JP6836753B2 - 荷重変換器 - Google Patents

Description

本発明は、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。

図６は従来の荷重変換器（ロードセル）の一例を示した断面図である。この荷重変換器は、荷重を受ける円柱形状の荷重受け部２と、この円柱面外側を囲むようにして設けられて固定構造物１２にボルト７によって固定される円筒形状の固定部３と、荷重受け部２と固定部３を連結する薄肉部分からなる環状の起歪部６とを備えている。そして複数の荷重検出手段Ｇが、起歪部６の下面に貼付されている。荷重検出手段Ｇは例えば歪みゲージであって、外側寄りの歪みゲージは圧縮歪み検出用の歪みゲージで、内側寄りの歪みゲージは引張歪み検出用の歪みゲージである。荷重検出手段Ｇは起歪部６の最も肉厚の薄い薄肉部を挟んで、径方向に並んで貼付されている。これらの荷重検出手段Ｇから得られる荷重検出信号は、コネクタ５を介して出力される。

荷重受け部２の天面は荷重を直接受ける面である。そして荷重受け部２の底面をなす第２の端面２ｅ が、固定構造物１２と固定部３の固定面より若干高い位置、すなわち起歪部６寄りとなるように形成されている。

起歪部６を上下で挟んで固定部３の内側側面と荷重受け部２の側面との間に蓋体が設置されている。蓋体は、環状で薄肉の可撓性を有する金属製であって、荷重受け部２及び固定部３に、溶接若しくは接着されていて、起歪部６の弾性変形に影響を及ぼさないように設けられている。蓋体は、起歪部６の上方側の第１の蓋体４ａと起歪部６の下方側の第２の蓋体４ｂで構成されている。この蓋体によって起歪部６に貼付けられている荷重検出手段Ｇは外部環境から保護されている。

特開２０１４−１６３８７７公報

この荷重変換器において、荷重を受けた際の変形時の状態を示したものが図７である。ここで示す空間１３は、荷重受け部２の第２の端面２ｅと、第２の蓋体４ｂと、固定部３の円筒内面３ｂと、固定構造物１２の天面と、で画定されたものである。固定構造物１２の天面と固定部３の底面の密閉性が低い場合は、荷重受け部２が荷重を受けると、空間１３が押し縮められて固定構造物１２の天面と固定部３の底面の界面から空気が放出される。その後荷重が取り除かれると空気がこの界面から空間１３に流入して元に戻る。そして固定構造物１２の天面と固定部３の底面の密閉性が高い場合においても、空間１３は完全に密閉されるものではなくて僅かな空気の出入りは生ずるが、空気の出入りに時間を要することになる。

したがって荷重を受けて空間１３が押し縮められた後、荷重が取り除かれた際でも、空気が瞬時に空間１３へ戻らず、この空間１３が負圧となったままとなって、荷重受け部２が、その時加えられている荷重に対応した本来の位置まで戻るのに時間を要する場合が生ずるという課題があった。ゆえにこの荷重変換器には、荷重変動に対する応答性に改善する余地があった。

このような問題に鑑みて、本発明は、荷重の変動に対する応答性に優れた荷重変換器を提供することを目的としている。

請求項１に記載の荷重変換器は、上記の目的を達成するために、
第１の端面にて荷重を受ける略円柱形状の荷重受け部と、
円柱面の内周面によって構成される中空部を有する柱形状であって、荷重受け部を中空部内において囲うように、かつ荷重受け部の円柱側面と内周面が所定間隔となるように配置される固定部と、
荷重受け部の円柱側面及び固定部の内周面のそれぞれの軸方向における中間部間を薄肉形状にて連結して荷重受け部が受ける荷重で弾性変形する起歪部と、
起歪部に設けられ、荷重受け部が受ける荷重を検出する複数の荷重検出手段と、
荷重受け部と固定部との間で起歪部を相対して挟み、起歪部を塞ぐように荷重受け部と固定部に固定される可撓性の環状の蓋体と、
を備える荷重変換器であって、
蓋体が、荷重受け部の軸方向において第１の端面と起歪部との中間位置に設けられた第１の蓋体と、荷重受け部の軸方向において荷重受け部の第１の端面に対向する第２の端面と起歪部との中間位置に設けられた第２の蓋体と、を備え、
荷重受け部は、第１の蓋体から突出した荷重受け部の側周面と、第２の蓋体から突出した荷重受け部と、を繋ぐ通路を備えて構成されている。

請求項２に記載の荷重変換器は、上記の目的を達成するために、
荷重受け部が、傘部と柄部を有して荷重印加物と傘部にて接するキノコ形状の第１の部材と、第１の部材の柄部の外周を囲んで第１の部材と係合する円筒形状の第２の部材と、を備え、
荷重受け部の通路は、第２の部材の円筒中空部と、第１の部材及び第２の部材の少なくとも１つの係合面に設けられた凹部と、で構成されている。

請求項３に記載の荷重変換器は、上記の目的を達成するために、
凹部は、第１の部材の傘部と第２の部材が軸方向で対向するそれぞれの面の少なくとも１つに半径方向にて設けられているものを含んで構成されている。

請求項１に記載の発明の荷重変換器によれば、荷重受け部が、第１の蓋体から突出した荷重受け部の側周面と、第２の蓋体から突出した荷重受け部と、を繋ぐ通路を備えている。よって荷重変換器が固定された状態の時、荷重の印加によって生ずる荷重受け部の移動と起歪部の弾性変形に起因して容積が変化する空間と、荷重変換器が置かれている外部空間と、でエアの出入りが容易となる。ゆえに荷重の変動に対して追従する空間の容積変化速度が大きくなり、荷重の変動に対する応答性に優れた荷重変換器を提供できる。

請求項２に記載の発明の荷重変換器によれば上記効果に加えて、荷重受け部が複数の部材で構成され、それぞれに溝状の通路を配置していることから、部品の加工及び組立てが容易な荷重変換器を提供できる。

請求項３に記載の発明の荷重変換器によれば上記効果に加えて、荷重受け部が複数の部材で構成されてその係合面が密着する形状であっても、その係合面に半径方向の通路を有していることから、空気の流通に優れ、応答性に優れた荷重変換器を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の斜視外観図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器内の荷重検出手段で構成するホイートストンブリッジ回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の断面構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器の斜視構成分解図である。 従来の荷重変換器を模式的に表した断面図構成である。 従来の荷重変換器に荷重が加わった際の変形を模式的に表した断面図構成である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器について、図面を基に詳細な説明を行う。図１は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の斜視外観図である。

荷重変換器１は、主なものとして、印加される荷重物に当接して荷重を受ける略円柱形状の荷重受け部２と、荷重受け部２の円柱側面に配置される略円筒形状の固定部３と、荷重受け部２と固定部３とを薄肉で繋ぐ起歪部６と、荷重受け部２と固定部３の間にあって内部を封止する第１の蓋体４ａと、荷重を電気信号に変換して外部に送信するためのケーブル等を繋ぐ丸型のコネクタ５と、で構成されている。

荷重受け部２は、測定する対象の荷重印加物が当接するキノコ形状の第１の部材２ａと、第１の部材２ａに係合する円筒状の第２の部材２ｄと、で構成されている。第１の部材２ａの傘部の曲面は、印加される荷重物に当接して荷重を受ける部分である。そして第１の部材２ａの柄部は、第２の部材２ｄに係合する部分である。

固定部３は、円柱面の内周面によって構成される中空部を有する柱形状であって、荷重受け部２の円柱側面と中空部の内周面とが、所定間隔でかつ荷重受け部２と同軸で荷重受け部２を取り囲むように配置されている。

図２は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の第１の蓋体４ａ等を省略して、内部構造を表した平面図である。

固定部３はその円筒底部の固定面３ａにて複数の例えば３本のボルト７にて固定構造物１２（図４参照）に固定されている。固定構造物１２は、ボルト７を取付けるネジ部が設けられていて、固定部３から伝達される荷重によって容易に変形しないものである。

荷重受け部２の第２の部材２ｄは、円筒形状であって、円筒中空部の内壁面２ｆの一部に、キノコ形状の第１の部材２ａの柄部に設けた雄ネジと螺合する雌ネジが設けられている。そして第２の部材２ｄの上面は第１の部材２ａに係合し、その係合面には半径方向に通路溝２ｇが設けられている。

荷重受け部２の第２の部材２ｄの外側の円柱面と、この外周を取り囲む固定部３の内側円筒面と、のそれぞれの軸方向における中間部間には、薄肉形状にてそれぞれを連結する梁状の起歪部６ａ、起歪部６ｂが設けられている。起歪部６ａは、円周方向に１２０度の間隔で軸方向の第１の部材２ａ側（上面側）に３つの梁で構成されている。そして起歪部６ｂは、起歪部６ａと回転方向でそれぞれ６０度ずれた位置で軸方向の第１の部材２ａの反対側（下面側）に３つの梁で構成されている。起歪部６ａ、起歪部６ｂは全て同一形状であって、起歪部６ａの上面側及び起歪部６ｂの下面側は平面形状である。起歪部６ａ、起歪部６ｂは、固定構造物１２にて固定されている容易に変形しない固定部３によって梁の一方が支持され、梁の他方と繋がった荷重受け部２から伝わる荷重によって弾性変形するものである。本実施形態の起歪部６の配置及び形状は例示であって、同等の機能を有するものであればこれに限定されるものではない。

荷重受け部２から伝わる荷重を検出する荷重検出手段Ｇ１ｃ〜Ｇ３ｃ、荷重検出手段Ｇ１ｔ〜Ｇ３ｔが、起歪部６ａの上面側の平面に貼付けられている。荷重検出手段Ｇ１ｃ〜Ｇ３ｃ、荷重検出手段Ｇ１ｔ〜Ｇ３ｔは本実施形態では歪みゲージであるが、弾性変形する起歪体の変形量から荷重検出の機能を有するものであればこれに限定されるものではない。

起歪部６ｂの下面側の平面に置かれている荷重検出手段Ｇ４ｃ〜Ｇ６ｃ、荷重検出手段Ｇ４ｔ〜Ｇ６ｔは破線で表されている。各荷重検出手段は、歪みに対する最大感度方向が半径方向になるように各起歪部に貼付けられている。そして荷重受け部２の第２の部材２ｄが紙面表から裏への方向の荷重を受けると、起歪部６ａの内側に貼付けられている荷重検出手段Ｇ１ｃ〜Ｇ３ｃが圧縮荷重を検出し、起歪部６ａの外側に貼付けられている荷重検出手段Ｇ１ｔ〜Ｇ３ｔが引張荷重を検出する。一方起歪部６ｂの内側に貼付けられている荷重検出手段Ｇ４ｔ〜Ｇ６ｔが引張荷重を検出し、起歪部６ｂの外側に貼付けられている荷重検出手段Ｇ４ｃ〜Ｇ６ｃが圧縮荷重を検出する。

図３は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器内の荷重検出手段を含んで構成するホイートストンブリッジ回路図である。荷重検出手段Ｇ１ｔ〜Ｇ３ｔ、荷重検出手段Ｇ４ｔ〜Ｇ６ｔは引張り荷重の検出であって、それぞれ直列に組まれて配置される。それぞれ直列に組まれた荷重検出手段Ｇ１ｔ〜Ｇ３ｔの和と、荷重検出手段Ｇ４ｔ〜Ｇ６ｔの和は、ホイートストンブリッジではそれぞれ向かい合う辺として配置される。一方で荷重検出手段Ｇ１ｃ〜Ｇ３ｃ、荷重検出手段Ｇ４ｃ〜Ｇ６ｃは圧縮荷重の検出であって、これもそれぞれ直列に組まれて配置される。それぞれ直列に組まれた荷重検出手段Ｇ１ｃ〜Ｇ３ｃの和と、荷重検出手段Ｇ４ｃ〜Ｇ６ｃの和も、ホイートストンブリッジではそれぞれ向かい合う辺として配置される。そして電源Ｅを端子Ｔ１−Ｔ３間に印加すると、端子Ｔ２−Ｔ４間に出力Ｓ＋、Ｓ−が電気信号である電圧に変換されて出力される。この構成は、各辺が３つの荷重検出手段で構成されていることから全体の抵抗値が大きくなり、電源Ｅの電圧を大きくすることができて、出力Ｓ＋、Ｓ−を大きくすることができる。

図４は本発明の第１の実施形態に係る荷重変換器の内部構造を示す断面図である。
切断した断面は図２におけるＡＡであって、円形のコネクタ５の軸方向線を通る鉛直面である。

環状の金属製の蓋体支持板９が、起歪部６ａの上側の固定部３に接着されている。また環状で断面が矩形の金属製の蓋体支持リング１０が第２の部材２ｄに接着されている。そして可撓性を有する金属製の薄板環状の第１の蓋体４ａが、蓋体支持板９及び蓋体支持リング１０を覆うように接着や溶接で、固定部３、第２の部材２ｄ、蓋体支持板９、蓋体支持リング１０に固定されている。

配線基板１１は、 起歪部６の下側にあって接着等にて固定され、荷重検出手段Ｇ１ｃ〜Ｇ６ｃ、荷重検出手段Ｇ１ｔ〜Ｇ６ｔと繋がってホイートストンブリッジ回路を形成している。配線は配線基板１１によってまとめられ、配線基板１１とコネクタ５の端子間で配線（不図示）を行い、ホイートストンブリッジ回路への電源の供給及び荷重信号の出力はコネクタ５を介して行われる。

一方、環状の金属製の蓋体支持板９が、配線基板１１の下側に、固定部３に接着されている。また環状で断面が矩形の金属製の蓋体支持リング１０が第２の部材２ｄに接着されている。そして可撓性を有する金属製の薄板環状の第２の蓋体４ｂが、蓋体支持板９及び蓋体支持リング１０を覆うように接着や溶接で、固定部３、第２の部材２ｄ、蓋体支持板９、蓋体支持リング１０に固定されている。

したがって蓋体４は第１の蓋体４ａと第２の蓋体４ｂで構成され、起歪部６を相対して挟む配置となっていると共に、第１の蓋体４ａは荷重受け部２の軸方向において第１の端面２ｂと起歪部６との中間位置に設けられ、第２の蓋体４ｂは荷重受け部２の軸方向において第２の端面２ｅと起歪部６との中間位置に設けられている。なお蓋体支持板９と蓋体支持リング１０は第１の蓋体４ａと第２の蓋体４ｂを支持固定する部材であって、形状や構成はこれに限るものではない。

また荷重受け部２の第１の端面２ｂに対向する第２の端面２ｅは、固定構造物１２に接する固定部３の固定面３ａよりも起歪部６寄りに設けられている。したがって荷重受け部２の第１の部材２ａに過大な力が加わった際に、この第２の部材２ｄの第２の端面２ｅが固定構造物１２に当接してそれ以上の起歪部６の変形を防止するストッパの役割を成している。

そして荷重受け部２は、第１の蓋体４ａから突出した荷重受け部２の側周面２ｍと、第２の蓋体４ｂから突出した第２の端面２ｅと、を繋ぐ通路を備えている。この通路は、荷重受け部２の円筒中空部である通路穴２ｈを通り、第１の部材２ａの柄の部分及び第２の部材２ｄの内壁面２ｆから延長したところに設けたネジ部によって凹部を形成している通路溝２ｃと、第２の部材２ｄに設けられた凹部を形成している通路溝２ｇで構成されている。ゆえに固定構造物１２、固定部３の円筒内面３ｂ、第２の蓋体４ｂ、荷重受け部２の第２の蓋体４ｂから突出した側周面２ｎ及び第２の端面２ｅで囲まれて画定される空間１３は、この通路にて外部の空間に繋がっている。第１の部材２ａの柄のネジ部には気密用のシールテープ等を巻回していないので、空気は流通する。なお第１の実施形態では第２の部材２ｄに通路溝２ｇを設けているが、第１の部材２ａの傘の部分に凹部等を設けることでも良い。

したがって、固定構造物１２、固定部３の円筒内面３ｂ、第２の蓋体４ｂ、側周面２ｎ、第２の端面２ｅで囲まれて画定されるこの空間１３内の空気は、荷重受け部２の第１の端面２ｂに荷重が加わり起歪部６ａ、６ｂが鉛直下向きに弾性変形し、その後荷重が変動した場合においても、即座に出入りが行われることから、荷重の変化に対する応答性に優れた荷重変換器を実現できる。

図５は本発明の第２の実施形態に係る荷重変換器１の斜視構成分解図である。荷重受け部２の第１の部材２ａの柄の部分には円柱面を一部カットして凹部をなす平面いわゆるＤカット面２ｉが設けられ、傘の部分には凹部をなす通路溝２ｊが半径方向に設けられている。この場合荷重受け部２は、内壁面２ｆと円柱面２ｋはしまりばめなどの嵌め合いで嵌合するようにして、第１の部材２ａは荷重を受けて回転しないように構成されている。

この構造によれば、固定構造物１２、固定部３の円筒内面３ｂ、第２の蓋体４ｂ、側周面２ｎ、第２の端面２ｅで囲まれて画定されるこの空間１３内の空気は、通路をなす通路穴２ｈ、Ｄカット面２ｉ、通路溝２ｊによって外部空間と出入りが可能となり、荷重の変化に対する応答性に優れた荷重変換器を実現できる。

この他、荷重受け部２は、第１の部材２ａの柄の部分を中空形状にして、傘の部分の側周面２ｍから半径方向に穴を設けて、第１の部材２ａの柄の部分の中空部と繋げる等の変形が可能である。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明の活用例として、ロードセルなど荷重を測定する装置への適用が可能である。

１ ：荷重変換器
２ ：荷重受け部
２ａ ：第１の部材
２ｂ ：第１の端面
２ｃ ：通路溝
２ｄ ：第２の部材
２ｅ ：第２の端面
２ｆ ：内壁面
２ｇ ：通路溝
２ｈ ：通路穴
２ｉ ：Ｄカット面
２ｊ ：通路溝
２ｋ ：円柱面
２ｍ ：（第１の蓋体から突出した）側周面
２ｎ ：（第２の蓋体から突出した）側周面
３ ：固定部
３ａ ：固定面
３ｂ ：円筒内面
４ ：蓋体
４ａ ：第１の蓋体
４ｂ ：第２の蓋体
５ ：コネクタ
６ ：起歪部
７ ：ボルト
９ ：蓋体支持板
１０ 蓋体支持リング
１１ ：配線基板
１２ ：固定構造物
１３ ：空間
Ｇ、Ｇ１ｃ〜Ｇ６ｃ、Ｇ１ｔ〜Ｇ６ｔ ：荷重検出手段

Claims (3)

1. 第１の端面にて荷重を受ける略円柱形状の荷重受け部と、
   円柱面の内周面によって構成される中空部を有する柱形状であって、前記荷重受け部を前記中空部内において囲うように、かつ前記荷重受け部の円柱側面と前記内周面が所定間隔となるように配置される固定部と、
   前記荷重受け部の前記円柱側面及び前記固定部の前記内周面のそれぞれの軸方向における中間部間を薄肉形状にて連結して前記荷重受け部が受ける荷重で弾性変形する起歪部と、
   前記起歪部に設けられ、前記荷重受け部が受ける荷重を検出する複数の荷重検出手段と、
   前記荷重受け部と前記固定部との間で前記起歪部を相対して挟み、前記起歪部を塞ぐように前記荷重受け部と前記固定部に固定される可撓性の環状の蓋体と、
   を備える荷重変換器であって、
   前記蓋体が、前記荷重受け部の軸方向において前記第１の端面と前記起歪部との中間位置に設けられた第１の蓋体と、前記荷重受け部の軸方向において前記荷重受け部の前記第１の端面に対向する第２の端面と前記起歪部との中間位置に設けられた第２の蓋体と、を備え、
   前記荷重受け部は、前記第１の蓋体から突出した前記荷重受け部の側周面と、前記第２の蓋体から突出した前記荷重受け部と、を繋ぐ通路を備えることを特徴とする荷重変換器。
2. 前記荷重受け部が、傘部と柄部を有して荷重印加物と前記傘部にて接するキノコ形状の第１の部材と、前記第１の部材の前記柄部の外周を囲んで前記第１の部材と係合する円筒形状の第２の部材と、を備え、
   前記荷重受け部の前記通路は、前記第２の部材の円筒中空部と、前記第１の部材及び前記第２の部材の少なくとも１つの係合面に設けられた凹部と、で構成されることを特徴とする請求項１に記載の荷重変換器。
3. 前記凹部は、前記第１の部材の前記傘部と前記第２の部材が軸方向で対向するそれぞれの面の少なくとも１つに半径方向にて設けられているものを含むことを特徴とする請求項２に記載の荷重変換器。