JP5858951B2 - ロードセル - Google Patents

Description

本発明はロードセルに関し、特にトラックスケールやホッパースケール等の産業用秤に使用する圧縮型ロードセルの高精度化及び小型化を図るものである。

従来より、圧縮型のロードセルとして、図１６に示すタイプのロードセルが提供されている。このロードセルでは、ひずみゲージ１０１を取り付けた略円柱状の弾性体１０２をケーシング１０３で支持し、ひずみゲージ１０１及びひずみゲージ１０１が構成するブリッジ回路（図示せず）を保護するためにケーシング１０３の内部１０３ａをダイヤフラム１０４により気密封止する。

しかしながら、上記のケーシング１０３を備えた組立構造のロードセルは、弾性体１０２のケーシング１０３への接合状態によっては、摩擦によりロードセルの基本性能の１つであるヒステリシスを悪化させる構造上の欠点を有している。そのため、ロードセルの組立時に細心の注意を払う必要があり、高性能を得ることは容易ではなかった。

また、ケーシング１０３を必要とするため、小型化が困難であるとともに、ケーシング１０３の分だけコスト高になり、安価なロードセルを提供するには限界があった。これに対して、ケーシングを必要としない、特許文献１のロードセルが提案されている。

特許文献１には、図１７に示すように、柱状弾性体１１０の対向する側面部１１１に一対の平底円孔１１２，１１２を設け、それぞれの底部１１３，１１３にひずみゲージ１１４〜１１７を取り付けて底部１１３，１１３間に起歪部１１８を設けたロードセル１１９が開示されている。

このロードセル１１９では、角柱状弾性体１１０の上下両端部に、角柱状弾性体１１０の主軸Ｌ１と同軸に荷重着力部１２０及び支持部１２１が設けられている。荷重着力部１２０及び支持部１２１の主軸Ｌ１に垂直な断面積は、柱状弾性体１１０の主軸Ｌ１に垂直な断面の最大断面積に対して１割から３割の比率に設定されている。

角柱状弾性体１１０の側面部１１１には、主軸Ｌ１方向の応力が零或いは零に近い応力が無視できる部位があり、該部位から平底円孔１１２に向けて、平底円孔１１２の上端又は下端にほぼ接するようにリード線取出孔１２２が形成されている。そして、リード線取出孔１２２の開口部にリード線取出金具が取り付けられ、リード線がリード線取出金具を通して取り出されるように構成されている。このロードセル１１９はケーシングを必要としないため、小型化が可能である。一方、この構造の比較的荷重容量の大きいロードセルを用いた場合、高精度な測定結果が得られる。しかし、以下に説明する技術課題があった。

前記構造の比較的荷重容量の小さいロードセルでは、角柱状弾性体１１０の寸法が全体的に小さくなることによって、主軸Ｌ１方向の応力が零或いは零に近い応力が無視できる部位がひずみゲージ１１４〜１１７の取付位置と比較的近接する。また、リード線取出孔１２２が柱状弾性体１１０内の力の流れ（力の伝達経路）を横断して妨げるため、これによって誤差が生じるおそれがあり、高精度な計量の実現に限界があった。また、リード線取出金具をリード線取出孔１２２に螺子嵌合で取り付ける場合、ヒステリシスの悪化を防止するため、締付トルクの注意深い管理が必要であった。また、リード線取出孔１２２の形成により柱状弾性体１１０の形状が非対称となるため、例えば、若干傾斜して設置された場合、垂直設置の場合と比較して出力が変化する傾向がある。そのため、設置上の注意が必要であり、設置調整に時間を要した。

一方、両端が球面の圧縮型ロードセルを使用した産業用秤では、計量物の載せ降ろしでロードセルが揺れることにより主軸回りに回転し、接続ケーブルを引っ張って破損することがある。そのため、適切なロードセルの回り止め対策が必要である。

図１８に従来技術での回り止めの一例を示す。この回り止めは、柱状弾性体１３０の側面部１３１に水平に突出する回り止めピン１３２を、取り付け荷重受金具取付板１３３に取り付けたＬ字状の回り止め金具１３４のＵ字溝１３５に、両者の間に適切な隙間を保って嵌合させる構造を有する。この構造により、ロードセル１３６が主軸Ｌ２回りに回転することを防止している。

ロードセル１３６では、回り止めピン１３２と回り止め金具１３４が接触すると、接触摩擦力が回り止めピン１３２を介してロードセル１３６の荷重軸方向に作用する。このことと、回り止めピン１３２位置が起歪部のひずみゲージ接着位置に比較的近いこと、及びリード線取出孔と同様の、柱状弾性体１３０を非対称に形成することとにより、計量精度に影響が生じるという問題がある。したがって、計量精度に影響しない簡便な回り止めが望まれている。

特許文献１のロードセルに対してリード線取出金具の計量精度への影響を改善する目的で、特許文献２のロードセル（図１９）が提案されている。

このロードセル１４０では、起歪体本体１４１に起歪体本体１４１から遊離するように固設された固定板１４２にリード線取出金具１４３が設けられている。そして、起歪体本体１４１に形成された平底円孔１４４の底部の歪ゲージ１４５からのリード線１４６が、平底円孔１４４の開口部、リード線取出金具１４３を通して外部に取り出されている。このロードセル１４０では、密閉性を確保するため、全体がゴム又は合成樹脂製の可撓性カバー１４７で覆われている。しかしながら、これらの可撓性カバー１４７は光酸化劣化やオゾン劣化の経年劣化を起こすため、風雨に曝されたり、結露を起こしやすい環境では耐久性に問題がある。

一方、固定板１４２は、取付手段１４８を介して上部の荷重受け（荷重着力部）１４９に片端が支持される構造である。そのため、機械振動や衝撃の大きい場所では固定板１４２や取付手段１４８等に過大なモーメントが繰り返し作用する可能性があり、耐久性上の問題があった。また、リード線１４６及びリード線保護チューブ１５０を介してロードセル１４０の起歪部１５１に外力が伝わる構造のため保護チューブ１５０の外部での固定方法によっては計量誤差の原因になることがあった。

特開平４−２１６４２６ 特開平８−９４４２１ 特開平１−９４２３４

本発明は、柱状弾性体のロードセルにおいて、リード線取出金具取付の影響を小さくして高精度化を実現するとともに、小型化を実現することを第１の課題とする。また、ロードセルの取付姿勢の影響を低減することを第２の課題とする。また、計量精度に影響しない簡便な回り止めが容易に実現できる構造を提供することを第３の課題とする。

前記課題を解決するため、本発明のロードセルは、柱状弾性体の対向する側面部に該柱状弾性体の主軸方向に対して垂直に一対の平底円孔を設けて、その底部の間に前記主軸と同軸に起歪部を構成し、該起歪部の両側となる平底円孔の底部にひずみゲージをそれぞれ取り付けたロードセルであって、前記柱状弾性体の頂部に前記主軸と同軸に突出し、端部に球面が形成された荷重着力部を設け、前記柱状弾性体の底部に前記主軸に対して直交する方向の最大断面積を有する概略円形状の第１の基部を設け、該第１の基部から前記主軸と同軸に突出し、端部に球面が形成された支持部を設け、前記第１の基部の側面に前記平底円孔と同軸方向に延びるリード線取出孔を設け、前記リード線取出孔と連通し、かつ前記第１の基部の底面側から前記平底円孔の下端に達するように削孔されたリード線孔を設けるようにした。

この構成によれば、柱状弾性体の上下端面を球面にしているので、荷重が負荷された場合の接触面積を小さくすることができ、力の伝達経路が外周部に広がることを抑制できる。また、柱状弾性体の最大断面積を有する基部を設け、基部の外周部を平底円孔の開口部より外側に突出させているので、基部外周部上の歪を小さくできる。そして、基部外周上にリード線取出孔を設けることができるので、リード線取出金具取付の影響を小さくして高精度化を実現できる。また、ケーシングを必要としない一体型であるため、小型化が可能である。また、ロードセルの取付姿勢の影響を低減することができる。高精度で耐久性に優れた安価なロードセルを提供することができる。

前記対向する側面部はそれぞれ平面部であり、該平面部間の間隔は前記第１の基部の外径より小さいことが好ましい。この構成によれば、柱状弾性体の基部より上方の側面に、互いに対向する平面部を設けているので、起歪部周辺の柱状弾性体の断面積の変化を小さくすることができ、均一な歪みを得ることができる。また、起歪部の歪みを増加させて高精度化を実現できる。また、リード線取出金具の取り付け位置を、平面部に対して突出した基部の外周面に設けることができる。したがって、リード線取出金具取付の影響を小さくしてロードセルの高精度化を実現できる。平底円孔の開口部の形状を平面状に形成でき、組立作業の容易化を実現できる。

前記第１の基部と前記起歪部の間に前記第１の基部の断面積より小さい絞り部を設けることが好ましい。この構成によれば、絞り部の外径や幅を適切に設定することにより、荷重着力部に負荷された力が起歪部の外周部を流れることを抑制して、主軸付近を多く流れるようにすることができ、直線性の良いロードセルを得ることができる。

前記リード線孔は、上方に向かうにつれて前記主軸側に接近するように傾斜していることが好ましい。この構成によれば、起歪部から支持部へ伝達される力の流れが妨げられることを回避できる。また、リード線孔の上端が平底円孔内部で起歪部に近接しているので、起歪部のひずみゲージのリード線をリード線孔から、気密性を確保して、容易に取り出すことができる。

前記支持部の下端と前記リード線取出孔の開口部中心との間の水平距離をｃ、高さをｈとしたとき、前記第１の基部の側面のｈ／ｃ＜１となる範囲に前記リード線取出孔の開口部を設けることが好ましい。この構成によれば、支持部の下端とリード線取出孔の開口部中心との間の水平距離をｃ、高さをｈとしたとき、基部の側面のｈ／ｃ＜１となる範囲に、すなわち、支持部球面先端から仰角の浅い位置にリード線取出孔の開口部を設けることにより、リード線取出金具取付の影響を小さくしてロードセルの高精度化を実現できる。

前記平底円孔の軸に直交する水平方向の前記絞り部の幅をａ、前記第１の基部の外径をＡとしたとき、０．６＜ａ／Ａ＜０．８５の関係式を満たすことが好ましい。この構成によれば、荷重着力部に負荷された力が起歪部の外周部を流れることを抑制して、主軸付近を多く流れるようにすることができ、直線性の良いロードセルを得ることができる。

前記平底円孔の軸と前記主軸を含む面に対して左右対称となるように前記第１の基部の底面に設けられた１対の回り止め用穴と、前記支持部を受ける荷重受け金具に設けられ前記第１の基部の１対の回り止め用穴に隙間をあけて挿通可能な１対の回り止めピンとを有する回り止めを備えることが好ましい。この構成によれば、基部に回り止め用穴を設けて、荷重受け金具から突出させたピンを適切な隙間を保って嵌合させる簡単な構造で、両端が球面の柱状ロードセルが使用中に主軸回りに回転することを容易に防ぐことができる。したがって、計量精度に影響しない簡便な回り止めを容易に実現できる。

前記荷重着力部の基端に前記第１の基部の断面積と同じ断面積を有する概略円形状の第２の基部をさらに設けることが好ましい。この構成によれば、ロードセルを概略上下対称の形状に形成することにより、加工量を減少しつつ良好な荷重特性を得ることができる。

本発明によれば、柱状弾性体のロードセルにおいて、リード線取出金具取付の影響を小さくして高精度化を実現するとともに、小型化を実現することができる。特に、ロードセルの取付姿勢の影響を低減することができる。すなわち、ケーシングを必要としない一体型であるため、小型化が可能で高精度で耐久性に優れた安価なロードセルを提供することができる。ロードセルを左右対称の形状に形成することにより、傾斜設置時の出力の変化を抑えて良好な荷重特性を得ることができる。

本発明にかかるロードセルの斜視図。 本発明にかかるロードセルを示す正面図。 本発明にかかるロードセルを示す側面図。 本発明にかかるロードセルの取付状態を示す一部断面図。 図２のＶ−Ｖ線断面図。 図２のＶＩ−ＶＩ線断面図。 図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視図。 本発明にかかるロードセルの気密手段を示す断面図。 本発明にかかるロードセルの他の気密手段を示す断面図。 本発明にかかるロードセルの内部の力の流れを示す正面図。 本発明にかかるロードセルの内部の力の流れを示す側面図。 本発明にかかるロードセルの下側基部断面の応力分布図。 下側基部の外径に対する下側絞り部の外径の割合である絞り率と直線性との関係を示す図。 本発明にかかるロードセルの変形例を示す正面図。 本発明にかかるロードセルの変形例を示す側面図。 従来の圧縮型ロードセルを示す断面図。 従来の圧縮型ロードセルを示す断面図。 従来の圧縮型ロードセルを示す斜視図。 従来の圧縮型ロードセルを示す断面図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１ないし図４は、本発明にかかるロードセルを示す。ロードセル１０は、ロードセル本体１１、気密部材３６、リード線取出金具３８、及びケーブル３９を備えている。

ロードセル本体１１は、丸鋼から旋削加工により形成された略円柱状弾性体である。ロードセル本体１１は、主軸（Ｙ軸）と同軸に配置された上側基部１２、検出部１３、及び下側基部１４を備えている。なお、主軸とは、厚さ（高さ）方向と直交する方向の断面の図心を繋いだ直線である。

上側基部１２は、所定の厚さ及び最大断面積を有し、概略円形状に形成されている。上側基部１２は、主軸と同軸に上方に突出し、荷重受金具取付板１５に取り付けられた上側荷重受金具１６の凹部１６ａに端部が受け入れられる荷重着力部１７を備えている。荷重着力部１７は、略円柱状であり、その端部は球面１７ａ状に形成されている。なお、概略円形状は、実質的に円とみなせる楕円も含む。

検出部１３は、荷重着力部１７の端部と後述する支持部１８の端部との間の略中央に位置し、荷重着力部１７が受けた荷重に相関して歪みを発生させる起歪部１９を備えている。検出部１３は、外形が略直方体状の立体である。検出部１３の側面は、Ｚ軸方向の対向する両側面が平面部２０，２０で形成され、Ｚ軸方向に直交するＸ方向の両側面が曲面部２１，２１で形成されている。図５に示すように、曲面部２１，２１間の長さはＡであり、平面部２０，２０間の長さはｂである。平面部２０，２０間の長さｂは、曲面部２１，２１間の長さＡより短く、検出部１３の断面形状は、扁平形状である。平面部２０のＺ軸方向の幅は、後述する上側絞り部２２、及び下側絞り部２３のＺ軸方向の幅と略同じである。

平面部２０，２０の略中央には、互いに同軸（主軸方向に対して垂直なＺ軸方向の軸）に配置された平底円孔２４，２４が設けられている。平底円孔２４，２４の底部２５，２５間の部分は起歪部１９を構成し、主軸上に配置されている。起歪部１９には、平底円孔２４の底部２５，２５間を貫通する１対のひずみゲージ２６，２７，２８，２９のリード線用貫通孔２５ａ，２５ａが設けられている。１対のリード線用貫通孔２５ａ，２５ａは、平底円孔２４の底部２５の中心から斜め下４５度方向で円周のやや内側に、主軸に対して左右対称に配置されている。

起歪部１９の両側面である平底円孔２４の底部２５，２５の中心部には、それぞれ、主軸方向と主軸と直交するＸ軸方向の歪を検出するひずみゲージ２６〜２９が取り付けられている。ひずみゲージ２６〜２９のリード線（図示せず）はリード線用貫通穴２５ａを通して結線され、平底円孔２４内部にホイートストンブリッジ回路（図示せず）が形成されている。

平面部２０，２０の平底円孔２４，２４の外周部分には、金属製ダイヤフラム（気密部材）３６を溶接により取り付けるためのダイヤフラム取り付け溝３０が設けられている。

検出部１３と上側基部１２とは、上側絞り部２２を介して繋がっている。また、検出部１３と下側基部１４とは、下側絞り部２３を介して繋がっている。図６に示すように、上側絞り部２２及び下側絞り部２３は、それぞれ、上側基部１２及び下側基部１４の外径Ａより小さい、すなわち基部１２，１４の断面積より小さい外径ｄの円形断面に加工され、さらにＸ方向に幅ａ、Ｚ方向に幅ｂで平面加工されている。絞り部２２，２３は、上下端面から基部１２，１４の外径（φＡ）の概略半分の距離Ｓの位置に、主軸と同軸に配置されている。

下側基部１４は、ロードセル本体１１の底部に配置されている。下側基部１４は、所定の厚さ（上側基部１２と同じ厚さ）、及び最大断面積を有し、概略円形状に形成されている。下側基部１４は、主軸と同軸に下方に突出し、荷重受金具取付板３１に取り付けられた下側荷重受金具３２の凹部３２ａに端部が受け入れられる支持部１８を備えている。支持部１８は、略円柱状であり、その端部は球面１８ａ状に形成されている。

下側基部１４の側面に、平底円孔２４の直下に位置し平底円孔２４と同軸方向（Ｚ軸方向）に所定の深さｊを有するリード線取出孔３３が設けられている。ロードセル本体１１には、下側基部１４の底面の開口４３から下側基部１４及び下側絞り部２３を通って平底円孔２４の下端の開口４４に達するように削孔されたリード線用斜孔３４が設けられている。リード線用斜孔３４は、中間部分の連通部４５でリード線取出孔３３と連通している。リード線用斜孔３４の開口４３は、Ｚ軸方向において、平面部２０よりも外側に配置されている。リード線用斜孔３４は、後述する起歪部１９から支持部１８への力の流れを妨げない範囲で、上方に向かうにつれて主軸側に接近するように傾斜している。

図７に示すように、下側基部１４の底面の、平面部２０に対する主軸を含む直交面（ＹＺ面）すなわち、平底円孔２４の軸と主軸を含む面に対して左右対称位置に、１対の回り止め用穴３５，３５が設けられている。回り止め用穴３５は、図１０に示すように、前記起歪部１９から支持部１８への力の流れを妨げない範囲で、下側基部１４の主軸から離れた外周部付近に設けられている。回り止め用穴３５，３５には、下側荷重受金具３２に取り付けられた１対の回り止めピン４１，４１が隙間をあけて挿通される。回り止め用穴３５は、ロードセル１０が傾斜した場合であっても、回り止めピン４１の頭部と接触しない深さになっている。

図８に示すように、平底円孔２４，２４の開口部には、それぞれ気密部材として金属製ダイヤフラム３６が溶接または接着されている。

リード線用斜孔３４の下端近傍には、開口部を閉塞する栓部材３７が設けられている。栓部材３７によって気密封止されたリード線用斜孔３４、及び金属製ダイヤフラム３６によって気密封止平底円孔２４には、不活性ガスが封入されている。

リード線取出孔３３には、リード線取出金具３８が嵌合して取り付けられている。リード線取出金具３８は、ホイートストンブリッジ回路（図示せず）からリード線用斜孔３４、及びリード線取出孔３３の内部に配線した出力リード線（図示せず）を引き出す貫通孔を備えている。この貫通孔は栓部材を構成するハーメチックシール４６によりシールされ、平底円孔２４内部が気密封止状態に保持されている。

ケーブル３９は、荷重指示計（図示せず）とホイートストンブリッジ回路のリード線（図示せず）とを接続するために設けられている。ケーブル３９の端部とロードセル本体１１のリード線取出金具３８とは、ケーブル接続箱４０を介して接続されている。ケーブル３９は、パッキン押えねじで締め付けられたパッキンによりケーブル接続箱４０に固定され、外部からの気密状態が保持されている。

本発明のロードセル１０に力が作用した場合のロードセル内部の力の流れ（力の伝達経路）について説明する。

図１０、図１１に示すように、ロードセル本体１１の上下両端に主軸と同軸に端部が球面１７ａ，１８ａの荷重着力部１７及び支持部１８を設けているので、上下両端では集中荷重となる。荷重着力部１７で受けた力は、主軸（Ｙ軸）に沿ってロードセル本体１１の外周方向に広がりながら、起歪部１９を通り、支持部１８の球面先端部で収斂するように伝達される。荷重着力部１７及び支持部１８の主軸近傍では応力が高くなる。一方、基部１２，１４の外周部では、この部位が平底円孔２４の開口部の平面部２０及び絞り部２２，２３より外側に独立して突出しているため（ΦＡ＞ｂ、ΦＡ＞ａ）、変形が小さく応力は低くなる。

この応力分布を考慮して、ロードセル本体１１の基部１２，１４側面で応力が小さく、従って歪の小さい部位にリード線取出孔３３を設定することが可能となる。

ロードセル１０の荷重負荷状態での応力分布は有限要素を使用して確認することができる。図１２に、下側基部１４の対称面（ＹＺ平面）における断面と、その稜線ｅｆ、ｅｇ上のミーゼス応力分布の有限要素解析例を示す。解析条件は以下の通りである。
柱状弾性体：丸鋼
荷重：２００００ｋｇｆ
下側基部１４の外径Ａ：９０ｍｍ
支持部１８の端部と下側基部１４外周部上面との間の長さｙ１：４０ｍｍ
支持部１８の端部と平底円孔２４軸線との間の長さｙ２：９０ｍｍ

応力は下側基部１４の底面外周稜線上の“ｅ”で最小値となり殆ど零となる。側面では“ｅ”から“ｆ”に向かってほぼ直線的にやや増加し、“ｆ”でσ（ｆ）＝１．７ｋｇｆ／ｍｍ^２となる。底面では主軸に近い位置で大きくなり“ｇ”でσ（ｇ）＝６ｋｇｆ／ｍｍ^２となる。リード線取出孔３３付近の応力は、理想的には“ｅ”付近の零が望ましいが、側面のσ（ｆ）（＝１．７ｋｇｆ／ｍｍ^２）は起歪部１９の応力の１／２０程度であり十分小さい。

これらの知見から、本発明では、応力が小さい部位として、支持部１８の球面１８ａ先端を座標原点とし、支持部１８の球面１８ａ先端と、リード線取出孔３３の開口部中心との間の水平距離をｃ（＝Ａ／２）、高さをｈとしたとき、下側基部１４側面のｈ／ｃ＜１、従ってｈ／Ａ＜０．５となる範囲（座標原点からの仰角θが４５°未満の範囲、すなわち前述した起歪部１９から支持部１８への力の流れを妨げない範囲）にリード線取出孔３３の開口部を設けている（図１１）。

リード線用斜孔３４は、下側基部１４底面の外周寄りの位置から斜め上方に、ロードセル１０内部の力の流れを横断することなく、主軸から離れて平底円孔２４の下端に達するように削孔している（図１１）。

ロードセル１０に作用する力の一部は、平底円孔２４の外周部（起歪部１９外周部）を伝って伝達される（図１０の破線の矢線で示す力の流れ）。この起歪部１９外周部への力の流れの割合は絞り部２２，２３のＸ方向の幅ａを変えることによって調節できる。絞り部２２，２３の幅ａを適切に狭めることにより力の流れが起歪部１９の外周部へ広がるのを抑制できる。これにより、起歪部１９を流れる力の割合を増やすことができ、ロードセル１０の荷重特性を改善することができる。

例えば、ロードセル１０が若干傾斜して設置された場合、上下の荷重受金具１６，３２と荷重着力部１７及び支持部１８の球面接触位置が主軸からずれた偏荷重が生じる。絞り部がない形状及び絞り部２２，２３の幅ａが広すぎる場合、起歪部１９外周部を伝って伝達される力が増加し起歪部１９を流れる力の割合が減少するため、計量誤差が大きくなる。絞り部２２，２３の幅ａを適切に狭め、起歪部１９を流れる力の割合を増やすことにより、傾斜による計量誤差影響を小さくして、ロードセル１０の高精度化を実現できる。

また、上下の荷重受金具１６，３２と荷重着力部１７及び支持部１８の球面の接触は厳密には点接触ではなく、弾性変形を伴う面接触となり、荷重の大きさによって、接触面積も変化し荷重分布状態も変化する。この荷重分布状態の変化により、起歪部１９と起歪部１９外周部を伝って伝達される力の割合が変化し計量誤差が生じる。この場合も絞り部２２，２３の幅ａを適切に設定することにより、同様に荷重着力部１７及び支持部１８の接触状態の影響による検出荷重の変化を小さくし、直線性の良い荷重特性を得ることができる。

本発明の絞り部２２，２３と類似の絞り部を備えた構造のロードセルは既存技術（例えば特許文献３）で開示されている。しかし、本発明のロードセル１０は、平底円孔２４の軸に直交する水平方向の絞り部２２，２３の幅ａと基部１２，１４の外径ΦＡ（または起歪部１９外周部の外径ΦＡ）の比率（ａ／Ａ）を考慮して設計されている。これにより、絞り部２２，２３の幅ａを０．６＜ａ／Ａ＜０．８５の範囲に設定することで、荷重特性において良好な直線性が実験的に得られている（図１３）。すなわち、機種１（定格荷重２００ｋＮ、基部１２，１４の外径ΦＡ＝９４ｍｍ）、機種２（定格荷重５００ｋＮ、基部１２，１４の外径ΦＡ＝１０９ｍｍ）、及び機種３（定格荷重１ＭＮ、基部１２，１４の外径ΦＡ＝１０９ｍｍ）のいずれの条件においても、荷重特性において良好な直線性が実験的に得られている。この範囲内では直線性が絞り率（ａ／Ａ）とほぼ比例的に変化し、ａ／Ａが小さい程良好な直線性が得られるが、ヒステリシスがやや増加（悪化）する傾向がある。絞り部２２，２３の幅ａをａ／Ａの下限値以下にすることは可能であるが、ａが小さ過ぎると絞り部２２，２３に過度の応力集中が生じヒステリシス悪化の原因になり、強度低下が問題となる。また、絞り率（ａ／Ａ）が小さい程、加工量が増加し、コストアップとなる。一方、絞り率（ａ／Ａ）が大き過ぎると直線性は悪化する。これらを考慮して、本発明のロードセル１０における適切な絞り率（ａ／Ａ）の値を決定する。

本発明のロードセル１０では、平底円孔２４の開口部の側面部に、基部１２，１４の外径（φＡ）より小さく、絞り部２２，２３の外径ｄと同程度の幅ｂの平行な平面部２０を形成している。これにより、リード線取出孔３３を平面部２０に対して、基部１２，１４の外側の突出した位置に設けることができ、平面部２０において、リード線取出孔３３の開口部位置の変形や応力の影響を小さくする効果がある。

また、本発明では、市販部材として入手容易な丸鋼から安価に製作することを前提に一体型で高精度なロードセル１０を実現している。具体的には、本発明のロードセル１０は、以下の利点を有する。

第１に、平底円孔２４開口部周辺に平面部２０を形成しているので、平面部２０，２０間のひずみゲージ２６〜２９の接着位置周辺で、断面積の変化を小さくすることができ、均一な歪みを得ることができる。

第２に、平底円孔２４の深さ方向のロードセル１０の厚み（図１１のｂ寸法）を小さくして、すなわち、検出部１３の断面形状を扁平形状に形成して起歪部１９の歪を増加させ、ロードセル１０の高精度化を実現できる。

第３に、円柱側面の表裏に平面部２０を形成し、そこに平底円孔２４を削孔するので、平底円孔２４の開口部を平面上に形成できる。これにより、円柱側面に直接、平底円孔２４を削孔して開口部が３次元の曲線で形成されることを回避できる。平底円孔２４の開口部はひずみゲージ２６〜２９の接着、内部配線後、金属ダイヤフラム３６を穴の表面に溶接して密閉するため、作業を容易にすることができる。

第４に、ひずみゲージ２６〜２９接着や内部配線作業等の机上作業において、平面部２０を利用してロードセル１０を載置し、ロードセル１０の姿勢を安定させることができ、作業を容易にすることができる。

図４に本発明に係るロードセル１０の取付状態を示す。ロードセル１０は、荷重着力部１７を上側荷重受金具１６の凹部１６ａに収容し、支持部１８を下側荷重受金具３２の凹部３２ａに収容して、上側荷重受金具１６と下側荷重受金具３２との間に設置する。その際、下側荷重受金具３２の回り止めピン４１は、回り止め用穴３５に適切な隙間を保って挿通した状態にする。上側荷重受金具１６は、荷重受金具取付金板１５を使用して、計量機積載台やホッパー側にボルトで固定する。一方、下側荷重受金具３２も、荷重受金具取付金板３１を使用して基礎側の架台等にボルトで固定する。このようにして、ロードセル１０が主軸回りに回転することを防止している。

回り止めピン４１の側面と回り止め用穴３５の内壁とが接触すると、接触摩擦力が回り止め用穴３５の内壁に荷重軸方向に拘束力として作用する。回り止め用穴３５に作用する接触摩擦力は、支持部１８の主軸付近に作用する集中荷重に比べて十分小さく、しかも、力の作用位置は、ロードセル１０の起歪部１９の歪検出位置から十分離れている。そのため、影響は無視できるほど十分小さくなる。また、本発明のロードセル１０では、１対の回り止めピン４１，４１の間隔を広く取っているため、ロードセル１０の回転を阻止する抗力は小さくなる。そして、荷重軸方向に作用する接触摩擦力も小さくなる。

このことはサンブナンの原理（弾性体に作用している力をこれと等価な力やモーメントに置き換えても、これらの作用位置から十分離れた場所における応力状態は変化しない）からも推測できる。図１８の従来のロードセル１３６がリード線取出金具１３７と回り止めピン１３２を起歪部外周部である側面部１３１に備えているのに対して、本発明のロードセル１０はこれらが起歪部１９から十分離れた下側基部１４にあり、しかも起歪部１９との間に絞り部２３を設けている。そのため、リード線取出金具１３７の取付や回り止めピン１３２との接触による計量誤差を小さくできロードセル１０の高精度化を実現できる。また、これらはＹＺ平面に対して左右対称の形状としているので、傾斜設置時の出力の変化を抑えて良好な荷重特性を得ることができる。

実施例では柱状弾性体は丸鋼を使用し、これを機械加工している。丸鋼は市販されているサイズも豊富で入手も容易である。また、近年はミーリング機能を持った複合自動旋盤が使用され、ワンチャック加工により効率的な加工が可能になっている。実施例のロードセル１０は部品点数が少なく、この加工に適した形状である。従って、加工時間を短縮し、かつ安価なロードセルを提供することが可能となる。

また、ロードセル１０は、丸鋼の両端面に、旋削加工で荷重着力部１７および支持部１８を突出させ、両端面を球面としている。この球面形状は荷重が負荷された場合、接触面積を小さくして、力の伝達経路が外周部に広がることを抑制し、荷重着力部１７から主軸（Ｙ軸）に沿って荷重を支持部１８に伝達するのに有効である。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば図９に示すロードセル１０は上記した実施例と同様の構成であり、実施例のダイヤフラム３６の代わりに起歪部１９の変形に影響を与えないゴム状の気密封止材４２により平底円孔２４内部を気密封止し、栓部材３７としてハーメチックシールの代わりにゴムパッキン及びパッキン押えねじでケーブル３９を押え込んでリード線取出孔３３の開口部を封止する構成としている。このロードセル１０は屋内用等使用環境の厳しくない用途に適用可能である。

また、図１４，１５に示すように、ロードセル１０は、下側基部１４のみ設けたものであってもよい。この構成によれば、ロードセル１０の高さ寸法を低減し、製品の軽量化が実現できる。

上記実施例のロードセル１０は円柱状弾性体（丸鋼）から加工成形しているが、略角柱状弾性体から加工成形したものであってもよい。また、絞り部２２，２３の断面形状は、図６に示す他、円形や楕円形であってもよい。

１０ ロードセル
１１ ロードセル本体
１２ 上側基部
１３ 検出部
１４ 下側基部
１５ 荷重受金具取付板
１６ 上側荷重受金具
１６ａ 凹部
１７ 荷重着力部
１７ａ 球面
１８ 支持部
１８ａ 球面
１９ 起歪部
２０ 平面部
２１ 曲面部
２２ 上側絞り部
２３ 下側絞り部
２４ 平底円孔
２５ 底部
２５ａ リード線用貫通孔
２６ ひずみゲージ
２７ ひずみゲージ
２８ ひずみゲージ
２９ ひずみゲージ
３０ ダイヤフラム取り付け溝
３１ 荷重受金具取付板
３２ 下側荷重受金具
３２ａ 凹部
３３ リード線取出孔
３４ リード線用斜孔
３５ 回り止め用穴
３６ 金属製ダイヤフラム（気密部材）
３７ 栓部材
３８ リード線取出金具
３９ ケーブル
４０ ケーブル接続箱
４１ 回り止めピン
４２ 気密封止材
４３ 開口
４４ 開口
４５ 連通部
４６ ハーメチックシール

Claims (8)

1. 柱状弾性体の対向する側面部に該柱状弾性体の主軸方向に対して垂直に一対の平底円孔を設けて、その底部の間に前記主軸と同軸に起歪部を構成し、該起歪部の両側となる平底円孔の底部にひずみゲージをそれぞれ取り付けたロードセルであって、
   前記柱状弾性体の頂部に前記主軸と同軸に突出し、端部に球面が形成された荷重着力部を設け、
   前記柱状弾性体の底部に前記主軸に対して直交する方向の最大断面積を有する概略円形状の第１の基部を設け、
   該第１の基部から前記主軸と同軸に突出し、端部に球面が形成された支持部を設け、
   前記第１の基部の側面に前記平底円孔と同軸方向に延びるリード線取出孔を設け、
   前記リード線取出孔と連通し、かつ前記第１の基部の底面側から前記平底円孔の下端に達するように削孔されたリード線孔を設けたことを特徴とするロードセル。
2. 前記対向する側面部はそれぞれ平面部であり、該平面部間の間隔は前記第１の基部の外径より小さいことを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
3. 前記第１の基部と前記起歪部の間に前記第１の基部の断面積より小さい絞り部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のロードセル。
4. 前記リード線孔は、上方に向かうにつれて前記主軸側に接近するように傾斜していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のロードセル。
5. 前記支持部の下端と前記リード線取出孔の開口部中心との間の水平距離をｃ、高さをｈとしたとき、前記第１の基部の側面のｈ／ｃ＜１となる範囲に前記リード線取出孔の開口部を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロードセル。
6. 前記平底円孔の軸に直交する水平方向の前記絞り部の幅をａ、前記第１の基部の外径をＡとしたとき、
   ０．６＜ａ／Ａ＜０．８５
   の関係式を満たすことを特徴とする請求項３に記載のロードセル。
7. 前記平底円孔の軸と前記主軸を含む面に対して左右対称となるように前記第１の基部の底面に設けられた１対の回り止め用穴と、前記支持部を受ける荷重受け金具に設けられ前記第１の基部の１対の回り止め用穴に隙間をあけて挿通可能な１対の回り止めピンとを有する回り止めを備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のロードセル。
8. 前記荷重着力部の基端に前記第１の基部の断面積と同じ断面積を有する概略円形状の第２の基部をさらに設けたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のロードセル。

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