JP5400350B2

JP5400350B2 - ロードセル

Info

Publication number: JP5400350B2
Application number: JP2008277630A
Authority: JP
Inventors: 孝橋　　徹; 敏満松▲崎▼
Original assignee: Yamato Scale Co Ltd
Current assignee: Yamato Scale Co Ltd
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: JP2010107266A

Description

本発明は、ロードセルに関し、より詳しくは柱型の起歪体を持つ圧縮型ロードセルにおいて、起歪体に対し負荷荷重がかかるとき、荷重の加わる方向によって正規の荷重検出用の圧縮歪みと伸張歪み以外に起歪体に作用する曲げ、捻りによる歪みによって荷重出力信号に発生する誤差を補正する技術に関するものである。

従来、この種の誤差補正手段を備えた荷重検出装置として、特許文献１に開示されるものがある。この文献に記載のロードセル５０では、図４に示されるように、柱型の起歪体５１の起歪部に、圧縮歪み検出用ストレインゲージ５２と伸張歪み検出用ストレインゲージ５３が貼付される以外に、曲げ歪み検出用ストレインゲージ５４ａ，５４ｂが貼付され、これら曲げ歪み検出用ストレインゲージ５４ａ，５４ｂのそれぞれについて検出回路を構成してｘ軸方向の曲げおよびｙ軸方向の曲げを検出するようにされている。

また、同文献のものでは、ロードセルに捻り歪みが加えられる点を考慮し、曲げモーメントのｘ軸方向成分およびｙ軸方向成分からその曲げモーメントの大きさと方向とを算出するようにされ、最終的に曲げモーメントに基づく誤差を補償した重量測定値の真の値を算出するようにされている。

特開２００７−３３１２７号公報

しかしながら、上記特許文献１のものにおいて、起歪体５１が受ける曲げ歪み形状は、起歪体５１の側面においてｚ軸方向の位置によって異なる。すなわち、傾斜した起歪体５１に荷重負荷があるとき、圧縮歪み検出用ストレインゲージ５２の貼付部分に生じる曲げ歪み形状と、曲げ歪み検出用ストレインゲージ５４ａまたは５４ｂの貼付部分に生じる曲げ歪み形状とが異なり、曲げ歪みの大きさが圧縮歪み検出用ストレインゲージ５２と曲げ歪み検出用ストレインゲージ５４ａまたは５４ｂの間で単に大小の比例関係にて発生するものではない。

これに対して、特許文献１に記載の方式では、曲げ歪み検出用ストレインゲージ５４ａ，５４ｂによって圧縮歪み検出用ストレインゲージ５２が受ける歪みと異なる歪みを検出することによって圧縮歪み検出用ストレインゲージ５２からの荷重出力信号を補正しているが、両方の曲げ歪みの間の相関が小さいので、特別に設けられた曲げ歪み検出用ストレインゲージ５４ａ，５４ｂの出力から算出した補正量と、圧縮歪み検出用ストレインゲージ５２に含まれる誤差との差が大きく現れ、正確な補正が行えないという問題点がある。

本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、特別な曲げ歪み検出用センサを設けることなく、直接荷重検出用ストレインゲージに生じる曲げ歪みから荷重信号に含まれる誤差の補正量を算出して、より正確に誤差の補正を行うことのできるロードセルを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明によるロードセルは、
荷重を受けて歪みを発生する柱型の起歪体と、前記柱型の起歪体の側面において、前記起歪体の長手軸方向および前記長手軸方向に直角をなす方向に貼付され、前記起歪体に発生する該起歪体の長手軸方向及び該長手軸方向に直角をなす方向のそれぞれの歪み量に応じた重量測定信号を発生するストレインゲージと、前記起歪体に発生した曲げ歪みに基づく曲げ歪み測定信号を前記ストレインゲージから直接分離して検出する曲げ歪み検出手段とを備えることを特徴とするものである。

本発明において、前記曲げ歪み測定信号は、前記起歪体の長手軸に対し対称位置に貼付されたストレインゲージの間に生じる抵抗変化の差に基づいて得られるのが好ましい。

本発明によれば、特別な曲げ歪み検出用センサを設けることなく、負荷荷重による起歪体の歪量を最も有効に検出できるように貼付された直接荷重検出用のストレインゲージに生じる曲げ歪みから荷重信号に含まれる誤差の補正量を算出することができるので、より正確に誤差の補正を行うことができ、しかもストレインゲージの個数を減らすことができるので、装置構成の簡素化を図ることができる。

次に、本発明によるロードセルの具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係るロードセルにおける起歪体の側面方向から見た概略斜視図（ａ）とそのｚ軸方向から見た図（ｂ）が示されている。また、図２には、本実施形態のロードセルにおける荷重検出用回路の構成図が示されている。

本実施形態のロードセル１において、起歪体２は四角柱形状とされている。なお、この起歪体２の形状は円筒柱形状であっても良い。起歪体２には、ｘ軸方向に垂直をなす側面３，３′上にそれぞれ、荷重検出用としてｚ軸方向（長手軸方向）の圧縮歪み検出用ストレインゲージ（以下、「ストレインゲージ」を単に「ゲージ」という。）５，５′が貼付され、ｙ軸方向に垂直をなす側面４，４′上にそれぞれ、荷重検出用としてｚ軸方向の圧縮歪み検出用ゲージ６，６′が貼付されている。また、側面３，３′上にはそれぞれｙ軸方向の伸張歪み検出用ゲージ７，７′が、側面４，４′上にはそれぞれｘ軸方向の伸張歪み検出用ゲージ８，８′が貼付されている（ただし、ゲージ７′，８′については図示されていない。）

図２に示されるように、各ゲージ５，５′；６，６′；７，７′；８，８′はブリッジ回路９に配線され、このブリッジ回路９の接続端子ｐ１，ｐ２に対して電源回路よりロードセルの励磁電圧＋Ｖ，−Ｖが与えられる（なお、単極電源であっても良い。）。ここで、スパン温度補償のために、電源と端子ｐ１，ｐ２との間に数オーム程度の小さい値の温度補正用抵抗が挿入される場合もある。

上記ブリッジ回路９において、接続点ｐ３，ｐ４が荷重信号を出力する出力端子となる。これら出力端子ｐ３，ｐ４における電位差が荷重信号を表し、各出力端子ｐ３，ｐ４の電圧がそれぞれ増幅器Ａ１，Ａ２を通して増幅器Ａ３より荷重信号Ｖｗとして検出される。なお、増幅器Ａ３は増幅器Ａ１，Ａ２の差を増幅する回路を表しており、その詳細構成については省略されている。

図１に示される起歪体２に対してｚ軸方向に荷重が負荷されると、圧縮歪み検出用ゲージ５，５′および圧縮歪み検出用ゲージ６，６′はいずれも起歪体２の圧縮歪みによってその抵抗値が小さくなる。一方、伸張歪み検出用ゲージ７，７′および伸張歪み検出用ゲージ８，８′はいずれも起歪体２の伸張歪みによってその抵抗値が大きくなる。こうして、端子ｐ３，ｐ４の間に荷重に比例した電位差が発生し、この電位差が荷重信号として出力される。

これに対して、荷重がｚ軸方向に対して所定角度をなし、またｘ軸、ｙ軸に対しても所定角度（ｘ軸に対して角度α）をなして加わると、起歪体２にはｘ軸方向およびｙ軸方向に歪みが生じる。このような曲げ歪みが発生しても、圧縮歪み検出用ゲージ５，５′の間、および圧縮歪み検出用ゲージ６，６′の間でそれぞれ曲げ歪みによる抵抗値の増減の値が同じであれば、ブリッジ回路９における一辺の抵抗値は増減相殺され曲げ歪みによる影響は出ず、圧縮歪みによる抵抗値変化のみが残り、荷重信号に誤差が生じることはない。

しかし、実際には圧縮歪み検出用ゲージ５，５′の間、および圧縮歪み検出用ゲージ６，６′の間でゲージ抵抗値の増減値がそれぞれ等しくなるようには変化せず、これによって生ずる差分は荷重信号における曲げ歪み誤差となる。

この点に鑑み、本実施形態のロードセル１では、直接、荷重検出用として設けられたゲージにおける抵抗値の増減値の違いのみを補正用信号として抽出し、言い換えれば曲げ歪みによって生じる誤差そのものを補正用信号として抽出し、この抽出した補正信号でもって荷重信号を補正することにより、曲げ歪み検出手段を構成し、これによって歪み状態の異なる起歪体上の別の面から検出した補正信号によって補正するものに比べて正確な補正を行うことを可能にしたものである。

具体的には、曲げ歪みの影響を大きく受ける圧縮歪み検出用ゲージ５，５′を配線接続する端子ｐ５、および圧縮歪み検出用ゲージ６，６′を配線接続する端子ｐ６から信号が取り出される。

一方、端子ｐ１と端子ｐ３との間には参照用抵抗ｒａ１，ｒａ１′が直列接続により挿入され、これら参照用抵抗ｒａ１，ｒａ１′が圧縮歪み検出用ゲージ５，５′に並列接続され、互いに干渉しないように参照用抵抗ｒａ１′の片方の端子が増幅器Ａ１の出力に接続される。こうして、参照用抵抗ｒａ１，ｒａ１′の両端電圧は増幅器Ａ１のオフセット分はあるが、ブリッジ端子ｐ１−ｐ３間と常にほぼ同一の値を取ることになる。ここで、参照用抵抗ｒａ１，ｒａ１′の抵抗値はほぼ等しく、温度変化に対して安定であるものを選択することで、これら参照用抵抗ｒａ１，ｒａ１′間の接続点ｑ１の電圧は端子ｐ１−ｐ３間の電圧のほぼ中間の値で、常時安定な基準電圧をなしている。

このように構成されているので、圧縮歪み検出用ゲージ５と圧縮歪み検出用ゲージ５′の抵抗値の差は起歪体２の曲げ歪み量に応じて大きく変化し、接続端子ｐ５の電圧はそれに伴って大きく変化する。この端子ｐ５の電圧を増幅器Ａ４を通して出力し、その出力電圧（ｐ５点の曲げ歪み電圧）とｑ１点の基準電圧との差を取ると、その差の電圧が起歪体２の曲げ歪み量の変化にほぼ比例することになるので、それら各電圧信号を増幅器Ａ５に入れて増幅させることで、増幅器Ａ５の出力としてｘ軸方向の曲げ歪みに応じた信号Ｖｘを得ることができる。

同様にして、伸張歪み検出用ゲージ７，７′の接続点ｐ６の電圧信号を取り出して増幅器Ａ６に入力するとともに、増幅器Ａ２と、片方の電源励磁点ｐ２との間に参照用抵抗ｒａ２，ｒａ２′を挿入し、これら参照用抵抗ｒａ２，ｒａ２′間の接続点ｑ２の電圧と増幅器Ａ６の出力信号を増幅器Ａ７に入力する。

このようにすれば、増幅器Ａ３の出力は荷重信号Ｖｗ、増幅器Ａ５の出力はｘ軸方向の曲げ歪みに応じた出力信号Ｖｘ、増幅器Ａ７の出力はｙ軸方向の曲げ歪みに応じた出力信号Ｖｙとなる。

これら各出力信号Ｖｘ，Ｖｗ，ＶｙはそれぞれＡ／Ｄ変換器１０，１１，１２によってデジタル信号ＤＶｘ，ＤＶｗ，ＤＶｙに変換され、入出力回路（Ｉ／Ｏ）１３を介して中央処理装置（ＣＰＵ）１４に入力される。中央処理装置１４はメモリ１５に記憶されているプログラムにしたがって、このメモリ１５をワーキングエリアとして使用しながら所要の演算を実行する。なお、その演算結果等は重量指示計１６に表示される。

このような構成よりなるロードセル１を例えばトラックスケールに用いる場合には、平面視長方形状の計量台の裏面の四隅にロードセル１がそれぞれ配置される。この計量台上に載荷状態のトラックが乗ったとき、重量が掛かる位置によってロードセル１が傾斜することがある。このロードセル１の傾斜方向とｘ軸とがなす角度α（図１（ｂ）参照）は、ｘ軸方向の曲げ歪みに応じた出力信号Ｖｘと、ｙ軸方向の曲げ歪みに応じた出力信号Ｖｙとの比率Ｖｙ／Ｖｘを演算することによって求められ、α＝ｔａｎ^−１（Ｖｙ／Ｖｘ）で表される。また、曲げモーメントの大きさは、（Ｖｘ^２＋Ｖｙ^２）^１／２によって表される。

このように曲げモーメントの方向と大きさとを決定することができるので、これらの値と、荷重出力Ｖｗに含まれている誤差成分Ｅの値との関係を予め調べておき、この関係を用い、ロードセル１の使用時に曲げモーメントの方向と大きさとを決定して誤差成分Ｅの補償を行うことができる。

例えば、ロードセル１の起歪体２がほぼ直立した状態で、ある負荷荷重が掛かった場合の荷重出力ＶｗをＶｔｒｕｅとすると、ロードセル１の起歪部２に角度αの方向に曲げ歪みが発生しており、かつ上記直立した状態と同じ負荷荷重が掛かっているとすると、荷重出力Ｖｗは、その真値Ｖｔｒｕｅに誤差成分Ｅが加わったものとなる。ここで、誤差成分Ｅは、曲げ歪みの大きさによって異なる値となり、また同じ曲げ歪み量であっても、曲げモーメントが作用する方向（ロードセル１が傾斜している方向）によっても異なる値となる。

そこで、予めロードセル１に定格負荷荷重を掛け、ｚ軸に対して予め定めた複数種類（例えば第１及び第２の合計２種類）の大きさの傾斜角度を与えた状態をそれぞれ維持し、ロードセル１をα＝０°から３６０°まで所定角度ごとに回転させながら一周させる。このとき、荷重出力Ｖｗを所定角度ごとに測定し、これら各荷重出力Ｖｗから、ロードセル１を直立させた状態で定格荷重を掛けたときの荷重出力Ｖｗを減算して、所定角度ごとの誤差成分Ｅを求める。

同時に、各所定角度ごとにｘ軸方向の曲げ歪みに応じた出力信号Ｖｘと、ｙ軸方向の曲げ歪みに応じた出力信号Ｖｙとをそれぞれ測定し、各所定角度ごとに曲げ歪み量の大きさ（Ｖｘ^２＋Ｖｙ^２）^１／２を求める。曲げ歪み量の大きさも実際のロードセル１に対して測定すると、回転角度αの変化に従って変動している。しかし、その変動は比較的少ない。そこで、第１の傾斜角を与えた場合の所定角度ごとの曲げ歪み量の大きさの平均値をＭ１とし、第２の傾斜角を与えた場合の所定角度ごとの曲げ歪み量の大きさの平均値をＭ２とし、これら平均値Ｍ１，Ｍ２をロードセル１のｚ軸に対する２種類の傾斜量に対する曲げ歪み量の代表値とする。

図３（ａ）には、曲げ歪み量Ｍ１，Ｍ２の場合の誤差成分Ｅと角度αとの関係を表す誤差曲線が示されている。この図３（ａ）において、曲げ歪み量Ｍ１，Ｍ２の際の誤差成分Ｅと角度αとの関係を表す２つの方程式を例えば最小自乗法等を用いて決定し、ロードセル１が実際に傾斜しているときの曲げモーメントＭの大きさを用いて、上記２つの方程式を修正し、ロードセル１が実際に傾斜しているときの角度αをｔａｎ^−１（Ｖｙ／Ｖｘ）により求めて、その角度αを上記修正された方程式に代入して誤差成分Ｅを求めることもできる。

しかし、本実施形態では、計算を簡略化するために、或る角度範囲、例えば図３（ａ）におけるα＝０°乃至９０°、９０°乃至１８０°、１８０°乃至２７０°、２７０°乃至０°の間をそれぞれ直線的変化とみなして補償を行う。α＝０°における曲げ歪み量がＭ１のときの誤差成分をｅ０１、α＝０°における曲げ歪み量がＭ２のときの誤差成分をｅ０２とし、実際に計量台上にトラックが乗っている状態で測定された曲げ歪み量をＭｍとすると、α＝０°における曲げ歪み量Ｍｍに対応する誤差成分Ｅｍ０を図３（ｂ）に示されるように直線近似によって求めることができる。同様にして、α＝９０°，１８０°，２７０°における曲げ歪み量Ｍｍの際の誤差成分Ｅｍ９０，Ｅｍ１８０，Ｅｍ２７０を求めることができる。

そして、実際にトラックスケール上にトラックが乗っている状態で測定された曲げ歪みの角度αｍが、０°以上９０°未満、９０°以上１８０°未満、１８０°以上２７０°未満、２７０°以上０°未満のいずれの区間に属するかを判定する。例えばαｍが０°以上９０°未満であれば、α＝０°における曲げ歪み量Ｅｍ０とα＝９０°における曲げ歪み量Ｅｍ９０を選択して、図３（ｃ）に示されるように、直線近似を行って、曲げ歪み量Ｍｍ、角度αｍにおける誤差成分Ｅｍを算出する。そして、そのときの荷重出力Ｖｗから誤差成分Ｅｍを減算することによって、真値Ｖｔｒｕｅを算出する。なお、本実施形態では、４つの区間に分けたが、さらに細かい区間に分けてαｍがいずれの区間に属するか判定することも可能である。

このような演算が行えるように、メモリ１５には、平均曲げ歪み量Ｍ１，Ｍ２の際のα＝０°，９０°，１８０°，２７０°における誤差成分ｅ０１，ｅ０２，ｅ１１，ｅ１２・・・をデジタル化した値が予め記憶されている。そして、トラックが計量台に乗った状態において、荷重出力信号のデジタル値ＤＶｗ、ｘ軸方向の曲げ歪みに応じた出力信号Ｖｘのデジタル値ＤＶｘ、ｙ軸方向の曲げ歪みに応じた出力信号Ｖｙのデジタル値ＤＶｙが入出力回路（Ｉ／Ｏ）１３を介して中央処理装置１４に入力される。

中央処理装置１４は、デジタル値ＤＶｘ、デジタル値ＤＶｙから曲げモーメントの作用する方向を表す角度αｍを算出するとともに、この算出されたαｍが、０°以上９０°未満、９０°以上１８０°未満、１８０°以上２７０°未満、２７０°以上０°未満のいずれの範囲に属するかを判定する。

次に、中央処理装置１４は、デジタル値ＤＶｘおよびデジタル値ＤＶｙから曲げ歪み量Ｍｍを算出する。そして、中央処理装置１４は、上記判定された範囲の一方の境界の角度における曲げ歪み量Ｍ１，Ｍ２に対応する誤差成分をメモリ１５から読み出す。次いで、これら曲げ歪み量Ｍ１，Ｍ２と、これらにそれぞれ対応する誤差成分と、曲げ歪み量Ｍｍとから、その一方の境界における曲げ歪み量Ｍｍに対応する誤差成分を直線近似によって決定する。同様にして、他方の境界における曲げ歪み量Ｍｍに対応する誤差成分を直線近似によって決定する。

さらに、中央処理装置１４は、これら両境界における角度αと、これら境界それぞれにおける曲げ歪み量Ｍｍに対応する誤差成分と、先に算出された角度αｍとを用いて、角度αｍにおける誤差成分Ｅｍを算出する。そして、このＥｍをデジタル値ＤＶｗから減算することによって、曲げ歪みの影響を除去した真値ＤＶｔｒｕｅを算出する。

なお、図２では、１台のロードセル１しか示していないが、実際には、４台のロードセル１のブリッジ回路９から荷重出力Ｖｗ、ｘ軸方向の曲げ歪みに応じた出力信号Ｖｘ、ｙ軸方向の曲げ歪みに応じた出力信号Ｖｙが、それぞれ増幅されデジタル化されて、入出力回路（Ｉ／Ｏ）１３を介して中央処理装置１４に供給され、ロードセルごとに上述した処理が行われる。このようにしてそれぞれ算出された各真値ＤＶｔｒｕｅが、合算され、その合算値が重量指示計１６に表示される。

本実施形態では、計量台にトラックが載った際の曲げ歪み量に対応する誤差成分の値を表す誤差曲線を決定するのに、及びその決定された誤差曲線上における曲げ歪みの方向（角度α）に対応する誤差成分を決定するのに、それぞれ直線近似を用いたが、これに限ったものではなく、例えば最小自乗法やニュートン補間法等の公知の種々の手法を使用することができる。ただし、その場合、誤差曲線の数を本実施形態の２つよりも多くする必要がある。

本実施形態では、トラックスケールに使用した例について説明したが、これに限ったものではなく、ロードセルが曲げモーメントを受けて湾曲して傾斜する可能性のある重量測定装置であれば、種々のものに使用することができる。

本実施形態において、ｙ軸方向の伸張歪み検出用ゲージ７，７′；８，８′は、ｚ軸方向の圧縮歪み検出用ゲージ５，５′；６，６′のように大きい影響は受けないが、ゲージの貼付の仕方によっては、曲げ歪みによる誤差が現れることも考えられる。このため、伸張歪み検出用ゲージ７，７′；８，８′についても、圧縮歪み検出用ゲージ５，５′；６，６′に対して設けた曲げ歪み誤差検出回路と同じ回路を設けて誤差を検出し、荷重信号を補正するようにしても良い。

本発明の一実施形態に係るロードセルにおける起歪体の側面方向から見た概略斜視図（ａ）とそのｚ軸方向から見た図（ｂ）本実施形態のロードセルにおける荷重検出用回路の構成図本実施形態のロードセルにおける曲げ歪み方向と誤差成分との関係を示す誤差曲線図（ａ）、曲げ歪み量に対する誤差成分の決定法の説明図（ｂ）および曲げ歪み方向に対する誤差成分の決定法の説明図（ｃ）従来の誤差補正手段を備えた荷重検出装置を示す図

符号の説明

１ロードセル
２起歪体
５，５′；６，６′ 圧縮歪み検出用ストレインゲージ
７，７′；８，８′ 伸張歪み検出用ストレインゲージ
９ブリッジ回路
１０，１１，１２Ａ／Ｄ変換器
１３入出力回路（Ｉ／Ｏ）
１４中央処理装置（ＣＰＵ）
１５メモリ
１６重量指示計
Ａ１〜Ａ７増幅器
ｐ１〜ｐ６，ｑ１，ｑ２端子
ｒａ１，ｒａ１′，ｒａ２，ｒａ２′ 参照用抵抗

Claims

荷重を受けて歪みを発生する柱型の起歪体と、前記柱型の起歪体の側面において、前記起歪体の長手軸方向および前記長手軸方向に直角をなす方向に貼付され、前記起歪体に発生する該起歪体の長手軸方向及び該長手軸方向に直角をなす方向のそれぞれの歪み量に応じた重量測定信号を発生するストレインゲージと、前記起歪体に発生した曲げ歪みに基づく曲げ歪み測定信号を前記ストレインゲージから直接分離して検出する曲げ歪み検出手段とを備えることを特徴とするロードセル。
前記曲げ歪み測定信号は、前記起歪体の長手軸に対し対称位置に貼付されたストレインゲージの間に生じる抵抗変化の差に基づいて得られることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。