JPH01253622A - ダイヤフラム型荷重変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）　　技術分野 本発明は、ダイヤフラム型荷重変換器に関し、より詳細
には、剛性大なる短円筒状の固定基部の内周に、その中
心軸と直交する方向に延びる円板状のダイヤフラムが一
体に連接されると共に、このダイヤフラムの中央部に前
記中心軸方向に延びる剛性大なる短円柱状の荷重・導入
部が一体に連接され、前記ダイヤフラムの一面側にひず
みゲージが添着され、前記荷重導入部に印加された被測
定荷重を前記ひずみゲージにより電気信号に変換して検
出する荷重変換器に関するものである。

（ｂ）　　従来技術 第６図は、従来のダイヤフラム型荷重変換器の一例を一
部破断し且つ底面側から見た状態で示す斜視図、第７図
は、その縦断面図である。

この第６図、第７図に示す従来の荷重変換器は、厚肉で
剛性の大きな短円筒状の固定基部１と、この固定基部１
の内周から内方に延びる円板状のダイヤフラム２と、こ
のダイヤフラム２の中心部の一面側（第２図においては
上方側）に延びる剛性大なる短円柱状の荷重導入部３と
から起歪体４が構成されており、この起歪体４のダイヤ
フラム２の荷重導入部３近傍および固定基部１近傍の部
位にはダイヤフラム２の変形（撓み）に応じて伸縮しそ
の抵抗値を増減するひずみゲージＳＧＩ、ＳＧ２および
ＳＧ３．ＳＧ４．　　・・・・・がそれぞれ接着されて
荷重変換器が構成されている。

このような構成よりなる上記従来のダイヤフラム型荷重
変換器は、受感部が１枚の円板状となっており、極めて
シンプルな構造であるため、他の構造の荷重変換器しこ
比べて安価に製作できるという利点がある。

しかしながら、上記ダイヤフラム型荷重変換器は、この
ような利点を有するにも拘らず、曲げビーム型、剪断型
等の荷重変換器に比べ使用される頻度が少ない。その理
由の１つとして、ダイヤフラム型荷重変換器は、他の形
式の荷重変換器に比べ直線性が劣っていることが挙げら
れる。

即ち、この形式の荷重変換器は、主として中・低容量の
ものに使用されるが、容量が小さくなればなる程、所要
の出力を得るために、ダイヤフラム２の肉厚が薄くなり
撓み（変位）量が大きくなる。このようにダイヤフラム
２の変位量が大きくなればなる程、ダイヤフラム２の半
径方向の引張り力が大きくなりその引張り力の反力によ
って荷重−変位特性あるいは荷重−ひずみ出力特性の直
線性が悪くなる。つまり、例えば荷重によって発生する
撓み量の増加率は、印加荷重の増加に伴って低下する。

因みに、第６図、第７図しこ示す荷重変換器において、
定格容量が５０ｋｇのものの場合非直線性は、０．２％
ＲＯ（Ｒａｔｅｄ　Ｏｕｔ　＝ｐｕｔ）に達してしまう
。

従来、ダイヤフラム型荷重変換器の非直線性の改善につ
いては、これまでも数々の方法が試みられてきた。しか
し、ダイヤフラム構造の受感部は、非直線性、出力感度
、変換器自身の強度等の数種の因子が複合的に絡み合っ
ているので、これらの１一つの因子のみを他の因子に影
響を及ぼさずに改善して非直線性を良好なものにするこ
とは至難なことであった。

ところで、ダイヤフラム型変換器の定格容量は、ダイヤ
フラムの直径が決まればその厚さは一義的に決められて
しまう。従って、低容量のものを製作しようとすると、
ダイヤフラムの厚さは、極めて薄くなり、ひずみゲージ
をダイヤフラムに接着することにより、そのひずみゲー
ジが接着されたダイヤフラムの部分の剛性が高まってし
まい（いわゆる補強効果が生じ）、正確なひずみ量を検
出できなくなってしまうという問題があった。

この問題に対処すべくなされたものとして、米国特許第
３７１２１２３号にて提案されたダイヤフラム型の荷重
変換器がある。

この米国特許にて提案されたダイヤフラム型荷重変換器
を、第８図および第９図に示す。

同図に示す荷重変換器を第６図、第７図に示したもの（
以下「前者」という）と対比すると、固定基部５とダイ
ヤフラム６と荷重導入部７とから起歪体８が形成され、
ダイヤフラム６にひずみゲ−ジＳＧが添着されて成る基
本的な構成は共通しているが、ダイヤフラム６が一様の
肉厚でなく、中間部が最も薄く、この中間部から固定基
部５および荷重導入部７に到るにつれて次第に厚みが直
線的に増大するような形状、即ち断面三角形状の円環溝
９が形成されている点、およびダイヤフラム６の半径方
向の幅（荷重導入部７の外周と固定基部５の内周との間
の距離）に等しい直径を有する日清１０が等角度間隔で
４個穿設されている点で相違している。

このような構成からなる後述の荷重変換器は、ひずみゲ
ージＳＧを添着する部分が比較的厚肉になるため、変位
量が小さくなり、結果として荷重−ひずみ出力特性の直
線性が改善される。さらにひずみゲージＳＧがダイヤフ
ラム６の剛性を高めるという悪影響も少なくなる、また
、ダイヤフラム６のひずみ分布が均一化の方向に近づく
ようになるため、ひずみゲージＳＧの添着位置の位置ず
れによる出力感度の変化が緩やかになるという点で、前
者の荷重変換器に比べ優れている。

しかしながら、この後者の従来の荷重変換器には、次に
述べる問題がある。

第１に、荷重−ひずみ出力特性の直線性の改善に限界が
あるという問題がある。これは、４個の円滑によりひず
みゲージＳＧを添着する部分を厚くする量に限界がある
ということに起因する。

第２に、ダイヤフラム６の全面に断面三角形状の円環溝
９を旋削加工により形成すること、つまり、２つの異な
るテーパー面を旋削する作業は、簡単ではなく、熟練作
業者が時間をかけて加工しなければならないので、その
分コストが嵩むという問題がある。

第３に、ひずみゲージＳＧを接着、その他の手段により
添着する部分が、傾斜しているため、ひずみゲージＳＧ
が添着しにくいばかりでなく、添着されたひず不ゲージ
ＳＧが予定の位置に添着されたか否かの検査がしにくい
という問題がある。

（ｃ）　目的 本発明は、上記従来のダイヤフラム型荷重変換器の問題
点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、簡
素な構成で、旋削加工およびひずみゲージの添着作業並
びに添着位置ずれの検査を極めて容易に行い得るにも拘
らず、低容量で、荷重−ひずみ出力特性の直線性を大幅
に改善し得るダイヤフラム型荷重変換器を提供すること
にある。

（ｄ）　　構成 本発明は、上記目的を達成させるため、剛性大なる短円
筒状の固定基部の内周に、その中心軸と直交する方向に
延びる円板状のダイヤフラムが一体に連接されると共に
、このダイヤフラムの中央部に前記中心軸方向に延びる
剛性大なる短円柱状の荷重導入部が一体に連接され、前
記ダイヤフラムの一面側にひずみゲージが添着され、前
記荷重導入部に印加された被測定荷重を前記ひずみゲー
ジにより電気信号に変換して検出する荷重変換器におい
て、前記ダイヤフラムの一面側に、前記中心軸を中心と
し、前記荷重導入部に被測定荷重が印加されたとき曲げ
モーメントがほぼ零になる変曲点近傍を通る断面略円弧
状または断面略逆Ｕ字状の円環溝を形成し、前記ダイヤ
フラムの前記用環溝を挟んでその内方側および外方側に
、それぞれ曲げひずみを検出し得る方向にゲージ軸を向
けて前記ひずみゲージを添着したことを特徴とするもの
である。

以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明
する。

第１図および第２図は、本発明の第１実施例の構成を一
部破断し且つ底面側から見た状態で示す斜視図および正
面中央縦断面図である。

同図において、１１は、厚肉で剛性の大きな短円筒状を
呈する固定基部である。１２は、この固定基部１１の内
周から内方に延びる円板状のダイヤフラムである。１３
は、このダイヤフラム１２の中心部の一面側（荷重導入
側）に突出するように延びる剛性大なる荷重導入部であ
る。そして、これら固定基部１１、ダイヤフラム１２お
よび荷重導入部１３とから起歪体１４が構成されており
、その材質としては、一般には、高応力に耐え、応力−
ひすみ特性にヒステリシスがなく、直線性のよい、ニッ
ケルークロム鋼、ニッケルークロム−＝８＝ モリブデン鋼が多く用いられるが、用途によっては、析
出硬化型超高張力鋼、アンバ（商品名）、Ｎｉ　−８ｐ
ａｎＣ、ベリリウム−銅合金、アルミニウム合金なども
用いられる。

特に、本実施例における要部は、ダイヤフラム１２の一
面側（荷重導入側とは反対側）に、ダイヤフラム１２の
中心（または固定基部１１の中心軸）を円中心とする断
面略円弧状または断面略逆Ｕ字状の応力集中溝たる円環
溝１５が形成されていることであり、より具体的には、
この円環溝１５は、ダイヤフラム１２の中心を円中心と
し、荷重導入部１３に被測定荷重が印加されたとき曲げ
モーメントがほぼ零になる変曲点を通るような部位に形
成されていることである。

そして、このように形成されたダイヤフラム１２の一面
側（内面側）には、上記円環溝１５を挟むようにして、
内方側部位および外方側部位に、ゲージ軸をそれぞれ半
径方向に向けて各４枚のひずみゲージＳＧａおよびＳＧ
ｂが接着、溶着、蒸着、スパッタリング、その他の手段
により添着されている。

次に、このような構成よりなる第１実施例の作用につき
説明する。

荷重変換器の荷重導入部］−３に被測定荷重（圧縮荷重
）が印加されると、固定基部は、図示省略の台座等の固
定部材に支持されているため、ダイヤフラム１２が下側
に凸に撓む。このとき、ダイヤフラム］２上に生ずる半
径方向ひずみは、第３図のひずみ分布線図に示すひずみ
分布曲線１６のようになる。つまり、ひずみゲージＳ　
Ｇ　ａが添着されたダイヤフラム１２の下面側の荷重導
入部］３寄りの部位には大きな引張りひずみが生じ、ひ
ずみゲージＳＧｂが添着されたダイヤフラム１２の固定
基部１１寄りの部位には大きな圧縮ひずみが生じ、円環
溝１５の内方近傍および外方近傍には、小さなピークを
示す引張りひずみおよび圧縮ひずみが生じるが、円環溝
１−５の中心部は、ひずみが実質上生じない。ところで
、上述したように、ダイヤフラムコ２が大きく撓んだ場
合、ダイヤフラム１２は半径方向に引張られるため、そ
の反力が被測定荷重を支えてしまう従来例においては、
荷重−ひずみ特性の直線性が大きく損なわれている。し
かし、本実施例においては、円環溝１５が形成されたダ
イヤフラムコ２の部位は薄肉とされでいるため、引張り
応力がこの部位に集中し、ダイヤフラム１−２の半径方
向の引張り力を受けて局部的に伸張する。つまり、ダイ
ヤフラｂ　１−２に作用する引張り力は、専ら、円環溝
１５の部分で吸収され、他のダイヤフラノ１１２の部分
には専ら曲げモーメントが作用することとなる。しかも
、この円環溝１−５は、この＋ｆｌ＋　ｌプモーメント
が零となる変曲点近傍部位に形成しであるから、この円
環溝１５を形成したことによる曲げモーメントの低下等
を生じさせることがない。従って、本実施例の荷重変換
器によれば、特にダイヤフラム１２の撓み量が大きく引
張りカの影響を大きく受ける低容量の荷重変換器であ、
っても、ダイヤフラム］２に生ずる引張り力は、円環溝
１５の部分での伸張によって吸収するため、荷重−ひず
み出力特性の直線性を大幅に改善することができる。さ
らに、非直線性の改善のための複雑な回路を設ける必要
がないから、荷重測定装置全体の構成が簡単化され、コ
ストを低減させることができる。

因みに、第１図、第２図に示す荷重変換器で定格容量が
５０ｋｇのものの場合、非直線性は０．０４％ＲＯと、
従来のものに比べて］１５程度に減少させることができ
た。

さらに、この第１実施例によりば、円環溝１５は、細幅
の断面円弧状または断面逆Ｕ字状であるから、例えば旋
盤によって簡単に旋削することができ後者の従来例のよ
うにテーパー状に旋削加工する場合に比べて、加工コス
トを低減させることができる。

また、ひずみゲージＳＧａ　、Ｓ’Ｇｂを添着するダイ
ヤフラム１２の面は、平面状を呈しているため、ひずみ
ゲージＳＧａ　、ＳＧｂの添着作業が容易化され、その
上、ひずみゲージＳ　Ｇａ　、　Ｓ　Ｇｂが予定の位置
に正確に添着されているか否かの確認作業も容易化され
る。

第４図および第５図は、本発明の第２実施例の構成を一
部破断して示す斜視図および縦断面図である。

この第２実施例は、」−述した第１実施例とほぼ同様な
特徴を有しているが、内溝１７が穿設されている点のみ
が相違している。この内溝１７は、ダイヤフラム１２の
半径方向の幅（荷重導入部１３の外周面と固定基部１１
の内周面との間の距離）に等しい直径を有する座繰り穴
として等角度間隔（図示の実施例においては９０度間隔
）で４個穿設されている。

このように構成された第２実施例によれば、第１実施例
と同様の利点が得られるほか、より一層の低容量化が実
現可能となる。即ち、内溝」−７の穿設によってダイヤ
フラム１２の実質的な薄肉化を図り、ダイヤフラム１２
の厚肉の部分（内溝１７および円環溝１５の形成されて
いない部分）であって且つ、引張りひずみおよび圧縮ひ
ずみが大きく発生する部分にひずみゲージＳ’Ｇａ　、
　ＳＧｂを添着しであるので、極低容量用のダイヤフラ
ム１２であっても、ひずみゲージＳ　Ｇａ　、　Ｓ　Ｇ
ｂを添着することによる補強効果は実質土庄じない。

従って、被測定荷重に正確に対応したひずみ出力をひず
みゲージから、より具体的には、これらのひずみゲージ
ＳＧａ　、ＳＧｂによって組まれるホイートストンブリ
ッジの出力端から導出することができる。

尚、本発明は、上述した実施例に何ら限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施
が可能である。

例えば、ひずみゲージＳＧａ　、、’Ｓ’Ｇｂは、上述
した実施例では半径方向にゲージ軸（受感軸）を向けて
添着した例で説明したが、円周方向にゲージ軸を向けて
添着してもよい。

また、ダイヤフラム１２の中心部に一体に形成された荷
重導入部１３は、図示の実施例では、上方にのみ延設さ
れているが、下方にも延設するようにしてもよい。

（ｅ）効果 以上詳述したように本発明によれば、ダイヤフラムの一
面側に、荷重導入部に被測定荷重が印加されたとき曲げ
モーメントがほぼ零になる変曲点近傍を通る断面略円弧
状または断面略逆Ｕ字状の円環溝を形成し、ダイヤフラ
ムの前記円環溝を挟んでその内方側および外方側に、そ
れぞれ曲げひずみを検出し得る方向にゲージ軸を向けて
ひずみゲージを添着した構成となしたから、構成が簡素
で、旋削加工、ひずみゲージの添着作業および添着位置
ずれの検査が極めて容易に行うことができ、よって生産
コストが低減化でき、しかも低容量のものであっても荷
重−ひずみ出力特性の直線性が頗る良好なダイヤフラム
型荷重変換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例の構成を一部破断し且つ
底面側から見た状態で示す斜視図、第２図は、同実施例
の正面中央縦断面図、第３図は、同実施例の作用を説明
するためのもので、ダイヤフラムの位置と半径方向ひず
みとの関係を示すひずみ分布線図、第４図は１本発明の
第２実施例の構成を一部破断し且つ底面側から見た状態
で示す斜視図、第５図は、同実施例の正面中央縦断面図
、第６図は、従来のダイヤフラム型荷重変換器の一例を
一部破断し且つ底面側から見た状態で示す斜視図、第７
図は、同側の正面中央縦断面図、第８図および第９図は
、従来のダイヤフラム型荷重変換器の他の例を同様に示
す斜視図および正面中央縦断面図である。 １１・・・・・・固定基部、 １２・・・・・・ダイヤフラム。 １３・・・・・・荷重導入部、 １４・・・・・・起歪体、 １５・・・・・・円環溝、 １７・・・・・・円滑。 第　　１　　　図 第　　２　　図 Ｇａ 第　　３　　図 第　　４　　図 第　　５　　図 第　　６　　図 第　　７　　図 第　　８　　　図 第　　９　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）剛性大なる短円筒状の固定基部の内周に、その中
   心軸と直交する方向に延びる円板状のダイヤフラムが一
   体に連接されると共に、このダイヤフラムの中央部に前
   記中心軸方向に延びる剛性大なる短円柱状の荷重導入部
   が一体に連接され、前記ダイヤフラムの一面側にひずみ
   ゲージが添着され、前記荷重導入部に印加された被測定
   荷重を前記ひずみゲージにより電気信号に変換して検出
   する荷重変換器において、前記ダイヤフラムの一面側に
   、前記中心軸を中心とし、前記荷重導入部に被測定荷重
   が印加されたとき曲げモーメントがほぼ零になる変曲点
   近傍を通る断面略円弧状または断面略逆Ｕ字状の円環溝
   を形成し、前記ダイヤフラムの前記円環溝を挟んでその
   内方側および外方側に、それぞれ曲げひずみを検出し得
   る方向にゲージ軸を向けて前記ひずみゲージを添着した
   ことを特徴とするダイヤフラム型荷重変換器。