JP2002195895A - ロードセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 荷重をデジタル荷重信号に変換するロードセ
ルにおいて、デジタル荷重信号変換手段の装備する部屋
を起歪体を囲む部屋と分離することでもって、計量精度
の安定を図る。 【解決手段】 歪みゲージ４が装着された起歪体１の周
囲に該起歪体を密閉包囲するための金属製容器２の外壁
に密着して金属箱７を設け、該金属箱の中に、歪みゲー
ジから出力されるアナログ荷重信号をデジタル荷重信号
に変換するデジタル荷重信号変換手段を装備するもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負荷荷重の大きさ
によって歪みを生ずる起歪体に装着され、該歪み量を感
じる歪量センサと、その歪み量センサの出力信号をデジ
タル荷重信号に変換し出力するデジタル荷重信号変換基
板とを外界環境から保護するために密閉金属体内に収納
した構造のロードセルに関する。

【０００２】

【従来の技術】歪み量センサの一種である歪みゲージを
起歪体に装着して、負荷荷重による起歪体の伸縮量を歪
みゲージの抵抗値変化による電気信号に変換して負荷荷
重の大きさに比例するアナログ荷重信号を発生するロー
ドセルの、アナログ荷重信号をコンピュータ制御を中心
とする各種の生産プロセスにとって有用な使い易い形で
あるデジタル荷重信号へ変換することはこの数十年来産
業界では必須要件となっている。そのためにアナログ荷
重信号を出力するロードセルと各種生産プロセスとの間
にデジタル荷重信号変換装置を置く技術は古くから存在
する。また、歪み量を負荷荷重の大きさに比例した電気
信号に変換するとき、歪みゲージや起歪体が周囲の温度
変化によって荷重負荷量の変化に関係のないところで荷
重信号に変化与えることがあれば荷重信号に誤差を発生
するが、このような誤差を補償するするために歪みゲー
ジの近傍に温度センサを設け、温度センサからの信号を
利用して誤差補償演算を行わせることも指示計等のデジ
タル荷重信号変換装置において従来より実施されてい
る。デジタル荷重信号変換装置とはロードセルから出力
されるアナログ荷重信号を増幅、Ａ／Ｄ変換、各種演算
処理を行うもので、前述のような誤差補正も行いながら
正確なデジタル荷重信号を各種プロセス制御装置やコン
ピューターに供給するものである。

【０００３】ところで前述のデジタル荷重信号変換装置
の収納場所に関して、従来例を見ると、指示計内に置く
のではなく、起歪体そのものや起歪体の表面に装着され
る歪みゲージを保護するため起歪体の周囲を金属製保護
容器で囲み密閉している構造のロードセルにおいては、
起歪体と金属製保護容器の間にある空間を利用して、こ
の空間に小さくまとめたデジタル荷重信号変換基板を収
納し、温度等の変化に対する誤差を補正しながらデジタ
ル荷重信号を出力するようにしたロードセルが特開平１
−２５００２８に提案されている。また、上記の提案と
は別の形状、構造のロードセルにおいて、デジタル荷重
変換基板あるいは装置を配置する場所を特徴とする提案
が特開平４−１９４７１０、特開昭６３−５２０２６に
よりなされている。このようにデジタル荷重変換基板を
ロードセル本体に一体的に配置したロードセルはデジタ
ルロードセルと呼ばれている。

【０００４】図６は既に提案されているデジタルロード
セルの構造を示す。この図において起歪体３０及びゲー
ジなどの荷重変換手段３１とこの荷重変換手段３１から
出力されるアナログ荷重信号をデジタル荷重信号に変換
するデジタル荷重信号変換手段３２を起歪体および荷重
変換手段を密閉包囲する密閉包囲手段３３の内部空間を
利用してそこに装備し、前記密閉包囲手段から防水コネ
クタ３４を通してデジタル荷重信号が外部へ出力される
構造になっている。こうすることによってロードセルは
従来のアナログ信号出力式ロードセルと外観上の構造的
差異がなく、外部機器とのインターフェイスの点で優れ
たデジタル荷重信号を出力するロードセルを実現してい
る。

【０００５】しかし、ロードセルの型式にもよるが、従
来例のようにデジタル荷重信号変換手段をロードセル起
歪体の密閉包囲手段内に一体的に配置する方法について
は、出力荷重信号の安定性やデジタル荷重信号変換手段
の保守の面で課題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】例えば、図６のロード
セルのように密閉された空間の中に起歪体と歪ゲージと
デジタル荷重信号変換手段とを一緒に封入すると、次の
ような問題がある。つまり、デジタル荷重信号変換手段
には歪ゲージに供給する電源と演算増幅器に供給する電
源およびデジタル回路に供給するために通常複数の種類
の電源が必要であるが、外部から一種類の電源を供給し
た場合はＤＣ−ＤＣコンバータや抵抗による分圧回路な
どが必要になり、また演算回路には高速ＣＰＵの搭載も
必要であるので、各種の回路部品からかなりの発熱があ
る。

【０００７】歪みゲージはブリッジ回路に接続された微
少な抵抗変化を電気信号に変換するようにしているの
で、もしブリッジの辺を構成する歪ゲージの何れかが温
度変化によって抵抗値に微少な変化を生ずると直ちに大
きい出力信号変化となって現れる。勿論、歪みゲージや
起歪体の温度変化による出力信号の変化を補償するため
に従来より歪みゲージや起歪体の近くに温度センサを設
け、温度センサの出力によってアナログ的あるいはデジ
タル的に補償を行っているが、こうした補償が有効にな
るのは全ての歪みゲージや起歪体と温度センサーが周囲
温度に対して同一の安定した値となった時に限られる。

【０００８】ところが前述のような回路を持つデジタル
荷重信号変換手段を狭い密閉された部屋に歪みゲージや
起歪体、温度センサと密着同室させると、それらの部品
への熱の放射、や室内の封入気体の対流によって、特に
電源をオンしてから全ての部品が同一の温度にウォーミ
ングアップされる間の長い時間、デジタル荷重信号変換
手段の発熱によって該密閉空間および各部品に大きい温
度傾斜が現れ、歪みゲージや起歪体の熱平衡が崩れ、し
かも温度センサ自身の感じる温度が補償対象部品の温度
とは異なってしまう。各部品の温度一定、安定の状態を
想定した温度補償演算体系が崩れていれば、長時間に亘
って、荷重信号に大きい誤差と温度ドリフトを与えるこ
とになる。

【０００９】また、特開昭６３−５２０２６において、
複数のストレインゲージ（歪みゲージ）をロバーバル機
構に形成し、Ａ／Ｄ変換部を収納した金属製のシールド
ケースをロバーバル機構の中央の空間内部に装着する方
法が提案されているが、このように構成したロードセル
を防水を目的として密閉包囲手段の中に収めようとすれ
ば、金属製ケースの発熱による密閉包囲手段内への放熱
によって、前述したように温度補償の問題が極めてむず
かしい。

【００１０】また多くの電子部品を配置したデジタル荷
重信号変換装置のプリント基板においては必然的に故障
率が高くなるが、もし基板部品がこわれたときは、従来
例では密閉の部屋が溶接構造であるため基板あるいは電
子部品交換に大きい労力や特別な機具を要するので、保
守作業において基板の交換は極めて困難である。また、
起歪体や変換手段を金属容器で密閉しているロードセル
の多くは、変換手段からの荷重信号等を取り出すため、
及び変換手段に電力を供給するために外部機器と導線で
接続する必要がある。特開平１−２５００２８のように
直接外部からの導線を金属容器へ導入する例もあるが、
導入する配線とロードセル容器内の変換手段との接続を
容易にするため実開昭５９−１２００１に提案されてい
るように導線中継手段のみを設け、導線中継手段を装
着、保護するために金属端子箱がロードセル容器の外壁
に溶接構造または一体構造などによって設けられた例は
見られる。しかし、本例では荷重信号のデジタル化によ
る外部機器とのインターフェイス性の改善という大きな
課題が残されている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】従ってこのような課題を
解決するために、請求項１に記載の発明は、歪みゲージ
が装着された起歪体の周囲にその起歪体を密閉包囲する
ための金属製容器が配置され、その金属製容器の外壁に
密着して前記金属製容器とは分離された部屋をなす金属
箱が付属された構造のロードセルにおいて、金属箱の中
に上記起歪体に装着された上記歪みゲージから出力され
るアナログ荷重信号をデジタル荷重信号に変換するデジ
タル荷重信号変換手段を装備したことを特徴としてい
る。

【００１２】請求項２に記載の発明は、歪みゲージが装
着された起歪部と一体構造で作られており、上記歪みゲ
ージを密閉包囲するように構成された密閉包囲手段を設
け、上記起歪部に対する負荷荷重を支持する外壁をその
起歪部の外周に有し、上記外壁に密着して上記密閉包囲
手段とは分離された部屋をなす金属箱が付属された構造
のロードセルにおいて、金属箱の中に上記の起歪体に装
着された歪みゲージから出力されるアナログ荷重信号を
デジタル荷重信号に変換するデジタル荷重信号変換手段
を備えたことを特徴としている。

【００１３】更に請求項３に記載の発明は、歪みゲージ
が装着されたロバーバル構造の起歪体であって、上記の
起歪体を密閉包囲するように構成された外壁を上記の起
歪体の外周に有し、上記外壁に密着して上記密閉包囲手
段とは分離された部屋をなす金属箱が付属し、その金属
箱の中に上記の起歪体に装着された歪みゲージから出力
されるアナログ荷重信号をデジタル荷重信号に変換する
デジタル荷重信号変換手段を備えたことを特徴としてい
る。

【００１４】また請求項４に記載の発明は、請求項１か
ら請求項３に記載した金属箱の内部に収納される前述し
たデジタル荷重信号変換手段を搭載した基板が導線中継
手段を備えていることを特徴としたロードセルである。

【００１５】そして請求項５に記載の発明は、請求項１
から請求項３に記載の金属箱の構造の発明で、蓋をねじ
止め構造としたことが特徴である。

【００１６】

【発明の作用と効果】本発明によると、歪みゲージが装
着された起歪体の周囲にその起歪体を密封保護するよう
に構成した外壁をその起歪体の外周に設けた構造にて、
その外壁に密着して金属箱が付属したロードセルまた
は、その外壁に金属箱を設けたロードセルにおいてその
金属箱の中に、起歪体に装着された歪ゲージから出力さ
れるアナログ信号をデジタル信号に変換するデジタル荷
重信号変換手段を内蔵するようにしたので、デジタル荷
重信号変換手段を装備したプリント基板からの発熱があ
っても、その熱は金属箱外壁やロードセルの金属容器外
壁へ伝熱拡散して冷却され、歪みゲージや温度補償ゲー
ジなどに伝わりにくい。前述したように一般に金属箱は
ロードセル金属容器の外壁に溶接構造か又は一体構造に
なっており、上記した基板からの発熱も金属容器の外壁
を伝わって速やかにロードセルの外部空間へ放熱させる
ことができる。従ってデジタル荷重信号変換基板の発熱
によって従来のロードセルように、起歪体及び起歪体に
装着した歪みゲージの近傍にデジタル荷重信号変換手段
を密閉包囲し、同室させることによる密閉空間内の部品
間に大きな温度傾斜を与えることがなくなり、安定した
温度条件が得られるという効果がある。部品に温度傾斜
があるとたとえデジタル荷重信号変換手段の演算回路を
利用して、デジタル的に温度補償を行うとしてもセンサ
ーと対象部品の温度が異っていたり、温度の時間当りの
変化率が大きくなり正しく補償することができなくなる
が、発熱体を起歪部や荷重変換手段の部屋から隔離する
ことで前記の効果を達成できる。

【００１７】また、金属箱の内部に収納されるデジタル
荷重信号変換手段を搭載した基板が導線中継手段を兼ね
備えていることでデジタル荷重信号変換基板は従来の中
継基板と同様に変換手段と外部機器との間に挿入され、
信号を中継及び変換する基板となり従来のように独立し
た中継基板が不用となってコンパクトにまとめることが
できる効果がある。

【００１８】更に金属箱の構造として、金属箱の蓋を防
水性を有するねじ止め構造としたことにより、デジタル
荷重信号変換基板等が故障したときでも金属箱の蓋を外
して容易に点検及び交換することができる。また金属箱
はデジタル荷重信号変換基板のために特別に設けずとも
従来の中継基板用の金属端子箱を利用して金属箱とする
こともできる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に図面に示す実施の形態につい
て説明する。図１は本発明のロードセルの金属容器内部
を側面から見た場合の断面図である。１は起歪体、２は
金属容器、３は歪みゲージ荷重変換手段、４は歪みゲー
ジ周辺の温度を検出する温度センサ、５はリード線、６
は樹脂によるブッシュ、７は金属箱、８はデジタル荷重
信号変換用基板、９はデジタル荷重信号変換手段、１０
は蓋、１１はパッキング、１２はネジ、１３は防水コネ
クタであってケーブル取り出し金具である、１４はケー
ブルである。図２は本発明の図１のＸ−Ｘ’矢視図の断
面図である、図２Ｂは図１のＸ−Ｘ’矢視図の断面図に
おける蓋部についての他の実施例である。図３,と図４
は本発明の起歪体１５の構造が異なるそれぞれのロード
セルの実施例であり、図３は曲げ応力を検出するタイプ
のロードセル、図４は剪断応力を検出するタイプのロー
ドセルである。１５は図３と図４における起歪体を示
す、１６は荷重負荷部、１７は起歪体１５の外周に起歪
体、と一体で設けられたロードセル支持接置面からの反
力を受ける荷重支持外壁、１８は図３及び図４における
歪みゲージ荷重変換手段、１９は図４におけるロードセ
ルに剪断応力を発生させるための穴であり上面には歪み
ゲージを保護するための金属キャップ２０が溶接されて
いる。

【００２０】図５は一般にロバーバルタイプのロードセ
ルと言われているもので、２１は起歪体であり、その起
歪体にはそれぞれ歪みゲージ２３が装着されている１６
Ｃは荷重負荷部、２２は金属ベローズであり図５におけ
る金属容器２Ｃと共に２１のロバーバル及び歪みゲージ
２３を外部環境より保護する構造となっている。

【００２１】図６は従来の技術を示す図である。本図に
おいて３０は起歪体、３１は歪みゲージなどの荷重変換
手段、３２はデジタル荷重信号変換手段３３は上記起歪
体３０及び荷重変換手段３２を密閉包囲する密閉包囲手
段、３４は防水コネクタである。

【００２２】図１より説明すると、図１に示すタイプの
ロードセルは一般に柱型ロードセルと呼ばれているもの
で、起歪体１には圧縮荷重が負荷され起歪体が圧縮歪み
を生じるようになっている。図１に示すように起歪体の
ほぼ中央に装着された歪みゲージ３は通常４個の歪みゲ
ージから成りブリッジ回路（図示しない）を形成してい
る、そして更に周辺の温度を検出する温度センサー等が
装着されている。今起歪体に圧縮荷重が加わると、その
荷重に応じて起歪体が圧縮歪みを生じ、起歪体のほぼ中
央に装着された４個の歪みゲージにそれぞれ僅かな変形
が生じてブリッジ回路の初期の平衡条件がくずれ、ブリ
ッジ回路に印加している電圧に基づく出力電圧が生じ
る。この出力を増幅しＡ／Ｄ変換を行ってデジタル荷重
信号としている。

【００２３】これら起歪体及び歪みゲージを外部環境か
ら保護する手段として設けられたロードセルの金属容器
２の外壁には溶接又は一体構造などの方法で金属箱７が
設けられている、金属箱７の箱内には、歪みゲージから
の出力電圧を増幅するアンプ（図示せず）やＡ／Ｄ変換
器（図示せず）や演算回路及び導線中継手段を備えたデ
ジタル荷重信号変換手段を設けている。この金属箱内か
らのケーブル引き出しは図２Ａ,Ｂに示す如く外部機器
からの電源、信号用の導線を防水コネクタ１３を通して
中継基板を兼ね備えたデジタル荷重信号変換基板８へは
んだなどで接続する構造が採られている、また金属端子
箱内面の入出力口は樹脂等で固める方法としている。ロ
ードセル内部の変換手段からのリード線５はロードセル
外壁に小さく明けられた穴を通して、デジタル荷重信号
変換基板８の中継手段に接続されている、尚小さく明け
た穴はリード線と共に樹脂によるブッシュ６にて固める
方法とすることでもって両部屋間の気体の流通を防止さ
せている。また本発明による金属箱の蓋１０は図２Ａに
示す如く、例えばゴムパッキング１１を挟んでネジ１２
により固定する構造としている、そして図２Ｂに示す如
く、蓋１０ａ金属箱にネジ１２ａにより蓋の外面に設け
た穴１０ｂ使用してネジ込む構造としている。

【００２４】図３は薄型化された膜型ロードセルの例で
ある。今、垂直荷重が１６ａに負荷されると起歪体１５
が下方に僅かに下がる如く変形し起歪体１５ａの下面に
装着された歪みゲージ１８ａが歪を生じる。又図４にお
いても垂直荷重が１６ｂに負荷されると起歪体を形成し
ている１５ｂに剪断する如く剪断歪を生じさせ、剪断方
向の歪みを検出するように装着された歪みゲージ１８ｂ
に歪みが発生する。これらのロードセルも図１と同様に
歪みゲージが装着された起歪部と一体構造で作られた金
属容器及び金属箱で構成され、起歪部に装着された歪み
ゲージや金属箱内のデジタル荷重信号変換手段を設けて
おり、また金属箱内からのケーブルの引き出しにおいて
も図１と同様にして外部環境から完全に密閉包囲された
構造になっている。図３及び図４に示す実施例において
も、これら金属箱の蓋は図２のＡ及びＢに示す構造とす
ることができる。

【００２５】図５はロバーバル構造の起歪体を外部環境
から保護するために金属容器に収納したものである。ロ
バーバルタイプの起歪体２１は一端が固定部２１ａに固
定用ボルト２１ｂにて固着されており、他端２１Ｃは荷
重を受ける作用点をなしている。起歪部は４個所の薄肉
部２１ｄより成り、この４個所が幾何学的に平行四辺形
を形成し、この起歪部には歪みゲージ２３がそれぞれ装
着されている。今、外部より垂直荷重が１６Ｃに負荷さ
れると、起歪体２１の他端２１Ｃ側が垂直方向に下り、
歪みゲージが装着されている起歪部に歪みが起きること
により歪みゲージにも僅かな変形が生じて、前述したよ
うにブリッジ回路の平衡条件がくずれ、ブリッジ回路に
印加している電圧に基づく、荷重の大きさに比例した出
力電圧が生じる。図５における金属容器２Ｃの外壁には
溶接又は一体構造などの方法で金属箱７Ｃが設けられて
おり、金属箱の中には、歪みゲージからの出力電圧を増
幅するアンプ（図示せず）やＡ／Ｄ変換器（図示せず）
等のデジタル荷重信号変換手段及び導線中継手段を備え
ている。その他金属箱内からのケーブルの引き出し方法
及び蓋の構造についても図２のＡ及びＢに示す構造とす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のロードセルの金属容器内部を側面から
見た場合の断面図である。

【図２】Ａは本発明の図１の上面より見た中央付近の断
面図であって蓋部についての実施例を示す図である。Ｂ
は同蓋部についての他の実施例を示す断面図である。

【図３】起歪体に曲げ応力を発生させるタイプのロード
セルであって本発明における実施例を示す断面図であ
る。

【図４】起歪体に剪断応力を発生させるタイプのロード
セルであって本発明における実施例を示す断面図であ
る。

【図５】起歪体が平行四辺形を形成しているロバーバル
タイプのロードセルであって本発明における実施例を示
す断面図である。

【図６】従来のロードセルの断面図である。

【付号の説明】

１ 起歪体 ２ 金属容器 ３ 歪みゲージ ４ 温度センサ ５ リード線 ６ 樹脂によるブッシュ ７ 金属箱 ８ デジタル荷重信号変換用基板 ９ デジタル荷重信号変換手段 １０ 蓋 １１ パッキング １２ ネジ １３ 防水コネクタ １４ ケーブル １５ 図３及び図４における起歪体 １６ 荷重負荷部 １７ 荷重支持外壁 １８ 図３及び図４における歪みゲージ １９ 穴 ２０ 金属キャップ ２１ 図５における起歪体 ２２ 金属ベローズ ２３ 図５における歪みゲージ ３０ 図６における起歪体 ３１ 図６における歪みゲージなど荷重変換手段 ３２ 図６におけるデジタル荷重信号変換手段 ３３ 密閉包囲手段 ３４ 防水コネクタ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 歪みゲージが装着された起歪体の周囲に
   該起歪体を密閉包囲するための金属製容器が配置され、
   該金属製容器の外壁に密着して上記金属製容器とは分離
   された部屋をなす金属箱が付属された構造のロードセル
   において、上記金属箱の中に上記起歪体に装着された上
   記歪みゲージから出力されるアナログ荷重信号をデジタ
   ル荷重信号に変換するデジタル荷重信号変換手段を装備
   することを特徴とするロードセル。
2. 【請求項２】 歪みゲージが装着された起歪部と一体構
   造であって、上記歪みゲージを密閉包囲するように構成
   され、上記起歪部に対する負荷荷重を支持する外壁を上
   記起歪部の外周に有し、上記外壁に密着して上記金属製
   容器とは分離された部屋をなす金属箱が付属された構造
   のロードセルにおいて、上記金属箱の中に、上記起歪部
   に装着された上記歪みゲージから出力されるアナログ荷
   重信号をデジタル荷重信号に変換するデジタル荷重信号
   変換手段を装備することを特徴とするロードセル。
3. 【請求項３】 歪みゲージが装着されたロバーバル構造
   の起歪体であって、上記起歪体を密閉包囲するように構
   成された外壁を上記起歪体の外周に有し、上記外壁に密
   着して上記金属製容器とは分離された部屋をなす金属箱
   を付属し、上記金属箱の中に、上記起歪体に装着された
   上記歪みゲージから出力されるアナログ荷重信号をデジ
   タル荷重信号に変換するデジタル荷重信号変換手段を装
   備することを特徴とするロードセル。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３に記載の金属箱の
   内部に収納される前記デジタル荷重信号変換手段を搭載
   した基板が導線中継手段を備えていることを特徴とする
   ロードセル。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項３に記載の金属箱の
   蓋がねじ止め構造であることを特徴とするロードセル。