JP2704173B2

JP2704173B2 - 台座付荷重変換器

Info

Publication number: JP2704173B2
Application number: JP17099788A
Authority: JP
Inventors: 正安河井; 善三郎東藤; 光児坂田
Original assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Current assignee: Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1988-07-11
Publication date: 1998-01-26
Anticipated expiration: 2013-01-26
Also published as: JPH0221231A; DE3912218C2; DE3912218A1; US5028807A

Description

【発明の詳細な説明】（ａ）技術分野本発明は、台座付荷重変換器に関し、より具体的に
は、ひずみゲージを用いて荷重の大きさを電気量に変換
して検出する荷重支持部側に台座が一体的に固着されて
なる台座付荷重変換器に関するものである。

（ｂ）従来技術荷重変換器の起歪部の形状は、測定荷重の大きさ（定
格容量）、小型あるいは薄型というような荷重変換器に
要求される形状、精度等に応じて種々のものが提案され
且つ実用に供されている。

大きな荷重を測定する荷重変換器では、両端固定型の
せん断梁にひずみゲージを添着した方式のものが荷重印
加点の移動の影響を無くすことができるため広く用いら
れている。

すなわち、第６図および第７図は、従来の両端固定型
のせん断梁からなる荷重変換器の要部構成を示すそれぞ
れ平面図および同図Ｘ−Ｘ線矢視方向断面図である。

同図において、荷重変換器１は、荷重を支持する円筒
状の外殻部２と、その中央部に測定荷重を導入する荷重
座３と、この荷重座３と同軸に一体に形成され、荷重座
３から受けた印加荷重を次述する起歪部に伝達する荷重
伝達部４と、この荷重伝達部４の外周と外殻部２の内周
との間に十文字状に連結された４本のせん断梁5,6,7,8
が形成され、そのせん断梁５〜８の中間部が起歪部5a,6
a,7a,8aとされ、その起歪部5a〜8aの荷重軸に平行をな
す面にそれぞれひずみゲージSGがせん断ひずみを検出し
得るように、即ち、荷重軸に対し45゜および135゜の角
度方向にその受感軸を向けて添着された構成となってい
る。

このように構成された従来の荷重変換器１の作用につ
いて説明すると、荷重座３に被測定荷重Ｗが印加される
と、その荷重Ｗは、剛性の大きな荷重伝達部４を介して
せん断梁５〜８の内方端に伝達される。一方、被測定荷
重Ｗと大きさが等しく方向が反対の反力は、外殻部２を
介してせん断梁５〜８の外方端に伝達される。そのた
め、せん断梁５〜８には、せん断力が作用し、各起歪部
5a〜8aにせん断応力が発生する。このせん断応力を、起
歪部5a〜8aに接着されたひずみゲージSGによって電気量
（抵抗変化）に変換して検出するのである。

しかしながら、このような従来の荷重変換器１には、
次のような欠点がある。

第１には、上記外殻部２の剛性を十分高くできない場
合、荷重Ｗが荷重軸方向に沿って印加されたとしても、
外殻部２が変形して起歪部5a〜8aを反らせるモーメント
による変形が生じ、その曲げモーメントによる誤差が荷
重検出出力に混入（付加）されるという欠点がある。

即ち、上述したような荷重変換器１は、外殻部２が堅
固な不動部材に固定されている場合には、起歪部5a〜8a
には第８図に示す正常な変形によるせん断応力（曲げ応
力）が生じ上述したようにひずみゲージSGによってその
せん断応力に対応したひずみ出力を得ることができる。

しかしながら、外形状の制限により外殻部２の剛性を
十分大きくとることができない場合には、荷重Ｗが印加
されると、第９図に示す如く起歪部6aの荷重伝達部４側
に時計回り方向の曲げモーメントＭが生じ、起歪部6aの
外殻部２側に反時計回り方向の曲げモーメントＭ′が付
加された状態で起歪部6aに曲げ応力とせん断応力が生じ
る。このときの曲げモーメントＭおよびＭ′に基づくひ
ずみは、曲げモーメントM,M′が外殻部２と接する被測
定面の摩擦状態により左右されるため、印加荷重に比例
したものとならず、且つまた、ホイートストンブリッジ
により電気的に完全にキャンセルすることもできず、荷
重検出出力に混入されるのである。

第２には、上記第１の欠点を解消すべく外殻部２の剛
性を高くするためには、外殻部２の荷重軸方向や半径方
向の肉厚寸法を大きくすればよいが、高精度の荷重検出
出力を得るためには非常に大きな寸法増を必要とするた
め、被測定対象物の寸法上の制約があり現実的な解決方
法とはいえない。

（ｃ）目的本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、その
目的は、構成が簡素で、軽量且つ小型であり、荷重支持
部の剛性を充分高くできない場合でも荷重支持部の変形
を抑制でき、該変形による曲げモーメントが及ぼす測定
誤差が検出出力中に混入するのを効果的に阻止し得ると
共に、被測定体の変形や傾斜による測定誤差が真に求め
るべき検出出力中に混入するのを有効に阻止し得る荷重
変換器を提供することにある。

（ｄ）構成上記の目的を達成させるために、本発明はひずみゲー
ジを用いて荷重の大きさを電気量に変換して検出する荷
重変換器において、柱状を呈し軸中心が荷重軸と一致す
るように形成された剛性大なる荷重導入部と、所定の間
隔を存して前記荷重導入部の周囲を囲繞するように形成
された剛性大なる荷重支持部と、前記荷重導入部から放
射方向に延びその内端が前記荷重導入部に一体に連設さ
れその外端が前記荷重支持部に一体に連接され前記荷重
支持部が支持された状態で前記荷重導入部に荷重軸に沿
う方向に力が作用するとき弾性変形する起歪部と、をも
って形成された１つの受感部と；中間に前記荷重軸と中
心が一致するようにくびれ部が形成されそのくびれ部を
挟むように互いに略平行な２つの板状剛体部が形成され
た台座と；を備え、前記台座の一方の板状剛体部を、前
記１つの受感部の前記荷重支持部に当接した状態で一体
的に固着し、前記台座の他方の板状剛体部をもって被測
定体に固定し得るように構成すると共に、前記受感部に
形成された前記起歪部に添着されたひずみゲージによっ
て前記荷重導入部に印加された被測定荷重の大きさを電
気量に変換して検出するように構成したことを特徴とす
るものである。

以下、本発明に係る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実施例に係る荷
重変換器の構成を示す第２図Ｕ−Ｏ−Ｕ線矢視方向断面
図および第１図Ｙ−Ｙ線矢視方向断面図である。

同図において、９は全体が円柱状を呈し、以下に述べ
る各部が一体に形成され、また固着されて一体化された
荷重変換器である。10は、中実（無空）の略円柱状を呈
し、その軸中心が荷重軸に一致するように形成された剛
性大なる荷重導入部である。この荷重導入部10の周囲に
は、所定の間隔を存して囲繞するように厚肉円筒状に形
成された剛性大なる荷重支持部11が配設されている。

上記荷重導入部10と、上記荷重支持部11との間には、
荷重軸に直交する一端面および他端面（第１図において
は上面および下面）からそれぞれ、中間部に一定の厚み
を残すようにして、所定の深さに達する断面凹状の環状
凹溝12,13が形成されている。このような所定深さの環
状凹溝12と13の各底面間に挟まれた比較的薄肉の部位が
起歪部14である。この場合の各環状凹溝12,13の底部
（底面）は、断面略Ｖ字状を呈している。

つまり、起歪部14は、結果的に、荷重導入部10から放
射方向に延び、その内端（内周縁）が荷重導入部10と一
体に連設され、その外端（外周縁）が荷重支持部11と一
体に連設されていることになる。

さらに、上記起歪部14の放射方向中間部には、第２図
に示すように、同一半径上に中心をもつ合計８個の小径
の貫通孔15が等配角度の位置に穿設されており、このう
ち、１つおきの貫通孔15の内壁面には、該貫通孔15毎
に、荷重軸に対し45゜および135゜の角度方向に受感軸
を向けたせん断応力検出用のひずみゲージSGが複数、接
着、蒸着、スパッタリング等の手段により添着されてい
る。

荷重導入部10の上部には、中実（無空）の厚肉円柱状
を呈し軸中心が荷重軸と一致するように形成された剛性
大なる荷重受座16が一体に連設されている。

尚、本実施例においては、荷重導入部10と起歪部14と
荷重支持部11は、共に一体に形成されているので、以下
この部分を「受感部」と称することとする。

さらに、荷重導入部10と荷重受座16も一体に形成され
ている。

従って、上記荷重受座16と受感部とは一体に形成され
ていることになり、以下これらの部分を総称して「変換
器本体」と称することとする。

尚、環状凹溝12と13は、旋削加工によって形成する。

荷重支持部11の上面には、この荷重支持部11よりは薄
肉であるが、充分に厚肉で剛性の高い円筒状の外筒部17
が当接され且つその当接部外周面を例えば電子ビーム溶
接あるいはレーザービーム溶接等の手段により深部まで
溶接されている。一方、荷重受座16の外周面には、やや
厚肉の円筒状の内筒部18が嵌合され且つその嵌合された
上縁部が同様の手段に溶接されている。そして、これら
の内筒部18と外筒部17との間には、各上端部位および各
下端部位同士を互いに結ぶように平行で且つ薄肉の２枚
の円板状のダイヤフラム19および20が一体または一体的
に連設されている。ここで、これら外筒部17と内筒部18
とダイヤフラム19,20からなる部分を「平行四辺形ダイ
ヤフラム」と称することとする。

上記荷重支持部11の下端面には、印加荷重に抗する反
力を被測定体から受ける台座部21が当接された状態で上
述同様電子ビーム溶接等により強固に溶接されている。
この台座部21は、充分厚肉の円柱体の上下方向中間部
に、外周面から中心軸に向けて所定の深さに達する溝22
を形成することによって、くびれ部23が形成されてい
る。その結果、上記くびれ部23を挟むようにして互いに
略平行な２つの板状剛体部24,25が形成される。

尚、下側の板状剛体部25の周縁近傍部位には、台座部
21を介して変換器本体を被測定体に固定する取付ボルト
（図示せず）螺合用のねじ孔26が複数形成されている。

次に、上記構成よりなる第１実施例の作用、効果につ
き説明する。

変換器本体の荷重受座16の被測定体からの荷重が印加
されると、その荷重は、荷重導入部10を介して起歪部14
へと伝達される。一方、図示省略の被測定体の他面から
台座部21が受ける上記荷重に抗する反力は、台座部21を
介しさらに荷重支持部11を介して起歪部14へと伝達され
る。その結果、起歪部14には、せん断応力が発生する。
このせん断応力は、起歪部14に添着されたひずみゲージ
SGによって電気量（電気抵抗変化）に変換され、例えば
４枚のひずみゲージSGより構成された図示省略のホイー
トストンブリッジ回路によって取り出される。

ところで、本実施例における荷重変換器９に対し、仮
に、横荷重または偏荷重が印加された場合には、荷重受
座16と荷重導入部10とが一体となって、その軸中心が荷
重軸に対し、傾こうとするが、荷重台座16の外周に、外
筒部17との間には、所定間隔だけ軸方向に離間してダイ
ヤフラム19,20が一体的に連設されて平行四辺形ダイヤ
フラムを形成しているので、荷重受座16および荷重導入
部10が倒れる方向に対しては、抑制力が作用し、その結
果、横荷重または偏荷重による影響は、低減し、起歪部
14には横方向の印加荷重に対応したせん断応力が発生す
る。

尚、平行四辺形ダイヤフラム19,20は、上述のように
横荷重または偏荷重を抑制する機能を有するが、精度と
のかね合いによって省略してもよいが、同時にひずみゲ
ージSGの防湿機能も併有しているので、具備せしめてお
くことが望ましい。

また、荷重支持部11の下端は、板状剛体部24に固着さ
れているので、大荷重を受けた場合でも、第９図におい
て説明したような曲げモーメントの発生による検出出力
への悪影響を伴わず、起歪部14は、第８図に例示したよ
うな、本来の被測定荷重に対応したせん断応力を発生
し、これをひずみゲージSGによって正確に検出すること
ができる。

また、台座部21より詳しくは板状剛体部25の底面と当
接する被測定体の当接面が柔軟であったり、平担面でな
い場合、不均一な分布荷重を受けても、くびれ部23によ
ってこれを吸収（集中）した上で、さらに板状剛体部24
によって略均一に分散して荷重支持部11へ伝達せしめる
ので、被測定体と台座部21との接触状態による影響を大
幅に低減化させることができる。

また、本実施例に係る荷重変換器９は、高湿あるいは
水中等の悪環境下において使用される場合であっても、
受感部の上端が平行四辺形ダイヤフラムで閉塞され、受
感部の下端が台座部21で閉塞されているため、ひずみゲ
ージSGが添着されている貫通孔20,21の内部までは、水
分等は侵入しないので、吸湿による絶縁低下や酸化が確
実に防止され、長期に亘って安定した精度を確保するこ
とができる。

第３図は、本発明の第２実施例に係る台座付荷重変換
器の構成を右半分のみを破断して示す正面半断面図、第
４図は同図Ｚ−Ｚ線矢視方向断面図である。

この第２実施例の荷重変換器27は、基本的構成におい
ては第１実施例の荷重変換器９と共通している。即ち、
荷重導入部28、荷重支持部29、環状凹溝30,31、起歪部3
2、貫通孔33およびひずみゲージSGを有している点は、
第１実施例のものと略共通している。

相違点は、貫通孔33の個数が第１実施例では、８個で
あるのに対し、４個である点、環状凹溝30,31の断面形
状が第１実施例では略Ｖ字状であるのに対し底面が平坦
な略Ｕ字状を呈している点等である。

一方、この第２実施例においては、平行四辺形ダイヤ
フラムを備えていない点で第１実施例と相違している。
そのため、荷重変換器27の環状凹溝30を閉塞する環状蓋
体34が冠着されており、また、荷重受座35の背が低くな
っている。

そして、この第２実施例の台座部36は、上、下一対の
板状剛体部37,38のうち下側の板状剛体部38のみが大径
に形成され荷重変換器27の外方に延設され且つその延設
部にボルト挿通孔39が穿設されてている点で第１実施例
と相違している。

このように構成された第２実施例によれば、横荷重ま
たは偏荷重に対する影響が低減するという効果を除き、
第１実施例によって得られる効果が悉く得られるほか、
板状剛体部38を大径としたことにより、台座部36の被測
定体への取付ボルトによる取付けが容易化されるという
効果が得られる。

尚、本発明は、上述し且つ図面に示した実施例にのみ
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、第１実施例において、荷重変換器９の荷重支
持部11と外筒部17とを別体に構成した例につき説明した
が、これを一体に構成してもよい。同様に荷重支持部11
と台座部21の板状剛体部24とを一体に構成してもよい、
ただし、この場合、環状凹溝13および、荷重導入部10の
下面と板状剛体部24との間の間隙は、旋削加工を施すこ
とができないので、例えば、いわゆるロストワックス鋳
造法等により、環状凹溝13および上記間隙を形成する。

また、起歪部のひずみを検出する手段としては、上述
した各実施例のようにせん断ひずみをひずみゲージで検
出するのみならず、第５図に変形実施例として示すよう
に、環状凹溝12および13の両方または一方の底面に、放
射方向に受感軸を向けて、曲げ応力検出用のひずみゲー
ジSGを添着するようにしてもよい。この場合、貫通孔15
は必らずしも穿設する必要はない。

また、図示は省略したが、ひずみゲージ（実際にはひ
ずみゲージで組んだホイートストンブリッジ）にブリッ
ジ電圧を供給したり、ひずみゲージによって得られるひ
ずみ検出出力を荷重変換器９の外部に電気ケーブルを用
いて導出したりするための貫通孔を、例えば荷重支持部
11の側壁を穿設し、その貫通孔に防水コネクタ等を嵌合
し、且つ封止する。

また、起歪部の形状としては、上記実施例に示すもの
に限らず、一文字状ビームや十文字状ビームであっても
よい。

（ｅ）効果以上詳述したところより明らかなように、本発明によ
れば、構成が頗る簡素で、軽量・小型化が可能であり、
荷重支持部の剛性を充分高くできない場合でも荷重支持
部の変形を抑制でき、該変形による曲げモーメントが及
ぼす測定誤差が検出出力中に混入するのを効果的に阻止
し得ると共に、被測定体の変形や傾斜による測定誤差が
真に求めるべき検出出力中に混入するのを有効に阻止し
得る台座付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図は、本発明に係る台座付荷重変換器の第１実施例
の構成を示す第２図Ｕ−Ｏ−Ｕ線矢視方向断面図、第２
図は、第１図Ｙ−Ｙ線矢視方向断面図、第３図は、本発
明に係る台座付荷重変換器の第２実施例の構成を右半分
破断して示す正面半断面図、第４図は、第３図Ｚ−Ｚ線
矢視方向断面図、第５図は、第１図、第２図に示した実
施例の変形実施例の構成を第２図と同様の断面にて示す
横断面図、第６図および第７図は、従来の荷重変換器の
構成をそれぞれ示す平面図および第６図Ｘ−Ｘ線矢視方
向断面図、第８図および第９図は、上記従来例の問題点
を説明するためにそれぞれ誇張して示す断面図である。 9,27……荷重変換器、 10,28……荷重導入部、 11,29……荷重支持部、 12,13,30,31……環状凹溝、 14,32……起歪部、 15,33……貫通孔、 16,35……荷重受座、 17……外筒部、18……内筒部、 19,20……ダイヤフラム、 21,36……台座部、22……溝、 23……くびれ部、 24,25,37,38……板状剛体部、 26……ねじ孔、34……環状蓋体、 39……ボルト挿通孔、 SG……ひずみゲージ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−101428（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−213645（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−20133（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−126221（ＪＰ，Ａ) 実公昭49−4940（ＪＰ，Ｙ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ひずみゲージを用いて荷重の大きさを電気
量に変換して検出する荷重変換器において、柱状を呈し
軸中心が荷重軸と一致するように形成された剛性大なる
荷重導入部と、所定の間隔を存して前記荷重導入部の周
囲を囲繞するように形成された剛性大なる荷重支持部
と、前記荷重導入部から放射方向に延びその内端が前記
荷重導入部に一体に連設されその外端が前記荷重支持部
に一体に連接され前記荷重支持部が支持された状態で前
記荷重導入部に荷重軸に沿う方向に力が作用するとき弾
性変形する起歪部と、をもって形成された１つの受感部
と；中間に前記荷重軸と中心が一致するようにくびれ部
が形成されそのくびれ部を挟むように互いに略平行な２
つの板状剛体部が形成された台座と；を備え、前記台座
の一方の板状剛体部を、前記１つの受感部の前記荷重支
持部に当接した状態で一体的に固着し、前記台座の他方
の板状剛体部をもって被測定体に固定し得るように構成
すると共に、前記受感部に形成された前記起歪部に添着
されたひずみゲージによって前記荷重導入部に印加され
た被測定荷重の大きさを電気量に変換して検出するよう
に構成したことを特徴とする台座付荷重変換器。