JP6037440B2 - ロバーバル型ロードセル - Google Patents

Description

本発明はロードセルに係り、特に、長手方向前後２箇所に薄肉部をそれぞれ設けた上下一対の平行ビームの端部が固定部と可動部で接続一体化されてロバーバル機構を構成する起歪体を備えたロバーバル型ロードセルに関する。

この種のロードセルは、例えば商工業用はかり等に使用されており、たとえば、下記特許文献１、２に示すように、上下それぞれ２ヶ所の合計４箇所に薄肉部を有するロバーバル機構である起歪体を備えている。起歪体は、その根元側がハウジングなどに固定されて片持ち状に配設され、その先端側に荷重が負荷される。４箇所の薄肉部は、起歪体に荷重を負荷した際に、２箇所が引張側、残り２箇所が圧縮側となり、引張側と圧縮側のそれぞれの薄肉部には歪ゲージが接着されている。

特許文献１では、４箇所の薄肉部それぞれに歪ゲージ１個が接着され、４個の歪ゲージが接続されてホイートストンブリッジ回路を構成している。

特許文献２では、４箇所の薄肉部それぞれに歪ゲージ２個が接着され、４個の歪ゲージが接続されて２組のホイートストンブリッジ回路を構成している。

特開平８−１８４５１０ 特開２０００−２７５１１６

しかしながら、従来のロードセルは、側面貫通孔を設けた矩形状ブロック体で構成されており、製造し易いことと実績があるという理由で、多少の大きさの違いが有るものの、昔から同じ様な形状のままであった。

このため、ロードセルの性能も昔からわずかに向上しているに過ぎない。このわずかな性能の向上も、主に歪ゲージの性能、起歪体の素材の改良、ロードセル製造技術の進歩によるものであって、ロードセル（起歪体）の形状の工夫によるものではなかった。

このように、ロードセル（起歪体）の形状を工夫することによってロードセルの性能を改善しようとする試みは、現在まで全くなされていなかった。

このような背景の下、ロードセルを備えた電子天秤では、秤量物を電子天秤の計量皿に載せた直後は測定値がふらつくものの、暫くして安定する。これは、薄肉部に発生する歪（応力）が安定するまで時間がかかるためであるが、この測定値が安定するまでの時間が短いほどロードセルが高性能といえる。

そこで、発明者は、薄肉部の形状を工夫することで、測定値が安定するまでの時間（薄肉部に発生する応力が安定するまでの時間）を短縮できないか、と考えた。

そして、発明者は、まず、従来構造のロードセル（起歪体）を用いて、ロードセルに荷重を負荷した場合の薄肉部に発生する応力を有限要素法により解析した。

すると、図７（ｃ）に示すように、薄肉部に発生する応力は、幅方向中央部付近では、ほぼ一定の大きさを示すのに対し、幅方向両端部では、中央部付近の値よりも大きな値を示す。薄肉部に発生する応力の値は、理屈上は幅方向に均一となるはずであるが、実際には、両端部において大きくなった。

発明者が考察した結果、ロードセル（起歪体）の薄肉部の幅方向両端部に発生するこの大きな応力は、「ころ軸受け」業界では周知の「エッジロード」に相当すると考えられる。

即ち、例えば、円筒状の「ころ」が内輪と外輪の間で転がるように構成されている「ころ軸受け」では、円筒状の「ころ」と内輪の接触応力は、「ころ」の幅方向で均一なはずであるが、実際には均一ではなく、「ころ」の両端部の応力が中央部付近の応力よりも大きくなることが知られており、「ころ」の両端部に発生するこの大きな応力は、「エッジロード」と呼ばれている。

そして、ロードセル（起歪体）に荷重を負荷した場合の薄肉部にも、「ころ軸受け」と同様に、薄肉部の端部（以下、エッジ部という）に「エッジロード」が発生していると考えられる。

このように、ロードセル（起歪体）に荷重を負荷した場合の薄肉部に発生する応力は、薄肉部の両端部にエッジロードが発生するため、幅方向中央部付近と両端部付近で不均衡となる。このため、幅方向中央部付近に接着されている歪ゲージが応力を感受するときに、エッジロードの影響を受けて、測定誤差となるし、薄肉部における幅方向の応力がバランスして安定するまで測定値も安定しない（測定値が安定するまで所定時間がかかる）、と考えられる。

また、ロードセルを備えた電子天秤において、計量皿の四隅などに偏荷重を加えるとロードセル（起歪体）がねじられるが、この場合の薄肉部に発生する応力もエッジロードの影響を受けると考えられる。

即ち、ロードセル（起歪体）がねじられる場合は、ロードセル（起歪体）の幅方向中央に前後（ロードセル長手方向）に延びる仮想中立軸が存在し、ロードセル（起歪体）はこの仮想中立軸を中心として回転する（捩られる）。しかし、この仮想中立軸はロードセル（起歪体）の幅方向中央付近というだけで、その位置は明確に決まっているものではない。しかも薄肉部の幅方向両端部に発生したエッジロードがやはり幅方向中央部付近の応力に影響を及ぼすため、これが測定誤差となるし、薄肉部における幅方向の応力がバランスして安定するまで測定値も安定しない（偏荷重が負荷として作用する場合も、測定値が安定するまで所定の時間がかかる）、と考えられる。

また、ロードセルが過負荷によって破損する実験を行なったところ、ロードセルの薄肉部に塑性変形が生じ、これによりロードセル（薄肉部）が破損した。
このときの薄肉部の変形は、薄肉部の幅方向の一方の端部から変形が始まり、塑性変形が反対側端部まで伝わり、薄肉部中央付近に直線状の筋が発生する。即ち、筋は、薄肉部の幅方向の一方の端部を起点として発生し、反対側の端部に延びることも、薄肉部の幅方向端部にエッジロードが発生していることを示唆している。

このように、従来のロードセルでは、薄肉部に発生するエッジロードが「測定誤差」や「測定値が安定するまでの時間」といった、ロードセルの性能に関連することから、発明者は、薄肉部に発生するエッジロードを小さくできれば、ロードセルの性能を改善できるのではないかと考えた。

そこで、発明者は、先ず、薄肉部に円形の貫通孔（以下、円孔という）を設けた場合に、薄肉部に発生するエッジロードがどのようになるか、薄肉部に発生する応力が安定するまでの時間はどう変わるか等を検討する過程で、従来構造のロードセルを構成する起歪体の下ビームの２箇所の薄肉部に円孔を設けたロバーバル機構を試作した。

そして、円孔を設けた薄肉部（下ビームの薄肉部）および円孔を設けない薄肉部（上ビームの薄肉部）にそれぞれ発生する応力を有限要素法により解析した。
すると、円孔を設けた薄肉部（下ビームの薄肉部）では、図７（ａ）に示すように、孔周縁部の２箇所が新たな端部（エッジ部）となって、全４箇所の端部（エッジ部）においてエッジロードが発生した。このエッジロードの値Ｈ３は、従来のロードセル（起歪体）の薄肉部に発生するエッジロードの値Ｈ１（図７（ｃ）参照）よりも低い値（Ｈ３＜Ｈ１）であった。

一方、円孔を設けない薄肉部（上ビームの薄肉部）では、図７（ｂ）に示すように、従来のロードセルにおける薄肉部に発生する応力分布（図７（ｃ）参照）と同じような応力分布となるが、エッジロードの値Ｈ２が、従来のロードセルのエッジロードの値Ｈ１よりも僅かに低かった（Ｈ３＜Ｈ２＜Ｈ１）。

そこで、発明者は、薄肉部の幅方向中央部に円孔を設け、該薄肉部の円孔を挟んだ幅方向両側に歪ゲージをそれぞれ接着すれば、該薄肉部に発生するエッジロードの値Ｈ３が低い分、歪ゲージが検出する歪（応力）へのエッジロードの影響が少なくなって、測定誤差が減るのではないか、特に、偏荷重によってロードセル（起歪体）がねじり回転する仮想中立軸がロードセル（起歪体）の幅方向中央に位置決めされるので、エッジロードの影響が少なく、測定誤差が減る、と考えた。

そして、図７（ａ），（ｂ）に示す起歪体の下ビームの２箇所の薄肉部のそれぞれの円孔を挟む両側に歪ゲージをそれぞれ接着したロードセル（全４個の歪ゲージを接着したロードセル）を試作して、荷重を負荷する試験を行なったところ、従来のロードセルに比べて測定誤差が少なく、測定値が安定するまでの時間も短縮される等、ロードセルの性能を改善する上で有効であることが確認されたことを受けて、この度の特許出願に至ったものである。

本発明は、前記した従来の問題点および発明者の前記した知見に基づいてなされたもので、その目的は、ロードセルの薄肉部に貫通孔を設け、薄肉部の貫通孔を挟んだ幅方向の両側に歪ゲージを接着することで、ロードセルの基本性能を向上させることにある。

前記した目的を達成するために、請求項１に係るロバーバル型ロードセルにおいては、長手方向前後２箇所に薄肉部をそれぞれ設けた上下一対の平行ビームの端部が固定部と可動部で接続されてロバーバル機構を構成する起歪体と、前記薄肉部に接着された歪ゲージとを備えたロバーバル型ロードセルにおいて、
前記薄肉部には、その幅方向中央部に略円形の貫通孔を設けるとともに、前記貫通孔を挟んだその幅方向両側に前記歪ゲージをそれぞれ接着するように構成した。

（作用）従来のロードセル（起歪体）に荷重を負荷すると、薄肉部の幅方向両端部の２箇所にエッジロードＨ１が発生する（図７（ｃ）参照）。一方、従来のロードセル（起歪体）の薄肉部の幅方向中央部に円孔（円形の貫通孔）を設けると、薄肉部の幅方向両端部と貫通孔の幅方向周縁端部２箇所の全４箇所にエッジロードＨ３が発生し、従来のロードセルの薄肉部に発生するエッジロードＨ１よりもその値が小さく（Ｈ３＜Ｈ２＜Ｈ１）なる（図７（ａ），（ｂ）参照）。

即ち、従来のロードセルの薄肉部（貫通孔を設けない薄肉部）は、「薄肉部の幅方向両端部に相対的に値の大きいエッジロードが発生し、薄肉部の幅方向の応力がバランスして安定するまでの時間が相対的に長い」という特性を示すのに対し、本発明のロードセルの薄肉部（貫通孔を設けた薄肉部）は、「薄肉部の幅方向両端部に加えて貫通孔の幅方向周縁端部２箇所の全４箇所でエッジロードが発生するものの、それぞれのエッジロードの大きさは相対的に小さく、薄肉部の幅方向の応力がバランスして安定するまでの時間が相対的に短い」という特性を示す。

このため、本発明のロードセルでは、第１には、従来のロードセル（起歪体）に比べて、貫通孔を設けた薄肉部に発生するエッジロードの値が小さくなる（Ｈ３＜Ｈ１）分、歪ゲージが応力を感受するときに、エッジロードの影響を受けにくく、測定誤差が少なくなる。

第２には、貫通孔を設けた薄肉部に発生するエッジロードは、薄肉部の幅方向４箇所に分散して発生しており、しかも従来のロードセル（起歪体）に比べて、エッジロードの値が小さくなる（Ｈ３＜Ｈ１）分、薄肉部の幅方向の応力がバランスして安定するまでの時間が短縮される（測定を開始できるまでの時間が短縮される）。

第３には、薄肉部の幅方向中央部に略円形の貫通孔を設けたので、偏荷重によってロードセル（起歪体）がねじり回転する仮想中立軸がロードセル（起歪体）の幅方向中央に位置決めされるので、エッジロードの影響、即ち、測定誤差が減るし、測定値が安定するまで所定の時間も短縮される。換言すれば、偏荷重作用時のロードセルのねじり回転の正確性および再現性が上がり、誤差が低減する。 なお、薄肉部に設ける貫通孔の形状は、矩形であっても、略円形の貫通孔と同様の作用・効果が奏されるが、矩形の貫通孔の加工は難しく、それだけ費用と時間がかかるため、貫通孔の形状は略円形が望ましい。また、「略円形」には、「楕円形」は勿論、起歪体の幅方向に延びる「長円」も含まれる。

また、偏荷重によってロードセル（起歪体）がねじり回転する仮想中立軸の正確な位置決めには、薄肉部に設ける略円形の貫通孔の大きさはある程度小さい方がよいが、小さすぎると、孔の周縁端部にはエッジロードではなく、応力集中に伴う過大応力が発生し、ロバーバル機構が成立しない。一方、大きすぎると、歪ゲージを接着する十分なスペースを確保できない。このため、図６（ａ）に示すように、薄肉部に設ける略円形の貫通孔の幅Ｗ１は、薄肉部への歪ゲージの接着を妨げず、孔の周縁部に過大応力の発生しない所定の大きさ（比較的小さい幅）にすることが望ましい。

また、ロバーバル機構を構成する起歪体は、可動部に下向き荷重が作用した場合には、全４箇所の薄肉部のうち、上ビームの可動部寄りの薄肉部および下ビームの固定部寄りの薄肉部には圧縮応力がそれぞれ作用し、上ビームの固定部寄りの薄肉部および下ビームの可動部寄りの薄肉部には引張応力がそれぞれ作用するように構成されており、起歪体の４箇所の薄肉部のうちのどの薄肉部に貫通孔を設けるかによって、請求項２、３，４に対応する３つの構成が考えられる。

即ち、請求項２においては、長手方向前後２箇所に薄肉部をそれぞれ設けた上下一対の平行ビームの端部が固定部と可動部で接続されてロバーバル機構を構成する起歪体と、前記薄肉部に接着された歪ゲージとを備え、前記可動部に下向き荷重が作用した場合には、前記全４箇所の薄肉部のうち、上ビームの可動部寄りの薄肉部および下ビームの固定部寄りの薄肉部には圧縮応力がそれぞれ作用し、上ビームの固定部寄りの薄肉部および下ビームの可動部寄りの薄肉部には引張応力がそれぞれ作用するロバーバル型ロードセルにおいて、
前記引張応力が作用する薄肉部２箇所のうちのいずれか一方、および前記圧縮応力が作用する薄肉部２箇所のうちのいずれか一方に、その幅方向中央部に略円形の貫通孔をそれぞれ設けるとともに、
前記それぞれの貫通孔を挟んだその幅方向両側に前記歪ゲージをそれぞれ接着するように構成した。

そして、請求項２に対応する形態の具体的な構造としては、請求項２に記載のロバーバル型ロードセルにおいて、前記上ビームの２箇所の薄肉部に前記孔をそれぞれ設ける構造、記下ビームの２箇所の薄肉部に前記貫通孔をそれぞれ設ける構造、前記上下一対のビームの固定部寄りのそれぞれの薄肉部に前記貫通孔をそれぞれ設ける構造、または前記上下一対のビームの可動部寄りのそれぞれの薄肉部に前記貫通孔をそれぞれ設ける構造の４タイプが考えられる。

また、請求項３においては、長手方向前後２箇所に薄肉部をそれぞれ設けた上下一対の平行ビームの端部が固定部と可動部で接続されてロバーバル機構を構成する起歪体と、前記薄肉部に接着された歪ゲージとを備え、前記可動部に下向き荷重が作用した場合には、前記全４箇所の薄肉部のうち、上ビームの可動部寄りの薄肉部および下ビームの固定部寄りの薄肉部には圧縮応力がそれぞれ作用し、上ビームの固定部寄りの薄肉部および下ビームの可動部寄りの薄肉部には引張応力がそれぞれ作用するロバーバル型ロードセルにおいて、
前記全４箇所の薄肉部には、その幅方向中央部に略円形の貫通孔をそれぞれ設けるとともに、
前記引張応力が作用する薄肉部２箇所のうちのいずれか一方、および前記圧縮応力が作用する薄肉部２箇所のうちのいずれか一方には、前記それぞれの貫通孔を挟んだその幅方向両側に前記歪ゲージをそれぞれ接着するように構成した。

そして、請求項３に対応する形態の具体的な構造としては、請求項３に記載のロバーバル型ロードセルにおいて、前記上ビームの２箇所の薄肉部に前記歪ゲージをそれぞれ接着する構造、前記下ビームの２箇所の薄肉部に前記歪ゲージをそれぞれ接着する構造、前記上下一対のビームの固定部寄りのそれぞれの薄肉部に前記歪ゲージをそれぞれ接着する構造、または前記上下一対のビームの可動部寄りのそれぞれの薄肉部に前記歪ゲージをそれぞれ接着する構造の４タイプが考えられる。

また、請求項４においては、長手方向前後２箇所に薄肉部をそれぞれ設けた上下一対の平行ビームの端部が固定部と可動部で接続されてロバーバル機構を構成する起歪体と、前記薄肉部に接着された歪ゲージとを備え、前記可動部に下向き荷重が作用した場合には、前記全４箇所の薄肉部のうち、上ビームの可動部寄りの薄肉部および下ビームの固定部寄りの薄肉部には圧縮応力がそれぞれ作用し、上ビームの固定部寄りの薄肉部および下ビームの可動部寄りの薄肉部には引張応力がそれぞれ作用するロバーバル型ロードセルにおいて、
前記全４箇所の薄肉部には、その幅方向中央部に略円形の貫通孔をそれぞれ設けるとともに、
前記それぞれの貫通孔を挟んだその幅方向両側に前記歪ゲージをそれぞれ接着するように構成した。

（作用）請求項３や請求項４では、上ビームおよび下ビームの全４箇所の薄肉部の幅方向中央部に略円形の貫通孔がそれぞれ設けられることで、偏荷重によってロードセル（起歪体）がねじり回転する仮想中立軸が上ビームおよび下ビームの双方に対して幅方向中央に位置決めされるので、エッジロードの影響、即ち、測定誤差がさらに減るし、測定値が安定するまで所定の時間もさらに短縮される。換言すれば、偏荷重作用時のロードセルのねじり回転の正確性および再現性がいっそう上がり、誤差がいっそう低減する。

本発明のロバーバル型ロードセルによれば、測定誤差、測定開始可能時間、ロバーバル変形の正確性や再現性等の基本性能に優れたロードセルが提供される。

特に、請求項３，４によれば、全４箇所の薄肉部の幅方向中央部に略円形の貫通孔が設けられることで、偏荷重によってロードセル（起歪体）がねじり回転する仮想中立軸がロードセル（起歪体）の幅方向中央により正確に位置決めされるので、偏荷重作用時のロードセルのねじり回転の正確性および再現性がいっそう上がり、偏荷重作用時の誤差がいっそう減るし、測定値が安定するまで所定の時間もいっそう短縮される。

第１の実施形態のロードセルを示す斜視図である。 同ロードセルの分解斜視図である。 同ロードセルの水平断面図（図１のIII−III線に沿うロードセルの断面図）である。 底面側から見た同ロードセルの斜視図である。 同ロードセル（起歪体）の縦断面図（図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図）である。 同ロードセル（起歪体）の薄肉部を拡大して示す図で、（ａ）は同薄肉部の拡大側面図、（ｂ）は下ビームの薄肉部の拡大平面図（図５のＶI−ＶI線に沿う断面図）である。 同ロードセルの薄肉部に発生する応力を従来のロードセル（比較例）の薄肉部に発生する応力と比較して示す図で、（ａ）は同ロードセルの下ビームの薄肉部（貫通孔を設けた薄肉部）に発生する応力を示す斜視図、（ｂ）は同ロードセルの上ビームの薄肉部（貫通孔を設けない薄肉部）に発生する応力を示す斜視図、（ｃ）は従来のロードセル（比較例）の薄肉部に発生する応力を示す斜視図である。 同ロードセルを組み込んだ四隅誤差測定装置を示し、（ａ）は同測定装置の断面図、（ｂ）は偏荷重の作用位置を示す同測定装置の平面図である。 同ロードセルの四隅誤差を従来のロードセル（比較例）の四隅誤差と比較して示す図で、（ａ）は同ロードセルの四隅誤差（推定値）を示す図、（ｂ）は従来のロードセル（比較例）の四隅誤差（実測値）を示す図である。 第２の実施形態のロードセルの縦断面図である。 第３の実施形態のロードセルの縦断面図である。 第４の実施形態のロードセルの縦断面図である。 第５の実施形態のロードセルの縦断面図である。 第６の実施形態のロードセルの縦断面図である。 第７の実施形態のロードセルの縦断面図である。 第８の実施形態のロードセルの縦断面図である。 第９の実施形態のロードセルの縦断面図である。 同ロードセルの斜視図である。 （ａ），（ｂ）は歪ゲージを接続したブリッジ回路をそれぞれ示す図である。

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、本発明が適用された第１の実施形態のロバーバル型ロードセル１０を示す斜視図であり、図２は、同ロードセルの分解斜視図、図３は、同ロードセルの水平断面図（図１のIII−III線に沿う断面図）、図４は、底面側から見た同ロードセルの斜視図、図５は、同ロードセルの縦断面図（図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図）、図６は同ロードセル（起歪体）の薄肉部を拡大して示す図で、（ａ）は同薄肉部の拡大側面図、（ｂ）は下ビームの薄肉部の拡大平面図（図５のＶI−ＶI線に沿う断面図）である。

これらの図に示すように、ロードセル１０は主として、起歪体１２、歪ゲージ２０、過荷重防止用ストッパ３０で構成される。

起歪体１２は、アルミ等の金属材から成り、たとえば一定形状に押し出し成形したものを一定の幅で切断し、必要に応じて切削加工することによって製造される。この起歪体１２には、幅方向（矢印α方向）に貫通する略眼鏡状の貫通孔１３が形成されており、この貫通孔１３が形成されることによって、起歪体１２は、平行に配設された上ビーム１４と下ビーム１５、上下一対のビーム１４，１５の両端部をそれぞれ接続する固定部１６と可動部１７、上ビーム１４と下ビーム１５のそれぞれ対向する位置に設けられた２個所の薄肉部１８を備えたロバーバル機構を構成している。

薄肉部１８は合計４個所形成されており、可動部１７に負荷をかけて起歪体１２が変形した際に２個の薄肉部１８は引っ張られ、残りの２個の薄肉部１８は圧縮される。図では、引張側の薄肉部は符号１８ａ、圧縮側の薄肉部は符号１８ｂで示されており、本実施の形態では、下ビーム１５の引張側（図の左側）の薄肉部１８（１８ａ）および圧縮側（図の右側）の薄肉部１８（１８ｂ）にそれぞれ２個の歪ゲージ２０が貼り付けられている（図４参照）。歪ゲージ２０は、電気的に接続されてブリッジ回路が構成されている。

一方、固定部１６は、ケース等の装置本体（不図示）に固定される部分であり、本実施の形態では、底面にネジ孔（不図示）が形成され、下側からネジ止めされて装置本体に固定される。起歪体１２における固定部１６の反対側には、可動部１７が設けられている。可動部１７は、秤量皿（不図示）が接続される部分であり、本実施の形態では上面にネジ孔２１が形成され、秤量皿（不図示）の支持部材等が上側からネジ止めにより固定される。この可動部１７の内側の側面（貫通孔１３に臨む側面）には、起歪体１２の幅方向に延びるストッパ係合用凹部１９が形成されている。凹部１９は、起歪体１２の幅方向において一定の形状に形成されており、凹部１９の内側には、ストッパ３０の先端部３２の一部が配置されている。

過荷重防止用ストッパ３０は、凹部１９内に配置される先端部３２と、起歪体１２の固定部の側面に固定される基端部３４を備え、起歪体１２と同じ材質（たとえばアルミ材）によって一体的に形成されている。

ストッパ先端部３２は、貫通孔１３の内側に非接触で配置可能な形状（例えば所定の厚みをもったプレート状）に形成されている。また、先端部３２は、起歪体１２の幅よりも大きい幅に形成されており、ストッパ３０を起歪体１２に固定した時に、図３符号３２ｂで示すように、可動部１７の幅方向外側に突出する。さらにストッパ先端部３２の先端３２ａは、可動部１７の凹部１９内に非接触で配置され、上面および下面が平行で平坦に形成された先端部３２は、凹部１９内に配置された際に、凹部１９の上下面との間に所定のクリアランスが形成される。

一方、ストッパ基端部３４は、起歪体１２の固定部１６の外側面に面接触する部位である幅広板状の側板部３６を備え、ストッパ先端部３２の幅方向の一方端側に繋がっている。したがって、図３に示すように、ストッパ３０は全体として水平断面Ｌ型に形成されている。また、側板部３６は、図２に示すように、先端部３２の厚さ（上下方向の寸法）よりも上下方向に大きく（幅広に）形成されるとともに、上下２箇所にネジ２５用の挿通孔３５が形成されている。この挿通孔３５の位置に合わせて、固定部１６の外側面にネジ孔２２が形成されている。

このように構成されたストッパ３０は、まず、その先端部３２を起歪体１２の貫通孔１３に挿通させるとともに、先端部３２の先端３２ａを可動部１７の凹部１９内に配置し、側板部３６を固定部１６の外側面に面接触させる。このとき、ストッパ３０の先端部３２が起歪体１２よりも幅広に形成されているので、ストッパ３０の先端部３２の左右の側縁部３２ｂは、起歪体１２の可動部１７の両側に突出した状態になる。次に、突出部分である側縁部３２ｂ（図３参照）に位置決め用の治具（不図示）を当てて、先端部３２と凹部１９の上下面とのクリアランスを調整した後、その状態を保ったまま、ネジ２５を挿通孔３５に挿通しネジ孔２２に締め付ける。これにより、ストッパ３０が起歪体１２（の凹部１９）に対し位置決めされた状態で固定される。

次に、ストッパ３０の作用について説明する。

ロードセル１０では、ストッパ３０の先端部３２が起歪体１２の可動部１７よりも幅広に形成されて、ストッパ先端部３２の左右の側縁部３２ｂが、図３符号３２ｂに示すように、可動部１７の両外側に突出した形態になっている。このため、ロードセル１０において、可動部１７に垂直方向の過荷重が作用した場合、可動部１７の凹部１９の下面または上面がストッパ３０の先端部３２の上面または下面に当接し、起歪体１２への過荷重の伝達が防止されて、薄肉部１８の過剰変形が抑制される。

また、このロードセル１０において、可動部１７にねじれ方向の過荷重が作用した場合には、起歪体１２の幅方向端部である、凹部１９の延在方向の端部（エッジ部）１９ａが最大に変位して、このエッジ部１９ａがストッパ先端部３２に当接する位置に最大荷重が伝達されるが、エッジ部１９ａの上下に対向する位置では、ストッパ３０の先端部３２が面積を有している。即ち、エッジ部１９ａの上下に対向する位置には、ストッパ部３０の先端部３２の平面領域が延在している。このため、起歪体１２にねじれ方向の過荷重が加わった場合には、エッジ部１９ａがストッパ３０の先端部３２（の平面領域）に必ず当接して、所定値以上の過過荷重が起歪体１２に伝達されず、薄肉部１８の過剰変形が抑制される。

このように本実施の形態によれば、垂直方向の過荷重に対してだけでなく、ねじれ方向の過荷重に対しても、薄肉部の過剰変形を抑制する上で有効である。

また、歪ゲージ２０が接着されている下ビーム１５の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）には、薄肉部１８（起歪体１２）の幅方向中央位置に円形の貫通孔（以下、円孔という）１００が設けられることで、下ビーム１５の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）に発生するエッジロードの大きさが小さくなって、測定誤差、測定値が安定するまでの時間等のロードセル１０の性能が改善されている。

即ち、４箇所の薄肉部のうち、下ビーム１５の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）には、幅方向中央部に円孔１００が設けられるとともに、孔１００を挟んだその幅方向両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着されることで、ロードセル１０の性能（測定誤差が少なく、測定開始可能時間も短縮される等の基本性能）が改善されている。

以下、下ビーム１５の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）に円孔１００を設け、円孔１００の両側に歪ゲージ２０を接着することで、ロードセル１０の性能が改善されるという作用について説明する。

従来のロードセル（起歪体）では、荷重が負荷されると、図７（ｃ）に示すように、薄肉部の両端部の２箇所にエッジロード（エッジロードの値Ｈ１）が発生する。一方、本実施の形態のロードセル１０（起歪体１２）では、上ビーム１５の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）に発生する応力（図７（ｂ）参照）は、従来のロードセルの薄肉部に発生する応力と同じような分布を示すが、薄肉部の幅方向両端部に発生するエッジロードの値Ｈ２が僅かに低い（Ｈ２＜Ｈ１）。また、幅方向中央部に円孔１００が設けられた下ビーム１５の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）では、図７（ａ）に示すように、薄肉部の幅方向両端部と孔１００の幅方向周縁端部２箇所の全４箇所にエッジロードが発生し、従来のロードセルの薄肉部で発生するエッジロードよりもその値Ｈ３が小さい（Ｈ３＜Ｈ２＜Ｈ１）。
即ち、従来のロードセルの薄肉部は、「薄肉部の幅方向両端部で相対的に値の大きいエッジロードが発生し、薄肉部の幅方向の応力がバランスして安定するまでの時間が相対的に長い」という特性を示すのに対し、ロードセル１００（起歪体１２）の下ビーム１５の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）は、円孔１００が設けられることで、「薄肉部の幅方向両端部に加えて円孔１００の幅方向周縁端部２箇所の全４箇所にエッジロードが発生するものの、それぞれのエッジロードの大きさは相対的に小さく、薄肉部の幅方向の応力がバランスして安定するまでの時間が相対的に短い」という特性を示す。

このため、ロードセル１０では、第１には、従来のロードセル（起歪体）に比べて、孔１００を設けた薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）に発生するエッジロードの値が小さくなる（Ｈ３＜Ｈ１）分、歪ゲージ２０が応力を感受するときに、エッジロードの影響を受けにくく、測定誤差が少なくなる。

第２には、円孔１００を設けた薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）に発生するエッジロードは、薄肉部１８の幅方向４箇所に分散して発生しており、しかも従来のロードセル（起歪体）に比べて、エッジロードの値が小さくなる（Ｈ３＜Ｈ１）分、薄肉部１８の幅方向の応力がバランスして安定するまでの時間が短縮される（測定を開始できるまでの時間が短縮される）。

第３には、薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）の幅方向中央部に円孔１００を設けたので、偏荷重によってロードセル１０（起歪体１２）がねじり回転する仮想中立軸がロードセル（起歪体）の幅方向中央に位置決めされるので、エッジロードの影響、即ち、測定誤差が減るし、測定値が安定するまで所定の時間も短縮される。換言すれば、偏荷重作用時のロードセル１０のねじり回転の正確性および再現性が上がり、誤差が低減する。

また、本実施の形態のロードセル１０では、偏荷重が作用した場合の四隅誤差が従来のロードセルに比べて圧倒的に少ないことは、以下のように説明できる。
図８は、第１の実施の形態のロードセル１０を組み込んだ四隅誤差測定装置を示し、（ａ）は同装置の断面図、（ｂ）は偏荷重の作用位置を示す同装置の平面図、図９は、ロードセル１０の四隅誤差を従来のロードセル（比較例）の四隅誤差と比較して示す図で、（ａ）はロードセル１０の四隅誤差（推定値）を示し、（ｂ）は従来のロードセル（比較例）の四隅誤差（実測値）を示す。

これらの図において、四隅誤差測定装置は、図８（ａ）に示すように、ロードセル１０の固定部１６がベースプレートに固定されて片持ち状に水平に配設され、ロードセル１０の可動部１７に平面視正方形状の秤量皿が固定された構造で、図８（ｂ）に示すように、秤量皿の中央部に荷重を作用させたときの値を基準として、符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで示す四箇所に荷重を作用させた場合のそれぞれの「ずれ量」を四隅誤差としてロードセル１０で測定するように構成されている。

偏荷重が作用するとロードセル１０（起歪体１２）は、ロードセル１０（起歪体１２）の幅方向中央に前後に延びる仮想中立軸を中心として回転する。従来のロードセルでは、この仮想中立軸はロードセル（起歪体）の幅方向中央付近というだけで、その位置は明確に決まっているものではない。しかも薄肉部の幅方向両端部に発生したエッジロードが中央部付近の応力に影響を及ぼすため、これが測定誤差となるし、薄肉部における幅方向の応力がバランスして安定するまで測定値も安定しない（偏荷重が負荷として作用する場合も、測定値が安定するまで所定の時間がかかる）。

このため、従来のロードセルでは、図９（ｂ）に示すように、負荷荷重の増加に伴って、＋方向のずれ，−方向のずれがいずれも略二次元的に増加する。特に、１／３秤量までは僅かな増加に留まるが、２／３秤量，３／３秤量と順次秤量が増加すると、＋方向、−方向いずれの方向の「ずれ」も急激に増加する。
然るに、ロードセル１０（起歪体１２）では、下側の前後方向の２箇所の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）の幅方向中央部に円孔１００がそれぞれ設けられることで、従来のロードセルでは明確でなかった、ねじりの回転中心となる前後に延びる仮想中立軸がロードセル１０（起歪体１２）の幅方向中央に正確に位置決めされることとなって、偏荷重作用時のロードセル１０（起歪体１２）のねじり回転の正確性および再現性が上がり、誤差が低減する。

このため、本実施の形態のロードセル１０では、例えば、図９（ａ）に示すように、秤量の増加に伴って、＋方向のずれ，−方向の「ずれ」の増加の割合が、従来のロードセルの場合と比べて著しく少なくなる、と推定される。

また、各薄肉部１８は、横（側方）から見て、図６（ａ）に示すように、外側直線Ｆと内側円弧Ｒで形成されているが、内側円弧Ｒの頂点Ｐに最大応力が発生するように設計されて、ロバーバル変形の起点でもある。そして、薄肉部１８が変形する際の円弧Ｒの頂点Ｐに発生する応力は、内側円弧Ｒの頂点Ｐ近傍では薄肉部の厚さがほほ同じであるため、内側円弧Ｒの頂点Ｐ近辺を起点としてロバーバル変形していると考えられる。

然るに、円孔１００を設けた下側の薄肉部１８では、図６（ｂ）に示すように、薄肉部１８を平面視して起歪体１２の幅方向の中心に円孔１００の中心Ｏ１があるため、薄肉部１８における円孔１００を挟んだ左右の領域であって円孔１００の中心Ｏ１を通り左右に延びる直線Ｌ−Ｌに沿った、最小面積となる横断面に最大応力が発生する。さらにこの横断面位置（直線Ｌ−Ｌに沿った断面位置）は、薄肉部１８を横（側方）から見た場合の内側円弧Ｒの頂点Ｐと一致する。

即ち、内側円弧Ｒの頂点Ｐに一致するこの横断面には確実に最大応力が生じ、この横断面が確実にロバーバル変形の起点となる。そして、下側の２箇所の薄肉部１８の内側円弧Ｒのそれぞれの頂点Ｐが必ずロバーバル変形の起点となることで、上側の２箇所の薄肉部１８も下側の２箇所の薄肉部１８に倣うように、薄肉部１８の内側円弧Ｒのそれぞれの頂点Ｐを起点としてロバーバル変形する。

このため、ロードセル１０では、薄肉部に円孔１００を設けていない従来のロードセル（起歪体）に比べて、ロバーバル変形の正確性および再現性が上がる。

図１０は、第２の実施形態のロードセルの縦断面図である。

前記した第１の実施形態のロードセル１０では、下ビーム１５の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）に円孔１００がそれぞれ設けられるとともに、円孔１００を挟んだその両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着されていたが、この第２の実施形態のロードセル１０Ａでは、上ビーム１５の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）に円孔１００がそれぞれ設けられるとともに、円孔１００を挟んだその両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着されている。

その他の構造は、前記した第１の実施形態のロードセル１０と同一であるので、同一の符号を付すことで、重複した説明は省略する。

図１１，図１２は、第３、第４の実施形態のロードセル１０Ｂ，１０Ｃの縦断面図である。

第３の実施形態のロードセル１０Ｂでは、上下一対のビーム１４，１５の固定部１６寄りのそれぞれの薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）に円孔１００がそれぞれ設けられるとともに、円孔１００を挟んだその両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着されている。

一方、第４の実施形態のロードセル１０Ｃでは、上下一対のビーム１４，１５の可動部１７寄りのそれぞれの薄肉部１８（１８ｂ，１８ａ）に円孔１００がそれぞれ設けられるとともに、円孔１００を挟んだその両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着されている。

これらの第３，第４の実施形態のロードセル１０Ｂ，１０Ｃのその他の構造は、前記した第１の実施形態のロードセル１０と同一であるので、同一の符号を付すことで、重複した説明は省略する。

図１３〜図１６は、請求項３に対応する第５〜第８の実施形態のロードセル１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇの縦断面図である。

前記した第１〜第４の実施の形態のロードセル１０〜１０Ｃは、請求項２に対応する構成、すなわち、全４箇所の薄肉部１８のうち、引張応力が作用する薄肉部２箇所のいずれか一方、および圧縮応力が作用する薄肉部２箇所のいずれか一方に、その幅方向中央部に円孔１００がそれぞれ設けられるとともに、それぞれの孔１００を挟んだその幅方向両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着された構造であったが、第５〜第８の実施形態のロードセル１０Ｄ〜１０Ｇは、請求項３に対応する構成、すなわち、全４箇所の薄肉部１８には、その幅方向中央部に円孔１００がそれぞれ設けられるとともに、引張応力が作用する薄肉部２箇所のうちのいずれか一方、および圧縮応力が作用する薄肉部２箇所のうちのいずれか一方に、それぞれの円孔１００を挟んだその幅方向両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着された構造である。

即ち、図１３に示す第５の実施形態のロードセル１０Ｄでは、上ビーム１４および下ビーム１５の全４箇所の薄肉部１８に円孔１００がそれぞれ設けられ、上ビーム１４の２箇所の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）の円孔１００を挟んだその両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着されている。

図１４に示す第６の実施形態のロードセル１０Ｅでは、上ビーム１４および下ビーム１５の全４箇所の薄肉部１８に円孔１００がそれぞれ設けられ、下ビーム１５の２箇所の薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）の円孔１００を挟んだ両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着されている。

図１５に示す第７の実施形態のロードセル１０Ｆでは、上ビーム１４および下ビーム１５の全４箇所の薄肉部１８に円孔１００がそれぞれ設けられ、上下一対のビーム１４，１５の固定部１６寄りのそれぞれの薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）の円孔１００を挟んだ両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着されている。

図１６に示す第８の実施形態のロードセル１０Ｇでは、上ビーム１４および下ビーム１５の全４箇所の薄肉部１８に円孔１００がそれぞれ設けられ、上下一対のビーム１４，１５の可動部１７寄りのそれぞれの薄肉部１８（１８ａ，１８ｂ）の円孔１００を挟んだ両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着されている。

これらの第５〜第８の実施の形態のロードセル１０Ｄ〜１０Ｇでは、上ビーム１４および下ビーム１５の全４箇所の薄肉部１８に円孔１００がそれぞれ設けられているので、前記した第１〜第４の実施の形態のロードセル１０〜１０Ｃよりも、エッジロードの影響、即ち、測定誤差がさらに減るし、測定値が安定するまで所定の時間もさらに短縮される。換言すれば、偏荷重作用時のロードセル１０Ｄのねじり回転の正確性および再現性がいっそう上がり、誤差がいっそう低減する。

図１７，１８，１９は、請求項４に対応する第９の実施形態のロードセル１０Ｈを示し、図１７は、同ロードセル１０Ｈの縦断面図、図１８は、同ロードセル１０Ｈの斜視図、図１９（ａ），（ｂ）は、歪ゲージを接続したブリッジ回路を示す図である。

ロードセル１０Ｈでは、上ビーム１４および下ビーム１５の全４箇所の薄肉部１８の幅方向中央部に円孔１００がそれぞれ設けられるとともに、全４箇所の薄肉部１８の円孔１００を挟んだ両側に歪ゲージ２０がそれぞれ接着されている。

詳しくは、上ビーム１４の可動部１７寄りの薄肉部１８には、歪ゲージ２０ａ，２０ｂが接着され、固定動部１６寄りの薄肉部１８には、歪ゲージ２０ｃ，２０ｄが接着され、下ビーム１５の可動部１７寄りの薄肉部１８には、歪ゲージ２０ｅ，２０ｆが接着され、固定動部１６寄りの薄肉部１８には、歪ゲージ２０ｇ，２０ｈが接着されている。

ロードセル１０Ｈでは、前記した第５〜第８の実施形態のロードセル１０Ｄ〜１０Ｇにもいえることであるが、起歪体１２の全４箇所の薄肉部１８の幅方向中央部に円孔１００がそれぞれ設けられることで、以下の効果が奏される。

第１には、４箇所の薄肉部１８の内側円弧Ｒのそれぞれの頂点Ｐが必ずロバーバル変形の起点となるので、ロードセル１０Ｄ〜１０Ｈは、４箇所の薄肉部１８の内側円弧Ｒのそれぞれの頂点Ｐを起点としてロバーバル変形する。即ち、ロードセル１０Ｈでは、前記した第１〜第４の実施の形態のロードセル１０〜１０Ｃよりも、ロバーバル変形の正確性および再現性が上がる。

第２には、偏荷重によってロードセル１０Ｄ〜１０Ｈ（起歪体１２）がねじり回転する仮想中立軸が上ビーム１４および下ビーム１５の双方に対して幅方向中央に位置決めされて、ロードセル１０Ｈ（起歪体１２）の幅方向中央に正確に位置決めされる。

このため、ロードセル１０Ｄ〜１０Ｈでは、前記した第１〜第４の実施の形態のロードセル１０〜１０Ｄよりも、偏荷重作用時のロードセルのねじり回転の正確性および再現性がいっそう上がり、偏荷重作用時の誤差がいっそう低減し、測定値が安定するまで所定の時間もいっそう短縮される。

また、第９の実施の形態のロードセル１０Ｈでは、薄肉部１８に接着された歪ゲージ２０は、図１９（ａ）に示すように、歪ゲージ２０ａ，２０ｃ，２０ｆ，２０ｈを接続して第１のブリッジを組み、歪ゲージ２０ｂ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｇを接続して第２のブリッジを組み、端子Ｘを入力端子，端子Ｙを出力端子とする回路（両ブリッジを足し合わせる回路）が構成されている。

あるいは、図１９（ｂ）に示すように、歪ゲージ２０ａ，２０ｄ，２０ｆ，２０ｇを接続して第１のブリッジを組み、歪ゲージ２０ｂ，２０ｃ，２０ｅ，２０ｈを接続して第２のブリッジを組み、端子Ｘを入力端子，端子Ｙを出力端子とする回路（両ブリッジを足し合わせる回路）が構成されている。

ロードセル１０Ｈでは、偏荷重によりロードセル１０Ｈが仮想中立軸周りにねじられる際（四隅に分銅を載せた場合）に、円孔１００を挟んで接着されている一対の歪ゲージには、正負それぞれ逆向きの誤差が生じるが、ロードセル１０Ｈは、起歪体１２の上下方向および左右方向に正確に位置決めされた仮想中立軸周りにねじられるため、円孔１００を挟んで接着されている一対の歪ゲージに発生する誤差の絶対値が同一となって、２つのブリッジの四隅誤差が相殺されるため、四隅誤差がでない。

このため、従来では、薄肉部の側縁部をヤスリなどで削って四隅誤差がでないように調整していたが、ロードセル１０Ｈでは、四隅誤差がでないので、面倒な四隅誤差の調整作業が不要となる。

なお、ロードセル（起歪体）の全４箇所の薄肉部のうちの２箇所に略円形の孔を設け、孔の両側に歪ゲージを接着する構造（第１〜第４の実施の形態のロードセル）では、孔を設けた薄肉部の強度を補うために、孔を設けない薄肉部の厚さよりも厚く形成してもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ…ロードセル、１２…起歪体、１３…貫通孔、１４…上ビーム、１５…下ビーム、１６…固定部、１７…可動部、１８…薄肉部、１８ａ…引張側薄肉部、１８ｂ…圧縮側薄肉部、１９…凹部、１９ａ…凹部のエッジ部、２０…歪ゲージ、３０…過荷重防止用ストッパ、３２…ストッパ先端部、１００…円孔

Claims (2)

1. 長手方向前後２箇所に薄肉部をそれぞれ設けた上下一対の平行ビームの端部が固定部と可動部で接続されてロバーバル機構を構成する起歪体と、前記薄肉部に接着された歪ゲージとを備え、前記可動部に下向き荷重が作用した場合には、前記全４箇所の薄肉部のうち、上ビームの可動部寄りの薄肉部および下ビームの固定部寄りの薄肉部には圧縮応力がそれぞれ作用し、上ビームの固定部寄りの薄肉部および下ビームの可動部寄りの薄肉部には引張応力がそれぞれ作用するロバーバル型ロードセルにおいて、
   前記引張応力が作用する薄肉部２箇所のうちのいずれか一方、および前記圧縮応力が作用する薄肉部２箇所のうちのいずれか一方には、その幅方向中央部に略円形の貫通孔がそれぞれ設けられるとともに、
   前記それぞれの貫通孔を挟んだその幅方向両側に前記歪ゲージがそれぞれ接着されたことを特徴とするロバーバル型ロードセル。
2. 長手方向前後２箇所に薄肉部をそれぞれ設けた上下一対の平行ビームの端部が固定部と可動部で接続されてロバーバル機構を構成する起歪体と、前記薄肉部に接着された歪ゲージとを備え、前記可動部に下向き荷重が作用した場合には、前記全４箇所の薄肉部のうち、上ビームの可動部寄りの薄肉部および下ビームの固定部寄りの薄肉部には圧縮応力がそれぞれ作用し、上ビームの固定部寄りの薄肉部および下ビームの可動部寄りの薄肉部には引張応力がそれぞれ作用するロバーバル型ロードセルにおいて、
   前記全４箇所の薄肉部には、その幅方向中央部に略円形の貫通孔がそれぞれ設けられるとともに、
   前記引張応力が作用する薄肉部２箇所のうちのいずれか一方、および前記圧縮応力が作用する薄肉部２箇所のうちのいずれか一方には、前記それぞれの貫通孔を挟んだその幅方向両側に前記歪ゲージがそれぞれ接着されたことを特徴とするロバーバル型ロードセル。

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