特開 2024-111659 荷重測定器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024111659

(43)【公開日】2024-08-19

(54)【発明の名称】荷重測定器

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/14 20060101AFI20240809BHJP

   G01G 3/00 20060101ALI20240809BHJP

   G01G 3/12 20060101ALI20240809BHJP

【ＦＩ】

G01L1/14 J

G01G3/00 A

G01G3/12

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023016291

(22)【出願日】2023-02-06

(71)【出願人】

【識別番号】522477573

【氏名又は名称】ＴＨＫプレシジョン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100180264

【弁理士】

【氏名又は名称】西山 貴大

(72)【発明者】

【氏名】古田 淳

(57)【要約】

【課題】 一つの変位測定手段で複数の荷重測定範囲に対応することができ、低荷重から高荷重まで最適な分解能が得られる荷重測定器を提供する。
【解決手段】 本発明の荷重測定器１は、複数の弾性変形構造体２ａ，２ｂ，２ｃからなる荷重測定器であって、その弾性変形構造体は、固定部３ａ，３ｂ，３ｃと、荷重を受ける変位部４ａ，４ｂ，４ｃと、固定部と変位部とを繋ぎ荷重が掛かったときに弾性変形する弾性ばね部５ａ，５ｂ，５ｃと、を備え、複数の弾性変形構造体のそれぞれの固定部どうしが連結されて並列に配置され、少なくとも一つの弾性変形構造体に変位部の変位量を測定する変位測定手段６が設けられ、その変位測定手段を設けた弾性変形構造体を含む少なくとも二つ以上の弾性変形構造体のそれぞれの変位部どうしを連結する連結部材９，１０，１１を有し、その連結部材は、連結する弾性変形構造体の個数に応じて付け替え可能であることとする。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の弾性変形構造体からなる荷重測定器であって、
前記弾性変形構造体は、固定部と、荷重を受ける変位部と、前記固定部と前記変位部とを繋ぎ荷重が掛かったときに弾性変形する弾性ばね部と、を備え、
前記複数の弾性変形構造体のそれぞれの前記固定部どうしが連結されて並列に配置され、
少なくとも一つの前記弾性変形構造体に前記変位部の変位量を測定する変位測定手段が設けられ、
前記変位測定手段を設けた前記弾性変形構造体を含む少なくとも二つ以上の前記弾性変形構造体のそれぞれの前記変位部どうしを連結する連結部材を有し、
前記連結部材は、連結する前記弾性変形構造体の個数に応じて付け替え可能であることを特徴とする荷重測定器。

【請求項2】

前記変位測定手段が、前記弾性ばね部に備えられた歪みゲージを有することを特徴とする請求項１に記載の荷重測定器。

【請求項3】

前記連結部材が、荷重を掛ける荷重載荷部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷重測定器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷重センサ、フォースセンサ、はかり、ロードセルなどの荷重測定器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の荷重測定器の一例を説明する。図５は、従来の荷重測定器の簡易説明図であって、（ａ）は無荷重時、（ｂ）は荷重載荷時である。この荷重測定器１２は固定部１３と変位部１４が互いに平行ばね１５によって連結されている。また、変位部１４の変位量Ｄ１を測定するための変位測定手段１６が、固定部１３に備えられている。そして、変位部１４に重り２０を載荷すると、図５（ｂ）に示すように、平行ばね１５には、その剛性に応じた一定の変位が生じる。変位量Ｄ１は、平行ばね１５が弾性変形する範囲内では荷重に比例するため、この変位量Ｄ１を変位測定手段１６によって測定することで、重り２０の荷重が測定できることになる。

【0003】

このような従来の荷重測定器１２の具体例として、平行ばね１５の剛性を６×１０＾４Ｎ／ｍとする。そして、変位測定手段１６として静電容量式変位センサを用いたときの諸特性を、測定レンジ５０μｍ、出力電圧範囲０～１０Ｖ、電気的ノイズ１ｍＶとすると、荷重測定器１２の荷重の測定範囲は、０～３Ｎとなる。また、一般的な荷重測定器の分解能は、変位センサの電気的ノイズによって制限される。つまり、この荷重測定器１２の場合、荷重の測定分解能は電気的ノイズを荷重に換算した０．３ｍＮとなる。

【0004】

なお、変位センサの電気的ノイズは、変位測定範囲に依らずほぼ一定なため、例えば荷重測定範囲が０～１Ｎの荷重測定器の場合は、剛性を１／３の２×１０＾４Ｎ／ｍにすることによって、１Ｎ載荷したときの変位量が３倍になり、荷重分解能を０．１ｍＮに改善することができる。

【0005】

ここで、大きな荷重を測定できる荷重測定器は剛性が高いので、そのような高い剛性の荷重測定器を用いて小さな荷重を測定すると分解能が低下するという問題がある。そこで、特許文献１には、一定範囲の荷重を高分解能で測定することを目的として、低分解能荷重センサと高分解能荷重センサの両方を備え、比較的小さい荷重のときは高分解能荷重センサが使用され、比較的大きい荷重のときは低分解能荷重センサが使用されるスピンドル又はロードセルが開示されている。このようなスピンドル又はロードセルであれば、計測できる荷重範囲を一般的なスピンドル等よりも広くすることができ、また、高分解能荷重センサを非接触の計測システムにすることで、高荷重でも高分解能荷重センサが損傷を受けないようにすることができる。しかし、このような荷重測定器の場合は、２種類の荷重センサを搭載しなければならないので、機器が複雑でコストがかかるという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２０１８－５３４３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

このような実情に鑑み、本願発明は、簡易な構造で、低荷重から高荷重まで広い荷重範囲に対して適切な分解能で荷重測定ができる荷重測定器を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の荷重測定器は、複数の弾性変形構造体からなる荷重測定器であって、その弾性変形構造体は、固定部と、荷重を受ける変位部と、固定部と変位部とを繋ぎ荷重が掛かったときに弾性変形する弾性ばね部と、を備え、複数の弾性変形構造体のそれぞれの固定部どうしが連結されて並列に配置され、少なくとも一つの弾性変形構造体に変位部の変位量を測定する変位測定手段が設けられ、その変位測定手段を設けた弾性変形構造体を含む少なくとも二つ以上の弾性変形構造体のそれぞれの変位部どうしを連結する連結部材を有し、その連結部材は、連結する弾性変形構造体の個数に応じて付け替え可能であることとする。

【0009】

ここで、変位測定手段が、弾性ばね部に貼付された歪みゲージを有することにしてもよい。また、連結部材が、荷重を掛ける荷重載荷部であることにしてもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明の荷重測定器によると、測定荷重に応じて弾性変形構造体の連結個数を決定することで、荷重測定器の剛性を容易に変更することができるため、測定荷重が低荷重のときは剛性を下げ、測定荷重が高荷重のときは剛性を上げて測定荷重に適した剛性を設定し、低荷重から高荷重まで適切な分解能で測定できるという効果が得られる。

【0011】

また、測定荷重に応じて剛性を変更することができるため、荷重測定範囲と剛性の倍率を同じにすることによって、弾性変形の変位測定範囲と荷重測定範囲を同じにすることができるため、一つの変位測定手段で複数の荷重測定範囲に対応することができ、低コストを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】変位測定手段を備えた弾性変形構造体の簡易説明図であって、（ａ）は無荷重時、（ｂ）は荷重載荷時である。

【図2】変位測定手段を備えていない弾性変形構造体の簡易説明図である。

【図3】本発明の荷重測定器の簡易説明図であって、（ａ）は弾性変形構造体が１つの場合、（ｂ）は弾性変形構造体を２つ連結した場合、（ｃ）は弾性変形構造体を３つ連結した場合である。

【図4】変位測定手段として歪みゲージを用いた弾性変形構造体の簡易説明図である。

【図5】従来の荷重測定器の簡易説明図であって、（ａ）は無荷重時、（ｂ）は荷重載荷時である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の荷重測定器は、従来から用いられている弾性変形構造体を複数連結して構成されている。以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、ここでは、説明のため３つの弾性変形構造体からなる荷重測定器について述べるが、３つに限定するものではなく、２つでもよいし、４つ以上にすることも可能である。

【0014】

図１は、変位測定手段を備えた弾性変形構造体の簡易説明図であって、（ａ）は無荷重時、（ｂ）は荷重載荷時である。また、図２は、変位測定手段を備えていない弾性変形構造体の簡易説明図である。

【0015】

本発明による荷重測定器１は、３つの弾性変形構造体２ａ，２ｂ，２ｃから構成されている。変位測定手段６を備えた弾性変形構造体２ａは、固定部３ａと、荷重を受ける変位部４ａと、固定部３ａと変位部４ａとを繋ぎ荷重が掛かったときに弾性変形する弾性ばね部５ａと、を備えている。なお、本実施例における弾性ばね部５ａは平行ばねとなっているが、平行ばねに限定するものではなく、一定の荷重に対して弾性変形をするものであれば平行ばね以外でもよい。なお、固定部３ａや変位部４ａは、それ自体の剛性が高く、基本的に変形しないものとする。

【0016】

固定部３ａには変位部４ａの変位量Ｄを測定するための変位測定手段６が取り付けられている。変位部４ａに重り２０などの荷重を載荷すると、図１（ｂ）に示すように平行ばね５ａの剛性に応じた一定の変位を生じる。この変位は、平行ばね５ａが弾性変形する範囲では荷重に比例するため、この変位量Ｄを変位測定手段６で測定することにより荷重を測定することができるのは、従来技術と同様である。なお、変位部４ａの上面に荷重載荷部９を備え、重り２０などの荷重を荷重載荷部９に載荷する構成でもよい。

【0017】

弾性変形構造体２ａの具体例としては、平行ばね５ａの剛性は２×１０＾４Ｎ／ｍ、変位測定手段６は静電容量式変位センサで、その諸特性は測定レンジが５０μｍ、出力範囲が０～１０Ｖ、電気的ノイズが１ｍＶとする。荷重の測定範囲０～１Ｎのとき、変位部３ａに１Ｎの荷重を掛けたときの平行ばね５ａに生じる変位は５０μｍであり、荷重測定分解能は０．１ｍＮとなる。

【0018】

次に、変位測定手段を備えていない弾性変形構造体２ｂ、２ｃの構造を図２に示す。弾性変形構造体２ｂ、２ｃは弾性変形構造体２ａから変位測定手段６を取り除いた以外は、弾性変形構造体２ａと同様の構成である。したがって、平行ばね５ｂ，５ｃの剛性は２×１０＾４Ｎ／ｍとし、変位部３ｂ，３ｃに１Ｎの荷重を与えたとき、平行ばね５ｂ，５ｃの変位は５０μｍとなる。

【0019】

図３は、本発明の荷重測定器の簡易説明図であって、（ａ）は弾性変形構造体が１つの場合、（ｂ）は弾性変形構造体を２つ連結した場合、（ｃ）は弾性変形構造体を３つ連結した場合であり、これらは図１及び図２の右側面図である。

【0020】

荷重測定器１は、３つの弾性変形構造体２ａ，２ｂ，２ｃの固定部３ａ，３ｂ，３ｃがそれぞれ固定プレート８に並列に配置されて連結された構成となっている。なお、固定プレート８は基本的に剛性が高く、変形しないものとする。また、固定部３ａ，３ｂ，３ｃと固定プレート８との結合も剛結とする。

【0021】

荷重載荷部９は、変位部４ａの上面に結合され、重りなどの荷重を載荷する部材である。また、荷重載荷部１０，１１は、変位部４ａ，４ｂ，４ｃどうしを繋ぐ連結部材１０，１１としても用いられる。なお、連結部材１０，１１が変位部４ａ，４ｂ，４ｃの側面どうしを連結するものであって変位部４ａ，４ｂ，４ｃの上面に重りなどの荷重を直接載荷する構造の場合は、荷重載荷部ではなく連結部材１０，１１としてのみ機能する。また、荷重載荷部（連結部材）９，１０，１１の剛性は十分に高く、この荷重測定器１の使用範囲では変形しないものとする。また、変位部４ａ，４ｂ，４ｃと荷重載荷部９，１０，１１との結合は剛結とする。

【0022】

荷重の測定範囲が０～１Ｎの場合は、図３（ａ）に示すように荷重載荷部９を変位部４ａのみと結合することによって、弾性変形構造体２ａのみが機能し、２×１０＾４Ｎ／ｍの剛性を持った荷重測定器として機能する。従って荷重載荷部９に１Ｎの荷重を載荷したときの弾性変形による変位は５０μｍとなり、荷重測定分解能は０．１ｍＮが得られる。なお、ここで変位部４ａに変位が生じた際に、その他の変位部４ｂ，４ｃには、全く影響がない構成とする。つまり、荷重載荷部９は、弾性変形構造体２ａの変位部４ａに結合されているが、それ以外の弾性変形構造体２ｂ，２ｃとは、一切接触しない構造としなければならない。

【0023】

次に荷重測定範囲が１～２Ｎの場合は、図３（ｂ）に示すように荷重載荷部（連結部材）１０を変位部４ａと変位部４ｃとを連結するように設ける。そうすることによって２つの弾性変形構造体２ａ，２ｃが一体となって機能することになり、４×１０＾４Ｎ／ｍの剛性を持った荷重測定器１となる。荷重載荷部１０に２Ｎの荷重を載荷したときの弾性変形による変位は５０μｍとなり、荷重測定分解能は０．２ｍＮが得られる。なお、この場合も、弾性変形構造体２ｂには、荷重載荷の影響がない構成にする必要がある。また、載荷荷重が弾性変形構造体２ａ，２ｃが平等に分担できるように、荷重載荷部１０は、十分に剛性が高いものとする。

【0024】

更に荷重測定範囲が２～３Ｎの場合は、図３（ｃ）に示すように荷重載荷部１１を変位部４ａと変位部４ｂと変位部４ｃとを連結するように設ける。そうすることによって、３つの弾性変形構造体２ａ，２ｂ，２ｃが一体となって機能することになり、６×１０＾４Ｎ／ｍの剛性を持った荷重測定器となる。荷重載荷部１１に３Ｎの荷重を載荷したときの弾性変形による変位は５０μｍとなり、荷重測定分解能は０．３ｍＮが得られる。ここでも、載荷荷重は弾性変形構造体２ａ，２ｂ，２ｃが平等に分担できる構造にしなければならない。

【0025】

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）のいずれの場合でも、荷重測定器１に弾性変形構造体２ａが含まれることから、変位部４ａの変位量Ｄを測定する変位測定手段６が備えられていることになる。この変位測定手段６は、少なくとも１つあれば荷重測定器１としての機能を果たすことができる。言い換えると、連結部材１０，１１は、変位測定手段６を設けた弾性変形構造体２ａを含んで連結できるものであればよい。

【0026】

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）で示したように、荷重載荷部（連結部材）９，１０，１１は、連結する弾性変形構造体の個数に応じて付け替え可能であることとする。そうすることで、連結部材を付け替えるだけで、簡易に荷重測定器の剛性を変更することができるというメリットがある。

【0027】

また、変位測定手段６は、静電容量式変位センサに限定するものではない。図４は、変位測定手段として歪みゲージを用いた弾性変形構造体の簡易説明図である。図４に示すように、弾性ばね部５ａの両面に歪みゲージ２１を貼付し、これらの歪みの値を計測して変位量を算出してもよい。

【0028】

このように測定荷重の大きさに応じて荷重測定器の剛性を変更することによって、低荷重での分解能を改善しながら高荷重の測定もできる。また、測定荷重の測定範囲に比例して弾性ばね部（平行ばね）の剛性を大きくすることによって、弾性変形による変位は、測定荷重範囲に対して測定変位範囲がほぼ一定に保たれるため、変位測定手段を１つだけ用いればよい。よって、本発明の荷重測定器は、簡易な構造で、低荷重から高荷重まで広い荷重範囲に対して適切な分解能で荷重測定ができ、コスト低減を図ることができる。

【符号の説明】

【0029】

１ 荷重測定器
２ａ，２ｂ，２ｃ 弾性変形構造体
３ａ，３ｂ，３ｃ 固定部
４ａ，４ｂ，４ｃ 変位部
５ａ，５ｂ，５ｃ 弾性ばね部
６ 変位測定手段
８ 固定プレート
９ 荷重載荷部
１０ 荷重載荷部（連結部材）
１１ 荷重載荷部（連結部材）
１２ 従来の荷重測定器
１３ 固定部
１４ 変位部
１５ 平行ばね
１６ 変位測定手段
２０ 重り
２１ 歪みゲージ
Ｄ，Ｄ１ 変位量

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】