JP4990360B2 - コーナー荷重センサ付き上皿秤 - Google Patents

Description

本発明は、力計測システムの少なくとも１つの力変換器上に支持されている秤皿付きの、および計量物が計量秤上に偏心して配置された場合に信号を出力する、コーナー荷重センサ付きの、上皿秤に関する。

この種類の秤は、例えば、ドイツ国刊行物DE 30 03 862 C2またはDE 38 11 942 C2に開示されている。
既知の秤の不利点は、コーナー荷重センサが、力変換器または下皿に一体化されていることである。その結果、各種類の秤に対してコーナー荷重センサの特定の構成が必要となり、存在する秤の改造は、不可能であるか、または多大なコストでのみ可能である。

ドイツ国刊行物DE 299 18 562 U1の目的も、秤を、コーナー荷重センサ付き秤に改造することである。この文献において、少なくとも２つの力測定センサであって、互いにある距離で隔てられ、また秤皿の中心からもある距離で隔てられた前記センサと、計量物および秤皿の重心をシフトさせる手段が、秤皿上に提供される。しかし、この計量物のシフトには、オペレータの補助か、または、故障を起こしやすく（特に、荷重が重い場合）かつ測定時間を延長させる複雑な機構のどちらかが必要である。コーナー荷重センサの特定の設計について、刊行物DE 299 18 562 U1に記載されているのは、コーナー荷重センサが、例えば秤皿の弾性変形または下皿の弾性変形を、例えばひずみゲージを用いて測定することのみである。秤皿または下皿をコーナー荷重センサの弾性要素として用いることは、コーナー荷重センサを、秤皿または下皿の設計に再度依存させ、このために改造目的は、非常に限定された範囲でしか達成されない。

発明の目的
したがって、本発明の目的は、上記の種類の秤のための、後付けが容易なコーナー荷重センサを提供することである。

本発明によれば、これは以下によって達成される：コーナー荷重センサが、秤の秤皿または下皿に配置または取り付けることができる平らな下面を有すること、コーナー荷重センサが、秤皿を配置または取り付けることができる平らな上面を有すること、およびコーナー荷重センサが、フィードバックのない接続を介して、位置が固定された電子式補正手段に接続されていること。

平らな下面および上面を有する記載の幾何学的形状により、コーナー荷重センサを、例えば、存在する秤皿の上に直接配置すること、および追加の新しい秤皿をその上面に配置することが可能となる。または、秤皿および下皿を有する秤において、コーナー荷重センサを下皿に直接配置することができ、存在する秤皿は、コーナー荷重センサの平らな上面に直接配置することができる。固定された接続が好ましいが、絶対に必要ではない。計量物の位置は、ドイツ国実用新案DE 299 18 562 U1に記載されているように、変化しない。コーナー荷重センサの出力信号は電子式補正手段に供給され、ここで、コーナー荷重誤差は、ドイツ国刊行物DE 30 03 862 C2およびDE 38 11 942 C2において前に開示されているように、計算により修正される。信号の送信は力のフィードバックを伴わず、例えば、無線または光学リンクを用いる。コーナー荷重センサの信号は、好ましくは送信前にデジタル化されて、高度の干渉余裕度を達成する。コーナー荷重補正は次に外部の電子式補正手段により、好ましくは例えばＰＣにより計算されるが、この手段は秤の計量信号を、標準データ出力とコーナー荷重センサからのコーナー荷重信号を介して受信する。その結果、秤の電子機器における介入が不要となる。
好ましい態様において、コーナー荷重センサは、両端に端部フランジを有する、垂直に配置された短いチューブである。端部フランジは平らな下面および上面を形成し、それらの間に配置されたチューブ状の部分は、ひずみゲージの適用を可能とする。
本発明を、概略図を参照して説明する。

図１は秤、コーナー荷重センサおよび電子式補正手段の概観を示す図である。 図２はコーナー荷重センサの例示の態様の拡大断面図である。 図３は図２によるコーナー荷重センサの底面図である。 図４はコーナー荷重センサの第２の態様の断面図である。 図５はコーナー荷重センサの第３の態様の断面図である。

好ましい態様の詳細な説明
図１は、従来の秤１の図であり、秤１は、ディスプレイ２、力変換器７を介して力測定システム５に接続された下皿３、秤皿４、およびデータ出力６を有する。秤のこれらの構成部品は一般に知られており、詳細に説明する必要はない。特に、力測定システム５は、任意の所望の動作原理に基づくことができ、例えば、電磁気力補償またはひずみゲージ付きバネ要素を用いることができる。

本発明による秤において、秤皿４は下皿３上に直接支持されていない。むしろ、コーナー荷重センサ１０は下皿３の上に配置され、秤皿４はこのコーナー荷重センサ１０の上に支持されているのみである。コーナー荷重センサ１０を、図２に拡大断面図で再度示し、図３には底面図で示す。コーナー荷重センサ１０は、短いチューブ１１、上部フランジ１２および下部フランジ１３からなる。フランジ１２、１３は、コーナー荷重センサ１０を下皿および秤皿に取り付けるために用いることができる穴１４を有する。特に、下皿とコーナー荷重センサの間の接続は、計量物の重心の位置を再現可能に決定するために重要である。図１はしたがって、固定ボルト１５を示し、これはコーナー荷重センサと下皿の間の固定接続を確実にする。対照的に、秤皿４とコーナー荷重センサ１０の間の接続は、度量衡的に重要性が低い。ここでは多くの場合、ロック固定１６で十分である。上部フランジ１２はそれでも、秤皿とコーナー荷重センサの間の固定接続を可能とするための穴１４を有して提供される。

コーナー荷重センサ１０は、好ましくは、そのチューブ状部分（チューブ）１１に４つのひずみゲージ１７を有して、計量物の影響下でのチューブ壁の垂直方向の圧縮を検出する。この目的を達成するために、図２に示す２つのひずみゲージは、２つの固定抵抗器により、それ自体知られた様式で、ホイートストンブリッジを形成するように相互に接続される。計量物が、一点鎖線で示す対称軸１８上に正確に、したがって力変換器７の真上に配置されている場合は、２つのひずみゲージ１７は等しく圧縮され、ブリッジ回路には対角電圧（diagonal voltage）は発生せず、したがって出力信号も発生しない。一方、計量物が例えば右にいくらかシフトしている場合は、右のひずみゲージが左のひずみゲージよりやや強く圧縮される；すなわち、その抵抗の変化はより大きく、したがってコーナー荷重センサの出力信号として対角電圧が生じる。他の２つのひずみゲージはチューブ１１に対して図２の描画面の前および後ろに適用され、計量物が図２の描画面の垂直方向に偏心して配置された場合に、同様にしてコーナー荷重信号を出力する。また、４つのひずみゲージをチューブに対して各測定方向に適用し、これによってホイートストンブリッジの固定抵抗器をひずみゲージで置き換えることも可能である。その結果出力信号は２倍になる。

２つのコーナー荷重信号は電子機器１９において任意に増幅されてデジタル化され、これにより信号を、無線リンク２１を介して送信／受信ユニット２０に送信することができる。無線リンク（例えばブルートゥース）および無線光学リンクは一般に知られており、したがってデータ通信の詳細を説明する必要はない。このデータ接続を、電子機器１９を動作させるのに必要な（少量の）電力も送信するように構成することも、また知られている。無線のデータ送信および電力送信はフィードバックのない接続を確立し、同時に、コーナー荷重センサにおける電池等の使用に関連する、全ての問題を回避する。

送信／受信ユニット２０は、デジタルのコーナー荷重信号を、図１にＰＣとして実装されている電子式補正手段２２へと中継する。ＰＣはさらに、秤により決定された計量信号を、標準デジタルデータ出力６から受信し、次にコーナー荷重補正値を計算し（次の段落参照）、補正計量信号を表示／出力する。（すなわち、秤の標準ディスプレイ２は用いられない。）

記載のコーナー荷重センサを、特定の秤と共に最初に作動させる場合、初めに任意の種類の計量物を秤皿の中心に載せ、したがって力変換器７にそろえて、秤表示を決定する。秤量物を次に、例えば右にシフトさせ（図１に示すように）、コーナー荷重センサの信号および秤表示における変化を記録／格納する。次に計量物を左にシフトさせ、コーナー荷重センサの信号および秤表示における変化を、再度記録／格納する。同じ手順を、計量物の異なる偏心位置に対して任意に繰り返してよい。図示的に示された、例えばコーナー荷重センサの信号の関数としての、秤表示における変化は、補正関数を計算するために用いることができ、該補正関数は、計量物の位置に関係しない計量結果を与える。この補正関数は、電子式補正手段２２に格納され、続く測定において補正のために用いられる。秤においては、結果の表示の、秤皿上の計量物の位置に対する依存が低いことが、明白に指摘される。秤皿上の計量物の位置の関数としての、秤表示における上記の変化は、したがって、非常に高い感度限界の秤においてのみ、確立することができ、これには、いわゆる比較秤（comparator scale）なども含まれる。さらに、これらの変化の値は常に小さい。したがって一般に、計量結果を修正するには線形の式で十分である。しかし、ＰＣを電子式補正手段として用いることにより、必要に応じて非線形の依存性をも修正すること、または荷重に無関係なコーナー荷重依存性を修正することも可能となる。右／左方向についての上記の手順は、垂直方向についても同様に繰り返され、コーナー荷重補正関数またはコーナー荷重補正係数も、この方向について決定および格納される。コーナー荷重補正は一般に数デジットのみが必要であるため、コーナー荷重信号の感度限界および再現性に対する要求も当然ながら低い。

平らな下面および平らな上面を有するコーナー荷重センサの記載の形状により、平らな秤皿または平らな下皿を有する秤に後付けすることが直ちに可能となる。しかし、異なる形状の秤皿または下皿であっても、特定のアダプター要素の製造は、平らな接触面に基づくことができれば、より簡単である。平らな下面または平らな上面は当然ながら、次のような形状も含むことが理解される：薄い玉縁（図示されず）が、例えばコーナー荷重センサの下面の各取付け穴１４の周りに設けられており、該玉縁が一緒に面を規定するもの、または上面の各上穴１４にゴム製バッファが配置され、この上に秤皿を載せることができるもの。

記載された、コーナー荷重信号の外部評価および外部補正は、存在する秤の構造または電子機器への介入を必要とせず、これも、後付けを簡単にしている。
記載の例において、コーナー荷重センサと下皿の間に、ネジ連結が提供されている。当然ながら、任意の他の結合技術、例えばリベットまたは接着などもまた、用いることができる。正のロッキング固定であっても十分である場合が多く、この場合、ノッチなどを設けて、コーナー荷重センサの回転を防がねばならない。

図１に示した例において、下皿３は、１つの力測定システムの１つの力変換器により支持されている。本発明によるコーナー荷重センサは、当然ながら、下皿または秤皿が、３もしくは４個の力変換器により１つの力測定システムに連結された、または３もしくは４個の力測定システムに連結された秤においても、用いてよい。この場合、コーナー荷重センサ１０の適切な配置は、対称軸１８が個々の力変換器の間のほぼ中心に配置されるようにするものである。対称軸１８の正確な位置は測定精度に決定的に重要ではなく、なぜならば、記載された校正は、コーナー荷重センサが作動される場合、正確な配置の校正も含むためである。

図４は、コーナー荷重センサの第２の態様の断面図を示す。このコーナー荷重センサ３０は、チューブ３１とフランジ３２および３３からなる。フランジ３２および３３は、この態様においては円板形状である。チューブ３１の対称軸１８において、支持ロッド３４は上および下の端部フランジを接続している。チューブ３１の壁は比較的薄く、そのため計量物の重さは、計量物が中心に配置されている場合は支持ロッド３４によって主に吸収される。しかし計量物が偏心して配置されている場合は、コーナー荷重のトルクはひずみゲージ１７の付いたチューブ３１によって主に吸収され、その理由は、支持ロッド３４が曲げに対して比較的ソフトであるためである。図２および３の態様におけるチューブ１１のみの断面積と比べて、支持ロッド３４とチューブ３１の総断面積が同じものについては、計量物が中心に配置されている場合は、基本信号は両方の態様についてほぼ同じである。計量物が偏心して配置されている場合はしかし、チューブ３１上のひずみゲージの信号は、チューブ１１上のひずみゲージの信号より大幅に大きく、これは、チューブ３１の壁厚さが、チューブ１１の壁より大幅に薄いからである。

図４に示すコーナー荷重センサは、例えば、次のようにして製造することができる：支持ロッド３４、チューブ３１および１つのフランジを１つの単体として形成し、中央に穴を有するもう１つのフランジを支持ロッド用に製造し、次に、２つの部分を一緒に、例えば溶接により接合する。チューブ３１が複数（例えば８個）の穴をその周辺部に分散して有する場合は、全体を１つの単体として製造し、フライス盤を用いて空洞を加工できるようにすることも可能である。

図５は、コーナー荷重センサの第３の態様の断面図である。図４と同一の部品は同じ参照番号で識別され、ここでは再度説明しない。この態様において、チューブ４１は、コルゲート膜チューブの形を有して、垂直方向の力に対するこのチューブの剛性をさらに低下させ、これによりコーナー荷重トルクに対するその感度をさらに増加させる。さらに、追加のひずみゲージ１７’をチューブ４１の内側に適用し、この態様において、ひずみゲージ１７’は荷重をかけると圧縮され、一方チューブ４１の外側のひずみゲージ１７は、荷重をかけると伸張される。これにより、伸張および圧縮されたひずみゲージ付きの完全なホイートストンブリッジを作製して、コーナーセンサ４０のさらに大きな電気出力信号を得ることができる。

図５のひずみゲージは、当然ながら、チューブ４１の水平部分４２および／または４２’にも適用可能である。圧縮および伸張ゾーンは、これらの水平部分でも生じ、これにより、両方の符号の信号をひずみゲージにより得ることができる。これにより、図５に示すような、ひずみゲージのチューブ４１の内側への困難な適用が排除される。
図５に示すコルゲートチューブの態様は、当然ながら、支持ロッドなしの構成においても可能である。非常にソフトで感度が高いこの態様は、小さな荷重に対して特に好適である。支持ロッドを有する態様のコーナー荷重センサの感度は、支持ロッドにくびれ（constriction）を形成して断面積の小さな領域（図示されず）を作ることにより、さらに増加させることができる。これらの断面積の小さな短い部分は、垂直力に対するフレキシビリティには殆ど影響しないが、曲げ剛性には大きな影響を与える。

上記は常に、コーナー荷重センサが、秤のコーナー荷重を計算的に修正するために用いることを仮定する。しかし、コーナー荷重センサの信号を、計量物の重心を決定するために用いることも可能である。コーナー荷重センサの出力信号がゼロの場合、計量物の重心は、コーナー荷重センサの対称軸１８の上に正確に存在する。コーナー荷重センサの出力信号の大きさは、計量物の重さが既知の場合は、重心の横方向の偏りを決定するために用いることができる。

コーナー荷重センサはまた、秤の製造を容易にすることができる。秤を１００％コーナー荷重なしであるように校正する代わりに、秤を製造過程中には粗くのみ校正し、コーナー荷重なしの状態をコーナー荷重センサおよび電子式補正手段を用いて達成することは、より費用効率的である。製造にモジュール式構成原理を用いる場合は、例えば、コーナー荷重を校正した平均的な感度限界の秤を製造し、そのまま販売することが可能である。より高い感度限界の秤は、次にこれらの同じ基本デバイスを用いて、さらにコーナー荷重センサおよび電子式補正手段を取り付けることで、簡単に製造される。

コーナー荷重センサと電子式補正手段の、フィードバックのない接続のために、無線リンクおよび光学リンクが上に記載されている。ワイヤで結合した接続も当然ながら可能であり、実質的に力のフィードバックなしである。例えばゴールドバンド接続（gold-band connection）は、この目的にしばしば用いられる。ゴールドバンドの力が秤の感度限界より小さく、したがって秤の精度に影響しないという意味において、正しい構成ではこれらの接続もまた力のフィードバックなしである。

参照番号リスト
１ 秤
２ ディスプレイ
３ 下皿
４ 秤皿
５ 力測定システム
６ データ出力
７ 力変換器
１０ コーナー荷重センサ
１１ チューブ
１２ フランジ
１３ フランジ
１４ 穴
１５ 固定ネジ
１６ 正のロッキング固定
１７ １７’ ひずみゲージ
１８ 対称軸
１９ 電子機器
２０ 送信および受信ユニット
２１ 力のフィードバックなし（例えば無線）接続
２２ 電子式補正手段、例えばＰＣ
３０ コーナー荷重センサ
３１ チューブ
３２ フランジ（円板状）
３３ フランジ（円板状）
３４ 支持ロッド
４０ コーナー荷重センサ
４１ チューブ
４２ ４２’ 水平部分

Claims (12)

1. 力計測システム（５）の少なくとも１つの力変換器（７）上に支持された下皿（３）、秤皿（４）およびコーナー荷重センサを有する、上皿秤であって、コーナー荷重センサは、計量物が秤皿上に偏心して配置された場合に信号を出力し、コーナー荷重センサ（１０、３０、４０）が、下皿（３）に配置または取り付けることができる平らな下面を有すること、コーナー荷重センサが、秤皿（４）を配置または取り付けることができる平らな上面を有すること、コーナー荷重センサ（１０、３０、４０）が、力のフィードバックのない接続（２１）を介して、位置が固定された電子式補正手段（２２）に接続されていること、および、コーナー荷重センサ（１０、３０、４０）が、両端にフランジ（１２、１３；３２、３３）を有する垂直に配置されたチューブ（１１、３１、４１）の形を有すること、を特徴とする、前記上皿秤。
2. 端部フランジ（３２、３３）が端部円板として形成され、支持ロッド（３４）が、２つの端部円板の間の、チューブ（３１、４１）の対称軸（１８）上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の上皿秤。
3. チューブ（１１、３１、４１）の直径が、その高さより大きいことを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の上皿秤。
4. 少なくとも１つのフランジ（１２、１３；３２、３３）が、固定用穴を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の上皿秤。
5. チューブ（４１）が、コルゲートチューブのように少なくとも１つの膨らみを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の上皿秤。
6. 垂直測定方向を有する少なくとも４つのひずみゲージ（１７）が、チューブ（１１、３１、４１）に適用されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の上皿秤。
7. 力のフィードバックのない接続（２１）が、無線リンクによって実装されることを特徴とする、請求項１に記載の上皿秤。
8. コーナー荷重センサ（１０、３０、４０）の電子機器（１９）への電力もまた、無線リンクを介して供給されることを特徴とする、請求項７に記載の上皿秤。
9. 力のフィードバックのない接続（２１）が、光学リンクによって実装されることを特徴とする、請求項１に記載の上皿秤。
10. コーナー荷重センサ（１０、３０、４０）の電子機器（１９）の電力もまた、光学リンクを介して供給されることを特徴とする、請求項９に記載の上皿秤。
11. Ａ／Ｄ変換器がコーナー荷重センサ（１０、３０、４０）に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の上皿秤。
12. 電子式補正手段（２２）が、秤の出力信号をデジタル的に補正すること、および対応してプログラムされたＰＣとして実装されることを特徴とする、請求項１に記載の上皿秤。

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