JPH058977B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 技術分野 本発明は、物理量−電気量変換器に関し、より
詳細には、荷重、圧力、変位、加速度等の物理量
を導入部を介して起歪部に伝達して該起歪部を変
形せしめ、前記起歪部に添着したひずみゲージに
よつて前記物理量に対応する電気信号を得るひず
みゲージ式物理量−電気量変換器に関するもので
ある。

(b) 従来技術 ひずみゲージ式物理量−電気量変換器として
は、荷重変換器、圧力変換器、変位変換器、加速
度変換器等、種々のものが提案され且つ実用に供
されている。

荷重変換器に限つてみても、現在実用に供され
ている主なものとしては、ダイヤフラム型、円柱
型、ワツシヤ型、一文字ビーム型、十文字ビーム
型（別名クロスビーム型）等の荷重変換器があ
る。

第２図ＡおよびＢは、従来のダイヤフラム型荷
重変換器の要部構成を示す平面図および同図のＸ
−Ｘ線断面図、同図Ｃは、同従来例の曲げ応力分
布図である。

同図において、変換器本体１は弾性を有する厚
肉円筒状をなす外殻部２と、この外殻部２の中心
部の被測定荷重を導入する小径で厚肉円柱状をな
す荷重座３と、この荷重座３の外周と外殻部２の
内周との間にそれぞれの面が直交するようにして
薄肉のダイヤフラムよりなる起歪部４が連接され
ている。而して、この荷重変換器は、起歪部４上
における荷重座３の外周に近い部位と外殻部２内
周に近い部位に、ひずみゲージSGがそれぞれ４
枚ずつ、該起歪部４の曲げひずみ（応力）を検出
し得るようにその受感方向が定められて接着、そ
の他の手段により添着された構成となつている。

しかしながら、従来のこの形式の荷重変換器
は、次のような欠点を有している。

すなわち、まず第１に、ダイヤフラム式荷重変
換器において低容量のものを製作しようとした場
合、起歪部４の肉厚を非常に薄くしなければなら
ない。ところが、切削加工によつて肉厚を薄くす
ることは非常に困難で、薄くするにも自ずと限界
（現状0.2mm程度が限界とされている）があり且つ
その場合コストが極端に高くなる。一方、肉厚を
ある程度以下に出来ないという制約があることか
ら肉厚はある程度までにして、より低容量のもの
にするには、外殻部２の内径を大きくして薄肉部
（ダイヤフラム）の曲げ剛性を小さくすればよい
のであるが、このようにした場合には、次に述べ
る問題が派生する。

すなわち、起歪部４の外径が大きくなるからそ
れに伴つて必然的に変換器本体１の外径が大きく
なり、従つて小型の荷重変換器は事実上製作不可
能になると共に、曲げ剛性を小さくする分、応答
周波数の低下は不可避である。このために動荷重
は測定できないという問題が生じてしまう。ま
た、構造的に薄肉加工に限界を伴うから、結局、
小型で且つ低容量の荷重変換器は現実には製作で
きないという問題がある。

第２に、第２図Ｃの応力分布図に示すように、
起歪部４の直径方向の応力分布変化が急激であ
り、しかも最大応力の発生する位置にひずみゲー
ジを添着することができないから、ひずみ検出効
率が悪い上、応力変化が急激に低下するから、ひ
ずみゲージ全体としての平均検出感度は低下す
る。すなわち、ひずみ検出効率およびひずみ検出
感度が低いという欠点を有している。

第３に、上述したようにひずみ検出効率が低く
ても所要のひずみ検出出力を出力させる必要があ
るため、起歪部（ダイヤフラム）４には非常に大
きな応力が実質的に発生する。そのため、疲労寿
命が短縮化し換言すれば、耐久性の悪化、過負荷
許容範囲の狭小化を招き、さらに荷重−ひずみ特
性が悪くなり、従つて精度のよい荷重変換器を得
られないという欠点がある。

第３図ＡおよびＢは、従来のいわゆるクロスビ
ーム型の荷重変換器の要部構成を示す平面図およ
び同図ＡのＹ−Ｙ線断面図、同図Ｃは、同従来例
における起歪部の応力分布図である。

このクロスビーム型の荷重変換器は、同図より
明らかなように、上述したダイヤフラム型の荷重
変換器のダイヤフラム部（起歪部４に相当）を、
等配角度で４個所扇形状にくりぬく（刳り貫く）
ことによりクロスビームを形成してなるもので、
５は変換器本体、６は外殻部、７は荷重座、８₁
〜８₄は起歪部としてのクロスビーム、SGはひず
みゲージである。而して、このクロスビーム型の
荷重変換器は、ダイヤフラム型荷重変換器と比較
して起歪部の肉厚を多少厚くできる利点があるだ
けで、直径方向の応力分布は、第３図Ｃに示す応
力分布図から分るように、ダイヤフラム型荷重変
換器の応力分布と殆んど同一であるから、上記ダ
イヤフラム型荷重変換器のもつ、ひずみ検出効率
およびひずみ検出感度が低い、耐久性が悪い、過
負荷許容範囲が狭い、荷重−ひずみ特性が悪い等
の欠点を有している。

(c) 目的 本発明は、上記従来技術に存する問題点に鑑み
てなされたもので、その目的とするところは、従
来不可能とされていた超低容量、超小型化、低価
格化が可能で、物理量検出感度・検出効率が高
く、起歪部のひずみ特性が良好で精度が高く、し
かも耐久性のあるひずみゲージ式物理量−電気量
変換器を提供することにある。

(d) 構成 本発明の特徴は、荷重、圧力、変位、加速度等
の物理量を、導入部を介して起歪部に伝達して該
起歪部を変形せしめ、前記起歪部に添着したひず
みゲージによつて前記物理量に対応する電気信号
を得るひずみゲージ式物理量−電気量変換器にお
いて、弾性を有する厚肉中空円筒の軸方向中央部
に幅狭で一定の深さの周回溝を削成することによ
つて軸方向中央部に薄肉円筒部が形成されると共
にこの薄肉円筒部の両側に厚肉円筒部が形成さ
れ、さらに前記各厚肉円筒部の各外端から各内端
に至る中心軸対称の一定幅のスリツトを削成する
ことによつて厚肉円弧板部が前記薄肉円筒部の両
側に各１対形成されてなる変換器本体のうち、前
記両側のスリツトに挟まれた領域の前記薄肉円筒
部が起歪部とされ、前記中心軸を中心として前記
起歪部から90°ずれた角度位置における前記両側
の厚肉円弧板部が導入部とされ、この導入部から
180°ずれた角度位置における前記両側の厚肉円弧
板部が支承部とされ、前記起歪部の内周側およ
び／または外周側にひずみゲージが添着されてな
ることにあり、このような構成とすることによつ
て、本発明の上記の目的を完全に達成することが
できる。

以下に、本発明の実施例を添付図面を参照しつ
つ詳細に説明する。

第１図Ａ〜Ｆは、いずれも本発明に係るもの
で、このうち同図Ａは、本発明に係る曲げ型荷重
変換器の一実施例の全体構成を示す正面図、同図
Ｂは、本発明の要部である変換器本体の構成を示
す側面図、同図Ｃは、同図ＢのＺ−Ｚ線断面図、
同図Ｄは、同実施例における起歪部の応力分布
図、同図Ｅは、同図Ｃを等価的に表わした模式的
断面図、同図Ｆは、同図Ｄと同じ起歪部の応力分
布図である。

第１図ＡおよびＢにおいて、１０は全体形状が
略中空円筒状を呈する変換器本体であり、次のよ
うにして形成される。すなわち、弾性を有する材
料、例えばニツケル−クロム鋼、ニツケル−クロ
ム−モリブデン鋼、ベリリウム−銅合金、アルミ
ニウム合金、アンバ（商品名）等のうち、いずれ
かの材料のうち、使用目的に適つた材料を用いて
厚肉中空円筒を形成する。この厚肉中空円筒の中
心軸Ｏ−Ｏ方向中央部外周に幅狭（例えば４mmの
幅）で一定の深さ（例えば２mmの深さ）の周回溝
１１を例えば旋盤を用いて削成する。この結果、
軸方向中央部に薄肉円筒部１２が形成されると共
に、この薄肉円筒部１２の両側、つまり第１図Ｂ
において左右両側に厚肉円筒部が形成されること
になる。

次いで、両側の上記各厚肉円筒部の各外端から
各内端に至る中心軸Ｏ−Ｏに沿う一定幅（この例
の場合、４mmの幅）のスリツト（摺割り）１３
ａ，１３ｂを例えばフライス盤を用いて削成す
る。この結果、各側の厚肉円筒部がスリツト１３
ａ，１３ｂによつてそれぞれ２分割されて、上記
薄肉円筒部１２の両側に各１対の厚肉円弧板部１
４ａ，１４ｂと、１４ｃ，１４ｄが形成されるこ
とになる。尚、薄肉円筒部１２の内周面は、リー
マ等を用いて平滑に仕上げることが望ましい。

このようにして形成された変換器本体１０のう
ち、両側のスリツト１３ａと１３ｂとによつて挟
まれた領域の薄肉円筒部１２が起歪部１５とされ
ている。

また、中心軸Ｏを中心として起歪部１５から
90°ずれた角度位置における上記両側の厚肉円弧
板部１４ａおよび１４ｃが、荷重導入部１６とさ
れ、この荷重導入部１６から180°ずれた角度位置
における厚肉円弧板部１４ｂおよび１４ｄが荷重
支承部１７とされている。第１図Ａ〜Ｃにおいて
は、荷重導入部１６を上部に、荷重支承部１７を
下部に配置した例を示してあるが、必らずしもこ
のような姿勢（配置）で用いなければならないわ
けではなく、例えば横方向（水平方向）荷重を検
出しようとする場合には、第１図Ａの状態から
90°倒した姿勢で配置されることになる。

上記起歪部１５の内面側および外面側には、起
歪部１５の曲げひずみを検出し得るように、その
受感軸方向が設定された複数のひずみゲージSG
が接着、蒸着、スパツタリング、溶着その他の適
宜な手段により添着されている。このようにして
添着された複数枚（この例の場合４枚）のひずみ
ゲージSGでホイートストンブリツジ（図示省略）
が形成される。

尚、厚肉円弧板部１４ａ，１４ｃにおける荷重
導入部１６と略線接触状態で当接しているのは、
荷重の印加を受ける荷重座１８であり、同様に厚
肉円弧板部１４ｂ，１４ｄにおける荷重支承部１
７と略線接触状態で当接しているのは、不動部に
配設された荷重支承座１９である。

而して、図示は省略したが、変換器本体１０
は、特にひずみゲージSGの吸湿による酸化、絶
縁抵抗の低下を防ぐため、変換器ケースに収納さ
れ、一般に外気を遮断するためのシーリング手段
が施される。尚、図中、符号ｌを付した部材は、
ひずみゲージSGのゲージタブに接続されたゲー
ジリードである。

次に、上述のように構成された実施例の作用に
つき説明する。

変換器本体１０の荷重導入部１６に荷重座１８
を介してその荷重軸Ｎ−Ｎ方向に、例えば圧縮荷
重が印加されると、変換器本体１０のうち、起歪
部１５以外の部分は、第１図Ｅに模式的断面図を
もつて示すように、起歪部１５に比較して厚肉と
されて剛性が充分高く設定されているため、殆ん
どひずみ（変形）を生ずることなく、薄肉円筒部
１２の起歪部１５が弾性変形（曲率が変化）して
ひずみが発生する。その結果、上記圧縮荷重によ
つて起歪部１５に印加荷重に比例した曲げモーメ
ントが作用し、曲げ応力が発生する。

ここで、変換器本体１０の荷重導入部１６に荷
重Ｗが印加したとき、起歪部１５の中央部Ｐに作
用する曲げモーメントMbについて検討する。

起歪部１５（薄肉円筒部１２）の外径をＤ、内
径をｄ、起歪部１５の肉厚ｔの中心を通る仮想円
の直径をDcとし、第１図Ｅに等価的に示すよう
に、変換器本体１０を長さDc、厚さｔ、幅ｂの
矩形断面を呈する両端支持梁と仮定し、その梁の
中心に荷重Ｗが印加したとすると、梁の長さDc
は、 Dc＝（Ｄ＋ｄ）／２ であり、矩形断面梁のＰ点における曲げモーメン
トMbは、 Mb＝Ｗ・Dc／８ であるから、起歪部１５の中央部Ｐにおける曲げ
モーメントMbは、次式で与えられる。

Mb＝Ｗ・（Ｄ＋ｄ）／２／８＝Ｗ・（Ｄ＋ｄ）／16 ……(1) 従つて、曲げ応力∂bは、次の(2)式で与えられ
る。

∂b＝3W（Ｄ＋ｄ）／4b・t² ……(2) 上記実施例の起歪部１５における円周方向の曲
げ応力分布は、第１図Ｄに示す通り非常に緩やか
な曲線状を呈している。この図から分るように、
曲げ応力の最大εbmaxと、最小εbminの差は、非
常に小さく、ひずみゲージの検出範囲からみれ
ば、無視できる程度である。従つて、既述したダ
イヤフラム型やクロスビーム型の変換器のよう
に、ひずみゲージSGの検出範囲での応力の急峻
な変化はないから、ひずみゲージSGに局部的な
高ひずみが発生することがないので、検出ひずみ
レベルが高く、平均した高感度のひずみ検出がで
きる。既述したように、ダイヤフラム型、クロス
ビーム型の応力分布は、起歪部のひずみ検出範囲
外のところに非常に高い応力が発生するから、変
換器の機械的強度を考慮すると、高応力の部位の
応力を低下させると、当然にひずみ検出範囲のひ
ずみレベルも低下する。これに対し、上記実施例
の荷重変換器における起歪部１５の最大応力は、
起歪部１５のひずみ検出範囲の中心にあり、しか
もひずみ検出範囲のひずみレベルは、略一定と考
えてよいから、高感度のひずみ検出ができ、起歪
部１５の他の部位は応力レベルが低いから繰返し
荷重に対しても充分耐久性のある高感度で、精度
のよい荷重変換器を得ることができる。

次に、本発明によつて、如何に変換器の小型
化、低容量比が実現できるかについて説明する。

すなわち、本発明による変換器は、厚肉中空円
筒に周回溝１１と、スリツト１３ａ，１３ｂを加
工するだけでよいから、中空円筒を小さく、且つ
その起歪部１５を形成する薄肉円筒部１２の軸方
向長さを短くすることにより、容易に小型で低容
量の変換器を製作できる。つまり、従来のダイヤ
フラム型やクロスビーム型の荷重変換器の大きさ
と対比した場合には、超小型といえる程小型化で
きる。

また、荷重容量の低容量比についても、周回溝
１１の加工時の切込み量を深くして、溝幅ｂを狭
くすればよい。

而して、上記製作要領によれば、安価にしかも
容易に、小型、低容量の荷重変換器を提供するこ
とができる。

また、応答周波数について述べると、従来のダ
イヤフラム型、クロスビーム型は、既述したよう
に容量を低くするには、その構造上、曲げ剛性を
低下させるという手段を採らざるを得ず、そのた
め必然的に応答周波数が低下したが、本発明によ
れば、容易に高い応答周波数で低容量の荷重変換
器が得られる。

尚、本発明は、上述し且つ図面に示した実施例
に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲で種々変形して実施できるものであ
る。

例えば、上記実施例においては、物理量−電気
量変換器として荷重変換器を例に挙げて説明した
が、変換器本体１０の荷重導入部１６に、ダイヤ
フラム、ベローズ等の物理量受感手段を介して物
理量に対応した力を伝達させるように構成すれ
ば、高精度な圧力変換器、土圧計等の物理量変換
器の製作が可能となる。また、上述した荷重導入
部１６、荷重支承部１７に、取付アタツチメント
を装着すれば、ひずみ計が製作でき、さらには、
荷重導入部１６に重錘を取り付ければ、加速度変
換器が製作できる。

また、ひずみゲージSGは、実施例においては、
起歪部１５の外周面と内周面の両側に添着した例
につき説明したが、起歪部１５の内面側のみ、ま
たは外面側のみに添着するようにしてもよい。

(e) 効果 以上詳述したように、本発明によれば、弾性を
有する厚肉中空円筒の軸方向中央部に周回溝を削
成し、厚肉円筒部の各外端から各内端に至るスリ
ツトを削成するだけで変換器本体が成形できる構
成であるから、製作が極めて容易で低価格と加工
の高精度化が実現でき、また、中空円筒を小さ
く、且つその起歪部を形成する薄肉円筒部の軸方
向長さを短くあるいは周回溝の深さを深くするこ
とにより、容易に超小型で超低容量の変換器を製
作することができ、さらにまた、曲げ剛性を低下
させずにその容量を低くすることが可能であるか
ら、容易に高い応答周波数で低容量の変換器を得
ることができる。

また、本発明によれば、起歪部における円周方
向の曲げ応力分布は、非常に緩かな曲線状を呈
し、換言すれば、曲げ応力の最大値と最小値の差
が非常に小さく、ひずみゲージの検出範囲での応
力の急峻な変化がなく、平均した高感度のひずみ
検出ができ、ひずみゲージに局部的な高ひずみが
発生することがないから、繰返し荷重に対しても
充分耐久性のある高感度で、高精度なひずみゲー
ジ式物理量−電気量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Ａ〜Ｆは、いずれも本発明に係るもの
で、このうち同図Ａは、本発明に係る曲げ型荷重
変換器の一実施例の全体構成を示す正面図、同図
Ｂは、本発明の要部である変換器本体の構成を示
す側面図、同図Ｃは、同図ＢのＺ−Ｚ線断面図、
同図Ｄは、同実施例における起歪部の応力分布
図、同図Ｅは、同図Ｃを等価的に表わした模式的
断面図、同図Ｆは、同図Ｄと同じく起歪部の応力
分布図、第２図ＡおよびＢは、従来のダイヤフラ
ム型荷重変換器の要部構成を示す平面図および同
図ＡのＸ−Ｘ線断面図、同図Ｃは、同従来例の曲
げ応力分布図、第３図ＡおよびＢは、従来のクロ
スビーム型荷重変換器の要部構成を示す平面図お
よび同図ＡのＹ−Ｙ線断面図、同図Ｃは、同従来
例における起歪部の応力分布図である。 １０……変換器本体、１１……周回溝、１２…
…薄肉円筒部、１３ａ，１３ｂ……スリツト、１
４ａ〜１４ｄ……厚肉円弧板部、１５……起歪
部、１６……荷重導入部、１７……荷重支承部、
１８……荷重座、１９……荷重支承座、SG……
ひずみゲージ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 荷重、圧力、変位、加速度等の物理量を、導
   入部を介して起歪部に伝達して該起歪部を変形せ
   しめ、前記起歪部に添着したひずみゲージによつ
   て前記物理量に対応する電気信号を得るひずみゲ
   ージ式物理量−電気量変換器において、弾性を有
   する厚肉中空円筒の軸方向中央部に幅狭で一定の
   深さの周回溝を削成することによつて軸方向中央
   部に薄肉円筒部が形成されると共にこの薄肉円筒
   部の両側に厚肉円筒部が形成され、さらに前記各
   厚肉円筒部の各外端から各内端に至る中心軸対称
   の一定幅のスリツトを削成することによつて厚肉
   円弧板部が前記薄肉円筒部の両側に各１対形成さ
   れてなる変換器本体のうち、前記両側のスリツト
   に挟まれた領域の前記薄肉円筒部が起歪部とさ
   れ、前記中心軸を中心として前記起歪部から90°
   ずれた角度位置における前記両側の厚肉円弧板部
   が導入部とされ、この導入部から180°ずれた角度
   位置における前記両側の厚肉円弧板部が支承部と
   され、前記起歪部の内周側および／または外周側
   にひずみゲージが添着されてなることを特徴とす
   るひずみゲージ式物理量−電気量変換器。