JP2018536160A

JP2018536160A - ロードセル

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Publication number: JP2018536160A
Application number: JP2018523806A
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Inventors: オーユールアイラーセン，ニールス
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Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2018-12-06
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Abstract

基板を有する弾性体と、薄膜に荷重を加える際に曲がるように適した弾力薄膜と、薄膜に加えた荷重を測定するセンサと、薄膜に接続されている第１端部とセンサに接続されている第２端部とを有する少なくとも１つのコネクタを備えるロードセルであり、コネクタは薄膜に加えられた機械力をセンサに伝える構成であるロードセル。【選択図】図５

Description

基板を有する弾性体と、薄膜に荷重を加える際に曲がるように適した弾力薄膜と、薄膜に加えた荷重を測定するセンサとを備えるロードセル。

本タイプのロードセルは数多くが既知であり、図１は、弾性体および測定する荷重に応じて弾性体の変形を検出するセンサ手段を有する静電容量型ロードセルの一例を示す。

しかし、本先行技術のロードセルは、弾性体に偏心的な荷重が課せられたときの測定で重大なエラーをもたらし、センサ手段は非対称的な方法で作動するため、すべてのセンサ手段における非線形性に起因する測定エラーが生じる。

米国特許第４８２５９６７号明細書は重量検出装置を開示し、その重量検出装置は、平板のゆがみによって生じた電極間の距離の変化による静電容量の変化を検出することによって物体の重量を検出し、一定間隔で平行に貼り合わせ、かつ相互に平行して延長する２つの弾性絶縁材から成る平板を有する感圧センサを用いて物体の重量を検出する。

米国特許第４８２５９６７号明細書

本発明に基づき、基板を有する弾性体と、薄膜に荷重を加える際に曲がるように適した弾力薄膜と、薄膜に加えた荷重を測定するセンサと、薄膜に接続されている第１端部とセンサに接続されている第２端部とを有する少なくとも１つのコネクタを備えるロードセルであり、コネクタは薄膜に加えられた機械力をセンサに伝える構成であるロードセルを提供する。

これは、薄膜に加えられた力が薄膜を曲げるか変形させることを意味し、薄膜のゆがみはコネクタを介してセンサに伝達される。センサによって測定されるので、薄膜と直接的な測定関係はなく、測定に適したロードセルの荷重と平行ではない薄膜の動作をコネクタが遮断できる。すなわち、偏心的な荷重が薄膜に加えられ、薄膜の屈曲が一方向より多い場合である。

本発明の趣旨において、接続という用語はコネクタが直接的または間接的に薄膜および／またはセンサに接続されていることを意味する。それはコネクタが、センサまたは薄膜に接続されたロードセル本体の離れた部分に接続されていることを意味する。

本発明の趣旨において、弾力薄膜の一部はロードセルの他の部分に対して動くよう適合されており、薄膜が動いているときの差分はロードセルの他の部分に対して測定される。ロードセルは、薄膜が動く間にロードセルの１つ以上の部分は固定されたままであると同時に、薄膜とともに動く部分を１つ以上備えると想定される。すなわち、薄膜が動く際に、ロードセルの固定部分に対して薄膜の一部は動くか曲がるように適応する。

図１は、従来の技術として、弾性体および測定する荷重に応じて弾性体の変形を検出するセンサ手段を有する静電容量型ロードセルを示す。図２は図１のロードセルの静電容量性センサ手段を示す。図３は、測定された荷重に応じて変形した、図１のロードセルの弾性体の変形を拡大して示す。図４は、偏心的に加えた荷重で測定した荷重に応じて変形した、図１のロードセルの弾性体の変形を拡大して示す。図５は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体とセンサ手段との間に差し込まれている。図６は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体と静電容量性センサ手段との間に差し込まれている。図７は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体と静電容量性センサ手段との間に差し込まれており、線はレバーアクション式を提供する。図８は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体と静電容量性センサ手段との間に差し込まれており、電子回路は静電容量性センサと一体化される。図９は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体と静電容量性センサ手段との間に差し込まれており、静電容量性センサの大部分は一体化されている。図１０は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体とセンサ手段との間に差し込まれており、静電容量性センサの大部分は一体化されている。図１１は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体とセンサ手段との間に差し込まれており、静電容量性センサの大部分は一体化されている。図１２は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体とセンサ手段との間に差し込まれており、静電容量性センサの大部分は一体化されている。図１３は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体とセンサ手段との間に差し込まれており、差動容量の変化を提供するよう配置されている。図１４は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体とセンサ手段との間に差し込まれており、差動容量の変化を提供するよう配置されている。図１５は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体とセンサ手段との間に差し込まれており、差動容量の変化を提供するよう配置されている。図１６は本発明に基づくロードセルを示し、各末端部の軸の線は弾性体とセンサ手段との間に差し込まれており、差動容量の変化を提供するよう配置されている。

一実施形態において、センサは、ロードセルの弾性体に固定された固定第１端部および自由な第２端部を有する第１センサ部を備える。よって、第１センサ部はロードセルの固定部分に接続された端部の１つを有するよう適応し、自由な端部でありかつ第１端部に対向する第２センサ部はロードセルの固定部分に対して薄膜の動きに合わせて動くよう適応する。

一実施形態において、コネクタは第１センサ部の第２端部に接続されているので、薄膜の動きが第１センサ部の第２端部に伝達される。したがって、センサの自由端部を薄膜に接続することで、薄膜に加えられる力により、薄膜のゆがみおよび／または動きを移動または伝達できるので、第１センサ部は意図した方向に、薄膜と同じ距離または薄膜に比例した距離動く。

一実施形態において、センサは第２部分を備えてもよく、第２部分は静電容量性測定手段を備える。センサの第２部分は静電容量性測定を用いて薄膜の伝達される動きを測定することができる。一実施例としては、静電容量性測定は固定部分および可動部分の形態でもよく、可動部分の動きは固定部分に対して測定され、その動きは静電容量性測定により提示される。一実施例としては、センサの第１部分は、ビーム、プレートまたは薄膜のゆがみおよび／または動きに応じて曲がるよう適応された他の可撓性材料であり、第２部分は、第１部分から第２部分への距離あるいはその逆の距離の静電容量性測定が可能な固定強固ビームである。

一実施形態において、静電容量性測定手段は少なくとも１つの電極を備えてもよい。本発明の趣旨において、電極という用語は測定電極とみなされてもよい。静電容量性測定では、測定は接地部分と測定電極との間で行われ、静電容量性測定は２つの素材間の静電容量を反映する。一実施形態において、本発明に基づくセンサは、複数の電極および／または測定電極ならびに複数の接地素子を含む。あるいは、電極という用語は静電容量測定の一般的な記載方法と見なされ、接地素子は１つ目の電極とみなされ、測定電極は２つ目の電極とみなされる。電極という用語の一般的な意味において、本発明は静電容量測定のために少なくとも一組の電極を提供されてもよい。

一実施形態において、ロードセルは静電容量性測定回路をさらに備える。静電容量性測定回路は、接地素子と測定電極の間、あるいは一組の電極間に静電容量性測定を提供するのに用いられる回路構成要素とみなされる。

一実施形態において、センサは少なくとも１つの電極を備え、電極はロードセルの弾性体に固定して接続されている。少なくとも１つの電極を有するセンサを提供することで、電極を弾性体に貼付できるので、力の測定のために可動になるようにした薄膜またはロードセルの他の部分に対して電極が固定される。

一実施形態において、センサはコネクタに接続している可動部分を備え、弾性体の他の部分に対して薄膜に合わせて動くように適合されている。可動部分は部分的または完全に動かすことができ、それは薄膜がゆがむか動くときに可動部分もまた動き、特に薄膜が加えられた力の方向にゆがむか変形するときに動くということである。したがって、センサの当該部分は薄膜のゆがみ／変形の割合を測定するために利用され、変形によって動くことでセンサの当該部分は、薄膜に加えられた力を表す電気信号に変換される。

一実施形態において、薄膜は荷重導入部分または荷重受理部分を備え、それらは荷重がロードセルに加えられるとされる薄膜の領域を定義する。薄膜のこの領域はロードセルが正確に測定するために力を受け止めるのに最も適合された領域である。この領域は、薄膜に力が加えられたときに領域が実質的に変形しないことを確実にするために薄膜上で拡大されてもよい。この拡大はより厚みのある領域の形式をとるか、またはこの領域を強化する類似の方法をとることで実施されてもよい。

一実施形態において、コネクタは圧縮力および／または張力を薄膜からセンサに伝達する硬質コネクタである。当該コネクタは硬質の棒または硬質の線であり、薄膜を通して伝達された力／変形はロードセルの他部分に繋がる線を介して前方に伝達されてもよく、および／またはセンサが張力および／または圧縮力を介して伝達されてもよいという意味があり、すなわちコネクタは、ロードセルまたはセンサの第２部分を押すことおよび／または第２部分を引くことが可能な種類である。

一実施形態において、コネクタは、薄膜からセンサに張力を伝達するよう適合された弾力コネクタでもよい。コネクタはロードセルまたはセンサの第２部分上に引き寄せることが可能なワイヤまたは紐でもよいが、圧縮力を提供することはできない。すなわち、意図した方向に圧縮力が加えられると、コネクタはゆがんでしまう。

一実施形態において、ロードセルは側壁を備え、薄膜は側壁の片方の端部に接続されており、薄膜は薄膜に荷重が加えられた時に側壁に対して動くよう適合されている。ロードセルの側壁は環状の壁でよく、環状の壁の片方は基板端部とみなされるが、もう片方の環状の壁は薄膜の周辺部に貼付されている。薄膜は１つの側壁と対向する側壁まで拡張してもよく、全行程において連続していてもよいため、ロードセルの環状壁により画定される総量の一部を閉じるものとみなしてもよい。

一実施形態において、側壁は十分に堅固である。これは側壁がロードセルの固定部分として用いられるか、あるいはロードセルのセンサに固定の基板を提供してもよいので、ゆがみ、変形または動く場合に、側壁はその形状、位置または形態を変えないので、薄膜の動きを測るための基点として用いられる。

一実施形態において、コネクタは軸接続によって薄膜および／またはセンサに接続してもよい。これはコネクタが接続によって回転することを意味し、薄膜が移動しているときに貼付される平面または表面に対してその角度を変えてもよい。よって、軸接続はコネクタは少なくとも１つの表面／領域に安全に留められ、表面／領域に対して角ばった動きをさせることを確実にし、同時にゆがみ／動きが元の一に戻ったときにコネクタは元の位置に戻ることを確実にする。

一実施形態において、薄膜はロードセルの基板と対向する位置に置かれてもよい。これはロードセルが表面領域または位置に置かれてもよいことを意味し、ロードセルの基板はその位置に置かれ、荷重は薄膜が荷重を受け取るように配置されたロードセルと対向する領域に加えられてもよい。

本発明の目的は、ロードセルの測定を提供することであり、偏心的に加えられた荷重とは別である。

本発明に基づき、この目的は弾性体とセンサ手段との間に差し込まれた線を提供することで達成される。

本方法および本発明に基づいて、荷重は線によって作動した多様なタイプのセンサ手段によって測定され、それは弾性体の変形を送信するだけであり、測定される力に一致するか平行する。

本発明に基づくロードセルの第１実施形態は各端部に軸がある線によって薄膜に連結された荷重導入部分およびセンサ手段がある薄膜で弾性体を備える。

本発明に基づくロードセルの第２実施形態は各端部に軸がある線によって薄膜に連結された荷重導入部分および静電容量性センサ手段がある薄膜で弾性体を備える。

本発明に基づくロードセルの第３実施形態は各端部に軸がある線によってレバーアクションと薄膜に連結された荷重導入部分および静電容量性センサ手段がある薄膜で弾性体を備える。

本発明に基づくロードセルの第４実施形態および第５実施形態は各端部に軸がある線によって集積回路と薄膜に連結された荷重導入部分および静電容量性センサ手段がある薄膜で弾性体を備える。

すべての実施形態によって得られた利点は、弾性体に加えられた偏心的な荷重はセンサ手段を弾性体の変更として作動させるだけであり、それは測定される力に一致するか平行し、同時に、偏心的な荷重による薄膜の変形は測定される力に一致または平行せずに線によって吸収される。

図１のセンサは、従来の技術として弾性体１を有するロードセルを示す。ロードセルは、測定される荷重Ｐにより変形した弾性体１の一部である薄膜３内の荷重受理部２と表面４にある薄膜３上に搭載された静電容量性センサ手段とを有する。環状電極６、環状電極７および電子回路モジュール８とともに提供される静電容量性センサ手段５は、測定される荷重に対して、環状電極６および環状電極７の静電容量の数値を測定する。

図１の静電容量性センサ手段５を図２に示す。静電容量性センサ手段５は実装領域４ならびに薄膜３の接地内部表面で測定静電容量を構成する環状電極６と環状電極７を有する。

図３において、荷重受理部分２に加えられた荷重Ｐによる薄膜３の変形を明確にするため拡大して示す。薄膜が変形したとき、電極６および電極７と薄膜３との距離は荷重Ｐに基づいて、電極６よりも大きい電極７の距離の変化に変換する。電極６および電極７が静電容量性測定回路８に接続されている場合は、ロードＰを表す信号を得る。

図４において、荷重受理部分２に偏心的に加えられた荷重Ｐは薄膜３を荷重Ｐの方向に変形するが、同時に荷重受理部分２を傾けるので、偏心的な荷重が加えられた側の電極７および電極８と薄膜との間の距離を大きく変化させると同時に、荷重受理部分の側に対抗する距離の変化は小さい。図４において、距離の変化は明確にするため拡大されている。静電容量性センサは以下の式で表される。
Ｃ＝Ａ/ａ
Ｃは静電容量、Ａは電極６および電極７の領域、ならびにａは距離を示す。よって静電容量Ｃは距離ａの非線形関数であり、それは偏心的な荷重が中止されないことによる両面における距離の変化の大小による静電容量の減少および増加をも意味する。従来の技術に基づいたロードセル上に加えられた偏心的な荷重はしたがって測定エラーとなる。

本発明は図５によってこれからより詳細に説明される。図５は本発明の基本的な実施形態であり、弾性体１は、ここでは荷重導入部分２を有する薄膜３と、薄膜３の荷重受理部分２がセンサ手段１２に接続されている線９とを備える。本明細書に示す線９は各端部に軸を備えるが、線は基本的に弾力的な線として形成され、特に線上の力は張力に変換される。

図５では、荷重が偏心的に加えられるとき線９の上端部の横の運動を減少させるために線は中央部または中央部付近の高さにおいて薄膜３に接続されている

図５のロードセルは、本発明において偏心的な荷重に耐性があり、その理由は加えられた荷重Ｐと並行する薄膜３の変形だけがセンサ手段８に伝達され、同時に他の方向にある薄膜３の変更は線９に吸収される。

図６は、線９を通して薄膜３に接続されている電極１３がある静電容量性測定手段を有する本発明に基づくロードセルであり、本明細書では軸１０および軸１１である。電極１４および電極１５は（薄膜の内部表面）の電極１３を用いて静電容量を形成する。静電容量は荷重Ｐを表す信号を提供する静電容量性測定回路８によって測定される。

図７のロードセルは図６のロードセルより利点があり、それは荷重Ｐの方向への薄膜の一定の変形は全体の長さの１３の割合によって増大し、１３の長さによって分割され、それは弾性体１上の固定点１３と線９が１３に繋がれた点との間にある。このレバーアクションは１３の端部の大きな動きを提供するので、図６のロードセルと比べてより薄膜３の静電容量の一定の変形が大きい変化を提供する。

図８のロードセルは集積静電容量性センサユニット１６を備え、集積静電容量性センサユニット１６は電極１７および電極１８を含み、接地電極１３および接地電極１９を有する測定静電容量を形成する。薄膜３の変形は線９を通って１３および１９に伝達される。線９および線１３によって伝達された薄膜３の変形は、電極１７と接地電極１９との間の距離の減少となり、電極１７の高い静電容量となり、それは、電極１８と接地電極１８の場合も同様である。静電容量は回路８によって測定される。

本発明のロードセルの本実施形態で得られた利点は、静電容量性測定回路と電極との統合であり、好ましくは、高い安定性のために共通のプリント回線基板または共通の薄膜回路または厚膜回路上で一体化される。

図９のロードセルでは、接地電極１３は弾性体１上に搭載され、好ましくは溶接領域２２および溶接領域２３において弾性体１にレーザ溶接され、溶接領域２２は弾性体１と電極１３との間の拡張差を吸収する一定の弾力性を提供する。電極２０は電極１３から分離され、好ましくはレーザーによって切断され、接地電極１３と電極２０の接続は弾力性ビーム２１のみであり、荷重が測定されるのに応じて、薄膜３の変形が線９により伝達されるときに電極２０の自由端部が動くことができる。

図１１および図１２でそれぞれ示される、接地電極１３の上部および下部においては、電極担体２４および電極担体２８が搭載される。

図９に基づくロードセルの実施形態において、電極担体２４または電極担体２８のいずれか１つは削除されてもよい。

図１１および図１２の電極担体は好ましくは電極２５、電極２６および静電容量性測定回路８から製造されて、高い安定性のために共通のプリント回線基板または共通の薄膜回路または厚膜回路上で一体化される。

電極担体２４と電極担体２８は、留め具２７によって電極１３上に繋がれている。電極２６は接地逆電極として電極２０の自由端部を有する。電極２５は接地逆電極として電極１３の自由端部を有する。電極２０の自由端部が線９によって伝達されて薄膜の変形に対して動くとき、２つの電極２６の静電容量は異なって変化するが、電極２５と接地電極１３の間の静電容量は理論的には変化せず、周囲温度の変化の影響を補償する電極２６の指示として作用する。

このように、本発明によれば、基本的に荷重および周囲温度によるエラーがないロードセルが提供される。

図１３のロードセルでは、図１４と図１５でそれぞれ示す接地電極２９および接地電極３０は弾性体１に搭載され、好ましくは溶接領域３３において弾性体１にレーザ溶接され、溶接領域３３は弾性体１と電極２９および電極３０との間の拡張差を吸収する一定の弾力性を提供する。電極２９および電極３０の各可動部分３４および可動部分３５は電極２９および電極３０から分離され、好ましくはレーザによって切断され、接地電極と可動部分３４および可動部分３５の接続は弾力性ビーム３６のみであり、接地電極２９の可動部分３４への線３７ならびにビーム３９を通って接地電極３０の可動部分３５への線３８によって、測定された荷重が伝達されることで薄膜３が変形するとき、可動部分３４および可動部分３５の自由端部を傾かせることができる。線３７および線３８は好ましくは各端部に軸を備える。

電極担体３１および電極担体３２は、好ましくは両側に可動部分３４に対面する電極４１および可動部分３５に対面する電極４３および電極４４によって製造される。

静電容量性測定回路８は好ましくは電極担体３１上で統合され、電極担体３１は高い安定性のために共通のプリント回線基板または共通の薄膜回路または厚膜回路から成る。

可動部分３４の右の端部は薄膜３の下方変形によって線３７およびビーム３９を通ってゆがんだとき、図１３における電極４１の静電容量が減少するがそれは電極４１と接地電極２９の可動部分３４の右端部の間の距離が増加するからである。

同様に、電極４２の静電容量が増大するのは、電極４２と接地電極の可動部分３４との距離が減少するからである。

可動部分３５の左の端部は薄膜３の下方変形によって線３８およびビーム３９を通ってゆがんだとき、図１３における電極４４の静電容量が増加するがそれは電極４１と接地電極３０の可動部分３５との間の距離が減少するからである。

同様に、電極４３の静電容量は減少するのは、電極４３と接地電極の可動部分３５右端との間の距離が減少するからである。

本実施形態の利点は、電極担体３１の電極４２と電極４４の静電容量は両方とも増加するという事実であり、それは、電極４２および電極４４の静電容量の合計が信号の計算に用いられた場合に、電極担体３１の可能性のある動きに高度に比例して接地電極２９および接地電極３０は相殺されることを意味する。

同様に、本実施形態の利点は、電極担体３２の電極４１と電極４３の静電容量は両方とも減少し、それは電極４１および電極４３の静電容量の合計が信号の計算に用いられた場合に、電極担体３２の可能性のある動きに高度に比例して接地電極２９および接地電極３０は相殺されることを意味する。

弾性体とセンサ手段を有するロードセルであり、センサ手段は弾力線を通して弾性体と連結されている。

弾性体とセンサ手段を有するロードセルであり、センサ手段は軸を一端または両端に有する線を通して弾性体と連結されている。

弾性体とセンサ手段を有するロードセルであり、センサ手段は静電容量性であり、線を通して弾性体に連結されている。

弾性体とセンサ手段を有するロードセルであり、センサ手段は静電容量性であり、線を通して弾性体の薄膜に連結されている。

弾性体とセンサ手段を有するロードセルであり、センサ手段は静電容量性であり、線を通して弾性体に連結されており、線の一端部は薄膜の中立レベルに連結されている。

６．弾性体とセンサ手段を有するロードセルであり、センサ手段は静電容量性であり、差動連結された静電容量を有して線を通して弾性体に連結されている。

７．弾性体とセンサ手段を有するロードセルであり、センサ手段は静電容量性であり、線を通して弾性体の薄膜に連結されており、それはセンサ手段に連結されていて、弾性体の変形を増幅する。

８．弾性体とセンサ手段を有するロードセルであり、センサ手段は静電容量性であり、集積電極および測定回路を有し、線を通して弾性体の薄膜に連結されている。

Claims

基板を有する弾性体と、
薄膜に荷重を加える際に曲がるように適した弾力薄膜と、
薄膜に加えた荷重を測定するセンサと、
薄膜に接続されている第１端部とセンサに接続されている第２端部とを有する少なくとも１つのコネクタを備えるロードセルであり、コネクタは薄膜に加えられた機械力をセンサに伝える構成であるロードセル。
ロードセルの弾性体に固定された固定第１端部と自由第２端部とを有する請求項１に記載のロードセル。
コネクタは第１センサ部分の第２端部に接続されているので、薄膜の動きは第１センサ部分の第２端部に伝達される請求項２に記載のロードセル。
センサは第２部分を有し、前記第２部分は静電容量性測定手段を有する
請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のロードセル。
前記静電容量性測定手段は少なくとも１つの電極を有する請求項４に記載のロードセル。
静電容量性測定回路をさらに備える請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のロードセル。
前記センサは少なくとも１つの電極を備え、前記電極はロードセルの弾性体に固定されて接続されている請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のロードセル。
前記センサはコネクタに接続している可動部分を備え、弾性体の他の部分に対して薄膜に合わせて動くように適合されている請求項１〜７のうちいずれか一項に記載のロードセル。
前記薄膜は荷重導入部分または荷重受理部分を備え、それらは荷重がロードセルに加えられるとされる薄膜の領域を定義する請求項１〜８のうちいずれか一項に記載のロードセル。
前記コネクタは、圧縮力および／または張力を薄膜からセンサに伝達する硬質コネクタである請求項１〜９のうちいずれか一項に記載のロードセル。
前記コネクタは、薄膜からセンサに張力を伝達するよう適合された弾力コネクタである請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載のロードセル。
前記ロードセルは側壁を備え、薄膜は側壁の片方の端部に接続されており、薄膜は、薄膜に荷重が加えられた時に側壁に対して動くよう適合されており、ロードセルの側壁は環状の壁でよく、環状の壁の片方は基板端部とみなされるが、もう片方の環状の壁は薄膜の周辺部に貼付されている請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載のロードセル。
前記側壁は十分に堅固である請求項１２に記載のロードセル。
前記コネクタは軸接続部を介して前記薄膜および／または前記センサに付いている請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載のロードセル。
前記薄膜は前記ロードセルの基板に対向して配置される請求項１〜１４のうちいずれか一項に記載のロードセル。