JP3184839B2 - 計量システムのためのディスク形状トランスデューサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、互いに平行且つ測定さ
れるパワーの作用方向に対して平行に延在する表面を具
え、前記表面の少なくとも一つに、パワーに依存する奇
形を有効な信号に変換するための検出素子を設けている
計量システムのためのディスク形状トランスデューサに
関するものである。

【０００２】この種のトランスデューサは、検出素子を
具え、せん断応力の原理に従って作動する、計量システ
ムのためのロードセルの一部を構成する。

【０００３】

【従来の技術】この種のロードセルは、例えば刊行物 "
Compression Load Cells,1986 ", Revere Corp.of E
urope GmbH,6382 Friedrichsdorf 2,DE より既知であ
る。この引用刊行物に記載されているSSB タイプのロー
ドセルは、測定されるパワーの作用方向に対して直交す
る方向に開口を有する圧縮的な付加をかけられた部材を
具え、このほぼ中心にトランスデューサを配置してい
る。したがって、トランスデューサは、２個の対称的な
チャンバーに分離する仕切りを形成する。ディスク形状
トランスデューサの表面のほぼ中心に、検出素子として
機能するひづみゲージを設ける。ひづみゲージを電気的
に接続するために、測定されるパワーの作用方向に平行
に延在するトランスデューサの中心線に沿って、開口を
設ける。これらの開口は、トランスデューサのスチフネ
スを調整する役割も果たす。

【０００４】このようなロードセルの動作の正確性は、
トランスデューサの線形性、及び特にヒステリシスに依
存している。線形性は、実質的に幾何学的な構造によっ
てのみ決定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヒステ
リシス、すなわち奇形した部材の出力信号が先の奇形プ
ロセス、特に奇形の量及び方向に依存するということ
は、材料の特性であり、したがって、材料に依存してい
る。材料に依存するヒステリシス成分は、たとえ材料を
注意深く選択したとしても完全に取り除くことはできな
いため、既知のロードセルの正確性は、かなり制限され
ていた。このような欠点は、特に校正を行わなければな
らない場合に顕著である。

【０００６】更に既知のロードセルには、過負荷の場合
に所望の正確性を喪失してしまうという欠点がある。

【０００７】本発明の目的は、少なくとも１個の検出素
子を用いて検出を行う場合、準ヒステリシス解放状態の
校正可能有効信号を供給する、計量システムのためのト
ランスデューサを提供せんとするにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、互いに平行且つ測定されるパワーの作用方
向に対して平行に延在する表面を具え、前記表面の少な
くとも一つに、パワーに依存する奇形を有効な信号に変
換するための検出素子を設けている計量システムのため
のディスク形状トランスデューサにおいて、該トランス
デューサが、パワーの作用方向に平行な中心線と、これ
に直交する中心線とによって形成される４個のサブ・フ
ェイスを具え、一点のみで互いに隣接する前記サブ・フ
ェイスの中の少なくとも２個が、それぞれに小断面積部
分を具え、ヒステリシス効果を補償することを特徴とす
る。

【０００９】注目すべきことには、小断面積部分又は厚
さの薄い部分を具えている本発明によるトランスデュー
サの構成が、トランスデューサ内のパワーフラックスの
偏向度及び／又は集中度による材質依存ヒステリシスの
低減を行うのに好適であることを、試験によって確かめ
た。更に、本発明によるトランスデューサが、過負荷の
影響を特に受けないことが、過負荷試験によって確かめ
られた。このため、校正が必要とされる場合に極めて好
適に用いることのできるトランスデューサを実現するこ
とができる。

【００１０】本発明による他の例では、最大パワーフラ
ックス領域に位置する前記サブ・フェイスが、それぞれ
小断面積部分を具えることができる。ヒステリシス補償
効果を高めるために、択一的に前記サブ・フェイスの４
個すべてが、小断面積部分を具えていることができる。
本発明によるこのようなトランスデューサが、単に材質
依存ヒステリシス効果の補償を可能にするのみならず、
負のヒステリシス特性であるかのような検出素子特性を
実現できること明らかである。

【００１１】ヒステリシスを低減することによって、完
全な線形特性からの変位が極めて小さなトランスデュー
サを実現することができる。このことは、校正可能なト
ランスデューサの場合特に有利である。

【００１２】本発明による好適例では、トランスデュー
サが、円形形状部を有することができる。すなわち、ト
ランスデューサが、前記直交中心線の方向に互いに整列
している半円部分を具えることができる。

【００１３】円形断面を有する開口が前記小断面積部分
を構成することが好ましい。前記開口のそれぞれの中心
点が、前記中心線のいずれか一方に対して45度±15度の
角度をなす半径上に位置することが好ましい。前記サブ
・フェイス内の前記開口の直径が、前記円形トランスデ
ューサ又は前記半円部分の直径の10％〜30％であること
が好ましい。

【００１４】本発明による好適例では、パワーの作用方
向に平行に延在する中心線上の、前記トランスデューサ
の中心点の両側の縁部に、開口を設けることができる。
これらの開口のヒステリシス補償効果は限られたもので
ある。しかし、これらの開口は、トランスデューサの両
側の表面に配置することのできる、例えばひづみゲージ
として構成される検出素子のリード線のような、接続手
段を受け入れることができる。これらの開口は、トラン
スデューサのスチフネス、又は感度の調整も行う。この
ため、これらの開口の直径が、最大で前記円形トランス
デューサ又は前記半円部分の直径の40％であることが好
ましい。

【００１５】本発明による好適例では、トランスデュー
サが、円形トランスデューサを二分した２個の半円に対
応する２個の半円部分の間に、長方形部分を具えてい
る。本発明によるこの例では、中心線と、これと45度の
角度をなす半径と、前記長方形部分の対角線と、該対角
線から半径へと続く前記半円部分の円弧部分とで囲まれ
る領域内の、対応するサブ・フェイスに前記開口の中心
を設けることができる。

【００１６】好適例では、検出素子は、測定ブリッジ回
路として構成され、例えば薄膜技術を用いてひづみゲー
ジとしてトランスデューサの表面に設け、トランスデュ
ーサそれ自体を高品質材料で作ることができる。

【００１７】更に、本発明によるトランスデューサを、
すべての実用的なせん断応力ロードセルに用いることが
でき、またロードセルに統合することができる。

【００１８】

【実施例】以下図面を参照して本発明を実施例につき説
明するに、図１は、本発明によるディスク形状のトラン
スデューサを示す図である。このトランスデューサを、
ロードセル12の開口11の縁部に配置する。図示されてい
るロードセル12は、パワーＦを受けるせん断応力セルで
ある。溶接、接着、圧着などによって、トランスデュー
サ10を、ロードセル12の開口11に固定する。またこのト
ランスデューサ10は、相互に平行な表面14の各々のほぼ
中心に、それぞれ検出素子13を具えている。トランスデ
ューサ10とロードセル12とを統合して構成することもで
きる。

【００１９】検出素子13を測定ブリッジ回路として構成
し、例えば薄膜技術を用いて、ひずみゲージとしてトラ
ンスデューサ10の表面14上にたい積させる。これらは、
圧縮力による負荷を受けている部材、すなわちロードセ
ル12からトランスデューサ10に伝達されるパワーに依存
する奇形を、好適な電気的に有用な信号に変換する役割
を果たす。２個の表面14上に検出素子13を接続するため
に、慣例の開口15を、パワーＦの作用方向に平行に延在
する中心線17に沿って、トランスデューサ10の中心点16
の両側に設ける。開口15を、トランスデューサ10の縁部
領域に設けることが好ましい。このようにして、これら
は、トランスデューサ10のスチフネス又は感度を調整す
る。開口15の直径18は、最大で、好適円形トランスデュ
ーサ10の半径19（図２参照）の40％であることが好まし
い。

【００２０】トランスデューサ10を、中心線17と、これ
に直交する中心線20とで４個のサブ・フェイス21に細分
化する。互いに中心点16でのみ接触している、すなわち
互いに一点でのみ隣接している少なくとも２個のサブ・
フェイス21は、小断面積部分又は断面の厚さが薄い部分
を有している。トランスデューサ10それ自体の断面22
は、一定の厚さである（図２参照）。

【００２１】少なくとも、パワーＦの作用による、最大
パワーフラックスを受けるサブ・フェイス21は、小断面
積部分をそれぞれ有しているのが好ましい。４個のサブ
・フェイス21すべてに、小断面積部分を設けることも効
果的である。その理由は、このようにすることで、所望
のヒステリシス低減効果を増大させることができるから
である。

【００２２】トランスデューサ10の小断面積部分を、断
面が円形の開口23として形成することが好ましい。開口
23の中心点を、中心線17又は20に対する角度25が45度±
15度である半径24上に配置することが好ましい。この領
域を、図１及び図４において斜線にて示す。サブ・フェ
イス21の開口23の直径26は、円形トランスデューサ10又
は半円部分27の直径19の10％〜30％であることが好まし
い。

【００２３】図２は、図１のラインＢ−Ｂにおける断面
図である。図２は、トランスデューサ10を配置し固定す
るための開口11を中心に具えているロードセル12を明り
ょうに示す断面図である。断面22、すなわちトランスデ
ューサ10の厚さは、本来一定である。トランスデューサ
10の各表面14の中心に、各々検出素子13を設ける。検出
素子13の接続リード線（図示せず）を、トランスデュー
サ10の両表面14に通すことができるようにするために、
図に示されているように、検出素子13の上方と下方とに
開口15を設ける。これらの開口15は、トランスデューサ
10のスチフネス又は感度を調整するように機能する。図
１から図３に示されているロードセル12の形状は、単な
る一例であって、本発明によるトランスデューサ10を、
例えば図４に示されているような種々の形状の、他のロ
ードセル12に用いることができること明らかである。

【００２４】図３は、図１及び２に示されているロード
セルにほぼ対応するが、直交中心線20の方向の両端に半
円部分27を有し、半円部分27の間に長方形部分28を有す
るトランスデューサ10を具えているロードセル12を示す
図である。このようなロードセル12は、スチフネス又は
感度の観点から特に有効であり、対応させて拡大された
サブ・フェイス21内に、本発明による開口23を設けるこ
ともできる。開口23の中心点を、図３のサブ・フェイス
21の斜線領域30、すなわち直交中心線20と、これと45度
をなす半径24と、区分27の円弧部分と、長方形部分28の
対角線とによって囲まれる領域30内に配置することが好
ましい。しかし、長方形部分28の中心に配置される検出
素子13の領域は除外される。長方形部分28は、中心線20
に沿って長さ29を有する。

【００２５】検出素子13の測定グリッド、すなわちこれ
らの内部構造に基づき、許容領域30内の開口23の位置を
最適なものとする。開口15を除き、図２は、図３のライ
ンＣ−Ｃにおける断面図と一致している。

【００２６】既に述べたように、図４は、ロードセル12
の他の変形例を示す図である。ここで、図に示されてい
るように、ロードセル12は、正方形の構造であるが、円
形構造とすることができ、また本発明によるトランスデ
ューサ10を具えている。これは、いわゆるＳ字型ロード
セル12であり、圧縮力及び引張り力に対し特に好適であ
り、このようなパワーをスリットに類似する凹部31を介
して、せん断負荷 （shearing load ）に変換する。こ
のせん断負荷は、図１に示されているトランスデューサ
10にほぼ一致する、中心に配置されたトランスデューサ
10に作用する。

【００２７】検出素子13を、測定ブリッジ回路として構
成することができるとともに、これを、ひずみゲージと
して、例えば薄膜技術によりトランスデューサ10の表面
14上に設けることができ、トランスデューサそれ自体を
高品質材料で形成できること明らかである。

【００２８】図５は、ヒステリシス誤差を縦座標にプロ
ットし、パワーＦを横座標にプロットしている直交座標
系を示す図である。ヒステリシス誤差は、それぞれパワ
ーＦの最終的な値に関係している。矢印Ｄは、通常のヒ
ステリシス誤差の変化、すなわち本発明によるトランス
デューサ以外のトランスデューサに負荷をかけた場合の
ヒステリシスを示している。矢印Ｅは、本発明によるト
ランスデューサのヒステリシス誤差の変化を示してい
る。ヒステリシス誤差の変化が、本発明によるトランス
デューサ10では、完全に逆のものとできることが明りょ
うに示されている。したがって、矢印Ｅによる変化は、
ヒステリシス効果の過剰補償を示している。これら２個
の極端な場合の間の任意の中間的な場合は、本発明によ
る構造、例えば開口23の配置によって実現される。すな
わち、このようにして矢印Ｇで示されているヒステリシ
ス誤差の変化を実現することができ、トランスデューサ
10を準ヒステリシス解放状態とすることができる。

【００２９】結果的に、極めて小さな線形誤差を呈する
校正可能なロードセルを実現することができる。更に、
大きな過負荷も、ロードセルの正確性に影響を及ぼさな
い。すなわち通常、本発明によるトランスデューサ以外
のトランスデューサでは、このような過負荷によって、
ヒステリシスが永続的に増加してしまう。所定の大きさ
に対する感度を増加させるために、あらゆる場合におい
て開口15を設け、本発明による低ヒステリシス又はヒス
テリシス解放ロードセルが、図１に示されているように
６個の開口を有するようにできることに注意する。

【００３０】本発明は、ここに開示されている実施例に
限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲内で種
々の変形又は変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による円形トランスデューサを具えてい
る計量システムのロードセルを示す図である。

【図２】図１のラインＢ−Ｂにおける断面図を示す図で
ある。

【図３】変更したトランスデューサを具えている変形ロ
ードセルを示す図である。

【図４】本発明による円形トランスデューサを具えてい
るＳ字型ロードセルを示す図である。

【図５】測定すべきパワーの関数としてのヒステリシス
誤差を示す図である。

【符号の説明】

10 トランスデューサ 11 開口 12 ロードセル 13 検出素子 14 表面 15 開口 16 トランスデューサ10の中心点 17 中心線 18 開口15の直径 19 トランスデューサ10の直径 20 中心線17と直交する中心線 21 サブ・フェイス 22 トランスデューサ10の断面 23 開口 24 トランスデューサ10の半径 25 中心線17又は20に対してなす角度（45度±15度） 26 開口23の直径 27 半円部分 28 長方形部分 29 長方形部分28の中心線20に沿った長さ 31 凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−187205（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−101428（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−99837（ＪＰ，Ａ) 実開 昭48−2773（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭64−23637（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−174041（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4459863（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 1/22 G01G 3/14

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに平行且つ測定されるパワーの作用
   方向に対して平行に延在する表面を具え、前記表面の少
   なくとも一つに、パワーに依存する奇形を有効な信号に
   変換するための検出素子を設けている計量システムのた
   めのディスク形状トランスデューサにおいて、 該トランスデューサ（10）が、パワー（Ｆ）の作用方向
   に平行な中心線（17）と、これに直交する中心線（20）
   とによって形成される４個のサブ・フェイス（21）を具
   え、一点のみで互いに隣接する前記サブ・フェイスの中
   の少なくとも２個が、それぞれに小断面積部分を具え、
   ヒステリシス効果を補償するとともに、円形断面を有す
   る開口（23）が前記小断面積部分を構成し、該開口（2
   3）のそれぞれの中心点が、前記直交中心線（20）に対
   して45度±15度の角度（25）をなす半径（24）上に位置
   することを特徴とするトランスデューサ。
2. 【請求項２】 最大パワーフラックス領域に位置する２
   個の前記サブ・フェイス（21）が、それぞれ小断面積部
   分を具えていることを特徴とする請求項１に記載のトラ
   ンスデューサ。
3. 【請求項３】 前記サブ・フェイス（21）の４個すべて
   が、小断面積部分を具えていることを特徴とする請求項
   ２に記載のトランスデューサ。
4. 【請求項４】 前記トランスデューサ（10）が、前記直
   交中心線（20）の方向に互いに整列している半円部分
   （27）から成っていることを特徴とする請求項３に記載
   のトランスデューサ。
5. 【請求項５】 前記サブ・フェイス（21）内の前記開口
   （23）の直径（26）が、前記半円部分（27）の直径の10
   ％〜30％であることを特徴とする請求項４に記載のトラ
   ンスデューサ。
6. 【請求項６】 パワー（Ｆ）の作用方向に平行に延在す
   る中心線（17）上の、前記トランスデューサ（10）の中
   心点の両側の縁部に、開口（15）を設け、表面（14）の
   両側に配置される検出素子（13）の接続リード線を受け
   入れるとともに、トランスデューサ（10）のスチフネ
   ス、又は感度を調整するように構成することを特徴とす
   る請求項５に記載のトランスデューサ。
7. 【請求項７】 前記中心線（17）上の前記開口（15）の
   直径（18）が、最大で前記半円部分（27）の直径の40％
   であることを特徴とする請求項６に記載のトランスデュ
   ーサ。
8. 【請求項８】 前記トランスデューサ（10）が、前記半
   円部分（27）の間に、長さ（29）を有する長方形部分
   （28）を具え、且つ中心線（20）と、これと45度の角度
   をなす半径（24）と、前記長方形部分（28）の対角線
   と、該対角線から半径（24）へと続く前記半円部分（2
   7）の円弧部分とで囲まれる領域（30）内の、対応して
   拡大されたサブ・フェイス（21）に前記開口（23）を設
   けることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記
   載のトランスデューサ。