(57)【特許請求の範囲】
【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、前記穴の開口部に蓋体を接合して、閉塞された前記空洞部を設け、該蓋体の厚さｔは前記空洞部の内径Ｄに対して、ｔ＞０．０４Ｄとし、
前記薄肉部の外面に、前記円板状弾性体の芯軸と同軸にＶ字状環状溝を設け、該Ｖ字状環状溝の谷底は、該谷底の直径Ｌを前記空洞部の内径Ｄに対して０.６Ｄ＜Ｌ＜０.８Ｄの範囲で、かつ、前記空洞部に発生する内圧により、前記薄肉部に生じる半径方向応力が零になる位置に設定しており、
前記Ｖ字状環状溝に対向する前記空洞部に面する平面からな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構成としたことを特徴とする耐圧防爆型ロードセル。
【請求項２】
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に記載のロードセル。
【請求項３】
請求項１に記載の耐圧防爆型ロードセルの設計手法であって、
前記薄肉部と、該薄肉部の一端に連結された厚肉の荷重着力部と、該薄肉部の他端に連結された厚肉円環状支持部とからなる有限要素法で要素分割したモデルを設け、該モデルに圧力を負荷して応力解析を行い、前記薄肉部に生じる半径方向応力が零になる位置を求め、該位置を前記薄肉部の外面に形成するＶ形状環状溝の谷底としていることを特徴とする耐圧防爆型ロードセルの設計手法。
【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６０−１１１１２７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、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、前記穴の開口部に蓋体を接合して、閉塞された前記空洞部を設け、該蓋体の厚さｔは前記空洞部の内径Ｄに対して、ｔ＞０．０４Ｄとし、
前記薄肉部の外面に、前記円板状弾性体の芯軸と同軸にＶ字状環状溝を設け、該Ｖ字状環状溝の谷底は、該谷底の直径Ｌを前記空洞部の内径Ｄに対して０.６Ｄ＜Ｌ＜０.８Ｄの範囲で、かつ、前記空洞部に発生する内圧により、前記薄肉部に生じる半径方向応力が零になる位置に設定しており、
前記Ｖ字状環状溝に対向する前記空洞部に面する平面からな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構成としたことを特徴とする耐圧防爆型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。
前記薄肉部に形成するＶ字環状溝の形状は、前記薄肉部と、該薄肉部の一端に連結された厚肉の荷重着力部と、該薄肉部の他端に連結された厚肉円環状支持部とからなる有限要素法で要素分割したモデルを設け、該モデルに圧力を負荷して応力解析を行い、前記薄肉部に生じる半径方向応力が零になる位置を求め、該位置を前記薄肉部の外面に形成するＶ形状環状溝の谷底となるように設計している。
【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、前記したように、その谷底の直径Ｌが前記空洞部（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（外面）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（外面側）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（内面側）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、前記薄肉部の外面に形成されるＶ字状溝６は、前記空洞部４に面する平面からなる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の半径方向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＞θ２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）、（ＳＧ５、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、ＳＧ５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、ＳＧ７と外側の歪みゲージＳＧ２、ＳＧ４、ＳＧ６、ＳＧ８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θ１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
【図１】
0004157182.tif 000002
【図２】
0004157182.tif 000003
【図３】
0004157182.tif 000004
【図４】
0004157182.tif 000005
【図５】
0004157182.tif 000006
【図６】
0004157182.tif 000007
【図７】
0004157182.tif 000008
【図８】
0004157182.tif 000009
【図９】
0004157182.tif 000010
【図１０】
0004157182.tif 000011
【図１１】
0004157182.tif 000012
【図１２】
0004157182.tif 000013