(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端の固定剛体部と可動剛体部との間に、肉厚が薄くされた２箇所の歪発生部を有する上下複数本のビーム部が架設された全体形状がほぼ直方体状の起歪体を用い、上記歪発生部の表面に歪検出素子を設けてなるロードセルであって、上記ビーム部の歪発生部における縦断面形状が、該歪発生部に作用する曲げモーメントに対して歪量が０となる中立面から上下面までの距離が不等となる形状とされていると共に、該歪発生部の上下面のうち、中立面から離れた方の平坦な面に上記歪検出素子が設けられていることを特徴とするロードセル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は各種計量用に用いられるロードセル、特に所定形状の起歪体に設けられたストレインゲージなどの歪検出素子の電気特性の変化により、上記起歪体に負荷された荷重を電気的に検出するロードセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電子秤などに用いられる２ビーム片持ち式のロードセルは、両端の固定剛体部と可動剛体部との間に、上下２本のビーム部を平行に架設すると共に、これらのビーム部にノッチにより薄肉とされた歪発生部を２箇所ずつ設けた起歪体を用い、この起歪体における上記歪発生部の表面にストレインゲージなどの歪検出素子をそれぞれ設けて、該起歪体に負荷される荷重に応じて上記歪発生部に発生する引張歪と圧縮歪とを上記歪検出素子によって検出することにより、上記荷重を測定するように構成される。
【０００３】
ところで、この種のロードセルにおいては高速計量が要求される場合がある。高速計量にはロードセルの固有振動数を高める必要があり、そのための手法として、従来から、歪発生部の断面積を大きくする方法と、ノッチピッチ（ノッチ間距離）を小さくする方法とが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者のように歪発生部の断面積の増加によって固有振動数を高くすれば、歪発生部の剛性が大きくなることから、ロードセルの定格荷重が増大して感度が低下するという難点がある。
【０００５】
一方、後者のノッチピッチを小さくする方法では、後述するように感度を落とさないためには歪発生部を形成するノッチ部分の厚み（ノッチ厚）を薄くしなければならないことから、機械加工上の限界が生じたり、偏置負荷に対して歪発生部に作用するモーメントが大きくなることから、偏置誤差が増加するなどの問題がある。
【０００６】
つまり、ロードセルの質量をｍ、バネ定数をｋとすれば、ロードセルの固有振動数ｆは、次の関係式（１）で示される。
【０００７】
ｆ＝１／２π・√（ｋ／ｍ）                    …（１）
したがって、固有振動数ｆを増加させるためには、質量ｍが一定のときにはバネ定数ｋを大きくすればよい。
【０００８】
図１４に示すように、ロードセルに負荷される荷重をＦ、そのときの変位をｘとすれば、次の関係式（２）が成立する。
【０００９】
Ｆ＝ｋ・ｘ                                    …（２）
（２）式から、ｋを大きくするためには、一定荷重Ｆに対する変位ｘを減らせばよいことがわかる。
【００１０】
ここで、図１４に示すように、ロードセルのノッチピッチをＬ、変位ｘに対するたわみ角をθとすると、次の関係式（３）で近似できる。
【００１１】
ｘ＝Ｌ・ｓｉｎθ                              …（３）
したがって、ロードセルにおいて、変位ｘを減らすためには、▲１▼ノッチピッチＬを小さくするか、▲２▼たわみ角θを小さくすればよいことになる。
【００１２】
まず、ノッチピッチＬを小さくすることを考える。
【００１３】
２ビームタイプのロードセルを梁２本の組合せと考えると、歪発生部に発生する歪εは、次式（４）で近似できる。
【００１４】
ε＝Ｆ・Ｌ／４・Ｚ・Ｅ                        …（４）
なお、Ｚはノッチ部分の断面係数、Ｅはヤング率を示す。
【００１５】
歪発生部の縦断面、つまりノッチ断面が長方形のときには、断面係数Ｚは、
１／６（ｂ・ｔ２）で示されることから、式（４）は最終的に次式（５）となる。
【００１６】
ε＝３・Ｆ・Ｌ／２・ｂ・ｔ２・Ｅ                …（５）
なお、ｔはノッチ厚、ｂはノッチ幅（セル幅）を示す。
【００１７】
この関係式（５）からも明らかなようにノッチピッチＬを小さくすると、歪εが小さくなることがわかる。
【００１８】
ここで、ロードセルの固有振動数が高くても、ストレインゲージが検出する歪量が減少すると出力信号が小さくなり、ＳＮ比が低下して出力安定性が低下することから、一定荷重Ｆに対する歪εを減少させることはできない。
【００１９】
したがって、歪εを一定に保ったままノッチピッチＬを小さくするためには、上記式（５）からも明らかなように、ノッチ幅ｂを小さくするか、ノッチ厚ｔを小さくするかの二通りの方法がある。
【００２０】
その場合に、ノッチ幅ｂを小さくすると、上下方向のモードでは固有振動数が高くなるが、横方向のモードで低くなり、ロードセルの全体の振動特性の向上が見込めない。
【００２１】
また、ノッチ厚ｔを小さくするにしても、前述したように機械加工上の限界がある。
【００２２】
さらに、ノッチピッチＬを短くしすぎると、ロバーバル機構による偏置負荷に対するキャンセル機能が低下して、前述したように偏置誤差が増加することになるのである。
【００２３】
次に、たわみ角θを小さくすることを考える。
【００２４】
図１５に示すように、歪発生部に曲げモーメントが作用したときに歪量が０となる面を中立面ｃとして、この中立面ｃから上面Ａまでの距離をｈ、該中立面ｃから下面Ｂまでの距離をＨとすると、例えば上面Ａの歪εは、次の関係式（６）で示される。
【００２５】
ε∝ｈ・ｓｉｎθ                                …（６）
この関係式（６）からも明らかなように、ロードセルにおいて、歪εを小さくすることなくたわみ角θを小さくするためには、中立面ｃから上面Ａまでの距離ｈを大きくする必要がある。
【００２６】
この場合、ビーム部における歪発生部の断面形状が従来のように長方形の場合には、Ｈ≒ｈとなり、ｔ≒２ｈとなる。したがって、上記距離ｈを大きくすると、ノッチ厚ｔも増加することから、所定量の歪εを生じさせるために必要とする荷重が増大し、感度の低下を招くことになって好ましくない。
【００２７】
この発明は、両端の固定剛体部と可動剛体部との間に、肉厚が薄くされた２箇所の歪発生部を有する上下複数本のビーム部が架設された起歪体における上記歪発生部の表面に歪検出素子を設けるようにしたロードセルにおいて、固有振動数を高める場合における上記の問題に対処するもので、感度の低下を招くことなく固有振動数を高めるようにすることを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本願に係る発明は、両端の固定剛体部と可動剛体部との間に、肉厚が薄くされた２箇所の歪発生部を有する上下複数本のビーム部が架設された全体形状がほぼ直方体状の起歪体を用い、上記歪発生部の表面に歪検出素子を設けてなるロードセルにおいて、上記ビーム部の歪発生部における縦断面形状を、該歪発生部に作用する曲げモーメントに対して歪量が０となる中立面から上下面までの距離が不等となる形状とすると共に、該歪発生部の上下面のうち、中立面から離れた方の平坦な面に上記歪発生素子を設けたことを特徴とする。
【００２９】
【作用】
上記の構成によれば、起歪体を構成するビーム部の歪発生部における縦断面形状を、該歪発生部に作用する曲げモーメントに対して歪量が０となる中立面から上下面までの距離が不等となる形状としているので、中立面から離れた方の面が他方の面よりも相対的に歪が大きくなり、これによって一定荷重に対するたわみ角が小さくても所要の歪量が確保されることから、当該面に歪検出素子を設けることにより、所要の感度が確保されることになる。そして、一定荷重に対して所定の歪量を確保しながらたわみ角を小さくできることから、一定荷重に対する変位も小さくすることが可能となり、これによって起歪体ないしロードセルのバネ定数が増加することになって、ロードセル全体としての固有振動数も高められることになる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３１】
図１に示すように、ロードセル１の本体を構成する起歪体２は、左右両端の固定剛体部３及び可動剛体部４と、これら両剛体部３，４間に設けられた上下一対のビーム部５，６とにより全体形状が中空の直方体状とされていると共に、上記各ビーム部５，６の両端側の内面側にほぼ半円状のノッチ７…７がそれぞれ設けられて、これらのノッチ７…７により肉厚が薄くされた歪発生部５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂが形成されている。したがって、荷重の負荷により可動剛体部４が固定剛体部３に対して下方に変位したときには、上方のビーム部５における固定剛体部３側の歪発生部５ａと、下方のビーム部６における可動剛体部４側の歪発生部６ｂとに引張歪が発生し、また上方のビーム部５における可動剛体部４側の歪発生部５ｂと、下方のビーム部６における固定剛体部３側の歪発生部６ａとに圧縮歪が発生することになる。
【００３２】
この実施例においては、上方のビーム部５における各歪発生部５ａ，５ｂの縦断面形状が、図２に拡大して示すように、中央部が左右の側縁部に対して上方に突出する凸形形状とされており、それぞれの中央部の上面Ａにストレインゲージ８，８が設けられている。このように、歪発生部５ａ，５ｂの縦断面形状を凸形形状としたことから、上下方向に作用する曲げモーメントに対して歪量が０となる中立面ｃが、従来のように縦断面形状が長方形の場合よりも下側に移動することになり、上記中立面ｃから歪発生部５ａ，５ｂの上面Ａまでの距離ｈと、同じく中立面ｃから歪発生部５ａ，５ｂの下面Ｂまでの距離Ｈとの関係は、ｈ＞Ｈとなる。
【００３３】
したがって、図３に示すように、一定荷重に対するたわみ角θを小さくしても、中立面ｃから歪発生部５ａ，５ｂの上面Ａまでの距離ｈが大きいことから、十分な歪量が確保されることになり、該上面Ａに設けられたストレインゲージ８，８によって歪量が良好に検出されることになる。
【００３４】
また、下方のビーム部６の歪発生部６ａ，６ｂについても、その縦断面形状が、中央部が側縁部に対して下方に突出する凸形形状とされており、それぞれの中央部の下面にストレインゲージ８，８が設けられるようになっている。
【００３５】
このロードセル１が例えば電子秤で用いられる場合には、図１に示すように、起歪体２における固定剛体部３が、台座９に立設されたベース１０に固定されると共に、可動剛体部４にはブラケット１１を介して計量皿１２が取り付けられる。
【００３６】
したがって、計量皿１２に被計量物を載荷すると、その重量がブラケット１１を介して起歪体２の一端側の可動剛体部４に負荷され、これに伴って該可動剛体部４が他端側の固定剛体部３に対して下方に変位することになるので、上方のビーム部５においては、固定剛体部３側の歪発生部５ａの上面に引張歪が、また可動剛体部４側の歪発生部５ｂの上面に圧縮歪が発生する一方、下方のビーム部６においては、固定剛体部３側の歪発生部６ａの下面に圧縮歪が、また可動剛体部４側の歪発生部６ｂの下面に引張歪が発生することになる。そして、これらの歪に応じて各ストレインゲージ８…８の抵抗が変化することになるので、これら４つのストレインゲージ８…８がホイートストンブリッジ回路を構成するように結線すれば、該回路から上記荷重に応じた電圧が出力され、この出力電圧を換算することにより、上記被計量物の重量が求められることになる。
【００３７】
特に、起歪体２を構成する上下のビーム部５，６の歪発生部５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂにおける縦断面形状を、各歪発生部５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂに作用する曲げモーメントに対して歪量が０となる中立面ｃから上下面までの距離が異なる凸形形状とすると共に、これらの歪発生部５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂの上下面のうち、中立面ｃから離れた方の面にストレインゲージ８…８を設けたことにより、感度を低下させることなく固有振動数の高いロードセル１を得ることが可能となる。
【００３８】
次に、本実施例について行った実験結果について説明する。
【００３９】
長さ、高さ及び幅がそれぞれ９０ｍｍ、６０ｍｍ、１６ｍｍに設定された中空直方体状の起歪体について、ノッチピッチを１５ｍｍに、また歪発生部の周縁部の高さを０．７５ｍｍに、中央部の高さを０．６０ｍｍに設定すると共に、ロードセルの定格荷重を６．０Ｋｇｆに設定したものを供試材とした。そして、この供試材を図１に示すように電子秤に組み込んだ上で、図４に示すように、計量皿１２の中心に位置するＣ点に２．６Ｋｇｆの荷重を負荷したときの固有振動数を測定した。
【００４０】
また、比較例として、長さ、高さ及び幅がそれぞれ９０ｍｍ、６０ｍｍ、１６ｍｍに設定された同じく中空直方体状の起歪体について、ノッチピッチを１５ｍｍに、また縦断面形状が長方形の歪発生部の厚さを１．００ｍｍに設定すると共に、ロードセルの定格荷重を６．０Ｋｇｆに設定したものを供試材として、同様な実験を行った。
【００４１】
振動数の変化を見ると、比較例については、図５に示すように振動数のピークが５６Ｈｚの付近に生じるのに対して、実施例については、図６に示すように比較例よりも高い６７Ｈｚの付近に振動数のピークが生じることになって、固有振動数が高まっているのが確認された。
【００４２】
本発明は実施例に限定されるものではなく、ビーム部の歪発生部における縦断面形状を、例えば図７〜図１１に示すように、中立面ｃから上面Ａまでの距離が、同じく中立面ｃから下面Ｂまでの距離よりも大きくなるような形状としてもよい。要するに、歪発生部に作用する曲げモーメントに対して歪量が０となる中立面から上下面までの距離が不等となっていればよいのである。
【００４３】
また、歪発生部の部分が上下に非対称であればよいので、例えば図１２に示すように、左右の固定剛体部３３と可動剛体部３４との間に上下２本のビーム部３５，３６を架設した概略直方体状の起歪体３２において、上側のビーム部３５の上面における左右の側縁部分を凹陥させると共に、下側のビーム部３６の下面における左右の側縁部分を凹陥させるようにしてもよく、さらには図１３に示すように、左右の固定剛体部４３と可動剛体部４４との間に上下２本のビーム部４５，４６を架設した概略直方体状の起歪体４２において、上側のビーム部４５の上面における左右の側縁部分を、歪発生部を形成するノッチ４７，４７に対応位置して凹陥させ、また下側のビーム部４６の下面における左右の側縁部分を、同じく歪発生部を形成するノッチ４７，４７に対応位置して凹陥させようにしてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、全体形状がほぼ直方体状の起歪体を構成するビーム部の歪発生部における縦断面形状を、該歪発生部に作用する曲げモーメントに対して歪量が０となる中立面から上下面までの距離が不等となる形状とすると共に、該歪発生部の上下面のうち、中立面から離れた方の平坦な面に歪検出素子を設けたことにより、感度を低下させることなく固有振動数の高いロードセルを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロードセルの正面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】歪発生部に曲げモーメントが作用したときの状態を示す模式図である。
【図４】計量皿に対する荷重の作用点を示す平面図である。
【図５】比較例の振動数特性を示すグラフである。
【図６】実施例の振動数特性を示すグラフである。
【図７】ビーム部の歪発生部における縦断面形状の他の実施例を示す断面図である。
【図８】同じくビーム部の歪発生部における縦断面形状の他の実施例を示す断面図である。
【図９】同じくビーム部の歪発生部における縦断面形状の他の実施例を示す断面図である。
【図１０】同じくビーム部の歪発生部における縦断面形状の他の実施例を示す断面図である。
【図１１】同じくビーム部の歪発生部における縦断面形状の他の実施例を示す断面図である。
【図１２】起歪体の別の実施例を示す斜視図である。
【図１３】同じく起歪体の別の実施例を示す斜視図である。
【図１４】起歪体に荷重が作用したときの状態を示す模式図である。
【図１５】歪発生部に曲げモーメントが作用したときの状態を示す模式図である。
【符号の説明】
１      ロードセル
２      起歪体
３      固定剛体部
４      可動剛体部
５，６  ビーム部
５ａ    歪発生部
５ｂ    歪発生部
６ａ    歪発生部
６ｂ    歪発生部
８      ストレインゲージ
Ａ      上面
ｃ      中立面
【図１】
0003553664.tif 000002
【図２】
0003553664.tif 000003
【図３】
0003553664.tif 000004
【図４】
0003553664.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003553664.tif 000008
【図８】
0003553664.tif 000009
【図９】
0003553664.tif 000010
【図１０】
0003553664.tif 000011
【図１１】
0003553664.tif 000012
【図１２】
0003553664.tif 000013
【図１３】
0003553664.tif 000014
【図１４】
0003553664.tif 000015
【図１５】
0003553664.tif 000016