JPS60243528A - Load cell - Google Patents

Load cell

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JPS60243528A
JPS60243528A JP59099782A JP9978284A JPS60243528A JP S60243528 A JPS60243528 A JP S60243528A JP 59099782 A JP59099782 A JP 59099782A JP 9978284 A JP9978284 A JP 9978284A JP S60243528 A JPS60243528 A JP S60243528A
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Japan
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load cell
resistors
strain
amplifier
adjusted
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JP59099782A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshihisa Nishiyama
西山 義久
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Sanyo Electric Co Ltd
Toshiba TEC Corp
Original Assignee
Tokyo Sanyo Electric Co Ltd
Tokyo Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS60243528A publication Critical patent/JPS60243528A/en
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/225Measuring circuits therefor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01L1/2243Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being parallelogram-shaped

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Force In General (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make it possible to adjust resistors at the same time with the adjustment of strain gages, by forming the resistors, which determine the gain of a signal amplifier, on a pattern forming surface by thin film technology. CONSTITUTION:The gain of a signal amplifier 16 is expressed by 1+R12/R11. There is dispersion is sensitivity of a load cell part 13. Even if the value of R12/ R11 is the same with respect to the same load, dispersion is present in an output voltage V30 of the amplifier 16. Then, it is necessary to adjust the gain of the amplifier 16 with respect to the sensitivity of the load cell part 13 in order to make the voltage V30 the specified value. Therefore, the resistors R11 and R12 are formed in the same pattern by thin film technology just like strain gages R5-R8. The resistors R11 and R12 of the amplifier 16 are adjusted by laser trimmers at the same time as the adjustment of the strain gages R5-R8 of the load cell part 13. When the applied load to the load cell part 13 is the initial value, an output voltage V20 of a zero-point setter 15 is adjusted by resistors R9 and R10 of the zero-point setter 15 so that the output voltage V30 of the amplifier 16 becomes the specified value. The resistors R9 and R10 can be adjusted by laser trimmers at the same time with the adjustment of the strain gages R5-R8.

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、薄膜プロセスによりストレンゲージを形成す
るようにしたロードセルに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Technical Field of the Invention The present invention relates to a load cell in which a strain gauge is formed by a thin film process.

技術的背景およびその問題点 従来のロードセルは、起歪体の上下面に歪ゲージを貼付
けて形成しているものであるが、このような構造のもの
は製作上の手数が大変であり、電気的接続もわずられし
い等の理由から、起歪体の一面にストレンゲージを薄膜
技術により形成することが行なわれている。そして、ス
トレンゲージの調整は、レーザートリマーなどによりト
リミングして行なっている。
Technical Background and Problems Conventional load cells are formed by attaching strain gauges to the upper and lower surfaces of a strain-generating body, but such a structure requires a lot of effort to manufacture and requires electrical For reasons such as difficulty in making physical connections, a strain gauge is formed on one surface of a strain-generating body using thin film technology. The strain gauge is adjusted by trimming with a laser trimmer or the like.

発明の目的 本発明は、起歪体のストレンゲージが形成された同一面
に信号増幅器の利得を定める抵抗を薄膜技術により形成
し、これをストレンゲージの調整と同時に簡単に調整す
ることを目的とするものである。
Purpose of the Invention The present invention aims to form a resistor that determines the gain of a signal amplifier on the same surface of a strain-generating body on which a strain gauge is formed, using thin film technology, and to easily adjust this at the same time as adjusting the strain gauge. It is something to do.

発明の実施例 まず、機械的に強固に形成されたベース1にロードセル
部材2の一端下部が固定され、このロードセル部材2の
他端上部には荷重3が載置される荷重受は皿4が固定さ
れている。前記ロードセル部材2はステンレス材等より
なる起歪体5とこの起歪体5の側面に取付けられた電子
回路基板6とよりなる。前記起歪体5には孔7が形成さ
れて平行四辺形状に変形する四個の薄肉変形部8が設け
られている。そして、前記起歪体5の上面はパターン形
成面9とされ、このパターン形成面9に薄膜技術により
形成された後述の回路素子はリード線lOにより前記電
子回路基板6上の必要部分に接続されている。
Embodiments of the Invention First, one lower end of a load cell member 2 is fixed to a mechanically strong base 1, and a load receiver on which a load 3 is placed on the upper end of the load cell member 2 has a plate 4. Fixed. The load cell member 2 includes a strain body 5 made of stainless steel or the like, and an electronic circuit board 6 attached to the side surface of the strain body 5. The strain body 5 is provided with four thin-walled deformable portions 8 having holes 7 formed therein and deformed into a parallelogram shape. The upper surface of the strain body 5 is a pattern forming surface 9, and circuit elements, which will be described later, formed on this pattern forming surface 9 by thin film technology are connected to necessary parts on the electronic circuit board 6 by lead wires IO. ing.

つぎに、第2図に基いて電気回路を説明する。Next, the electric circuit will be explained based on FIG.

まず、電圧VEの電源11は分圧器12に接続され、こ
の分圧器12はロードセル部13と差動増幅器14とが
接続されている。このロードセル部13と差動増幅器1
4とはゼロ点設定器15を介して信号増幅器16、フィ
ルター17に順次接続されている。このフィルター17
と前記差動増幅器14とはA/Dコンバータ18に接続
されている。このA/Dコンバータ18は別に設けられ
たマイクロコンピュータシステム19に接続され、この
マイクロコンピュータシステム19には置数キー20が
接続されているとともにその出力側は表示器21に接続
されている。
First, a power source 11 of voltage VE is connected to a voltage divider 12, and this voltage divider 12 is connected to a load cell section 13 and a differential amplifier 14. This load cell section 13 and differential amplifier 1
4 is sequentially connected to a signal amplifier 16 and a filter 17 via a zero point setter 15. This filter 17
and the differential amplifier 14 are connected to an A/D converter 18. This A/D converter 18 is connected to a microcomputer system 19 provided separately, and a number key 20 is connected to this microcomputer system 19, and its output side is connected to a display 21.

しかして、前記分圧器12はR13、R14、R16を
直列接続してなる。
Thus, the voltage divider 12 is formed by connecting R13, R14, and R16 in series.

また、前記ロードセル部13は、調整抵抗Rsを介して
前記電源11に接続されているが、R5とRBとの直列
回路、RaとRTとの直列回路。
The load cell section 13 is connected to the power source 11 via an adjustment resistor Rs, which is a series circuit of R5 and RB and a series circuit of Ra and RT.

R7,Raによりブリッジ結合されている。Bridged by R7 and Ra.

ついで、前記差動増幅器14は、コンパレータQ1.Q
2の出力側にそれぞれ抵抗R1,R2およびR3,R4
を接続し、R1とR2との接続点とR3とR4との接続
点とにそれぞれ入力側を接続したコンパレータQ3を有
し、このコンパレータQ3の出力側はR2の出力側に接
続し、R4の一端は接地したものである。そして、前記
コンパレータQ1の入力側には前記分圧器12のR14
とR1sとの電圧v1の接続点が接続されており、前記
コンパレータQ2の入力側には前記分圧器12のR13
とRt4との電圧v2の接続点が接続されている。これ
らのコンパレータQl、Q2の出力電圧はV3.V4で
あり、これらめコンパレータQ 1. Q 2への入力
電圧はVE ’である。また、差動増幅器14の出力電
圧はVrefである。
The differential amplifier 14 then connects the comparators Q1 . Q
Resistors R1, R2 and R3, R4 on the output side of 2, respectively.
and a comparator Q3 whose input sides are connected to the connection point of R1 and R2 and the connection point of R3 and R4, respectively, the output side of this comparator Q3 is connected to the output side of R2, and the output side of R4 One end is grounded. Further, R14 of the voltage divider 12 is connected to the input side of the comparator Q1.
and R1s are connected to each other, and R13 of the voltage divider 12 is connected to the input side of the comparator Q2.
The connection point of voltage v2 between and Rt4 is connected. The output voltages of these comparators Ql and Q2 are V3. V4, and these comparators Q1. The input voltage to Q2 is VE'. Further, the output voltage of the differential amplifier 14 is Vref.

前記ゼロ点設定器15は抵抗R9,RIOの直列回路で
あり、R9は前記差動増幅器14の出力側に接続され、
R10は接地されている。抵抗R9゜R10の接続中点
には前記ロードセル部13の一方の出力が接続され、他
方の出力は前記信号増幅器16のコンパレータQ4の+
側入力に接続されている。前記抵抗R1oの端子間電圧
はV 20であり、前記ロードセル部13の出力電圧は
VLである。
The zero point setter 15 is a series circuit of resistors R9 and RIO, R9 is connected to the output side of the differential amplifier 14,
R10 is grounded. One output of the load cell unit 13 is connected to the connection midpoint of the resistors R9°R10, and the other output is connected to the + of the comparator Q4 of the signal amplifier 16.
connected to the side input. The voltage across the terminals of the resistor R1o is V20, and the output voltage of the load cell section 13 is VL.

また、前記信号増幅器16のコンパレータQ4の一側入
力には抵抗Ruが接地間に接続され、また、この−個入
力と出力側との間には抵抗R12が接続されている。こ
の信号増幅器16の出力電圧はv3oである。
Further, a resistor Ru is connected between one input of the comparator Q4 of the signal amplifier 16 and ground, and a resistor R12 is connected between this input and the output side. The output voltage of this signal amplifier 16 is v3o.

なお、 前記A/Dコンバータ18のVIN端子には前
記フィルター17が接続され、Vref端子には前記差
動増幅器14が接続され、C0MM0N端子は接地され
ている。
The filter 17 is connected to the VIN terminal of the A/D converter 18, the differential amplifier 14 is connected to the Vref terminal, and the C0MM0N terminal is grounded.

しかして、前記抵抗の中で、R5、R6,R7。Among the resistors, R5, R6, and R7.

R8は前記薄肉変形部8に位置決めされてストレンゲー
ジとしてパターン形成面9に形成されているものである
が、このパターン形成面9の荷重によっては変形しない
部分に他の抵抗R1,R2。
R8 is positioned in the thin deformable portion 8 and is formed on the pattern forming surface 9 as a strain gauge, and other resistors R1 and R2 are provided at portions of the pattern forming surface 9 that are not deformed by the load.

R3、R4、R9,Rso、 R11,R12,R13
,R14、RT5. Rs 、RB 、 RTが形成さ
れている。
R3, R4, R9, Rso, R11, R12, R13
, R14, RT5. Rs, RB, RT are formed.

さらに、述べると、起歪体5のパターン形成面9には絶
縁層が形成され、この絶縁層の上に温度特性の良好な金
属が蒸着され、これがホトエツチング等の手段により所
定の金属パターンを形成して必要な回路を形成している
ものである。そして、各抵抗はその形成が前述の如き薄
膜プロセスのためにそれらの抵抗値のバラツキは非常に
大きい。
Furthermore, an insulating layer is formed on the pattern forming surface 9 of the strain-generating body 5, and a metal having good temperature characteristics is deposited on this insulating layer, and a predetermined metal pattern is formed by means such as photo-etching. It forms the necessary circuit. Since each resistor is formed by the thin film process described above, the resistance values thereof vary greatly.

とくに、ブリッジ結合されるR5−R8においてはこの
バラツキは問題であり、ブリッジのバランスをとるため
にReの値を調整する。このRaの調整に当っては一般
的にレーザートリマーが使用される。
In particular, this variation is a problem in R5-R8 which are bridge-coupled, and the value of Re is adjusted to balance the bridge. A laser trimmer is generally used to adjust this Ra.

このような構成において、まず、差動増幅器14の動作
を説明する。この差動増幅器14は安定した出力Vre
fを発生する必要があるものであるが、これは次の■式
で示される。
In such a configuration, the operation of the differential amplifier 14 will be explained first. This differential amplifier 14 has a stable output Vre.
It is necessary to generate f, which is shown by the following equation (2).

Kl ここで、eは信号電圧V1.V2に重畳された雑音電圧
であり、Vrefにはこのeが零であることが必要であ
る。この雑音電圧eを零にするためには、R1−R4の
同相成分除去比を調整することにより可能であり、その
調整にはストレンゲージR5〜R8のレーザートリマー
を行なうときに同時に行なう。すなわち、■式を変形す
ると0式が成立する。
Kl Here, e is the signal voltage V1. This is a noise voltage superimposed on V2, and this e needs to be zero for Vref. This noise voltage e can be made zero by adjusting the in-phase component removal ratio of R1-R4, and this adjustment is performed at the same time as the laser trimmer of the strain gauges R5-R8. That is, when formula (2) is transformed, formula 0 holds true.

Rフ 2 m−・ (V1+ e) ・・・■ 1 を基準としてR2−R4の各比が等しくなるように調整
する。しかも、a″:1とすれば、となり、雑音電圧e
の影響がない状態になる。
Rf2 m-.(V1+e)...■ Adjust so that each ratio of R2-R4 is equal based on 1. Moreover, if a″:1, then the noise voltage e
It becomes a state where there is no influence of.

このようにすることにより、薄膜プロセスに起因するR
1−R4の抵抗値の絶対値は問題にする必要がなく、そ
の比率を調整すればよく、かつ、その温度特性だけを問
題にすればよいので差動増幅器14の回路を安価に高精
度のものを得ることが可能である。
By doing this, R caused by the thin film process can be reduced.
There is no need to worry about the absolute value of the resistance value of 1-R4, it is only necessary to adjust the ratio, and only the temperature characteristics need to be considered, so the differential amplifier 14 circuit can be constructed at low cost and with high precision. It is possible to get something.

つぎに、ロードセル部13の出力電圧Vt、はこれに印
加する駆動電圧VEの大きさに比例する。
Next, the output voltage Vt of the load cell section 13 is proportional to the magnitude of the drive voltage VE applied thereto.

そして、駆動電圧VEは可能な限り大きい方がロードセ
ル部13の信号対雑音比の関係上有利である。このとき
、駆動電圧VEの上限はブリッジ抵抗で消費される電力
により発熱し、各抵抗の熱変形によるブリッジバランス
の大きさにより制限される。本実施例における抵抗R6
〜R8は薄膜プロセスで形成されるため、高抵抗とする
ことが可能であり、従来の貼付式ストレンゲージの場合
よりも何倍も大きい抵抗値とすることができるその反面
、差動増幅器14のコンパレータQ1゜Q2 、Q3の
入力電圧をその電源電圧以上としたときは差動増幅器1
4が動作不能になってしまうので、分圧器12によりV
E ’を入力信号として与えている。すなわち、 であり、R14を調整することにより、適当なVE ’
を設定している。このR14は薄膜プロセス番−よりス
トレンゲージR5〜R8と同じパターン形成面9に形成
されているので、レーザートリマーによりロードセル部
13の調整と同時に行ないうる。
It is advantageous for the drive voltage VE to be as large as possible in terms of the signal-to-noise ratio of the load cell section 13. At this time, the upper limit of the drive voltage VE is limited by the magnitude of the bridge balance due to heat generated by the power consumed by the bridge resistor and thermal deformation of each resistor. Resistor R6 in this example
~R8 is formed by a thin film process, so it can have a high resistance and can have a resistance many times higher than that of a conventional adhesive strain gauge.On the other hand, the resistance of the differential amplifier 14 When the input voltage of comparator Q1゜Q2, Q3 is higher than the power supply voltage, differential amplifier 1
4 becomes inoperable, voltage divider 12 reduces V
E' is given as an input signal. That is, by adjusting R14, an appropriate VE' can be obtained.
is set. Since this R14 is formed on the same pattern forming surface 9 as the strain gauges R5 to R8 according to the thin film process number, adjustment of the load cell section 13 can be performed simultaneously with the laser trimmer.

ついで、信号増幅器16はロードセル部13の出力信号
VLを増幅するためのものであるが、その利得Gは次の
0式により示される。
Next, the signal amplifier 16 is for amplifying the output signal VL of the load cell section 13, and its gain G is expressed by the following equation 0.

ここで、抵抗R11、R12は薄膜プロセスにより形成
されているため、R11とR12との比を規定の値にな
るように調整する必要がある。
Here, since the resistors R11 and R12 are formed by a thin film process, it is necessary to adjust the ratio of R11 and R12 to a specified value.

また、ロードセル部13の感度には個々のものでバラツ
キがあり、R12/ Rttが同一の値であっても同一
の荷重に対して信号増幅器16の出力電圧V 3Gにバ
ラツキが発生する。この出力電圧V 30を規定の値に
するためには、ロードセル部13の感度Kに対して利得
Gを調整すればよい。
Furthermore, the sensitivity of the load cell section 13 varies among individual units, and even if R12/Rtt is the same value, variation occurs in the output voltage V3G of the signal amplifier 16 for the same load. In order to make this output voltage V30 a specified value, the gain G may be adjusted with respect to the sensitivity K of the load cell section 13.

このように、抵抗R11、R12はストレンゲージR5
〜R8と同様に薄膜プロセスによって同一パターン面9
に形成されているため、ロードセル部13の調整を行な
うときに抵抗R11、R12もレーザートリマーによっ
て調整を行なう。
In this way, the resistors R11 and R12 are connected to the strain gauge R5.
~Similar to R8, the same pattern surface 9 is created by the thin film process.
Therefore, when adjusting the load cell section 13, the resistors R11 and R12 are also adjusted using a laser trimmer.

つぎに、ゼロ点設定器15はロードセル部13の印加荷
重が初期値のとき、信号増幅器16の出力電圧v3oが
ある規定値になっているように設定するためのものであ
る。このゼロ点設定器15の出力電圧V 20は次の■
式で示される。
Next, the zero point setter 15 is used to set the output voltage v3o of the signal amplifier 16 to a certain specified value when the applied load of the load cell section 13 is an initial value. The output voltage V20 of this zero point setter 15 is as follows:
It is shown by the formula.

このとき、信号増幅器16の出力電圧V 30は次の0
式で示される。
At this time, the output voltage V 30 of the signal amplifier 16 is 0
It is shown by the formula.

V3(1= (VL + V2O) ・G −■ここで
、出力電圧V 3nを規定値にするためには、V 20
を調整すればよく、そのためには抵抗R9゜R1oを調
整することにより行ないつる。そして。
V3 (1 = (VL + V2O) ・G −■Here, in order to make the output voltage V 3n the specified value, V 20
This can be done by adjusting the resistors R9°R1o. and.

これらの抵抗R9,RIOの調整はストレンゲージR5
〜R8の調整と同時にレーザートリマーにより行ないう
る。
These resistances R9 and RIO can be adjusted using strain gauge R5.
This can be done using a laser trimmer simultaneously with the adjustment of ~R8.

発明の効果 本発明は、ストレンゲージが形成されたパターン形成面
に信号増幅器の利得を定める抵抗を薄膜プロセスにより
形成したので、ストレンゲージの調整と同時に信号増幅
器の抵抗の調整を行なうことができ、これにより、簡単
に利得を定めることができるものである。
Effects of the Invention In the present invention, the resistance that determines the gain of the signal amplifier is formed on the patterned surface on which the strain gauge is formed by a thin film process, so that the resistance of the signal amplifier can be adjusted at the same time as the strain gauge. This allows the gain to be easily determined.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

図面は本発明の一実施例を示すもので、第1図は起歪体
部分の縦断側面図、第2図は電気回路図である。 5・・・起歪体、8・・・薄肉変形部、9・・・パター
ン形成面、16・・・信号増幅器、R5−R8・・・ス
トレンゲージ、Ru 、 R12川抵抗 出 願 人 東京電気株式会社
The drawings show one embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a vertical sectional side view of a strain-generating body portion, and FIG. 2 is an electric circuit diagram. 5... Strain body, 8... Thin deformed portion, 9... Pattern forming surface, 16... Signal amplifier, R5-R8... Strain gauge, Ru, R12 River resistance Applicant: Tokyo Electric Co., Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 四個所の薄肉変形部を有して平行四辺形状に変形する起
歪体を設け、この起歪体の一面のパターン形成面に前記
薄肉変形部に対応させて位置決めされるとともにたがい
にブリッジ結合されたストレンゲージを薄膜プロセスに
より形成し、これらのストレンケージが形成された前記
パターン形成面に信号増幅器の利得を定める抵抗を薄膜
プロセスにより形成し、前記ストレンゲージのトリミン
グによる調整と同時に前記信号増幅器の抵抗を調整する
ようにしたことを特徴とするロードセル。
A strain-generating body having four thin-walled deformable portions and deformed into a parallelogram shape is provided, and the strain-generating body is positioned on one pattern-forming surface of the strain-generating body in correspondence with the thin-walled deformed portions, and is bridge-coupled to each other. A resistor that determines the gain of the signal amplifier is formed on the patterned surface on which the strain cages are formed by a thin film process, and at the same time the strain gauge is adjusted by trimming, the signal amplifier is adjusted. A load cell characterized by adjusting resistance.
JP59099782A 1984-05-17 1984-05-18 Load cell Pending JPS60243528A (en)

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JP59099782A JPS60243528A (en) 1984-05-18 1984-05-18 Load cell
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