JP5934571B2 - 荷重検出器 - Google Patents
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Description
その他、ダイヤフラム方式の平板状ロードセルも、上記の両持ち梁方式と同様な問題がある。
所定方向に荷重が加えられる基体と、その基体に取り付けられた歪センサとを有してなり、
前記基体は、荷重受け領域及び一対の支点受け領域を有する荷重受け梁部と、その荷重受け梁部における異なる位置から突出する一対の作動腕部と、それら一対の作動腕部の先端側の部分同士を連結する連結部とを有し、かつこれらの荷重受け梁部、一対の作動腕部および連結部が、全体として連続して中空部分を取り囲むように構成されており、
前記荷重受け領域は、前記一対の支点受け領域の中間においてその一対の支点受け領域を結ぶ直線を横断する基準面に相当する位置に形成され、かつその荷重受け領域は、前記基準面に沿った方向に加えられる荷重を受けるように構成され、
さらに、前記一対の作動腕部の一方は、荷重受け梁部における前記基準面に対して前記一対の支点受け領域のうちの一方が位置する側から突出するように、また一対の作動腕部の他方は、荷重受け梁部における前記基準面に対して前記一対の支点受け領域のうちの他方の支点受け領域が位置する側から突出するように形成されており、
前記歪センサが、前記一対の作動腕部の少なくとも一方に取り付けられており、
前記一対の支点受け領域を支持した状態で、荷重受け領域に荷重を加えることによって、前記一対の作動腕部の少なくとも一方が弾性変形し、その弾性変形の歪を前記歪センサが検出するように構成したことを特徴とするものである。
ここで、「一対の支点受け領域の中間」とは、一対の支点受け領域の間であればよく、一対の支点受け領域の中央に限定されない。
また、「基準面」は、一対の支点受け領域の間において、一対の支点受け領域を結ぶ直線が貫通するような向きで配置する仮想的な面であり、一対の支点受け領域を結ぶ直線に対して直交する向きで配置する場合に限定されない。
また、「中空部分」は、荷重受け梁部、一対の作動腕部および連結部等によって形成される中空の部分である。
しかも前記歪センサが、1以上の歪検出素子によって構成されており、かつその1以上の歪検出素子のうちのいずれか少なくとも一つは、前記2以上の凹部のうちの少なくとも一つの凹部に対応する部位に取り付けられていることを特徴とするものである。
但し、場合によっては、支点受け領域を、螺子止めあるいは溶接などによって固定部位にしっかりと固定することが許容されることはもちろんである。
基体3の材質は、加えられる荷重によって弾性歪が生じ、しかもその荷重に耐え得る程度の強度を有する材料であれば特に限定されるものではなく、通常はアルミニウム合金あるいはステンレス鋼などの金属材料が用いられる。
基体3は、図示の例では、ある厚みTを有する厚板からなり、その厚み方向に対して直交する断面で見て、中央部分にほぼ長四角状の中空部分(窓部)17が形成されるように、全体として縦長の略長矩形状をなす形状とされている。但し基体3は、完全な長矩形ではなく、長矩形の短辺に相当する二辺(後述する荷重受け梁部7及び連結部9)のうち、上側の短辺(荷重受け梁部7)は、その両端部分が、長矩形の長辺に相当する二辺(後述する一対の作動腕部11A、11B)よりも左右に突出するように形成されている。なお、中空部分(窓部)17の位置は中央部分には限定されず、本発明の効果を発揮できる位置であれば、何ら制限はない。また、その形状は長四角状を含む矩形状には限定されず、本発明の効果を発揮できる形状であれば、何ら制限はなく、例えば、楕円や長円等の曲線を含む形状等でもよい。また、図に示した中空部分(窓部)17は、荷重受け梁部と、作動腕部と、連結部とによって囲まれた部分である。
基体3を構成する長矩形の二つの短辺のうちの上辺は、荷重受け梁部7とされており、その長さ方向の中央部の上面には、凹状に窪む部分(13)が形成されており、その窪み部分は、検出すべき荷重を受ける荷重受け領域13とされている。また、荷重受け梁部7の長さ方向の両端部分(左右に突出する両端部分)の下面には、水平な段差面(15A、15B)が形成され、その段差面が、その領域を支点として基体3を支持するための支点受け領域15A、15Bとされている。なお、荷重受け領域13は、特に窪みなどの形状を与えない平面的な領域であってもよい。
支点受け領域(段差面)15A、15Bは外部の固定された支持部材19A、19Bの上面に載置され、荷重受け領域13には例えば、垂直棒状の荷重印加部材21によって外部からの荷重が加えられる。
このようにして、基体3は、荷重受け梁部7と、一対の作動腕部11A、11Bと、連結部9とが、全体としてほぼ長四角状の中空部分(窓部)17を連続的に取り囲む構成となっている。
上記弾性変形は、例えば、荷重受け梁部が両持ち梁として微小変形し、その荷重受け梁部の微小変形に伴って、前記一対の作動腕部の少なくとも一方が湾曲変形するという態様で生じるものである。
そしてまた、図3に示すホイートストンブリッジ回路23の4個の抵抗体のうち、1〜3個のみを歪ゲージとして作動腕部11A、11Bのいずれか一方または双方に貼着し、残りの抵抗体をダミー抵抗(固定抵抗)としてもよいことはもちろんである。
図5の例では、作動腕部11A、11Bは、その長さ方向の先端側が相互に近接するように、基準面Pに対して角度θだけ傾斜しており、その近接した先端部分同士が連結部9によって連結されている。
このような構成であっても、図1〜図4に示した例と同様に、荷重受け梁部7の荷重受け領域13に加わる荷重Wによって荷重受け梁部7が撓み変形し、それに伴って、作動腕部11A、11Bが左右に張り出すように変形して、作動腕部11A、11Bの外面、内面に歪が発生するから、その歪を歪センサ5が検出することによって、加えられた荷重Wを測定することができる。
しかしながら、一対の作動腕部11A、11Bのうちの一方の作動腕部11Aのみで歪を検出する場合、各作動腕部11A、11Bの剛性を異ならしめ、実質的に一方の側の作動腕部11Aのみが変形して歪を生じるように構成することが望ましい。その場合の原理的な構成の実施形態を、図7、図8に示す。
このような構成とすれば、図8に示しているように、荷重受け梁部7の荷重受け領域13に荷重が加わった時の荷重受け梁部7の撓み変形に伴い、一対の作動腕部11A、11Bのうちの、剛性が高い右側の作動腕部11Bは、変形しないかまたはその変形量がわずかとなり、これに対して剛性が低い左側の作動腕部11Aは、相対的に大きく変形(長さ方向の中央部が張り出すように変形)して、既に述べたと同様に、その作動腕部11Aに取り付けた歪センサ5(歪ゲージR1、R2、R3、R4)によって作動腕部11Aの歪、ひいては荷重が検出される。
そして、歪センサ5を構成する4個の歪ゲージR1、R2、R3、R4のうち、歪ゲージR1、R3は、第2の凹部33Bに対応する位置の外面に貼着され、歪ゲージR2、R4は、第1の凹部33Aに対応する位置の外面に貼着されている。
そしてこれらの歪ゲージR1、R2、R3、R4は、既に述べたと同様に、図3に示したホイートストンブリッジ回路23に組まれている。
図14において、作動腕部11A、11Bを中空な筒部材(支持部材)19の上端部に挿入して、荷重受け梁部7の両端部下面(段差面)の支点受け領域15A、15Bを、筒部材(支持部材)19の端縁(支持部19C、19D)に支持させ、軸受け部25に挿入されている水平軸部材(荷重印加部材)21から荷重Wが荷重受け領域13に加えられれば、荷重受け梁部7には、その中央部が下方にわずかに降下するような微小撓み変形が生じる。ここで、一対の作動腕部11A、11Bのうち、右側の作動腕部11Bは、切り込み部29が形成されておらず(図10、図13参照)しかも凹部33A、33B、33Cも形成されていないため、左側の作動腕部11Aと比較して格段にその剛性が大きく、そのため、図7、図8に示した例と同様に、右側の作動腕部11Bは実質的に変形せず、もっぱら左側の作動腕部11Aのみが撓み変形する。すなわち、左方の作動腕部11Aのみが、左方(外方)に張り出すように変形する。しかも、この作動腕部11Aの内側に形成されている凹部33A、33Bによって、作動腕部11Aの撓み変形が局部的に助長されて、その助長された歪が歪センサ5によって効果的に検出される。
さらに、第1の凹部33Aに近接してその上方に形成した第2の凹部33B付近でも、その部位の作動腕部11Aの厚みが局部的に小さくなって剛性が小さくなっており、その部位付近では、第1の凹部33A付近の弾性変形方向とは逆の方向に弾性変形し、その部位付近の外面に引張歪が集中的に発生する。そしてこの引張歪によって、歪センサ5の歪ゲージR1(R3)に大きな抵抗変化が生じる。
しかもこのような構成では、圧縮歪を検出する歪ゲージR2(R4)と、引張歪を検出する歪ゲージR1(R3)とが近接して貼着されるため、これらの歪ゲージ間の配線や外部との間の入出力のためのリード線の取り回しも容易となる。
このように、空隙Gが生じるように形状、寸法を調整しておくことによって、荷重が加わった時の作動腕部11Aの変形をその空隙G内で許容して、確実に歪を検出することが可能となる。
本実施形態の場合、外部から荷重を加えるための荷重印加部材21は、図9〜図13に示した実施形態と同様に、水平な軸線を有する軸部材で構成され、また、支持部材(図1〜図4の各例における符号19A、19B)も、図9〜図13に示した実施形態と同様に、垂直な軸線を有する中空な筒部材19とされており、その筒部材(支持部材)19における軸線を中心として対称な位置の端部が支持部19C、19Dとされている。
そして荷重受け梁部7の両端近くの下面に凹溝41A、41Bが形成されており、これらの凹溝41A、41Bが、筒部材(支持部材)19の上端(支持部19C、19D)に嵌められるように構成されている。したがってこの場合、凹溝41A、41Bの内奥面が、支点受け領域15A、15Bに相当する。なおこの場合、凹溝41A、41Bは筒部材(支持部材)19の上端に緊密にはめ込まれる必要はなく、若干の遊びをもってはめ込まれても良い。その他の構成は、図9〜図13に示した実施形態と同様である。
本実施形態の場合、外部から荷重を加えるための荷重印加部材21は、図9〜図13に示した実施形態と同様に、水平な軸線を有する軸部材で構成されている。そして荷重受け梁部7の両端近くには、その荷重受け梁部7を貫通する取り付け孔43A、43Bが形成されている。このような荷重検出器の基体3を支持する場合、前記取り付け孔43A、43Bに、ピン状の部材45A、45Bを挿通させて、そのピン状部材45A、45Bを外部の任意の支持部材19に固定または係止させれば良い。このような構成においては、取り付け孔43A、43Bが支点受け領域15A、15Bに相当する。
この場合、上方からの荷重Wは、基準面Pに対して角度αだけ傾斜する方向に加えられることになるが、その荷重Wによる鉛直方向の力Fの分力として、基準面Pに沿う方向の力Fpが存在するため、既に述べたと同様に荷重受け梁部7を撓み変形させ、それに伴う作動腕部11Aの変形による歪を検出することにより、荷重Wを検出することができる。
この場合も、図9〜図13の実施形態について図14に示したと同様に、作動腕部11A、11Bを中空な筒部材(支持部材)19の上端部に挿入して、荷重受け梁部7の支点受け領域15A、15Bを、筒部材(支持部材)19の端縁(支持部19C、19D)に支持させる。その状態で、軸受け部25に挿入されている水平軸部材(荷重印加部材)21から荷重Wが荷重受け領域13に加えられれば、荷重受け梁部7には、その中央部が下方にわずかに降下するように微小撓み変形が生じる。ここで、一対の作動腕部11A、11Bのうち、右側の作動腕部11Bは、切り込み部が形成されていないため、左側の作動腕部11Aと比較してその剛性が高く、そのため右側の作動腕部11Bは実質的に変形せず、もっぱら左側の作動腕部11Aのみが撓み変形する。すなわち、左方の作動腕部11Aが、左方(外方)に張り出すように変形する。しかも、この作動腕部11Aに形成されているロバーバル機構39(長孔35)の両端の拡大孔部37A、37Bによって、それに対応する部位の変形が助長されて、その助長された歪が歪センサ5の各歪ゲージR1〜R4によって効果的に検出される。
3 基体
5 歪センサ
7 荷重受け梁部
9 連結部
11A、11B 作動腕部
13 荷重受け領域
15A、15B 支点受け領域
17 中空部分
19、19A、19B 支持部材
21 荷重印加部材
33A、33B、33C 凹部
39 ロバーバル機構
R1、R2、R3、R4 歪ゲージ(歪検出素子)
P 基準面
W 荷重
Claims (9)
- 所定方向に荷重が加えられる基体と、その基体に取り付けられた歪センサとを有してなり、
前記基体は、荷重受け領域及び一対の支点受け領域を有する荷重受け梁部と、その荷重受け梁部における異なる位置から突出する一対の作動腕部と、それら一対の作動腕部の先端側の部分同士を連結する連結部とを有し、かつこれらの荷重受け梁部、一対の作動腕部および連結部が、全体として連続して中空部分を取り囲むように構成されており、
前記荷重受け領域は、前記一対の支点受け領域の中間においてその一対の支点受け領域を結ぶ直線を横断する基準面に相当する位置に形成され、かつその荷重受け領域は、前記基準面に沿った方向に加えられる荷重を受けるように構成され
さらに、前記一対の作動腕部の一方は、荷重受け梁部における前記基準面に対して前記一対の支点受け領域のうちの一方が位置する側から突出するように、また一対の作動腕部の他方は、荷重受け梁部における前記基準面に対して前記一対の支点受け領域のうちの他方の支点受け領域が位置する側から突出するように形成されており、
前記歪センサが、前記一対の作動腕部の少なくとも一方に取り付けられており、
前記一対の支点受け領域を支持した状態で、荷重受け領域に荷重を加えることによって、前記一対の作動腕部の少なくとも一方が弾性変形し、その弾性変形の歪を前記歪センサが検出するように構成され、
前記歪センサが、前記少なくとも一方の作動腕部における各面のうち、前記中空部分に対して外側に向く面と内側及び/又は外側に向く面とのいずれか一方または双方の面に取り付けられ、
前記一対の作動腕部のうちの一方の作動腕部は他方の作動腕部よりも剛性が小さくなるように作られており、かつ前記一方の作動腕部に前記歪センサが取り付けていることを特徴とする荷重検出器。 - 請求項1に記載の荷重検出器において;
前記荷重受け領域が、それぞれ荷重測定対象における測定すべき荷重が導かれる荷重印加部材に接する面によって構成されていることを特徴とする荷重検出器。 - 請求項1又は請求項2のいずれかに記載の荷重検出器において;
前記一対の作動腕部のうちの一方の作動腕部における、前記中空部分に向く内側及び/又は外側の面に凹部が形成されて、前記一方の作動腕部が弾性変形したときに、その作動腕部における前記凹部に対応する部位の歪が増幅されるように構成されており、かつその個所に前記歪センサが取り付けていることを特徴とする荷重検出器。 - 請求項1又は請求項2のいずれかに記載の荷重検出器において;
前記一対の作動腕部のうちの一方の作動腕部における、前記中空部分に向く内側及び/又は外側の面に、2以上の凹部が、その作動腕部の長さ方向に間隔を置いて形成されて、その作動腕部が弾性変形したときに、その作動腕部における前記2以上の各凹部に対応する部位の歪が増幅されるように構成されており、
しかも前記歪センサが、1以上の歪検出素子によって構成されており、かつその1以上の歪検出素子のうちのいずれか少なくとも一つは、前記2以上の凹部のうちの少なくとも一つの凹部に対応する部位に取り付けられていることを特徴とする荷重検出器。 - 請求項4に記載の荷重検出器において;
前記歪センサが、2以上の歪検出素子によって構成されており、かつその2以上の歪検出素子のうちのいずれか少なくとも一つの歪検出素子は、隣り合う2以上の凹部のうちの一方の凹部に対応する部位に、また他の少なくとも一つの歪検出素子は、隣り合う2以上の凹部のうちの他方の凹部に対応する部位に取り付けられていることを特徴とする荷重検出器。 - 請求項1〜請求項5のいずれかの請求項に記載の荷重検出器において;
前記一対の作動腕部のうちの一方の作動腕部にロバーバル機構が形成されており、前記一方の作動腕部が弾性変形したときに、前記ロバーバル機構によってその作動腕部の歪が増幅されるように構成され、かつ前記一方の作動腕部に歪センサが取り付けられていることを特徴とする荷重検出器。 - 請求項1〜請求項6のいずれかの請求項に記載の荷重検出器において;
前記一対の支点受け領域が、それぞれ荷重測定対象における固定部位に接して支持される面によって構成されていることを特徴とする荷重検出器。 - 請求項1〜請求項6のいずれかの請求項に記載の荷重検出器において;
前記一対の支点受け領域が、それぞれ荷重測定対象における固定部位に嵌め込まれる形状に構成されていることを特徴とする荷重検出器。 - 請求項1〜請求項6のいずれかの請求項に記載の荷重検出器において;
前記一対の支点受け領域が、それぞれ荷重測定対象における固定部位に基体を支持させるための取り付け孔によって構成されていることを特徴とする荷重検出器。
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