JP7020136B2 - Load measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、荷重測定装置に関する。 The present invention relates to a load measuring device.
荷重測定装置に用いられるロードセルの構成を開示した先行文献として、特開平8-271357号公報(特許文献1)がある。特許文献1に記載されたロードセルは、片持ち梁状に固定された起歪体と、起歪体に取り付けられた歪みゲージとを備える。 As a prior document disclosing the configuration of a load cell used in a load measuring device, there is Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-271357 (Patent Document 1). The load cell described in Patent Document 1 includes a strain-causing body fixed in a cantilever shape and a strain gauge attached to the strain-causing body.
ロードセルを用いた荷重測定装置においては、ロードセルの起歪体および歪みゲージの少なくとも一方の経時劣化によりロードセルの検出特性が変化する。そのため、ロードセルの検出結果が正しいかどうかを確認するために、ロードセルのキャリブレーションが必要となる。 In a load measuring device using a load cell, the detection characteristics of the load cell change due to deterioration of at least one of the strain-causing body and the strain gauge of the load cell with time. Therefore, it is necessary to calibrate the load cell in order to confirm whether the detection result of the load cell is correct.
一般的に、ロードセルのキャリブレーションは、重さが既知の錘をロードセルの起歪体に取り付けたときのロードセルの検出結果と既知の重さとの差がなくなるように、スパン調整およびオフセット調整することにより行なわれる。 Generally, the calibration of the load cell is to adjust the span and offset so that there is no difference between the detection result of the load cell and the known weight when a weight of known weight is attached to the strain source of the load cell. Is done by.
ロードセルの起歪体への錘の取り付けを人為的に行なう場合、キャリブレーション作業が煩雑となる。ロードセルの起歪体への錘の取り付けを機械的に行なう場合、荷重測定装置の機械的構成が複雑となる。 When the weight is artificially attached to the strain-causing body of the load cell, the calibration work becomes complicated. When the weight is mechanically attached to the strain-causing body of the load cell, the mechanical configuration of the load measuring device becomes complicated.
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、簡易な機械的構成を有しつつ簡易にキャリブレーションを行なうことができる荷重測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a load measuring device capable of easily performing calibration while having a simple mechanical configuration.
本発明に基づく荷重測定装置は、ロードセルと、電磁石と、制御部とを備える。ロードセルは、測定対象物の荷重が負荷される起歪体、および、起歪体に取り付けられた歪みゲージを含む。電磁石は、起歪体に間隔をあけて配置され、起歪体に電磁力を作用可能に設けられている。制御部は、歪みゲージの出力に基づいて上記荷重を算出する。制御部は、上記電磁力による歪みゲージの出力と上記荷重による歪みゲージの出力との相関関係に基づいて、ロードセルのキャリブレーションを行なう。 The load measuring device based on the present invention includes a load cell, an electromagnet, and a control unit. The load cell includes a strain-causing body to which the load of the object to be measured is loaded, and a strain gauge attached to the strain-causing body. The electromagnets are arranged at intervals on the strain-causing body, and are provided so that an electromagnetic force can act on the strain-causing body. The control unit calculates the above load based on the output of the strain gauge. The control unit calibrates the load cell based on the correlation between the output of the strain gauge due to the electromagnetic force and the output of the strain gauge due to the load.
本発明の一形態においては、荷重測定装置は、起歪体を片持ち梁状に支持する支持部をさらに備える。電磁石は、起歪体の支持部側とは反対側の端部の下方に配置されている。 In one embodiment of the present invention, the load measuring device further includes a support portion that supports the strain-causing body in a cantilever shape. The electromagnet is arranged below the end on the side opposite to the support side of the strain-causing body.
本発明の一形態においては、起歪体は、電磁石と対向する位置に取り付けられた磁性体部を含む。 In one embodiment of the invention, the strain-causing body includes a magnetic body portion attached at a position facing the electromagnet.
本発明の一形態においては、電磁石が起歪体に電磁力を作用させていない状態において、起歪体と電磁石との間隔は、起歪体の最大許容変位と略同一である。 In one embodiment of the present invention, the distance between the straining body and the electromagnet is substantially the same as the maximum allowable displacement of the straining body in a state where the electromagnet does not apply an electromagnetic force to the straining body.
本発明によれば、キャリブレーションを簡易に行なうことができる荷重測定装置を簡易な機械的構成で実現することができる。 According to the present invention, a load measuring device capable of easily performing calibration can be realized with a simple mechanical configuration.
以下、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置について図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, the load measuring device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the embodiment, the same or corresponding parts in the drawings are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
図1は、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置の構成を示す図である。図2は、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置が備える起歪体が変形する前の状態を示す部分側面図である。図3は、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置が備える起歪体が、過負荷時に最大許容変位まで撓んだ状態を示す部分側面図である。図3においては、撓む前の状態の起歪体を点線で示している。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a load measuring device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partial side view showing a state before the strain-causing body provided in the load measuring device according to the embodiment of the present invention is deformed. FIG. 3 is a partial side view showing a state in which the strain-causing body provided in the load measuring device according to the embodiment of the present invention is bent to the maximum allowable displacement at the time of overload. In FIG. 3, the strain-causing body in the state before bending is shown by a dotted line.
図1~図3に示すように、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置100は、ロードセル110と、電磁石130と、制御部150とを備える。荷重測定装置100は、起歪体111を片持ち梁状に支持する支持部120をさらに備える。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
ロードセル110は、測定対象物の荷重が負荷される起歪体111、および、起歪体111に取り付けられた歪みゲージ112を含む。本実施形態においては、起歪体111は、円柱状の外形を有している。なお、起歪体111の外形は、円柱状に限られず、角柱状などでもよい。
The
起歪体111の支持部側とは反対側の先端部の上部および下部の各々に、歪みゲージ112が1つずつ取り付けられている。また、起歪体111の支持部側の根元部の上部および下部の各々に、歪みゲージ112が1つずつ取り付けられている。すなわち、起歪体111に4つの歪みゲージ112が取り付けられている。4つの歪みゲージ112の各々は、抵抗体膜を含んでいる。
One
4つの歪みゲージ112は、ブリッジ回路を構成しており、接続ケーブル180と電気的に接続されている。ただし、起歪体111に対する歪みゲージ112の取り付け位置および取り付け数は、上記に限られず、少なくとも1つの歪みゲージ112が起歪体111に取り付けられていればよい。
The four
本実施形態においては、起歪体111は、起歪体111の本体の電磁石130と対向する位置に取り付けられた磁性体部113を含む。具体的には、起歪体111の本体の先端部の下部に、磁性体部113が取り付けられている。磁性体部113は、残留磁化の小さい軟鉄などの材料で構成されている。なお、起歪体111の本体が磁性体で構成されている場合には、磁性体部113は必ずしも設けられていなくてもよい。
In the present embodiment, the strain-causing
電磁石130は、起歪体111に間隔をあけて配置され、起歪体111に電磁力を作用可能に設けられている。電磁石130は、起歪体111の支持部120側とは反対側の先端部の下方に配置されている。電磁石130は、円柱状の外形を有し、ベース140上に固定されている。電磁石130は、芯部および芯部に巻き回されたコイルを含む。なお、電磁石130の外形は、円柱状に限られず、角柱状などでもよい。電磁石130の芯部は、鉄などの磁性体で構成されている。
The
図1に示すように、起歪体111の下端と電磁石130の上端との間隔は、Lである。具体的には、磁性体部113の下端と電磁石130の芯部の上端との間隔は、Lである。
As shown in FIG. 1, the distance between the lower end of the
図3に示すように、過負荷F2が負荷されたときの起歪体111の最大許容変位は、Lである。すなわち、図1および図3に示すように、電磁石130が起歪体111に電磁力を作用させていない状態において、起歪体111と電磁石130との間隔は、起歪体111の最大許容変位と略同一である。なお、過負荷F2が負荷されたときの起歪体111の最大許容変位は、起歪体111が塑性変形する直前の起歪体111の弾性変形による撓み量に設定されてもよいし、荷重測定装置100において予め定められた最大測定荷重が負荷されたときの起歪体111の撓み量に設定されてもよい。
As shown in FIG. 3, the maximum permissible displacement of the strain-causing
電磁石130は、電磁石130に一定の直流電流を供給する定電流源170と接続されている。具体的には、定電流源170は、電磁石130のコイルに接続されている。
The
接続ケーブル180に含まれる2本の配線は、定電圧源160と接続されている。これにより、4つの歪みゲージ112によって構成されているブリッジ回路に、一定の直流電圧が印加される。
The two wires included in the
歪みゲージ112は、測定対象物の荷重F1の負荷によって起歪体111が弾性変形した際の起歪体111の歪みに比例して電気抵抗値が変化する。歪みゲージ112は、電気抵抗値の変化を電圧の変化として出力する。F1<F2である。
The
接続ケーブル180に含まれる他の2本の配線は、信号増幅部161と接続されている。これにより、4つの歪みゲージ112によって構成されているブリッジ回路の2つの中点が、信号増幅部161に電気的に接続される。ブリッジ回路の2つの中点間の出力電圧が、信号増幅部161にて差動増幅される。
The other two wires included in the
信号増幅部161は、ノイズ除去部162に接続されている。ノイズ除去部162にて、出力信号から不要な信号成分が取り除かれる。
The
ノイズ除去部162は、A/D変換部163に接続されている。A/D変換部163にて、出力信号が、アナログ信号からデジタル信号に変換される。
The
A/D変換部163は、制御部150に接続されている。制御部150は、演算部151および記憶部152を含む。演算部151は、A/D変換部163から入力された出力信号と、後述するように記憶部152に記憶されているスパン調整値およびオフセット調整値とに基づいて、測定対象物の荷重F1を算出する。すなわち、制御部150は、歪みゲージ112の出力に基づいて測定対象物の荷重F1を算出する。
The A /
制御部150は、定電流源170と電気的に接続されている。制御部150は、定電流源170による電磁石130への電力供給の開始および停止を制御する。
The
制御部150は、起歪体111に作用させる電磁力による歪みゲージ112の出力と測定対象物の荷重F1による歪みゲージ112の出力との相関関係に基づいて、ロードセル110のキャリブレーションを行なう。
The
以下、本実施形態に係る荷重測定装置100におけるロードセル110のキャリブレーション方法について説明する。
Hereinafter, a method of calibrating the
まず、支持部120に支持された起歪体111に対して間隔をあけて位置するように電磁石130をベース140上に固定して、荷重測定装置100を構成した後、重さが既知の錘をロードセル110の起歪体111に取り付け、このときの歪みゲージ112の出力を基準出力とする。上記の錘による起歪体111への負荷を基準負荷とする。
First, the
次に、起歪体111から錘を取り外し、電磁石130によって起歪体111に電磁力を作用させることにより歪みゲージ112の出力が基準出力となる定電流源170の基準電流供給量を決定する。このように決定された、電磁力による歪みゲージ112の出力と錘の荷重による歪みゲージ112の出力との相関関係は、制御部150の記憶部152に記憶される。
Next, the weight is removed from the strain-causing
なお、上記のようにロードセル110の起歪体111に錘を着脱させるのは、歪みゲージ112の基準出力および定電流源170の基準電流供給量を決定する時のみである。
It should be noted that the weight is attached to and detached from the strain-causing
電磁石130による起歪体111に作用する電磁力の大きさは、コイル特性、電気的特性、機械的特性および環境的特性によって決まる。コイル特性は、コイルの、電気抵抗値、巻き数および巻き密度によって決まる。電気的特性は、コイルへの電流供給量によって決まる。機械的特性は、磁性体部113を含む起歪体111および電磁石130の芯部の各々の材質、並びに、磁性体部113および電磁石130の芯部の各々の大きさによって決まる。環境的特性は、周囲温度、および、磁性体部113と電磁石130の芯部との間隔によって決まる。上記のコイル特性、電気的特性、機械的特性および環境的特性が略一定であれば、電磁石130による起歪体111に作用する電磁力の大きさは略一定となる。
The magnitude of the electromagnetic force acting on the strain-causing
コイルの電気抵抗値は、コイルに電流が流れた際のコイルの自己発熱により変化する。そのため、定電流源170は、コイルへの電流供給量を基準電流供給量で略一定となるように維持する。周囲温度の変化によって、磁性体部113および電磁石130の芯部の各々の大きさが僅かに変化するが、この変化量は荷重測定結果に影響が認められない範囲である。
The electric resistance value of the coil changes due to the self-heating of the coil when a current flows through the coil. Therefore, the constant
上記のコイル特性、電気的特性、機械的特性および環境的特性に影響を及ぼす要因のうち、コイルの電気抵抗値および周囲温度以外の要因は、経時的にほとんど変化することがない。そのため、定電流源170が基準電流供給量の電流を電磁石130に供給することにより、電磁石130は起歪体111に、歪みゲージ112の出力が基準出力となる略一定の電磁力を作用させることが可能である。
Among the factors affecting the coil characteristics, electrical characteristics, mechanical characteristics, and environmental characteristics described above, factors other than the electrical resistance value of the coil and the ambient temperature hardly change with time. Therefore, when the constant
制御部150は、記憶部152に記憶された、電磁力による歪みゲージ112の出力と錘の荷重による歪みゲージ112の出力との相関関係に基づいて、ロードセル110のキャリブレーションを行なう。
The
ここで、ロードセル110のキャリブレーションを行なう際に、制御部150の演算部151にて行なわれる演算方法の一例について説明する。なお、演算部151にて行なわれる演算手法は、下記の方法に限られず、種々の統計的手法を用いることができる。
Here, an example of a calculation method performed by the
まず、演算部151は、電磁石130による電磁力を発生させていない状態における歪みゲージ112の出力のデジタル信号を取得する。このときのデジタル信号の大きさをX1とする。このときの起歪体111への負荷は、0であり、Y1とする。
First, the
次に、定電流源170から基準電流供給量の電流を電磁石130に供給することにより電磁力を発生させた状態における歪みゲージ112の出力のデジタル信号を取得する。このときのデジタル信号の大きさをX2とする。このときの起歪体111への負荷は、上記の基準負荷であり、Y2とする。
Next, the digital signal of the output of the
起歪体111への負荷は、デジタル信号の大きさに対して線形性を有する。そのため、下記の関係が成立する。
The load on the
Y1=A×X1+B ・・・(1)
Y2=A×X2+B ・・・(2)
Aは、スパン調整値であり、Bは、オフセット調整値である。
Y1 = A × X1 + B ・ ・ ・ (1)
Y2 = A × X2 + B ・ ・ ・ (2)
A is a span adjustment value, and B is an offset adjustment value.
上記の数式(1)および数式(2)から、次の数式(3)および数式(4)が成立する。
A=(Y1-Y2)/(X1-X2) ・・・(3)
B=(X1×Y2-X2×Y1)/(X1-X2) ・・・(4)
上記の数式(3)からスパン調整値を得ることができる。上記の数式(4)からオフセット調整値を得ることができる。
From the above mathematical formulas (1) and (2), the following mathematical formulas (3) and (4) are established.
A = (Y1-Y2) / (X1-X2) ... (3)
B = (X1 x Y2-X2 x Y1) / (X1-X2) ... (4)
The span adjustment value can be obtained from the above formula (3). The offset adjustment value can be obtained from the above formula (4).
演算部151による演算によって得られた、スパン調整値およびオフセット調整値は、記憶部152に記憶される。演算部151は、被測定物の荷重を測定する際に、歪みゲージ112の出力のデジタル信号に対して、記憶部152に記憶されているスパン調整値およびオフセット調整値を適用して、被測定物の荷重を算出する。
The span adjustment value and the offset adjustment value obtained by the calculation by the
本実施形態に係る荷重測定装置100においては、上記のように、ロードセル110のキャリブレーションが行なわれる。なお、デジタル信号の大きさX1およびX2の両方が0である場合は、制御部150は、歪みゲージ112、または、歪みゲージ112と接続されている電気系統が故障していると判断する。
In the
上記のように、ロードセル110の起歪体111に錘を着脱させるのは、歪みゲージ112の基準出力および定電流源170の基準電流供給量を決定する時のみである。歪みゲージ112の基準出力および定電流源170の基準電流供給量を決定した後は、ロードセル110の起歪体111に錘を着脱することなく、電磁石130によって起歪体111に電磁力を作用させることにより、ロードセル110のキャリブレーションを行なうことができる。
As described above, the weight is attached to and detached from the strain-causing
そのため、歪みゲージ112の基準出力および定電流源170の基準電流供給量を決定した後は、キャリブレーションをする度に、ロードセル110の起歪体111への錘の取り付けを人為的に行なう必要がない。また、ロードセル110の起歪体111への錘の取り付けを機械的に行なう必要もない。その結果、本実施形態に係る荷重測定装置100は、簡易な機械的構成を有しつつ簡易にキャリブレーションを行なうことができる。
Therefore, after determining the reference output of the
本実施形態に係る荷重測定装置100においては、起歪体111が片持ち梁状に支持され、電磁石130が起歪体111の先端部の下方に配置されており、電磁石130が起歪体111に電磁力を作用させていない状態において、起歪体111と電磁石130との間隔が、起歪体111の最大許容変位と略同一である。これにより、図3に示すように、過負荷F2が負荷されたときに起歪体111の先端部を電磁石130の芯部で支持できるため、起歪体111が最大許容変位以上撓むことを抑制することができる。すなわち、電磁石130は、ロードセル110に過負荷が作用した際に起歪体111が許容限度以上に撓まないようにするストッパーとして機能する。
In the
本実施形態に係る荷重測定装置100においては、起歪体111が片持ち梁状に支持されて、起歪体111の先端部の下方に電磁石130が配置されているが、電磁石130の配置は、上記に限られず、たとえば、磁性体部113が起歪体111の中央部に配置されており、この磁性体部113の下方に電磁石130が配置されていてもよい。
In the
なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 It should be noted that the above-described embodiment disclosed this time is an example in all respects and does not serve as a basis for a limited interpretation. Therefore, the technical scope of the present invention is not construed solely by the embodiments described above, but is defined based on the description of the scope of claims. It also includes all changes within the meaning and scope of the claims.
100 荷重測定装置、110 ロードセル、111 起歪体、112 歪みゲージ、113 磁性体部、120 支持部、130 電磁石、140 ベース、150 制御部、151 演算部、152 記憶部、160 定電圧源、161 信号増幅部、162 ノイズ除去部、163 変換部、170 定電流源、180 接続ケーブル。 100 load measuring device, 110 load cell, 111 strain generator, 112 strain gauge, 113 magnetic material part, 120 support part, 130 electromagnet, 140 base, 150 control unit, 151 arithmetic unit, 152 storage unit, 160 constant voltage source, 161 Signal amplification unit, 162 noise removal unit, 163 converter unit, 170 constant current source, 180 connection cable.
Claims (4)
前記起歪体に間隔をあけて配置され、前記起歪体に電磁力を作用可能に設けられた電磁石と、
前記歪みゲージの出力に基づいて前記荷重を算出する制御部とを備え、
前記制御部は、前記歪みゲージの出力が互いに同一となる前記荷重と前記電磁力との相関関係に基づいて、前記ロードセルのキャリブレーションを行なう、荷重測定装置。 A strain-generating body to which the load of the object to be measured is loaded, and a load cell containing a strain gauge attached to the strain-causing body,
An electromagnet arranged at intervals on the strain-causing body and capable of applying an electromagnetic force to the strain-causing body,
A control unit that calculates the load based on the output of the strain gauge is provided.
The control unit is a load measuring device that calibrates the load cell based on the correlation between the load and the electromagnetic force at which the outputs of the strain gauges are the same .
前記電磁石は、前記起歪体の支持部側とは反対側の端部の下方に配置されている、請求項1に記載の荷重測定装置。 A support portion that supports the strain-causing body in a cantilever shape is further provided.
The load measuring device according to claim 1, wherein the electromagnet is arranged below an end portion on the side opposite to the support portion side of the strain-causing body.
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