JPS6024423A - 増幅型荷重変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、印加荷重に対応した電気信号を得る荷重変換
器に関するものである。

この種の従来の荷重変換器としては、金属弾性体に起歪
部を設けその起歪部に添着されたひずみゲージにより印
加荷重に応じた電気信号を得る荷重変換器が多用されて
いる。

しかしながら、このような荷重変換器は、強度の大きい
特殊鋼等を使用しなければならないため加工費、材料費
、熱処理費等が高価になる欠点がある。

すなわち、起歪部の断面積をＡ、印加荷重をＷ、縦弾性
係数をＥとすれば、ひずみεは次式％式％ この場合、ひずみゲージを４枚使用し、ホイートストン
ブリッジ構成とすれば、そのホイートストンブリッジの
出力端からは上記ひずみ値εの２．６倍相当のひずみ出
力が得られる。

（εｏｕｔ＝２．６ε）。通常、ひずみ出力εｏｕｔ。

が４０００Ｘ　１０−’程度になるように起歪部の断面
積を設定している。そのとき、起歪部に発生する応力は
、鉄鋼材料であれば、約３２七ｇ／ｌｌｌ１１２である
。上記の応力は、荷重に比例して発生するから、材料の
強度はおよそ１００　ｋｇ／ｌｌ１ｍ”位の強度がなけ
れば荷重とひずみは比例しない。

従って、起歪部には高張力の特殊鋼等を使用しなければ
ならないから材料費、加工費等が嵩むことになる。

また、従来の荷重変換器を産業プラントに組込んで使用
する場合、例えば、タンクホッパーとその固定部材との
間に荷重変換器を介挿して。

タンクホッパーの計重を行う場合、風袋重量が被測定内
容物重量より大きいときには荷重変換器に発生させ得る
ひずみは、最大でも４０００Ｘ１０−６であるのに、測
定に実質的に使用できるひずみ範囲は非常に小さくなり
、分解能（精度）が著しく低下する欠点がある。そして
、この場合、荷重変換器は、固定部材とタンクホッパー
との間にあり該タンクホッパーを支える支承部材として
使用されるため、例えば、荷重変換器に故障が発生した
ときには、わざわざタンクホッパーや荷重変換器を取外
して代替の支承部材を用いて再び組立てなければならず
、従ってその代替支承部材等の関連部材の製作費用やタ
ンクホッパーや荷重変換器の取外し、取付は作業、荷重
検定作業等の保守費用が嵩み計重に関するトータルコス
トが多大となる欠点がある。

本発明は、上記従来の荷重変換器の有する欠点を悉く解
消するためになされたもので、その目的とするところは
、安価でしかも保守費用が殆んどかからずトータルコス
トを大幅に低減し得るとともに感度、精度、強度および
安全性を大幅に向上し得る増幅型荷重変換器を提供する
ことにある。

このような本発明の目的は、受感部本体の一端面側に荷
重を受ける剛性大なる荷重印加部を形成し、他端面側に
荷重の反力を受ける剛性大なる台座部を形成し、前記荷
重印加部と前記台座部との間に他の部分より断面積が小
なる起歪部を形成し、前記荷重印加部および前記台座部
より互いに接近する方向に延出するひずみ伝達部をそれ
ぞれ形成し、前記間ひずみ伝達部間に前記起歪部および
前記ひずみ伝達部よりはるかに剛性の小なるひずみ検出
器を連結してなり、前記起歪部に生じる印加荷重に対応
するひずみを前記ひずみ伝達部を介し前記ひずみ検出器
に増幅して伝達し、該ひずみ検出器により前記印加荷重
に対応した電気信号を得るように構成することによって
達成することができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳述する。

第１図（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の一実施例の構成
を示す正面図および側面図である。

同図において、ｌは全体形状が略柱状をなす受感部本体
であり、その一端面（図においては上面）側に測定荷重
を受ける剛性大なる荷重印加部２が形成され、他端面（
図においては底面）側に荷重の反力を受ける剛性大なる
台座部３が形成されている。受感部本体１の上記荷重印
加部２と台座部３とで挟まれる中間部分は、他の部分（
荷重印加部２、台座部３）より断面へなる変換器起歪部
４が形成されている。すなわち、この実施例の場合、起
歪部中心線（曲げ中立軸）５に対し対称で受感部本体１
を貫通する該中心線５に平行なスリット６．７が形成さ
れ、更にそのスリット６．７に対し外周に近い受感部本
体１の薄肉部は、その中間部位が切り離され、後述する
ひずみ検出器１０に変換器起歪部４に生じたひずみを伝
達するためのひずみ伝達部８゜９．８’　、９’　が形
成されている。つまり、このひずみ伝達部８，９．８’
　、９’は、荷重印加部２および台座部３より互いに接
近する方向にそれぞれ延設されている。ひずみ検出器１
゜は、上下２つのひずみ伝達部８，９および８′。

９′間にボルト締め、または溶接等の手段により連結固
定される。ひずみ検出器１０は、前記変換器起歪部４お
よびひずみ伝達部８，９．８’、９′より剛性をはるか
に小さく設定されている。

第２図（Ａ）〜（Ｅ）は、本発明に適用し得る」二記ひ
ずみ検出器の一実施例の構成を示すもので、同図（Ａ）
は分解斜視図、同図（Ｂ）は平面図、同図（Ｃ）は同図
（Ｂ）Ａ−Ａ線矢視方向断面図、同図（Ｄ）は正面図、
同図（Ｅ）は同図（Ｂ）Ｂ−Ｂ線矢視方向断面図である
。

第２図（Ａ）〜（Ｅ）において、１１は薄板材からなる
起歪板であり、この起歪板１１には中央部に幅狭に形成
された検出器起歪部１１ａが設けられ、長手方向（荷重
印加方向）の両端部近傍には円形状の透孔１１ｂ、ｌｌ
ｂがそれぞれ穿設されており、更に検出器起歪部１１ａ
の中央の表裏に各２枚のひずみゲージＳＧが接着、融着
、等の手段によって添着されている。

１２は補強板であり、この補強板１２の中央部には上記
起歪板１１に添着されたひずみゲージＳＧの添着面積よ
りも大きな矩形状の透孔１２ａが穿設され、補強板１２
の長手方向両端部近傍には、上記起歪板１１に設けられ
た２つの透孔１１ｂと同一間隔、同一径の円孔１２ｂが
穿設され、この補強板１２の短辺方向（荷重方向に直交
する方向）の両端縁にはそれぞれ同じ側へ９０°折曲さ
れた座屈防止用の補強リブ１２Ｃが設けられている。こ
の補強板１２は、薄い板材を素材として、例えばプレス
機械によって透孔１２ａおよび１２ｂは打抜がれ、補強
リブ１２ｃは折曲げ成形される。１３は、固定部材であ
り、中心に円孔１３ｃを穿設された鍔付円筒体１３ａと
この鍔付円筒体１３ａの円筒部に嵌合する円径を有し鍔
部と同一外径を有するリング状１３ｂからなり、次述す
るように起歪板１１と補強板１２とを固着する役目を果
たす。

第２図（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｅ）において。

１４はエポキシ樹脂、合成ゴム等の硬質充填材を硬化さ
せてなる座屈防止のためのモールド体で、弾性率は例え
ば、起歪板１１の１／１ｏ以下のものが選ばれる。

このような構成からなるひずみ検出器１ｏは次のように
して組立てられる。

先ず、第２図（Ａ）に示すところによりｊｔｂ　ｍ１１
がつくように、２枚の補強板１２の補強リブ１２ｃのあ
る面とは反対側の面を共に起歪板１１に当接させて起歪
板１１を挾むように重ね合わせ、一方の固定部材１３で
ある鍔付円筒体の円筒部を補強板１２の透孔１２ｂおよ
び起歪板１１の透孔１１ｂに嵌入し、反対側の補強板１
２の外方に突出させ、次にリング体１３ｂをこの突出し
た円筒部に嵌入した後、該円筒部をカシメ、起歪板１１
と２枚の補強板１２とをその両端近傍において共に固着
し、一体化した後に検出器起歪部１１ａの所定の位置の
表面および裏面にひずみゲージＳＧを接着等の手段にて
添着しホイートストンブリッジを構成する。このように
して一体化されたひずみ検出器１０の２枚の補強板１２
の補強リブ１２ｃが設けられている板面上に前記エポキ
シ樹脂等の充填材を補強リブ１２ｃの高さと略同−高さ
になる程度充填しこれを固化させてモールド体１４を形
成する。

なお、図示は省略したが受感部本体１は変換器ケースに
、またひずみ検出器１０は検出器ケースにそれぞれ収納
される。

次に、上記構成よりなる実施例の作用につき説明する。

先ず、被測定対象物の例えば、荷重伝達系中に荷重変換
器を介挿し、ねじ結合または溶接などの手段により固定
する。

いま、圧縮荷重Ｗが受感部本体１の荷重印加部２に作用
すると、荷重印加部２および台座部３は、剛性が充分高
く設定されているため、ひずみを生ずることなくこれら
に挟まれその断面積が小さく形成された変換器起歪部４
が圧縮されひずみを生ずる。このひずみは、ひずみ伝達
部８，９．８’　、９’　を介してひずみ検出器１０に
伝達される。このひずみ検出器１０に導入されたひずみ
は、固定部材１３を介して起歪板１１．２枚の補強板１
２およびモールド体１４に伝達されこれらが圧縮されて
、長手方向（荷重方向）に縮み、幅方向（荷重方向に直
交する方向）に伸びる。これにより起歪板１１の検出器
起歪部１１ａの表面および裏面に添着された各２枚のひ
ずみゲージＳＧも検出器起歪部１１ａの縮みまたは伸び
に応じて変形しその抵抗値が変化する。一般にひずみゲ
ージＳＧは、検出器起歪部１１ａの表面および裏面に荷
重方向並びにこれと直交する方向に添着され、これら４
枚のひずみゲージＳＧによってホイートストンブリッジ
が形成されるため、このブリッジの出力端からは、検出
器起歪部１１ａのひずみに対応した出力信号を送出する
。この出力信号をもとにひずみ測定器（図示せず）によ
って荷重を知ることができる。

上記実施例における検出器起歪部１１ａに発生するひず
みは、次のようになる。

すなわち、荷重変換器の荷重印加部２に作用する荷重を
Ｗ、変換器起歪部４の断面積をＡ、同起歪部４の長さを
し、同起歪部４に生じたひずみをＥ、検出器起歪部１１
ａの長さをρとすれば、ひずみ検出器（検出器起歪部１
１ａ）が検出するひずみε′は、次式で示すようになる
ε’　＝２．６　・Ｗ−Ｌ／Ａ−Ｅ　−Ω＝２．６　・
　ε　・　Ｌ／Ω ここで、Ｅは変換器起歪部４の縦弾性係数である。

上式より明らかなように、変換器起歪部４に生じたびず
みεは、ひずみ伝達部８，９．８’　。

９′を介しひずみ検出器１０の検出器起歪部１１ａにＬ
／Ｑ倍増幅されて伝達されることになる。換言すれば、
変換器起歪部４に直接ひずみゲージＳＧを接着する従来
の荷重変換器と比較してＬ／Ｑ倍ひずみ検出感度が向上
することになる。従って、従来の荷重変換器に対し例え
ば５倍（Ｌ／Ｑ＝５）　、１０倍（Ｌ／Ｒ＝１０）強度
の高い荷重変換器を容易に製作することができる。これ
を換言すれば、変換器起歪部４に発生させるひずみを従
来のものよりｆｉ／Ｌまで小さくできるから、荷重とひ
ずみが比例する範囲の小さい（弾性変形する範囲が狭い
）低強度の材料でも使用することができる。従って、受
感部本体１を構成する材料が安価となり、加工費、熱処
理費も低減できる。

更に、上記実施例のように構成すれば、受感部本体ｌに
発生する応力を非常に小さくできるから、荷重−ひずみ
特性の直線性が極めてよい領域で荷重変換器が製作でき
、広範囲にわたって精度を向上させることができる。

また、上述したように強度の高い荷重変換器が得られる
ので、安全性が著しく向上する。特に、構造物の荷重が
負荷される部分に介挿する場合、安全性の高い支承部材
として機能させることができる。

また、受感部本体１とは別途にひずみ検出器１０を設け
であるため、故障が発生してもひずみ検出器１０の交換
だけでよく、例えば、荷重変換器を装置や構造物中に組
込んでも受感部本体ｌを取外す必要がなく、単にひずみ
検出器１０の交換修理をすればよく検定の必要がない。

従って、保守が容易で保守費用が殆んどかからない。

更に加えて、例えばタンクスケール等の計重装置に本発
明に係る荷重変換器を適用する場合には、風袋重量を印
加した状態でひずみ検出器１０をセット（零点調整）で
き、タンク内の内容物の重量のみを計測できるので、従
来のものに比べ感度および精度（分解能）を大幅に向上
させることができる。

尚、本発明は、上述の実施例のみに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する
ことができる。

例えば、上記実施例においては、ひずみ検出器１０とし
て起歪板１１の圧縮、引張によるひずみを検出器起歪部
１１ａ上に添着されたひずみゲージＳＧにより検出する
構成のものについて説明したが、起歪板にせん断ひずみ
を発生させるようにしたものでもよいし、更にはひずみ
ゲージ式のものに限らず、差動トランス式その他の方式
のひずみ検出器であってもよい。

また、受感部本体１の形状としては、略円柱状、略角柱
状、略楕円状、その他の形状であってもよい。

また、受感部本体１は実施例の場合一体構造のものを示
しであるが、荷重印加部２、台座部３、ひずみ伝達部８
，９．８’　、９’のいずれかは、変換器起歪部４とは
別体のもので加工した後、溶接等により一体化するよう
にしてもよい。

更にまた、ひずみ伝達部８，９．８’　、９’およびひ
ずみ検出器１０は、実施例の場合、受感部本体１の周面
部に２箇所設けた例を示したが、傾斜荷重が印加されな
い被測定対象であれば、１箇所でもよいし、傾斜荷重が
印加される場合には４箇所またはそれ以上（ただし偶数
箇所が望ましい）設けることによって精度を上げること
ができる。

更に、本発明に係る荷重変換器の適用例としてタンクス
ケールの例を述べたが、ロボット、クレーン等にも好適
であり、小荷重小変位の被測定対象であっても高精度に
荷重を検出することができる。

以上詳述したように本発明によれば、安価でしかも保守
費用が殆んどかからずトータルコストを大幅に低減し得
るとともに、感度、精度、強度および安全性を大幅に向
上し得る増幅型荷重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）、（Ｂ）および（Ｃ）は、それぞれ本発明
の一実施例の構成を示す正面図、側面図および平面図、
第２図（Ａ）〜（Ｅ）は、本発明に適用し得るひずみ検
出器の一実施例の構成を示すもので、同図（Ａ）は分解
斜視図、同図（Ｂ）は平面図、同図（Ｃ）は同図（Ｂ）
・におけるＡ−Ａ線矢視方向断面図、同図（Ｄ）は正面
図、同図（Ｅ）は同図（Ｂ）におけるＢ−Ｂ線矢視方向
断面図である。 １・・・・・・受感部本体、　２・・・・・・荷重印加
部、３・・・・・・台座部、　４・・・・・・変換器起
歪部、６．７・・・・・・スリット、 ８．９．８’　、９’・・・・・・ひずみ伝達部、１０
・・・・・・ひずみ検出器、１１・・・・・起歪板、１
１ａ・・・・・・検出器起歪部、 １２・・・・・・補強板、　１３・・・・・・固定部材
、１４・・・・・・モールド体、 ＳＧ・・・・・・ひずみゲージ。 第　１　図 （Δ）（Ｂ） （Ｃ） 第　２　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）受感部本体の一端面側に荷重を受ける剛性大なる
   荷重印加部を形成し、他端面側に荷重の反力を受ける剛
   性大なる台座部を形成し、前記荷重印加部と前記台座部
   との間に他の部分より断面積が小なる起歪部を形成し、
   前記荷重印加部および前記台座部より互いに接近する方
   向に延出するひずみ伝達部をそれぞれ形成し、前記面ひ
   ずみ伝達部間に前記起歪部および前記ひずみ伝達部より
   はるかに剛性の小なるひずみ検出器を連結してなり、前
   記起歪部に生じる印加荷重に対応するひずみを前記ひず
   み伝達部を介し前記ひずみ検出器に増幅して伝達し、該
   ひずみ検出器により前記印加荷重に対応した電気信号を
   得るように構成したことを特徴とする増幅型荷重変換器
   。