JP4337595B2 - ロードセル - Google Patents

Description

本発明は箔歪みゲージを使用したロードセルに関し、特に、電子はかりの偏置荷重によ
る計量値誤差の低減化に有効なロードセルに関する。

従来、歪み量を抵抗値変化量に変換する箔歪みゲージとしては、図４に示すような絶縁性のベース基板２上に抵抗体Ｒとなる格子状の金属薄膜を接着し、その両端子にゲージリードＬを接続したものが用いられ、通常無歪み状態における抵抗値Ｒ_０と、定格引張り歪み量における抵抗変化量ΔＲと圧縮歪み量における抵抗変化量−ΔＲが規定されている。この箔歪みゲージＨを使用して被測定物の重量の測定に用いられるロードセル１Ａ、１Ｂの構成例を図５、６に示す。

図５はロードセル１Ａの構成を示す斜視図であって、直方体で弾性を有する金属母材をめがね形にくり抜いて作られたロードセル母体３の上辺部３１及び下辺部３２に形成された起歪部Ｓ１〜Ｓ４に前記箔歪みゲージＨと同構成の箔歪みゲージＨ１〜Ｈ４が接着されている。このロードセル１Ａの一端側を可動柱３３、他端側を固定柱３４として用い、可動柱３３に荷重Ｗを加えると、起歪部Ｓ１、Ｓ４には圧縮歪みが、起歪部Ｓ２、Ｓ３には引張り歪みが発生する。これら起歪部Ｓ１〜Ｓ４での歪み量ε_１〜ε_４は、その大きさが荷重Ｗに比例するとともに、軸方向に対しては図７に示すように分布している。この起歪部Ｓ１〜Ｓ４に図５のような箔歪みゲージＨ１〜Ｈ４を貼着し、図８に示すようなホイートストンブリッジを構成することにより、歪み量は抵抗値の変化として検出される。これら歪みゲージＨ１〜Ｈ４の抵抗値の変化量が同一であるとすると、そのとき検出される出力電圧Ｖは、無歪み時の抵抗値をＲ_０、歪み量の変化による抵抗値の変化量をΔＲ、ホイートストンブリッジの基準電圧をＶｂとすると下記（６）式による出力電圧が得られる。
Ｖ＝（ΔＲ／Ｒ_０）Ｖｂ （６）

また、図６はロードセル１Ｂの構成を示す斜視図であって、前記ロードセル母体３の上辺部３１の起歪部Ｓ１に箔歪みゲージＨ１、Ｈ４が、そして起歪部Ｓ２に箔歪みゲージＨ２、Ｈ３が貼着されており、図８に示したホイートストンブリッジを構成することにより（６）式に示す出力電圧Ｖを得るようにしたものである。
特開２００３−３２２５７１号公報

従来のロードセル１Ａ、１Ｂは共に、貼着した４個の箔歪みゲージＨ１〜Ｈ４で図８に示したホイートストンブリッジを構成することにより、（６）式に示したように被測定物の重量に比例した電圧信号Ｖが得られるが、ロードセル１Ａの場合には、図５に見られるように、ロードセル１Ａの中心軸を含む垂直面上に箔歪みゲージＨ１〜Ｈ４の中心線を合わせて貼着しているので、可動柱３３上に連結される計量皿（図示省略）の中心点に被測定物を載置したときと、中心点から離して載置したときでの被測定物の計量誤差（載置誤差）は少ないが、上辺部３１と下辺部３２に分けて貼着するため作業性が劣るという問題がある。一方、ロードセル１Ｂの場合には、４枚の箔歪みゲージＨ１〜Ｈ４を上辺部３１だけに接着するので作業性に優れているが、ロードセル１Ｂの中心軸を含む垂直面から離れて接着しているため載置誤差が発生しやすいという問題がある。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、偏置誤差の少ない高精度のロードセルを構成することができる箔歪みゲージを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明のロードセルは、複数の起歪部を有する母体と、 絶縁性のベース基板及び該ベース基板上に近接平行して前記母体の中心軸上に設けられた２つの格子状の抵抗体を有し、前記複数起歪部のそれぞれに貼り付けられた箔歪みゲージと、前記それぞれの歪みゲージにおける抵抗体が相互に対向するように接続されたホイートストンブリッジとを有し、前記それぞれの箔歪ゲージにおける２つの格子状の抵抗体が同一の検出出力を出力するように構成されていることを特徴とする。
本発明のロードセルは、上記のように構成されており、同一の二つの検出信号が得られるので、理想的なホイートストンブリッジを構成することができる。

本発明の箔歪みゲージは、同一特性の２つの検出部を備えており、一つの起歪部から同一特性の２検出出力を取り出すことができるので、ロードセル母体の上辺部の圧縮及び引張りの起歪部に貼着するだけでホイートストンブリッジを構成することができ、作業性が向上する。また、ロードセルの中心軸上に箔歪みゲージを貼着しているので、偏置荷重の影響を受け難い中心軸付近の歪み量を検出することができ、偏置荷重により計量値誤差を低減させることができる。

本発明による箔歪みゲージの実施例を図面を参照しながら説明する。図１は実施例による箔歪みゲージＧの平面図（ａ）と側面図（ｂ）を示したものである。この箔歪みゲージＧは、ペーパ、ポリエステル、エポキシあるいはベークライトなどの薄膜フィルムをベース基板２として使用し、このベース基板２の表面上に銅−ニッケル合金あるいはニッケル−クロム合金などの金属箔を接着した後、フォトエッチング技術により格子状の独立した２つのパターンからなる抵抗体Ｒ１、Ｒ２を形成すると共に、それぞれの両端にゲージリードＬを接続したものである。前記抵抗体Ｒ１、Ｒ２は、同一パターンで接近して形成されているので、箔歪みゲージＧは、独立した同一特性の２つの抵抗値変化による歪み検出信号を取り出すことができる。

上記箔歪みゲージＧをロードセルに使用した場合の実施例を次に示す。図２は本箔歪みゲージＧを使用したロードセル１の構成を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。本ロードセル１のロードセル母体３は、図５、６に示した従来形のロードセル１Ａ、１Ｂに用いられているものと同様のものを使用することができる。すなわち、ロードセル母体３は、直方体で弾性を有する金属母材をめがね形にくり抜いたもので、その上辺部３１の薄肉部には、起歪部Ｓ１、Ｓ２、下辺部３２の薄肉部には起歪部Ｓ３、Ｓ４が形成されると共に、上辺部３１の起歪部Ｓ１、Ｓ２の外側及び下辺部３２の起歪部Ｓ３、Ｓ４の外側にはそれぞれ溝３５が設けられている。そして、前記起歪部Ｓ１、Ｓ２には接着剤を用いて箔歪みゲージＧ１、Ｇ２が、図２（ａ）に示すようにその中心線と上辺部３１の中心線とが一致するようにして貼着されている。このロードセル母体３の一端側を被測定物を載置する計量皿４を連結して上下方向に移動する可動柱３３とし、他端側が固定される固定柱３４として使用することによりロバーバル機構が構成され、前記可動柱３３に荷重Ｗが加わると、起歪部Ｓ１、Ｓ４には圧縮歪み、起歪部Ｓ２、Ｓ３には引張り歪みが発生する。

前記箔歪みゲージＧ１には同一特性の抵抗体Ｒ１、Ｒ２、箔歪みゲージＧ２には同一特性の抵抗体Ｒ３、Ｒ４がそれぞれ形成されている。この抵抗体Ｒ１〜Ｒ４はゲージリードＬ（図１参照）を介して、基準電源５と共に図３に示すようなホイートストンブリッジ６を構成して使用される。この抵抗体Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値をｒ１〜ｒ４とし、基準電源５の出力電圧をＶｂとすると、ホイートストンブリッジ６から下記（１）式で示される出力電圧Ｖ_０が得られる。
Ｖ_０＝（ｒ３ｒ４−ｒ１ｒ２）Ｖｂ／（（ｒ１＋ｒ４）（ｒ２＋ｒ３）） （１）

上記計量皿４の中心点Ｏに被測定物を載置して荷重Ｗを加えた場合、箔歪みゲージＧ１には圧縮歪み量ε_１が加わり、抵抗体Ｒ１、Ｒ２の抵抗値ｒ１、ｒ２は無歪み状態での抵抗値Ｒ_０から比例係数Ｋ₁₂に比例して減少する。また、箔歪みゲージＧ２には引張り歪み量ε_１が加わり、抵抗体Ｒ３、Ｒ４の抵抗値ｒ３、ｒ４は無歪み状態での抵抗値Ｒ_０から比例係数Ｋ₃₄に比例して増大する。これらの関係は下記（２）、（３）式によって示される。
ｒ１、ｒ２＝Ｒ_０−Ｋ₁₂Ｗ （２）
ｒ３、ｒ４＝Ｒ_０＋Ｋ₃₄Ｗ （３）
上記（１）〜（３）式の関係から箔歪みゲージＧ１、Ｇ２を使用したロードセル１から下記（４）式に示す出力電圧Ｖ_０が得られる。
Ｖ_０＝Ｖｂ・Ｗ（Ｋ₃₄＋Ｋ₁₂）／（（２Ｒ_０＋（Ｋ₃₄−Ｋ₁₂）Ｗ） （４）
そして、前記比例係数Ｋ₁₂、Ｋ₃₄が等しい箔歪みゲージＧ１、Ｇ２を組みあわせて使用することにより、下記（５）式で示されるような荷重Ｗに比例した出力電圧Ｖ_０が得られる。
Ｖ_０＝Ｋ₁₂Ｖｂ・Ｗ／Ｒ_０ （５）

また、計量皿４のＡ点又はＢ点、すなわちロードセル母体３の中心線上における中心点Ｏから偏位した位置に被測定物を載置した場合、ロードセル母体３は、ロバーバル機構を構成しているので、荷重Ｗは可動柱３３により垂直荷重に変換されるので、被測定物を中心点Ｏにおいたときの歪み量ε_１、ε_２と変わらず、荷重Ｗは上記（５）式による出力電圧Ｖ_０に変換される。

そしてまた、被測定物をＣ点又はＤ点、すなわちロードセル母体３の中心軸と直交する方向に中心点Ｏから偏位した位置に被測定物を載置した場合、ロードセル母体３の上辺部３１に右回り又は左周り方向のねじり力が加わり、起歪部Ｓ１、Ｓ２に発生する歪み量が中心軸の両側で相違するが、本ロードセル１では、中心軸上に箔歪みゲージＧ１、Ｇ２を貼着しているので、起歪部Ｓ１、Ｓ２で検出される歪み量ε_１、ε_２は、中心点Ｏに被測定物を載置したときの歪み量ε_１、ε_２との差は小さく、荷重Ｗは（５）式によって出力電圧Ｖ_０に変換される。

上記のように、本箔歪みゲージＧ１、Ｇ２を使用することにより、上辺部３１の圧縮歪み及び引張り歪みを生じる起歪部Ｓ１、Ｓ２にのみ箔歪みゲージＧ１、Ｇ２を貼着するだけで、ホイートストンブリッジ６（図３参照）を構成して荷重Ｗを検出することができるので構成が簡略化され作業性を向上させることができる。
また、ロードセル母体３の中心線上に箔歪みゲージＧ１、Ｇ２を貼着することにより、偏置荷重の影響を受け易い歪み発生箇所からの歪み検出を避けることができ、偏置荷重による計量誤差の発生を低減することができる。

本発明の実施例による箔歪みゲージの平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 本発明の箔歪みゲージを使用したロードセル１の構成を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。 実施例に係わるホイートストンブリッジ６の構成図である。 従来の箔歪みゲージの構成を示す平面図である。 従来の箔歪みゲージを用いたロードセル１Ａの構成図である。 従来の箔歪みゲージを用いたロードセル１Ｂの構成図である。 ロードセルの起歪部に発生する歪み量の分布図である。 従来の箔歪みゲージで構成したホイートストンブリッジの構成図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ ロードセル
２ ベース基板
３ ロードセル母体
３１ 上辺部
３２ 下辺部
３３ 可動柱
３４ 固定柱
３５ 溝
４ 計量皿
５ 基準電源
６ ホイートストンブリッジ
Ｇ、Ｇ１、Ｇ２ 箔歪みゲージ
Ｈ、Ｈ１〜Ｈ４ 箔歪みゲージ
Ｌ ゲージリード
Ｒ、Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗体
Ｓ１〜Ｓ４ 起歪部
Ｗ 荷重

Claims (1)

1. 複数の起歪部を有する母体と、
   絶縁性のベース基板及び該ベース基板上に近接平行して前記母体の中心軸上に設けられた２つの格子状の抵抗体を有し、前記複数起歪部のそれぞれに貼り付けられた箔歪みゲージと、
   前記それぞれの歪みゲージにおける抵抗体が相互に対向するように接続されたホイートストンブリッジとを有し、
   前記それぞれの箔歪ゲージにおける２つの格子状の抵抗体が同一の検出出力を出力するように構成されていることを特徴とするロードセル。

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