JP6251902B2 - 荷重変換器 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象となる荷重を電気信号に変換する荷重変換器に関するものである。

従来、この種の荷重変換器（ロードセル）として、中央に設けた円柱状の荷重受け部と、外側に設けた円環状の枠体部と、荷重受け部と枠体部との間に放射状に掛け渡された３個の梁部と、各梁部の一端と枠体部とを連結する壁部と、を備えたものが知られている（特許文献１参照）。各梁部には、その長手方向と直交する水平方向に孔部が穿孔され、当該孔部により形成したフレクシャ部に歪みゲージが貼り付けられている。この荷重変換器では、測定対象となる荷重を荷重受け部に受けると、当該荷重が各梁部に等分され、等分された荷重が各梁部において各歪みゲージによって測定される。そして、各歪みゲージの測定値を加算することで、荷重を測定することができる。

特開平１１−３０４６０６号公報

しかしながら、上記従来の歪ゲージ式の荷重変換器では、各梁部の歪み量を検出する構成であるため、高い測定感度（分解能）を得るべく、想定荷重に対し各梁部が効果的に大きく変形するように設計されている。その結果、荷重受け部の「荷重に対する変位量」が大きくなってしまうという問題があった。すなわち、測定対象となる荷重に対する荷重変換器の剛性が低い。そのため、測定対象となる荷重が変位（変形）によって逃げ（荷重変換器に吸収され）、荷重を精度良く測定することができないという問題が生じた。例えば、この荷重変換器を、切削工作機械の切削荷重測定に用いると、荷重受け部が大きく変位してしまい、被加工物に対して所望した切削量における切削荷重を精度良く測定できない。
これに対し、剛性を高く構成することができるピエゾ素子を用いた荷重センサーを使用して荷重測定を行うことも考えられる。しかしながら、ピエゾ素子を用いた荷重センサーでは、荷重測定時に刻々と電荷が放出され、いわゆるドリフトが生じる。そのため、荷重を精度良く測定できない。

本発明は、簡単な構成で、剛性が高く且つ荷重を精度良く測定することができる荷重変換器を提供することを課題としている。

本発明の荷重変換器は、起歪部と、測定対象となる荷重を受けると共に、当該荷重によって変形する荷重受け部と、圧力伝達液が充填され、上記変形に伴う荷重受け部からの圧力を起歪部に伝達する圧力伝達部と、を備え、圧力伝達液に対する起歪部の受圧面積は、圧力伝達液に対する荷重受け部の加圧面積より小さく、起歪部と、荷重受け部と、圧力伝達部の構成壁とは、同一の材料で構成され、圧力伝達部内部の圧力伝達液には、当該圧力伝達部内部の平均体積熱膨張率を、起歪部、荷重受け部および圧力伝達部の構成壁に用いる材料の体積熱膨張率に合わせて調整する熱膨張率調整材料が浸漬されていることを特徴とする。
本発明の他の荷重変換器は、起歪部と、測定対象となる荷重を受けると共に、荷重によって変形する荷重受け部と、圧力伝達液が充填され、変形に伴う荷重受け部からの圧力を起歪部に伝達する圧力伝達部と、を備え、圧力伝達液に対する起歪部の受圧面積は、圧力伝達液に対する荷重受け部の加圧面積より小さく、起歪部は、圧力伝達部の構成壁を穿孔して形成した薄厚部によって構成されていることを特徴とする。

この場合、起歪部の剛性は、荷重受け部の剛性より低いことが好ましい。

これらの構成によれば、荷重受け部が測定対象となる荷重を受けると、荷重受け部が圧力伝達部側に変形して圧力伝達部内に進入する。圧力伝達部には、圧力伝達液が充填されているため、この荷重受け部が進入した体積分だけ、圧力伝達液が起歪部を押圧変形させる。このとき、起歪部の受圧面積が、荷重受け部の加圧面積より小さいことで、この面積比に相関して、荷重受け部の変形量に対し起歪部の変形量が大きくなる（図２参照）。このように、変形量を増倍することができるので、荷重受け部の剛性を高くし変形量を極力小さくしても、起歪部を大きく変形させることができる。よって、簡単な構成で、剛性を高く且つ荷重を精度良く測定することができる荷重変換器を提供することができる。

また、圧力伝達部は、複数の構成壁から成る圧力容器で構成されており、荷重受け部は、複数の構成壁のうちの１つの構成壁を成していることが好ましい。

この構成によれば、圧力伝達部を圧力容器で構成し、荷重受け部が、圧力容器の１つの構成壁を成していることで、荷重受け部の上記加圧面積を極力広くすることができる。そのため、上記変形量の増倍をより大きくすることができ、荷重変換器の剛性をより高くすることができる。

また、起歪部の歪み量を検出するための歪みゲージを、更に備えることが好ましい。

この構成によれば、高い剛性を維持しつつ、測定感度（分解能）を向上させた歪みゲージ式の荷重変換器を提供することができる。

実施形態にかかる荷重変換器を示した断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。 荷重変換器の測定原理を示した説明図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る荷重変換器について説明する。この荷重変換器は、測定対象となる荷重を電気信号に変換するロードセルであり、歪みゲージを用いた歪みゲージ式のロードセルである。また、この荷重変換器は、例えば、切削工作機械や研削工作装置の切削・研削荷重を測定するのに用いられる。特に、本荷重変換器は、圧力伝達室を利用した歪増倍構造によって、高い剛性を維持しつつ、測定感度（分解能）を向上させたものである。なお、以下の説明では、説明の便宜上、荷重変換器の上下を各図に示す矢印によって規定する。

図１に示すように、荷重変換器１は、測定対象となる荷重を受ける円板状の荷重受け部材（荷重受け部）１１と、中央に起歪部４１が形成された円板状の底壁部材１２と、荷重受け部材１１と底壁部材１２との間に配設され、荷重受け部材１１および底壁部材１２と共に、圧力容器（圧力伝達部）１５を構成するリング状の周側壁部材１３と、底壁部材１２の起歪部４１に貼り付けられた歪みゲージ１４と、を備えている。すなわち、荷重変換器１は、底壁部材１２および周側壁部材１３と、天壁部分となる荷重受け部材１１とにより、内部空間を有する円柱状に形成されており、これらの部材１１、１２、１３が、当該内部空間を圧力伝達室１６（油圧室）とする圧力容器１５を構成している。詳細は後述するが、圧力伝達室１６には圧力伝達液５１が充填され、圧力伝達室１６によって、荷重受け部材１１が受けた力が、底壁部材１２上の起歪部４１に伝達される。

荷重受け部材１１、底壁部材１２および周側壁部材１３は、同一のステンレス材（具体的にはステンレス６３０）で構成されている。また、荷重受け部材１１および周側壁部材１３は、底壁部材１２にねじ止めして組み立てられている。具体的には、荷重受け部材１１の周縁部において、複数の固定ねじ２１により、荷重受け部材１１および周側壁部材１３を、底壁部材１２にねじ止め固定している。また、荷重受け部材１１および周側壁部材１３は、パッキン２２を挟んで液密に接合されており、底壁部材１２および周側壁部材１３は、パッキン２２を挟んで液密に接合されている。これらのパッキン２２は、例えば銅パッキンを用いる。

荷重受け部材１１は、円板状に形成されており、その上面（表面）が、測定対象となる荷重を受ける荷重受け面となっている。一方、荷重受け部材１１の下面（裏面）は、上記圧力伝達室１６に面し、圧力伝達室１６に充填した圧力伝達液５１に接している。すなわち、荷重受け部材１１の下面は、圧力伝達液５１に対する加圧面となっている。

また、荷重受け部材１１は、想定荷重によって、わずかに圧力伝達室１６側に凸状変形する剛性を有している。そのため、荷重受け部材１１が、その上面で荷重を受けると、荷重受け部材１１が圧力伝達室１６側に凸状変形し、圧力伝達液５１を押圧して圧力伝達液５１に圧力を付加する。このように、荷重受け部材１１は、変形によって、測定対象となる荷重を、圧力伝達液５１への圧力（加圧）に変換する。なお、荷重受け部材１１の上記剛性は、荷重受け部材１１の厚みを調整することで実現している。

また、荷重受け部材１１には、荷重受け部材１１および周側壁部材１３の組立て時に用いる圧抜き孔３１が形成されている。荷重受け部材１１および周側壁部材１３の組立てでは、圧力伝達液５１を充填した状態で、複数の固定ねじ２１を締め付けて組み立てることになるが、固定ねじ２１の締付けによって発生する内圧を、圧抜き孔３１により逃がすことができる。すなわち、組立て時（固定ねじ２１の締付け時）の内圧上昇を回避し、組立てを容易に行うことができる。また、圧抜き孔３１には、荷重受け部材１１および周側壁部材１３の組立て後に圧抜き孔３１を封止する球状の封止部材３２と、封止部材３２を固定する止めねじ３３とが取り付けられている。上記組立てが終了したら、圧抜き孔３１に封止部材３２を上側から投入し、止めねじ３３により、圧抜き孔３１側に溢れた圧力伝達液５１に抗して、封止部材３２を圧抜き孔３１の段付き部まで押し下げ、当該段付き部に固定（圧接）する。これによって、圧力伝達室１６が密閉され、圧力伝達液５１を圧力伝達室１６に隙間なく充填することができる。

底壁部材１２は、円板状に形成されており、その上面が、圧力伝達室１６に面している。また、底壁部材１２の中央部には、底壁部材１２と同心円状に形成された薄厚の起歪部４１（ダイヤフラム部）が形成されている。

起歪部４１は、底壁部材１２の中央を下面側から穿孔して形成したものである。そのため、起歪部４１は、圧力伝達室１６に面し、上面が圧力伝達液５１に接している。すなわち、起歪部４１の上面が、圧力伝達液５１に対する受圧面となっている。起歪部４１は、圧力伝達液５１からの圧力によって、圧力伝達室１６側を凹とする凹状に変形する。なお、起歪部４１の剛性（上下方向の剛性）は、荷重受け部材１１の剛性（上下方向の剛性）より低くなっている。すなわち、起歪部４１の厚みは、荷重受け部材１１の厚みより薄く形成されている。

また、起歪部４１の面積は、圧力伝達液５１に対する荷重受け部材１１の加圧面積より小さく形成されている。具体的には、起歪部４１が圧力伝達液５１に面する面積（受圧面積）は、荷重受け部材１１の圧力伝達液５１に面する面積（加圧面積）の５０分の１程度になっている。

歪みゲージ１４は、起歪部４１の下面に貼りつけられており、起歪部４１の歪み量（変形量）を検出する。本実施形態では、当該歪みゲージ１４を組み込んだホイートストンブリッジ回路を組み、これにより起歪部４１の歪み量を電圧信号として検出する。

次に、荷重受け部材１１、底壁部材１２および周側壁部材１３により構成される圧力容器１５について説明する。上記したように、これら各部材１１、１２、１３により、圧力伝達室１６を有する圧力容器１５を構成している。当該圧力容器１５によって、上記凸状変形に伴う荷重受け部材１１からの圧力を、起歪部４１に伝達する。圧力伝達室１６は、円板状を有しており、圧力伝達室１６には、圧力伝達液５１が充填されている。圧力伝達液５１には、ポアソン比０．５のグリセリンを用いる。

また、圧力伝達室１６には、圧力伝達液５１に浸漬するように、円板状の熱膨張率調整材料５２が収容されている。熱膨張率調整材料５２は、圧力容器１５内の平均体積熱膨張率を、圧力容器１５の構成壁である荷重受け部材１１、底壁部材１２および周側壁部材１３の平均体積熱膨張率に合わせて調整するためのものである。熱膨張率調整材料５２には、例えば低熱膨張率材料であり、鉄とニッケルとコバルトとの合金である超不変鋼（いわゆるスーパーインバー（スーパーインバーは登録商標））を用いる。

圧力容器１５内における圧力伝達液５１と熱膨張率調整材料５２の体積割合は、圧力容器１５内の平均体積熱膨張率と、荷重受け部材１１、底壁部材１２および周側壁部材１３の平均体積熱膨張率とが略同一になる体積割合に設計されている。すなわち、荷重受け部材１１、底壁部材１２および周側壁部材１３に用いるステンレス材の体積熱膨張率を３３ｐｐｍ／℃をとし、圧力伝達液に用いるグリセリンの体積熱膨張率を５００ｐｐｍ／℃とし、熱膨張率調整材料５２に用いる超不変鋼の体積熱膨張率を３ｐｐｍ／℃とし、圧力伝達液５１の体積割合をｘ、熱膨張率調整材料５２の体積割合をｙとしたとき、
５００ｘ＋３ｙ＝３３
および、
ｘ＋ｙ＝１
を満たすことが理想的である。これを解くと、
ｘ＝０．０６…
ｙ＝０．９４…
となる。本実施形態では、これに基づいて、圧力伝達液５１（グリセリン）の体積割合を約６％とし、熱膨張率調整材料５２（超不変鋼）の体積割合を約９４％としている。

また、圧力容器１５は、圧力伝達液５１によって、荷重受け部材１１から圧力が起歪部４１に伝達されるように、荷重受け部材１１を除く構成壁１２、１３が、圧力伝達液５１からの圧力に対し高い剛性を持つように形成されている。すなわち、起歪部４１を除く底壁部材１２の剛性（上下方向の剛性）と、周側壁部材１３の剛性（径方向の剛性）とは、荷重受け部材１１および起歪部の剛性（上下方向の剛性）より十分高く設計されている。当該剛性は、底壁部材１２の厚み（上下方向の厚み）および周側壁部材１３の厚み（径方向の厚み）を調整することで実現している。

ここで図２を参照して、荷重変換器１の測定原理について説明する。図２では、便宜上、一部の部材を省略し、且つ荷重受け部材１１および起歪部４１の変形量を誇張して図示している。図２に示すように、測定対象となる荷重を荷重受け部材１１により受けると、荷重受け部材１１が圧力伝達室１６側に凸状変形して、圧力伝達室１６側に進行する。この凸状変形（進行）に伴う荷重受け部材１１からの圧力が、圧力伝達液５１によって起歪部４１に伝達され、起歪部４１が押圧変形される。圧力伝達液５１は、ポアソン比が大きく、体積変化が起こらない。そのため、この押圧変形によって、荷重受け部材１１が圧力伝達室１６側に進行した体積分だけ、起歪部４１が凹状に変形する。すなわち、荷重受け部材１１が進行した体積分の圧力伝達液５１を受容するように、起歪部４１が凹状変形する。このとき、起歪部４１の受圧面積が、荷重受け部材１１の圧力伝達液５１への加圧面積より小さいため、この面積比に相関して、荷重受け部材１１の変形量に対し起歪部４１の変形量が大きくなる。そして、変形した起歪部４１の歪み量を、歪みゲージ１４によって検出することで、測定対象となる荷重を測定する。

以上のような構成によれば、起歪部４１の受圧面積と、荷重受け部材１１の加圧面積との面積差によって、変形量を増倍することができるので、荷重受け部材１１の剛性を高くし変形量を極力小さくしても、起歪部４１を大きく変形させることができる。具体的には、起歪部４１の面積が、荷重受け部材１１の加圧面積の５０分の１程度であるため、荷重受け部材１１の荷重方向（上下方向）の剛性を、起歪部４１の剛性の５０倍にすることができる。よって、簡単な構成で、剛性を高く且つ荷重を精度良く測定することができる荷重変換器１を提供することができる。また、荷重受け部材１１を変形させて、荷重を圧力に変換する構成であるため、「荷重受け部材１１を上下に移動自在に構成して、荷重を圧力に変換する」構成に比べ、簡単な構成にすることができると共に、圧力伝達室１６の液密性を向上させることができる。

また、圧力容器１５内の圧力伝達液５１に、熱膨張率調整材料５２を浸漬させることで、圧力容器１５内の平均体積熱膨張率を、圧力容器１５の構成壁１１、１２、１３の平均体積熱膨張率に合わせることができ、熱膨張による内圧の変動を抑制することができる。これにより、熱膨張の影響を受けることなく、荷重をより精度良く測定することができる。

さらに、圧力伝達部を圧力容器１５で構成し、荷重受け部材１１が、圧力容器１５の１つの構成壁を成していることで、荷重受け部材１１の上記加圧面積を極力広くすることができる。そのため、上記変形量の増倍をより大きくすることができ、荷重変換器１の剛性をより高くすることができる。

なお、上記実施形態においては、荷重受け部材１１、底壁部材１２および周側壁部材１３の３部材を別体で形成し、これらを接合して圧力容器１５とするものであったが、これに限るものではない。例えば、荷重受け部材１１および周側壁部材１３を一体の部材として形成し、これに底壁部材１２を接合して圧力容器１５とする構成であっても良いし、周側壁部材１３および底壁部材１２を一体の部材として形成し、これに荷重受け部材１１を接合して圧力容器１５とする構成であっても良い。ひいては、荷重受け部材１１、底壁部材１２および周側壁部材１３の各一半部を一体の部材として形成すると共に、荷重受け部材１１、底壁部材１２および周側壁部材１３の各他半部を一体の部材として形成し、これらを接合して圧力容器１５としても良い。

また、上記実施形態においては、荷重受け部（荷重受け部材１１）が、圧力容器１５の構成壁を成す構成であったが、圧力容器１５の構成壁の一部分に、荷重受け部を形成する構成であっても良い。

さらに、上記実施形態においては、起歪部４１を底壁部材１２上に形成する構成であったが、例えば、起歪部４１を周側壁部材１３上に形成する構成であっても良い。

またさらに、上記実施形態においては、圧力伝達部として圧力容器１５を用いる構成であったが、荷重受け部（荷重受け部材１１）からの圧力を、起歪部４１に伝達可能なものであれば、これに限るものではない。例えば、圧力伝達部として圧力配管を用いる構成であっても良い。

なお、上記実施形態の荷重変換器１を平面状に複数並べて大きな面積の高剛性低天秤として用いることも可能である。また、上記実施形態の荷重変換器１を動力計に用いることも可能である。

１：荷重変換器、 １１：荷重受け部材、 １２：底壁部材、 １３：周側壁部材、 １４：歪みゲージ、 １５：圧力容器、 ４１：起歪部、 ５１：圧力伝達液、 ５２：熱膨張率調整材料

Claims (5)

1. 起歪部と、
   測定対象となる荷重を受けると共に、前記荷重によって変形する荷重受け部と、
   圧力伝達液が充填され、前記変形に伴う前記荷重受け部からの圧力を前記起歪部に伝達する圧力伝達部と、を備え、
   前記圧力伝達液に対する前記起歪部の受圧面積は、前記圧力伝達液に対する前記荷重受け部の加圧面積より小さく、
   前記起歪部と、前記荷重受け部と、前記圧力伝達部の構成壁とは、同一の材料で構成され、
   前記圧力伝達部内部の前記圧力伝達液には、当該圧力伝達部内部の平均体積熱膨張率を、前記起歪部、前記荷重受け部および前記圧力伝達部の構成壁に用いる材料の体積熱膨張率に合わせて調整する熱膨張率調整材料が浸漬されていることを特徴とする荷重変換器。
2. 起歪部と、
   測定対象となる荷重を受けると共に、前記荷重によって変形する荷重受け部と、
   圧力伝達液が充填され、前記変形に伴う前記荷重受け部からの圧力を前記起歪部に伝達する圧力伝達部と、を備え、
   前記圧力伝達液に対する前記起歪部の受圧面積は、前記圧力伝達液に対する前記荷重受け部の加圧面積より小さく、
   前記起歪部は、前記圧力伝達部の構成壁を穿孔して形成した薄厚部によって構成されていることを特徴とする荷重変換器。
3. 前記起歪部の剛性は、前記荷重受け部の剛性より低いことを特徴とする請求項１または２に記載の荷重変換器。
4. 前記圧力伝達部は、複数の構成壁から成る圧力容器で構成されており、
   前記荷重受け部は、前記複数の構成壁のうちの１つの構成壁を成していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の荷重変換器。
5. 前記起歪部の歪み量を検出するための歪みゲージを、更に備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の荷重変換器。

Images