JPS60147616A - Load cell - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To obtain a high-precision measured value by providing the first strain gauge which generates an output in accordance with a load and the second strain gauge, which is used for detecting the moment of a beam, on the same plane and correcting a deflected load error. CONSTITUTION:A deformable parallelogram 13 is formed with thin deforming parts 9, 10, 11, and 12 of a prismatic beam 5 where two holes 6 and 7 are connected by a groove 8. The first strain gauge 17 (RA, RB, RC, and RD) is provided in accordance with deforming parts 9 and 10, and the second train gauge 18 (RX) is provided between the tensile strain side and the compressive strain side of the gauge 17, and the gauge 17, an input terminal 19, and an output terminal 20 are connected by a lead wire 21. At a measurement time, nonlinearity of variance of the output from the gauge 17 is corrected by detection of RX of the gauge 18. Thus, accurate measurement is possible though strain gauges are provided only on one face of the beam.

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、歪量に応じて抵抗値を変化させるストレンゲ
ージを利用して荷重に対応した電気的出力を得るように
したロードセルに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Technical Field of the Invention The present invention relates to a load cell that utilizes a strain gauge that changes its resistance value in accordance with the amount of strain to obtain an electrical output corresponding to a load.

技術的背景およびその問題点 従来のこの種のロードセルは、ビームを利用したものと
して第１図に示す形式のものと第３図に示す形式のもの
との二種のものがある。すなわち、第１図に示すものは
、一端が固定されたビーム（１）に四個の薄肉変形部（
２）を形成し、上下面のそれぞれの薄肉変形部（２）に
ブリッジ回路を形成する四個のストレンゲージ（３）を
設けている。そして、自由端には受皿（４）を連結して
いる。この受皿（４）には図示のよ′うにＷｏ　、　Ｗ
Ｌ　、　ＷＲなる荷重が位置を変えて印加されるが、荷
重と出力電圧との関係は第２図に示すようにいずれの位
置においても一定の状態であり、しかも直線性は良好で
ある。しかしながら、ビーム（１）の両面にストレンゲ
ージ（３）を配設することは配線が複線になり、しかも
薄膜形成プロセスによってストレンゲージ（３）を形成
する場合には両面に同様な加工を施こさなければならず
コストアップすると云う欠点を有する。TECHNICAL BACKGROUND AND PROBLEMS There are two types of conventional load cells of this type that utilize a beam: the type shown in FIG. 1 and the type shown in FIG. 3. That is, in the case shown in Fig. 1, four thin-walled deformed parts (
2), and four strain gauges (3) forming a bridge circuit are provided in each of the thin deformed portions (2) on the upper and lower surfaces. A saucer (4) is connected to the free end. This saucer (4) has Wo and W as shown in the figure.
Although the loads L and WR are applied at different positions, the relationship between the load and the output voltage remains constant at each position, as shown in FIG. 2, and the linearity is good. However, arranging the strain gauges (3) on both sides of the beam (1) results in double wiring, and when forming the strain gauges (3) using a thin film formation process, it is necessary to perform similar processing on both sides. This has the disadvantage of increasing costs.

このようなことから、第３図に示すようにビーム（１）
の片面のみにストレンゲージ（３）を設けることが行な
われている。この場合、ストレンゲージ（３）は四個で
あるため、−個所の薄肉変形部（２）に二個ずつ並設さ
れているものである。For this reason, as shown in Figure 3, beam (1)
It is common practice to provide a strain gauge (3) only on one side. In this case, since there are four strain gauges (3), two strain gauges (3) are arranged in parallel at each of the thin-walled deformed portions (2) at - locations.

このようなロードセルにおいては、第４図（ｃＬ）　（
４１ｔＣ＋に示すような出力変化を示す。すなわち、応
力中心Ｌσ０にＷＯが印加されたときには、第４図＋ａ
ｌに示すように荷重と出力電圧との関係は直線的であシ
、第２図に示したものと同様である。ところが、ｗＲに
荷重が位置するとき罠は第４図（４）に示すようになか
ぶくれであり　、ＷＬの場合には第４図（ｃｌに示すよ
うＫなかへこみになる。このように直線性が悪くなるの
は偏荷重によるモーメントのためであり、第１図に示す
もののようにモーメントの影響が相殺されないためであ
る。したがって、片面にのみストレンゲージ（３）を配
設したものにおいては高精度のものが得られないもので
ある。In such a load cell, Fig. 4 (cL) (
The output changes as shown in 41tC+. That is, when WO is applied to the stress center Lσ0, Fig. 4 +a
As shown in FIG. 1, the relationship between the load and the output voltage is linear, and is similar to that shown in FIG. However, when the load is placed on wR, the trap becomes a bulge as shown in Figure 4 (4), and in the case of WL, it becomes a dent in K as shown in Figure 4 (cl). The reason for this deterioration is the moment caused by the unbalanced load, and the effect of the moment is not canceled out as shown in Figure 1. Therefore, in the case where the strain gauge (3) is installed only on one side, High precision cannot be obtained.

発明の目的 本発明の目的は、ビームの片面にのみストレンゲージを
設けたものにおいてもきわめて高い精度の測定値を得る
ことができるロードセルを提供することである。OBJECTS OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a load cell that can obtain extremely high precision measurement values even when a strain gauge is provided on only one side of the beam.

発明の概要 本発明は、ブリッジ結合されて荷重に対応する出力を発
生する第一のストレンゲージをビームの片面に設けると
ともに同一面に第二のストレンゲージを設けてビームに
発生するモーメントを検出し、これにより、偏荷重に基
づく直線性の狂いを補正するようにして、受皿上のどの
位置に荷重が作用しても荷重と出力電圧との直線性を維
持することができるように構成したものである。Summary of the Invention The present invention provides a first strain gauge that is bridge-coupled and generates an output corresponding to a load on one side of a beam, and a second strain gauge on the same side to detect the moment generated in the beam. In this way, the linearity error caused by the unbalanced load is corrected, and the linearity between the load and the output voltage can be maintained no matter where the load is applied on the saucer. It is.

発明の実施例 、本発明の第一の実施例を第５図ないし第８図に基いて
説明する。まず、と−ｒ　（５）は角柱状のもので、ス
テンレス材や高力アルミニウムを機械加工して形成され
ている。すなわち、二個の孔（６）　（７）を溝（８）
により連通して形成し、四個の薄肉変形部（９）αＯα
力０を形成している。これらの薄肉変形部（９）　＜１
０αカ（ロ）により変形可能な平行四辺形部α］が形成
されている。そして、前記ビーム（５）の一端には固定
用の二個の支持孔ｑ４が形成され、他端には受皿αＯを
連結するための連結孔（ｌｅｅが形成されている。Embodiments of the Invention A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 8. First, -r (5) has a prismatic shape and is formed by machining stainless steel or high-strength aluminum. That is, the two holes (6) (7) are connected to the groove (8).
four thin-walled deformed parts (9) αOα
The force is 0. These thin deformed parts (9) <1
A deformable parallelogram portion α] is formed by 0α (b). Two support holes q4 for fixing are formed at one end of the beam (5), and a connecting hole (lee) for connecting the saucer αO is formed at the other end.

ついで、前記ビーム（５）の上面には、二個所の前記薄
肉変形部（９）α０に一致させて、ＲＡ、　ＲＢ　、　
Ｒｏ　、　ＲＤと表示した四個の第一のストレンゲージ
αカが設けられ、これらのストレンゲージａ力の引張歪
側と圧縮歪側との間にはＲｘと表示した第二のストレン
ゲージαＱが設けられている。そして、前記ストレンゲ
ージａηは、Ｖｅ”、Ｖｅ−なる入力端子ＵＳとＶｏ”
　、　Ｖｏ−なる出力端子（イ）とにリード線ｅυによ
って接続されている。このようなストレンゲージａ’ｈ
　（１８、入力端子（至）、出力端子■、リード線ｅ）
は蒸着やスパッタリング等の薄膜形成プロセスによシ一
体的に形成されてｈる。Next, on the upper surface of the beam (5), RA, RB,
Four first strain gauges α, denoted Ro and RD, are provided, and a second strain gauge αQ, denoted Rx, is provided between the tensile strain side and compressive strain side of these strain gauges a force. It is provided. The strain gauge aη has input terminals US and Vo"Ve" and Ve-, respectively.
, Vo- is connected to the output terminal (a) by a lead wire eυ. This kind of strain gauge a'h
(18, input terminal (to), output terminal ■, lead wire e)
are integrally formed by a thin film forming process such as vapor deposition or sputtering.

つぎに、第７図に基いて秤として機能させるための電気
的な接続状態を説明する。まず、第一のストレンゲージ
αのによる検出部−はｖｇなる電源（至）に接続されて
いる。そして、その検出部（イ）には零点設定器（ハ）
、ロードセル信号増幅器■、のコンバータ翰が順次接続
され、このＩＶ／Ｄコンバータ（ハ）にはＣＰＵ＠が接
続され、このＣＰＵｖ）にはキー（ハ）および表示部−
が接続されている。また、前記電源−にはリファレンス
増幅器（ト）、スパン設定器０力が順次接続され、この
スパン設定器０めは前記零点設定器（ハ）と前記Ａ／Ｄ
コンバータに）とに接続されている。しかして、前記検
出部（ロ）の出力はＶＬでちゃ、前記ロードセル信号増
幅器に）の出力はＶＩＮである。Next, the electrical connection state for functioning as a scale will be explained based on FIG. 7. First, the detection section of the first strain gauge α is connected to a power source vg. The detection part (a) is equipped with a zero point setter (c).
, load cell signal amplifier ■, and converter wires are connected in sequence, a CPU @ is connected to this IV/D converter (c), and a key (c) and a display unit are connected to this CPUv).
is connected. Further, a reference amplifier (G) and a span setter 0 are connected to the power supply in this order, and the span setter 0 is connected to the zero point setter (C) and the A/D.
converter) and connected to the converter. Therefore, the output of the detection section (b) is VL, and the output of the load cell signal amplifier (b) is VIN.

そして、このロードセル信号増幅器（ハ）の利得決定用
帰還回路網０■はＲ１ｅ　Ｒ４なる抵抗とともにＲｘな
る前記第二のストレンゲージａ峰により形成されている
。The gain determining feedback network 02 of this load cell signal amplifier (c) is formed by resistors R1e and R4 and the second strain gauge a peak Rx.

そこで、検出部（イ）の出力ＶＬとロードセル信号増幅
器（ホ）の出力ＶＩＮとの関係は次式で示される。Therefore, the relationship between the output VL of the detection section (a) and the output VIN of the load cell signal amplifier (e) is expressed by the following equation.

ここで、ロードセル信号増幅器（ハ）の利得Ｇは、句 でちゃ、ストレンゲージα梼がその抵抗値ＲｘをΔＲｘ
変化させたときの利得変化ｊＧをめると次式のようにな
る。Here, the gain G of the load cell signal amplifier (c) is simply expressed as the resistance value Rx of the strain gauge α is ΔRx
Subtracting the gain change jG when the gain is changed, the following equation is obtained.

したがって、Δいは次式のようになる。Therefore, Δ becomes as shown in the following equation.

ここで、ＲｘＯ値とｖＬの値とは、検出部（２）に印加
された荷重が全て有効成分とは々らずに無効成分が発生
する。これによって、ＶＬの値は一ΔｖＬだけ変化する
ことになる。この変化率を−ａＶＬ／ＶＬとする。Here, in the RxO value and the value of vL, the load applied to the detection unit (2) is not entirely an effective component, but an inactive component is generated. As a result, the value of VL changes by one ΔvL. Let this rate of change be -aVL/VL.

この無効成分をＲｘにより検出し、無効成分によるＶＬ
の変化を補正することが本発明の特長である。This invalid component is detected by Rx, and VL due to the invalid component is
A feature of the present invention is to correct for changes in .

そこで、　ｖＩＮの変化をみれば、第６図におけるＷＲ
に荷重があると第８図（ａｔのようＫなり、第６図にお
けるＷＬに荷重があると第８図伊）のようになる。Therefore, if we look at the change in vIN, we can see that WR in Figure 6
If there is a load on , the result will be as shown in Figure 8 (K as in at), and if there is a load on WL in Figure 6, the result will be as shown in Figure 8.

したがって、ｖＩＮの変化率をめると、となる。ここで
、ｌＶｊはΔＲｘに対して変化する方向が逆であるため
、 となる。Therefore, if we calculate the rate of change in vIN, we get: Here, since lVj changes in the opposite direction to ΔRx, the following equation is obtained.

しかして、ΔＶＩＮ／ＶＩＮ　＝　ｏとすることが荷重
印加位置の影響を受けない状態であるので、なる関係が
成立する。この式は、Ｒｘの変化でＶＬの変化を補正す
ることができることを示している。Therefore, since ΔVIN/VIN=o is a state in which the load is not affected by the load application position, the following relationship is established. This equation shows that changes in VL can be corrected by changes in Rx.

つぎに、実施例を示す。まず、ビーム（５）を高力アル
ミニウムとし、そのヤング率Ｅは７　Ｘ　１０’　Ｋｔ
／ｄであり、ビーム（５）の幅すは２０鱈、厚さｈは８
ｍとする。そして、８に４の荷重Ｗが応力中心ＬσＯか
らＷＲとして１５０ＩＩＩｌｉ（υの位置に作用してい
るものとする。Next, examples will be shown. First, the beam (5) is made of high-strength aluminum, and its Young's modulus E is 7 x 10' Kt.
/d, the width of the beam (5) is 20 mm, and the thickness h is 8
Let it be m. It is assumed that a load W of 8 to 4 is acting at a position of 150IIIli (υ) from the stress center LσO as WR.

この状態でＲｘに加わるモーメントは、Ｍ＝ＷＸＬＫな
る。一方、ビーム（５）に加わる応力σは、σ＝ＷＸＬ
／Ｚ　（Ｚは断面二次モーメントニーｂｈ３／１２テア
ル）である。εを歪量としたとき、σ＝εＥであるため
、ε＝　１．９　ｘ　１ｇ−’になり、ＩＲ／Ｒ＝　Ｋ
ε（Ｋはゲージファクタで信頼のおけるところは２が採
用される）なる関係式より、 ΔＲ ＝　２　Ｘ　１．９　ｘ　１０−’ ＝　３．８　Ｘ　１０−’　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・■となる
。The moment applied to Rx in this state is M=WXLK. On the other hand, the stress σ applied to the beam (5) is σ=WXL
/Z (Z is the second moment of area knee bh3/12teal). When ε is the amount of strain, σ = εE, so ε = 1.9 x 1g-', and IR/R = K
From the relational expression ε (K is a gauge factor and 2 is adopted where reliable), ΔR = 2 x 1.9 x 10-' = 3.8 x 10-' ...・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・■.

また、上述の条件でΔＶＩＮ／ＶＩＮを実測したところ
、がめられた。Furthermore, when ΔVIN/VIN was actually measured under the above conditions, it was found to be negative.

ここで、■式で示すＲ２＋　Ｒ１＋　Ｒｘ　ｌΔＲｘ／
Ｒｘを適当に選ぶことＫより、前述ＯＪＶＩＮ／’ＶＩ
Ｎ　＝　１／　３０００　Ｏ非直線性は補正することが
可能である。そこで、Ｒ，＝　１．８　ｋΩ、Ｒ，＝１
００Ω、Ｒｘ　＝　１３．９　ｋΩを選ぶことによシ、
■式の第１項の値が＋１／３０００　Ｋなり、第８図（
Ｇｌに示すような直線性の良好な状態が得られる。Here, R2+ R1+ Rx lΔRx/ shown by the formula ■
From selecting Rx appropriately, the above OJVIN/'VI
N = 1/3000 O nonlinearity can be corrected. Therefore, R, = 1.8 kΩ, R, = 1
By choosing 00Ω, Rx = 13.9 kΩ,
■The value of the first term in the equation is +1/3000 K, as shown in Figure 8 (
A state of good linearity as shown in Gl can be obtained.

つぎに、第９図に基づいて本発明の第二の実施例を説明
する。本実施例はロードセル信号増幅器（ハ）がＲ２＝
　Ｒ２’、Ｒｘ＝Ｒｘ’、ａｔ　＝　Ｂ１／の関係を有
する反転側と非反転側との利得決定用帰還回路網０■を
設けたものである。ここで、零点設定器（ハ）の出力を
ＶＢとしたとき、　ＶＩＮとＶＬとの関係は次式のよう
になる。Next, a second embodiment of the present invention will be described based on FIG. In this embodiment, the load cell signal amplifier (c) is R2=
A feedback circuit network 02 for determining the gain on the inverting side and the non-inverting side having the relationship R2', Rx=Rx', at=B1/ is provided. Here, when the output of the zero point setter (c) is set to VB, the relationship between VIN and VL is as shown in the following equation.

ここで、ＲｘがΔＲｘ％ＶＬがΔｖＬだけ変化したとき
のＶＩＮの変化ΔＶＩＮをめると次式のようになる。Here, by subtracting the change ΔVIN in VIN when Rx changes ΔRx%VL by ΔvL, the following equation is obtained.

したがって、ＶＩＮがΔＶＩＮだけ変化したときの変化
率をめると次式のようになる。Therefore, if we calculate the rate of change when VIN changes by ΔVIN, we get the following equation.

ここで、ΔＲｘに対してノＶＬは逆方向に変化するので
、−ｌＶｊとしてＩＶＩＨ／ＶＨ４＝　ｇとなる条件を
めると、 となる。この０式の関係を満足させるようにＲ，とＲｘ
とを選定すればΔｖＬ／′ＶＬを補正することができる
ものである。Here, VL changes in the opposite direction to ΔRx, so if -lVj is set, the condition that IVIH/VH4=g is set. R, and Rx so as to satisfy this relationship of equation 0.
By selecting .DELTA.vL/'VL, it is possible to correct .DELTA.vL/'VL.

なお、実施に当っては第一および第二のストレンゲージ
α′ｔ）α→のみならず利得決定用帰還回路網０→の抵
抗Ｒ１＋　Ｒ２をも含めて薄膜形成プロセスで同時に形
成してもよい。これによシ同一プロセス、同一工数で製
作でき、安価に製作できる。また、材質のバラツキが少
なく、たとえばＴＣＲ（抵抗温度係数）のバラツキは±
ｉｐｐｍ／℃以下の値が得られる。そのため、利得Ｇも
温度の影響を受けず安定しており、高精度な回路を形成
することができる。In addition, in practice, not only the first and second strain gauges α't)α→ but also the resistors R1+R2 of the gain determining feedback network 0→ may be formed simultaneously in the thin film forming process. . As a result, it can be manufactured using the same process and the same number of man-hours, and can be manufactured at low cost. In addition, there is little variation in material, for example, variation in TCR (temperature coefficient of resistance) is ±
A value of ippm/°C or less can be obtained. Therefore, the gain G is also stable without being affected by temperature, and a highly accurate circuit can be formed.

発明の効果 本発明は、上述のようにビームの片面にブリッジ回路を
形成する第一のストレンゲージを設けるとともにビーム
に作用するモーメントの影響で出力が非直線的になるの
を第二のストレンゲージによシ補正するようＫしたので
、ビームの片面のみにストレンゲージを形成しても高い
精度を保つことができ、これによシ、受皿のどの位置に
荷重を作用させても正確な測定値を得ることができるも
のである。Effects of the Invention The present invention provides a first strain gauge that forms a bridge circuit on one side of the beam as described above, and a second strain gauge that prevents the output from becoming non-linear due to the influence of the moment acting on the beam. Since the K is designed to compensate for the strain, high accuracy can be maintained even if the strain gauge is formed only on one side of the beam.This allows accurate measurement values to be obtained no matter where the load is applied on the saucer. This is something that can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は従来の一例を示す側面図、第２図はその荷重と
出力電圧との関係を示すグラフ、第３図は従来の他の例
の側面図、第４図（ａｌ　ｔ＄１　（Ｑ）はその荷重と
出力電圧との関係を示すグラフ、第５図は本発明の第一
の実施例を示すビームの斜視図、第６図は側面図、第７
図は回路図、第８図（ｅＬｌ　（４１（Ｃ１は荷重と出
力電圧との関係を示すグラフ、第９図は本発明の第二の
実施例を示す回路図である。 ５・・・ビーム、９〜１２・・・薄肉変形部、１３・・
・平行四辺形部、１７・・・第一のストレンゲージ、１
８・・・第二のストレンゲージ、ｚ５・・・ロードセル
信号増幅器、３２・・・利得決定用帰還回路網Fig. 1 is a side view of a conventional example, Fig. 2 is a graph showing the relationship between load and output voltage, Fig. 3 is a side view of another conventional example, and Fig. 4 (alt$1 ( Q) is a graph showing the relationship between the load and the output voltage, FIG. 5 is a perspective view of the beam showing the first embodiment of the present invention, FIG. 6 is a side view, and FIG.
The figure is a circuit diagram, FIG. , 9-12... Thin-walled deformed portion, 13...
・Parallelogram part, 17...first strain gauge, 1
8... Second strain gauge, z5... Load cell signal amplifier, 32... Feedback circuit network for determining gain

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １、　ビームに四個所の薄肉変形部を形成して荷重に応
じた変形をする平行四辺形部を形成し、前記ビームの片
面の薄肉変形部にのみブリッジ回路を形成する第一のス
トレンゲージを設けたものにおいて、前記ブリッジ回路
の出力の非直線性を補、　正する第二のストレンゲージ
を前記第一のストレンゲージと同一面上に設けたことを
特徴とするロードセル。 ２、　第二のストレンゲージをロードセル信号増幅器の
利得決定用帰還回路網に挿入したことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載のロードセル。 ３、第二のストレンゲージを引張り正側の第一のストレ
ンゲージと圧縮歪側の第一のストレンゲージとの間に位
置させて設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載のロードセル。 ４、第一のストレンゲージと第二のストレンゲージとを
蒸着やスパッタリング等の薄膜形成プロセスにより一体
的に形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のロードセル。[Scope of Claims] 1. Forming four thin-walled deformed parts in the beam to form a parallelogram part that deforms according to the load, and forming a bridge circuit only in the thin-walled deformed parts on one side of the beam. A load cell equipped with a first strain gauge, characterized in that a second strain gauge for compensating and correcting the nonlinearity of the output of the bridge circuit is provided on the same surface as the first strain gauge. . 2. The load cell according to claim 1, wherein a second strain gauge is inserted into a gain determining feedback circuit of the load cell signal amplifier. 3. The second strain gauge is provided between the first strain gauge on the positive tensile side and the first strain gauge on the compressive strain side. load cell. 4. The load cell according to claim 1, wherein the first strain gauge and the second strain gauge are integrally formed by a thin film forming process such as vapor deposition or sputtering.