(57)【要約】【課題】大きな荷重を検出することができ、且つ厚みが薄くても高精度で荷重を検出することができるロードセルを提供する。【解決手段】本発明のロードセル１は、対向する基体８と支持体９との間に介装されるものであって、基体に取り付けられる中心孔を有する円板形状の基体接続部３と、支持体に取り付けられ、基体接続部の中心孔に挿通されており、且つ中心孔を有する円板形状の支持体接続部５と、対向する基体接続部の内周面３２、及び支持体接続部の外周面５２の間に各周面に沿って等間隔で設けられ、各周面間を連結する柱状に形成されている複数の連結体６と、複数選択される連結体６ａ〜６ｄの側壁面６３に設けられる歪みゲージ７と、を備えている。連結体の幅と高さとの比を１：２．３〜３．５とすることで計測荷重が大きくても、高精度で荷重を検出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定間隔を隔てて対向する基体と支持体との間に介装されるロードセルであって、
前記基体に取り付けられる中心孔を有する円板形状の基体接続部と、
前記支持体に取り付けられ、前記基体接続部の前記中心孔に挿通されており、且つ中心孔を有する円板形状の支持体接続部と、
対向する前記基体接続部の内周面、及び前記支持体接続部の外周面の間に前記各周面に沿って等間隔で設けられ、前記各周面間を連結する柱状に形成されている複数の連結体と、
複数選択される前記連結体の前記側壁面に設けられる歪みゲージと、を備え、
前記連結体は、前記支持体接続部の周方向の幅と、前記支持体接続部の厚さとの比が、１：２．３〜３．５であることを特徴とするロードセル。
【請求項２】
前記基体接続部及び前記支持体接続部における天面及び底面の一方は同一平面上に位置し、他方の各面は前記支持体接続部の該面が前記基体接続部の該面より突出した位置である請求項１記載のロードセル。
【請求項３】
前記他方の面は、前記支持体接続部の前記面が、前記基体接続部の前記面より１〜４ｍｍ突出した位置であることを請求項２記載のロードセル。
【請求項４】
前記支持体接続部の厚さが２５〜６０ｍｍであり、前記基体接続部の内周面及び前記支持体接続部の外周面間の距離が１１〜１５ｍｍである請求項１乃至３のいずれかに記載のロードセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸方向の荷重を測定するロードセルに関する。詳しくは、本発明は大きな荷重を検出することができ、且つ厚みが薄くても高精度で荷重を測定することができるロードセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、荷重を電気信号に変換して測定するロードセルは、様々な分野において被設置箇所の形態に応じて利用されている。例えば、ボールねじにより直線駆動されるプレス機や射出成型機等において圧力を測定して駆動制御するために利用される、円筒状又は環状のロードセル装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１には、荷重を受ける本体部が外円筒部、内円筒部、及び外円筒部と内円筒部とを接続する変位発生部からなり、歪検出部が外円筒部と内円筒部とに固定されているロードセル装置が記載されている。
また、特許文献２には、中心部に設けられ被測定物の荷重を受ける受感部と、該受感部より水平方向に放射状に延在する複数の起歪部と、該受感部に作用した荷重の大きさに応じて該起歪部に生じた歪を検出する歪ゲージと、を有し、起歪部の側壁に横方向に貫通する貫通孔を設けているロードセルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−６３２６６号公報
【特許文献２】特開平５−７９９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらロードセルは、起歪体となる部位に歪みゲージを設けて検出を行っている。歪みゲージは、歪みを検出するために一定の大きさの起歪体が必要となる。また、検出する荷重が大きい場合は、起歪体が破損しないように大きくする必要がある。しかし、大きな起歪体を配設する場所を確保する分だけロードセルの厚みも必要となる。例えば、特許文献１に示すロードセル装置は円筒形状であるため、全体の厚み（高さ）が一定以上必要である。また、特許文献２に示すロードセルは、起歪部の側壁に貫通孔が形成されているため、起歪部の厚みが貫通孔の径を足す分、大きくなる。このため起歪体の大きさや形状を工夫して、測定精度を維持しつつロードセルの厚みを薄くし、ロードセルの配設する場所を確保し易くすることができる手段が望まれていた。
【０００５】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、大きな荷重を扱うことができ、且つ厚みが薄くても高精度で荷重を検出することができるロードセルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１．所定間隔を隔てて対向する基体と支持体との間に介装されるロードセルであって、前記基体に取り付けられる中心孔を有する円板形状の基体接続部と、前記支持体に取り付けられ、前記基体接続部の前記中心孔に挿通されており、且つ中心孔を有する円板形状の支持体接続部と、対向する前記基体接続部の内周面、及び前記支持体接続部の外周面の間に前記各周面に沿って等間隔で設けられ、前記各周面間を連結する柱状に形成されている複数の連結体と、複数選択される前記連結体の前記側壁面に設けられる歪みゲージと、を備え、前記連結体は、前記支持体接続部の周方向の幅と、前記支持体接続部の厚さとの比が、１：２．３〜３．５であることを特徴とするロードセル。
２．前記基体接続部及び前記支持体接続部における天面及び底面の一方は同一平面上に位置し、他方の各面は前記支持体接続部の該面が前記基体接続部の該面より突出した位置である前記１．記載のロードセル。
３．前記他方の面は、前記支持体接続部の前記面が、前記基体接続部の前記面より１〜４ｍｍ突出した位置であることを前記２．記載のロードセル。
４．前記支持体接続部の厚さが２５〜６０ｍｍであり、前記基体接続部の内周面及び前記支持体接続部の外周面間の距離が１１〜１５ｍｍである前記１．乃至３．のいずれかに記載のロードセル。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のロードセルによれば、連結体の幅と高さとの比が、１：２．５〜３．５とすることにより、測定荷重が２００〜６００ｋＮのロードセルにおいて支持体接続部の厚さが６５ｍｍ以下であっても、±０．３％Ｆ．Ｓ．の測定精度を得ることができる。
基体接続部及び支持体接続部における天面及び底面の一方は同一平面上に位置し、他方の各面は支持体接続部の該面が基体接続部の該面より突出した位置とする場合は、連結体の高さを基体接続部の厚さに準じた大きさとすることができ、基体接続部よりも厚い支持体接続部の厚さによって制限されることがない。
前記他方の面は、前記支持体接続部の前記面が、前記基体接続部の前記面より１〜４ｍｍ突出した位置である場合は、支持体接続部の厚さが２５〜３５ｍｍであり、測定荷重が２５０〜３５０ｋＮのロードセルとすることができる。
前記支持体接続部の厚さが２５〜６０ｍｍであり、前記基体接続部の内周面及び前記支持体接続部の外周面間の距離が１１〜１５ｍｍである場合は、連結体の幅と高さとの比を１：２．５〜３．５として、測定精度が±０．３％Ｆ．Ｓ．であり、測定荷重が２５０〜３５０ｋＮのロードセルとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施例に掛かるロードセルの斜視図である。
【図２】本実施例に掛かるロードセルの平面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】図３における部分拡大図である。
【図５】図２におけるＢ断面図である。
【図６】図２におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図７】実施例に係るロードセルにおける模式的なブリッジ回路図である。
【図８】実施例に係るロードセルを基体と支持体との間に介装した状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を詳しく説明する。
本実施形態に係るロードセル（１）は、基体（８）に取り付けられる中心孔を有する円板形状の基体接続部（３）と、支持体（９）に取り付けられ、基体接続部（３）の中心孔に挿通されており、且つ中心孔を有する円板形状の支持体接続部（５）と、対向する基体接続部（３）の内周面（３２）、及び支持体接続部（５）の外周面（５２）の間に各周面（３２、５２）に沿って等間隔で設けられ、各周面（３２、５２）間を連結する柱状に形成されている複数の連結体（６）と、複数選択される連結体（６ａ〜６ｄ）の側壁面（６３）に設けられる歪みゲージ（７）と、を備える（例えば、図１〜６、図８を参照）。
【００１０】
本実施形態においては、基体接続部（３）及び支持体接続部（５）の中心軸方向（厚み方向）をＺ方向、中心軸とする垂直方向をＸ方向及びＹ方向とする（図１〜３を参照）。
また、上記基体（８）と上記支持体（９）とは相対的な構造体であって、外部から力（荷重）を受ける側を支持体（９）とする。
【００１１】
上記基体接続部（３）は基体（８）に、上記支持体接続部（５）は支持体（９）に、それぞれ取り付けられる。取り付け方法は問わず、例えば、相互間をボルトによって締結するための接続孔を、基体接続部（３）及び支持体接続部（５）に設けておくことができる。
基体接続部（３）、支持体接続部（５）及び連結体（６）の、それぞれの素材や形成方法、相互の接続方法等は特に問わない。各部の素材は、例えば、全て鋼材とすることができる。鋼材としては、一般構造圧延鋼材や溶接構造用圧延鋼材などの普通鋼、機械構造用炭素鋼や機械構造用合金鋼などの特殊鋼等が挙げられる。より具体的な例としてＳＮＣＭ４３９等のニッケルクロムモリブデン鋼、ＳＣＭ４４０等のクロムモリブデン鋼、ＳＵＳ６３０等の析出硬化系ステンレス等を挙げることができる。
基体接続部（３）、支持体接続部（５）及び連結体（６）は、鋼材を切削等することにより一体成形されていることが好ましい。
基体接続部（３）の外径は、測定荷重が２００〜６００ｋＮ（好ましくは３００〜５００ｋＮ）であり、材質が前記具体的に例示した鋼材の場合において、２１０〜４００ｍｍ（更に好ましくは２１５〜４００ｍｍ、２２０〜３９６ｍｍ）とすることができる。また、測定荷重が１０〜２００ｋＮであり、材質が前記具体的に例示した鋼材の場合において、１１０〜２７０ｍｍ（更に好ましくは１１５〜２６０ｍｍ、１２０〜２４０ｍｍ）とすることができる。更に、測定荷重が６００〜１０００ｋＮであり、材質が前記具体的に例示した鋼材の場合において、３１０〜５１０ｍｍ（更に好ましくは３３０〜５０５ｍｍ、３６０〜５００ｍｍ）とすることができる。外径を前記範囲とすることにより、ロードセルが歪むことなく高精度な測定精度を保つことができる。
【００１２】
支持体接続部（５）の厚さ（図４に示す厚さｈを参照。）は、２５〜６０ｍｍ（特に好ましくは２５〜５５ｍｍ、測定荷重が４００ｋＮ以下において好ましくは２５〜４５ｍｍ、更に好ましくは２５〜４０ｍｍ、特に好ましくは２５〜３５ｍｍ）が好ましい。２５ｍｍ未満は、測定荷重が６００ｋＮを越えると使用時に変形する恐れがあるためである。また、厚さが６５ｍｍを越えても本ロードセル１は十分な測定精度が得られるが、前記厚さの範囲とすることにより本ロードセルの連結体（６）が、十分な強度を備えつつ測定精度がより高精度になる。基体接続部（３）の内周面（３２）及び支持体接続部（５）の外周面（５２）間の距離（図４に示す距離ｓを参照）は１１〜５５ｍｍ（更に好ましくは、１１〜５２ｍｍ、測定荷重が４００ｋＮ以下において好ましくは１１〜１５ｍｍ）が好ましい。１１ｍｍ未満は歪みゲージ（７）の配設が困難であり、３５ｍｍ以上は使用時に連結体（６）が変形する恐れがあるためである。
基体接続部（３）及び支持体接続部（５）における天面（３５、５５）及び底面（３６、５６）の一方は同一平面上に位置することができる（図３、４においては天面３５、５５）。このとき、他方の各面は支持体接続部（５）の該面が基体接続部（３）の該面より所定の長さｄだけ突出した位置である（図３、４においては底面３６、５６を参照）。前記突出の長さｄは適宜設定されるが、例えば１〜４ｍｍ、特に好ましくは１．５〜３ｍｍとすることができる。このような範囲の突出量とすることにより、基体接続部（３）が支持体（９）に接触することなく、ロードセル１の全体の厚みを抑えて基体（８）及び支持体（９）間の距離を６０ｍｍ以下にすることができる。
【００１３】
連結体（６）は、外力により歪みが発する起歪体として機能し、ロードセル１の周に沿って等間隔で（すなわち等角で配分される位置に）配置される（例えば、図１、図２参照）。連結体（６）の形状は、空隙や貫通孔等を備えていない中実の柱状（棒状）であれば良く、例えば対向する２つの側壁面が円弧状に湾曲する四角柱を挙げることができる（例えば、図１、２及び５参照）。連結体（６）の形状は、前記側壁面が湾曲する四角柱に限られず、側壁面が平坦な四角柱であってもよい。また、中空の柱や貫通孔を備える柱等であってもよい。
連結体（６）の配設数は偶数個であり、例えば、１０〜２４個（好ましくは１４〜２２個、より好ましくは１６〜２０個）とすることができる。また、いくつか選択される連結体（６）の支持体接続部（５）の周方向に位置する両方の側壁面（６３）に歪みゲージ（７）が設けられる（図１、２及び５を参照。）。
歪みゲージ（７）を設ける連結体（６）は、ロードセル（１）の中心軸を通る中心線を対称軸として線対称となり、且つ各連結体（６）の間が前記中心軸の周りに等角となるよう連結体（６）が選択される。
【００１４】
連結体（６）は、支持体接続部（５）の周方向の幅（ｗ）と、支持体接続部（５）の厚さ（ｈ）との比が、１：２．３〜３．５（より好ましくは、１：２．４〜３．３、測定荷重が４００ｋＮ以下において好ましくは１：２．７〜３．３）であることが好ましい（図２及び図５に示す幅ｗ、図４に示す高さｈを参照。）。歪みゲージ（７）を設ける連結体（６）の幅（ｗ）は、前記比率より狭くすると測定精度がより高精度となる。しかし、支持体接続部（５）の厚さ（ｈ）が６０ｍｍ以下であり、測定荷重が２００〜６００ｋＮのロードセル１においては、鋼材で一体形成しても連結体（６）の強度が十分に得られない。また、連結体（６）の幅（ｗ）が前記比率より拡がると、測定精度が±０．３％Ｆ．Ｓ．を越えるため十分な精度が得られない。
【００１５】
尚、上記実施形態で記載した各構成の括弧内の符号は、後述する実施例に記載の具体的構成との対応関係を示すものである。
【実施例】
【００１６】
以下、図面を用いて実施例により本発明を具体的に説明する。
［１］ロードセルの構成
本実施例１に係るロードセル１は、図８に示すように基体８と支持体９との間に介装して用いられるものである。
実施例１に係るロードセル１は、図１〜図７に示すように、基体８に取り付けられる基体接続部３と、支持体９に取り付けられる支持体接続部５と、基体接続部３及び支持体接続部５を連結する柱状の起歪体である１８個の連結体６と、を備えている。尚、このロードセル１においては、特殊鋼（ＳＮＣＭ４３９）を切削することによって、基体接続部３、支持体接続部５及び連結体６が一体成形されている。また、このロードセル１の定格容量は３００ｋＮである。
【００１７】
基体接続部３は、外形が円板状（直径；約３００ｍｍ、厚み；約２８ｍｍ）である。基体接続部３には、Ｚ方向（厚み方向）に貫通する接続孔（図示せず）が形成されており、この接続孔を介して、ボルトによって基体８に締結固定される。
支持体接続部５は、外形が円板状（直径；約１８０ｍｍ、厚み；約３０ｍｍ）であり、中心孔５３を備える。支持体接続部５には、Ｚ方向に貫通する接続孔（図示せず）が形成されており、この接続孔を介して、ボルトによって支持体９に締結固定される。
基体接続部３及び支持体接続部５における各天面３５、５５は同一平面上に位置する。このとき、支持体接続部５の底面３６が基体接続部３の底面５６より２ｍｍ（長さｄ）突出した位置である。このような範囲の突出量ｄとすることにより、基体接続部３が支持体９に接触することなく、ロードセル１の全体の厚みを抑えることができる。
【００１８】
連結体６は、基体接続部３の内周側側面と支持体接続部５の外周側側面とを、連結している起歪体である。この連結体６は、図５に示すように側壁面６３が凹方向の円弧状に湾曲した柱状体であって、その幅ｗ（図２、５に示す基体接続部３、支持体接続部５の周方向、約８ｍｍ）と厚さｈ（図４に示すＺ方向の厚さ、約２６ｍｍ）の比が約１：３である。また、基体接続部３の内周側側面と支持体接続部５の外周側側面との間の距離ｓが約１５ｍｍである。そして、連結体６から選択された４個の連結体６ａ〜６ｄの各側壁面６３には、それぞれ、歪みゲージ７ａ〜７ｈが配設されており、各連結体６ａ〜６ｄの歪みゲージ７ａ〜７ｈによって、ブリッジ回路（図７参照）が形成されており、このブリッジ回路の検出信号が外部に出力される。
【００１９】
［２］実施例１の作用効果
本実施例１のロードセル１によれば、その厚みが最も厚い支持体接続部５の厚みであっても約３０ｍｍであり、基体８と支持体９との間が狭くても容易に介装することができる。また、図９に示すようにロードセル１を基体８と支持体９との間に介装し、０〜３００ｋＮの範囲において６０ｋＮ単位で印加荷重を変化させて、ブリッジ回路の検出信号の出力と印加荷重とを比較する測定を行ったところ、測定精度が全て±０．１％Ｆ．Ｓ．の範囲に収まった。一方、連結体６の幅ｗと高さｈの比が１：２．５〜３．５から外れる従来の同様の測定荷重のロードセルの測定精度は±１％Ｆ．Ｓ程度であり、本実施例のロードセル１はより高精度な荷重測定を行うことができた。また、基体接続部３の内周側側面と支持体接続部５の外周側側面との間の距離ｓが約１５ｍｍとすることにより、連結体６が容易に変形することがない。
【００２０】
［３］他の態様のロードセルの構成
実施例２に係るロードセル１’は、定格容量は５００ｋＮであり、基体８に取り付けられる基体接続部３と、支持体９に取り付けられる支持体接続部５と、基体接続部３及び支持体接続部５を連結する柱状の起歪体である８個の連結体６と、を備えている。尚、このロードセル１’においては、特殊鋼（ＳＮＣＭ４３９）を切削することによって、基体接続部３、支持体接続部５及び連結体６が一体成形されている。
基体接続部３は、外形が円板状（直径；約３１０ｍｍ、厚み；約６０ｍｍ）である。基体接続部３には、Ｚ方向（厚み方向）に貫通する接続孔（図示せず）が形成されており、この接続孔を介して、ボルトによって基体８に締結固定される。
支持体接続部５は、外形が円板状（直径；約１２０ｍｍ、厚み；約５５ｍｍ）であり、中心孔５３を備える。支持体接続部５には、Ｚ方向に貫通する接続孔（図示せず）が形成されており、この接続孔を介して、ボルトによって支持体９に締結固定される。尚、支持体接続部５の天面５５及び底面３６は基体接続部３内に収まっている。
【００２１】
連結体６は、実施例１と同様に側壁面６３が凹方向の円弧状に湾曲した柱状体であって、その幅ｗ（約２０ｍｍ）と厚さｈ（約４８ｍｍ）の比が約１：２．４である。また、基体接続部３の内周側側面と支持体接続部５の外周側側面との間の距離ｓが約５２ｍｍである。そして、連結体６から選択された４個の連結体６ａ〜６ｄの各側壁面６３には、それぞれ、歪みゲージ７ａ〜７ｈが配設されており、各連結体６ａ〜６ｄの歪みゲージ７ａ〜７ｈによって、ブリッジ回路（図７参照）が形成されており、このブリッジ回路の検出信号が外部に出力される。
【００２２】
［４］実施例２の作用効果
本実施例２のロードセル１’によれば、定格容量は５００ｋＮであっても厚みが約６０ｍｍであり、基体８と支持体９との間に容易に介装することができる。また、実施例１と同様に０〜５００ｋＮの範囲において１００ｋＮ単位で印加荷重を変化させて、ブリッジ回路の検出信号の出力と印加荷重とを比較する測定を行ったところ、測定精度が±０．２９％Ｆ．Ｓ．の範囲に収まり、厚みが約６０ｍｍであっても十分な測定精度が得られることが分かる。また、基体接続部３の内周側側面と支持体接続部５の外周側側面との間の距離ｓが約５２ｍｍとすることにより、連結体６が容易に変形することがない。
【００２３】
尚、本発明においては、上記実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、上記実施例では、定格容量が３００ｋＮであるロードセル１、及び定格容量が５００ｋＮであるロードセル１’を例示したが、この定格容量に限られない。
また、上記の各実施例では、厚み等の各寸法においても、ロードセルに求められる定格容量や測定精度に応じて、適宜変更することができる。
【００２４】
更に、上記の各実施例では、４つの連結体６ａ〜６ｄに歪みゲージ７ａ〜７ｈを設けたロードセル１を例示したが、これに限定されず、ロードセルに求められる定格容量や測定精度に応じて、連結体の設置数、配置、寸法及び形状を適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１；ロードセル、３；基体接続部、３２；内周面、５；支持体接続部、５２；外周面、５３；中心孔、６、６ａ〜６ｄ；連結体、６３；側壁面、７、７ａ〜７ｈ；歪みゲージ、８；基体、９；支持体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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