JP3553664B2 - ロードセル - Google Patents
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Description
【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
Claims (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。
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