JPH11211589A - 耐圧防爆型ロードセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度の計量でき製造が容易な耐圧防爆機能
を有するロードセルを提供すること。 【解決手段】 厚肉の円板状弾性体の一端側にその芯軸
と同軸に厚肉の荷重着力部を形成すると共に、前記円板
状弾性体の他端側に前記円板状弾性体の芯軸と同軸に穴
を削設して、当該穴を包囲する厚肉円環状支持部と前記
荷重着力部とを一体化する所定厚の薄肉部を形成し、当
該薄肉部に前記円板状弾性体の芯軸と同軸に、前記穴の
内面が圧力を受けた時、前記薄肉部に生じる半径方向の
応力が零になる位置の近傍を谷底とするＶ字状環状溝を
形成し、当該断面Ｖ字状溝に対向する前記薄肉部の内面
に複数の歪みゲージを接着してホイーストンブリッジ回
路を構成し、前記ホイーストンブリッジ回路からの信号
線を前記円環状支持部に設けた隔離手段を介して外部へ
導出する一方、前記穴の開口部に所定厚さの蓋体を接合
することにより、穴内部の爆発が外部へ影響を及ぼさな
い構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はロードセル、特に、
石油化学工業等の工場や事業所など、爆発性ガスを生成
する場所で使用した場合に、ロードセル内部で生じた爆
発が点火源となって、その周囲の爆発性ガスに爆発を誘
発させない構造とした、いわゆる耐圧防爆型ロードセル
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】石油化学工業等の工場や事業所その他の
爆発性ガスが生成する場所で使用する電気機器は、その
内部で生じたスパーク等が点火源となって、その周囲の
爆発性ガスに引火して爆発等の事故が発生しないように
防爆性を持つことが要求されている。電気機器に防爆性
を持たせる手段としては、電気機器内部で発生した爆発
がその周囲の爆発性ガスに波及しないように点火源であ
る電気機器を実質的に爆発性ガスから隔離する方法があ
る。具体的には、電気機器内部で爆発性ガスの爆発が起
きても、その圧力に耐え、かつ、外部の爆発性ガスに引
火する恐れがないように耐圧防爆構造の容器に電気機器
を閉じこめた構造とするものである。

【０００３】従来、耐圧防爆構造のロードセルとして、
図１０に示すように、荷重検出部に歪みゲージ１０６を
接着したロードセル本体１０５を有底円筒状耐圧防爆カ
バー１０４内に配置し、カバー上端より突出するロード
セル本体１０５の着力部上端１０９とカバー上端１０８
とにダイヤフラム１０７、１１０を溶接して全閉構造と
したものがある。この構造のロードセルでは、ケース内
部で爆発が起こった場合に、その内圧に耐える程度にダ
イヤフラムの厚さを厚くする必要がある。しかし、この
構造では、荷重Ｐが作用する際、その荷重の一部がダイ
ヤフラム１０７、１１０で支えられるため、特に、低容
量のロードセルでは正確に計量できないという問題があ
った。これを解決する手段として、特開昭６０−１１１
１２７号明細書にて、図１１に示すように、ロードセル
本体１１５をそれに貼着した歪みゲージ１１６と共に所
定の耐圧防爆強度を有する容器（１１１、１１２）に収
容し、ロードセル本体１１５の着力部１１７と固定側カ
バー１１２との間に防爆機能を満足するのに必要な幅と
奥行きを有する間隙１１３を形成した構造のロードセル
が提案されている。

【０００４】他方、ロードセルの構造としては、図１２
に示すように、剛固な中心と外周とに対向力を受ける鼓
状膜又は板１２１の変形により応力零の変曲点となる位
置を谷底とするＶ字溝１２４を該膜又は板の外面に置
き、該溝の裏内面を平面とする一方、その上に反符号と
なるようにゲージ対ＳＧを貼付し、その歪み感度を貼付
位置に鈍感ならしめるようにした鼓型ロードセルが実開
昭５７−１８２１３６号公報にて提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６０−１１１１２７号明細書に記載のロードセルでは、
低容量ロードセルの計量精度は改善されるが、構造が複
雑化するという問題がある。しかも、荷重伝達部とケー
スの間に防爆性を得るために設けた間隙が粉塵等で詰ま
ると、正常な計量ができなくなり、耐環境性に難点があ
った。

【０００６】また、実開昭５７−１８２１３６号公報の
ものでは、ゲージ対の接着、保護及び出力の調整を容易
にすることはできるが、鼓状膜又は板では外面に形成し
たＶ字溝の内側傾斜面の山と外側傾斜面の山の高さが等
しく、しかも、Ｖ字溝の裏が平面であるため、周方向の
断面積の違いから荷重着力部に荷重が作用した時、内側
と外側の歪みゲージの歪みに差を生じ易く、特に、偏芯
荷重に対して誤差を生じやすく高精度で測定できないと
いう問題があった。さらに、環状のＶ字溝の谷部の直径
が小さいため、歪ゲージを中心軸の近くに貼ることとな
り、その場合、歪の均一性が得にくく、精度がでないと
いう問題もあった。

【０００７】本発明は、上記した問題に鑑みてなされた
もので、大容量から低容量まで高精度で計量でき、製造
が容易で安価な耐圧防爆機能を有するロードセルを提供
することを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、請求項１で、厚肉の円板状弾性体の一端
側にその芯軸と同軸に厚肉の荷重着力部を形成すると共
に、前記円板状弾性体の他端側に前記円板状弾性体の芯
軸と同軸に穴を削設して、当該穴を包囲する厚肉円環状
支持部と前記荷重着力部とを一体化する所定厚の薄肉部
を形成し、当該薄肉部に前記円板状弾性体の芯軸と同軸
に、前記穴の内面が圧力を受けた時、前記薄肉部に生じ
る半径方向の応力が零になる位置の近傍を谷底とするＶ
字状環状溝を形成し、当該断面Ｖ字状溝に対向する前記
薄肉部の内面に複数の歪みゲージを接着してホイースト
ンブリッジ回路を構成し、前記ホイーストンブリッジ回
路からの信号線を前記円環状支持部に設けた隔離手段を
介して外部へ導出する一方、前記穴の開口部に所定厚さ
の蓋体を接合することにより、穴内部の爆発が外部へ影
響を及ぼさない構造としたことを特徴とする耐圧防爆機
能を有するロードセルを提供している。

【０００９】上記のように、厚肉の容器の一部に薄肉部
を設け、薄肉部で荷重を検出し、この薄肉部が爆発圧に
耐えるように肉厚及び形状を設定することにより、構造
が簡単で耐圧防爆機能を有するロードセルが製造可能と
なる。

【００１０】また、上記構造にすれば、図８に示す従来
の構成の場合と異なり、荷重がダイヤフラムの影響を受
けることがないので、低容量で精度の高いロードセルを
製作できる。

【００１１】前記Ｖ字状環状溝は、その谷底の直径Ｌが
前記穴の内径Ｄに対して０.６Ｄ＜Ｌ＜０.８Ｄの範囲に
設定されている。また、その谷を形成する荷重着力部側
の傾斜面の傾きが円環支持部側の傾斜面の傾きより大き
く形成されている。

【００１２】前記荷重着力部は、前記薄肉部から外方へ
突設しても良く、また、前記薄肉部から内方へ突設して
も良い。

【００１３】前記蓋体にその中心部を外側に凸状の球面
に突出させた構成としても良い。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。図１及び図２は本発明の第１
実施形態を示し、図示の耐圧防爆型ロードセルは、セル
ハウジング１と、セルハウジング１内に配設された複数
対の歪みゲージＳＧ１〜ＳＧ８と、セルハウジング１の
開口部を閉鎖する蓋体１０とで構成されている。

【００１５】セルハウジング１は、厚肉の円環状支持部
２と、当該円環状支持部２と一体的に形成され、かつ、
当該円環状支持部２の一端側を閉塞するように形成され
た所定厚の薄肉部３とで構成され、前記円環状支持部２
と薄肉部３とで歪みゲージＳＧ１〜ＳＧ８を収納する空
洞部４が前記円環状支持部２の芯軸と同軸に形成されて
いる。また、前記薄肉部３の表面には、前記円環状支持
部２の芯軸と同軸に突設された厚肉の荷重着力部５と、
当該荷重着力部５の芯軸と同軸に断面Ｖ字状の環状溝、
即ち、Ｖ字状溝６とが形成されている。

【００１６】前記セルハウジング１は、厚肉円板状弾性
体の一端面側を切削加工して当該厚肉円板状弾性体の芯
軸と同軸に厚肉の荷重着力部５を形成する一方、前記円
板状弾性体の他端面側にその芯軸と同軸に穴を削設して
前記空洞部４を形成することにより形成されている。ま
た、前記Ｖ字状溝６は、前記空洞部４の内面に圧力を受
けた時、前記薄肉部３に生じる半径方向の応力が零にな
る位置の近傍に谷底を持つように荷重着力部４の芯軸と
同軸に形成され、前記薄肉部３の肉厚と形状は、所定の
内圧に耐えられるように設定される。具体的には、後述
するように、前記空洞部４の内径をＤとする時、Ｖ字状
溝６の谷底の直径Ｌは、内圧による薄肉部３の応力が零
になる近傍で０.６Ｄ＜Ｌ＜０.８Ｄとなる範囲に設定さ
れている。また、Ｖ字状溝６の内側傾斜面の傾斜角（Ｖ
字状溝６の谷底を通る円を含む平面とＶ字状溝６の内側
の傾斜面とのなす角）θ１は外側傾斜面の傾斜角（Ｖ字
状溝６の谷底を通る円を含む平面とＶ字状溝６の外側の
傾斜面とのなす角）θ２よりも大きく、即ち、θ１＞θ
２になるように設定されている。

【００１７】前記薄肉部３の内面３ａには、図３に示す
ように、複数の歪みゲージＳＧ１〜ＳＧ８が直交する二
つの直線上に点対称となる位置に接着され、各対の歪み
ゲージ（ＳＧ１、ＳＧ２）、（ＳＧ３、ＳＧ４）、（Ｓ
Ｇ５、ＳＧ６）、（ＳＧ７、ＳＧ８）は、Ｖ字状溝６の
谷底を通る円と同軸で同径の内面３ａ上の仮想円を挟ん
で相対して配置されている。電気的には、図３に示すよ
うに、歪みゲージＳＧ１とＳＧ３、ＳＧ２とＳＧ６、Ｓ
Ｇ５とＳＧ７、ＳＧ４とＳＧ８とをそれぞれ直列接続
し、それらの直列回路でホイーストンブリッジ回路を構
成させ、前記荷重着力部５に作用する荷重を電気信号と
して検出するようにしてある。前記ホイーストンブリッ
ジ回路からの信号線９は、前記円環状支持部２にその芯
軸と直交方向に穿設した孔１１に螺合したプラグ７を通
して外部へ導出され、プラグ内部でハーメチックシール
８により外部と隔離することにより、セルハウジング１
内部の爆発が外部へ影響を及ぼさない構造としている。

【００１８】即ち、図４に示す一般的構造のロードセル
において、その薄肉部内面に接着した歪みゲージＳＧを
含む電気回路の発熱や短絡事故等が原因で、容器内部で
爆発性ガスの爆発が起こった場合に、容器が全閉構造で
その圧力に耐え、かつ、外部の爆発性ガスに引火する恐
れがない構造にすることが要求される。そのためには、
爆発圧（内圧）よって薄肉部に生じる分布を検討し、薄
肉部の肉厚と形状を爆発圧に耐えるように設計する必要
がある。いま、ロードセル内部で爆発が生じて図４に示
すように内圧が作用する場合、薄肉部３の内面には材料
力学的考察又は有限要素法等による応力解析によれば、
薄肉部３と荷重着力部５との連結部付近（図中ａ）に半
径方向に最大圧縮応力σrを生じ、薄肉部３と厚肉円環
支持部２との連結部付近（図中ｂ）に半径方向に最大引
っ張り応力σrを生じ、ａｂ間に半径方向に応力が零と
なる位置ｃがある。このａｂ間の半径方向に応力が零と
なる位置ｃを明らかにするため、有限要素法の要素分割
モデルを図５に示し、このモデルによる応力解析結果を
図６に示す。なお、ｄは荷重着力部５の直径であり、Ｄ
は内部空洞部の直径、ｒは内部空洞部の芯軸上の点から
の半径方向距離（座標）である。

【００１９】この結果から、ｃ点を谷底とし、ａ点及び
ｂ点で肉厚の厚いＶ字状溝６を持つ薄肉部を形成すれ
ば、応力の局部的な増大を抑制して爆発圧に耐えうる構
造にできることが解る。また、図６に示すように、ｃ点
の位置、即ち、Ｖ字状溝の谷底の直径をＬとし、空洞部
４の直径をＤとすると、この種のロードセルの実用的な
寸法範囲では、０.６＜Ｌ／Ｄ＜０.８の範囲内の位置に
応力が零となる点Ｃが存在する。このＶ字状溝の位置と
形状は、特に、低容量のロードセルでは薄肉部の肉厚が
薄くなるため、爆発圧に耐える構造にするために重要で
ある。

【００２０】他方、Ｖ字状溝６の内側傾斜面６ａと外側
傾斜面６ｂにそれぞれ対向する薄肉部の反対側平面に歪
みゲージＳＧを接着しているので、内側傾斜面６ａの傾
斜角θ１と外側傾斜面６ｂの傾斜角θ２を変えることに
より歪みゲージ接着位置での薄肉部の肉厚を変えること
ができ、内側の歪みゲージＳＧ１、ＳＧ３、ＳＧ５、Ｓ
Ｇ７と外側の歪みゲージＳＧ２、ＳＧ４、ＳＧ６、ＳＧ
８の歪みの大きさの割合を調整することができる。ま
た、荷重着力部に荷重が作用するとき、周方向の断面積
の違いから内側の歪みゲージが外側の歪みゲージの歪み
より大きくなるため、θ１＞θ２となる適度な傾斜角を
設定することにより肉厚を変え、内側と外側の歪みゲー
ジの歪みをほぼ等しくすることができる。従って、これ
らの歪みゲージでホイーストンブリッジ回路を構成すれ
ば、荷重着力部５に偏心荷重が作用した場合でも誤差が
キャンセルされるため、直線性やヒステリシスの荷重特
性の良好なロードセルを得ることができる。また、Ｌ／
Ｄ＞０．６として歪ゲージ接着位置を荷重着力部から外
側へ離しているので歪の均一性が得られ、精度が向上す
る。

【００２１】また、蓋体も爆発圧に耐える肉厚を必要と
するが、この部分は荷重特性に影響を与えないため、十
分な肉厚をとることができる。蓋体の肉厚をt、爆発圧
を１０kgf/mm²とすると、この種のロードセルの実用的
な寸法範囲ではｔ＞０.０４Ｄ程度にすれば良い。

【００２２】図７は第２の実施形態を示し、前記第１実
施形態の薄肉部３に設けた荷重着力部５に加えて、蓋体
１０の外側表面に円環状支持部２の芯軸と同軸に球面状
の突出部を形成して底面荷重着力部１２を形成したもの
で、蓋体１０は円環状支持部２と同径の大きさに形成さ
れ、溶接でセルハウジング１の開口部に接合した例を示
す。このような構成にすると、蓋体１０の中心部を外側
に凸状の球面に突出させて底面荷重着力部１２を形成し
ているため、底面での荷重が中心部に集中し、底面にお
ける摩擦力や不安定な荷重分布状態が減少するため、荷
重特性の一段と良好なロードセルが得られる。

【００２３】図８は図７の第２実施形態の変形例を示
し、蓋体１０をボルト１３でセルハウジング１の開口部
に接合した例を示し、円環状支持部２の底面に環状溝を
形成し、当該環状溝にパッキン１４を装着して蓋体１０
との間をシールし、ハウジング１の内部を外部から隔離
するようにした点が異なるだけで、他の構成は同じであ
る。

【００２４】図９は第３の実施形態を示し、薄肉部３に
荷重着力部５を外方へ突設した図１の実施形態と異な
り、前記荷重着力部５を薄肉部３から内方へ突設したも
のである。このセルハウジング１は、厚肉円板状弾性体
の一端面にその芯軸と同軸に所定深さの凹所１５を穿設
する一方、厚肉円板状弾性体の他端面に、前記凹所１５
の直径より大径の内径を有する環状溝１６を前記厚肉円
板状弾性体の芯軸と同軸に所定深さに形成して厚肉の円
環状支持部２と薄肉部３を形成し、前記環状溝１６の内
側に形成される円筒部の底部を切削して荷重着力部５の
肉厚を所定の厚さにしたものである。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、従来の耐圧防爆構造ロードセルにみられるダ
イヤフラムを持たない構造であるため、低容量から大容
量まで精度の高い耐圧防爆構造型ロードセルが製造でき
る。

【００２６】また、荷重伝達部とケースの間に防爆性を
得るための間隙を持たない構造のため、この部分に粉塵
が進入する懸念は全く無く耐環境性に優れ、また、構造
も簡単なことから、安価なロードセルを提供することが
できる。しかも、構造的に薄型のロードセルが実現でき
る。

【００２７】さらに、Ｖ字状溝の内側傾斜面の傾斜角θ
１が外側傾斜面の傾斜角θ２より大きくなるように適宜
設定することにより薄肉部の肉厚を変え、内側と外側の
歪みゲージの歪みをほぼ等しくすることができるように
したので、荷重着力部５に偏心荷重が作用した場合でも
誤差がキャンセルされるため、直線性やヒステリシスの
荷重特性の良好なロードセルを得ることができる、など
数々の利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態を示すロードセルの縦
断面図である。

【図２】 図１のロードセルのＡ方向矢視図である。

【図３】 本発明に係るロードセルの歪みゲージの結線
図である。

【図４】 ロードセルにおける圧力分布図である。

【図５】 有限要素法によるロードセルの要素分割図で
ある。

【図６】 ロードセルの内圧による薄肉部応力分布を示
す図である。

【図７】 第２実施形態を示すロードセルの縦断面図で
ある。

【図８】 第２実施形態の変形例を示すロードセルの縦
断面図である。

【図９】 第３実施形態の変形例を示すロードセルの縦
断面図である。

【図１０】 従来の耐圧防爆構造のロードセルの縦断面
図である。

【図１１】 従来の耐圧防爆構造を示す他のロードセル
の縦断面図である。

【図１２】 従来の耐圧防爆構造を示す他のロードセル
の縦断面図である。

【符号の説明】

１： ハウジング ２： 厚肉円環支持部 ３： 薄肉部 ４： 空洞部 ５： 荷重着力部 ６： Ｖ字形溝 ６ａ、６ｂ： 傾斜面 ８： ハーメチックシール １０： 蓋体 １２： 底面荷重着力部 ＳＧ１〜ＳＧ８： 歪みゲージ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚肉円板状弾性体の一端面側にその芯軸
   と同軸に厚肉の荷重着力部を形成すると共に、前記円板
   状弾性体の他端側に前記円板状弾性体の芯軸と同軸に穴
   を削設して、当該穴を包囲する厚肉円環状支持部と前記
   荷重着力部とを一体化する所定厚の薄肉部を形成し、当
   該薄肉部に前記円板状弾性体の芯軸と同軸に、前記穴の
   内面が圧力を受けた時、前記薄肉部に生じる半径方向の
   応力が零になる位置の近傍を谷底とするＶ字状環状溝を
   形成し、当該断面Ｖ字状溝に対向する前記薄肉部の内面
   に複数の歪みゲージを接着してホイーストンブリッジ回
   路を構成し、前記ホイーストンブリッジ回路からの信号
   線を前記円環状支持部に設けた隔離手段を介して外部へ
   導出する一方、前記穴の開口部に所定厚さの蓋体を接合
   したことを特徴とする耐圧防爆型ロードセル。
2. 【請求項２】 前記Ｖ字状環状溝は、その谷底の直径Ｌ
   が前記穴の内径Ｄに対して０.６Ｄ＜Ｌ＜０.８Ｄの範囲
   に設定され、かつ、その谷を形成する荷重着力部側の傾
   斜面の傾きが円環支持部側の傾斜面の傾きより大きく形
   成されている請求項１に記載のロードセル。
3. 【請求項３】 前記蓋体にその中心部を外側に凸状の球
   面に突出させた請求項１または請求項２に記載のロード
   セル。