JP5863491B2 - ロードセル - Google Patents

Description

本発明はロードセルに係り、特に電子秤、台秤、体重計などに使用され、複数の測定レンジを有するロードセルに関する。

電子秤や台秤では、ロバーバル機構を有するビーム型ロードセルが使用されている。このロードセルは一般に、起歪体にメガネ状の貫通孔が穿設されており、上下一対の平行なビームとその端部を繋ぐ固定部、可動部を備えている。一対のビームにはそれぞれ２個所の薄肉部が形成されており、この薄肉部に歪みゲージが貼着されている。このように構成されたロードセルは、可動部に荷重を負荷することによって薄肉部が変形し、歪みゲージによって電気信号に変換され、重量値に換算される。

ところで、この種のビーム型ロードセルは、歪みゲージの特性や起歪体の形状（たとえば薄肉部の厚みや間隔など）によって測定レンジが決まっている。したがって、一つの起歪体では通常、一つの測定レンジでしか測定できず、低秤量と高秤量の両方のレンジで精度良く計量することができない。そこで、特許文献１では、低秤量用と高秤量用の２個の独立した起歪体を上下または左右に配置し、それらを相互に連結している。また、特許文献２では、１つの起歪体に、独立した２個のメガネ状貫通孔を設け、異なる厚みの薄肉部を形成している。

しかし、特許文献１のロードセルは、２個の独立した起歪体を上下または左右に連結配置するため、全体が大型になるという問題がある。同様に、特許文献２のロードセルも、１つの起歪体に２個のメガネ状貫通孔を設けるので、起歪体そのものが大きくなるという問題がある。

このような問題を解消するため、特許文献３のロードセルは、起歪体の内部に別の起歪体を設けた多重構造になっている。このロードセルは、外側の起歪体の可動部（力受部）に内側の起歪体の固定部（基端部）が連結されており、複数の起歪体が直列に接続されている。また、内側の起歪体の変形を途中で抑制するためのストッパー（過負荷防止機構）が外側の起歪体の可動部から突出して形成されている。このロードセルは、内側の起歪体が外側の起歪体の内部に納まっているので、ロードセルを小型化することができる。

特開昭62-32324号公報 特開昭63-201543号公報 特開平7-243922号公報

しかしながら、特許文献３のロードセルは、構成が複雑であり、高い精度を得ることが難しいという問題があった。たとえば、高い精度を必要とする低秤量時には、内側の起歪体だけでなく外側の起歪体も同時に変形するため、両方の起歪体の加工精度が大きく影響するという問題があった。

また、特許文献３のロードセルは、両方の起歪体を別体にすることができないという問題があった。すなわち、両方の起歪体を別部品とした場合、ネジ等の荷重が外側の起歪体の可動部にかかるため、ネジ等も測定精度に影響することになる。このため、特許文献３のロードセルは、両方の起歪体を一体に加工しなければならず、その結果、一度設定した測定レンジを二度と変えることができないという問題もあった。

さらに、特許文献３のロードセルは、内側の起歪体を短くするか、ストッパーを長くする必要があり、直線性の低下またはロードセルの大型化が生じるという問題があった。すなわち、特許文献３のロードセルはその構成上、ストッパーを外側の起歪体の可動部から荷重受け部分まで引き出さなければならないのに対して、内側の起歪体も外側の起歪体の可動部から荷重受け部分まで引き出さなければならない。このため、ストッパーと内側の起歪体を略同じ長さに設計する必要があり、内側の起歪体を長く設計した場合にはストッパーも長くなって大型化するという問題が発生する。逆にストッパーを短くして内側の起歪体も短く設計した場合には直線性が得られにくくなり、精度が低下するという問題が発生する。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであり、複数の測定レンジを有するロードセルであって、小型且つ高精度のロードセルを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、薄肉部を有する上下一対の平行なビームとその端部に接続された固定部、可動部を有する起歪体を複数備え、該複数の起歪体のうちの少なくとも一つの起歪体が他の起歪体の一対のビームの内側に配置されたロードセルにおいて、前記内側の起歪体は、可動部が荷重受け機構に接続されるとともに、固定部が外側の起歪体の固定部に接続され、前記外側の起歪体の可動部には、前記内側の起歪体が変形して当接するストッパーが設けられることを特徴とする。

本発明のロードセルによれば、荷重が加わると、まず、内側の起歪体の可動部に負荷が付与され、内側の起歪体が変形する。そして、内側の起歪体が変形してストッパーに当接することによって外側の起歪体が変形する。したがって、低秤量時には、内側の起歪体のみが関与するので、高い精度を得ることができる。

また、本発明によれば、内側の起歪体の固定部が外側の起歪体の固定部に接続され、逆にストッパーが外側の起歪体の可動部に設けられているので、内側の起歪体の長さを確保しつつ、ストッパーを短くすることができる。したがって、内側の起歪体の直線性が得られ、精度を向上できるとともに、ストッパーを小さくして小型化することができる。

請求項２の発明は請求項１において、前記内側の起歪体と前記外側の起歪体が別体であり、着脱自在に装着されることを特徴とする。本発明によれば、外側の起歪体と内側の起歪体が着脱自在なので、外側の起歪体のみを変更したり、内側の起歪体のみを変更したり、両方の起歪体を変更するなどによって、測定レンジを自在に変更することができる。

請求項３の発明は請求項１において、前記内側の起歪体と前記外側の起歪体が一体で加工されることを特徴とする。本発明によれば、内側の起歪体と外側の起歪体とが一体品なので、再現性が良くなり、精度を向上させることができる。

請求項４の発明は請求項１〜３のいずれか１において、前記ストッパーは、前記外側の起歪体の可動部の内側面に突出して形成された突起部であることを特徴とする。本発明によれば、ストッパーが外側の起歪体の可動部の内側面に突出して形成されており、内側の起歪体が変形した際にこの突起に当接される。これにより、内側の起歪体の可動部に付与された荷重が外側の起歪体の可動部に伝わるので、外側の起歪体を変形させることができ、測定レンジを変えることができる。

請求項５の発明は請求項１〜３のいずれか１において、前記ストッパーは、前記外側の起歪体の可動部の内側面に形成された凹部であり、前記内側の起歪体が変形して前記凹部に当接されることを特徴とする。本発明によれば、ストッパーが外側の起歪体の可動部の内側面に凹部として形成されており、変形した内側の起歪体の可動部が当接される。したがって、内側の起歪体の可動部の一部が凹部に入り込んだ形状をしており、ロードセルをさらに小型化することができる。

請求項６の発明は請求項１〜５のいずれか１において、前記内側の起歪体の薄肉部のみに歪みゲージが取り付けられることを特徴とする。本発明によれば、内側の起歪体の薄肉部のみに歪みゲージが取り付けられている。このように内側の起歪体のみに歪みゲージを取り付けた場合であっても（すなわち外側の起歪体に歪みゲージを取り付けなかった場合であっても）測定を行うことができる。

請求項７の発明は請求項１〜５のいずれか１において、前記内側の起歪体の薄肉部及び前記外側の起歪体の薄肉部に歪ゲージが取り付けられることを特徴とする。本発明のロードセルは、内側の起歪体のみに歪みゲージを取り付けた場合でも測定できるが、外側の起歪体に歪みゲージを取り付けることによって、さらに精度の高い測定を行うことができる。

本発明のロードセルによれば、外側の起歪体のビームの間に内側の起歪体が配置されるとともに、内側の起歪体の可動部が荷重負荷機構に接続され、内側の起歪体の固定部が外側の起歪体の固定部に接続されるので、低秤量時には、内側の起歪体のみが変形し、高い精度で計量することができる。

また、本発明のロードセルによれば、ストッパーが外側の起歪体の可動部に設けられているのに対して、内側の起歪体の固定部が外側の起歪体の固定部に接続されているので、内側の起歪体の長さを確保しつつ、ストッパーを短くすることができる。したがって、内側の起歪体の直線性を得ることができ、且つ、ストッパーを小さくして小型化することができる。

本実施の形態のロードセルを模式的に示す縦断面図 比較例のロードセルを示す縦断面図 図１のロードセルの作用を示す説明図 外起歪体や内起歪体を交換した状態を示す図 外起歪体に歪みゲージを取り付けたロードセルを示す縦断面図 ストッパーの構成が異なるロードセルを示す縦断面図 ３重構造のロードセルを示す縦断面図

以下、添付図面に従って本発明に係るロードセルの好ましい実施形態について説明する。図１は、本実施の形態のロードセル１０の構成を模式的に示す縦断面図である。

同図に示すように、ロードセル１０は、外側に配置された起歪体（以下、外起歪体という）２０と、内側に配置された起歪体（以下、内起歪体という）３０の二重構造になっている。

外起歪体２０は、細幅な直方体状の金属ブロックに眼鏡状の貫通孔を形成することによって構成されており、上下に配置された一対の平行なビーム２２と、それらの一方の端部を接続する固定部２４、他方の端部を接続する可動部２６を備える。各ビーム２２は２箇所が薄く形成されており、この薄肉部２２Ａで変形するようになっている。

固定部２４は、天秤等のケース１２にネジ等で固定される。また、反対側の可動部２６は、前述の薄肉部２２Ａが変形することによって、上下に変位するようになっている。この可動部２６には、ストッパー２８が一体加工により突出形成されている。ストッパー２８は、可動部２６の内側の側面から突出するように形成されており、後述する内起歪体３０が荷重によって変形した際、可動部３６が当接するようになっている。なお、本実施の形態では、ストッパー２８を可動部２６と一体加工により形成したが、これに限定するものではなく、別体から成るストッパー２８を可動部２６に着脱自在に取り付けるようにしてもよい。この場合には、内起歪体３０の形状等に応じて、ストッパー２８の大きさや位置を変更することができる。

一方、内起歪体３０は、外起歪体２０よりも小さく（特に高さ方向に小さく）形成されており、外起歪体２０の上下のビーム２２の間に配置される。内起歪体３０は、外起歪体２０と同様に、細幅な直方体状の金属ブロックに眼鏡状の貫通孔を形成することによって構成されており、上下に配置された一対の平行なビーム３２と、それらの一方の端部を接続する固定部３４、他方の端部を接続する可動部３６を備える。各ビーム３２は２箇所が薄く形成されており、この薄肉部２２で変形するようになっている。薄肉部３２Ａの背面側（すなわち、上側のビーム３２の上面側と、下側のビーム３２の下面側）にはそれぞれ、歪みゲージ３９が貼着されている。歪みゲージ３９はブリッジ回路を成すように接続されており、薄肉部２２Ａが変形した際に電流が流れるようになっている。

内起歪体３０の固定部３４は、外起歪体２０の固定部２４に固定される。その固定方法は特に限定するものではないが、たとえばネジを外起歪体２０の外側から固定部２４を貫通させて内起歪体３０の固定部３４に螺合することによって固定される。なお、本実施の形態では内起歪体３０の固定部３４を外起歪体２０の固定部２４に直接、固定するようにしたが、これに限定するものではなく、内起歪体３０の固定部３４をケース１２に固定し、外起歪体２０に間接的に固定するようにしてもよい。また、外起歪体２０と内起歪体３０の装着位置に、両者の位置決めを行う手段、たとえば外起歪体２０に凸部を形成し、内起歪体３０に凹部を形成し、両者を嵌合させるようにしてもよい。

一方、内起歪体３０の可動部３６は、荷重を受ける荷重受け機構（たとえば天秤の受け皿を支持する支持部材）に連結される。その連結方法は特に限定するものではないが、たとえば荷重受け機構が上側のビーム２２を避けて、可動部３６の幅方向の左右両側（或いは一方側）で荷重受け機構に連結される。または、上側のビーム２２に開口が形成され、その開口に荷重受け機構が挿通され、可動部３６の上面に連結される。このように構成された内起歪体３０は、可動部３６に荷重が加わることによって、薄肉部３２Ａが変形し、可動部３６が上下方向に変位される。

次に上記の如く構成されたロードセル１０の作用について図３に基づいて説明する。

図３は荷重の負荷によってロードセル１０が変化する様子を示している。図３（ａ）は低秤量レンジでの状態であり、図３（ｂ）は低秤量レンジから高秤量レンジに切り替わる際の状態であり、図３（ｃ）は高秤量レンジの状態である。

上述したようにロードセル１０は、内起歪体３０の固定部３４が外起歪体２０の固定部２４に固定されている。そして、無負荷の状態では内起歪体３０の可動部３６はストッパー２８や外側起歪体２０に非接触の状態にある。したがって、矢印に示すように内起歪体３０の可動部３６に荷重を付与し始めると、まず、図３（ａ）に示すように内起歪体３０のみが変形する。このため、低秤量レンジでは、外起歪体２０が変形しないので、外起歪体２０の加工精度等が影響することがなく、高い精度を簡単に得ることができる。

荷重が大きくなり、しきい値を超えると、図３（ｂ）に示すように、内起歪体３０の可動部３６がストッパー２８に当接する。これにより、内起歪体３０の可動部３６に付与した荷重は外起歪体２０に伝わるので、外起歪体２０も変形するようになる。よって、特性が切り替わり、高秤量レンジでの計量が可能となる。

高秤量レンジでは、図３（ｃ）に示すように、荷重に応じて外起歪体２０と内起歪体３０が変形する。その際、内起歪体３０の可動部３６がストッパー２８に当接した状態が維持され、内起歪体３０の可動部３６と外起歪体２０の可動部２６が一体となって変位する。したがって、内起歪体３０に取り付けた歪みゲージ３９の検出値から計量値を求めることができる。

このように本実施の形態によれば、内起歪体３０の固定部３４が外起歪体２０の固定部２４に固定されており、内起歪体３０の可動部３６がストッパー２８に当接することによって外起歪体２０が変形するように構成されているので、低秤量レンジでは内起歪体３０のみが変形する。したがって、特に高い精度が必要な低秤量時には外起歪体２０の影響がないので、高精度を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、内起歪体３０の固定部３４がストッパー２８の反対側に固定される構造であり、内起歪体３０の長さを確保しつつ、ストッパー２８の強度を確保することができる。これを具体的に説明する。図２には比較例のロードセル５０が示されている。比較例のロードセル５０は、内起歪体３０の固定部３４が外起歪体２０の可動部２６に固定されている。この場合、ストッパー５２は、外起歪体２０の可動部２６から内起歪体２０の可動部３６の位置まで引き出す必要がある。これは、ストッパー５２を外起歪体２０の固定部２４から引き出すと、内起歪体２０の可動部３６がストッパー５２に当接した際に全ての起歪体２０、３０の変形が止まってしまうためである。

このようにストッパー５２を外起歪体２０の可動部２６から引き出した場合、ストッパー５２は必然的に内起歪体３０と殆ど同じ長さになる。たとえば内起歪体３０を長くした場合は、ストッパー２８も長くなるため、ストッパー５２は強度の面で不利になる。この場合、ストッパー５２を太くしなければならず、ロードセル５０が大型化するという問題が発生する。逆に内起歪体２０を短くした場合は、ストッパー２８を短くすることができるが、内起歪体３０を短くしたために直線性が得られにくくなり、精度が低下するという問題が発生する。したがって、比較例のロードセル５０は、小型化と高精度化の両方を同時に達成することができなかった。

これに対して、本実施の形態では、内起歪体３０の固定部３４は外起歪体２０の固定部２４に固定され、ストッパー２８は外起歪体２０の可動部２６に形成されている。すなわち、内起歪体３０の固定部３６とストッパー２８は反対側に配置されている。したがって、内起歪体３０の長さを確保しつつ、ストッパー２８を短くすることができる。これにより、直線性が得られやすくなるとともにストッパー２８を小さくすることができ、小型化と高精度化の両方を同時に達成することができる。

さらに、本実施の形態によれば、内起歪体３０が外起歪体２０に着脱自在なので、内起歪体３０、外起歪体２０を特性の違うものに変更することによって、測定レンジを簡単に変更することができる。たとえば図４（ａ）に示すロードセルは、図１のロードセル１０と比較して、薄肉部２２Ａ同士の間隔Ｄ１が異なる外起歪体２１に変更している。また、図４（ｂ）に示すロードセルは、図１のロードセル１０と比較して、薄肉部３２Ａ同士の間隔Ｄ２が異なる内起歪体３１に変更している。このように薄肉部２２Ａの間隔Ｄ１の異なる外起歪体２１や、薄肉部３２Ａの間隔Ｄ２の異なる内起歪体３１に変更することによって、簡単に測定レンジを変更することができる。なお、薄肉部２２Ａ、３２Ａの間隔だけでなく、薄肉部２２Ａ、３２Ａの厚みや、貫通孔の形状そのものを変化させるようにしてもよい。このように本実施の形態のロードセル１０によれば、外起歪体２０と内起歪体３０が着脱自在なので、測定レンジを簡単に変更することができる。

なお、上述した実施形態は、外起歪体２０と内起歪体３０を別体として構成したが、これに限定されるものではなく、一体加工品としてもよい。この場合には、外起歪体２０と内起歪体３０との組み付け精度が不要になるので、測定精度をさらに向上させることができる。

また、上述した実施形態は、内起歪体３０のみに歪みゲージ３９を取り付けたが、図５に示すように外起歪体２０の薄肉部２２Ａに歪みゲージ２９を取り付けてもよい。この場合には、歪みゲージ２９で外起歪体２０の変形を感知することによって、測定レンジの切り替えのタイミングを判断するとよい。

また、上述した実施形態はストッパー２８を外起歪体２０の内側面から突出させたが、ストッパー２８の形状や構成はこれに限定されるものではなく、内起歪体３０が変形した際に当接するように構成されていればよい。たとえば図６に示すロードセルは、外起歪体２０の可動部２６の内側面に凹部２６Ａが形成され、その凹部２６Ａの内部に内起歪体３０の可動部３６の一部が配設されている。このロードセルは、内起歪体３０が変形することによって、内起歪体３０の可動部３６が外起歪体２０の凹部２６Ａに当接される。これにより、内起歪体３０に付与した負荷が外起歪体２０に伝わり、外起歪体２０が変形される。このロードセルによれば、ストッパー２８を突出させるスペースが不要になるので、さらなる小型化が可能である。なお、外起歪体２０の可動部２６に凹部２６Ａを設ける代わりに貫通孔を形成し、この貫通孔に内起歪体２０を挿通させるようにしてもよい。この場合にも内起歪体２０が変形することによって、貫通孔の側面に当接するので、ストッパーとして作用する。

また、上述したロードセルは、外起歪体２０と内起歪体３０とから成る２重構造の場合で説明したが、本発明のロードセルはこれに限定されるものではなく、３重以上としてもよい。たとえば図７に示すロードセルは、外起歪体２０、中起歪体４０、内起歪体３０から成る三重構造であり、外起歪体２０の内側に中起歪体４０が配設され、中起歪体４０の内側に内起歪体３０が配設される。中起歪体４０は外起歪体２０と同様に、細幅な直方体状の金属ブロックに眼鏡状の貫通孔を形成することによって構成されており、上下に配置された一対の平行なビーム４２と、それらの一方の端部を接続する固定部４４、他方の端部を接続する可動部４６を備える。各ビーム４２は２箇所で薄く形成されており、この薄肉部４２Ａが変形するようになっている。

中起歪体４０の固定部４４は、外起歪体２０の固定部２４に固定されており、この中起歪体４０の固定部４４に内起歪体３０の固定部３４が固定される。なお、中起歪体４０の固定部４４をケース１２に固定したり、内起歪体３０の固定部３４をケース１２や外起歪体２０の固定部２４に固定してもよい。

中起歪体４０の可動部４６にはストッパー４８が形成されており、内起歪体３０は変形した際にこのストッパー４８に当接される。また、外起歪体２０のストッパー２８は、中起歪体４０が変形した際に当接するように構成される。

上記の如く構成された三重構造のロードセルは、負荷を付与すると、まず内起歪体２０のみが変形する。そして、内起歪体２０がストッパー４８に当接することによって、中起歪体４０が変形を開始し、低秤量レンジから中秤量レンジに切り替わる。そして、中起歪体４０がストッパー２８に当接することによって、外起歪体２０が変形を開始し、中秤量レンジから高秤量レンジに切り替わる。

このように構成された三重構造のロードセルの場合にも、低秤量レンジでは内起歪体２０のみが変形するので、高精度を得ることができる。また、ストッパー２８、４８が内起歪体３０の固定部３４、中起歪体４０の固定部４４の反対側に配置されているので、ストッパー２８、４８を短くしつつ、内起歪体３０、中起歪体４０の長さを確保することができる。したがって、小型化と高精度化の両方を同時に達成することができる。

１０…ロードセル、１２…ケース、２０…外起歪体、２２…ビーム、２４…固定部、２６…可動部、２８…ストッパー、２９…歪みゲージ、３０…内起歪体、３２…ビーム、３４…固定部、３６…可動部、３９…歪みゲージ、４０…中起歪体、４２…ビーム、４４…固定部、４６…可動部、４８…ストッパー、５０…比較例のロードセル、５２…比較例のストッパー

Claims (7)

1. 薄肉部を有する上下一対の平行なビームとその端部に接続された固定部、可動部を有する起歪体を複数備え、該複数の起歪体のうちの少なくとも一つの起歪体が他の起歪体の一対のビームの内側に配置されたロードセルにおいて、
   前記内側の起歪体は、可動部が荷重受け機構に接続されるとともに、固定部が外側の起歪体の固定部に接続され、
   前記外側の起歪体の可動部には、前記内側の起歪体が変形して当接するストッパーが設けられることを特徴とするロードセル。
2. 前記内側の起歪体と前記外側の起歪体が別体であり、着脱自在に装着されることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
3. 前記内側の起歪体と前記外側の起歪体が一体で加工されることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
4. 前記ストッパーは、前記外側の起歪体の可動部の内側面に突出して形成された突起部であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のロードセル。
5. 前記ストッパーは、前記外側の起歪体の可動部の内側面に形成された凹部であり、前記内側の起歪体が変形して前記凹部に当接されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のロードセル。
6. 前記内側の起歪体の薄肉部のみに歪みゲージが取り付けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載のロードセル。
7. 前記内側の起歪体の薄肉部及び前記外側の起歪体の薄肉部に歪ゲージが取り付けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載のロードセル。

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