JPH0566535B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、平行に配列され、その間に圧力変換
器またはセンサのような圧力応答手段が配置され
た２枚の板に加えられた力を測定するための力測
定装置に関する。

〔発明の背景〕

圧力応答手段によつて形成されている種々の力
測定装置が知られている。それは、たとえば、液
体が弾性のある容器に入れられ、その液体はその
弾性容器に力を加えることによつて生じた圧力を
測定装置に伝えるようになつている。このような
装置には、無視できない封止の問題がつきもので
ある。

〔発明の概要〕

それ故、本発明の目的は、簡単で、小型で、じ
ようぶな構造の力測定装置を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、それを複数個用いて一種
の測定カーペツトとして使用できるような力測定
装置を提供することである。

これらのおよび他の目的は、２枚の板の間にエ
ラストマー材料を備えて、その中に少なくとも１
つの圧力変換器を埋めこんだ力測定装置によつて
達成される。

基本的には本発明は、エラストマー材料の物理
的性質が大体において液体と同様で、それ故負荷
によつて生じる圧力がその負荷に比例した測定信
号に直接変換される、という事実を利用してい
る。エラストマー材料の物理状態の為、すなわち
液体がないのであるから、密封の問題は全く起ら
ない。

圧力変換器としては、圧電圧力変換器またはひ
ずみ計を用いることができる。圧力応答手段は水
力学的に、すなわち、直接的圧力転送で指示器に
作用することができる。

エラストマー材料としては、シリコンゴム、天
然ゴム、スチロール、ブタジエン、ポリスルフイ
ド、ゴム、ポリアクリル酸エステル
（Polyarcylate）、ポリウレタンまたはこれら材料
のいくつかの混合物を用いることができる。

本発明による力測定装置の好適実施例では、エ
ラストマー材料は、２枚の板の対向表面に特に加
硫処理して固着される。

このような力測定装置を複数個用いて、全ての
力測定装置の測定信号がいつしよに評価用に導出
される力測定カーペツトを設計できる。

本発明による力測定装置または力測定カーペツ
トは、非常に大きな容器の重量、または車両輪も
しくは車軸に加えられた負荷を測定するのに用い
ることができる。

〔実施例〕

本発明による力測定装置の実施例を図面を参照
して説明する。

本発明の立脚点を例示する第１図によれば、お
互いに平行に配列された２枚の板１，２の間にエ
ラストマー材料３が配置されている。基本的に
は、板１，２とエラストマー材料３の間には、封
止の必要がないので、接続も必要ない。しかし、
エラストマー材料３は、板１，２の対向表面に接
着剤または加流によつて固着されるものが望まし
い。

エラストマー材料の中には圧力変換器が備えら
れる。それは、たとえば圧力を電気信号に変換す
る圧電圧力変換器５でよい。圧力変換器５は、電
気伝導体７を介して圧力測定指示装置６に接続さ
れる。この装置は、圧力変換器５から圧力に比例
した信号を受けるデイジタル電圧計を備えること
ができる。

本発明の力測定装置の一実施例では、圧電圧力
変換器５は、エラストマー材料３の凹所に含ま
れ、それよりも高い粘性を有する材料４の中に埋
め込まれている。

材料４はゼリー状のシリコーンでよい。

力Ｆが好ましくは金属からなる板１に加えられ
ると、この力はエラストマー材料３に伝えられ、
材料３はこの力を圧力に比例するような態様で圧
電圧力変換器５に伝達する。

圧電圧力変換器５はこの力に比例する信号を導
体７を介して圧力測定指示装置６に送る。

圧電圧力変換器は、ホイートストンブリツジに
接続されたひずみ計で換えてもよい。圧力測定表
示装置の表示はKgまたはニユートンとすることが
できる。

力が板１の上面に不均一に加えられる場合は、
いくつかの圧力変換器をエラストマー材料３の中
に配置するのがよい。この場合、板１，２または
少なくとも板１は、たとえばトラツクの大きさ程
のかなり大きな表面積を有しているのがよい。圧
力変換器はこのような力測定カーペツトの上にマ
トリツクス状に配置されるだろう。圧力変換器か
ら得られた信号は計算装置に送られ、計算装置は
加えられた全体の力を計算し、それを表示する。

本発明による力測定装置の特有の応用分野は、
非常に大きなコンテナの重量、またはトラツクや
他の車両の車輪や車軸に加えられた負荷を測定す
るような、厳密な精度は必要されない分野であ
る。

第２図および第３図に示された本発明の力測定
装置の具体的実施例では上記のことが全て考慮さ
れている。すなわち、力を受ける部材としてのデ
イスク状の上側板１１と支持部材としてのデイス
ク状の下側板１２の間にはエラストマー材料１３
が備えられ、その中に圧力変換器またはセンサ１
５および温度補償のための付随の抵抗１６が埋め
込まれる。下側板１２はフランジ３８によつてベ
ースまたは支持体（図示せず）に固定できる。一
方力は球形領域２０を備えることのできる上側板
１１の上表面に加えられる。

本実施例によれば、板１１，１２の２つの対向
する内表面の間に形成された領域は特有の形をし
ている。特に、上側板１１の下表面２６はやゝ凹
形または円すい形をしている。下側板１２の上表
面２０は凸状に形成されて平たいカツプ状となる
のがよい。端部が広くなつている中央領域１４は
圧力センサ１５および補償抵抗１６を配置するた
めのものである。さらに、下側板１２は上側板１
１の嵌合のために上方へ延長した外周リム２４を
備えている。上側板１１の寸法とリム２４の寸法
とは、上側板１１の外周面２８とリム２４の円筒
状内周面３０との間にほんの僅かな間隙１８がで
きるよう選択される。第２図および第３図に示さ
れた実施例では、その間隙の距離は、0.1〜２mm、
望ましくは0.2〜0.7mmである。換言すれば、その
間隙は、上側板１１、下側板１２の直径の1/100
〜1/1000程度である。力測定装置の原理的動作に
悪影響を与えなければ、上記以外の寸法の間隙で
あつても良いことは、勿論である。

ここで下側板１２に外周リム２４がない場合を
考えると、上側板１１に、斜めの向きの力（上側
板１１に対して垂直でなく例えば45度をなす斜め
の向きの力）が加わると、上側板１１が傾斜させ
られ、それにより上側板１１の浮き上がつた部分
がエラストマーから離れることがあり、さらには
上側板１１が下側板１２からずれて破損に至る虞
れがある。これに対して、第２図および第３図に
示した実施例では、下側板１２に外周リム２４を
設けてこれと上側板１１の外周面との間隙１８に
エラストマーを満たすことにより、被測定力に直
交する横方向に関して高い剛性が得られ、上側板
１１と下側板１２の位置関係に高い安定性が得ら
れる。狭い間隙にエラストマーを満たすことによ
り、高い剛性が得られるので振動の減衰も早くな
る。

本発明による力測定測定装置の動作を最適化す
るためには、間隙１８の高さが重要な意味をもつ
であろう。この間隙高はあまり小さいものであつ
てはならない。なぜなら２つの対向した表面２
８，３０を介してかなり大きな横力が伝達されな
ければならないからである。

間隙１８を最適化することによつて、シリコン
ゴムの温度依存バネ特性の影響は、測定たわみ
（それは0.01mm程度であろう）も同時に減少する
ことによつて、最小にされる。また横力に対する
安定度も高くなる。

上側板１１を泳動できる形に設計することによ
つて、対称的荷重に対する自動整列の作用が高め
られる。第２図に示されたような寸法を有する力
測定装置では、間隙１８の高さは、10〜30mm程度
で、好ましくは15〜20mmである。換言すれば、こ
の間隙高は、上側板，下側板の1/10〜1/50程度で
ある。

２枚の板およびその間でエラストマー材料で充
たされた空間の寸法は、好適実施例の寸法の通り
が良いと考えられ、これらの寸法は記載の一部と
なる。一方これらの寸法からずらせることは当業
者の自由である。

第２図および第３図の実施例では、圧力センサ
としてたとえばジーメンス社で製造された圧力セ
ンサKPY１４が用いられる。この圧力センサ１
５は、板１１，１２のどちらにも完全に接触しな
いようにエラストマー材料１３中に埋め込まれ
る。これによつて、圧力が均一に分布し、環境の
影響とくにガス、湿気の侵入に対して絶対圧力セ
ンサ、補償抵抗およびケーブルが良好に保護され
る。したがつて、このような力測定装置は水中下
でも使用できる。

１個または複数個の抵抗は、力測定装置の温度
特性を補償するためのものである。補償抵抗１６
の抵抗値は、圧力センサの実際の特性に依存した
周知方法で、エラストマー材料の温度応答性を考
慮して計算される。

エラストマー材料１３として、シヨア硬度30〜
70、好ましくは40〜60の天然または合成の材料を
使用できる。エラストマー材料１３の例として
は、バツカーヘミー（Wacker Chemie）社のシ
リコーンゴムRTV−ME625を用いることができ
る。

エラストマー材料の高い均一性および非圧縮性
を実現するために、空気泡およびガス泡を新規な
方法による硬化の前またはその間にエラストマー
材料から除去する。

本発明による力測定装置の製造のために、合成
材料の２成分を周知の方法で攪拌して混合し、適
当な量の混合物を下側板１２内に注ぐ。

一般にこのような混合、注入の間に、空気泡が
その混合物に含まれるのは避けられないが、これ
は、本発明による原理の機能、すなわち材料の非
圧縮性にとつて有害である。

望ましくは、エラストマー材料で充たされた下
側板１２の上に上側板１１を挿入して後で、こう
してできたユニツトに後に力が加えられる方向で
かなり大きな加速度を加える。この加速度は、用
いられたエラストマー材料の種類に応じて重力加
速度ｇの20〜100倍望ましくは30〜50ｇがよい。

このような加速度を実現するため、板１１，１
２および圧力センサ１５と補償抵抗１６を埋め込
んだエラストマー材料１３によつて形成されたユ
ニツトを望ましくは垂直軸の回りに回転させる。
この手順を行なうための単純な装置は、ビームス
ケールの形をしている。そのビームの２つの対向
端でトレイが各々、上記したような１つまたはそ
れ以上のユニツトを受け入れるために可撓的に接
続される。回転速度はスケールの寸法および所望
の加速度に依存し、当業者はそれを簡単な周知の
態様で決定できる。また、この遠心力応用の操作
の持続時間は、加えられた加速度およびエラスト
マー材料１３の種類によつて決められ、数秒〜数
分の間またはそれ以上でよい。このような高い加
速度により空気泡はほとんど完全にエラストマー
材料の外に押し出され、加速力と反対方向に逃げ
ることもある。このような遠心力応用の操作は上
側板１１を下側板１２の上に置かないで行なつて
もよいが、このような方法は圧力をエラストマー
材料の上に維持して、空気泡やガス泡をすばやく
除去する。この除去は上側板１１の下表面の上記
した凹面形状によつて更に促進される。

エラストマー材料の硬化が遠心力応用操作の間
に終わらないかぎり（一般的にはそうではない）、
エラストマー材料はその残りが力測定装置の水平
位置において硬化する。

圧力センサ１５と補償抵抗１６とは、測定表示
装置６に外部的に接続されているケーブル（図示
せず）に接続されるということに注意すべきであ
る。

第１の原理的実施例に関して述べたように、第
２の実施例の力測定装置を一種の力測定カーペツ
トにおいて複数個配列することが可能である。

第２の実施例に関して用いられた圧力センサ
は、用いたシリコーンゴムとほとんど同様の密度
を有しているので、圧力センサは上側板、下側板
の内表面からの位置を大体維持する。もし必要な
ら、細いワイヤを介して支持体を用いることもで
きるであろう。上に述べたことは補償抵抗につい
てもあてはまる。もつとも、その位置、どちらか
の板との接触は問題ではない。

第２図、第３図の実施例は、約スケール１：１
で示されており、このような力測定装置は5000〜
20000Kg程度の力を決定するのに用いることがで
きる。

上記の２つの実施例で、エラストマー材料が実
質上平行な２枚の板の間に含まれるようになつて
いるけれども、たとえば上側部材が力受け部材
で、下側部材が支持部材と働き（またはその逆）、
エラストマー材料がこれら２つの部材の間に実質
的に封入されるようになつていれば、とのような
形のどのような他の部材で上記２枚の板を置き換
えてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による力測定装置の原理的構造
の垂直断面図である。第２図および第３図は、そ
れぞれ実際の使用のために設計された力測定装置
の垂直断面図および平面図である。 １……上側板、２……下側板、３……エラスト
マー材料、４……シリコーン、５……圧電圧力セ
ンサ、７……リード、６……圧力測定指示装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 力測定装置であつて、 相互にほぼ平行で且つ被測定力の向きに垂直に
   配列され、デイスク状の上側板および下側板とし
   て形成された力受け部材および支持部材と、 上記力受け部材と上記持部材との間に配設され
   たエラストマー材料と、 上記エラストマー材料に封入された圧力センサ
   とを備え、 上記下側板は上方に延びる外周リムを有し、こ
   の外周リム内に上記上側板が挿入されて、その外
   周リムの内周表面と上記上側板の外周表面の間に
   狭い間隙が形成され、かつ、その狭い間隙が上記
   エラストマー材料で満たされている、力測定装
   置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の力測定装置であ
   つて、上記圧力センサは圧電圧力センサであるこ
   とを特徴とする装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の力測定装置であ
   つて、上記エラストマー材料はシリコーンゴムで
   あることを特徴とする装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の力測定装置であ
   つて、上記エラストマー材料は、天然ゴム、スチ
   ロール、ブタジエン、ポリスルフイド、ゴム、ポ
   リアクリル酸エステル、ポリウレタンの１つ、ま
   たは、これらの材料の１つもしくは複数とシリコ
   ーンとの混合物であることを特徴とする装置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の力測定装置であ
   つて、上記上側板の内側表面は円錐状になつてい
   ることを特徴とする装置。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の力測定装置であ
   つて、上記円形間隙は、上側板、下側板の直径の
   １／１００〜1/1000程度の幅を有し、その直径の1/10
   〜1/50程度の高さを有していることを特徴とする
   装置。 ７ 特許請求の範囲第１項記載の力測定装置であ
   つて、上記圧力センサは、上記上側板、下側板の
   対向表面から実質上離隔して上記エラストマー材
   料中に埋め込まれていることを特徴とする装置。