JP3570589B2 - 音叉式ロードセルとこれを用いた計量装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、音叉式ロードセルおよびこれを用いた計量装置に関し、特に、その荷重検出精度向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、固有振動数で振動する音叉振動子に、外力を加えるとその外力に対応して固有振動数が変化し、この音叉振動子に加えられる外力Ｆと音叉振動子の固有振動数ｆについて、およそ次の式（１）の関係が成立する。
Ｆ＝Ｃ１ ・ｆ^２ −Ｃ２ （Ｃ１ ，Ｃ２ ；定数） （１）
このように固有振動数が変化するのは、音叉振動子の形状が変化するのではなく、振動する物体の力学的状態（外力付加状態）により変化するものであり、音叉振動子は入力に対して敏感であるので、従来から、この入力に敏感な音叉振動子を利用した荷重検出機構が微量な質量（ｍｇ単位）を高精度に測定する電子てんびん秤等の計量装置に利用されてきた。
【０００３】
ここで、高度な荷重検出精度を達成するためには、音叉振動子に対し所定の一方向にのみ外力が加えられるように、この音叉振動子を備えた荷重検出機構を組み込む荷重付加機構を構成する必要がある。このような荷重付加機構として、２ビーム型の起歪体が考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この起歪体を利用した計量装置は、起歪体の固定部が基台に固定され、可動部に被計量物を支持する計量皿が固定されるが、２ビーム型起歪体においては、モータの発熱等により固定部から可動部へ、また、高温または低温の被計量物を載せた計量皿を通して可動部から固定部へ熱が伝わり、固定部と可動部間で温度勾配を持つ。このため、音叉振動子をこのような起歪体の固定部と可動部間に取り付けると、温度変化に対してゼロ点変動が大きくゼロ点安定性が劣るため、高精度を確保できないという問題があった。
【０００５】
また、荷重検出機構を起歪体に組み込んだとき、荷重検出機構とこれを取り付ける起歪体との熱膨張係数の差により、荷重検出誤差が生じる問題がある。例えば、固定部、可動部およびビーム部を一体形成した一体型の起歪体は、加工性，材料コスト面を考慮して、通常アルミ合金や鉄鋼を用いているが、音叉振動子を含む荷重検出機構は、温度によってばね定数が変化しないようにヤング率の温度係数の小さいエリンバー等の恒弾性合金を用いている。従って、起歪体の材料の熱膨張係数が音叉振動子の材料の熱膨張係数よりも大きく、起歪体寸法の温度による変化が音叉振動子よりも大きい。例えば、起歪体の材料がアルミ合金の場合、起歪体の熱膨張係数は音叉振動子の約３倍になる。このような起歪体と音叉振動子とでロードセルを構成する場合、周囲温度が変化すると両者の材料の熱膨張係数の違いによって両者のボルト締付部にすべりが生じ、ゼロ点の再現性が悪くなるので、荷重検出精度の確保が困難になる。
【０００６】
この発明は、上記の問題点を解決して、温度変化に影響されることなく高精度化を図ることができる音叉式ロードセルとこれを用いた計量装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る音叉式ロードセルは、左右に固定部と荷重が加えられる可動部とが配置され、可動部が上下のビーム部を介して固定部に支持された起歪体と、この起歪体に装着された荷重検出機構とを有している。前記荷重検出機構は、前記上下のビーム部のいずれか一方に取り付けられた基部と、この基部に支点を介して支持されたてこ部と、前記基部とてこ部との間に取り付けられ、加えられた荷重に応じて固有振動数が変化する音叉振動子とを備え、前記てこ部の荷重点が前記上下のビーム部の他方に連結されている。
【０００８】
上記構成によれば、荷重検出機構は、起歪体の上下のビーム部間に取り付けられている。従って、音叉振動子は、起歪体の固定部と可動部の各々の温度のほぼ中間値であって、互いの温度差も小さい上下ビーム間に固定されるので、固定部と可動部間で温度勾配があっても、固定部および可動部からの熱の影響を低減し、温度変化に対してゼロ点変動が小さくゼロ点安定性に優れるから、荷重検出精度を向上させることができる。
【０００９】
請求項２に係るロードセルは、さらに、上記ビーム部と基部間に、両者の熱膨張係数の間の係数を有する材料からなる中間材を挿入している。従って、両者間の熱履歴によるヒステリシスが減少するので、温度変化に対するすべりを防止し再現性を向上して荷重検出精度を向上することができる。
【００１０】
請求項３に係る計量装置は、上記請求項１または請求項２のロードセルと、このロードセルの荷重検出機構で得られた信号から計量値を求める計量値生成回路とを有し、基台に前記ロードセルの固定部が固定され、可動部に被計量物を支持する計量台が固定されている。従って、計量装置の小型化、低コスト化を図ることができるとともに、微小質量を高精度に計量できる。
【００１１】
請求項４に係るロードセルは、前記起歪体と、この起歪体に装着された第１荷重検出機構および第２荷重検出機構とを有する差動型のロードセルである。すなわち、第１荷重検出機構および第２荷重検出機構のそれぞれは、起歪体の上下のビーム部のいずれか一方に取り付けられた基部と、この基部に支点を介して支持されたてこ部と、前記基部とてこ部との間に取り付けられ、加えられた荷重に応じて固有振動数が変化する音叉振動子とを備え、前記てこ部の荷重点が前記上下のビーム部の他方に連結されており、荷重が可動部に加えられたとき、一方の荷重検出機構の音叉振動子に引張力が作用し、他方の荷重検出機構の音叉振動子に圧縮力が作用するように設定されている。
【００１２】
請求項５に係るロードセルは、請求項４において、前記両荷重検出機構が起歪体の前後面の一方に装着されている。
【００１３】
また、請求項６に係るロードセルは、請求項４において、前記第１の荷重検出機構が起歪体の前面に、前記第２の荷重検出機構が起歪体の後面にそれぞれ装着されている。
【００１４】
上記請求項４ないし請求項６のロードセルによれば、第１および第２荷重検出機構は、起歪体の上下のビーム部間に取り付けられているので、固定部および可動部からの熱の影響を低減して、温度変化に対するゼロ点安定性を向上させるとともに、両荷重検出機構の音叉振動子の一方が引張型で他方が圧縮型となるので、両音叉振動子の周波数変化から荷重を差動型で求めることにより、起歪体の周囲の温度が変化した場合に、起歪体と音叉振動子の熱膨張係数が異なっていても、両者の温度変形が打ち消されるから、温度変化による影響を受けないので高い荷重検出精度を得ることができる。
【００１５】
請求項７に係る計量装置は、上記請求項４ないし請求項６のいずれかのロードセルと、このロードセルの両荷重検出機構のそれぞれで得られた信号の差から計量値を求める計量値生成回路とを有し、基台に前記ロードセルの固定部が固定され、可動部に被計量物を支持する計量台が固定されている。従って、計量装置のゼロ点安定性を向上させて、微小質量を高精度に計量できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に、この発明の一実施形態に係る音叉式ロードセルの斜視図を示し、図２に、図１のロードセルを用いた計量装置の構成図を示す。この装置は、図１に示す起歪体２およびこの起歪体２に装着された荷重検出機構３を有する音叉式ロードセル１と、図２に示す発振回路１４、サイクルカウンタ１６およびディジタル信号処理回路（ＤＳＰ）１８からなる計量値生成回路１５とを備えている。
【００１７】
起歪体２は、左右に固定部２ａと荷重が加えられる可動部２ｂとが配置され、可動部２ｂが上下のビーム部２ｃ，２ｄを介して固定部２ａに支持されている。二点鎖線で示す基台Ｆに固定部２ａが固定され、可動部２ｂに被計量物を支持する同様に二点鎖線で示す計量台Ｋが固定されている。左右の固定部２ａ，可動部２ｂと上下のビーム部２ｃ，２ｄにより囲まれた部分には４隅がそれぞれ半円状の中空部９が形成されている。この中空部９の中央に向かって、上のビーム部２ｃから第１取付フランジ８Ａが延び、下のビーム部２ｄから第２取付フランジ８Ｂが延びており、これら取付フランジ８Ａ，８Ｂは、起歪体２の前面Ｍから凹入した位置に形成されている。これは、荷重検出機構３を起歪体２から前方向に出張ることなくこの凹部に収納するためである。また、起歪体２の上面および底面にそれぞれ中空部９に達する長円状の穴Ｈ１ を２つ形成して、この起歪体２全体のバネ定数を小さくしている。
【００１８】
この起歪体２は、例えばアルミ合金材料や鉄系材料で一体型に形成されたパラレログラム（平行四辺形）構造になっている。この起歪体２に荷重検出機構３を装着したロードセル１は、付加される荷重を受けて、音叉振動子６に対し、所定の一方向のみに力を伝達することになる。
【００１９】
前記荷重検出機構３は、その基部４Ａが、この実施形態では下のビーム部２ｄから延びた第２取付フランジ８Ｂに、ねじＢ１ のような締結手段で取り付けられ、この基部４Ａの右方に支点Ｐ１ を介しててこ部５Ａが支持される。
【００２０】
てこ部５Ａは、鉛直方向に延びており、このてこ部５Ａの荷重点Ｐ２ は、水平方向に延びる連結片７Ｂを介して、てこ部５Ａの左方位置で上のビーム部２ｃから延びた第１取付フランジ８ＡにねじＢ２ のような締結手段で連結されている。そして、てこ部５Ａの左方に位置する音叉振動子６は、基部４Ａとてこ部５Ａとの間にそれぞれ水平な支持片７Ａを介して取り付けられている。音叉振動子６は、加えられた外力に応じて固有振動数が変化する。
【００２１】
図３に、実際の形状を示す荷重検出機構３の正面図を示す。この図のように、支持片７Ａ（固定端）と支点Ｐ１ を形成する各部分（図示α〜γ）、並びに、連結片７Ｂ（負荷端）の一部分（図示δとε）を細く加工して、ロードセル１に外力Ｙが加えられたときの曲げモーメントによる拘束を除去している。
【００２２】
なお、図１の荷重検出機構３を上下逆にして、基部４Ａを第１取付フランジ８Ａに取り付け、かつ荷重点Ｐ２ を連結片７Ｂを介して第２取付フランジ８Ｂに連結するようにしてもよいし、または、左右逆にして、基部４Ａの左方にてこ部５Ａを位置させ、かつ音叉振動子６をてこ部５Ａの右方に位置させるようにしてもよい。ただし、これらの場合には、音叉振動子６に対し圧縮力が作用することとなる。
【００２３】
図２において、荷重検出機構３の音叉振動子６は、中心軸に対称にかつ平行して設けられた２枚の振動片１０と、これらの両端部同士をそれぞれ結合する２個の結合部１１とを備えており、結合部１１の両側面にそれぞれ圧電素子１２ａ，１２ｂが接着や蒸着により取り付けられている。各圧電素子１２ａ，１２ｂは外部に設置した発振回路１４に接続されている。外力を加える前に、発振回路１４により圧電素子１２ａを励振させて２枚の振動片１０を固有振動数で発振させ、その固有振動数が発振回路１４に入力される。この状態で外力が加えられると、振動片１０が軸方向に加えられた外力（引張力Ｆｐ または圧縮力Ｆｃ ）に応じて変化した固有振動数で振動し、その固有振動数は圧電素子１２ｂから発振回路１４へ出力されて取り出される。
【００２４】
また、図４に示すように、起歪体２と基部４Ａ間に中間材３６を設けている。この中間材３６には、エリンバーのような恒弾性合金からなる荷重検出機構３とアルミ合金のような起歪体２の熱膨張係数の中間値をもつ、鉄系材料のようなものが用いられる。この中間材３６は、荷重検出機構３の熱膨張係数に近い材質が好ましい。これは、起歪体２と基部４Ａ間に、熱膨張係数が恒温材に近い材料を挟み込むことにより、両者間の熱履歴によるヒステリシスが減り再現性が向上し、温度補正も可能となり荷重検出精度向上に役立つからである。なお、両者間の温度変化に対する影響度によっては、この中間材３６を設けなくともよい。
【００２５】
さらに、第２取付フランジ８Ｂは溝部８Ｃを有している。これにより、中間材３６と第２取付フランジ８Ｂとの接触面積を小さくしている。すなわち、起歪体２のビーム部２ｄから延びた第２取付フランジ８Ｂから荷重検出機構３の基部４Ａへの受熱面積を小さくして、温度変化に対する影響を小さくするようにしている。なお、起歪体２における熱の影響度によっては、この溝部８Ｃを設けなくともよい。
【００２６】
以下、この計量装置の動作を説明する。
図１において、計量台Ｋに被計量物が載せられてその荷重Ｗが加えられると、可動部２ｂは矢印Ｙ方向に変位する。そうすると、上下のビーム部２ｃ，２ｄの相対変位によって、荷重検出機構３の連結片７Ｂが左方向に引っ張られるので、音叉振動子６には、てこの原理で右方向に荷重Ｗによる引張力Ｆｐ が作用する。ここで、モータ等の発熱により固定部２ａから可動部２ｂへ、また、高温または低温の被計量物を載せた計量皿を通して可動部２ｂから固定部２ａへ熱が伝わり、起歪体２内の固定部２ａと可動部２ｂ間で温度勾配が生じる。従って、荷重検出機構３の音叉振動子６を固定部２ａと可動部２ｂ間に取り付けると、この間の温度勾配により、温度変化に対してゼロ点変動が大きくゼロ点安定性が劣るため、高精度を確保できない。これに対し、この発明は、荷重検出機構３が、固定部２ａと可動部２ｂのそれぞれの温度のほぼ中間温度であって、しかも上下間で温度差が小さいビーム部２ｃとビーム部２ｄ間に固定されている。このため、音叉振動子６に対する左右の固定部２ａ，可動部２ｂからの熱の影響を低減して、起歪体２の温度変化に対してゼロ点変動が小さくゼロ点安定性に優れるので、荷重Ｗに対応して引張力Ｆｐ は正確に作用する。
【００２７】
図２の振動片１０がその引張力Ｆｐ に応じて増加した固有振動数ｆ１ で振動すると、その固有振動数ｆ１ は発振回路１４へ出力されて取り出される。この固有振動数ｆ１ は、その周期Ｔ１ を測定するため、クロック入力Ｃをサイクルカウンタ１６に入力してカウントし、ＤＳＰ１８に入力される。そして、ＤＳＰ１８の線形化手段２２により、式（１）のＦ＝Ｃ１ ・ｆ１^２−Ｃ２ （ｆ１ ＝ １／Ｔ１ ）を満たすように固有振動数ｆ１ （周期Ｔ１ ）を２乗したものと引張力Ｆｐ とをリニアに関係させ、２段に設けたローパスフィルタのようなフィルタリング手段２４，２５によりロードセル１の固有振動数等の不要分が取り除かれる。こうして、ＤＳＰ１８から被計量物の荷重Ｗに対応した計量値として出力する。
【００２８】
このように、この音叉式ロードセル１は、荷重検出機構３の音叉振動子６を起歪体２の上下のビーム間２ｃ，２ｄ間に取り付けるようにしているので、固定部２ａと可動部２ｂの温度変化に対して、ゼロ点変動が小さくなるので、荷重検出精度を向上させることができる。また、中間材３６および溝部８ｃを設けているから、温度変化に対するゼロ点変動がさらに小さくなって、荷重検出精度が一層向上する。
【００２９】
さらに、起歪体２を一体型にしたことにより、つぎの利点がある。すなわち、別部品である２枚の板ばねからなるビームを用い、これらを平行に連結するために２個の連結支持部品を用いて合計４個の部品により荷重付加機構を構成すると、音叉振動子は入力に対して敏感であるので、この敏感な特性を生かすべく、これを組み込んで荷重付加機構を製作するには、上記の構成部品を精密に加工し、正確に組み立てて、微妙な調整を行うといった高度な熟練性を要していた。このため、製作が煩雑となり結合部品も必要となるので、小型化や低コスト化が困難である。これに対し、前記起歪体２は一体型であるから、荷重検出機構との組み立てが容易になり、寸法精度も機械加工時に作り込まれるので、精度の高いロードセル１を低コストで容易に製作できる。また、一体型構造のため結合部品がなくなるので、ロードセル１の小型化も図れる。
【００３０】
次に、第２実施形態の計量装置について説明する。
図５に、第２実施形態に係る音叉式ロードセルの斜視図を示し、図６に、図５のロードセルを用いた計量装置の信号処理部を示す。この計量装置は、前述した起歪体２と音叉振動子６の材料の熱膨張係数の違いによる荷重検出精度低下の問題を解消するために、起歪体２の前後面の一方に２つの荷重検出機構を差動型に設けている。
【００３１】
すなわち、この計量装置は、図５に示す起歪体２およびこの起歪体２に装着された第１，第２荷重検出機構３Ａ，３Ｂからなる音叉式ロードセル１と、図６に示す発振回路１４，カウンタ１６，ディジタル信号処理回路１８および引算器２０からなる計量値生成回路３５とを備えている。さらに、図５の二点鎖線で示す基台Ｆに起歪体の固定部２ａが固定され、可動部２ｂに被計量物を支持する同様に二点鎖線で示す計量台Ｋが固定されている。また、第１，第２荷重検出機構３Ａ，３Ｂは、第１実施形態と同様に、固定部２ａまたは可動部２ｂからの熱の影響を小さくするために、ビーム２ｃ，２ｄ間に配置されている。
【００３２】
この実施形態のロードセルは、第１，第２荷重検出機構３Ａ，３Ｂを同一形状、同一寸法で、同一外力によって同一の周波数変化を生じるように、それぞれ一体構造で形成し、起歪体２の前面Ｍの上方に第１荷重検出機構３Ａを装着し、下方に第２荷重検出機構３Ｂを装着して、両荷重検出機構３Ａ，３Ｂを差動型にすることにより、両者の材料の熱膨張係数差によるゼロ点の温度依存性を補償している。
【００３３】
第１荷重検出機構３Ａは、起歪体２の前面Ｍの下方に装着されており、その基部４Ａが、この実施形態ではビーム部２ｄから延びた第２取付フランジ８ＢにねじＢ１ のような締結手段で取り付けられ、この基部４Ａの右方に支点Ｐ１ を介して、鉛直方向に延びるてこ部５Ａが支持されている。てこ部５Ａの荷重点Ｐ２ が、水平方向に延びる連結片７Ｂを介して、てこ部５Ａの左方位置でビーム部２ｃから延びた第１取付フランジ８ＡにねじＢ２ のような締結手段で連結されている。そして、てこ部５Ａの左方に位置する音叉振動子６は、基部４Ａとてこ部５Ａとの間にそれぞれ水平方向に延びる支持片７Ａを介して取り付けられる。音叉振動子６は、加えられた外力（引張力Ｆｐ ）に応じて固有振動数が変化する。
【００３４】
第２荷重検出機構３Ｂは、起歪体２の前面Ｍの上方に装着されており、その基部４Ｂが、ビーム部２ｄから延びた第２取付フランジ８ＢにねじＢ１ のような締結手段で取り付けられ、この基部４Ｂの左方に支点Ｐ１ を介して、鉛直方向に延びるてこ部５Ｂが支持されている。てこ部５Ｂの荷重点Ｐ２ が、水平方向に延びる連結片７Ｂを介して、てこ部５Ｂの右方位置でビーム部２ｃから延びた第１取付フランジ８ＡにねじＢ２ のような締結手段で連結されている。そして、てこ部５Ｂの右方に位置する音叉振動子６は、基部４Ｂとてこ部５Ｂとの間にそれぞれ水平方向に延びる支持片７Ａを介して取り付けられる。音叉振動子６は、加えられた外力（圧縮力Ｆｃ ）に応じて固有振動数が変化する。
【００３５】
なお、第１荷重検出機構３Ａと第２荷重検出機構３Ｂをともに、上下逆に、すなわち、両検出機構の基部４Ａ，４Ｂを、上方のビーム部２ｃの第１取付フランジ８Ａに取り付け、両てこ部５Ａ，５Ｂの荷重点Ｐ２ を、連結片７Ｂを介して、下方のビーム部２ｄの第２取付フランジ８Ｂに取り付けるようにしてもよい。
【００３６】
また、第１荷重検出機構３Ａと第２荷重検出機構３Ｂを互いに上下逆に、つまり、第１荷重検出機構３Ａの基部４Ａを下方のビーム部２ｄの第２取付フランジ８Ｂに、第２荷重検出機構３Ｂの基部４Ｂを上方のビーム部２ｃの第１取付フランジ８Ａにそれぞれ取り付けることもできる。その場合、例えば、両てこ部５Ａ，５Ｂをともに、基部４Ａ，４Ｂの右方（左方でもよい）になるように配置して、第１検出機構３Ａの基台４Ａを、ビーム部２ｄから延びた第２取付フランジ８Ｂに取り付け、基台４Ａの右方に位置するてこ部５Ａの荷重点Ｐ２ を、連結片７Ｂを介して、ビーム部２ｃから延びた第１取付フランジ８Ａに取り付けるとともに、第２検出機構３Ｂの基台４Ｂを、ビーム部２ｃから延びた第１取付フランジ８Ａに取り付け、基台４Ｂの右方に位置するてこ部５Ｂの荷重点Ｐ２ を、連結片７Ｂを介して、ビーム部２ｄから延びた第２取付フランジ８Ｂに取り付けるようにしてもよい。
【００３７】
以下、この計量装置の動作を説明する。
まず、図５の計量台Ｋに被計量物が載せられてその荷重Ｗが加えられたときに、可動部２ｂは矢印方向に変位する。そうすると、起歪体２の前面側に装着された第１荷重検出機構３Ａの音叉振動子６には、てこの原理で上方向に荷重Ｗによる引張力Ｆｐ が作用する。一方、図６の圧電素子１２ａは発振回路１４により励振されており、振動片１０がその引張力Ｆｐ に応じて増加した固有振動数ｆ１ で振動すると、その固有振動数ｆ１ は圧電素子１２ｂから発振回路１４へ出力されて取り出される。
【００３８】
この固有振動数ｆ１ は、その周期Ｔ１ （１／ｆ１ ）を測定するために、クロック入力Ｃをサイクルカウンタ１６に入力してカウントし、ＤＳＰ１８に入力される。固有振動数ｆ１ （周期Ｔ１ ）と引張力Ｆｐ とは、上記の式（１）のＦ＝Ｃ１ ・ｆ１^２−Ｃ２ （ｆ１ ＝ １／Ｔ１ ）の関係にあるので、ＤＳＰ１８の線形化手段２２により、式（１）を満たすように固有振動数ｆ１ （周期Ｔ１ ）を２乗したものと引張力Ｆｐ とをリニアに関係させ、さらに、２段に設けたローパスフィルタのようなフィルタリング手段２４，２５によりロードセル１の固有振動数等の不要分が取り除かれる。そして、音叉振動子６の増加した固有振動数ｆ１ （周期Ｔ１ ）の２乗値に対応した引張力Ｆｐ が引算器２０の一方の入力に出力される。
【００３９】
一方、計量台Ｋに被計量物が載せられて可動部２ｂが矢印方向に変位すると、後面側に装着された第２荷重検出機構３Ｂの音叉振動子６には、てこの原理で上方向に荷重Ｗによる圧縮力Ｆｃ が作用する。そして、圧電素子１２ａを励振させた状態で、振動片１０がその圧縮力Ｆｃ に応じて減少した固有振動数ｆ２ で振動すると、その固有振動数ｆ２ は圧電素子１２ｂから発振回路１４へ出力されて取り出される。次に、上記と同様に、カウンタ１６およびＤＳＰ１８を介して、音叉振動子６の減少した固有振動数ｆ２ （周期Ｔ２ ）の２乗値に対応した圧縮力−Ｆｃ が引算器２０の他方の入力に出力される。
【００４０】
引算器２０において、第１荷重検出機構３Ａからの増加した固有振動数ｆ１ の２乗値に対応する引張力Ｆｐ から、第２荷重検出機構３Ｂからの減少した固有振動数ｆ２ の２乗値に対応する圧縮力−Ｆｃ を差し引きすれば、（Ｆｐ ＋Ｆｃ ）となる。従って、被計量物の荷重Ｗに対応した計量値として引算器２０から出力する。
【００４１】
ここで、材料の熱膨張係数の差によって生じる起歪体２と音叉振動子６の温度変化の差は、第１，第２荷重検出機構３Ａ，３Ｂを差動型にしているので、以下のように打ち消され、ロードセル１のゼロ点の温度依存性が補償される。
【００４２】
すなわち、このロードセル１の周囲温度が変化した場合、起歪体２と音叉振動子６の材料の熱膨張係数の差によってロードセル１内に熱応力が発生し、それは２個の起歪体２の前後面に装着された音叉振動子６に外力として伝達される。しかし、その外力は、２個の音叉振動子６に対し、同方向でかつ同じ大きさの力であるので、その力によるそれぞれの音叉振動子６の固有振動数の変化分と変化方向は同じになる。そこで、引算器２０により、一方の第１荷重検出機構３Ａの音叉振動子６からの変化した固有振動数に対応する力から、第２荷重検出機構３Ｂの音叉振動子６からの変化した固有振動数に対応する力を差し引くと、この温度変化による変化分は打ち消されて最終的な出力には現れない。従って、ロードセル１のゼロ点の温度依存性を十分に小さくすることができ、高精度化を図ることができる。
【００４３】
この差動型の他の形態として、図７に、起歪体の両面に２つの荷重検出機構を差動型に設けた第３実施形態の音叉式ロードセルを示す。この場合も、第２実施形態と同様に、可動部２ｂまたは固定部２ａからの熱の影響を小さくするために、ビーム２ｃ，２ｄ間に両荷重検出機構を配置している。
【００４４】
この音叉式ロードセルは、起歪体２が前後に対称で、上下にも対称な形状になっており、第２実施形態と同様に、第１，第２荷重検出機構３Ａ，３Ｂを同一形状、同一寸法で、同一外力によって同一の周波数変化を生じるように、それぞれ一体構造で形成し、起歪体２の前後面の一方に第１荷重検出機構３Ａを装着し、他方にこれと上下逆向きの第２荷重検出機構３Ｂを装着して、両荷重検出機構３Ａ，３Ｂを差動型にすることにより、両者の材料の熱膨張係数差によるゼロ点の温度依存性を補償している。なお、この第３実施形態のロードセルは、両荷重検出機構３Ａ，３Ｂを起歪体２の両面に設けているので、温度変化に対するゼロ点変動が片面に設けたロードセルよりも小さいので、起歪体２における熱の影響は第２実施形態のロードセルよりも小さい。このロードセルからの信号を処理する回路は図６と同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００４５】
図７（ａ）において、第１荷重検出機構３Ａは、起歪体２の前面Ｍ側に装着されており、その基部４Ａが、ビーム部２ｄから延びた第２取付フランジ８ＢにネジＢ１ のような締結手段で取り付けられ、この基部４Ａの右方に支点Ｐ１ を介して、鉛直方向に延びたてこ部５Ａが支持されている。てこ部５Ａの荷重点Ｐ２ が、水平方向に延びた連結片７Ｂを介して、てこ部５Ａの左方位置でビーム部２ｃから延びた第１取付フランジ８ＡにネジＢ２ のような締結手段で連結されている。そして、てこ部５Ａの左方に位置する音叉振動子６は、基部４Ａとてこ部５Ａとの間にそれぞれ水平方向に延びた支持片７Ａを介して取り付けられる。音叉振動子６は、加えられた外力（引張力Ｆｐ ）に応じて固有振動数が変化する。
【００４６】
図７（ｂ）において、第２荷重検出機構３Ｂは、起歪体２の後面Ｎ側に装着されている。基部４Ｂが、上記と同様に第２取付フランジ８Ｂにネジ締結等で、前面のネジＢ１ 締結位置のほぼ反対側の位置に取り付けられており、この基部４Ｂの右方に支点Ｐ１ を介して、鉛直方向に延びたてこ部５Ｂが支持されている。てこ部５Ｂの荷重点Ｐ２ が、水平方向に延びた連結片７Ｂを介して、てこ部５Ｂの右方位置で上記と同様に、第１取付フランジ８Ａにネジ締結等で連結されている。そして、てこ部５Ｂの左方に位置する音叉振動子６は、基部４Ｂとてこ部５Ｂとの間にそれぞれ水平方向に延びた支持片７Ａを介して取り付けられる。音叉振動子６は、加えられた外力（圧縮力Ｆｃ ）に応じて固有振動数が変化する。
【００４７】
なお、第１荷重検出機構３Ａと第２荷重検出機構３Ｂを、上下逆に、すなわち、両検出機構の基部４Ａ，４Ｂを、ビーム部２ｃから延びた第１取付フランジ８Ａに取り付け、両てこ部５Ａ，５Ｂの荷重点Ｐ２ を、連結片７Ｂを介して、ビーム部２ｄから延びた第２取付フランジ８Ｂに取り付けるようにしてもよい。
【００４８】
また、第１荷重検出機構３Ａを図７（ａ）のように配置するとともに、（ｂ）の第２荷重検出機構３Ｂを、てこ部５Ｂが基部４Ｂの左方であって、基台４Ｂをビーム部２ｃから延びた第１取付フランジ８Ａに取り付け、てこ部５Ｂの荷重点Ｐ２ を、連結片７Ｂを介して、ビーム部２ｄから延びた第２取付フランジ８Ｂに取り付けるようにしてもよい。
【００４９】
この計量装置により、例えば、数１０〜数１００ｍｇの重量の被計量物を、１００〜３００回／分の高速で、かつ、１／５０００〜１／１００００の高精度で計量することができる。
【００５０】
なお、この発明では、計量装置は被計量物の重量を選別する重量選別機や組合せ計量機に適用されているが、静止計量を行う秤量装置に適用してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
この発明の一構成によれば、荷重検出機構は、起歪体の上下のビーム部間に取り付けられている。従って、音叉振動子は、起歪体の固定部と可動部の各々の温度のほぼ中間値であって、互いの温度差も小さい上下ビーム間に固定されるので、固定部と可動部間で温度勾配があっても、固定部および可動部からの熱の影響を低減し、温度変化に対してゼロ点変動が小さくゼロ点安定性に優れるから、荷重検出精度を向上させることができる。
【００５２】
また、他の構成によれば、第１および第２荷重検出機構は、起歪体の上下のビーム部間に取り付けられているので、固定部および可動部からの熱の影響を低減して、温度変化に対するゼロ点安定性を向上させるとともに、両荷重検出機構の音叉振動子の一方が引張型で他方が圧縮型となるので、両音叉振動子の周波数変化から荷重を差動型で求めることにより、起歪体の周囲の温度が変化した場合に、起歪体と音叉振動子の熱膨張係数が異なっていても、両者の温度変形が打ち消されるから、温度変化による影響を受けないので、高い荷重検出精度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る音叉式ロードセルを示す斜視図である。
【図２】上記のロードセルを用いた計量装置の信号処理部を示す構成図である。
【図３】荷重検出機構を示す正面図である。
【図４】図１の音叉式ロードセルを示す部分拡大図である。
【図５】他の実施形態に係る音叉式ロードセルを示す斜視図である。
【図６】上記のロードセルを用いた計量装置の信号処理部を示す構成図である。
【図７】他の実施形態に係る音叉式ロードセルを示す側面図である。
【符号の説明】
１…音叉式ロードセル、２…起歪体、２ａ…固定部、２ｂ…可動部、２ｃ…ビーム部、３…荷重検出機構、３Ａ…第１荷重検出機構、３Ｂ…第２荷重検出機構、４Ａ，４Ｂ…基部、５Ａ，５Ｂ…てこ部、６…音叉振動子、３６…中間材。

Claims (7)

1. 左右に固定部と荷重が加えられる可動部とが配置され、可動部が上下のビーム部を介して固定部に支持された起歪体と、この起歪体に装着された荷重検出機構とを有するロードセルであって、
   前記荷重検出機構は、
   前記上下のビーム部のいずれか一方に取り付けられた基部と、この基部に支点を介して支持されたてこ部と、前記基部とてこ部との間に取り付けられ、加えられた荷重に応じて固有振動数が変化する音叉振動子とを備え、
   前記てこ部の荷重点が前記上下のビーム部の他方に連結されている音叉式ロードセル。
2. 請求項１において、
   上記ビーム部と基部間に、両者の熱膨張係数の間の係数を有する材料からなる中間材を挿入している音叉式ロードセル。
3. 請求項１または２のロードセルと、このロードセルの荷重検出機構で得られた信号から計量値を求める計量値生成回路とを有し、基台に前記ロードセルの固定部が固定され、可動部に被計量物を支持する計量台が固定された計量装置。
4. 左右に固定部と荷重が加えられる可動部とが配置され、可動部が上下のビーム部を介して固定部に支持された起歪体と、この起歪体に装着された第１荷重検出機構および第２荷重検出機構とを有するロードセルであって、
   第１荷重検出機構および第２荷重検出機構のそれぞれは、
   起歪体の上下のビーム部のいずれか一方に取り付けられた基部と、この基部に支点を介して支持されたてこ部と、前記基部とてこ部との間に取り付けられ、加えられた荷重に応じて固有振動数が変化する音叉振動子とを備え、
   前記てこ部の荷重点が前記上下のビーム部の他方に連結されており、
   荷重が可動部に加えられたとき、一方の荷重検出機構の音叉振動子に引張力が作用し、他方の荷重検出機構の音叉振動子に圧縮力が作用するように設定されている音叉式ロードセル。
5. 請求項４において、
   前記両荷重検出機構が起歪体の前後面の一方に装着されている音叉式ロードセル。
6. 請求項４において、
   前記第１の荷重検出機構が起歪体の前面に、前記第２の荷重検出機構が起歪体の後面にそれぞれ装着されている音叉式ロードセル。
7. 請求項４ないし６のロードセルと、このロードセルの両荷重検出機構のそれぞれで得られた信号の差から計量値を求める計量値生成回路とを有し、基台に上記ロードセルの固定部が固定され、可動部に被計量物を支持する計量台が固定された計量装置。

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