JP6472708B2 - 計量装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属弾性体に印加された荷重に比例した大きさの荷重信号を検出する荷重検出装置を備えた計量装置に関し、特に荷重検出装置がウイーンブリッジ発振回路を備えたものに関する。

ウイーンブリッジ発振回路は、図７に示すローパスフィルタＬＰＦとハイパスフィルタＨＰＦとからなるウイーンブリッジを使用したものである。ローパスフィルタＬＰＦは、並列に接続された抵抗体Ｒ１と静電容量体Ｃ１とから構成されるカットオフ周波数がｆｃのもので、ハイパスフィルタＨＰＦは直列に接続された抵抗体Ｒ２と静電容量体Ｃ２とから構成され、図８に示すようにローパスフィルタＬＰＦと同じカットオフ周波数を持つものである。図７に示すようにハイパスフィルタＨＰＦとローパスフィルタＬＰＦとは直列に接続され、図９に示す演算増幅器ＯＰの出力端子と非反転入力端子との間にハイパスフィルタＨＰＦを接続し、非反転入力端子と基準電位との間にローパスフィルタを接続し、これらローパスフィルタとハイパスフィルタとに並列に接続された直列接続の抵抗器Ｒ１、Ｒ２の接続点が反転入力端子に接続されている。ウイーンブリッジ発振回路は、両フィルタＬＰＦ、ＨＰＦ共通のカットオフ周波数ｆｃの正弦波振動成分のみを減衰させずに通過させ、演算増幅器ＯＰの出力として周波数ｆｃの正弦波の発振信号を得る。なお、Ｒ、Ｒは正帰還回路のゲインを定めている。このウイーン発振回路を使用した荷重検出装置が、例えば特許文献１、２に示されている。

特開平１０−３０９７１号公報 ２０００−１９９７２３号公報

特許文献１の荷重検出装置である歪みセンサの第１の構成例では、歪み検出センサ部に貼着される歪みセンサ基板に、導線抵抗体パターンと、導線対向電極式静電容量体パターンとが２組形成されている。この導線抵抗体パターンと、導線抵抗電極式静電容量体パターンとによって上記の抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２が構成されている。導線抵抗体パターンと、導線対向電極式静電容量体パターンとによるＲ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２を用いて、図７に示すようなウイーンブリッジ発振回路が構成されている。歪み検出センサ部に荷重が印加され、歪み基板センサ基板に伸張歪みが生じると、導線抵抗体パターンが伸張して、Ｒ１、Ｒ２の抵抗成分が増加し、同時に導線抵抗電極式静電容量体パターンも伸張してＣ１、Ｃ２の静電容量が増加する。印加荷重を０から或る大きさまで変化させると、それに対応してＲ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２のいずれの値も同時に変化し、ウイーンブリッジ発振回路の出力周波数ｆ及び周期Ｔが変化する。例えば印加荷重０のときの周期と印加荷重ｗのときの周期との変化量を測定することで、荷重の変化量、即ち印加荷重を検出できる。

特許文献１の第２の歪みセンサの構成例は、上記Ｒ１、Ｒ２のみが変化し、Ｃ１、Ｃ２が変化しないように導線対向電極式静電容量体パターンを形成したものである。即ち、導線対向電極式静電容量体パターンを歪みセンサ基板の歪み方向と、歪み方向と直角の方向にそれぞれ設け、歪み方向の導線対向電極式静電容量体パターンでは対向電極間の距離が増加することによって静電容量が減少し、歪み方向に直角な方向の対向電極式静電容量体パターンでは対向電極板が長くなることで静電容量が増加する。双方の導線対向電極式静電容量体パターンを並列接続することで、双方の静電容量の変化量が増減相殺し、一定値を保つようにしている。

第２の歪みセンサの構成例と反対に、静電容量Ｃ１、Ｃ２のみが変化し、Ｒ１、Ｒ２が変化しないようにしようとして、歪み検出センサ基板上で、抵抗体パターンの長手方向を歪み方向と、歪み方向に直角な方向とに設けても、歪みが生じたとき、抵抗体パターンはポアソン比分の歪みを受けることによって抵抗値が変化して、結局第１の構成例と同様になる。

このように歪みの生じる歪みセンサ基板に抵抗体パターンと対向電極式静電容量体パターンとを設ける特許文献１の技術では、抵抗体のみを変化させることはできるが、静電容量のみを変化させることはできない。

また、高分解能に荷重変化分を検出するには、高分解能に発振信号の周期の変化量を検出する必要がある。そのためには荷重変化に対して大きい変化量を得る必要がある。周期Ｔは、
Ｔ＝１／ｆ＝２π（Ｃ１・Ｃ２・Ｒ１・Ｒ２）^１／２・・・（１）
で表されるので、大きい変化量を得ようとすると、歪み発生前の印加荷重が０のときのＲ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２の値を大きくするか、これらＲ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２の印加荷重に対する変化率を大きくしなければならない。

しかし、歪み発生前のＲ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２の値を大きくすると、周期Ｔが長くなる。荷重検出のための１周期の測定間隔が長くなると、荷重検出の間隔が長くなり、計量装置としての応答特性が低下する。従って、周期変化量を大きくするために歪み発生前のＲ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２の値を大きくすることはできず、荷重変化に対する変化率の値を大きくする必要がある。

しかし、計量装置用の荷重センサでは、荷重センサの過渡応答を速くすることが重要で、歪みセンサが貼着される起歪体のバネ定数を大きくすることが必要である。そのため、印加荷重の大きさに対する起歪体の起歪部の歪み量を小さくしなければならない。印加荷重の大きさの割に起歪部の歪み量が小さいと、歪みセンサの抵抗値の変化量が小さくなり、抵抗変化率が小さくなる。また、金属パターンの伸張率に対する抵抗変化率の割合であるゲージファクタも金属材料の場合には約２程度である。従って、過度応答が適切に早い計量装置用の荷重センサでは、印加荷重により大きい抵抗変化率も、大きい抵抗変化量も得ることができない。静電容量の変化量も導線対向電極式静電容量体パターンの伸縮料に比例して決まるので、変化率は抵抗変化率と同様に小さい。

このように特許文献１の技術の歪みセンサでは、静電容量体だけを変化させる構成にすることができない上に、抵抗及び静電容量の変化率が両方共に小さいので、ウイーンブリッジ発振回路の出力の周期Ｔの変化量を大きくすることができず、高分解能に周期変化量を検出することが困難で、高分解能でかつ精確な荷重出力を得ることができない。

特許文献２の技術では、荷重の変化量によってウイーンブリッジ発振回路の一辺の静電容量のみを変化させている。即ち、ウイーンブリッジ発振回路のローパスフィルタとハイパスフィルタのいずれか一方の定数を荷重変化量に応じて変化させている。例えばローパスフィルタの定数を変化させている場合、ローパスフィルタのカットオフ周波数のみが図６の周波数軸上を左右に移動するので、ゲイン１で帰還する周波数成分が無くなって発振が停止したり、反対に多くの周波数成分がゲイン１で帰還するため荷重変化量に応じて正弦波の発振波形が歪んだりするので、幅広く変化する荷重を精確に検出できない。しかも、静電容量体として変化率の大きい構成が用いられているが、ブリッジ回路の１辺の静電容量体しか変化させていない。従って、変化幅の小さい荷重しか精確に検出できない。

本発明は、ウイーンブリッジ発振回路を使用した荷重センサにおいて、広い範囲で変化する荷重を、高分解能に、かつ過度応答速度が速く、しかも荷重信号の検出周期を短く測定することを目的とする。

本発明の一態様の計量装置は、正弦波を発振するウイーンブリッジ発振回路を有する荷重センサと、ウイーンブリッジ発振回路の出力信号の測定手段と、測定した前記出力信号によって、前記荷重センサに印加された荷重を検出する荷重信号算出手段とを、備えている。ウイーンブリッジ発振回路は、ブリッジ回路を有し、そのブリッジ回路の一辺には、ハイパスフィルタが設けられ、他の一辺にはローパスフィルタが設けられている。これら両フィルタは、同じカットオフ周波数を有し、いずれも静電容量体を有している。荷重センサは、金属弾性体製の平行四辺形型ロードセルを含んでいる。この平行四辺形型ロードセルは、この平行四辺形型ロードセルを基礎面に取り付ける固定部と、荷重が印加される可動部とを、有している。平行四辺形型ロードセルは、固定部と可動部との間で、四辺形の上辺と下辺とに相当する箇所をそれぞれ梁で連結し、上辺及び下辺の梁共に固定部側寄りと可動部側よりとに起歪部を設けて構成される。荷重センサとして平行四辺形型ロードセルを用いる理由は、被計量物が可動部側に結合された計量台上の任意の位置に載置されても、可動部が固定部に対して鉛直方向に変位する構成とすることが望ましいからである。また、固定部と可動部とは、互いに対向する面を有することが望ましい。この対向面は、水平方向または鉛直方向に設けることが望ましい。前記固定部には、例えば前記対向する面に固定部用電極が設けられ、可動部には、例えば前記対向する面に可動部用電極が設けられている。固定部用電極と可動部用電極とは、互いに非接触に近接して対向している。固定部用電極と可動部用電極とによって、前記可動部に荷重が印加されたとき、前記固定部用電極と前記可動部用電極との対向する部分の面積、または対向する部分の距離が、前記荷重の変化量に応じて変化した結果、静電容量が変化する容量体が少なくとも２つ構成されている。これら少なくとも２つの容量体が、前記ウイーンブリッジ発振回路がその１辺に含むローパスフィルタと他の辺に含むハイパスフィルタそれぞれの一部をなしている。これら少なくとも２つの容量体の固定部側及び可動部側の電極板は、同一形状に形成することが望ましい。

この態様の計量装置では、上述したように変化率の大きい抵抗体を構成することが困難であるので、固定部用電極と可動部用電極とによって、変化率の大きい容量体を少なくとも２つ構成し、これら少なくとも２つの容量体を、ウイーンブリッジ発振回路のハイパスフィルタと、ローパスフィルタとのそれぞれ一部を構成させている。可動部に荷重を印加することによって可動部用電極は、固定部側電極に対して精確に鉛直方向に変位するので、両電極間の距離が印加荷重に対して比例変位するか、両電極間の重複面積が印加荷重に対して比例変化する。このようにして、ウイーンブリッジ発振回路のローパスフィルタとハイパスフィルタとにそれぞれ使用されている少なくとも２つの容量体の容量を同時に変化させているので、変化幅の大きい荷重変化であっても正弦波の発振波形が歪まず精確に測定することができる。

また、少なくとも２つの静電容量体において、対向している両電極の重複面積が変化する場合、両電極の幅をＤとし、荷重印加前の両電極の重複長さをＬｏとし、荷重印加後の両電極の変位量をＬｘとすると、静電容量の変化率はＬｘ／Ｌｏによって求められる。過度応答を速くするためには、Ｌｘを大きくすることはできないが、Ｌｏを予め大きくしておくことは可能である。従って、過渡応答を速くしながら、容量の変化率を大きくすることができ、短い時間で周期を測定することができる。また、Ｌｘは少なくとも２つの容量体において同じであるので、少なくとも２つの容量変化をほぼ同じ値にでき、これら少なくとも２つの容量体が一部をなすローパスフィルタ及びハイパスフィルタのカットオフ周波数をほぼ同じに変化させることができ、幅広い印加荷重の変化によって発振が途切れたり正弦波発振波形が歪むこともなく、高分解能で高精度に荷重変化を測定できる。

或いは、対向電極の距離が変化する場合、容量体の静電容量は、距離の逆数に比例して変化するので、荷重印加前の両電極間の距離を適切に調整すれば、過渡応答を速くしながら、容量の変化率を大きくすることができ、短い時間で周期を測定することができる。また、少なくとも２つの容量体の両電極間の距離は同じ距離だけ変化するので、容量変化をほぼ同じ値にでき、これら少なくとも２つの容量体が一部をなすローパスフィルタ及びハイパスフィルタのカットオフ周波数をほぼ同じに変化させることができ、幅広い印加荷重の変化によって発振が途切れたり発振波形が歪むこともなく、高分解能で高精度に荷重変化を測定できる。

前記測定手段は、前記ウイーンブリッジ発振回路の出力信号の周期を測定するものとすることができる。この場合、荷重信号算出手段は、測定した周期に基づく荷重に関する２次以上の高次荷重算出式によって荷重を算出する。

以下、荷重信号算出手段の高次荷重算出式について説明する。上述したように、可動部に荷重を印加することによって可動部側電極は、固定部側電極に対して精確に鉛直方向に変位するので、両電極間の距離が全重複面で比例変位するか、両電極間の重複面積が変化する。両電極によって形成された少なくとも２つの静電容量体をＣ１、Ｃ２、その静電容量体の荷重センサの無負荷時の静電容量をＣｏ１、Ｃｏ２、容積変化率をそれぞれβ１、β２とすると、可動部への荷重印加による荷重変化量がｗｘのとき、
Ｃ１＝Ｃｏ１（１＋β１・ｗｘ）
Ｃ２＝Ｃｏ１（１＋β２・ｗｘ）
となる。ローパスフィルタ及びハイパスフィルタの抵抗体Ｒ１、Ｒ２はいずれも固定抵抗とし、その値は変化しないとする。

少なくとも２個の静電容量体が異なる部位に形成されると、対向電極板面積や対向距離を全く同一に作成することは困難であり、無負荷時静電容量Ｃｏ１、Ｃｏ２は互いにわずかに異なり、変化率β１、β２も互いにわずかに異なることを前提とする。上記のＣｏ１、Ｃｏ２を上述したウイーンブリッジ発振回路の周期Ｔの式（１）に代入して、無負荷のときの周期をＴｏ、或る荷重が印加されたときの周期をＴｘとすると、Ｔｏ、Ｔｘは
Ｔｏ＝２π（Ｃｏ１・Ｃｏ２・Ｒ１・Ｒ２）^１／２
Ｔｘ＝２π｛Ｃｏ１・Ｃｏ２（１＋β１・ｗｘ）・（１＋β２・ｗｘ）・Ｒ１・Ｒ２｝^１／２
である。

周期Ｔｏ、Ｔｘは、発振信号がコモン電位ＣＯＭを中心に振る正弦波であるので、例えば測定手段の一部としてコンパレータを用い、ウイーンブリッジ発振回路の出力信号をコンパレータに供給し、コモン電位ＣＯＭよりも大きい正弦波信号が入力するときである発振信号の１／２周期のハイレベルまたはローレベルが連続する矩形波信号に変換し、この周期信号の継続時間を、この周期信号より充分短い周期を持つパルス信号でカウントすることによって、周期Ｔｏ、Ｔｘを測定する。

測定された周期Ｔｏ、Ｔｘによって、
Ｔｘ^２−Ｔｏ^２
＝４π^２・Ｒ１・Ｒ２・Ｃｏ１・Ｃｏ２｛（１+β１・ｗｘ）・（１＋β２・ｗｘ）−１｝
＝４π^２・Ｒ１・Ｒ２・Ｃｏ１・Ｃｏ２｛β１・β２・ｗｘ^２＋（β１＋β２）・ｗｘ｝
を算出する。これから、
４π^２・Ｒ１・Ｒ２・Ｃｏ１・Ｃｏ２・β１・β２・ｗｘ^２＋４π^２・Ｒ１・Ｒ２・Ｃｏ１・Ｃｏ２・β１・β２（β１＋β２）・ｗｘ｝−（Ｔｘ^２−Ｔｏ^２）＝０・・・（２）
という荷重変化量ｗｘに関する２次式が得られる。

式（２）において、
４π^２・Ｒ１・Ｒ２・Ｃｏ１・Ｃｏ２・β１・β２＝ａ１
４π^２・Ｒ１・Ｒ２・Ｃｏ１・Ｃｏ２・β１・β２（β１＋β２）＝ａ２
（Ｔｘ^２−Ｔｏ^２）＝ｂ
とすると、
式（２）は、
ａ１・ｗｘ^２＋ａ２・ｗｘ＋ｂ＝０・・・（３）
と表され、種々の異なる大きさの荷重を可動部に印加する度に、発振信号の周期を測定することによって既知化されるので、ｗｘを求めるために予め係数ａ１、ａ２を既知化する。

異なる３種類の既知の荷重を可動部に印加して、周期を測定して式（３）に代入すれば係数ａ１、ａ２が求められる。ｂを決定するためにＴｘ、Ｔｏを測定した際に、測定値にノイズ成分が含まれていて、係数ａ１、ａ２の決定に影響を与えることを考慮する場合には、何種類もの既知荷重を用意して、各既知荷重を印加する都度Ｔｘ、Ｔｏを測定し、最小二乗法によってａ１、ａ２を定めても良い。

この計量装置の調整時点では、無負荷状態で周期Ｔｏを測定し、この周期Ｔｏを初期値として例えば荷重信号算出手段が備える不揮発性メモリに記憶させる。このとき係数ａ１、ａ２は、不揮発性メモリに既に記憶させてある。計量装置の稼動運転時には可動部に未知の荷重を印加し、ウイーンブリッジ発振回路の出力信号の測定手段によって周期Ｔｘを測定して、周期Ｔｘと既知の周期Ｔｏとからｂを求め、式（３）に代入して２次方程式の解として、荷重信号算出手段において、ｗｘが求められる。なお、精確に荷重を算出するには近似式を用いて式（３）を簡略化しないことが望ましい。

上記の説明では、２つの抵抗体を荷重印加とは無関係に固定値としたが、抵抗体として起歪部にストレインゲージを貼付するなどして、荷重変化に応じて抵抗値が変化する抵抗体をウイーンブリッジ発振回路に用いることも可能である。但し、抵抗値は静電容量のように大きい変化率で変化させることが、発明が解決しようとする課題の項で述べたように困難である。もし小さい変化率であっても抵抗体の抵抗値も変化させるならば、精確な重量を求めるためには、抵抗値の変化率をα１、α２とすると、
Ｒ１＝Ｒｏ１（１＋α１・ｗｘ）
Ｒ２＝Ｒｏ２（１＋α２・ｗｘ）
と表して変化量ｗｘを求める必要があり、式（２）において周期を求める式は、ｗｘに関する４次方程式で表され、決定しなければならない係数は５個になる。従って、２次以上の高次の荷重算出式によって荷重を算出することも可能である。

但し、４次方程式の５個の係数を調整時点で決定するとしても、或いは４次方程式に解が存在するとしても、５個の係数を決定するには少なくとも値の異なる５個の既知の荷重を持つサンプル物品を使用しなければならず、荷重センサの量産時には大きな作業負担となる。従って、荷重算出式を複雑化させないため、静電容量体の容量のみを荷重変化に従って変化させ、抵抗体は荷重変化によって変化しない固定抵抗値とすることが望ましい。

以上のように、本発明による計量装置では、ウイーンブリッジ発振回路の２辺を構成するローパスフィルタ及びハイパスフィルタの容量体の静電容量が、荷重の変化量に対して大きな変化率で変化させることが可能で、しかも両フィルタのカットオフ周波数がほぼ同じに変化するので幅広い印加荷重の変化によって発振が途切れたり発振波形が歪むこともなく、高分解能で高精度に荷重変化を測定できる。

本発明の第１の実施形態の計量装置に使用する平行四辺形型ロードセルの側面図及びこれに設けられた電極板付近の拡大図である。 図１の計量装置のブロック図である。 本発明の第１の実施形態の計量装置の側面図である。 図１の計量装置における容量変化の説明図である。 図１の計量装置において使用するウイーンブリッジ発振回路の周波数特性図である。 本発明の第２の実施形態の計量装置に使用する平行四辺形型ロードセルの側面図及びこれに設けた電極板を示す図である。 ウイーンブリッジ発振回路に使用するローパスフィルタ及びハイパスフィルタの回路図である。 図７のローパスフィルタ及びハイパスフィルタの周波数特性図である。 図７のローパスフィルタ及びハイパスフィルタを使用したウイーンブリッジ発振回路の回路図である。

本発明の第１の実施形態の計量装置は、平行四辺形型ロードセルである荷重センサを有し、この荷重センサは、図２に示すようにウイーンブリッジ発振回路２を有している。このウイーンブリッジ発振回路２は、ブリッジ回路４を有している。このブリッジ回路２は、４つの辺を有し、そのうちの直列な２辺にローパスフィルタＬＰＦとハイパスフィルタＨＰＦとが配置されている。この直列な２辺に対して並列に接続された直列な２辺にそれぞれ固定抵抗体Ｒが配置されている。ローパスフィルタＬＰＦは、静電容量体Ｃ１と抵抗体Ｒ１とを並列に接続したもので、ハイパスフィルタＨＰＦは静電容量体Ｃ２と抵抗体Ｒ２とを直列に接続したものである。ローパスフィルタＬＰＦとハイパスフィルタＨＰＦは同じカットオフ周波数ｆｃを有している。

ローパスフィルタＬＰＦとハイパスフィルタＨＰＦとの接続点が、演算増幅器６の非反転入力端子に接続され、固定抵抗体Ｒ間の接続点が演算増幅器６の反転入力端子に接続され、ハイパスフィルタＨＰＦと固定抵抗体Ｒとの接続点が演算増幅器６の出力端子に接続され、ローパスフィルタＬＰＦと固定抵抗体Ｒとの接続点が、基準電位、例えばコモン電位ＣＯＭに接続されている。これによって、同じカットオフ周波数ｆｃを持つローパスフィルタＬＰＦとハイパスフィルタＨＰＦとが、演算増幅器６の出力端子と非反転入力端子との間の正帰還回路に設けられている。固定抵抗体Ｒ、Ｒは、正帰還回路のゲインを定めるものである。このような構成によって、演算増幅器６の出力として周波数ｆｃの正弦波の発振信号が得られる。抵抗体Ｒ１、Ｒ２も固定抵抗値を有している。後述するように荷重を印加することによって、静電容量体Ｃ１、Ｃ２の静電容量が変化し、図５に示すように発振周波数がｆcからｆｘに変化する。

演算増幅器６の発振出力は、この計量装置が稼動モードにあるとき、波形整形回路８によって波形整形された後、測定手段、例えば周期判定回路１０によって、荷重ｗｘの印加時の周期Ｔｘ（＝１／ｆｘ）が測定され、荷重信号算出手段、例えば荷重信号算出回路１２に供給される。荷重信号算出回路１２は、この周期Ｔｘと荷重が印加されていない初期荷重の際の周期Ｔo（＝１／ｆo）とに基づいて課題を解決する手段の項で述べたのと同様に周期Ｔｘと既知の周期Ｔｏとから係数ｂを求め、式（３）に代入して２次方程式の解として、荷重を算出する。その算出結果が、表示手段、例えば表示器１４に表示される。なお、この計量装置が調整モードにあるとき、課題を解決する手段の項で説明したように荷重が印加されていない状態で、係数ａ１、ａ２が定められ、かつ周期Ｔｏが測定され、荷重信号算出回路１２の記憶手段、例えば不揮発性メモリに記憶されている。

ウイーンブリッジ回路４の静電容量体Ｃ１、Ｃ２は、図１（ａ）に示す金属弾性体製の平行四辺形型ロードセル１６に設けられている。平行四辺形型ロードセル１６では、平行四辺形型の金属弾性体ブロック１８の４隅に上側円形孔２０ａ、２０ｂ、下側円形孔２２ａ、２２ｂを、金属体ブロック１８の厚さ方向に貫通するように設けられている。上側円形孔２０ａ、２０ｂ間を繋ぐように細幅の上側水平間隙２４が金属体ブロック１８の厚さ方向に貫通するように水平に設けられている。下側円形孔２２、２２間を繋ぐように細幅の下側水平間隙２６が金属弾性体ブロック１８の厚さ方向に貫通するように水平に設けられている。上側水平間隙２４と下側水平間隙２６の中央間を繋ぐように、金属弾性体ブロック１８の厚さ方向に貫通して細幅の鉛直間隙２８が形成されている。

上側円形孔２０ａ、２０ｂと上側水平間隙２４とによって上側梁３０が形成され、下側円形孔２２ａ、２２ｂと下側水平間隙２６とによって下側梁３２が形成されている。上側円形孔２０ａ、２０ｂ、下側円形孔２２ａ、２２ｂは、それらの周縁の一部が、金属弾性体ブロック１８の上辺及び下辺に幅ｄの薄肉部３４、３４、３４、３４によって接するように設けられ、これら薄肉部３４，３４、３４、３４が、平行な上側梁３０と下側梁３２とリンク機構を構成する。そして、鉛直間隙２８と一方の側辺までの間と、鉛直間隙２８の他方の側辺までの間とが、固定部３６と可動部３８となる。いずれの側を固定部３８としてもよいが、この実施形態では図１の左側を固定部３６とし、右側を可動部３８とする。

図１のロードセルを使用して、例えば図３に示すような計量装置が構成されている。固定部３６が基礎面４０の上に設けられた基礎取付金具４２に取り付けられ、可動部３８には、計量台支持金具４４が取り付けられ、計量台支持金具４４の上に計量台４６が水平に取り付けられている。計量台４６上に被計量物が載置されて、被計量物の重量が測定される。図１及び図３に矢印で示す方向に、即ち基礎面４０に対して鉛直方向に荷重が印加されたとき、計量台４６上で被計量物の位置が実線で示す位置から破線で示す位置に移動しても、或いは被計量物の荷重の大小に拘わらず、可動部３８は鉛直下方向に移動する。従って、図１において鉛直間隙２８を挟んで対向する固定部３６側の端面４８に対して可動部３８側の端面５０は、平行に下方に移動する。

これら端面４８、５０に電極、例えば電極板を設けて対向させれば、固定部３６側の端面４８上の電極板に対して、可動部３８側の端面５０上の電極板は、被計量物の印加荷重に比例した距離で鉛直方向に端面４８に対して平行移動する。その結果、２つの電極板の対向面積が荷重変化に比例して変化するので、２つの電極板を静電容量体とすると、静電容量体の静電容量が印加荷重の大きさに精確に比例して変化する。

図１（ｂ）、（ｃ）に電極板の一例を示している。同図（ｂ）に示すように、固定部３６側の端面４８と可動部３８側の端面５０とには樹脂製の絶縁基板５２、５４がそれぞれ接着されている。これら絶縁基板５２、５４上に例えばそれぞれ４つの金属パターンが互いに対向するように配置されて、それぞれ４つの固定部側電極板５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、可動部側電極板５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄが形成されている。固定部側電極板５６ａと可動部側電極板５８ａによって１つの静電容量体が形成され、以下同様に、固定部側電極板５６ｂ、５６ｃ、５６ｄと可動部側電極板５８ｂ、５８ｃ、５８ｄによって３個の静電容量体が形成されている。これら４個の静電容量体のうち２つが例えば並列に接続されて、ローパスフィルタＬＰＦの静電容量体Ｃ１として使用され、残りの２つが並列に接続されて、ハイパスフィルタＨＰＦの静電容量体Ｃ２として使用される。

同図（ｃ）に示すように、電極板５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄはいずれも鉛直方向寸法Ｌａを有し、両端にはリード線６０がそれぞれハンダ接続され、このハンダ接続部を覆うように幅Ｄの間隔をあけて絶縁塗装６２が絶縁基板５２の両端に行われている。即ち、電極板５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの幅寸法（金属弾性体ブロック１８の厚さ方向の寸法）はいずれもＤである。電極板５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄも同様である。

図４に電極板５６ａ、５８ａの拡大図を示す。以下、電極板５６ａ、５８ａを代表として説明するが、他の電極板５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄにおいても同様である。計量台４６に被計量物が載荷されていないとき（計量台４８等の荷重のみが平行四辺形型ロードセル１６に印加されている初期荷重のとき）、固定部側電極板５６ａと可動部側電極板５８ａとは、鉛直方向にＬｂの差があるように配置されている。即ち、鉛直方向に関して、可動部電極板５８ａの位置が、固定部電極板５６ａの位置よりも高い位置にあるように配置してある。計量台４８上に被計量物が載荷された場合、しかも重い被計量物が載荷された程、可動部電極板５８ａの位置が下方に変位して、２つの電極板５６ａ、５８ａの対向面積が増加して、静電容量が増加する。

絶縁基板５２、５４それぞれに電極板５６ａ乃至５６ｄ、５８ａ乃至５８ｄが予め形成されており、絶縁基板５２、５４を固定部端面４８、可動部端面５０に接着することによって４個の静電容量体を構成するが、絶縁基板５２、５４を同じ大きさとし、予め形成される電極板５６ａ乃至５６ｄ、５８ａ乃至５８ｄの位置関係を上記の関係となるように異ならせておけば、固体部側端面４８に絶縁基板５２を、可動部側端面５０に絶縁基板５４を接着するだけで、上記の好ましい初期荷重時の条件を得ることができる。

初期荷重印加時に双方の電極板５６ａ、５８ａが平行に対向する部位の長さＬｏは、
Ｌｏ＝Ｌａ−Ｌｂ
である。電極板５６ａ、５８ａの幅は上述したようにＤであるので、初期荷重印加時の電極板５６ａ、５８ａが対向する面積Ｓｏは、
Ｓｏ＝Ｌｏ・Ｄ
である。そして、重量ｗｘの被計量物が計量台４６上に載荷されて、可動部側電極５８ａがＬｘ変位したとすると、電極板５６ａ、５８ａが平行する距離は
Ｌｏ＋Ｌｘ
に増加するので、計量台４６上への被計量物の載置時に電極板５６ａ、５８ａが対向する面積Ｓｘは、
Ｓｘ＝（Ｌｏ＋Ｌｘ）・Ｄ
となる。電極板５６ａ、５８ａ間の距離をＨ、電極板５６ａ、５８ａ間の物質の誘電率をεとすると、
初期荷重印加時の１組の静電容量体の静電容量Ｃｏは、
Ｃｏ＝ε・Ｓｏ／Ｈ
であり、被計量物を載荷したときの１組の静電容量体の静電容量Ｃｘは、
Ｃｘ＝ε・Ｓｘ／Ｈ
となる。

静電容量の変化率は
（Ｃｘ−Ｃｏ）／Ｃｏ＝Ｌｘ／Ｌｏ
で表され、変位量Ｌｘは被計量物の重量ｗｘに比例するので、Ｌｘ＝ｋ・ｗｘとすると、
静電容量の変化率
（Ｃｘ−Ｃｏ）／Ｃｏ＝Ｌｘ／Ｌｏ＝（ｋ・Ｌｏ）・ｗｘ＝β・ｗｘ
となり、ｋ、Ｌｏは一定であるので、係数β＝ｋ／Ｌｏも一定である。従って、
Ｃｘ−Ｃｏ＝Ｃｏ・（Ｌｘ／Ｌ）＝Ｃｏ・（ｋ／Ｌｏ）・ｗｘ
となり、Ｃｘは、
Ｃｘ＝Ｃｏ＋Ｃｏ・（ｋ／Ｌｏ）・ｗｘ＝Ｃｏ｛１＋（ｋ／Ｌｏ）・ｗｘ｝
＝Ｃｏ（１＋β・ｗｘ）
と表される。

静電容量体が２個並列に接続される場合、１つの静電容量体での被計量物が印加されたときの静電容量Ｃｘは上述したように表され、もう１つの静電容量体での被計量物が印加されたときの静電容量をＣｘ’とすると、Ｃｘ’は
Ｃｘ’＝Ｃｏ’＋Ｃｏ’・（ｋ’／Ｌｏ’）・ｗｘ
で表される。これら２つの静電容量体の並列接続の合成静電容量は、
Ｃｘ＋Ｃｘ’＝Ｃｏ＋Ｃｏ’＋Ｃｏ（ｋ／Ｌｏ）ｗｘ＋Ｃｏ’（ｋ’／Ｌｏ’）ｗｘ
＝Ｃｏ＋Ｃｏ’＋（Ｃｏ＋Ｃｏ’）[Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｃｏ’）・（ｋ／Ｌｏ）＋Ｃｏ’／（Ｃｏ＋Ｃｏ’）・（ｋ’／Ｌｏ’）]ｗｘ
となり、
Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｃｏ’）・（ｋ／Ｌｏ）＝Ｋ＝一定
Ｃｏ’／（Ｃｏ＋Ｃｏ’）・（ｋ’／Ｌｏ’）＝Ｋ’＝一定
であるので、
Ｃｘ＋Ｃｘ’＝（Ｃｏ＋Ｃｏ’）＋（Ｃｏ＋Ｃｏ’）（Ｋ＋Ｋ’）・ｗｘ
＝（Ｃｏ＋Ｃｏ’）｛１＋（Ｋ＋Ｋ’）・ｗｘ｝
であり、Ｋ＋Ｋ’＝βとすれば、
Ｃｘ＋Ｃｘ’＝（Ｃｏ＋Ｃｏ’）｛１＋β・ｗｘ｝
と表せる。

このように静電容量体を１つだけ使用する場合でも、並列に接続して使用する場合でも、荷重印加後の静電容量は、課題を解決する手段の項で述べたのと同様に表される。

上述したように並列に接続された２つの静電容量体がローパスフィルタＬＰＦの静電容量体Ｃ１として使用され、残りの２つの並列接続された静電容量体がハイパスフィルタＨＰＦの静電容量体Ｃ２として使用される。

そして、ウイーンブリッジ発振回路２の演算増幅器６の出力信号が上述したように波形整形回路８に供給される。波形整形回路８は、ブリッジ回路４のコモン電位ＣＯＭを中心に振動する正弦波信号がコモン電位ＣＯＭ以上で継続する領域でハイレベルまたはローレベルの論理信号を出力する回路である。この論理信号は周期判定回路１０によって周期値として読み取られる。調整モードにおいて初期荷重状態で周期Ｔｏが読み取られ、荷重信号算出回路１２の不揮発メモリに記憶され、稼動モードで被計量物を計量台４６上に載荷した状態で周期Ｔｘが読み取られる。周期Ｔｘは、荷重信号算出回路１２に供給される。荷重信号算出回路１２では、課題を解決する手段の項で説明したのと同様に、ｂ（＝Ｔｘ^２−Ｔｏ^２）が算出され、このｂと調整モードで予め上記不揮発性メモリに設定されている係数ａ１、ａ２を用いて、荷重ｗｘが算出され、表示器１４に表示される。

周期の変化量に対応するｂ（＝Ｔｘ^２−Ｔｏ^２）の値を高分解能に測定するには、ＴｘとＴｏの間で差が大きいことが要求される。それには静電容量の変化率が大きい必要がある。静電容量の変化率は
（Ｃｘ−Ｃｏ）／Ｃｏ＝Ｌｘ／Ｌｏ
であるので、計量台４６上に被計量物を載荷したときＬｏに対するＬｘの値が大きいほどＬｘ／Ｌｏの値は大きい。Ｌｘは平行四辺形型ロードセル１６に定格荷重を印加したときの鉛直方向の変位量をＬｘとすると、例えば約１５０μｍである。この値を変更することは容易でないが、Ｌｏの値は容易に変更することができる。Ｌｏは、初期荷重が印加された状態における固定部電極５６ａ乃至５６ｄと可動部電極５８ａ乃至５８ｄが平行して対向する部分の長さであるので、容易に数ｍｍ程度、例えば３ｍｍ程度にすることができる。従って、変化率は、例えば１５０／３０００＝１／２０程度に容易に設定することができるので、高い分解能で周期測定ができ、それに応じて高い分解能で被計量物の重量ｗｘを求めることができる。しかも、Ｌｏを小さくすれば、対向電極（固定部電極と可動部電極）を複数組並べることができ、係数β、即ち変化率の値を対向電極ごとの加算値として大きくすることができる。

図２に示すウイーンブリッジ発振回路２の固定抵抗体Ｒ１、Ｒ２、Ｒ、Ｒ及び演算増幅器６は、図１に示すように樹脂製プリント基板６４上に搭載され、このプリント基板６４は、固定部３６の側面に取り付けられている。

ローパスフィルタＬＰＦ、ハイパスフィルタＨＰＦを構成する抵抗体Ｒ１、Ｒ２は、常にＲ１≒Ｒ２が成立するように、Ｃ１、Ｃ２は、初期荷重印加時にＣ１≒Ｃ２が成立するように設定される。固定部側電極５６ａ乃至５６ｄ、固定部側電極５８ａ乃至５８ｄは、初期位置や荷重印加による変位量は、４つの静電容量体において同じに構成してある。従って、任意の荷重の印加時にもＣ１≒Ｃ２が成立し、ローパスフィルタＬＰＦ及びハイパスフィルタＨＰＦにおいてＲ１、Ｒ２及びＣ１、Ｃ２で決まるカットオフ周波数は初期荷重の印加時も、任意の大きさの荷重の印加時においても常にほぼ一致している。従って、ウイーンブリッジ発振回路２は任意の印加荷重に対して常にローパスフィルタＬＰＦ及びハイパスフィルタＨＰＦのカットオフ周波数が一致した状態で、そのカットオフ周波数の値が荷重変化量の大きさに応じて変化するので、常に精確な形状の発振信号を得ることができ、精確な周期測定が行え、精確に荷重の変化量を求めることができる。

図６に第２の実施形態の計量装置に使用する平行四辺形型ロードセル１６１を示す。この計量装置は、平行四辺形型ロードセル１６１の構成が異なる以外、第１の実施形態の計量装置と同様に構成されているので、平行四辺形型ロードセル１６１の構成についてのみ説明する。

この平行四辺形型ロードセル１６１でも、第１の実施形態の平行四辺形型ロードセル１６と同様に、平行四辺形型の金属弾性体ブロック１８の４隅に上側円形孔２０ａ、２０ｂ、下側円形孔２２ａ、２２ｂが設けられている。上側円形孔２０ａ、２０ｂ間を繋ぐように細幅の上側水平間隙２４が水平に設けられ、下側円形孔２２、２２間を繋ぐように細幅の下側水平間隙２６が水平に設けられている。上側円形孔２０ｂの下部と、下側円形孔２２ａの上部とを繋ぐように、鉤型の間隙２８１が金属弾性体ブロック１８の厚さ方向に貫通するように形成されている。

この間隙２８１は、上側円形孔２０ｂの下部から鉛直に伸びた上側鉛直部２８１ａと、上側鉛直部２８１ａの下端から下側円形孔２２ａ側に水平に伸びた水平部２８１ｂと、水平部２８１ｂの端から下側円形孔２２ａ側に鉛直に伸びている下側鉛直部２８１ｃを有している。この鉤型間隙２８１によって、金属弾性体ブロック１８は、固定部３６１と可動部３８１とに分けられている。また、第１の実施形態と同様に薄肉部３４、３４、３４、３４が形成され、上側梁３０と下側梁３２とを有する平行リンク機構とされている。鉤型間隙２８１の水平部２８１ｂを挟んで対向する固定部３６１側の面４８１と、可動部３８１の面５０１とに電極板を形成すると、静電容量体を構成することができる。

図示を省略しているが、可動部３８１には、図３に示したのと同様に計量台支持金具を介して計量台が結合され、固定部３６１は、基礎取付金具を介して基礎面に取り付けられている。可動部３８１に矢印で示すように鉛直方向の荷重が印加されると、可動部３８１が鉛直方向下方に移動する。従って、荷重の印加によって固定部３６１側の面４８１と可動部３８１の面５０１との電極板間の距離が変化するので、静電容量体の静電容量の逆数が印加荷重の大きさに精確に比例して変化する。

同図（ｂ）に示すように電極板は、固定部３６１側の面４８１と、可動部３８１の面５０１とに貼り付けた樹脂製の絶縁基板５２１、５４１上に形成されている。２つの電極板５６１ａ、５６１ｂが、同図（ｃ）に示すように金属弾性体ブロック１８の厚さ方向に沿って絶縁基板５２１上に設けられている。また、絶縁基板５４１上に、２つの電極板５８１ａと電極板５８１ｂ（図示せず）とが、電極板５６１ａ、５６１ｂと対向するように設けられている。電極板５６１ａ、５６１ｂ、５８１ａ、５８１ｂには、第１の実施形態と同様に、リード線６０及び絶縁塗装６２が設けられている。

電極板５６１ａと５８１ａとの対向面積、電極板５６１ｂと５８１ｂとの対向面積をそれぞれＳ、電極板５６１ａ、５６１ｂと５８１ａ、５８１ｂとの間に存在する空気などの物質の誘電率をε、電極板５６１ａ、５６１ｂと５８１ａ、５８１ｂとの間の距離が初期荷重印加時にＨｏ、被計量物の印加時にＨｘとすると、初期荷重印加時の１組、例えば電極板５６１ａと５８１ａとの静電容量Ｃｏは、
Ｃｏ＝ε・Ｓ／Ｈｏ
で表され、被計量物を印加したときの静電容量Ｃｘは、
Ｃｘ＝ε・Ｓ／Ｈｘ
で表される。Ｈｘは、印加加重に比例して変化するので、静電容量の逆数１／Ｃｘは、
１／Ｃｘ＝Ｈｘ／ε・Ｓ
と表され、印加荷重に比例して変化する。電極板５６１ｂと５８１ｂとの静電容量も同様である。そして、電極板５６１ａと５８１ａとによる静電容量体をウイーンブリッジ発振回路２のローパスフィルタＬＰＦの静電容量体Ｃ１と、電極板５６１ｂと５８１ｂとによる静電容量体をハイパスフィルタＨＰＦの静電容量体Ｃ２として使用する。

初期荷重印加時のウイーンブリッジ発振回路２の発振信号の周期をＴｏ、或る荷重ｗｘを印加したときの周期をＴｘとすると、式（２）のＴｘ^２−Ｔｏ^２を（１／Ｔｘ^２−１／Ｔｏ^２）に置き換えれば、課題を解決する手段の項で述べたのと同様に、ａ１、ａ２を予め求め、ｂ＝（１／Ｔｘ^２−１／Ｔｏ^２）とすることによって、式（３）によって荷重ｗｘを求めることができる。

初期荷重印加時の鉤型間隙２８１の水平部２８１ｂの鉛直方向の寸法ｄ１（図６参照）を、荷重変化による可動部３８１の変位量に対して適切に選択すれば、大きい静電容量の変化率を自在に得ることができる。例えば、ｄが好ましい初期荷重印加時の寸法になるように、水平部２８１ｂを予め機械加工する。

第１の実施形態では４つの静電容量体を構成し、第２の実施形態では２個の静電容量体を構成したが、２個以上の個数であれば、任意の個数の静電容量体を構成することもできる。但し、ウイーンブリッジ発振回路のローパスフィルタ及びハイパスフィルタＨＰＦのカットオフ周波数を一致させることが望ましいので、偶数個の静電容量体を設けることが望ましい。

第１及び第２の実施形態では、ウイーンブリッジ発振回路のローパスフィルタ及びハイパスフィルタの静電容量体の値のみを荷重の印加に応じて変化させたが、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタの抵抗体の値も、荷重の印加に応じて変化させることもできる。その場合、例えば抵抗体としてストレインゲージを用い、図１及び図６に示す起歪部３４にストレインゲージを貼付する。但し、荷重の印加に対して抵抗値が増加するようにストレインゲージを貼付する場合には、上側円形孔２０ａ、２０ｂ側の起歪部３４に貼付し、これらストレインゲージを、図２に示す固定抵抗器Ｒ１、Ｒ２の代わりに使用する。但し、上述したように、この場合、荷重を求めるための高次方程式としては、上述したように４次方程式を使用する。

上記の２つの実施形態で示したウイーンブリッジ発振回路は、基本形態を示したもので、公知の種々の変形型のウイーンブリッジ発振回路を使用することもできる。例えば、演算増幅器１６の反転入力端子に接続されている固定抵抗器Ｒに直列に可変抵抗器を接続し、その可変抵抗器を演算増幅器１６の出力レベルに応じて変化させて自動利得制御付きのウイーンブリッジ発振回路とすることもできる

２ ウイーンブリッジ発振回路
１０ 周期判定回路（測定手段）
１２ 荷重信号算出回路（荷重信号算出手段）
１６ 平行四辺形型ロードセル
３６ 固定部
３８ 可動部
５６ａ乃至５６ｄ 固定部用電極板（固定部用電極）
５８ａ乃至５８ｄ 可動部用電極板（可動部用電極）
ＬＰＦ ローパスフィルタ
ＨＰＦ ハイパスフィルタ

Claims (3)

1. ウイーンブリッジ発振回路を有する荷重センサと、前記ウイーンブリッジ発振回路の出力信号の測定手段と、測定した前記出力信号によって、前記荷重センサに印加された荷重を検出する荷重信号算出手段とを、備えた計量装置において、
   前記荷重センサは、金属弾性体製の平行四辺形型ロードセルを含み、
   前記平行四辺形型ロードセルは、この平行四辺形型ロードセルを基礎面に取り付ける固定部と、荷重が印加される可動部とを、有し、前記可動部は、前記荷重の印加時に鉛直方向に変位し、
   前記固定部には固定部用電極が設けられ、前記可動部には可動部用電極が設けられ、前記固定部用電極と前記可動部用電極とは、互いに非接触に近接して対向するように設けられ、
   前記固定部用電極と前記可動部用電極とによって、前記可動部に荷重が印加されたとき、前記固定部用電極と前記可動部用電極との対向する部分の面積、または対向する部分の距離が、前記荷重の変化量に応じて変化して、静電容量が変化する容量体を、少なくとも２つ構成し、これら少なくとも２つの容量体が、前記ウイーンブリッジ発振回路の１辺に含むローパスフィルタと他の辺に含むハイパスフィルタそれぞれの一部をなす計量装置。
2. 請求項１記載の計量装置において、前記測定手段は、前記ウイーンブリッジ発振回路の出力信号の周期を測定し、前記荷重信号算出手段は、測定した周期に基づいて、荷重に関する２次以上の高次荷重算出式によって荷重を算出する計量装置。
3. 請求項２記載の計量装置において、前記ローパスフィルタ及び前記ハイパスフィルタが、それぞれ固定値の固定抵抗体を有している計量装置。

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