【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷重計に用いられるロードセル用本体及びそれを用いたロードセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性体のひずみの変化から荷重を検出する荷重計、いわゆるロードセルは、一般的には円筒または円柱の鋼材に抵抗線ひずみゲージを貼り付けてなり、荷重を載荷して生ずるひずみを測定することによって、該載荷荷重を計測できるようになっている。
【０００３】
かかるロードセルは、載荷試験、疲労試験、張力測定等に広く使用されているとともに、引張型、圧縮型、両用のものなどさまざまなタイプのものが市販されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、市販されている従来のロードセルは、引張であれ圧縮であれ、材軸方向にのみ荷重を作用させなければならないような構造になっているものがほとんどである。
【０００５】
そのため、軸力方向荷重に加えてせん断力を同時計測したい場合には、せん断力計測用のロードセルが別途必要になることは言うに及ばず、図１１に示すように、軸力計測及び曲げモーメント計測用のロードセル１、１の頭部にせん断力の一部が伝達されてしまうことがないよう、試験体２との間に水平リニアガイド３を設けるとともに、せん断力計測用のロードセル４の頭部に鉛直力の一部が伝達されてしまうことがないよう、試験体２との間に鉛直リニアガイド５を設けねばならず、かくして計測のための準備がきわめて煩雑になるという問題を生じていた。
【０００６】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、互いに異なる方向から作用する２以上の荷重を同時に計測可能なロードセル用本体及びそれを用いたロードセルを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るロードセル用本体は請求項１に記載したように、ひずみゲージを貼付するための互いに平行でない少なくとも２以上の非鉛直面を有する弾性部材の頂部に試験体を載せるための載荷板を取り付け、前記弾性部材を逆Ｖ字状に開いた一対の脚板で構成するとともに、該各脚板の下端に支持台座を設けたものである。
【０００８】
また、本発明に係るロードセル用本体は、前記試験体をＲＣ試験体としたものである。
【０００９】
また、本発明に係るロードセル用本体は、前記脚板を奥行き方向が長くなるように構成するとともに該奥行き方向に沿って鉛直スリットを設けたものである。
【００１０】
また、本発明に係るロードセル用本体は、ひずみゲージを貼付するための互いに平行でない少なくとも２以上の非鉛直面を有する弾性部材の頂部に試験体を載せるための載荷板を取り付け、前記弾性部材を逆Ｖ字状に開いた一対の脚板で構成するとともに、該各脚板の下端に支持台座を設け、前記脚板を前記載荷板及び前記支持台座にピン接合したものである。
【００１２】
また、本発明に係るロードセルは請求項５に記載したように、請求項１乃至請求項４のいずれか一記載のロードセル用本体の前記非鉛直面にひずみゲージを貼り付けたものである。
【００１３】
本発明に係るロードセル用本体及びそれを用いたロードセルにおいては、試験体からの荷重が載荷板を介して弾性部材に作用し、該弾性部材の非鉛直面にはその弾性に応じたひずみが発生するが、非鉛直面でひずみを計測すれば、計測位置での傾斜角度が既知であるがゆえに該計測位置でのひずみを水平成分と鉛直成分に分けることが可能となり、ひいては載荷板に作用している荷重を水平成分と鉛直成分に分けて算出することができる。また、載荷板に作用する荷重の自由度が複数、例えば鉛直方向、水平二方向の計３自由度であったとしても、その数に応じた非鉛直面にひずみゲージを貼り付けて該非鉛直面でのひずみを計測すれば、各非鉛直面が互いに平行でないがゆえに各自由度方向の荷重を算出することができる。
【００１４】
具体的には、例えば鉛直方向と水平一方向からのみ荷重が作用する場合には、互いに平行でない少なくとも２つの非鉛直面を有する弾性部材を用いてロードセル用本体を構成すればよいし、鉛直方向及び水平二方向の３軸方向から荷重が作用する場合には、互いに平行でない少なくとも３つの非鉛直面を有する弾性部材を用いてロードセル用本体を構成すればよい。
【００１５】
弾性部材は、非鉛直面におけるひずみゲージの貼付位置でのひずみと載荷板に作用する作用荷重との関係を静的釣り合いによる方程式を解いたり場合によっては弾性部材をモデル化して応力解析を行ったりすることで求めるとともに、求められた関係を用いて計測ひずみから作用荷重を算出することができる限り、どのように構成してもかまわない。例えば、円錐台（互いに平行でない非鉛直面は無数）、三角錐台（互いに平行でない非鉛直面は３面）、四角錐台（互いに平行でない非鉛直面は４面）などで構成することも可能である。
【００１６】
なお、弾性部材の非鉛直面は、ひずみゲージを貼付可能であればよいのであって、必ずしも平面である必要はなく、曲面でもよいことは言うまでもない。
【００１７】
ここで、かかる弾性部材を逆Ｖ字状に開いた一対の脚板で構成するとともに、該各脚板の下端に支持台座を設けたならば、一対の脚板の開き角度を変えるだけで、ロードセル用本体の鉛直剛性と水平剛性との比率を、実際にロードセル用本体に作用する鉛直荷重と水平荷重との比率に適した状態にすることが可能となり、ロードセルを使用する際の汎用性が向上する。
【００１８】
かかる構成において、前記脚板を奥行き方向が長くなるように構成するとともに該奥行き方向に沿って鉛直スリットを設けたならば、実際に荷重を載荷させた時に奥行き方向の応力が生じにくくなる。そのため、計測ひずみと載荷板に作用する荷重との関係を、複雑なモデルを考えずとも容易に求めることが可能となる。
【００１９】
また、脚板と載荷板あるいは脚板と支持台座とを剛接してもかまわないが、これらをピン接合したならば、脚板がトラス材となって曲げモーメントが作用しなくなる。そのため、やはり計測ひずみと載荷板に作用する荷重との関係を、複雑なモデルを考えずとも容易に求めることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るロードセル用本体及びそれを用いたロードセルの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２２】
図１は、本実施形態に係るロードセル本体である。同図でわかるように、本実施形態に係るロードセル本体１１は、逆Ｖ字状に開いた弾性部材としての一対の脚板１２、１２の下端に支持台座１３、１３を設けるとともに、脚板１２、１２の頂部に試験体（図示せず）を載せるための載荷板１４を取り付けて構成してあり、脚板１２の外面１５、１５は、それぞれひずみゲージを貼付するための互いに平行でない非鉛直面として作用する。
【００２３】
脚板１２、１２の開き角度、厚み及び材質については、脚板１２のひずみをできるだけ高い精度で計測することができるよう、載荷板１４を介して試験体から受ける水平力や鉛直力の大きさあるいはその比率等に応じて適宜定める。例えば、鉛直力が大きく水平力が小さい場合であれば、脚板１２、１２の開き角度を小さくすることによって鉛直剛性を大きく水平剛性を小さくすればよい。このようにすれば、いずれの方向の荷重についても、十分な大きさのひずみを脚板１２に生じさせることができる。具体例としては、開き角度を３０度、厚みを８ｍｍとするとともに、ある程度ひずみを発生させる必要がある関係上、材質を鋼材ではなくアルミ材とすることが考えられる。
【００２４】
なお、支持台座１３には、ロードセル本体１１を据付固定するためのボルト孔１６を形成してあるとともに、載荷板１４には試験体との連結を図るためのボルト穴１７を形成してある。
【００２５】
図２は本実施形態に係るロードセル２１、２２をそれぞれ示したものである。同図でわかるように、本実施形態に係るロードセル２１、２２は、ロードセル用本体１１の脚板１２、１２の外面１５、１５にひずみゲージ２０を貼付して構成してある。なお、同図（ｂ）のロードセル２２では、ひずみゲージ２０を片面につき３ヶ所ずつ貼付してあるが、これは、計測点を増やしてその精度を高めるためである。
【００２６】
本実施形態に係るロードセル用本体１１及びそれを用いたロードセル２１、２２においては、ボルト孔１６を利用してロードセル２１等を据え付けるとともに載荷板１４の上に試験体を載せて固定し、次いで、該試験体に静的若しくは動的荷重を作用させる。なお、かかる載荷試験では、試験体の脚部、すなわち載荷板１４には、鉛直力と水平力の両方が試験体から作用するものとする。
【００２７】
かかる載荷試験では、試験体からの荷重、すなわち水平力ＰＨ及び鉛直力ＰＶは、図３に示すように載荷板１４を介して弾性部材である脚板１２、１２に作用し、該脚板の非鉛直面である外面１５、１５にその弾性に応じたひずみε１、ε２が発生する。
【００２８】
ここで、非鉛直面である脚板１２の外面１５に貼付されたひずみゲージ２０でひずみε１、ε２を計測すれば、計測位置が非鉛直面であってその傾斜角度が既知であるがゆえに計測位置でのひずみを水平成分と鉛直成分に分けることができるとともに、静的釣り合い条件から、脚板１２の断面積等を用いて水平力ＰＨ及び鉛直力ＰＶを算出することができる。すなわち、
【００２９】
ＰＶ＝―ｔＢＥｋｖ（ε１＋ε２）ｓｉｎθ
【００３０】
ＰＨ＝ ｔＢＥｋｈ（ε１―ε２）ｃｏｓθ
【００３１】
ここで、ｔは脚板１２の厚み、Ｂは脚板１２の奥行き長さ、Ｅは脚板１２のヤング係数、θは脚板１２の水平面に対する傾斜角度、ｋｖ、ｋｈは、製作誤差、奥行き方向応力の影響、脚板１２の曲げの影響等を取り除くための較正係数である。なお、較正係数は、既知の載荷荷重を載荷板１４に作用させてひずみを計測し、そのときの載荷荷重とひずみの大きさとの関係から定めることができる。
【００３２】
図４は、本実施形態に係るロードセル２１を擁壁をモデル化したＲＣ試験体３５、３５の振動試験に適用した例を示したものである。同図でわかるように、かかる振動試験では、振動台３４の上にせん断土槽３１を設置するとともにその底面に鋼板３７を敷いてロードセル２１を据え付け、該ロードセルの上にＲＣ試験体３５のフーチング３６を載せて固定する一方、ＲＣ試験体３５の両側に基盤をモデル化したソイルモルタル３２と表層地盤をモデル化した砂３３とを順次積層充填してある。
【００３３】
このような状況下で振動台３４を同図矢印方向に振動させると、ＲＣ試験体３５には表層地盤３３からの水平力が作用し、ロードセル２１、２１には、同図（ｂ）に示すようにＲＣ試験体３５のフーチング３６を介して水平力ＰＨ１及び鉛直力ＰＶ１、水平力ＰＨ２及び鉛直力ＰＶ２がそれぞれ作用する。
【００３４】
かかる水平力及び鉛直力を上述した手順で求めれば、フーチング３６の底面に生じている軸力Ｎ、せん断力Ｓ及び曲げモーメントＭを、それぞれ
【００３５】
Ｎ＝ＰＶ１＋ＰＶ２
【００３６】
Ｓ＝ＰＨ１＋ＰＨ２
【００３７】
Ｍ＝（ＰＶ１―ＰＶ２）・ｌ／２
【００３８】
として求めることができる。
【００３９】
図５は、本実施形態に係るロードセル２１をＲＣ高架橋をモデル化したＲＣ試験体４１の静的載荷試験に適用した例を示したものである。同図でわかるように、かかる静的試験では、据え付けられたロードセル２１の上にＲＣ試験体４１のフーチングを載せて固定してある。また、ＲＣ試験体４１の柱部分での断面力を計測するため、該柱部分にロードセル２１を挟み込んである。なお、断面力計測用のロードセル２１を設置する場合には、それが設置されたことによってＲＣ試験体４１の弾性挙動に変化が生じることがないよう、ＲＣ試験体４１にしっかりと固定したり、ロードセル２１の剛性をコンクリートに合わせたりといった工夫を施すのが望ましい。
【００４０】
このような状況下でＲＣ試験体４１の梁部分に水平荷重を載荷すると、フーチング底面に設置された２つのロードセル２１、２１には、上述の振動試験と同様、やはり水平力ＰＨ１及び鉛直力ＰＶ１、水平力ＰＨ２及び鉛直力ＰＶ２がそれぞれ作用するので、フーチング底面に生じている軸力Ｎ、せん断力Ｓ及び曲げモーメントＭを同様の手順で演算すればよい。柱部分に挟み込んだロードセル２１についても同様である。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態に係るロードセル用本体１１及びそれを用いたロードセル２１、２２によれば、計測位置が非鉛直面であってその傾斜角度が既知であるがゆえに計測位置でのひずみを水平成分と鉛直成分に分けることが可能となり、載荷板１４に作用している荷重を水平成分と鉛直成分に分けて算出することが可能となる。
【００４２】
また、載荷板１４に作用する荷重の自由度が鉛直方向及び水平方向の計２自由度であっても、その自由度に対応するように、互いに平行でない一対の脚板１２、１２の非鉛直面１５、１５にそれぞれひずみゲージ２０を貼り付けて該非鉛直面でのひずみを計測するようにしたので、各自由度での荷重を特定することが可能となる。
【００４３】
したがって、水平力と鉛直力の両方が作用するような場合において、従来のようにリニアガイド３、５のような複雑な治具を使用することなく、しかも単一のロードセルで鉛直力及び水平力の同時計測を行うことが可能となる。
【００４４】
また、本実施形態に係るロードセル用本体１１及びそれを用いたロードセル２１、２２によれば、弾性部材を逆Ｖ字状に開いた一対の脚板１２、１２で構成するとともに、該各脚板の下端に支持台座１３、１３を設けるようにしたので、一対の脚板１２、１２の開き角度を変えるだけで、ロードセル用本体１１の鉛直剛性と水平剛性との比率を、実際にロードセル用本体に作用する鉛直荷重と水平荷重との比率に適した状態にすることが可能となり、ロードセルを使用する際の汎用性が向上する。
【００４５】
本実施形態では、ロードセル２１の適用例として説明した振動試験及び静的載荷試験において、フーチングの底面にロードセル２１をそれぞれ２つずつ設置したが、これは転倒モーメント（脚部での曲げモーメント）を計測するためであり、軸力及びせん断力だけを計測すればよいのであれば、ロードセル２１は１つで足りる。
【００４６】
また、本実施形態では特に言及しなかったが、ロードセル用本体の奥行き方向長さが長い場合には、図６に示したように、該奥行き方向に沿って鉛直スリット５１を脚板１２に設けるようにしてもよい。
【００４７】
かかる構成によれば、実際に荷重を載荷させた時に奥行き方向の応力が生じにくくなる。そのため、計測ひずみと載荷板に作用する荷重との関係を、複雑なモデルを考えずとも容易に求めることが可能となる。
【００４８】
また、本実施形態では特に言及しなかったが、脚板１２に生じる曲げモーメントの影響が無視できない場合には、図７に示すように、脚板１２の外面１５のみならず、その裏面に該当する内面１８も非鉛直面とするとともに、互いに直交する２枚のひずみゲージ２０、２０を各面に貼り付け、計４枚のひずみゲージを用いた４ゲージ法によって脚板１２の軸ひずみを計測するようにすればよい。
【００４９】
また、本実施形態では、載荷板１４と弾性部材である脚板１２、１２及び脚板１２、１２と支持台座１３とをそれぞれ剛接するものとしたが、これに代えて図８に示すように、支持台座１３と脚板１２、１２とをピン５３を介して連結するとともに、脚板１２、１２と載荷板１４とをピン５４を介して連結するようにしてもよい。
【００５０】
かかる構成によれば、弾性部材である脚板１２、１２がトラス材となって曲げモーメントが作用しなくなり、計測ひずみと載荷板に作用する荷重との関係を算出する際に曲げモーメントの影響を考慮する必要がなくなる。
【００５１】
また、本実施形態では、弾性部材を逆Ｖ字状に開いた一対の脚板１２、１２で構成するようにしたが、本発明の弾性部材はかかる構成に限定されるものではなく、要は、ひずみゲージを貼付するための互いに平行でない少なくとも２以上の非鉛直面を有していれば足りる。
【００５２】
図９は、かかる変形例を示したものであり、同図（ａ）に示したロードセル用本体６１は、支持台座６２の上に弾性部材としての３本のトラス脚６３をピン接合となるように立設するとともに、その頭部に載荷板６４をやはりピン接合で連結し、支持台座６２にはボルト孔１６を、載荷板６４にはボルト穴１７を設けて構成してある。
【００５３】
かかるロードセル用本体６１においては、３本のトラス脚６３の周面が互いに平行でない非鉛直面となるので、各周面に３つのひずみゲージ２０をそれぞれ貼り付けてロードセル６６を構成することができる。
【００５４】
そして、かかるロードセル用本体６１及びロードセル６６によれば、鉛直方向及び水平二方向の３軸方向から荷重が作用する場合においてこれら３つの荷重を同時計測することが可能となるほか、各トラス脚６３同士の相対開き角度を変えたり各トラス脚６３の断面積を変えるだけで、ロードセル用本体６１の鉛直剛性と水平剛性との比率を、実際にロードセル用本体６１に作用する鉛直荷重と水平荷重との比率に適した状態にすることが可能となり、ロードセル６６を使用する際の汎用性が向上する。また、トラス脚ゆえ曲げモーメントが作用しないので、計測ひずみと載荷板に作用する荷重との関係を、複雑なモデルを考えずとも容易に求めることも可能となる。
【００５５】
図９（ｂ）に示したロードセル用本体６７は、トラス脚６３を４本とした以外は同図（ａ）のロードセル用本体６１とほぼ同様であり、４本のトラス脚６３の周面が互いに平行でない非鉛直面となるので、各周面に４つのひずみゲージ２０をそれぞれ貼り付けてロードセル６８を構成することができる。なお、ロードセル用本体６７及びロードセル６８に関する作用効果は、ロードセル用本体６１及びロードセル６６と同様であるのでここではその説明を省略する。
【００５６】
図１０は、別の変形例を示したものであり、同図（ａ）に示したロードセル用本体７１は、支持台座７２の上に弾性部材としての角錐台７３を立設するとともにその天端に載荷板７４を載せ、支持台座７２にはボルト孔１６を、載荷板７４にはボルト穴１７を設けて構成してある。
【００５７】
かかるロードセル用本体７１においては、角錐台７３の４つの側面７５が互いに平行でない非鉛直面となるので、これらのうち、３つの側面７５に３つのひずみゲージ２０をそれぞれ貼り付けてロードセル７６を構成することができる。
【００５８】
そして、かかるロードセル用本体７１及びロードセル７６によれば、鉛直方向及び水平二方向の３軸方向から荷重が作用する場合においてこれら３つの荷重を同時計測することが可能となる。
【００５９】
また、同図（ｂ）に示したロードセル用本体８１は、支持台座８２の上に弾性部材としての円錐台８３を立設するとともにその天端に載荷板８４を載せ、支持台座８２にはボルト孔１６を、載荷板８４にはボルト穴１７を設けて構成してある。
【００６０】
かかるロードセル用本体８１においても、円錐台８３の周面８５の任意箇所が互いに平行でない非鉛直面となるので、相異なる３つの箇所にひずみゲージ２０をそれぞれ貼り付けてロードセル８６を構成することができる。
【００６１】
そして、かかるロードセル用本体８１及びロードセル８６によれば、鉛直方向及び水平二方向の３軸方向から荷重が作用する場合においてこれら３つの荷重を同時計測することが可能となる。
【００６２】
なお、ロードセル用本体７１、８１で非鉛直面におけるひずみと載荷板における作用荷重との関係を求めるにあたっては、例えば弾性部材である角錐台７３や円錐台８３をモデル化した剛性マトリックスを用いて載荷板での作用荷重を求めるようにすればよい。
【００６３】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１に係る本発明のロードセル用本体及び請求項５に係るロードセルによれば、計測位置が非鉛直面であってその傾斜角度が既知であるがゆえに計測位置でのひずみ、ひいては載荷板に作用している荷重成分を水平成分と鉛直成分に分けることが可能となるとともに、載荷板に作用する荷重の自由度が複数であっても、その自由度に対応するように、互いに平行でない非鉛直面にそれぞれひずみゲージを貼り付けて該非鉛直面でのひずみを計測することにより、各自由度での荷重を特定することが可能となる。したがって、従来のように複数のロードセルを所定の治具を介して複雑に組み合わせることなく、複数自由度の荷重を単一のロードセルで同時計測することが可能となる。
また、一対の脚板の開き角度を変えるだけで、ロードセル用本体の鉛直剛性と水平剛性との比率を、実際にロードセル用本体に作用する鉛直荷重と水平荷重との比率に適した状態にすることが可能となり、ロードセルを使用する際の汎用性が向上するという効果も奏する。
【００６５】
また、請求項３に係る本発明のロードセル用本体によれば、実際に荷重を載荷させた時に奥行き方向の応力が生じにくくなり、計測ひずみと載荷板に作用する荷重との関係を、複雑なモデルを考えずとも容易に求めることが可能となるという効果も奏する。
【００６６】
また、請求項４に係る本発明のロードセル用本体によれば、請求項１で述べた作用効果に加えて、脚板がトラス材となって曲げモーメントが作用しなくなり、計測ひずみと載荷板に作用する荷重との関係を、複雑なモデルを考えずとも容易に求めることが可能となるという効果も奏する。
【００６８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るロードセル用本体の図であり、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は正面図。
【図２】本実施形態に係るロードセルの全体斜視図。
【図３】本実施形態に係るロードセル用本体及びそれを用いたロードセルの作用を示した概念図。
【図４】本実施形態に係るロードセルを振動試験に適用した例を示した図。
【図５】本実施形態に係るロードセルを静的載荷試験に適用した例を示した図。
【図６】変形例に係るロードセル用本体を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ―Ａ線方向から見た側面図。
【図７】変形例に係るロードセル用本体を示した正面図。
【図８】別の変形例に係るロードセル用本体を示した正面図。
【図９】別の変形例に係るロードセル用本体及びそれを用いたロードセルを用いた全体斜視図。
【図１０】別の変形例に係るロードセル用本体及びそれを用いたロードセルを用いた全体斜視図。
【図１１】従来技術におけるロードセルの使用形態を示した正面図。
【符号の説明】
１１ ロードセル用本体
１２ 脚板（弾性部材）
１３ 支持台座
１４ 載荷板
１５ 脚板の外面（非鉛直面）
１８ 脚板の内面（非鉛直面）
２０ ひずみゲージ
２１、２２ ロードセル
５１ 鉛直スリット
６１、６７ ロードセル用本体
６２ 支持台座
６３ トラス脚（弾性部材）
６４ 載荷板
６６、６８ ロードセル
７１、８１ ロードセル用本体
７２ 支持台座
７３ 角錐台（弾性部材）
７４ 載荷板
８２ 支持台座
８３ 円錐台（弾性部材）
８４ 載荷板
７５、８５ 非鉛直面
７６、８６ ロードセル[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a load cell main body used for a load cell and a load cell using the same.
[0002]
[Prior art]
A load cell, a so-called load cell, that detects a load from a change in the strain of an elastic body, generally consists of attaching a resistance wire strain gauge to a cylindrical or cylindrical steel material and measuring the strain generated by applying a load. The load can be measured.
[0003]
Such load cells are widely used in load tests, fatigue tests, tension measurements, and the like, and various types of load cells such as tension type, compression type, and dual use types are commercially available.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, most of the conventional load cells on the market have a structure in which a load must be applied only in the axial direction of the material, whether in tension or compression.
[0005]
Therefore, when it is desired to simultaneously measure the shear force in addition to the load in the axial force direction, it goes without saying that a load cell for measuring the shear force is separately required, and as shown in FIG. In order to prevent a part of the shearing force from being transmitted to the heads of the load cells 1 and 1 for measurement, a horizontal linear guide 3 is provided between the load cells 1 and 1 and the head of the load cell 4 for measuring the shear force. In order to prevent a part of the vertical force from being transmitted to the section, the vertical linear guide 5 must be provided between the test piece 2 and the test piece 2, thus causing a problem that the preparation for the measurement becomes extremely complicated. Was.
[0006]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has as its object to provide a load cell main body capable of simultaneously measuring two or more loads acting from different directions, and a load cell using the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a load cell body according to the present invention is characterized in that, as described in claim 1, a test body is provided on the top of an elastic member having at least two non-vertical surfaces that are not parallel to each other for attaching a strain gauge. The elastic member is constituted by a pair of leg plates opened in an inverted V-shape, and a support base is provided at the lower end of each leg plate.
[0008]
Further, in the load cell body according to the present invention, the test body is an RC test body.
[0009]
In the load cell body according to the present invention, the leg plate is configured to be longer in a depth direction, and a vertical slit is provided along the depth direction.
[0010]
Further, the load cell body according to the present invention is provided with a loading plate for placing a test body on top of an elastic member having at least two non-vertical surfaces that are not parallel to each other for attaching a strain gauge, and attaching the elastic member. It is constituted by a pair of leg plates opened in an inverted V-shape, a support base is provided at a lower end of each leg plate, and the leg plate is pin-joined to the load plate and the support base.
[0012]
Further, as described in claim 5, the load cell according to the present invention is obtained by attaching a strain gauge to the non-vertical surface of the load cell body according to any one of claims 1 to 4.
[0013]
In the load cell body and the load cell using the same according to the present invention, the load from the test body acts on the elastic member via the loading plate, and a strain corresponding to the elasticity is generated on the non-vertical surface of the elastic member. However, if the strain is measured in a non-vertical plane, it is possible to divide the strain at the measurement position into a horizontal component and a vertical component because the inclination angle at the measurement position is known, and thus acts on the load plate. The calculated load can be calculated separately for the horizontal component and the vertical component. Further, even if the degree of freedom of the load acting on the loading plate is plural, for example, a total of three degrees of freedom in a vertical direction and a horizontal direction, a strain gauge is attached to a non-vertical surface according to the number of the non-vertical surfaces. , The loads in the respective degrees of freedom can be calculated because the non-vertical planes are not parallel to each other.
[0014]
Specifically, for example, when a load is applied only from the vertical direction and the horizontal direction, the load cell main body may be configured using elastic members having at least two non-vertical surfaces that are not parallel to each other, and When loads are applied from three axial directions, that is, two horizontal directions, the load cell main body may be configured using elastic members having at least three non-vertical surfaces that are not parallel to each other.
[0015]
For the elastic member, the relationship between the strain at the position where the strain gauge is attached on the non-vertical surface and the applied load acting on the load plate is solved by an equation based on static balance, and in some cases, the elastic member is modeled and subjected to stress analysis. As long as the applied load can be calculated and the applied load can be calculated from the measured strain using the obtained relationship, any configuration may be used. For example, a truncated cone (numerous non-parallel non-parallel surfaces), a truncated triangular pyramid (three non-parallel non-parallel surfaces), a truncated square pyramid (four non-parallel non-parallel surfaces), etc. It is possible.
[0016]
The non-vertical surface of the elastic member is only required to be able to attach a strain gauge, and need not be necessarily a flat surface, but may be a curved surface.
[0017]
Here, if the elastic member is constituted by a pair of leg plates opened in an inverted V-shape and a support pedestal is provided at the lower end of each leg plate, the load cell main body can be obtained simply by changing the opening angle of the pair of leg plates. The ratio between the vertical rigidity and the horizontal rigidity of the load cell can be made suitable for the ratio between the vertical load and the horizontal load actually acting on the load cell main body, and the versatility in using the load cell is improved.
[0018]
In such a configuration, if the leg plate is configured to be longer in the depth direction and a vertical slit is provided along the depth direction, stress in the depth direction is less likely to be generated when a load is actually applied. Therefore, the relationship between the measured strain and the load acting on the loading plate can be easily obtained without considering a complicated model.
[0019]
The leg plate and the load plate or the leg plate and the support pedestal may be rigidly connected. However, if these are pin-joined, the leg plate becomes a truss material and no bending moment acts. Therefore, the relationship between the measured strain and the load acting on the loading plate can be easily obtained without considering a complicated model.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a load cell main body and a load cell using the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same reference numerals are given to components and the like that are substantially the same as those in the related art, and description thereof is omitted.
[0022]
FIG. 1 shows a load cell body according to the present embodiment. As can be seen from the figure, the load cell body 11 according to the present embodiment is provided with support pedestals 13, 13 at the lower ends of a pair of leg plates 12, 12 as elastic members opened in an inverted V-shape. A load plate 14 for mounting a test body (not shown) is mounted on the top of the leg plate 12, and the outer surfaces 15, 15 of the leg plates 12 act as non-parallel non-vertical surfaces for attaching strain gauges, respectively. I do.
[0023]
Regarding the opening angle, thickness, and material of the leg plates 12, 12, the magnitude of the horizontal force or the vertical force received from the test object via the loading plate 14 or the like so that the strain of the leg plates 12 can be measured with as high accuracy as possible. Set appropriately according to the ratio and the like. For example, when the vertical force is large and the horizontal force is small, the vertical rigidity may be increased and the horizontal rigidity may be decreased by reducing the opening angle of the leg plates 12 and 12. In this way, a sufficient amount of strain can be generated in the leg plate 12 for loads in any direction. As a specific example, it is conceivable that the material is not steel but aluminum instead of steel because the opening angle is 30 degrees and the thickness is 8 mm, and it is necessary to generate some distortion.
[0024]
The support pedestal 13 has a bolt hole 16 for mounting and fixing the load cell main body 11, and the loading plate 14 has a bolt hole 17 for coupling with a test piece.
[0025]
FIG. 2 shows load cells 21 and 22 according to the present embodiment, respectively. As can be seen from the figure, the load cells 21 and 22 according to the present embodiment are configured by attaching a strain gauge 20 to the outer surfaces 15 and 15 of the leg plates 12 and 12 of the load cell main body 11. In the load cell 22 shown in FIG. 3B, the strain gauges 20 are attached at three places on one side, in order to increase the number of measurement points and improve the accuracy.
[0026]
In the load cell main body 11 according to the present embodiment and the load cells 21 and 22 using the same, the load cell 21 and the like are installed using the bolt holes 16 and the test piece is placed and fixed on the loading plate 14, and then, A static or dynamic load is applied to the specimen. In the loading test, it is assumed that both the vertical force and the horizontal force act on the legs of the test body, that is, the loading plate 14 from the test body.
[0027]
In such loading test, the load from the test body, i.e. the horizontal force P H and a vertical force P V acts on the leg plate 12, 12 is an elastic member through the loading plate 14 as shown in FIG. 3, of the leg plate Strain ε 1 and ε 2 corresponding to the elasticity are generated on the outer surfaces 15, 15 which are non-vertical surfaces.
[0028]
Here, when the strains ε 1 and ε 2 are measured by the strain gauge 20 attached to the outer surface 15 of the leg plate 12 which is a non-vertical surface, since the measurement position is a non-vertical surface and its inclination angle is known, strain it is possible to are divided into a horizontal component and vertical component of the measurement position, it is possible to calculate the horizontal force P H and a vertical force P V with the static equilibrium conditions, the cross-sectional area of the leg plate 12 or the like. That is,
[0029]
P V = −tBEk v (ε 1 + ε 2 ) sin θ
[0030]
P H = tBEk h (ε 1 -ε 2) cosθ
[0031]
Here, t is the thickness of the leg plate 12, the depth length of the B leg plate 12, the Young's modulus of E leg plate 12, theta is angle of inclination with respect to the horizontal plane of the leg plate 12, k v, k h is manufacturing error, a depth direction stress This is a calibration coefficient for removing the influence of the bending of the leg plate 12 and the like. The calibration coefficient can be determined by applying a known load to the loading plate 14 to measure the strain, and determining the relationship between the load and the magnitude of the strain at that time.
[0032]
FIG. 4 shows an example in which the load cell 21 according to the present embodiment is applied to a vibration test of RC test bodies 35 and 35 in which a retaining wall is modeled. As can be seen from the figure, in such a vibration test, the shear cell 31 is set on the shaking table 34, and the steel plate 37 is laid on the bottom thereof, the load cell 21 is installed, and the footing of the RC specimen 35 is set on the load cell. On the other hand, a soil mortar 32 modeling a base and sand 33 modeling a surface layer are sequentially stacked and filled on both sides of an RC specimen 35 while fixing.
[0033]
When the vibrating table 34 is vibrated in the direction indicated by the arrow in this figure, a horizontal force from the surface ground 33 acts on the RC test body 35, and the load cells 21, 21 are shown in FIG. As described above, the horizontal force P H1 and the vertical force P V1 , the horizontal force P H2, and the vertical force P V2 act via the footing 36 of the RC test body 35, respectively.
[0034]
When the horizontal force and the vertical force are obtained by the above-described procedure, the axial force N, the shear force S, and the bending moment M generated on the bottom surface of the footing 36 are respectively expressed as follows.
N = P V1 + P V2
[0036]
S = P H1 + P H2
[0037]
M = (P V1 -P V2 ) · 1/2
[0038]
Can be obtained as
[0039]
FIG. 5 shows an example in which the load cell 21 according to the present embodiment is applied to a static loading test of an RC test body 41 that models an RC viaduct. As can be seen from the figure, in such a static test, the footing of the RC test body 41 is mounted and fixed on the installed load cell 21. Further, in order to measure the cross-sectional force at the column portion of the RC test body 41, the load cell 21 is sandwiched between the column portions. When the load cell 21 for measuring the sectional force is installed, the load cell 21 is firmly fixed to the RC test body 41 so as not to cause a change in the elastic behavior of the RC test body 41 due to the installation. It is desirable to take measures such as adjusting the rigidity of the load cell 21 to concrete.
[0040]
Under these circumstances, when a horizontal load is applied to the beam portion of the RC test body 41, the two load cells 21, 21 installed on the bottom surface of the footing also apply the horizontal force P H1 and the vertical force similarly to the above-described vibration test. Since P V1 , the horizontal force P H2, and the vertical force P V2 act respectively, the axial force N, the shear force S, and the bending moment M generated on the bottom surface of the footing may be calculated in the same procedure. The same applies to the load cell 21 sandwiched between the pillar portions.
[0041]
As described above, according to the load cell main body 11 and the load cells 21 and 22 using the same according to the present embodiment, the measurement position is a non-vertical surface, and the inclination angle is known, so that the measurement position at the measurement position is low. The strain can be divided into a horizontal component and a vertical component, and the load acting on the loading plate 14 can be calculated by dividing the load into a horizontal component and a vertical component.
[0042]
Further, even if the degree of freedom of the load acting on the loading plate 14 is a total of two degrees of freedom in the vertical direction and the horizontal direction, the non-vertical surfaces of the pair of leg plates 12 are not parallel to each other so as to correspond to the degrees of freedom. Since the strain gauges 20 are attached to 15 and 15 to measure the strain in the non-vertical plane, it is possible to specify the load in each degree of freedom.
[0043]
Therefore, when both the horizontal force and the vertical force are applied, the vertical force and the horizontal force can be controlled by a single load cell without using a complicated jig such as the linear guides 3 and 5 as in the related art. Can be measured simultaneously.
[0044]
Further, according to the load cell main body 11 and the load cells 21 and 22 using the same according to the present embodiment, the elastic member is constituted by the pair of leg plates 12 and 12 opened in an inverted V-shape and the lower end of each leg plate. Since the support pedestals 13 and 13 are provided on the main body, the ratio between the vertical rigidity and the horizontal rigidity of the load cell main body 11 is actually applied to the load cell main body only by changing the opening angle of the pair of leg plates 12 and 12. A state suitable for the ratio between the vertical load and the horizontal load can be obtained, and the versatility when using the load cell is improved.
[0045]
In the present embodiment, in the vibration test and the static loading test described as an application example of the load cell 21, two load cells 21 are respectively installed on the bottom surface of the footing. This is because the overturning moment (bending moment at the leg) is reduced. If it is necessary to measure only the axial force and the shear force, one load cell 21 is sufficient.
[0046]
Although not particularly mentioned in the present embodiment, when the length of the load cell main body in the depth direction is long, a vertical slit 51 is provided on the leg plate 12 along the depth direction as shown in FIG. It may be.
[0047]
According to such a configuration, when a load is actually applied, stress in the depth direction is less likely to be generated. Therefore, the relationship between the measured strain and the load acting on the loading plate can be easily obtained without considering a complicated model.
[0048]
Although not specifically mentioned in the present embodiment, when the influence of the bending moment generated on the leg plate 12 cannot be ignored, as shown in FIG. 7, not only the outer surface 15 of the leg plate 12 but also the inner surface corresponding to the back surface thereof. 18 is also a non-vertical surface, and two strain gauges 20, 20 orthogonal to each other are attached to each surface, and the axial strain of the leg plate 12 is measured by a four gauge method using a total of four strain gauges. do it.
[0049]
Further, in the present embodiment, the loading plate 14 and the leg plates 12 and 12 as elastic members, and the leg plates 12 and 12 and the support pedestal 13 are rigidly contacted with each other. Instead, as shown in FIG. The pedestal 13 and the leg plates 12 and 12 may be connected via the pins 53, and the leg plates 12 and 12 and the loading plate 14 may be connected via the pins 54.
[0050]
According to such a configuration, the leg plates 12, 12, which are elastic members, become truss members and no bending moment acts thereon, and the effect of the bending moment is taken into account when calculating the relationship between the measured strain and the load acting on the loading plate. You don't have to.
[0051]
Further, in the present embodiment, the elastic member is constituted by the pair of leg plates 12 and 12 opened in an inverted V-shape. However, the elastic member of the present invention is not limited to such a structure. It suffices to have at least two non-vertical surfaces that are not parallel to each other for attaching the strain gauge.
[0052]
FIG. 9 shows such a modification. In the load cell main body 61 shown in FIG. 9A, three truss legs 63 as elastic members are pin-joined on a support base 62. The loading plate 64 is also connected to the head by pin bonding, and the support pedestal 62 is provided with a bolt hole 16 and the loading plate 64 is provided with a bolt hole 17.
[0053]
In the load cell main body 61, since the peripheral surfaces of the three truss legs 63 are non-vertical surfaces that are not parallel to each other, the load cell 66 can be configured by attaching the three strain gauges 20 to each peripheral surface. .
[0054]
According to the load cell main body 61 and the load cell 66, when loads are applied from three axial directions, that is, the vertical direction and the horizontal direction, these three loads can be simultaneously measured. The ratio between the vertical rigidity and the horizontal rigidity of the load cell main body 61 can be determined by changing the relative opening angle of each other or changing the cross-sectional area of each truss leg 63 with the vertical load and the horizontal load actually acting on the load cell main body 61. , And the versatility in using the load cell 66 is improved. Further, since no bending moment acts due to the truss legs, the relationship between the measured strain and the load acting on the loading plate can be easily obtained without considering a complicated model.
[0055]
The main body 67 for a load cell shown in FIG. 9B is substantially the same as the main body 61 for a load cell shown in FIG. 9A except that four truss legs 63 are used. Since the non-vertical planes are not parallel to each other, the load cells 68 can be configured by attaching the four strain gauges 20 to each peripheral surface. The operation and effect of the load cell main body 67 and the load cell 68 are the same as those of the load cell main body 61 and the load cell 66, and the description thereof is omitted here.
[0056]
FIG. 10 shows another modified example. In a load cell main body 71 shown in FIG. 10A, a truncated pyramid 73 as an elastic member is erected on a support pedestal 72 and a top end thereof. The supporting plate 72 is provided with a bolt hole 16 and the loading plate 74 is provided with a bolt hole 17.
[0057]
In the load cell main body 71, since the four side surfaces 75 of the truncated pyramid 73 are non-vertical surfaces that are not parallel to each other, the three strain gauges 20 are respectively attached to the three side surfaces 75 to configure the load cell 76. can do.
[0058]
According to the load cell main body 71 and the load cell 76, when loads are applied from three axial directions, that is, the vertical direction and the horizontal direction, these three loads can be simultaneously measured.
[0059]
In the load cell main body 81 shown in FIG. 3B, a truncated cone 83 as an elastic member is erected on a support base 82 and a loading plate 84 is mounted on the top end thereof. The hole 16 is formed by providing a bolt hole 17 in the loading plate 84.
[0060]
In the load cell main body 81 as well, since arbitrary portions of the peripheral surface 85 of the truncated cone 83 are non-vertical surfaces that are not parallel to each other, it is possible to configure the load cell 86 by attaching the strain gauges 20 to three different portions. it can.
[0061]
According to the load cell main body 81 and the load cell 86, when loads are applied from three axial directions, that is, a vertical direction and a horizontal direction, these three loads can be simultaneously measured.
[0062]
In determining the relationship between the strain in the non-vertical plane and the load acting on the load plate in the load cell main bodies 71 and 81, for example, the load is applied using a rigid matrix that models the truncated pyramid 73 and the truncated cone 83 as elastic members. What is necessary is just to obtain the load acting on the plate.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the load cell body of the present invention according to claim 1 and the load cell according to claim 5, since the measurement position is a non-vertical surface and the inclination angle is known, the measurement position at the measurement position is not determined. Distortion, and thus the load component acting on the load plate, can be divided into a horizontal component and a vertical component, and even if there is more than one degree of freedom for the load acting on the load plate, the degree of freedom should be adjusted. Then, by attaching a strain gauge to each of the non-vertical planes that are not parallel to each other and measuring the strain in the non-vertical plane, it is possible to specify the load at each degree of freedom. Therefore, it is possible to simultaneously measure loads with a plurality of degrees of freedom with a single load cell without complicatedly combining a plurality of load cells via a predetermined jig as in the related art.
Also, by simply changing the opening angle of the pair of leg plates, the ratio between the vertical rigidity and the horizontal rigidity of the load cell main body is set to a state suitable for the ratio of the vertical load and the horizontal load actually acting on the load cell main body. And the versatility in using the load cell is also improved.
[0065]
Further, according to the load cell main body of the present invention according to claim 3, when a load is actually loaded, stress in the depth direction is less likely to be generated, and the relationship between the measured strain and the load acting on the loading plate is complicated. There is also an effect that it can be easily obtained without considering a model.
[0066]
According to the load cell main body of the present invention according to claim 4, in addition to the operation and effect described in claim 1, the leg plate becomes a truss material so that the bending moment does not act, and the measured strain and the load plate act. There is also an effect that the relationship with the applied load can be easily obtained without considering a complicated model.
[0068]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view of a load cell main body according to an embodiment, wherein (a) is an overall perspective view and (b) is a front view.
FIG. 2 is an overall perspective view of a load cell according to the embodiment.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the operation of the load cell body according to the embodiment and the load cell using the same.
FIG. 4 is a diagram showing an example in which the load cell according to the embodiment is applied to a vibration test.
FIG. 5 is a diagram showing an example in which the load cell according to the embodiment is applied to a static loading test.
6A and 6B are diagrams showing a load cell main body according to a modification, in which FIG. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a side view as seen from the direction of line AA.
FIG. 7 is a front view showing a load cell main body according to a modification.
FIG. 8 is a front view showing a load cell main body according to another modification.
FIG. 9 is an overall perspective view using a load cell main body according to another modification and a load cell using the same.
FIG. 10 is an overall perspective view using a load cell main body according to another modification and a load cell using the same.
FIG. 11 is a front view showing a usage form of a load cell according to the related art.
[Explanation of symbols]
11 Body for load cell 12 Leg plate (elastic member)
13 Support base 14 Loading plate 15 Outer surface of leg plate (non-vertical surface)
18 Inner surface of leg plate (non-vertical surface)
Reference Signs List 20 Strain gauge 21, 22 Load cell 51 Vertical slit 61, 67 Load cell main body 62 Support pedestal 63 Truss leg (elastic member)
64 Load plate 66, 68 Load cell 71, 81 Load cell main body 72 Support pedestal 73 Pyramid (elastic member)
74 loading plate 82 support base 83 truncated cone (elastic member)
84 Loading plate 75, 85 Non-vertical surface 76, 86 Load cell