JPH08128905A - ロードセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 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、感度の低下を招くことなく固有振動数を高めるよう
にすることを特的とする。 【構成】 固定剛体部と可動剛体部との間に架設された
上下２本のビーム部に、それぞれ２箇所の歪発生部を設
ける。その場合に、例えば上側のビーム部５の歪発生部
５ａの縦断面形状を、該歪発生部５ａ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
での距離が不等となる凸形に形成すると共に、該中立面
ｃから遠い上面側にストレインゲージ８を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、ノッチピッチＬを小さくするか、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面に上
記歪検出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、６
０ｍｍ、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０．６０
ｍｍに設定すると共に、ロードセルの定格荷重を６．０
Ｋｇｆ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１
５ｍｍ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、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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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。