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公開番号2024162580
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-21
出願番号2023078228
出願日2023-05-10
発明の名称物理量検出用変換器
出願人株式会社共和電業
代理人個人
主分類G01L 1/22 20060101AFI20241114BHJP(測定;試験)
要約【課題】起歪部へのひずみゲージの添着作業の容易化、確実化を図ると共に、必要な剛性を維持しつつ、高感度且つ高精度の物理量検出用変換器の実現を図る。
【解決手段】この物理量検出用変換器1は、円柱状を呈する剛性大なる負荷導入部2と、この負荷導入部2との間に一定の間隔を存して囲繞する負荷支持部3と、この負荷導入部2および負荷支持部3に、その内端および外端がそれぞれ一体に連接された起歪部5とをもって基本的構成が形成されている。
負荷が印加される面側に、第1および第2の円弧状環状溝5aおよび5bが所定の関係の板厚をもって形成される。負荷が印加される面の反対側の2つの円弧状環状溝5a、5bの対応位置に添着されたひずみゲージをもって形成されるブリッジ回路から、物理量に対応した高感度且つ高精度の出力を得る。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
柱状を呈し軸中心が負荷軸と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部と、
所定の間隔を存して前記負荷導入部の周囲を囲繞するように形成された短円筒状を呈する剛性大なる負荷支持部と、
前記負荷導入部から放射方向に伸び、その内端が前記負荷導入部に一体に連接され、その外端が前記負荷支持部の一端に一体に連接され、前記負荷支持部の他端が開口され前記負荷支持部が支持された状態で前記負荷導入部に負荷軸に沿う方向に負荷が作用されたとき弾性変形するダイヤフラム状を呈する起歪部からなり、
前記起歪部に添着されたひずみゲージによって起歪部に加わる負荷の大きさを検出する物理量検出用変換器であって、
前記起歪部に生じる半径方向のひずみが最大となる位置および最小となる位置の近傍に第１および第２の円弧状環状溝を前記起歪部の外面側に形成し、
前記第１および前記第２の円弧状環状溝に対応させて前記起歪部の内面側に第１および第２のひずみゲージを複数添着し、前記第１および前記第２のひずみゲージをホイートストンブリッジ回路の互いに隣接する辺にそれぞれ回路接続し、
前記第１および前記第２の円弧状環状溝の板厚を、所定の関係をもって設定することにより、大きな変形による非直線性を前記ホイートストンブリッジ回路により相殺し得るように構成したことを特徴とする物理量検出用変換器。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記負荷支持部の前記開口の内径Ｄの大きさを、
１９ｍｍ≦Ｄ＜３０ｍｍ・・・（１）
前記第１および前記第２の円弧状環状溝の谷底の前記負荷軸を中心とした直径の大きさをＬ１およびＬ２としたとき、
０．３Ｄ≦Ｌ１≦０．５Ｄ・・・（２）
０．５Ｄ≦Ｌ２≦０．８Ｄ・・・（３）
上記（１）～（３）式を満足するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の物理量検出用変換器。
【請求項３】
前記負荷支持部の前記開口の内径Ｄの大きさを、
１９ｍｍ≦Ｄ＜３０ｍｍ・・・（１）
前記第１および前記第２の円弧状環状溝が形成された部位の前記起歪部の板厚をそれぞれｔ１およびｔ２とし、前記起歪部５の板厚をｔ３としたとき、
０．５ｍｍ≦ｔ１≦２．０ｍｍ・・・（４）
０．５ｍｍ≦ｔ２≦２．０ｍｍ・・・（５）
１．５ｍｍ＜ｔ３＜２．９ｍｍ・・・（６）
上記（１）、（４）および（６）式を満足するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の物理量検出用変換器。
【請求項４】
前記第１および前記第２の円弧状環状溝が形成された部位の前記起歪部の板厚ｔ１およびｔ２を、
ｔ１＜ｔ２・・・（７）
なる関係に設定することにより、
高感度化と非直線性の良好化を実現し得るように構成したことを特徴とする請求項３に記載の物理量検出用変換器。
【請求項５】
請求項１に記載の物理量検出用変換器の設計手法であって、前記起歪部と、該起歪部の内端に連接された剛性大なる負荷導入部と、前記起歪部の外端に連接された剛性大なる前記負荷支持部とからなる有限要素法で要素分割したモデルを設け、前記モデルに負荷を印加して、応力解析を行い、前記起歪部に生じる半径方向ひずみが最大および最小になる位置を求め、該位置を前記起歪部の外面側に形成する前記第１および前記第２の円弧状環状溝の谷底としていることを特徴とする物理量検出用変換器の設計手法。
【請求項６】
前記負荷導入部を荷重導入部とし、前記負荷支持部側に蓋体を付加して荷重支持部とした荷重変換器として使用し得るように構成したことを特徴とする請求項１～４のうちのいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。
【請求項７】
前記負荷導入部に受圧ダイヤフラムの中心部を連結し、前記受圧ダイヤフラムの周辺部を前記負荷支持部に気密に連接し、圧力変換器として使用し得るように構成したことを特徴とする請求項１～４のうちのいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量検出用変換器に関し、より詳しくは、荷重変換器、圧力変換器等に適用し、その特性を改善し得る物理量検出用変換器に関するものである。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
従来の物理量検出用変換器は、基本的に、柱状を呈し軸中心が負荷軸と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部と、
所定の間隔を存して前記負荷導入部の周囲を囲繞するように形成された短円筒状を呈する剛性大なる負荷支持部と、
前記負荷導入部から放射方向に伸び、その内端が前記負荷導入部に一体に連接され、その外端が前記負荷支持部の一端に一体に連接され、前記負荷支持部の他端が開口され前記負荷支持部が支持された状態で前記負荷導入部に負荷軸に沿う方向に負荷が作用されたとき弾性変形するダイヤフラム状を呈する起歪部からなり、
前記起歪部に添着されたひずみゲージによって起歪部に加わる負荷の大きさを検出するように構成されている。
【０００３】
このように構成された物理量検出用変換器（以下、単に「変換器」という場合がある）は、ダイヤフラム型の変換器と称されているがダイヤフラム即ち、起歪部の形状としては、例えば、特許文献１（特開２００４－３４７３８１号公報）および特許文献２（特開平１１－２１１５８９号公報）にそれぞれ示されたものがある。
例えば、特許文献１の図２、図３に示される変換器は、負荷導入部への負荷が印加される側とは反対側の起歪部の下面に断面逆Ｖ字状を呈する周回溝を形成し、前記逆Ｖ字状の周回溝の斜面にひずみゲージを添着した構成とされている。このように構成された特許文献１の変換器においては、負荷導入部と起歪部との連接部に集中する応力が緩和され、小型で高感度変換器が実現できるとされている。
【０００４】
また、特許文献２に示される変換器は、負荷導入部への負荷が印加される側の起歪部の面（上面）に断面Ｖ字状を呈する周回溝を、起歪部に生じる半径方向応力が零になる位置に形成し、前記Ｖ字状周回溝が形成された反対側（下面側）の面にひずみゲージを添着した構成とされている。
そして、このように構成することで、荷重導入部に偏心荷重が作用した場合でも、誤差がキャンセルされるため直線性やヒステリシスの負荷特性の良好な変換器が得られ、低容量から大容量まで精度の高い耐圧防爆構造型ロードセルが製造できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２００４－３４７３８１号公報
特開平１１－２１１５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の変換器は、起歪部の内面側（下面側）に形成された逆Ｖ字状周回溝のＶ字面にひずみケージを添着する作業であるため、ひずみゲージ貼り作業に高度の熟練技術を要し、ゲージ接着のズレが発生し易く、作業性の観点から接着剤も粒度の高い接着剤を用いる必要がある、という難点があり、さらには、形状が複雑で加工難易度が高く、特に低容量（２００Ｎ以下）のものは、加工が困難であり、加工可能な業者が限られる、等の課題もある。
【０００７】
また、特許文献２の変換器は、Ｖ字溝が、負荷導入部への負荷が印加される側の起歪部の上面に形成される点で加工が容易であり且つひずみゲージを、Ｖ字状周回溝が形成された面とは反対側の平面部に添着するので、ひずみゲージ貼り作業の困難性は緩和されるものの、Ｖ字状周回溝の谷底ではなく、谷底からずれた斜面の両側の対応する部位、即ち、起歪部の厚さが連続して変化する部位に添着するものであるため、特に、半径方向のひずみゲージの添着位置のずれによる出力特性への影響が大きく現れ、精度のバラツキが懸念されるものと推測される。
従って、特許文献１および特許文献２においては、非直線性の改善や高感度化について解決すべき課題が残されている。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、第１に、起歪部へのひずみゲージの添着を、容易且つ正確に行い得ること、
第２には、必要な剛性を有し且つ良好な直線性を実現し得ること、
第３に、起歪部上へのひずみゲージの添着位置および円弧状環状溝の厚さ寸法の設定を、試行錯誤的なものから、効率的に且つ正確な設定を実現し得る物理量検出用変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、上記の第１～第３の目的を達成するために、請求項１に記載の物理量検出用変換器は、
柱状を呈し軸中心が負荷軸と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部と、
所定の間隔を存して前記負荷導入部の周囲を囲繞するように形成された短円筒状を呈する剛性大なる負荷支持部と、
前記負荷導入部から放射方向に伸び、その内端が前記負荷導入部に一体に連接され、その外端が前記負荷支持部の一端に一体に連接され、前記負荷支持部の他端が開口され前記負荷支持部が支持された状態で前記負荷導入部に負荷軸に沿う方向に負荷が作用されたとき弾性変形するダイヤフラム状を呈する起歪部からなり、
前記起歪部に添着されたひずみゲージによって起歪部に加わる負荷の大きさを検出する物理量検出用変換器であって、
前記起歪部に生じる半径方向のひずみが最大となる位置および最小となる位置の近傍に第１および第２の円弧状環状溝を前記起歪部の外面側に形成し、
前記第１および前記第２の円弧状環状溝に対応させて前記起歪部の内面側に第１および第２のひずみゲージを複数添着し、前記第１および前記第２のひずみゲージをホイートストンブリッジ回路の互いに隣接する辺にそれぞれ回路接続し、
前記第１および前記第２の円弧状環状溝の板厚を、所定の関係をもって設定することにより、大きな変形による非直線性を前記ホイートストンブリッジ回路により相殺し得るように構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、
柱状を呈し軸中心が負荷軸と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部と、
所定の間隔を存して前記負荷導入部の周囲を囲繞するように形成された短円筒状を呈する剛性大なる負荷支持部と、
前記負荷導入部から放射方向に伸び、その内端が前記負荷導入部に一体に連接され、その外端が前記負荷支持部の一端に一体に連接され、前記負荷支持部の他端が開口され前記負荷支持部が支持された状態で前記負荷導入部に負荷軸に沿う方向に負荷が作用されたとき弾性変形するダイヤフラム状を呈する起歪部からなり、
前記起歪部に添着されたひずみゲージによって起歪部に加わる負荷の大きさを検出する物理量検出用変換器であって、
前記起歪部に生じる半径方向のひずみが最大となる位置および最小となる位置の近傍に第１および第２の円弧状環状溝を前記起歪部の外面側に形成し、
前記第１および前記第２の円弧状環状溝に対応させて前記起歪部の内面側に第１および第２のひずみゲージを複数添着し、前記第１および前記第２のひずみゲージをホイートストンブリッジ回路の互いに隣接する辺にそれぞれ回路接続し、
前記第１および前記第２の円弧状環状溝の板厚を、所定の関係をもって設定することにより、大きな変形による非直線性を前記ホイートストンブリッジ回路により相殺し得るように構成したことにより、
第１には、ひずみゲージを起歪部に添着する作業が容易且つ正確に行うことができ、
第２には、必要な剛性を有し高感度且つ直線性に優れた高精度の物理量検出用変換器を提供することができ、
第３に、起歪部上へのひずみゲージの添着位置および円弧状環状溝の厚さ寸法の設定を正確に且つ迅速効率的に行い得る物理量検出用変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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