JPS6342436A - ひずみゲ−ジ式物理量−電気量変換器 - 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】 （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っ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。

荷重変換器に限ってみても、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、ワッシャ型
、−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
着された構成となっている。

しかしながら、従来のこの形式の荷重変換器は１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
加工によって肉厚を薄くすることは非常に困難で、＊く
するにも自ずと限界（現状０．２　閣程度が限界とされ
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１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っ
て必然的に変換器本体１の外径が大きくなり、従って小
型の荷重変換器は事実上製作不可能となると共に１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間層が生じて
しまう。また、構造的に薄肉加工に限界を伴うから、結
烏、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。

彼方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、従っ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１等配角度で４個所扇形
状にくりぬく（＠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、Ｓ
Ｇ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、上記ダイヤプ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。

（ｅ）　　目的 本発明は、上記従来技術に存する問題点に鑑みなされた
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。

（、ｉ）　　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って前記
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１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
とシ；よっ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前記中
心軸に沿う一定幅のスリットを削成することによって厚
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、前記両側のスリットに挟まれた
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
前記面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って、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）〜（Ｄ）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２−２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である。

第１図（Ａ）および（Ｂ）において、ｉｏ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１例えばニッケルークロム謂、ニッケ
ルークロム−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、使用目的に適っ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０−０方、向中央部外周に幅
狭（例えば４■の幅）で一定の深さく例えば２■の深さ
）の周回溝１１を例えば施錠を用いて削成する。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の面側、つまり第２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、面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０−Ｏに沿う一定１１＆ｊ（この例の場合、
４ｍの４１ｉ）のスリット（摺割り）１３ａ、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
厚肉円筒部がスリット１３ａ　＋　　１３ｂによってそ
れぞれ２分割されて、上記薄肉円筒部１２の面側に各１
対の厚肉円弧板部１４ａ、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１両側
のスリット１３ａと１３ｂとによって挾まれた領域の薄
肉円筒部１２が起歪部１５とされている。

また、中心軸０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１
６から１８０°ずれた角度位置における厚肉円弧板部１
４ｂ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であるが、
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、スパッ
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ッジ（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１
６と路線接触状態で当接しているのは、荷重の印加を受
ける荷重床１８であり、同様に厚肉円弧板部１４ｂ、１
４ｄにおける荷重支承部１７と路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部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１図中、符号ａ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に荷重床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、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、上記圧縮荷重によって起歪部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。

変換器本体１０の荷重導入部１６に荷重Ｗが作用したと
きの曲げモーメントＭｂは、起歪部１５（薄肉円筒部１
２）の外径をＤ、内径をｄとすれば、次式で与えられる
。

Ｍｂ　＝Ｗ　（Ｄ＋ｄ）／８　　　　　　・・・・・・
（１）従って曲げ応力９ｂは、次の（２）式で与えられ
る。

９ｂ　＝３Ｗ　（Ｄ＋ｄ）／４ｂ−ｔ”　　　・・・・
・・（２）ここで、ｂは、起歪部１５の幅、ｔは、起歪
部１５の肉厚である。

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１曲げ応力の最大ε
ｂ■ａｘと、！＆小εｂＩｌｉｎ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。従って、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に烏
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１
５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、本発明によって、如何に変換器の小型化、低容量
化が実現できるかについて説明する。

すなわち１本発明による変換器は、厚肉中空円筒に周回
溝１１と、スリット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、荷重容量の低容量化についても、周回溝１１の加
工時の切込み量を深くして、溝幅すを狭くすればよい。

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ｇｉ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
を採らざるを得す。

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１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、取付アタッ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！ｌ錘を取り付
ければ、加速度変換量が製作できる。

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１本発明によれば、従来不可能とさ
れていた超低容量化、超小型化、低価格化が実現でき、
物理量検出感度、検出効率が高く、起歪部のひずみ特性
が改善されて精度が向上し、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ができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｄ）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苗ｇ１変
換鼎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）　１７）Ｚ−Ｚ、Ｉ！断面図
、同図（Ｄ）は、同実施例における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＠（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・・・・・・スリット、１４ａ”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・・・・・・荷重支承部、 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って前記物理量に対
   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って
   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前記中心軸に沿う一
   定幅のスリットを削成することによって厚肉円弧板部が
   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、前記面側のスリッ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。