JPS6097220A - 直線運動形荷重検出機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、主として上皿秤等による荷重測定を、確実か
つ精密に行うための直線運動形荷重検出機構に関するも
のである 一般に荷重検出機構に要求される条件は、測定方向の力
のみを忠実に測定できることであり、測定方向に対して
直角方向の力が加えられても機構の抗力が強く測定値に
は影響を与えず、特に上皿秤の場合には、計量皿の中心
から偏った位置に加えられた偏荷重に対して所謂四隅誤
差を生じないことが必要である。

従来から使用されている上皿秤用荷重検出機構の代表的
な例を第１図に示す、この第１図において、皿受棒ｌの
上には図示しない計量皿が載置され、Ｚ軸方向に作用す
る重力が測定荷重としてこの機構に加えられる。皿受棒
１は更に荷重軸２として下方に延長され、その下端３は
基板４上のロードセル５に接続されている。ロードセル
５としてはストレインゲージ式、電磁力平衡式、圧電素
子、音叉振動子、振動弦、ジャイロスコープなどの変位
の比較的小さい適宜の荷重変換器が一般に用いられる。

基板４上には更に２本の支柱６．７が植立されており、
これらの支柱６．７と荷重軸２にはロバ−パル機構を形
成する上下に平行に配置された２個のＶ字形アーム８．
９が支持され、これらのアーム８．９の７字の基部８ａ
・９ａは荷重軸２に、枝部の先端部８ｂ、８ｃ、９ｂ、
９Ｃはそれぞれ支柱６，７に固定され、支柱６．７の上
端間には補強用のバー１０が取り付けられている。Ｖ字
形アーム８．９自体は十分な剛性を持つように作られて
いるが、その基部と外端部近くには撓み部であるフレク
シャｌｌａ、１１ｂ、ｌｌｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ
が設けられており、これらの部分での屈曲は比較的自由
になっている。

この在来機構の作用を第２図を用いて説明すると、リン
ク機構はフレクシャｌｌａ、ｌｌｂ、１２ａ、１２ｂの
４点から成る平行四辺形を形成し、フレクシャｌｌｂ、
１２ｂの位置を固定点に選ぶと、可動側のフレクシャｌ
ｌａ、１２＆に取り付けられた計量皿１３と荷重軸２に
許される変位は、矢示のような円弧連動に限定されるこ
とになる。荷重Ｗが図示のように計量皿１３の中心から
Ｘ方向に偏って載置された場合に、偏荷重によりアーム
８，９にはそれぞれアーム方向に圧縮力と引張力が作用
するものの、両者が平行であればたとえ水平でない場合
であっても、圧縮力の垂直分力と引張力の垂直分力が相
殺されるので、軸方向即ち鉛直方向に働く力のみが荷重
軸２に伝達されることはよく知られている。

しかし、この第１図に示した従来の検出機構には次のよ
うな欠点がある。

（ａ）皿受４ｉ１ｔｌに加わる望ましくない水平方向の
力に対する強度が比較的弱く、その方向により影響度が
異なるほか、アーム８の基部８ａにおいて長手方向Ｘと
直角なＹ１方向の力に対してロバ−パル機構の捩れが生
じ易い。

（ｂ）　７レクシヤ１ｌａ−１ｉｅ、１２ａ　〜１２ｃ
の溝部方向に関し、ＹｌとＹ２方向及びＹビとＹ２“方
向の平行がとれていないと、Ｙ１方向の偏荷重により四
隅誤差が発生する。

（Ｃ）アーム８．９の枝部同志の平行がそれぞれ十分で
ないと、主としてＸ方向の偏荷重により四隅誤差が生ず
る。

（ｄ）荷重軸２は鉛直を保ちつつ円弧運動を行うので、
荷重軸２が垂直方向に変位すると同時に水平方向にも若
干変位することになり、ロードセル５には好ましくない
水平方向の力も加わって測定誤差の原因になる。そのた
め、変位量の大きなロードセルを使用できないだけでは
なく、たとえ変位量の小さなロードセルを使用する場合
においても、荷重Ｗの載置時の衝蛤力や過荷重を吸収緩
和する目的で、荷重軸２とロードセル５との間に変位量
の大きなばねやダンパなどを介在させることが許されず
、そのためロードセル５を破損する虞れがある。

本出願人は上述の従来技術の欠点を解決するために、特
願昭５７−２０５２８４号において、荷重軸２が円弧運
動ではなく直線運動を行う荷重検出機構を先に提案した
が、荷重軸２は直線運動と同時に荷重軸２の周りに回転
連動を伴う欠点を有するほか、一部の部品の工作が難し
いという問題点があった。

本発明の目的は、上述の欠点を除去し、荷重軸は完全な
直線運動のみを行うので変位量の大きなロードセルの使
用が可能なほか、荷重軸とロードセルとの間に衝撃緩和
用のばねを介在させることが自在であり、更に如何なる
水平方向の偏荷重に対しても抗力が強く、四隅誤差を発
生し難く、しかも工作容易という優れた長所を兼備した
直線運動形荷重検出機構を提供することにあり、その要
旨は、荷重軸の動きを荷重変換器に伝達して荷重を検出
する機構において、垂直リンクを共有して１−下にほぼ
平行な２木ずつの水平アームにより、各頂点をフレクシ
ャとする同一寸法の２個の平行四辺形を形成する第１、
第２のリンク機構を持つ二重リンク機構を有し、前記第
１のリンク機構は前記垂直リンクと反対側の２点を前記
荷重軸の近傍において固定し、前記第２のリンク機構は
前記垂直リンクと反対側の２点を荷重軸に取り伺け、該
二重リンク機構を荷重軸の周りにほぼ等しい角度で少な
くとも２組配置し、加えられた荷重に応じて前記荷重軸
が軸方向に直線連動することを特徴とするものである。

本発明を第３図以下に図示の実施例に基づいて詳細に説
明する。なお、これらの図面において、第１図、第２図
と同一の符号は同一の部材を示すものとする。

第３図は本発明の基本原理図であり、図示のようにアー
ム等は荷重軸２を中心として対称の構成とされている。

先ず、その片側についてのみ注目すると、リンク機構は
６点のフレクシャ１５〜２０を頂点とした２個の同一寸
法の平行四辺形を形成している。第１のリンク機構はフ
レクシャ１５．１６．１９．２ｏを頂点として水平アー
ム２１．２２及び垂直リンク２３で構成され、垂直リン
ク２３とは反対側のフレクシャ１５．１６の位置は固定
であり、これらの７レクシヤ１５．１６が機構全体の中
心つまり荷重軸２の近傍に位置している点が第２図の在
来機構と大きく異なっている。第２のリンク機構はフレ
クシャ１７．１８．１９．２０を頂点として水平アーム
２４．２５及び垂直リンク２３により構成され、フレク
シャ１９．２０と垂直リンク２３は第１のリンク機構と
原理上共有であり、垂直リンク２３とは反対側のフレク
シャ１７．１８には荷重軸２が取り付けられている。

このような第３図の基本構成において、２個の平行四辺
形により形成された片側の二重リンク機構１組のみで全
体が構成されている場合を仮定すると、計量皿１３と荷
重軸２は直線運動を可能とするが、必ずしも直線運動が
保証されてはいない。そこで第３図に示すように、片側
につき２個の平行四辺形リンクで構成した二重リンク機
構２組を荷重軸２を中心に対称的に配列して構成すると
、計量皿１３と荷重軸２は矢示のように必ず中心軸線」
二を直線運動することになる。

偏荷重による四隅誤差が発生しない点については、第３
図の実施例は第２図の在来機構と同様の原理によるが、
詳細に検討してみれば明らかなように在来機構より有利
な点が数多く存在する。例えば、第４図は４個のリンク
機構が左右対称に配置しているが、工作誤差などのため
何れも平行四辺形から逸脱した状態を説明の都合上誇大
に表示した原理機構図である。これだけ過大に平行四辺
形から外れていると、計量皿１３と荷重軸２は円滑に動
くことは不可能であり、実際には工作誤差により極く微
小な外れだけを想定して四隅誤差の問題を検討すること
にする。

荷重Ｗが第４図に示すように計量皿１３の端部に加えら
れると、荷重軸２を傾けようとする力によりリンク機構
を構成する各アームには張力又は圧縮力が働き、その反
力として荷重軸２に対してはフレクシャ１７．１７’、
１８．１８’において、それぞれアーム方向の力Ｆ１、
Ｆｌ’　、　Ｆ２、Ｆ２“が作用する。第２図に示す在
来機構を本実施例による第３図又は第４図に対比して考
えた場合に、在来機構ではアーム８と９は厳密に平行し
ていることが四隅誤差を消去するだめの絶対条件である
が、本機構においては必ずしもその条件を必要どしない
。その理由はアーム２４と２５が平行ではない場合に、
Ｆｌの垂直分力とＦ２の垂直分力の大きさが等しくない
から両者は相殺はされないものの対称に構成されている
関係上、Ｆｌの垂直分力とＦｌｏの垂直分力は大きさが
等しく方向反対のため両者は相殺され、同様にＦ２の垂
直分力とＦ２’の垂直分力も相殺されるから、偏荷重に
基づく各アームの引張力と圧縮力の反力Ｆ１．　Ｆ２、
Ｆｌ’　、　Ｆ２”の垂直分力は、全体として荷重軸２
に作用せず四隅誤差を生じないことになる。

このように対称に構成されることが望ましいとは云え、
例えば第５図に示すようにアームの長さが左右で異なる
非対称の形状を採用しても、本発明による荷重検出機構
を構成することができる。

ただし、四隅誤差消去に関し第４図について説明した事
項はそのままは成立せず、上下に対応するアーム２４と
２５．２４′と２５°がそれぞれ平行という条件が必要
になる。

いままでの記述では、垂直”リンク２３を共有する片側
２個ずつの平行四辺形リンクにより形成された二重リン
ク機構が、左右に１組ずつほぼ対称に配列されて本実施
例が構成されているように便宜ト説明してきたが、実際
には荷重軸２の周りにこのような二重リンク機構がほぼ
等しい角度で、２組又は３組以上配列されるということ
が本発明に係る荷重検出機構の共通的な基本条件であり
、配列する二重リンク機構の数は実用上３組又は４組が
最も好適であると考えられる。

第６図は本実施例の組立構成例を示しているが、その説
明に先立ち重要構成要素である３叉状アーム板について
第７図と第８図について説明する。第７図（ａ）におい
て、ばね材のアーム板２６が３叉状に一体構造として切
り出され、外側アーム２１と内側アーム２４は先端部で
は接続されているものの、他の部分では全く分離されて
いる。

このようなアーム板２６はプレス加工、ワイヤカット加
工、エツチングなどにより製作できる。

３個所の取付孔２７を固定し、中心孔２８周縁の中央部
を例えば紙面手前方向に引張ると、中央部分は紙面に偵
角方向に直線的に変位する。アーム板２６の母材ばね板
は適宜の厚さを有し、圧縮、引張及び曲げに対してはで
きるだけ抗力の大きいことが望ましく、かつ先端近くの
フレクシャ１９とノ、（部のフレクシャ１５．１７部分
については、第７図（ｂ）に側面を示したように圧延な
どにより厚さを薄くした屈曲自在の構造とし、フレクシ
ャ輔の方向はアーム方向に直角で相互に平行し、それぞ
れにフレクシャの機能を与えられている。第１のリンク
機構の水平アーム２１は図示のように２分して外側にほ
ぼ平行して配置され、第２の水平アーム２４はその内側
中央に配列されてアーム板２６を形成しているが、アー
ム２１の原理的な機能は１枚の場合と全く同一であるか
ら、片側を切除して各１枚のアーム２１と２４を２木蓮
列させても支障はないが、実際には第７図に示すように
第１のリンク機構のアーム２１は対称形に２分してほぼ
平行に構成した方が動作の安定性が増加する。そして、
第６図に示すように１台の荷重検出機構には、同一寸法
によるこのような３叉状アーム板２６が上下に２枚必要
である。

第８図は第７図と類似の３叉状アーム板２６であるが、
素材としては極く薄い板を使用し、フレクシャ１５．１
７．１９は幅を狭めただけの簡単な構造とし、代りにア
ーム２１．２４の幅方向の両側又は片側を折り曲げてア
ーム長手方向の圧縮と曲げに対する抗力が強められてい
る。このような構造を採用すれば、プレス作業だけで均
一な寸法と特性を持っ３叉状アーム板２６が大量にかつ
安価に生産できる。

このような一体成型の３叉状アーム板２６を重要な構成
要素とする本実施例の構成例を説明すると、第６図（ａ
）に示すように３叉状アーム板２６は上下に平行して２
枚使用され、上側アーム板２６ａの外側アーム２１の基
部は取付孔２７により保持パイプ２９の上面の３個所に
固定され、下側アーム板２６ｂの基部は保持パイプ２９
の下部と、この保持パイプ２９と接続する同径の筒部３
０を有するベース３１との間に挿し込み或いはねじ止め
などで固定されている。一方、内側アーム２４の基部、
即ちアーム板２６ａ、２６ｂ全体の中心部は、に方のア
ーム板２６ａについては荷重軸２のに部に、下方のアー
ム板２６ｂについては保持パ、イブ２９の中心部を無接
触で貫通した荷重軸２の下部に中心孔２８を用いて固着
され、荷重軸２と上下アーム板２６ａ、２６ｂ゛の中心
部、即ち第２のリンク機構の基部は一体になって軸線１
−を止しく白線連動することができる。３木の垂直リン
ク２３は上下のアーム板２６ａ、２６ｂの先端３１同志
を相互に接続し、３組の二重リンク機構が構成されてい
る。

第６図（ｂ）において、保持パイプ２９の上下面にはそ
れぞれ３個所の切込み３２．３３が設けられ、荷重軸２
の連動に伴い上下のアーム板２６ａ、２６ｂの内側アー
ム２４の基部が中正位置から」−下に連動する場合の逃
げとなっており、切込み３２．３３の深さは荷重軸２に
許容する最大変位量を決定する。ベース３１の筒部３０
には、別の切込み３４が設けられ、荷重軸２の運動を取
出すための窓の役割を果しており、この部分からは第６
図（ａ）に示すように下方支持片３５が荷重軸２の下端
から張り出し、ロードセル５の下端に接続されており、
ロードセル５の上端は保持パイプ２９の上部から張り出
された上部支持片３６に取り付けられている。このよう
に構成された本実施例において、荷重軸２に加えられた
軸方向の引張り又は圧縮荷重が、ロードセル５に正しく
伝達されることは明らかである。

第７図、第８図に示すような２枚の軸対称の３叉状アー
ム板２６ａ、２６ｂを用いた第６図の実施例は、主とし
て丸面を装着する小形上冊秤に適しているが、大型の上
皿秤や台秤に適用する場合には、大きな３叉状アーム板
２６を１枚板から切り出す際の板取り上の損失が多く不
経済になる。

このような場合には、第９図に示すようにほぼ軸対称に
作られた２枚の短冊状アーム板３９ａ、３９ｂを重ね合
わせて４叉状アーム板を形成することができる。板取り
上の損失を無視して、このような４叉状アーム板を１枚
板から切出して一体構成することも勿論可能である。

この第９図において、／Ｘラッチング施した１枚の短冊
状アーム板３９ａと、アーム板３９ａよりも長さの相々
長い同様のアーム板３９ｂが中央で直交して重ね合わせ
になり、４個所の各取付孔２７は同じねじで保持パイプ
２９に２枚合わせで取り付けられる。計量皿１３の形状
寸法や秤の使用目的に応じて、両アーム板３９ａ、３９
ｂは全く同一寸法のものでもよいし、第９図に示すよう
な長さが異なったものを組み合わせてもよい。また、軽
い重量の測定や特殊用途に対しては、図示よりも幅が広
く長さの短い短冊」二のアーム板各１枚を１−下に平行
して組合わせることにより、第３図のノ、（本原理通り
の機構を構成して使用することもできる。このような２
叉状又は４叉状のアーム板を使用し壬も検出機構全体の
構成は、第６図（ａ）から容易に類推できるため説明を
省略する。

以上に説明した本発明に係る直線側動形荷重検出機構の
特長を要約すると次のようになる。

（１）荷重軸２に加わる望ましくない水平方向の力に対
する強度が何れの方向についても極めて強いため、衝撃
力を受けても破損の虞れが無いほか、偏荷重に対して四
隅誤差の発生が少なく、特定方向の偏荷重が大きいよう
な用途に対しては、各アームの長短を適宜に選択するこ
とにより対応できる。

（２）アームのフレクシャ１９と１５．１９と１７の中
心線方向が完全に平行でない場合でも、在来機構のよう
にフレクシャの中心線延長方向の偏荷重により四隅誤差
を発生することは殆どない。その主な理由は、直角又は
１．２０度などの角度で交叉する他のアームによりその
方向の偏荷重が主として受け持たれるからである。

（３）平行四辺形のリンク機構が軸対称に配列されてい
る場合には、」二重に対応するアーム２４と２５の平行
が十分でなくとも四隅誤差が発生することはない。

（４）荷重軸２は完全な直線運動を行うから、変位量の
大きいロードセルの使用が可能なほか、ロードセルには
測定上好ましくない荷重方向と直角方向の力や変位が加
えられることはなく高精度の荷重検出ができる。

（５）荷重軸２とロードセル５との間に緩衝ばねやダン
パを介在させることにより、ロードセル５の変位が小さ
い場合の衝撃荷重によるロードセル５の破損を防１１二
できる。更には、荷重軸２の変位。

を大きくとれることから、過荷重時の荷重軸２の変位に
対する機械的ストッパを設け、ロードセル５に過荷重が
加わることを防止することが極めて容易にできる。

（６）四隅誤差の調整に際し、在来機構では大きな強度
を要求される第１図の支柱６と７の長さを微細に調整す
る必要があるため、その機構や調整方法が極めて複雑困
難であったが、本発明によれば力が理想的には零の垂直
リンク２３の長さ調整のみで実施できるため、細い差動
ねじの利用などにより機構の製作と四隅誤差調整が共に
簡単でかつ容易にできる。

（７）在来機構では第１図に例示したように、ロードセ
ル５を含めた検出機構全体が、平面積の大きな基板４に
取り付けられているため、大荷重や偏荷重により基板４
に歪みが生ずると測定誤差が発生したが、本発明では第
６図に示すように検出機構が平面積の極めて小さなベー
ス３１に全て支持されているので、たとえ秤の底板が歪
んでも測定誤差が生ずることはなく、そのために薄肉で
軽量安価なケースに検出機構を収納できる。

（８）機構の主要部を構成するアーム板は、プレス加工
などにより均一な寸法なものを安価大量に生産でき、機
構の組立ても容易である。

以上の利点は主として上皿材に応用した場合であるが、
本発明に係る荷重検出機構は更に次のように他の機器に
対する適応性や長所も兼備している。

（９）荷重軸２を水平に設定すれば、水平方向の振動加
速度や力検出形傾斜計或いは水平方向の荷重計として使
用でき、荷重軸２に直角方向の妨害的な分力が大きい場
合でも、軸方向に加わる加速度や力のみが正確に検出さ
れる。検出機構の動特性に関して変位の小さなロードセ
ルを用いて固有振動数を高めることも、変位の大きなロ
ードセルを用いて固有振動数を低くすることも自在であ
る。ロードセルの代りに差動変圧器などと組合わせれば
、振動変位計や変位検出形の傾斜計が得られる。

（１０）変位や力の検出だけでなく、測定には直接関係
のない無接触・無摩擦の直線運動機構として利用するこ
ともできる。

電子式秤に限らず、機械式のばね秤や天秤を含めた各種
上皿材には、永年に亘り第１図、第２図に示したロバ−
パル機構が殆ど例外なく採用されてきたが、上述のよう
に本発明に係る直線運動形荷重検出機構は在来の機構に
全く見られない卓越した長所を多数備えており、秤や荷
重計の進歩発展に対する貢献度は極めて大なるものがあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は在来の荷重検出器の構成図、第２図はこのノ。 （本原理図、第３図以下は本発明に係る直線運動形荷重
検出機構の実施例を示し、第３図はその基本原理図、第
４図、第５図は四隅誤差の消去に関する説明図、第６図
（ａ）　、　（ｂ）は構成図、第７図（ａ）　、　（ｂ
）　、第８図、第９図は機構要素のアーム板の平面図で
ある。 符号２は荷重軸、５はロードセル、１５〜２゜はフレク
シャ、２１．２２．２４．２５は水平アーム、２３は垂
直リンク、２６は３叉状アーム板、２９は保持パイプ、
３１はベース、３９ａ、３９ｂは短冊状アーム板である
。 特許出願人　新光電子株式会社 第１図 第７図 第８図 第９図 手続補止書（自発） １．事件の表示 昭和５８年特許願第２０５４２８号 ２、発明の名称 直線連動形荷重検出機構 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　東京都文京区湯島三丁目９番１１号名称　新光電
子株式会社 代表者　西　口　譲 ４、代理人 〒１２１東京都足立区梅島二丁目１７番３号梅島ハイタ
ウンＣ−１０４ 図面 Ｂ、補正の内容 図面第１図を別紙の通り補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、荷重軸の動きを荷重変換器に伝達して荷重を検出す
   る機構において、垂直リンクを共有して上下にほぼ平行
   な２本ずつの水平アームにより、各頂点をフレクシャと
   する同一寸法の２個の平行四辺形を形成する第１、第２
   のリンク機構を持つ二重リンク機構を有し、前記第１の
   リンク機構は前記垂直リンクと反対側の２点を前記荷重
   軸の近傍において固定し、前記第２のリンク機構は前記
   垂直リンクと反対側の２点を荷重軸に取り付け、該二重
   リンク機構を荷重軸の周りにほぼ等しい角度で少なくと
   も２組配置し、加えられた荷重に応じて前記荷重軸が軸
   方向に直線連動することを特徴とする直線運動形荷重検
   出機構。 ２、前記第１のリンク機構のの水平アームと第２のリン
   ク機構の水平アームとを１枚のばね板から並列的に切出
   して一体に形成したアーム板を、上下に平行配置するよ
   うにした特許請求の範囲第１項に記載の直線運動形荷重
   検出機構。 ３、前記アーム板は、前記第１のリンク機構の水平アー
   ムを長手方向に２等分して外側にほぼ平行に配置し、第
   ２リンク機構の水平アームをその内側中央に配列するよ
   うにした特許請求の範囲第２項に記載の直線運動形荷重
   検出機構。 ４、前記第１、第２のリンク機構の水平アームを並列配
   置して１枚の板ばねからほぼ軸対称短冊状に２組一体と
   して切出したアーム板を、１枚のまま又は２枚を直交し
   て重ね合わせたものを上下に平行配置するようにした特
   許請求の範囲第２項又は第３項に記載の直線運動形荷重
   検出機構。 ５、前記第１、第２のリンク機構の水平アームを並列配
   置して１枚の板ばねからほぼ軸対称に荷重軸の周りにほ
   ぼ等しい角度で３叉又は４叉状に張り出して３組一体又
   は４組一体として切出したアーム板を、上下に平行配置
   するようにした特許請求の範囲第２項又は第３項に記載
   の直線運動形荷重検出機構。