JPS6110733A

JPS6110733A - 耐圧型荷重変換器

Info

Publication number: JPS6110733A
Application number: JP59130983A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Mochizuki; 望月　恵一郎; Koichi Yabe; 興一矢部
Original assignee: KYOWA DENGIYOU KK; Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Current assignee: KYOWA DENGIYOU KK; Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
Priority date: 1984-06-27
Filing date: 1984-06-27
Publication date: 1986-01-18

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、より詳細には荷重が印加
されると弾性変形する起歪体の起歪部にひずみゲージが
添着されてなり、水中等の高圧環境下で負荷される荷重
を、前記ひずみゲージにより電気信号に変換して検出す
る耐圧型荷重変換器に関するものである。

（ｂ）従来技術一般に荷重変換器は、例えば重量の検出１機械や構築物
に作用する荷重（力）の測定等に多回されているが、近
来、海洋開発が推進されていく中で、特に深海中で負荷
される荷重を測定する必要性が増大してきている２例え
ば、海底には、海底マンガン鉱（マンガン団塊）等の極
めて有用な鉱脈が存在しており、これらを採取するには
、６０００ｍ程度の深海で作業を行う必要がある。その
ため荷重変換器も深海の水圧に耐え得るものが必要とな
るが、水深６０００ｍでは水圧が約６００ｋｇ／ａ＃に
もなり、従来の荷重変換器をそのまま深海において使用
することは不可能であった。

以下、従来の荷重変換器を水中で用いた場合の問題点を
図に基づいて説明する。

先ず、第５図に円柱形状をした従来の圧縮型の荷重変換
器の断面図を示す。

同図に示す荷重変換器は、中央部の柱状の起歪柱１の下
端が変換器の底面である荷重支持部２により支持されて
おり、その上端の荷重受座１ａに荷重が負荷されると中
間部が弾性変形して、その中間部側局面に添着されたひ
ずみゲージ３をひずませるので、そのひずみゲージ３の
検出信号をもとに負荷荷重を検出することができる。こ
のひずみゲージ３は、一般に湿気や温度変化等の影響を
受は易いものであるため、ケーシング機能を兼ねる荷重
支持部２の開口端部にダイヤフラム４を取付けて封止し
て密閉室５を形成し、その内部に窒素ガス等を充填する
ことによって外気と遮断され、湿気等の影響を受けない
ように保護されている。

このような圧縮型の荷重変換器を水中で使用した場合、
水圧が第５図の矢印で示すように荷重変換器の全体にか
かり、起歪柱ｌの軸方向にも圧縮荷重が負荷されこれを
変形させてしまう。

従ってこの圧縮型荷重変換器は、荷重受座１ａに負荷さ
れた被測定荷重の他に水圧による負荷が加えられてしま
い正確な荷重の測定ができなかった。また、水圧の影響
を考慮して測定値を補正することが可能であるとしても
水深が変わる毎に補正を行わなければならず、非常に厄
介な処理が必要となり、これを自動的に行うようにする
には複雑な装置が必要となる。

第６図は、変換原理が第５図示のものとは異なる剪断型
の荷重変換器の一例の構成を示す断面図である。この変
換器は１円柱形状を呈しその中心部と何局部との間が４
箇所に亙り略扇形状にくりぬかれて平面より見て十文字
状をなす起歪部が形成され、その起歪部のせん断面に直
交する起歪面６上にはひずみゲージ３が添着されている
６起歪部は、荷重受座１ａ’に荷重が負荷されたときそ
の荷重と荷重支持部２′からの抗力とにより剪断力を受
けて剪断ひずみを生じ、そのひずみが起歪面６に添着さ
れたひずみゲージ３により検出される。このひずみゲー
ジ３も第５図の場合と同様に窒素ガス等が充填されたケ
ーシング機能をもつ円筒状の荷重支持部２′と両端面側
のダイヤフラム４，４とにより形成された密閉室５内に
収納され保護されている。

このような剪断型の荷重変換器は、第５図に示した圧縮
型のものと違って測定すべき負荷荷重以外の水圧による
負荷が検出値に加えられることはなく正確な測定が可能
となるが、反面ダイヤフラム４の強度上の問題があった
。即ち。

タイヤフラム４は、ひずみゲージ３を湿気を含んだ外気
と遮断して保護するのが目的であって、起歪部の負荷荷
重による弾性変形を妨げないように非常に剛性が小さく
形成されているため、水圧によって容易に変形され、そ
れ程高くない水圧により破壊されることがあった。実際
上この種の荷重変換量では最大３ｋｇ／ａＪ位（水深約
３０ｍ）の水圧が限界であった。

第７図は、第６図め剪断型荷重変換器の他の従来例の構
成を示す断面図である。

同図において第６図示のものとの相違点は、密閉室５内
に窒素ガスの代わりに非圧縮性のオイル（シリコンオイ
ル等）を充填させた点と、変換器の荷重支持部２′側の
ダイヤフラム４をベローズ７とし１．このベローズ７を
シーリング部材８を介して剛なる固定部材９により変換
器に取り付けた点にある。

この後者の剪断型の荷重変換器の場合、密閉室５内には
非圧縮性のオイルが充填されているとともに伸縮自在な
ベローズ７が設けられているため、加えられた水圧は、
ダイヤフラム４およびベローズ７よりオイルに伝達され
オイルの圧力と水圧とが等しくなる。従って、ダイヤフ
ラム４は、水圧によって変形されないので相当高圧下で
も破壊され難い。しかしながら、この変換器は、周囲の
温度が変化するとオイルが膨張あるいは収縮するため、
密閉室５の容積が変化してベローズ７に過大な力が加わ
り、ベローズ７が破壊されてしまうという難点がある。

また、上述した第５図〜第７図に示した荷重変換器にお
ける共通の難点は、ダイヤフラム４が、一般に薄肉の普
通鋼等よりなり、余程よく防錆処理が施されていても海
水中等で長期に亘って使用しているうちに腐食する点に
あり、すなわち、長期使用上の信頼性に問題があった。

（ｃ）　　目的本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、深
海等の高圧環境下における耐久性および防湿性が極めて
高く、簡単な構成で、従来のものよりコストを低減でき
、しかも長期に亘り安定して正確な荷重の検出を行い得
る極めて信頼性の高い耐圧型荷重変換器を提供すること
を目的としたものである。

（ｄ）　　構成本発明は、荷重が印加されると弾性変形する起歪体の起
歪部にひずみゲージが添着されてなり、水中等の高圧環
境下で負荷される荷重を、前記ひずみゲージにより電気
信号に変換して検出する耐圧型荷重変換器において、前
記起歪体の一端面側に前記荷重を受ける剛性大なる荷重
受部が形成され、前記荷重受部に負荷される前記荷重の
作用線から所定間隔離れた部位における前記起歪体の他
面側に前記荷重による反作用である抗力を受ける剛性大
なる荷重支持部が形成され、前記荷重受部と前記荷重支
持部との間に介在し前記荷重と前記抗力とにより弾性変
形し剪断ひずみを生ずる起歪部が形成され、前記起歪部
の内部に剪断面と直交する起歪面が形成されるようにし
て有底穴が穿設され、前記起歪部に生ずる剪断ひずみを
検出し得るようにして前記起歪面にひずみゲージが添着
され、前記ひずみゲージの検出信号を外部に導出するた
めの防水コネクタが前記有底穴に気密に嵌合されてなる
ことを特徴とするものであり、このような構成とするこ
とによって上記目的を完全に達成することができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づき詳細に説
明する。

第１図は、本発明の第１の実施例の構成を示す断面図で
ある。

同図において、１０は例えばニッケルークロム鋼、ニッ
ケルークロム−モリブデン鋼その他の合金よりなる円柱
状の素材に旋削加工を施して形成された起歪体であり、
周縁部および一端側の中央部が肉厚で剛性が大きくされ
、その他の部分が肉薄となっている。即ち一端面の中央
部がその周縁部よりもやや突出して荷重受部１１が形成
されており、この荷重受部１１はその頭頂部である曲面
状の荷重受部１１ａに測定対象からの負荷荷重を受ける
。また、荷重受部１１とは反対側である他端面の周縁部
は、中央部よりやや下方に突出して荷重受座１１ａに負
荷された荷重に対して起歪体１０を支持する荷重支持部
１２となっている。さらに、荷重受部１１と荷重支持部
１２との中間である薄肉部は、負荷荷重によって剪断ひ
ずみを生じる起歪部１３となっている。この例の場合、
周縁部（荷重支持部１２）と中央部（荷重受部１１）と
の中間部を、上面より見て略扇形状にくりぬき、その結
果中間部に残された４本の十文字ビーム状部分を起歪部
１３としている。この起歪部１３の中心部には、起歪体
１０の側周面（図においては右端）より起歪体ｌＯの中
心を通り中心軸と直交するようにして他側の荷重支持部
１２近傍に至るひずみ検出用の有底穴１４が穿設されて
いる。この有底穴１４の内壁のうち、ビーム状をなす起
歪部１３の中央部に、起歪部１３の剪断面と直交し且つ
剪断ひずみを検出し得るようにしてひずみゲージ１５が
添着されており、この有底穴１４内には保護用のコーテ
ィング剤が充填される。ここで、第１図に示したひずみ
ゲージ１５は、それぞれ荷重の負荷方向（作用線）に対
して４５°を成すように設定されており、起歪部１３に
生ずる剪断ひずみを電気信号に変換するものである。有
底穴１４の入口の内壁には、雌ねじ１６が形成されてお
り、次に示す密閉手段であるとともに電気信号伝達手段
でもある防水コネクタ１７が螺合される。

第２図（ａ）は、その防水コネクタの一例の構成を示す
断面図である。

同図（ａ）において、１７は略円柱形状を呈する防水コ
ネクタであり、一端側（図においては左側）の側周には
第１図に示した有底穴１４の雌ねじ１６と螺合する雄ね
じ１８が形成されている。また、防水コネクタ１７の側
周の中間部は一端側より大径なフランジ部１９となって
おり、このフランジ部１９の一面側に穿設されたリング
状の溝１９ａには、この防水コネクタ１７が起歪体１０
に螺合されたときにその間の気密を保持するためのＯリ
ング２０が嵌め込まれている。防水コネクタ１７の他端
側には、この防水コネクタ１７の中心と同心の２・条の
断面半円状の溝２１ａを有する嵌合部が形成されている
。そして、この防水コネクタ１７の心部には、起歪体１
０の有底穴１４内に添着されたひずみゲージ１５に一端
が接続されたリード線２２の他端が半田付は等の手段に
より接続されてなる複数のピン２３（同図では２本のみ
図示）が一端側から他端側に貫通し且つ突出した状態で
嵌入されている。

第２図（ｂ）は、同図（ａ）に示した防水コネクタの嵌
合部外周に嵌合される防水プラグの一例の構成を示す断
面図である。

同図において、防水プラグ２４は、硬質のゴム等よりな
るキャップ状のもので、その開口端近傍の内周には２条
の断面半円状をなすリブ２５が形成されている。また、
他端側からは、電気信号の入出力用のケーブル２６が嵌
入されており、このケーブル２６から露出された接続コ
ード２７は、防水プラグ２４内に嵌入された絶縁体２８
により支持された複数のソケット２９（同図では２個の
み図示）の底部にそれぞれ半田付は等の手段により接続
されている。

このように構成された防水プラグ２４は、リブ２５が形
成された開口端側から第２図（ａ）に示す防水コネクタ
１７の嵌合部２１外周に嵌め込まれ、防水コネクタ１７
の溝２１ａと防水プラグ２４のリブ２５とが嵌合されて
密封固定される。このとき、防水コネクタ１７の他端側
（図においては右端側）に突出されたピン２３は、防水
プラグ２４内の所定のソケット２９に嵌合される。そう
して、起歪体１０の有底穴１４内のひずみゲージ１５が
ケーブル２６を介して外部の荷重測定器（図示せず）と
接続されることとなる。

以上のように構成された荷重変換器は、例えば６０００
ｍ程度の深海において海底鉱脈を採取するバスケット等
に取り付けられ、このバスケットに負荷された荷重を検
出する。この場合。

上記実施例の荷重変換器は、荷重を荷重受座１１ａに受
けて起歪部１３に荷重に応じた剪断ひずみを生じる。そ
して、この剪断ひずみは、起歪部１３に添着されたひず
みゲージ１５の抵抗値変化として検出され、ケーブル２
６を介して海上の作業船等に伝達され荷重値が計測され
る。ひずみゲージ１５は、一般に複数枚添着されており
、それらにより組まれたホイートストンブリッジの出力
信号をもとに荷重が検出される。

この第１の実施例の荷重変換器は、従来のものとは異な
りダイヤフラムやベローズ等の高圧および腐食に耐え得
ない部材は一切使用していない。そして、ひずみゲージ
１５は起歪部１３内に穿設した有底穴１４内に添着され
ており、しかも有底穴１４の開口端側は、防水コネクタ
１７によって完全密閉されている。従って、従来のよう
に水圧によってダイヤフラムやベローズが変形乃至は破
壊されたり、海水によって腐食される等の虞れを無くす
ことができる。また、防水コネクタ１７は、高い気密性
と強度を充分持たすことが可能であるので、例えば、水
深８０００ｍでも充分使用することができる。

第３図（ａ）および（ｂ）は、本発明の第２の実施例の
構成をそれぞれ示す断面図および斜視図である。

同図において、３０は略直方体状、より厳密にいえば横
断面形状がクランク状を呈する変換器の起歪体であり、
その長手方向の一端側が荷重受部３１となり、他端側か
荷重支持部３２となっており、側方から穿設された有底
穴１４内には第１の実施例の場合と同様にしてひずみゲ
ージ１５が添着されており、その周囲にはコーティング
剤が充填され、図示は省略したが、その開口端部には第
２図に示した防水コネクタが螺合される。３３はこの起
歪体３０を測定対象であるバスケット等に取り付けるた
めのねじ穴である。

この第２の実施例の場合も第１の実施例と同様の効果が
得られ、また、より小型に形成できるので狭所における
荷重の検出に適する。

第４図（、）および（ｂ）は、本発明の第３の実施例の
構成をそれぞれ示す断面図および斜視図である。

同図において、この第３の実施例の起歪体３０は、第２
の実施例の起歪体３０と外観形状は略共通しているが、
有底穴の穿設方向が９０゜異なっている。即ち、この第
３の実施例の場合、剪断中立軸と同軸にして両側方より
中心部近傍に至る有底穴３４ａおよび３４ｂが穿設され
、その中心部近傍に残された薄肉部分を起歪部３５とし
ており、この起歪部３５の両面即ち剪断面と直交する起
歪面３５ａにひずみゲージ１５が添着されている点が異
なる。そして、２つの有底穴３４ａ、３４ｂは、同様に
してコーティング剤が充填され、防水コネクタにより密
閉される。

この第３の実施例では、剪断ひずみの検出部位を起歪体
３０の中立軸のごく近傍とすることができ、また、起歪
部３５を薄く形成することができる。

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において種々の変形
が可能であることは勿論である。

例えば、第１の実施例に示した有底穴１４も、第３の実
施例のように両側方から穿設し中心部に所定の厚みを残
して起歪部を形成するようにしてもよい。

また、上述した実施例では荷重受部１１゜３１に圧縮荷
重が負荷された場合について述べたが、荷重支持部１２
．３２と荷重受部１１゜３１とが引張荷重を受けた場合
にその引張荷重を検出し得るように構成することもでき
る。この場合には、荷重受部１１．３１および荷重支持
部１２．３２に被測定対象物に取付けるための取付部を
設ければよい。

（ｅ）　　効果以上詳述したように本発明によれば、構成が簡単で、従
来のものよりコストを低減でき、深海等の高圧環境下に
おける耐久性および防湿性が極めて高く、長期に亘り安
定して正確な荷重の検出を行い得る極めて信頼性の高い
耐圧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の実施例の主要部の構成を示す
断面図、第２図（ａ）および（ｂ）は、同実施例に用い
られる防水コネクタおよび防水プラグの一実施例の構成
をそれぞれ示す断面図、第３図（ａ）および（ｂ）は、
本発明の第２の実施例の主要部の構成をそれぞれ示す断
面図および斜視図、第４図（ａ）および（ｂ）は１本発
明の第３の実施例の主要部の構成をそれぞれ示す断面図
および斜視図、第５図、第６図および第７図は、それぞ
れ異なる従来の荷重変換器の主要部の構成を示す断面図
である。ｔｏ、３０・・・・・・起歪体、１１．３１・・・・・・荷重受部、１２．３２・・・・・・荷重支持部、１３．３５・・・・・・起歪部、１４．３４ａ　、３４ｂ　・−−有底穴、１５・・・・
・・ひずみゲージ、１７・・・・・・防水コネクタ。２４・・・・・・防水プラグ。第　　１　　図（ｂ）ｆｓ３　　　面（ａ）（ｂ）第　　４　　図（ａ）（ｂ）第　　５　　図第　　６　　　図第　　７　　図１、′

Claims

【特許請求の範囲】

（１）荷重が印加されると弾性変形する起歪体の起歪部
にひずみゲージが添着されてなり、水中等の高圧環境下
で負荷される荷重を、前記ひずみゲージにより電気信号
に変換して検出する耐圧型荷重変換器において、前記起
歪体の一端面側に前記荷重を受ける剛性大なる荷重受部
が形成され、前記荷重受部に負荷される前記荷重の作用
線から所定間隔離れた部位における前記起歪体の他面側
に前記荷重による反作用である抗力を受ける剛性大なる
荷重支持部が形成され、前記荷重受部と前記荷重支持部
との間に介在し前記荷重と前記抗力とにより弾性変形し
剪断ひずみを生ずる起歪部が形成され、前記起歪部の内
部に剪断面と直交する起歪面が形成されるようにして有
底穴が穿設され、前記起歪部に生ずる剪断ひずみを検出
し得るようにして前記起歪面にひずみゲージが添着され
、前記ひずみゲージの検出信号を外部に導出するための
防水コネクタが前記有底穴に気密に嵌合されてなること
を特徴とする耐圧型荷重変換器。