ロードセルおよびそれを用いる重量測定装置
【課題】出力荷重信号もしくはデジタル出力信号が異常状態となる前に異常予知警報信号を出力することができるようにする。
【解決手段】起歪部上のストレインゲージ貼付部を外部から遮断された気密室内に配し、この気密室の一側を塞ぐ気密端子によってストレインゲージブリッジへの電源の供給と該ストレインゲージブリッジからの荷重信号の取り出しとを行うようにしたものにおいて、気密端子に、荷重信号出力用の導通ピン９ａ，９ｂと、電源供給用の導通ピン９ｃ，９ｄまたはロードセル本体との間の絶縁抵抗値が低下したことを検知して警報信号を出力するための絶縁抵抗低下検知用の導通ピン９ｅを設ける。
【解決手段】起歪部上のストレインゲージ貼付部を外部から遮断された気密室内に配し、この気密室の一側を塞ぐ気密端子によってストレインゲージブリッジへの電源の供給と該ストレインゲージブリッジからの荷重信号の取り出しとを行うようにしたものにおいて、気密端子に、荷重信号出力用の導通ピン９ａ，９ｂと、電源供給用の導通ピン９ｃ，９ｄまたはロードセル本体との間の絶縁抵抗値が低下したことを検知して警報信号を出力するための絶縁抵抗低下検知用の導通ピン９ｅを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起歪部の上にストレインゲージを貼付し、負荷荷重の大小に応じて起歪部に発生する応力歪みをストレインゲージの抵抗値変化によって検出し、この抵抗値変化を電圧信号に変換して出力する方式のロードセルとそのロードセルを用いる重量測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ロードセルは、図７に示されるように、荷重を受けることによって伸縮歪みを起こす起歪体の上に貼付したストレインゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４をブリッジ回路に接続し、荷重に比例した電圧信号変化を取り出すように構成されている。図７において、ブリッジ回路の両端に加わる電圧をｅｉとし、ストレインゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の抵抗値をそれぞれｒｇ１，ｒｇ２，ｒｇ３，ｒｇ４とすると、出力電圧信号ｅｏは次式（１）で表される。
ｅｏ＝｛（ｒｇ１・ｒｇ３−ｒｇ２・ｒｇ４）／（ｒｇ２＋ｒｇ３）・（ｒｇ１＋ｒｇ４）｝・ｅｉ ・・・・・（１）
【０００３】
ここで、起歪体は、負荷荷重に対する歪み量の関係（ヤング率）が温度変化によって変化するため、このヤング率の温度変化によって荷重出力信号のスパンが変化しないように回路中に温度補償抵抗Ｃ１，Ｃ２が接続されている。また、ストレインゲージ（以下、単に「ゲージ」と称する。）Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の抵抗値としては、数１００オームから数Ｋオーム程度のものが一般に用いられている。
【０００４】
しかし、ゲージ周辺に耐湿保護を施さなければ、やがてゲージ表面や、ゲージから取り出された配線や、配線が接続される端子が結露することによって湿気を帯び、ゲージ抵抗そのものが負荷荷重以外の要因で変化したり、ゲージ端子間の絶縁抵抗およびゲージ端子と起歪体の絶縁抵抗が低下し、結果としてゲージ間やゲージと電源との間に低い抵抗が等価的に並列接続される形になって、ロードセル荷重信号としてのスパンや零点が変化する現象が生じることになる。
【０００５】
ゲージ端子間の絶縁抵抗は乾燥時に数１０００Ｍオームある。この場合、抵抗Ｒ１〜Ｒ６の値が上述の要因によって数１００Ｋオーム以下に低下すると、実質的に式（１）に基づいて得られる出力電圧信号ｅｏは、荷重の増減に関係なく、言い換えれば起歪体の機械的伸縮歪みに関係なく、要求された精度に影響を受けるレベルに変化してしまう。
【０００６】
このようなことから、ロードセルにとってゲージおよび周辺回路の耐湿対策は重要であり、従来からロードセルの形式、使用環境に応じて種々の対策が取られてきている。
【０００７】
例えば図８（ａ）に示されるロバーバル形ロードセルでは、起歪体５０における起歪部５１のゲージ貼付部が大気に露出していて、貼付されるゲージ５２が極めて外気の影響を受け易いので、ゲージ５２の上にシリコン樹脂やブチルゴムなどの物質５３を塗布もしくはコーティングすることにより防湿対策が施されている。
【０００８】
また、特許文献１に記載のロードセルにおいては、図８（ｂ）に示されるように、弾性体よりなる起歪部６０内面のゲージ６１が外気に露出しないように、弾性体内側の内空部６２にシリコン樹脂などの防湿剤６３を充填し、固化するようにされている。この方法は、防湿剤６３の厚みを大きくする必要があり、この防湿剤６３の特性が負荷荷重に対する起歪部６０の歪み特性に影響を及ぼすため、数１００ｋｇ以上の比較的大容量のロードセルのみに適用可能な方法である。つまり、ロードセルの容量が大きいほど、防湿剤６３を構成する樹脂の剛性による荷重信号への影響が小さくなるため、樹脂を厚く充填することができるのである。
【０００９】
しかしながら、図８（ｂ）に示されるような防湿対策を施した場合でも、シリコン樹脂などの樹脂系材料は本来が多孔質であって通気性を有するため、ロードセル本体が多湿な環境に置かれると、徐々に水蒸気が内部に浸透してゲージ６１やゲージ６１と配線６４との接続部に到達し、気温の高低サイクルによって水蒸気が水分に変化し、徐々に端子間の絶縁抵抗を低下させるという問題点がある。しかも、一旦内部に浸透した水蒸気が水分に変換されると外部へは容易に排出されない。
【００１０】
ところで、上記特許文献１に記載のロードセルでは、荷重信号の耐ノイズ性向上のために、シリコン樹脂に覆われた内部に、ノイズ耐性を高める目的でゲージの近傍に演算増幅器を設け、この演算増幅器の入力端にゲージの荷重信号出力端子を接続して演算増幅器の出力端から増幅後の荷重信号を取り出す工夫がなされているが、演算増幅器の入力端におけるゲージ周辺の湿気滞在によってその入力端の電圧信号が変動するため、出力側の荷重信号は零点、スパン、温度補償効果の長期ドリフト的変化を起こすだけでなく、短時間の使用中にもふらつき現象が生じて、正しく安定した重量測定値が得られない事態が生じてしまう。したがって、この従来技術では、耐湿性向上の課題の解決に至っていないのが実情である。
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１４０６４６号公報
【００１２】
このようなことから、トラックスケールや軸重計など、ロードセルが外気に晒され、大雨時には水没する可能性があったり、温度高低変化の激しい道路面直下の劣悪な環境に置かれる計量装置に使用されるロードセルの耐湿性向上対策としては、結局、コストはかかるが、図８（ｃ）および図９（ａ）〜（ｃ）に示されるような構造が取られている。すなわち、ロードセル本体７０の内空室（気密室）７１の下部に金属蓋７２を溶接し、気密端子７３として、電気信号導通ピン７４（７４ａ〜７４ｄ）を埋め込んだ気体封止板８４を支持する金属製外枠８５外周の接触部８６を金属製弾性体よりなるロードセル本体７０の側面に溶接またはハンダ接合することによって外部からの気体の流入を完全遮断するようにしている。なお、図９（ｃ）において、気密端子７３の左方が気密室７１側、右方が配線接続室７８側である。
【００１３】
さらに、ロードセル本体７０の気密室７１の外殻ケースには小径の気体注入孔（図示せず）を設け、この気体注入孔から窒素ガスを注入して気密室７１内の空気と置換させ、窒素ガス注入後にその気体注入孔を溶接で埋めて、外気遮断性を保つ対策も取られている。なお、窒素ガスには水蒸気が含まれていないので、外気温が下がっても気密室７１内に気体による結露が生じない。
【００１４】
上述のような構成にすることによって、ロードセル本体７０の気密室７１は完全に外気から遮断され、しかも該気密室７１内には乾燥した窒素ガスが封入されているため、ロードセルの外気温度が高低に変化しても、気密室７１内で結露が生じる事態はなく、ゲージ７９と起歪体（ロードセル本体７０）との間、気密室７１内の端子間には常に高い絶縁性が維持される。
【００１５】
しかしながら、図８（ｃ）に示されるロードセルには、以下に説明するように湿気に関する弱点がある。すなわち、気密端子７３のロードセル外側の配線接続室７８は、シリコン樹脂８０が充填されているものの、配線ケーブル８１の片側は外気に開放されており、この配線ケーブル８１内の僅かな空間によって外気に通じている。また、配線ケーブル８１内には僅かに空気が含まれている。シリコン樹脂８０には通気性があるので、ロードセルが高低温度変化が大きい環境に設置されている場合には、配線接続室７８内の空気や配線ケーブル８１内の空気が周囲の温度高低変化によって膨張、圧縮を繰り返し、長時間使用によって配線接続室７８内へ徐々に水蒸気を含んだ空気が入ることになる。こうして配線接続室７８内に入った水蒸気は外気温の低下によって水分に変わる。これによって配線接続室７８側の電気信号導通ピン７４間の絶縁抵抗が徐々に低下し、図７に示されるゲージ端子間絶縁抵抗Ｒ１〜Ｒ６の値が数１００Ｋオームのオーダーを下回る値に低下し、長期的には数１００オーム以下に下がる場合もある。
【００１６】
また、ロードセル本体７０と配線ケーブル８１とを接続する接続金具８２（図８（ｃ）参照）に関して、配線ケーブル８１と接続金具８２とは通常、ゴム材の融着によってシールされているが、このゴム材も完全な通気遮断性を有しておらず、またロードセル本体７０と接続金具８２とを接続するねじ部８３も完全な通気遮断性を有していないなど、配線接続室７８に対し水蒸気を含む空気が侵入する要因は多い。
【００１７】
したがって、図８（ｂ）のものに比べて完全防湿対策ロードセルとして優れている図８（ｃ）のものも、完全気密室の構成を取っているとはいえ、結局は長期の使用において、気密端子外部側の絶縁不良による荷重信号変動トラブルの発生を避けることができないという問題点がある。
【００１８】
また、重量測定装置の使用中において、荷重信号は被計量物の重量の大小によって様々な値を取り得る。特に絶縁抵抗の低下によるスパンのドリフトについては、稼働運転を中断して繰り返し既知の重量負荷を与えるなど特別な検査条件と作業者による判断を必要とする。また、荷重信号に異常が現れない間に絶縁抵抗の低下を判定するには、通常使用の段階から繰り返し継続的に零点ドリフトやスパンドリフト検査が必要であり、手間がかかるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、出力荷重信号もしくはデジタル出力信号が異常状態となる前に異常予知警報信号を出力することのできるロードセルとそのロードセルを用いる重量測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明では、完全気密室を備え、この完全気密室内にストレインゲージ貼付部を収容したロードセルにおいて、気密端子の外側に湿気が侵入することにより、荷重信号出力用の導通ピンと、電源供給用の導通ピンまたはロードセル本体との間で絶縁抵抗が低下することによって、荷重信号がその影響を受け、荷重信号に要求される精度以上のスパン、あるいは零点変動を起こすまでに、絶縁抵抗低下による異常予知信号を作るための導通ピンを気密端子上に設けることにより上記課題を達成したものである。
【００２１】
要するに、第１発明によるロードセルは、ロードセル本体における起歪部上のストレインゲージ貼付部が外部から遮断された気密室内に配され、この気密室の一側を塞ぐ気密端子によってストレインゲージブリッジへの電源の供給と該ストレインゲージブリッジからの荷重信号の取り出しとが行われるロードセルにおいて、前記気密端子に、前記荷重信号出力用の導通ピンと、電源供給用の導通ピンまたは前記ロードセル本体との間の絶縁抵抗値が低下したことを検知して警報信号を出力するための絶縁抵抗低下検知用の導通ピンを設けることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明をデジタルロードセルに用いる場合には、前記気密室内に、前記荷重信号をデジタル信号化するＡ／Ｄ変換回路と演算回路とが設けられ、この演算回路を介してデジタル荷重信号が出力されるデジタルロードセルであって、
前記絶縁抵抗低下検知用の導通ピンの絶縁抵抗値が異常に低下したことを検知する異常判定用測定回路が設けられるのが好ましい（第２発明）。
【００２３】
前記第２発明において、絶縁抵抗値が低下したことを検知して出力される警報信号は、前記デジタル荷重信号と共に出力されるのが好ましい（第３発明）。
【００２４】
また、前記各発明において、前記警報信号は、荷重信号の異常予知警報信号として利用されるのが良い（第４発明）。
【００２５】
また、第５発明による重量測定装置は、
前記第１発明〜第４発明のいずれかのロードセルと、このロードセルから出力される警報信号を表示する表示手段を有する制御装置とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ロードセル本体の気密室における気密端子の外側の室に水蒸気の形で湿気が侵入することによって、荷重信号出力用の導通ピンと、電源供給用の導通ピンまたはロードセル本体との間で絶縁抵抗が低下しても、絶縁抵抗低下検知用の導通ピンにより荷重信号が異常となる前に異常予知警報信号を出力することができ、作業者にロードセルの点検、交換を適正に指示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明によるロードセルおよびそれを用いる重量測定装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２８】
図１には、本発明の一実施形態に係るロードセルの縦断面図が示され、図２には、本実施形態のロードセルを用いる重量測定装置の回路構成図が示されている。また、図３には、気密端子の詳細構造が示されている。
【００２９】
本実施形態のロードセル１は、内空部（気密室）３を有する全体として円盤形状の金属製弾性体よりなるロードセル本体（起歪体）２を備え、このロードセル本体２の上面側中央部に荷重導入部４が突出形成されて構成されている。荷重導入部４の外周側であって、ロードセル本体２の外表面と内表面との間には薄肉の円板状または円環状をなす起歪部５が設けられ、この起歪部５の応力の極大または極小となる部分にはストレインゲージ（以下、単に「ゲージ」と称する。）Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４が貼付されている。
【００３０】
ゲージＧ１〜Ｇ４はストレインゲージブリッジ回路（図２参照）を形成しており、その端子はリード線６によって気密室３内に配される回路基板７の端子に接続されている。また、回路基板７の端子は、ロードセル本体２の一側の開口を塞ぐ気密端子８の電気信号導通ピン９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ）に接続され、この電気信号導通ピン（以下、単に「ピン」という。）９は配線ケーブル１０の心線に接続されている。また、ロードセル本体２と配線ケーブル１０とは接続金具１１によって固定されている。この接続金具１１は、一端がロードセル本体２に穿設された開口部に挿入されてねじ部１２により固定され、他端に配線ケーブル１０が挿通固定され、一端部側に配線接続室１３が区画形成されるとともに、配線ケーブル１０の心線の周りがシリコン樹脂１４で固定されて構成されている。また、配線ケーブル１０の接続金具１１への挿入部の気密性を保つため、クロロプレンゴム１０´によって融着被覆している。
【００３１】
前記ロードセル本体２の気密室３の開口側である下端側には金属蓋（金属製ダイヤフラム）１５が溶接されて内部が密閉されている。また、外気温の低下による気密室３内の結露を防止するために、ロードセル本体２に気体注入孔２´が設けられ、この気体注入孔２´から窒素ガス等の水蒸気を含まない気体が注入されて空気と置換される。あるいはシリカゲル等の吸湿剤を封入するなどの対策が取られる。
【００３２】
この気密室３内には、図２に示される構成のロードセル回路２０が内蔵されている。そして、このロードセル回路２０に接続されるように、重量測定装置の制御装置２５が設けられている。
【００３３】
気密端子８においては、従来の荷重信号用のピン９ａ，９ｂおよび電源電圧用のピン９ｃ，９ｄに加え、絶縁抵抗異常検出用のピン９ｅが設けられている。ここで、気密端子８は、図３（ａ）（ｂ）に示されるように、ピン９ａ〜９ｅを埋め込んだ気体封止板１７を、高絶縁性を有し、完全に通気性のないガラス、セラミックなどの材料で成形し、この気体封止板１７を支持する金属製外枠１８外周の接触部１９を金属製弾性体よりなるロードセル本体２の側面に溶接またはハンダ接合（図３（ｃ）参照）することによって外部からの気体の流入を完全遮断するように構成されている。
【００３４】
絶縁抵抗異常検出用のピン９ｅの気密室３側は、抵抗ｒａ，ｒｂによって電圧Ｖ１，−Ｖ２をそれぞれ分圧する点ｋに接続される。配線接続室１３側に湿気が侵入して抜けなくなると、次第に各ピン９ａ〜９ｄ間および各ピン９ａ〜９ｄと気密端子８の金属製外枠１８との間の絶縁抵抗が低下してくる。点ｋの電圧は、この絶縁抵抗値の異常低下を検出する異常検知信号である。本実施形態のロードセル１は、絶縁抵抗異常検出用のピン９ｅにて、荷重信号の変動の仕様上の許容範囲内における絶縁抵抗の異常な低下を検知することによって、荷重信号の異常を予知する機能が発揮されるようになっている。
【００３５】
図２に示されるように、重量測定装置の制御装置２５において、電源回路ＰＯＷからはＶ１＝５Ｖ，−Ｖ２＝−５Ｖの電源がロードセル回路２０の電源電圧用のピン９ｃ，９ｄにそれぞれ供給される。また、ロードセル回路２０の荷重信号用のピン９ａ，９ｂから出力される荷重信号は制御装置２５の演算増幅器Ａ１，Ａ２にそれぞれ入力される。これら演算増幅器Ａ１，Ａ２および演算増幅器Ａ３、更には抵抗ｒ１〜ｒ６によって、入力される荷重信号に対する差動増幅回路が構成されている。
【００３６】
一方、点ｋの絶縁抵抗の異常検知信号はピン９ｅを通して、制御装置２５の演算増幅器Ａ４と抵抗ｒ７〜ｒ９からなる増幅回路に入力される。ここで、抵抗ｒ７は、抵抗ｒａ，ｒｂに比べ、十分大きい値のものを選択する。なお、この増幅回路はボルテージフォロワの構成であっても良い。
【００３７】
演算増幅器Ａ３から出力された荷重信号はアナログスイッチＡＳ１を通してアナログ・デジタル変換機Ａ／Ｄに供給され、また演算増幅器Ａ４から出力された異常検知信号はアナログスイッチＡＳ２を通してアナログ・デジタル変換機Ａ／Ｄに供給される。これらアナログスイッチＡＳ１，ＡＳ２をＯＮ，ＯＦＦするゲート信号ＡＧ１，ＡＧ２は入出力回路Ｉ／Ｏから出力され、この入出力回路Ｉ／Ｏは、メモリＭに記憶されたプログラムに基づき演算処理装置ＣＰＵからの命令によって制御される。なお、入出力回路Ｉ／ＯにはキースイッチＫＥＹおよび表示装置ＤＩＳが付設される。
【００３８】
ところで、図７に示されるようなゲージブリッジ回路において、ゲージ抵抗値が３５０オーム、温度補償抵抗Ｃ１，Ｃ２が数１０オームであった場合に、電源Ｖ１と片方の荷重信号出力端子ｐ１との間の絶縁抵抗が気密端子の配線接続室側の湿気で低下して数１００Ｋオーム台になると、出力に約１／１０００の影響が及ぶことになる。この絶縁抵抗は、計量精度１／３０００の重量測定装置の場合には少なくとも数Ｍオーム程度以上を維持することが必要である。
【００３９】
そこで、本実施形態のロードセル１では、従来のピン９ａ〜９ｄに加え、絶縁抵抗の低下を検知するピン９ｅが設けられた気密端子８を用いている。いま、Ｖ１＝５Ｖ，−Ｖ２＝−５Ｖの電源がロードセル回路２０の電源電圧用のピン９ｃ，９ｄに供給されているとし、抵抗ｒａ，ｒｂ＝１Ｋオームとすると、点ｋの電圧ｅｋはほぼ電源電圧のコモンレベル、すなわち０に等しい。そして、配線接続室１３側が乾燥状態にあれば常にｅｋ≒０の値を保つ。なお、抵抗ｒａ，ｒｂは、温度変化に対して同じ割合で同じ方向に変化する性質を持つものを使用するのが好ましい。
【００４０】
ところが、配線接続室１３側に湿気が侵入して抜けなくなると、次第に各ピン９ａ〜９ｄ間および各ピン９ａ〜９ｄと気密端子８の金属製外枠１８との間の絶縁抵抗が低下してくる。最初、乾燥状態ではピン間の絶縁抵抗値は数１０００Ｍオームのレベルが通常値である。したがって、抵抗ｒａ，ｒｂの両端の絶縁抵抗値をそれぞれＲａ，Ｒｂとすると、Ｒａ≠Ｒｂであっても双方が１００Ｍオームのオーダーであればｒａ，ｒｂへの影響は１０３／１０８＝１／１０５程度であるから、極端にＲａおよびＲｂの値に差ができたとしても、仮にＲａの絶縁抵抗値のみが１００Ｍオームになったとしても、点ｋの電位ｅｋのコモンレベルからの動きは僅か（１／１０５程度）である。配線接続室１３側の絶縁抵抗の低下を検知するピン９ｅの絶縁抵抗値の低下がこの程度であれば、周辺に配置されている標準のピン間の状況もほぼ同一とみなせるので、荷重信号は影響を受けていないと考えることができる。
【００４１】
しかし、絶縁抵抗が１Ｍオームのオーダーに下がると、１Ｋオームに対して１／１０００の影響が現れるので、重量測定装置の計量精度が１／３０００であれば問題になる。つまり、ピン９ｅの絶縁抵抗値が１Ｍオームの値付近に下がっていれば、荷重信号用のピン９ａ，９ｂの絶縁抵抗値もほぼ同じ状況であって、荷重信号が精度の上で大きく影響を受けていると考えることができる。
【００４２】
したがって、点ｋの電圧レベルｅｋの調整時点の値を記憶しておき、重量測定値の作動中に時折自動検出するようにし、このｅｋの値が記憶値（初期値）より大小いずれかの方向に１／１００００より大きく変化すれば、荷重信号端子の絶縁抵抗も同レベルに低下していると見て、やがて荷重信号も許容誤差を超える変化が起きると予測することができる。
【００４３】
Ｖ１＝５Ｖ，−Ｖ２＝−５Ｖの電源が供給されている場合には、点ｋの電圧レベルｅｋの許容変動幅電圧（異常判定境界値）Ｅｈを、
Ｅｈ＝５×１／１００００（Ｖ）＝±０．５ｍＶ
と設定する。そして、ｅｋの値が記憶値より大小いずれかの方向にＥｈ以上の値に変化すれば異常予知警報を出力するようにする。この異常予知警報が出力された時点でロードセルを交換すれば計量作業に実害が出ることはない。なお、絶縁抵抗Ｒａ，Ｒｂが常に同じ値で変動すれば、いくら抵抗値が低下しても点ｋの電圧値が変動しないことになり異常検出が不可能になるが、湿気は一様ではなく、常に変化しているので、仮に短期間ではバランスが取れた状態にあってもすぐにそれぞれ異なった値に変化して、点ｋの電圧変動となって現れる。
【００４４】
以上の考察に基づき、図２において、まず、重量測定装置の据え付け時点のロードセルの正常な状態で、点ｋの電圧値をＡ／Ｄ変換し、その値を基準値ｅｋ０として、キースイッチＫＥＹからの操作指令によってメモリＭの中の不揮発性メモリに記憶させる。また、異常判定境界値Ｅｈについても、キースイッチＫＥＹより不揮発性メモリを含むメモリＭに設定、記憶させる。
【００４５】
そして、重量測定装置の稼働運転中に所定のタイミング毎にアナログスイッチＡＳ２をＯＮにして点ｋの電圧をＡ／Ｄ変換して継続的に異常予知信号のデジタル値ｅｋｘを読み込み、このｅｋｘの値とｅｋ０−Ｅｈおよびｅｋ０＋Ｅｈの値の大小を比較する。この比較の結果、ｅｋｘが次式
ｅｋ０−Ｅｈ＜ｅｋｘ＜ｅｋ０＋Ｅｈ
を満足していれば絶縁抵抗値は正常であると判定する。また、この式を満足していなければ、絶縁抵抗値がまもなく荷重信号を異常にする直前まで低下していると判定し、荷重信号の異常予知警報を表示装置ＤＩＳに表示して作業者にロードセルの点検、交換を指示する。ここで、表示の方法としては、例えばロードセルの番号と異常警報の内容とを音声等で表示するなどのマン・マシンインターフェイス手段を用いる方法がある。
【００４６】
以上のようにして、重量測定値の要求精度に合わせて抵抗ｒａ，ｒｂの値および異常判定境界値Ｅｈを決定することによって、異常予知の余裕レベルを調整し、荷重信号が正常な間に異常予知を行うことが可能となる。
【００４７】
本実施形態において、ロードセルの絶縁抵抗値は急激に変動する性質のものではないので、荷重信号に比べて、単位時間当たりのＡ／Ｄ変換回数の割り当ては少なくて良く、またＡ／Ｄ変換時間も短くて良い。なお、Ａ／Ｄ変換器を２個設けて、荷重信号と異常検知信号とを個別にＡ／Ｄ変換するようにしても良い。
【００４８】
また、本実施形態において、絶縁抵抗異常検出用のピン９ｅの配置は図３に示される配置に限る必要はなく、他のピンと入れ替わった位置に設けることもできる。
【００４９】
図４には、本発明の他の実施形態として、デジタル荷重信号を出力するデジタルロードセルを備える重量測定装置に適用した例が示されている。この重量測定装置は、デジタルロードセル回路２０Ａと、そのデジタルロードセル回路２０Ａから出力されるデジタル荷重信号を表示する重量測定装置の制御装置２５Ａとからなっている。
【００５０】
本実施形態のデジタルロードセル回路２０Ａにおいては、ゲージブリッジ回路から出力される荷重信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と演算回路（符号２１にて示す）とがゲージブリッジ回路と共に完全気密室に内蔵されている。演算回路から入出力される端子はＲＳ４８５などで規定されるデジタルＩＣの入出力端子である。導通ピン９ａは、デジタルロードセル回路２０Ａからの荷重信号を出力するが、操作用の命令を外部からデジタルロードセル回路２０Ａ内の演算回路へ与える場合もあるので、双方向のデータバスになっている。
【００５１】
このようなデジタルロードセルにおいても、湿気がロードセル外側の配線接続室側に蓄積すると、次第に絶縁抵抗が低下し、数１００オームオーダーの極めて小さい値に達してしまうことがある。例えば−Ｖ２端子との間の絶縁抵抗値が極めて低くなると、デジタル信号といえども伝達信号内容通りの「１」または「０」の電圧が出力されない事態になる。また、入力されるデジタル信号の「１」または「０」が正確に判別できないことがある。
【００５２】
そこで、完全気密室内に異常判定用測定回路２２が設けられる。この異常判定用測定回路２２は、ｒａ＝１００オーム程度の低い抵抗値の抵抗を、片方をコモンＣＯＭに、もう片方をピン９ｅに出力するとともに、抵抗ｒａに対して十分大きい抵抗値（例えば１００Ｋオーム）を持つ抵抗ｒ７に接続し演算増幅器Ａ４に入力するように構成されている。
【００５３】
このような構成において、ピン９ｅと他の端子の間の絶縁抵抗値が大きい間は演算増幅器Ａ４の出力はコモンレベルである０に近い値になる。しかし、抵抗ｒａに対して、例えばピン９ｅと電源Ｖ１や−Ｖ２が供給されるピン９ｃ，９ｄとの間の絶縁抵抗値が極めて低くなれば（例えばＶ１＝５Ｖあるいは−Ｖ２＝−５Ｖとの間が数１００オームになれば）、ピン９ｅの電位がＶ１や−Ｖ２の方向に移動し、演算増幅器Ａ４の出力は正負いずれかの方向に増加することになる。このため、デジタル入出力素子が異常を起こさない範囲の電圧変化レベルに対応する異常判定境界値Ｅｈを設定し、異常レベルを検知すると、絶縁抵抗の異常検知信号あるいは荷重出力信号の異常予知信号としてコード化し、デジタル荷重出力信号に加えて制御装置２５Ａ側へ送信するようにし、制御装置２５Ａ側で異常検知または予知の内容を表示するようにすることで、前記実施形態と同様、荷重信号が正常な間に異常予知を行うことが可能となる。
【００５４】
図５には、本発明が適用される前記実施形態とは異なるタイプのロードセルが示されている。
【００５５】
このロードセル３０は、通常の平行四辺形ロードセルと同様、金属製弾性体よりなるロードセル本体３１の上下２か所ずつに円形孔３２を設けるとともに、薄肉梁部を形成して、負荷荷重を加えることによって該薄肉梁部に伸縮曲げ歪みを生じさせ、さらに４個の円形孔３２間の中央に大きな円形孔３３を設け、円形孔３３と円形孔３２との間に４か所の薄肉起歪部を形成し、これら薄肉起歪部にゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４をそれぞれ貼付することによって、これら薄肉起歪部に生じる歪み応力を検出するように構成されている。
【００５６】
円形孔３３の内周面には、ゲージＧ１〜Ｇ４が外気に露出しないようにするために、また荷重検出用起歪部の歪みに対して抵抗力を発生させないようにするために、図５（ｂ）に示されるようなフランジ付き円筒シール部材３４が溶着される。なお、負荷容量の大きいロードセルの場合には、円形孔３３に円板状の金属蓋を溶接して完全気密室を形成することもある。
【００５７】
ゲージ配線は、ロードセル本体内に形成された配線孔３５を通して表面から円筒状に加工された配線接続孔３６に導かれ、気密端子３７のピンから配線された導電線と配線接続孔３６の中で接続される。また、配線接続孔３６内にプリント基板を設置して負帰還演算増幅回路部品３８が配されて負帰還増幅回路が形成される。また、配線接続孔３６は図５（ｃ）に示されるような金属蓋３９で外気からシールされる。こうして、ゲージＧ１〜Ｇ４が貼付された空間、配線孔３５および配線接続孔３６が完全に通気遮断性（完全気密性）を確保している。また、ロードセル本体３１には窒素ガス注入孔３１´が設けられ、この窒素ガス注入孔３１´から窒素ガスを注入した後、この窒素ガス注入孔３１´は溶接にて封止される。
【００５８】
図６には、更に別のタイプのロードセルが示されている。
【００５９】
このロードセル４０は、柱型の起歪体４１を備え、圧縮型起歪体のゲージ貼付部周辺の空間が金属ケース４３によって完全に覆われ、外気を遮断した気密室４２が形成され、その気密室４２内に負帰還増幅回路部品４４が配置された構成とされている。なお、図にはその詳細が示されていないが、気密室内の配線を気密端子のピンによって外部配線と接続する配線接続室４５が設けられている。また、金属ケース４３の内部と外部の配線接続部間は完全通気遮断性を有する気密端子によって仕切られている。
【００６０】
このほかに、本発明は、弾性体の起歪部がせん断応力を検出する構造を持つロードセルに対しても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係るロードセルの縦断面図
【図２】本実施形態のロードセルを用いる重量測定装置の回路構成図
【図３】気密端子の詳細構造を示す図
【図４】本発明の他の実施形態のロードセルを用いる重量測定装置の回路構成図
【図５】別タイプのロードセルへの適用例を示す図
【図６】さらに別タイプのロードセルへの適用例を示す図
【図７】一般的なロードセルの荷重検出回路説明図
【図８】従来の耐湿対策を施したロードセルの例を示す図
【図９】従来の気密端子の詳細構造を示す図
【符号の説明】
【００６２】
１ ロードセル
２ ロードセル本体（起歪体）
２´ 気体注入孔
３ 内空部（気密室）
４ 荷重導入部
５ 起歪部
６ リード線
７ 回路基板
８ 気密端子
９ａ〜９ｄ 電気信号導通ピン
９ｅ 絶縁抵抗異常検出用導通ピン
１０ 配線ケーブル
１１ 接続金具
１２ ねじ部
１３ 配線接続室
１４ シリコン樹脂
１５ 金属蓋
１７ 気体封止板
１８ 金属製外枠
１９ 接触部
２０ ロードセル回路
２０Ａ デジタルロードセル回路
２１ Ａ／Ｄ変換回路および演算回路
２２ 異常判定用測定回路
２５，２５Ａ 制御装置
Ａ１〜Ａ４ 演算増幅器
Ａ／Ｄ アナログ・デジタル変換器
ＣＰＵ 演算処理装置
ＤＩＳ 表示装置
Ｉ／Ｏ 入出力回路
Ｇ１〜Ｇ４ ストレインゲージ
ＫＥＹ キースイッチ
Ｍ メモリ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起歪部の上にストレインゲージを貼付し、負荷荷重の大小に応じて起歪部に発生する応力歪みをストレインゲージの抵抗値変化によって検出し、この抵抗値変化を電圧信号に変換して出力する方式のロードセルとそのロードセルを用いる重量測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ロードセルは、図７に示されるように、荷重を受けることによって伸縮歪みを起こす起歪体の上に貼付したストレインゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４をブリッジ回路に接続し、荷重に比例した電圧信号変化を取り出すように構成されている。図７において、ブリッジ回路の両端に加わる電圧をｅｉとし、ストレインゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の抵抗値をそれぞれｒｇ１，ｒｇ２，ｒｇ３，ｒｇ４とすると、出力電圧信号ｅｏは次式（１）で表される。
ｅｏ＝｛（ｒｇ１・ｒｇ３−ｒｇ２・ｒｇ４）／（ｒｇ２＋ｒｇ３）・（ｒｇ１＋ｒｇ４）｝・ｅｉ ・・・・・（１）
【０００３】
ここで、起歪体は、負荷荷重に対する歪み量の関係（ヤング率）が温度変化によって変化するため、このヤング率の温度変化によって荷重出力信号のスパンが変化しないように回路中に温度補償抵抗Ｃ１，Ｃ２が接続されている。また、ストレインゲージ（以下、単に「ゲージ」と称する。）Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の抵抗値としては、数１００オームから数Ｋオーム程度のものが一般に用いられている。
【０００４】
しかし、ゲージ周辺に耐湿保護を施さなければ、やがてゲージ表面や、ゲージから取り出された配線や、配線が接続される端子が結露することによって湿気を帯び、ゲージ抵抗そのものが負荷荷重以外の要因で変化したり、ゲージ端子間の絶縁抵抗およびゲージ端子と起歪体の絶縁抵抗が低下し、結果としてゲージ間やゲージと電源との間に低い抵抗が等価的に並列接続される形になって、ロードセル荷重信号としてのスパンや零点が変化する現象が生じることになる。
【０００５】
ゲージ端子間の絶縁抵抗は乾燥時に数１０００Ｍオームある。この場合、抵抗Ｒ１〜Ｒ６の値が上述の要因によって数１００Ｋオーム以下に低下すると、実質的に式（１）に基づいて得られる出力電圧信号ｅｏは、荷重の増減に関係なく、言い換えれば起歪体の機械的伸縮歪みに関係なく、要求された精度に影響を受けるレベルに変化してしまう。
【０００６】
このようなことから、ロードセルにとってゲージおよび周辺回路の耐湿対策は重要であり、従来からロードセルの形式、使用環境に応じて種々の対策が取られてきている。
【０００７】
例えば図８（ａ）に示されるロバーバル形ロードセルでは、起歪体５０における起歪部５１のゲージ貼付部が大気に露出していて、貼付されるゲージ５２が極めて外気の影響を受け易いので、ゲージ５２の上にシリコン樹脂やブチルゴムなどの物質５３を塗布もしくはコーティングすることにより防湿対策が施されている。
【０００８】
また、特許文献１に記載のロードセルにおいては、図８（ｂ）に示されるように、弾性体よりなる起歪部６０内面のゲージ６１が外気に露出しないように、弾性体内側の内空部６２にシリコン樹脂などの防湿剤６３を充填し、固化するようにされている。この方法は、防湿剤６３の厚みを大きくする必要があり、この防湿剤６３の特性が負荷荷重に対する起歪部６０の歪み特性に影響を及ぼすため、数１００ｋｇ以上の比較的大容量のロードセルのみに適用可能な方法である。つまり、ロードセルの容量が大きいほど、防湿剤６３を構成する樹脂の剛性による荷重信号への影響が小さくなるため、樹脂を厚く充填することができるのである。
【０００９】
しかしながら、図８（ｂ）に示されるような防湿対策を施した場合でも、シリコン樹脂などの樹脂系材料は本来が多孔質であって通気性を有するため、ロードセル本体が多湿な環境に置かれると、徐々に水蒸気が内部に浸透してゲージ６１やゲージ６１と配線６４との接続部に到達し、気温の高低サイクルによって水蒸気が水分に変化し、徐々に端子間の絶縁抵抗を低下させるという問題点がある。しかも、一旦内部に浸透した水蒸気が水分に変換されると外部へは容易に排出されない。
【００１０】
ところで、上記特許文献１に記載のロードセルでは、荷重信号の耐ノイズ性向上のために、シリコン樹脂に覆われた内部に、ノイズ耐性を高める目的でゲージの近傍に演算増幅器を設け、この演算増幅器の入力端にゲージの荷重信号出力端子を接続して演算増幅器の出力端から増幅後の荷重信号を取り出す工夫がなされているが、演算増幅器の入力端におけるゲージ周辺の湿気滞在によってその入力端の電圧信号が変動するため、出力側の荷重信号は零点、スパン、温度補償効果の長期ドリフト的変化を起こすだけでなく、短時間の使用中にもふらつき現象が生じて、正しく安定した重量測定値が得られない事態が生じてしまう。したがって、この従来技術では、耐湿性向上の課題の解決に至っていないのが実情である。
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−１４０６４６号公報
【００１２】
このようなことから、トラックスケールや軸重計など、ロードセルが外気に晒され、大雨時には水没する可能性があったり、温度高低変化の激しい道路面直下の劣悪な環境に置かれる計量装置に使用されるロードセルの耐湿性向上対策としては、結局、コストはかかるが、図８（ｃ）および図９（ａ）〜（ｃ）に示されるような構造が取られている。すなわち、ロードセル本体７０の内空室（気密室）７１の下部に金属蓋７２を溶接し、気密端子７３として、電気信号導通ピン７４（７４ａ〜７４ｄ）を埋め込んだ気体封止板８４を支持する金属製外枠８５外周の接触部８６を金属製弾性体よりなるロードセル本体７０の側面に溶接またはハンダ接合することによって外部からの気体の流入を完全遮断するようにしている。なお、図９（ｃ）において、気密端子７３の左方が気密室７１側、右方が配線接続室７８側である。
【００１３】
さらに、ロードセル本体７０の気密室７１の外殻ケースには小径の気体注入孔（図示せず）を設け、この気体注入孔から窒素ガスを注入して気密室７１内の空気と置換させ、窒素ガス注入後にその気体注入孔を溶接で埋めて、外気遮断性を保つ対策も取られている。なお、窒素ガスには水蒸気が含まれていないので、外気温が下がっても気密室７１内に気体による結露が生じない。
【００１４】
上述のような構成にすることによって、ロードセル本体７０の気密室７１は完全に外気から遮断され、しかも該気密室７１内には乾燥した窒素ガスが封入されているため、ロードセルの外気温度が高低に変化しても、気密室７１内で結露が生じる事態はなく、ゲージ７９と起歪体（ロードセル本体７０）との間、気密室７１内の端子間には常に高い絶縁性が維持される。
【００１５】
しかしながら、図８（ｃ）に示されるロードセルには、以下に説明するように湿気に関する弱点がある。すなわち、気密端子７３のロードセル外側の配線接続室７８は、シリコン樹脂８０が充填されているものの、配線ケーブル８１の片側は外気に開放されており、この配線ケーブル８１内の僅かな空間によって外気に通じている。また、配線ケーブル８１内には僅かに空気が含まれている。シリコン樹脂８０には通気性があるので、ロードセルが高低温度変化が大きい環境に設置されている場合には、配線接続室７８内の空気や配線ケーブル８１内の空気が周囲の温度高低変化によって膨張、圧縮を繰り返し、長時間使用によって配線接続室７８内へ徐々に水蒸気を含んだ空気が入ることになる。こうして配線接続室７８内に入った水蒸気は外気温の低下によって水分に変わる。これによって配線接続室７８側の電気信号導通ピン７４間の絶縁抵抗が徐々に低下し、図７に示されるゲージ端子間絶縁抵抗Ｒ１〜Ｒ６の値が数１００Ｋオームのオーダーを下回る値に低下し、長期的には数１００オーム以下に下がる場合もある。
【００１６】
また、ロードセル本体７０と配線ケーブル８１とを接続する接続金具８２（図８（ｃ）参照）に関して、配線ケーブル８１と接続金具８２とは通常、ゴム材の融着によってシールされているが、このゴム材も完全な通気遮断性を有しておらず、またロードセル本体７０と接続金具８２とを接続するねじ部８３も完全な通気遮断性を有していないなど、配線接続室７８に対し水蒸気を含む空気が侵入する要因は多い。
【００１７】
したがって、図８（ｂ）のものに比べて完全防湿対策ロードセルとして優れている図８（ｃ）のものも、完全気密室の構成を取っているとはいえ、結局は長期の使用において、気密端子外部側の絶縁不良による荷重信号変動トラブルの発生を避けることができないという問題点がある。
【００１８】
また、重量測定装置の使用中において、荷重信号は被計量物の重量の大小によって様々な値を取り得る。特に絶縁抵抗の低下によるスパンのドリフトについては、稼働運転を中断して繰り返し既知の重量負荷を与えるなど特別な検査条件と作業者による判断を必要とする。また、荷重信号に異常が現れない間に絶縁抵抗の低下を判定するには、通常使用の段階から繰り返し継続的に零点ドリフトやスパンドリフト検査が必要であり、手間がかかるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、出力荷重信号もしくはデジタル出力信号が異常状態となる前に異常予知警報信号を出力することのできるロードセルとそのロードセルを用いる重量測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明では、完全気密室を備え、この完全気密室内にストレインゲージ貼付部を収容したロードセルにおいて、気密端子の外側に湿気が侵入することにより、荷重信号出力用の導通ピンと、電源供給用の導通ピンまたはロードセル本体との間で絶縁抵抗が低下することによって、荷重信号がその影響を受け、荷重信号に要求される精度以上のスパン、あるいは零点変動を起こすまでに、絶縁抵抗低下による異常予知信号を作るための導通ピンを気密端子上に設けることにより上記課題を達成したものである。
【００２１】
要するに、第１発明によるロードセルは、ロードセル本体における起歪部上のストレインゲージ貼付部が外部から遮断された気密室内に配され、この気密室の一側を塞ぐ気密端子によってストレインゲージブリッジへの電源の供給と該ストレインゲージブリッジからの荷重信号の取り出しとが行われるロードセルにおいて、前記気密端子に、前記荷重信号出力用の導通ピンと、電源供給用の導通ピンまたは前記ロードセル本体との間の絶縁抵抗値が低下したことを検知して警報信号を出力するための絶縁抵抗低下検知用の導通ピンを設けることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明をデジタルロードセルに用いる場合には、前記気密室内に、前記荷重信号をデジタル信号化するＡ／Ｄ変換回路と演算回路とが設けられ、この演算回路を介してデジタル荷重信号が出力されるデジタルロードセルであって、
前記絶縁抵抗低下検知用の導通ピンの絶縁抵抗値が異常に低下したことを検知する異常判定用測定回路が設けられるのが好ましい（第２発明）。
【００２３】
前記第２発明において、絶縁抵抗値が低下したことを検知して出力される警報信号は、前記デジタル荷重信号と共に出力されるのが好ましい（第３発明）。
【００２４】
また、前記各発明において、前記警報信号は、荷重信号の異常予知警報信号として利用されるのが良い（第４発明）。
【００２５】
また、第５発明による重量測定装置は、
前記第１発明〜第４発明のいずれかのロードセルと、このロードセルから出力される警報信号を表示する表示手段を有する制御装置とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ロードセル本体の気密室における気密端子の外側の室に水蒸気の形で湿気が侵入することによって、荷重信号出力用の導通ピンと、電源供給用の導通ピンまたはロードセル本体との間で絶縁抵抗が低下しても、絶縁抵抗低下検知用の導通ピンにより荷重信号が異常となる前に異常予知警報信号を出力することができ、作業者にロードセルの点検、交換を適正に指示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明によるロードセルおよびそれを用いる重量測定装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２８】
図１には、本発明の一実施形態に係るロードセルの縦断面図が示され、図２には、本実施形態のロードセルを用いる重量測定装置の回路構成図が示されている。また、図３には、気密端子の詳細構造が示されている。
【００２９】
本実施形態のロードセル１は、内空部（気密室）３を有する全体として円盤形状の金属製弾性体よりなるロードセル本体（起歪体）２を備え、このロードセル本体２の上面側中央部に荷重導入部４が突出形成されて構成されている。荷重導入部４の外周側であって、ロードセル本体２の外表面と内表面との間には薄肉の円板状または円環状をなす起歪部５が設けられ、この起歪部５の応力の極大または極小となる部分にはストレインゲージ（以下、単に「ゲージ」と称する。）Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４が貼付されている。
【００３０】
ゲージＧ１〜Ｇ４はストレインゲージブリッジ回路（図２参照）を形成しており、その端子はリード線６によって気密室３内に配される回路基板７の端子に接続されている。また、回路基板７の端子は、ロードセル本体２の一側の開口を塞ぐ気密端子８の電気信号導通ピン９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ）に接続され、この電気信号導通ピン（以下、単に「ピン」という。）９は配線ケーブル１０の心線に接続されている。また、ロードセル本体２と配線ケーブル１０とは接続金具１１によって固定されている。この接続金具１１は、一端がロードセル本体２に穿設された開口部に挿入されてねじ部１２により固定され、他端に配線ケーブル１０が挿通固定され、一端部側に配線接続室１３が区画形成されるとともに、配線ケーブル１０の心線の周りがシリコン樹脂１４で固定されて構成されている。また、配線ケーブル１０の接続金具１１への挿入部の気密性を保つため、クロロプレンゴム１０´によって融着被覆している。
【００３１】
前記ロードセル本体２の気密室３の開口側である下端側には金属蓋（金属製ダイヤフラム）１５が溶接されて内部が密閉されている。また、外気温の低下による気密室３内の結露を防止するために、ロードセル本体２に気体注入孔２´が設けられ、この気体注入孔２´から窒素ガス等の水蒸気を含まない気体が注入されて空気と置換される。あるいはシリカゲル等の吸湿剤を封入するなどの対策が取られる。
【００３２】
この気密室３内には、図２に示される構成のロードセル回路２０が内蔵されている。そして、このロードセル回路２０に接続されるように、重量測定装置の制御装置２５が設けられている。
【００３３】
気密端子８においては、従来の荷重信号用のピン９ａ，９ｂおよび電源電圧用のピン９ｃ，９ｄに加え、絶縁抵抗異常検出用のピン９ｅが設けられている。ここで、気密端子８は、図３（ａ）（ｂ）に示されるように、ピン９ａ〜９ｅを埋め込んだ気体封止板１７を、高絶縁性を有し、完全に通気性のないガラス、セラミックなどの材料で成形し、この気体封止板１７を支持する金属製外枠１８外周の接触部１９を金属製弾性体よりなるロードセル本体２の側面に溶接またはハンダ接合（図３（ｃ）参照）することによって外部からの気体の流入を完全遮断するように構成されている。
【００３４】
絶縁抵抗異常検出用のピン９ｅの気密室３側は、抵抗ｒａ，ｒｂによって電圧Ｖ１，−Ｖ２をそれぞれ分圧する点ｋに接続される。配線接続室１３側に湿気が侵入して抜けなくなると、次第に各ピン９ａ〜９ｄ間および各ピン９ａ〜９ｄと気密端子８の金属製外枠１８との間の絶縁抵抗が低下してくる。点ｋの電圧は、この絶縁抵抗値の異常低下を検出する異常検知信号である。本実施形態のロードセル１は、絶縁抵抗異常検出用のピン９ｅにて、荷重信号の変動の仕様上の許容範囲内における絶縁抵抗の異常な低下を検知することによって、荷重信号の異常を予知する機能が発揮されるようになっている。
【００３５】
図２に示されるように、重量測定装置の制御装置２５において、電源回路ＰＯＷからはＶ１＝５Ｖ，−Ｖ２＝−５Ｖの電源がロードセル回路２０の電源電圧用のピン９ｃ，９ｄにそれぞれ供給される。また、ロードセル回路２０の荷重信号用のピン９ａ，９ｂから出力される荷重信号は制御装置２５の演算増幅器Ａ１，Ａ２にそれぞれ入力される。これら演算増幅器Ａ１，Ａ２および演算増幅器Ａ３、更には抵抗ｒ１〜ｒ６によって、入力される荷重信号に対する差動増幅回路が構成されている。
【００３６】
一方、点ｋの絶縁抵抗の異常検知信号はピン９ｅを通して、制御装置２５の演算増幅器Ａ４と抵抗ｒ７〜ｒ９からなる増幅回路に入力される。ここで、抵抗ｒ７は、抵抗ｒａ，ｒｂに比べ、十分大きい値のものを選択する。なお、この増幅回路はボルテージフォロワの構成であっても良い。
【００３７】
演算増幅器Ａ３から出力された荷重信号はアナログスイッチＡＳ１を通してアナログ・デジタル変換機Ａ／Ｄに供給され、また演算増幅器Ａ４から出力された異常検知信号はアナログスイッチＡＳ２を通してアナログ・デジタル変換機Ａ／Ｄに供給される。これらアナログスイッチＡＳ１，ＡＳ２をＯＮ，ＯＦＦするゲート信号ＡＧ１，ＡＧ２は入出力回路Ｉ／Ｏから出力され、この入出力回路Ｉ／Ｏは、メモリＭに記憶されたプログラムに基づき演算処理装置ＣＰＵからの命令によって制御される。なお、入出力回路Ｉ／ＯにはキースイッチＫＥＹおよび表示装置ＤＩＳが付設される。
【００３８】
ところで、図７に示されるようなゲージブリッジ回路において、ゲージ抵抗値が３５０オーム、温度補償抵抗Ｃ１，Ｃ２が数１０オームであった場合に、電源Ｖ１と片方の荷重信号出力端子ｐ１との間の絶縁抵抗が気密端子の配線接続室側の湿気で低下して数１００Ｋオーム台になると、出力に約１／１０００の影響が及ぶことになる。この絶縁抵抗は、計量精度１／３０００の重量測定装置の場合には少なくとも数Ｍオーム程度以上を維持することが必要である。
【００３９】
そこで、本実施形態のロードセル１では、従来のピン９ａ〜９ｄに加え、絶縁抵抗の低下を検知するピン９ｅが設けられた気密端子８を用いている。いま、Ｖ１＝５Ｖ，−Ｖ２＝−５Ｖの電源がロードセル回路２０の電源電圧用のピン９ｃ，９ｄに供給されているとし、抵抗ｒａ，ｒｂ＝１Ｋオームとすると、点ｋの電圧ｅｋはほぼ電源電圧のコモンレベル、すなわち０に等しい。そして、配線接続室１３側が乾燥状態にあれば常にｅｋ≒０の値を保つ。なお、抵抗ｒａ，ｒｂは、温度変化に対して同じ割合で同じ方向に変化する性質を持つものを使用するのが好ましい。
【００４０】
ところが、配線接続室１３側に湿気が侵入して抜けなくなると、次第に各ピン９ａ〜９ｄ間および各ピン９ａ〜９ｄと気密端子８の金属製外枠１８との間の絶縁抵抗が低下してくる。最初、乾燥状態ではピン間の絶縁抵抗値は数１０００Ｍオームのレベルが通常値である。したがって、抵抗ｒａ，ｒｂの両端の絶縁抵抗値をそれぞれＲａ，Ｒｂとすると、Ｒａ≠Ｒｂであっても双方が１００Ｍオームのオーダーであればｒａ，ｒｂへの影響は１０３／１０８＝１／１０５程度であるから、極端にＲａおよびＲｂの値に差ができたとしても、仮にＲａの絶縁抵抗値のみが１００Ｍオームになったとしても、点ｋの電位ｅｋのコモンレベルからの動きは僅か（１／１０５程度）である。配線接続室１３側の絶縁抵抗の低下を検知するピン９ｅの絶縁抵抗値の低下がこの程度であれば、周辺に配置されている標準のピン間の状況もほぼ同一とみなせるので、荷重信号は影響を受けていないと考えることができる。
【００４１】
しかし、絶縁抵抗が１Ｍオームのオーダーに下がると、１Ｋオームに対して１／１０００の影響が現れるので、重量測定装置の計量精度が１／３０００であれば問題になる。つまり、ピン９ｅの絶縁抵抗値が１Ｍオームの値付近に下がっていれば、荷重信号用のピン９ａ，９ｂの絶縁抵抗値もほぼ同じ状況であって、荷重信号が精度の上で大きく影響を受けていると考えることができる。
【００４２】
したがって、点ｋの電圧レベルｅｋの調整時点の値を記憶しておき、重量測定値の作動中に時折自動検出するようにし、このｅｋの値が記憶値（初期値）より大小いずれかの方向に１／１００００より大きく変化すれば、荷重信号端子の絶縁抵抗も同レベルに低下していると見て、やがて荷重信号も許容誤差を超える変化が起きると予測することができる。
【００４３】
Ｖ１＝５Ｖ，−Ｖ２＝−５Ｖの電源が供給されている場合には、点ｋの電圧レベルｅｋの許容変動幅電圧（異常判定境界値）Ｅｈを、
Ｅｈ＝５×１／１００００（Ｖ）＝±０．５ｍＶ
と設定する。そして、ｅｋの値が記憶値より大小いずれかの方向にＥｈ以上の値に変化すれば異常予知警報を出力するようにする。この異常予知警報が出力された時点でロードセルを交換すれば計量作業に実害が出ることはない。なお、絶縁抵抗Ｒａ，Ｒｂが常に同じ値で変動すれば、いくら抵抗値が低下しても点ｋの電圧値が変動しないことになり異常検出が不可能になるが、湿気は一様ではなく、常に変化しているので、仮に短期間ではバランスが取れた状態にあってもすぐにそれぞれ異なった値に変化して、点ｋの電圧変動となって現れる。
【００４４】
以上の考察に基づき、図２において、まず、重量測定装置の据え付け時点のロードセルの正常な状態で、点ｋの電圧値をＡ／Ｄ変換し、その値を基準値ｅｋ０として、キースイッチＫＥＹからの操作指令によってメモリＭの中の不揮発性メモリに記憶させる。また、異常判定境界値Ｅｈについても、キースイッチＫＥＹより不揮発性メモリを含むメモリＭに設定、記憶させる。
【００４５】
そして、重量測定装置の稼働運転中に所定のタイミング毎にアナログスイッチＡＳ２をＯＮにして点ｋの電圧をＡ／Ｄ変換して継続的に異常予知信号のデジタル値ｅｋｘを読み込み、このｅｋｘの値とｅｋ０−Ｅｈおよびｅｋ０＋Ｅｈの値の大小を比較する。この比較の結果、ｅｋｘが次式
ｅｋ０−Ｅｈ＜ｅｋｘ＜ｅｋ０＋Ｅｈ
を満足していれば絶縁抵抗値は正常であると判定する。また、この式を満足していなければ、絶縁抵抗値がまもなく荷重信号を異常にする直前まで低下していると判定し、荷重信号の異常予知警報を表示装置ＤＩＳに表示して作業者にロードセルの点検、交換を指示する。ここで、表示の方法としては、例えばロードセルの番号と異常警報の内容とを音声等で表示するなどのマン・マシンインターフェイス手段を用いる方法がある。
【００４６】
以上のようにして、重量測定値の要求精度に合わせて抵抗ｒａ，ｒｂの値および異常判定境界値Ｅｈを決定することによって、異常予知の余裕レベルを調整し、荷重信号が正常な間に異常予知を行うことが可能となる。
【００４７】
本実施形態において、ロードセルの絶縁抵抗値は急激に変動する性質のものではないので、荷重信号に比べて、単位時間当たりのＡ／Ｄ変換回数の割り当ては少なくて良く、またＡ／Ｄ変換時間も短くて良い。なお、Ａ／Ｄ変換器を２個設けて、荷重信号と異常検知信号とを個別にＡ／Ｄ変換するようにしても良い。
【００４８】
また、本実施形態において、絶縁抵抗異常検出用のピン９ｅの配置は図３に示される配置に限る必要はなく、他のピンと入れ替わった位置に設けることもできる。
【００４９】
図４には、本発明の他の実施形態として、デジタル荷重信号を出力するデジタルロードセルを備える重量測定装置に適用した例が示されている。この重量測定装置は、デジタルロードセル回路２０Ａと、そのデジタルロードセル回路２０Ａから出力されるデジタル荷重信号を表示する重量測定装置の制御装置２５Ａとからなっている。
【００５０】
本実施形態のデジタルロードセル回路２０Ａにおいては、ゲージブリッジ回路から出力される荷重信号をＡ／Ｄ変換してデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と演算回路（符号２１にて示す）とがゲージブリッジ回路と共に完全気密室に内蔵されている。演算回路から入出力される端子はＲＳ４８５などで規定されるデジタルＩＣの入出力端子である。導通ピン９ａは、デジタルロードセル回路２０Ａからの荷重信号を出力するが、操作用の命令を外部からデジタルロードセル回路２０Ａ内の演算回路へ与える場合もあるので、双方向のデータバスになっている。
【００５１】
このようなデジタルロードセルにおいても、湿気がロードセル外側の配線接続室側に蓄積すると、次第に絶縁抵抗が低下し、数１００オームオーダーの極めて小さい値に達してしまうことがある。例えば−Ｖ２端子との間の絶縁抵抗値が極めて低くなると、デジタル信号といえども伝達信号内容通りの「１」または「０」の電圧が出力されない事態になる。また、入力されるデジタル信号の「１」または「０」が正確に判別できないことがある。
【００５２】
そこで、完全気密室内に異常判定用測定回路２２が設けられる。この異常判定用測定回路２２は、ｒａ＝１００オーム程度の低い抵抗値の抵抗を、片方をコモンＣＯＭに、もう片方をピン９ｅに出力するとともに、抵抗ｒａに対して十分大きい抵抗値（例えば１００Ｋオーム）を持つ抵抗ｒ７に接続し演算増幅器Ａ４に入力するように構成されている。
【００５３】
このような構成において、ピン９ｅと他の端子の間の絶縁抵抗値が大きい間は演算増幅器Ａ４の出力はコモンレベルである０に近い値になる。しかし、抵抗ｒａに対して、例えばピン９ｅと電源Ｖ１や−Ｖ２が供給されるピン９ｃ，９ｄとの間の絶縁抵抗値が極めて低くなれば（例えばＶ１＝５Ｖあるいは−Ｖ２＝−５Ｖとの間が数１００オームになれば）、ピン９ｅの電位がＶ１や−Ｖ２の方向に移動し、演算増幅器Ａ４の出力は正負いずれかの方向に増加することになる。このため、デジタル入出力素子が異常を起こさない範囲の電圧変化レベルに対応する異常判定境界値Ｅｈを設定し、異常レベルを検知すると、絶縁抵抗の異常検知信号あるいは荷重出力信号の異常予知信号としてコード化し、デジタル荷重出力信号に加えて制御装置２５Ａ側へ送信するようにし、制御装置２５Ａ側で異常検知または予知の内容を表示するようにすることで、前記実施形態と同様、荷重信号が正常な間に異常予知を行うことが可能となる。
【００５４】
図５には、本発明が適用される前記実施形態とは異なるタイプのロードセルが示されている。
【００５５】
このロードセル３０は、通常の平行四辺形ロードセルと同様、金属製弾性体よりなるロードセル本体３１の上下２か所ずつに円形孔３２を設けるとともに、薄肉梁部を形成して、負荷荷重を加えることによって該薄肉梁部に伸縮曲げ歪みを生じさせ、さらに４個の円形孔３２間の中央に大きな円形孔３３を設け、円形孔３３と円形孔３２との間に４か所の薄肉起歪部を形成し、これら薄肉起歪部にゲージＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４をそれぞれ貼付することによって、これら薄肉起歪部に生じる歪み応力を検出するように構成されている。
【００５６】
円形孔３３の内周面には、ゲージＧ１〜Ｇ４が外気に露出しないようにするために、また荷重検出用起歪部の歪みに対して抵抗力を発生させないようにするために、図５（ｂ）に示されるようなフランジ付き円筒シール部材３４が溶着される。なお、負荷容量の大きいロードセルの場合には、円形孔３３に円板状の金属蓋を溶接して完全気密室を形成することもある。
【００５７】
ゲージ配線は、ロードセル本体内に形成された配線孔３５を通して表面から円筒状に加工された配線接続孔３６に導かれ、気密端子３７のピンから配線された導電線と配線接続孔３６の中で接続される。また、配線接続孔３６内にプリント基板を設置して負帰還演算増幅回路部品３８が配されて負帰還増幅回路が形成される。また、配線接続孔３６は図５（ｃ）に示されるような金属蓋３９で外気からシールされる。こうして、ゲージＧ１〜Ｇ４が貼付された空間、配線孔３５および配線接続孔３６が完全に通気遮断性（完全気密性）を確保している。また、ロードセル本体３１には窒素ガス注入孔３１´が設けられ、この窒素ガス注入孔３１´から窒素ガスを注入した後、この窒素ガス注入孔３１´は溶接にて封止される。
【００５８】
図６には、更に別のタイプのロードセルが示されている。
【００５９】
このロードセル４０は、柱型の起歪体４１を備え、圧縮型起歪体のゲージ貼付部周辺の空間が金属ケース４３によって完全に覆われ、外気を遮断した気密室４２が形成され、その気密室４２内に負帰還増幅回路部品４４が配置された構成とされている。なお、図にはその詳細が示されていないが、気密室内の配線を気密端子のピンによって外部配線と接続する配線接続室４５が設けられている。また、金属ケース４３の内部と外部の配線接続部間は完全通気遮断性を有する気密端子によって仕切られている。
【００６０】
このほかに、本発明は、弾性体の起歪部がせん断応力を検出する構造を持つロードセルに対しても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係るロードセルの縦断面図
【図２】本実施形態のロードセルを用いる重量測定装置の回路構成図
【図３】気密端子の詳細構造を示す図
【図４】本発明の他の実施形態のロードセルを用いる重量測定装置の回路構成図
【図５】別タイプのロードセルへの適用例を示す図
【図６】さらに別タイプのロードセルへの適用例を示す図
【図７】一般的なロードセルの荷重検出回路説明図
【図８】従来の耐湿対策を施したロードセルの例を示す図
【図９】従来の気密端子の詳細構造を示す図
【符号の説明】
【００６２】
１ ロードセル
２ ロードセル本体（起歪体）
２´ 気体注入孔
３ 内空部（気密室）
４ 荷重導入部
５ 起歪部
６ リード線
７ 回路基板
８ 気密端子
９ａ〜９ｄ 電気信号導通ピン
９ｅ 絶縁抵抗異常検出用導通ピン
１０ 配線ケーブル
１１ 接続金具
１２ ねじ部
１３ 配線接続室
１４ シリコン樹脂
１５ 金属蓋
１７ 気体封止板
１８ 金属製外枠
１９ 接触部
２０ ロードセル回路
２０Ａ デジタルロードセル回路
２１ Ａ／Ｄ変換回路および演算回路
２２ 異常判定用測定回路
２５，２５Ａ 制御装置
Ａ１〜Ａ４ 演算増幅器
Ａ／Ｄ アナログ・デジタル変換器
ＣＰＵ 演算処理装置
ＤＩＳ 表示装置
Ｉ／Ｏ 入出力回路
Ｇ１〜Ｇ４ ストレインゲージ
ＫＥＹ キースイッチ
Ｍ メモリ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロードセル本体における起歪部上のストレインゲージ貼付部が外部から遮断された気密室内に配され、この気密室の一側を塞ぐ気密端子によってストレインゲージブリッジへの電源の供給と該ストレインゲージブリッジからの荷重信号の取り出しとが行われるロードセルにおいて、
前記気密端子に、前記荷重信号出力用の導通ピンと、電源供給用の導通ピンまたは前記ロードセル本体との間の絶縁抵抗値が低下したことを検知して警報信号を出力するための絶縁抵抗低下検知用の導通ピンを設けることを特徴とするロードセル。
【請求項２】
前記気密室内に、前記荷重信号をデジタル信号化するＡ／Ｄ変換回路と演算回路とが設けられ、この演算回路を介してデジタル荷重信号が出力されるデジタルロードセルであって、
前記絶縁抵抗低下検知用の導通ピンの絶縁抵抗値が異常に低下したことを検知する異常判定用測定回路が設けられる請求項１に記載のロードセル。
【請求項３】
絶縁抵抗値が低下したことを検知して出力される警報信号は、前記デジタル荷重信号と共に出力される請求項２に記載のロードセル。
【請求項４】
前記警報信号は、荷重信号の異常予知警報信号として利用される請求項１〜３のいずれかに記載のロードセル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のロードセルと、このロードセルから出力される警報信号を表示する表示手段を有する制御装置とを備えることを特徴とする重量測定装置。
【請求項１】
ロードセル本体における起歪部上のストレインゲージ貼付部が外部から遮断された気密室内に配され、この気密室の一側を塞ぐ気密端子によってストレインゲージブリッジへの電源の供給と該ストレインゲージブリッジからの荷重信号の取り出しとが行われるロードセルにおいて、
前記気密端子に、前記荷重信号出力用の導通ピンと、電源供給用の導通ピンまたは前記ロードセル本体との間の絶縁抵抗値が低下したことを検知して警報信号を出力するための絶縁抵抗低下検知用の導通ピンを設けることを特徴とするロードセル。
【請求項２】
前記気密室内に、前記荷重信号をデジタル信号化するＡ／Ｄ変換回路と演算回路とが設けられ、この演算回路を介してデジタル荷重信号が出力されるデジタルロードセルであって、
前記絶縁抵抗低下検知用の導通ピンの絶縁抵抗値が異常に低下したことを検知する異常判定用測定回路が設けられる請求項１に記載のロードセル。
【請求項３】
絶縁抵抗値が低下したことを検知して出力される警報信号は、前記デジタル荷重信号と共に出力される請求項２に記載のロードセル。
【請求項４】
前記警報信号は、荷重信号の異常予知警報信号として利用される請求項１〜３のいずれかに記載のロードセル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のロードセルと、このロードセルから出力される警報信号を表示する表示手段を有する制御装置とを備えることを特徴とする重量測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−６６０８６（Ｐ２０１０−６６０８６Ａ）
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３１７９２（Ｐ２００８−２３１７９２）
【出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【出願人】（０００２０８４４４）大和製衡株式会社 (535)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【出願人】（０００２０８４４４）大和製衡株式会社 (535)
【Ｆターム（参考）】
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