JP7185723B2

JP7185723B2 - ロードセル

Info

Publication number: JP7185723B2
Application number: JP2021080242A
Authority: JP
Inventors: 満帆森; 直紀伊藤
Original assignee: Nichidai Corp
Current assignee: Nichidai Corp
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2022-12-07
Anticipated expiration: 2041-05-11
Also published as: JP2022174445A; WO2022239260A1

Description

本発明は、金型内に埋め込んで部分的な力を計測する小型かつ大荷重を計測可能なロードセルに関する。

重さ、圧力を計測するものとしてロードセルがある。市販されているロードセルは小型なものもあるが、それらは許容荷重が数ｔ～数千ｔを計測するものではなく、ほぼ数ｔ未満の重さ、圧力を精度良く計測することに重点が置かれている。なお、市販という意味は特注ではないという意味である。

一方、市販という制約を除けば、数百ｔ程度の圧力や重さを測ることのできるロードセルの製作は可能であるようだが、ここで問題となるのは、特にほぼ５０ｋＮ(約５ｔ)を境として、小型という範疇を超えて、もはや非常に大きな構造体となる傾向にある。大きな構造体となってしまう理由は後述するが、構造体として大きなものとなると、数ｔ～数千ｔというプレス圧力を計測しようとして、金型内に埋め込んで部分的な力を計測することが困難である。

そこでロードセルの小型化を目的とした技術として、例えば、特許文献１（特開２００１－９９６９８号公報）は、負荷特性に優れ、「小さな力」に対しても良好に測定できるロードセルを提供することを目的として、起歪体における歪ゲージを設ける部位（起歪部）と荷重受け部とを別体で構成し、これらの起歪部と荷重受け部とを溶接により接合することを提案している。

特許文献１は、荷重受け部からとこの荷重受け部の荷重を歪ゲージに伝達する起歪体とが鋼材などで一体形成された構成を前提としている。この前提構成において、小さな荷重を良好に測定できる小型なものを作成しようとして、起歪体の形状を小さくすると、起歪部の外周面も小さくなり、歪ゲージ貼り付けが困難になる、また、前記を回避しようとしてヤング率の小さい材料で起歪体を構成すると、荷重受け部の先端部の接触面強度が不足する、と課題提起している。

また、特許文献２（特開２０１４－８１３５３号公報）には、高強度金属を打ち抜いて形成されるいわゆるビーム型の起歪体の小型化を図ることを目的として、起歪体を、少なくともバナジウム及びクロムを含み、鉄を主成分とする金属粉体をプレス成形して焼結することで得ることが提案されている。

特許文献２は、主として体重計を構成するロードセルにおけるビーム型の起歪体について、打ち抜き部分の幅を厚み以上とする必要があることから、起歪体の寸法に制約が生じることを前提課題としている。特許文献２は、この前提課題を解決して、かつ起歪体の寸法を小さくしたり、複雑な形状にしたりするために、起歪体を薄くするあるいは低強度金属を用いることを検討したが、こうすると起歪体自体の機械的強度が低下する可能性があり、一方、前記と逆に高強度金属を用いることも検討したが、こうすると打ち抜き断面がだれたりするなどの加工精度の差が生じて起歪体の厚みや幅を均一化できず、結果、測定精度が制限される、と前提課題とは別の新たな課題を提起している。

すなわち、特許文献１は、小さな荷重を良好に測定できる小型なロードセルの実現は可能であったとしても、起歪部と荷重受け部との溶接部分が数ｔ～数千ｔに耐え得るとは思えず、また、大きな荷重によって荷重受け部が起歪部に対して傾く可能性があるとともに、位置ずれなく高精度で溶接されないと、分離、破壊してしまう。

一方、特許文献２は、高強度金属材料の粉体を焼結して一般的な冶金的見地では高強度な金属材料を得ることができるとしても、あくまでも小型で複雑な形状のビーム型の起歪体を得ることを主題とした、打ち抜き手法の代替として粉末冶金を採用しているに過ぎず、数ｔ～数千ｔを計測できる程度の機械的強度を意図したものではない。

以上のとおり、上記特許文献１，２はいずれも該特許文献１，２各々の固有の技術的課題を解決するためになされたものではあり、また、従来の小型と称されるロードセルは、市販の範疇で、ある一定の重さ、圧力を精度良く計測できるが、それだけであって、小型でしかも数ｔ～数千ｔを計測することを目指したものではなかった。

したがって、特許文献１，２と逆説的に、従来のほぼ５０ｋＮ(約５ｔ)を境として、例えば１００ｋＮ（約１０ｔ）を計測可能なロードセルの構成は、自ずと単体では起歪体が大きくなって、少なくとも直径１０ｃｍ以上、場合によっては直径１５ｃｍ以上もの大きさとなり、比較的小型のロードセルを複数用いて分散させて計測する場合では複数のロードセルの総計面積が大きくなってしまい、いずれにおいても金型に内装することなどできなかった。

特開２００１－９９６９８号公報特開２０１４－８１３５３号公報

解決しようとする問題は、特許文献１，２を含む従来のロードセルは、例えば金型内に埋め込んで部分的な力を計測できる程度に小型で、かつ数ｔ～数千ｔを計測できる構成ではなかった点である。

上記課題を解決するため、本発明は、金型装置に内装され、金型で生じる数ｔ～数千ｔの圧縮荷重を計測するロードセルであって、１５０ｋｇｆ／ｍｍ² を超える圧縮荷重で塑性変形しない材質で、荷重受け部分と一体とされたコラム型で直径１５ｃｍ未満の起歪体と、この起歪体の軸方向の途中位置の周面に設けた歪ゲージと、前記歪ゲージを設けた前記起歪体の中央部に被覆され、該起歪体の歪みに追従する保護体とを有し、前記起歪体の周辺には、前記荷重受け部、前記歪ゲージ、前記保護体のみが存在する構成とした。

本発明は、単位面積当たりの耐荷重の大きな材質を起歪体として採用することで、単純計算で、小型、すなわち数ｃｍ² ～数１０ｃｍ² もの（断）面積があれば数ｔ～数千ｔを計測できるという利点がある。

本発明のロードセル構成の一例を示す図である。本発明のロードセル構成の他の例を示す図である。各鋼材による引張強度とひずみ量の関係を示す図である。ヒステリシスループ特性を説明するための図である。

本発明は、金型装置に内装され、金型で生じる圧縮荷重を計測できる直径数ｃｍ～１０数ｃｍの程度に小型で、かつ数ｔ～数千ｔを計測できるロードセルを得るために、１５０ｋｇｆ／ｍｍ² を超える圧縮荷重で塑性変形しない材質で、荷重受け部分と一体とされたコラム型で直径１５ｃｍ未満の起歪体と、この起歪体の軸方向の途中位置の周面に設けた歪ゲージと、前記歪ゲージを設けた前記起歪体の中央部に被覆され、該起歪体の歪みに追従する保護体とを有することとした。

本発明において、小型とは、金型内に埋め込んで部分的な力を計測するという特殊用途で使用可能な程度、具体的には起歪体（又はロードセル構成全体の平面視サイズ）が直径で数ｃｍ～およそ１０ｃｍを意味する。そして、本発明は、前記範囲のサイズでありながら金型で生じる数ｔ～数千ｔの力を計測できるロードセルを提供することを課題とした。まず、本発明と同種の従来の（コラム型）ロードセルの構成について説明する。

一般的なコラム型ロードセルは、ケース内から突出して力を受ける部分（以下、荷重受け部という）が形成され、該ケース内に、荷重受け部と接続された本例では円柱状（コラム状）の起歪体と、この起歪体の周面に設けられ、起歪体の歪み量を電気抵抗の変化として検出する歪ゲージ及びこの歪ゲージにより形成された電気抵抗の変化を増幅するためのブリッジ回路が設けられ、該ケース外に歪ゲージからの出力を取り出してモニタする機構が設けられている。

上記一般的なコラム型のロードセル構成において、歪みゲージへの衝撃や摩擦による破損及び塵や埃の付着よるノイズを防止すると共に、起歪体を湿気や酸化による腐食から保護するためのケース(ハウジング)周りの構成が起歪体の径に対して全体構成を大きくしている。本願発明のロードセルの用途の特殊性を勘案すると、小型化のために、ケースと該ケースによる起歪体の保護空間の必要サイズから始まって、最終的にケースに代わる起歪体の別の保護手法があるのではないかと模索した。

その一方で、数ｔ～数千ｔを計測できるロードセル（起歪体）について模索したところ、上記のとおり、小型という制約を外せば可能であるが、小型であるという制約を課すとケースが占める絶対的なサイズがネックとなって一定サイズからはどうしても小さくできないことが判った。つまりケースを小さくすると、それに伴って起歪体も小さく（コラム型で言うと径を小さく）せざるを得ず、その結果、大きな力や荷重を計測する起歪体とすることができないことが判った。

上記の現象に基づくと、従来、ケースは、コラム型の起歪体の径に対して確保する空間があると仮定すると、例えば、起歪体の径を大きくするとそれ相応にケース内の空間も大きくせざるを得なかったものと推測でき、従来の市販のロードセルが、ほぼ５０ｋＮ（約５ｔ）を境として、ロードセルのサイズが小さくとも直径１５ｃｍ以上もの大きさとなることと符合する。

ここで、従来のロードセルにおける起歪体について考察すると、従来のロードセルにおける起歪体は、必要な機械的強度を備えながらも、比較的安定かつ明確に歪み、かつ耐蝕性及び加工性に優れた材質、すなわち一般的にアルミ合金や鉄鋼材料、ステンレス鋼などが使用されてきた。

これらの材料の強度は、次のとおりである。例えば、上記で言うと、アルミ合金であれば一般的にジュラルミンと言われるＡ２０１４の強度が約４５０ＭＰａ、鉄鋼材料では高炭素鋼のＳ５０Ｃの強度が約６００Ｍｐａ、合金鋼のＳＣＭ４４０（クロムモリブデン鋼）の強度が約９９０ＭＰａ、ステンレス鋼のＳＵＳ３０４の強度が約５２０ＭＰａ、同じくステンレス鋼のＳＵＳ６３０の強度が約１３１０ＭＰａである。これら材料は、ロードセルの起歪体として採用した場合、破壊（引っ張って破断する）の境界の上記の強度から安全率を見込んで低めに設定される。

以上の考察から、ケースなどの起歪体外の周辺構成を工夫するにも限界があり、一般的な材質の起歪体の小型化に関しては上記強度の制約が生じることが判った。したがって、大荷重に耐え得る、つまり塑性変形しない材質を起歪体とすれば、単位面積あたりの耐塑性変形荷重も向上するから起歪体（径）を小型化可能であると仮定した。

また、上記のとおり起歪体を小型化すればケースもある程度の小型化は可能であるとしてもケースという概念では限界があることを考慮すると、ケースを排除することでさらなる小型化も可能であると仮定した。すなわち、本発明では、その用途の特殊性から、起歪体と歪ゲージ周辺をケースで囲って保護せず、起歪体の歪みに追従する柔軟な材料で「被覆」して保護することとした。

本発明は、目標とするロードセル構成全体の平面視サイズは直径で数ｃｍ～およそ１５
ｃｍの範囲とし、ここでは、具体的には直径１０ｃｍでありながら金型で生じる数ｔ～数千ｔの力を許容荷重と想定して換算すると、少なくとも１５０ｋｇｆ／ｍｍ² を超える圧縮荷重で塑性変形しない起歪体とすれば、前記具体例の直径１０ｃｍ（面積約７８．５ｃｍ²）では、約１１８０ｔｆを許容荷重とすることができる。

上記のとおり、起歪体は、１５０ｋｇｆ／ｍｍ² より下（一般に使われる材質が１００ｋｇｆ／ｍｍ² 以下）に塑性変形する強度限界がある場合、数ｔ～数千ｔの力を計測しようとすると、起歪体のサイズ、引いてはロードセル全体サイズが、金型に内装することができないほど大きくなる可能性がある。

また、直径１５ｃｍを超えるサイズの起歪体又はロードセルのサイズであると、金型で生じる数ｔ～数千ｔの力を計測できるとしても、前記と同じく金型に内装することができない可能性がある。したがって、本発明は、寸法と計測許容荷重とのバランスが重要であり、少なくとも１５０ｋｇｆ／ｍｍ² を超える圧縮荷重で塑性変形しない起歪体を採用すれば寸法の問題は自ずと解決できることとなった。

そして、本発明は、荷重受け部分について起歪体と別体とせず、起歪体と一体、つまり起歪体の一方端を荷重受け部分とすることで、さらに全体サイズの小型化の実現と、大きな力を計測するうえでの全体剛性の向上に寄与できることとなった。

さらに、本発明は、上記構成において歪ゲージは、一方端側と他方端側とを往復するように複数折り返された抵抗体の往復方向が、前記起歪体の軸と平行とされた第１歪ゲージと、起歪体の軸と直交とされた第２歪ゲージと、を１対とした、いわゆるクロスゲージを採用すれば、数ｔ～数千ｔの力を精度よく計測できる。

以下、本発明をより具体的に説明する。本発明のロードセル１は、いわゆるコラム型とされ、図１及び図２に示すように、起歪体２と、この起歪体２の上端面又は下端面に一体的に形成された荷重受け部３と、該起歪体２の周面に設けられ、起歪体の歪み量を電気抵抗の変化として検出する歪ゲージ４と、起歪体２の特に歪ゲージ４を設けた中央部に被覆され、起歪体２の歪みに追従する樹脂でなる保護体５とを備え、これらの他、図示しないが、歪ゲージ４により形成された電気抵抗の変化を増幅するためのブリッジ回路、歪ゲージからのブリッジ回路を介した出力を取り出してモニタする機構、が設けられている。

本発明のロードセル１には、一般的なコラム型のロードセルとは異なり、起歪体２を収容するケースやその他例えばダイヤフラムなどの構成は存在しない。つまり、起歪体２周辺には、荷重受け部３、歪ゲージ４、保護体５のみが存在する構成であり、起歪体２の上下端面の直径がすなわちロードセル１全体直径ということとなる。

図１に示すロードセル１は、起歪体２が円柱のものを示し、図２に示すロードセル１は、起歪体２の中央部径が上下端部径より小さい円柱状のものを示している。図１のものは、金型装置構成上、起歪体２と周囲構成とが接触しない（干渉しない）場所に用い、図２のものは金型装置に内装された際に起歪体２の中央部位が干渉する場所に用いる（干渉しないように中央部の径が小さくなっている）。

また、本例では、歪ゲージ４は、一方端側と他方端側とを往復するように複数折り返された抵抗体の往復方向が、起歪体２の軸と平行とされた第１歪ゲージ４ａと、起歪体の軸と直交とされた第２歪ゲージ４ｂと、を１対とした、いわゆるクロスゲージを採用している。なお、この歪ゲージ４の対の数は、直径対向位置で２対以上設けても構わない。

起歪体２は、数ｃｍ～およそ１５ｃｍの範囲の直径とされ、金型で生じる数ｔ～数千ｔの力を計測できるものを採用している。つまり、上記直径から換算すると単位面積あたり１５０ｋｇｆ／ｍｍ² を超える圧縮荷重で塑性変形しない起歪体２を採用している。

本発明では、単位面積あたり１５０ｋｇｆ／ｍｍ² を超える圧縮荷重で塑性変形しない起歪体２として、例えば、次の強度を有した工具鋼を採用して好適である。

図３に示すように、各鋼材の引張強度と歪み量との関係は、σ＝εＥ（フックの法則 σ：応力Ｅ：縦弾性係数 ε：ひずみ）から、ε＝σ／Ｅにて簡易的に求めることができる。例えば鉄系材料は２１０ＧＰａ、アルミ合金は７０ＧＰａ、超硬合金は４００～５００ＧＰａとされている。

なお、図３では各種鋼材の引張強度を示しているが、本発明の専らの用途は金型の押圧荷重を計測するので、計測したい力は引張強度ではなく、圧縮強度である。ここで、各材料は引張強度についての公称値があるが、圧縮強度の公称値が存在しないものもある。図４にはヒステリシスループ特性を示す。すなわち、このヒステリシスループ特性に基づけば、引張強度を圧縮強度として見ても、歪み量、降伏点（弾性限界）にほとんど差が生じないということがわかる。

図４によれば、一般的なロードセルの起歪体として採用され得る、鉄鋼材料のＳ４００、Ｓ５０Ｃ、合金鋼のＳＣＭ４４０、ステンレス鋼のＳＵＳ３０４、アルミ合金のＡ２０１４、は、（引張）強度が約１０００ＭＰａ以下である。また、ＳＵＳ６３０については強度が約１３１０ＭＰａである。

上記に対し、ＪＩＳで規定された合金工具鋼として規定されるＳＫＤ１１（図４）やＳＫＤ６１、ＳＫＳ３など、ハイスと称される、高速度（工具）鋼として規定されるＳＫＨ５１（図４）など、マトリックスハイス鋼として規定されるＹＸＲ７など、粉末ハイス鋼として規定されるＨＡＰ４０、タングステンカーバイドを主成分とした超硬合金のＮＣ１６（図４）は、（引張）強度が約１５００ＭＰａ以上である。すなわち、これらは１５００ＭＰａ以上の力を許容できることとなる。

これを単位面積ｍｍ² として換算すると、１５０ｋｇｆ／ｍｍ² となり、この条件を起歪体２の条件とすれば、単純計算で１ｃｍ² の面積で１５ｔｆの許容荷重の起歪体２となり、つまり数ｃｍ～およそ１０数ｃｍ程度の直径で、数ｔ～数千ｔの力で塑性変形しない起歪体２を得られることとなる。

ちなみに、本発明は、鋼材種で限定されないが、従来のロードセルに使われなかった背景としては、工具鋼など高強度な鋼材は、一般的には工具に使用することが多く、つまり非常に硬い材料であることから、例えば加工が非常に難しいゆえ、こうした構成部品の一つとして使用することが考えられなかったと推測される。しかし本発明では起歪体２の形状も特段複雑ではなく、また、起歪体２の上下端面が（図１のように）そのまま荷重受け部３とされることから、採用するには好適であった。

さらに、本発明は、コラム型の起歪体２を保護するケースを排除して代わりに起歪体２の歪みに追従する例えば樹脂でなる保護体５で起歪体２を保護することで、長期使用にも耐えることができ、また、本発明は、歪ゲージ４を第１歪ゲージ４ａと第２歪ゲージ４ｂを用いてクロスゲージとすることで、大きな力や重さを計測する際にも比較的精度良く計測が可能である。

１ロードセル
２起歪体
３荷重受け部
４歪ゲージ
４ａ第１歪ゲージ
４ｂ第２歪ゲージ
５保護体

Claims

金型装置に内装され、金型で生じる数ｔ～数千ｔの圧縮荷重を計測するロードセルであって、１５０ｋｇｆ／ｍｍ² を超える圧縮荷重で塑性変形しない材質で、荷重受け部分と一体とされたコラム型で直径１５ｃｍ未満の起歪体と、この起歪体の軸方向の途中位置の周面に設けた歪ゲージと、前記歪ゲージを設けた前記起歪体の中央部に被覆され、該起歪体の歪みに追従する保護体とを有し、前記起歪体の周辺には、前記荷重受け部、前記歪ゲージ、前記保護体のみが存在する構成とされたロードセル。
前記歪ゲージは、一方端側と他方端側とを往復するように複数折り返された抵抗体の前記往復方向が、前記起歪体の軸と平行とされた第１歪ゲージと、前記起歪体の軸と直交とされた第２歪ゲージと、を１対とした請求項１記載のロードセル。