JPH0554618B2 - - Google Patents
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- JPH0554618B2 JPH0554618B2 JP5192385A JP5192385A JPH0554618B2 JP H0554618 B2 JPH0554618 B2 JP H0554618B2 JP 5192385 A JP5192385 A JP 5192385A JP 5192385 A JP5192385 A JP 5192385A JP H0554618 B2 JPH0554618 B2 JP H0554618B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- frequency
- force
- phase
- force detection
- resonance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
- G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
＜発明の利用分野＞
本発明は、測定すべき力に対応した周波数信号
を出力する力検出装置に関し、密度補正をはかつ
た力検出装置に関する。
を出力する力検出装置に関し、密度補正をはかつ
た力検出装置に関する。
＜従来の技術＞
第７図は、従来公知のこの種の装置の一例を示
す構成説明図で、特開昭56−79221号公報に記載
されている。この装置は、測定圧力（力）を受け
るダイアフラム１と、一端が筐体２の内壁に、他
端がダイアフラム１に固着された平板状力検出振
動子３と、この平板状力検出振動子３を固有振動
数で共振させる増幅器４からなる自励振回路と前
記固有振動数を処理する信号処理手段５とで構成
されている。この様な構成の装置によれば圧力感
度が高く、又圧力に対応した信号をコンピユータ
との整合性のよいデイジタル信号で得ることがで
きる。
す構成説明図で、特開昭56−79221号公報に記載
されている。この装置は、測定圧力（力）を受け
るダイアフラム１と、一端が筐体２の内壁に、他
端がダイアフラム１に固着された平板状力検出振
動子３と、この平板状力検出振動子３を固有振動
数で共振させる増幅器４からなる自励振回路と前
記固有振動数を処理する信号処理手段５とで構成
されている。この様な構成の装置によれば圧力感
度が高く、又圧力に対応した信号をコンピユータ
との整合性のよいデイジタル信号で得ることがで
きる。
＜発明が解決しようとする問題点＞
ところでこのような力検出装置においては力検
出振動子の感度が高いので、共振周波数のＱが周
囲気体の密度による影響を受け零点が変動すると
いう問題がある。また、他の密度測定手段を用い
て密度補正を行うことが考えられるが、その場合
密度測定装置を別に用意しなければならず、コス
ト高になるという問題がある。
出振動子の感度が高いので、共振周波数のＱが周
囲気体の密度による影響を受け零点が変動すると
いう問題がある。また、他の密度測定手段を用い
て密度補正を行うことが考えられるが、その場合
密度測定装置を別に用意しなければならず、コス
ト高になるという問題がある。
＜問題点を解決するための手段＞
本発明は上記問題点に鑑みて成されたもので、
周囲気体の密度変化に伴う共振周波数の影響を簡
単な構成により補正することが可能な力検出装置
を提供することを目的とし、その構成上の特徴
は、変換すべき力が軸方向に加えられる力検出振
動子と、この力検出振動子を固有振動周波数で共
振させる自励振回路と、前記力検出振動子の振動
を検出する信号処理手段とを有する力検出装置に
おいて、前記自励振回路中に位相を変化させるこ
とにより共振周波数を変化させる移相回路を設
け、前記信号処理手段は、前記自励振回路の共振
周波数の最大振幅f0と、この最大周波数から3dB
下がつた（位相が45゜ずれた）ところの共振周波
数f1，f2及び最大周波数からの位相がαだけずれ
た所における周波数差Δfを周波数測定器により
求め、真空中における測定圧力が零のときの力検
出器の共振の尖鋭度Q0と同じく測定圧力が零の
ときの測定時における密度条件により求めた共振
の関係から密度ρを求め、測定圧力が零で周囲気
体密度がρであるときの共振周波数fρを求め、下
記の式により測定圧力を求めるようにしたことを
特徴とするものである。
周囲気体の密度変化に伴う共振周波数の影響を簡
単な構成により補正することが可能な力検出装置
を提供することを目的とし、その構成上の特徴
は、変換すべき力が軸方向に加えられる力検出振
動子と、この力検出振動子を固有振動周波数で共
振させる自励振回路と、前記力検出振動子の振動
を検出する信号処理手段とを有する力検出装置に
おいて、前記自励振回路中に位相を変化させるこ
とにより共振周波数を変化させる移相回路を設
け、前記信号処理手段は、前記自励振回路の共振
周波数の最大振幅f0と、この最大周波数から3dB
下がつた（位相が45゜ずれた）ところの共振周波
数f1，f2及び最大周波数からの位相がαだけずれ
た所における周波数差Δfを周波数測定器により
求め、真空中における測定圧力が零のときの力検
出器の共振の尖鋭度Q0と同じく測定圧力が零の
ときの測定時における密度条件により求めた共振
の関係から密度ρを求め、測定圧力が零で周囲気
体密度がρであるときの共振周波数fρを求め、下
記の式により測定圧力を求めるようにしたことを
特徴とするものである。
記
ｆ≒fρ√１＋
ｆ；測定雰囲気中の力検出器の共振周波数
fρ；測定圧力を零とし周囲気体密度をρとした
時の共振周波数 Ｆ；測定圧力（軸力） Ｋ；定数 ＜作 用＞ 測定すべき力が加えられ、その力に対応した共
振周波数で振動している力検出装置は、この装置
が配置された大気（雰囲気）の密度により影響を
受けて零点が変動するが、自励振回路中に移相回
路を入れて発振周波数を変化させ、元の発振周波
数と移相回路により変化した周波数の差からその
ときの密度を測定し密度変化に伴う共振周波数の
変動を補正する。
時の共振周波数 Ｆ；測定圧力（軸力） Ｋ；定数 ＜作 用＞ 測定すべき力が加えられ、その力に対応した共
振周波数で振動している力検出装置は、この装置
が配置された大気（雰囲気）の密度により影響を
受けて零点が変動するが、自励振回路中に移相回
路を入れて発振周波数を変化させ、元の発振周波
数と移相回路により変化した周波数の差からその
ときの密度を測定し密度変化に伴う共振周波数の
変動を補正する。
＜実施例＞
第１図は本発明による力検出装置の一実施例を
示すブロツク図である。
示すブロツク図である。
図において１０は力検出振動子であり、２枚の
ビーム状板１１ａ，１１ｂが対称に平行して設け
られ、結合部１２によりロ字状に形成され、フレ
クシヤ１３を介して支持部１４に連結されてい
る。１５ａ，１５ｂは結合部の側面にそれぞれ取
付けられた圧電素子で、例えば１５ａは励振素
子、１５ｂは振動の検出素子であり、それぞれの
素子は外部に設けられた増幅器１６に接続されて
自励振回路が構成されている。２０は移相回路、
２１は切替えスイツチである。
ビーム状板１１ａ，１１ｂが対称に平行して設け
られ、結合部１２によりロ字状に形成され、フレ
クシヤ１３を介して支持部１４に連結されてい
る。１５ａ，１５ｂは結合部の側面にそれぞれ取
付けられた圧電素子で、例えば１５ａは励振素
子、１５ｂは振動の検出素子であり、それぞれの
素子は外部に設けられた増幅器１６に接続されて
自励振回路が構成されている。２０は移相回路、
２１は切替えスイツチである。
一般に共振周波数近傍における振幅および位相
の関係は第２図に示すような関係にあり、ある共
振周波数の最大振幅f0から3db下つた（45゜位相が
ずれた）ところの共振周波数をf1，f2とすると、
共振の尖鋭度Ｑは次の式により求めることができ
る。
の関係は第２図に示すような関係にあり、ある共
振周波数の最大振幅f0から3db下つた（45゜位相が
ずれた）ところの共振周波数をf1，f2とすると、
共振の尖鋭度Ｑは次の式により求めることができ
る。
Ｑ＝f0／f2−f1 …(1)
又、位相がαだけずれたところでの共振周波数の
ずれをΔfとすると次の関係がある。
ずれをΔfとすると次の関係がある。
Ｑ＝f0／Δf・（tanα）／２ …(2)
従つて、本発明では自励振回路中でαだけ位相
を変化させたときの共振周波数を測定することに
よりＱを求めるようにしたものである。
を変化させたときの共振周波数を測定することに
よりＱを求めるようにしたものである。
ここで前述の「位相」について説明する。
ここでいう位相とは第１図の15bに与えた交流
信号に対して１５ａで得られる交流信号の位相差
のことでであり、一般的には振動工学における強
制動系の解析を行うことにより、共振点での振幅
と位相を求めることができる。
信号に対して１５ａで得られる交流信号の位相差
のことでであり、一般的には振動工学における強
制動系の解析を行うことにより、共振点での振幅
と位相を求めることができる。
ここで、(株)養賢堂発行「振動工学ハンドブツ
ク」の124頁の力による強制振動の式によれば振
幅Ｘは Ｘ＝｛muｒ／ｍ）・（ω／ω0）2｝ ／［｛√１−（0）2｝2＋｛2（0）2］
…(3) 位相遅れφは tanφ＝｛2ζ（ω／ω0）｝ ／｛１−（ω／ω0）2｝ mu；不釣合質量 ｒ；不釣合質量の半径 ｍ；質量 ω；角振動数 ω0；系の減衰固有角振動周波数 ζ；減衰比 で表わされる。
ク」の124頁の力による強制振動の式によれば振
幅Ｘは Ｘ＝｛muｒ／ｍ）・（ω／ω0）2｝ ／［｛√１−（0）2｝2＋｛2（0）2］
…(3) 位相遅れφは tanφ＝｛2ζ（ω／ω0）｝ ／｛１−（ω／ω0）2｝ mu；不釣合質量 ｒ；不釣合質量の半径 ｍ；質量 ω；角振動数 ω0；系の減衰固有角振動周波数 ζ；減衰比 で表わされる。
ここで、ω＝ω0＋Δω（このハンドブツクの式
のωおよびω0は(1)、(2)式のｆおよびF0と置換え
ることができる） tanφ＝2ζ［｛Δω／ω0）］ ／［１−｛１＋（Δω／ω0）｝2］ ＝2ζ［｛１＋（Δω／ω0）］ ／［１−｛１＋２（Δω／ω0） ＋（Δω／ω0）2｝］ Δω≪ ω0であるから （Δω／ω0）2は０とみなすことができ、 １＋（Δω／ω0）は１と見なすことができ
るその結果 tanφ＝2ζ／｛−２（Δω／ω）｝ ＝−ζ（ω0／Δω） …(4) となる。一方α＝φ−90゜の関係にある為、三角
関数の定義から tanφ＝tan（α＋90゜） ＝（tanα＋tan90゜） ／１−（tanα・tan90゜） ＝｛（tanα／tan90゜）＋１｝ ／｛（１／tan90゜）−tanα｝ そしてtan90゜は無限大であるから tanφ＝−１／tanα …(5) となる。
のωおよびω0は(1)、(2)式のｆおよびF0と置換え
ることができる） tanφ＝2ζ［｛Δω／ω0）］ ／［１−｛１＋（Δω／ω0）｝2］ ＝2ζ［｛１＋（Δω／ω0）］ ／［１−｛１＋２（Δω／ω0） ＋（Δω／ω0）2｝］ Δω≪ ω0であるから （Δω／ω0）2は０とみなすことができ、 １＋（Δω／ω0）は１と見なすことができ
るその結果 tanφ＝2ζ／｛−２（Δω／ω）｝ ＝−ζ（ω0／Δω） …(4) となる。一方α＝φ−90゜の関係にある為、三角
関数の定義から tanφ＝tan（α＋90゜） ＝（tanα＋tan90゜） ／１−（tanα・tan90゜） ＝｛（tanα／tan90゜）＋１｝ ／｛（１／tan90゜）−tanα｝ そしてtan90゜は無限大であるから tanφ＝−１／tanα …(5) となる。
また、系の減衰が小さい時（例えばζ＝0.1以
下の場合）対数減衰率δは上記ハンドブツク
（125頁5.25式）によれば δ＝π（f2−f1）／f0と表わされ 前記(1)式のＱの定義では Ｑ＝f0／f2−f1 なのでこの２つの式から δ＝π／Ｑ となる。
下の場合）対数減衰率δは上記ハンドブツク
（125頁5.25式）によれば δ＝π（f2−f1）／f0と表わされ 前記(1)式のＱの定義では Ｑ＝f0／f2−f1 なのでこの２つの式から δ＝π／Ｑ となる。
また、同じく上記ハンドブツク（125頁5.25-
式）によれば、 δ＝2πζ／√１−2なので(6)式との関係か
ら π／Ｑ＝2πζ／√１−2 Ｑ＝√１−2／2ζとなり √１−2はおよそ１なので Ｑはおよび１／2ζ …(6) となる。
式）によれば、 δ＝2πζ／√１−2なので(6)式との関係か
ら π／Ｑ＝2πζ／√１−2 Ｑ＝√１−2／2ζとなり √１−2はおよそ１なので Ｑはおよび１／2ζ …(6) となる。
(4)，(5)，(6)式より
−１／tanα＝−ζ（Δω／ω0）
＝（１／2Q）（ω0／Δω）
となり、
Ｑ＝（ω0／Δω）（tanα／２）
となり前記(2)式を導くことができる。
上式(5)での位相φは振幅が最大となる共振点で
90゜という値をとるが、本願ではこのα＝90゜から
の位相変化量をαで表わしている。
90゜という値をとるが、本願ではこのα＝90゜から
の位相変化量をαで表わしている。
つまり、φ＝90゜ではα＝0゜という関係にある。
従つて第２図に示すようにf1，f2で位相差αが
±45゜変化し、その位相曲線はtanカーブで表わす
ことができ、foとこのfoからの変化量Δfとその
ときの位相変化量αが既知であればＱを求めるこ
とが可能である。
±45゜変化し、その位相曲線はtanカーブで表わす
ことができ、foとこのfoからの変化量Δfとその
ときの位相変化量αが既知であればＱを求めるこ
とが可能である。
ここで、力検出器の共振周波数は次式により表
される。
される。
ｆ≒fρ√１＋ …(7)
fρ：周囲気体密度をρとし測定圧力Ｆが零
のときの共振周波数 Ｆ：測定圧力（軸力） Ｋ：定数 しかしながら、力検出器の共振周波数ｆは周囲
気体密度に感度を有するため、大気中で使用する
場合、気圧変化によりｆが変化し零点の変動が生
じる。
のときの共振周波数 Ｆ：測定圧力（軸力） Ｋ：定数 しかしながら、力検出器の共振周波数ｆは周囲
気体密度に感度を有するため、大気中で使用する
場合、気圧変化によりｆが変化し零点の変動が生
じる。
測定圧力を零とし周囲気体密度をρとした共振
周波数は次式により表すことが出来る。
周波数は次式により表すことが出来る。
fρ＝f0／√１＋Aρ …(8)
f0：真空中での共振周波数
Ａ：定数
第３図は上式による計算値および実験値により
求めた密度に対する周波数の変化率を横軸を密
度、縦軸を周波数変化率として示したものであ
る。図において、イは実験値、ロは計算値により
求めた値を示している。図によれば、密度が増加
するに従つて共振周波数は少なくなつていき、例
えば２mg／cm3の密度では周波数変化率が−0.3％
になつていることがわかる。
求めた密度に対する周波数の変化率を横軸を密
度、縦軸を周波数変化率として示したものであ
る。図において、イは実験値、ロは計算値により
求めた値を示している。図によれば、密度が増加
するに従つて共振周波数は少なくなつていき、例
えば２mg／cm3の密度では周波数変化率が−0.3％
になつていることがわかる。
また、力検出器のＱは音響放射により大気の密
度の影響を受けるがその値は次式により与えられ
る。
度の影響を受けるがその値は次式により与えられ
る。
Qρ＝Qg・Q0／Qg＋Q0 …(9)
Q0：力検出器の真空中におけるＱ
Qg：周囲気体密度ρにおいて下記(6)式
で表わされるＱ Qg＝Ｂ・１／ρ (10) Ｂ：定数 (5)式において、ρを求めると、 Qρ＝（Ｂ／ρ・Q0）／（Ｂ／ρ＋0） ＝Ｂ・Q0／Ｂ＋ρQ0 ＝Qρ（Ｂ＋ρQ0）＝Ｂ・Q0 Ｂ＋ρQ0＝BQ0／Qρ 従つて ρ＝１／Q0（BQ0／Qρ−Ｂ） …(11) ここで、Q0、Ｂは既知数などのQρを測定
することによりその時点におけるρを知ることが
可能となる。
で表わされるＱ Qg＝Ｂ・１／ρ (10) Ｂ：定数 (5)式において、ρを求めると、 Qρ＝（Ｂ／ρ・Q0）／（Ｂ／ρ＋0） ＝Ｂ・Q0／Ｂ＋ρQ0 ＝Qρ（Ｂ＋ρQ0）＝Ｂ・Q0 Ｂ＋ρQ0＝BQ0／Qρ 従つて ρ＝１／Q0（BQ0／Qρ−Ｂ） …(11) ここで、Q0、Ｂは既知数などのQρを測定
することによりその時点におけるρを知ることが
可能となる。
第４図は上式によつて求めた密度と共振周波数
との関係を示すもので、横軸を密度、縦軸をQρ
として示すものである。図において、ハは実験
値、ニは計算値により求めた値を示している。図
によれば、密度が増加するに従つて共振周波数が
減少していることがわかる。
との関係を示すもので、横軸を密度、縦軸をQρ
として示すものである。図において、ハは実験
値、ニは計算値により求めた値を示している。図
によれば、密度が増加するに従つて共振周波数が
減少していることがわかる。
従つて、Qρを測定することによりρを知るこ
とが出来、(4)式によりfρの密度補正が出来る。
とが出来、(4)式によりfρの密度補正が出来る。
なお、第１図に示す本実施例においては移相回
路との切替をスイツチとしたが第５図に示すよう
に可変抵抗を用いて移相を変化させてもよい。ま
た、第６図に示すように移相回路を両方に入れ位
相を±45゜変化させたものとすればΔfを大きなも
のとすることができる。また、移相回路は第５図
に示すように振動子１０の振動を利用して部品数
点を付加するだけの回路で構成できるので、力検
出装置全体としてのコストを安価にすることがで
きる。
路との切替をスイツチとしたが第５図に示すよう
に可変抵抗を用いて移相を変化させてもよい。ま
た、第６図に示すように移相回路を両方に入れ位
相を±45゜変化させたものとすればΔfを大きなも
のとすることができる。また、移相回路は第５図
に示すように振動子１０の振動を利用して部品数
点を付加するだけの回路で構成できるので、力検
出装置全体としてのコストを安価にすることがで
きる。
＜発明の効果＞
以上、実施例とともに具体的に説明したように
本発明によれば、密度センサ等、他の素子を必要
とせず移相回路を付加するだけの簡単な構成で密
度補正が可能であり、また、密度信号が周波数と
して得られるため演算処理回路を付加する必要も
ない。
本発明によれば、密度センサ等、他の素子を必要
とせず移相回路を付加するだけの簡単な構成で密
度補正が可能であり、また、密度信号が周波数と
して得られるため演算処理回路を付加する必要も
ない。
第１図は本発明に係る力検出装置の一実施例を
示すブロツク図、第２図は周波数と振幅および位
相の関係を示す説明図、第３図は計算式および実
験値により求めた密度に対する共振周波数の変化
率を示す図、第４図は力検出振動子の密度に対す
るＱの変化を示す図、第５図〜第６図は他の実施
例を示す図、第７図は従来例を示す構成説明図で
ある。 １０…力検出振動子、１５ａ…励振素子、１５
ｂ…検出素子、２０…信号処理回路、２１…移相
回路。
示すブロツク図、第２図は周波数と振幅および位
相の関係を示す説明図、第３図は計算式および実
験値により求めた密度に対する共振周波数の変化
率を示す図、第４図は力検出振動子の密度に対す
るＱの変化を示す図、第５図〜第６図は他の実施
例を示す図、第７図は従来例を示す構成説明図で
ある。 １０…力検出振動子、１５ａ…励振素子、１５
ｂ…検出素子、２０…信号処理回路、２１…移相
回路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 変換すべき力が軸方向に加えられる力検出振
動子と、この力検出振動子を固有振動周波数で共
振させる自励振回路と、前記力検出振動子の振動
を検出する信号処理手段とを有する力検出装置に
おいて、前記自励振回路中に位相を変化させるこ
とにより共振周波数を変化させる移相回路を設
け、前記信号処理手段は、前記自励振回路の共振
周波数の最大振幅f0と、この最大周波数から3dB
下がつた（位相が45゜ずれた）ところの共振周波
数f1，f2及び最大周波数からの位相がαだけずれ
た所における周波数差Δfを周波数測定器により
求め、真空中における測定圧力が零のときの力検
出器の共振の尖鋭度Q0と同じく測定圧力が零の
ときの測定時における密度条件により求めた共振
の関係から密度ρを求め、測定圧力が零で周囲気
体密度がρであるときの共振周波数fρを求め、下
記の式により測定圧力を求めるようにしたことを
特徴とする力検出装置。 記 ｆ≒fρ√１＋ ｆ；測定雰囲気中の力検出器の共振周波数 fρ；測定圧力を零とし周囲気体密度をρとした
時の共振周波数 Ｆ；測定圧力（軸力） Ｋ；定数
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5192385A JPS61210923A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 力検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5192385A JPS61210923A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 力検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61210923A JPS61210923A (ja) | 1986-09-19 |
| JPH0554618B2 true JPH0554618B2 (ja) | 1993-08-13 |
Family
ID=12900392
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5192385A Granted JPS61210923A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 力検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61210923A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2622970B1 (fr) * | 1987-11-05 | 1990-06-01 | Esselte Moreau Sa | Transducteur de force feuillete en forme de double diapason,son procede de fabrication,et son application dans une cellule de charge |
-
1985
- 1985-03-15 JP JP5192385A patent/JPS61210923A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61210923A (ja) | 1986-09-19 |
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