JP2614743B2 - 荷重変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ） 技術分野 本発明は、荷重変換器に関し、より詳細には、起歪体
の荷重導入部に印加される荷重の大きさを前記起歪体の
受感部に添着されたひずみゲージによって電気的に検出
する荷重変換器に関するものである。

（ｂ） 従来技術 第６図および第７図に、いわゆるＳ字形の荷重変換器
の一例の斜視図および正面図を示す。

第６図、第７図において、１は荷重変換器の本体をな
す起歪体であり、全体形状が長方形で且つ適宜なる厚み
をする角板状の部材の中央に円形の貫通孔２を形成し、
この貫通孔２を挟んで上下に互いに平行で且つ互いに反
対側の側端面から貫通孔２の上下を通り過ぎる中間部位
まで水平方向（荷重軸方向と直交する方向）に延びる一
対のスリット3,4を形成し、さらに、上端面および下端
面からそれぞれ所定深さに達する雌ねじ穴５（下端面側
の雌ねじ穴は、図には現われていない）を形成してあ
る。

このように形成された起歪体１において、中央部のビ
ームは、その中央に貫通孔２が穿設されて他の部分（後
述する荷重導入ビーム、荷重支持ビーム、連結剛体部）
より肉厚が薄く荷重により変形して起歪部として機能す
る受感部を有する受感ビーム６とされている。この受感
ビーム６の上方に平行に配置され且つ一端が受感ビーム
６の一端と剛性大なる連結剛体部７を介して一体に連結
された荷重導入ビーム８が設けられている。一方、受感
ビーム６の下方に平行に配置され且つ一端が受感ビーム
６の他端と剛性大なる連結剛体部９を介して一体に連結
され荷重支持ビーム10が設けられている。

受感ビーム６の貫通孔２の内壁面には、４枚のひずみ
ゲージSG1〜SG4が第７図に示すように接着されている。

このように構成されたＳ字形の荷重変換器は、荷重導
入ビーム８に起歪体１の長手方向に沿う例えば引張荷重
が印加されると、その荷重は剛性の大きい連結剛体部７
を介して受感ビーム６の一端に伝達される。一方、この
荷重の反力が荷重支持ビーム10から剛性の大きい連結剛
体部９を介して受感ビーム６の他端に伝達されるので、
受感ビーム６の一端側（図において左端側）は、平行四
辺形ビームの原理により、荷重導入ビーム８および荷重
支持ビーム10に対しほぼ平行状態を維持して、上方へ移
動変位する。この受感ビーム６の変位に伴ない貫通孔２
の内壁が変形し、この変形をひずみゲージSG1〜SG4によ
って電気的に検出する。

ところで、このＳ字形の荷重変換器には、次のような
問題がある。

第１には、機械加工が厄介で製作コストが高くつくと
いう問題がある。

すなわち、上述のＳ字形の荷重変換器は、第６図、第
７図から分るように、四角板状あるいは四角柱状に起歪
体１を形成するのであるが、これは素材から例えばフラ
イス盤等を用いて、６面を削成しなければならないの
で、機械加工および工作機械（フライス盤）への被加工
物（起歪体１）の着脱操作等に多くの時間を費し、その
結果、製作コストの上昇をもたらすのである。

第２には、小型化が困難であるという問題がある。

すなわち、スリット３および４の切込み深さは、貫通
孔２の上方および下方を充分通り過ぎる部位まで形成す
る必要がある。その理由は、スリット３および４の最奥
部3aおよび4aの近傍の起歪体１の部分（特に受感ビーム
６の左端部および右端部）に応力が集中し、ひずみゲー
ジSG1〜SG4が接着された貫通孔２の内壁部と、上記スリ
ット３および４の最奥部3aおよび4aが近い位置にある
と、上記応力が上記貫通孔２の内壁に波及し、これがひ
ずみゲージSG1〜SG4が添着された貫通孔２の内壁の応力
分布を著しく不均一にする。この不均一な応力分布は、
印加荷重に対応したものではないので、荷重測定にとっ
て有害となる。例えば、上記ひずみゲージSG1〜SG4をも
ってホイートストンブリッジ（以下単に「ブリッジ」と
略称する）を、偏荷重、横荷重を補償するように組んで
も、上記応力集中の影響の方が大きいので、上記偏荷
重、横荷重の影響の補償が無意味なものとなってしま
う。この問題を回避するには、スリット最奥部3aおよび
4aをできるだけ貫通孔２から遠ざけると共に、スリット
最奥部3aおよび4aと起歪体１の側面との間の長さL1およ
びL2（但し、L1＝L2）、すなわち連結剛体部７および９
の所要の厚みを充分厚くすることによって応力を低減さ
せればよいが、その反面、必然的に起歪体１の横寸法
（正面の横幅寸法）が大きくなってしまうという難点が
ある。

（ｃ） 目的 本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、その目的
とするところは、機械加工が容易で製作コストを大幅に
低減化させ得ると共に、従来困難視されていた小形化を
も併せて実現し得る荷重変換器を提供することにある。

（ｄ） 構成 本発明は、上記の目的を達成させるため、起歪体の荷
重導入部に印加される荷重の大きさを該起歪体の受感部
に添着されたひずみゲージによって電気的に検出する荷
重変換器において、全体形状が略短円柱状を呈する起歪
体の大略中央部に、一端面から他端面に至る貫通孔を穿
設すると共に、前記貫通孔を挟んで上下に互いに平行で
且つ互いに反対側の側周面から前記貫通孔の上下を通り
過ぎる中間部位まで延びる一対のスリットを形成するこ
とにより、荷重方向の中央部に受感部を有する受感ビー
ムを、この受感ビームの上部および下部に各一端が前記
受感ビームの一端および他端にそれぞれ一体または一体
的に強固に連接された荷重導入ビームおよび荷重支持ビ
ームをそれぞれ設け、前記受感ビームの前記貫通孔内壁
の前記各スリット寄りの部位にひずみゲージを添着した
構成としたものである。

以下、本発明の実施例を、添付図面を参照しつつ説明
する。

第１図および第２図は、本発明の第１の実施例の構成
を示す斜視図および正面図である。

第１図、第２図において、11は荷重変換器本体を構成
する起歪体であり、この起歪体11は、全体の外観形状が
略短円柱状または略円板状を呈しており、その中央部に
一端面から他端面（図において正面から裏面）に達する
円形の貫通孔12を形成し、この貫通孔12を挟んで上およ
び下に互いに平行で且つ互いに反対側の側周面から貫通
孔12の上および下を通り過ぎる中間位置まで水平方向
（荷重軸方向に直交する方向）に延びる一対のスリット
13および14を形成し、さらに上端部および下端部を貫通
孔12の中心軸に沿って削成して平面状に形成し、その上
端面および下端面からそれぞれ所定深さに達する雌ねじ
穴15を形成してある。尚、スリット13および14の最奥部
13aおよび14aには、スリット13および14を形成するに先
立って、例えばドリル（およびリーマ）を用いてスリッ
ト13および14のスリット幅よりも大きな直径の応力分散
孔を形成してある。

このように形成された起歪体11において、中央部のビ
ームは、その中央に上述の貫通孔12が穿設されて他の部
分（次述する荷重導入ビーム、荷重支持ビーム、連結剛
体部）より肉厚が薄く、荷重により変形して起歪部とし
て機能する受感部を有する受感ビーム16とされている。

この受感ビーム16の上方に所定間隔を存して平行に配
置され且つ一端が受感ビーム16の一端と剛性大なる連結
剛体部17を介して一体に連接された荷重導入ビーム18が
設けられいている。

一方、受感ビーム16の下方に所定間隔を存して平行に
配置され且つ一端が受感ビーム16の他端と剛性大なる連
結剛体部19を介して一体に連接された荷重支持ビーム20
が設けられている。

さらに、受感ビーム16の貫通孔12の内壁面には、荷重
軸方向に対して略＋30°および略−30°それぞれずれた
部位にひずみゲージSG1およびSG2を、荷重軸方向に対し
て略−150°および略＋150°それぞれずれた部位にひず
みゲージSG3およびSG4がそれぞれ、接着、蒸着、スパッ
タリング、溶着、その他の手段により添着される。この
ように添着されたひずみゲージSG1〜SG4は、第５図に示
すようにブリッジ結線される。

次に、このように構成された第１の実施例の荷重変換
器の作用について説明する。

先ず、被測定対象物（図示せず）と起歪体11とは、図
示省略の取付ボルトを雌ねじ穴に螺合することで、強固
に連結されているものとして以下説明する。

起歪体11の荷重導入ビーム18に、受感ビーム16の長手
方向と直交する方向（図においては上下方向）に沿う例
えば引張荷重が印加されると、その荷重は剛性の大なる
連結剛体部17を介して受感ビーム16の一端（図において
は左端）に伝達される。一方、この荷重の反力が荷重支
持ビーム20から剛性の大きい連結剛体部19を介して受感
ビーム16の他端（図において右端）に伝達されるので、
受感ビーム16の一端側（図においては左端側）は、平行
四辺形ビームの原理により、荷重導入ビーム18および荷
重支持ビーム20に対しほぼ平行状態を維持しつつ上方へ
移動変位する。この受感ビーム16の変位（撓み）に伴な
い貫通孔12の内壁が変形し、この変形をひずみゲージSG
1〜SG4で電気的に検出する。

この検出作用をさらに詳しく説明すると、上述のよう
に受感ビーム16が例えば上方へ変位した場合には、ひず
みゲージSG1とSG3が圧縮されてその抵抗値が減少し、ひ
ずみゲージSG2とSG4が伸長されてその抵抗値が増大す
る。このような抵抗値の変化を示すひずみゲージSG1〜S
G4をもって、第５図に示すようなブリッジが形成されて
いるので、ブリッジの入力端からブリッジ電圧eiを供給
することで、ブリッジの出力端から印加荷重（被測定荷
重）に対応した出力電圧e_Oを得ることができる。

また、荷重印加位置が、荷重導入ビーム18の中心部か
らずれた部位に印加されたとき、例えば荷重導入ビーム
18の長手方向（図においては左右方向）に移動した場合
でも受感ビーム16が平行四辺形ビーム構成とされている
ため、ブリッジから検出される出力電圧e_Oには殆んど変
化が起きない。

また、荷重印加位置が、荷重導入ビーム18の幅方向
（図においては紙面に垂直な方向）に移動した場合も同
様である。

一方、荷重導入ビーム18に横方向、例えば、図におい
て左右方向の荷重が印加された場合には、ブリッジの相
隣る辺に接続されたひずみゲージ（例えば、SG1とSG4,S
G2とSG3）がほぼ等しい変形を受け、抵抗値が変化する
ので、電気的に相殺される。

上述のように構成され且つ作用する第１の実施例によ
れば、次のような利点が得られる。

第１には、偏荷重および横荷重が本来測定すべき垂直
荷重（被測定荷重）に混在して印加されても、該偏荷重
および横荷重の影響を殆んど受けることなく、被測定荷
重に正確に対応した出力電圧e_Oをブリッジの出力端から
得ることができる。

第２には、機械加工が容易で製作コストを大幅に低減
化させることができる。

すなわち、起歪体11は、丸棒材からなる素材を例えば
旋盤により、突切り加工、両端面（正面および裏面）の
平面仕上げ加工、外周面仕上げ加工のすべての機械加工
を行うことができるので、加工時間を大幅に短縮化する
ことができる。その上、加工面が、第６図、第７図に示
すＳ字形の荷重変換器の場合６面もあるのに対し、本実
施例の場合３面しかないので、この点でも加工時間、段
取時間を短縮化できる。

尚、本実施例においては、荷重導入ビーム18および荷
重支持ビーム20の上端および下端に平面部を設けてある
ので、この場合は、この２面だけフライス加工を要する
が、第６図、第７図に示すものに比べれば、加工面とし
ては１面少なく、切削加工にフライス盤よりも能率のよ
い旋盤を用いることができるので有利である。

因みに、定格容量1tonの荷重変換器の場合では、本実
施例のものは、第６図、第７図に示したものより約50％
コストダウンを図ることができた。

第３には、従来困難視されていた小形化を実現するこ
とができる。

すなわち、既述したように、スリット最奥部13a,14a
と貫通孔12との距離は、できる限り離れている方が、ス
リット最奥部13a,14a近傍に生じる応力集中の影響を受
けにくいのであるが、本実施例の場合、連結剛体部17,1
9が、円弧状を呈しており、受感ビーム16寄りの部位よ
り荷重導入ビーム18および荷重支持ビーム20寄りの部位
の方が結果的に左右方向の厚さが薄く形成されている関
係上、応力集中による最大応力発生部が、受感ビーム16
より上方側および下方側（貫通孔12より離れる方向）に
移動する。そのため、応力集中の影響が受感ビーム16の
受感部に及びにくくなるので、その分、スリット最奥部
13a,14aと貫通孔12との間の寸法を小さくすることがで
き、延いては、起歪体11の外形を小形化することができ
る。

このことは、換言すれば、大形化を来たすことなく、
より高容量な荷重変換器を製作することができることを
意味する。

尚、本発明は、上述した実施例にのみ限定されるもの
ではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実
施が可能である。

例えば、貫通孔は、上記第１の実施例においては、円
形の孔を設けたものを示したが、第３図に示す第２の実
施例のように、受感ビーム16の長手方向（横方向）に所
定間隔だけ中心がずれた２つの円形状の孔を穿設するこ
とによって、互いに連通させて１つの横方向に長い貫通
孔21を設けてもよい。このように貫通孔を横方向に長く
すると、受感部の長さが長くなり、より低容量のものが
得られる。尚、低容量化するには、第１図、第２図示の
実施例の場合、貫通孔12とスリット13,14とで挟まれる
受感部の肉厚を薄くすればよいが、あまり薄くすると加
工上のばらつきが大きくなる。ところが、第２の実施例
の場合、上記受感部の肉厚を薄くせずに、受感部の長さ
を長くすることで、低容量化が可能となるので、耐久性
の点で第１の実施例のものより有利である。

第４図は、本発明の第３の実施例を示す正面図である
が、この実施例では、受感ビーム16の略中央部に、長手
方向に所定間隔だけ中心がずれた２つの円形状の孔を穿
設するにとどまらず、さらに荷重軸方向（上下方向）に
も所定間隔だけ中心がずれた２つの円形状の孔を穿設す
ることによって、互いに４つの孔を連通させて１つの上
下左右方向に長い貫通孔22を設けている。

また、長い貫通孔を形成する場合、第2,第３の実施例
のように複数の孔に、部分的に重なるように近接して形
成するのでなく、充分離間した孔を穿設し、その孔の間
をスリットを形成した互いに連通した貫通孔を形成する
ようにしてもよい。

また貫通孔は、上記各実施例にしおいては受感ビーム
の中央に設けた例につき説明したが、必らずしも中央に
設けることなく、中心からある程度左右方向、あるいは
上下方向に偏心した位置に設けてもよい。要するに、起
歪体の大略中心部に設ければよいのである。

また、上記各実施例においては、荷重導入ビームの上
端と荷重支持ビームの下端を削成して平坦面を形成して
あるが必らずしもこの平坦面を形成しなくてもよい。

また、スリット最奥部に設けた応力分散孔は不可欠な
ものではなく、スリットの幅が一定以上大きい場合（但
し定格容量によって異なる）には、設けなくてもよく、
第６図、第７図に示すスリットのように、単にスリット
の最奥部を円弧状に形成するだけでもよい。

（ｅ） 効果 以上詳述したように本発明によれば、機械加工が容易
で製作コストを大幅に低減化させる得ると共に、従来困
難視されていた小型化を実現し得、しかも横荷重、偏荷
重の影響を極めて受けにくく、測定すべき荷重に正確に
対応した電気信号が得られる荷重変換器を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の第１の実施例の構成を
示す斜視図および正面図、第３図は、本発明の変形例で
ある第２の実施例の構成を示す正面図、第４図は、本発
明の第３の実施例の構成を示す正面図、第５図は、本発
明の各実施例の一部を構成するひずみゲージによって構
成したホイートストンブリッジの一例を示す回路図、第
６図および第７図は、従来のＳ字形の荷重変換器を示す
斜視図および正面図である。 11……起歪体、12,21,22……貫通孔、13,14……スリッ
ト、15……雌ねじ穴、16……受感ビーム、17,19……連
結剛体部、18……荷重導入ビーム、20……荷重支持ビー
ム、SG1〜SG4……ひずみゲージ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】起歪体の荷重導入部に印加される荷重の大
   きさを該起歪体の受感部に添着されたひずみゲージによ
   って電気的に検出する荷重変換器において、全体形状が
   略短円柱状を呈する起歪体の大略中央部に、一端面から
   他端面に至る貫通孔を穿設すると共に、前記貫通孔を挟
   んで上下に互いに平行で且つ互いに反対側の側周面から
   前記貫通孔の上下を通り過ぎる中間部位まで延びる一対
   のスリットを形成することにより、荷重方向の中央部に
   受感部を有する受感ビームを、この受感ビームの上部お
   よび下部に各一端が前記受感ビームの一端および他端に
   それぞれ一体または一体的に強固に連接された荷重導入
   ビームおよび荷重支持ビームをそれぞれ設け、前記受感
   ビームの前記貫通孔内壁の前記各スリット寄りの部位に
   ひずみゲージを添着してなることを特徴とする荷重変換
   器。
2. 【請求項２】受感ビームの長手方向に沿って互いに連通
   し且つこれと直交する方向に貫通する２つ以上の孔を穿
   設して貫通孔を設けてなることを特徴とする請求項１に
   記載の荷重変換器。
3. 【請求項３】一対のスリットの各最奥部に該スリットの
   幅よりも大径の応力分散孔を設けたことを特徴とする請
   求項１に記載の荷重変換器。