JP6335292B2 - 質量センサ - Google Patents

Description

この発明は、ロバーバル機構を有する質量センサの四隅調整機構に関する。

ロバーバル機構は、秤量物の荷重をセンサ本体に伝達する機構として、電磁平衡式天秤、歪ゲージを使用した電子天秤、静電容量の変化を利用した静電容量式天秤などに幅広く利用されている。

ロバーバル機構は、秤量物の荷重を受ける浮き枠と、浮き枠と対向配置されケース等に固定される固定部とが、両端部近傍にヒンジとなる薄肉部が形成され上下に平行に配置された上下副桿で連結された構造を有し、仮に浮き枠に支持された計量皿上で偏置荷重（四隅誤差）が発生しても、偏置荷重により発生するセンサ部の受けるモーメント荷重の水平成分は上下副桿に伝達してキャンセルされ、垂直成分のみがセンサ本体に伝達される原理である。

したがって、上下副桿の平行が狂うと、水平成分の誤差がそのまま計量値にあらわれるため、ロバーバル機構を有する高精度な質量センサでは、上下副桿の上下高さを一致させる平行調整がなされるのが通常である。

この高さ調整は、一般的には、調整点（薄肉部）を切削することにより行われている。しかし、この切削法は、可逆的ではなく、また摩擦熱による調整誤差が懸念されるため、ネジを用いた可逆的な四隅調整機構が設けられているものがある。

例えば特許文献１の質量センサは、固定部の一端部からセンサ内側に向けて延設された片持ち梁状のアーム部の上方に上副桿が固定され、調整ネジが該アーム部の略中央部に挿通され固定部に螺着された四隅調整機構を有している。アーム部と固定部の間には、調整ネジを緩めたときのアーム部の復元を付勢するためのコイルバネが設けられている。この四隅調整機構によれば、調整ネジを回転することで、上副桿が上下し、上下副桿の平行調整が可能となる。

特開２００７−３１５７７４号公報

このような調整ネジを利用した四隅調整機構によって、可逆的な四隅調整が可能となったが、近年、質量センサの高性能化が進んでおり、特に分解能の高い天秤に対しては、上下副桿の平行調整に、よりいっそうの厳密さが求められるようになった。

ここで、短絡的に考えれば、四隅調整の感度を下げるには、ロバーバル機構を大型化したり、また四隅調整部の剛性を下げればよい。この考え方に立てば、四隅調整を行う部位の厚みを低減したり、切削部を形成することが考えられる。しかし一方で、天秤の製品性能を維持する観点からは、質量センサの剛性は出来る限り高くあることが好ましい。四隅調整の感度を低下させることとロバーバル機構の剛性を高く保つことには相反する関係があり、両者を満足させることは難しいという問題がある。

本発明の目的は、ロバーバル機構の剛性を下げることなく四隅調整の感度を下げられる四隅調整機構を有する質量センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の質量センサは、秤量物の荷重を受ける浮き枠と、前記浮き枠と対向配置される固定部とが、両端部近傍に薄肉部が形成され上下に平行に配置された上下の副桿で連結されたロバーバル機構と、前記上下の副桿の平行調整をするための四隅調整機構と、を含む質量センサであって、前記四隅調整機構は、前記上下の副桿のいずれか一方の固定部側端部に上下方向に挿通し、前記固定部に螺着する調整ネジと、前記調整ネジのネジ部に、前記固定部側端部を挟持して上下方向に直列的に配置された上弾性部材および下弾性部材と、を有することを特徴とする。

この態様によれば、四隅調整機構として、調整ネジと２つの弾性部材を用い、平行調整を行う副桿に対し、調整ネジを挿通するとともに、調整ネジのネジ部において、高さ調整方向となる上下方向に副桿を挟持して２つの弾性部材を直列配置した。これにより、調整ネジを締めると、調整ネジによる変位量は上下の弾性部材の変位量に分配され、結果、上弾性部材と下弾性部材の中間に位置する副桿は、上弾性部材の変位量を差し引いた分しか変位しない。すなわち、調整ネジの変位量に対し、上弾性部材の変位量を差し引いた変位量がロバーバル機構の高さ調整量として機能するため、この分四隅調整機構の構造を拡大することなく、四隅調整の感度を下げられる。

また、この態様によれば、２つの弾性部材を、調整対象となる副桿の上下に配置するものであるので、四隅調整機構を設ける部位の厚みや形状を変更するものではない。これにより、四隅調整機構を付加しても、ロバーバル機構の剛性は維持される。

上記態様において、前記上弾性部材の弾性係数は前記下弾性部材の弾性係数よりも小さいことが好ましい。これにより、四隅調整機構の調整ネジの変位は、上下の弾性部材の弾性係数比に反比例して分配されるので、上下の弾性部材の弾性係数に差を設け、上弾性部材よりも下弾性部材の弾性係数を大きく設定することにより、上弾性部材の変位量相殺分が大きくなり、上記態様が良好に機能し、よりいっそう四隅調整の感度を下げられる。

上記態様において、前記四隅調整機構が設けられた前記副桿は、前記固定部と結合する結合部を有し、前記結合部は、前記副桿の前記薄肉部と前記四隅調整機構の間に形成されるのが好ましい。これにより、力点（四隅調整機構）と調整点（薄肉部）の間に支点が形成されるため、ロバーバル機構に純粋に垂直成分を伝えることができる。

上記態様において、上弾性部材、下弾性部材には共に板バネ又はコイルバネを利用するのがよい。より好ましくは、上弾性部材は板バネ又はコイルバネ、下弾性部材はコイルバネを利用するのがよい。これにより、センサ構成の全高を低く抑えることが容易となり小型化することができる。

本発明の質量センサによれば、ロバーバル機構の剛性を下げることなく四隅調整の感度を下げることができる。

次に、本発明の好適な実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る質量センサの後方斜視図、図２は同質量センサの正面図、図３は同質量センサの平面図、図４は同質量センサの右側面図、図５は同質量センサの縦断面図（図３に示すＶ−Ｖ線に沿う断面図）、である。なお、図２〜図５では、皿受け部２１０の記載を省略している。

質量センサ１は、直方体状であり、ロバーバル機構２と、センサ本体３と、を有する。ロバーバル機構２には、四隅調整機構４が設けられている。センサ本体３には、一例として電磁平衡式センサが用いられている（図１等参照）。

ロバーバル機構２は、秤量物の荷重を受ける柱状の浮き枠２１と、秤のケース等に固定される固定部２２とが対向配置され、浮き枠２１と固定部２２との間は上下に平行に配置された平板状の上副桿２３と下副桿２４によって連結されている。これら浮き枠２１、固定部２２、上副桿２３及び下副桿２４は、アルミダイカスト、アルミの押し出し材、アルミの鍛造等により成形された一体の金属ブロックからフライスマシン等の切削により形成されている（図２等参照）。浮き枠２１の上面には、計量皿を支持するための皿受け部２１０がネジ固定されている。

固定部２２には、ロバーバル機構２の構造内空間に張り出す荷重伝達部２９が形成されている。荷重伝達部２９は、浮き枠２１に対し、上吊りバンド３０ａ、一次ビーム体３１及び支点バンド３０ｂを介して連結されている（図５等参照）。浮き枠２１に作用する荷重は、荷重伝達部２９の側面にネジ止めされた二次ビーム体２８を介してセンサ本体３に伝達される。センサ本体３は、枠体２６を介してロバーバル機構２に保持されている（図２等参照）。荷重伝達部２９には、図示しないショックアブソーバ受け部を取り付けるための受け孔５´が設けられている。荷重伝達部２９、一次ビーム体３１及び上副桿２３には、それぞれ、質量センサ１を組み付ける際の位置決め孔２９´，３１´，２３´が設けられている（図５等参照）。

上下副桿２３、２４の両端部の近傍には、センサ幅方向に亘り、薄肉部２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂが形成されている（図２、図３等参照）。

上副桿２３の固定部側端部２３Ｅは、薄肉部２３ｂ形成位置よりもセンサ内側位置から二股に分岐して、固定部２２の上面と所要の距離をおいて水平に延出している（図３、図５等参照）。以降、この固定部側端部２３Ｅの延出部のうち一方（図３の図面下側）を第１の延出部２３０１、他方（図３の図面上側）を第２の延出部２３０２と称する。第１の延出部２３０１及び第２の延出部２３０２には、薄肉部２３ｂ形成位置よりもセンサ外側位置において、下方に延出し固定部２２の上面と一体となって結合する結合部２３０が形成されている（図５等参照）。

第１の延出部２３０１及び第２の延出部２３０２には、後述する調整ネジ４１のための挿通孔が形成されている。固定部２２には、この挿通孔と対向する位置に、調整ネジ４１を螺合する雌ネジ部が形成されている。

四隅調整機構４は、第１の延出部２３０１と第２の延出部２３０２に設けられている。以下、四隅調整機構４の構成について、第１の延出部２３０１を用いて説明する。第２の延出部２３０２に対しても、同様に四隅調整機構４が設けられている。なお、本実施形態では、上副桿２３の固定部側端部２３Ｅの延出部２３０１，２３０２に四隅調整機構４が設けられているが、四隅調整機構４は、下副桿２４の固定部側端部に設けられていてもよい。

四隅調整機構４は、調整ネジ４１と、上方に配置される板バネ４２ｕ（上弾性部材）と、下方に配置されるコイルバネ（下弾性部材）４２ｄと、からなる。

調整ネジ４１は、ネジ頭４１０と、雄ねじ部が切られたネジ部４１１を有するものであれば、一般に市販されているものでよい。好ましくは、ロバーバル機構２を構成する材料と同一材料である方が、熱変化に対する寸法変化の差が小さく性能が安定し、また、螺子ピッチの細かい方が四隅調整感度を低く設定でき、調整が容易となる。

調整ネジ４１は、第１の延出部２３０１の挿通孔を挿通し、固定部２２に形成された雌ネジ部に螺着されている。調整ネジ４１のネジ部４１１には、固定部２２と第１の延出部２３０１の間位置にコイルバネ４２ｄが、第１の延出部２３０１とネジ頭４１０の間位置に板バネ４２ｕが介装されている。

コイルバネ４２ｄは、治具により圧縮された状態で、調整ネジ４１の挿通時に上記の位置に介装される。

板バネ４２ｕは、長方形状の一枚板金が円弧状（円弧部略４分の３）に曲げられて上板部及び下板部が鋭角をなす形状に形成され、上板部が片持ちばね状に機能するように形成されている。下板部の端部は、第１の延出部２３０１に固定するために下方に屈曲されている。板バネ４２ｕの上板部及び下板部の所要位置には、調整ネジ４１の挿通孔が形成されている。板バネ４２ｕは、調整ネジ４１の挿通時に、圧縮状態で介装され、支点となる屈曲部がセンサ内側、力点となる開放部がセンサ外側となるよう、下板部が第１の延出部２３０１に沿って配置され、下板部の端部が第１の延出部２３０１の側面に対しネジ固定される。なお、板バネ４２ｕの上記形状は一例であって、バネ定数の設計が容易で成形加工に無理のない形状であればよいであればよい。

上記板バネ４２ｕ及びコイルバネ４２ｄはいずれも、圧縮状態で装着されているため、常に四隅調整機構４を一定方向に押し付ける付勢力がかかり、調整ネジ４１の回動時に発生するバックラッシュを防ぐことができる。

以上の通り、四隅調整機構４は、平行調整を行う上副桿２３に対し、調整ネジ４１を挿通するとともに、調整ネジ４１のネジ部４１１に対し、高さ調整方向となる上下方向に、上副桿２３の第１の延出部２３０１及び第２の延出部２３０２を挟持して、上方に板バネ４２ｕ、下方にコイルバネ４２ｄを直列的に配置したものである。

四隅調整は、調整ネジ４１の回動により行われる。調整ネジ４１の回動による、調整ネジ４１の上下方向変位（ネジ変位）を受けて、四隅調整機構４を介して上副桿２３が変位し、調整点（薄肉部２３ｂ）が高さ調整される。ここで、四隅調整機構４のコイルバネ４２ｄ及び板バネ４２ｕはいずれも、常にオフセット荷重を受けた状態となっているため、四隅調整時によるバネによる応力変化は無視できるとする。すると、四隅調整時の調整ネジ４１のネジ変位は、上下のバネのバネ定数比に反比例して分配される。すなわち、調整ネジ４１を締めても、調整ネジ４１のネジ変位に対し、板バネ４２ｕとコイルバネ４２ｄの間に位置する上副桿２３は、板バネ４２ｕの変位量を差し引いた変位量分しか影響を受けない。

ここで、上方に配置された板バネ４２ｕのバネ定数Ｋｕは、下方に配置されたコイルバネ４２ｄのバネ定数Ｋｄよりも小さく設計されている。四隅調整機構４の調整ネジ４１の変位は、上方の板バネ４２ｕと下方のコイルバネ４２ｄのバネ定数比に反比例して分配されるので、上方のバネ定数Ｋｕ＜下方のバネ定数Ｋｄと設定することにより、上方の板バネ４２ｕの変位量相殺分が大きくなる。

以上により、調整ネジ４１を締めると、調整ネジ４１の変位量は、上方の板バネ４２ｕ及び下方のコイルバネ４２ｄの変位量に分配され、上方の板バネ４２ｕの変位量を差し引いた変位量がロバーバル機構２の高さ調整量として機能する。特に、上方の板バネ４２のバネ定数Ｋｕよりも下方のコイルバネ４２ｄのバネ定数Ｋｄを大きく設定しているので、副桿２３の上方に調整代を大きくとることができ、逆の設定（上方の板バネ４２のバネ定数Ｋｕを下方のコイルバネ４２ｄのバネ定数Ｋｄをよりも大きく設定する構成）とするよりも、より良好に四隅調整機構４の感度を下げることができる。

また、この態様によれば、２つの弾性部材４２ｕ，４２ｄを、調整対象となる上副桿２３（第１の延出部２３０１及び第２の延出部２３０２）の上下に配置するものであるので、四隅調整機構４を設けた第１の延出部２３０１（第２の延出部２３０２）の厚みを低減させたり、切削等するものではない。すなわち、四隅調整機構４の構成によって、ロバーバル機構２の剛性が低下することはない。

また、この態様によれば、四隅調整機構４と薄肉部２３ｂの間に結合部２３０が設けられたことにより、力点（四隅調整機構４）と調整点（薄肉部２３ｂ）の間に支点が形成されている。すなわち、この位置に結合部２３０を設けたことで、「調整点・支点・力点」の関係ができ、四隅調整機構４の調整ネジ４１の回動に伴って上副桿２３にねじれ成分が発生しても、結合部２３０（支点）を介することで垂直成分以外は伝達しにくくなり、ロバーバル機構２には純粋な垂直成分のみが伝わりやすくなるため、質量センサ１の性能低下を防止できる。

比較例として、結合部２３０をセンサ外側位置に形成し、四隅調整機構４を結合部２３０と薄肉部２３ｂの間位置に設ける構成を取ったものを試作したが、このような「調整点・力点・支点」の並びの場合は、四隅誤差がキャンセルされないことを確認した。

以上、この態様において、実際に以下の効果が確認できた。結果として、本実施形態の四隅調整機構４により、四隅調整の感度は従来の２分の１に落とすことができた。実施例と比較例におけるこの差は、天秤の性能に換算すれば、例えばひょう量１０[ｋｇ]の天秤で、ひょう量×１／２の分銅における、皿上１／４の位置での四隅調整の感度を最適化し、例えば、±０．０１gまでしか調整できなかったものを、±０．０５ｇに調整可能とする。

実施例：上記ロバーバル機構２において、四隅調整機構４は、調整ネジ４１の１ピッチ（ねじ変位０．５[ｍｍ]）、板バネ４２ｕのバネ定数Ｋｕ＝５[ｋｇｆ/ｍｍ]、コイルバネ４２ｄのバネ定数Ｋｄ＝１０[ｋｇｆ/ｍｍ]、で設計した。この実施例において、調整ネジ４１を１ピッチ落とすと、ロバーバル変位（調整点となる薄肉部２３ｂの変位）は０．０５[ｍｍ]であった。

比較例：従来の態様（特許文献１の構成の質量センサ：下方に付勢用に配置されたコイルバネのバネ定数＝１０[ｋｇｆ/ｍｍ]）において、実施例と同様の調整ネジ４１を用いて１ピッチ落とした場合、ロバーバル変位（調整点となる薄肉部の変位）は０．１[ｍｍ]であった。

（第２の実施の形態）
図６は発明の第２の実施の形態に係る質量センサの後方斜視図、図７は発明の第２の実施の形態に係る正面図、図８は発明の第２の実施の形態に係る質量センサの右側面図、図９は発明の第２の実施の形態に係る質量センサの縦断面図（図８示すＩＸ-ＩＸ線に沿う断面図）である。

第２の実施の形態では、第１の実施の形態における上弾性部材を、コイルバネ４２０ｕとしたものである。本態様においても、上方に配置されるコイルバネ４２０ｕのバネ定数Ｋ´ｕは、下方に配置されるコイルバネ４２ｄのバネ定数Ｋｄよりも小さく設定されるのが好ましい。第１の実施の形態と同様の構成については、同一の符号を引用して説明を略す。

上方に配置するコイルバネ４２０ｕは、治具により圧縮された状態で、第１の延出部２３０１及び第２の延出部２３０２に固定されたコイル保持部４２１内に、圧縮状態で収容されている。コイル保持部４２１は、コイルを上下から狭持し、螺子の回転力を直接コイルに伝達させず、コイルに上下方向の変位のみを安定して伝える構造となっている。第２の実施の形態であっても、第１の実施の態様と同様の効果らが得られる。

以上、いずれの四隅調整機構４であっても、ロバーバル機構２の剛性を下げることなく四隅調整の感度を下げるという相反する問題を解決することができる。また、いずれの四隅調整機構４であっても、２つの弾性部材を、調整対象となる副桿の上下に配置するものであるので、従来一般的に行われている切削調整は必要なく、質量センサ１の生産性の観点からも好適である。すなわち、いずれの四隅調整機構４の採用によっても、質量センサ１は、計量器としての性能向上と生産性改善を達成した。

なお、上弾性部材と下弾性部材にはバネ材を用いることで、上バネ材と下バネ材とのバネ定数の差分設計が容易となるため、好適である。ただし、上弾性部材及び／又は下弾性部材は、変形自在な気密容器に封印されたゾル・ゲルや 樹脂系ポリマー材料等の弾性素材が用いられる態様であってもよく、弾性体、好ましくは可逆的な性質を持つ弾性体であれば、本願発明に含まれる。

本発明の第１の実施の形態に係る質量センサの後方斜視図 本発明の第１の実施の形態に係る質量センサの正面図 本発明の第１の実施の形態に係る質量センサの平面図 本発明の第１の実施の形態に係る質量センサの右側面図 本発明の第１の実施の形態に係る質量センサの縦断面図 本発明の第２の実施の形態に係る質量センサの後方斜視図 本発明の第２の実施の形態に係る正面図 本発明の第２の実施の形態に係る質量センサの右側面図 本発明の第２の実施の形態に係る質量センサの縦断面図

１ 質量センサ
２ ロバーバル機構
４ 四隅調整機構
２１ 浮き枠
２２ 固定部
２３ 上副桿
２３ａ、２３ｂ 薄肉部
２３Ｅ 固定部側端部
２３０ 結合部
２３０１ 第１の延出部
２３０２ 第２の延出部
２４ 下副桿
２４ａ、２４ｂ 薄肉部
４１ 調整ネジ
４１１ ネジ部
４２ｕ、４２０ 上弾性部材（板バネ、コイルバネ）
４２ｄ 下弾性部材（コイルバネ）

Claims (3)

1. 秤量物の荷重を受ける浮き枠と、前記浮き枠と対向配置される固定部とが、両端部近傍に薄肉部が形成され上下に平行に配置された上下の副桿で連結されたロバーバル機構と、前記上下の副桿の平行調整をするための四隅調整機構と、を含む質量センサであって、
   前記四隅調整機構は、
   前記上下の副桿のいずれか一方の固定部側端部に上下方向に挿通し、前記固定部に螺着する調整ネジと、
   前記調整ネジのネジ部に、前記固定部側端部を挟持して上下方向に直列的に配置された上弾性部材である板バネおよび下弾性部材であるコイルバネと、を有し、
   前記板バネは、一枚板金が曲げられて上板部及び下板部が鋭角をなす形状で、前記上板部が片持ちばね状に形成され、前記下板部の端部が下方に屈曲され、支点となる屈曲部がセンサ内側、力点となる開放部がセンサ外側となるよう、圧縮状態で介装され、前記下板部が前記固定部側端部に沿って配置され前記下板部の端部が前記固定部側端部の側面にネジ固定されることを特徴とする質量センサ。
2. 前記上弾性部材の弾性係数は前記下弾性部材の弾性係数よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の質量センサ。
3. 前記四隅調整機構が設けられた前記副桿は、前記固定部と結合する結合部を有し、前記結合部は、前記副桿の前記薄肉部と前記四隅調整機構の間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の質量センサ。

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