイートストンブリッジ回路において、例えば、一辺に含まれるひずみゲージＳＧ２の抵抗値が変化しても、その辺の合成抵抗値Ｒ２における変化する割合が小さくなり、出力電圧Ｖ_ｅに与える影響も小さくなる。

つまり、ホイートストンブリッジ回路において、偏荷重Ｆ_４による曲げひずみを検出するひずみゲージＳＧ_２の一辺に、さらに偏荷重Ｆ_４による曲りを検出しないひずみゲージＳＧ_１を含むように構成することによって、出力電圧Ｖ_ｅに含まれる誤差成分を減少させることが可能となる。

以上より、ひずみ検出手段７によれば、曲げ荷重Ｆ_２〜Ｆ_４が作用して曲げひずみを検出したとしても、接続点ａ、ｂの電位差である出力電圧Ｖ_ｅに含まれる誤差成分を減少させることが可能となる。

そのほか、図２に示す回路基板８は、ひずみ検出手段７におけるホイートストンブリッジ回路に電圧Ｖ_Ｅを印加する電源と、ホイートストンブリッジ回路における接続点ａ、ｂに接続して、ひずみ検出信号を出力するための回路を備えている。
また、図２に示すカバー９は、内部に配置される起歪部１２と回路基板８とを覆うための部材である。
また、荷重伝達部材１０は、起歪体６の両端に取り付けられて、計量台２下面に当接し、計量台２に載置されたトラックＴによる荷重を起歪体６に伝達するための部材である。

次に、ひずみ検出信号を受信する算出部について簡単に説明する。特に図示しないが、算出部は、ひずみ検出信号の出力を増幅させる増幅器と、増幅されたひずみ検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、そのデジタル信号から荷重を算出する算出手段とを備えて構成されている。
ここで、算出手段は、ひずみ検出信号の出力値である電圧値とその電圧値との対応関係を示す重量とを示す情報が記憶された記憶部を備えており、その記憶部から電圧値に対応した重量を抽出し、外部の表示装置などに出力して、操作者に視認可能に提示する。

以上、実施形態に係るトラックスケール１の構成について説明したが、次に、実施形態に係るひずみ検出手段７から出力されるひずみ検出信号である出力電圧Ｖ_ｅについて、具体的な数値を用いて説明する。
なお、条件として、ひずみゲージＳＧ_１〜ＳＧ_８の抵抗値を３５０Ωとし、ひずみ１，０００μｓｔに対応して、ひずみゲージＳＧ_１〜ＳＧ_８の抵抗値が１Ω変化するものとする。また、１トンの荷重が起歪体６に作用した場合、起歪部１２に生じる垂直方向の圧縮ひずみを−１００μｓｔ、水平方向の伸張ひずみを＋３０μｓｔとする。
そして、上記条件下において、ホイートストンブリッジ回路に印加される電圧Ｖ_Ｅに対するひずみ検出信号の出力電圧Ｖ_ｅの出力比（Ｖ_ｅ／Ｖ_Ｅ）を算出した。

ここで、１０トンの荷重が作用するとする（曲げ荷重Ｆ_２〜Ｆ_４はなし。）。この場合、起歪部１２に生じる垂直方向の圧縮ひずみが−１，０００μｓｔ、水平方向の伸張ひずみが＋３００μｓｔとなる。
よって、ひずみゲージＳＧ_１〜ＳＧ_４は、下記表１に示すように、抵抗値が１Ω下がり、
ひずみゲージＳＧ_５〜ＳＧ_８は、抵抗値が０．３Ω上がるため、ホイートストンブリッジ回路を構成する各辺の合成抵抗値Ｒ１〜Ｒ４は、下記表２に示すような値となる。

以上より、算出された合成抵抗Ｒ１〜Ｒ４における抵抗値を、下記数式１により計算すると、出力比（Ｖ_ｅ／Ｖ_Ｅ）は１．８５９ｍＶ／Ｖとなる。

次に、１０トンの荷重のほかに、曲げ荷重Ｆ_２〜Ｆ_４がかかった場合について算出する。
ここで、圧縮荷重Ｆ_２により、左側面１２ａには、垂直方向の圧縮曲げひずみとして−１００μｓｔが発生したとし、また、引張荷重Ｆ_３により、右側面１２ｃには、垂直方向の伸張曲げひずみとして＋１００μｓｔが発生するとする。
また、偏荷重Ｆ_４により、正面１２ｂと背面１２ｄには、垂直方向の圧縮曲げひずみとして−５０μｓｔがさらに発生するものとする。
なお、側面１２ａ〜１２ｄには、水平方向に微小な曲げひずみが生じるが、計算上無視するものとする。
上記条件の場合、ひずみゲージＳＧ_１〜ＳＧ_８は、表３に示すような抵抗値となる。また、ホイートストンブリッジ回路を構成する各辺の合成抵抗値Ｒ１〜Ｒ４は、下記表４に示すとおりである。

以上より、合成抵抗Ｒ１〜Ｒ４を記数式１により計算すると、出力比（Ｖ_ｅ／Ｖ_Ｅ）が１．８９５ｍＶ／Ｖとなる。
よって、本実施形態に係るひずみ検出手段７によれば、１．８５９ｍＶ／Ｖをひずみ検出信号の理想とする出力値とした場合、約２％の出力が増加した出力値となる。

次に、上記した実施形態のひずみ検出手段７によるひずみ検出信号に含まれる誤差成分がどの程度減少したのかを説明するため、従来のひずみ検出手段によるひずみ検出信号の出力比（Ｖ_ｅ／Ｖ_Ｅ）を算出する。
なお、従来のひずみ検出手段は、本実施形態のロードセル３を用いて説明すると、起歪部１２の側面１２ａ〜１２ｄの４面における２面に、それぞれ２つずつのひずみゲージを設けることによりひずみ量の検出を行っていた。
つまり、実施形態における起歪部１２の左側面１２ａと右側面１２ｃとのそれぞれに、垂直ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_１、ＳＧ_３と、水平ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_５、ＳＧ_７とに相当するひずみゲージが貼着され、ホイートストンブリッジ回路を構成していた。

そして、従来のロードセルに、実施形態のロードセルと同じ荷重（上記する１０トンの荷重と曲げ荷重Ｆ_２〜Ｆ_４との合計）が作用した場合のひずみ検出信号の出力比（Ｖ_ｅ／Ｖ_Ｅ）を算出した。
なお、１０トンの荷重により、起歪部に生じる垂直方向の圧縮ひずみが−１，０００μｓｔ、水平方向の伸張ひずみが＋３００μｓｔとなる。
また、曲げ荷重においては、圧縮荷重Ｆ_２により、左側面１２ａに垂直方向の圧縮曲げひずみとして−１００μｓｔが発生し、引張荷重Ｆ_３により、右側面１２ｃに垂直方向の伸張曲げひずみとして＋１００μｓｔが発生する。また、偏荷重Ｆ_４により、正面１２ｂと背面１２ｄに、垂直方向の圧縮曲げひずみとして−５０μｓｔが発生するが、ひずみゲージが貼着されていないので、検出されない。また、側面１２ａ、１２ｃには、水平方向に微小な曲げひずみが生じるが、計算上無視するものとする。

そして、この場合におけるひずみゲージＳＧ_１、ＳＧ_３と、水平ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_５、ＳＧ_７との抵抗値は、下記の表５に示す値となる。そして、従来のひずみ検出手段のホイートストンブリッジ回路を構成する各辺の抵抗値は、以下の表６に示すようになる。

表６による抵抗Ｒ１〜Ｒ４を上記数式１に代入すると、ひずみ検出信号の出力比は、１．８５９ｍＶ／Ｖ（Ｖ_ｅ／Ｖ_Ｅ）ととなり、理想とする１．８５９ｍＶ／Ｖと同じ値となる。
これは、ひずみゲージＳＧ_１、ＳＧ_３と、水平ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_５、ＳＧ_７とが貼着された左側面１２ａと右側面１２ｃには、曲げ荷重における圧縮荷重Ｆ_２と引張荷重Ｆ_３とが作用する面であって、偏荷重Ｆ_４による曲げひずみを検出していない。
よって、上記するように、ホイートストンブリッジ回路による特性により、圧縮荷重Ｆ_２と引張荷重Ｆ_３により生じた曲げひずみの誤差成分がキャンセルされたため、理想とする１．８５９ｍＶ／Ｖと同じ値となる。

次に、曲げ荷重の向きが変化した場合について求める。具体的に、従来のロードセルに、１０トンの荷重のほかに、圧縮荷重Ｆ_２が正面１２ｂに作用し、引張荷重Ｆ_３が背面１２ｄに作用し、そして、左側面１２ａと右側面１２ｃとのそれぞれに偏荷重Ｆ_４が作用した場合におけるひずみ検出手段によるひずみ検出信号の出力比（Ｖ_ｅ／Ｖ_Ｅ）を算出する。
なお、１０トンの荷重により、起歪部に生じる垂直方向の圧縮ひずみが−１，０００μｓｔ、水平方向の伸張ひずみが＋３００μｓｔとなる。
また、曲げ荷重においては、偏荷重Ｆ_４により、左側面１２ａと右側面１２ｃに、垂直方向の圧縮曲げひずみとして、−５０μｓｔが発生する。なお、圧縮荷重Ｆ_２により、正面１２ｂに垂直方向の圧縮曲げひずみとして−１００μｓｔが発生し、引張荷重Ｆ_３により、背面１２ｄに垂直方向の伸張曲げひずみとして＋１００μｓｔが発生するが、正面１２ｂと背面１２ｄには、ひずみゲージが貼着されていないので、検出されない。また、側面１２ａ、１２ｃには、水平方向に微小な曲げひずみが生じるが、計算上無視するものとする。
そして、この場合におけるひずみゲージＳＧ_１、ＳＧ_３と、水平ひずみを検出するひずみゲージＳＧ_５、ＳＧ_７との抵抗値は、下記の表７に示す値となる。そして、従来のひずみ検出手段のホイートストンブリッジ回路を構成する各辺の抵抗値は、以下の表８に示すようになる。

表８の数値を上記数式１に代入して計算すると、出力比（Ｖ_ｅ／Ｖ_Ｅ）が１．９３１ｍＶ／Ｖとなる。これは、１．８５９ｍＶ／Ｖを理想とするひずみ検出信号の出力値とした場合、約４％の出力が増加した出力値となる。
つまり、従来のロードセルのひずみ検出手段によれば、偏荷重Ｆ_４による曲げひずみを検出した場合には、曲げひずみによる誤差成分がそのままひずみ検出信号に含まれ、理想とする出力値と大きく離れることとなる。

以上より、従来のひずみ検出手段は、偏荷重Ｆ_４が作用する方向によって誤差成分がないとする理想の出力値に対して、約４％の誤差を含むひずみ検出信号を出力するおそれがあるが、本願発明によれば、常に理想の出力値に対して約２％の誤差を含むひずみ検出信号を出力し、誤差成分が半分に減少することがわかる。

以上より、本実施形態のロードセル３によれば、ひずみゲージＳＧ_１〜ＳＧ_８により曲げひずみを検出するものの、ひずみ検出手段７から出力されるひずみ検出信号に含まれる誤差成分を減少させて出力することができるという優れた効果を奏する。

また、実施形態のロードセル３の構成を、高さが短縮化され、ひずみ検出信号に含まれる誤差成分も大きいロードセルに適用すれば、より大きな効果を得ることができる。

また、実施形態のロードセル３によれば、従来技術のように、ひずみ検出手段のほかに、さらに曲げひずみ検出手段を設ける必要がないため、部品点数の増加、製造工程の複雑化、及び、メモリに記憶させるデータ量の増大、という問題を回避できるものである。

なお、本発明は、実施形態で説明したロードセル３及びロードセル３を備えたトラックスケール１に限るものでなく、本発明における作用効果を生じれば、適宜変形させてもよい。

次に、図５を参照しながら、ロードセルの実施例について説明する。
実施例は、ロードセルにかける荷重を１０トンまで増大させ、そして、１０トンから０トンまで荷重を減少させた場合、ロードセルから出力されるひずみ検出信号の検出を行い、理想とする出力値との最大許容誤差（ｍａｘｉｍｕｍ ｐｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅ ｅｒｒｏｒ。以下、単に「ｍｐｅ」と称する。）を算出した。そして、この荷重の増減に対応するｍｐｅの結果が、図５（ａ）に示すグラフである。

なお、グラフにおける縦軸はｍｐｅであり、横軸はロードセルにかけられた荷重を示す。
また、温度状況を変化させて測定した。なお、測定温度は、４０℃、２０℃、−１０℃と下げていき、そして、２０℃（図５において、「２０℃ｒｅ」を表記したものに対応する。）に戻して、ｍｐｅについても算出した。

図５（ａ）に示すグラフによれば、例えば、−１０℃の条件下における荷重の増減を示す直線が２つあるが、荷重が４トンの場合に、下側にある直線が、荷重を増加させた場合のｍｐｅを示し、上側にある直線が荷重を減少させた場合のｍｐｅを示す。さらに、ロードセルに対して特に曲げ荷重をかけるために、計量台を移動させることは行っていない。
なお、図５（ｂ）に示すように、比較例として、起歪体の４面における２面に４つのひずみゲージを貼着した従来技術のロードセルから出力されたひずみ検出信号のｍｐｅについても算出した。

図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照すると、全体的に、実施例のロードセルと比較例のロードセルの両者ともに、ｍｐｅ＝０とはなっていない。これは、荷重をかける際の揺れが曲げ荷重としてロードセルに作用し、誤差成分として入力されるためである。
ここで、図５（ａ）に示されるように、実施例におけるロードセルのひずみ検出信号は、比較例のロードセルに比べて、理想とする出力（ｍｐｅ＝０）からのずれ幅が小さい。よって、比較例に比べて誤差成分の影響が減少していることが分かる。
また、実施例のロードセルは、上側と下側の曲線幅が小さく、安定したひずみ検出信号を出力しており、比較例のロードセルに比べ高精度であることがわかる。

１ トラックスケール
２ 計量台
３ ロードセル
６ 起歪体
７ ひずみ検出手段
１２ 起歪部
ＳＧ_１〜ＳＧ_８ ひずみゲージ
Ｔ トラック

Claims (2)

1. 作用する荷重に応じたひずみ量が発生する起歪部と、
   前記起歪部に貼着され、前記起歪部に発生したひずみ量を検出し、ひずみ検出信号を出力するひずみ検出手段と、を備えるロードセルであって、
   前記起歪部は、４つの側面を有する四角柱に形成され、
   前記ひずみ検出手段は、前記起歪部の垂直方向のひずみを検出する４つの垂直用ひずみゲージを含んで構成されるホイートストンブリッジ回路であり、
   前記４つの垂直用ひずみゲージは、
   前記４つの側面における一の側面に貼着される第１の垂直用ひずみゲージと、
   前記４つの側面における側面であって、前記一の側面に隣接する２つの側面のうち一方の側面に貼着される第２の垂直用ひずみゲージと、
   前記４つの側面における側面であって、前記一の側面の背面側にある側面に貼着される第３の垂直用ひずみゲージと、
   前記４つの側面における側面であって、前記一の側面に隣接する２つの側面のうち他方の側面に貼着される第４の垂直用ひずみゲージと、から構成され、
   前記ホイートストンブリッジ回路は、
   前記ホイートストンブリッジ回路上における一辺に、
   前記第１の垂直用ひずみゲージと、前記第２の垂直用ひずみゲージとを含み、
   前記ホイートストンブリッジ回路上における前記一辺の対辺に、
   前記第３の垂直用ひずみゲージと、前記第４の垂直用ひずみゲージとを含んでいることを特徴とするロードセル。
2. 前記ひずみ検出手段は、前記起歪部の水平方向のひずみを検出する４つの水平用ひずみゲージをさらに備えており、
   前記４つの水平用ひずみゲージは、
   前記一の側面に貼着される第１の水平用ひずみゲージと、
   前記４つの側面における側面であって、前記一の側面に隣接する２つの側面のうち一方の側面に貼着される第２の水平用ひずみゲージと、
   前記４つの側面における側面であって、前記一の側面の背面側にある側面に貼着される第３の水平用ひずみゲージと、
   前記４つの側面における側面であって、前記一の側面に隣接する２つの側面のうち他方の側面に貼着される第４の水平用ひずみゲージと、から構成され、
   前記ホイートストンブリッジ回路は、
   前記ホイートストンブリッジ回路上における前記一辺とその対辺とに隣り合う他辺に、
   前記第１の水平用ひずみゲージと、前記第２の水平用ひずみゲージとを含み、
   前記ホイートストンブリッジ回路上における前記他辺の対辺に、
   前記第３の水平用ひずみゲージと、前記第４の水平用ひずみゲージとを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。

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