JP6364637B2 - 荷重変換器 - Google Patents

Description

本発明は、引張り若しくは圧縮荷重が負荷されるとせん断歪みを発生する起歪部に、せん断型ひずみゲージを貼付け、荷重の大きさに応じて変化するせん断型ひずみゲージの電気抵抗値を、電圧信号等によって検出することで測定を行う荷重変換器に関するものである。

荷重変換器の起歪部の形状は、測定荷重の大きさ、小型あるいは薄型というような荷重変換器に要求される使用環境、精度等に応じて種々のものが提案され、実用化がなされている。

引張り若しくは圧縮荷重の測定には、図１で示すＳ字ローバーバルの起歪体を備えた荷重変換器が広く用いられている。この形状の起歪体１は、弾性に富む材料、例えばアルミニウム合金によって構成されており、ほぼＳ字型の形状を成している。そこで、例えばＳ字断面のアルミニウム押出し材を得、これを所望の長さに切断することによって図１に示すＳ字形状の起歪体１を得るようにしている。

Ｓ字形状の起歪体１の上端及び下端の辺６，７は当該起歪体１を他の部材、例えば測定器本体及び荷重受け部材等に対して固定するための固定部である。

起歪体１にはその中央に、ほぼ矩形状の貫通孔２があけられ２つのビーム部３，４が形成されている。貫通孔２の四隅は応力集中を回避するため曲面で構成され、内周壁面に歪みゲージＲ１〜Ｒ４が貼付けられている。

上端の辺６および下端の辺７は、起歪体１において、荷重によって生じる歪は、上下２つのビーム部３，４に集中し、図２で示すような、歪みゲージＲ１〜Ｒ４により形成されたホイートストンブリッジ回路から電気抵抗値変化量を電気量（電圧信号）にとして取り出し、荷重の大きさを測定している。

実用新案登録２５１５７５４号公報

図１に示す構成において、ビーム部３，４で生じる歪みが貼付けられた歪みゲージを歪ませる。また、歪みゲージの電気抵抗値変化量は、ゲージ率に起因するため一般の導電箔を使用したゲージでは、ほぼ２とされている。ここで、断面係数が不変である場合、歪み量を大きくするためには、ビーム部３，４を大きく撓ませ、力を受ける部分の変位を大きくする必要があり剛性面で問題が生じる。

この対策として、図９で示すような、変位が小さく抑えられ、剛性が大きく取れるせん断歪み測定方式の起歪体を用いる方法が採られていた。しかし、せん断歪みを測定する方式では、ひずみゲージの感度方向を荷重の測定方向に対して正確に４５度にする必要がある。ここで角度誤差が生じてしまうと、測定方向以外に係る荷重、特に測定する方向と直交する方向に係る荷重の影響を受け易くなり、その分が誤差となって測定精度の低下を招いていた。

また、測定精度の低下を避けるため、測定方向とは異なる方向からの荷重に対する歪みの発生を抑えるよう起歪体の剛性を高め、測定方向以外に係る荷重の影響を除去する手法も採られていた。しかしながら、剛性を上げることにより、測定する荷重の大きさに対して起歪体自体が大型化してしまうという問題があった。

本発明は、せん断歪みを測定する方式で起歪体の大型化を避け、かつ高精度な荷重変換器を提供することを課題としている。

上述の課題を解決するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る荷重変換器は、測定荷重を電気量に変換して検出する荷重変換器であって、測定荷重軸に沿って荷重導入部、第一伝達部、受感部、第二伝達部および荷重支持部が順に並設され、
受感部が測定荷重軸に沿って柱状をなし、受感部の外側周面にあって相対する一対の面に向かって、測定荷重軸と直交する方向に沿って、互いに測定荷重軸を挟んで左右対称に、同一の深さに達する同一形状の底面を有する孔部を形設することで、中心に受感軸部と、受感軸部の左右端に面状をなす一対の起歪部と、起歪部を包接する一対の肉厚部とを備え、かつ測定荷重軸に対する起歪部を含む断面形状が、測定荷重軸に直交する方向に対して同形なＨ型形状を横に２つ並べて結合した形状をなし、
第一伝達部及び第二伝達部は、測定荷重軸上に中心軸があって、測定荷重軸と直交する面上に対する断面積が、受感部の断面積より小さく、いづれか一方は受感軸部（103）と連接し、もう一方は一対の肉厚部と連接し、
起歪部（101，102）の表面である孔部の底面に歪みゲージが貼付けられ、歪みゲージはすべて同種類の単軸歪みゲージであって、測定荷重軸に対して感度方向が同じ角度になるように貼付けられ、孔部の底面を挟んで対向して貼り付けられた２つの歪みゲージがホイートストンブリッジ回路の隣り合う辺に配置され、かつ測定荷重軸を挟んで隣り合う孔部の底面に貼り付けられた２つの歪みゲージがホイートストンブリッジ回路の隣り合う辺に配置されている。

この手段によれば、荷重に対して起歪体の大きさを適切に保ちながら、起歪部がせん断歪みを生じる形状にすることが可能なため、全体が高い剛性をもつ起歪部を構成することができる。更に、せん断型歪みゲージによる測定で問題となる測定荷重軸方向以外の力の影響により生じる測定精度の低下に関しては、測定荷重軸方向に対する断面の形状を、曲げに対する断面係数が大きく取れるＨ型形状の断面を横に２つ並べて結合した形状にすることで、その力の影響が及び難くいものにできる。加えて、歪みゲージが貼付けられる起歪部が、受感部の外周側面において相対する一対の面に対して、測定荷重軸を基準に左右対称な位置に、同じ形状で設けられた孔部の底面であるため、荷重によって発生するせん断歪みが左右で対称となり、ホイートストンブリッジ回路による補償が大きく取れる。また、独立した面にそれぞれ歪みゲージを貼付けるため、最もせん断歪みが発生する箇所に貼付け可能であり、感度特性においても好適に作用する。

本発明に係る荷重変換器では、荷重に対して適切な大きさの範囲内で起歪体の高剛性化が可能となり、荷重による変位も小さく抑えられことで信頼性が向上し、かつ測定誤差要因となる測定荷重方向以外に係る力の影響を極力回避することで、高精度な荷重変換器が提供可能となる。

従来の引張若しくは圧縮荷重変換器に用いられたＳ字ローバーバル型起歪体の外観図 Ｓ字ローバーバル型起歪体に貼付けた歪みゲージＲ１〜Ｒ４によるホイートストンブリッジ回路図 本発明の実施形態である荷重変換器の外観図および部分断面図 本発明の実施形態である荷重変換器の起歪体斜視図 本発明の実施形態である荷重変換器の起歪体断面図 本発明の実施形態である荷重変換器の起歪体に圧縮力が係った状態を表す図 本発明の実施形態である荷重変換器の起歪体に引張力が係った状態を表す図 本発明の実施形態である荷重変換器の起歪部に貼付けた歪みゲージＧ１〜Ｇ４によるホイートストンブリッジ回路図 従来の引張若しくは圧縮荷重変換器に用いられたせん断歪み測定方式の起歪体外観図 ２軸歪みゲージ外観図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図３は、本発明の実施形態である引張り若しくは圧縮荷重の荷重変換器８を示している。図３（ａ）は、当該荷重変換器８の外観を現した図であり、荷重負荷部２１は、直接引張り若しくは圧縮荷重が負荷される部分となる。ケーシング２２は、後述する起歪体２０の全体を覆う筺体を示す。図３（ｂ）は、荷重変換器８におけるケーシング２２の内部（断面）を示した図である。

図３（ｂ）において、起歪体２０は、荷重変換器８に荷重の大きさに応じて、歪みが生じる部位であり、材質は弾性に優れた素材、例えばアルミニウム合金によって構成されている。また、形状については、高い精度を実現する必要から、例えば棒材からの削り出しによって一体に形成されている。

起歪体２０は、図４で示すように、主に荷重導入部９、受感部１０、荷重支持部１１、第一伝達部１２、第二伝達部１３から構成されている。また受感部１０には、孔部１４〜１７、起歪部１０１，１０２、受感軸部１０３および肉厚部１０４，１０５を備えている。本実施形態において、係る最大荷重は５００Ｎ程度であり、荷重導入部９、受感部１０および荷重支持部の外径寸法（最大寸法）は、概ね１０ｍｍから２０ｍｍ以内である。

荷重導入部９は、荷重負荷部２１に負荷される引張り若しくは圧縮荷重を受け、第一伝達部１２以下後方に位置する部位へと伝達するための部位であり、測定荷重軸Ｚにおいて荷重負荷部２１と同軸上に位置している。また、その端部において荷重負荷部２１の取り付け部を備えている。

第一伝達部１２は、荷重導入部９が受ける荷重を、受感部１０へと伝達する部位であって、図４および図５に示すように、測定荷重軸Ｚ上に中心軸を備える。また、図５の断面Ａ−Ａで示すように、測定荷重軸Ｚと直交する面上での断面積は、荷重導入部９よりも小さく、且つ、受感部１０の中央部に位置する受感軸部１０３へ連接するよう、互いに１８０度反対に位置する外側周面から所定の厚み分だけ、括れるように摺割加工が施されている。これによって伝達された荷重は、受感部１０の測定荷重軸Ｚ周辺、すなわち受感軸部１０３に集中させることができる。ただし、第一伝達部１２は、最大荷重が負荷されたときでも充分に耐えうるだけの必要最低限の断面積は確保されている。

受感部１０は、測定荷重軸Ｚがその中心を通る柱状をなし、その中央部には同じく測定荷重軸Ｚを中心として係る荷重に対し高い剛性を備えた受感軸部１０３と、受感軸部１０３の左右端に位置し、面状をなす一対の起歪部１０１，１０２と、外縁部にあって、起歪部を包接し高い剛性を備えた一対の肉厚部１０４，１０５とを備えている。一対の起歪部１０１，１０２は、柱状をなす受感部１０の外側周面上で、測定荷重軸Ｚと直交する方向（Ｙ方向）において相対する位置関係にある一対の面（Ｓ１面とＳ２面）に、２個ずつ合計４つの孔部１４〜１７を設けることで形成される。よって、起歪部１０１，１０２を含み、測定荷重軸Ｚと直交する面に対する受感部１０の断面形状は、図５の断面Ｂ−Ｂで示すように、同形のＨ型形状を横に２つ並べた、ちょうどＨ型鋼のプレートガーダの一辺が結合された形状であり、起歪部１０１，１０２はちょうどその結合されたＨ型鋼の２つのウェブプレート部分に相当する。

また、受感部１０は、孔部１４〜１７が同一の深さおよび同一形状の底面で形成されているため、測定荷重軸Ｚを包含し直交する２つの平面、すなわち、図４，図５におけるＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に対して、左右対称な線対称形状を成している。

第二伝達部１３は、受感部１０と荷重支持部１１との間に設けられた部位で、測定荷重軸Ｚ上に中心軸を備え、受感部１０に伝わった荷重をさらに荷重支持部１１へと伝達する。その形状については、図５の断面Ｃ−Ｃで示すように、測定荷重軸Ｚと直交する面上での断面積は、荷重支持部１１より小さく、且つ図５の上方に位置する受感部１０の外縁部に備わる一対の肉厚部１０４，１０５に対して連接するように、中央部分に楕円状の貫通孔１８が加工されている。ただし、第一伝達部１２と同様に第二伝達部１３は、最大荷重が負荷されたときでも充分に耐えうるだけの必要最低限の断面積は確保されている。

一対の起歪部１０１，１０２の表裏面、即ち孔部１４〜１７の底面には、それぞれ、歪みゲージＧ１〜Ｇ４が、接着，蒸着，スパッタリングおよびその他の手段によって貼付けられている。歪みゲージＧ１〜Ｇ４は、図８に示すホイートストンブリッジ回路を形成する。ここで、歪みゲージＧ１〜Ｇ４は、すべて同種類の単軸歪みゲージであって、感度方向が測定荷重軸Ｚ方向に対して反時計回りに４５度の角度を貼付けられている。ただし、感度方向が測定荷重軸Ｚ方向に対して時計回りに４５度の角度に貼付けてもよい。

次に、上記説明した構成における作用に関しての図６および図７に基づき説明を加える。荷重負荷部２１に負荷された荷重Ｆは、起歪体２０の荷重導入部９に伝わり第一伝達部１２を経て受感部１０の受感軸部１０３へと伝達される。また、荷重支持部１１、第二伝達部１３および受感部１０の肉厚部１０４，１０５は、荷重Ｆが係る方向において高い剛性備えているため、その反力によって起歪部１０１，１０２においては、図で示すようなせん断歪みが発生する。

ここで、荷重負荷部２１に負荷される荷重が、測定荷重軸Ｚに対して任意の角度をもった力、即ち偏荷重や横荷重の場合、荷重導入部９には、測定荷重軸Ｚと直交する方向（図４，５におけるＸＹ平面の任意方向）の分力ＦＳが発生する。

しかしながら、受感部１０における受感軸部１０３および肉厚部１０４，１０５が分力ＦＳに対して十分大きな剛性を備え、かつ起歪部１０１，１０２を含む起歪体２０の断面が、図５の断面Ｂ−Ｂで示すように、Ｈ型形状を横に２つ並べて結合した形状であって高い断面係数を示す。よって、分力ＦＳによる起歪部１０１，１０２でのせん断歪み発生を防止することができる。

また、仮に偏荷重や横荷重の影響が、僅かながら起歪部１０１，１０２に生じたとしても、一対の起歪部１０１，１０２では、測定荷重軸Ｚを中心する線対称な位置関係にあるため、発生するせん断歪みにおいても、同様に線対称なせん断歪みとなる。その結果、歪みゲージＧ１〜Ｇ４によるホイートストンブリッジ回路（図８）による補償が大きく取れ、充分にキャンセルが可能となり、測定荷重軸Ｚ方向の荷重成分のみに応じた電気量（電圧信号）を得ることができる。

加えて、歪みゲージＧ１〜Ｇ４は、起歪部１０１，１０２のそれぞれ独立した４つの表裏面に、それぞれ貼付けられるので、せん断歪みが最も大きく発生する箇所に、その感度中心部を合せることが可能なため、優れた感度特性を示すことになる。

以上、本発明の実施形態である荷重変換器８について、実施形態の詳細を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、起歪体２０において、荷重導入部９と荷重支持部１１、および第一伝達部１２と第二伝達部１３とが入れ替わるようにした場合でも、同様な作用・効果が生じる。また、単軸歪みゲージに代わって、図１０で示すような２軸歪みゲージを適用することも可能である。

本発明に係る荷重変換器は、引張り若しくは圧縮荷重の測定に係る計量装置全般に利用可能であり、例えば、大きな面積の高剛性低床秤、長時間計測用動力計などがある。

８…荷重変換器
９…荷重導入部 １０…受感部 １１…荷重支持部 １２…第一伝達部 １３…第二伝達部
１４，１５，１６，１７…孔部 １８…貫通孔
２０…起歪体
１０１，１０２…起歪部 １０３…受感軸部 １０４，１０５…肉厚部
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…歪みゲージ
２１…荷重負荷部 ２２…ケーシング ２３…Ｏリング

Claims (2)

1. 測定荷重を電気量に変換して検出する荷重変換器において、
   測定荷重軸に沿って荷重導入部、第一伝達部、受感部、第二伝達部および荷重支持部が順に並設され、
   前記受感部が、前記測定荷重軸に沿って柱状をなし、前記受感部の外側周面にあって相対する一対の面に向かって、前記測定荷重軸と直交する方向に沿って、互いに前記測定荷重軸を挟んで左右対称に、同一の深さに達する同一形状の底面を有する孔部を形設することで、中心に受感軸部と、前記受感軸部の左右端に面状をなす一対の起歪部と、前記起歪部を包接する一対の肉厚部とを備え、かつ前記測定荷重軸に対する前記起歪部を含む断面形状が、前記測定荷重軸に直交する方向に対して同形なＨ型形状を横に２つ並べて結合した形状をなし、
   前記第一伝達部及び前記第二伝達部は、前記測定荷重軸上に中心軸があって、前記測定荷重軸と直交する面上に対する断面積が、前記受感部の断面積より小さく、いづれか一方は前記受感軸部と連接し、もう一方は一対の前記肉厚部と連接し、
   前記起歪部の表面である前記孔部の前記底面に歪みゲージが貼付けられ、前記歪みゲージはすべて同種類の単軸歪みゲージであって、前記測定荷重軸に対して感度方向が同じ角度になるように貼付けられ、前記孔部の前記底面を挟んで対向して貼り付けられた２つの前記歪みゲージがホイートストンブリッジ回路の隣り合う辺に配置され、かつ前記測定荷重軸を挟んで隣り合う前記孔部の前記底面に貼り付けられた２つの前記歪みゲージが前記ホイートストンブリッジ回路の隣り合う辺に配置されることを特徴とする荷重変換器。
2. 前記荷重導入部、前記第一伝達部、前記受感部、前記第二伝達部および前記荷重支持部が、一体の素材から加工された起歪体を形成することを特徴とする、請求項１に記載の荷重変換器。