JP3972188B2

JP3972188B2 - ロードセル

Info

Publication number: JP3972188B2
Application number: JP2002131453A
Authority: JP
Inventors: 伸幸吉桑
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-05-07
Filing date: 2002-05-07
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-05-07
Also published as: JP2003322571A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は歪みゲージを用いたロードセルに関し、特に、電子はかりの荷重センサ等、正確な荷重の検出が要求される用途に適したロードセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
歪みゲージ式のロードセルにおいては、一般に、荷重の作用により弾性変形する起歪体に複数の歪みゲージを貼着し、その各歪みゲージによりホイトストーンブリッジを形成して、そのホイトストーンブリッジの出力を起歪体に作用する荷重の大きさの検出出力として用いる。
【０００３】
図８に従来のこの種のロードセルの例を斜視図で示す。この例における起歪体８０は、一対の柱部８１ａ，８１ｂを備えるとともに、その各柱部８１ａ，８１ｂを、それぞれの両端部に可撓部ｅを有する上下２本の梁８２ａ，８２ｂで連結した構造を有し、４箇所の可撓部ｅにそれぞれ１枚ずつ、合計４枚の歪みゲージＳ１〜Ｓ４が貼着されている。そして、これらの各歪みゲージＳ１〜Ｓ４により、図９に示すようなホイトストーンブリッジが組まれる。
【０００４】
以上の構成において、各柱部８１ａ，８１ｂのうちのいずれか一方、例えば柱部８１ａを固定し、他方の柱部８１ｂに荷重を作用させたとき、各可撓部ｅの弾性変形により各歪みゲージＳ１〜Ｓ４の抵抗値が変化し、これによってホイトストーンブリッジの出力Ｖｏｕｔが荷重に応じた大きさとなる。
【０００５】
以上のようなロードセルを、例えば電子はかりの荷重センサとして用いる場合等、正確な荷重検出が要求される場合には、荷重検出出力が時間とともに変化するクリープ現象が問題となる。このクリープ対策として、従来のロードセルにおいては、パターンが少しずつ相違する、より詳しくはタブ比が互いに相違する複数種の歪みゲージを用意し、クリープを測定しつつ歪みゲージＳ１〜Ｓ４のいずれかもしくは全てをパターンの相違するものに変化させながら、最適な組み合わせを探す、という手法が採られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような従来のロードセルによると、クリープの調整のために多くの種類の歪みゲージを用意する必要があるばかりでなく、最適な歪みゲージの組み合わせを確定するまでに多大な労力と時間を要するという問題がある。
【０００７】
また、歪みゲージの接着後のクリープ調整が実質的に不可能であるため、例えば電子はかりの荷重センサとして用いた場合、電子はかりの高分解能化につれて問題となる、同一はかり間でのクリープ量のばらつきを補正する手段がないという問題もある。
【０００８】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、クリープの調整に際して歪みゲージを変更して最適な組み合わせを確定するといった作業を不要とし、しかも、各歪みゲージを貼着してロードセルを製作した後にクリープ調整を行うことを可能とし、例えば電子はかりの荷重センサとして用いた場合、同一はかり間でのクリープ量のばらつきを可及的に少なくすることのできるロードセルの提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のロードセルは、起歪体に複数の歪みゲージを貼着してなるロードセルにおいて、上記起歪体に貼着されている歪みゲージにより複数のホイトストーンブリッジが組まれ、その各ホイトストーンブリッジの出力の線形和を算出して当該ロードセルに作用する荷重の検出値として出力する演算手段を備えるとともに、その線形和の算出時に上記各ホイトストーンブリッジの出力にかかる係数が、当該各ホイトストーンブリッジの出力に現れるクリープ量を相殺する値に設定されていることによって特徴づけられる。
【００１０】
本発明は、一つの起歪体に貼着した複数の歪みゲージにより複数のホイトストーンブリッジを組み、その線形和により荷重検出出力を得るように構成するとともに、その線形和の算出時に各ホイトストーンブリッジの出力に含まれるクリープ量を相殺することによって、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１１】
すなわち、一つの起歪体に貼着した複数の歪みゲージを用いて複数のホイトストーンブリッジを組んでその各ブリッジ出力の線形和をもって当該ロードセルに作用する荷重を表すように構成したとき、各ブリッジの出力はそれぞれロードセルに作用する荷重に比例した成分のほか、各ブリッジに固有のクリープ成分を含んでいる。そこで、各ブリッジの線形和を算出する際、各ブリッジ出力に乗じるべき係数を、個々のブリッジのクリープ量を相殺できる係数としておけば、得られる線形和から各ブリッジのクリープ成分を除外することができる。
【００１２】
そして、このようなクリープ調整によると、各ホイトストーンブリッジのクリープ量を測定して線形和で用いる係数をそれに応じたものとするだけでよく、歪みゲージの変更を必要とせず、かつ、ロードセルの製作後にクリープ調整が可能であるため、歪みゲージの組み合わせを決める従来のクリープ調整方法に比してその所要時間並びに労力を大幅に削減することができるとともに、電子はかりの荷重センサ等として用いたとき、高分解能化によるクリープ量の製品間でのばらつきをなくすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構造を示す図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図で、（Ｃ）は底面図を示している。
【００１４】
起歪体１０は前記図８に示した従来のものと同等の構造を有しており、一対の柱部１１ａ，１１ｂを備えるとともに、その各柱部１１ａ，１１ｂを、それぞれの両端部に可撓部ｅを有する上下２本の梁１２ａ，１２ｂで連結した構造を有している。また、この実施の形態においても、一方の柱部１１ａが固定部材に固定され、他方の柱部１１ｂに被測定荷重を作用させるように用いられる。
【００１５】
起歪体１０の各可撓部ｅには、それぞれ２個ずつの歪みゲージＳ１〜Ｓ８が貼着されており、これらの各歪みゲージＳ１〜Ｓ８は、図２に示すような２つのホイトストーンブリッジ２１，２２を形成するように相互に結線されている。そして、各ホイトストーンブリッジ２１，２２の出力Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２は演算部３に導入され、下記（１）式に示す演算によって両者の線形和が算出され、その線形和が当該起歪体１０の柱部１１ｂに作用する荷重を表す検出出力Ｗｏｕｔとして外部に取り出される。
【００１６】
Ｗｏｕｔ＝Ｖｏｕｔ１−Ａ×Ｖｏｕｔ２・・・・（１）
（１）式において、Ｖｏｕｔ２に乗じられている係数Ａは、以下のように設定することにより、各ホイトストーンブリッジ２１，２２の出力に含まれているクリープ量を相殺することができる。
【００１７】
すなわち、各ホイトストーンブリッジ２１，２２は、それぞれに固有のクリープを有し、図３（Ａ）および（Ｂ）に示す通り、互いに相違するものとする。なお、各ホイトストーンブリッジ２１，２２のクリープ量をを意図的に相違させる方法としては、例えば、一方のホイトストーンブリッジ２１を構成する各歪みゲージＳ１〜Ｓ４のタブ比を一定のαとし、他方のホイトストーンブリッジ２２を構成する各歪みゲージＳ５〜Ｓ８のタブ比を同じく一定のβとし、α≠βとする方法などを採用することができる。
【００１８】
各ホイトストーンブリッジ２１，２２の出力Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２は、荷重負荷直後の出力をそれぞれＶｏｕｔ１（０），Ｖｏｕｔ２（０）とし、それぞれのクリープによる経時的変化量をＣ１（ｔ），Ｃ２（ｔ）とすると、
Ｖｏｕｔ１＝Ｖｏｕｔ１（０）＋Ｃ１（ｔ）・・・・（２）
Ｖｏｕｔ２＝Ｖｏｕｔ２（０）＋Ｃ２（ｔ）・・・・（３）
と表すことができる。ここで、同じ起歪体１０の各可撓部ｅに互いに近接して貼着した歪みゲージで構成したホイトストーンブリッジ２１，２２のクリープ量Ｃ１（ｔ），Ｃ２（ｔ）は互いに同様な時間変化をし、それぞれの収束値をＣ１，Ｃ２とすると、任意の時間ｔにおいて、
Ｃ１（ｔ）／Ｃ２（ｔ）＝Ｃ１／Ｃ２・・・・（４）
が成立する。
【００１９】
さて、２つのホイトストーンブリッジ２１，２２の出力の線形和Ｗｏｕｔとして、前記（１）式を考えると、この（１）式は、（２），（３）式より、

と表すことができる。
【００２０】
ここで、各ホイトストーンブリッジ２１，２２のクリープ量を個別に測定し、（５）式右辺第２項、つまり
Ｃ１（ｔ）＋Ａ×Ｃ２（ｔ）＝０・・・・（６）
となるような定数Ａを求めると、
Ａ＝−Ｃ１（ｔ）／Ｃ２（ｔ）＝−Ｃ１／Ｃ２・・・・（７）
となる。
【００２１】
各歪みゲージＳ１〜Ｓ８を図１のように貼着し、図２に示すようなホイトストーンブリッジ２１，２２を組むと、各ホイトストーンブリッジ２１，２２の出力の初期値は、一般に
Ｖｏｕｔ１（０）＝Ｖｏｕｔ２（０）・・・・（８）
となり、Ａ＝−１である場合には（１）式におけるＷｏｕｔ＝０となるが、前記したように各ホイトストーンブリッジ２１，２２のクリープ量を相違させているが故に、
Ｃ１≠Ｃ２・・・・（９）
となるため、Ａ≠−１となり、従って（１）式におけるＷｏｕｔは被測定荷重に比例した出力となり、しかも各ホイトストーンブリッジ２１，２２のクリープ成分が相殺されているため、実質的にクリープを有さない出力となり得る。
【００２２】
以上の実施の形態において特に注目すべき点は、ロードセルのクリープ調整に際して、歪みゲージを全く交換する必要がなく、２つのホイトストーンブリッジに固有のクリープ量を測定して、それに対応する係数Ａを算出して演算部に設定するだけでよい点であり、これにより、クリープ調整作業が大幅に容易化されると同時に、歪みゲージの貼着後に随時にクリープ調整を行うことが可能となる。
【００２３】
ここで、以上の実施の形態においては、一つの起歪体１０に８枚の歪みゲージＳ１〜Ｓ８を貼着して、そのうちの４枚ずつによって２組のホイトストーンブリッジ２１，２２を構築した例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、以下のような構成を採用することもできる。
【００２４】
図４に正面図（Ａ）および平面図（Ｂ）を示し、図５に歪みゲージの結線図を示す例では、先の例と同等の起歪体１０の上側２つの可撓部ｅに、それぞれ２枚ずつ合計４枚の歪みゲージＳ１〜Ｓ４を貼着し、そのうちの２枚ずつと２つの固定抵抗Ｒ０によって２つのホイトストーンブリッジ４１，４２を形成している。そして、各ホイトストーンブリッジ４１，４２の出力Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２が演算部３に取り込まれ、前記した（１）式の演算により荷重検出出力Ｗｏｕｔが算出される。
【００２５】
この例においても、例えば歪みゲージＳ１，Ｓ２のゲージタブ比をα、歪みゲージＳ３，Ｓ４のゲージタブ比をβとして、α≠βとするこによって２つのホイトストーンブリッジ４１，４２のクリープ量を相違させることにより、先の例と全く同等の方法により求めた係数Ａを用いて（１）式を演算することにより、各ホイトストーンブリッジ４１，４２のクリープ量を相殺することができる。
【００２６】
図６に正面図（Ａ）、平面図（Ｂ）および底面図（Ｃ）を示し、図７に各歪みゲージの結線図を示す例においては、上記した各例と基本的な構造が同等の起歪体１０′の各可撓部ｅ，ｅ′にそれぞれ１枚ずつ歪みゲージＳ１〜Ｓ４を貼着し、上側２枚の歪みゲージＳ１，Ｓ２と２つの固定抵抗Ｒ０でホイトストーンブリッジ６１を、また、下側２枚のホイトストーンブリッジＳ３，Ｓ４と２つの固定抵抗Ｒ０でホイトストーンブリッジ６２を形成している。そして、この例においても、各ホイトストーンブリッジ６１，６２の出力Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２は演算部３に取り込まれ、前記した（１）式の演算により荷重検出出力Ｗｏｕｔが算出される。この例においても、（１）式における係数Ａを先の各例と同様にして求めることによって、得られる出力Ｗｏｕｔからクリープ成分を除去することができる。
【００２７】
この例における特徴は、２つのホイトストーンブリッジ６１，６２のクリープ量を相違させるために起歪体１０′の形状を工夫している点にある。すなわち、この例における起歪体１０′は、上側２つの可撓部ｅと下側２つの可撓部ｅ′の形状を、厚さｔ（ｔ１≠ｔ２）や曲率半径ｒ（ｒ１≠ｒ２）を相違させることによって異なるものとすることで、２つのホイトストーンブリッジ６１，６２のクリープ量を相違させ、これにより、式（１）における係数Ａを−１以外の値として、Ｗｏｕｔが０以外の値となって被測定荷重に比例するようにしている。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、１つの起歪体に貼着した複数の歪みゲージを用いて複数のホイトストーンブリッジを形成して、その各ホイトストーンブリッジの線形和により被測定荷重の検出出力を表すように構成し、その線形和において各ホイトストーンブリッジの出力にかかる係数を、当該各ホイトストーンブリッジのクリープ量を相殺する値としているので、クリープ調整作業は各ホイトストーンブリッジのクリープ量の測定と、その測定結果に応じた係数の設定でよく、従来の歪みゲージを変更して最適な組み合わせを確定する必要のある従来のクリープ調整作業に比して、その所要時間および労力を大幅に削減することができる。
【００２９】
また、本発明によると、クリープ調整は歪みゲージの貼着後、随時に行うことができるので、例えば電子はかりの荷重センサとして用いた場合、各電子はかりのクリープ量を容易に調整することが可能となり、高分解能化に伴うクリープ量のばらつきを簡単に補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構造を示す図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図で、（Ｃ）は底面図である。
【図２】図１における各歪みゲージＳ１〜Ｓ８の結線図である。
【図３】図２における一方のホイトストーンブリッジ２１のクリープ量を表すグラフ（Ａ）と、他方のホイトストーンブリッジ２２のクリープ量を表すグラフ（Ｂ）である。
【図４】本発明の他の実施の形態の構造を示す正面図（Ａ）および平面図（Ｂ）である。
【図５】図５における各歪みゲージＳ１〜Ｓ４の結線図である。
【図６】本発明の更に他の実施の形態の構造を示す正面図（Ａ），平面図（Ｂ）および底面図（Ｃ）である。
【図７】図６における各歪みゲージＳ１〜Ｓ４の結線図である。
【図８】歪みゲージを用いた従来のロードセルの構造を示す斜視図である。
【図９】図８の従来のロードセルにおける各歪みゲージＳ１〜Ｓ４の結線図である。
【符号の説明】
１０，１０′ 起歪体
１１ａ，１１ｂ柱部
１２ａ，１２ｂ梁
２１，２２，４１，４２，６１，６２ホイトストーンブリッジ
３演算部
Ｓ１〜Ｓ８歪みゲージ
Ｒ０固定抵抗
ｅ可撓部

Claims

起歪体に複数の歪みゲージを貼着してなるロードセルにおいて、
上記起歪体に貼着されている歪みゲージにより複数のホイトストーンブリッジが組まれ、その各ホイトストーンブリッジの出力の線形和を算出して当該ロードセルに作用する荷重の検出値として出力する演算手段を備えるとともに、その線形和の算出時に上記各ホイトストーンブリッジの出力にかかる係数が、当該各ホイトストーンブリッジの出力に現れるクリープ量を相殺する値に設定されていることを特徴とするロードセル。