JP2007315923A - センタホール型荷重変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏荷重に対する感度差をなくすと共に非直線性を良好にキャンセルし高精度で、荷重測定を行え、被測定対象物との当接が安定し、機械加工が容易で小型化を図り得る荷重変換器を提供する。
【解決手段】 起歪体２は、上部に荷重導入部３を、下部に荷重支持部４を、中間部に３本の起歪柱５を有する。各起歪柱５の内周面と外周面には、荷重印加方向に沿って、各３枚の第１のひずみゲージが添着され、各起歪柱５の側面部には、荷重印加方向に直交する方向に沿って、各２枚の第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８が添着されている。これら、第１のひずみゲージと第２のひずみゲージとをもって、ブリッジ回路が形成される。荷重導入部３の上面および荷重支持部４の底面には、３つの凸面３ａおよび４ａが設けられている。荷重導入部３に偏荷重が印加されても、上記ブリッジ回路によって感度差をなくすと共に非直線性がキャンセルされ、非直線性が良好に改善される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷重変換器に関し、より詳しくは、中心部に貫通孔が穿設され、印加荷重に対応した電気信号を得るセンタホール型荷重変換器に関するものである。

この種の荷重変換器（ロードセルとも称される）は、円筒状の起歪部を有するものと、円板状の起歪部を有するものとに二分される。
このうち、円筒状の起歪部を有するものは、図２１に示すように、縦断面が略Ｉ字状に形成された円筒状の荷重印加部１０１を有し、この荷重印加部１０１の中央に円筒状の起歪部１０２が形成され、この起歪部１０２の外周面の略中央に圧縮ひずみ（または引っ張りひずみ。以下同じ）検出用のひずみゲージ１０３が接着されている。
このような、荷重変換器の外周部の上下部には、環状のフランジ部１０４、１０５が延設され、その先端にはシール板１０６が取付けられている。
このような構成よりなる荷重変換器は、使用に際して不動部材１０７上に荷重印加部１０１とは反対側の底面が載置固定され、荷重印加部１０１の上面側が図示省略の被測定対象物に当接または固定される。
被測定対象物から荷重印加部１０１の上面に荷重が印加されると、起歪部１０２の荷重印加方向には圧縮ひずみが、荷重印加方向とは直行する方向には引張ひずみが生じる。このときの圧縮ひずみおよび引張ひずみは、それぞれひずみゲージ１０３によって検出される。

このように構成された円筒状の荷重変換器（形態的に、センタホール型荷重変換器とも称される）は、印加荷重の当り面の状態によって検出出力が大きく変動する、という欠点があるほか、荷重印加部１０１に偏荷重が印加された場合、ブリッジ回路から得られる出力に大きな非直線性が表われ、測定値の信頼性が阻害されている状況にある。
このような非直線性の改善を目的としたロードセルおよびロードセル秤が、特許文献（特開平９−３３３６６号公報）にて提案されている。
即ち、特許文献１には、上下に対向する１対のビームにより連結された固定支持部と可動支持部とを有し、且つ、前記ビームの上下に対称となる４箇所に薄肉切欠部により形成された起歪部を有する１対の第１の起歪体および第２の起歪体を備え、この第１の起歪体の可動支持部に前記第２の起歪体の固定支持部を水平面内で連結して略Ｕ字状としたロードセル構造体と、
前記第１の起歪体の固定支持部が本体ベースに固定され、前記第２の起歪体の可動支持部に秤量皿が連結された前記ロードセル構造体の上面または下面の何れか一方の一面の４箇所の起歪部に配置させたひずみゲージと、
これらのひずみゲージを電気的に接続して４箇所の各起歪部に配置させたひずみゲージのひずみ出力の総和を出力するブリッジ演算回路と、を備え、さらに前記ひずみゲージが、４箇所の起歪部毎に起歪体幅方向に１対ずつ配置され、ブリッジ演算回路が、第１の起歪体の２箇所の起歪部における２対のひずみゲージにより形成された第１のブリッジ回路と、第２の起歪体の２箇所の起歪部における２対のひずみゲージにより形成された第２のブリッジ回路とを有して、これらの第１のブリッジ回路の出力と第２のブリッジ回路の出力との加算値をひずみ出力の総和として出力するように構成したロードセル秤が提案されている。

また、ロードセルから出力される非直線性荷重信号を補償して直線性荷重信号を出力させるロードセルの直線化補償方法および直線化補償機能付ロードセルが特許文献２（特開平９−３１１０８３号公報）にて提案されている。
即ち、特許文献２には、起歪体に設けられているひずみゲージで構成されたブリッジ回路と、このブリッジ回路の出力端から出力される上記起歪体に印加された荷重と対応する非直線性の荷重信号の出力範囲が複数の出力範囲に分割されており、これら複数の各出力範囲ごとに対応して設けられ、対応する上記出力範囲内の上記荷重信号が入力したときにこの非直線性の荷重信号を直線化補償して補償済み直線性荷重信号を出力する複数の補償演算回路と、を具備する直線化補償機能付きロードセルが記載されている。

特開平９−３３３６６号公報 特開平９−３１１０８３号公報

しかしながら、特許文献１のロードセルは、疑似ロバーバル機構を有して対をなす第１、第２起歪体を用い、この第１の起歪体の可動支持部に第２の起歪体の固定支持部を水平面内で連結して略Ｕ字状としたロードセル構造体であるため、第１、第２の起歪体の長手方向における偏荷重によるモーメントに起因する悪影響を相殺可能としているが、第１、第２の起歪体と直交する方向の偏荷重に対しては充分な直線化の補償は困難である。
また、上記Ｕ字状のロードセル構造であるため、加工が厄介であり、また被測定対象物への取付けが厄介であり、さらには二つの第１、第２の起歪体を連接するため、小型化が容易ではない、という難点がある。
一方、特許文献２に係るロードセルは、ロードセル自体の改良ではなく、複数の補償演算回路を用いるものであるため、回路構成が複雑化し、コストを引き上げる要因となる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その第１の目的とするところは、印加荷重の変化に対するひずみ検出出力の関係が直線的となり、特に、偏荷重に対する感度差をなくすと共に非直線性を良好にキャンセルし高精度で荷重測定を行い得るセンタホール型荷重変換器を提供することにあり、
第２の目的とするところは、被測定対象物と荷重導入部との当接が良好で安定的に荷重を検出し得るセンタホール型荷重変換器を提供することにあり、
第３の目的とするところは、機械加工が比較的容易で小型化を実現し得るセンタホール型荷重変換器を提供することにあり、
第４の目的とするところは、非直線性の改善に最適なひずみゲージの添着位置を容易且つ確実に決定し得るセンタホール型荷重変換器を提供することにあり、
第５の目的とするところは、防湿対策が容易で、ひずみゲージの吸湿による劣化を適切に防止し得るセンタホール型荷重変換器を提供することにある。

請求項１に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第３の目的を達成するために、中心部に貫通孔が穿設されたセンタホール型荷重変換器において、印加荷重をうける３つの凸面を有する剛性大なる荷重導入部と、
前記荷重導入部に対し、一定の間隔を離して対向して設けられ、前記３つの凸面に対応した部位の座面側に３つの凸面を有する剛性大なる荷重支持部と、
前記荷重導入部および前記荷重支持部の前記３つの凸面に対応する角度部位において前記荷重導入部と前記荷重支持部とを一体的に連接する３本の起歪柱と、
前記３本の起歪柱の円周部に荷重印加方向に沿って添着された第１のひずみゲージと、
前記３本の起歪柱の側面部に荷重印加方向に対し垂直方向に沿って添着された第２のひずみゲージと
を具備し、
複数の前記第１のひずみゲージと、複数の前記第２のひずみゲージとを互いに隣接する辺に接続してなるホイートストンブリッジ回路より直線化補償された印加荷重信号を得るように構成したことを特徴としている。

請求項２に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第３の目的を達成するために、円筒状の起歪体の軸方向中間部に等角度間隔でその外周面から内周面に達する３つの孔を穿設することにより、該孔と孔との間に残された軸方向中間部分をもって前記３本の起歪柱となしたことを特徴としている。
請求項３に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第３の目的を達成するために、前記３つの孔のそれぞれは、
円周方向に所定間隔で穿設された２つの円孔と、この２つの円孔の間を連通させるように穿設されたスリット孔とからなることを特徴としている。
請求項４に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第３の目的を達成するために、前記３つの孔のそれぞれは、円周方向または軸方向に長軸をなすように穿設された長円孔であって、円周方向に所定間隔で穿設された２つの長円孔と、この２つの長円孔の間を連通させるように穿設されたスリット孔とからなることを特徴としている。

請求項５に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第３の目的を達成するために、前記３つの孔のそれぞれは、
円周方向または軸方向に長軸をなすように穿設された長円孔でなることを特徴としている。
請求項６に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第３の目的を達成するために、前記３つの孔のそれぞれは、円孔でなることを特徴としている。
請求項７に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第３の目的を達成するために、前記３つの孔のそれぞれは、
円周方向に長く穿設された矩形孔でなることを特徴としている。
請求項８に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第３の目的を達成するために、前記円筒状の起歪体の軸方向中間部は、外周面側から内方に向け、また内周面側から外方に向けて所定深さにわたって削成されて、薄肉に形成されていることを特徴としている。

請求項９に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第３の目的を達成するために、前記第１のひずみゲージは、前記各起歪柱の外周面および内周面に、荷重印加方向に沿ってそれぞれ複数添着されていることを特徴としている。
請求項１０に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第４の目的を達成するために、前記第２のひずみゲージは、前記荷重導入部に、外側偏荷重または内側偏荷重をそれぞれ受けたとき、外側偏荷重出力値と、内側偏荷重出力値とがほぼ一致する前記各起歪柱の両側面部位にゲージ素子の中心が位置するように且つ荷重印加方向に直交するように添着されていることを特徴としている。
請求項１１に記載の発明に係るセンタホール型荷重変換器は、上述した第１〜第３の目的を達成するために、前記起歪体の外周面および内周面は、荷重検出に影響を与えない可撓性をもつ外カバー部材および内カバー部材により外部と気密状態に密閉されてなることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、
中心部に貫通孔が穿設されたセンタホール型荷重変換器において、印加荷重をうける３つの凸面を有する剛性大なる荷重導入部と、
前記荷重導入部に対し、一定の間隔を離して対向して設けられ、前記３つの凸面に対応した部位の座面側に３つの凸面を有する剛性大なる荷重支持部と、
前記荷重導入部および前記荷重支持部の前記３つの凸面に対応する角度部位において前記荷重導入部と前記荷重支持部とを一体的に連接する３本の起歪柱と、
前記３本の起歪柱の円周部に荷重印加方向に沿って添着された第１のひずみゲージと、
前記３本の起歪柱の側面部に荷重印加方向に対し垂直方向に沿って添着された第２のひずみゲージと
を具備し、
複数の前記第１のひずみゲージと、複数の前記第２のひずみゲージとを互いに隣接する辺に接続してなるホイートストンブリッジ回路より直線化補償された印加荷重信号を得るように構成したので、印加荷重の変化に対するひずみ検出出力の関係が直線的となり、特に、偏荷重に対する感度差をなくすと共に非直線性を良好にキャンセルし、高精度で荷重測定を行い得ると共に、被測定対象物と荷重導入部との当接が良好で、安定的に荷重を検出することができ、さらに加えて、機械加工が比較的容易で、小型化を実現し得るセンタホール型荷重変換器を提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、
円筒状の起歪体の軸方向中間部に等角度間隔でその外周面から内周面に達する３つの孔を穿設することにより、該孔と孔との間に残された軸方向中間部分をもって前記３本の起歪柱となしたので、起歪体は、一体的なものとして形成することができ、例えば、複数の部材からなるものを溶接などにより接合する場合、接合部に熱応力が残留し、荷重検出に悪影響を生ずるが、そのような悪影響は一切生じないセンタホール型荷重変換器を提供することができる。
請求項３に記載の発明によれば、
前記３つの孔のそれぞれは、
円周方向に所定間隔で穿設された２つの円孔と、この２つの円孔の間を連通させるように穿設されたスリット孔とからなるので、２個の円孔とその間を連通させるスリット孔は、機械加工が容易で、小型化を実現し得るセンタホール型荷重変換器を提供することができる。

請求項４に記載の発明によれば、
前記３つの孔のそれぞれは、
円周方向または軸方向に長軸をなすように穿設された長円孔であって円周方向に所定間隔で穿設された２つの長円孔と、この２つの長円孔の間を連通させるように穿設されたスリット孔とからなるので、２個の長円孔とその間を連通させるスリット孔は、機械加工が容易で小型化を実現し得るセンタホール型荷重変換器を提供することができる。
請求項５に記載の発明によれば、
前記３つの孔のそれぞれは、
円周方向または軸方向に長軸をなすように穿設された長円孔でなるので、円周方向に長軸をもつ長円孔は、機械加工が容易で、小型化を実現し得るセンタホール型荷重変換器を提供することができる。
請求項６に記載の発明によれば、前記３つの孔のそれぞれは、円孔でなるので、最も機械加工が容易なセンタホール型荷重変換器を提供することができる。
請求項７に記載の発明によれば、
前記３つの孔のそれぞれは、
円周方向に長く穿設された矩形孔でなるので、機械加工が比較的容易で、小型化を実現し得るセンタホール型荷重変換器を提供することができる。

請求項８に記載の発明によれば、
前記円筒状の起歪体の軸方向中間部は、外周面側から内方に向け、また内周面側から外方に向けて所定深さにわたって削成されて、薄肉に形成されているので、円筒状の起歪体の軸方向中間部の薄肉に形成された部分は、印加荷重に対応したひずみを生じる起歪部として好適なセンタホール型荷重変換器を提供することができる。
請求項９に記載の発明によれば、
前記第１のひずみゲージは、前記各起歪柱の外周面および内周面に、荷重印加方向に沿ってそれぞれ複数添着されているので、内側または外側に偏荷重が印加された場合であっても起歪体の曲げ変形による圧縮ひずみと引張ひずみが、ホイートストンブリッジ回路によって平均化され、外側偏荷重出力値と、内側偏荷重出力値とがほぼ一致し得るセンタホール型荷重変換器を提供することができる。

請求項１０に記載の発明によれば、
第２のひずみゲージを、起歪柱の側面部に荷重印加方向に対し垂直方向に沿って添着することで、この第２ひずみゲージによるひずみ検出信号と、第１のひずみゲージによるひずみ検出信号からなる非直線性の極性が逆の極性をもつため、両検出信号をブリッジ回路により非直線性をキャンセルすることができるセンタホール型荷重変換器を提供することができる。
請求項１１に記載の発明によれば、
前記起歪体の外周面および内周面は、荷重検出に影響を与えない可撓性をもつ外カバー部材および内カバー部材により外部と気密状態に密閉されてなるので、第１、第２のひずみゲージや添着された部分は、内カバー部材と外カバー部材とにより外部を隔絶され、それにより、ひずみゲージの吸湿または酸化による劣化を防止し得るセンタホール型荷重変換器を提供することができる。

以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器を背面上方から見た状態の斜視図、図２は、第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の、図６におけるＸ−Ｘ線矢視方向断面図、図３は、図２のＣの矢印をもって示す○内の部分を拡大して示す部分断面図、図４は、図３の部分断面図の内面側から見た断面図、図５は、図１に示すセンタホール型荷重変換器の正面図、図６は、図２のＢ−Ｂ線矢視方向断面図、図７は、図１に示すセンタホール型荷重変換器に添着された第１のひずみゲージと第２のひずみゲージをもってホイートストンブリッジ回路（以下、単に「ブリッジ回路」と略称することがある）を形成してなる電気回路、図８は、本発明に係るすべての実施の形態に共通なものであり、起歪体の外周側および内周側を外カバーおよび内カバーで閉塞してなる全体構成を示す斜視図である。

図１〜図６において、１は、センタホール型の荷重変換器であり、全体形状が短円筒状を呈する起歪体２とひずみゲージとで構成される。
起歪体２は、印加荷重を受ける荷重導入部３と、荷重支持部４と、これら荷重導入部３と、荷重支持部４との間を連接する起歪柱５とから形成されている。
荷重導入部３の一面側（図１においては、上面側）には、印加荷重を受ける３つの凸面３ａが等角度間隔（従って、１２０°間隔）で設けられている。
尚、図面には、明確に現れていないが、荷重支持部４の座面側（図１においては下面側）にも、上記荷重導入部３に設けられた３つの凸面と対応する角度位置に同様の３つの凸面４ａが設けられている。
荷重導入部３と荷重支持部４は、大径に形成されて剛性が大きく設定されている。
これに対し、円筒状の起歪体２の軸方向（図１において上下方向）中間部は、外周面側から内方に向けて所定深さにわたって削成（切削）されると共に、内周面から外方に向けて、所定深さにわたって削成される結果、荷重導入部３および荷重支持部４の肉厚に対し相当薄肉とされている。

そして、起歪体２の軸方向中間部には、荷重導入部３および荷重支持部４にそれぞれ設けられた３つの凸面３ａおよび凸面４ａに対応する角度部位において荷重導入部３と荷重支持部４とを所定間隔を隔てて一体または一体的に連接する３本の起歪柱５が設けられている。
この起歪体２の形成方法につき、説明すると、先ず、素材としての（加工前の）中空円筒状の起歪体２の軸方向中間部に、等角度（この場合１２０°）間隔で、その外周面から内周面に達する３つの孔６を穿設することにより、隣接する該孔６と孔６との間に残された軸方向中間部分をもって前記３本の起歪柱５、５、５となしたものである。
上記孔６の形成方法には、例えば、４通りの方法がある。
第１の方法としては、図１〜図７に示された第１の実施の形態の係る方法であり、３つの孔６、６、６のそれぞれは、円周方向に所定間隔で外周面から内周面に達する２つの円孔６ａを穿設し、この２つの円孔６ａ、６ａの間を幅狭のスリット孔６ｂ、６ｂ、６ｂをそれぞれ形成することによって、いわゆる円孔めがね形の孔６を穿設する。

このように形成された３つの孔６、６、６のうち互いに隣り合う２つの孔６、より具体的には隣り合う孔６、６の最も接近した中心孔６ａ、６ａとの間に残された軸方向中間部分がそれぞれ１つの起歪柱５となる。
以上が、図１〜図６に示す起歪柱５の形成要領であるが、他の形成要領につき、図１５〜図２１を参照して説明する。
このうち図１５は、本発明の第２の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。
図１５に示すセンタホール型荷重変換器は、起歪体１５の構成は、基本的に第１の実施の形態と同様であるが、３つの孔１６の形状のみが異なるものである。
即ち、この第２の実施の形態における３つの孔１６は、円周方向に所定間隔で穿設された縦方向（図１５において上下方向）に長軸をもつ２つの長円孔１６ａ、１６ａと、この２つの長円孔１６ａ、１６ａの間を連通させるように穿設されたスリット孔１６ｂとから形成されている。
このような孔１６を形成する場合には、長円孔１６ａを形成するために第１の実施の形態より１回穿孔作業が多くなるが、長円孔１６ａが直径は小さくてすむ。
図１６は、本発明の第３の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。
図１６に示すセンタホール型荷重変換器の起歪体２２の構成も、基本的に第２の実施の形態と同様であるが、３つの孔２６の形状のみが異なるものである。
即ち、この第３の実施の形態における３つの孔２６のそれぞれは、円周方向に所定間隔で穿設された円周方向（図１６において左右方向）に長軸を持つ２つの長円孔２６ａ、２６ａと、この２つの長円孔２６ａ、２６ａの間を連通させるように穿設されたスリット孔２６ｂとから形成されている。

次に、図１７は、本発明の第４の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。
図１７に示すセンタホール型荷重変換器の起歪体３２の構成も、基本的に第１の実施の形態と同様であるが、３つの孔３６の形状のみが異なるものである。
即ち、この第４の実施の形態における３つの孔３６のそれぞれは、円周方向に長軸をなすように穿設された長円孔として形成されている。
次に、図１８は、本発明の第５の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。
図１８に示すセンタホール型荷重変換器の起歪体４２の構成も、基本的に第１の実施の形態と同様であるが、３つの孔４６の形状のみが異なるものである。
即ち、この第５の実施の形態における３つの孔４６のそれぞれは、円孔として形成されている。
次に、図１９は、本発明の第６の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。
図１９に示すセンタホール型荷重変換器の起歪体５２の構成も、基本的に第１の実施の形態と同様であるが、３つの孔５６の形状のみが異なるものである。
即ち、この第６の実施の形態における３つの孔５６のそれぞれは、円周方向に長手方向を含ませるように穿設された矩形孔とされており、四隅に小円弧が施されている。
尚、図示は省略したが、上記起歪体の３つの孔の形状としては、上述し且つ図示した実施の形態のみに限らず、例えば、正方形の孔であってもよいし、図１７および図１９に示した長円孔および矩形孔を、その長手方向が軸方向に沿うような形状の孔としてもよい。

上述した第１〜第６の実施の形態に係る起歪体２、１２、２２、３２、４２、５２において、上述したように、起歪体２、１２、２２、３２、４２、５２の軸方向中間部に等角度（１２０°）間隔でその外周面から内周面に達する３つの孔６、１６、２６、３６、４６、５６を穿設することにより両隣の２つの孔６と６、孔１６と１６、孔２６と２６、孔３６と３６、孔４６と４６、孔５６と５６の間に残された軸方向中間部分をもって、３本の起歪柱５、１５、２５、３５、４５、５５が形成されている。
以上、６つの実施の形態に係る起歪体２、１２、２２、３２、４２、５２の各構成について説明したが、第１の実施の形態を代表として、本発明のセンタホール型荷重変換器の荷重測定に係る構成および機能について説明する。
上述した起歪体２の３本の各起歪柱５、５、５には、図４に示すように、内周面に３個のひずみゲージＧ１、Ｇ２、Ｇ３が接着、蒸着、スパッタリングその他の添着手段（以下同様）によって添着され、その受感軸（主軸）が荷重印加方向に沿って（即ち、平行に）添着されている。
また、３本の各起歪柱５、５、５には、図５に示すように、外周面に３個のひずみゲージＧ４、Ｇ５、Ｇ６が、上述のように接着その他の添着手段によって添着され、その受感軸が図３に示すように、荷重印加方向に沿って、上述した内周面に添着したひずみゲージＧ１、Ｇ２、Ｇ３と同じ角度位置に合致させて添着されている。

これを、図２と図３を参照してより詳しく説明すると、図３は、図２の○で囲ったＣ部分を拡大して詳しく示すものであるが、各起歪柱５、５、５のそれぞれには、図３をもって示すように、各孔６の中心角度位置の内周面と外周面には、ひずみゲージＧ１とＧ４が添着され、これらを中心として、＋１３°離れた角度位置の内周面と外周面にはひずみゲージＧ２とＧ５が添着され、−１３°離れた角度位置の内周面と外周面には、ひずみゲージＧ３とＧ６がそれぞれ添着されている。ひずみゲージの添着数は、図示の実施の形態に見られるように６枚に限定されるものではなく、各起歪柱５の内外周面に各１枚設けるだけでもよく、各孔６の中心角度位置に対し、等角度間隔で、対称的に１０枚、１２枚等と増やしてもよい。
尚、ここで、各起歪柱５の外周面および内周面に、荷重印加方向に受感軸を合致させて複数添着されている、例えばひずみゲージＧ１〜Ｇ６（これらは、３本の起歪柱５にそれぞれ設けられているものとする）は、「第１のひずみゲージ」と称することとする。

次に、起歪柱５の側面部に荷重印加方向に対し垂直方向（直交する方向）に受感軸を合致させて添着されたひずみゲージ（ここでは「第２のひずみゲージ」と称する）について説明する。
図１、図３、図６に示されるように、起歪柱５の軸方向中間部における両側面部には、その受感軸を、荷重印加方向と直交する方向に向けたひずみゲージＧ７とＧ８が接着、その他の添着手段により添着されている。
このひずみゲージＧ７とＧ８の起歪柱５の半径方向位置、換言すれば、起歪柱５の外周面を基準として、中心方向に所定の距離だけ離れた位置にするかについては、後述するが、起歪柱５の中立軸に対し僅かに外側に添着することが望ましい。
このようにして起歪柱５に添着された第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ６と第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８とは、図７に示すように、接続されてブリッジ回路７が形成される。
即ち、このブリッジ回路７の一辺には、起歪柱５の内周面に添着された第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ３が接続され、これに対する対辺には、起歪柱５の外周面に添着された同じく第１のひずみゲージＧ４〜Ｇ６が接続されている。

このブリッジ回路７の上記第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ３および第１のひずみゲージＧ４〜Ｇ６が接続されている辺に隣接する辺には、第２のひずみゲージＧ７および第２のひずみゲージＧ８が接続されている。
このブリッジ回路７の入力端８ａ、８ｂ間には、ブリッジ電源（図示せず）からブリッジ電圧ｅｉｎが入力され、出力端９ａ、９ｂからは、印加荷重に対応したひずみ検出出力ｅｏｕｔが出力され、この出力端９ａ、９ｂは、さらに図示省略のひずみ測定器（静ひずみ測定器または、動ひずみ測定器など）にケーブルを介して接続され、荷重測定系が構成される。
上述したような各実施の形態におけるセンタホール型荷重変換器は、図８に示されるように、薄肉で、荷重測定に影響を与えない程度の可撓性を有する内カバー部材１０と外カバー部材１１により外気を遮断するように起歪柱５およびそこに添着されたひずみゲージＧ１〜Ｇ８などが密閉状態とされる。
これら内カバー部材１０の上端縁および下端縁は、起歪体２の荷重導入部３の内周縁および荷重支持部４の内周縁に、溶接またはろう付けその他の固着手段により気密状に固着される。

また、外カバー部材１１の上端縁および下端縁は、起歪体２の荷重導入部３の外周縁および荷重支持部４の外周縁に溶接またはろう付けその他の固着手段により気密状に固着される。
外カバー部材１１の側面部には、グランド金具２０が気密状に取り付けられており、電気ケーブル１３がグランド金具２０より導出されている。
次に、上述したような荷重測定系において、本発明に係る第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の実測例について説明する。
先ず、第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の荷重導入部３の３つの凸面３ａ、３ａ、３ａに均等に荷重を印加した場合、（以下、これを「正荷重を印加した場合」と称する）についての測定例を図１０および下記表１を参照して説明する。

図９は、第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の軸中心に対し左半分の構成を示す部分断面図であり、起歪体２の荷重支持部４は、不動部材１４上に載置されるが、不動部材１４に対しては、３つの凸面４ａが接触する。
また、荷重導入部３には、３つの凸面３ａの全面に対して当て金１７が接触し、当て金１７からは等分布荷重が印加される。
この図９に示される条件下で、当て金１７から荷重導入部３に荷重０から定格過重１００％まで、２０％おきに荷重を増大していった場合の起歪柱５の円周部（内周面と外周面）に添着された第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ６の出力（×１０^−６ひずみ）および非直線性（％ＲＯ）と、起歪柱５の側面部に添着された第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８の出力および非直線性と、これらのひずみゲージＧ１〜Ｇ８で組まれたブリッジ回路７の出力および非直線性について実測結果の数値を表１に示し、その数値に基づいて非直線性をグラフ化したものを図１０に示す。

これら表１および図１０に示されるように、第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ６によって検出される起歪柱５の内・外周面の非直線性は、マイナス０．８３の数値を示し、第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８によって検出される起歪柱５の側面部の非直線性は、プラス１．９１の数値を示すが、第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ６と第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８によって組まれたブリッジ回路７の出力ｅｏｕｔの直線性（％ＲＯ）は、プラス０．０６と大幅に改善されることが理解される。
因に、ここで「非直線性」とは、入力−出力曲線において、基点と出力の最大測定値を結ぶ直線に対する最大差を、最大測定値で除した値を百分率で表したものをいう。
次に、第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の荷重導入部３の３つの凸面３ａ、３ａ、３ａの内側半分に荷重が印加された場合（以下、これを「内側荷重が印加された場合」と称する）についての測定例を、図１１、図１２および下記表２を参照して説明する。

図１１は、第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の軸中心に対し左半分の構成を示す部分断面図であり、起歪体２は、不動部材１４上に載置されるが、不動部材１４に対しては、３つの凸面４ａが接触する。
また、荷重導入部３には、３つの凸面３ａの内側半分に対して、内側荷重印加用リング１８が接触し、この内側荷重印加用リング１８の上面には当て金１７が当接され、当て金１７、内側荷重印加用リング１８を介して、３つの凸面３ａに、内側に偏した荷重が印加される。
この図１１に示される条件下で、当て金１７から荷重導入部３に荷重０から定格荷重１００％まで、２０％おきに荷重を増大していった場合の起歪柱５の円周部（内周面と外周面）に添着された第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ６の出力および非直線性と、起歪柱５の側面部に添着された第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８の出力および非直線性と、これらのひずみゲージＧ１〜Ｇ８で組まれたブリッジ回路７の出力および非直線性について、実測結果の数値を表２に示し、その数値に基づいて非直線性をグラフ化したものを、図１２に示す。

これら表２および図１２に示されるように、第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ６によって検出される起歪柱５の内・外周面の非直線性はマイナス１．２７の数値を示し、第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８によって検出される起歪柱５の側面部の非直線性は、プラス２．４６の数値を示すが、第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ６と第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８によって組まれたブリッジ回路７の出力ｅｏｕｔの直線性は、両者が相殺されて、マイナス０．０３と、大幅に非直線性が改善することが理解される。
次に、第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の荷重導入部３の３つの凸面３ａ、３ａ、３ａの外側半分に荷重が印加された場合（以下、これを「外側荷重が印加された場合」と称する）についての測定例を、図１３、図１４および下記表３を参照して説明する。

図１３は、第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の軸中心に対し左半分の構成を示す部分断面図であり、起歪体２は、不動部材１４上に載置されるが、不動部材１４に対しては、３つの凸面４ａが接触する。
また、荷重導入部３には、３つの凸面３ａの外側半分に対して、外側荷重印加用リング１９が接触し、この外側荷重印加用リング１９の上面には当て金１７が当接され、当て金１７、外側荷重印加用リング１９を介して、３つの凸面３ａに、外側に偏した荷重が印加される。
この図１３に示される条件下で、当て金１７から荷重導入部３に負荷０から定格負荷１００％まで、２０％おきに負荷を増大していった場合の起歪柱５の円周部（内周面と外周面）に添着された第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ６の出力および非直線性と、起歪柱５の側面部に添着された第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８の出力および非直線性と、これらのひずみゲージＧ１〜Ｇ８で組まれたブリッジ回路７の出力および非直線性について、実測結果の数値を表３に示し、その数値に基づいて非直線性をグラフ化したものを、図１４に示す。

これら表３および図１４に示されるように、第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ６によって検出される起歪柱５の内・外周面の非直線性はマイナス０．４２の数値を示し、第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８によって検出される起歪柱５の側面部の非直線性は、プラス１．２３の数値を示すが、第１のひずみゲージＧ１〜Ｇ６と第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８によって組まれたブリッジ回路７の出力ｅｏｕｔの直線性は、両者が相殺されて、プラス０．１６と、大幅に非直線性が改善することが理解される。
因に、本発明に係る第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器（本発明品）と、従来のセンタホール型荷重変換器（従来品：Ｎｏ.１とＮｏ.２）との実測値を下記表４に示す。

この表４から分かるように、正荷重が印加された場合の非直線性については、従来品Ｎｏ.１と本発明品とは、然程変りはないが、内側荷重が印加された場合にあっては、その非直線性は、従来品Ｎｏ.１は０．０８、従来品Ｎｏ．２は０．３０であるのに対し、本発明品は、−０．０３と極端に小さいことが分かる。
また、外側荷重が印加された場合にあっては、その非直線性は、従来品Ｎｏ.１は、０．７２、従来品Ｎｏ.２は、０．４５であるのに対し、本発明品は、０．１６と大幅に小さいことが分かる。
これは、起歪柱５の内・外周面における非直線性特性と、側面部の非直線性特性とが、極性が反対となっているため、この極性の異なるところを、ブリッジ回路７によって相殺することができるものと考えられる。
また、内側荷重が印加された場合の定格出力を、正荷重が印加された場合の定格出力に対する百分率で表すと、従来品Ｎｏ．１は１０２．５％、従来品Ｎｏ．２は１０４．４％であるのに対し、本発明品は、１００．１％と大幅に小さいことが分かる。
また、外側荷重が印加された場合の定格出力を、正荷重が印加された場合の定格出力に対する百分率で表すと、従来品Ｎｏ．１は９５．４％、従来品Ｎｏ．２は９５．１％であるのに対し、本発明品は、１００．４％と大幅に小さいことが分かる。
従って、本発明の各実施の形態にあっては、起歪体の比較的簡単な機械加工だけで製作することができ、従来のこの種センタホール型荷重変換器と比べて然程コストの上昇を伴うことなく製作をすることができる。
尚、第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８の添着の要領について、図２０を参照しつつ説明する。

図２０は、本発明に係る第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器を用いて、起歪柱５の側面部に添着する第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８を、図６に示すように、起歪柱５の内周面を０位置とし、外周面を２０位置としたとき、僅かずつ第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８の添着位置を変えていった場合のひずみ出力の変化を測定した結果を表す特性図である。
図２０においては、正荷重と、内側荷重と、外側荷重を上述した要領にて負荷したときの結果を示すものであるが、同図において内側荷重を印加した場合と外側荷重を印加した場合のひずみ出力が一致する起歪柱側面部位置が、第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８のゲージ素子の中心部を合致させるのに最も望ましい位置となるのである。
即ち、この図２０によれば、第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８のゲージ素子の中心部を、起歪柱５の外周面から、５．５ｍｍの位置に、その受感軸を荷重印加方向に直向するように向けて、添着すればよいことが分かるので、第２のひずみゲージＧ７、Ｇ８の理想的な添着位置を見出すことができる。

本発明の第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。 図１に示す第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の横断面図である。 図２のＣの矢印をもって示す○内の部分を拡大して示す部分断面図である。 図３の部分断面図の内面側から見た部分断面図である。 図１に示すセンタホール型荷重変換器の正面図である。 図２のＢ−Ｂ矢視方向断面図である。 図１に示すセンタホール型荷重変換器に添着された第１のひずみゲージと第２のひずみゲージをもってホイートストンブリッジ回路を形成してなる電気回路図である。 本発明に係るすべての実施の形態に共通なものであり、起歪体の外周側および内周側に外カバーおよび内カバーで閉塞してなる全体構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の軸中心に対し左半分の構成を示す部分断面図である。 図１に示すセンタホール型荷重変換器に正荷重を印加した場合の非直線性特性図である。 第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器に内側偏荷重を印荷する場合の部分断面図である。 内側荷重を印加した場合における非直線性について、グラフ化した特性図である。 図１に示すセンタホール型荷重変換器に外側偏荷重を印加する場合の部分断面図である。 図１に示すセンタホール型荷重変換器に外側荷重を印加した場合の非直線性特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。 本発明の第５の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。 本発明の第６の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器の外観構成を示す斜視図である。 本発明に係る第１の実施の形態に係るセンタホール型荷重変換器を用いて、起歪柱５の側面部に添着する第２のひずみゲージを、起歪柱の内周面を０位置とし、外周面を２０位置としたとき、僅かずつ第２のひずみゲージの添着位置を変えていった場合のひずみ出力の変化を測定した結果を表す特性図である。 従来のセンタホール型の断面構成を示す部分断面図である。

符号の説明

１ センタホール型荷重印加部
２、１２、２２、３２、４２、５２ 起歪体
３ 荷重導入部
４ 荷重支持部
３ａ、４ａ 凸面
５、１５、２５、３５、４５、５５ 起歪柱
６、１６、２６、３６、４６、５６ 孔
６ａ 円孔
６ｂ スリット孔
７ ブリッジ回路
８ａ、８ｂ 入力端
９ａ、９ｂ 出力端
１０ 内カバー部材
１１ 外カバー部材
１３ 電気ケーブル
１４ 不動部材
１６ａ、２６ａ 長円孔
１６ｂ、２６ｂ スリット孔
１７ 当て金
１８ 内側荷重印加用リング
１９ 外側荷重印加用リング
２０ グランド金具

Claims (11)

1. 中心部に貫通孔が穿設されたセンタホール型荷重変換器において、
   印加荷重をうける３つの凸面を有する剛性大なる荷重導入部と、
   前記荷重導入部に対し、一定の間隔を離して対向して設けられ、前記３つの凸面に対応した部位の座面側に３つの凸面を有する剛性大なる荷重支持部と、
   前記荷重導入部および前記荷重支持部の前記３つの凸面に対応する角度部位において前記荷重導入部と前記荷重支持部とを一体的に連接する３本の起歪柱と、
   前記３本の起歪柱の円周部に荷重印加方向に沿って添着された第１のひずみゲージと、
   前記３本の起歪柱の側面部に荷重印加方向に対し垂直方向に沿って添着された第２のひずみゲージと
   を具備し、
   複数の前記第１のひずみゲージと、複数の前記第２のひずみゲージとを互いに隣接する辺に接続してなるホイートストンブリッジ回路より直線化補償された印加荷重信号を得るように構成したことを特徴とするセンタホール型荷重変換器。
2. 円筒状の起歪体の軸方向中間部に等角度間隔でその外周面から内周面に達する３つの孔を穿設することにより、該孔と孔との間に残された軸方向中間部分をもって前記３本の起歪柱となしたことを特徴とする請求項１に記載のセンタホール型荷重変換器。
3. 前記３つの孔のそれぞれは、
   円周方向に所定間隔で穿設された２つの円孔と、この２つの円孔の間を連通させるように穿設されたスリット孔とからなることを特徴とする請求項１または２に記載のセンタホール型荷重変換器。
4. 前記３つの孔のそれぞれは、
   円周方向または軸方向に長軸をなすように穿設された長円孔であって、円周方向に所定間隔で穿設された２つの長円孔と、この２つの長円孔の間を連通させるように穿設されたスリット孔とからなることを特徴とする請求項１または２に記載のセンタホール型荷重変換器。
5. 前記３つの孔のそれぞれは、
   円周方向または軸方向に長軸をなすように穿設された長円孔でなることを特徴とする請求項１または２に記載のセンタホール型荷重変換器。
6. 前記３つの孔のそれぞれは、
   円孔でなることを特徴とする請求項１または２に記載のセンタホール型荷重変換器。
7. 前記３つの孔のそれぞれは、
   円周方向または軸方向に長く穿設された矩形孔でなることを特徴とする請求項１または２に記載のセンタホール型荷重変換器。
8. 前記円筒状の起歪体の軸方向中間部は、外周面側から内方に向け、また内周面側から外方に向けて所定深さにわたって削成されて、薄肉に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンタホール型荷重変換器。
9. 前記第１のひずみゲージは、前記各起歪柱の外周面および内周面に、荷重印加方向に沿ってそれぞれ複数添着されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のセンタホール型荷重変換器。
10. 前記第２のひずみゲージは、前記荷重導入部に、外側偏荷重または内側偏荷重をそれぞれ受けたとき、外側偏荷重出力値と、内側偏荷重出力値とがほぼ一致する前記各起歪柱の両側面部位にゲージ素子の中心が位置するように且つ荷重印加方向に直交するように添着されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のセンタホール型荷重変換器。
11. 前記起歪体の外周面および内周面は、荷重検出に影響を与えない可撓性をもつ外カバー部材および内カバー部材により外部と気密状態に密閉されてなることを特徴する請求項１〜１０のいずれか１項に記載のセンタホール型荷重変換器。

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