JP2013167566A - 計量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のロードセルを用いた計量装置に代わる、非接触変位センサを用いた計量装置を提供する。
【解決手段】計量装置１０は、基台２２と、計量物Ｍの重量を受けるトップ円板部材２４と、第１起歪円筒部材３１や第２起歪円筒部材３２と、レーザー測長センサ５０とを備える。弾性率が異なる第１起歪円筒部材３１や第２起歪円筒部材３２は、基台２２と受け部との間に配置され、計量物の重量によって圧縮変形する。レーザー測長センサ５０は、第１起歪円筒部材３１や第２起歪円筒部材３２の圧縮変形量を、非接触で計測する。
【選択図】図４

Description

本発明は、計量装置、特に、非接触変位センサを利用した計量装置に関する。

一般に、計量装置においては、ロードセルと呼ばれる歪ゲージ式の力検出器が用いられることが多い。アルミニウム合金などを原材料とする起歪体と呼ばれる弾性体に歪ゲージが貼付され、計量物の重量によって起歪体が変形すると、その歪を歪ゲージが電気抵抗の変化に置き換え、それを基に計量物の重量が演算される。

このような、歪ゲージを起歪体に貼り付けるロードセルを用いた計量装置とは別に、特許文献１（特開平７−２４８２４９号公報）に開示されているようなレーザー干渉計を用いた秤も提案されている。この秤では、計量物を載せる皿の変位を、レーザー干渉計を使って非接触で測定している。

しかし、特許文献１（特開平７−２４８２４９号公報）に記述されているようなレーザー変位センサを用いて、計量物の重量による弾性体の変位量を求め、その変位量から重量演算を行おうとすると、十分な計量精度が得られなかったり計量範囲が極めて狭くなったりすることが想定される。これは、通常のレーザー変位センサにおいて、その測定分解能に制限があることが原因である。このため、上述のロードセルに代えて単にレーザー変位センサを用いただけでは、計量精度や最大計量範囲が不足してしまう。

本発明の課題は、従来のロードセルを用いた計量装置に代わる、非接触変位センサを用いた計量装置を提供することにある。

本発明に係る計量装置は、基部と、計量物の重量を受ける受け部と、第１弾性体および第２弾性体と、非接触変位センサとを備えている。第１弾性体は、基部と受け部との間に配置され、計量物の重量によって圧縮変形する。第２弾性体は、第１弾性体と受け部との間に配置され、計量物の重量によって圧縮変形する。第１弾性体の弾性率と、第２弾性体の弾性率とは異なっている。非接触変位センサは、第１弾性体の圧縮変形量および第２弾性体の圧縮変形量を、第１弾性体および第２弾性体に触れずに計測する。この非接触変位センサは、第１弾性体の圧縮変形量を計測するものと第２弾性体の圧縮変形量を計測するものとに分かれていてもよいし、第１弾性体の圧縮変形量を計測するものが時間差を付けて第２弾性体の圧縮変形量を計測する方式のものであってもよい。

この計量装置では、弾性率の異なる第１弾性体および第２弾性体を用い、それぞれの圧縮変形量を非接触変位センサによって計測する方式を採っている。このため、非接触変位センサの分解能が高くない場合にも、第１弾性体の圧縮変形量の測定結果と第２弾性体の圧縮変形量の測定結果とから、高い計量精度および／または広い計量範囲で計量物の重量を求めることができる。すなわち、第１弾性体あるいは第２弾性体のみしか存在せず、その１つの弾性体の圧縮変形量の測定結果だけから計量物の重量を求める場合に較べて、この計量装置では高い計量精度および／または広い計量範囲を確保することができる。

本発明に係る計量装置は、さらに、第３〜第ｎ弾性体（ｎは４以上の整数）と重量決定部とを備えていることが好ましい。第３〜第ｎ弾性体は、第２弾性体と受け部との間に配置され、計量物の重量によって圧縮変形する。第１〜第ｎ弾性体は、それぞれ、他の弾性体とは弾性率が異なる。重量決定部は、第１〜第ｎ弾性体それぞれの圧縮変形量の計測結果と、計量物の重量との相関関係を記憶している。そして、重量決定部は、記憶している相関関係から、計量物の重量を求める。このように構成した場合には、計量物の重量による４つ以上の異なる圧縮変形量が計測され、それらの値から相関関係によって計量物の重量が求められるため、より高い計量精度および／またはより広い計量範囲を確保することが可能になる。

また、本発明に係る計量装置は、第１測定用剛体と、第２測定用剛体とをさらに備えていることが好ましい。第１測定用剛体は、計量物の重量によって第１弾性体が圧縮変形したときに、その圧縮変形量だけ移動する。第２測定用剛体は、計量物の重量によって第２弾性体が圧縮変形したときに、その圧縮変形量だけ移動する。このように構成した場合、非接触変位センサは、第１測定用剛体および第２測定用剛体の移動距離を測定することで、第１弾性体の圧縮変形量と第２弾性体の圧縮変形量とを計測することができるようになる。すなわち、第１弾性体および第２弾性体を、それらの圧縮変形量の非接触変位センサによる計測のし易さを考慮することなく、自由に設計することができるようになる。第１弾性体の圧縮変形量と第２弾性体の圧縮変形量とが、第１測定用剛体および第２測定用剛体の移動距離を非接触変位センサが測定することで間接的に計測できるためである。また、第１測定用剛体および第２測定用剛体をさらに備える場合、例えばレーザーを用いた非接触変位センサを使っても、レーザーを当てやすくなったり１つのレーザー発振器で両方の移動距離を測定することが容易になったりする。

また、本発明に係る計量装置が第１〜第ｎ弾性体を備える場合には、それらの弾性体は、鉛直方向に重ねられ、平面視において環状の弾性体であることが好ましい。本発明では、各弾性体の圧縮変形量を非接触変位センサによって計測する方式を採っているが、各弾性体において部位によって圧縮変形量が異なると計量精度等が落ちる恐れが出てくる。これに対し、平面視において環状の弾性体を使い、それらの弾性体を鉛直方向に重ねた場合には、弾性体の部位による圧縮変形量の相異が小さくなり、高い計量精度および／または広い計量範囲をより確実に確保することができるようになる。なお、各弾性体と受け部との平面的な配置については、受け部に計量物を載せたときに概ね均等に各弾性体が圧縮変形するような配置とすることが好ましい。

本発明に係る計量装置は、高い計量精度および／または広い計量範囲を確保することが可能で、従来のロードセルを用いた計量装置に代わるものとして産業上利用することができる。

本発明の一実施形態に係る計量装置の全体概略図。 計量装置の弾性変形ユニットの外観斜視図。 弾性変形ユニットの起歪円筒部材の外観斜視図。 弾性変形ユニットおよびレーザー測長センサの側面図。 変形例に係る相関マトリクスの組合せを示す図。

（１）全体構成
本発明の一実施形態に係る計量装置を、図１に示す。この計量装置１０は、固定台９０に固定され、レーザー測長センサ５０の測定結果を利用して計量物Ｍの重量を演算し、内蔵する或いは外部の表示装置９１や印字装置９２に出力する装置である。

計量装置１０は、主として、弾性変形ユニット２０と、レーザー測長センサ５０と、センサ移動機構５５と、制御コンピュータ６０とから構成されている。

（２）詳細構成
（２−１）弾性変形ユニット
弾性変形ユニット２０の外観斜視図を、図２に示す。この弾性変形ユニット２０は、固定台９０にボルト等で固定される基台２２と、計量物Ｍの重量を受けるトップ円板部材２４と、第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５と、第１〜第４円板部材４１〜４４とが一体となったユニットである。

トップ円板部材２４は、その上面の中心部に、図１に示す計量物載置部材２０ａを介して、計量物Ｍからの荷重Ｆを受ける。トップ円板部材２４の外周部には、円周方向に等間隔に４つの切り欠き２４ａが形成されている。これは、後述するレーザー測長センサのレーザー光５０ａを第１〜第４円板部材４１〜４４の上面に当てるために設けた切り欠き２４ａである。

第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５は、鉛直方向に積み重ねられ、基台２２とトップ円板部材２４との間に挟まれている。また、第１起歪円筒部材３１と第２起歪円筒部材３２との間には第１円板部材４１が、第２起歪円筒部材３２と第３起歪円筒部材３３との間には第２円板部材４２が、第３起歪円筒部材３３と第４起歪円筒部材３４との間には第３円板部材４３が、第４起歪円筒部材３４と第５起歪円筒部材３５との間には第４円板部材４４が、それぞれ挟まれている。第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５および第１〜第４円板部材４１〜４４の平面視における中心は、トップ円板部材２４の中心と一致しており、各部材は平面視において点対称、さらには等方的（Isotropic）である。環状の第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５は、円筒部材にスリットを形成することによって圧縮弾性変形しやすくした部材である。第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５は、いずれも同じ円筒部材をベースにし、同じ数のスリットを形成した部材であるが、円筒部材の表面積に占めるスリット面積の割合が異なっている。しかし、基本形状は同じであるため、図３に示す第１起歪円筒部材３１を例にとってその構造を説明する。第１起歪円筒部材３１は、ステンレス製の板厚１ｍｍ、高さ７ｍｍの円筒部材３１ａをベースとし、円周方向に延びるスリット３１ｂを高さ方向に４本設けたものである。各スリット３１ｂの幅は０．５ｍｍである。１段目，３段目のスリット３１ｂと、２段目、４段目のスリット３１ｂとは、円周方向にずれて配置されているが、互いの端部が円周方向に重なっている。なお、第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５それぞれのスリットは、どれも幅０．５ｍｍであるが、その円周方向の長さが異なっている。これにより、第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５の鉛直荷重に対する弾性率（圧縮弾性率）の違いが生じている。ここでは、同じ荷重に対して圧縮弾性変形量が大きい順に並べると、第５起歪円筒部材３５、第４起歪円筒部材３４、第３起歪円筒部材３３、第２起歪円筒部材３２、第１起歪円筒部材３１、となり、第５起歪円筒部材３５の弾性変形量が一番大きくなる。

第１〜第４円板部材４１〜４４は、上述のように上下に起歪円筒部材が配置され、下方に位置する起歪円筒部材の弾性圧縮による変位に伴って、下方に移動する。第１〜第４円板部材４１〜４４は、それぞれ概ね剛体とみなすことができる円板部材である。一番下方に配置される第１円板部材４１の直径が一番大きく、直径の大きい順に並べると、第１円板部材４１、第２円板部材４２、第３円板部材４３、第４円板部材４４、となっている（図４参照）。

（２−２）レーザー測長センサ
レーザー測長センサ５０は、レーザー光５０ａ（レーザービーム）の反射、干渉を利用して距離計測を非接触で行うセンサであり、レーザーダイオードからレーザー光５０ａを鉛直下向きに放射して反射波を光センサ部で受光する。ここでは、レーザー光５０ａは、第１〜第４円板部材４１〜４４それぞれの外周部の上面あるいはトップ円板部材２４の上面で反射する。レーザー光の波長は一般に１０００ｎｍ以下であるが、ここでは６３２ｎｍの波長のレーザー光を用いている。このレーザー測長センサ５０の分解能は、１５ｎｍである。

（２−３）センサ移動機構
センサ移動機構５５は、レーザー測長センサ５０を平面的に移動させるための機構であり、ボールネジ機構が採用されている。これにより、レーザー測長センサ５０は、図４において２点鎖線の矢印で示すように、平面視においてトップ円板部材２４の直径方向（放射方向）に沿って往復移動する。ここでは、レーザー測長センサ５０は、５つのポジションを採る。図４において実線で示すポジションでは、レーザー測長センサ５０は、トップ円板部材２４の上面に向けてレーザー光５０ａを真下に放射することになる。図４において２点鎖線で示すポジションでは、レーザー測長センサ５０は、第１円板部材４１の上面に向けてレーザー光５０ａを真下に放射することになる。図４において２点鎖線で示すポジションと実線で示すポジションとの間にある他の３つのポジションでは、それぞれ、レーザー測長センサ５０は、第２円板部材４２、第３円板部材４３、第４円板部材４４、の上面に向けてレーザー光５０ａを真下に放射することになる。

（２−４）制御コンピュータ
制御コンピュータ６０は、図１に示すように、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ（ハードディスク）等から構成され、レーザー測長センサ５０やセンサ移動機構５５と接続されている。制御コンピュータ６０は、上述の５つのポジションそれぞれにおけるレーザー測長センサ５０の測定結果を基に、計量物Ｍの重量を決定する。

ＨＤＤ内には、第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５それぞれの圧縮変形量の計測結果と、計量物の重量との相関関係を示す相関マトリクス６５が記憶されている。この相関マトリクス６５では、トップ円板部材２４および第１〜第４円板部材４１〜４４の５つの移動量（第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５それぞれの弾性圧縮変形だけの分の換算移動量；例えば、第２円板部材４２の換算移動量は、第２円板部材４２の全移動量から第１円板部材４１の移動量を差し引いた量になる）の計測結果の組合せそれぞれに対し、予め有限要素法による構造解析結果および実験データから重量値を割り当てている。レーザー測長センサ５０では、１／４波長である１５８ｎｍの単位での測定が可能であるが、分解能が１５ｎｍであるため、トップ円板部材２４および第１〜第４円板部材４１〜４４の５つの換算移動量の計測結果は、０〜１５０のうち１５の倍数である１１種類のいずれかとなる。５つの計測結果それぞれが１１種類のいずれかとなるため、その組合せは何百通りにもなり、それぞれに対して重量値が相関マトリクス６５において決まっている。何百通りもの重量値は、かなり細かい刻みで広い範囲に渡って分布することになるため、ここでは高い計量精度および広い計量範囲が確保されることになる。なお、相関マトリクス６５を予め定める設計段階においては、重複してしまう組合せが無いことを確認する。

（３）計量装置の動作
図１に示すように計量物載置部材２０ａの上に計量物Ｍが置かれ、図４に示すようにトップ円板部材２４に計量物Ｍの重量の分の荷重Ｆが作用すると、第１起歪円筒部材３１が弾性圧縮変形して第１円板部材４１がその分だけ下方に移動する。また、第１，第２起歪円筒部材３１，３２の弾性圧縮変形量に応じて第２円板部材４２が下方に移動する。同様に、第３円板部材４３、第４円板部材４４、トップ円板部材２４が下方に移動する。これらトップ円板部材２４および第１〜第４円板部材４１〜４４の５つの下方への移動量は、センサ移動機構５５でポジションを変えながらレーザー測長センサ５０が測定（測長）する。

レーザー測長センサ５０による５つの測定結果を受け、制御コンピュータ６０は、上述の換算移動量を求めた後、まず、レーザー測長センサ５０の分解能１５ｎｍを考慮し、測定結果（換算移動量）を０〜１５０のうち１５の倍数である１１種類のいずれかに修正する。この修正は、数値の切り上げ或いは切り捨てによって行われる。そして、５つの修正測定結果をＨＤＤ内から引き出している相関マトリクス６５と照らし合わせ、計量物Ｍの重量を決定する。

（４）特徴
（４−１）
計量装置１０では、圧縮弾性率の異なる第１起歪円筒部材３１や第２起歪円筒部材３２を用い、それぞれの圧縮変形量をレーザー測長センサ５０によって計測する方式を採っている。このため、比較的低コストで分解能が高くないレーザー測長センサ５０を用いているにも関わらず、第１起歪円筒部材３１の圧縮変形量の測定結果や第２起歪円筒部材３２の圧縮変形量の測定結果から、高い計量精度および広い計量範囲で計量物Ｍの重量を求めることができている。

仮に、第１起歪円筒部材３１のみしか存在せず、その１つの第１起歪円筒部材３１の圧縮変形量の計測結果だけから計量物Ｍの重量を求める場合、波長が６３２ｎｍで分解能が１５ｎｍであるレーザー測長センサ５０では、狭い計量範囲を約１０分割する程度の計量精度で重量を求めることになる。これでは、計量範囲が不十分で、計量精度も満足できないものとなってしまう。これに較べ、上述の計量装置１０では、高い計量精度および広い計量範囲の両方を確保することができている。

（４−２）
計量装置１０は、第１円板部材４１や第２円板部材４２を備えており、それらの換算移動量が、第１起歪円筒部材３１や第２起歪円筒部材３２の圧縮変形量になる。このように配置された第１円板部材４１や第２円板部材４２の移動距離をレーザー測長センサ５０で測定することで、第１起歪円筒部材３１や第２起歪円筒部材３２の圧縮変形量を測定しているため、レーザー測長センサ５０による計測のし易さを考慮することなく、第１起歪円筒部材３１や第２起歪円筒部材３２を設計することができている。具体的には、第１起歪円筒部材３１や第２起歪円筒部材３２を、円筒状にして上下に積み重ねる構造を採ったり、ベースの円筒部材にスリットを形成するだけのシンプルな構成を採ったりすることができている。

また、第１円板部材４１や第２円板部材４２が、概ね剛体とみなすことができる円板部材であるため、第１起歪円筒部材３１や第２起歪円筒部材３２の圧縮変形量と第１円板部材４１や第２円板部材４２の下方移動量との一致度合いが高くなっている。

さらに、第１円板部材４１の直径を大きくし、第２円板部材４２の直径を次に大きくするといった工夫により、１つの移動するレーザー測長センサ５０から真下にレーザー光５０ａを放射するというシンプルな構造を採ることが可能となっている。

（４−３）
計量装置１０では、第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５が、平面視において環状の円筒状の弾性体となっており、また鉛直方向に重ねられている。このため、第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５それぞれにおいて、部位（場所）による圧縮変形量の相異が殆どなくなり、高い計量精度を得ることができている。また、図１及び図４に示すように、計量物Ｍの荷重Ｆが第１〜第５起歪円筒部材３１〜３５の平面視における中心に作用するように設計しており、ほぼ均等に各起歪円筒部材３１〜３５が圧縮変形する。

（５）変形例
上記実施形態に係る計量装置１０では、５つの異なる起歪円筒部材３１〜３５の圧縮変形量が計測され、それらの値の組合せから相関マトリクス６５によって計量物Ｍの重量を求めているため、かなり広い計量範囲を確保しつつ、高い計量精度も得ることができている。

しかし、更に起歪円筒部材および円板部材を一組追加し、弾性率の異なる６つの起歪円筒部材の圧縮変形量のレーザー測長センサ５０による測定結果を基に、重量決定を行う場合には、約１万通りの組合せが可能となり、より広い計量範囲、より高い計量精度を確保することができるようになる。図５に、６つの起歪円筒部材Ａ〜Ｆそれぞれの１１種類の計測結果の組合せの表を示す。６つの値の異なる組合せが１万通りは存在し、相関マトリクスにおいて、それぞれの組合せに重量値が１つずつ決まることになる。重複するものがあり、それらを除いたとしても、かなりの広さの計量範囲や細かいピッチでの重量検出が可能になる。

なお、相関マトリクスの決定においては、上述のように、まず有限要素法による構造解析を行って各荷重（計量物の重量）に対する各起歪円筒部材の圧縮変形量を計算し、それらの圧縮変形量のときのレーザー測長センサ５０の測定結果が１１種類のいずれになるのかを換算し、各荷重に対して６つの測定結果の組合せを決める。次に、幾つかの荷重について、実際に弾性変形ユニットに荷重をかけて６つの測定結果（実測値）を求め、構造解析による結果との照合を図る。最後に、必要に応じて修正係数を乗じるといった修正を施して、相関マトリクスを確定させることになる。全ての組合せについて予め実測をする必要はなく、構造解析結果をベースに実測値で修正をかけることで相関マトリクスを決定することができる。

１０ 計量装置
２０ 弾性変形ユニット
２２ 基台（基部）
２４ トップ円板部材（受け部）
３１〜３５ 第１〜第５起歪円筒部材（弾性体）
４１〜４４ 第１〜第４円板部材（測定用剛体）
５０ レーザー測長センサ（非接触変位センサ）
６０ 制御コンピュータ（重量決定部）
６５ 相関マトリクス（相関関係）

特開平７−２４８２４９号公報

Claims (4)

1. 基部と、
   計量物の重量を受ける受け部と、
   前記基部と前記受け部との間に配置され、前記計量物の重量によって圧縮変形する第１弾性体と、
   前記第１弾性体と前記受け部との間に配置され、前記計量物の重量によって圧縮変形する、前記第１弾性体とは弾性率が異なる第２弾性体と、
   前記第１弾性体の圧縮変形量および前記第２弾性体の圧縮変形量を、前記第１弾性体および前記第２弾性体に触れずに計測する、非接触変位センサと、
   を備えた計量装置。
2. 前記第２弾性体と前記受け部との間に配置され、前記計量物の重量によって圧縮変形する、他の弾性体とは弾性率が異なる第３〜第ｎ弾性体（ｎは４以上の整数）と、
   それぞれの前記弾性体の圧縮変形量の計測結果と、前記計量物の重量との相関関係を記憶しており、その前記相関関係から前記計量物の重量を求める、重量決定部と、
   をさらに備えた、請求項１に記載の計量装置。
3. 前記計量物の重量によって前記第１弾性体が圧縮変形したときに、その圧縮変形量だけ移動する、第１測定用剛体と、
   前記計量物の重量によって前記第２弾性体が圧縮変形したときに、その圧縮変形量だけ移動する、第２測定用剛体と、
   をさらに備え、
   前記非接触変位センサは、前記第１測定用剛体および前記第２測定用剛体の移動距離を測定する、
   請求項１に記載の計量装置。
4. 前記第１〜第ｎ弾性体は、それぞれ平面視において環状の弾性体であり、鉛直方向に重ねられている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の計量装置。

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