JP2005055340A - 計量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、水平のとれてない設置場所でも、被計量物の正確な重量計測を行うことができる計量装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 被計量物を載置する上皿１０と設置場所に接地する下皿４０とを第一、第二コイルバネ５１、５２などで弾性的に結合し、上皿１０が下皿４０に対して変位する方向を第一案内棒４２と第一リニアブッシュ１２との作用により一方向に規定することを特徴とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被計量物の重量を計測する計量装置に関し、特に、水平を確保できない場所に設置しても、計測精度を損なわない計量装置に関するものである。

従来、被計量物の重量を計量装置で計測する場合、この被計量物を載置する載置面が水平となるように、計量装置の接地面に配置されているアジャスト脚を調整するレベル出しという作業を行う必要があった。これは、重量を検出するセンサは通常、主軸方向のみに入力する荷重に対して正確な計測を行うよう設計されているためである。すなわち、水平がとれていない場所に計量装置を設置して計量を行うとセンサが荷重を正確に検出できる主軸方向と被計量物の荷重が作用する鉛直方向とがずれることになる。この為、主軸方向以外に発生する分力がセンサに作用することとなり、重量を検出するセンサが正常に作動するための前提が崩れてしまい、被計量物の計測精度が低下することになる。（例えば、非特許文献１参照）

日本工業規格 ＪＩＳＢ７６０２ 電気式ロードセル性能試験方法 ５．１．１ロードセルの設置条件

しかし、アジャスト脚の調整による、レベル出しの作業は、水平基準器等を参照しながら行う作業である為、手間のかかる作業であった。また、計量装置が飲料自動販売機等の他の動作機器に組み込まれて使用される場合、この動作機器の内部設計の制約上かかるレベル出しを行えない場合がある。また、この動作機器本体のアジャスト脚の調整により計量装置のレベル出しをしようとしても動作機器の設置状況によっては、かかる作業に差し障りがあるという問題があった。

本発明は、以上の問題点を解決することを目的としてなされたものであり、水平のとれてない設置場所でも、正確な重量の計測を行うことができる計量装置を提供することを課題とするものである。

本発明は、前記した目的を達成するために創案されたものであり、まず請求項１に記載の計量装置は、被計量物を載置する上皿と、弾性体を介して前記上皿を弾性的に支持する下皿とを有し、前記弾性体の変形量に基づいて前記被計量物の重量を計測する計量装置であって、前記上皿において前記被計量物が載置される載置面に直交するように、前記上皿または前記下皿のどちらか一方に固定された案内棒と、前記下皿または前記上皿の他方に設けられ、中空の内側面に有する転動体を介して前記案内棒をその長手方向に案内する直動案内支持体とを備え、前記直動案内支持体は、前記転動体が前記直動案内支持体と前記案内棒とに密接し、前記案内棒がその径方向に振れることなく案内されるように構成されたことを特徴とした。

かかる構成によれば、被計量物から弾性体（重量を検出するセンサの要部）に作用する荷重は、計量装置の設置が載置面の水平が取れた状態であるか否かにかかわらず、常時一定の方向から入力されることとなる。すなわち、案内棒が、被計量物の重力か作用する鉛直方向とずれた場合であっても、案内棒の長手方向以外に生じた分力は、直動案内支持体の内側面からの反力により打ち消される為、弾性体に直接作用しないからである。

また、案内棒は、直動案内支持体の中空の内側面に配置された転動体の作用により、軸ぶれなく長手方向に摩擦抵抗なく支持されているため、載置面が水平面となす角度（θ）の余弦（ｃｏｓθ）に被計量物の重量を乗した値の荷重が弾性体に正確に伝達することとなる。

また、請求項２に記載の計量装置は請求項１に記載の計量装置であって、前記案内棒は長手方向にスプライン溝を有し、前記直動案内支持体の前記内側面も前記スプライン溝に対応して刻設された案内溝を有し、前記転動体が前記スプライン溝と前記案内溝とに沿って転動するために前記直動案内支持体の軸まわりの回転が規制されるように支持されていることを特徴とした。

かかる構成によれば、案内棒と直動案内支持体の内側面とにそれぞれ刻設された溝に沿うように転動体が転動する為、長手方向へは自由に移動ができる状態を維持しつつ直動案内支持体の軸周り方向の動きが拘束される。これにより、他に特別な機構を付加することなく、案内棒と直動案内支持体との作用のみで上皿を下皿との相対的な回転を抑制することができる。

また、請求項３に記載の計量装置は請求項１または請求項２に記載の計量装置であって、前記弾性体の変形量は、前記上皿に固定された可動平板電極と、この可動平板電極に平行となるように前記下皿に固定された固定平板電極とからなるキャパシタの静電容量の変化を検出することにより計測されることを特徴とした。

かかる構成によれば、上皿に載置した被計量物の重量に比例して、可動平板電極と固定平板電極との間隔が変化する。この間隔に対応してキャパシタの静電容量が変化するため、この静電容量を計測することにより、被計量物の重量を計測することができる。そして、可動平板電極は、上皿を介して案内棒に連結しており、常に固定平板電極に対して平行を維持することができる為、再現性の高い被計量物の重量の計測が可能となる。

また、請求項４に記載の計量装置は請求項１または請求項２に記載の計量装置であって、前記計量装置は、前記下皿または前記上皿のいずれか一方に固定されたレーザ発振素子と、このレーザ発振素子が他方の前記上皿または前記下皿のいずれかに向けて照射するレーザ光を、直接にまたは前記レーザ光の反射光を間接に検出するレーザ光検出素子と、を有するレーザ位置検出器を備え、このレーザ位置検出器が、前記上皿の変位量を測定することにより、前記弾性体の変計量が検出されることを特徴とした。

かかる構成によれば、載置した被計量物の重量に比例して変位する上皿の変位量を直接レーザ位置検出器で検出することにより、被計量物の重量が計測されることとなる。これにより、レーザ位置検出器の測長レンジが広いこと（０．１μｍ〜数ｃｍ）から、重量の計測レンジも広がる。さらにレーザ位置検出器の形状が小さいことにより、検出器やその他構成品の配置等、設計の自由度が広がるといった効果が期待される。

また、請求項５に記載の計量装置は請求項１または請求項２に記載の計量装置であって、前記弾性体の変形量は、前記弾性体に貼設された歪ゲージにより検出されることを特徴とした。

かかる構成によれば、被計量物の重量に比例して変形する弾性体の表面における一方向の変形に応じて歪ゲージも変形し、この歪ゲージの抵抗値を変化させることとなる。そして、この抵抗値の変化を検出することにより、被計量物の重量を計測することとなるが、案内棒と直動案内支持体の作用により、弾性体の変形は一定の荷重に対して常に一様に変形する為、安定した抵抗値の変化が得られる。

また、請求項６に記載の計量装置は請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の計量装置であって、前記弾性体は、前記上皿と前記下皿とにそれぞれ両端が接するコイルバネで構成されることを特徴とした。

かかる構成によれば、上皿は下皿に対して案内棒の長手方向に変位が規定された状態で、コイルバネの伸縮により弾性的に支持されることになる。そして、コイルバネの線形変形範囲において、被計量物の重量に比例して上皿は下皿に対して変位することになる。また、計量装置の感度はコイルバネのバネ定数により決定させることとなる。

また、請求項７に記載の計量装置は請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の計量装置であって、前記弾性体は、第一コイルバネと、この第一コイルバネよりバネ定数が大きい第二コイルバネとが直列に配置して構成されることを特徴とした。

かかる構成によれば、前記弾性体は、一端が前記上皿に固定され他端が例えば可動板を介して第二コイルバネの一端に連結する第一コイルバネと、他端が前記下皿に連結する第二コイルバネからなり、上皿と下皿とを弾性的に結合することになる。そして、低重量物の計測時は第一コイルバネが変形して重量を検出し、高重量物の計測時は第二コイルバネが変形して被計量物の重量を検出することになる。また、特に低重量物の計測においては、直動案内支持体の作用により荷重が低減することなく正確に弾性体に伝達される。

また、請求項８に記載の計量装置は請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の計量装置であって、前記弾性体は、前記下皿に一端が固定された片持ち梁形状の板バネであって、前記上皿は、前記板バネの自由端である先端に接して支持されていることを特徴とした。

かかる構成によれば、上皿は下皿に対して案内棒の長手方向に変位が規定されて、板バネのたわみ変形により弾性的に支持されることになる。そして、板バネの線形変形範囲において、被計量物の重量に比例して上皿は下皿に対して変位することになる。

本発明に係る計量装置により以下に示す優れた効果を奏する。
請求項１の発明によれば、計量装置の設置面の傾き如何にかかわらず、荷重を検出するセンサに対し常に一定方向に荷重が付加されることになり精度の高い、被計量物の荷重計測が可能となる。

請求項２の発明によれば、上皿と下皿との相対的な回転を防止する為の特別な機構を設ける必要がなくなる為、計量装置の構成を簡易にすることができる。

請求項３の発明によれば、弾性体の変形量はキャパシタの静電容量の変化量に対応し、さらにキャパシタを構成する二枚の電極が、常に平行を維持できるので再現性の高い被計量物の重量の計測が可能となる。

請求項４の発明によれば、弾性体の変形量の計測はレーザ位置検出器により行われ、このレーザ位置検出器の測長レンジが広範であることにより被計量物の荷重計測のダイナミックレンジも拡大する。

請求項５の発明によれば、弾性体に作用する荷重点の位置ならびに方向は、常時一定となるため、歪ゲージも一様に変形することとなり、安定した荷重検出が可能となる。

請求項６の発明によれば、コイルバネの線径や巻径をかえることにより任意のバネ定数が得られ、計量装置の設置面における傾斜如何にかかわらずコイルバネは、荷重に対して感度よく応答し、安定性の高い高精度の被計量物の重量計測が可能となる。

請求項７の発明によれば、一つの計量装置で扱うことができる重量範囲のダイナミックレンジを拡大することができ、低重量物から高重量物にわたり被計量物の重量計測を高精度に安定して行える。

請求項８の発明によれば、板バネの板厚、幅、長さをかえることにより任意のバネ定数が得られ、計量装置の設置面における傾斜如何にかかわらず板バネは、荷重に対して感度よく応答し、安定性の高い高精度の被計量物の重量計測が可能となる。また、板バネは、形状が単純なので弾性体としての品質を安定させて量産することができる。これにより、例えば請求項３の発明において、被計量物を載置していない初期状態における電極間隔のバラツキを少なくし、品質を安定させて計量装置を量産化できる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
（第一の実施の形態）
図１および図２を参照して本発明における第一の実施の形態について説明する。図１は本実施の形態にかかる計量装置を示す分解斜視図である。図２は本実施形態にかかる計量装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）縦断面図である。
図１に示すように、計量装置１Ａは、上皿１０、下皿４０、キャパシタ２０および可動板３０からなる。

上皿１０は、載置面１５に被計量物（図示せず）を載置するものである。上皿１０には、第一固定ボス１１を介して第一リニアブッシュ（直動案内支持体）１２、他端が自由端で断面が円形の第二案内棒１３，１３および他端が自由端であるストッパ１４，１４が、上皿１０の下面にそれぞれ固定されている。そして可動平板電極２２が腕部２２ａを介して同下面に固定されている。

下皿４０は、計量装置１Ａが設置されるスペースに接地する計量装置１Ａのベースである。下皿４０には、第二固定ボス４３，４３、他端が自由端で断面が円形の第一案内棒４２および第二コイルバネ５２，５２が、下皿４０の片面にそれぞれの一端が固定されている。そして第二固定ボス４３の先端には、第二案内棒１３にそれぞれ貫通する第二リニアブッシュ４４が固定されている。第一案内棒４２は、先端が第一リニアブッシュ１２の中空部分に貫通し、第一リニアブッシュ１２を第一案内棒４２の長手方向に摺動自在に案内するものである。そして、第二案内棒１３，１３と第二リニアブッシュ４４，４４との摩擦力がほとんど発生しない作用により、上皿１０が下皿４０に対して、第一案内棒の軸周りに相対的に回転することが抑制される。

可動板３０は、二本の第二コイルバネ５２，５２により下皿４０と弾性的に結合され、さらに第一コイルバネ５１により上皿１０と弾性的に結合しており、上皿１０および下皿４０の弾性結合を中継するものである。可動板３０には、第二固定ボス４３がそれぞれ貫通する貫通孔３０ｄ、第一案内棒５３が貫通する貫通孔３０ｂおよび第二コイルバネ５２の他端がそれぞれ嵌合する孔部３０ｃを有している。二つの第二固定ボス４３がそれぞれ貫通孔３０ｄに貫通することにより、下皿４０と可動板３０とは、第一案内棒４２の軸周りに相対的に回転することがない。可動板３０は、第一案内棒４２の長手方向のみに動きが限定され上皿１０と下皿４０とに対して弾性的に連結している。

キャパシタ２０は、上皿１０および下皿４０の相対変位を検出するもので、下皿４０に対して固定されている固定平板電極２１と腕部２２ａを介して上皿１０に固定されている可動平板電極２２とから構成されている。そして、上皿１０の上下動に連動して変化する電極面の間隔に対応してキャパシタ２０の静電容量が変化する。この静電容量変化を特に図示していない回路により検出することにより、後記するコイルバネ５１、５２の変形量に比例する被計量物の重量が計測される。

固定平板電極２１は、第二案内棒１３，１３が貫通する貫通孔２１ｃおよび第一コイルバネ５１が貫通する貫通孔２１ｂを有している。そして固定平板電極２１は、止ネジ穴２１ａを貫通する止ネジにより第二固定ボス４３の頭部端面に、可動平板電極２２に対し平行となるよう固定される。この固定は、組立手順からいうと可動板３０、第一コイルバネ５１、可動平板電極２２の順番に第一案内棒４２に貫通させてから行われる。

第一コイルバネ５１は、一端が貫通孔３０ｂに同軸の孔部３０ａに嵌合し、胴部がキャパシタ２０の貫通孔２１ｂ・２２ｂを貫通し、第一リニアブッシュを内径部に挿通させた状態で、他端が第一固定ボス１１の先端部分に接して、上皿１０と可動板３０とを弾性的に連結している。

図３は、本発明の要部である直動案内支持体の一例としてリニアブッシュ１２に第一案内棒４２が貫通している状態を示す断面図である。第二リニアブッシュ４４がそれぞれ第二案内棒１３に貫通している状態も全く同様である。第一、第二リニアブッシュ１２、４４の中空の内側面と、第一、第二案内棒４２、１３の外側面とは図示するように転動体１２ａを介して密接している。直動案内支持体は、転動体１２ａの転動により、案内棒長手方向ならびに回転方向へ相互にスムーズに動けるように構成され、案内棒の径方向つまり長手方向以外に振れることなく案内される。

図１に戻って説明を続ける。
第一リニアブッシュ１２の作用は、載置面１５と第一案内棒４２の長手方向とが垂直を維持するようにかつ摩擦なく、軸ぶれなく上皿１０を案内することである。そして、第二リニアブッシュ４４の作用は、上皿１０の動きのスムーズさを維持しつつ、上皿１０と下皿１３とが、第一案内棒４２を軸として相対的に回転することを防止することである。

第一コイルバネ５１と第二コイルバネ５２とは、可動板３０を介して直列に配置して一つの弾性体を形成し、両端がそれぞれ上皿１０と下皿４０とに固定され両者を弾性的に結合している。第一コイルバネ５１のバネ定数は、第二コイルバネ５２のバネ定数の数十分の一から百分の一程度に設定する。これにより、計量装置１Ａにおける対象とする被計量物の重量計測のダイナミックレンジが広がることとなる。すなわち、低重量物を計測する場合は、第一コイルバネ５１が変形して重量を検出し、高重量物を計測する場合は第二コイルバネ５２が変形して重量を検出することとなる。

ストッパ１４は、載置面１５に垂直になるように上皿１０の下面に形成されている。そして、ストッパ１４の下端は、載置面１５に被計量物が載置されていない場合、すなわち無負荷の場合は宙に浮いている状態であるが、被計量物の重量が増加するにつれ第一コイルバネ５１の変形に伴い可動板３０の上面に近接する。そして、ある一定量以上の重量の被計量物が載置面１５に載置されると、ストッパ１４の先端は可動板３０に接し、可動板３０を下方向に押圧して第二コイルバネ５２のみを変形させることになる。

次に図１、図４および図５を参照して本実施形態にかかる計量装置１Ａの動作を説明する。図４（ａ）は、上皿１０に被計量物４５を載置しない計量装置１Ａを水平面に設置した状態を示す模式図である。図４（ｂ）は、上皿１０に被計量物４５を載置しない計量装置１Ａを傾斜面（傾斜角θ）に設置した状態を示す模式図である。図４（ｃ）は、上皿１０に低重量の被計量物４５（質量ｍ）を載置した計量装置１を傾斜面（傾斜角θ）に設置した状態を示す模式図である。図４（ｄ）は、上皿１０に高重量の被計量物４５（質量ｍ´）を載置した計量装置１Ａを傾斜面（傾斜角θ）に設置した状態を示す模式図である。図４（ｅ）は、載置面１５に載置される質量ｍの被計量物５３を拡大して示し、この被計量物５３に付加する力を示す図である。図５は、被計量物の質量ｍに対する上皿１０の変位量ｘを示すグラフである。

ここで、図４（ｂ）に示すように、計量装置１Ａを水平面に設置した状態でストッパ１４の先端と可動板３０の上面との間隔を間隔ｓとする。そして、傾斜角θの傾斜面に計量装置１Ａを設置し、質量ｍの被計量物５３を上皿１０に載置したとする（図４（ｃ））。なお、第一コイルバネ５１のバネ定数をｋ、第二コイルバネ５２のバネ定数をＫとする。

このとき、図４（ｅ）に示すように被計量物５３には鉛直方向に重力ｍｇがかかり、ｍｇ・ｓｉｎθで表わされる分力が第一案内棒４２（図２参照）の径方向に発生し、ｍｇ・ｃｏｓθで表わされる分力が上皿１０の変位する方向（第一案内棒４２（図２）の長手方向）に発生する。径方向の分力ｍｇ・ｓｉｎθは、第一リニアブッシュ１２（図３）の中空内側面に対して垂直に作用し、この中空内側面からの抗力により打ち消される。

一方、長手方向の分力ｍｇ・ｃｏｓθは、第一案内棒４２の外側面と第一リニアブッシュ１２の中空内側面とが摺動する際に発生した摩擦力の分だけ減少するものである。しかし、転動体１２ａ（図３）の作用によりこの摩擦力はほとんど発生しないため、長手方向の分力ｍｇ・ｃｏｓθは減じることがない。この為、微小な荷重であっても、長手方向の分力ｍｇ・ｃｏｓθは正確に第一、第二コイルバネ５１、５２（図１）に伝達されこれらのバネを歪ませ、上皿１０を変位させキャパシタ２０（図１）によりその変位が検出されることになる。

ここで低重量物の質量ｍが第一コイルバネ５１のバネ定数ｋと間隔ｓとの関係式ｋｓ／（ｇ・ｃｏｓθ）より小さい場合（図５）は、ストッパ１４の先端は可動板３０の上面に接しない（図４（ｃ））。そして、分力ｍｇ・ｃｏｓθは、第一コイルバネ５１をｍｇ／ｋ・ｃｏｓθだけ歪ませ、さらに第二コイルバネ５２をｍｇ／Ｋ・ｃｏｓθだけ歪ませ、図５式（１）で表わされる変位量ｘをキャパシタ２０の電極間に発生させる。

また高重量物の質量ｍ´が第一コイルバネ５１のバネ定数ｋと間隔ｓとの関係式ｋｓ／（ｇ・ｃｏｓθ）より大きい場合（図５）は、ストッパ１４の先端は可動板３０の上面に接する（図４（ｄ））。そして、分力ｍｇ・ｃｏｓθは、第二コイルバネ５２をｍｇ／Ｋ・ｃｏｓθ歪ませ、図５式（２）で表わされる変位をキャパシタ２０の電極間に発生させる。

一方、分力ｍｇ・ｓｉｎθは、第一案内棒４２の外側面とこの外側面に接する第一リニアブッシュ１２の中空の内側面との相互間で作用し打ち消される。また第一案内棒４２を軸中心として発生する回転力も、第二リニアブッシュ４４と第二案内棒１３により止められる。従って、上皿１０は、下皿１３に対して載置面１５の面方向へのぶれが生じることがない。

ところで、載置面１５が水平面に対して傾きθを有する場合、被計量物の重量を正確に計測するためには、計量装置１Ａのキャリブレーションが必要となる。すなわち、前述したように、被計量物の計測値は真値に対してｃｏｓθのゲイン誤差を有している為、予め、重量が既知の基準分銅を用いて、このゲイン誤差を補正するための補正係数を求めておく。そして、得られた検出値に補正係数を乗算して、被計量物の重量とする。

以上述べた動作より、載置面１５が水平面に対して傾くように計量装置１Ａが設置されても、第一、第二リニアブッシュ１２、４４および第一、第二案内棒４２、１３の作用により、載置面１５がぶれることない。さらに、上皿１０を支える部材（第一、第二案内棒４２、１３）が摺接する部分に摩擦力が発生しないので、弾性体（第一、第二コイルバネ５１、５２）に付勢する荷重が減衰することがない。これにより、低重量から高重量にわたって被計量物４５を安定して高精度に計測することができる。

以上の実施形態は本発明を説明するための一例であり、本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、前記直動案内支持体は、リニアブッシュにより構成したがこれに変えて、ボールスプライン機構を採用してもよい。

図６は、ボールスプライン機構６０の部分断面斜視図を示す図である。
ボールスプライン機構６０を採用する場合、スプライン軸４２´（案内棒）には転動体１２ａが転動するスプライン溝６１が刻設される。そして、スプライン溝６１を転動する転動体１２ａが同時に接する案内溝６２を有する外筒（直動案内支持体）１２´が第一固定ボス１１（図１）に固定される。

外筒１２´をスプライン軸４２´の長手方向に移動させると転動体１２ａは、スプライン溝６１と案内溝６２とに共に接しつつ一方向に転動する。そして、外筒１２´の終端部において転動体１２ａはスプライン溝６１から離隔して今度は方向を反転させ外筒１２´の肉厚部の内部を転動する。そして、転動体１２ａが外筒１２´の始端部に達すると再び案内溝６２に復帰しスプライン溝６１に接して終端方向に向けて転動し、これを繰り返す。また、外筒１２´に軸周方向の回転力が付与された場合、この回転力は転動体１２ａを通じてスプライン溝６１と案内溝６２との接触面を互いに垂直方向に押圧し打ち消しあう為、外筒１２´の回転が抑止される。

このようにして、ボールスプライン機構６０を採用することにより、上皿１０のスプライン軸４２´（図１）長手方向への変位を摩擦のないスムーズなものとするのみでなく、上皿１０の下皿４０に対する相対回転を抑止する作用も奏することになる。これにより、ボールスプライン機構６０を採用すれば、計量装置１Ａの構成において上皿１０の下皿４０に対する相対回転を抑止する為の特別な機構（第二案内棒１３、第二リニアブッシュ４４）を設ける必要がなくなる。

また、本実施形態において、弾性体（第一、第二コイルバネ５１、５２）の変形に伴う上皿１０の変位をキャパシタ２０で検出する方式を採用しているが、この変位検出もこの方式に限定されるものでなく、例えばレーザ位置検出器を用いてもよい。

図７は、レーザ位置検出器７０の構成を説明する図である。
レーザ位置検出器７０は、レーザ駆動回路７１、半導体レーザ（レーザ発振素子）７２、投光レンズ７３、受光レンズ７４、位置検出素子（レーザ光検出素子）７５および信号増幅回路７６からなる。そしてレーザ位置検出器７０は、下皿４０（図１）の何れかの位置に取り付けられ、半導体レーザ７２から出射したレーザ光は投光レンズ７３を透過して上皿１０の下面に照射される。そしてレーザ光は反射され受光レンズ７４を経て位置検出素子７５に入射し検出され、信号増幅回路７６により位置信号として出力される。

次に、上皿１０が変位してレーザ光が照射する距離が変化したとすると、レーザ光の反射光の光路が変化したことに伴い、レーザ光が位置検出素子７５に入射する位置が変化する。このように、上皿１０の位置に対応して、位置検出素子７５に入射するレーザ光の位置が変化する原理に従い、上皿１０の変位を検出することができる。

このようにレーザ位置検出器７０を弾性体（第一、第二コイルバネ５１、５２）の変計量を検出するセンサとして用いることにより、レーザ位置検出器７０の位置検出分解能が０．１μｍ以下でありさらに弾性体の変位ストロークが数ｃｍであることを鑑みれば、ダイナミックレンジの広い計量が可能な計量装置１Ａを得ることになる。

なお、前記したレーザ位置検出器７０は、一例であり、本発明で使用するレーザ位置検出器は、説明した前記レーザ位置検出器７０の形態に限定されるものではない。例えば、レーザ光７６を出力するレーザ発振素子７２の機能と、レーザ光７６を検出する位置検出素子７５の機能とを分離し、どちらか一方を下皿４０（図１）に、他方を上皿１０に備えたものであってもよい。この場合、投光レンズ７３は、コリメーティングレンズ（非球面レンズ）としてレーザ発振素子７２と一体化して下皿４０または上皿１０の何れか一方の位置に取り付けられ、他方に取り付けられた位置検出素子７５は、レーザ光７６を直接検出することになる。そして、上皿１０の変位に基づいて変化する位置検出素子７０の検出信号を信号増幅回路７６により増幅し出力することとなる。

（第二の実施の形態）
次に図８を参照して本発明における第二の実施の形態について説明する。図８は本実施形態における計量装置１Ｂの基本構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すｂ−ｂ線の縦断面図、（ｃ）は（ａ）に示すｃ−ｃ線の縦断面図である。尚、図８において図１と実質的に同一な部位は同一符号を付し詳細な説明を省略する。

第一実施の形態と第二実施の形態との相違は、上皿１０を支持する弾性体として、コイルバネに代わり、一端が下皿４０に固定され先端が自由端になっている板バネ８１を採用したものである。この板バネ８１は、面が載置面１５に対して平行になるようにかつ一端が下皿４０の一部に固定端となるように取り付けられている片持ち梁である。ここで第一リニアブッシュ１２は、上皿１０の中央に設けられた第一固定ボス１１を介して固定されており、さら下部にカラー８２が配置されている。そしてカラー８２の下端が、板バネ８１の先端に接することにより、上皿１０は下皿４０に対して弾性的に支持されている。この板バネ８１は、上皿１０に載置された被計量物（図示せず）の重量に比例して、弾性的にたわみ変形することになる。そして、このたわみに伴い固定ボス８３を介して下皿４０に固定された固定平板電極２１と上皿１０に固定された可動平板電極２２との間隔が変化し、キャパシタ２０の静電容量を計測することにより、被計量物の重量が計測される。

なお、板バネ８１は、形状および寸法を変えることにより、任意のバネ定数ｋを得ることができ、計量装置１Ｂの重量検出感度を変更することが可能である。また、板バネ（弾性体）８１の変位検出は図８に示されるキャパシタ２０により行われる場合もあるが、他に、前記したレーザ位置検出器８０（図７）による場合や、板バネ８１の表面に貼設された歪ゲージ（図示せず）である場合もある。

ここで、弾性体として板バネ８１を用いる利点として、他の弾性体（コイルバネ等）よりも、弾性体の成形時における寸法精度を出しやすいといった点がある。これにより、計量装置１Ｂを量産した際、品質を安定させ製品間における性能バラツキを極力低減させることができる。また、弾性体の変位量の検出にキャパシタ２０を使用する場合においては、被計量物（図示せず）が載置されない初期状態において、固定平板電極２１と可動平板電極２２との電極間隔を極力狭い一定間隔（１ｍｍ以下、望ましくは０．５ｍｍ以下）として量産機を作り込むことが可能になる。これにより、電極間隔が狭い程、間隔変化に対する静電容量変化の割合が大きくなるというキャパシタ２０の性質を有効に利用して、弾性体を一枚の板バネ８１で構成しても、広いレンジで荷重の計測が可能になる。初期状態における電極間隔を極力狭い一定間隔に設定することは、コイルバネを複数組み合わせて弾性体を構成する場合よりも、一枚の板バネ８１で構成する場合のほうが、継合部分の点数が少ない為、より好適である。

（第三の実施の形態）
図９を参照して第三の実施の形態を説明する。図９は、本実施形態における計量装置１Ｃの縦断面図である。計量装置１Ｃにおいては、重量を検出するセンサとして一般に市販されているロードセル９１を下皿４０に固定して用いている。そして、直動案内支持体（リニアブッシュ１２、ボールスプラインの外筒１２´）が下皿４０´と一体化して固定されている。そして上皿１０の載置面１５に垂直になるように一端が固定された案内棒９２が、直動案内支持体１２（１２´）の中空部分を貫通して、先端がロードセル９１の荷重作用部９３を押圧する構成を有している。このような構成をとることにより、計量装置１Ｃの設置場所における傾斜の如何にかかわらず荷重作用部９３に作用する荷重方向はロードセルの主軸方向と一致し、安定した重量計測が保証される。

ロードセル９１とは、荷重の検出原理として、内部に配置された弾性体の変形を歪ゲージで検出するものであり、荷重検出のための要素部品が一体化されたユニットである。

（第四の実施の形態）
図１０を参照して第四の実施の形態を説明する。図１０は、本実施形態における計量装置１Ｄの縦断面図である。図１０においては、図９と対比して上皿１０、案内棒９２、直動案内支持体１２（１２´）、下皿４０´の構成は同一のものであって、相違点は荷重を検出するセンサとして起歪体９５を用いている点である。

起歪体９５は、アルミ製の長方形の枠体であって、二本の縦軸のうち一方の縦軸Ｂが下皿４０´に固定され、他方の縦軸Ｂの上部には平板の延長板９７が縦軸Ｂの軸心に面が直交するよう片持ち梁状に固定されている。この延長板９７の面には、案内棒９２の先端が接触している。一方、起歪体９５の横軸の一部は、肉厚の薄い薄肉部分が形成されており、この薄肉部分には歪ゲージ９６が貼設されている。そして、縦軸Ｂの軸方向に荷重が作用すると、この薄肉部分が歪ゲージ９６とともに優先的に変形し、歪ゲージ９６の抵抗値を変化させ、この変化を図示しないブリッジ回路で検出し、出力された信号が荷重に変換される。

被計量物（図示せず）が上皿１０の載置面１５に載置され、荷重が直動案内支持体１２（１２´）を経由して延長板９７の面に伝達されると、この荷重は延長板９７をさらに伝達して縦軸Ａを軸方向に押圧する。案内棒９２は直動案内支持体１２（１２´）により軸方向のみに変位が限定されて低摩擦で支持されているため、微小な荷重も安定して縦軸Ａの軸方向に伝達され、被計量物の重量は高精度に検出することが可能である。

本発明における第一の実施の形態である計量装置を示す分解斜視図である。 本発明における第一の実施の形態である計量装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。 本発明の要部である直動案内支持体の一例として示すリニアブッシュが、案内棒に貫通している状態を示す断面図である。 （ａ） 上皿に被計量物を載置しない状態にある計量装置を水平面に設置した状態を示す模式図である。 （ｂ） 上皿に被計量物を載置しない状態にある計量装置を傾斜角θの傾斜面に設置した状態を示す模式図である。 （ｃ） 上皿に低重量の被計量物を載置した状態にある計量装置を傾斜角θの傾斜面に設置した状態を示す模式図である。 （ｄ） 上皿に高重量の被計量物を載置した状態にある計量装置を傾斜角θの傾斜面に設置した状態を示す模式図である。 （ｅ）載置面上の質量ｍの被計量物を拡大して示し、この被計量物に付加する力を示す図である。 第一実施形態にかかる計量装置において被計量物の重量ｍに対する上皿の変位量ｘを示すグラフである。 本発明の要部である直動案内支持体の一例として示すボールスプライン機構の外筒が、スプライン軸（案内棒）に貫通している状態を示す断面図である。 上皿の変位を検出するレーザ位置検出器の構成を示す説明図である。 本発明における第二の実施の形態にかかる計量装置である。 本発明における第三の実施の形態にかかる計量装置である。 本発明における第四の実施の形態にかかる計量装置である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 計量装置
１０ 上皿
１２ 第一リニアブッシュ（直動案内支持体）
１２´ 外筒（直動案内支持体）
１２ａ 転動体
１３ 第二案内棒
１４ ストッパ
１５ 載置面
２０ キャパシタ
２１ 固定平板電極
２２ 可動平板電極
３０ 可動板
４０、４０´ 下皿
４２ 第一案内棒（案内棒）
４２´ スプライン軸（案内棒）
４４ 第二リニアブッシュ
５１ 第一コイルバネ（弾性体）
５２ 第二コイルバネ（弾性体）
５３ 被計量物
６０ ボールスプライン機構
６１ スプライン溝
６２ 案内溝
７０ レーザ位置検出器
７２ 半導体レーザ（レーザ発振素子）
７５ 位置検出素子（レーザ光検出素子）
８１ 板バネ（弾性体）
９１ ロードセル
９２ 案内棒

Claims (8)

1. 被計量物を載置する上皿と、弾性体を介して前記上皿を弾性的に支持する下皿とを有し、前記弾性体の変形量に基づいて前記被計量物の重量を計測する計量装置であって、
   前記上皿において前記被計量物が載置される載置面に直交するように、前記上皿または前記下皿のどちらか一方に固定された案内棒と、
   前記下皿または前記上皿の他方に設けられ、中空の内側面に有する転動体を介して前記案内棒をその長手方向に案内する直動案内支持体とを備え、
   前記直動案内支持体は、前記転動体が前記直動案内支持体と前記案内棒とに密接し、前記案内棒がその径方向に振れることなく案内されるように構成されたことを特徴とする計量装置。
2. 前記案内棒は長手方向にスプライン溝を有し、前記直動案内支持体の前記内側面も前記スプライン溝に対応して刻設された案内溝を有し、前記転動体が前記スプライン溝と前記案内溝とに沿って転動するために前記直動案内支持体の軸まわりの回転が規制されるように支持されていることを特徴とする請求項１に記載の計量装置。
3. 前記弾性体の変形量は、前記上皿に固定された可動平板電極と、この可動平板電極に平行となるように前記下皿に固定された固定平板電極とからなるキャパシタの静電容量の変化を検出することにより計測されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計量装置。
4. 前記計量装置は、
   前記下皿または前記上皿のいずれか一方に固定されたレーザ発振素子と、このレーザ発振素子が他方の前記上皿または前記下皿のいずれかに向けて照射するレーザ光を、直接にまたは前記レーザ光の反射光を間接に検出するレーザ光検出素子とを有するレーザ位置検出器を備え、
   このレーザ位置検出器が、前記上皿の変位量を測定することにより、前記弾性体の変計量が検出されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計量装置。
5. 前記弾性体の変形量は、前記弾性体に貼設された歪ゲージにより検出されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計量装置。
6. 前記弾性体は、前記上皿と前記下皿とにそれぞれ両端が接するコイルバネで構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の計量装置。
7. 前記弾性体は、第一コイルバネと、この第一コイルバネよりバネ定数が大きい第二コイルバネとが直列に配置して構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の計量装置。
8. 前記弾性体は、前記下皿に一端が固定された片持ち梁形状の板バネであって、前記上皿は、前記板バネの自由端である先端に接して支持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の計量装置。

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