JP6403548B2 - 荷重センサ - Google Patents

Description

本発明は、荷重センサおよび荷重検出方法に関する。

特許文献１は、静止体に固定される固定部、及び荷重が加えられると当該荷重に応じて固定部に対して相対的に移動する可動部を有する弾性体と、固定部に固定される第一光ファイバと、その一端が第一光ファイバの一端と対向するように配置された状態で可動部に固定される第二光ファイバと、第一光ファイバ又は第二光ファイバのいずれか一方の他端に設けられ、光を照射する光源部と、第一光ファイバ又は第二光ファイバの他方の他端に設けられ、光源部から照射されて第一光ファイバ及び第二光ファイバを介して伝搬された光の特性を検出する光検出部と、を具備し、光検出部において検出される光の特性の変化に基づいて、可動部に加えられた荷重を検出する荷重センサを開示する（請求項１）。

特開２０１３−１９５３１５号公報

本開示は、受光量の変化に基づいて荷重を検出する荷重センサにおいて荷重検出能力を向上させることを目的の一つとする。

本開示による荷重センサの一態様は、固定部と、荷重を受けて前記固定部に対し変位する変位部と、光を射出するための発光部と、前記発光部に対向するように設けられて前記発光部から射出された光を反射する反射部と、前記反射部に対向するように設けられて前記反射部から反射された光を受光するための受光部と、を備え、以下のＡおよびＢの少なくともいずれか一方を充たし、前記受光部による前記発光部からの前記反射部を介した受光量が荷重による前記変位部の変位に応じて変化するように構成されている。
Ａ）前記発光部と前記受光部とが前記変位部に固定され、前記反射部が前記固定部に固定されている。
Ｂ）前記発光部と前記受光部とが前記固定部に固定され、前記反射部が前記変位部に固定されている。

本開示の一態様によれば、受光量の変化に基づいて荷重を検出する荷重センサにおいて荷重検出能力を向上させることができるという効果を奏する。

図１Ａは、第１実施形態の第１態様にかかる荷重センサの概略構成の一例を示す概念図である。 図１Ｂは、第１実施形態の第２態様にかかる荷重センサの概略構成の一例を示す概念図である。 図２は、実施例にかかる荷重センサの概略構成を示す斜視図である。 図３は、実施例にかかる荷重センサの概略構成を示す側面図である。 図４Ａは、図３のＡ−Ａ線に沿って切った断面図である。 図４Ｂは、図３のＢ−Ｂ線に沿って切った断面図である。 図４Ｃは、図３のＣ−Ｃ線に沿って切った断面図である。 図５は、実施例にかかる荷重センサの発光部、反射部、および受光部の拡大斜視図である。 図６は、実施例にかかる荷重センサの平面図である。 図７は、実施例の荷重センサにおける補償係数の決定方法の一例を示すフローチャートである。 図８は、実施例において荷重位置に応じた補償係数を決定するための表の一例である。 図９は、実施例の荷重センサにおいて補償係数を用いた荷重検出方法の一例を示すフローチャートである。

荷重センサにおいて荷重検出能力を向上させるべく、鋭意検討が行われた。その結果、以下の知見が得られた。

ストレインゲージ式ロードセルでは、高湿度等の厳しい環境において、絶縁不良等が発生する可能性があった。かかる問題に対処しうる荷重センサとして、受光量の変化に基づいて荷重を検出する構成が考えられた。受光量の変化に基づいて荷重を検出する場合、弾性体内部に電気的な要素を含まない構成とすれば、計量時に絶縁不良が発生する可能性が低減される。

特許文献１に開示された荷重センサは、受光量の変化に基づいて荷重を検出することも可能である。かかる荷重センサにおいて荷重検出性能を更に向上させるための検討が加えられた。その結果、固定部と、荷重を受けて固定部に対し変位する変位部とを備えた荷重センサにおいて、固定部および変位部のいずれか一方に発光部および受光部を設け、他方に反射部を設ける構成に想到した。

かかる構成では、装置の容量が同じ場合、反射部を用いない構成に比べて容易に光路長を長くすることができる。光路長が長ければ、発光部の変位と受光部周辺に到達する光の中心の変位の比は大きくなる。すなわち、変位部の変位がより鋭敏に受光部の受光量に影響する。よって、荷重検出の感度が向上する。

発光部と受光部とからなる組を複数設けた場合には、固定部に対する変位部のねじれを検出することも可能である。

固定部と変位部とにストッパを設け、それぞれのストッパが所定のクリアランスを介して対抗するように構成すれば、過負荷による荷重センサの破損が発生する可能性も低減できる。

以下、実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。なお、各図に示されている、各構成物の形状、大きさ、および、位置関係は、あくまで例であって、それらは図示された態様に限定されるものではない。

以下、実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

以下で説明する実施形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。以下に示す数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本開示を限定するものではない。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示しており、必ずしも形状及び寸法比等については正確ではない場合がある。

（第１実施形態）
第１実施形態の荷重センサは、固定部と、荷重を受けて固定部に対し変位する変位部と、光を射出するための発光部と、発光部に対向するように設けられて発光部から射出された光を反射する反射部と、反射部に対向するように設けられて反射部から反射された光を受光するための受光部と、を備え、以下のＡおよびＢの少なくともいずれか一方を充たし、受光部による発光部からの反射部を介した受光量が荷重による変位部の変位に応じて変化するように構成されている。
Ａ）発光部と受光部とが変位部に固定され、反射部が固定部に固定されている。
Ｂ）発光部と受光部とが固定部に固定され、反射部が変位部に固定されている。

かかる構成では、受光量の変化に基づいて荷重を検出する荷重センサにおいて荷重検出能力を向上させることができる。

上記荷重センサにおいて、発光部は、第１光ファイバを備え、第１光ファイバの一端は固定部および変位部の外部に配置されており、受光部は、第２光ファイバを備え、第２光ファイバの一端は固定部および変位部の外部に配置されていてもよい。

かかる構成では、発光素子および受光素子等の電気部品を荷重センサの外部に置くことができる。電気部品を湿気などの過酷な環境から保護しやすくなる。

上記荷重センサにおいて、発光部は、第１光ファイバの他端に設けられた第１レンズを備え、受光部は、第２光ファイバの他端に設けられた第２レンズを備えてもよい。

上記荷重センサにおいて、発光部は、ビームを射出する光源を備えてもよい。

上記荷重センサにおいて、２以上の発光部を備え、２以上の受光部が発光部のそれぞれに対応するように設けられ、受光部が出力する荷重信号に基づいて固定部に対する変位部のねじれを検出可能に構成されてもよい。

上記荷重センサにおいて、発光部の少なくとも２個が隣接するように設けられ、隣接する２個の発光部から射出される２本の光束の間に仕切り板が設けられていてもよい。

上記荷重センサにおいて、発光部は、第１発光部と、第２発光部と、第３発光部と、第４発光部とを備え、受光部は、第１発光部に対応する第１受光部と、第２発光部に対応する第２受光部と、第３発光部に対応する第３受光部と、第４発光部に対応する第４受光部とを備え、荷重が印加されていない状態において、第１発光部から射出された光束が反射部に入射する点を第１点とし、第２発光部から射出された光束が反射部に入射する点を第２点とし、第３発光部から射出された光束が反射部に入射する点を第３点とし、第４発光部から射出された光束が反射部に入射する点を第４点とし、第１交点と第２交点とを結ぶ線を第１線とし、第３交点と第４交点とを結ぶ線を第２線とするとき、第１線と第２線とが平行でなくてもよい。

かかる構成では、第１線を含む鉛直面に垂直な軸の回りのねじれと第２線を含む鉛直面に垂直な軸の回りのねじれとを検出することで、偏荷重位置を特定できる。四隅調整をしなくても、載荷位置による検出値の違いを減らすことが可能となる。

上記荷重センサにおいて、第１発光部と第２発光部とが隣接し、第３発光部と第４発光部とが隣接し、第１発光部および第２発光部から射出される２本の光束の間に第１仕切り板が設けられ、第３発光部および第４発光部から射出される２本の光束の間に第２仕切り板が設けられていてもよい。

上記荷重センサにおいて、水平方向に延びて第１端部と第２端部とを有する第１梁と、第１梁の下方に第１梁と平行に延びると共に、第１端部と対向する第３端部と第２端部と対向する第４端部とを有する第２梁と、第１端部と第３端部とを接続する第１柱と、第２端部と第４端部とを接続する第２柱とを備え、固定部は、第１柱の略中央から、第１梁と第２梁との間を、第１梁と平行に第２柱に向かって延びるように構成され、変位部は、第２柱を含んで構成され、固定部は、上部に第１ストッパを備え、変位部は、第２ストッパを備え、第２ストッパは、変位部に定格容量を超える所定の荷重が印加された時に第１ストッパと接触するように、所定のクリアランスを介して第１ストッパと対向していてもよい。

かかる構成では、過負荷による荷重センサの破損が発生する可能性を低減できる。

第１実施形態の荷重検出方法は、固定部と、荷重を受けて固定部に対し変位する変位部とを設けるステップと、発光部から射出された光を反射部で反射させて受光部に受光させるステップと、受光部が受光する光の強度に基づいて荷重を検出するステップと、を含み、以下のＡおよびＢの少なくともいずれか一方を充たす。
Ａ）発光部と受光部とが変位部に固定され、反射部が固定部に固定されている。
Ｂ）発光部と受光部とが固定部に固定され、反射部が変位部に固定されている。

かかる構成では、受光量に基づいて荷重を検出する荷重検出方法において荷重検出能力を向上させることができる。

上記荷重検出方法は、２以上の発光部を設けるステップと、２以上の受光部を発光部のそれぞれに対応するように設けるステップと、受光部が出力する荷重信号に基づいてねじれを検出するステップとを含んでもよい。

上記荷重検出方法は、さらに、発光部として、第１発光部と、第２発光部と、第３発光部と、第４発光部とを設けるステップであって、第１発光部から射出した光束が反射部に入射する点を第１点とし、第２発光部から射出した光束が反射部に入射する点を第２点とし、第３発光部から射出した光束が反射部に入射する点を第３点とし、第４発光部から射出した光束が反射部に入射する点を第４点とし、第１交点と第２交点とを結ぶ線を第１線とし、第３交点と第４交点とを結ぶ線を第２線とするとき、第１線と第２線とが平行とならないように第１発光部と第２発光部と第３発光部と第４発光部とを配置するステップと、受光部として、第１発光部に対応する第１受光部と、第２発光部に対応する第２受光部と、第３発光部に対応する第３受光部と、第４発光部に対応する第４受光部とを設けるステップと、第１受光部と第２受光部と第３受光部と第４受光部とが受光した光の強度に基づいて偏荷重位置を特定するステップとを含んでもよい。

かかる構成では、第１線を含む鉛直面に垂直な軸の回りのねじれと第２線を含む鉛直面に垂直な軸の回りのねじれとを検出することで、偏荷重位置を特定できる。四隅調整をしなくても、載荷位置による検出値の違いを減らすことが可能となる。

［装置構成］
図１Ａは、第１実施形態の第１態様にかかる荷重センサの概略構成の一例を示す概念図である。図１Ｂは、第１実施形態の第２態様にかかる荷重センサの概略構成の一例を示す概念図である。以下、図１Ａおよび図１Ｂを参照しつつ、第１実施形態にかかる荷重センサ１００Ａ、１００Ｂについて説明する。

図１Ａおよび図１Ｂに例示されているように、荷重センサ１００Ａ、１００Ｂは、固定部２と、変位部４と、発光部６と、反射部８と、受光部１０とを備えている。

固定部２は、ボルト等により、静止体（図示せず）へと固定されうる。静止体とは、計量装置の本体部分等、変位部４に加えられる荷重によって変位部４が弾性変形しても移動したり変形したりしない固定物である。

変位部４は、荷重を受けて固定部２に対し変位する。例えば、変位部４には金具およびボルト等により皿（図示せず）が取り付けられうる。該皿に被計量物を載置することで、荷重が変位部４に印加され、変位部４が弾性変形する。

固定部２と変位部４とは、例えば、金属等により構成されうる。

発光部６は、光を射出する。発光部６は、例えば、光ファイバにより構成されうる。あるいは発光部６は、例えば、光ファイバおよび光ファイバの先端部に取り付けられたレンズにより構成されうる。レンズは、発光部６から射出する光を絞り、受光部１０周辺に到達する光のピークを鋭くすることで、重量の検出能力を向上させうる。

反射部８は、発光部６に対向するように設けられている。反射部８は、発光部６から射出された光を反射する。反射部８の主面は鏡面であってもよいし、その他の平面であってもよい。

図１Ａにおいて反射部８は固定部２に取り付けられているが、反射部８が固定部２と一体に構成されていてもよい。すなわち、固定部２の一部に反射部８が形成されていてもよい。図１Ｂにおいて反射部８は変位部４に取り付けられているが、反射部８が変位部４と一体に構成されていてもよい。すなわち、変位部４の一部に反射部８が形成されていてもよい。

受光部１０は、反射部８に対向するように設けられる。受光部１０は、反射部８から反射された光を受光可能な位置に配置されている。受光部１０は、例えば、光ファイバにより構成されうる。あるいは受光部１０は、例えば、光ファイバおよび光ファイバの先端部に取り付けられたレンズにより構成されうる。レンズは、受光部１０周辺に到達した光をなるべく多く光ファイバに取り込むことで、重量の検出能力を向上させうる。

図１Ａのように、発光部６および受光部１０が変位部４に固定されている場合には、反射部８は固定部２に固定される。図１Ｂのように、発光部６および受光部１０が固定部２に固定されている場合には、反射部８は変位部４に固定される。

荷重センサ１００Ａ、１００Ｂは、受光部１０による発光部６からの反射部８を介した受光量が、荷重による変位部４の変位に応じて変化するように構成されている。

以下、本実施形態の荷重センサにおける荷重検出メカニズムについて説明する。

荷重センサ１００Ａ、１００Ｂでは、発光部６から射出された光が反射部８で反射されて受光部１０の周辺に到達する。発光部６と反射部８と受光部１０との位置関係は、例えば、変位部４に荷重が印加されていない状態で、受光部１０の周辺に到達する光の分布のピーク（光量分布の中心、以下同様）が受光部１０と略一致するように調整されている。

第１態様（図１Ａ）では、荷重１が変位部４に印加されると、変位部４の端部（図１Ａでは右端）は押し下げられ、固定部２に近づく。すると、反射部８への光の入射角がより大きくなると共に、受光部１０の周辺に到達する光の分布のピークは受光部１０よりも発光部６に近い側へとずれる。その結果、受光部１０の受光量は減少する。

第２態様（図１Ｂ）では、荷重１が変位部４に印加されると、変位部４の端部（図１Ｂでは右端）は押し下げられ、固定部２に近づく。すると、反射部８への光の入射角がより大きくなると共に、受光部１０の周辺に到達する光の分布のピークは受光部１０よりも発光部６に近い側へとずれる。その結果、受光部１０の受光量は減少する。

このように、第１態様および第２態様のいずれにおいても、荷重が印加されることで、受光部１０の受光量は減少する。受光量と荷重とは、所定範囲において一対一の関係を有する。かかる関係を、予め実験および数値計算等により求めておく。これにより、未知試料を載置した際の受光量に基づいて、当該未知試料の重量を測定することができる。

なお、図１Ａおよび図１Ｂでは、発光部６が受光部１０よりも支点（固定部２に対して変位部４を固定している点）に近くなるように構成されているが、受光部１０が発光部６よりも支点（固定部２に対して変位部４を固定している点）に近くなるように構成されていてもよい。

発光部６は、第１光ファイバを備え、第１光ファイバの一端は固定部２および変位部４の外部に配置されていてもよい。当該一端にビームを射出する光源（レーザおよびＬＥＤ等の発光装置）が取り付けられていてもよい。第１光ファイバの他端には第１レンズが設けられていてもよい。

受光部１０は、第２光ファイバを備え、第２光ファイバの一端は固定部２および変位部４の外部に配置されていてもよい。当該一旦に、受光部１０が受光した光の量（光強度）に応じた電気信号を出力する光センサ（フォトダイオードおよびフォトトランジスタ等の光検出器）が取り付けられていてもよい。第２光ファイバの他端には第２レンズが設けられていてもよい。

２以上の発光部６が設けられ、２以上の受光部１０が発光部６のそれぞれに対応するように設けられ、荷重センサが、受光部１０が出力する荷重信号に基づいて固定部２に対する変位部４のねじれを検出可能に構成されていてもよい。発光部６と受光部１０との対が複数設けられることで、それぞれの対を含む面内におけるねじれを検出することができる。

発光部６の少なくとも２個が隣接するように設けられ、隣接する２個の発光部６から射出される２本の光束の間に仕切り板（図示せず）が設けられていてもよい。かかる構成では、受光部１０が、自身に対応しない発光部６からの光を受光する可能性が低減される。よって、ねじれの検出能力が向上する。

［実施例］
図２は、実施例にかかる荷重センサの概略構成を示す斜視図である。図３は、実施例にかかる荷重センサの概略構成を示す側面図である。図４Ａは、図３のＡ−Ａ線に沿って切った断面図であり、図４Ｂは、図３のＢ−Ｂ線に沿って切った断面図であり、図４Ｃは図３のＣ−Ｃ線に沿って切った断面図である。図５は、実施例にかかる荷重センサの発光部、反射部、および受光部の拡大斜視図である。以下、図２ないし図５を参照しつつ、実施例の荷重センサについて説明する。

図２および図３に示すように、実施例の荷重センサ２００は、第１梁１５と、第２梁１７と、第１柱１１と、第２柱１３とを備えている。第１梁１５と、第２梁１７と、第１柱１１と、第２柱１３とは、金属材料で一体的に構成されている。荷重センサ２００には、第２柱１３にボルト等の固定部材により、Ｌ字状の取付金具３２が取り付けられる。取付金具の上面には、ボルト等の固定部材により、計量皿３０が取り付けられる。

第１梁１５および第２梁１７には、第１梁１５および第２梁１７と第１柱１１および第２柱１３との連結部分を正面視略半円形状に切り欠くことで、切欠部が形成されている。切欠部において第１梁１５および第２梁１７の上下方向厚さが他の部分に比べて薄くなる。これによって、荷重センサ２００は、切欠部において弾性変形しやすくなる。

第１梁１５は、水平方向に延びて第１端部１５Ａと第２端部１５Ｂとを有する。第２梁１７は、第１梁１５の下方に第１梁１５と平行に延びると共に、第１端部１５Ａと対向する第３端部１７Ａと第２端部１５Ｂと対向する第４端部１７Ｂとを有する。第１柱１１は、第１端部１５Ａと第３端部１７Ａとを一体的に連結する。第２柱１３は、第２端部１５Ｂと第４端部１７Ｂとを一体的に連結する。

固定部１２は、第１柱１１の略中央から、第１梁１５と第２梁１７との間を、第１梁１５と平行に第２柱１３に向かって延びるように構成されている。固定部１２は、長手方向を水平方向に向けた略直方体形状に形成されている。第１柱１１は、ボルト等の固定部材により、静止体（図示せず）へと固定される。固定部１２は、第１柱１１により支持されており、荷重がない状態では固定部１２は第２柱１３に接しない。

固定部１２は、第１柱１１と同じ金属材料で、第１柱１１と一体的に構成されている。

変位部１４は、第２柱１３を含んで構成されている。より具体的には、変位部１４は、第２柱１３と、第１梁１５の第２端部１５Ｂと、第２梁１７の第４端部１７Ｂとで構成されている。第２柱１３には、反射部１８を囲むように凹部１３Ａが形成されている。

固定部１２は、その上部に第１ストッパ１９Ａを備えている。具体的には、第１ストッパ１９Ａは、直方体をなす固定部１２の第２柱１３側の上肩部で構成される。変位部１４は、第２ストッパ１９Ｂを備えている。具体的には、第２ストッパ１９Ｂは、第１梁１５と第２柱１３との接続部がなす角で構成される。

第２ストッパ１９Ｂは、変位部１４に定格容量を超える所定の荷重が印加された時に第１ストッパ１９Ａと接触するように、所定のクリアランスδを介して第１ストッパ１９Ａと対向している。

かかる構成では、過負荷による荷重センサ２００の破損が発生する可能性を低減できる。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、および図５に示すように、荷重センサ２００は、第１発光部１６Ａと、第２発光部１６Ｂと、第３発光部１６Ｃと、第４発光部１６Ｄと、反射部１８と、第１受光部２０Ａと、第２受光部２０Ｂと、第３受光部２０Ｃと、第４受光部２０Ｄと、を備えている。

反射部１８は、固定部１２と同じ材料で構成されている。より具体的には、反射部１８は水平方向に延びる板状の金属材料で構成され、その両面が鏡面仕上げされている。

図４Ｂ、図４Ｃ、図５に示すように、第１受光部２０Ａは、第１発光部１６Ａに対応する。すなわち、第１発光部１６Ａから射出された光は、反射部１８で反射されて、第１受光部２０Ａへと入射する。第１発光部１６Ａと第１受光部２０Ａとは、凹部１３Ａの上面に設けられている。第１発光部１６Ａと第１受光部２０Ａとは、固定部１２の延びる方向に、所定の距離だけ離隔している。

第１光ファイバ２２Ａは、第２柱１３の上端面から凹部１３Ａまでを貫通する貫通孔の内部に、当該貫通孔と同軸に設けられている。第１発光部１６Ａは、第１光ファイバ２２Ａの凹部１３Ａ側の端部に形成されている。第１発光部１６Ａはレンズを備えている。第１光ファイバ２２Ａの反対側の端部は第２柱１３の上端面を通って、固定部１２および変位部１４の外部に導かれている。

第２光ファイバ２４Ａは、第２柱１３の上端面から凹部１３Ａまでを貫通する貫通孔の内部に、当該貫通孔と同軸に設けられている。第１受光部２０Ａは、第２光ファイバ２４Ａの凹部１３Ａ側の端部に形成されている。第１受光部２０Ａはレンズを備えている。第２光ファイバ２４Ａの反対側の端部は第２柱１３の上端面を通って、固定部１２および変位部１４の外部に導かれている。

第２受光部２０Ｂは、第２発光部１６Ｂに対応する。すなわち、第２発光部１６Ｂから射出された光は、反射部１８で反射されて、第２受光部２０Ｂへと入射する。第２発光部１６Ｂと第２受光部２０Ｂとは、凹部１３Ａの上面に設けられている。第２発光部１６Ｂと第２受光部２０Ｂとは、固定部１２の延びる方向に、所定の距離だけ離隔している。

第３光ファイバ２２Ｂは、第２柱１３の上端面から凹部１３Ａまでを貫通する貫通孔の内部に、当該貫通孔と同軸に設けられている。第２発光部１６Ｂは、第３光ファイバ２２Ｂの凹部１３Ａ側の端部に形成されている。第２発光部１６Ｂはレンズを備えている。第３光ファイバ２２Ｂの反対側の端部は第２柱１３の上端面を通って、固定部１２および変位部１４の外部に導かれている。

第４光ファイバ２４Ｂは、第２柱１３の上端面から凹部１３Ａまでを貫通する貫通孔の内部に、当該貫通孔と同軸に設けられている。第２受光部２０Ｂは、第４光ファイバ２４Ｂの凹部１３Ａ側の端部に形成されている。第２受光部２０Ｂはレンズを備えている。第４光ファイバ２４Ｂの反対側の端部は第２柱１３の上端面を通って、固定部１２および変位部１４の外部に導かれている。

第１発光部１６Ａおよび第１受光部２０Ａの対と、第２発光部１６Ｂおよび第２受光部２０Ｂの対とは、固定部１２の延びる方向と垂直な方向に、所定の距離だけ離隔している。

図４Ａ、図４Ｃ、図５に示すように、第３受光部２０Ｃは、第３発光部１６Ｃに対応する。すなわち、第３発光部１６Ｃから射出された光は、反射部１８で反射されて、第３受光部２０Ｃへと入射する。第３発光部１６Ｃと第３受光部２０Ｃとは、固定部１２の延びる方向と垂直な方向に、所定の距離だけ離隔している。

第５光ファイバ２２Ｃは、第２柱１３の下端面から凹部１３Ａまでを貫通する貫通孔の内部に、当該貫通孔と同軸に設けられている。第３発光部１６Ｃは、第５光ファイバ２２Ｃの凹部１３Ａ側の端部に形成されている。第３発光部１６Ｃはレンズを備えている。第５光ファイバ２２Ｃの反対側の端部は第２柱１３の下端面を通って、固定部１２および変位部１４の外部に導かれている。

第６光ファイバ２４Ｃは、第２柱１３の下端面から凹部１３Ａまでを貫通する貫通孔の内部に、当該貫通孔と同軸に設けられている。第３受光部２０Ｃは、第６光ファイバ２４Ｃの凹部１３Ａ側の端部に形成されている。第３受光部２０Ｃはレンズを備えている。第６光ファイバ２４Ｃの反対側の端部は第２柱１３の下端面を通って、固定部１２および変位部１４の外部に導かれている。

第４受光部２０Ｄは、第４発光部１６Ｄに対応する。すなわち、第４発光部１６Ｄから射出された光は、反射部１８で反射されて、第４受光部２０Ｄへと入射する。第４発光部１６Ｄと第４受光部２０Ｄとは、固定部１２の延びる方向と垂直な方向に、所定の距離だけ離隔している。

第７光ファイバ２２Ｄは、第２柱１３の下端面から凹部１３Ａまでを貫通する貫通孔の内部に、当該貫通孔と同軸に設けられている。第４発光部１６Ｄは、第７光ファイバ２２Ｄの凹部１３Ａ側の端部に形成されている。第４発光部１６Ｄはレンズを備えている。第７光ファイバ２２Ｄの反対側の端部は第２柱１３の下端面を通って、固定部１２および変位部１４の外部に導かれている。

第８光ファイバ２４Ｄは、第２柱１３の下端面から凹部１３Ａまでを貫通する貫通孔の内部に、当該貫通孔と同軸に設けられている。第４受光部２０Ｄは、第８光ファイバ２４Ｄの凹部１３Ａ側の端部に形成されている。第４受光部２０Ｄはレンズを備えている。第８光ファイバ２４Ｄの反対側の端部は第２柱１３の下端面を通って、固定部１２および変位部１４の外部に導かれている。

第３発光部１６Ｃおよび第３受光部２０Ｃの対と、第４発光部１６Ｄおよび第４受光部２０Ｄの対とは、固定部１２の延びる方向に、所定の距離だけ離隔している。

本実施例において、第１光ファイバ２２Ａと、第２光ファイバ２４Ａと、第３光ファイバ２２Ｂと、第４光ファイバ２４Ｂと、第５光ファイバ２２Ｃと、第６光ファイバ２４Ｃと、第７光ファイバ２２Ｄと、第８光ファイバ２４Ｄとは、プラスチック製の光ファイバであってもよいし、ガラス製の光ファイバであってもよい。本実施例において、それぞれの光ファイバは、コアおよびクラッドの径、並びに材質が同じである。

第１発光部１６Ａ、第２発光部１６Ｂ、第３発光部１６Ｃ、第４発光部１６Ｄ、反射部１８、第１受光部２０Ａ、第２受光部２０Ｂ、第３受光部２０Ｃ、第４受光部２０Ｄの位置および形状等は、変位部１４に荷重が印加されていない状態において以下の（１）〜（５）を充たすように設定されている。

（１）第１発光部１６Ａから射出された光束は反射部１８の上面の第１点２１Ａに入射して反射され、第１受光部２０Ａへと入射する。第１発光部１６Ａの中心を通る光軸は、第１点２１Ａと、第１受光部２０Ａの中心とを通る。

（２）第２発光部１６Ｂから射出された光束は反射部１８の上面の第２点２１Ｂに入射して反射され、第２受光部２０Ｂへと入射する。第２発光部１６Ｂの中心を通る光軸は、第２点２１Ｂと、第２受光部２０Ｂの中心とを通る。

（３）第３発光部１６Ｃから射出された光束は反射部１８の上面の第３点２１Ｃに入射して反射され、第３受光部２０Ｃへと入射する。第３発光部１６Ｃの中心を通る光軸は、第３点２１Ｃと、第３受光部２０Ｃの中心とを通る。

（４）第４発光部１６Ｄから射出された光束は反射部１８の上面の第４点２１Ｄに入射して反射され、第４受光部２０Ｄへと入射する。第４発光部１６Ｄの中心を通る光軸は、第４点２１Ｄと、第４受光部２０Ｄの中心とを通る。

（５）第１点２１Ａと第２点２１Ｂとを結ぶ線を第１線２３Ａとし、第３点２１Ｃと第４点２１Ｄとを結ぶ線を第２線２３Ｂとするとき、第１線２３Ａと第２線２３Ｂとが平行でない。具体的には、本実施例において、第１線２３Ａと第２線２３Ｂとは、板状の反射部１８の厚み方向から見て直交している。

かかる構成では、第１線２３Ａを含む面（実施例では鉛直面）に垂直な軸の回りのねじれと、第２線を含む面（本実施例では鉛直面）に垂直な軸の回りのねじれと、を検出することができる。よって、偏荷重位置を特定できる。四隅調整をしなくても、載荷位置による検出値の違いを減らすことが可能となる。

荷重センサ２００と、発光部１６Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに取り付けられた光源（図示せず）と、受光部２０Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに取り付けられた光センサ（図示せず）と、制御器（図示せず）と、表示装置等の出力部（図示せず）とを備える計量装置としても実施されうる。制御器は、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）と、を備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

被計量物の重量は、例えば、光センサから出力された信号値がそのまま記録されてもよいし、重量値に変換されて記録されてもよい。

［補償係数の決定］
図６は、実施例にかかる荷重センサの平面図である。図７は、実施例の荷重センサにおける補償係数の決定方法の一例を示すフローチャートである。以下、図６および図７を参照しつつ、本実施例における補償係数の決定方法について説明する。

図６に示すように、計量皿３０には、中央位置３４Ｍに加え、左上の第１位置３４Ａ、右上の第２位置３４Ｂ、左下の第３位置３４Ｃ、右下の第４位置３４Ｄ、合計５個の載置部が設定されている。

図７に示すように、補償係数の決定プログラムが開始されると（スタート）、最初に計量皿３０に何も載置していない状態で、第１受光部２０Ａ、第２受光部２０Ｂ、第３受光部２０Ｃ、第４受光部２０Ｄの受光量にそれぞれ対応する出力値（オフセット出力値）Ｐ_ＯＡ、Ｐ_ＯＢ、Ｐ_ＯＣ、Ｐ_ＯＤを取得し、記憶部（図示せず）に保存する（ステップＳ１１）。オフセット出力値は以下のようなベクトルをなす。

次に、標準試料（標準分銅）を中央位置３４Ｍに載置し、第１受光部２０Ａ、第２受光部２０Ｂ、第３受光部２０Ｃ、第４受光部２０Ｄの受光量にそれぞれ対応する出力値Ｐ_ＣＡ、Ｐ_ＣＢ、Ｐ_ＣＣ、Ｐ_ＣＤを取得し、記憶部に保存する（ステップＳ１２）。標準試料を中央位置３４Ｍに載置した場合の出力値は以下のようなベクトルをなす。

標準試料を中央位置３４Ｍに載置した場合の平均出力値Ｐ_ｓが算出されて記憶される。

次に、標準試料を左上の第１位置３４Ａに載置し、第１受光部２０Ａ、第２受光部２０Ｂ、第３受光部２０Ｃ、第４受光部２０Ｄの受光量にそれぞれ対応する出力値Ｐ_１Ａ、Ｐ_１Ｂ、Ｐ_１Ｃ、Ｐ_１Ｄを取得し、記憶部に保存する（ステップＳ１３）。標準試料を第１位置３４Ａに載置した場合の出力値は以下のようなベクトルをなす。

次に、標準試料を右上の第２位置３４Ｂに載置し、第１受光部２０Ａ、第２受光部２０Ｂ、第３受光部２０Ｃ、第４受光部２０Ｄの受光量にそれぞれ対応する出力値Ｐ_２Ａ、Ｐ_２Ｂ、Ｐ_２Ｃ、Ｐ_２Ｄを取得し、記憶部に保存する（ステップＳ１４）。標準試料を第２位置３４Ｂに載置した場合の出力値は以下のようなベクトルをなす。

次に、標準試料を左下の第３位置３４Ｃに載置し、第１受光部２０Ａ、第２受光部２０Ｂ、第３受光部２０Ｃ、第４受光部２０Ｄの受光量にそれぞれ対応する出力値Ｐ_３Ａ、Ｐ_３Ｂ、Ｐ_３Ｃ、Ｐ_３Ｄを取得し、記憶部に保存する（ステップＳ１５）。標準試料を第３位置３４Ｃに載置した場合の出力値は以下のようなベクトルをなす。

次に、標準試料を右下の第４位置３４Ｄに載置し、第１受光部２０Ａ、第２受光部２０Ｂ、第３受光部２０Ｃ、第４受光部２０Ｄの受光量にそれぞれ対応する出力値Ｐ_４Ａ、Ｐ_４Ｂ、Ｐ_４Ｃ、Ｐ_４Ｄを取得し、記憶部に保存する（ステップＳ１６）。標準試料を第４位置３４Ｄに載置した場合の出力値は以下のようなベクトルをなす。

最後に、補償係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを算出して記憶部に保存して（ステップＳ１７）、補償係数の決定プログラムが終了する（エンド）。補償係数ａは、試料が第１位置にある場合の補償係数であり、以下のようなベクトルをなす。

補償係数ｂは、試料が第２位置にある場合の補償係数であり、以下のようなベクトルをなす。

補償係数ｃは、試料が第３位置にある場合の補償係数であり、以下のようなベクトルをなす。

補償係数ｄは、試料が第４位置にある場合の補償係数であり、以下のようなベクトルをなす。

［補償係数を用いた重力検出］
図８は、実施例において荷重位置に応じた補償係数を決定するための表の一例である。図９は、実施例の荷重センサにおいて補償係数を用いた荷重検出方法の一例を示すフローチャートである。以下、図８および図９を参照しつつ、本実施例における補償係数を用いた重力検出方法について説明する。

図８に示すように、本実施例では、計量皿３０を縦３×横３の仮想区画に９等分にしている。

中央位置３４Ｍに近い中央の下層区画内に被計量物が載置された場合には、補償係数を用いず、４個の受光部からの出力値の平均を最終出力値として重量値が算出される。

第１位置３４Ａに近い左上の仮想区画内に被計量物が載置された場合には、補償係数ａを用いる。第２位置３４Ｂに近い右上の仮想区画内に被計量物が載置された場合には、補償係数ｂを用いる。第３位置３４Ｃに近い左下の仮想区画内に被計量物が載置された場合には、補償係数ｃを用いる。第４位置３４Ｄに近い右上の仮想区画内に被計量物が載置された場合には、補償係数ｄを用いる。

第１位置３４Ａと第２位置３４Ｂとの間にある仮想区画内に被計量物が載置された場合には、補償係数（ａ＋ｂ）／２を用いる。第１位置３４Ａと第３位置３４Ｃとの間にある仮想区画内に被計量物が載置された場合には、補償係数（ａ＋ｃ）／２を用いる。第２位置３４Ｂと第４位置３４Ｄとの間にある仮想区画内に被計量物が載置された場合には、補償係数（ｂ＋ｄ）／２を用いる。第３位置３４Ｃと第４位置３４Ｄとの間にある仮想区画内に被計量物が載置された場合には、補償係数（ｃ＋ｄ）／２を用いる。

図９に示すように、補償係数を用いた荷重検出プログラムが開始されると（スタート）、最初に未知試料である被計量物が計量皿に載置され、第１受光部２０Ａ、第２受光部２０Ｂ、第３受光部２０Ｃ、第４受光部２０Ｄの受光量にそれぞれ対応する出力値Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂ、Ｐ_Ｃ、Ｐ_Ｄを取得し、記憶部に保存する（ステップＳ２１）。未知試料を計量皿に載置した場合の出力値は以下のようなベクトルをなす。

次に、ステップ２１で得られた出力値から、オフセット出力値を減算した値（Ｐ_ＮＡ＝Ｐ_Ａ−Ｐ_ＯＡ、Ｐ_ＮＢ＝Ｐ_Ｂ−Ｐ_ＯＢ、Ｐ_ＮＣ＝Ｐ_Ｃ−Ｐ_ＯＣ、Ｐ_ＮＤ＝Ｐ_Ｄ−Ｐ_ＯＤ）を算出し、記憶部に保存する（ステップＳ２２）。得られた値は以下のようなベクトルをなす。

次に、Ｐ_ＮＡ／Ｐ_ＮＢおよびＰ_ＮＣ／Ｐ_ＮＤを算出し、記憶部に保存する（ステップＳ２３）。Ｐ_ＮＡ／Ｐ_ＮＢは、第１受光部２０Ａのオフセット出力値からの変化量と第２受光部２０Ｂのオフセット出力値からの変化量との比であって、図６における上下方向の荷重の偏り（変位部１４に生じているねじれ）を示す。Ｐ_ＮＣ／Ｐ_ＮＤは、第３受光部２０Ｃのオフセット出力値からの変化量と第４受光部２０Ｄのオフセット出力値からの変化量との比であって、図６における左右方向の荷重の偏り（変位部１４に生じているねじれ）を示す。

次に、Ｐ_ＮＣ／Ｐ_ＮＤが１−αより大きく１＋αより小さいと同時に、Ｐ_ＮＡ／Ｐ_ＮＢが１−βより大きく１＋βより小さいかが判定される（ステップＳ２４）。αおよびβは、計量皿３０が上述したような縦３×横３の仮想区画に９等分されて上述の補償係数を用いて重量値の算出が可能なように予め適宜設定されている値である。

ステップＳ２４の判定結果がＹＥＳであれば、被計量物は計量皿３０の略中央に載置されていると判定され、ステップＳ２２で得られたｐ_Ｎがそのまま最終出力値とされ、その平均値に基づいて重量値が算出される（ステップＳ２５）。

ステップＳ２４の判定結果がＮＯであれば、図８に基づいて補償係数が決定され、これに基づいて最終出力値と重量値とが算出される。

例えば、Ｐ_ＮＣ／Ｐ_ＮＤが１−α以下であり、かつ、Ｐ_ＮＡ／Ｐ_ＮＢが１−β以下である場合には、被計量物は第１位置３４Ａを含む仮想区画に載置されていると判定される。この場合、以下の式を用いて補償後の最終出力値が算出される。

さらに、その平均値Ｐは以下のように算出される。

このようにして得られた平均値に基づいて重量値が算出される。

ありうは例えば、Ｐ_ＮＣ／Ｐ_ＮＤが１−αより大きく１＋αより小さく、かつ、Ｐ_ＮＡ／Ｐ_ＮＢが１−β以下である場合には、被計量物は第１位置３４Ａと第２位置３４Ｂの中間にある仮想区画に載置されていると判定される。この場合、以下の式を用いて補償後の最終出力値が算出される。

さらに、その平均値Ｐは以下のように算出される。

なお、補償係数を用いた重量値の算出方法は図８および図９に示す態様に限定されるものではない。例えば、Ｐ_ＮＡ／Ｐ_ＮＢおよびＰ_ＮＣ／Ｐ_ＮＤの値に応じて、補償係数が連続的に変化するように、補償係数が演算されてもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本開示の一態様は、受光量の変化に基づいて荷重を検出する荷重センサにおいて荷重検出能力を向上させることができる荷重センサとして有用である。

１ 荷重
２ 固定部
４ 変位部
６ 発光部
８ 反射部
１０ 受光部
１１ 第１柱
１２ 固定部
１３ 第２柱
１３Ａ 凹部
１４ 変位部
１５ 第１梁
１５Ａ 第１端部
１５Ｂ 第２端部
１６Ａ 第１発光部
１６Ｂ 第２発光部
１６Ｃ 第３発光部
１６Ｄ 第４発光部
１７ 第２梁
１７Ａ 第３端部
１７Ｂ 第４端部
１８ 反射部
１９Ａ 第１ストッパ
１９Ｂ 第２ストッパ
２０Ａ 第１受光部
２０Ｂ 第２受光部
２０Ｃ 第３受光部
２０Ｄ 第４受光部
２１Ａ 第１点
２１Ｂ 第２点
２１Ｃ 第３点
２１Ｄ 第４点
２２Ａ 第１光ファイバ
２２Ｂ 第３光ファイバ
２２Ｃ 第５光ファイバ
２２Ｄ 第７光ファイバ
２３Ａ 第１線
２３Ｂ 第２線
２４Ａ 第２光ファイバ
２４Ｂ 第４光ファイバ
２４Ｃ 第６光ファイバ
２４Ｄ 第８光ファイバ
３０ 計量皿
３２ 取付金具
３４Ｍ 中央位置
３４Ａ 第１位置
３４Ｂ 第２位置
３４Ｃ 第３位置
３４Ｄ 第４位置
１００Ａ、１００Ｂ、２００ 荷重センサ

Claims (8)

1. 固定部と、
   荷重を受けて前記固定部に対し変位する変位部と、
   光を射出するための発光部と、
   前記発光部に対向するように設けられて前記発光部から射出された光を反射する反射部と、
   前記反射部に対向するように設けられて前記反射部から反射された光を受光するための受光部と、
   水平方向に延びて第１端部と第２端部とを有する第１梁と、
   前記第１梁の下方に前記第１梁と平行に延びると共に、前記第１端部と対向する第３端部と前記第２端部と対向する第４端部とを有する第２梁と、
   前記第１端部と前記第３端部とを接続する第１柱と、
   前記第２端部と前記第４端部とを接続する第２柱とを備え、
   前記固定部は、前記第１柱の略中央から、前記第１梁と前記第２梁との間を、前記第１梁と平行に前記第２柱に向かって延びるように構成され、
   前記変位部は、前記第２柱を含んで構成され、
   前記固定部は、上部に第１ストッパを備え、
   前記変位部は、第２ストッパを備え、
   前記第２ストッパは、前記変位部に定格容量を超える所定の荷重が印加された時に前記第１ストッパと接触するように、所定のクリアランスを介して前記第１ストッパと対向しており、
   以下のＡおよびＢの少なくともいずれか一方を充たし、
   前記受光部による前記発光部からの前記反射部を介した受光量が荷重による前記変位部の変位に応じて変化するように構成された、荷重センサ。
   Ａ）前記発光部と前記受光部とが前記変位部に固定され、前記反射部が前記固定部に固定されている。
   Ｂ）前記発光部と前記受光部とが前記固定部に固定され、前記反射部が前記変位部に固定されている。
2. 前記発光部は、第１光ファイバを備え、
   前記第１光ファイバの一端は前記固定部および前記変位部の外部に配置されており、
   前記受光部は、第２光ファイバを備え、
   前記第２光ファイバの一端は前記固定部および前記変位部の外部に配置されている、
   請求項１に記載の荷重センサ。
3. 前記発光部は、前記第１光ファイバの他端に設けられた第１レンズを備え、
   前記受光部は、前記第２光ファイバの他端に設けられた第２レンズを備える、
   請求項２に記載の荷重センサ。
4. 前記発光部は、ビームを射出する光源を備える、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の荷重センサ。
5. ２以上の前記発光部を備え、
   ２以上の前記受光部が前記発光部のそれぞれに対応するように設けられ、
   前記受光部が出力する荷重信号に基づいて前記固定部に対する前記変位部のねじれを検出可能に構成された、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の荷重センサ。
6. 前記発光部の少なくとも２個が隣接するように設けられ、
   隣接する２個の前記発光部から射出される２本の光束の間に仕切り板が設けられている、
   請求項５に記載の荷重センサ。
7. 前記発光部は、第１発光部と、第２発光部と、第３発光部と、第４発光部とを備え、
   前記受光部は、前記第１発光部に対応する第１受光部と、前記第２発光部に対応する第２受光部と、前記第３発光部に対応する第３受光部と、前記第４発光部に対応する第４受光部とを備え、
   荷重が印加されていない状態において、
   前記第１発光部から射出された光束が前記反射部に入射する点を第１点とし、
   前記第２発光部から射出された光束が前記反射部に入射する点を第２点とし、
   前記第３発光部から射出された光束が前記反射部に入射する点を第３点とし、
   前記第４発光部から射出された光束が前記反射部に入射する点を第４点とし、 前記第１点と前記第２点とを結ぶ線を第１線とし、
   前記第３点と前記第４点とを結ぶ線を第２線とするとき、
   前記第１線と前記第２線とが平行でない、
   請求項１ないし６のいずれかに記載の荷重センサ。
8. 前記第１発光部と前記第２発光部とが隣接し、
   前記第３発光部と前記第４発光部とが隣接し、
   前記第１発光部および前記第２発光部から射出される２本の光束の間に第１仕切り板が設けられ、
   前記第３発光部および前記第４発光部から射出される２本の光束の間に第２仕切り板が設けられている、
   請求項７に記載の荷重センサ。

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