JPH04216426A - ロードセル - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロードセルに関し、特
に、ホッパスケールや台秤等に使用する１トン以上の荷
重容量のロードセルの高精度化及び小型化を図るもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧縮型又は引張型のロードセ
ルとしては、図２１に示すように、ひずみゲージ１を取
付けた略円柱状の弾性体２をケーシング３で支持し、上
記ひずみゲージ１及び該ひずみゲージ１が構成するブリ
ッジ回路を保護するために上記ケーシング３の内部３ａ
をダイヤフラム４により気密封止する構成のものや、図
２２に示すように、弾性体５に貫通円孔６を設け、該貫
通円孔６の内周面６ａにひずみゲージ８を取付けた構成
のものが提供されている。

【０００３】しかしながら、上記のようにケーシング３
を備えた組立構造のロードセルでは、弾性体２、５の接
合状態によっては、摩擦によりロードセルの基本性能の
一つであるヒステリシスを悪化させる構造上の欠点を持
っており、組立時に細心の注意を払う必要があり、高性
能を得るのは容易なことではなかった。また、ケーシン
グを必要とするため、小型化が困難であると共に、ケー
シングの分だけコスト高になり、安価なロードセルを提
供するには、限界があった。上記した問題に対して、図
２３及び図２４に示すタイプのロードセルが提供されて
いる。

【０００４】この図２３及び図２４に示すタイプのロー
ドセルは、弾性体７とケーシング８を一体に設け、ひず
みゲージ９を接着した凹部１０をダイヤフラム１４で気
密封止した一体構造であり、小型化を図ることができる
。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
２３及び図２４に示すタイプのロードセルは、荷重着力
突部１１と荷重支持部１２が同一軸上にないため、負荷
が加わると、弾性体８の底面部１３が外側に広がり、荷
重支持部１２の摩擦のために、ヒステリシスが悪化して
しまう欠点がある。

【０００６】本発明は、上記のような従来のロードセル
における問題を解決するためになされたものであって、
簡単な構造で組立が容易であると共に、ヒステリシスの
悪化を防止して高精度であり、かつ、小型化で安価なロ
ードセルを提供することを目的としてなされたものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】従って、本発明は、柱状
弾性体の対向する側面部に該柱状弾性体の主軸方向に対
して垂直に一対の平底円孔を設けて、その底部の間に主
軸と同軸に起歪部を構成し、該起歪部の両側となる平底
円孔の底部にひずみゲージをそれぞれ取り付けたロード
セルであって、上記柱状弾性体の上下両端部に、主軸と
同軸に荷重着力部及び支持部を設け、上記荷重着力部及
び支持部の柱状弾性体の主軸に垂直な断面積を、上記柱
状弾性体の主軸に垂直な断面の最大断面積に対して１割
から３割の比率に設定して、上記柱状弾性体の側面部に
上記主軸方向の応力が零或いは零に近い応力を無視でき
る部位を設け、該柱状弾性体の側面部の上記主軸方向の
応力が零或いは零に近い部位から平底円孔に向けて、上
記平底円孔の上端又は下端にほぼ接するようにリード線
取出孔を形成し、かつ、上記起歪部を貫通して上記ひず
みゲージのリード線を通すリード線用貫通孔を設け、上
記平底円孔内部で上記ひずみゲージによりブリッジ回路
を構成し、該ブリッジ回路の出力リード線を上記リード
線取出孔の開口部に取付けたリード線取出金具から取り
出すと共に、リード線取出孔及びリード線取出金具の開
口部を栓部材により気密封止する一方、上記平底円孔の
開口部を気密部材により気密封止していることを特徴と
するロードセルを提供するものである。

【０００８】上記本発明に係るロードセルでは、上記リ
ード線取出孔の開口部付近を柱状弾性体から突出させた
り、切欠いて直線状又は円環状の溝を設けて分離して、
リード線取出金具の取付部とすることが好ましい。

【０００９】上記平底円孔を封止する気密部材としては
、平底円孔の開口部に取付けるダイヤフラム、平底円孔
に充填するゴム状の材料からなる。また、栓部材は、具
体的には、ハーメチックシールやグランドパッキン等の
要素を使用している。

【００１０】尚、上記柱状弾性体の主軸とは、長手方向
の縦方向中心軸を指し、該柱状弾性体の上端を荷重着力
部、下端を支持部としているため荷重軸でもある。

【００１１】

【作用】本発明に係るロードセルは、上記のように、底
部にひずみゲージを接着した平底円孔を柱状弾性体に設
け、該平底円孔を気密部材により気密封止する一体型構
造であるため、ケーシング、ダイヤフラム等を弾性体に
組付ける組立構造とした場合のように摩擦によりヒステ
リシスが悪化することがなく、高精度化、小型化を図る
ことができると共に組立が容易である。

【００１２】また、本発明に係るロードセルは、荷重着
力部と支持部の断面積を弾性部の断面積の１割から３割
として、柱状弾性体の側面部に主軸方向の応力が零ある
いは零に近い応力が無視できる程度０となる部位を設け
、かつ、該部位から平底円孔の上端又は下端に、リード
線取出孔、リード線取出金具を取付けているため、該リ
ード線取出金具と柱状弾性体の摩擦の影響を低減し、ヒ
ステリシスを良好にすることができる。

【００１３】更に、本発明に係るロードセルでは、上記
リード線取出孔の開口部の周囲を突出させたり、切欠い
て溝を設けたりすることにより取付部を形成した場合に
は、該取付部は柱状弾性体の変形から解放されるため、
リード線取出孔の開口部での変形がより少なくなり、リ
ード線取出金具の摩擦の影響を、一層低減することがで
きる。

【００１４】

【実施例】次に、図面に示す実施例について詳細に説明
する。図１及び図２に示す本発明の第１実施例に係るロ
ードセルにおいて、略円柱状の柱状弾性体１５は側面部
１５ａより該柱状弾性体１５の主軸Ｌ１に対して垂直に
一対の平底円孔１６、１７を削孔している。

【００１５】上記平底円孔１６、１７の底部１６ａ、１
７ａはそれぞれ上記主軸Ｌ１に対して平行に等しい間隔
で位置させて、該底部１６ａ、１７ａの間に上記主軸Ｌ
１を中心とする一定厚さの起歪部１８を構成している。 （本実施例においては、柱状弾性体は、高さＨ＝７０ｍ
ｍ、半径Ｒ＝３０ｍｍ、上記平底円孔１６、１７は半径
ｒ＝２２ｍｍとしている。）また、上記底部１６ａ、１
７ａには、それぞれ後述する荷重Ｆ１の荷重方向（即ち
、上記主軸Ｌ１方向）の起歪部１８の圧縮ひずみ及び該
荷重方向と直角方向の引張ひずみを検出する一対のひず
みゲージ１９ａ、２０ａ、１９ｂ、２０ｂを接着等の手
段により取付けている。

【００１６】上記起歪部１８には、上記底部１６ａと底
部１７ａの間を貫通する小径のリード線用円孔２１を設
け、上記ひずみゲージ１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂ
のリード線（図示せず）を上記リード線用貫通孔２１を
通して結線し、ホイートストンブリッジ回路（図示せず
）を平底円孔１６、１７の内部に形成している。

【００１７】一方、平底円孔１６、１７の開口部１６ｂ
、１７ｂにはそれぞれ気密部材としてダイヤフラム２２
、２３を溶接又は接着等の手段により取付け、平底円孔
１６、１７の内部を気密封止すると共に、不活性ガスを
封入している。（図１では、平底円孔１６内部の様子を
示すため、ダイヤフラム２２を省略している。）

【００
１８】さらに、一方の平底円孔１６に対して略直交し、
柱状弾性体１５の側面部１５ａから上記平底円孔１６の
図中円周の下端部（上記主軸Ｌ１方向の端部）まで水平
方向（主軸Ｌ１と直交する方向）に貫通するリード線取
出孔２５を設けている。該リード線取出孔２５は断面円
形で、上記側面部１５ａ側の開口部に雌ねじ部２５ａを
設け、該雌ねじ部２５ａにリード線取出金具２６の雄ね
じ部２６ａを螺合して取付けている。

【００１９】上記リード線取出金具２６は、上記リード
線取出孔２５と連通する貫通孔２６ｂを備え、上記ホイ
ートストンブリッジ回路の出力リード線（図示せず）を
上記リード線取出孔２５から該貫通孔２６ｂを介してケ
ーブル接続箱２７に引出す構成とすると共に、貫通孔２
６ｂを栓部材を構成するハーメチックシール２８により
シールして上記平底円孔１６、１７内部の気密封止状態
を保持している。

【００２０】柱状弾性体１５の図中上端１５ｂには、同
軸に略円筒状の荷重着力部３０、下端１５ｃには、支持
部３１をそれぞれ一体に設けている。上記荷重着力部３
０及び支持部３１の上記主軸Ｌ１に対して垂直な断面の
断面積をＳ１、Ｓ２とすると、このＳ１、Ｓ２の柱状弾
性体１の主軸Ｌ１に対して垂直な方向の断面の最大の断
面積Ｓ３に対する割合を下記の理由により１割から３割
の間に設定している。（尚、図３から図７において、応
力に付した＋符号は引張を示し、−符号は圧縮を示して
いる。）

【００２１】即ち、第１実施例のロードセルは、上記し
たように、柱状弾性体１５に平底円孔１６、１７を設け
た構成としている。そのため、該柱状弾性体１５の応力
分布は、図３から図６に示すような平底円孔を設けない
柱状の弾性体３２の変形と、図７に示すような円環状弾
性体３３の変形を重ね合わせることにより推測すること
ができる。

【００２２】まず、図３及び図４に示すように、高さが
ある程度低い柱状の弾性体３２に該弾性体３２の主軸Ｌ
２上に位置する荷重中心Ｃ１を中心として分布する圧縮
荷重Ｆ２を負荷すると、該圧縮荷重Ｆ２に対する主軸Ｌ
２方向（図中ｙ軸方向）に対して直角な断面におけるｙ
軸方向の応力σｙの分布は一様ではない。即ち、荷重中
心Ｃ１付近での応力σｙが高く、一方、側面部３２ａで
の応力が低くなる傾向がある。この傾向は、上端３２ｂ
および下端３２ｃに近い荷重軸直角断面における上記応
力σｙの分布ほど顕著であると共に、図３及び図４を比
較すれば明らかなように、圧縮荷重Ｆ２が広い分布を有
する状態から荷重中心Ｃ１を着力点とする集中荷重に近
付くほど強まる。

【００２３】従って、弾性体３２の側面部３２ａにおけ
るσｙの分布は、図５及び図６に示すようになり、弾性
体３２の上端３２ｂ及び下端３２ｃ付近で応力が０（零
）となる点Ｐ１が生じ、この点Ｐ１は上記圧縮荷重Ｆ２
が分布荷重から集中荷重に近付くにつれて図中矢印Ｚで
示すように、弾性体３２の中央部に移動する。

【００２４】一方、図７に示すように、円環状弾性体３
３に圧縮荷重Ｆ３が作用すると、該円環状弾性体３３は
惰円状に変形し、応力が０となる点Ｐ２が存在する。

【００２５】以上のことより、第１実施例に係るロード
セルの柱状弾性体１５に圧縮荷重Ｆ１が作用した場合の
応力分布は、上記弾性体３２と円環状弾性体３３の変形
の重ね合わせにより図８及び図９に示すようになること
が分かる。

【００２６】即ち、上記弾性体３２の側面部３２ａと円
環状弾性体３３の外周における応力は極性が逆であるこ
とから、第１実施例の柱状弾性体１５の場合には、ｙ軸
方向の応力は相殺されて小さくなり、上記圧縮荷重Ｆ１
が分布荷重から集中荷重になるのに連れてσｙ＝０とな
る点Ｐ３は、図示のように内側に移動する。

【００２７】ここで、上記圧縮荷重Ｆ１を主軸Ｌ１上の
荷重中心Ｃ２を着力点とする集中荷重に近付けるには、
上記荷重支持部１８及び支持部１９の主軸Ｌ１に対して
垂直な方向の断面積Ｓ１、Ｓ２の、上記柱状弾性体１５
の最大の断面積Ｓ３に対する割合を小さくすればよいか
ら、上記点Ｐ３の位置は上記断面積の割合を変えること
により任意に設定することができる。

【００２８】ここで、上記割合の上限値を３割としたの
は、図１０に示すように、柱状弾性体１５の主軸方向の
最大断面積Ｓ３と荷重着力部３０及び支持部３１の断面
積Ｓ１、Ｓ２との比率を種々に変更した場合のｙ軸（主
軸Ｌ１方向）方向でのｙ軸方向ひずみεｙの分布より、
荷重支持部３０及び支持部３１の断面積を柱状弾性体１
５の最大の断面積の３割以下とすれば上記平底円孔１６
、１７の主軸Ｌ１方向の上端又は下端に、σｙ＝０の点
を設定することができることが実験的に得られたからで
ある。

【００２９】また、上記割合の下限値を１割に設定した
のは、荷重着力部３０及び支持部３１の主軸Ｌ１に対し
て直角方向の断面積を定格荷重に耐えることができるよ
うに設定するためである。

【００３０】第１実施例のロードセルは、上記のように
荷重着力部３０及び支持部３１の主軸Ｌ１に対して垂直
な断面積Ｓ１、Ｓ２の柱状弾性体１５の最大断面積Ｓ３
に対する割合を設定して側面部１５ａ上の圧縮荷重に対
する主軸Ｌ１方向の応力σｙが０の部位を設け、該部位
にリード線取出金具２６を取付ける構成としているため
、測定時に上記柱状弾性体１５の変形は上記リード線取
出用金具２６を取付けたことによる摩擦の影響を受けず
、ヒステリシスの悪化を防止することができる。

【００３１】また、上記ロードセルはケーシングを備え
ず、平底円孔１６、１７内部でホイートストーンブリッ
ジ回路を構成して該平底円孔１６、１７をダイヤフラム
２２、２３で閉鎖する構成することにより、簡単な構造
で一体型のロードセルとしている。更に、上記したよう
にケーシングを備えない一体型のロードセルであるため
、組立調整が容易で安価かつ高精度を得ることができる
。

【００３２】図１１及び図１２に示す本発明の第２実施
例では、柱状弾性体３５の側面部３５ａを削り込んで、
上記リード線取出金具２６の雄ねじ部２６ａと螺合する
リード線取出孔２５の開口部の雌ねじ部２５ａの周囲に
、側面部３５ａから突出した取付部３６を形成している
。

【００３３】この第２実施例では、上記のようにリード
線取出金具２６を取付けた取付部３６を側面３５ａから
突出した構成としているため、荷重が作用した場合に、
該取付部３６は柱状弾性体３５の変形から解放され、該
取付部３６でのひずみを減少することができる。そのた
め、第２実施例では、柱状弾性体３５、荷重着力部３０
及び支持部３１の面積の割合を上記第１実施例と同様に
設定してリード取付金具２６の位置でのひずみを低減す
ると共に上記のように取付部３６を上記弾性体３５のひ
ずみから解放しているため、一層、リード線取出金具２
６の影響が小さく良好なヒステリシスを得ることができ
る。

【００３４】第２実施例のその他の構成及び特徴は上記
した第１実施例の場合と同様であるので同様の符号を付
して説明を省略する。

【００３５】図１３及び図１４に示す本発明の第３実施
例は上記第２実施例と同様の構成及び特徴を有し、取付
部３６’の形状のみが異なる。尚、以下の実施例の図面
では、リード線取出金具及びケーブル接続箱は省略して
いる。

【００３６】図１５及び図１６に示す本発明の第４実施
例では、柱状弾性体３７の側面部３７ａの雌ねじ部３８
上方を切欠いて第１溝３９を設ける一方、下端３７ｂの
雌ねじ部３８付近に第２溝４０を設け、該第１及び第２
溝３９、４０により柱状弾性体３７から分離した取付部
４１を構成している。

【００３７】図１７及び図１８に示す本発明の第５実施
例では、弾性体４２の雌ねじ部４３の周囲に環状溝４４
を設け、該環状溝４４により弾性体４２から分離した取
付部４５を構成している。

【００３８】本発明は、上記した実施例に限定されるも
のではなく、種々の変形が可能である。

【００３９】例えば、図１９に示すロードセルは、上記
した第１実施例と同様の構成であり、第１実施例のダイ
ヤフラム２２、２３の代わりに、起歪部１８の変形に影
響を与えないゴム状の気密封止材４７により平底円孔１
６、１７内部を気密封止する構成としている点が異なる
。

【００４０】また、図２０に示すように、栓部材として
上記ハーメチックシールの代わりに、グランドパッキン
５０及びパッキング押さえ金具５１によりケーブル５２
を押さえ込んでリード線取出孔２５の開口部を封止する
構成としてもよい。

【００４１】更に、上記した実施例ではリード線取出金
具は雄ねじ部を雌ねじ部に螺合することにより取付けて
いるが、溶接又は接着等の他の方法により取付けてもよ
い。

【００４２】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明に係る
ロードセルは、柱状弾性体に平底円孔を設け、該平底円
孔の底部にひずみゲージを接着して、該ひずみゲージに
より該平底円孔部の内部でブリッジ回路を形成すると共
に該平底円孔を気密封止する構成としているため、従来
の弾性体をケーシング内に収容し、該ケーシングをダイ
ヤフラムによる気密封止するロードセルのように、弾性
体とダイヤフラムの接合状態による摩擦の影響を受ける
ことがない。

【００４３】また、荷重着力部と支持部と柱状弾性体の
断面積を上記したように設定して、柱状弾性体の側面部
に上記主軸方向の応力が零あるいは零に近い応力が無視
できる部位を設け、該部位から上記平底円孔の上端又は
下端へ、リード線取出孔を設けているため、上記ブリッ
ジ回路の出力リード線を取り出すリード線取出金具の部
分での主軸方向の応力は零あるいは無視できる程度０で
あり、該リード線取出金具と弾性体の摩擦の影響を低減
している。そのため、本発明に係るロードセルは良好な
ヒステリシスを得ることが可能であり、高精度である。

【００４４】特に、柱状弾性体から突出させたり、直線
状又は円環状の溝を設けることにより上記リード線取出
金具の取付部を設けた場合には、リード線取出金具の部
分は、柱状弾性体の変形から解放されるため、一層、リ
ード線取出金具の摩擦の影響を一層低減することが可能
であり、高精度を得ることができる。

【００４５】また、上記のようにケーシングを必要とし
ない一体型であるため、組立調整が容易であると共に、
コストも低減することができる。

【００４６】さらに、本発明に係るロードセルは、上記
のような一体型であるため、小型化が可能であり、組立
時のスペースを小さくして台秤等に使用する場合に装置
全体の小型化を図ることができる等の種々の利点を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明に係る第１実施例を示す一部断面正
面図である。

【図２】　　図１のＢ−Ｂ線での断面図である。

【図３】　　柱状の弾性体に圧縮荷重を負荷したときの
主軸に対して垂直な断面での主軸方向の応力の分布を示
す概略図である。

【図４】　　柱状の弾性体に圧縮荷重を負荷したときの
主軸に対して垂直な断面での主軸方向の応力の分布を示
す概略図である。

【図５】　　柱状の弾性体に圧縮荷重が負荷したときの
側面部における主軸方向の応力の分布を示す概略図であ
る。

【図６】　　柱状の弾性体に圧縮荷重が負荷したときの
側面部における主軸方向の応力の分布を示す概略図であ
る。

【図７】　　円環状弾性体に圧縮荷重が作用したときの
応力の分布を示す概略図である。

【図８】　　第１実施例の柱状弾性体に圧縮荷重が作用
したときの応力の分布を示す概略図である。

【図９】　　第１実施例の柱状弾性体に圧縮荷重が作用
したときの応力の分布を示す概略図である。

【図１０】　　荷重着力部及び支持部の断面積を設定す
るための実験の一例の結果を示す概略図である。

【図１１】　　本発明の第２実施例を示す一部破断正面
図である。

【図１２】　　図１１の右側面図である。

【図１３】　　本発明の第３実施例を示す一部断面正面
図である。

【図１４】　　図１３の右側面図である。

【図１５】　　本発明の第４実施例を示す一部断面正面
図である。

【図１６】　　図１５の右側面図である。

【図１７】　　本発明の第５実施例を示す一部断面正面
図である。

【図１８】　　図１７の右側面図である。

【図１９】　　第１実施例において気密封止材料を使用
した場合の断面図である。

【図２０】　　第１実施例において、グランドパッキン
を使用した場合を示す一部破断正面図である。

【図２１】　　従来のロードセルを示す概略図である。

【図２２】　　従来のロードセルを示す概略図である。

【図２３】　　従来のロードセルを示す概略断面図であ
る。

【図２４】　　図２３のＡ−Ａ線での断面図である。

【符号の説明】 １５，３５，３７，４２　　柱状弾性体１６，１７　　
平底円孔 １８　　起歪部 １９，２０　　ひずみゲージ ２１　　リード線用貫通孔 ２５　　リード線取出孔 ２６　　リード線取出金具 ３０　　荷重着力部 ３１　　支持部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　柱状弾性体の対向する側面部に該柱状
   弾性体の主軸方向に対して垂直に一対の平底円孔を設け
   て、その底部の間に主軸と同軸に起歪部を構成し、該起
   歪部の両側となる平底円孔の底部にひずみゲージをそれ
   ぞれ取り付けたロードセルであって、上記柱状弾性体の
   上下両端部に、主軸と同軸に荷重着力部及び支持部を設
   け、上記荷重着力部及び支持部の柱状弾性体の主軸に垂
   直な断面積を、上記柱状弾性体の主軸に垂直な断面の最
   大断面積に対して１割から３割の比率に設定して、上記
   柱状弾性体の側面部に上記主軸方向の応力が零或いは零
   に近い応力が無視できる部位を設け、該柱状弾性体の側
   面部の上記主軸方向の応力が零或いは零に近い部位から
   平底円孔に向けて、上記平底円孔の上端又は下端にほぼ
   接するようにリード線取出孔を形成し、かつ、上記起歪
   部を貫通して上記ひずみゲージのリード線を通すリード
   線用貫通孔を設け、上記平底円孔内部で上記ひずみゲー
   ジによりブリッジ回路を構成し、該ブリッジ回路の出力
   リード線を上記リード線取出孔の開口部に取付けたリー
   ド線取出金具から取り出すと共に、リード線取出孔及び
   リード線取出金具の開口部を栓部材により気密封止する
   一方、上記平底円孔の開口部を気密部材により気密封止
   していることを特徴とするロードセル。
2. 【請求項２】　　上記リード線取出孔の開口部付近を柱
   状弾性体から突出させて、該突出部に上記リード線取出
   金具を取り付けている請求項１記載のロードセル。
3. 【請求項３】　　上記リード線取出孔の開口部付近を切
   欠き、該切欠部に上記リード線取出金具の取り付けてい
   る請求項１記載のロードセル。