JP4192820B2 - ロードセル - Google Patents

Description

本発明は歪みゲージを用いたロードセルに関し、特に、電子天びんの荷重センサ等、正確な荷重の検出が要求される用途に適したロードセルに関する。

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ートストンブリッジを構成して、そのホイートストンブリッジの出力を起歪体に作用する荷重の大きさの検出出力として用いる。

図４は、従来のロードセルの構成を示す斜視図である。この例における起歪体２０は、一対の柱部２０ａ、２０ｂを備えるとともに、この各柱部２０ａ、２０ｂを、それぞれの両端部に起歪部ｅを有する上下２本の梁部２０ｃ、２０ｄで連結した構造を有し、また、この梁部２０ｃの２箇所の起歪部ｅに歪みゲージＳ１、Ｓ２、梁部２０ｄの２箇所の起歪部ｅに歪みゲージＳ３、Ｓ４が貼着され、これらの歪みゲージＳ１〜Ｓ４が図５に示すようなホイートストンブリッジ１３の回路に組み込まれることによってロードセルが構成されている。

以上の構成において、各柱部２０ａ、２０ｂのうちのいずれか一方、例えば柱部２０ａを固定しただけの状態、すなわち測定荷重Ｗが負荷されていない無負荷時におけるホイートストンブリッジ１３の出力電圧（オフセット電圧）Ｖｏは、０Ｖに近く、他方、柱部２０ｂに測定荷重Ｗを負荷したとき、各起歪部ｅはその位置によって圧縮又は引張りの力を受け、歪みゲージＳ１、Ｓ４は圧縮方向の、また歪みゲージＳ２、Ｓ３は引張り方向の力を受けて弾性変形する。この弾性変形により各歪みゲージＳ１〜Ｓ４の抵抗値が変化し、ホイートストンブリッジ１３の出力電圧Ｖｏは荷重に応じて変化する。

上記のようなロードセルにおいては、貼着したいずれの歪みゲージＳ１〜Ｓ４も図６に示す歪みゲージの特性図における圧縮動作領域か引張り動作領域かいずれか一方の領域での使用、すなわち、本来歪みゲージＳ１〜Ｓ４が有する動作可能領域の１／２以下の動作領域の使用に留まっているので、出力変化量が小さく測定分解能、Ｓ／Ｎ比等が低く、高精度化が難しい。そこで、例えば、出力変化量を大きくする方法として、図４に示したような各起歪部ｅの近傍にそれぞれ歪み量が異なるもう一つの起歪部を設け、この起歪部には測定レンジの異なる歪みゲージを貼着してホイートストンブリッジを構成し、測定荷重の大きさにより、２つのホイートストンブリッジからの出力を切替えて使用する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−２０１８３９号公報

従来のロードセルは上記のように構成されているが、荷重負荷の歪み量が異なる起歪部を連設して、それぞれに測定レンジの異なる歪みゲージを貼着してホイートストンブリッジを構成し、荷重の大きさにより出力を切替え出力変化量を大きくする方法では、構造が複雑化することと、歪みゲージ数が増加することにより、製造工数やコストが増加し、形状も大きくなるという問題がある。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、荷重負荷時の出力変化量を大きくした高精度なロードセルを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明のロードセルは、長方体の母材をくり抜くことで、平行に配置された上、下一対の梁部と、これらの梁部の両端に連結された柱部とを形成してなる起歪体の前記梁部の薄肉部に複数の歪みゲージを貼着し、これらの歪みゲージでホイートストンブリッジを構成するとともに、測定荷重が負荷されていない状態での出力を基準とし、負荷した状態での出力変化を重量値に換算して荷重の検出を行なうロードセルにおいて、測定荷重が負荷されることにより生じる歪みとは逆方向の歪みを予め前記起歪部に形成しておき、無負荷状態において歪みゲージを変形させることにより、無負荷状態での出力を負の方向に移動させて出力変化量を大きくするようにした。
本発明のロードセルは、上記のように構成されており、簡単な構造の起歪体を用いて荷重負荷時の出力変化量を大きくすることができる。

本発明のロードセルは、定格荷重負荷時に発生する歪みと逆方向の歪みを、あらかじめ各起歪部に形成しておくことにより、歪みゲージの引張り及び圧縮動作領域全体を利用して、荷重を電気信号に変換できるので、大きな出力変化量が得られ、荷重検出器として測定できる荷重範囲を広げることが可能となり、これに伴い測定分解能及びＳ／Ｎ比等が改善され精度が向上する。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態の構造を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は底面図を示している。

本発明のロードセルは、図１に示すように、長方体形状の弾性体金属母材を正面方向から見て、互いに斜め方向に向かい合って同一半径の円弧孔がくり貫かれるとともに、これらの円弧孔が連通する形でくり抜かれることにより起歪部１、２を両端部に有する梁部６と起歪部３、４を両端部に有する梁部７を上下に平行して形成するとともに、この梁部６、７の両端を連結する一対の柱部８、９を形成してなる起歪体５と、前記起歪部１〜４に接着剤を塗布して貼着された金属はく形または半導体形の歪みゲージＧ１〜Ｇ４とから構成されている。

前記起歪部１、４は、図２（ａ）に示すように平面上に円弧の一部が突き出した形に形成され、前記起歪部２、３は、図２（ｂ）に示すように平面上に円弧が窪んだ形に形成され、前記起歪部１〜４の表面には対応する各歪みゲージＧ１〜Ｇ４が接着剤１１を介して貼着されている。前記起歪部１、４の円弧の半径をＲ１、起歪部２、３の半径をＲ２、接着剤１１の膜厚をｔとすると、前記歪みゲージＧ１、Ｇ４には（１）式に示すような引張り方向の初期歪みε１が、また歪みゲージＧ２、Ｇ３には（２）式に示すような圧縮方向の初期歪みε２が生じる。
ε１＝（ｔ／２）／（Ｒ１＋ｔ／２）・・・（１）
ε２＝（ｔ／２）／（Ｒ２＋ｔ／２）・・・（２）

上記歪みゲージＧ１〜Ｇ４として、図６の歪みゲージ特性図に示されるような同一特性のものを使用する。そして、起歪部１、４の半径Ｒ１は、歪みゲージＧ１、Ｇ４の初期歪みε１が引張り方向の最大動作歪み（Ｐ点の歪み）であるとしたときの（１）式から算出される値を、そして起歪部２、３の半径Ｒ２は、歪みゲージＧ２、Ｇ３の初期歪みε２が圧縮方向の最大動作歪み（Ｑ点の歪み）であるとしたときの（２）式から算出される値を用いる。これにより、歪みゲージＧ１、Ｇ４にはＰ点に該当する引張り方向の初期歪みが発生し、歪みゲージＧ２、Ｇ３にはＱ点に該当する圧縮方向の初期歪みが発生する。そして、これらの歪みゲージＧ１〜Ｇ４は、図５に示すように基準電圧を供給する直流電源１２とともにホイートストンブリッジ１３に接続され、荷重検出回路が構成されている。

図１に示すように前記柱部９を固定台１０に固定して柱部８に測定荷重Ｗを作用させた場合、前記起歪部１、４の歪みゲージＧ１、Ｇ４には圧縮方向の力が、そして起歪部２、３の歪みゲージＧ２、Ｇ３には引張り方向の力が作用する。この時、定格荷重を負荷した状態で、起歪部１、４には圧縮方向の動作歪み（Ｑ点の歪み）が発生するように、また起歪部２、３には引張り方向の動作歪み（Ｐ点の歪み）が発生するように、それぞれの薄肉部の厚みが決められる。このような形状に加工された起歪体５に測定荷重Ｗを作用させたときの長さ方向に分布する応力の計算結果は図３に示す通りで、これは従来のロードセルでの応力計算結果と同様のものである。

上記のように各起歪部１〜４に貼着された歪みゲージＧ１〜Ｇ４の抵抗値をｒ１〜ｒ４、引張り方向の最大動作歪み点（Ｐ点）における抵抗値をＲｐ、圧縮方向の最大動作歪み点（Ｑ点）における抵抗値をＲｑ、比例定数をＫとすると、抵抗値ｒ１〜ｒ４は、測定荷重Ｗにより発生する歪みεに対し、（３）、（４）式で表される関係を有している。
ｒ１、ｒ４＝−Ｋε＋（Ｒｐ＋Ｒｑ）／２・・・（３）
ｒ２、ｒ３＝ Ｋε＋（Ｒｐ＋Ｒｑ）／２・・・（４）

また、図５に示したホイートストンブリッジ１３の出力電圧Ｖｏは、（５）式の関係を有している。
Ｖｏ＝Ｅ（ｒ２ｒ３−ｒ１ｒ４）／（（ｒ１＋ｒ２）（ｒ３＋ｒ４））・・・（５）
上記（３）〜（５）式から、出力電圧Ｖｏは、（６）式に示すように歪みεに比例している。
Ｖｏ＝２Ｋε／（Ｒｐ＋Ｒｑ）・・・（６）
荷重が負荷されていないときは、抵抗値ｒ１、ｒ４はＲｐとなり、抵抗値ｒ２、ｒ３はＲｑとなることから、出力電圧Ｖｏは（７）式に示す値をとる。
Ｖｏ＝−Ｅ（Ｒｐ−Ｒｑ）／（Ｒｐ＋Ｒｑ）・・・（７）
また、最大定格の荷重が負荷されたときは、抵抗値ｒ１、ｒ４はＲｑとなり、抵抗値ｒ２、ｒ３はＲｐとなることから、出力電圧Ｖｏは（８）式に示す値をとる。
Ｖｏ＝Ｅ（Ｒｐ−Ｒｑ）／（Ｒｐ＋Ｒｑ）・・・（８）

出力電圧Ｖｏは上記のような関係を有することから、無負荷時の出力電圧をＶ１、最大定格荷重を負荷した時の出力電圧をＶ２とすると、Ｖ１＝−Ｖ２の関係が有り、出力変化量ΔＶ（＝Ｖ２−Ｖ１）は２Ｖ２となる。したがって、本発明のロードセルにおける出力変化量は、従来のロードセルにおける出力変化量Ｖ２に比べて２倍に拡大され、これにより本ロードセルは、定格荷重が負荷された状態で発生する応力が従来のものと同様の大きさで、出力変化量を始め、測定分解能、Ｓ／Ｎ比等が２倍に向上する。

本発明のロードセルは、図２に示すように荷重負荷に伴い起歪部１〜４に生じる歪みと逆向きになる歪みを予め歪みゲージＧ１〜Ｇ４に与えるように、起歪部１〜４を変形させておくことにより、起歪部１〜４に貼着される歪みゲージＧ１〜Ｇ４に荷重増加による歪みと逆の初期歪みを与え、その動作領域を広げて出力変化量を拡大するようにしたことを特徴としたものであり、上記実施例に限定されるものではない。例えば、図２に示した起歪部１〜４の形状を円弧状でなく、楕円形などの他の形状を用いることも可能であり、出力特性の非線形があっても、信号処理回路により線形化が可能である。

本発明の実施例によるロードセルの構造図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は底面図である。 実施例に係わる起歪部と歪みゲージの形状を示す側面図であって、（ａ）は圧縮起歪部、（ｂ）は引張り起歪部の側面図である。 実施例に係わる起歪体の長手方向における応力分布図である。 従来のロードセルの構造を示す斜視図である。 ロードセルに使用する歪みゲージの回路構成図である。 歪みゲージの動作領域図である。

符号の説明

１〜４ 起歪部
５ 起歪体
６、７ 梁部
８、９ 柱部
１０ 固定台
１１ 接着剤
１２ 直流電源
１３ ホイートストンブリッジ
２０ 起歪体
２０ａ、２０ｂ 柱部
２０ｃ、２０ｄ 梁部
ｅ 起歪部
Ｇ１〜Ｇ４ 歪みゲージ
Ｒ１、Ｒ２ 半径
Ｓ１〜Ｓ４ 歪みゲージ
Ｖｏ 出力電圧
Ｗ 測定荷重

Claims (1)

1. 長方体の母材をくり抜くことで、平行に配置された上、下一対の梁部と、これらの梁部の両端に連結された柱部とを形成してなる起歪体の前記梁部の薄肉部に複数の歪みゲージを貼着し、これらの歪みゲージでホイートストンブリッジを構成するとともに、測定荷重が負荷されていない状態での出力を基準とし、負荷した状態での出力変化を重量値に換算して荷重の検出を行なうロードセルにおいて、測定荷重が負荷されることにより生じる歪みとは逆方向の歪みを予め前記起歪部に形成しておき、無負荷状態において歪みゲージを変形させることにより、無負荷状態での出力を負の方向に移動させて出力変化量を大きくするようにしたことを特徴とするロードセル。

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