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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024162580
(43)【公開日】2024-11-21
(54)【発明の名称】物理量検出用変換器
(51)【国際特許分類】
G01L 1/22 20060101AFI20241114BHJP
【ＦＩ】
G01L1/22 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023078228
(22)【出願日】2023-05-10
(71)【出願人】
【識別番号】000142067
【氏名又は名称】株式会社共和電業
(74)【代理人】
【識別番号】100082636
【弁理士】
【氏名又は名称】真田 修治
(72)【発明者】
【氏名】森 祐真
(72)【発明者】
【氏名】高部 真彰
(72)【発明者】
【氏名】金丸 始
【テーマコード（参考）】
2F049
【Ｆターム（参考）】
2F049BA13
2F049CA04
(57)【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
【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。
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。
【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。
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。
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。
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。
【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。
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。
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。
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】
【特許文献1】特開２００４－３４７３８１号公報
【特許文献2】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。
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。
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。
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。
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】
【図1】本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の断面構成を示す縦断面図である。
【図3】本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の外観構成を示す正面図である。
【図4】本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の外観構成を示す平面図である。
【図5】本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の起歪部上における第１および第２の円弧状環状溝の半径方向位置と該溝部の板厚の関係を示す部分図であり、図６のＹ－Ｙ線矢視方向から見た部分断面図である。
【図6】本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の起歪部におけるひずみゲージの添着状態を示す説明図である。
【図8】本発明の第１の実施の形態に係る第１の実施例の物理量検出用変換器における第２の円弧状環状溝の板厚を実現させた場合のひずみと非直線性の関係を示す特性図である。
【図9】本発明の第１の実施の形態に係る第２の実施例の物理量検出用変換器における第２の円弧状環状溝の板厚を実現させた場合のひずみと非直線性の関係を示す特性図である。
【図10】本発明の第１の実施の形態に係る第３の実施例の物理量検出用変換器における第２の円弧状環状溝の板厚を実現させた場合のひずみと非直線性の関係を示す特性図である。
【図11】本発明の第１の実施の形態に係る第４の実施例の物理量検出用変換器における第２の円弧状環状溝の板厚を実現させた場合のひずみと非直線性の関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施の形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、実施の形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが、発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0013】
〔第１の実施の形態〕
次に、本発明に係る物理量検出用変換器の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の断面構成を示す縦断面図、図２は、図１のＸ－Ｘ線矢視方向より見た断面図、図３は、本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の外観構成を示す正面図、図４は、本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の外観構成を示す平面図である。
図１～図４において、１は、物理量検出用変換器であり、材質としては、この場合、ステンレス銅（例えば、ＳＵＳ６３０）を用いて形成されている。この物理量検出用変換器は、全体的に円柱状を呈し、軸中心が負荷軸４と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部２と、この負荷導入部２との間に、所定の間隔を存して、その負荷導入部２の周囲を囲繞するように形成された負荷支持部３と、負荷導入部２から放射方向に伸び、その内端が負荷導入部２に一体に連接され、その外端が負荷支持部３に一体に連接され、負荷支持部３が支持された状態で、負荷導入部２に負荷軸４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５とからなっている。
次に、本発明に係る物理量検出用変換器の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の断面構成を示す縦断面図、図２は、図１のＸ－Ｘ線矢視方向より見た断面図、図３は、本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の外観構成を示す正面図、図４は、本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の外観構成を示す平面図である。
図１～図４において、１は、物理量検出用変換器であり、材質としては、この場合、ステンレス銅（例えば、ＳＵＳ６３０）を用いて形成されている。この物理量検出用変換器は、全体的に円柱状を呈し、軸中心が負荷軸４と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部２と、この負荷導入部２との間に、所定の間隔を存して、その負荷導入部２の周囲を囲繞するように形成された負荷支持部３と、負荷導入部２から放射方向に伸び、その内端が負荷導入部２に一体に連接され、その外端が負荷支持部３に一体に連接され、負荷支持部３が支持された状態で、負荷導入部２に負荷軸４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５とからなっている。
【0014】
特に、負荷導入部２の負荷が印加される側（図１～図３において上面側）の起歪部５には、２つの断面円弧状を呈する２つの凹溝が形成されており、負荷導入部２に負荷軸４に沿う方向に負荷が印加されたとき、起歪部５に生じる半径方向のひずみが最大になる第１の位置（直径Ｌ１の位置：図５参照）に第１の円弧状環状溝５ａが形成され、半径方向のひずみが最小となる第２の位置（直径Ｌ２の位置：図５参照）に、第２の円弧状環状溝５ｂが形成されている。
この第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂは、所定厚の起歪部５の上面側から、直径Ｌ１の位置および直径Ｌ２の位置において、所定の深さの円弧状環状溝（この場合、半円球状座繰り穴）が削成される。
また、起歪部５の負荷が印加される面側とは反対側の平面部に、例えば、図２、図５、図６に示すように、検知素子としてのひずみゲージが、接着、蒸着、スパッタリング、融着、その他の手段により添着されている。
この第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂは、所定厚の起歪部５の上面側から、直径Ｌ１の位置および直径Ｌ２の位置において、所定の深さの円弧状環状溝（この場合、半円球状座繰り穴）が削成される。
また、起歪部５の負荷が印加される面側とは反対側の平面部に、例えば、図２、図５、図６に示すように、検知素子としてのひずみゲージが、接着、蒸着、スパッタリング、融着、その他の手段により添着されている。
【0015】
尚、ここでは、検知素子として箔または線状のひずみゲージを一例として説明するが、これに限らず、スパッタゲージ、光ファィバピエゾ抵抗効果により抵抗値が変化する素子等、起歪部５のひずみを検知し、印加される負荷の大きさに対応した信号を出力するものであれば、すべて適応可能である。
図１～図３に示すように、物理量検出用変換器１の負荷支持部３の内面側には、所定の直径を有する空洞部６が穿設されており、その下端近傍には、雌ねじ３ｂが形成されている。この負荷支持部３の内面に形成された雌ねじ３ｂに、下端側から台座７の雄ねじ７ａがねじ込まれることにより、負荷支持部３と台座７が一体化され、溶接をすることにより、空洞部６は、外気と遮断され密封化される。
図１～図３に示すように、物理量検出用変換器１の負荷支持部３の内面側には、所定の直径を有する空洞部６が穿設されており、その下端近傍には、雌ねじ３ｂが形成されている。この負荷支持部３の内面に形成された雌ねじ３ｂに、下端側から台座７の雄ねじ７ａがねじ込まれることにより、負荷支持部３と台座７が一体化され、溶接をすることにより、空洞部６は、外気と遮断され密封化される。
【0016】
ただし、図１に示すように、負荷支持部３の側壁部に、電気ケーブルの挿通孔３ａが穿設されているが、この電気ケーブル挿通孔３ａには、図示は省略するが、金属製スリーブが嵌装され且つその周囲が、例えばＴＩＧ溶接により封着されるものとする。
この金属製スリーブの内部には、気密端子を有する雄レセプタクルが嵌装され、且つ両者の接合部にはＯリングが介挿され封止されるものとする。
このような構成となっていることから、空洞部６は、外気と遮断され、例えば、後述するひずみゲージや内部の回路部品は、気密に保持され外部の湿気から確実に遮断され酸化の促進が抑制されることになる。
さらに、負荷支持部３の下端と、台座７の上端が接合された部分の外周を、溶接またはろう付けなどの手段によって封着されさらに気密状態が維持されるように構成されている。
この金属製スリーブの内部には、気密端子を有する雄レセプタクルが嵌装され、且つ両者の接合部にはＯリングが介挿され封止されるものとする。
このような構成となっていることから、空洞部６は、外気と遮断され、例えば、後述するひずみゲージや内部の回路部品は、気密に保持され外部の湿気から確実に遮断され酸化の促進が抑制されることになる。
さらに、負荷支持部３の下端と、台座７の上端が接合された部分の外周を、溶接またはろう付けなどの手段によって封着されさらに気密状態が維持されるように構成されている。
【0017】
次に、図２、図５～図７を参照して起歪部５に添着されたひずみゲージによって起歪部５に加わる負荷の大きさを検出する物理量検出用変換器について、説明する。
先ず、図５において、起歪部５に生じる半径方向のひずみが、最大になる位置ａ点および最小となる位置ｂ点を通る、負荷軸４を中心とした２つの直径Ｌ１およびＬ２からなる第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂを起歪部５の負荷が印加される側（外面側）に削成する。
上記第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂに対応させて、起歪部５の内側面（下側面）に第１のひずみゲージ（Ｇ１、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７）および第２のひずみゲージ（Ｇ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８）をそれぞれ図６に示すように、複数添着し、第１のひずみゲージ（Ｇ１、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７）および第２のひずみゲージ（Ｇ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８）を図７に示すように、ホイートストンブリッジ回路の互いに隣接する対向辺にそれぞれ回路接続してなるものである。
先ず、図５において、起歪部５に生じる半径方向のひずみが、最大になる位置ａ点および最小となる位置ｂ点を通る、負荷軸４を中心とした２つの直径Ｌ１およびＬ２からなる第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂを起歪部５の負荷が印加される側（外面側）に削成する。
上記第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂに対応させて、起歪部５の内側面（下側面）に第１のひずみゲージ（Ｇ１、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７）および第２のひずみゲージ（Ｇ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８）をそれぞれ図６に示すように、複数添着し、第１のひずみゲージ（Ｇ１、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７）および第２のひずみゲージ（Ｇ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８）を図７に示すように、ホイートストンブリッジ回路の互いに隣接する対向辺にそれぞれ回路接続してなるものである。
【0018】
即ち、第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７は、負荷軸４を中心とした内側の直径Ｌ１からなる同心円上に９０°間隔で受感軸を放射方向に向けて第１の円弧状環状溝（以下、「内側溝」と称する場合がある）５ａに添着されている。
他方、第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８は、負荷軸４を中心とした、外側の直径Ｌ２からなる同心円上に９０°間隔で受感軸を放射方向に向けて第２の円弧状環状溝５ｂ（以下、「外側溝」と称する場合がある）に添着されている。
このようにして、起歪部５上に添着された第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７は、図７に示すホイートストンブリッジ回路の一辺と、その対辺にそれぞれ接続され、第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８は、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される。
他方、第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８は、負荷軸４を中心とした、外側の直径Ｌ２からなる同心円上に９０°間隔で受感軸を放射方向に向けて第２の円弧状環状溝５ｂ（以下、「外側溝」と称する場合がある）に添着されている。
このようにして、起歪部５上に添着された第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７は、図７に示すホイートストンブリッジ回路の一辺と、その対辺にそれぞれ接続され、第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８は、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される。
【0019】
図７に示すホイートストンブリッジ回路は、入力端Ａ－Ｂ間に、所定の電圧ｅｉのブリッジ電圧を印加した状態で負荷軸４に沿って測定すべき物理量（例えば、荷重）が負荷されたとき、その負荷に応じて第１および第２のひずみゲージがそれぞれ抵抗値を変化し、出力端から物理量に応じた電圧ｅｏとして検出するものである。
上記ホイートストンブリッジ回路からの信号線や電源供給線等（図示省略）は、上記電気ケーブル挿通孔３ａから導出されるが、上述したように、電気ケーブル挿通孔３ａは、図示しない金属製スリーブが嵌装され且つ封着される。
上記ホイートストンブリッジ回路からの信号線や電源供給線等（図示省略）は、上記電気ケーブル挿通孔３ａから導出されるが、上述したように、電気ケーブル挿通孔３ａは、図示しない金属製スリーブが嵌装され且つ封着される。
【0020】
上記のように構成された第１の実施の形態の物理量検出用変換器の動作（作用）について説明する。
物理量検出用変換器１の負荷支持部３と一体化された台座７側が不動部に固定され、負荷導入部２に負荷軸４に沿う方向、この場合、図中、下方向に圧縮力が作用したとすると、負荷は、負荷導入部２から起歪部５を介して負荷支持部３へと伝達されるが、負荷支持部３は、台座７を介して不動部に支持されているから、可撓性を有する起歪部５にて、その負荷を受けて、その負荷に対応したひずみ（変形）を生じる。このひずみは、起歪部５の負荷導入部２に近い第１の円弧状溝５ａの対向面に添着されたひずみゲージＧ１、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７の部位においては最大となる。
また、このひずみは、起歪部５の負荷導入部２から離れた第２の円弧状環状溝５ｂの対向面に添着されたひずみゲージＧ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８の部位おいては、最小となる。
物理量検出用変換器１の負荷支持部３と一体化された台座７側が不動部に固定され、負荷導入部２に負荷軸４に沿う方向、この場合、図中、下方向に圧縮力が作用したとすると、負荷は、負荷導入部２から起歪部５を介して負荷支持部３へと伝達されるが、負荷支持部３は、台座７を介して不動部に支持されているから、可撓性を有する起歪部５にて、その負荷を受けて、その負荷に対応したひずみ（変形）を生じる。このひずみは、起歪部５の負荷導入部２に近い第１の円弧状溝５ａの対向面に添着されたひずみゲージＧ１、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７の部位においては最大となる。
また、このひずみは、起歪部５の負荷導入部２から離れた第２の円弧状環状溝５ｂの対向面に添着されたひずみゲージＧ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８の部位おいては、最小となる。
【0021】
これらのひずみゲージG１～Ｇ８は、図７に示すように結線されて、ホイートストンブリッジ回路（以下、「ブリッジ回路」と略称する）が形成され、入力端子Ａ、Ｂを介して接続点ａ、ｂ間に所定電圧（通常は、２Ｖ）のブリッジ電圧ｅｉが印加されると、接続点ｃ、ｄ間からはひずみ量に応じた出力電圧ｅｏが検出される。
荷重変換器のようなダイヤフラムを有した変換器に荷重を負荷したとき、板厚に対して変位量が大きい場合、大たわみ理論で定義されているように、荷重とひずみの相関が直線的にならない、即ち、相関関係が非直線となる。
起歪部５のひずみが最大となる第１の円弧状環状溝５ａの対向面（直下）に添着されたひずみゲージＧ1、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７と、ひずみが最小となる第２の円弧状環状溝５ｂの対向面（直下）に添着されたひずみゲージＧ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８でブリッジ回路を形成することで、大容量の変換器においては、対辺同士のひずみゲージの非直線性は、比較的相殺する関係を生じるが、中容量（ここでは、「５００Ｎ～２ＫＮの変換器」を指すこととする）においては、第１の円弧状環状溝５ａと第２の円弧状環状溝５ｂに添着されたひずみゲージの非直線量が異なることから、相殺しきれない分の非直線性が発生する。
荷重変換器のようなダイヤフラムを有した変換器に荷重を負荷したとき、板厚に対して変位量が大きい場合、大たわみ理論で定義されているように、荷重とひずみの相関が直線的にならない、即ち、相関関係が非直線となる。
起歪部５のひずみが最大となる第１の円弧状環状溝５ａの対向面（直下）に添着されたひずみゲージＧ1、Ｇ３、Ｇ５、Ｇ７と、ひずみが最小となる第２の円弧状環状溝５ｂの対向面（直下）に添着されたひずみゲージＧ２、Ｇ４、Ｇ６、Ｇ８でブリッジ回路を形成することで、大容量の変換器においては、対辺同士のひずみゲージの非直線性は、比較的相殺する関係を生じるが、中容量（ここでは、「５００Ｎ～２ＫＮの変換器」を指すこととする）においては、第１の円弧状環状溝５ａと第２の円弧状環状溝５ｂに添着されたひずみゲージの非直線量が異なることから、相殺しきれない分の非直線性が発生する。
【0022】
そこで、本発明者らは、この問題を解決するべく、鋭意探求し、ひずみの非直線量が起歪部の板厚と相関があることに着目し、第１の円弧状環状溝と第２の円弧状環状溝の板厚を変化させることにより、上記両方の環状溝に添着されたひずみゲージの非直線の量と同程度に抑制し、ブリッジ回路上で非直線量を相殺させることにより、発生する非直線性を的確に低減させることを実現した。
【0023】
以下、図５を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器における実施例について説明する。
図５において、本実施例に係る物理量検出用変換器は、５００Ｎ～２ＫＮの中容量の範疇に属するもので、負荷支持部３の空洞部６の内径Ｄが、例えば、下記（１）式に
１９ｍｍ ≦ Ｄ ＜ ３０ｍｍ …… （１）
に該当するものを対象とする。
そして、負荷軸４を中心とする、第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂの中心を通る円の直径を、それぞれＬ１およびＬ２としたとき、下記（２）、（３）式を満足するものとする。
図５において、本実施例に係る物理量検出用変換器は、５００Ｎ～２ＫＮの中容量の範疇に属するもので、負荷支持部３の空洞部６の内径Ｄが、例えば、下記（１）式に
１９ｍｍ ≦ Ｄ ＜ ３０ｍｍ …… （１）
に該当するものを対象とする。
そして、負荷軸４を中心とする、第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂの中心を通る円の直径を、それぞれＬ１およびＬ２としたとき、下記（２）、（３）式を満足するものとする。
【0024】
０．３Ｄ ≦ Ｌ１ ≦ ０．５Ｄ …… （２）
０．５Ｄ ≦ Ｌ２ ≦ ０．８Ｄ …… （３）
さらに、第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂが形成された部位の起歪部５の板厚を、それぞれｔ１およびｔ２とし、上記環状溝５ａおよび５ｂが形成されていない起歪部５の厚さをｔ３としたとき、
下記（４）式、（５）式、（６）式を満足するものとする。
０．５Ｄ ≦ Ｌ２ ≦ ０．８Ｄ …… （３）
さらに、第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂが形成された部位の起歪部５の板厚を、それぞれｔ１およびｔ２とし、上記環状溝５ａおよび５ｂが形成されていない起歪部５の厚さをｔ３としたとき、
下記（４）式、（５）式、（６）式を満足するものとする。
【0025】
０．５ｍｍ ≦ ｔ１ ≦ ２．０ｍｍ …… （４）
０．５ｍｍ ≦ ｔ２ ≦ ２．０ｍｍ …… （５）
１．５ｍｍ ＜ ｔ３ ＜ ２．９ｍｍ …… （６）。
０．５ｍｍ ≦ ｔ２ ≦ ２．０ｍｍ …… （５）
１．５ｍｍ ＜ ｔ３ ＜ ２．９ｍｍ …… （６）。
【0026】
［第１の実施例］
そこで、条件式（１）～（６）を満足する下記の数値の第１の実施例について説明する。
（１） 容量 ： ５００Ｎ
（２） Ｄ＝ １９ ｍｍ
（３） Ｌ１＝ ９．４ｍｍ
（４） Ｌ２＝ １４．８ｍｍ
（５） ｔ１＝ ０．５ｍｍ
（６） ｔ２＝ 可変（求める値）
（７） ｔ３＝ １．６ｍｍ
上記（１）～（５）および（７）の条件をもとに、ＦＥＭ（有限要素法）解析によって、第１の円弧状環状溝５ａの板厚（図８における内側板厚）ｔ１を０．５ｍｍに設定し、第２の円弧状環状溝５ｂの板厚（図８における外側板厚）ｔ２を変化させた場合のひずみ（ブリッジ回路形成後の等価ひずみ）と非直線性の関係につき、図８に示す特性図の通りの結果を得た。
そこで、条件式（１）～（６）を満足する下記の数値の第１の実施例について説明する。
（１） 容量 ： ５００Ｎ
（２） Ｄ＝ １９ ｍｍ
（３） Ｌ１＝ ９．４ｍｍ
（４） Ｌ２＝ １４．８ｍｍ
（５） ｔ１＝ ０．５ｍｍ
（６） ｔ２＝ 可変（求める値）
（７） ｔ３＝ １．６ｍｍ
上記（１）～（５）および（７）の条件をもとに、ＦＥＭ（有限要素法）解析によって、第１の円弧状環状溝５ａの板厚（図８における内側板厚）ｔ１を０．５ｍｍに設定し、第２の円弧状環状溝５ｂの板厚（図８における外側板厚）ｔ２を変化させた場合のひずみ（ブリッジ回路形成後の等価ひずみ）と非直線性の関係につき、図８に示す特性図の通りの結果を得た。
【0027】
図８に示す特性図から分かるように、ｔ２＝０．５ｍｍのとき、最大ひずみとして３８００×１０-6ひずみ（ブリッジ回路形成後の等価ひずみ）が得られるが、そのときの非直線性は、０．０５％ＲＯ程度にとどまる。
しかしながら、第２の円弧状環状溝の板厚ｔ２を０．６に設定した場合、ひずみ出力は３５００×１０-6ひずみと若干減少するが、高感度（分解能が高い）といえるものであり、且つ非直線性０．０％ＲＯと極めて高性能な物理量検出用変換器を得ることができた。
しかしながら、第２の円弧状環状溝の板厚ｔ２を０．６に設定した場合、ひずみ出力は３５００×１０-6ひずみと若干減少するが、高感度（分解能が高い）といえるものであり、且つ非直線性０．０％ＲＯと極めて高性能な物理量検出用変換器を得ることができた。
【0028】
〔第２の実施例〕
上記第１の実施例の条件のうち、上記第１の円弧状環状溝５ａの板厚ｔ１のみをｔ１＝０．７ｍｍと、若干厚肉に設定した実施例につき、ＦＥＭ（有限要素法）解析した結果、図９に示すようなひずみと非直線性の関係に係る特性図を得た。
図９の特性図にて分かるように、この第２の実施例の場合、最大ひずみが、２８００×１０-6ひずみと大幅に低下すると共に、そのときの非直線性についても０．１２％ＲＯと実施例１のものより低下するが、板厚ｔ２を０．９ｍｍにすると、ひずみが２２００×１０-6ひずみ程度となり、非直線性が０．０１％ＲＯとなり、高感度（高ひずみ）且つ高精度（非直線性）な物理量検出用変換器を得ることができる。
このように、第１の円弧状環状溝５ａの板厚ｔ１を厚くして、起歪部５の板厚ｔ３との差が近くなるようにした場合、高い剛性が要求される場合の選択肢となり得る。
上記第１の実施例の条件のうち、上記第１の円弧状環状溝５ａの板厚ｔ１のみをｔ１＝０．７ｍｍと、若干厚肉に設定した実施例につき、ＦＥＭ（有限要素法）解析した結果、図９に示すようなひずみと非直線性の関係に係る特性図を得た。
図９の特性図にて分かるように、この第２の実施例の場合、最大ひずみが、２８００×１０-6ひずみと大幅に低下すると共に、そのときの非直線性についても０．１２％ＲＯと実施例１のものより低下するが、板厚ｔ２を０．９ｍｍにすると、ひずみが２２００×１０-6ひずみ程度となり、非直線性が０．０１％ＲＯとなり、高感度（高ひずみ）且つ高精度（非直線性）な物理量検出用変換器を得ることができる。
このように、第１の円弧状環状溝５ａの板厚ｔ１を厚くして、起歪部５の板厚ｔ３との差が近くなるようにした場合、高い剛性が要求される場合の選択肢となり得る。
【0029】
［第３の実施例］
第３の実施例においては、容量が２ＫＮの場合の物理量検出用変換器について説明する。
（１） 容量 ： ２ＫＮ
（２） Ｄ＝ １９ ｍｍ
（３） Ｌ１＝ ９．４ｍｍ
（４） Ｌ２＝ １４．８ｍｍ
（５） ｔ１＝ １．６ｍｍ
（６） ｔ２＝ 可変（求める値）
（７） ｔ３＝ ２．８ｍｍ
上記（１）～（５）および（７）の条件をもとに、ＦＥＭ（有限要素法）解析した結果、第１の円弧状環状溝５ａの板厚ｔ１を１．６ｍｍに設定し、第２の円弧状環状溝５ｂの板厚ｔ２を変化させた場合のひずみ（ブリッジ回路形成後の等価ひずみ）と非直線性の関係につき、図１０に示す特性図のような結果を得ることができた。
第３の実施例においては、容量が２ＫＮの場合の物理量検出用変換器について説明する。
（１） 容量 ： ２ＫＮ
（２） Ｄ＝ １９ ｍｍ
（３） Ｌ１＝ ９．４ｍｍ
（４） Ｌ２＝ １４．８ｍｍ
（５） ｔ１＝ １．６ｍｍ
（６） ｔ２＝ 可変（求める値）
（７） ｔ３＝ ２．８ｍｍ
上記（１）～（５）および（７）の条件をもとに、ＦＥＭ（有限要素法）解析した結果、第１の円弧状環状溝５ａの板厚ｔ１を１．６ｍｍに設定し、第２の円弧状環状溝５ｂの板厚ｔ２を変化させた場合のひずみ（ブリッジ回路形成後の等価ひずみ）と非直線性の関係につき、図１０に示す特性図のような結果を得ることができた。
【0030】
図１０の特性図から分かるように、容量が、２ＫＮの場合、容量が５００Ｎの場合に比べて、第２の円弧状環状溝５ａの部分の板厚ｔ２の変化によるひずみと非直線性の変化の割合が小さくなる傾向が見られることから、非直線性の改善を実現し易いものといえる。
この第３の実施例においては、一つの目安としては、ｔ１が１．６ｍｍの場合、板厚ｔ２は、１．８ｍｍに設定するのが好適といえる。
この第３の実施例においては、一つの目安としては、ｔ１が１．６ｍｍの場合、板厚ｔ２は、１．８ｍｍに設定するのが好適といえる。
【0031】
［第４の実施例］
上記第３の実施例の条件のうち、第１の円弧状環状５ａの板厚ｔ１のみを２．０ｍｍと、若干板厚に設定した例につき、ＦＥＭ（有限要素法）解析した結果、図１１に示すような、ひずみ（ブリッジ回路形成後の等価ひずみ）と非直線性の関係の特性図を得た。
図１１の特性図から分かるように、この第４の実施例の場合、第３の実施例に比べて、第２の円弧状環状溝５ｂの板厚ｔ２の変化に対するひずみおよび非直線性の変化が少なくなって選択の幅が広いといえるが、例えば、板厚ｔ２として、２．０ｍｍに設定した場合には、実用上問題ない、１７００×１０-6ひずみの等価ひずみ量が得られ、しかも非直線性が０．０％ＲＯと、高精度な物理量検出用変換器が得られる。
上記第３の実施例の条件のうち、第１の円弧状環状５ａの板厚ｔ１のみを２．０ｍｍと、若干板厚に設定した例につき、ＦＥＭ（有限要素法）解析した結果、図１１に示すような、ひずみ（ブリッジ回路形成後の等価ひずみ）と非直線性の関係の特性図を得た。
図１１の特性図から分かるように、この第４の実施例の場合、第３の実施例に比べて、第２の円弧状環状溝５ｂの板厚ｔ２の変化に対するひずみおよび非直線性の変化が少なくなって選択の幅が広いといえるが、例えば、板厚ｔ２として、２．０ｍｍに設定した場合には、実用上問題ない、１７００×１０-6ひずみの等価ひずみ量が得られ、しかも非直線性が０．０％ＲＯと、高精度な物理量検出用変換器が得られる。
【0032】
次に、本発明の他の実施の形態に係る物理量検出用変換器の設計手法について言及する。
この実施の形態に係る物理量検出用変換器の設計手法は、起歪部５と、前記起歪部５の内端に連接された剛性大なる負荷導入部２と、前記起歪部５の外端に連接された剛性大なる負荷支持部３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のひずみが最大になる位置および最小となる位置を求め、該位置を前記起歪部の外面側に形成する前記第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂの谷底としている。
そして、有限要素法によって、上述した第１～第４の実施例における実際の数値をモデルに与え、第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂの一方の板厚ｔ１またはｔ２を与え、他方の板厚に関連するような、図８～図１１に示すような特性図が求められる。
この実施の形態に係る物理量検出用変換器の設計手法は、起歪部５と、前記起歪部５の内端に連接された剛性大なる負荷導入部２と、前記起歪部５の外端に連接された剛性大なる負荷支持部３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のひずみが最大になる位置および最小となる位置を求め、該位置を前記起歪部の外面側に形成する前記第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂの谷底としている。
そして、有限要素法によって、上述した第１～第４の実施例における実際の数値をモデルに与え、第１および第２の円弧状環状溝５ａおよび５ｂの一方の板厚ｔ１またはｔ２を与え、他方の板厚に関連するような、図８～図１１に示すような特性図が求められる。
【0033】
以上、説明した本発明に係る物理量検出用変換器について、その要旨とするところを整理すると、以下の通りである。
先ず、本発明係る物理量検出用変換器１は、
柱状を呈し軸中心が負荷軸４と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部２と、
所定の間隔を存して前記負荷導入部２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３と、
前記負荷導入部２から放射方向に伸び、その内端が前記負荷導入部２に一体に連接され、その外端が前記負荷支持部３の一端に一体に連接され、前記負荷支持部３の他端が開口され前記負荷支持部３が支持された状態で前記負荷導入部２に負荷軸４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５からなり、
前記起歪部５に添着されたひずみゲージＧ１、Ｇ２…によって起歪部５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５に生じる半径方向のひずみが最大となる位置ａおよび最小となる位置ｂの近傍に第１および第２の円弧状環状溝５ａ、５ｂを前記起歪部５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５ａ、５ｂに対応させて前記起歪部５の内面側に第１および第２のひずみゲージＧ１、Ｇ２…を複数添着し、前記第１および前記第２のひずみゲージＧ１、Ｇ２…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５ａ、５ｂ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（請求項１に対応する）。
先ず、本発明係る物理量検出用変換器１は、
柱状を呈し軸中心が負荷軸４と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部２と、
所定の間隔を存して前記負荷導入部２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３と、
前記負荷導入部２から放射方向に伸び、その内端が前記負荷導入部２に一体に連接され、その外端が前記負荷支持部３の一端に一体に連接され、前記負荷支持部３の他端が開口され前記負荷支持部３が支持された状態で前記負荷導入部２に負荷軸４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５からなり、
前記起歪部５に添着されたひずみゲージＧ１、Ｇ２…によって起歪部５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５に生じる半径方向のひずみが最大となる位置ａおよび最小となる位置ｂの近傍に第１および第２の円弧状環状溝５ａ、５ｂを前記起歪部５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５ａ、５ｂに対応させて前記起歪部５の内面側に第１および第２のひずみゲージＧ１、Ｇ２…を複数添着し、前記第１および前記第２のひずみゲージＧ１、Ｇ２…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５ａ、５ｂ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（請求項１に対応する）。
【0034】
また、本発明の物理量検出用変換器において、
前記負荷支持部３の前記開口６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５ａ、5ｂの前記負荷軸４を中心とした谷底を通る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している（請求項２に対応する）。
前記負荷支持部３の前記開口６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５ａ、5ｂの前記負荷軸４を中心とした谷底を通る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している（請求項２に対応する）。
【0035】
また、本発明の物理量検出用変換器において、
前記負荷支持部３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５ａ、５ｂが形成された部位の前記起歪部５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）～（６）式を満足するように構成したことを特徴としている（請求項３に対応する）。
前記負荷支持部３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５ａ、５ｂが形成された部位の前記起歪部５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）～（６）式を満足するように構成したことを特徴としている（請求項３に対応する）。
【0036】
また、本発明の物理量検出用変換器において、前記第１および前記第２の円弧状環状溝５ａ、５ｂが形成された部位の前記起歪部５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している（請求項４に対応する）。
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している（請求項４に対応する）。
【0037】
本発明の物理量検出用変換器において、物理量検出用変換器の設計手法であって、前記起歪部５と、該起歪部５の内端に連接された剛性大なる負荷導入部２と、前記起歪部５の外端に連接された剛性大なる前記負荷支持部３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５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５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している（請求項５に対応する）。
【0038】
本発明の物理量検出用変換器において、前記負荷導入部２を荷重導入部とし、前記負荷支持部３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している（請求項６に対応する）。
本発明の物理量検出用変換器において、前記負荷導入部２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３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している（請求項７に対応する）。
尚、本発明は、上述し且つ図示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。
本発明の物理量検出用変換器において、前記負荷導入部２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３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している（請求項７に対応する）。
尚、本発明は、上述し且つ図示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。
【0039】
先ず、本発明に係る物理量検出用変換器として、荷重変換器を、一例にして図示し、且つ説明してきたが、圧力変換器、変位変換器等としても本発明は、適用可能である。
また、上述した実施の形態においては、圧縮型の荷重変換器を例として記載したが、例えば、図１において負荷導入部の外周に雄ねじを形成し、台座７の下底部中心に、雌ねじ穴を削成し、上記雄ねじおよび雌ねじを介して引張力を負荷できるように構成すれば、引張型の荷重変換器として、応用することができる。この場合は、負荷が作用する方向が反対になるため、前記起歪部に生じる半径方向のひずみが最小となる位置および最大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することになる。
また、起歪部５の上面に形成する第１および第２の円弧状環状溝の断面形状は、真円である必要ではなく円弧状であればよい。
また、上述した実施の形態においては、圧縮型の荷重変換器を例として記載したが、例えば、図１において負荷導入部の外周に雄ねじを形成し、台座７の下底部中心に、雌ねじ穴を削成し、上記雄ねじおよび雌ねじを介して引張力を負荷できるように構成すれば、引張型の荷重変換器として、応用することができる。この場合は、負荷が作用する方向が反対になるため、前記起歪部に生じる半径方向のひずみが最小となる位置および最大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することになる。
また、起歪部５の上面に形成する第１および第２の円弧状環状溝の断面形状は、真円である必要ではなく円弧状であればよい。
【符号の説明】
【0040】
１ 物理量検出用変換器
２ 負荷導入部
３ 負荷支持部
３ａ 電気ケーブル挿通孔
４ 負荷軸
５ 起歪部
５ａ 第１の円弧状環状溝
５ｂ 第２の円弧状環状溝
６ 空胴部
７ 台座（盲蓋）
Ｄ 空胴部６の内径
Ｌ１ 第１の円弧状環状溝の直径
Ｌ２ 第２の円弧状環状溝の直径
ｔ１ 第１の円弧状環状溝の板厚
ｔ２ 第２の円弧状環状溝の板厚
ｔ３ 起歪部の板厚
２ 負荷導入部
３ 負荷支持部
３ａ 電気ケーブル挿通孔
４ 負荷軸
５ 起歪部
５ａ 第１の円弧状環状溝
５ｂ 第２の円弧状環状溝
６ 空胴部
７ 台座（盲蓋）
Ｄ 空胴部６の内径
Ｌ１ 第１の円弧状環状溝の直径
Ｌ２ 第２の円弧状環状溝の直径
ｔ１ 第１の円弧状環状溝の板厚
ｔ２ 第２の円弧状環状溝の板厚
ｔ３ 起歪部の板厚
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】