JP5575129B2

JP5575129B2 - 荷重検出センサ

Info

Publication number: JP5575129B2
Application number: JP2011520876A
Authority: JP
Inventors: 直也篠崎
Original assignee: Shinko Denshi Co Ltd
Current assignee: Shinko Denshi Co Ltd
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: EP2450685A1; US8770044B2; WO2011001876A1; EP2450685A4; CN202661203U; US20120073387A1; JPWO2011001876A1

Description

本発明は、台秤などに用いる荷重検出センサに関し、高い精度での計量を可能にするものである。

電子秤の主な方式には、歪みゲージを用いるロードセル方式、音叉を使用する音叉振動方式、電磁石及び電磁コイルを用いる電磁力平衡方式が存在する。
ロードセル方式は、荷重による歪みゲージの変形量から荷重を測定する。音叉振動方式は、下記特許文献１に記載されているように、音叉の振動数が音叉の両端に加わる荷重の大きさに比例して変化することを利用して荷重測定を行う。また、電磁力平衡方式は、荷重により平衡状態が崩れた機械的バランス機構を、電磁コイルに電流を流して平衡状態に戻し、そのときの電流の大きさから荷重の大きさを求める。
秤の精度は、ロードセル方式より音叉振動方式や電磁力平衡方式の方が高く、一方、秤の製造コストは、機構が複雑な電磁力平衡方式が最も高く、構造が簡単なロードセル方式が最も低コストである。
現在、秤量（測定範囲）が３００ｋｇに及ぶ台秤の多くは、ロードセル方式を採用している。

特開２００４−２３９８２７号公報

しかし、生産現場では、例えば、ドラム缶入りの薬液原料等を計量する場合のように、重量物の重さを高い精度で測定する必要性が増えており、台秤の高精度化が求められている。
台秤の精度向上は、単に、精度が高い計量方式を採用するだけでは実現できない。重量物に耐えられる機械的強度の確保が必要であり、また、加わる荷重が大きくても、安定した計量動作が実行できる荷重検出センサの存在が不可欠である。
また、重量物を台秤の載荷台に載せたり降ろしたりする作業をし易くするため、台秤の低床化も必要である。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、重量物の計量を高精度に、且つ、安定的に行うことができる荷重検出センサを提供することを目的としている。

本発明の荷重検出センサは、音叉振動子を備える力センサと、直方体状の外形を有し、加えられた荷重を梃子で縮小して前記力センサに伝えるブロック体と、を具備し、前記ブロック体が、長手方向に沿う側面から加工されて形成された梃子機構とロバーバル機構とを内蔵し、前記梃子機構は、前記梃子と、前記梃子の力点を前記ブロック体の可動部に接続する連結片と、前記ブロック体の固定部に結合されて前記梃子の支点を支える薄肉部と、前記梃子の作用点に形成された作用点結合部と、を備え、前記力センサは、前記音叉振動子と、前記ブロック体の固定部に結合されて前記音叉振動子の一端を支持する基部と、前記梃子機構の作用点結合部に結合される力作用部と、前記基部に支点が支持されて前記力作用部に伝わる力を前記音叉振動子の他端に伝えるレバー部と、を備え、前記ブロック体の長手方向に沿う前記側面の側で、前記力センサの前記基部が前記ブロック体の前記固定部に結合されるとともに、前記力センサの前記力作用部が前記梃子機構の前記作用点結合部に結合され、前記ブロック体から前記力センサへの力の伝達が行われることを特徴とする。
このブロック体は、梃子機構及びロバーバル機構を作り込むために側面から切り込みや削り込みが行われているが、直方体状の外形を保っているため、十分な機械的強度を有しており、加えられた荷重の縮小動作を安定して行うことができる。また、力センサをブロック体の側面に結合しているため、この力センサにより、荷重検出センサの高さの増加は発生しない。これは、台秤の低床化を図る上で有効である。

また、本発明の荷重検出センサでは、前記ブロック体の内部で前記梃子の力点に接続する連結片を、前記ブロック体の対向する両側面から削り込んで、前記ブロック体の幅方向の中央付近に形成している。
このように、梃子の力点に接続する連結片をブロック体の幅方向の中央付近にのみ設けることで、ブロック体が偏置荷重を受けて捩じれる場合でも、力センサに及ぶ捩じれの影響を除くことができる。

本発明の荷重検出センサは、高精度の計量を安定して行うことができる。
また、この荷重検出センサを用いて台秤を構成することにより、台秤の低床化が可能になる。

本発明の実施形態に係る荷重検出センサの斜視図図１の荷重検出センサのブロック体を示す斜視図図２のブロック体における加工箇所の平面図図２のブロック体の内部構造を示す図図２のブロック体の側面図図５のブロック体のＡ−Ａ断面図図５のブロック体のＢ−Ｂ断面図図１の荷重検出センサの力センサを示す平面図図８の力センサの斜視図図１の荷重検出センサを用いた台秤の分解斜視図図１の荷重検出センサを用いた荷重検出ユニットの分解斜視図図１の荷重検出センサを用いた台秤のセンサケースの分解斜視図図２のブロック体の断面Ａ−Ａの変形図

図１０は、本発明の荷重センサを用いて構成する台秤の一例を示している。
この台秤は、載荷台（不図示）を支える上側フレーム１０と、二本の並行する基礎フレーム２０、２０と、基礎フレーム２０、２０間に掛け渡された荷重検出ユニット３０とを備えており、荷重検出ユニット３０の上に上側フレーム１０が載せられる。
荷重検出ユニット３０は、図１１に示すように、上側フレーム１０を支える上面支持部材３１と、荷重検出センサや回路基板が収納されるセンサケース３３とを有している。

図１２は、センサケース３３の中身を分解斜視図で示している。
センサケース３３には、音叉振動子を含む力センサ４１と、アルミ合金で作られたブロック体４２とから成る荷重検出センサ４０が収容され、このブロック体４２の固定側が、ボルト４３でセンサケース３３の底部に固定され、ブロック体４２の可動側に、荷重を伝達するボルト３７が固定される。
また、荷重検出センサ４０を収容したセンサケース３３の開口は、蓋体３５により封鎖され、蓋体３５の孔３５１を通るボルト３７と孔３５１との隙間が、ダイヤフラム５１と、ダイヤフラム５１の内円の周縁を二枚の円板で挟持する挟持板５３と、ダイヤフラム５１の外縁を蓋体３５の裏面に固定する取付板５２とから成る封鎖機構で封鎖される。
挟持板５３は、ボルト３７が密に嵌合される孔５３１を有しており、この孔５３１を通ったボルト３７の先端がブロック体４２の可動側の螺子孔４２２に結合される。

そのため、この台秤では、上側フレーム１０に加わる荷重が、上側フレーム１０に接触する二つの荷重検出ユニット３０の上面支持部材３１に伝わり、上面支持部材３１から、上面支持部材３１を支えているボルト３７に伝わり、ボルト３７に加わる荷重によって荷重検出センサ４０のブロック体４２の可動側が変位し、その変位に応じた信号が力センサ４１の音叉振動子から出力される。この信号は、センサケース３３に収容された基板の回路でデジタル信号に変換されて出力され、二つの荷重検出ユニット３０から出力されたデジタル信号が加算されて、被計量物の荷重が表示器（不図示）に表示される。
なお、上側フレーム１０と上面支持部材３１との間には、上側フレーム１０から上面支持部材３１に作用する水平方向の分力を逃がすために、分力緩衝装置３２を介在させている。

図１は、ブロック体４２の側面に力センサ４１が結合された荷重検出センサ４０の実施形態を示している。また、図２は、力センサ４１を取り外したブロック体４２を示し、図８及び図９は、取り外された力センサ４１を示している。図８は力センサ４１の平面図、図９は力センサ４１の斜視図である。
ブロック体４２は、直方体状の外形を有するアルミ合金から成り、ブロック体４２の上面には、ボルト４３が挿通されるボルト孔４２１と、ボルト３７が螺合される螺子孔４２２とが形成され、また、長手方向に沿う側面から切り込みや削り込みの加工が施されて、ブロック体４２の中央内部に梃子機構及びロバーバル機構が作り込まれている。

図３は、ブロック体４２の加工面から見た加工箇所の平面図である。この加工により、ブロック体４２には、ロバーバル機構を構成する平行リンク部６１と、梃子機構を構成する梃子部６２と、ブロック体４２の固定側と一体の固定部６３と、梃子部６２の支点を構成する薄肉部６４と、梃子部６２の力点に接続する連結片６５とが形成されている。
梃子部６２の支点を構成する薄肉部６４は、固定部６３と梃子部６２との間に形成されており、また、梃子部６２の力点に一端が接続する連結片６５の他端は、ブロック体４２の可動側のブロックに結合している。また、固定部６３には、力センサ４１の結合に用いる固定結合孔６６が形成され、梃子部６２の作用点には、力センサ４１を結合する作用点結合部６７が形成されている。

この梃子機構は、次のように動作する。
ブロック体４２の可動側が荷重を受けて下方に変位すると、連結片６５が下側に引っ張られ、それに伴って、梃子部６２の力点に下向きの力が加わる。そのため、支点（薄肉部６４）で支えられた梃子部６２の作用点（作用点結合部６７の位置）が上方に変位する。
このとき、支点と力点との距離をＬ１、支点と作用点との距離をＬ２、力点に働く下向きの力をＦ１、作用点に働く力をＦ２とすると、Ｌ１×Ｆ１＝Ｌ２×Ｆ２の関係があるから、力点に働く力Ｆ１がＬ１／Ｌ２の値に従って縮小されて作用点に働くことになる。

図４には、ブロック体４２内部の梃子機構及びロバーバル機構、並びに、ボルト孔４２１及び螺子孔４２２を可視化させて表示している。
また、図５に示すブロック体４２のＡ−Ａ断面図（連結片６５位置での垂直断面図）を図６に示し、Ｂ−Ｂ断面図（支点６４位置での水平断面図）を図７に示している。
図４、図６、図７から分かるように、平行リンク部６１、梃子部６２、固定部６３及び薄肉部６４は、直方体の幅と同じ幅で形成されているが、連結片６５は、直方体の幅の略１／３の幅を持つように、ブロック体４２の対向する両側面から等しい長さだけ削り込まれている。
このように、梃子部６２の力点に接続する連結片６５をブロック体４２の幅方向の中央付近にのみ設けることで、ブロック体４２が偏置荷重を受けて捩じれた場合でも、捩れの影響が作用点結合部６７に現われ難くなる。

一方、力センサ４１は、図８、図９に示すように、１個の比較的薄肉の金属ブロックを刳り抜いて作られており、ブロック体４２の固定部６３に結合される基部７１と、ブロック体４２の梃子部６２の作用点結合部６７に結合される力作用部７３と、梃子として機能するレバー部７５と、力作用部７３及びレバー部７５の間を接続する連結部７２と、音叉振動子７８とを備えている。
基部７１は、ボルト孔７４を有しており、このボルト孔７４に挿通されたボルト９１（図１）がブロック体４２の固定部６３の固定結合孔６６に螺合されて、基部７１と固定部６３とを結合する。

また、力作用部７３は、ボルト孔７９を有しており、このボルト孔７９に挿通されたボルト９２（図１）がブロック体４２の作用点結合部６７の孔に螺合されて、力作用部７３と作用点結合部６７とを結合する。
連結部７２は、力作用部７３とレバー部７５の一端とを接続している。基部７１は、レバー部７５の支点として作用する薄肉部７７を介してレバー部７５に接続し、薄肉部８０を介して音叉振動子７８の一端を固定している。また、レバー部７５の先端は、薄肉部８１を介して音叉振動子７８の他方に接続している。

この力センサ４１は、次のように動作する。
ブロック体４２の可動部に荷重Ｆが加わると、その荷重ＦにＬ１／Ｌ２を乗じた縮小された力ｆが、梃子部６２の作用点結合部６７から力作用部７３に伝わり、力作用部７３が引き上げられる。そのため、連結部７２は、レバー部７５の端部を力ｆで引き上げる。レバー部７５は、基部７１に接続された薄肉部７７を支点にして、レバー比に応じた力で音叉振動子７８に接続する薄肉部８１を引き下げる。音叉振動子７８は、両端に加わる張力の変化に応じて振動周波数を変える。
この音叉振動子７８の振動周波数の変化が、センサケース３３に収容された基板の回路でデジタル信号に変換されて出力される。

このように、この荷重検出センサ４０では、ブロック体４２が、その内部に梃子機構やロバーバル機構を作り込むために、側面から切り込みや削り込み等の加工が施こされているが、直方体状の外形を保っており、十分な機械的強度を有している。そのため、ボルト３７から伝達される荷重が大きくても、その荷重の縮小動作を安定して行うことができ、縮小した荷重を力センサ４１に伝えることができる。
また、この荷重検出センサ４０の力センサ４１は、ブロック体４２から伝えられた荷重を、高い精度で音叉振動子７８の振動周波数の変化に変えることができる。

また、この荷重検出センサ４０では、ブロック体４２の内部で梃子の力点に接続する連結片６５を、ブロック体４２の対向する両側面から等しい長さだけ削り込んで、ブロック体４２の幅方向の中央付近にだけ配置しているため、ブロック体４２が偏置荷重を受けて（４つの螺子孔４２２に嵌合する４本のボルト３７のそれぞれから大きさの異なる荷重が伝達されて）捩じれる場合でも、力センサ４１に及ぶ捩じれの影響が極小化される。
そのため、この荷重検出センサ４０を用いることにより、高精度の荷重検出が可能になる。
なお、図６では、ブロック体４２内部の連結片６５の位置が、ブロック体４２の幅方向の中央位置に形成されているが、図１３のようにブロック体４２の幅方向の中央位置から力センサ４１の反対側にずらすことで、力センサ４１をブロック体４２の側面に取り付けることにより発生する偏力を補償し、偏置荷重を受けたときの梃子部６２の捩れを防止することも可能である。
また、この荷重検出センサ４０では、力センサ４１をブロック体４２の側面に固定しているため、荷重検出センサ４０の高さが、ブロック体４２の高さ以上に増えない。これは、台秤の低床化を図る上で有利である。

なお、本発明の荷重検出センサは、台秤に組み込んでユーザに提供するだけでなく、図１１に示す荷重検出ユニット３０の形態でユーザに提供することも可能である。この荷重検出ユニット３０を取得したユーザは、例えば、二つの荷重検出ユニット３０を水平面上に並行に配置し、その上に平板を載せるだけで、作業現場に合った形態の台秤を構成することができる。

本発明の荷重検出センサは、高精度の計量が可能であり、工場の生産現場を始めとして、流通分野、医療分野、教育・研究分野、農業・漁業分野、家庭など、各分野で用いられる台秤やそれに類する秤量装置に広く用いることができる。

１０上側フレーム
２０基礎フレーム
３０荷重検出ユニット
３１上面支持部材
３２分力緩衝装置
３３センサケース
３５蓋体
３７ボルト
４１力センサ
４２ブロック体
４３ボルト
５１ダイヤフラム
５２取付板
５３挟持板
６１平行リンク部
６２梃子部
６３固定部
６４薄肉部
６５連結片
６６固定結合孔
６７作用点結合部
７１基部
７２連結部
７３力作用部
７４ボルト孔
７５レバー部
７７薄肉部
７８音叉振動子
７９ボルト孔
８０薄肉部
８１薄肉部
９１ボルト
９２ボルト
３５１孔
４２１ボルト孔
４２２螺子孔

Claims

音叉振動子を備える力センサと、
直方体状の外形を有し、加えられた荷重を梃子で縮小して前記力センサに伝えるブロック体と、
を具備し、前記ブロック体が、長手方向に沿う側面から加工されて形成された梃子機構とロバーバル機構とを内蔵し、
前記梃子機構は、前記梃子と、前記梃子の力点を前記ブロック体の可動部に接続する連結片と、前記ブロック体の固定部に結合されて前記梃子の支点を支える薄肉部と、前記梃子の作用点に形成された作用点結合部と、を備え、
前記力センサは、前記音叉振動子と、前記ブロック体の固定部に結合されて前記音叉振動子の一端を支持する基部と、前記梃子機構の作用点結合部に結合される力作用部と、前記基部に支点が支持されて前記力作用部に伝わる力を前記音叉振動子の他端に伝えるレバー部と、を備え、
前記ブロック体の長手方向に沿う前記側面の側で、前記力センサの前記基部が前記ブロック体の前記固定部に結合されるとともに、前記力センサの前記力作用部が前記梃子機構の前記作用点結合部に結合され、前記ブロック体から前記力センサへの力の伝達が行われることを特徴とする荷重検出センサ。
請求項１に記載の荷重検出センサであって、前記ブロック体の内部で前記梃子の力点に接続する連結片が、前記ブロック体の対向する両側面から削り込まれて、前記ブロック体の幅方向の中央付近に形成されていることを特徴とする荷重検出センサ。