JPH0211094B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、力測定装置に関し、特に力を電気
信号に変換して測定するものである。

従来、上記のような力測定装置としては、いわ
ゆるロードセルがある。これは、力を受けて歪む
起歪弾性体の表面にストレンゲージを貼着し、こ
のストレンゲージの抵抗変化を測定して力の大き
さを測定するものであり、起歪弾性体の形状寸法
を変える事によつて種々の大きさの力を測定でき
るが、起歪弾性体の物理的性質、例えばヒステリ
シス、クリープ等による誤差が大きいので、これ
を補償しなければならないが、技術的に困難であ
るばかりでなく、それに要する費用がかさみ、製
品価格が高価になるという問題があつた。

この発明は、なんら補償回路を設けなくても、
ヒステリシス、クリープの影響を除去でき、高精
度に簡単な構成で力を測定できる力測定装置を提
供することを目的とする。

以下、この発明を図示の２つの実施例に基づい
て詳細に説明する。第１の実施例は、第１図に示
すように主起歪弾性体１と副起歪弾性体２とを有
し、これら両弾性体１，２の一端部は、部材３を
介して固定台４上にボルト５，５で固定されてい
る。すなわち両起歪弾性体１，２は片持ち梁式と
されている。これら両起歪弾性体１，２は同一材
料または温度係数の等しい材料によつて撓み部
（起歪部）１ａ，２ａを応力が等しくなる形状に
形成している。なお、６は両弾性体１，２を絶縁
するための絶縁材である。

これら両弾性体１，２の他端部間は弦７によつ
て結合されており、この弦７はその有効長さｌが
部材３の長さｌと等しくかつ部材３と同一線膨張
係数を有する材料によつて形成されている。

主起歪弾性体１の他端部に下向きに荷重Ｗを印
加すると、第２図に示すように主起歪弾性体１に
はその荷重Ｗに比例した撓みΔl1が発生し、弦７
の下端を下方に引張る。弦７に加わる張力Ｐは、
副起歪弾性体２の他端部に作用し、その他端部を
下方にΔl2撓ませる。ここで、主起歪弾性体１の
ばね定数をK1、副起歪弾性体２のばね定数をK2
とし、弦７の伸びを無視すると、 Ｐ＝Δl2・K2 が成立し、Δl1＝Δl2＝Δlであるから、 Ｗ＝Δl（K1＋K2） Ｐ＝Ｗ・K2／（K1＋K2） となり、張力Ｐは荷重Ｗに比例していることが判
る。

弦７には主起歪弾性体１上に設けた磁界発生体
８によつてその長さ方向に対して直角に磁界が印
加されており、第３図に示すように増幅器９に接
続されているので、弦７は振動する。すなわち、
印加荷重によつて弦７がわずかに磁界を切る方向
に撓むと、フレミングの右手の法則に従つて弦７
に電流が流れ、この電流はコンデンサ１０を介し
て増幅器９に供給されて増幅され、その増幅出力
は抵抗器１１を介して弦７に供給される。この出
力は弦７をさらに同方向に撓ませる方向に流れ、
弦７はさらに磁界を切る方向に撓む。この弦７は
増幅器９から与えられるエネルギと弦７の曲げ反
力とが釣り合う位置まで撓み、逆方向に戻つて来
る。これによつて弦７にはいままでとは逆向きの
電流が流れ、その逆向き電流はコンデンサ１０を
介して増幅器９に供給されて増幅され、弦７に増
幅逆向き電流が供給され、いままでとは反対向き
に弦７を撓ませる。以後、これを繰返し周波数ｆ
の振動をする。この周波数ｆは で求められる。ただし、ｎは振動の高調波数、ｌ
は弦７の有効長、ｇは重力加速度、ｒは弦７の単
位長さ当りの質量である。従つて、周波数ｆを測
定することによつて張力Ｐを測定でき、これによ
つて荷重Ｗを知ることができる。周波数ｆを測定
するための回路を第４図に示す。同図において、
１２は第３図に示した回路を含む発振器、１４は
周波数カウンタ、１６は時間ゲートで、周波数カ
ウンタ１４を制御するものである。１８は演算部
で、周波数カウンタ１４のカウンタ出力に基づい
て実荷重の演算、零調整、風袋引等を行なうもの
である。２０は実荷重の表示部である。

このように構成した力測定装置において、主起
歪弾性体１の温度係数をα1、副起歪弾性体２の
温度係数をα2とすると、張力Ｐは、 Ｐ＝Ｗ・K2（１＋α2）／K1（１＋α1）＋K2（１＋
α2） である。主・副弾性体１，２の材質を同じにする
か、弾性係数の温度変化が等しい材質によつて構
成しているのでα1＝α2となり、かつ主・副両弾
性体は20〜30mmの距離であるので温度条件が同一
である。よつてＰは Ｐ＝Ｗ・K2／K1＋K2 となり、完全に温度補償がなされる。

また、主・副起歪弾性体１，２には荷重を取り
去つた後にも歪が残るが（これをヒステリシスと
いう）、この歪は主・副起歪弾性体１，２の撓み
Δl1、Δl2に加えられるため張力Ｐに影響を与え
るが、ヒステリシスの大きさは、撓み部の応力が
等しいときには、形状に大小があつても等しい。
よつて、同一材料または温度係数の等しい材料を
使用した上で、撓み部１ａ，２ａに印加される応
力が等しくなるように主・副起歪弾性体１，２を
形成したこの力測定装置では、主・副起歪弾性体
１，２に生じるヒステリシスの大きさは等しいの
で、ヒステリシスの影響を相殺できる。またクリ
ープについても同じ事がいえる。すなわちクリー
プ量は弾性体にかかる応力と時間との関数として
定義され、各々の材料及び熱処理後の内部組織に
よつて固有の値を示すが、これも主・副起歪弾性
体１，２を同一材料で形成し、応力が等しくなる
形状に主・副起歪弾性体１，２を形成することに
よつて、主・副起歪弾性体１，２に生じるクリー
プ量を等しくしているので、クリープの影響を相
殺できる。

さらに弦７の有効長と部材３の長さとを同一に
し、かつ同一の線膨張係数をもつ材質によつて両
者を構成しているので、相対的に線膨張が同一に
なり張力Ｐの変化を零にしている。なお、線膨張
係数が同一でなくても相対的な線膨張が零になる
材質と長さの部材３を用いてもよい。

第２の実施例は、第５図に示すように公知のパ
ラレムグラム型弾性体を主起歪弾性体１として使
用したもので、その主起歪弾性体１の先端部に計
量皿２２を設けたものである。なお、同等部分に
は同一符号を付して説明を省略する。

以上述べたように、この発明による力測定装置
は、主起歪弾性体１、副起歪弾性体２、弦７等か
らなる簡単な構成であり、かつ主起歪弾性体１の
寸法を変えることによつてどんな大きさの荷重の
測定も可能である。しかも弦７と副起歪弾性体２
と部材３とは計測する荷重の大小に無関係に同一
寸法のものを使用することができ、規格統一が出
来る。さらに、主起歪弾性体１、副起歪弾性体２
は同一材質または温度係数の温度変化が等しいも
のを使用し、しかもこれに加えて撓み部１ａ，２
ａの形状を応力が等しくなるように形成している
ことによりヒステリシス及びクリープを補償でき
る。従つて、なんら補償回路を設けなくても、ヒ
ステリシス及びクリープを補償でき、高精度の力
測定を安価に実現できる。

上記の実施例では、弦７によつて張力Ｐを測定
したが、これに代えて力を感じるものなら何でも
よく例えば水晶式センサー、音叉式センサー等を
使用できる。また力検出器に張力を印加するよう
に構成したが、主起歪弾性体１と副起歪弾性体２
との位置を入れ替えて、力検出器に圧力が印加さ
れるように構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による力測定装置の第１の実
施例の側面図、第２図は第１の実施例の原理図、
第３図は第１の実施例の弦の振動原理図、第４図
は第１の実施例の回路図、第５図は第２の実施例
の側面図である。 １……主起歪弾性体、２……副起歪弾性体、３
……部材、４……固定部、７，８……力検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 基端部を固定した片持ち梁式の主起歪弾性体
   と、この主起歪弾性体とは間隔を隔てて配置され
   ると共に基端部を固定した片持ち梁式の副起歪弾
   性体と、上記主起歪弾性体が力を受けて変形する
   とき上記副弾性体も上記力を分担するように上記
   両起歪弾性体を接続しており上記両起歪弾性体に
   よる合成復元力を上記力と均衡させ上記副弾性体
   にかかる力を検出すると共に力を受けた際の変形
   が小さい力検出器とを備え、上記両起歪弾性体を
   同一材質で構成し、上記両起歪弾性体の起歪部の
   形状をそれぞれの応力が等しくなる形状としたこ
   とを特徴とする力測定装置。