JP5427392B2

JP5427392B2 - 荷重センサ、秤

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Publication number: JP5427392B2
Application number: JP2008272355A
Authority: JP
Inventors: 健悟高橋
Original assignee: Teraoka Seiko Co Ltd
Current assignee: Teraoka Seiko Co Ltd
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2028-10-22
Also published as: JP2010101708A

Description

本発明は、音叉振動子を有する荷重センサ及び該荷重センサを用いた秤に関する。

音叉振動子を備え、該音叉振動子を一定の固有振動数で振動させ、該音叉振動子の軸方向に荷重が加わると振動数が変化することで、該振動数の変化を計測することで荷重を検出する音叉式荷重センサがある。このような音叉式荷重センサにおいては、温度が変化すると音叉振動子の振動数も変化するので、検出荷重が温度によって変化するため、温度補償をする必要がある。また、音叉振動子を恒弾性材料で製造し、温度変化により振動数が変動しないようにする必要があった。この温度補償の方法としては、音叉振動子が設けられている荷重センサに温度補償基板を取り付け、温度変化による荷重検出誤差を補正する温度補償方法がある。
特開昭６２−２９８７２６号公報特公昭６０−１０１２２号公報

そして、上記荷重センサに温度補償基板を取り付け、温度変化による荷重検出誤差を補正する方法では、音叉振動子が設置されている周辺の雰囲気の温度を検知しているため、荷重センサ自体の温度変化と同期せず、温度補償精度を向上させることができないという問題があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、音叉振動子を有する荷重センサ自体の温度変化に同期して高精度で温度補償ができる荷重センサ、及び該荷重センサを用いた秤を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、センサ基部と一体的に形成された音叉振動子を備え、該音叉振動子に荷重が加わることにより、該音叉振動子の振動数が変化し、該変化した振動数により加わった荷重を検出する荷重センサであって、荷重を検出する第１の音叉振動子とは別に、荷重の影響を受けない構成の第２の音叉振動子をセンサ基部と一体的に設け、さらに前記センサ基部に支点部によって支持され且つ前記第１の音叉振動子に結合される梃子部を設置し、前記センサ基部中に、一端がセンサ基部と梃子部の間の空隙に開口することで、前記支点部及びその周囲に加わる応力を分散する支点部破壊防止用の切欠き部を設け、第１の音叉振動子の振動数と第２の音叉振動子の振動数とから荷重を検出することを特徴とする。

また、本発明は、上記荷重センサにおいて、前記支点部破壊防止用の切欠き部は、前記荷重により前記センサ基部内に発生する応力が前記第２の音叉振動子に加わらないように、前記第２の音叉振動子の上方に設けられることを特徴とする。

また、本発明は、上記荷重センサにおいて、前記センサ基部中には、前記支点部破壊防止用の切欠き部の他に、前記荷重により前記センサ基部内に発生する応力が前記第２の音叉振動子に加わらないようにする、応力遮断用の切欠き部を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記荷重センサにおいて、前記応力遮断用の切欠き部は、前記第２の音叉振動子の中心軸に直交する状態に形成されるか、或いはその一端が前記第２の音叉振動子の上部に位置し他端が前記第１の音叉振動子と第２の音叉振動子の間に位置するように形成されることを特徴とする。

また、本発明は、上記荷重センサを備え、第１の音叉振動子の振動数と第２の音叉振動子の振動数とに基づき荷重を算出する算出手段を備えたことを特徴とする秤にある。

請求項１に記載の発明によれば、荷重を検出する第１の音叉振動子と荷重の影響を受けない第２の音叉振動子をセンサ基部と一体的に構成しているので、第１の音叉振動子の温度と第２の音叉振動子の温度は同期して変動することになり、第１の音叉振動子の温度による振動変化を第２の音叉振動子の温度による振動変化で除去することが可能となり、温度変化による影響を受けない荷重検出、即ち温度変化による影響を受けない高精度の荷重検出ができる。

請求項１に記載の発明によれば、上記のように第１の音叉振動子と荷重の影響を受けない第２の音叉振動子をセンサ基部と一体的に構成しているので、センサ基部、第１の音叉振動子及び第２の音叉振動子を温度変化により弾性係数が変化する非恒弾性材料を用いても、第１の音叉振動子の温度と第２の音叉振動子の温度は同期して変動するから、第１の音叉振動子の温度による振動変化を第２の音叉振動子の温度による振動変化で除去することが可能となり、温度変化による影響を受けない高精度の荷重検出も安価で特別な処理が不要な材料で実現できる。

請求項３に記載の発明によれば、センサ基部中に切欠き部を設け、第２の音叉振動子に荷重により発生する応力が加わらないようにするか又は該応力が加わることを抑制するので、第２の音叉振動子の振動は切り欠き部を設けるという簡単な構成により荷重による影響を受けることなく、温度のみの影響を受けることになるから、第１の音叉振動子の温度による振動変化を第２の音叉振動子の温度による振動変化で除去することが可能となり、温度変化による影響を受けない高精度の荷重検出ができる。

請求項５に記載の発明によれば、秤が備える荷重センサに、上記温度変化による影響を受けない高精度の荷重検出ができる荷重センサを使用し、算出手段で第１の音叉振動子の振動数と第２の音叉振動子の振動数とに基づき荷重を算出するので、高精度の温度補償秤を提供できる。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施形態例１〕
図１は本発明に係る荷重センサの構成例を示す正面図である。本荷重センサ１は、板状のセンサ基部２に一体的に荷重を検出するための第１の音叉振動子３、荷重の影響を受けない測温用の第２の音叉振動子４を設けた構成である。ここでは、センサ基部２に板状の非恒弾性材料、例えばＳＵＳを用い、該非恒弾性材料からなる板状体をワイヤカット放電加工等で切り抜き、第１の音叉振動子３、第２の音叉振動子４、梃子部５、牽引部８、及び荷重受部１０等が形成されている。また、第１の音叉振動子３とセンサ基部２の間には空隙Ｂが形成され、第２の音叉振動子４とセンサ基部２の間には空隙Ｃ、Ｄが形成され、梃子部５、牽引部８、及び荷重受部１０とセンサ基部２の間には空隙Ｅが形成されている。

第１の音叉振動子３は、中心軸に対して対象に２枚の板状振動片３ａ、３ｂを平行に配置し、該板状振動片３ａ、３ｂの両端どうしをそれぞれ結合部３ｃ、３ｄで結合している。また、結合部３ｃは薄板状の支持片３ｅで梃子部５の一端部に結合され、結合部３ｄは薄板状の支持片３ｆでセンサ基部２に結合されている。第２の音叉振動子４は、中心軸に対して対象に２枚の板状振動片４ａ、４ｂを平行に配置し、該板状振動片４ａ、４ｂの両端どうしをそれぞれ結合部４ｃ、４ｄで結合している。また、結合部４ｃは薄板状の支持片４ｅでセンサ基部２に結合され、結合部４ｄは薄板状の支持片４ｆでセンサ基部２に結合されている。

梃子部５は薄肉板状の支点部６でセンサ基部２に支持されている。梃子部５の他端部には薄肉板状の牽引点部７を介して牽引部８が連結され、該牽引部８の下端に薄肉板状の牽引点部９を介して荷重受部１０が連結されている。１１、１２はセンサ基部２を貫通して設けられ、荷重によるセンサ基部２内に発生する応力が第２の音叉振動子４に作用しないようにする応力遮断用の切欠き部（溝部）である。切欠き部１１は第２の音叉振動子４の上部に該第２の音叉振動子４の中心軸に直交する状態で設けられている。切欠き部１２は直線状の傾斜部と該傾斜部の先端が円弧状に湾曲した形状で傾斜部の他端は空隙Ｅに開口している。ここで切欠き部１１は、センサ基部２に生じる応力が第２の音叉振動子４に作用しないようにするための応力遮断用の切欠き部である。また、切欠き部１２は、支点部６及びその周囲に加わる応力を分散し、支点部６及びその周囲が破壊されるのを防ぐための切欠き部である。

第１の音叉振動子３の結合部３ｄの両側部のいずれか一方には励振用圧電素子３９が取付けられ、他方にはピックアップ用圧電素子４０が取付けられている。励振用圧電素子３９で結合部３ｄに振動を加えることにより、板状振動片３ａ、３ｂは第１の音叉振動子３の中心軸方向に加えられた引張り荷重に対応した固有振動数で振動し、該振動をピックアップ用圧電素子でピックアップするようになっている。また、第２の音叉振動子４の結合部４ｃの両側部のいずれか一方には励振用圧電素子４１が取付けられ、他方にはピックアップ用圧電素子４２が取付けられている。励振用圧電素子４１で結合部４ｃに振動を加えることにより、板状振動片４ａ、４ｂは第２の音叉振動子４の固有振動数で振動し、該振動をピックアップ用圧電素子４２でピックアップするようになっている。

上記のようにセンサ基部２に、該センサ基部２と一体に第１の音叉振動子３と第２の音叉振動子４を設けることにより、第１の音叉振動子３の温度と第２の音叉振動子４の温度は連動（同期）して変化する。また、荷重受部１０に矢印Ｆに示すように荷重が加わった場合、該荷重は牽引点部９、牽引部８、及び牽引点部７を介して梃子部５の他端部に作用し、該梃子部５は支点部６を中心に回動し、梃子部５の一端部に矢印Ａに示す方向に移動し、第１の音叉振動子３に中心軸方向の引っ張り力が作用する。一方、第２の音叉振動子４は、応力遮断用の切欠き部１１を設けたことにより、上記荷重がかかることにより発生する応力が第２の音叉振動子４に作用することが大きく抑制され、該応力による振動への影響が大きく抑制される。即ち、第２の音叉振動子４の振動数は、荷重や発生する応力による影響を受けることなく、第１の音叉振動子３と第２の音叉振動子４とに共通のセンサ基部２の温度によってのみ振動数は変化する。

図２は図１の荷重センサ１の荷重受部１０に矢印Ｆ方向に示すように３００Ｎ（＝３０．５９１５ｋｇｆ）の荷重をかけた場合のセンサ基部２内に発生する応力分布の解析結果を等高線で示した図であり、図３（ａ）は第２の音叉振動子４を、図３（ｂ），（ｃ）は第２の音叉振動子４の要部の拡大図である。比較のため、等高線の間隔を２、４、６、８、１０、３０、５０［Ｎ／ｍｍ²］としている。図示するように、センサ基部２の第２の音叉振動子４の上部に該センサ基部２を貫通させて応力遮断用の切欠き部１１を設けたことにより、切欠き部１１の上部近傍では５０［Ｎ／ｍｍ²］であった応力が図３に示す第２の音叉振動子４の要部では大半の箇所で１０［Ｎ／ｍｍ²］以下の応力になっており、第２の音叉振動子４への応力の影響を大幅に除去抑制できる。ここで、荷重のかかる方向Ｆと荷重センサ１のセンサ基板２をロバーバル機構（後述）に固定するための孔２ａの中心と荷重受部１０をロバーバル機構に固定するための孔１０ａの中心とを結ぶ線とを一致させることにより、荷重によるモーメントの影響を除去できる。

〔実施形態例２〕
図４は本発明に係る荷重センサの別の構成例を示す正面図である。本荷重センサ１は、板状体をワイヤカット放電加工等で加工し、センサ基部２に一体的に第１の音叉振動子３、第２の音叉振動子４、梃子部５、牽引部８、荷重受部１０を設けた点、及び励振用圧電素子３９、４１、ピックアップ用圧電素子４０、４２の取付け位置等は、図１に示す荷重センサと同じである。本荷重センサ１が図１に示す荷重センサと相違する点は、荷重により発生する応力が第２の音叉振動子４に作用しないようにする応力遮断用の切欠き部（溝部）の形状とその配置位置にある。センサ基部２に生じる応力が第２の音叉振動子４に作用しないようにするための応力遮断用の切欠き部１３はその一端が第２の音叉振動子４の上部に位置し、他端が第１の音叉振動子３と第２の音叉振動子４の間に位置するように形成され、センサ基部２を貫通して配置されている。また、支点部６及びその周囲に加わる応力を分散し、支点部６及びその周囲が破壊されるのを防ぐための切欠き部１４は切欠き部１３と略同じ形状で該切欠き部１３の上方に間隔を設けてセンサ基部２を貫通して配置され、他端は上記空隙Ｅに開口している。また、切欠き部１５は切欠き部１３と同様、荷重により発生する応力が第２の音叉振動子４に作用しないようにする応力遮断用の切欠き部であり、第２の音叉振動子４の下部に該第２の音叉振動子４の中心軸と直交する方向にセンサ基部２を貫通して配置され、その一端は上記空隙Ｄに開口している。

図５は図４の荷重センサ１の荷重受部１０に矢印Ｆ方向に示すような３００Ｎ（＝３０．５９１５ｋｇｆ）の荷重をかけた場合のセンサ基部２内に発生する応力分布の解析結果を等高線で示した図であり、図６（ａ）は第２の音叉振動子４を、図６（ｂ），（ｃ）は第２の音叉振動子４の要部の拡大図である。比較のため、等高線の間隔を２、４、６、８、１０、３０、５０［Ｎ／ｍｍ²］としている。図示するように、切欠き部１３の周囲では、３０、５０［Ｎ／ｍｍ²］の応力が生じているのに対して、第２の音叉振動子４では、１０［Ｎ／ｍｍ²］以下となっており、センサ基部２の第２の音叉振動子４の上部に該センサ基部２を貫通させて応力遮断用の切欠き部１３を設け、第２の音叉振動子４の下部にセンサ基部２を貫通させて応力遮断用の切欠き部１５を設けたことにより、第２の音叉振動子４への応力の影響を図１に示す荷重センサ１よりも除去抑制できる。

〔実施形態例３〕
図７は本発明に係る荷重センサの更に別の構成例を示す正面図である。本荷重センサ１は、板状体をワイヤカット放電加工等で切り抜きセンサ基部２と一体的に第１の音叉振動子３、第２の音叉振動子４、梃子部５、牽引部８、荷重受部１０等を設けた点、及び励振用圧電素子３９、４１、ピックアップ用圧電素子４０、４２の取付け位置等は、図１及び図４に示す荷重センサと同じである。本荷重センサ１が図１及び図４に示す荷重センサ１と相違する点は、荷重による応力が第２の音叉振動子４に加わらないようにする応力遮断用の切欠き部（溝部）の形状とその配置である。切欠き部１６は第２の音叉振動子４の上部に該第２の音叉振動子４の中心軸と直交する方向に切欠き部１６がセンサ基部２を貫通して配置され、その一端は屈曲し上記空隙Ｃに開口している。切欠き部１７は図１の切欠き部１２と略同じ形状で同じ目的の為に設けられており、該第２の音叉振動子４の上方に配置され、一端は空隙Ｅに開口している。また、切欠き部１８は第２の音叉振動子４の下方に第２の音叉振動子４の中心軸に平行にセンサ基部２を貫通して配置され、一端は空隙Ｃに開口し、他端はセンサ基部２の外に開口している。

図８は図７の荷重センサ１の荷重受部１０に矢印Ｆ方向に示すような３００Ｎ（＝３０．５９１５ｋｇｆ）の荷重をかけた場合のセンサ基部２内に発生する応力分布の解析結果を等高線で示した図である。比較のため、等高線の間隔を２、４、６、８、１０、３０、５０［Ｎ／ｍｍ²］としている。図示するように、センサ基部２の第２の音叉振動子４の上部及び下部に該センサ基部２を貫通させて応力遮断用の切欠き部１６、１８を設けたことにより、第２の音叉振動子４での応力の発生がなく、荷重により生じる応力の影響を図１及び図４に示す荷重センサ１よりも更に除去抑制できる。

図９のモデルに示すように、第２音叉振動子４の右側に設けた支点部２８の一点のみで第２音叉振動子４をセンサ基部２に接続すると切欠き部１６、１８は図７に示すような形状となる。図７における空隙Ｃ，Ｄが図９における空隙Ｃ，Ｄに対応する。図９において、荷重受部１０に矢印Ｆに示すように下向きの荷重を受けた場合、梃子部５を介して第１音叉振動子３の上端には上向きの力が作用するが、第１音叉振動子３の下端はセンサ基部２に固定されているため、該第１音叉振動子３の両端には相応の力が生じる。それに対して、第２音叉振動子４は軸に直交する方向の片側の１つの支点部２８のみを介してセンサ基部２に接続されているため、第２音叉振動子４の両端には力が作用しない形状となっている。図９に示すモデルを元に切欠き部１８を設け、荷重センサとしたのが図７に示す荷重センサである。

図９のモデルでは第２音叉振動子４の右側に設けた支点部２８で第２音叉振動子４をセンサ基部２に接続したのに対して、図１０のモデルでは支点部２８を第２音叉振動子４の左側に設けている。このようにしても第２音叉振動子４は１つの支点部２８のみを介してセンサ基部２に接続されているため、第２音叉振動子４の両端には力が作用しない形状となる。図１０に示すモデルを元に右側に切欠き部１８を設け、更に切欠き部１６を切欠き部１６’のように変更し、新たに左側に切欠き部１９を設けて荷重センサ１を構成したのが、図１１に示す荷重センサであり、図１１の空隙Ｅ，Ｇが図１０の空隙Ｅ，Ｇに対応する。つまり、切欠き部の少なくとも１つは、第２の音叉振動子の軸に直交する方向の片側のみがセンサ基部２に連結され、該第２の音叉振動子４の両端に該センサ基部２で発生した応力が作用しないように設けた。

上記のようにセンサ基部２に一体的に第１の音叉振動子３と第２の音叉振動子４を設け、荷重によるセンサ基部２に発生する応力が、第２の音叉振動子４に作用しないように、応力遮断用の切欠き部の形状及びその配置位置等を適宜選択して設けることにより、荷重受部１０にかかる荷重によりセンサ基部２に発生する応力が、第２の音叉振動子４に作用しないようにすること、即ち第２の音叉振動子４の振動に影響を与えないようにすることが可能となる。このようにセンサ基部２に発生する応力が第２の音叉振動子４に作用しないようにすることにより、第２の音叉振動子４の振動数の変化は、温度によるものとなる。この温度による振動数の変化は、第１の音叉振動子３と第２の音叉振動子４を同一のセンサ基部２に一体的に形成していることから、両音叉振動子に共通である。

従って、第２の音叉振動子４の温度による振動数の変化を用いて第１の音叉振動子３の温度による振動数の変化を除去することにより、第１の音叉振動子３から荷重変化のみによって変化する振動数の変化のみが得られる。

次に荷重センサを組み込む（使用する）秤について説明する。図１２乃至図１６は上記荷重センサを用いる秤のロバーバル機構の構成を示す図で、図１２はロバーバル機構の外観斜視図、図１３は荷重センサとロバーバル機構２０の分解斜視図、図１４はロバーバル機構の正面図、図１５は荷重センサを組み込んだロバーバル機構の外観斜視図、図１６は荷重センサを組み込んだロバーバル機構の正面図である。本ロバーバル機構２０は所定の間隔を設けて平行に配置された一対のビーム２１、２１が形成され、各ビーム２１にその所定位置の両面を円弧状に切削した切削部２２を形成して肉薄の起歪部２３を二箇所に設けた構成である。一対のビーム２１、２１の両端部は連結部２６、２７で結合され、平行リンク機構を構成している。また、一対のビーム２１、２１の間には荷重センサ１を収容する荷重センサ収容部２４が形成され、該荷重センサ収容部２４に荷重センサ１の荷重受部１０を取り付けるセンサ荷重受部取付部２５と、その上部に荷重センサ１のセンサ基部２を取り付けるセンサ基部取付部２９が設けられている。そしてセンサ基部取付部２９はロバーバル機構２０の固定端側（連結部２７側）と一体で連結部２６とは非接触となっている。また、センサ荷重受部取付部２５はロバーバル機構２０のセンサ荷重受部取付部２５の可動端側（連結部２６側）に一体となっている。即ち、図１４に示すようにロバーバル機構２０のセンサ基部取付部２９の上下辺部、及び右辺部の外周部には空隙３２が設けられ、連結部２６は連結部２７に対して一対のビーム２１、２１を介して上下方向に移動できるようになっている。

上記構成のロバーバル機構２０の荷重センサ収容部２４に、荷重センサ１（ここでは図７に示す荷重センサ１）を収容し、そのセンサ荷重受部取付部２５に荷重センサ１の荷重受部１０を、センサ基部取付部２９に荷重センサ１のセンサ基部２を取り付け固定する。なお、この取り付けは荷重受部１０に設けられた孔１０ａにビスを通し、該ビスをセンサ荷重受部取付部２５に設けられた孔２５ａに捩じ込み、センサ基部２に設けられた孔２ａにビスを通し、該ビスをセンサ基部取付部２９に設けられた孔２９ａに捩じ込んで行う。そしてロバーバル機構２０の連結部２６にブラケット３２を介して秤量皿３１を取り付けることにより、図１７に示す秤３０を構成する。なお、図１７は秤３０の正面図である。また、連結部２７はボルト等により秤３０を取り付ける基台に取り付けることができるようになっている。

上記構成の秤において、秤量皿３１に測定荷重を載置（図示は省略）すると、その荷重は上記のように連結部２６に作用し、ロバーバル機構２０の平行リンク作用により、図１６の矢印Ｆに示すように連結部２６は垂直方向に下降する。つまり、ロバーバル機構２０の可動端側で下降すると、可動端側に位置するセンサ荷重受部取付部２５も下降する。そしてこのセンサ荷重受部取付部２５が垂直方向に下降することにより、荷重センサ１には荷重受部１０の孔１０ａの中心とセンサ基部２の孔２ａの中心を結ぶ垂直線上に下降する力Ｆが作用し、荷重によるモーメントの発生を除去できる。この荷重は牽引部８を介して梃子部５に伝えられ、梃子部５は支点部６を中心に回動し、梃子部５の一端部に矢印Ａに示す方向に力が作用し、第１の音叉振動子３に中心軸方向の荷重に対応した引っ張り力が作用する。荷重に応じて第１の音叉振動子３の振動数が変化する。

図１８は上記秤３０のシステム構成を示すブロック図である。秤３０はＣＰＵ３５、ＲＯＭ３６、ＲＡＭ３７、表示部３８、励振用圧電素子３９、ピックアップ用圧電素子４０、励振用圧電素子４１、及びピックアップ用圧電素子４２を備えている。励振用圧電素子３９は第１の音叉振動子３を振動させるための励振用圧電素子であり、ピックアップ用圧電素子４０は第１の音叉振動子３の振動をピックアップするためのピックアップ用圧電素子である。また、励振用圧電素子４１は第２の音叉振動子４を振動させるための励振用圧電素子であり、ピックアップ用圧電素子４２は第２の音叉振動子４の振動をピックアップするためのピックアップ用圧電素子である。

励振用圧電素子３９及び励振用圧電素子４１を起動すると、第１の音叉振動子３及び第２の音叉振動子４はそれぞれ一定の固有振動数で振動する。第１の音叉振動子３及び第２の音叉振動子４の振動はそれぞれピックアップ用圧電素子４０及びピックアップ用圧電素子４２でピックアップされる。この状態で、秤量皿３１に被測定物が載置され、荷重がかかると該荷重はロバーバル機構２０を介して荷重センサ１の荷重受部１０にかかり、上記のように牽引点部９、牽引部８、及び牽引点部７を介して梃子部５の他端部に作用し、梃子部５は支点部６を中心に回動し、梃子部５の一端部に連結された第１の音叉振動子３に中心軸方向の引っ張り力（テンション）が作用する。

上記のように第１の音叉振動子３に荷重によるテンションが加わると振動数が上昇し、周期Ｔは短くなる。また、温度が上がると第１の音叉振動子３及び第２の振動子４の弾性係数が下がるので、周期は長くなる。上記のように、第１の音叉振動子３と第２の音叉振動子４は、固有振動数が異なるが、温度による変化分の振動数は同じであるので、変化分の周期も同じになる。

第１の音叉振動子３は、即ち荷重測定用の音叉振動子の振動周期Ｔ₃は、荷重をＦ、温度をｔとすると、
Ｔ₃＝ｆ（Ｆ，ｔ）
で表され、
温度測定用の第２の音叉振動子４には上記のように荷重及び荷重により発生する応力が作用しないのであるから、その振動周期Ｔ₄は、
Ｔ₄＝ｆ（ｔ）
で表される。よって、第１の音叉振動子３の荷重の変化による振動周期の変化分Ｔは、下式で表される。
Ｔ＝ｆ（Ｆ，ｔ）−ｆ（ｔ）

ＣＰＵ３５は、第１の音叉振動子３の振動をピックアップするピックアップ用圧電素子４０からの周波数、第２の音叉振動子４の振動をピックアップするピックアップ用圧電素子４２からの周波数をＲＡＭ３７の所定のエリアに格納しておき、上記式を演算して第１の音叉振動子３の振動周期Ｔ₃から温度に影響されない振動周期の変化分Ｔを算出することにより、温度に影響されない荷重値を算出することができる。そして算出した荷重値は表示部３８に表示される。なお、ＣＰＵ３５の上記処理はＲＯＭ３６に格納しているプログラムＣＰＵ３５で実行することにより行う。

上記の荷重センサには、例えばＮｉ，Ｆｅ，Ａｌ等の合金からなる恒弾性材料を使用すれば、弾性係数の温度依存性が少ないので好ましいが、恒弾性材料自体高価である。また、Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｌ等の合金からなる恒弾性材料であっても、恒弾性としての特性を出せる合金にするには、該合金を冷間圧延し、更に時効硬化処理をするなど、様々な処理が必要である。従って、従来では非恒弾性材料を使用したいが、従来の基板で温度補正をする方式で、非恒弾性材料を使用すると、温度変化が同期しないので、温度補正の精度が悪くなり、非恒弾性材料を使用することができなかった。

一方、本発明に係る荷重センサでは、荷重センサ自体にその弾性係数が周囲温度に大きく依存する非恒弾性材料であるＳＵＳを使用したとしても、荷重測定用の音叉振動子である第１の音叉振動子３の振動数の温度変化分を温度補正用の音叉振動子である第２の音叉振動子４の振動数の温度変化分で容易に相殺することができるので、安価で特別な処理が不要な非恒弾性材料を用いても高精度の温度補償が可能になる。

本発明に係る荷重センサ１では、センサ基部２に一体的に荷重を検出するための第１の音叉振動子３、荷重や発生する応力の影響を受けない構成の第２の音叉振動子４を設けている。第１の音叉振動子３は荷重と温度変化の両方の影響を受け、第２の音叉振動子４は温度変化のみの影響を受ける。第２の音叉振動子４は、第１の音叉振動子３よりも大きさが小さく、それぞれの固有振動数は異なる。これは第２の音叉振動子４を設けるスペースの問題であり、機能としては第１の音叉振動子３と全く大きさの同じ、同じ固有振動数の音叉振動子を二つ設けてもよい。本実施形態例では、第１の音叉振動子３の振動数には約２ｋＨｚのものを、第２の音叉振動子４には約４ｋＨｚのものを使用している。但し、温度変化による固有振動数の変化分は同じであるから、異なる固有振動数の音叉振動子であってもよい。

なお、上記実施形態例では、表示部３８に、重量値を表示する秤３０を示したが、これに限らず、重量値の他に該重量値に基づく金額を表示したり、また、該重量値や金額を印字する印字手段を備えるようにしてもよい。また、上記例では、第１の音叉振動子３の固有振動数は約２ｋＨｚ、第２の音叉振動子４の固有振動数は約４ｋＨｚとしたが、これに限らず他の固有振動数のものを使用してもよい。

また、上記実施形態例では、荷重センサ１を、板状体（肉厚の板状態）をワイヤカット放電加工等で切り抜き、第１の音叉振動子３、第２の音叉振動子４、梃子部５、牽引部８、及び荷重受部１０等をセンサ基部２と一体的に形成した構成であるが、これに限定されるものではなく、薄い金属板をエッチング処理により第１の音叉振動子３、第２の音叉振動子４、梃子部５、牽引部８、及び荷重受部１０等をセンサ基部２と一体的に形成し、該薄い金属板をエッチング処理によりセンサ基部２と一体的に形成したものを複数枚重ね合わせて、真空中で昇温・加圧することにより接着し、積層構造の荷重センサ１としてもよい。

上記のように、荷重センサ１を板状体をワイヤカット放電加工等で切り抜いた構造では、カット時のワイヤのブレにより、加工精度が低下するおそれがある。これに対して、上記薄い金属板をエッチング処理したものを複数枚重ね合わせて積層構造とするものは、エッチング処理による加工するため、加工時のバラツキが小さく、加工精度の高い荷重センサが得られる。

なお、上記実施形体では、基部に非恒弾性材料を用いていたが、高価であるが恒弾性材料で音叉振動子を製造し、更に温度変化により振動数の変化を少なくするために、恒弾性材料を冷間圧延し、時効硬化処理する等処理を施してもよい。

また、図９では支点部２８が第２音叉振動子４の右側、図１０では第２音叉振動子４の左側に位置する側で説明したが、支点部２８の位置を問わず、センサ基部２で一箇所で接続されており、その箇所は第２音叉振動子４に応力が伝わらないような位置であれば良い。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明に係る荷重センサの構成例を示す図である。図１に示す荷重センサの荷重による発生する内部応力の解析結果を示す図である。図２の要部を示す拡大図である。本発明に係る荷重センサの他の構成例を示す図である。図４に示す荷重センサの荷重による発生する内部応力の解析結果を示す図である。図２の要部を示す拡大図である。本発明に係る荷重センサの他の構成例を示す図である。図７に示す荷重センサの荷重による発生する内部応力の解析結果を示す図である。第２音叉振動子４を支点部２８の一点のみでセンサ基部２に接続した荷重センサモデルを示す図である。図９の荷重センサモデルの切欠き部１８の位置を変えたモデルを示す図である。本発明に係る荷重センサの他の構成例を示す図である。本発明に係る秤のロバーバル機構の外観斜視図である。本発明に係る秤のロバーバル機構と荷重センサの分解斜視図である。本発明に係る秤のロバーバル機構の正面図である。図１２に示すロバーバル機構に荷重センサを組み込んだ状態を示す外観斜視図である。本発明に係る秤のロバーバル機構の正面図である。本発明に係る秤の正面図である。本発明に係る秤のブロック構成を示す図である。

符号の説明

１荷重センサ
２センサ基部
３第１音叉振動子
４第２音叉振動子
５梃子部
６支点部
７牽引点部
８牽引部
９牽引点部
１０荷重受部
１１切欠き部
１２切欠き部
１３切欠き部
１４切欠き部
１５切欠き部
１６，１６’ 切欠き部
１７切欠き部
１８切欠き部
１９切欠き部
２０ロバーバル機構
２１ビーム
２２切削部
２３起歪部
２４荷重センサ収容部
２５センサ荷重受部取付部
２６連結部
２７連結部
２８支点部
２９センサ基部取付部
３０秤
３１秤量皿
３２空隙
３５ＣＰＵ
３６ＲＯＭ
３７ＲＡＭ
３８表示部
３９励振用圧電素子
４０ピックアップ用圧電素子
４１励振用圧電素子
４２ピックアップ用圧電素子

Claims

センサ基部と一体的に形成された音叉振動子を備え、該音叉振動子に荷重が加わることにより、該音叉振動子の振動数が変化し、該変化した振動数により加わった荷重を検出する荷重センサであって、
前記荷重を検出する第１の音叉振動子とは別に、前記荷重の影響を受けない構成の第２の音叉振動子を前記センサ基部と一体的に設け、
さらに前記センサ基部に支点部によって支持され且つ前記第１の音叉振動子に結合される梃子部を設置し、
前記センサ基部中に、一端がセンサ基部と梃子部の間の空隙に開口することで、前記支点部及びその周囲に加わる応力を分散する支点部破壊防止用の切欠き部を設け、
前記第１の音叉振動子の振動数と第２の音叉振動子の振動数とから前記荷重を検出することを特徴とする荷重センサ。
請求項１に記載の荷重センサにおいて、
前記支点部破壊防止用の切欠き部は、前記荷重により前記センサ基部内に発生する応力が前記第２の音叉振動子に加わらないように、前記第２の音叉振動子の上方に設けられることを特徴とする荷重センサ。
請求項１又は２に記載の荷重センサにおいて、
前記センサ基部中には、前記支点部破壊防止用の切欠き部の他に、前記荷重により前記センサ基部内に発生する応力が前記第２の音叉振動子に加わらないようにする、応力遮断用の切欠き部を設けたことを特徴とする荷重センサ。
請求項３に記載の荷重センサにおいて、
前記応力遮断用の切欠き部は、前記第２の音叉振動子の中心軸に直交する状態に形成されるか、或いはその一端が前記第２の音叉振動子の上部に位置し他端が前記第１の音叉振動子と第２の音叉振動子の間に位置するように形成されることを特徴とする荷重センサ。
前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷重センサを備え、
前記第１の音叉振動子の振動数と第２の音叉振動子の振動数とに基づき前記荷重を算出する算出手段を備えたことを特徴とする秤。