特開 2024-174373 重量測定装置

(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】P2024174373

(43)【公開日】2024-12-17

(54)【発明の名称】重量測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01G 21/24 20060101AFI20241210BHJP

【ＦＩ】

G01G21/24 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023092175

(22)【出願日】2023-06-05

(71)【出願人】

【識別番号】000105659

【氏名又は名称】ニデックコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 隆史

(57)【要約】

【課題】 測定対象物が任意の位置に置かれても測定結果が変化しない重量測定装置を提供することにある。
【解決手段】 重量測定装置１０は、測定対象物２０を置くための測定台１と、測定対象物２０の荷重Ｆにより測定台１から受ける力を検出する力センサ２と、測定台１の支持点をそれぞれ支持し、１以上のグループ毎に同じバネ定数で鉛直方向に弾性変形し、グループにそれぞれ少なくとも２つが属する複数の支持部３と、力センサ２により検出された力、及び、複数の支持部３のバネ定数に基づいて、測定対象物２０の重量Ｆを演算する重量演算手段とを備え、力センサ２は、グループに属する支持部３が３つ以上の場合、グループに属する全ての支持部３に対応する支持点に対する重心の位置から力を受け、グループに属する支持部３が２つの場合、グループに属する２つの支持部３に対応する２つの支持点を結ぶ線分の中点の位置から力を受ける。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物を置くための測定台と、
前記測定対象物の荷重により前記測定台から受ける力を検出する力センサと、
前記測定台の支持点をそれぞれ支持し、１以上のグループ毎に同じバネ定数で鉛直方向に弾性変形し、前記グループにそれぞれ少なくとも２つが属する複数の支持部と、
前記力センサにより検出された力、及び、前記複数の支持部のバネ定数に基づいて、前記測定対象物の重量を演算する重量演算手段とを備え、
前記力センサは、前記グループに属する前記支持部が３つ以上の場合、前記グループに属する全ての前記支持部に対応する前記支持点に対する重心の位置から力を受け、前記グループに属する前記支持部が２つの場合、前記グループに属する２つの前記支持部に対応する２つの前記支持点を結ぶ線分の中点の位置から力を受けること
を特徴とする重量測定装置。

【請求項2】

前記力センサは、
前記測定台から受ける力により歪みが生じるダイアフラムと、
前記ダイアフラムに生じる前記歪みの大きさを検出する歪み検出素子とを備えること
を特徴とする請求項１に記載の重量測定装置。

【請求項3】

前記力センサの高さを調整する力センサ用高さ調整部
を備えることを特徴とする請求項１に記載の重量測定装置。

【請求項4】

前記力センサ用高さ調整部は、鉛直方向に変形する弾性を有すること
を特徴とする請求項３に記載の重量測定装置。

【請求項5】

前記複数の支持部のそれぞれの高さを調整する複数の支持部用高さ調整部
を備えることを特徴とする請求項１に記載の重量測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、重量を測定する重量測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、重量等の力を測定する装置が知られている。例えば、起歪体の歪みを検出するセンサを用いて、トルクを含む様々な力を測定することが開示されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２３－５６７６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、重量を測定する装置は、測定対象物が置かれる位置により、測定結果が変わることがある。

【0005】

本実施形態は、測定対象物が任意の位置に置かれても測定結果が変化しない重量測定装置を提供することにある。

【発明の効果】

【0006】

本実施形態によれば、測定対象物が任意の位置に置かれても測定結果が変化しない重量測定装置を提供することができる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の実施形態の重量測定装置は、測定対象物を置くための測定台と、前記測定対象物の荷重により前記測定台から受ける力を検出する力センサと、前記測定台の支持点をそれぞれ支持し、１以上のグループ毎に同じバネ定数で鉛直方向に弾性変形し、前記グループにそれぞれ少なくとも２つが属する複数の支持部と、前記力センサにより検出された力、及び、前記複数の支持部のバネ定数に基づいて、前記測定対象物の重量を演算する重量演算手段とを備え、前記力センサは、前記グループに属する前記支持部が３つ以上の場合、前記グループに属する全ての前記支持部に対応する前記支持点に対する重心の位置から力を受け、前記グループに属する前記支持部が２つの場合、前記グループに属する２つの前記支持部に対応する２つの前記支持点を結ぶ線分の中点の位置から力を受ける。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第１実施形態に係る重量測定装置の構成を示す構成図。

【図2】第１実施形態に係る力センサの構成を示す側面図。

【図3】第１実施形態に係る力センサの構成を示す上面図。

【図4】第１実施形態に係る演算処理部における測定対象物の重量を測定するための演算方法を示す概念図。

【図5】第１実施形態に係る演算処理部における四角形の測定台に置かれた測定対象物の重量を測定するための演算方法を示す概念図。

【図6】第１実施形態に係る演算処理部における三角形の測定台に置かれた測定対象物の重量を測定するための演算方法を示す概念図。

【図7】第１実施形態に係る測定台の歪みを示す簡略図。

【図8】本発明の第２実施形態に係る重量測定装置の構成を示す構成図。

【図9】本発明の第３実施形態に係る重量測定装置の構成を示す構成図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る重量測定装置１０の構成を示す構成図である。なお、図面において、同一部分には、同一符号を付している。

【0010】

重量測定装置１０は、測定台１、力センサ２、複数の支持部３、及び、演算処理部４を備える。重量測定装置１０は、測定台１に置かれた測定対象物２０の重量Ｆを測定するセンサである。

【0011】

測定台１は、測定対象物２０が置かれる台である。測定台１は、板形状である。測定台１の上面の形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、及び、多角形等でもよいし、非対称の形状でもよいし、不規則な形状でもよいし、その他のどのような形状でもよい。測定台１は、剛性が高く、測定対象物２０が置かれても変形し難い形状及び材質であることが望ましい。ここでは、測定台１の変形量は、測定対象物２０の重量の測定において、無視できる程度に充分に小さいものとして説明する。

【0012】

力センサ２は、測定対象物２０の重量により、測定台１から下方に加わる力を検出するセンサである。力センサ２は、検出した力を検出信号として演算処理部４に出力する。例えば、検出信号は、電気信号であり、抵抗、電圧又は電流の大きさで、検出した力が表される。

【0013】

複数の支持部３は、測定台１を支持する部材である。各支持部３は、バネのように鉛直方向に弾性変形するように構成される。例えば、支持部３は、弾性のある素材（例えば、ゴム）で形成されてもよいし、弾性のある形状（例えば、バネ）に形成されてもよいし、これらの組合せで構成されてもよい。

【0014】

各支持部３は、グループ毎に分けられている。なお、グループは、少なくとも１つあれば、いくつでもよい。各グループは、少なくとも２つの支持部３を含む。グループ毎にバネ定数が予め決められており、各グループに属する支持部３は、全て同じバネ定数である。バネ定数は、グループ毎に全て異なってもよいし、全てのグループで同じでもよいし、一部のグループで同じでもよい。

【0015】

各グループにおいて、グループに属する全ての支持部３が支持する支持点（例えば、支持部３が測定台１と接続されている箇所）でそれぞれ受ける力による変位の平均の変位をする点に力センサ２が位置するように、各グループの支持部３が配置される。

【0016】

具体的には、各グループにおいて、次のように、支持部３が配置される。グループに属する支持部３が３つ以上の場合、グループに属する全ての支持部３が支持する支持点により求められる重心にある位置が、力センサ２が測定台１から力を受ける位置ＢＣと一致するように、支持部３が配置される。グループに属する支持部３が２つの場合、２つの支持部３が支持する支持点を結ぶ線分の中点が、力センサ２が測定台１から力を受ける位置ＢＣと一致するように、支持部３が配置される。

【0017】

次に、支持部３が支持する支持点から力センサ２が配置される位置ＢＣを求める方法について説明する。ここでは、支持点の数（即ち、支持部３の数）をｎとし、支持点は、平面でｘ軸とｙ軸が直交するｘｙ座標に配置されているものとする。

【0018】

まず、支持点が３つ以上（ｎが３以上）の場合について説明する。この場合、全ての支持点に対する重心が位置ＢＣとなる。

【0019】

第１の支持点Ｐ１から第ｎの支持点Ｐｎまでのそれぞれの座標は、（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、…、（ｘｎ、ｙｎ）と表せる。このとき、第１から第ｎまでの支持点Ｐ１～Ｐｎに対する重心（ｘｇ、ｙｇ）のｘ座標及びｙ座標は、次のように求まる。
ｘｇ＝（ｘ１＋ｘ２＋…＋ｘｎ）／ｎ、ｙｇ＝（ｙ１＋ｙ２＋…＋ｙｎ）／ｎ
このように求めた重心の位置が位置ＢＣとなる。

【0020】

支持点が２つの場合、２つの支持点を結ぶ線分の中点（２つの線分を２等分する点）が位置ＢＣとなる。したがって、位置ＢＣは、ｘ座標が（ｘ１＋ｘ２）／２となり、ｙ座標が（ｙ１＋ｙ２）／２となる。

【0021】

これらのことから、位置ＢＣのｘ座標は、全ての支持点のｘ座標の平均であり、位置ＢＣのｙ座標は、全ての支持点のｙ座標の平均である。測定台１に設けられた支持部３の配置に基づいて、このように求められた測定台１の位置ＢＣの下に、力センサ２が設けられる。

【0022】

演算処理部４は、力センサ２により検出された検出信号に基づいて、測定対象物２０の重量を演算する。演算処理部４は、演算した重量を演算結果として出力する。演算処理部４は、主にコンピュータにより構成される。演算処理部４は、プログラムを実行することにより、プログラムに記載された手順に従って演算処理を行う。演算結果の出力は、ディスプレイへの表示、印刷又はデータ送信等、どのように行われてもよい。

【0023】

図２及び図３を参照して、力センサ２の構成について説明する。図２は、本実施形態に係る力センサ２の構成を示す側面断面図である。図３は、本実施形態に係る力センサ２の構成を示す上面図である。なお、ここで説明する力センサ２の構成は、一例であり、測定台１の重心ＢＣの真下から受ける力を検出できるのであれば、どのような構成でもよい。

【0024】

力センサ２は、歪み検出素子２１、ダイアフラム２２、荷重部２３、及び、土台部２４を備える。例えば、ダイアフラム２２、荷重部２３及び土台部２４は、一体形成される。

【0025】

歪み検出素子２１は、ダイアフラム２２の表面に設けられる。歪み検出素子２１は、測定対象物２０の荷重により生じるダイアフラム２２の歪みの大きさを検出するための素子である。歪み検出素子２１は、ダイアフラム２２に印加された力に応じて、ダイアフラム２２の歪みの大きさを示す電気信号を出力する。例えば、歪み検出素子２１は、歪みゲージであり、ダイアフラム２２の歪みの大きさを抵抗値の大きさで示す。

【0026】

なお、歪み検出素子２１は、ダイアフラム２２の歪みの大きさを検出できる素子であれば、どのような素子でもよく、歪みにより圧電効果を発生させる圧電体でもよい。また、歪み検出素子２１は、電気回路を構成する素子であり、電気回路はどのように構成されてもよい。また、歪み検出素子２１は、２つ以上設けられてもよい。さらに、電気回路には、電気を供給するための電源が設けられてもよい。

【0027】

ダイアフラム２２は、弾性変形する材質の薄板状の部材である。ダイアフラム２２の上面の形状は、例えば、円形状であるが、どのような形状でもよい。ダイアフラム２２は、測定対象物２０の荷重Ｆにより、沈むようにたわむことで、歪みが生じる。

【0028】

荷重部２３は、測定台１の位置ＢＣの真下に位置し、ダイアフラム２２の表面の中央部分（例えば、円形の中心部分）に設けられる。荷重部２３は、測定台１を介して、測定対象物２０の荷重が加わる部分である。荷重部２３は、測定台１の位置ＢＣから一箇所（頂点部分）で力を受けるように、凸形状に形成される。例えば、荷重部２３は、上側が球面状であり、下面が平面である。荷重部２３は、球面状の頂点部分で、測定台１の位置ＢＣからの力を受ける。

【0029】

荷重部２３は、測定台１に荷重が掛けられたときに、測定台１の位置ＢＣから一箇所で力を受けるような形状であれば、どのような形状でもよい。荷重部２３を設けることで、ダイアフラム２２に一定方向の歪みを生じさせるように、測定台１の位置ＢＣからダイアフラム２２に力が伝達される。

【0030】

土台部２４は、力センサ２の全体を支持する土台となる部分である。土台部２４は、平面状の底面がある円筒形状であり、上面にはダイアフラム２２が張られている。なお、土台部２４は、力センサ２が機能するように、ダイアフラム２２を支持する構成であれば、どのような構成でもよい。

【0031】

図４を参照して、演算処理部４における測定対象物２０の重量Ｆを測定するための演算方法について説明する。

【0032】

ここで、測定台１の重量は、測定対象物２０の重量Ｆと比較して無視できる程度に軽いものとして説明するが、実際には、測定台１の重量を考慮して、重量Ｆを測定する。また、説明の便宜上、各グループの支持部３の数は、全てｎ（ｎは２以上）であるものとして説明するが、各グループの支持部３の数は異なってもよく、この場合でも、以下の説明に基づいて、演算することができる。

【0033】

ｉは、グループの番号、ｊは、グループにおける支持部３の番号を表すものとする。グループの番号ｉは、１から順番に通し番号で全てのグループに付けられる番号であり、ｉの最大値は、グループの合計数になる。支持部３の番号ｊは、各グループにおいて、１から順番に通し番号で支持部３に付けられる番号であり、ｊの最大値は、そのグループにおける支持部３の合計数になる。

【0034】

測定台１の任意の位置に置かれた測定対象物２０の重量をＦ、力センサ２の反力をＦｓ、ｉ番目のグループのｊ番目の支持部３の反力をＦｉｊとすると、力のつり合いにより、次式が成り立つ。

【0035】

【数1】

【0036】

力センサ２は、各グループの支持部３が支持する支持点に対する重心の位置又は２つ支持点を結ぶ線分の中点の位置にあるため、各グループの支持部３の変位量の平均値が力センサ２の変位量（ダイアフラム２２の変位量）になる。よって、力センサ２の変位量をｘｓ、ｉ番目のグループのｊ番目の支持部３の変位量をｘｉｊとすると、次式が成り立つ。

【0037】

【数2】

【0038】

ｉ番目のグループのｊ番目の支持部３の反力をＦｉｊとし、ｉ番目のグループのバネ定数をｋｉとすると、次式が成り立つ。

【0039】

【数3】

【0040】

力センサ２のバネ定数（ダイアフラム２２のバネ定数）をｋｓとすると、式（２）及び式（３）から次式が導かれる。

【0041】

【数4】

【0042】

式（１）及び式（４）から次式が導かれる。

【0043】

【数5】

【0044】

よって、式（５）より、測定台１の測定対象物２０が置かれた位置によらず、力センサ２が受ける力Ｆｓから測定対象物２０の重量Ｆが求まる。

【0045】

図５を参照して、測定台１の形状が四角形（例えば、正方形）で、支持部３が四角形の各頂点に設けられた構成の重量測定装置１０おいて、測定対象物２０の重量Ｆを求める演算方法について説明する。

【0046】

４つの支持部３は、２つのグループに分けられる。対角に位置する２つの支持部３は、同じグループに属する。第１グループでは、バネ定数をｋ１とし、２つの支持部３が受ける力をそれぞれＦ１１，Ｆ１２とし、２つの支持部３の変位量をそれぞれｘ１１，ｘ１２とする。第２グループでは、バネ定数をｋ２とし、２つの支持部３が受ける力をそれぞれＦ２１，Ｆ２２とし、２つの支持部３の変位量をそれぞれｘ２１，ｘ２２とする。

【0047】

力センサ２は、同じグループに属する支持部３の各支持点に対する重心（四角形の２つの対角線の交点）の位置ＢＣから受ける力Ｆｓを測定するように配置される。次式により、力センサ２により測定される力Ｆｓから測定対象物２０の重量Ｆが求まる。

【0048】

【数6】

【0049】

図６を参照して、測定台１の形状が三角形で、支持部３が三角形の各頂点に設けられた構成の重量測定装置１０おいて、測定対象物２０の重量Ｆを求める演算方法について説明する。

【0050】

３つの支持部３は、全て１つのグループに属する。バネ定数をｋ１とし、３つの支持部３が受ける力をそれぞれＦ１１，Ｆ１２，Ｆ１３とし、３つの支持部３の変位量をそれぞれｘ１１，ｘ１２，ｘ１３とする。

【0051】

力センサ２は、支持部３の各支持点に対する重心（三角形の重心）の位置ＢＣから受ける力Ｆｓを測定するように配置される。次式により、力センサ２により測定される力Ｆｓから測定対象物２０の重量Ｆが求まる。

【0052】

【数7】

【0053】

次に、測定台１の歪みによる誤差について説明する。
図７に示すように、測定対象物２０が測定台１に置かれると、測定台１に歪みが生じる。この歪みによる歪み幅ｄは、重量測定装置１０による測定誤差になる。したがって、測定台１は、変形し難い高い剛性にすることで、測定誤差を小さくすることができる。

【0054】

なお、測定対象物２０の重量Ｆに対する測定台１の歪み度合いを予め測定し、演算処理部４は、歪み度合いの測定結果に基づいて、測定台１の歪みによる測定誤差を修正するように演算してもよい。また、測定台１の歪み幅ｄをダイアフラム２２と同様に検出して、測定台１の反力を求め、求めた測定台１の反力を用いて、力センサ２により検出される力を求めてもよい。

【0055】

本実施形態によれば、測定台１を支持する支持部３の配置に基づいて、力センサ２が設けられる測定台１の位置ＢＣを決定し、決定された測定台１の位置ＢＣに掛かる荷重を測定することで、測定台１の任意の位置に置かれた測定対象物２０の重量Ｆを求めることができる。

【0056】

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る重量測定装置１０Ａの構成を示す構成図である。

【0057】

重量測定装置１０Ａは、図１に示す第１実施形態に係る重量測定装置１０において、高さ調整部５を設けたものである。その他の点は、第１実施形態に係る重量測定装置１０と同様である。

【0058】

高さ調整部５は、力センサ２の高さを調節するための機構を備える。高さ調整部５は、力センサ２の下に直列に接続される。高さ調整部５は、力センサ２の荷重部２３が測定台１の下面と適切に接触するように、力センサ２の高さを調整する。高さ調整部５により力センサ２の高さを調整することで、力センサ２が測定台１から受ける力を適切に検出できる。なお、高さ調整部５は、力センサ２の土台部２４の一部として構成されてもよい。

【0059】

高さ調整部５は、支持部３と同様に、材質又は形状により弾性を有するように構成されてもよい。高さ調整部５は、弾性変形することにより、高さが調節される。この場合、演算処理部４は、力センサ２により検出される力、及び、高さ調整部５の弾性変形により吸収される力に基づいて、測定対象物２０の重量Ｆを演算する。

【0060】

また、高さ調整部５は、高さを自由に変更できる機構を備えてもよい。例えば、高さ調整部５は、ネジとネジ穴の構成を備え、ネジのネジ穴への挿入量を調節することで、高さを調節できるようにする。高さ調整部５は、弾性を有する構成と高さを自由に変更できる機構のいずれか一方を備えてもよいし、両方を備えてもよい。

【0061】

本実施形態によれば、第１実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。重量測定装置１０Ａは、力センサ２に高さ調整部５を設けることで、重量測定装置１０Ａの設置面Ｄｓに凹凸があっても、力センサ２を測定台１に対して適切な位置に配置することができる。これにより、測定対象物２０の重量Ｆを適切に測定できるように、重量測定装置１０Ａを設置面Ｄｓに設置することができる。

【0062】

（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態に係る重量測定装置１０Ｂの構成を示す構成図である。

【0063】

重量測定装置１０Ｂは、図１に示す第１実施形態に係る重量測定装置１０において、全ての支持部３にそれぞれ高さ調整部６を設けたものである。その他の点は、第１実施形態に係る重量測定装置１０と同様である。

【0064】

高さ調整部６は、全ての支持部３にそれぞれ設けられる。高さ調整部６は、支持部３と鉛直方向に直列に接続される。なお、高さ調整部６は、支持部３の上又は下のいずれに設けられてもよいし、支持部３の一部として構成されてもよい。また、力センサ２には、支持部３と同様に、高さ調整部６が設けられてもよいし、第２実施形態に係る高さ調整部５が設けられてもよい。

【0065】

高さ調整部６は、支持部３の高さを調節するための機構を備える。例えば、高さ調整部６は、ネジとネジ穴の構成を備え、ネジのネジ穴への挿入量を調節することで、高さを調節できるようにする。

【0066】

高さ調整部６は、支持部３の弾性部分が適切な収縮状態になるように、支持部３の高さを調節する。各高さ調整部６により各支持部３の高さを調整して、全ての支持部３の弾性部分が予め決められた初期状態になるようにし、測定台１が水平になるようにする。これにより、重量測定装置１０Ｂが設置面Ｄｓに適切に設置され、測定対象物２０の重量Ｆが適切に測定される。

【0067】

本実施形態によれば、第１実施形態による作用効果に加え、以下の作用効果を得ることができる。重量測定装置１０Ｂは、各支持部３に高さ調整部６を設けることで、重量測定装置１０Ｂの設置面Ｄｓに凹凸があっても、各支持部３の伸縮を適切な状態にすることができる。これにより、測定対象物２０の重量Ｆを適切に測定できるように、重量測定装置１０Ｂを設置面Ｄｓに設置することができる。

【0068】

なお、追加の利点及び修正について当業者により容易に生じることがある。したがって、そのより広い態様における本発明は、本明細書に示して説明される特定の詳細で代表的な実施形態に限定されない。したがって、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物により定義される一般的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができる。

【符号の説明】

【0069】

１…測定台、２…力センサ、３…支持部、４…演算処理部、１０…重量測定装置、２０…測定対象物、２１…歪み検出素子、２２…ダイアフラム、２３…荷重部、２４…土台部、ＢＣ…位置、Ｆ…荷重。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】