JPS6113944Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、弾性材料より成る球部材に平面部を
形成し、該平面部に引張ひずみまたは圧縮ひずみ
が検出できる方向にひずみゲージを１個配設し、
該球部材を交互に配置して、作用した荷重を電気
的出力として検出するロードセルに関する。

従来、圧縮荷重を測定する薄型のロードセル
は、第１図に示す様な弾性材料より成る球部材
BMの平面部に直交関係に２個のひずみゲージ
G₁，G₂を配設した受荷重部材RLMを第２図Ａな
いしＣに示す様にケース部材CM内に配置し、受
荷重部材RLMに作用する荷重の総和をホイート
ストンブリツジ回路で検出していた。第２図にお
いて、説明の便宜上ひずみゲージを配設した球部
材は、Ｔ字状にゲージを模式的に示し、荷重はう
けもつが、ゲージが配設されていない球部材すな
わちダミーボールはDBとして示す。

第２図Ａに示す従来のロードセルは、環状のケ
ース部材CM内に例えば90゜間隔で４個の球部材
を配設したものである。本ロードセルは、４個の
球部材である受荷重部材RLMによつて、作用す
る荷重をうけもつのであるが、４個の受荷重部材
RLMがうけもつことができる荷重により、ロー
ドセルとしての荷重容量が決定され、荷重容量お
よび耐久性の制約があつた。

第２図Ｂに示す従来のロードセルは、第２図Ａ
に示すロードセルの荷重容量を増すためにゲージ
を配設した球部材の間にゲージを配設していない
球部材すなわちダミーボールDBを配設したもの
である。本ロードセルは、８個の球部材により作
用する荷重をうけもつので、荷重容量は２倍にな
るが、ロードセルに作用する荷重がかたよつてい
たり、荷重分布がある場合、たまたま高い荷重が
作用する点にダミーボールDBが位置したりする
と、ロードセルの出力が作用した荷重に対して低
くなり、ロードセルの装着毎に出力値が変動する
ことがあつた。

第２図Ｃに示すロードセルは、第２図Ｂに示す
ロードセルのダミーボールの代わりにゲージを有
する球部材を配設したものである。本ロードセル
は、ケース部材内の全ての球部材にゲージが配設
してあるので、荷重分布があつても影響を受けず
に荷重の総和を検出することができ、荷重容量も
第２図Ａに示すロードセルの２倍になるが、ゲー
ジ数が２倍になり、リード線が約３倍になるので
高価になるとともに、作業性が悪くなり、又配結
線のためにスペースが必要になるという問題があ
つた。

本考案は、本考案者らが従来のロードセルが有
していた欠点を解消すべく、ロードセルの構造に
対する系統的思索およびそれらに基づく実験およ
び実用試験を重ねた結果案出したものである。

本考案は、小型且つシンプルな構造で計測精度
の高いロードセルを提供することを第１の目的と
する。

本考案は、荷重容量が大きく、しかもロードセ
ルに対する荷重がかたよつていたり、又荷重分布
が均一でない場合でも、ロードセルに作用した荷
重の総和を精確に検出するロードセルを提供する
ことを第２の目的とする。

本考案は、安価で作業性の良いロードセルを提
供することを第３の目的とする。

本考案のロードセルは、弾性材料より成る球部
材の一部に少くとも１個の平面部を形成した偶数
個の受荷重部材と、該受荷重部材の球面に荷重を
作用させた時に、前記受荷重部材の平面部上で引
張ひずみが検出される方向に配設した第１のひず
みゲージと、該受荷重部材の球面に荷重を作用さ
せた時に、前記受荷重部材の平面部上で圧縮ひず
みが検出される方向に配設した第２のひずみゲー
ジと、前記第１のひずみゲージを配設した受荷重
部材と前記第２のひずみゲージを配設した受荷重
部材とを交互に把持挿置するケース部材と、およ
び前記受荷重部材に配設された前記第１および第
２のひずみゲージに接続して前記第１および第２
のひずみゲージの電気的出力をケース部材外に導
出するためのリード線とから成り、前記受荷重部
材に計測しようとする荷重を作用させたときの受
荷重部材の変形量を前記第１および第２のひずみ
ゲージの電気的出力として検出するものである。

上述の構成より成る本考案のロードセルは、例
えば第２図Ｄに示すように８個の受荷重部材を使
用すると、上述の第２図Ａに示すロードセルに比
べ、ゲージ数およびリード線が同じであるが、受
荷重部材の数が２倍になるので、荷重容量が２倍
になるという利点を有する。

また、本考案のロードセルは、第２図Ｄに示す
ように第１のひずみゲージを配設した受荷重部材
と、第２のひずみゲージを配設した受荷重部材と
を交互に配設しているので、ダミーボールDBを
用いる上述の第２図Ｂに示すロードセルに比べ、
ロードセルに作用する荷重がかたよつていたり、
分布があつてもその影響を受けず、精確にロード
セルに作用した荷重の総和を検出することができ
るという利点を有する。

さらに本考案のロードセルは、各受荷重部材に
２個のひずみゲージを配設した第２図Ｃに示すロ
ードセルに比べ、第２図Ｄに示すようにゲージ数
が半分、リード線の数が約３分の１になるので、
安価であるとともに、配結線のための作業が容易
であり、そのためのスペースが不要になるので、
小型化が可能であるという利点を有する。

本考案は、実施するに当り次の様な態様を採り
得る。

本態様は、受荷重部材に配設した第１のひずみ
ゲージと第２のひずみゲージとを夫々の平面部内
において所定の位置関係に配設することにより、
同一の荷重が各受荷重部材に作用した時、第１の
ひずみゲージと第２のひずみゲージとが出力する
電気的出力の絶対値が等しいなる様にし、ロード
セルに作用する荷重に分布が有る場合でも、各受
荷重部材の第１および第２のひずみゲージが検出
した電気的出力の総和が測定しようとする荷重と
比例関係になる様にするものである。

本考案らは、第１および第２のひずみゲージの
位置関係を把握するため、側部を削つた球に集中
荷重を加えた時の削り面上のひずみ分布を有限要
素法により解析し、第１のひずみゲージと第２の
ひずみゲージの出力値が等しくなる様な位置を把
握し、実験および解析を行ない確認した。

第３図に要素分割した計算モデルを示す。対称
条件を適用して、球の８分の１に相当する領域に
ついて計算した。

分割に用いた要素は、３次元物体解析用の20節
点六面体アイソパラメトリツク要素である。図
中、ABC面が削り面であり、Ｚ軸上に圧縮荷重
1000Kgを加えた。

第４図Ａおよび第４図Ｂは前記削り面のAC上
およびAB上のεｘ，εｚのひずみ分布を材料の
例を鋼にとつて示したものである。

削り面中央部付近の横ひずみεｘは荷重方向ひ
ずみεｚにポアソン比を乗じた量に比べて多く現
われており、これが球特有のひずみ分布である。

次に、計算結果より、縦ゲージ（第２のひずみ
ゲージ）と横ゲージ（第１のひずみゲージ）の出
力値が等しくなる様なゲージ貼付位置を求めた。
第５図は、貼付するゲージの有効長さを1.5mmと
し、横ゲージを貼付する削り面中央の平均ひずみ
とAB上の縦ゲージを貼付する各位置の平均ひず
みの関係を示す。第５図から、球の直径が5.6
mm、削り量が0.6mm、ゲージの有効長さが1.5mmの
場合、縦ゲージの貼付位置はＡ点より0.6mm離れ
た位置であることがわかる。この位置に、各ゲー
ジを貼付け、実験により、ひずみが同一であるこ
とを確認した。また、削り面中央に縦ゲージと横
ゲージを貼付する必要がある場合、削り量で調整
することも可能である。

更に、縦ゲージと横ゲージの角度関係を調整す
ることにより、ひずみ量すなわち電気的出力を同
一にすることも可能である。

次に本考案を実施例に基づき第６図ないし第８
図を用いて説明する。

本実施例のロードセルＬは、自動車のフロント
サスペンシヨンにおけるバウンドストツパ荷重を
測定するための厚さが薄い円盤状ワツシヤタイプ
（荷重容量2ton）のものである。第６図は実車へ
のセツト状態を示す。本ロードセルＬは車輪の跳
ね上がりによる底着きを緩衡するためのバウンド
ストツパゴムBGがシヨツクアブソーバSBの移動
軸MAの上端に同軸状にはめ込まれている。ロー
ドセルＬは、ロードセル取付用フランジLFを２
つ割とし、シヨツクアブソーバ移動軸を抱く形で
ゴムのＯリングORを介してシヨツクアブソーバ
外筒の上端部の間に直列にセツトされる。ロード
セル取付用フランジLFを２つ割にしたことによ
りシヨツクアブソーバを分解することなくロード
セルの取付けが可能となる。悪路走行時、タイヤ
が突起物等に乗り上げた時、アクスルの跳ね上が
りにより、バウンドストツパゴムBGを介してボ
デイーに入力される。バウンドストツパ荷重を本
ロードセルＬにより検出する。

ロードセルＬの外径はφ65、厚さ9.7mmの円盤
状である。ロードセルはボール保持ケースＤに８
ケの平坦底円筒形の孔が同心円上にあけられ、そ
の孔に第６図に示すように感圧ボール１ｄ，１ｅ
が１ケずつガイドリンク２を介してはめ込まれて
いる。リード線５はボール保持ケースＤからまと
めて引き出されている。感圧ボール１ｄ，１ｅ
は、玉軸受用小鋼球（直径７／32″、約5.6φ）で
あり、裏ぶたBPは防水のためのシール、ならび
にボール取出しを可能にするためにシリコンゴム
SRにより封入されている。感圧ボール１ｄ，１
ｅは、第７図に示す如くひずみゲージが貼付でき
る程度に面研マし、その面に半導体ひずみゲージ
３ａ、または３ｂ（SR−1.7−1000−U₁）を１本
ずつ接着剤で貼付け、圧縮荷重を検出する機構に
なつている。

半導体ひずみゲージは、第７図に示すように感
圧ボール１ｅの削り面の中央に横方向に貼付した
横ゲージ（第１のひずみゲージ）３ａと、感圧ボ
ール１ｄの削り面の中央のＡ点から0.6mm離れた
点に荷重方向に貼付した縦ゲージ（第２のひずみ
ゲージ）３ｄとから成る。

横ゲージ３ａを貼付した感圧ボール１ｅと、縦
ゲージ６ｂを貼付した感圧ボール１ｄとは、第２
図Ｄに示すように交互にボール保持ケースＤ内に
配設する。

８ケの感圧ボールから出る各リード線は、ボー
ル保持ケースＤと裏ぶたBPの間に設けた溝を通
してロードセル外周の一点にまとめられ、フルブ
リツジを構成した後、４芯シールドリード線５で
外部へ取出すようになつている。

８ケの感圧ボールで合計８枚のゲージにより各
辺に２枚ずつ同方向に配設したゲージを入れたフ
ルブリツジを構成する。ゲージの結線方法と入出
力回路を第８図に示す。

感圧ボールに貼付された半導体ひずみゲージ８
枚を前述の如くそれぞれ４辺に配設し、相対する
一対を水銀電池BVからなる電源の入力端子とし
他の一対を出力端子とするフルブリツジ回路であ
る。さらに前述の如きブリツジ回路の一方の出力
端子BOに不変抵抗R₂の一端を接続し、そして固
定抵抗R₂を通してマイナス側の入力端子COに接
続し、さらに別の可変抵抗R₁を前記出力端子BO
とプラス側入力端子AO間に接続したものであ
る。また入力端子間には電源BVと出力電圧調整
用ボリユームR₄ならびにスイツチSWが直例に配
設されている。

前記可変抵抗の調整によつて出力の零調整を行
なう事ができるもので、前記可変抵抗とR₁の可
変抵抗の直列抵抗値R₂およびR₃の固定抵抗の値
を適当に選択する事によつて、前記フルブリツジ
回路の熱出力特性に全く影響を与えないか、ある
いは熱出力補償を行なう事ができ、しかも零調整
によつてそれらの結果に何ら影響を与えない特徴
を有するものである。

本実施例では、R₂，R₃＝2KΩ、R₁＝1KΩ、R₄
＝500Ωとした。

以下、上記構成より成るロードセルの作用につ
いて説明する。

バウンドストツパゴムBGに加わる圧縮荷重
は、そのままロードセルに外力として加わりロー
ドセルに内蔵の８ケの感圧ボール１ｄ，１ｅに変
形を与える。感圧ボール１ｄ，１ｅには半導体ひ
ずみゲージが１本づつ貼付されており、これらひ
ずみゲージによつてブリツジ回路が構成されてい
るので、電源より直流電圧を入力端子に印加し検
出しようとする荷重を作用せしめると、その荷重
に応じて半導体ひずみゲージの抵抗値が変化し、
荷重に応じて不平衡電圧が出力端子間に出力され
る。その出力をリード線５にて外部へ抽出し、記
録計にて読む。

荷重と出力値の関係はボールの弾性範囲内での
較正から比例関係にあり記録計の読みから即ちに
荷重を知る事ができる。

本実施例のロードセルは、ひずみゲージを１ケ
ずつ貼付した感圧ボールを８個配設してあるの
で、ゲージ数を、リード線を増やすことなく、荷
重容量を２倍にすることができる。

すなわち８ケの感圧ボール１ｄ，１ｅで強度的
には2tonの荷重に耐えられるようになつている。

本実施例のロードセルは、感圧ボールにすべて
ひずみゲージが貼付してあり、ダミーボールを用
いてないので、ロードセルに作用する荷重がかた
よつたり、荷重に分布があつても、その影響を受
けずに精確にロードセルに作用した荷重の総和を
検出できるという利点を有する。

本実施例のロードセルは、各感圧ボールに１ケ
のひずみゲージを貼付してあるので、ゲージ数が
半分、リード線の数が約３分の１になり、安価で
あるとともに、配結線のための作業が容易であ
り、そのためのスペースが不要になるので、小型
化が可能になるといる利点を有する。

上述以外には、本実施例のロードセルは以下の
様な作用効果を奏する。

本ロードセルの保持用フランジLFを２つ割に
した事による作用効果としてシヨツクアブソーバ
が組立てられたままの状態でもロードセルの装
着・離脱が容易である。また左右から抱え込むこ
とにより、ゴムＯリングOR等を介してロードセ
ルの固定が容易になる。

本ロードセルは、出力の非直線性、再現性、ク
リープ、ヒステリシス等を総合しても±１％FS
以内の非常に高精度のものであり、この種のロー
ドセルの応用範囲はかなり広いものになる事が明
らかとなつた。

更に、本考案は、前述の実施例では球部材とし
て、鋼球を例にとり、代表的に説明したが、それ
ら以外にも適用条件に応じて鋼球以外の銅球、ニ
ツケル球、アルミ球、ガラス球、その他の金属球
およびセラミツクボールや微荷重測定においては
ゴム球、樹脂球等の使用も可能である。

又本考案におけるケース部材は、実施例で述べ
たケース部材の構造および形状に限定されず、荷
重測定の適用態様に応じた種々の構造および形状
が実施可能である。

又本考案におけるひずみゲージは、前述の実施
例では半導体ひずみゲージについてのみ述べた
が、球部材の変形を検出することができるもので
あれば抵抗線ひずみゲージ、半導体拡散ゲージ、
フオイルゲージの様に種々のひずみゲージが使用
可能であり、使用するゲージの位置関係および角
度関係についても荷重測定の適用態様に応じた
種々の態様をとりうる。

更に本考案におけるリード線は、前述の実施例
以外に使用するひずみゲージのタイプ、および位
置又は後段の電気的処理回路に応じて種々の態様
をとりうる。

上述以外にも、本考案は実用新案登録請求の範
囲の精神に反しない範囲において幾多の設計変更
および付加変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のロードセルの感圧ボールのひ
ずみゲージの配置を示す図、第２図Ａないし第２
図Ｃは、従来のロードセルの感圧ボールおよびひ
ずみゲージの配置を模式的に示した図、第２図Ｄ
は、本考案のロードセルの一例の感圧ボールおよ
びひずみゲージの配置を模式的に示した図、第３
図ないし第５図は、本考案の球部材に圧縮荷重が
作用した場合の計算機で得られたデータを示す
図、第６図ないし第８図は、本考案の実施例を示
す図であり、第６図は、本実施例のロードセルの
サスペンシヨンへの装着態様を示す断面図、第７
図は本実施例のロードセルのひずみゲージの結線
図、および第８図は、同入出力回路を示す回路図
を夫々示す。 図中、１ｄおよび１ｅは鋼球、２はガイドリン
グ、３ａおよび３ｂはひずみゲージ、５はリード
線を示す。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 弾性材料より成る球部材の一部に少くとも１
   個の平面部を形成した偶数個の受荷重部材と、
   該受荷重部材の球面に荷重を作用させた時に、
   前記受荷重部材の平面部上で引張ひずみが検出
   される方向に配設した第１のひずみゲージと、 前記受荷重部材の球面に荷重を作用させた時
   に、前記受荷重部材の平面部上で圧縮ひずみが
   検出される方向に配設した第２のひずみゲージ
   と、 前記第１のひずみゲージを配設した受荷重部
   材と前記第２のひずみゲージを配設した受荷重
   部材とを交互に把持挿置するケース部材と、お
   よび 前記受荷重部材に配設された前記第１および
   第２のひずみゲージに接続して前記第１および
   第２のひずみゲージの電気的出力をケース部材
   外に導出するためのリード線とから成り、 前記受荷重部材に計測しようとする荷重を作
   用させたときの受荷重部材の変形量を前記第１
   および第２のひずみゲージの電気的出力として
   検出するようにしたことを特徴とするロードセ
   ル。 (2) 前記受荷重部材に配設した第１のひずみゲー
   ジと第２のひずみゲージとを夫々の平面部内に
   おいて所定の位置関係に配設することにより、
   同一の荷重が各受荷重部材に作用した時、第１
   のひずみゲージと第２のひずみゲージとが出力
   する電気的出力の絶縁値が等しくなる様にし、
   ロードセルに作用する荷重に分布が有る場合で
   も、各受荷重部材の第１および第２のひずみゲ
   ージが検出した電気的出力の総和が測定しよう
   とする荷重と比例関係になる様にしたことを特
   徴とする実用新案登録請求の範囲第(1)項記載の
   ロードセル。