JP7193798B2 - 音叉センサおよび計量装置 - Google Patents

Description

本発明は、音叉センサおよび計量装置に関する。

音叉振動子を備える音叉センサにおいては、該音叉振動子を一定の固有振動数で振動させた状態で荷重が加わると、振動数が変化する。そして、振動数の変化を計測することで、加えられた荷重を検出する。このような音叉センサとしては、たとえば特許文献１および特許文献２に示すものがある。

特許文献１には、力センサ（５０）にはレバー（５５）が設けられていて、そのレバー（５５）のてこ比に従って、音叉振動子（５８）に変位が伝達される構成について開示されている。また、特許文献２には、４本のリンク（５～８）がヒンジ（１～４）で連結された菱形状のリンク機構が開示されていて、かかる菱形状のリンク機構の対角線方向に音叉振動子（１０）が配置された構成が開示されている。

特許第３７１１１１５号公報 特開昭６１－１９４３２５号公報

ところで、特許文献１に開示の構成では、てこ比を利用して変位を検出構成であるため、秤量を大きくする場合には、支点（５６）から薄肉部（５４）までの寸法を大きくする必要がある。このような構成では、レバー（５５）の長さが長くなってしまい、装置の大型化を招いてしまう、という問題がある。

また、特許文献２に開示の構成では、菱形のリンク機構の内部に、音叉振動子（１０）を配置する構成となっている。このような構成では、秤量を大きくする場合、頂角（２θ）を小さくする必要がある。しかしながら、音叉振動子（１０）の設計仕様から、該音叉振動子（１０）の大きさは決まってしまうので、頂角（２θ）を小さくすると、リンク（５～８）が長くなってしまう、という問題がある。また、特許文献２に開示の構成では、上側に位置するヒンジ（１）に荷重が作用する。このため、菱形のリンク機構は、押しつぶされる（閉じる）ように変位する。このような構成では、ヒンジ（１）とヒンジ（３）が離れるような形態の音叉センサには適用できない、という問題もある。

本発明は上記の事情にもとづきなされたもので、サイズが大きくなるのを防止すると共に、２つの荷重が作用する部分を離間させつつ音叉振動子に荷重を作用させることが可能な音叉センサおよび計量装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によると、荷重による第１荷重作用部位と第２荷重作用部位との間での偏位により変化する音叉の振動数に基づいて荷重を測定する音叉センサであって、張力が作用した際の寸法変化に伴って固有振動数が変化する音叉振動子と、一端側が第１荷重連結節を介して第１荷重作用部位に連結されると共に、他端側が第１音叉連結節を介して音叉振動子に連結されている第１リンクと、一端側が第２荷重連結節を介して第２荷重作用部位に連結されると共に、他端側が第２音叉連結節を介して音叉振動子に連結されている第２リンクと、を有し、第１荷重連結節の中心位置と第２荷重連結節の中心位置を通る線を第１仮想線とし、第１音叉連結節の中心位置および第２音叉連結節の中心位置を通る線を第２仮想線としたとき、第２仮想線は、第１仮想線よりも音叉振動子側に配置されている、ことを特徴とする音叉センサが提供される。

また、本発明の他の側面は、上述の発明において、第１荷重連結節および第１音叉連結節は、可撓性を有するように第１リンクの幅よりも薄肉化された薄肉部分であると共に、第２荷重連結節および第２音叉連結節は、可撓性を有するように第２リンクの幅よりも薄肉化された薄肉部分である、ことが好ましい。

また、本発明の他の側面は、上述の発明において、第１荷重作用部位のうち荷重が作用する中心点と第２荷重作用部位のうち荷重が作用する中心点のうちの少なくとも一方は、第１仮想線と同一直線上に存在する、ことが好ましい。

また、本発明の他の側面は、上述の発明において、薄肉部分は、第１凹部と第２凹部との間に存在すると共に、第１凹部は、第１リンクおよび第２リンクのうち音叉振動子側の一方の側面よりも凹んだ部分であり、第２凹部は、第１リンクおよび第２リンクのうち音叉振動子とは反対側の他方の側面よりも凹んだ部分である、ことが好ましい。

また、本発明の他の側面は、上述の発明において、第１音叉連結節と第２音叉連結節においては、第２凹部は第１凹部よりも深く設けられていると共に、第１荷重連結節と第２荷重連結節においては、第１凹部は第２凹部よりも深く設けられている、ことが好ましい。

また、本発明の第２の観点によると、上述の各発明に係る音叉センサを備えることを特徴とする計量装置が提供される。

本発明によると、サイズが大きくなるのを防止すると共に、２つの荷重が作用する部分を離間させつつ音叉振動子に荷重を作用させることが可能な音叉センサおよび計量装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る音叉センサが取り付けられた計量装置の構成を示す斜視図である。 図１に示す計量装置のうち、載置台および取付金具を取り除いた音叉センサ機構の構成を示す斜視図である。 図２に示す音叉センサ機構の構成を示す側面図である。 本発明の一実施の形態に係る音叉センサの構成を示す平面図であり、音叉センサが荷重の作用により変形する前の状態を示している。 図４に示す状態から音叉センサが荷重の作用によって変形した状態を示す平面図である。 図４に示す音叉センサのうち上方リンクおよび下方リンク付近を拡大した状態を示す部分的な平面図である。 図５に示す音叉センサのうち上方リンクおよび下方リンク付近を拡大した状態を示す部分的な平面図であり、仮想線Ｌ３，Ｌ４が仮想線Ｌ１，Ｌ２と平行となった状態を示す図である。 図６から図７に示すように音叉センサが変形したときの寸法の変動の様子を示す図である。 本発明の概念的な構成を示す図である。 図４に示す音叉センサの第１音叉連結節の中心位置Ｃ１２および第２音叉連結節の中心位置Ｄ１２に作用する力を示す図であり、（Ａ）は角度θが小さい場合を示し、（Ｂ）は角度θが大きい場合を示している。

以下、本発明の一実施の形態に係る計量装置１０について、以下に説明する。以下の説明では、固定部５１から荷重受部５５に向かう方向をＸ方向とし、Ｘ１側は図１における紙面右下側、Ｘ２側は図１における紙面左上側とする。また、計量装置１０の鉛直方向をＺ方向とし、Ｚ１側は上側、Ｚ２側は下側とする。また、Ｘ方向とＺ方向に直交する方向をＹ方向とし、Ｙ１側は図１における紙面右上側、Ｙ２側は図１における紙面左下側とする。

＜計量装置１０の全体的な構成について＞
図１は、本発明の音叉センサ７０が取り付けられた計量装置１０の構成を示す斜視図である。図１に示すように、計量装置１０は、載置皿部２０と、取付金具３０と、音叉センサ機構４０を有している。載置皿部２０は、荷重を測定すべき測定対象物が載置される部分である。図１に示す構成では、載置皿部２０は、矩形の平板状の上皿部２１と、その上皿部２１の４つの縁部からそれぞれ下方に延伸するスカート部２２を有している。

また、取付金具３０は、音叉センサ機構４０のロバーバル機構部５０の荷重受部５５に取り付けられる部分である。この取付金具３０には、図示を省略する孔部が複数設けられている。また、載置皿部２０には、上述のブッシュの孔部に入り込むピンが複数設けられている。上述の孔部に、たとえば硬質ゴム製のブッシュを挿入し、その後にピンをブッシュの孔部に挿入することで、取付金具３０に載置皿部２０が取り付けられている。しかしながら、スカート部２２の存在によって、取付金具３０に対する載置皿部２０の位置決めがなされるように構成しても良い。

＜音叉センサ機構４０の構成について＞
図２は、図１に示す計量装置１０のうち、載置台２０および取付金具３０を取り除いた音叉センサ機構４０の構成を示す斜視図である。図３は、図２に示す音叉センサ機構４０の構成を示す側面図である。図３に示すように、音叉センサ機構４０は、ロバーバル機構部５０と、取付カバー６０と、音叉センサ７０とを備えている。ロバーバル機構部５０は、固定部５１と、固定側撓み部材５２と、連結ビーム５３と、荷受側撓み部材５４と、荷重受部５５と、を有している。

これらのうち、固定部５１は剛体的な部分であり、寸法変動が生じ難い部分である。この固定部５１には、基台部５１ａと、取付腕部５１ｂと、下方支持部５１ｃとが設けられている。

これらのうち、基台部５１ａは、取付腕部５１ｂおよび下方支持部５１ｃよりも上下方向（Ｚ方向）に延伸している部分である。また、取付腕部５１ｂは、連結ビーム５３（後述）の下方側（Ｚ２側）に位置する剛体的な部分である。この取付腕部５１ｂは、基台部５１ａから荷重受部５５側（Ｘ１側）に向かって延伸している部分であるが、上下方向（Ｚ方向）の寸法は、基台部５１ａよりも小さくなっている。しかしながら、取付腕部５１ｂは、音叉センサ７０の剛体アーム部７２を取り付けるべく、下方支持部５１ｃよりも上方側（Ｚ１側）に設けられている。

また、取付腕部５１ｂの上下方向（Ｚ方向）の寸法は、下方支持部５１ｃよりも大幅に大きく設けられているが、取付腕部５１ｂと下方支持部５１ｃの上下方向（Ｚ方向）の寸法が同等であっても良く、取付腕部５１ｂの上下方向（Ｚ方向）の寸法の方が、下方支持部５１ｃの上下方向（Ｚ方向）の寸法よりも小さくても良い。また、音叉センサ７０を配置する配置空間Ｐを形成するために、取付腕部５１ｂの幅方向（Ｙ方向）の寸法は、基台部５１ａおよび下方支持部５１ｃよりも小さく設けられている。また、取付腕部５１ｂのうち配置空間Ｐ側の側面（Ｙ２側の面）には、後述する取付孔７２ａを介して音叉センサ７０の剛体アーム部７２をネジＳ１を介して取り付けるために、ネジ穴５１ｂ１が設けられている。

なお、後述する取付突部５５ｂと非接触の状態とするために、取付腕部５１ｂの下側（Ｚ２側）は、荷受基部５５ａ側（Ｘ１側）に向かうにつれて上側（Ｚ１側）に移動するように斜めに切り欠かれている。

また、下方支持部５１ｃは、下方側（Ｚ２側）の連結ビーム５３よりも上方側（Ｚ１側）に位置している剛体的な部分である。この下方支持部５１ｃは、音叉センサ７０の撓みアーム部７３を避けるために、段形状に設けられていて、音叉センサ７０を下方側（Ｚ２側）から保護している。なお、図２および図３に示す構成では、下方支持部５１ｃは、音叉センサ７０の撓みアーム部７３が大きく変形した際に衝突可能な位置に設けられているが、撓みアーム部７３が大きく変形しても下方支持部５１ｃに衝突しない配置としても良い。

なお、固定部５１は、固定部材Ｅを介して、図示を省略する計量装置１０の固定的な部分（フレーム部分等）に取り付けられている。一方、後述する荷重受部５５は、固定部材Ｅと同様の固定部材によって図示を省略する計量装置１０の固定的な部分（フレーム部分等）には取り付けられていない。

次に、固定側撓み部材５２について説明する。固定側撓み部材５２は、固定側取付部５２ａと、ビーム側取付部５２ｂと、薄肉部５２ｃとを有している。固定側取付部５２ａは、たとえば押さえ板５６を介在させる状態で、ネジによって固定部５１（基台部５１ａ）に取り付けられる部分である。また、ビーム側取付部５２ｂは、たとえば押さえ板５７を介在させる状態で、ネジによって連結ビーム５３に取り付けられる部分である。

なお、ビーム側取付部５２ｂにはネジを挿通させる孔部（符号省略）が設けられているが、連結ビーム５３にはネジを捻じ込むネジ穴（符号省略）が設けられている。そのため、ネジの捻じ込み量に応じて、ビーム側取付部５２ｂの連結ビーム５３に対する高さ位置が変動する。その高さ位置の調整により、載置皿部２０内で測定対象物を載置する位置に応じた、検出荷重の変動を抑えることを可能として、載置皿部２０のどの部位に測定対象物を載置しても、一定の荷重が検出されるようにしている。

また、薄肉部５２ｃは、容易に撓み変形するように、固定側取付部５２ａおよびビーム側取付部５２ｂよりも大幅に薄肉加工された部分である。

また、連結ビーム５３は、固定側撓み部材５２と荷受側撓み部材５４とに連結された剛体的な部分である。そのため、固定側撓み部材５２と荷受側撓み部材５４の撓み変形に応じて、連結ビーム５３が上下方向（Ｚ方向）に移動する。なお、図２に示す構成では、ロバーバル機構部５０の上方側（Ｚ１側）および下方側（Ｚ２側）のいずれにおいても、連結ビーム５３に対して、２つの固定側撓み部材５２が連結されると共に、連結ビーム５３に対して２つの荷受側撓み部材５４が連結されている。ただし、固定側撓み部材５２は互いに所定距離だけ離れるように配置されている一方で、荷受側撓み部材５４は互いに近接するように配置されているので、連結ビーム５３は、台形の底辺の両端側（ビーム側取付部５２ｂと接続される部分）を固定側取付部５２ａ側（Ｘ２側）に突出させた形態に設けられている。

また、荷受側撓み部材５４は、固定側撓み部材５２と同様に撓み変形する部材である。具体的には、荷受側撓み部材５４は、荷受側取付部５４ａと、ビーム側取付部５４ｂと、薄肉部５４ｃとを有している。なお、荷受側取付部５４ａは、押さえ板５８を介在させる状態で、ネジ等によって荷重受部５５に取り付けられる部分である。また、ビーム側取付部５４ｂは、たとえば押さえ板５９を介在させる状態で、ネジ等によって連結ビーム５３に取り付けられる部分である。また、薄肉部４２ｃは、容易に撓み変形するように、荷受側取付部５４ａおよびビーム側取付部５４ｂよりも大幅に薄肉加工された部分である。

また、荷重受部５５は、上述した固定側撓み部材５２、連結ビーム５３および荷受側撓み部材５４を介して、弾性的に支持されている部分である。そのため、取付金具３０を介して載置皿部２０から荷重が付与されると、その荷重に応じて薄肉部５２ｃ，５４ｃが撓み変形することで、荷重受部５５が下方側（Ｚ２側）に移動する。この荷重受部５５には、荷受基部５５ａと、取付突部５５ｂとが設けられている。

荷受基部５５ａは、基台部５１ａと同様に上下方向（Ｚ方向）に延伸している部分である。また、取付突部５５ｂは、荷受基部５５ａから固定部５１側（Ｘ２側）に向かって突出している部分である。なお、取付突部５５ｂは、取付腕部５１ｂと非接触となるように取付腕部５１ｂよりも下側（Ｚ２側）に配置されるが、そのような非接触の配置を実現すべく、取付突部５５ｂの上側（Ｚ１側）は、基台部５１ａ側（Ｘ２側）に向かうにつれて下側（Ｚ２側）に移動するように斜めに切り欠かれている。また、取付突部５５ｂの幅方向（Ｙ方向）の寸法は、荷受基部５５ａよりも小さく設けられていることで、音叉センサ７０を配置する配置空間Ｐを形成している。

また、取付突部５５ｂのうち配置空間Ｐ側の側面（Ｙ２側の面）には、後述する取付孔７３ａを介して音叉センサ７０の撓みアーム部７３をネジＳ２を介して取り付けるために、ネジ穴５５ｂ１が設けられている。

また、取付腕部５１ｂの上下方向（Ｚ方向）の寸法は、下方支持部５１ｃよりも大幅に大きく設けられている。また、音叉センサ７０を配置する配置空間Ｐを形成するために、取付腕部５１ｂの幅方向（Ｙ方向）の寸法は、基台部５１ａおよび下方支持部５１ｃよりも小さく設けられている。また、取付腕部５１ｂのうち配置空間Ｐ側の側面（Ｙ２側の面）には、音叉センサ７０の上端側（Ｚ１側）をネジを介して取り付けるために、ネジ穴５１ｂ１が設けられている。

また、取付カバー６０は、荷重受部５５を覆うように設けられる部材である。この取付カバー６０は、その上面側に、ネジや位置決めピン等を介して取付金具３０を取り付けている。また、取付カバー６０は、その側面側で荷重受部５５に対し、ボルトやナット等を介して取り付けられている。それにより、取付金具３０から作用する荷重は、取付カバー６０を介して荷重受部５５に作用する。また、取付カバー６０は、薄肉部５４ｃの撓みに影響を与えないように、荷受側撓み部材５４の上面側を保護している。

＜音叉センサ７０の構成について＞
次に、音叉センサ７０について説明する。図４は、音叉センサ７０の構成を示す平面図であり、音叉センサ７０が荷重の作用により変形する前の状態を示している。図５は、図４に示す状態から音叉センサ７０が荷重の作用によって変形した状態を示す平面図である。音叉センサ７０は、たとえば板状の恒弾性部材をワイヤカット放電等で所定形状に切り欠くことにより、全体が一体的な状態に設けられている。しかしながら、音叉センサ７０は、たとえばＳＵＳ等のような非恒弾性部材から形成されても良い。この音叉センサ７０は、音叉振動子７１に荷重（引っ張り力）が作用した状態で振動を加え、荷重に応じて変化した振動数を検出するセンサである。検出された振動数は、荷重へと変換することで、音叉振動子７１に加えられた荷重を検出することができる。この音叉センサ７０は、音叉振動子７１と、剛体アーム部７２と、撓みアーム部７３と、上方リンク７４と、下方リンク７５と、第１荷重連結節７６ａと、第２荷重連結節７６ｂと、第１音叉連結節７７ａと、第２音叉連結節７７ｂと、振動子連結部７８とを有している。

音叉振動子７１は、振動片７１ａ，７１ｂと、振動子基部７１ｃ，７１ｄと、励振用圧電素子７１ｅと、ピックアップ用圧電素子７１ｆとを有している。これらのうち、振動片７１ａ，７１ｂは、互いに平行に配置された長尺状の部材である。なお、振動片７１ａ，７１ｂの中途部位に調整部位を設けることで、振動数を調整可能としても良い。また、振動子基部７１ｃは、振動片７１ａ，７１ｂのそれぞれの一端側（Ｘ１側）を接続する部分であり、これら振動片７１ａ，７１ｂの接続に対応した幅を有している。同様に、振動子基部７１ｄは、振動片７１ａ，７１ｂのそれぞれの他端側（Ｘ２側）を接続する程度の幅を有する部分であり、これら振動片７１ａ，７１ｂの接続に対応した幅を有している。

また、励振用圧電素子７１ｅは、交流電圧の印加に基づく振動を振動片７１ａ，７１ｂに加える部分であり、ピックアップ用圧電素子７１ｆは、振動に基づく出力電圧を検出する部分である。上述の励振用圧電素子７１ｅに交流電圧を印加すると、励振用圧電素子７１ｅが振動し、その振動によって、振動片７１ａの固有振動数で振動片７１ａが振動し、さらにその後に振動片７１ａと振動片７１ｂとが共振する。すると、ピックアップ用圧電素子７１ｆでは出力電圧を検出する。

図４および図５に示すように、振動子基部７１ｃは、接続片７１ｇを介して振動子連結部７８へと連結されている。また、振動子基部７１ｄは、接続片７１ｈを介して剛体アーム部７２のうち基台部５１ａ側（Ｘ２側）の部位に連結されている。

図４および図５に示すように、剛体アーム部７２は合計３回曲がるようなクランク形状に設けられていて、固定部５１側（Ｘ１側）の端部側が撓みアーム部７３と一体的に連結されている。なお、剛体アーム部７２は、第１荷重作用部位に対応するが、第２荷重作用部位に対応するものとしても良い。この剛体アーム部７２は、撓みアーム部７３と比較してアーム幅が大きく設けられている腕状の部分であり、撓みアーム部７３と比較して荷重の作用による寸法変動が生じ難い部分となっている。この剛体アーム部７２のうち一方側（Ｘ１側）の端部付近には、取付孔７２ａが設けられていて、その取付孔７２ａにネジＳ１を挿通させることで、剛体アーム部７２が取付腕部５１ｂに取り付けられる。

また、撓みアーム部７３も合計３回曲がるようなクランク形状に設けられ、固定部５１側（Ｘ１側）の端部側が剛体アーム部７２と一体的に連結されている。このようなクランク形状に撓みアーム部７３が設けられることにより、撓みアーム部７３が下方支持部５１ｃとの干渉を防ぐことが可能となっている。この撓みアーム部７３は、剛体アーム部７２よりもアーム幅が小さく設けられている腕状の部分であり、荷重に応じた寸法変動が比較的容易に生じる部分となっている。この撓みアーム部７３のうち一方側（Ｘ１側）の端部付近には、取付孔７３ａが設けられていて、その取付孔７３ａにネジＳ２を挿通させることで、撓みアーム部７３が取付突部５５ｂに取り付けられる。

なお、取付孔７２ａの中心は、音叉センサ７０に荷重を与える際に、剛体アーム部７２のうち荷重が作用する中心点となっていて、その取付孔７２ａの中心が、後述する仮想線Ｌ１に位置している（図６参照）。同様に、取付孔７３ａの中心は、音叉センサ７０に荷重を与える際に、撓みアーム部７３のうち荷重が作用する中心点となっていて、その取付孔７３ａの中心が、後述する仮想線Ｌ１に位置している。しかしながら、取付孔７２ａの中心と異なる部位が、音叉センサ７０に荷重を与える際に、剛体アーム部７２のうち荷重が作用する中心点となっていても良い。同様に、取付孔７３ａの中心と異なる部位が、音叉センサ７０に荷重を与える際に、撓みアーム部７３のうち荷重が作用する中心点となっていても良い。

また、上方リンク７４および下方リンク７５は、概ね上下方向（Ｚ方向）に沿って延伸している長尺状の部分であり、後述する第１荷重連結節７６ａおよび第２荷重連結節７６ｂよりも肉厚に設けられている。この上方リンク７４は、第１荷重連結節７６ａおよび第１音叉連結節７７ａに確実に力を伝達して、これら第１荷重連結節７６ａ及び第１音叉連結節７７ａを撓ませるような剛性を有している。また、下方リンク７５も、第２荷重連結節７６ｂおよび第２音叉連結節７７ｂに確実に力を伝達して、これら第２荷重連結節７６ｂおよび第２音叉連結節７７ｂを撓ませるような剛性を有している。なお、上方リンク７４は第１リンクに対応すると共に、下方リンク７５は第２リンクに対応する。しかしながら、上方リンク７４が第２リンクに対応すると共に、下方リンク７５が第１リンクに対応するものとしても良い。

上述の上方リンク７４の一端側（Ｚ１側）は第１荷重連結節７６ａを介して剛体アーム部７２と連結されていると共に、上方リンク７４の他端側（Ｚ２側）は第１音叉連結節７７ａを介して振動子連結部７８と連結されている。また、下方リンク７５の一端側（Ｚ１側）は第２音叉連結節７７ｂを介して振動子連結部７８と連結されていると共に、下方リンク７５の他端側（Ｚ１側）は第２荷重連結節７６ｂを介して撓みアーム部７３と連結されている。

ここで、第１荷重連結節７６ａは、一対の凹部７９ａ，７９ｂに挟まれることで、上方リンク７４よりも肉薄に設けられている。凹部７９ａ，７９ｂの形状は、図４および図５に示すように、円弧状よりも上下方向（Ｚ方向）の寸法を長くした長円形状に設けられているが、概ね円弧状に設けられていても良い。また、第２荷重連結節７６ｂも上述した一対の凹部７９ａ，７９ｂと同様の形状の一対の凹部８０ａ，８０ｂに挟まれることで、上方リンク７４よりも肉薄に設けられている。

また、第１音叉連結節７７ａは、一対の凹部８１ａ，８１ｂに挟まれることで、上方リンク７４および振動子連結部７８よりも肉薄に設けられている。同様に、第２音叉連結節７７ｂも、一対の凹部８２ａ，８２ｂに挟まれることで、下方リンク７５および振動子連結部７８よりも肉薄に設けられている。

なお、凹部７９ａ，８０ａは、いずれも上方リンク７４のうち音叉振動子７１側（Ｘ２側）の側面から凹むように設けられている。同様に、凹部８１ａ，８２ａも、下方リンク７５のうち音叉振動子７１側（Ｘ２側）の側面から凹むように設けられている。また、凹部７９ｂ，８０ｂは、いずれも上方リンク７４のうち音叉振動子７１とは反対側（Ｘ１側）の側面から凹むように設けられている。同様に、凹部８１ｂ，８２ｂも、下方リンク７５のうち音叉振動子７１側（Ｘ２側）の側面から凹むように設けられている。ここで、凹部７９ａ～８２ａは、第１凹部に対応する。また、凹部７９ｂ～８２ｂは、第２凹部に対応する。

ここで、図６に示すように、第１荷重連結節７６ａの中心位置Ｃ１１と、第２荷重連結節７６ｂの中心位置Ｄ１１を結ぶ線を仮想線Ｌ１とする。この仮想線Ｌ１は、第１仮想線に対応する。また、第１音叉連結節７７ａの中心位置Ｃ１２と、第２音叉連結節７７ｂの中心位置Ｄ１２を結ぶ線を仮想線Ｌ２とする。この仮想線Ｌ２は、第２仮想線に対応する。図６から明らかなように、仮想線Ｌ２は、仮想線Ｌ１よりも固定部５１側（Ｘ２側）に位置している。なお、載置皿部２０に測定対象物が載置されていない状態（測定すべき荷重が付与されていない状態）では、仮想線Ｌ１と仮想線Ｌ２は平行に設けられている。

また、第１荷重連結節７６ａの中心位置Ｃ１１と、第１音叉連結節７７ａの中心位置Ｃ１２を結ぶ線を仮想線Ｌ３とする。また、第２荷重連結節７６ｂの中心位置Ｄ１１と、第２音叉連結節７７ｂの中心位置Ｄ１２を結ぶ線を仮想線Ｌ４とする。図６から明らかなように、載置皿部２０に測定対象物が載置されていない状態（測定すべき荷重が付与されていない状態）では、仮想線Ｌ３，Ｌ４は、仮想線Ｌ１，Ｌ２に対して、それぞれ角度θをなすように傾斜している。

また、振動子連結部７８は、接続片７１ｇを介して振動子基部７１ｃと連結されている。加えて、振動子連結部７８は、第１音叉連結節７７ａを介して上方リンク７４と連結されると共に、第２音叉連結節７７ｂを介して下方リンク７５と連結されている。

以上のような構成を有する計量装置１０では、載置皿部２０の上部に測定対象物を載置すると、その測定対象物の荷重は、取付金具３０および取付カバー６０を介して、ロバーバル機構部５０を構成する荷重受部５５へと伝達される。ここで、荷重受部５５は、上述した固定側撓み部材５２、連結ビーム５３および荷受側撓み部材５４を介して、固定部５１に対して弾性的に支持されている。したがって、付与される荷重に応じて、荷重受部５５は下側（Ｚ２側）に移動しようとする。

ここで、音叉センサ７０の剛体アーム部７２は、取付孔７２ａに挿通されているネジＳ１を介して取付腕部５１ｂに取り付けられている。一方、音叉センサ７０の撓みアーム部７３は、取付孔７３ａに挿通されているネジＳ２を介して取付突部５５ｂに取り付けられている。そのため、荷重受部５５に付与された荷重に応じて、取付孔７３ａが下方側（Ｚ２側）に移動するように、撓みアーム部７３は撓み変形する。したがって、取付孔７２ａと取付孔７３ａの間隔が広げられようとする。

上記のように、剛体アーム部７２と撓みアーム部７３の間隔が広げられようとするとき、第１荷重連結節７６ａと第１音叉連結節７７ａを結んだ仮想線Ｌ３と、第２荷重連結節７６ｂと第２音叉連結節７７ｂとを結んだ仮想線Ｌ４とは、仮想線Ｌ１，Ｌ２に対してなす角度θが小さくなるように移動しようとする。すなわち、仮想線Ｌ３，Ｌ４は、仮想線Ｌ１，Ｌ２に対し平行な状態に近づこうとする。

ここで、剛体アーム部７２と撓みアーム部７３の間隔が広がるにつれて、振動子連結部７８は荷重受部５５側（Ｘ１側）に移動しようとし、それによって振動子連結部７８に対して引っ張り力が与えられる。かかる引っ張り力が作用した状態で、励振用圧電素子７１ｅを駆動させると、その引っ張り力に対応して変動した振動数で、振動片７１ａ，７１ｂが振動する。また、この振動により、ピックアップ用圧電素子７１ｆは出力電圧を検出し、その出力電圧を外部に出力する。そのため、ピックアップ用圧電素子７１ｆから出力される電圧の変動に基づいて、音叉振動子７１の振動数が測定され、その振動数に対応した荷重を測定することができる。

上記のように引っ張り力が作用したときの様子を、図７に示す。図７は、仮想線Ｌ３，Ｌ４が仮想線Ｌ１，Ｌ２と平行となった状態を示す。図７に示す状態では、仮想線Ｌ３，Ｌ４が仮想線Ｌ１，Ｌ２と平行となった状態（すなわち最大限の引っ張り力が作用した状態）を示している。このとき、仮想線Ｌ１～Ｌ４が全て同一直線上に配置された状態を示している。ただし、通常は仮想線Ｌ１と仮想線Ｌ２都が同一直線上に配置されることはない。また、仮想線Ｌ１，Ｌ２に対して、仮想線Ｌ３，Ｌ４が平行になることもない。

なお、上記の図６から図７に示すように音叉センサ７０が変形したときの寸法の変動の様子を、図８に示す。図８では、長さＲは、中心位置Ｃ１１と中心位置Ｃ１２の距離（中心位置Ｄ１１と中心位置Ｄ１２の距離）を示している。また、長さＺは、図６における中心位置Ｃ１１と中心位置Ｃ１２（中心位置Ｄ１１と中心位置Ｄ１２）の上下方向（Ｚ方向）の長さ成分を示している。図６から図７に示すように音叉センサ７０が変形した場合、図８に示すように、中心位置Ｃ１２，Ｄ１２は、長さＸだけ、Ｘ方向に沿って移動する。かかる移動により、取付孔７２ａ，７３ａと振動子連結部７８の間のそれぞれの距離は、（Ｒ－Ｘ）だけそれぞれ増加する。それによって、剛体アーム部７２と撓みアーム部７３の間の間隔を広げることができる。

ここで、図６～図８に基づいて、本発明を概念化すると、次のようになる。図９は、本発明の概念的な構成を示す図である。図９に示すように、音叉センサ７０は、寸法変化に伴って固有振動数が変化する音叉振動子７１を備えている。また、上方リンク７４は、その一端側が第１荷重連結節７６ａを介して撓みアーム部７３に連結されていると共に、その他端側が第１音叉連結節７７ａを介して、音叉振動子７１側に連結されている。図９では、第１音叉連結節７７ａは振動子連結部７８に連結されているが、第１音叉連結節７７ａと振動子連結部７８とが一体的であっても良い。また、下方リンク７５は、その一端側が第２荷重連結節７６ｂを介して剛体アーム部７２に連結されていると共に、その他端側が第２音叉連結節７７ｂを介して、音叉振動子７１側に連結されている。図９では、第２音叉連結節７７ｂは振動子連結部７８に連結されているが、第２音叉連結節７７ｂと振動子連結部７８とが一体的であっても良い。

ここで、第１荷重連結節７６ａの中心位置Ｃ１１と第２荷重連結節７６ｂの中心位置Ｄ１１を通る線を仮想線Ｌ１としたとき、第１音叉連結節７７ａの中心位置Ｃ１２および第２音叉連結節７７ｂの中心位置Ｄ１２を結ぶ仮想線Ｌ２は、仮想線Ｌ１よりも音叉振動子７１側（Ｘ２側）に配置されている。

図１０（Ａ），（Ｂ）は、第１音叉連結節７７ａの中心位置Ｃ１２および第２音叉連結節７７ｂの中心位置Ｄ１２に作用する力を示す図である。中心位置Ｃ１２，Ｄ１２に測定対象物による荷重Ｆが作用する場合、その力ＦのＸ方向成分である分力Ｆｘは、図１０（Ａ），（Ｂ）からＦｘ＝Ｆｃｏｓθにより求められ、力ＦのＺ方向成分は、図１０からＦｙ＝Ｆｓｉｎθにより求められる。ここで、図１０（Ａ）に示すように角度θが小さい場合、分力Ｆｘも小さくなる。したがって、角度θが小さい場合、力Ｆが大きい場合でも、分力Ｆｘを小さく抑えることができる。このため、角度θを小さくすれば、大きな秤量を計測することができる。

これとは逆に、図１０（Ｂ）に示すように角度θが大きい場合、分力Ｆｘも大きくなる。したがって、角度θが大きい場合、力Ｆが比較的小さくても、分力Ｆｘを比較的大きくすることができる。このため、角度θを大きくすれば、小さな秤量を計測することができる。

このような、長さＲ、長さＸおよび長さＺによって、計測可能な秤量がどのように変化するのかを、表１に示す。表１においては、長さＺを１００ｍｍとし、そのときに長さＸを０．８から１００まで変化させたときのそれぞれの長さＲを示している。また、表１では、音叉振動子７１に与える変形量であるΔＸを０．０１６ｍｍと一定の値としたときの、長さＺの変化量であるΔＺと、減力値と呼ばれているΔＸ／ΔＺの値をそれぞれ示している。なお、表１の右端の列の寸法の場合の減力値を１．０とした場合、表１の左端の列の寸法の場合の減力値は１２６．３となっているが、これは、同じ寸法ΔＸ＝０．０１６ｍｍだけ変化させるのに必要な力Ｆは、右端の列の寸法の場合に対して、左端の列の寸法の場合には、１２６．３倍の力が必要であることを示している。

＜効果について＞
以上のような構成の音叉センサ７０および計量装置１０によると、寸法変化に伴って固有振動数が変化する音叉振動子７１と、一端側が第１荷重連結節７６ａを介して剛体アーム部７２（第１荷重作用部位）に連結されると共に、他端側が第１音叉連結節７７ａを介して音叉振動子７１に連結されている上方リンク７４（第１リンク）と、一端側が第２荷重連結節７６ｂを介して撓みアーム部７３（第２荷重作用部位）に連結されると共に、他端側が第２音叉連結節７７ｂを介して音叉振動子７１に連結されている下方リンク７５（第２リンク）とを有している。さらに、第１荷重連結節７６ａの中心位置Ｃ１１と第２荷重連結節７６ｂの中心位置Ｄ１１を通る線を仮想線Ｌ１（第１仮想線）とし、第１音叉連結節７７ａの中心位置Ｃ１２および第２音叉連結節７７ｂの中心位置Ｄ１２を通る線を仮想線Ｌ２（第２仮想線）としたとき、仮想線Ｌ２（第２仮想線）は、仮想線Ｌ１（第１仮想線）よりも音叉振動子７１側（Ｘ２側）に配置されている。

このような構成を採用することにより、剛体アーム部７２（第１荷重作用部位）と撓みアーム部７３（第２荷重作用部位）を離間させるような荷重（引っ張り荷重）が作用した際に、音叉振動子７１に引っ張り荷重を与えることができる。ここで、仮想線Ｌ１（第１仮想線）に対して、仮想線Ｌ２（第２仮想線）が音叉振動子７１側（Ｘ２側）に位置する場合、図６から明らかなように、第１荷重連結節７６ａの中心位置Ｃ１１と第１音叉連結節７７ａの中心位置Ｃ１２を結んだ仮想線Ｌ３（第３仮想線）は、仮想線Ｌ１（第１仮想線）に対して角度θで傾斜し、さらに第２荷重連結節７６ｂの中心位置Ｄ１１と第２音叉連結節７７ｂの中心位置Ｄ１２を結んだ仮想線Ｌ４（第４仮想線）は、仮想線Ｌ１（第１仮想線）に対して角度θで傾斜する。

このとき、角度θが大きければ、図１０（Ｂ）から明らかなように、力Ｆが大きい場合に、Ｘ方向に沿う分力Ｆｘも大きくなるので、秤量は比較的小さいものとすることができる。しかしながら、角度θが０度に近づくにつれて、音叉振動子７１の中心線（Ｘ方向）に沿う分力Ｆｘを小さくすることができるので、秤量を大きくすることができる。

たとえば、角度θが４５度の場合（表１の右端の列の場合）に対して、該角度θが０．４６度の場合（表１の左端の列の場合）、上述した表１より、秤量を１２６．３倍とすることができる。しかも、秤量を１２６．３倍としたにも拘わらず、仮想線Ｌ３（第３仮想線）および仮想線Ｌ４（第４仮想線）が仮想線Ｌ１（第１仮想線）に沿う方向への寸法変化は、約１／√２倍と小さくすることができる。このため、秤量を大きくする場合でも、音叉センサ７０のサイズが大きくなるのを防止することができる。

また、特許文献２に開示の構成では圧縮方向の荷重しか測定できない。これに対して、本実施の形態の音叉センサ７０および計量装置１０では、荷重が作用した際に、剛体アーム部７２（第１荷重作用部位）と撓みアーム部７３（第２荷重作用部位）を離間させる構成を採用しているので、音叉振動子７１を取り付けて、該音叉振動子７１に引っ張り荷重を作用させることができる。このため、ロバーバル機構部５０に容易に適用することが可能となる。

また、本実施の形態では、第１荷重連結節７６ａおよび第１音叉連結節７７ａは、可撓性を有するように上方リンク７４（第１リンク）の幅よりも薄肉化された薄肉部分である。これと共に、第２荷重連結節７６ｂおよび第２音叉連結節７７ｂは、可撓性を有するように下方リンク７５（第２リンク）の幅よりも薄肉化された薄肉部分である。

上記のように、第１荷重連結節７６ａ、第１音叉連結節７７ａ、第２荷重連結節７６ｂおよび第２音叉連結節７７ｂは、可撓性を有するように薄肉化された薄肉部分である。このため、上記の薄肉部分は、剛体アーム部７２（第１荷重作用部位）と撓みアーム部７３（第２荷重作用部位）とが離れるように変位する際に、仮想線Ｌ３（第３仮想線）および仮想線Ｌ４（第４仮想線）が、仮想線Ｌ１（第１仮想線）および仮想線Ｌ２（第２仮想線）に対してそれぞれなす角度θを小さくするように、撓むことができる。

また、本実施の形態では、剛体アーム部７２（第１荷重作用部位）のうち取付孔７２ａの中心（荷重が作用する中心点）と撓みアーム部７３（第２荷重作用部位）のうち取付孔７３ａの中心（荷重が作用する中心点）のうちの少なくとも一方は、仮想線Ｌ１（第１仮想線）と同一直線上に存在するように構成することができる。

このように構成する場合には、剛体アーム部７２（第１荷重作用部位）と撓みアーム部７３（第２荷重作用部位）での荷重作用の際に、モーメントの影響等を考慮する必要がなくなる。したがって、音叉振動子７１の振動変化に基づく荷重の測定精度を向上させることができる。

また、本実施の形態では、上述した第１荷重連結節７６ａは凹部７９ａ（第１凹部）と凹部７９ｂ（第２凹部）の間に存在し、第１音叉連結節７７ａは凹部８１ａ（第１凹部）と凹部８１ｂ（第２凹部）の間に存在し、第２荷重連結節７６ｂは凹部８０ａ（第１凹部）と凹部８０ｂ（第２凹部）の間に存在し、第２音叉連結節７７ｂは凹部８２ａ（第１凹部）と凹部８２ｂ（第２凹部）の間に存在している。さらに、凹部７９ａ～８２ａ（第１凹部）は、上方リンク７４（第１リンク）および下方リンク７５（第２リンク）のうち、音叉振動子７１側（Ｘ２側）の側面よりも凹んだ部分であり、凹部７９ｂ～８２ｂ（第２凹部）は、上方リンク７４（第１リンク）および下方リンク７５（第２リンク）のうち、音叉振動子７１側とは反対側（Ｘ１側）の側面よりも凹んだ部分である。

このように、薄肉部分である第１荷重連結節７６ａ、第１音叉連結節７７ａ、第２荷重連結節７６ｂおよび第２音叉連結節７７ｂは、凹部７９ａ～８２ａ（第１凹部）と凹部７９ｂ～８２ｂ（第２凹部）とで挟まれた部分であるので、これら凹部７９ａ～８２ａ（第１凹部）と凹部７９ｂ～８２ｂ（第２凹部）を形成する際に、その深さを調整することで、薄肉部分を容易に形成することができる。

また、本実施の形態では、第１音叉連結節７７ａと第２音叉連結節７７ｂにおいては、凹部８１ｂ，８２ｂ（第２凹部）は、凹部８１ａ，８２ａ（第１凹部）よりも深く設けられている。これと共に、第１荷重連結節７６ａと第２荷重連結節７６ｂにおいては、凹部７９ａ，８０ａ（第１凹部）は、凹部７９ｂ，８０ｂ（第２凹部）よりも深く設けられている。

このため、第１音叉連結節７７ａと第２音叉連結節７７ｂが、第１荷重連結節７６ａと第２荷重連結節７６ｂよりも仮想線Ｌ１（第１仮想線）から離れた音叉振動子７１側（Ｘ１側）に位置する構成を容易に実現することができる。すなわち、凹部７９ａ～８２ａ（第１凹部）の各深さ、および凹部７９ｂ～８２ｂ（第２凹部）の各深さを調整することで、上方リンク７４（第１リンク）の仮想線Ｌ３（第３仮想線）と下方リンク７５（第２リンク）の仮想線Ｌ４（第４仮想線）とが、仮想線Ｌ１（第１仮想線）に対して傾斜した状態を容易に実現することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこれ以外にも種々変形可能となっている。以下、それについて述べる。

上述の実施の形態では、剛体アーム部７２（第１荷重作用部位）は撓みアーム部７３（第２荷重作用部位）よりも上方側（Ｚ１側）に位置している。しかしながら、剛体アーム部７２（第１荷重作用部位）は撓みアーム部７３（第２荷重作用部位）よりも下方側（Ｚ２側）に位置する構成を採用しても良い。また、剛体アーム部７２に代えて、撓みアーム部７３と同等に撓み変形する撓みアーム部を設ける構成としても良い。この場合には、音叉センサは、一対の撓みアーム部を備える構成となる。

また、上述の実施の形態においては、上方リンク７４（第１リンク）と下方リンク７５（第２リンク）とは同等の長さに設けられているが、これらが異なる長さに設けられていても良い。

１０…計量装置、２０…載置皿部、２１…上皿部、２２…スカート部、３０…取付金具、４０…音叉センサ機構、５０…ロバーバル機構部、５１…固定部、５１ａ…基台部、５１ｂ…取付腕部、５１ｂ１…ネジ穴、５１ｃ…下方支持部、５２…固定側撓み部材、５２ａ…固定側取付部、５２ｂ…ビーム側取付部、５２ｃ…薄肉部、５３…連結ビーム、５４…荷受側撓み部材、５４ａ…荷受側取付部、５４ｂ…ビーム側取付部、５４ｃ…薄肉部、５５…荷重受部、５５ａ…荷受基部、５５ｂ…取付突部、５５ｂ１…ネジ穴、５６～５９…押さえ板、６０…取付カバー、７０…音叉センサ、７１…音叉振動子、７１ａ，７１ｂ…振動片、７１ｃ，７１ｄ…振動子基部、７１ｅ…励振用圧電素子、７１ｆ…ピックアップ用圧電素子、７１ｇ，７１ｈ…接続片、７２…剛体アーム部（第１荷重作用部位に対応）、７３…撓みアーム部（第２荷重作用部位に対応）、７４…上方リンク（第１リンクに対応）、７５…下方リンク（第２リンクに対応）、７６ａ…第１荷重連結節、７６ｂ…第２荷重連結節、７７ａ…第１音叉連結節、７７ｂ…第２音叉連結節、７８…振動子連結部、７９ａ～８２ａ…凹部（第１凹部に対応）、７９ｂ～８２ｂ…凹部（第２凹部に対応）、Ｃ１１，Ｃ１２，Ｄ１１，Ｄ１２…中心位置、Ｅ…固定部材、Ｌ１…仮想線（第１仮想線に対応）、Ｌ２…仮想線（第２仮想線に対応）、Ｌ３…仮想線（第３仮想線に対応）、Ｌ４…仮想線（第４仮想線に対応）、Ｐ…配置空間、Ｓ１，Ｓ２…ネジ

Claims (7)

1. 荷重による第１荷重作用部位と第２荷重作用部位との間での偏位により変化する音叉の振動数に基づいて前記荷重を測定する音叉センサであって、
   張力が作用した際の寸法変化に伴って固有振動数が変化する音叉振動子と、
   一端側が第１荷重連結節を介して前記第１荷重作用部位に連結されると共に、他端側が第１音叉連結節を介して前記音叉振動子に連結されている第１リンクと、
   一端側が第２荷重連結節を介して前記第２荷重作用部位に連結されると共に、他端側が第２音叉連結節を介して前記音叉振動子に連結されている第２リンクと、
   を有し、
   前記第１荷重連結節の中心位置と前記第２荷重連結節の中心位置を通る線を第１仮想線とし、
   前記第１音叉連結節の中心位置および前記第２音叉連結節の中心位置を通る線を第２仮想線としたとき、
   前記第２仮想線は、前記第１仮想線よりも前記音叉振動子側に配置され、かつ荷重が作用して前記第１荷重作用部位と前記第２荷重作用部位との間で偏位が生じた際に、前記第２仮想線は前記第１仮想線に向かって移動し、
   前記音叉振動子は、前記第２仮想線の移動に伴って前記第２仮想線が前記第１仮想線に移動する方向に力が与えられる状態で配置されている、
   ことを特徴とする音叉センサ。
2. 荷重による第１荷重作用部位と第２荷重作用部位との間での偏位により変化する音叉の振動数に基づいて前記荷重を測定する音叉センサであって、
   張力が作用した際の寸法変化に伴って固有振動数が変化する音叉振動子と、
   一端側が第１荷重連結節を介して前記第１荷重作用部位に連結されると共に、他端側が第１音叉連結節を介して前記音叉振動子に連結されている第１リンクと、
   一端側が第２荷重連結節を介して前記第２荷重作用部位に連結されると共に、他端側が第２音叉連結節を介して前記音叉振動子に連結されている第２リンクと、
   を有し、
   前記第１荷重連結節の中心位置と前記第２荷重連結節の中心位置を通る線を第１仮想線とし、
   前記第１音叉連結節の中心位置および前記第２音叉連結節の中心位置を通る線を第２仮想線としたとき、
   前記第２仮想線は、前記第１仮想線よりも前記音叉振動子側に配置され、
   前記第１荷重連結節および前記第１音叉連結節は、可撓性を有するように前記第１リンクの幅よりも薄肉化された薄肉部分であると共に、
   前記第２荷重連結節および前記第２音叉連結節は、可撓性を有するように前記第２リンクの幅よりも薄肉化された薄肉部分である、
   ことを特徴とする音叉センサ。
3. 請求項１または２記載の音叉センサであって、
   前記第１荷重作用部位のうち荷重が作用する中心点と前記第２荷重作用部位のうち荷重が作用する中心点のうちの少なくとも一方は、前記第１仮想線と同一直線上に存在する、
   ことを特徴とする音叉センサ。
4. 請求項２記載の音叉センサであって、
   前記薄肉部分は、第１凹部と第２凹部との間に存在すると共に、
   前記第１凹部は、前記第１リンクおよび第２リンクのうち前記音叉振動子側の一方の側面よりも凹んだ部分であり、
   前記第２凹部は、前記第１リンクおよび第２リンクのうち前記音叉振動子とは反対側の他方の側面よりも凹んだ部分である、
   ことを特徴とする音叉センサ。
5. 請求項４記載の音叉センサであって、
   前記第１音叉連結節と前記第２音叉連結節においては、前記第２凹部は前記第１凹部よりも深く設けられていると共に、
   前記第１荷重連結節と前記第２荷重連結節においては、前記第１凹部は前記第２凹部よりも深く設けられている、
   ことを特徴とする音叉センサ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の音叉センサであって、
   前記第１荷重連結節の中心位置と前記第１音叉連結節の中心位置を結ぶ線を第３仮想線とし、前記第２荷重連結節の中心位置と前記第２音叉連結節の中心位置を結ぶ線を第４仮想線としたとき、
   荷重による第１荷重作用部位と第２荷重作用部位との間での偏位が生じていない状態では、
   前記第３仮想線および前記第４仮想線は、前記第１仮想線および前記第２仮想線に対して、それぞれ所定の角度をなすように傾斜している、
   ことを特徴とする音叉センサ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の音叉センサを備えることを特徴とする計量装置。
   

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