JP2018066629A - ロードセル - Google Patents

Abstract

【課題】計測精度の更なる向上を図ることができるロードセルを提供する。【解決手段】本技術の一形態に係るロードセルは、起歪体と、第１の光学ユニットと、第２の光学ユニットと、検出器と、演算部とを具備する。上記第１の光学ユニットは、光源と、上記光源からの光が入射する第１の回折格子と、受光部とを有する。上記第１の光学ユニットは、上記起歪体の第１の端部に固定され、上記起歪体の中空部に配置される。上記第２の光学ユニットは、上記第１の回折格子から出射した回折光が入射することにより、上記受光部で受光される干渉光を生成する第２の回折格子を有する。上記第２の光学ユニットは、上記起歪体の第２の端部に固定され、上記中空部に配置される。上記検出器は、上記干渉光を検出する。上記演算部は、上記検出器により得られる信号に基づいて上記第１の回折格子に対する上記第２の回折格子の相対変位量を演算する【選択図】図３

Description

本技術は、ロードセルに関し、特にロードセルの計測精度の向上に関する。

例えば特許文献１には、歪みゲージが二対、起歪体と呼ばれる弾性体ブロックに貼り付けられた歪みゲージ式ロードセルに関する技術が開示されている。電子秤ないしロードセルの技術分野においては、特許文献１のように歪みゲージを起歪体の応力集中部に貼り、荷重時の歪みを検出して、検出した歪みに応じた重量を計算によって求める方法が従来知られている。

特開２００７−２１２２５５号公報

近年、ロードセルに対する計測精度の向上が要求されている。しかしながら、歪みゲージ式ロードセルではＳＮ比（Ｓ／Ｎ）の向上に限界があり、したがって計測精度の更なる向上を図ることが困難であった。

以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、計測精度の更なる向上を図ることができるロードセルを提供することにある。

本技術の一形態に係るロードセルは、起歪体と、第１の光学ユニットと、第２の光学ユニットと、検出器と、演算部とを具備する。
上記起歪体は、第１の端部と、上記第１の端部と一軸方向に対向する第２の端部と、上記第１の端部と上記第２の端部との間に設けられた中空部とを有する。
上記第１の光学ユニットは、光源と、上記光源からの光が入射する第１の回折格子と、受光部とを有する。上記第１の光学ユニットは、上記第１の端部に固定され、上記中空部に配置される。
上記第２の光学ユニットは、上記第１の回折格子から出射した回折光が入射することにより、上記受光部で受光される干渉光を生成する第２の回折格子を有する。上記第２の光学ユニットは、上記第２の端部に固定され、上記中空部に配置される。
上記検出器は、上記干渉光を検出する。
上記演算部は、上記検出器により得られる信号に基づいて上記第１の回折格子に対する上記第２の回折格子の相対変位量を演算する。

上記ロードセルは、第１の回折格子と第２の回折格子とにより生成される回折光の干渉光に基づいて第１の端部に対する第２の端部の相対変位量を演算するように構成されているため、分解能が高くＳ／Ｎの高い高精度な荷重計測を行うことができる。

上記第２の回折格子は、上記一軸方向に平行な上記起歪体の中心軸上にそれぞれ配置されてもよい。この構成は、起歪体に対する測定対象の相対位置が一様でない場合などにおいて、測定対象物の偏置誤差を抑えて高精度な荷重測定を行うことが可能となる。

この場合、上記ロードセルは、上記第２の端部に固定され測定対象物が載せられる載せ台をさらに具備してもよい。この場合、上記第２の回折格子は、上記載せ台の重心の直下の位置に配置される。

一方、上記第２の回折格子は、上記一軸方向に平行な上記起歪体の中心軸から、上記起歪体の幅方向にオフセットした位置にそれぞれ配置されてもよい。このような構成は、起歪体に対する測定対象の相対位置が一様である場合などにおいて、起歪体のクリープによる測定値の変動を抑えて高精度な荷重測定を行うことが可能となる。

上記起歪体は、典型的には、上記第１の端部と上記第２の端部とを相互に連結し上記中空部を挟んで対向する一対の架橋部をさらに有する。この場合、上記一対の架橋部の少なくとも１つは、上記起歪体の幅方向に関して異なる厚みを有してもよい。

以上のように、本技術によれば、計測精度の更なる向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るロードセルの外観斜視図である。 上記ロードセルを備えた荷重測定システムの概略側面図である。 上記ロードセルの概略平面断面図である。 上記ロードセルの光学系を説明する概略斜視図である。 上記ロードセルの光学系を説明する概略側面図である。 上記ロードセルによる荷重の検出態様を示す図である。 上記ロードセルの作用を説明する概略上面図である。 図７に示すロードセルの作用を説明する一実験結果である。 上記ロードセルの作用を説明する概略正面図である。 本発明の他の実施形態に係るロードセルの概略断面図である。 上記ロードセルの作用の一例を説明する実験結果である。 上記ロードセルの作用の一例を説明する実験結果である。 （ａ）は上記ロードセルにおける起歪体の構成の変形例を示す概略断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＥＥ′線断面図である。

以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るロードセル１００の外観を示す概略斜視図、図２は、ロードセル１００を含む荷重測定システム１の概略側面図である。
なお図においてｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、相互に直交する３軸方向を示しており、ｘ軸およびｙ軸は水平方向を、ｚ軸は高さ方向にそれぞれ相当する。

図１に示すように、ロードセル１００は、起歪体１０１と、光変位センサ１３０と、演算部１４０とを備える。図２に示すように、荷重測定システム１は、ロードセル１００と、固定台１０４と、載せ台１０５とを備える。

［起歪体］
起歪体１０１は、ｘ軸方向に長さ方向、ｙ軸方向に幅方向、ｚ軸方向に高さ（厚さ）方向を有する直方体、あるいはそれに準じる形状に構成される。起歪体１０１は、外部応力に比例して変形する弾性体で構成され、典型的には、アルミニウム合金等の金属ブロックで構成される。なお図中、ＡＡ′軸は、起歪体１０１の中心を通りｘ軸方向に平行な中心軸を示している。

起歪体１０１は、第１の端部１１０と、第２の端部１２０と、中空部Ｓと、２つの架橋部１０２，１０３とを有する。

第１の端部１１０および第２の端部１２０は、ｘ軸方向に相互に対向する。第１の端部１１０は、起歪体１０１の固定側の端部（固定端）に相当し、図２に示すように、作業台や架台等の静止系に設置された固定台１０４に固定される。一方、第２の端部１２０は、起歪体１０１の可動側の端部（自由端）に相当し、図２に示すように、測定対象が載置される載せ台１０５の底部に固定される。

中空部Ｓは、第１の端部１１０と第２の端部１２０との間に設けられ、起歪体１０１をその幅方向（ｙ軸方向）に貫通するｘ軸方向に長手の貫通孔で構成される。中空部Ｓには、後述するように光変位センサ１３０の少なくとも一部が収容される。

架橋部１０２，１０３は、中空部Ｓを挟んでｚ軸方向に相互に対向する板部で構成される。架橋部１０２，１０３は、第１の端部１１０と第２の端部１２０とを相互に連結し、一方の架橋部１０２は起歪体１０１の上面を、他方の架橋部１０３は起歪体１０１の下面をそれぞれ構成する。架橋部１０２，１０３は、荷重印加時において第２の端部１２０を第１の端部１１０に対してｚ軸方向に相対変位させる、起歪体１０１の主要な変形領域を構成する。

なお、第１の端部１１０および第２の端部１２０は、荷重印加時に変形しないか、変形するとしてもその変形量は架橋部１０２，１０３の変形と比較して無視できるほど小さくなるように構成される。

固定台１０４は、第１の端部１１０の下面に固定される。第１の端部１１０には、第１の端部１１０と固定台１０４との間を結合するための締結具（図示略）が螺合する複数のネジ孔１１３ａが設けられている。一方、載せ台１０５は、第２の端部１２０の上面に固定される。第２の端部１２０には、第２の端部１２０と載せ台１０５との間を結合するためのネジ等の締結具（図示略）が螺号する複数のネジ孔１２３ａが設けられている。

［光変位センサ］
光変位センサ１３０は、起歪体１０１の第１の端部１１０に固定される第１の光学ユニット１３１と、起歪体１０１の第２の端部１２０に固定される第２の光学ユニット１３２とを有する。

第１の光学ユニット１３１および第２の光学ユニット１３２は、起歪体１０１の中空部Ｓにおいてｘ軸方向に対向して配置される第１の光学ブロックＢ１および第２の光学ブロックＢ２をそれぞれ有する。
第１の光学ブロックＢ１は、第１の端部１１０の一側面にネジ固定された第１の支持アーム１１４に一体的に接続され、中空部Ｓにその内壁面とは非接触で配置される。
第２の光学ブロックＢ２は、第２の端部１２０の一側面にネジ固定された第２の支持アーム１２４に一体的に接続され、中空部Ｓにその内壁面および第１の光学ブロックＢ１とは非接触で配置される。

図３は、ロードセル１００（光変位センサ１３０）の内部構造を示す中心軸ＡＡ′に沿ったｘｙ平面に平行な概略断面図、図４は、光変位センサ１３０の光学系を説明する概略斜視図、図５は、光変位センサ１３０の光学系を説明するｘｚ平面に平行な概略側面図である。

図３に示すように、第１の光学ブロックＢ１は、光源１２と、コリメートレンズ１４、１８と、アパーチャ部材１６と、第１の回折格子２１と、光学部材３０と、光検出器（ＰＤ：Photo Detector（または、Photo Diode））４０とを有する。第２の光学ブロックＢ２は、第２の回折格子２２を有する。なお図５では、光源１２、コリメートレンズ１４、１８、アパーチャ部材１６、光検出器４０の図示が省略されている。

本実施形態のロードセル１００は、第１の回折格子２１が第１の光学ブロックＢ１に支持され、第２の回折格子２２が第１の光学ブロックＢ１に対してｚ軸方向に相対変位可能な第２の光学ブロックＢ２に支持される。すなわちロードセル１００は、これら２つの回折格子２１，２２間のｚ軸方向の相対変位量に基づいて、起歪体１０１に加わる荷重、あるいは起歪体１０１の歪み、あるいは載せ台１０５に載置される測定対象の重量を検出するように構成される。

光源１２は、ＬＤ（Laser Diode）またはＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、図示しないドライバにより駆動される。光源１２は、例えば400nm〜900nmで設定される中心波長を持つレーザ光を発生する発光素子であるが、もちろんこのような構成に限られない。

コリメートレンズ１４は、光源１２から出射された光を平行光にする。少なくともこれら光源１２およびコリメートレンズ１４により、平行光を発生する光学系が構成される。アパーチャ部材１６は、コリメートレンズ１４から出射された光のビーム径を所定のビーム径に絞る機能を有する。コリメートレンズ１４やアパーチャ部材１６は、原理的には無くても構わない。

第１の回折格子２１および第２の回折格子２２は、共に、同じピッチＰ（図５参照）で同じ向きに形成された複数の格子線（格子溝）２１ａ、２２ａを有する。第１の回折格子２１および第２の回折格子２２は、格子線２１ａ、２２ａの配列方向（図ではｚ軸方向）に相対的に変位することが可能に構成されている。この光変位センサ１３０は、その相対変位を計測する。

第１の回折格子２１は透過型の回折格子である。図５に示すように、第１の回折格子２１は、光源１２から出射された、アパーチャ部材１６からの光を受け、回折光２３（２３Ａ，２３Ｂ）を出射する。この回折光には、複数の次数の回折光、つまり±１次、±２次、・・・±ｎ（ｎは自然数）次の各回折光が含まれる。また、この回折光には、第１の回折格子２１をその格子面に垂直に透過する０次回折光（以下、０次光と言う。）２６も含まれる。

説明の便宜上、図５を参照してｘ軸に沿う線であって、第１の回折格子２１および第２の回折格子２２の中心を通る軸線に対して、図中右側に発生する回折光２３Ａを正（＋）の回折光とし、左側に発生する回折光２３Ｂを負（−）の回折光とする。

光学部材３０は、第１の回折格子２１から出射された各次数の回折光のうち、特定の一の次数の回折光である±ｍ次回折光２３を反射して、第２の回折格子２２に導くように構成されている。±ｍ次回折光２３は、典型的には±１次回折光であるが、例えば±２次、またはそれ以降の他の回折光であってもよい。

光学部材３０は、例えば直方体形状の導光部材３１と、これに接続されたプリズムミラー３５とを有する。すなわち、導光部材３１とプリズムミラー３５とは一体で設けられている。

プリズムミラー３５は、例えば導光部材３１のｘ軸方向の一側面に取り付けられている。プリズムミラー３５は、図１に示すように、透明部材の内部にｘ軸に対して例えば45°に配置されたミラー部３５ａを有する。プリズムミラー３５は、後述するように、第２の回折格子２２において反射された光を光検出器４０に向けて直角に反射する機能を有する。また、プリズムミラー３５は、第１の回折格子２１から出射された０次光２６を第２の回折格子２２側へ導かないように、光検出器４０とは反対側へ反射する反射部材として機能する。

導光部材３１のｚ軸方向の両側面は、対向する平行な一対の反射面３３ａ，３３ｂとして設けられている。この一対の反射面３３ａ，３３ｂに、第１の回折格子２１で生成された＋ｍ次回折光２３Ａおよび−ｍ次回折光２３Ｂがそれぞれ入射し、一対の反射面３３ａ，３３ｂはそれらの回折光を第２の回折格子２２に導く。

一対の反射面３３ａ，３３ｂは、第１の回折格子２１からの±ｍ次回折光２３を全反射してもよいし、部分反射してもよい。全反射するか否かは、光の波長、回折格子の構造、各光学部品の配置設計などによる。あるいは、一対の反射面３３ａ，３３ｂには、例えば金属膜で構成される反射膜がそれぞれ形成されていてもよい。

導光部材３１の透明材本体が無く、一対の反射面は物理的に独立した２つのミラーであってもよい。しかし、導光部材３１の両側面が一対の反射面３３ａ，３３ｂとして利用され、つまり導光部材３１と一対の反射面３３ａ，３３ｂとが一体で設けられることにより、この一対の反射面３３ａ，３３ｂを含む導光部材３１の製造が容易になる。また、一対の反射面３３ａ，３３ｂの相対的な位置決めが容易になる。

これと同様に、導光部材３１とプリズムミラー３５とは別体であってもよいが、これらが一体で設けられることにより、光学部材３０の製造が容易になり、また、導光部材３１およびプリズムミラー３５の相対的な位置決めが容易になる。

導光部材３１を構成する材料は、例えば石英ガラスである。しかし、他のガラスや、ガラス以外の透明材料であってもよい。例えば樹脂材料から成る透明材料が選択できる。反射面３３ａ，３３ｂの面精度は、光源１２が出射する光の中心波長をλ（例えばλ=633nm）とすると、λ/4以下とされることが好ましい。これら反射面３３ａ，３３ｂの面精度が低い場合、所望の形態の干渉光２７（後述）を得ることができず、計測精度が低下するおそれがある。

また、反射面３３ａ，３３ｂの平行度（角度）は、１分以下とされ、好ましくは30秒以下とされる。反射面３３ａ，３３ｂの平行度も、所望の形態の干渉光２７を得るための重要な要素である。

導光部材３１の反射面３３ａ，３３ｂの、第１の回折格子２１および第２の回折格子２２が配列される方向（ｘ軸方向）の長さａ、および、それに直交する方向（ｙ軸方向）の長さｂは、特に限定されない。例えばａ＝5mm〜10mm、ｂ＝2mm〜5mmとされ、寸法公差は±0.1mmとされる。この場合、第１の回折格子２１および第２の回折格子２２の格子線のピッチは、1μm〜5μmとされ、好ましくは1.5μm〜4μm、より好ましくは2μmとされる。なお、反射面３３ａ，３３ｂのｚ軸方向の長さは、光の波長、回折格子の構造、各光学部品の配置設計などによって設定される。

第２の回折格子２２は反射型の回折格子である。第２の回折格子２２には、光学部材３０から出射された±ｍ次回折光２３が入射することにより、干渉光２７を生成して出射する機能を有する。具体的には、図５に示すように、＋ｍ次回折光２３Ａが第２の回折格子２２の格子面で反射された±ｐ次回折光（ｐはｍを含む自然数）が生成される。−ｍ次回折光２３Ｂも第２の回折格子２２の格子面で反射されることにより、±ｐ次回折光が生成される。

なお、第２の回折格子２２で生成された＋ｍ次回折光２３Ａによる０次光は、−ｍ次回折光２３Ｂが進行してきた光路を戻る。第２の回折格子２２で生成された−ｍ次回折光２３Ｂによる０次光は、＋ｍ次回折光２３Ａが進行してきた光路を戻る。

なお、反射型の第２の回折格子２２は、主材料が透明材料で構成される回折格子の格子パターン領域の表面（格子面）に金属膜が形成されるように構成されていてもよいし、または、主材料が金属で構成されていてもよい。

図５では、第２の回折格子２２から出射する回折光としての±ｐ次回折光のうち−ｍ'次回折光２５（２５Ａ、２５Ｂ）のみを示している。この「ｍ'」は、一対の反射面３３ａ，３３ｂで反射された回折光の次数である「ｍ」と同じ次数を意味する。説明をわかり易くするため、第１の回折格子２１から出射する回折光の次数に対して、第２の回折格子２２から出射する回折光の次数に「'」に形式的に付しているが、これらの次数は同じである。

典型的には、±ｍ次回折光２３が上記したように±１次回折光である場合、±ｍ'次回折光２５も±１次回折光である。これら＋ｍ'次回折光２５Ａおよび−ｍ'次回折光２５Ｂが干渉することで、干渉光２７が生成される。干渉光２７は、ｘ軸方向に沿ってプリズムミラー３５に入射する。

プリズムミラー３５は、第１の面およびその反対側に設けられた第２の面を有する。第１の面は、第１の回折格子２１および導光部材３１を透過してｘ軸方向に沿って進行する０次光２６を、ｚ軸方向へ直角に反射し、光検出器４０が配置される側とは逆側へ進行させる。第２の面は、第２の回折格子２２で生成された±ｍ'次回折光２５（２５Ａ、２５Ｂ）が干渉して得られる干渉光２７を、ｚ軸方向へ直角に反射し、光検出器４０へ向けて進行させる。

光検出器４０は、第２の回折格子２２から出射された干渉光２７を検出する。第１の回折格子２１および第２の回折格子２２が相対的にｚ軸方向に移動するとき、光検出器４０は、格子線２１ａ（２２ａ）のピッチごとに、明暗のセットを１周期とする周期性の光量（光強度に対応）を得る。その周期性を持つ波形は、典型的にはサインカーブとなる。光検出器４０は、検出した光量を電気信号に変換して演算部１４０に出力する。

演算部１４０は、光検出器４０と電気的に接続される。演算部１４０は、典型的には、起歪体１０１の外部に配置される。演算部１４０は、例えばＡＤ変換器および演算回路を備える。演算回路は、上記電圧信号に応じた変位を出力するように構成される。ＡＤ変換器および／または演算回路は、光検出器４０に一体に設けられていてもよい。

以上のように構成される本実施形態の光変位センサ１３０においては、導光部材３１に設けられた対向する平行な一対の反射面３３ａ，３３ｂにより特定次数の回折光であるｍ次回折光がそれぞれ反射させられ、第２の回折格子２２に導かれる。また、プリズムミラー３５により０次光２６が光検出器４０とは反対側へ反射される。すなわち、実質的に±ｍ次回折光２３のみが第２の回折格子２２に入射し、０次光２６を含む他の次数の回折光である変位計測に不要な光が機械的に遮断される。したがって、不要な光が光検出器４０に入射することによるノイズの発生を実質的に無くすことができ、変位の計測精度を高めることができる。

特に本実施形態によれば、第１の回折格子２１からの０次光２６を反射する機能、および第２の回折格子２２からの干渉光２７を反射する機能を、１つのプリズムミラー３５で兼用でき、光学ユニットの小型化に寄与する。

［本実施形態の作用］
図６（ａ）は、比較例として、従来の歪みゲージを貼り付けたロードセルに荷重をかけたときの計測態様を示す図である。図６（ｂ）は本実施形態に係るロードセル１００に荷重をかけたときの計測態様を示す図である。図６ではいずれも横軸に時間、縦軸に荷重の検出値をとり、荷重（１）を印加したとき及び荷重（１）を取り除いたときの検出値の変化と、荷重（２）を印加したとき及び荷重（２）を取り除いたときの検出値の変化が示されている。図６（ｂ）に示すように、本実施形態に係るロードセル１００によれば、比較例よりも荷重印加中における出力変化が少なく、したがって起歪体１０１に作用する荷重を高精度に検出することができる。

以上のように、本実施形態に係るロードセル１００は、第１の回折格子２１と第２の回折格子２２とにより生成される回折光の干渉光に基づいて第１の端部に対する第２の端部の相対変位量を演算するように構成されているため、分解能が高くＳ／Ｎの高い高精度な荷重計測を行うことができる。

さらに本実施形態に係るロードセル１００においては、図３に示すように、第２の回折格子２２が起歪体１０１の中心軸ＡＡ′上に配置されている。このため、載せ台１０５に対する測定対象の載置位置の相違による測定誤差（以下、偏置誤差ともいう）を抑制することができる。
ここで、偏置誤差とは、載せ台１０５に載せる測定対象の位置の違いによって現れる測定値の誤差をいう。

本発明者らは、図７（ａ）に示すように、平面的に見て、第２の回折格子２２が起歪体１０１の中心軸ＡＡ′からｙ軸方向にオフセットするように設計された光学系を備えたロードセル１００Ａと、図７（ｂ）に示すように、平面的に見て、第２の回折格子２２が起歪体１０１の中心軸ＡＡ′上に位置するように設計された光学系を備えたロードセル１００を用意した。そして、これらロードセル１００Ａ，１００に平面形状が正方形の載せ台１０５を設置し、載せ台１０５の重心（中心）位置Ｇから離れた４つの位置（本例では載せ台１０５の四隅位置）に所定重量の測定対象を載置したときの各ロードセル１００Ａ，１００の出力（測定結果）を評価した。その評価結果を図８（ａ），（ｂ）に示す。なお、載せ台１０５の重心位置Ｇは、載せ台１０５の各辺の垂直二等分線に相当する対称軸ＢＢ′、ＣＣ′の交点である。対称軸ＢＢ′は、起歪体１０１の中心軸ＡＡ′と平面視において一致する。

図８（ａ）は、図７（ａ）に示すロードセル１００Ａの出力であり、図８（ｂ）は、図７（ｂ）に示すロードセル１００の出力（Δｚ）である。各図において、横軸は測定対象の載置位置、縦軸は出力をそれぞれ示し、「WL１」、「WL２」、「WR１」および「WR２」は、図７（ａ）、（ｂ）示す載せ台１０５上の測定対象Ｗの載置点にそれぞれ対応する。各載置点は、載せ台１０５の重心位置Ｇから等距離の位置とした。本実験例では、WL１→WL２→WR２→WR１の順で測定対象の載置位置を変更し、各載置位置におけるロードセルの出力（変位量）をそれぞれ測定した。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、図７（ａ）に示すロードセル１００Ａにおいては、載せ台１０５上の測定対象の位置によって測定結果が異なる（偏置誤差が大きい）のに対して、図７（ｂ）に示すロードセル１００においては、測定対象の位置によらずほぼ一定の（偏置誤差が小さい）測定結果が得られた。これは、ロードセル１００Ａ，１００における第２の回折格子２２の位置と、載せ台１０５の重心位置Ｇとの間の相対位置の違いによるものである。

特に本実験例では、図７（ａ）に示すロードセル１００Ａにおいては、第２の回折格子２２の位置が載せ台１０５の重心位置Ｇからオフセットした位置に配置され、図７（ｂ）に示すロードセル１００においては、第２の回折格子２２の位置が載せ台１０５の重心位置Ｇとほぼ一致する。後者であるロードセル１００においては、第２の回折格子２２が各載置点（WL１、WL２、WR１、WR２）から見て対称な位置にあるため、測定対象の載置位置による出力誤差（偏置誤差）が効果的に抑制されるものと考えられる。

第２の回折格子２２の位置が起歪体１０１の中心軸ＡＡ′からオフセットしているロードセル１００Ａの出力が測定対象の載置位置によって異なる理由は、以下のように考えることができる。図９は、ロードセル１００Ａと載せ台１０５との関係を模式的に示す正面図であり、（ａ）は荷重無印加時、（ｂ），（ｃ）は荷重印加時をそれぞれ示している。なお各図中、符号ＰＳは、荷重無印加時における第２の回折格子２２の光軸位置が属する基準平面である。

ここで、図９（ｂ）に示すように、ＷＬ１−ＷＬ２側に測定対象Ｗが偏置された場合、起歪体１０１は中心軸に関して反時計方向の捩じり応力を受けることで図中左方側へ変形する。このとき、梃子の原理により、起歪体１０１を支点、測定対象Ｗの載置ポイントを力点、第２の回折格子２２の設置ポイントを作用点とすると、第２の回折格子２２のｚ軸上の位置（高さ）は、荷重無印加時の位置（ＰＳ）よりもわずかに上方へ変位する。その結果、第１の回折格子２１に対する第２の回折格子２２の変位量（Δｚ）は、上記変位分だけ減じられることになる（図８（ａ）のWL１、WL２の出力参照）。

一方、図９（ｃ）に示すように、ＷＲ１−ＷＲ２側に測定対象Ｗが偏置された場合、起歪体１０１は中心軸に関して時計方向の捩じり応力を受けることで図中右方側へ変形するため、上記とは反対に、第２の回折格子２２のｚ軸上の位置（高さ）は、荷重無印加時の位置（ＰＳ）よりもわずかに下方へ変位する。その結果、第１の回折格子２１に対する第２の回折格子２２の変位量（Δｚ）は、上記変位分だけ上乗せされることになる（図８（ａ）のWR１、WR２の出力参照）。

以上のように、第２の回折格子２２の位置が起歪体１０１の中心軸ＡＡ′（対称軸ＢＢ′）からオフセットしている場合には、WL１−WL２側とWR１−WR２側との間で大きな偏置誤差が発生しやすい。このため、第２の回折格子２２の位置を中心軸ＡＡ′（対称軸ＢＢ′）上に設定することで、載せ台１０５のｙ軸方向の偏置誤差を小さくすることができる。一方、第２の回折格子２２の位置を対称軸ＣＣ′上に設定することで、載せ台１０５のｘ軸方向の偏置誤差を小さくすることができる。さらに、第２の回折格子２２の位置を中心軸ＡＡ′（対称軸ＢＢ′）と対称軸ＣＣ′との交点（すなわち重心位置Ｇ）に設定することで、ｘ，ｙの各軸方向の偏置誤差を同時に小さくすることができる（図８（ｂ）参照）。

以上、本実施形態によれば、第２の回折格子２２が載せ台１０５の重心位置Ｇの直下に配置されるため、偏置誤差による測定値のバラツキを抑えて高精度な荷重測定を行うことができる。したがって、起歪体１０１に対する測定対象Ｗの相対位置（載せ台１０５に対する測定対象Ｗの載置位置）が一様でない測定環境などにおいて有利となる。

＜第２の実施形態＞
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るロードセル２００の構成を示す概略断面図である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

ロードセル２００は、光変位センサ２３０の構成が上述の第１の実施形態と異なる。すなわち本実施形態の光変位センサ２３０は、第２の回折格子２２が起歪体１０１の中心軸ＡＡ′から起歪体１０１の幅方向（ｙ軸方向）にオフセットした位置に配置されている。

第２の回折格子２２を上記位置に設定するために、本実施形態では、第１の光学ブロックＢ１および第２の光学ブロックＢ２の光軸が中心軸Ａよりも起歪体１０１の幅方向（ｙ軸方向）に所定距離だけオフセットした位置に設定される。これにより、第１の光学ブロックＢ１および第２の光学ブロックＢ２の構成を変更することなく、第２の回折格子２２を任意の位置に配置することができるとともに、第２の回折格子２２に対する光源１２や第１の回折格子２１、光検出器４０等の独立した位置合わせが不要となる。

以上のように構成される本実施形態のロードセル２００は、図７（ａ）を参照して説明したロードセル１００Ａに相当する。本実施形態のロードセル２００によれば、クリープ現象に起因する、経過時間に応じた変位量の誤差を抑えることができる。図１１を参照して、クリープ現象について説明する。

図１１は、図７（ａ）において載せ台１０５の中央部に５ｋｇの測定対象を載置し、その後３０分保持したときの、光変位センサ２３０の出力（変位量）の時間変化の一例を示している。図１１に示すように変位量が時間の経過に伴って変化する現象は、クリープ現象と呼ばれ、光センサ２３０の光軸（第１の光学ブロックＢ１から第２の光学ブロックＢ２へ向かう光束（光線）。以下同じ）のオフセットによるロードセル２００の非対称構造によるものである。本例のように時間経過に伴って変位量が上昇する現象は、第２の回折格子２２に作用する下向きの変位によるものであり、ここではプラス方向のクリープともいう。

クリープ現象による変位量の時間変化の態様は、荷重がかかる位置、さらに言えば、起歪体１０１に対する測定対象の位置により異なる。図１２（ａ）は、測定対象がＷＬ１−ＷＬ２側に偏置された場合のクリープ現象の一例を示しており、図１２（ｂ）は、測定対象がＷＲ１−ＷＲ２側に偏置された場合のクリープ現象の一例を示している。

光変位センサ２３０の光軸は図７（ａ）に示すように、ＷＲ１−ＷＲ２側に偏っている。このとき、変位量を測定する位置が遠いＷＬ１−ＷＬ２側に測定対象が置かれた場合のクリープ現象による変位量は小さくなる方向に推移し（図１２（ａ））、反対に、変位量を測定する位置が近いＷＲ１−ＷＲ２側に測定対象が置かれた場合のクリープ現象による変位量は大きくなる方向に推移する（図１２（ｂ））。その理由は、第１の実施形態において説明したように、梃子の原理で第２の回折格子２２に作用する変位に起因するクリープ現象による（図９（ｂ）、（ｃ）参照）。

すなわち、ＷＬ１−ＷＬ２側に測定対象が置かれた場合、第２の回折格子２２に上向きのモーメントが作用するため、図１２（ａ）に示すようにクリープ現象による変位量の変化が小さくなる（以下、マイナスクリープともいう）。一方、ＷＲ１−ＷＲ２側に測定対象が置かれた場合、第２の回折格子２２に下向きのモーメントが作用するため、図１２（ｂ）に示すようにクリープ現象による変位量の変化が大きくなる（以下、プラスクリープともいう）。

図１１および図１２に示す例では、第２の回折格子２２に上向きのモーメントが作用するときの方が、クリープ現象に起因する変位量の時間変化を小さくすることができる。したがって、起歪体１０１の中心軸ＡＡ′に関して、光変位センサ２３０の光軸が設定される方向とは反対側にオフセットした領域に測定対象を載置することで、クリープ現象に基づくロードセル２００の出力の時間変化を抑制し、測定対象の高精度な重量測定を安定に行うことが可能となる。

本実施形態のロードセル２００によれば、起歪体１０１に対する測定対象の相対位置が一様である場合などにおいて、起歪体１０１のクリープによる測定値の変動を抑えて高精度な荷重測定を行うことが可能となる。例えば、ベルトコンベアにロードセル２００を組み込み、ベルトコンベア上の決まった位置に置かれる物体の重量を、ロードセル２００で検知するような場合において有利となる。

なお本実施形態では、起歪体１０１の光軸ＡＡ′に対する光変位センサ２３０の光軸のオフセット量を最適化することで、上記クリープ現象の影響を受けにくいロードセル２００の出力特性に調整することができる。上記オフセット量は、起歪体１０１の形状や大きさ、測定対象の載置位置などによって適宜設定することができる。

（変形例）
本実施形態においては、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、起歪体の少なくとも１つの架橋部の厚みを幅方向に異ならせることで、クリープ現象の影響を抑えるようにしてもよい。（ａ）は起歪体の側断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＥＥ′線断面図である。同図に示す起歪体３０１は、架橋部１０２の肉厚が起歪体３０１の各側面において異なり、Ｌ側（ＷＬ１−ＷＬ２側）の肉厚がＲ側（ＷＲ１−ＷＲ２側）の肉厚よりも小さく形成される。

上記構成の起歪体３０１において、Ｌ側に偏って測定対象が載置されたときは、起歪体３０１のｚ軸方向の変位量が増加するため、Ｒ側にオフセットして配置される第２の回折格子２２に作用する上向き変位量（マイナスクリープ）は小さくなる。一方、Ｒ側に偏って測定対象が載置されたときは、起歪体３０１のｚ軸方向の変位量が減少するため、Ｒ側にオフセットして配置される第２の回折格子２２に作用する下向き変位量（プラスクリープ）は小さくなる。上記構成によれば、荷重がＬ側およびＲ側のいずれに作用したとしても、クリープ現象をキャンセルすることができるため、載せ台１０５の有効エリアが広がるというメリットを有する。

架橋部１０２の肉厚は、図１３（ｂ）に示すように、架橋部１０２の幅方向に向かって連続的に変化するように構成される。これにより、架橋部１０２の一部の領域に対する集中荷重を防止することができる。架橋部１０２の肉厚は特に限定されず、測定対象の重さ、光変位センサ２３０の位置などに応じて適宜設定可能である。架橋部１０２のＬ側とＲ側の肉厚を最適化することで、載せ台１０５上の測定対象の位置に依存することなく、安定した荷重測定が可能となる。なお、架橋部１０２に代えて又は加えて、架橋部１０３の肉厚をＬ側とＲ側とで異ならせてもよい。

さらに上記構成の起歪体３０１によれば、荷重がＬ側に作用したときと荷重がＲ側に作用したときのいずれにおいて、ｘ軸まわりの捩じり応力に対してＲ側の高い変形抵抗が得られる。このため、載せ台１０５に対する測定対象の載置位置の相違による測定誤差（偏置誤差）の低減も図ることができる。したがって、本例によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることが可能となる。

さらに以上の実施形態では、第２の回折格子２２は反射型の回折格子で構成されたが、これに限られず、透過型の回折格子で構成されてもよい。この場合、光検出器４０は、第２の回折格子の背面側に配置されてもよい。また、第１の回折格子２１と第２の回折格子２２とを結ぶ光学系路が直線的に構成されたが、当該光学系路はミラーやプリズム等によって適宜折り返されてもよい。

１…荷重測定システム
１２…光源
２１…第１の回折格子
２２…第２の回折格子
４０…光検出器
１００，２００…ロードセル
１０１，３０１…起歪体
１０２，１０３…架橋部
１０４…固定台
１０５…載せ台
１１０…第１の端部
１２０…第２の端部
１３０，２３０…光変位センサ
１３１…第１の光学ユニット
１３２…第２の光学ユニット
１４０…演算部
Ｂ１…第１の光学ブロック
Ｂ２…第２の光学ブロック

Claims (5)

1. 第１の端部と、前記第１の端部と一軸方向に対向する第２の端部と、前記第１の端部と前記第２の端部との間に設けられた中空部とを有する起歪体と、
   光源と、前記光源からの光が入射する第１の回折格子とを有し、前記第１の端部に固定され、前記中空部に配置される第１の光学ユニットと、
   前記第１の回折格子から出射した回折光が入射することにより干渉光を生成する第２の回折格子を有し、前記第２の端部に固定され、前記中空部に配置される第２の光学ユニットと
   前記干渉光を検出する検出器と、
   前記検出器により得られる信号に基づいて前記第１の回折格子に対する前記第２の回折格子の相対変位量を演算する演算部と
   を具備するロードセル。
2. 請求項１に記載のロードセルであって、
   前記第１の回折格子および前記第２の回折格子は、前記中空部の中心を通り前記一軸方向に平行な中心軸上にそれぞれ配置される
   ロードセル。
3. 請求項２に記載のロードセルであって、
   前記第２の端部に固定され、重量を測定する対象の物体が載せられる載せ台をさらに具備し、
   前記第１の回折格子および前記第２の回折格子は、前記載せ台の重心の直下の位置に配置される
   ロードセル。
4. 請求項１に記載のロードセルであって、
   前記第１の回折格子および前記第２の回折格子は、前記中空部の中心を通り前記一軸方向に平行な中心軸から、前記起歪体の幅方向にオフセットした位置にそれぞれ配置される
   ロードセル。
5. 請求項４に記載のロードセルであって、
   前記起歪体は、前記第１の端部と前記第２の端部とを相互に連結し前記中空部を挟んで対向する一対の架橋部をさらに有し、
   前記一対の架橋部の少なくとも１つは、前記一軸方向に直交する前記起歪体の幅方向に関して異なる厚みを有する
   ロードセル。

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