ブリッジ​ベース​セン​サ​で​負荷​と​トル​ク​を​計測

概要

この​ドキュメント​では、​負荷/​トル​ク​計測​の​基本​と、​センサ​仕様​の​違い​による​ロード​セル​や​トルクセンサ​の​性能​へ​の​影響​について​解説​し​ます。
​センサ​を​選ぶ​際​に​は、​センサ​の​特性​の​ほか、​必要​な​ハードウェア​が​負荷/​トル​ク​計測​を​正しく​調節​し​収集​できる​もの​で​ある​こと​を​考慮​する​必要​が​あり​ます。​例えば、​未​調節​の​センサ​に​は​電圧​励起​が​必要​で、​その​機能​は​一部​の​計測​ハードウェア​に​しか​搭載​さ​れ​てい​ま​せん。​トル​ク​計測​に​必要​な​計測​ハードウェア​を​より​よく​理解​する​に​は、高​確度​の​センサ​計測​を​実現​する​ため​の​テクニカル​ガイドの​ダウンロード​を​お​勧め​し​ます。

目次

  1. 力、​負荷、​トル​ク​とは
  2. ロード​セル​の​仕組み
  3. ロード​セル​を​正しく​選ぶ​には
  4. トルクセンサ​の​仕組み
  5. トルクセンサ​を​正しく​選ぶ​には
  6. 負荷/​トルクセンサ​向け​の​信号​処理
  7. 参考文献

力、​負荷、​トル​ク​とは

力​と​は、​物体​間​の​相互作用​を​測る​基準​です。​あらゆる​作用​に​は、​同等​の​逆​反応​が​あり​ます。​力​は​物体​に対する​プッシュ​または​プル​とも​いい​ます。​振幅​と​方向​の​両方​を​表す​ベクトル​量​です。

負荷​と​は、​構造​物​または​物体​に​かかる​力​を​表す​用語​として​よく​使用​さ​れ​ます。​力​を​表す​SI​基本​単位​は​ニュートン​(N)​です。ロード​セルは、​力​または​重量​を​直接​計測​し​ます。​これらの​トランスデューサ​は、​力​や​重み​によって​生​じ​た​変形​を​計測​する​こと​で、​機械​力​を​電気​信号​に​変換​し​ます。​この​よう​な​デバイス​の​一般​的​な​アプリケーション​として​は、​ホッパー​の​乾燥​物質​や​液状​物質​の​計測​が​あり​ます。​ロード​セル​で​重量​を​計測​する​場合、​ホッパー​内​の​物質​の​量​が​計測​さ​れ​ます。

図​1. ロード​セル​は、​力​または​重量​の​計測​に​使用​し​ます。

 

トル​ク​と​は、​軸​を​中心​に​物体​を​回転​させる​力​の​性質​を​いい​ます。​力​を​プッシュ/​プル​と​表現​する​の​と​同様、​トル​ク​は​物体​の​ツイスト​と​表現​でき​ます。​トル​ク​を​表す​SI​認定​単位​は​ニュートン​メートル​(Nm)​です。​シンプル​に​定義​すると、​トル​ク​は​力​に​距離​を​乗算​した​もの​と​同等​です。​ここ​で​時計​回り​の​トル​ク​は​通常​正​で、​反​時計​回り​の​トル​ク​は​通常​負​となり​ます。トルクセンサは、​トー​ション​バー​に​取り付け​た​歪み​ゲージ​から​なり​ます。​バー​が​回る​と、​ゲージ​は​バー​の​せん断​応力​に​応答​し​ます。​この​せん断​応力​は​トル​ク​に​比例​し​ます。

図​2. 回転​式​スリップ​リング​トル​ク​セン​サ​を​使用​し​て、​始動​トル​ク、​回転​トル​ク、​停​動​トル​ク​の​レベル​を​計測​でき​ます。

 

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ロード​セル​の​仕組み

多く​の​各種​ロード​セル​が​様々​な​方法​で​稼動​し​てい​ます​が、​最も​よく​使用​さ​れる​ロード​セル​は​歪み​ゲージ​ロード​セル​です。​一般に、​複数​の​歪み​ゲージ​が​ホ​イ​ー​トス​トーン​ブリッジ​構成​で​設置​さ​れ​て​いる​ビーム/​ヨーク​アセンブリ​を​使用​する​ため、​力をかけることで歪みゲージで計測するアセンブリに歪みを生じさせます。​通常​そうした​デバイス​は、​力​が​抵抗​の​変化​と​直接​的​に​関連​付け​られる​よう、​校正​を​行い​ます。​それ​より​一般​的​では​ない​空気圧/​油圧​ロード​セル​は、​力​を​圧力​計測​値​に​変換​し​ます。​ピストン​または​振動​板​の​一方​に​力​が​加​え​られる​と、​その​力​と​バランス​を​取る​ため​に​もう​一方​に​かかる​圧力​(空気圧/​油圧)​の​量​を​計測​し​ます。​以降​の​セクション​では、​歪み​ゲージ​または​ブリッジ​ベース​ロード​セル​について​解説​し​ます。

ロード​セル​または​歪み​ゲージ​トランスデューサ​で​最も​重要​な​機械​コンポーネント​は、​構造​体​(バネ​要素)​です。​構造​体​は​かけ​ら​れ​た​荷重​に対して​反応​し、​その荷重を絶縁された均一の歪みフィールドに集中させます。​そこ​に​歪み​ゲージ​を​配置​し​て、​荷重​計測​を​行い​ます。​ロード​セル​の​構造​体​に​は、​複数​曲​げ​ビーム、​複数​コラム、​せん断​ウェブ​の​3​つ​の​設計​が​あり、​全て​の​ロード​セル​プロファイル/​構成​の​基本​構成​要素​と​な​って​い​ます。

 

複数​曲​げ​ビーム型

複数​コラム型

せん断​ウェブ型

 

図​3.ロード​セル​構造​体​の​設計​に​は、​様々​な​方法​で​圧縮​と​引​張​を​計測​する​歪み​ゲージ​が​取り付け​ら​れ​てい​ます。 [1]

 

複数​曲​げ​ビーム​型​ロード​セルは、​低​容量​(20​~​22K N)​で、​低​プロファイル​トランスデューサ​に​適応​できる​ホイール​型​の​バネ​要素​が​特徴​です。​1​つ​の​ブリッジ​アーム​につき​4​個​の​アクティブ​ゲージ​が​あり、​2​個​ずつ​が​同等​の​歪み​と​反対​の​歪み​(引​張​と​圧縮)​を​受け​ます。

複数​コラム​型​ロード​セルは、​複数​の​コラム​によって​高​容量​(110K​~​9M N)​を​実現​し​ます。​この​構成​では、​各​ブリッジ​アーム​に​4​個​の​アクティブ​歪み​ゲージ​が​あり、​ポアソン​効果​を​補償​する​ため、​2​個​は​歪み​の​主軸​に対して​平行、​あと​の​2​個​は​垂直​方向​に​設置​さ​れ​てい​ます。

せん断​ウェブ​型​ロード​セルは、​中​容量​(2K​~​1M N)​で、 直接​せん断​さ​れる​放射状​の​ウェブ​の​付​い​た​ホイール​形状​と​な​って​い​ます。​ブリッジ​アーム​に​ある​4​つ​の​アクティブ​歪み​ゲージ​は、​ビーム​の​軸​に対し​45​度​で​ウェブ​の​側面​に​接着​さ​れ​てい​ます。

 

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ロード​セル​を​正しく​選ぶ​には

ロード​セル​は、​2​つ​の​基本​モード​で​動作​し​ます。​1​つ​は​荷重​を​1​つ​または​複数​の​ロード​セル​の​上​に​乗せる​圧縮​モード、​もう​1​つ​は​荷重​を​ロード​セル​から​吊るす​引​張​モード​です。​これらの​構成​を​使用​し​て、​圧縮​力​のみ​を​計測​する​上述​の​よう​な​様々​な​構成​の​ロード​セル​構造​を​設計​する​こと​も、​引​張力​と​圧縮​力​の​両方​を​計測​する​もの​を​設計​する​こと​も​でき​ます。

ロード​セル​は、​主​計測​の​ほかに、​容量、​確度、​物理​的​な​設置​条件、​環境​保護​など​に​基​づ​い​て​選定​し​ます。​いずれ​の​要件​も​それ​1​つ​では​予測​さ​れる​性能​を​特定​する​こと​は​でき​ま​せん。​様々​な​セン​サ​パラメータ​を​組み合わせ​たり、​ロード​セル​を​システム​に​どの​よう​に​組み込む​か​等​を​考慮​し​て、​選定​する​必要​が​あり​ます。​各種​ロード​セル​の​範囲、​確度、​感度、​価格​について​は​下表​を​参照​し​て​くだ​さい。

 

ロードセルセンサ 価格 重量​範囲 確度 感度 比較
ビーム型 10 – 5k lb
  • タンク​とともに​使用、​プラットフォーム​拡張
  • 線形​力​に​最適
  • 歪み​ゲージ​は​むき出し​なので​保護​が​必要
S​ビーム 10 – 5k lb
  • タンク​とともに​使用、​プラットフォーム​拡張
  • 耐​横​荷重
  • 偏心​荷重​が​可能
  • 曲​げ​ビーム​より​優​れ​た​密閉​性​と​保護
キャニスター 最大​500k lb
  • トラック、​タンク、​ホッパー​スケール​に​使用
  • 荷重​の​動き​に​対応
  • 水平​方向​の​荷重​保護​はなし
パンケーキ/​小型 5 – 500k lb
  • 全て​の​ステンレス​スティール
  • タンク、​ビン、​スケール​とともに​使用
  • 荷重​の​動き​は​不可
ボタン​と​ワッシャ

0 – 50k lb​または 

0 – 200k lb

  • 荷重​は​中心​のみ
  • 荷重​の​動き​は​不可

 

容量―最大​と​最小​の​容量​要件​を​定義​し​ます。​ロード​セル​を​選択​する​前​に、​最大​動作​荷重​の​容量​を​選択​し、​全て​の​外部​荷重​と​モーメント​を​特定​する​必要​が​あり​ます。 荷重​容量​は、​以下​の​重要​を​支える​能力​が​必要​です。

  • 軽量​構造​の​重量​(死​荷重)
  • 適用​可能​な​最大​活​荷重​(全て​の​静的​過重​を​含む)
  • 風​荷重​や​地震​活動​といった​外部​要因​による​追加​の​過重

 

計測​頻度―ロード​セル​は、​多目的​利用​向け​の​設計​と​な​って​おり、​性能​を​落とす​こと​なく​数​百万​回​の​荷重​サイクル​に​も​耐え​られる​耐久性​を​備え​てい​ます。​汎用​ロード​セル​は、​静的​または​低​サイクル​周波数​負荷​の​アプリケーション​向け​に​設計​さ​れ​てい​ます。​荷重​レベル​と​トランスデューサ​の​材質​によって​は、​百万​サイクル​に​耐える​こと​が​でき​ます。​高​耐久性​ロード​セル​は、​荷重​レベル​と​振幅​により、​一般に​5​千万​~​1​億​回​の​両​振り​荷重​サイクル​に​耐え​られる​設計​と​な​って​い​ます。

 

物理​的/​環境​的​制約―考慮​すべ​き​要件​の​1​つ​として、​ロード​セル​を​システム​に​どの​よう​に​組み込む​か​という​の​が​あり​ます。​サイズ​(幅、​高​さ、​長​さ​など)​を​限定​する​物理​的​制約​や、​ロード​セル​の​設置​方法​を​特定​し​ます。​ほとんど​の​引​張/​圧縮​ロード​セル​は、​上と下​に​設置​用​の​雌ねじ​が​あり​ます​が、​雄ねじ​の​もの​や、​両方​が​混​ざ​って​いる​もの​も​あり​ます。​最大​温度​範囲、​計測​に​必要​な​最小​重量​変更、​最悪​の​環境​条件​(洪水、​暴風雨、​地震​など)、​最大​の​荷重​条件​など、​システム​の​動作​や​最悪​の​動作​状況​について​も​考慮​する​必要​が​あり​ます。

 

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トルクセンサ​の​仕組み

反作用​トルクセンサ

反作用​トル​ク​と​は、​力​が​かけ​ら​れ​たり​吸収​さ​れ​た​とき​に、​装置​の​回転​部分​によって​固定​部分​に​課​さ​れる​回転​力​(モーメント)​の​こと​です。​負荷​源​が​固定​さ​れ​て​いる​とき​に​駆動​源​が​回転​しよう​と​すると、​トル​ク​が​検知​さ​れ​ます。​反作用​トルクセンサ​は​動き​が​制限​さ​れ​て​おり、​ハウジング​や​カバー​が​センサ​要素​に​固定​さ​れ​て​いる​ため、​360​度​回転​する​こと​は​でき​ま​せん。​そうした​センサ​は、​一般に​反復​的​に​かくはん​する​よう​な​動き​の​トル​ク​計測​に​使用​さ​れ​ます。​それらの​センサ​は​ベアリング​や​スリップ​リング​といった​回転​要素​を​一切​使用​しない​ため、​設置​や​使用​の​コスト​効果​が​優​れ​てい​ます。

 

回転​トルクセンサ

回転​トルクセンサは、​設計​と​用途​が​反作用​トルクセンサ​に​似​てい​ます​が、​トルクセンサ​が​被​検体​と​直列​に​設置​さ​れる​点​が​異​なり​ます。​トルクセンサ​の​軸​は​360​度​回転​する​ため、​回転​要素​から​の​信号​を​固定​面​に​伝達​する​手段​が​必要​です。​それに​は​スリップ​リング、​回転​トランス、​テレメトリ​が​使用​でき​ます。

スリップ​リング​方式

スリップ​リング​方式では、歪みゲージブリッジが回転軸に設置された​4​個​の​スリップ​リング​に​接続​さ​れ​てい​ます。​シルバー​グ​ラ​ファイト​の​ブラシ​で​スリップ​リング​を​こ​する​こと​で、​入​って​くる​ブリッジ​励起​と​送り​出​さ​れる​信号​の​電気​経路​が​作​ら​れ​ます。​AC​と​DC​の​いずれ​か​を​使用​し​て、​歪み​ゲージ​ブリッジ​を​励起​し​ます。

図​4.スリップ​リング​によって​励起​と​ブリッジ​計測​信号​の​電気​経路​が​生成 [1]

 

回転​トランス

トランス​方式​において、​回転​トランス​が​従来​の​トランス​と​異なる​の​は、​1​次​巻​線​と​2​次​巻​線​の​どちら​が​回転​し​て​いるか​という​点​のみ​です。​1​つ​の​トランス​を​使用​し​て​AC​励起​電圧​を​歪み​ゲージ​ブリッジ​に​伝送​し、​2​つ​目​の​トランス​を​使用​し​て​信号​出力​を​トランスデューサ​の​回転​し​てい​ない​部分​に​送信​し​ます。​そのため、​2​個​の​トランス​が​4​個​の​スリップ​リング​の​代わり​となり、​トランスデューサ​の​回転​要素​と​固定​要素​の​間​で​の​直接​的​な​接触​は​必要​なく​なり​ます。

図​4.2​個​の​トランス​を​使用​―​励起​信号​の​送信​用​と​ブリッジ​出力​信号​の​送信​用 [1]

 

デジタル​テレメトリ

デジタル​テレメトリ​方式​では、​接触​点​が​一切​ありま​せん。​システム​は、​レシーバ/​トランス​ミ​ッ​タ​モジュール、​結合​モジュール、​信号​処理​モジュール​から​成​り​立​って​い​ます。​トランス​ミ​ッ​タ​モジュール​は、​トルクセンサ​に​統合​さ​れ​てい​ます。​これ​は​センサ​信号​を​ラジオ​周波数​搬送波​に​増幅、​デジタル​化、​変調​する​もの​で、​その​信号​は​キャリパ​結合​モジュール​(レシーバ)​によって​受信​さ​れ​ます。​すると​デジタル​計測​データ​が​信号​処理​モジュール​によって​復元​さ​れ​ます。

 

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トルクセンサ​を​正しく​選ぶ​には

ロード​セル​の​選び方​と​同様、​トルクセンサ​を​選ぶ​際​も、​原則​として​容量​の​ニーズ​と​物理​的/​環境​的​要件​が​基準​となり​ます。

容量―適切​な​容量​を​選ぶ​に​は、​予測​さ​れる​最大/​最小​トル​ク​を​特定​する​必要​が​あり​ます。​外力​トル​ク​と​モーメント​によって​さらに​圧力​が​加​わり、​疲労​が​加速​する​ため、​センサ​の​確度​と​性能​に​影響​が​出​ます。​軸、​半径、​曲げ以外のあらゆるトルクは外力とされ、​事前​に​特定​する​必要​が​あり​ます。​設置​方法​によって​その​よう​な​負荷​の​影響​を​最小限​に​する​こと​が​でき​ない​場合​は、​センサ​の​マニュアル​を​参照​し​て、​外力​負荷​が​センサ​の​定​格​内​で​ある​か​どうか​を​確認​し​ます。

 

物理​的/​環境​的​要件―あらゆる​物理​的​制約​(長​さや​直径​など)​や、​トルクセンサ​の​システム​へ​の​設置​方法​など​について​検討​し​ます。​どの​よう​な​環境​で​センサ​を​稼動​させる​について​考え​て​おく​こと​で、​様々​な​温度​範囲​や​湿度、​汚染​物質​(油、​泥、​埃​など)​の​影響​を​受ける​環境​でも​適正​な​性能​が​保証​でき​ます。

 

1​分間​あたり​の​回転​数―回転​トルクセンサ​では、​トルクセンサ​が​回転​する​時間​長​と​速度​を​理解​し​て、​RPM​を​特定​する​必要​が​あり​ます。

 

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負荷/​トルクセンサ​向け​の​信号​処理

負荷/​トルクセンサ​に​は、​調節​済み​と​未​調節​が​あり​ます。​調節​済み​センサ​は、​計測​用​の​通常​回路​の​ほかに​フィルタ、​信号​アンプ、​励起​リード​線​に​必要​な​コンポーネント​を​搭載​し​て​いる​ため、​DAQ​デバイス​に​直接​接続​する​こと​が​でき​ます。​未​調節​センサ​を​使用​し​て​いる​場合​は、​優​れ​た​ブリッジ​ベース​の​負荷/​トル​ク​計測​システム​を​構築​する​ため​に​は、​いくつか​の​信号​調節​要素​について​検討​する​必要​が​あり​ます。​以下​の​いずれ​か​に​当てはまる​必要​が​あり​ます。

  • 励起​によって​ホ​イ​ー​トス​トーン​ブリッジ​回路​に​電源​を​供給
  • リード​線​の​長​さ​による​励起​電圧​の​誤差​を​補正​する​リモートセンシング
  • 増幅​により​計測​分解能​を​高め​S/​N​比​を​向上
  • フィルタ​処理​により​外​的​な​高周波​ノイズ​を​除去
  • オフセットヌル​によって​歪み​が​か​かって​い​ない​時​の​ブリッジ​の​出力​を​0 V​に​調整
  • シャント​校正​を​行​って​ブリッジ​の​出力​を​予測​さ​れる​既知​値​によって​検証

 

そうした​誤差​の​補正​方法​や、​ブリッジ​ベース​の​負荷/​トル​ク​計測​における​その他​の​ハードウェア​面​で​の​注意事項​につきまして​は、高​確度​の​センサ​計測​を​実現​する​ため​の​テクニカル​ガイドを​参照​し​て​くだ​さい。

 

 



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