特許 7020136 荷重測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-07

(45)【発行日】2022-02-16

(54)【発明の名称】荷重測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 25/00 20060101AFI20220208BHJP

   G01L 1/22 20060101ALI20220208BHJP

   G01G 3/14 20060101ALI20220208BHJP

【ＦＩ】

G01L25/00 B

G01L1/22 Z

G01G3/14

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018008896

(22)【出願日】2018-01-23

(65)【公開番号】P2019128198

(43)【公開日】2019-08-01

【審査請求日】2020-12-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000135036

【氏名又は名称】ニプロ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 智之

【審査官】公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－１８４７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－１１３７２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１５７２８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２４１２６６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／２２

Ｇ０１Ｌ １／２６

Ｇ０１Ｌ ２５／００

Ｇ０１Ｇ ３／１４

Ｇ０１Ｇ ２３／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物の荷重が負荷される起歪体、および、該起歪体に取り付けられた歪みゲージを含むロードセルと、
前記起歪体に間隔をあけて配置され、前記起歪体に電磁力を作用可能に設けられた電磁石と、
前記歪みゲージの出力に基づいて前記荷重を算出する制御部とを備え、
前記制御部は、前記歪みゲージの出力が互いに同一となる前記荷重と前記電磁力との相関関係に基づいて、前記ロードセルのキャリブレーションを行なう、荷重測定装置。

【請求項2】

前記起歪体を片持ち梁状に支持する支持部をさらに備え、
前記電磁石は、前記起歪体の支持部側とは反対側の端部の下方に配置されている、請求項１に記載の荷重測定装置。

【請求項3】

前記起歪体は、前記電磁石と対向する位置に取り付けられた磁性体部を含む、請求項１または請求項２に記載の荷重測定装置。

【請求項4】

前記電磁石が前記起歪体に電磁力を作用させていない状態において、前記起歪体と前記電磁石との間隔は、前記起歪体の最大許容変位と略同一である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の荷重測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷重測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

荷重測定装置に用いられるロードセルの構成を開示した先行文献として、特開平８－２７１３５７号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載されたロードセルは、片持ち梁状に固定された起歪体と、起歪体に取り付けられた歪みゲージとを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平８－２７１３５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ロードセルを用いた荷重測定装置においては、ロードセルの起歪体および歪みゲージの少なくとも一方の経時劣化によりロードセルの検出特性が変化する。そのため、ロードセルの検出結果が正しいかどうかを確認するために、ロードセルのキャリブレーションが必要となる。

【0005】

一般的に、ロードセルのキャリブレーションは、重さが既知の錘をロードセルの起歪体に取り付けたときのロードセルの検出結果と既知の重さとの差がなくなるように、スパン調整およびオフセット調整することにより行なわれる。

【0006】

ロードセルの起歪体への錘の取り付けを人為的に行なう場合、キャリブレーション作業が煩雑となる。ロードセルの起歪体への錘の取り付けを機械的に行なう場合、荷重測定装置の機械的構成が複雑となる。

【0007】

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、簡易な機械的構成を有しつつ簡易にキャリブレーションを行なうことができる荷重測定装置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】

本発明に基づく荷重測定装置は、ロードセルと、電磁石と、制御部とを備える。ロードセルは、測定対象物の荷重が負荷される起歪体、および、起歪体に取り付けられた歪みゲージを含む。電磁石は、起歪体に間隔をあけて配置され、起歪体に電磁力を作用可能に設けられている。制御部は、歪みゲージの出力に基づいて上記荷重を算出する。制御部は、上記電磁力による歪みゲージの出力と上記荷重による歪みゲージの出力との相関関係に基づいて、ロードセルのキャリブレーションを行なう。

【0009】

本発明の一形態においては、荷重測定装置は、起歪体を片持ち梁状に支持する支持部をさらに備える。電磁石は、起歪体の支持部側とは反対側の端部の下方に配置されている。

【0010】

本発明の一形態においては、起歪体は、電磁石と対向する位置に取り付けられた磁性体部を含む。

【0011】

本発明の一形態においては、電磁石が起歪体に電磁力を作用させていない状態において、起歪体と電磁石との間隔は、起歪体の最大許容変位と略同一である。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、キャリブレーションを簡易に行なうことができる荷重測定装置を簡易な機械的構成で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る荷重測定装置の構成を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る荷重測定装置が備える起歪体が変形する前の状態を示す部分側面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る荷重測定装置が備える起歪体が、過負荷時に最大許容変位まで撓んだ状態を示す部分側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置について図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

【0015】

図１は、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置の構成を示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置が備える起歪体が変形する前の状態を示す部分側面図である。図３は、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置が備える起歪体が、過負荷時に最大許容変位まで撓んだ状態を示す部分側面図である。図３においては、撓む前の状態の起歪体を点線で示している。

【0016】

図１～図３に示すように、本発明の一実施形態に係る荷重測定装置１００は、ロードセル１１０と、電磁石１３０と、制御部１５０とを備える。荷重測定装置１００は、起歪体１１１を片持ち梁状に支持する支持部１２０をさらに備える。

【0017】

ロードセル１１０は、測定対象物の荷重が負荷される起歪体１１１、および、起歪体１１１に取り付けられた歪みゲージ１１２を含む。本実施形態においては、起歪体１１１は、円柱状の外形を有している。なお、起歪体１１１の外形は、円柱状に限られず、角柱状などでもよい。

【0018】

起歪体１１１の支持部側とは反対側の先端部の上部および下部の各々に、歪みゲージ１１２が１つずつ取り付けられている。また、起歪体１１１の支持部側の根元部の上部および下部の各々に、歪みゲージ１１２が１つずつ取り付けられている。すなわち、起歪体１１１に４つの歪みゲージ１１２が取り付けられている。４つの歪みゲージ１１２の各々は、抵抗体膜を含んでいる。

【0019】

４つの歪みゲージ１１２は、ブリッジ回路を構成しており、接続ケーブル１８０と電気的に接続されている。ただし、起歪体１１１に対する歪みゲージ１１２の取り付け位置および取り付け数は、上記に限られず、少なくとも１つの歪みゲージ１１２が起歪体１１１に取り付けられていればよい。

【0020】

本実施形態においては、起歪体１１１は、起歪体１１１の本体の電磁石１３０と対向する位置に取り付けられた磁性体部１１３を含む。具体的には、起歪体１１１の本体の先端部の下部に、磁性体部１１３が取り付けられている。磁性体部１１３は、残留磁化の小さい軟鉄などの材料で構成されている。なお、起歪体１１１の本体が磁性体で構成されている場合には、磁性体部１１３は必ずしも設けられていなくてもよい。

【0021】

電磁石１３０は、起歪体１１１に間隔をあけて配置され、起歪体１１１に電磁力を作用可能に設けられている。電磁石１３０は、起歪体１１１の支持部１２０側とは反対側の先端部の下方に配置されている。電磁石１３０は、円柱状の外形を有し、ベース１４０上に固定されている。電磁石１３０は、芯部および芯部に巻き回されたコイルを含む。なお、電磁石１３０の外形は、円柱状に限られず、角柱状などでもよい。電磁石１３０の芯部は、鉄などの磁性体で構成されている。

【0022】

図１に示すように、起歪体１１１の下端と電磁石１３０の上端との間隔は、Ｌである。具体的には、磁性体部１１３の下端と電磁石１３０の芯部の上端との間隔は、Ｌである。

【0023】

図３に示すように、過負荷Ｆ２が負荷されたときの起歪体１１１の最大許容変位は、Ｌである。すなわち、図１および図３に示すように、電磁石１３０が起歪体１１１に電磁力を作用させていない状態において、起歪体１１１と電磁石１３０との間隔は、起歪体１１１の最大許容変位と略同一である。なお、過負荷Ｆ２が負荷されたときの起歪体１１１の最大許容変位は、起歪体１１１が塑性変形する直前の起歪体１１１の弾性変形による撓み量に設定されてもよいし、荷重測定装置１００において予め定められた最大測定荷重が負荷されたときの起歪体１１１の撓み量に設定されてもよい。

【0024】

電磁石１３０は、電磁石１３０に一定の直流電流を供給する定電流源１７０と接続されている。具体的には、定電流源１７０は、電磁石１３０のコイルに接続されている。

【0025】

接続ケーブル１８０に含まれる２本の配線は、定電圧源１６０と接続されている。これにより、４つの歪みゲージ１１２によって構成されているブリッジ回路に、一定の直流電圧が印加される。

【0026】

歪みゲージ１１２は、測定対象物の荷重Ｆ１の負荷によって起歪体１１１が弾性変形した際の起歪体１１１の歪みに比例して電気抵抗値が変化する。歪みゲージ１１２は、電気抵抗値の変化を電圧の変化として出力する。Ｆ１＜Ｆ２である。

【0027】

接続ケーブル１８０に含まれる他の２本の配線は、信号増幅部１６１と接続されている。これにより、４つの歪みゲージ１１２によって構成されているブリッジ回路の２つの中点が、信号増幅部１６１に電気的に接続される。ブリッジ回路の２つの中点間の出力電圧が、信号増幅部１６１にて差動増幅される。

【0028】

信号増幅部１６１は、ノイズ除去部１６２に接続されている。ノイズ除去部１６２にて、出力信号から不要な信号成分が取り除かれる。

【0029】

ノイズ除去部１６２は、Ａ／Ｄ変換部１６３に接続されている。Ａ／Ｄ変換部１６３にて、出力信号が、アナログ信号からデジタル信号に変換される。

【0030】

Ａ／Ｄ変換部１６３は、制御部１５０に接続されている。制御部１５０は、演算部１５１および記憶部１５２を含む。演算部１５１は、Ａ／Ｄ変換部１６３から入力された出力信号と、後述するように記憶部１５２に記憶されているスパン調整値およびオフセット調整値とに基づいて、測定対象物の荷重Ｆ１を算出する。すなわち、制御部１５０は、歪みゲージ１１２の出力に基づいて測定対象物の荷重Ｆ１を算出する。

【0031】

制御部１５０は、定電流源１７０と電気的に接続されている。制御部１５０は、定電流源１７０による電磁石１３０への電力供給の開始および停止を制御する。

【0032】

制御部１５０は、起歪体１１１に作用させる電磁力による歪みゲージ１１２の出力と測定対象物の荷重Ｆ１による歪みゲージ１１２の出力との相関関係に基づいて、ロードセル１１０のキャリブレーションを行なう。

【0033】

以下、本実施形態に係る荷重測定装置１００におけるロードセル１１０のキャリブレーション方法について説明する。

【0034】

まず、支持部１２０に支持された起歪体１１１に対して間隔をあけて位置するように電磁石１３０をベース１４０上に固定して、荷重測定装置１００を構成した後、重さが既知の錘をロードセル１１０の起歪体１１１に取り付け、このときの歪みゲージ１１２の出力を基準出力とする。上記の錘による起歪体１１１への負荷を基準負荷とする。

【0035】

次に、起歪体１１１から錘を取り外し、電磁石１３０によって起歪体１１１に電磁力を作用させることにより歪みゲージ１１２の出力が基準出力となる定電流源１７０の基準電流供給量を決定する。このように決定された、電磁力による歪みゲージ１１２の出力と錘の荷重による歪みゲージ１１２の出力との相関関係は、制御部１５０の記憶部１５２に記憶される。

【0036】

なお、上記のようにロードセル１１０の起歪体１１１に錘を着脱させるのは、歪みゲージ１１２の基準出力および定電流源１７０の基準電流供給量を決定する時のみである。

【0037】

電磁石１３０による起歪体１１１に作用する電磁力の大きさは、コイル特性、電気的特性、機械的特性および環境的特性によって決まる。コイル特性は、コイルの、電気抵抗値、巻き数および巻き密度によって決まる。電気的特性は、コイルへの電流供給量によって決まる。機械的特性は、磁性体部１１３を含む起歪体１１１および電磁石１３０の芯部の各々の材質、並びに、磁性体部１１３および電磁石１３０の芯部の各々の大きさによって決まる。環境的特性は、周囲温度、および、磁性体部１１３と電磁石１３０の芯部との間隔によって決まる。上記のコイル特性、電気的特性、機械的特性および環境的特性が略一定であれば、電磁石１３０による起歪体１１１に作用する電磁力の大きさは略一定となる。

【0038】

コイルの電気抵抗値は、コイルに電流が流れた際のコイルの自己発熱により変化する。そのため、定電流源１７０は、コイルへの電流供給量を基準電流供給量で略一定となるように維持する。周囲温度の変化によって、磁性体部１１３および電磁石１３０の芯部の各々の大きさが僅かに変化するが、この変化量は荷重測定結果に影響が認められない範囲である。

【0039】

上記のコイル特性、電気的特性、機械的特性および環境的特性に影響を及ぼす要因のうち、コイルの電気抵抗値および周囲温度以外の要因は、経時的にほとんど変化することがない。そのため、定電流源１７０が基準電流供給量の電流を電磁石１３０に供給することにより、電磁石１３０は起歪体１１１に、歪みゲージ１１２の出力が基準出力となる略一定の電磁力を作用させることが可能である。

【0040】

制御部１５０は、記憶部１５２に記憶された、電磁力による歪みゲージ１１２の出力と錘の荷重による歪みゲージ１１２の出力との相関関係に基づいて、ロードセル１１０のキャリブレーションを行なう。

【0041】

ここで、ロードセル１１０のキャリブレーションを行なう際に、制御部１５０の演算部１５１にて行なわれる演算方法の一例について説明する。なお、演算部１５１にて行なわれる演算手法は、下記の方法に限られず、種々の統計的手法を用いることができる。

【0042】

まず、演算部１５１は、電磁石１３０による電磁力を発生させていない状態における歪みゲージ１１２の出力のデジタル信号を取得する。このときのデジタル信号の大きさをＸ１とする。このときの起歪体１１１への負荷は、０であり、Ｙ１とする。

【0043】

次に、定電流源１７０から基準電流供給量の電流を電磁石１３０に供給することにより電磁力を発生させた状態における歪みゲージ１１２の出力のデジタル信号を取得する。このときのデジタル信号の大きさをＸ２とする。このときの起歪体１１１への負荷は、上記の基準負荷であり、Ｙ２とする。

【0044】

起歪体１１１への負荷は、デジタル信号の大きさに対して線形性を有する。そのため、下記の関係が成立する。

【0045】

Ｙ１＝Ａ×Ｘ１＋Ｂ ・・・(１)
Ｙ２＝Ａ×Ｘ２＋Ｂ ・・・(２)
Ａは、スパン調整値であり、Ｂは、オフセット調整値である。

【0046】

上記の数式(１)および数式(２)から、次の数式(３)および数式(４)が成立する。
Ａ＝(Ｙ１－Ｙ２)／(Ｘ１－Ｘ２) ・・・(３)
Ｂ＝(Ｘ１×Ｙ２－Ｘ２×Ｙ１)／(Ｘ１－Ｘ２) ・・・(４)
上記の数式(３)からスパン調整値を得ることができる。上記の数式(４)からオフセット調整値を得ることができる。

【0047】

演算部１５１による演算によって得られた、スパン調整値およびオフセット調整値は、記憶部１５２に記憶される。演算部１５１は、被測定物の荷重を測定する際に、歪みゲージ１１２の出力のデジタル信号に対して、記憶部１５２に記憶されているスパン調整値およびオフセット調整値を適用して、被測定物の荷重を算出する。

【0048】

本実施形態に係る荷重測定装置１００においては、上記のように、ロードセル１１０のキャリブレーションが行なわれる。なお、デジタル信号の大きさＸ１およびＸ２の両方が０である場合は、制御部１５０は、歪みゲージ１１２、または、歪みゲージ１１２と接続されている電気系統が故障していると判断する。

【0049】

上記のように、ロードセル１１０の起歪体１１１に錘を着脱させるのは、歪みゲージ１１２の基準出力および定電流源１７０の基準電流供給量を決定する時のみである。歪みゲージ１１２の基準出力および定電流源１７０の基準電流供給量を決定した後は、ロードセル１１０の起歪体１１１に錘を着脱することなく、電磁石１３０によって起歪体１１１に電磁力を作用させることにより、ロードセル１１０のキャリブレーションを行なうことができる。

【0050】

そのため、歪みゲージ１１２の基準出力および定電流源１７０の基準電流供給量を決定した後は、キャリブレーションをする度に、ロードセル１１０の起歪体１１１への錘の取り付けを人為的に行なう必要がない。また、ロードセル１１０の起歪体１１１への錘の取り付けを機械的に行なう必要もない。その結果、本実施形態に係る荷重測定装置１００は、簡易な機械的構成を有しつつ簡易にキャリブレーションを行なうことができる。

【0051】

本実施形態に係る荷重測定装置１００においては、起歪体１１１が片持ち梁状に支持され、電磁石１３０が起歪体１１１の先端部の下方に配置されており、電磁石１３０が起歪体１１１に電磁力を作用させていない状態において、起歪体１１１と電磁石１３０との間隔が、起歪体１１１の最大許容変位と略同一である。これにより、図３に示すように、過負荷Ｆ２が負荷されたときに起歪体１１１の先端部を電磁石１３０の芯部で支持できるため、起歪体１１１が最大許容変位以上撓むことを抑制することができる。すなわち、電磁石１３０は、ロードセル１１０に過負荷が作用した際に起歪体１１１が許容限度以上に撓まないようにするストッパーとして機能する。

【0052】

本実施形態に係る荷重測定装置１００においては、起歪体１１１が片持ち梁状に支持されて、起歪体１１１の先端部の下方に電磁石１３０が配置されているが、電磁石１３０の配置は、上記に限られず、たとえば、磁性体部１１３が起歪体１１１の中央部に配置されており、この磁性体部１１３の下方に電磁石１３０が配置されていてもよい。

【0053】

なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

【符号の説明】

【0054】

１００ 荷重測定装置、１１０ ロードセル、１１１ 起歪体、１１２ 歪みゲージ、１１３ 磁性体部、１２０ 支持部、１３０ 電磁石、１４０ ベース、１５０ 制御部、１５１ 演算部、１５２ 記憶部、１６０ 定電圧源、１６１ 信号増幅部、１６２ ノイズ除去部、１６３ 変換部、１７０ 定電流源、１８０ 接続ケーブル。

【図1】

【図2】

【図3】