JP6025318B2 - ロードセル - Google Patents

Description

本発明は、ひずみゲージを用いた圧縮型のロードセルに関する。

圧縮型のロードセルに関する従来技術として例えば特許文献１〜４に記載のものが挙げられる。特許文献１には、設置ベース上に配置される荷重支持部分と、荷重支持部分に連結されて設置ベース表面から幾分の間隔をおいて位置する荷重負荷部分と、これら両部分を連結するとともに荷重負荷部分に作用する負荷の大きさに応じて撓み変形する荷重検知部分とを備えるロードセルにおいて、荷重負荷部分に荷重検知部分の過剰の変形を阻止するストッパピンを配設する技術が記載されている。

特許文献２には、ベースにストッパ用ネジ孔を形成するとともに、このストッパ用ネジ孔に先端部が感度アームと当接しその変位を規制するストッパ用ネジを螺合し、ストッパ用ネジの螺進度を調整することにより定格荷重以上の荷重が印加されたとき、感度アームが起歪部の弾性変形可能範囲を超えて変形することを防止する技術が記載されている。

特許文献３には、支持フレームが受皿を支持する位置とロードセルに連結された位置との中間位置に四隅ストッパを対向配置し、受皿に極度に過大な荷重や衝撃が作用したとき、支持フレームが四隅ストッパを支点として湾曲することで、受皿が連結された四隅が降下するとともにロードセルが連結された中央が上昇し、ロードセルの変形を防止する技術が記載されている。

特許文献４には、弾性部材を介して受皿を支持フレームで支持するようにしたロードセル秤において、ロードセルの荷重受端に連結された支持フレームとこの支持フレームで支持される受皿との間に介在する弾性部材を半球状に形成することにより、受皿に与えられた衝撃や振動がロードセルまで伝達しにくくする技術が記載されている。

特開平１１−２１１５４３号公報 特開２００１−３３２９９号公報 特開平７−３３３０４３号公報 特開２０００−１７１２８９号公報

ひずみゲージとしてゲージ率の高いものを用いれば、電気抵抗変化の出力値が大きくなって計測値の分解能・精度が上がることとなり、このことは荷重に対する起歪部のひずみ量が小さい量で済むことにつながる。特許文献１〜３の技術は機械的なストッパ機構により起歪部が限界以上に変位しないようにする技術に関するものであり、特許文献４の技術は衝撃や振動の吸収性の向上を図る技術に関するものである。本発明は、荷重に対する起歪部のひずみ量を簡単な構造で低減でき、特許文献１〜３等に示される機械的なストッパ機構も省略可能となるロードセルを提供することを目的としている。

前記課題を解決するため、本発明は、エレメントと、該エレメントの上面に配置される上蓋と、前記エレメントの下面に配置される下蓋と、を備え、前記エレメントは、ひずみゲージを貼着する起歪部を有する基台と、該基台の上面の中央に配置されている荷重受け部とを有し、前記起歪部は、前記荷重受け部を中心として環状に形成されるとともに、荷重方向に貫通する穴が起歪部の円周方向に沿って略等間隔で複数穿設され、隣り合う前記穴同士の間隔寸法が前記穴の穴径寸法よりも大きく設定されていることを特徴とするロードセルとした。

当該ロードセルによれば、起歪部の円周方向３６０度にわたり略均一な変位（ひずみ）が得られ、隣り合う穴同士の間隔寸法を適宜に大きく設定することにより起歪部の剛性が円周方向３６０度にわたり高まり、荷重に対する起歪部のひずみ量を低減することができる。

従来のロードセルの場合、起歪部の限界以上のひずみ量を抑制するにあたり、例えば荷重受け部の下面をストッパの構造体に突き当てて変位を抑制する等、機械的なストッパ機構を要する構造であるのに対し、本発明によれば当該ストッパ機構も省略できるため、簡単な構造となってロードセルの設計の自由度が増す。

また、本発明は、前記ひずみゲージは、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物からなることを特徴とする。

本発明では、荷重に対する起歪部のひずみ量を低減する一方、ひずみゲージとしてゲージ率の高いものを用いる。Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物からなるひずみゲージはゲージ率が高く、荷重に対する起歪部のひずみ量を低減した場合であってもロードセルの所定の計測値の分解能・精度を確保できる。Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物は、低コスト化の要請にも応えることができ、かつ、酸化しにくいため防食性、ひいては耐久性が優れている等の長所も兼ね備える。

また、本発明は、前記穴の内周面に前記ひずみゲージが貼着されるとともに、前記基台の上面および下面がそれぞれ前記上蓋および前記下蓋で溶接により密閉されることを特徴とする。

基台の上面および下面をそれぞれ上蓋および下蓋で溶接により密閉することにより、起歪部に貼着されたひずみゲージは外気にさらされることがない。したがって、ひずみゲージの温度係数の影響を効果的に抑えることができ、ロードセルの所定の計測値の分解能・精度を安定して確保することができる。

本発明によれば、起歪部の円周方向３６０度にわたり略均一な変位（ひずみ）が得られ、隣り合う穴同士の間隔寸法を適宜に大きく設定することにより起歪部の剛性が円周方向３６０度にわたり高まり、荷重に対する起歪部のひずみ量を低減することができる。
これにより、従来の荷重規制用のストッパ機構を省略でき、簡単な構造となってロードセルの設計の自由度が増す。

（ａ）は本発明に係るロードセルのエレメントの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。 本発明に係るロードセルの外観斜視図である。 本発明に係るロードセルの分解斜視図である。 本発明に係るロードセルの断面図であり、（ａ）は上蓋および下蓋が未装着の場合、（ｂ）は上蓋および下蓋が装着された場合を示す。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明のロードセル１は、図３に示すように、エレメント２と、エレメント２の上面に配置される上蓋３と、エレメント２の下面に配置される下蓋４とを備える。本発明のロードセル１は最大荷重容量が例えば５ｋＮ〜２００ｋＮ（２０トン）の仕様のものに適している。

図３および図１を参照して説明すると、エレメント２は、ひずみゲージ５を貼着する起歪部６を有する基台７と、この基台７の上面の中央に配置されている荷重受け部８とを有した構成からなる。基台７は円柱形状を呈しており、その中心軸Ｏに沿う方向から外部荷重を受ける。

基台７の上面は、中央寄りから順に、中心軸０を中心に円形に形成される荷重受け面８Ａと、荷重受け面８Ａよりも低位に位置する環状の第１上面７Ａと、第１上面７Ａよりも低位に位置する環状の第２上面７Ｂと、基台７の上面の内で最低位に位置し起歪部６の上面を構成する環状の起歪上面６Ａと、起歪上面６Ａよりも高位であって第２環上面７Ｂよりも低位に位置する環状の第３上面７Ｃと、第３上面７Ｃよりも高位であって第２上面７Ｂよりも低位に位置する環状の第４上面７Ｄと、第２上面７Ｂと同位に位置する第５上面７Ｅとから構成される。荷重受け面８Ａは荷重受け部８の上面を構成する面であり、中心を頂点とした緩やかな曲面を呈している。

図４において、上蓋３は、その外径が前記第５上面７Ｅの外径寸法と略同寸であって、中央には前記第１上面７Ａの外縁径よりも若干大きい径寸法の孔が形成された環円板状の部材である。上蓋３は、図４（ｂ）に示されるように、その内縁周りが第２上面７Ｂに載置されるとともに外縁周りが第５上面７Ｅに載置されたうえで、それぞれ内縁回り、外縁周りが基台７に溶接される。これにより、基台７の上面の内で荷重受け面８Ａと第１上面７Ａとが上蓋３から上方に突出して位置し、起歪上面６Ａ、第３上面７Ｃおよび第４上面７Ｄの上方空間が上蓋３により密閉される。なお、基台７におけるこれら溶接箇所の近傍には、溶接時の変形の逃げとして逃げ溝９が適宜に形成されている。

基台７の下面は、径方向外側に環状に形成される最低位の底面７Ｆと、底面７Ｆの内側において基台７の下面の内で最高位に位置し起歪部６の下面を構成する環状の起歪下面６Ｂと、中心軸０を中心に円形に形成され起歪下面６Ｂよりも若干低位に位置する荷重受け部下面８Ｂとから構成される。荷重受け部下面８Ｂは荷重受け部８の下面を構成する面である。起歪下面６Ｂの内径および外径は起歪上面６Ａのそれらと同寸である。

下蓋４は、その外径が基台７の底面７Ｆの内径寸法と略同寸の円板状の部材である。基台７の底面７Ｆの内縁には、下蓋４の外縁を受け止めるための段差部が形成されている。下蓋４は、図４（ｂ）に示されるように、その外縁が前記段差部に突き当てられた状態で基台７に溶接される。これにより、起歪下面６Ｂおよび荷重受け部下面８Ｂの下方空間が下蓋４により密閉される。下蓋４の下面は基台７の底面７Ｆよりも若干高位に位置する。また、前記段差部の近傍にも溶接時の変形の逃げとして逃げ溝９が適宜に形成されている。

以上から判るように、起歪部６は、概ね、中心軸Ｏを中心に形成される起歪上面６Ａ、起歪下面６Ｂを有する真円の円筒形の領域として基台７内において画成される。起歪上面６Ａと起歪下面６Ｂとの距離、つまり起歪部６の高さ寸法は基台７の高さ寸法の内で最も小さく設定されており、荷重受け面８Ａから受ける荷重に対して起歪部６には良好な変位（ひずみ）のリニア特性が得られる。また起歪部６は真円の円筒形領域として画成されるため円周方向３６０度にわたり略均一な変位（ひずみ）が得られる。

以上の起歪部６には、荷重方向に貫通する、つまり中心軸Ｏに沿って貫通する穴１０が起歪部６の円周方向に沿って略等間隔で複数穿設されている。穴１０の径寸法は例えば起歪部６の径方向の幅寸法よりも若干小さい程度の寸法である。複数の穴１０の内の少なくとも１つにおいてその内周には、図１に示されるようにひずみゲージ５が貼着される。本実施形態では８個の穴１０が等間隔で穿設されており、一つおきに４個の穴１０にそれぞれひずみゲージ５が２枚ずつ貼着されている。つまり、ひずみゲージ５は中心軸Ｏを中心とした円周上において等間隔でレイアウトされるものであり、本実施形態では９０度間隔でレイアウトされることとなる。

計８枚のひずみゲージ５は例えばブリッジ回路を構成しており、起歪部６で発生するひずみ量を電気信号に変換する。ブリッジ回路の回路配線は例えば起歪下面６Ｂおよび荷重受け部下面８Ｂの下方空間を利用して引き回される。基台７の外周面には配線用アダプタ１２（図２）を取り付けるための取付孔１１が形成されており、この取付孔１１の内側先端はひずみゲージ５が貼着されていない穴１０の内の１つに臨む。前記回路配線はこの取付孔１１に装着された配線用アダプタ１２（図２）を通って外部に引き出される。

以上のように、起歪部６を荷重受け部８を中心として環状に形成するとともに、荷重方向に貫通する穴１０を起歪部６の円周方向に沿って略等間隔で複数穿設する構成によれば、起歪部６の円周方向３６０度にわたり略均一な変位（ひずみ）が得られ、隣り合う穴１０同士の間隔寸法を適宜に大きく設定することにより起歪部６の剛性が円周方向３６０度にわたり高まり、荷重に対する起歪部６のひずみ量を抑えることができる。

従来のロードセルの場合、起歪部の限界以上のひずみ量を抑制するにあたり、例えば荷重受け部の下面をストッパの構造体に突き当てて変位を抑制する等、機械的なストッパ機構を要する構造であるのに対し、本発明によれば当該ストッパ機構も省略できるため、簡単な構造となってロードセルの設計の自由度が増すこととなる。本実施形態では、荷重受け部下面８Ｂと下蓋４との間隔寸法は充分な距離を有しており、想定し得る異常な大荷重がかかった場合でも起歪部６が低い値のひずみ量をもってひずむことで、荷重受け部下面８Ｂが下蓋４に突き当たらないようになっている。

本発明では、荷重に対する起歪部６のひずみ量が低減される一方、ひずみゲージ５としてはゲージ率の高いものが用いられ、特にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物からなるひずみゲージ５が好適に用いられる。Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物からなるひずみゲージ５としては例えば特開２０１０−２７５５９０号公報に記載のものが挙げられる。

すなわち、本発明で用いるひずみゲージ５の一例としては、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒを主成分とし、Ｍｎ、Ｍｏ及びＳｉを副成分としたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物において、前記Ｍｎが、１ｗｔ％から３ｗｔ％のいずれかのｗｔ％で添加される。Ｍｎのｗｔ％は、１ｗｔ％未満であっても、３ｗｔ％より大きくても、ひずみゲージのＧＦ（ゲージ率）が従来品のそれよりも劣化する。すなわち、１ｗｔ％から３ｗｔ％の間の、Ｍｎのｗｔ％が、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物を用いて製造されるひずみゲージに含有させるべきＭｎの最適な添加量となる。このＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物は、低コスト化の要請にも応えることができ、かつ、酸化しにくいため防食性、ひいては耐久性が優れている等の長所も兼ね備える。

前記Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物の該組成は、Ｎｉを３２ｗｔ％から４０ｗｔ％、Ｃｒを６ｗｔ％から９ｗｔ％、Ｍｎを１ｗｔ％から３ｗｔ％、Ｍｏを０．３ｗｔ％から０．７ｗｔ％、Ｓｉを０．４５ｗｔ％から０．５ｗｔ％を好適範囲とし、残部をＦｅとすることが好ましい。Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物の合金の材料として、例えば、磁気ヘッド材料として知られるダイナロイ（「dynalloy」登録商標）合金を用いることができる。ダイナロイ合金の組成（一例）は、Cr7.4、Mo0.5、Mn0.5、Ni36、Si0.45、Fe残部であり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物と、Ｍｎの含有比率を除き、略等しい。したがって、市販のダイナロイ合金に、Ｍｎを１ｗｔ％から３ｗｔ％となるように固溶させてインゴットを作製すれば、ひずみゲージ５用のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物の合金を製造することができる。

以上のようにひずみゲージ５としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物からなるものを用いることで、ゲージ率が高くなり、電気抵抗変化の出力値が大きくなる。したがって、荷重に対する起歪部６のひずみ量を小さくした構造にあっても、ロードセル１の所定の計測値の分解能・精度を確保することができる。

Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物からなるひずみゲージ５の特性として、ゲージ率が高くなる代わりに温度係数（温度依存性：ひずみゲージの貼着場所による温度変化に伴う電気抵抗値の変化量）が大きくなり、貼着場所により抵抗値のばらつきが大きくなりやすいという問題がある。これに対して、本実施形態では前記したように基台７の上面および下面をそれぞれ上蓋３および下蓋４で溶接により密閉したため、ひずみゲージ５が外気にさらされることがない。したがって、ひずみゲージ５の温度係数の影響を効果的に抑えることができ、ロードセル１の所定の計測値の分解能・精度を安定して確保することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明した。説明した実施形態では、ブリッジ回路を構成する８枚のひずみゲージ５を起歪部６にレイアウトさせるにあたり、８つの穴１０を等間隔に設けたうえで一つおきの穴１０にひずみゲージ５を２枚ずつ貼着している。これによれば２枚１セットのひずみゲージ５を円周方向に９０度間隔で配置させることができ、起歪部６のひずみ量を精度良く計測することができる。場合により４つの穴１０を等間隔に設けたうえでそれぞれの穴１０にひずみゲージ５を２枚ずつ貼着することもできる。

１ ロードセル
２ エレメント
３ 上蓋
４ 下蓋
５ ひずみゲージ
６ 起歪部
７ 基台
８ 荷重受け部
１０ 穴

Claims (3)

1. エレメントと、
   該エレメントの上面に配置される上蓋と、
   前記エレメントの下面に配置される下蓋と、
   を備え、
   前記エレメントは、ひずみゲージを貼着する起歪部を有する基台と、該基台の上面の中央に配置されている荷重受け部とを有し、
   前記起歪部は、前記荷重受け部を中心として環状に形成されるとともに、荷重方向に貫通する穴が起歪部の円周方向に沿って略等間隔で複数穿設され、
   隣り合う前記穴同士の間隔寸法が前記穴の穴径寸法よりも大きく設定されていることを特徴とするロードセル。
2. 前記ひずみゲージは、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系アイソエラスティック組成物からなることを特徴とする請求項１に記載のロードセル。
3. 前記穴の内周面に前記ひずみゲージが貼着されるとともに、前記基台の上面および下面がそれぞれ前記上蓋および前記下蓋で溶接により密閉されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロードセル。

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