JP4013633B2 - ロードセル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は歪みゲージを用いたロードセルに関し、特に、電子はかりの荷重センサ等に用いて、その偏置誤差の調整を極めて容易に行うことのできるロードセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
歪みゲージ式のロードセルにおいては、一般に、荷重の作用により弾性変形する起歪体に複数の歪みゲージを貼着し、その各歪みゲージによりホイトストーンブリッジを形成して、そのホイトストーンブリッジの出力を起歪体に作用する荷重の検出出力として用いる。
【０００３】
図３に従来のこの種のロードセルの例を斜視図で示す。この例における起歪体４０は、一対の柱部４１ａ，４１ｂを備えるとともに、その各柱部４１ａ，４１ｂを、それぞれの両端部に可撓部ｅを有する上下２本の梁４２ａ，４２ｂで連結した構造を有し、４箇所の可撓部ｅにそれぞれ１枚ずつ、合計４枚の歪みゲージＳ１〜Ｓ４が貼着されている。そして、これらの各歪みゲージＳ１〜Ｓ４により、図４に示すようなホイトストーンブリッジが組まれる。
【０００４】
以上の構成において、各柱部４１ａ，４１ｂのうちのいずれか一方、例えば柱部４１ａを固定し、他方の柱部４１ｂに荷重を作用させたとき、各可撓部ｅの弾性変形により各歪みゲージＳ１〜Ｓ４の抵抗値が変化し、これによってホイトストーンブリッジの出力Ｖｏｕｔが荷重に応じた大きさとなる。
【０００５】
このようなロードセルを電子はかりの荷重センサとして用いる場合、図５に例示するように、一方の柱部４１ａの底部をベース５１に固定し、他方の柱部４１ｂの上面に皿受け５２を装着し、その皿受け５２に測定皿５３を載せた構成が多用される。
【０００６】
このような電子はかりにおいては、被測定物の測定皿５３上への搭載位置による重量測定結果の相違、つまり偏置誤差が極力小さくなるように調整する必要がある。
【０００７】
従来のこの種の電子はかりにおける偏置誤差の調整は、図６に測定皿５３の平面図を示すように、被測定物を測定皿５３の中心部Ｐ０並びに四隅Ｐ１〜Ｐ４に載せたときの重量測定結果が互いに一致もしくは設定範囲内に収まるように、ロードセルの起歪体１０の４箇所の可撓部ｅを削っていくことによって行われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の偏置誤差の調整作業は、相当の熟練を要し、その習熟度によっては相当の時間を要するばかりでなく、可撓部ｅを削る際にロードセルを損傷させてしまう危険性がある。
【０００９】
また、高分解能のロードセルでは、電子はかり等への組み込みなど、機器への取り付け時にその都度再調整する必要があるという問題もある。
【００１０】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、起歪体を削ることなく、かつ、熟練を要することなく随時かつ容易に偏置誤差の調整を行うことのできるロードセルの提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のロードセルは、両端部に可撓部を有する上下２本の梁を有する起歪体と、上記各可撓部にそれぞれ歪みゲージを貼着してなるロードセルにおいて、上記各可撓部のそれぞれに前記梁の短手方向にオフセットして貼着された複数の歪みゲージと、梁の一方の可撓部に貼着された歪みゲージと、他方の可撓部に貼着された歪みゲージと、を含むホイトストーンブリッジの複数と、その各ホイトストーンブリッジの出力の線形和を算出して当該ロードセルに作用する荷重の検出値として出力する演算手段とを備えるとともに、その線形和の算出時に各ホイトストーンブリッジの出力に乗じる係数が、当該各ホイトストーンブリッジの出力に現れる偏置誤差を相殺する値に設定されていることによって特徴づけられる。
【００１２】
本発明は、荷重の作用位置がロードセルの荷重受けの中心部を挟んで対角線の位置にあるとき（図６におけるＰ１とＰ４、あるいはＰ２とＰ３）、偏置誤差がほぼ正負に反転した値になることを利用し、起歪体の各可撓部にそれぞれ複数の歪みゲージを貼着し、これらにより複数のホイトストーンブリッジを組み、その線形和により荷重検出出力を得るように構成して、その線形和の算出時に各ホイトストーンブリッジの出力に含まれる偏置誤差成分を相殺するような係数を用いることによって、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１３】
すなわち、一つの起歪体の各可撓部にそれぞれ複数の歪みゲージを貼着して、これらで複数のホイトストーンブリッジを形成し、その各出力の線形和で荷重検出出力を表すように構成したとき、各ホイトストーンブリッジの出力に現れる偏置誤差を測定することにより、その各偏置誤差を相殺して線形和から偏置誤差を解消するための係数を簡単な連立方程式から求めることが可能である（後述する式（７），（８）参照）。
【００１４】
従って、本発明によると、起歪体の可撓部を削ることなく、各ホイトストーンブリッジの出力に現れる偏置誤差を測定し、その測定結果を用いて線形和における各ホイトストーンブリッジの出力に乗じるべき係数を算出して演算部に設定することによって、ロードセルの偏置誤差を解消することができ、熟練を要することなく偏置誤差の調整が可能であり、電子はかり等に組み込んだ後に随時に調整が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の斜視図であり、図２はその各歪みゲージＳ１〜Ｓ８の結線状態を示す図である。
【００１６】
起歪体１０は前記した図３に示した従来のものと同等の構造を有しており、一対の柱部１１ａ，１１ｂを備えるとともに、その各柱部１１ａ，１１ｂを、それぞれの両端部に可撓部ｅを有する上下２本の梁１２ａ，１２ｂで連結した構造を有している。
【００１７】
起歪体１０の各可撓部ｅには、それぞれ２枚ずつの歪みゲージＳ１とＳ３、Ｓ２とＳ４、Ｓ５とＳ７、およびＳ６とＳ８が貼着されており、これらの各歪みゲージＳ１〜Ｓ８は、図２に示すように、２つの固定抵抗Ｒ０とともに４つのホイトストーンブリッジ２１、２２、２３および２４を形成するように相互に結線されている。そして、こられの各ホイトストーンブリッジ２１，２２，２３，および２４の一端は接地され、他端には一定の直流電圧Ｖ_B が印加される。
【００１８】
以上の回路構成において、各ホイトストーンブリッジ２１，２２，２３および２４の出力Ｖｏｕｔ１〜Ｖｏｕｔ４は、図２に示すように、歪みゲージＳ１とＳ２の間の電圧をＶ₁ ，歪みゲージＳ３とＳ４の間の電圧をＶ₂ ，歪みゲージＳ５とＳ６の間の電圧をＶ₃ 、歪みゲージＳ７とＳ８の間の電圧をＶ₄ 、更に２つの固定抵抗Ｒ０，Ｒ０間の電圧をＶ₀ とすると、
Ｖｏｕｔ１＝Ｖ₁ −Ｖ₀
Ｖｏｕｔ２＝Ｖ₂ −Ｖ₀
Ｖｏｕｔ３＝Ｖ₃ −Ｖ₀
Ｖｏｕｔ４＝Ｖ₄ −Ｖ₀
となる。
【００１９】
そして、以上の各ホイトストーンブリッジ２１〜２４の出力Ｖｏｕｔ１〜Ｖｏｕｔ４は、演算部３に導入され、以下の（１）式に示す演算によってこれらの線形和が算出され、その線形和が当該ロードセルによる荷重検出出力Ｗｏｕｔとして外部に取り出される。
Ｗｏｕｔ＝Ｖｏｕｔ１＋α・Ｖｏｕｔ２＋Ｖｏｕｔ３＋β・Ｖｏｕｔ４ ・・・・（１）
【００２０】
この（１）式において、係数αおよびβは、以下に示すように算出されて設定されることにより、各ホイトストーンブリッジ２１〜２４の出力に含まれる偏置誤差成分が相殺され、荷重検出出力Ｗｏｕｔは偏置誤差成分を含まない信号となる。
【００２１】
前記した図５に示すように、電子はかりに本発明の実施の形態を組み込んだ状態で、図６に示すように測定皿５３上のＰ０〜Ｐ４に順次所定の分銅等を載せ、各ホイトストーンブリッジ２１〜２４の出力Ｖｏｕｔ１〜Ｖｏｕｔ４を測定する。
【００２２】
測定皿５３の中心部Ｐ０に荷重を負荷したときの各ホイトストーンブリッジ２１〜２４の出力Ｖｏｕｔ１〜Ｖｏｕｔ４を
Ｖｏｕｔ１＝Ｗ₁
Ｖｏｕｔ２＝Ｗ₂
Ｖｏｕｔ３＝Ｗ₃
Ｖｏｕｔ４＝Ｗ₄
とし、Ｐ１に荷重を負荷したときの出力を、それぞれ
Ｖｏｕｔ１＝Ｗ₁ ＋Ａ₁
Ｖｏｕｔ２＝Ｗ₂ ＋Ａ₂
Ｖｏｕｔ３＝Ｗ₃ ＋Ａ₃
Ｖｏｕｔ４＝Ｗ₄ ＋Ａ₄
とする。また、Ｐ２に荷重を負荷したときの出力をそれぞれ
Ｖｏｕｔ１＝Ｗ₁ ＋Ｂ₁
Ｖｏｕｔ２＝Ｗ₂ ＋Ｂ₂
Ｖｏｕｔ３＝Ｗ₃ ＋Ｂ₃
Ｖｏｕｔ４＝Ｗ₄ ＋Ｂ₄
とする。
【００２３】
この場合、測定皿５３の中心を挟んで対角線上で等距離の位置に荷重を負荷したとき、偏置誤差は極性が逆転した値となるため、Ｐ３に荷重を負荷したときの出力は、
Ｖｏｕｔ１＝Ｗ₁ −Ｂ₁
Ｖｏｕｔ２＝Ｗ₂ −Ｂ₂
Ｖｏｕｔ３＝Ｗ₃ −Ｂ₃
Ｖｏｕｔ４＝Ｗ₄ −Ｂ₄
となる。また、同様にしてＰ４に荷重を負荷したとの出力は、
Ｖｏｕｔ１＝Ｗ₁ −Ａ₁
Ｖｏｕｔ２＝Ｗ₂ −Ａ₂
Ｖｏｕｔ３＝Ｗ₃ −Ａ₃
Ｖｏｕｔ４＝Ｗ₄ −Ａ₄
となる。
【００２４】
今、前記した（１）式を考えたとき、荷重を測定皿５の中央部Ｐ０に負荷したとき、

とすれば、荷重をＰ１に負荷したときの出力Ｗｏｕｔは、
Ｗｏｕｔ＝Ｗ＋Ａ₁ ＋α・Ａ₂ ＋Ａ₃ ＋β・Ａ₄ ・・・・（３）
となる。
【００２５】
また、荷重をＰ２に負荷したときの出力Ｗｏｕｔは、
Ｗｏｕｔ＝Ｗ＋Ｂ₁ ＋α・Ｂ₂ ＋Ｂ₃ ＋β・Ｂ₄ ・・・・（４）
となり、同じくＰ３に負荷したときの出力Ｗｏｕｔは、
Ｗｏｕｔ＝Ｗ−Ｂ₁ −α・Ｂ₂ −Ｂ₃ −β・Ｂ₄ ・・・・（５）
で、Ｐ４に負荷したときには、
Ｗｏｕｔ＝Ｗ−Ａ₁ −α・Ａ₂ −Ａ₃ −β・Ａ₄ ・・・・（６）
となる。
【００２６】
ここで、
Ａ₁ ＋α・Ａ₂ ＋Ａ₃ ＋β・Ａ₄ ＝０ ・・・・（７）
Ｂ₁ ＋α・Ｂ₂ ＋Ｂ₃ ＋β・Ｂ₄ ＝０ ・・・・（８）
となるようなαおよびβを算出すると、（１）式で表されるＷｏｕｔは、測定皿５３上のＰ１〜Ｐ４のいずれに荷重を負荷しても、Ｐ０に荷重を負荷したときの値と同じＷとなり、偏置誤差を解消した荷重検出出力を得ることができる。
【００２７】
なお、（７），（８）式を用いた連立方程式から求めたαおよびβは、
α＝｛（Ｂ₁ ＋Ｂ₃ ）／Ｂ₄ −Ａ₁ −Ａ₃ ｝／（Ａ₂ −Ｂ₂ ／Ｂ₄ ）
β＝｛（Ａ₁ ＋Ａ₃ ）／Ａ₂ −Ｂ₁ −Ｂ₃ ｝／（Ｂ₄ −Ａ ₄／Ａ ₂）
となる。
【００２８】
以上の本発明の実施の形態において特に注目すべき点は、ロードセルの偏置誤差の調整に際して、起歪体を削る必要がなく、複数のホイトストーンブリッジ２１〜２４の偏置誤差を測定して、線形和の演算式における係数を算出して設定するだけでよい点であり、これにより、熟練をようすることなく、随時に正確な偏置誤差調整が可能となる。
【００２９】
なお、本発明においては、起歪体の構造・形状については、上記した実施の形態において用いたもののほか、他の公知の構造・形状のものを用い得ることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、両端部に可撓部を有する上下２本の梁を有する起歪体と、上記各可撓部にそれぞれ歪みゲージを貼着してなるロードセルにおいて、上記各可撓部のそれぞれに前記梁の短手方向にオフセットして貼着された複数の歪みゲージと、梁の一方の可撓部に貼着された歪みゲージと、他方の可撓部に貼着された歪みゲージと、を含むホイトストーンブリッジの複数と、その各ホイトストーンブリッジの出力の線形和を算出して当該ロードセルに作用する荷重の検出値として出力する演算手段とを備えるとともに、その線形和の算出時に各ホイトストーンブリッジの出力に乗じる係数が、当該各ホイトストーンブリッジの出力に現れる偏置誤差を相殺する値に設定されているので、偏置誤差の調整に当たって、従来のように起歪体を削る必要がなく、熟練を要することなく、常に正確な調整を行うことが可能となった。また、起歪体を削ることなく偏置誤差の調整が可能であることから、電子はかりなどの装置に組み込んだ状態で偏置誤差を簡単に調整することができ、偏置誤差の調整作業を大幅に簡素化することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の斜視図である。
【図２】図１における各歪みゲージＳ１〜Ｓ８の結線図である。
【図３】従来のロードセルの例を示す斜視図である。
【図４】図３の従来のロードセルの各歪みゲージの結線図である。
【図５】ロードセルを荷重センサとした電子はかりの構成例の説明図である。
【図６】電子はかりの測定皿の平面図で示す、偏置誤差の調整時における荷重の負荷位置の説明図である。
【符号の説明】
１０ 起歪体
１１ａ，１１ｂ 柱部
１２ａ，１２ｂ 梁
ｅ 可撓部
Ｓ１〜Ｓ８ 歪みゲージ
２１〜２４ ホイトストーンブリッジ
３ 演算部

Claims (1)

1. 両端部に可撓部を有する上下２本の梁を有する起歪体と、上記各可撓部にそれぞれ歪みゲージを貼着してなるロードセルにおいて、上記各可撓部のそれぞれに前記梁の短手方向にオフセットして貼着された複数の歪みゲージと、梁の一方の可撓部に貼着された歪みゲージと、他方の可撓部に貼着された歪みゲージと、を含むホイトストーンブリッジの複数と、その各ホイトストーンブリッジの出力の線形和を算出して当該ロードセルに作用する荷重の検出値として出力する演算手段とを備えるとともに、その線形和の算出時に各ホイトストーンブリッジの出力に乗じる係数が、当該各ホイトストーンブリッジの出力に現れる偏置誤差を相殺する値に設定されていることを特徴とするロードセル。

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