JPH02272336A - 台座付荷重変換器 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、台座付荷重変換器に関し、より具体的には、
ひずみゲージを用いて荷重の大きさを電気量に変換して
検出する荷重支持部側に台座が一体的に固着されてなる
台座付荷重変換器に関するものである。

〔従来の技術〕

荷重変換器の起歪部の形状は、測定荷重の大きさ（定格
容量）、小型あるいは薄型というような荷重変換器に要
求される形状、精度等に応じて種々のものが提案され且
つ実用に供されている。

大きな荷重を測定する荷重変換器では、両端固定型のせ
ん断梁にひずみゲージを添着した方式のものが荷重印加
点の移動の影響を無くすことができるため広く用いられ
ている。

すなわち、第４図および第５図は、従来の両端固定型の
せん断梁からなる荷重変換器の要部構成を示すそれぞれ
平面図および同図Ｘ−Ｘ線矢視方向断面図である。

同図において、荷重変換器１は、荷重を支持する円筒状
の外殻部２と、その中央部に被測定荷重Ｗを導入する荷
重圧３と、この荷重圧３と同軸に一体に形成され、荷重
圧３から受けた印加荷重を久遠する起歪部に伝達する荷
重伝達部４と、この荷重伝達部４の外周と外殻部２の内
周との間に十文字状に連結された４本のせん断梁５，６
，７゜８が形成され、そのせん断梁５〜８の中間部が起
歪部５ａ　、６ａ　、７ａ　、８ａとされ、その起歪部
５ａ〜８ａの荷重軸に平行をなす面にそれぞれひずみゲ
ージＳＧがぜん断ひずみを検出し得るように、即ち、荷
重軸に対し４５°および１３５°の角度方向にその受感
軸を向けて添着された構成となっている。

このように構成された従来の荷重変換器１の作用につい
て説明すると、荷重圧３に被測定荷重Ｗが印加されると
、その被測定荷重Ｗは、剛性の大きな荷重伝達部４を介
してせん断梁５〜８の内方端に伝達される。一方、被測
定荷重Ｗと大きさが等しく方向が反対の反力は、外殻部
２を介してせん断梁５〜８の外方端に伝達される。その
ため。

せん断梁５〜８には、せん断力が作用し、各起歪部５ａ
〜８ａにせん断応力が発生する。このせん断応力を、起
歪部５８〜８ａに接着されたひずみゲージＳＧによって
電気量（抵抗変化）に変換して検出するのである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の荷重変換器１には、次
のような欠点がある。

第１には、上記外殻部２の剛性を十分高くできない場合
、被測定荷重Ｗが荷重軸方向に沿って印加されたとして
も、外殻部２が変形して起歪部５８〜８ａを反らせるモ
ーメントによる変形が生じ、その曲げモーメントによる
誤差が荷重検出出力に混入（付加）されるという欠点が
ある。

即ち、上述したような荷重変換器１は、外殻部２が堅固
な不動部材に第６図に示すように、外殻部２に螺設され
た雌ねじ穴にねじ込まれたボルト（図示せず）によって
強固に固定されている場合には、起歪部５８〜８ａには
第６図に示す正常な変形によるせん断応力（曲げ応力）
が生じ、上述したようにひずみゲージＳＯによってその
せん断応力に対応したひずみ出力を得ることができる。

しかしながら、外形状の制限により外殻部２の剛性を十
分大きくとることができない場合あるいは外殻部２が強
固に固定されない場合には、荷重Ｗが印加されると、第
７図に示す如く起歪部６ａの荷重伝達部４側に時計回り
方向の曲げモーメントＭが生じ、起歪部６ａの外殻部２
側に反時計回り方向の曲げモーメントＭ′が付加された
状態で起歪部６ａに曲げ応力とせん断応力が生じる。こ
のときの曲げモーメントＭおよびＭ′に基づくひずみは
１曲げモーメントＭ、Ｍ’　が外殻部２と接する設置面
の摩擦状態により左右されるため、印加荷重に比例した
ものとならず、且つまた、ホイートストンブリッジによ
り電気的に完全にキャンセルすることもできず、荷重検
出出力に混入されるのである。そして、上記外殻部２と
被測定面の当り状態が刻々変化し、これが起歪部のひず
み分布に影響を及ぼし出力の非直線性、ヒステリシスに
悪影響を与える。つまり、外殻部２の底面が受ける荷重
分布を見ると、外殻部２が第６図に示すような状態のと
きは、第７図に示す曲線Ｌａの如き分布を示すが、外殻
部２が第７図に示すように曲げモーメントＭ、Ｍ’の作
用を受けると、第７図に示す曲線Ｌｂの如く、極端に荷
重分布が変化し、これが出力の非直線性やヒステリシス
に大きな悪影響を与えるのである。

第２には、上記第１の欠点を解消すべく外殻部２の剛性
を高くするためには、外殻部２の荷重軸方向や半径方向
の肉厚寸法を大きくすればよいが。

高精度の荷重検出出力を得るためには非常に大きな寸法
増を必要とするため、被測定対象物の寸法上の制約があ
り現実的な解決方法とはいえない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、構成が簡素で、軽量且つ小型であり
、荷重支持部の剛性を充分高くできない場合でも荷重支
持部の変形を吸収することができ、該変形による曲げモ
ーメントが及ぼす測定誤差が検出出力中に混入するのを
効果的に阻止し得る荷重変換器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成させるために、本発明に係る台座付荷
重変換器は、 柱状を呈し軸中心が荷重軸と一致するように形成された
剛性大なる荷重導入部と、所定の間隔を存して前記荷重
導入部の周囲を囲繞するように形成された剛性大なる荷
重支持部と、前記荷重導入部から放射方向に延びその内
端が前記荷重導入部に一体に連設されその外端が前記荷
重支持部に一体に連設され前記荷重支持部が支持された
状態で前記荷重導入部に荷重軸に沿う方向の力が作用す
るとき弾性変形する起歪部と、をもって形成された受感
部と： 前記受感部の荷重導入部とは反対面側に適宜な間隔を存
して配設された剛性大なる台座本体部と。

この台座本体部から立設され前記荷重支持部の外周部に
一体的に連設され、前記荷重支持部を介して伝達される
印加荷重に対し弾性変形しつつこれを支持する柔軟な可
撓支持部と、をもって形成された台座と： を備え、前記受感部に形成された前記起歪部に添着され
たひずみゲージによって前記荷重導入部に印加された被
測定荷重の大きさを電気量に変換して検出するように構
成したことを特徴としたものである。

〔作　用〕

上記のように構成された台座付荷重変換器の荷重導入部
に被測定体からの荷重が印加されると。

その荷重は、起歪部の内端側へ伝達され、一方荷重変換
器設置面から台座が受ける上記荷重に抗する反力は台座
本体部および可撓支持部を介しさらに荷重支持部を介し
て起歪部の外端側へ伝達される。その結果、起歪部には
曲げ応力およびぜん断路力が発生し、これらの応力は起
歪部に添着されたひずみゲージによって検出される。こ
の作用をさらに詳しく説明すると、被測定荷重が荷重軸
方向に沿って印加されると、荷重支持部の下方側が拡が
り、上方が閉じるように（円錐形に）変形するが、この
変形は荷重支持部の外周部に一体的に連設された台座の
可撓支持部により吸収され１台座の台座本体部に伝わら
ないため、摩擦変形がなく、荷重支持も荷重支持部外周
で一定のため、出力に対する悪影響、即ち、出力の非直
線性やヒステリシスに悪影響を与えることがない。

〔実施例〕

以下、本発明に係る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、本発明の一実施例に係る台座付
荷重変換器の構成を示す正面中央縦断面図および第１図
Ｙ−Ｙ線矢視方向断面図である。

同図において、９は全体が円柱状を呈し、以下に述べる
各部が一体に形成され、また固着されて一体化された荷
重変換器である。１０は中実（無空）の略円柱状を呈し
、その軸中心が荷重軸に一致するように形成された剛性
大なる荷重導入部である。この荷重導入部１０の周囲に
は、所定の間隔を存して囲繞するように厚肉円筒状に形
成された剛性大なる荷重支持部１１が配設されている。

上記荷重導入部１０と、上記荷重支持部１１との間には
、荷重軸に直交する一端面および他端面（第１図におい
ては上面および下面）からそれぞれ、中間部に一定の厚
みを残すようにして、所定の深さに達する断面凹状の環
状凹溝１２，１３が形成されている。このような所定深
さの環状凹溝１２と１３の各底面間に挟まれた比較的薄
肉の部位が起歪部１４である。この場合の各環状凹溝１
２．１３の底部（底面）は、平坦状を呈している。

つまり、起歪部１４は、結果的に、荷重導入部１ｏから
放射方向に延び、その内端（内周縁）が荷重導入部１０
と一体に連設され、その外端（外周縁）が荷重支持部１
１と一体に連設されていることになる。

さらに、上記起歪部１４の放射方向中間部には、第２図
に示すように、合計４個の扇形状の貫通孔１５が等配向
度の位置に穿設されており、その結果として、荷重導入
部１０と荷重支持部１１との間に十文字状を呈する起歪
ビームが形成されたことになる。この十文字状ビームを
なす各起歪部１４の一面（第１図において上面）側には
、荷重導入部１０寄りの部位および荷重支持部１１寄り
の部位にそれぞれ対物方向に受感軸を向けた曲げ応力検
出用のひずみゲージＳＧが複数、（この例の場合８枚）
接着、蒸着、スパッタリング等の手段により添着されて
いる。

荷重導入部１０の上部には、中実（無空）の厚肉円柱状
を呈し軸中心が荷重軸と一致するように形成された剛性
大なる荷重受座１６が一体に連設されている。

尚１本実施例においては、荷重導入部１０と起歪部１４
と荷重支持部１１は、共に一体に形成されているので、
以下この部分を「受感部」と称することとする。

さらに、荷重導入部１０と荷重受座１６も一体に形成さ
れている。

従って、上記荷重受座１６と受感部とは一体に形成され
ていることになり、以下これらの部分を総称して「変換
器本体」と称することとする。

尚、環状凹溝１２と１３は、旋削加工によって形成する
。

荷重導入部１０と荷重支持部１１の間に形成された環状
凹溝１２および１３の上端部および下端部には、各上端
部位同士および各下端部位同士を互いに結ぶように、換
言すれば、環状凹陥部１２および１３を閉塞するように
、平行で且つ薄肉の２枚のリング状のダイヤフラム１７
および１８が容接等の手段により一体的に連接されてい
る。

ここで、これら、荷重導入部１０と荷重支持部１１とダ
イヤフラム１７，１８から成る部分を「平行四辺形ダイ
ヤフラム」と称することとする。

上記荷重支持部１１の荷重導入部１０とは反対面側（第
１図においては下端面側）には、所定の間隔、即ち、荷
重導入部１０が被測定荷重を受は下方に最大に変位して
も、また、荷重支持部１１が起歪部１４を介して荷重お
よび曲げモーメントを受けて最大に変位しても互いに当
接しない程度の間隔を存して、台座１９の一部を構成す
る台座本体部２０が対峙するように配設されている。こ
の台座本体部２０の周縁部からは、荷重軸に沿う方向、
即ち、第１図においては上方に向って柔軟な弾性支持部
２１が荷重支持部１１の外周部の中間部位に達する高ま
で立設されている。この弾性支持部２１は、荷重支持部
１１の下半部が上半部に比べて所定の寸法分だけ細く形
成されてなる小径部１１ａの外周面に対し所定の間隔、
即ち、荷重支持部１１が荷重印加時に曲げモーメントを
受けて外方に拡がるように変形しても当接しない程度の
間隔を存して延び、該弾性支持部２１の上端は、荷重支
持部１１に形成された段部１１ｂに当接した状態で、該
荷重支持部１１に、例えば電子ビーム溶接によって一体
的に強固に連設されている。さらに１台座本体部２０に
は、その外周寄りの部位にこの台座付荷重変換器を設置
面に取付は固定するボルトを螺合するための雌ねじ孔２
２が形成され、また底面側には、浅い凹陥溝２３が穿設
され、この凹陥溝２３が形成されない底面部分が座面２
４とされている。

一方、４つの起歪部１４の一方の面（第１図における上
面）の荷重導入部ｌｏ寄りの部位（以下「内側」という
）および荷重支持部１１寄りの部位（以下「外側」とい
う）には、上記したようにそれぞれゲージ軸を方射方向
に向けて各２枚のひずみゲージＳＧが添着されている。

これらのひずみゲージＳＧは、例えば内側のひずみゲー
ジを対辺に、そして外側のひずみゲージをこれと隣接す
る辺にそれぞれ挿入してホイートストンブリッジが形成
される。

次に、上記構成よりなる本実施例の作用、効果につき説
明する。

変換器本体の荷重受座１６に被測定体からの荷重が印加
されると、その荷重は、荷重導入部１０を介して十文字
状を呈する起歪部１４へと伝達される。一方、図示省略
の荷重変換器設置面から台座１９が受ける上記荷重に抗
する反力は１台座本体部２０および弾性支持部２１を介
しさらに荷重支持部１１を介して起歪部１４へと伝達さ
れる。

その結果、起歪部１４には、曲げ応力が発生する。

この曲げ応力は、起歪部１４に添着されたひずみゲージ
ＳＧによって電気量（電気抵抗変化）に変換され１例え
ば４枚または８枚のひずみゲージＳＧより構成された図
示省略のホイートストンブリッジ回路によって取り出さ
れる。

本発明による動作を詳しく説明すると、被測定荷重Ｗが
荷重受座１６に対し荷重軸方向に沿って印加されると、
第３図に誇張して示すように荷重支持部１１の下方側が
拡がり、上方側が閉じるように（換言すれば円錐形に）
変形する。しかし、この変形は、荷重支持部１１の外周
部に一体的に連設された台座１９の弾性支持部２１によ
り吸収され、台座１９の台座本体部２０に伝わらない、
このため第７図において説明した従来例のような摩擦変
形もなく、荷重支持も荷重支持部１１外周で一定のため
、出力に対する悪影響、即ち、出力の非直線性やヒステ
リシスに悪影響を与えることがない。

また、本荷重変換器を設置する面の平面度が悪かったり
、柔軟なため、荷重印加により台座１９が不均一な分布
荷重を受けて変形するような場合であっても、柔軟な可
撓支持部としての弾性支持部２１で該変形を吸収して、
荷重支持部１１には反力を分散して伝達せしめるので、
起歪部１４のひずみ分布に対する影響を与えず、従って
、高精度な荷重測定を実現することができる。

また、本実施例における荷重変換器９に対し、仮に、横
荷重または偏荷重が印加された場合には。

荷重受座１６と荷重導入部１０とが一体となって、その
軸中心が荷重軸に対し、傾こうとするが、荷重受座１６
の外周と荷重支持部１１の内周上端部との間および荷重
導入部１０の外周下端部と荷重支持部１１の内周下端部
との間には、所定間隔だけ軸方向に離間してダイヤフラ
ム１７，１８が一体的に連設されて平行四辺形ダイヤフ
ラムを形成しているので、荷重受座１６および荷重導入
部１Ｏが荷重支持部１１に対して倒れる方向に対しては
、抑制力が作用し、その結果、横荷重または偏荷重によ
る影響は、低減し、起歪部１４には軸方向の印加荷重に
対応した曲げ応力が発生する。

尚、平行四辺形ダイヤフラム１７．１８は、上述のよう
に横荷重または偏荷重を抑制する機能を有するが、精度
とのかね合いによって省略してもよいが、同時にひずみ
ゲージＳＧの防湿機能も併有しているので、具備せしめ
ておくことが望ましい。

また、本実施例に係る荷重変換器９は、高湿あるいは水
中等の悪影響下において使用される場合であっても、ひ
ずみゲージＳＧが添着された環状凹溝１２（および１３
）は、その開口端部がダイヤフラム１７，１８によって
閉塞されているため、ひずみゲージＳＧは水分等には晒
されず、吸湿による絶縁低下や酸化が確実に防止され、
長期に亘って安定した精度を確得することができる。

尚、本発明は、上述し且つ図面に示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、荷重支持部１１と台座１９とを一体に構成して
もよい、ただし、この場合、環状凹溝１３および、荷重
導入部１ｏおよび荷重支持部１１の各下面と台座本体部
２０の上面との間の間隙。

ならびに荷重支持部１１の小径部１１ａ外周面と弾性支
持部２１の内周面との間の間隙は、旋削加工を施すこと
ができないので、例えば、いわゆるロストワックス鋳造
法等により、環状凹溝１３および上記間隙を形成する。

また、起歪部のひずみを検出する手段としては。

上述した各実施例のように曲げひずみをひずみゲージＳ
Ｇで検出するのみならず、第１図および第２図中、二点
鎖線をもって示すように、起歪部１４の荷重軸に平行を
なす面にそれぞれ荷重軸に対し４５°および１３５°の
角度の方向に受感軸を向けて、せん断応力検出用のひず
みゲージＳＧを添着するようにしてもよい。

また、図示は省略したが、ひずみゲージ（実際にはひず
みゲージで組んだホイートストンブリッジ）にブリッジ
電圧を供給したり、ひずみゲージによって得られるひず
み検出出力を荷重変換器９の外部に電気ケーブルを用い
て導出したりするための貫通孔を、例えば荷重支持部１
１の側壁に穿設し、その貫通孔に防水コネクタ等を嵌合
し、且つ封止する。

また、起歪部の形状としては、上記実施例に示すものに
限らず、−文字状ビームであってもよいし、また１貫通
孔１５の代りに円形状の貫通孔を穿設して結果的にスポ
ーク状のビームを形成するようにしてもよい。また、貫
通孔１５を全く穿設せず、ダイヤフラム状の起歪部とし
てもよい。

また１台座１９の台座本体部２０を外周方向に延設して
大径のフランジ状にしてもよい。このように構成した場
合、台座１９の被測定体への取付ボルトによる取付けが
容易化されるという効果が得られる。

また、弾性支持部２１は、上記実施例においては、薄肉
円筒状のものを示したが、くし状、多孔円筒状等任意の
ものを適用することができる。

（ｅ）　　効果 以上詳述したところより明らかなように、本発明によれ
ば、構成が頗る簡素で、軽量・小型化が可能であり、荷
重支持部の剛性を充分高くできず荷重支持部の変形を生
じるような場合でも、該変形による曲げモーメントが及
ぼす測定誤差が検出出力中に混入するのを効果的に阻止
し得ると共に、荷重変換器を設置する面の平面度や変形
による測定誤差が真に求めるべき検出出力中に混入する
のを有効に阻止し得る台座付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１本発明に係る台座付荷重変換器の一実施例の
構成を示す正面中央縦断面図、第２図は、第１図Ｙ−Ｙ
線矢視方向断面図、第３図は、第１図、第２図に示した
実施例の動作を説明するために誇張して示す概略縦断面
図、第４図および第５図は、従来の荷重変換器の構成を
それぞれ示す平面図および第４図Ｘ−Ｘ線矢視力向断面
図、第６図および第７図は、上記従来例の問題点を説明
するだめにそれぞれ誇張して示す断面図である。 ９・・・・・・荷重変換器、 １０・・・・・・荷重導入部、 １１・・・・・・荷重支持部、 １２．１３・・・・・・環状凹溝、 １４・・・・・・起歪部、 １５・・・・・・貫通孔、 １６・・・・・・荷重受座、 １７．１８・・・・・・ダイヤフラム、１９・・・・・
・台座、 ２０・・・・・・台座本体部、 ２１・・・・・・弾性支持部、 ＳＧ・・・・・・ひずみゲージ。 第 図 罵 ２　　図 第 図 第 図 ａ 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ひずみゲージを用いて荷重の大きさを電気量に変
   換して検出する荷重変換器において、柱状を呈し軸中心
   が荷重軸と一致するように形成された剛性大なる荷重導
   入部と、所定の間隔を存して前記荷重導入部の周囲を囲
   繞するように形成された剛性大なる荷重支持部と、前記
   荷重導入部から放射方向に延びその内端が前記荷重導入
   部に一体に連設されその外端が前記荷重支持部に一体に
   連設され前記荷重支持部が支持された状態で前記荷重導
   入部に荷重軸に沿う方向の力が作用するとき弾性変形す
   る起歪部と、をもって形成された受感部と：前記受感部
   の荷重導入部とは反対面側に適宜な間隔を存して配設さ
   れた剛性大なる台座本体部と、この台座本体部から立設
   され前記荷重支持部の外周部に一体的に連設され、前記
   荷重支持部を介して伝達される印加荷重に対し弾性変形
   しつつこれを支持する柔軟な可撓支持部と、をもって形
   成された台座：とを備え、前記受感部に形成された前記
   起歪部に添着されたひずみゲージによって前記荷重導入
   部に印加された被測定荷重の大きさを電気量に変換して
   検出するように構成したことを特徴とする台座付荷重変
   換器。