JPH01292225A - 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、荷重変換器に関し、より詳細には、起歪体の
荷重導入部に印加される荷重の大きさを前記起歪体の受
感部に添着されたひずみゲージによって電気的に検出す
る荷重変換器に関するものである。

（ｂ）　　従来技術 第６図および第７図に、いわゆるＳ字形の荷重変換器の
一例の斜視図および正面図を示す。

第６図、第７図において、１は荷重変換器の本体をなす
起歪体であり、全体形状が長方形で且つ適宜なる厚みを
する角板状の部材の中央に円形の貫通孔２を形成し、こ
の貫通孔２を挟んで上下に互いに平行で且つ互いに反対
側の側端面から貫通孔２の上下を通り過ぎる中間部位ま
で水平方向（荷重軸方向と直交する方向）に延びる一対
のスリット３．４を形成し、さらに、上端面および下端
面からそれぞれ所定深さに達する雌ねじ穴５（下端面側
の雌ねじ穴は、図には現われていない）を形成しである
。

このように形成された起歪体１において、中央部のビー
ムは、その中央に貫通孔２が穿設されて他の部分（後述
する荷重導入ビーム、荷重支持ビーム、連結剛体部）よ
り肉厚が薄く荷重により変形して起歪部として機能する
受感部を有する受感ビーム６とされている。この受感ビ
ーム６の上方に平行に配置され且つ一端が受感ビーム６
の一端と剛性大なる連結剛体部７を介して一体に連結さ
れた荷重導入ビーム８が設けら汎ている。一方、受感ビ
ーム６の下方に平行に配置され且つ一端が受感ビーム６
の他端と剛性大なる連結剛体部９を介して一体に連結さ
れ荷重支持ビーム１０が設けられている。

受感ビーム６の貫通孔２の内壁面には、４枚のひずみゲ
ージＳＧＩ〜ＳＧ４が第７図に示すように接着されてい
る。

このように構成されたＳ字形の荷重変換器は、荷重導入
ビーム８に起歪体１の長手方向に沿う例えば引張荷重が
印加されると、その荷重は剛性の大きい連結剛体部７を
介して受感ビーム６の一端に伝達される。一方、この荷
重の反力が荷重支持ビーム１０から剛性の大きい連結剛
体部９を介して受感ビーム６の他端に伝達されるので、
受感ビーム６の一端側（図において左端側）は、平行四
辺形ビームの原理により、荷重導入ビーム８および荷重
支持ビーム１ｏに対しほぼ平行状態を維持して、上方へ
移動変位する。この受感ビーム６の変位に伴ない貫通孔
２の内壁が変形し、この変形をひずみゲージＳＧＩ〜Ｓ
Ｇ４によって電気的に検出する。

ところで、このＳ字形の荷重変換器には、次のような問
題がある。

第１には、機械加工が厄介で製作コストが高くつくとい
う問題がある。

すなわち、上述のＳ字形の荷重変換器は、第６図、第７
図から分るように、四角板状あるいは四角柱状に起歪体
１を形成するのであるが、これは素材から例えばフライ
ス盤等を用いて、６面を削成しなければならないので、
機械加工および工作機械（フライス盤）への被加工物（
起歪体１）の着脱操作等に多くの時間を費し、その結果
、製作コストの上昇をもたらすのである。

第２には、小型化が困難であるという問題がある。

すなわち、スリット３および４の切込み深さは、貫通孔
２の上方および下方を充分通り過ぎる部位まで形成する
必要がある。その理由は、スリット３および４の最奥部
３ａおよび４ａの近傍の起歪体１の部分（特に受感ビー
ム６の左端部および右端部）に応力が集中し、ひずみゲ
ージＳＧＩ〜ＳＧ４が接着された貫通孔２の内壁部と、
上記スリット３および４の最奥部３ａおよび４ａが近い
位置にあると、上記応力が上記貫通孔２の内壁に波及し
、これがひずみゲージＳＧＩ〜ＳＧ４が添着された貫通
孔２の内壁の応力分布を著しく不均一にする。この不均
一な応力分布は、印加荷重に対応したものではないので
、荷重測定にとって有害となる。例えば、上記ひずみゲ
ージＳＧＩ〜ＳＧ４をもってホイートストンブリッジ（
以下単に「ブリッジ」と略称する）を、偏荷重、横荷重
を補償するように組んでも、上記応力集中の影響の方が
大きいので、上記偏荷重、横荷重の影響の補償が無意味
なものとなってしまう。この問題を回避するには、スリ
ット最奥部３ａおよび４ａをできるだけ貫通孔２から遠
ざけると共に、スリット最奥部３ａおよび４ａと起歪体
１の側面との間の長さＬｌおよびＬ２（但し、Ｌ１＝Ｌ
２）、すなわち連結剛体部７および９の所要の厚みを充
分厚くすることによって応力を低減させればよいが。

その反面、必然的に起歪体１の横寸法（正面の横幅寸法
）が大きくなってしまうという廻点がある。

（Ｃ）　目的 本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、その目的と
するところは、機械加工が容易で製作コストを大幅に低
減化させ得ると共に、従来困難視されていた小形化をも
併せて実現し得る荷重変換器を提供することにある。

（ｄ）　　構成 本発明は、上記の目的を達成させるため、起歪体の荷重
導入部に印加される荷重の大きさを該起歪体の受感部に
添着されたひずみゲージによって電気的に検出する荷重
変換器において、全体形状が略短円柱状を呈する起歪体
の大略中央部に、−端面から他端面に至る貫通孔を穿設
すると共に。

前記貫通孔を挟んで上下に互いに平行で且つ互いに反対
側の側周面から前記貫通孔の上下を通り過ぎる中間部位
まで延びる一対のスリッ、トを形成することにより、荷
重方向の中央部に受感部を有する受感ビームを、この受
感ビームの上部および下部に各一端が前記受感ビームの
一端および他端にそれぞれ一体または一体的に強固に連
接された荷重導入ビームおよび荷重支持ビームをそれぞ
れ設け、前記受感ビームの前記貫通孔内壁の前記各スリ
ット寄りの部位にひずみゲージを添着した構成としたも
のである。

以下、本発明の実施例を、添付図面を参照しつつ説明す
る。

第１図および第２図は、本発明の第１の実施例の構成を
示す斜視図および正面図である。

第１図、第２図において、１１は荷重変換器本体を構成
する起歪体であり、この起歪体１１は、全体の外観形状
が略短円柱状または略円板状を呈しており、その中央部
に一端面から他端面（図において正面から裏面）に達す
る円形の貫通孔１２を形成し、この貫通孔１２を挟んで
上および下に互いに平行で且つ互いに反対側の側周面か
ら貫通孔１２の上および下を通り過ぎる中間位置まで水
平方向（荷重軸方向に直交する方向）に延びる一対の不
リット１３および１４を形成し、さらに上端部および下
端部を貫通孔１２の中心軸に沿って削成して平面状に形
成し、その上端面および下端面からそれぞれ所定深さに
達する雌ねじ穴１５を形成しである。尚、スリット１３
および１４の最奥部１３ａおよび１４ａには、スリット
１３および１４を形成するに先立って、例えばドリル（
およびリーマ）を用いてスリット１３および１４のスリ
ット幅よりも大きな直径の応力分散孔を形成しである。

このように形成された起歪体１１において、中央部のビ
ームは、その中央に上述の貫通孔１２が穿設されて他の
部分（次述する荷重導入ビーム、荷重支持ビーム、連結
剛体部）より肉厚が薄く、荷重により変形して起歪部と
して機能する受感部を有する受感ビーム１６とされてい
る。

この受感ビーム１６の上方に所定間隔を存して平行に配
置され且つ一端が受感ビーム１６の一端と剛性大なる連
結剛体部１７を介して一体に連接された荷重導入ビーム
１８が設けられいている。

一方、受感ビーム１６の下方に所定間隔を存して平行に
配置され且つ一端が受感ビーム１６の他端と剛性大なる
連結剛体部１９を介して一体に連接された荷重支持ビー
ム２０が設けられている。

さらに、受感ビーム１６の貫通孔１２の内壁面には、荷
重軸方向に対して略＋３０°および略−３０″それぞれ
ずれた部位にひずみゲージＳＧ１およびＳＧ２を、荷重
軸方向に対して略−１５００および略＋１５０”それぞ
れずれた部位にひずみゲージＳＧ３およびＳＧ４がそれ
ぞれ、接着、蒸着、スパッタリング、溶着、その他の手
段により添着される。このように添着されたひずみゲー
ジＳＧ１〜ＳＧ４は、第５図に示すようにブリッジ結線
される。

次に、このように構成された第１の実施例の荷重変換器
の作用について説明する。

先ず、被測定対象物（図示せず）と起歪体１１とは１図
示省略の取付ボルトを雌ねじ穴に螺合することで、強固
に連結されているものとして以下説明する。

起歪体１１の荷重導入ビーム１８に、受感ビーム１６の
長手方向と直交する方向（図においては上下方向）に沿
う例えば引張荷重が印加されると、その荷重は剛性の大
なる連結剛体部１７を介して受感ビーム１６の一端（図
においては左端）に伝達される。一方、この荷重の反力
が荷重支持ビーム２０から剛性の大きい連結剛体部１９
を介して受感ビーム１６の他端（図において右端）に伝
達されるので、受感ビーム１６の一端側（図においては
左端側）は、平行四辺形ビームの原理により、荷重導入
ビーム１８および荷重支持ビーム２０に対しほぼ平行状
態を維持しつつ上方へ移動変位する。この受感ビーム１
６の変位（撓み）に伴ない貫通孔１２の内壁が変形し、
この変形をひずみゲージＳＧ１〜ＳＧ４で電気的に検出
する。

この検出作用をさらに詳しく説明すると、上述のように
受感ビーム１６が例えば上方へ変位した場合には、ひず
みゲージＳＧ１とＳＧ３が圧縮されてその抵抗値が減少
し、ひずみゲージＳＧ２とＳＧ４が伸長されてその抵抗
値が増大する。このような抵抗値の変化を示すひずみゲ
ージＳＧ１〜ＳＧ４をもって、第５図に示すようなブリ
ッジが形成されているので、ブリッジの入力端からブリ
ッジ電圧ｅｉを供給することで、ブリッジの出力端から
印加荷重（被測定荷重）に対応した出力電圧ｅｏを得る
ことができる。

また、荷重印加位置が、荷重導入ビーム１８の中心部か
らずれた部位に印加されたとき、例えば荷重導入ビーム
１８の長手方向（図においては左右方向）に移動した場
合でも受感ビーム１６が平行四辺形ビーム構成とされて
いるため、ブリッジから検出される出力電圧ｅｏには殆
んど変化が起きない。

また、荷重印加位置が、荷重導入ビーム１８の幅方向（
図においては紙面に垂直な方向）に移動した場合も同様
である。

一方、荷重導入ビーム１８に横方向、例えば、図におい
て左右方向の荷重が印加された場合には、ブリッジの相
隣る辺に接続されたひずみゲージ（例えば、ＳＧＩとＳ
Ｇ４．ＳＧ２と５Ｇ３）がほぼ等しい変形を受け、抵抗
値が変化するので、電気的に相殺される。

上述のように構成され且つ作用する第１の実施例によれ
ば、次のような利点が得られる。

第１には、偏荷重および横荷重が本来測定すべき垂直荷
重（被測定荷重）に混在して印加されても、該偏荷重お
よび横荷重の影響を殆んど受けることなく、被測定荷重
に正確に対応した出力電圧ｅｏをブリッジの出力端から
得ることができる。

第２には１機械加工が容易で製作コストを大幅に低減化
させることができる。

すなわち、起歪体１１は、丸棒材からなる素材を例えば
旋盤により、突切り加工、両端面（正面および裏面）の
平面仕上げ加工、外周面仕上げ加工のすべての機械加工
を行うことができるので、加工時間を大幅に短縮化する
ことができる。その上、加工面が、第６図、第７図に示
すＳ字形の荷重変換器の場合６面もあるのに対し、本実
施例の場合３面しかないので、この点でも加工時間１段
取時間を短縮化できる。

尚、本実施例においては、荷重導入ビーム１８および荷
重支持ビーム２０の上端および下端に平面部を設けであ
るので、この場合は、この２面だけフライス加工を要す
るが、第６図、第７図に示すものに比べれば、加工面と
しては１面少なく。

切削加工にフライス盤よりも能率のよい旋盤を用いるこ
とができるので有利である。

因みに、定格容量１　ｔｏｎの荷重変換器の場合では、
本実施例のものは、第６図、第７図に示したものより約
５０％コストダウンを図ることができた。

第３には、従来困難視されていた小形化を実現すること
ができる。

すなわち、既述したように、スリット最奥部１３ａ、１
４ａと貫通孔１２との距離は１、できる限り離れている
方が、スリット最奥部１３ａ。

１４ａ近傍に生じる応力集中の影響を受けにくいのであ
るが、本実施例の場合、連結剛体部１７゜１９が、円弧
状を呈しており、受感ビーム１６寄りの部位より荷重導
入ビーム１８および荷重支持ビーム２０寄りの部位の方
が結果的に左右方向の厚さが薄く形成されている関係上
、応力集中による最大応力発生部が、受感ビーム１６よ
り上方側および下方側（貫通孔１２より離れる方向）に
移動する。そのため、応力集中の影響が受感ビーム１６
の受感部に及びにくくなるので、その分、スリット最奥
部１３ａ、１４ａと貫通孔１２との間の寸法を小さくす
ることができ、延いては、起歪体１１の外形を小形化す
ることができる。

このことは、換言すれば、大形化を来たすことなく、よ
り高容量な荷重変換器を製作することができることを意
味する。

尚、本発明は、上述した実施例にのみ限定されるもので
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１貫通孔は、上記第１の実施例においては、円形
の孔を設けたものを示したが、第３図に示す第２の実施
例のように、受感ビーム１６の長手方向（横方向）に所
定間隔だけ中心がずれた２つの円形状の孔を穿設するこ
とによって、互いに連通させて１つの横方向に長い貫通
孔２１を設けてもよい。このように貫通孔を横方向に長
くすると、受感部の長さが長くなり、より低容量のもの
が得られる。尚、低容量化するには、第１図、第２図示
の実施例の場合、貫通孔１２とスリット１３．１４とで
挟まれる受感部の肉厚を薄くすればよいが、あまり薄く
すると加工上のばらつきが大きくなる。ところが、第２
の実施例の場合、上記受感部の肉厚を薄くせずに、受感
部の長さを長くすることで、低容量化が可能となるので
、耐久性の点で第１の実施例のものより有利である。

第４図は、本発明の第３の実施例を示す正面図であるが
、この実施例では、受感ビーム１６の略中央部に、長手
方向に所定間隔だけ中心がずれた２つの円形状の孔を穿
設するにとどまらず、さらに荷重軸方向（上下方向）に
も所定間隔だけ中心がずれた２つの円形状の孔を穿設す
ることによって、互いに４つの孔を連通させて１つの上
下左右方向に長い貫通孔２２を設けている。

また、長い貫通孔を形成する場合、第２．第３の実施例
のように複数の孔を、部分的に重なるように近接して形
成するのでなく、充分離間した孔を穿設し、その孔の間
をスリットを形成して互いに連通した貫通孔を形成する
ようにしてもよい。

また貫通孔は、上記各実施例においては受感ビームの中
央に設けた例につき説明したが、必らずしも中央に設け
ることなく、中心からある程度左右方向、あるいは上下
方向に偏心した位置に設けてもよい。要するに、起歪体
の大略中心部に設ければよいのである。

また、上記各実施例においては、荷重導入ビームの上端
と荷重支持ビームの下端を削成して平坦面を形成しであ
るが必らずしもこの平坦面を形成しなくてもよい。

また、スリット最奥部に設けた応力分散孔は不可欠なも
のではなく、スリットの幅が一定以上大きい場合（但し
定格容量によって異なる）には。

設けなくてもよく、第６図、第７図に示すスリットのよ
うに、単にスリットの最奥部を円弧状に形成するだけで
もよい６ （ｅ）　　効果 以上詳述したように本発明によれば、機械加工が容易で
製作コストを大幅に低減化させる得ると共に、従来困難
視されていた小型化を実現し得、しかも横荷重、偏荷重
の影響を極めて受けに＜＜。

測定すべき荷重に正確に対応した電気信号が得られる荷
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図および第２図は、本発明の第１の実施例の構成を
示す斜視図および正面図、第３図は１本発明の変形例で
ある第２の実施例の構成を示す正面図、第４図は、本発
明の第３の実施例の構成を示す正面図：第５図は、本発
明の各実施例の一部を構成するひずみゲージによって構
成したホイートストンブリッジの一例を示す回路図、第
６図および第７図は、従来のＳ字形の荷重変換器を示す
斜視図および正面図である。 １１・・・・・・起歪体、 １２．２１．２２・・・・・・貫通孔、１３．１４・・
・・・・スリット、 １５・・・・・・雌ねじ穴、 １６・・・・・・受感ビーム。 １７．１９・・・・・・連結剛体部、 １８・・・・・・荷重導入ビーム、 ２ｏ・・・・・・荷重支持ビーム。 ＳＧＩ〜ＳＧ４・・・・・・ひずみゲージ。 （１・ 第　　１　　　図 Ｉへ 第　　３　　図 第　　４　　図 ＋Ｑ ｗ＆５図 第　　６　　　因

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）起歪体の荷重導入部に印加される荷重の大きさを
   該起歪体の受感部に添着されたひずみゲージによって電
   気的に検出する荷重変換器において、全体形状が略短円
   柱状を呈する起歪体の大略中央部に、一端面から他端面
   に至る貫通孔を穿設すると共に、前記貫通孔を挟んで上
   下に互いに平行で且つ互いに反対側の側周面から前記貫
   通孔の上下を通り過ぎる中間部位まで延びる一対のスリ
   ットを形成することにより、荷重方向の中央部に受感部
   を有する受感ビームを、この受感ビームの上部および下
   部に各一端が前記受感ビームの一端および他端にそれぞ
   れ一体または一体的に強固に連接された荷重導入ビーム
   および荷重支持ビームをそれぞれ設け、前記受感ビーム
   の前記貫通孔内壁の前記各スリット寄りの部位にひずみ
   ゲージを添着してなることを特徴とする荷重変換器。
2. （２）受感ビームの長手方向に沿って互いに連通し且つ
   これと直交する方向に貫通する２つ以上の孔を穿設して
   貫通孔を設けてなることを特徴とする請求項１に記載の
   荷重変換器。
3. （３）一対のスリットの各最奥部に該スリットの幅より
   も大径の応力分散孔を設けたことを特徴とする請求項１
   に記載の荷重変換器。