JPS6316700B2 - - Google Patents

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つた位置に加
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１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、ジヤイロスコープなど
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にはロバーバ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Ｖ字の基部８ａ，９ａは
荷重軸２に、枝部の先端部８ｂ，８ｃ，９ｂ，９
ｃ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ヤ１１ａ，１１ｂ，１
１ｃ，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つて
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ヤ１１ａ，１１ｂ，１
２ａ，１２ｂの４点から成る平行四辺形を形成
し、フレクシヤ１１ｂ，１２ｂの位置を固定点に
選ぶと、可動側のフレクシヤ１１ａ，１２ａ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、矢示のような円弧運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方向に偏つて載加された場合に、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つても、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) 皿受棒１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
バーバル機構の捩れが生じ易い。

(b) フレクシヤ１１ａ〜１１ｃ，１２ａ〜１２ｃ
の溝部方向に関し、Y1とY2方向及びY1′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つて
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の載加時の衝撃力や過荷
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
先ひ提案したが、荷重軸２は直線運動と同時に荷
重軸２の周りに回転運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
つた。

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
上下にほぼ平行な２本ずつの水平アームにより、
各頂点をフレクシヤとする同一寸法の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運動することを特
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点のフレクシヤ１５〜２
０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ヤ１
５，１６，１９，２０を頂点として水平アーム２
１，２２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ヤ１５，１６の位
置は固定であり、これらのフレクシヤ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つてい
る。第２のリンク機構はフレクシヤ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、フレクシヤ１
９，２０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
フレクシヤ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
心軸線上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
はフレクシヤ１７，１７′，１８，１８′におい
て、それぞれアーム方向の力F1、F1′、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ための絶対条件で
あるが、本機構においては必ずしもその条件を必
要としない。その理由はアーム２４と２５が平行
ではない場合に、F1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、F1の垂直
分力とF1′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、
F1′、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
宜上説明してきたが、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、ワイヤカツ
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
紙面に直角方向に直線的に変位する。アーム板２
６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ヤ１９と基
部のフレクシヤ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、フレクシヤ軸の方
向はアーム方向に直角で相互に平行し、それぞれ
にフレクシヤ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本並列させても
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
クシヤ１５，１７，１９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
法と特性を持つ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２６
ａ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３０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、上方のアーム板２６ａについては荷重軸２
の上部に、下方のアーム板２６ｂについては保持
パイプ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つて軸線上を正
しく直線運動することができる。３本の垂直リン
ク２３は上下のアーム板２６ａ，２６ｂの先端３
１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の運動に伴い上下のアーム板２６
ａ，２６ｂの内側アーム２４の基部が中正位置か
ら上下に運動する場合の逃げとなつており、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２
９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、主として丸皿を装着する小形上皿秤に適
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，３
９ｂ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、ハツチングを施した１枚
の短冊状アーム板３９ａと、アーム板３９ａより
も長さの稍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２
７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，３９ｂは全く
同一寸法のものでもよいし、第９図に示すような
長さが異なつ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上のアーム板各１
枚を上下に平行して組合わせることにより、第３
図の基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
板を使用して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運動形荷重検
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) アームのフレクシヤ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ヤ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120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、上下に対応するアーム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の破損を防止できる。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ツパを設け、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つたが、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秤に応用した場合で
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
めた各種上皿秤には、永年に亘り第１図、第２図
に示したロバーバ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
この基本原理図、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、１５〜２０
はフレクシヤ、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。

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
   頂点をフレクシヤとする同一寸法の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運動することを特徴
   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。