JP2017009518A - 平行四辺形型ロードセル - Google Patents

Abstract

【課題】 容量式平行四辺形型ロードセルにおける容量形成用の電極板間距離を高精度に設定可能とし、かつ製造を容易とする。
【解決手段】 上下に間隔を隔てて互いに平行に上側梁２０と下側梁２２とが配置され、固定部２６が梁２０、２２の一端同士を結合し、基礎に固定され、可動部２８が、梁２０、２２の他端同士を結合し、荷重が印加されると下降変位する。固定部２６の内面から可動部２８側へ上側梁２０と間隔をおいて水平に固定部延長部３０が延長され、可動部２８の内面から固定部２６側へ下側梁２２と間隔をおいて可動部延長部３２が水平に延長され、固定部延長部３０と可動部延長部３２とは、それらの間に水平方向の間隙１４を有している。水平方向の間隙１４の対向面に静電容量体形成用の金属パターン５０、５２が絶縁シート４６、４８を介してそれぞれ接着されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平行四辺形型のロードセルに関し、特に、荷重の印加に従って静電容量が変化する静電容量式のものに関する。

静電容量式の平行四辺形型のロードセルの一例が特許文献１に開示されている。この静電容量式の平行四辺形型ロードセルは、その可動部と固定部とに電極板を対向させて設けたものである。具体的には、ロードセルの固定部にネジ取り付けした固定部側電極支持金具に、固定部側の電極板がネジによって取り付けられている。また、可動部にネジ取り付けされた可動部側電極支持金具に、可動部側電極板がネジによって取り付けられている。これら２つの電極板によって静電容量体が構成されている。

この平行四辺形型ロードセルでは、電極板間の距離δの変化量が印加荷重の変化量に比例し、距離δの変化によって静電容量体の静電容量が変化する。発振回路に、この静電容量体を組み込み、印加荷重の変化量の大きさに応じた静電容量の変化による発振回路の発振周波数の変化量を測定して、印加荷重に相当する重量値を求める。

特公平３−４７６９３号公報

２つの電極板間の物体の誘電率をε、２つの電極板の対向部分の面積をＳ、２つの電極板の間隔距離をδとすると、静電容量体の静電容量Ｃは、Ｃ＝ε・Ｓ／δで表される。δがΔδだけ増減すると、静電容量の値はε・Ｓ／（δ±Δδ）になる。従って１／Ｃの値は、δ／ε・Ｓから（δ±Δδ）／ε・Ｓに変化する。特許文献１に示されている発振回路では、１／Ｃと発振周波数ｆとが比例するので、発振周波数ｆの変化率Δｆ／ｆは、間隔距離δの変化率Δδ／δに等しい。同じ重量の被計量物品による印加荷重の変化量であっても、変化率Δδ／δが大きい程、発振周波数ｆの変化率Δｆ／ｆが大きくなるので、周波数を測定する際の分解能が上がり、測定重量値の分解能も上がる。従って、間隔距離の変化率Δδ／δが大きいことが望ましい。

間隔距離δは、ロードセルの可動部に計量台などが取り付けられた初期荷重が加わった状態での電極板間の距離であるので、電極板間の距離が小さい程、即ち、無負荷状態のとき対向する電極板間の距離が短い程、分解能が高い発振周波数の変化率が得られる。

具体的な数値として、ロードセルの定格容量が定まると、定格容量に相当する印加荷重の大きさに対するロードセルの可動部の変位量が定まる。その大きさは、例えば１５０μｍ程度であり、ロードセルを計量器に使用する場合、可動部に取り付けられる計量ホッパや計量台の重量が定格容量の変位量に対する大きい比率、例えば８０μｍを占め、被計量物品の荷重のみによる変位の変化量は５０μｍ程度であることが多い。そして、耐ノイズ特性を揃える観点から、同じ形式及び同じ定格のロードセルにおいて分解能に差があってはならない。

従って、可動部と固定部とに取り付けられる電極板間の距離は、印加荷重によって接触しない範囲でできるだけ短くなるように設定され、かつ計量台等の初期荷重が加わった状態での電極板間の距離が、ロードセルによってばらつきが無いようにする必要がある。

しかし、特許文献１に記載されているように、取付金具を介して電極板を固定部及び可動部に取り付ける場合、取付金具の寸法精度、取付金具の取付孔の位置精度、取付金具の取付位置の寸法精度が電極板間距離の精度に影響を及ぼし、短い距離の割に距離のばらつきを小さく構成することは、容易ではなく、また、金具や電極板の取付工数も多く、製作に時間がかかる。

本発明は、高精度に電極板間距離を設定することが可能で、かつ製作が容易な容量式の平行四辺形型ロードセルを提供することを目的とする。

本発明の一態様の平行四辺形型ロードセルは、ロバーバル機構を有している。このロバーバル機構は、上下に間隔を隔てて互いに平行に配置された１対の梁と、前記１対の梁の一端同士を結合し、基礎に固定される固定部と、前記１対の梁の他端同士を結合し、荷重が印加されると下降変位する可動部とを有している。可動部に荷重を印加するために、例えば計量台または計量ホッパ等が可動部に取り付けられる。前記固定部の内面から前記可動部側へ固定部延長部が、少なくとも前記１対の梁のうち隣接するものと間隔をおいて水平に延長されている。固定部延長部の先端は、前記可動部の内面との間に間隔を有している。前記可動部の内面から前記固定部側へ可動部延長部が、少なくとも前記１対の梁のうち隣接するものと間隔をおいて水平に延長されている。可動部延長部の先端は、前記固定部の内面との間に間隔を有している。前記固定部延長部と前記可動部延長部とは、それらの間に水平または鉛直方向の間隔を有している。固定部延長部は、固定部の内面のうち、１対の梁のうち上側の梁によった位置から延長されることがある。この場合、１対の梁のうち少なくとも隣接する梁は、上側梁である。また、下側の梁によった位置から固定部延長部が延長されることもある。この場合、１対の梁のうち少なくとも隣接する梁は下側梁である。また、固定部延長部が上述したように上側梁によった位置から延長される場合、可動部延長部は、下側梁によった位置から延長され、その場合、１対の梁のうち少なくとも隣接する梁は下側梁である。固定部延長部が下側梁によった位置から延長される場合、可動部延長部は上側梁に寄った位置から延長され、その場合、１対の梁のうち少なくとも隣接する梁は、上側梁である。このように、固定部延長部が上側梁及び下側梁の一方によった位置から延長される場合、可動部延長部は上側梁及び下側梁の他方によった位置から延長される。この場合、固定部延長部及び可動部延長部との間に水平方向の間隙が形成される。固定部延長部が上側梁によった位置に形成された場合、この水平方向の間隙は、可動部に荷重が印加された場合、可動部が下方に変位することにより広がる。固定部延長部が下側梁によった位置に形成された場合、この水平方向の間隙は、可動部に荷重が印加された場合、可動部が下方に変位することにより狭くなる。また、固定部延長部及び可動部延長部が、上側梁及び下側梁それぞれに間隔をおいて延長される場合もあり、この場合、固定部延長部と可動部延長部との先端間に鉛直方向の間隙が形成される。可動部に荷重が印加された場合、この鉛直方向の間隙は変化しないが、可動部が下方に変位するので、固定部延長部と可動部延長部との先端間の対向面積が変化する。前記固定部延長部と前記可動部延長部との間の前記水平または鉛直方向の間隙の対向面に、それぞれ静電容量体形成用の電極板が形成されている。静電容量体は、例えば、静電容量体の容量変化によって発振周波数が変化する発振回路に使用される。

このように構成された平行四辺形型ロードセルでは、可動部に荷重が印加されると、可動部が下方に変位する。それによって、固定部延長部と可動部延長部との間に水平方向の間隙がある場合、これが狭くなるか広くなり、電極板間の距離が変化し、静電容量体の容量が変化する。固定部延長部と可動部延長部との間に鉛直方向の間隙がある場合、電極板間の対向面積が変化し、静電容量体の容量が変化する。このように容量が変化することにより、例えば発振回路の発振周波数が変化し、個の変化に基づき印加された荷重を測定することができる。

しかも、この平行四辺形型ロードセルでは、電極板は、固定部延長及び可動部延長部間の間隙の対向面間に取り付けられているので、電極板を取り付けるために取付金具を使用する必要が無いので、取付金具の寸法精度、取付金具の取付孔の位置精度、取付金具の取付位置の寸法精度の影響を受けることがなく、電極板間距離の精度を高めることができ、短い距離の割に電極板間距離のばらつきを容易に小さくすることができる。また、電極板を間壁の対向面に取り付けるだけであるので、取付工数も少ない。

前記ロバーバル機構を、直方体状の金属弾性体を加工して形成することもできる。例えば、直方体状の金属弾性体の４隅近傍に、その厚さ方向に貫通した合計４つの貫通孔を形成し、４つの貫通孔のうち上側の２つを繋ぐように厚さ方向に貫通した上側水平間隔を形成して、上側水平間隔の上側に上側梁を形成し、４つの貫通孔のうち下側の２つを繋ぐように厚さ方向に貫通した下側水平間隔を形成して、下側水平間隔の下側に下側梁を形成する。これら上側間隔の中央と下側間隔の中央とを繋ぐように厚さ方向に貫通した鉛直方向の間隙を形成することによって、固定部及び固定部延長部と、可動部及び可動部延長部とを形成する。或いは、上述したようにして４つの貫通孔と上側及び下側間隔とを形成した後、上側間隔と下側間隔とを繋ぐ方向の中間に、厚さ方向に貫通した水平な間隙を形成し、この水平な間隙の固定部側の端を固定部側の上側貫通孔及び下側貫通孔の一方に厚さ方向に貫通した鉛直方向の間隙によって繋ぎ、水平な間隙の可動部側の端を可動部側の上側貫通孔及び下側貫通孔の他方に厚さ方向に貫通した鉛直方向の間隙によって繋ぐ。これによって、固定部及び固定部延長部と、可動部及び可動部延長部とを形成する。

このように構成すると、固定部及び固定部延長部、可動部及び可動部延長部がそれぞれ一体に形成することができ、電極板間距離の精度を更に高めることができ、短い距離の割に距離のばらつきを更に小さくすることができる。

前記各電極板は、絶縁シートを基材とし、前記基材シート上に金属パターンを形成するものとすることができる。

このように構成すると、金属パターンを形成した絶縁シートを、固定部延長部と可動部延長部との間の間隙の対向面に貼り付けることによって、電極板の取付を行うことができ、その取付精度を高めることができる。

更に、前記固定部延長部と前記可動部延長部との間隙が、鉛直方向の間隙であり、複数個の金属パターンを鉛直方向に配置することもできる。

このように構成すると、複数の金属パターンのうち対向するものによって複数の静電容量体が形成されるので、これらを並列接続することによって大きな容量を得ることができる。また、鉛直方向に複数の金属パターンを設けることにより、対向する金属パターンによってそれぞれ形成される静電容量体の鉛直方向の長さを短くすることができ、可動部の荷重印加による下方鉛直変位によって、各静電容量体の静電容量の変化率を大きくすることができる。

以上のように、本発明によれば、固定部延長部と可動部延長部との間の間隙に直接に電極板の取付を行えるので、電極板間距離の精度を高めることができ、短い距離の割に距離のばらつきを容易に小さくすることができる。また、電極板を間壁の対向面に取り付けるだけであるので、取付工数も少ない。

本発明の第１の実施形態の平行四辺形型ロードセルの正面図、部分拡大正面図、固定部延長部の底面図及び部分省略拡大平面図である。 図１のロードセルを使用した計量装置の概略図である。 図１のロードセルの電気回路のブロック図である。 本発明の第２の実施形態の平行四辺形型ロードセルの正面図、部分拡大正面図及び鉛直間隙の拡大図である。 図４のロードセルの荷重印加に伴う変位状態を示す図である。 本発明の第３の実施形態の平行四辺形型ロードセルの正面図である。

本発明の第１の実施形態の平行四辺形型ロードセル２を、図１乃至図３に示す。図１（ａ）に示すように、平行四辺形型ロードセル２は、直方体状の金属弾性体ブロック４の４隅よりも幾分内側にそれぞれよった位置に貫通孔、例えば上側円形孔６ａ、６ｂ、下側円形孔８ａ、８ｂを、金属体ブロック４の厚さ方向に貫通するように形成している。上側円形孔６ａ、６ｂ間を繋ぐように細幅の上側水平間隔１０が金属体ブロック４の厚さ方向に貫通するように水平に形成されている。同様に、下側円形孔８ａ、８ｂ間を繋ぐように細幅の下側水平間隔１２が金属弾性体ブロック４の厚さ方向に貫通するように水平に形成されている。また、上側円形孔６ａ、６ｂと下側円形孔８ａ、８ｂを繋ぐ方向のほぼ中央に、上側水平間隔１０及び下側水平間隔１２と平行に、即ち水平に、水平間隙１４が、厚さ方向に貫通して形成されている。この水平間隙１４の一端部、例えば図１（ａ）における左端部と、上側円形孔６ａ及び下側円形孔８ａのうちの一方、例えば下側円形孔８ａとは、厚さ方向に貫通した鉛直間隙１６によって繋がれている。同様に、水平間隙１４の他端部、例えば図１（ａ）における右端部と、上側円形孔６ｂ及び下側円形孔８ｂのうちの他方、例えば上側円形孔６ｂとは、厚さ方向に貫通した鉛直間隙１８によって繋がれている。即ち、水平間隙１４の両端は、上側円形孔６ａ、６ｂ、下側円形孔８ａ、８ｂのうち、対角線上に位置する２つのものに、鉛直間隙１６、１８によって繋がれている。

上側円形孔６ａ、６ｂ、下側円形孔８ａ、８ｂは、それらの周縁の一部が、金属弾性体ブロック４の上辺及び下辺に、薄肉の応力集中部２４、２４、２４、２４によって接するように設けられている。上側円形孔６ａ、６ｂと上側水平間隔１０とによって上側の応力集中部２４から上側の応力集中部２４まで伸びる上側梁２０が形成され、下側円形孔８ａ、８ｂと下側水平間隙１２とによって下側の一方の応力集中部２４から下側の他方の応力集中部２４まで伸びる下側梁２２が形成されている。

上側梁２０の一端と下側梁２２の一端とを鉛直に繋ぐ部分が、例えば固定部２６である。上側梁２０の他端と下側梁２２の他端とを鉛直に繋ぐ部分が、例えば可動部２８である。そして、固定部２６と一体で、上側水平間隔１０と、鉛直間隙１８と、水平間隙１４とによって囲われており、上側梁２０側に位置して概略水平に可動部２８側に伸びた部分が、固定部延長部３０である。また、可動部２８と一体で、水平間隙１４と、鉛直間隙１６と、下側間隙１２とによって囲われており、下側梁２２側に位置して、概略水平に固定部２６側に伸びた部分が可動部延長部３２である。固定部延長部３０と可動部延長部３２とは水平間隙１４によって分離され、かつ固定部延長部３０は、鉛直間隙１８によって可動部２８の近傍で可動部２８と分離され、可動部延長部３２は、鉛直間隙１６によって固定部２６の近傍で固定部２６と分離されている。この構成により、上側梁２０と下側梁２２と固定部２６と可動部２８とを有し、応力集中部２４、２４、２４、２４をリンクとするロバーバル機構が構成されている。このロバーバル機構では、固定部２６の内面から可動部２８側に水平に伸びる固定部延長部３０と、可動部２８の内面から固定部２６側に水平に伸びる可動部延長部３２とが、形成されている。

図１（ａ）のロバーバル機構を使用して、例えば図２に示すような計量装置が構成されている。固定部２６が基礎面３４の上に設けられた基礎取付金具３６に取り付けられ、可動部２８には、計量台支持金具３８が取り付けられている。計量台支持金具３８の上に計量台４０が水平に取り付けられている。計量台４０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（ａ）及び図２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４０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２８は鉛直下方向に移動する。これによって、図１において水平間隙１４を挟んで対向する固定部延長部３０の端面４２に対して可動部２８側の端面４４は、平行に下方に移動し、端面４２と端面４４との距離は広がる。

これら端面４２、４４に電極、例えば電極板を設けて対向させれば、固定部延長部３０側の端面４２上の電極板に対して、可動部２８側の端面４４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つの電極板の距離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、固定部延長部３０側の側面４２と可動部延長部３２側の側面４４とには、樹脂製の絶縁シート４６、４８がそれぞれ設けられている。これら絶縁シート４６、４８は、水平間隙１４の長さ寸法に一致する長さ寸法を有し、同図（ｃ）に示すように金属弾性体ブロック４の厚さ方向寸法Ｗより幾分長い幅寸法を有している。これら絶縁シート４６、４８上に例えばそれぞれ１つの金属パターン５０、５２が互いに対向するように形成されている。金属パターン５０、５２は、同図（ｃ）に示すように、絶縁シート４６、４８の長さ寸法よりも幾分短い長さ寸法を有し、金属弾性体ブロック４の厚さ方向寸法Ｗより幾分短い幅寸法を有し、金属弾性体ブロック４の固定部延長部３０側の側面４２と可動部延長部３２側の側面４４とに絶縁シート４６、４８を設けたとき、金属弾性体ブロック４の両長手縁からそれぞれ同じ距離だけ内側に位置するように、絶縁シート４６、４８上に設けられている。そして、絶縁シート４６、４８は、固定部延長部３０側の側面４２と可動部延長部３２側の側面４４とに、同図（ｄ）に示すように、一方の長手縁が、金属弾性体ブロック４の長手縁から外方に突出するように設けられている。なお、絶縁シート４６と４８とでは、突出長手縁が反対方向になるように設けられている。この突出部分に位置するように、金属パターン５０、５２に、導線はんだ付け用のパターン５４が形成されている。

絶縁シート４６、４８上に金属パターン５０、５２、導線はんだ付け用のパターン５４を形成した後に、絶縁シート４６、４８が、固定部延長部３０の側面４２と、可動部延長部３２の側面４４とに、接着剤によって接着されて、金属パターン５０、５２が、細幅の間隙Ｄを隔てて対向する電極となる。そして、同図（ｄ）に示すように金属パターン５０、５２の導線はんだ付け用パターン５４は、それぞれ金属弾性体ブロック４の両長手縁から突出しているので、これらパターン５４へのはんだ付けが容易である。

間隙Ｄの寸法は、水平間隙１４の寸法ｄと、絶縁シート４６、４８の厚みｔａと金属パターン５０、５２の厚みｔｂとによって、Ｄ＝ｄ−２（ｔａ＋ｔｂ）と決まる。絶縁シート４６、４８の厚みｔａは、その製作時に、金属パターン５０、５２の厚みｔｂは、その製作時にそれぞれ管理されている。計量台支持金具３８及び計量台４０を可動部２８に取り付けることによって生じる初期荷重による変位量と、計量台４０上に載荷される被計量物品の最大荷重による変位量とをそれぞれ見込み、加えて２（ｔａ＋ｔｂ）を見込んで、最大荷重の被計量物品を計量台に載荷しても細幅の間隙Ｄが存在するように、水平間隙１４の寸法ｄが決定されている。従って、水平間隙１４の寸法ｄを精密に管理することによって、細幅の間隙Ｄを短く、精確に管理できる。なお、水平間隙１４の形成のための機械加工には、ワイヤーカット加工が望ましい。

また、この平行四辺形型ロードセル２の組立も、金属弾性体ブロック４を図１（ａ）に示すように加工した後に、予め金属パターン５０、５２が形成された絶縁シート４６、４８を、固定延長部３０の側面４２と、可動部延長部３２の側面４４とに、接着するだけでよく、作業が容易であり、熟練度によって電極間寸法にばらつきが発生する要素が無いので、ばらつきが無く、しかも高分解能の荷重信号を得ることができる。

荷重信号を得るために、図３に示すように、平行四辺形型ロードセル２において金属パターン５０、５２によって構成された静電容量体５８を含む発振回路６０が設けられている。この発振回路６０は、初期荷重のみが平行四辺形型ロードセル２に印加されているときと、初期荷重に加えて被計量物品による荷重も印加されたときとで、発振周波数が異なる。初期荷重に加えて被計量物品による荷重も印加されたとき、発振回路６０の発振出力信号は、波形整形回路６２によって波形整形された後、周期判定回路６４に供給されて、波形整形された発振出力信号の周期が判定される。判定された周期は、荷重信号算出回路６６に供給される。荷重信号算出回路６６は、今回判定された周期と、予め測定されて記憶されている初期荷重のみが印加されているときの周期とに基づいて、被計量物品の重量を表す荷重信号を算出する。

第２の実施形態のロードセルを図４及び図５に示す。この実施形態のロードセル２ａは、静電容量体を構成する電極板の対向面積を、荷重変化に応じて変化させるものである。即ち、背景技術の項で述べたように、２つの電極板間の物体の誘電率をε、２つの電極板の対向部分の面積をＳ、２つの対向電極間の距離をδとすると、静電容量体の静電容量Ｃは、Ｃ＝ε・Ｓ／δで表される。荷重印加の大きさに応じて対向面積をΔＳだけ増減させると、静電容量Ｃは、Ｃ＝ε・Ｓ／δからＣ＝ε・（Ｓ±ΔＳ）／δに変化する。従って、容量の変化に比例して周期Ｔ（１／発振周波数）が変化する発振回路を構成すれば、周期Ｔ、即ち静電容量Ｃの変化率が大きい程、測定分解能が上がることになり、同じ重量の被計量物品によって同じ荷重変化が生じても、面積変化率ΔＳ／Ｓが大きい方が測定分解能が上がる。

そのため、ロードセル２ａでは、図４に示すように、第１の実施形態のロードセル２と同様に金属弾性体ブロック４に上側円形孔６ａ、６ｂ、下側円形孔８ａ、８ｂ、上側水平間隔１０、下側水平間隔１２が形成されて、上側梁２０、下側梁２２、応力集中部２４、２４、２４、２４が形成されている。上側水平間隔１０、下側水平間隔１２の中心付近同士を繋ぐように、金属弾性体ブロック４の厚さ方向に貫通した鉛直方向に伸びる鉛直間隙６８が形成されている。これによって、固定部２６及びこれに一体の固定部延長部３０ａと、可動部２８及びこれに一体の可動部延長部３２ａとが、形成される。固定部延長部３０ａ及び可動部延長部３２ａは、上側水平間隔１０によって上側梁２０と分離され、下側水平間隔１２によって下側梁１２と分離されている。そして、固定部延長部３０ａの鉛直間隙６８に面する先端面７０と、可動部延長部３２ａの鉛直間隙６８に面する先端面７２とが、互いに対向している。これら先端面７０と７２とは、互いに平行になるように加工されている。

このロードセル２ａでは、可動部２８に図２に示したのと同様に計量台支持金具３８を介して計量台４０を取り付けて、計量台４０上に被計量物品を載荷すると、図２に示す基礎面３４に対して鉛直方向に荷重が印加され、図４に矢印で示すように可動部２８が鉛直下方に移動する。これによって、固定部鉛直部３０ａの先端面７０と可動部延長部３２ａの先端面７２とは、平行を保ちつつ、先端面７２が鉛直下方に下降する。従って、先端面７０、７２に電極板を設けることによって、荷重変化に従って静電容量が変化する静電容量体が得られる。

図４（ｂ）に拡大して示すように、先端面７０、７２には絶縁シート４６ａ、４８ａが設けられている。絶縁シート４６ａ、４８ａは、同図（ａ）に示す固定部延長部３０ａ、可動部延長部３２ａの長さ寸法Ｌと同じ長さ寸法を有し、同図（ｃ）に示すように金属弾性体ブロック４の厚さ方向寸法Ｗよりも幾分長い幅寸法を有している。絶縁シート４６ａ、４８ａの厚さ寸法はｔａである。これら絶縁シート４６ａ、４８ａ上に、その中心及び上下両端近傍に、金属パターン５０ａ、５２ａが設けられている。金属パターン５０ａ、５２ａは、同図（ｂ）、（ｃ）に示すように、長さ寸法がＬ０で、幅寸法が金属弾性体ブロック４の厚さ方向寸法Ｗよりも若干短いＦ、厚さ寸法がｔｂのものである。これら金属パターン５０ａ、５０ｂは、絶縁シート４６ａ、４８ａ上に予め形成されており、金属パターン５０ａ、５０ｂが形成された絶縁シート４６ａ、４８ａが、先端面７０、７２に、それぞれ３つの金属パターン５０ａ、５０ｂが互いに対向するように接着されている。それぞれ３つの金属パターン５０ａ、５０ｂは、鉛直間隙６８の寸法（先端面７０、７２間の寸法）をｄとすると、鉛直間隙６８内において、δ＝ｄ−２（ｔａ＋ｔｂ）で対向している。なお、金属パターン５０ａ、５２ａには、同図（ｃ）に示すようにはんだ付け用パターン５４ａが第1の実施形態と同様に形成されている。このパターン５４ａを利用して、それぞれ３つの金属パターン５０ａ、５２ａによって構成された静電容量体を並列接続することによって、それぞれ１つの金属パターン５０ａ、５２ａによって構成された静電容量体の静電容量の３倍の静電容量が得られる。

図５は、それぞれ３つの金属パターン５０ａ、５２ａのうち、鉛直間隙６８の上端近傍にあるものが、ロードセル２ａへの荷重変化に従って変位する位置関係を表したもので、同図（ａ）は、ロードセル２ａに全く荷重が印加されていないときを表し、先端面７０、７２の上縁がｍｏラインで一致しているとする。この状態では、金属パターン５０ａ、５２ａの上端も一致している。図２に示すように可動部２８に計量台支持金具３８及び計量台４０を取り付け、固定部２６を基礎取付金具３６を介して基礎面３４に取り付けると、計量台支持金具３８及び計量台４０の重量、即ち初期荷重によって、図５（ｂ）に示すように、可動部延長部３２ａがｍ０ラインからｅ１だけ変位して、先端面７２はｍ１ラインに位置するとする。この状態では、金属パターン５２ａは、金属パターン５０ａよりもｅ１だけ下降している。金属パターン５０ａ、５２ａが互いに対向する部分の鉛直方向の寸法Ｌ１は、Ｌ１＝Ｌ０−ｅ１であるので、対向面積Ｓ１は、Ｓ１＝Ｆ・（Ｌ０−ｅ１）になり、この場合の静電容量Ｃ１は、Ｃ１＝（ε・Ｓ１）／δ＝ε・Ｆ・（Ｌ０−ｅ１）／δである。

ｍ１ラインの位置から被計量物品を計量台４０に載置したとき、可動部２８の下降変位が開始される。計量台４０上に被計量物品が載置されると、図５（ｃ）に示すように可動部延長部３２ａは、ｍ１ラインからｅ２だけ下降し、ｍ２ラインに可動部延長部３２ａの上縁が位置する。このとき、金属パターン５２ａは、図５（ｂ）の金属パターン５２ａよりも更にｅ２だけ下降している。金属パターン５０ａ、５２ａが互いに対向する部分の鉛直方向寸法Ｌ２は、Ｌ２＝Ｌ０―ｅ１−ｅ２であるので、対向面積Ｓ２は、Ｓ２＝Ｆ・（Ｌ０―ｅ１−ｅ２）であり、この場合の静電容量Ｃ２は、Ｃ２＝（ε・Ｓ２）／δ＝ε・Ｆ・（Ｌ０―ｅ１−ｅ２）／δである。ｍ１ラインにおける対向電極面積Ｓ１に対して、被計量物品を計量台４０上に載置したときの対向電極面積Ｓ２を比較すると、面積変化量はｅ２・Ｆで、ｍ１ラインの位置での対向電極面積Ｓ１はＦ・（Ｌ０―ｅ１）であるので、面積変化率は、ｅ２／（Ｌ０−ｅ１）となる。この値がｍ１ラインにおける静電容量Ｃ１に対する被計量物品を計量台４０上に載置したときの静電容量の変化率を表す。

被計量物品の荷重に対する静電容量変化率を高めようとすると、ｅ２に対するＬ１（＝Ｌ０−ｅ１）の大きさを接近させればよい。即ち、初期荷重による可動部３２ａの変位量であるｅ１の大きさ、通常は１５０μｍと、被計量物品の重量による変位量であるｅ２の大きさ、通常は１００μｍ程度とを、考慮して、金属パターン５０ａ、５２ａの長さ寸法Ｌ０を定めればよい。

それぞれ３つの金属パターン５０ａ、５２ａによって３つの静電容量体を構成したが、その数は任意に増減することができる。例えば、同じ金属パターン５０ａ同士、金属パターン５２ａ同士の電気力線が互いに干渉しない範囲で、絶縁シート４６、４８上の金属パターン５０ａ、５２ａの個数を増やし、個数増加の結果として、金属パターン５０ａ、５２ａの長さＬ０を短くして静電容量体を構成し、これら静電容量体を並列接続すれば、印加荷重に対する静電容量変化率が大きく、かつ静電容量の変化量を大きくすることができる。また、金属パターン５０ａ、５２ａの幅寸法Ｆを短くして、金属弾性体ブロック４の厚さ方向に沿って複数の金属パターン５０ａ、５２ｂを設けることもできる。この場合、隣接する金属パターンに対向する金属パターンとの電気力線の干渉を小さくするため、対向する金属パターン５０ａ、５０ｂの間隙δを小さくするように鉛直間隙６８の寸法ｄを加工すればよい。

図６に第３の実施形態のロードセル２ｃを示す。第１の実施形態のロードセル２では、可動部２８に荷重が印加されたとき、水平間隙１４の間隔が広がったのに対し、このロードセル２ｃは、水平間隙１４の間隔が狭まるようにしたもので、水平間隙１４の一端が鉛直間隙１８ａを介して上側円形孔６ａに繋がれ、水平間隔１４の他端が鉛直間隙１６ａを介して下側円形孔８ｂに繋がれて、下側梁２２側に固定部延長部３０ｂが形成され、上側梁２０側に可動部延長部３２ｂが形成されている以外、第１の実施形態のロードセル２と同様に構成されている。同一部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。

第１の実施形態では、水平間隙１４の面する固定部延長部３０の側面及び可動部延長部３２の側面に、金属パターン５０、５２を形成したが、鉛直間隙１６内で対向する固定部２６側の面と可動部延長部３２の面とに対向するように金属パターンを設け、鉛直間隙１８内で対向する固定部延長部３０の面と可動部の面とに対向するように金属パターンを設けることもできる。第３の実施形態でも、同様に鉛直間隙１６ａ内で対向する固定部延長部３０ｂの面と可動部２８の面とに対向するように金属パターンを設け、鉛直間隙１８ａ内で対向する可動部鉛直部３２ｂの面と固定部２６の面とに対向するように金属パターンを設けることもできる。但し、この場合、鉛直間隙１６、１６ａ、１８、１８ａの寸法は精確に加工する必要がある。

２ 平行四辺形型ロードセル
４ 金属弾性体ブロック
１４ 水平間隙
２０ 上側梁
２２ 下側梁
２６ 固定部
２８ 可動部
３０ ３０ａ 固定部延長部
３２ ３２ａ 可動部延長部
５０ ５０ａ ５２ ５２ａ 金属パターン（電極板）

Claims (4)

1. 上下に間隔を隔てて互いに平行に配置された１対の梁と、
   前記１対の梁の一端同士を結合し、基礎に固定される固定部と、
   前記１対の梁の他端同士を結合し、荷重が印加されると下降変位する可動部と、
   前記固定部の内面から前記可動部側へ少なくとも前記１対の梁のうち隣接するものと間隔をおいて水平に延長された固定部延長部と、
   前記可動部の内面から前記固定部側へ少なくとも前記１対の梁のうち隣接するものと間隔をおいて水平に延長された可動部延長部とを、
   有し、前記固定部延長部と前記可動部延長部とは、それらの間に水平または鉛直方向の間隙を有するロバーバル機構と、
   前記固定部延長部と前記可動部延長部との間の前記水平または鉛直方向の間隙の対向面にそれぞれ形成されている静電容量体形成用の電極板とを、
   有する
   平行四辺形型ロードセル。
2. 請求項１記載の平行四辺形型ロードセルにおいて、前記ロバーバル機構が、直方体状の金属弾性体を加工して形成されている平行四辺形型ロードセル。
3. 請求項１記載の平行四辺形型ロードセルにおいて、前記電極板は、絶縁シートを基材とし、前記絶縁シート上に金属パターンを形成したものである平行四辺形型ロードセル。
4. 請求項３記載の平行四辺形型ロードセルにおいて、前記固定部延長部と前記可動部延長部との間隙が、鉛直方向の間隙であり、前記金属パターンは、鉛直方向に複数個配置されている平行四辺形型ロードセル。

Images