JPH0579929B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転体を有する振動ビームを用いて
力を測定するための装置に関するものである。

振動型の力測定装置は、当業者によく知られて
いる。振動型の力変換器は、デイジタル値、すな
わち、振動周波数を直接発生するため、構造が簡
単でアナログデイジタル変換器を必要としないと
いう利点がある。振動型力測定装置において、振
動ビームは、励振されて、該ビームに加わる応力
に係る特定の周波数で振動する。この振動周波数
は、振動ビームの硬直度によつて左右され、一定
の長さおよび断面（縦横比）の振動ビームについ
ては比較的一定したものとなる。

力センサーとして振動ビームを有する重量測定
装置の機械的Ｑは、各振動サイクルにおいて、前
記ビームによつて失つたエネルギーに対する該ビ
ームに蓄積されたエネルギーの比に比例する。力
測定に用いられる振動の減衰が生じることによつ
て共振用波数が不安定となつたり望ましくない共
振用波数にクロスオーバーする傾向が生ずるた
め、低いＱを有するシステムは好ましくない。高
いＱを有するシステムは、振動ビームの振動を維
持し、小さい外部エネルギー源を用いて振動ビー
ムを励振でき、より安定した共振周波数を得るも
のである。

重量測定装置の力センサーとして振動ビームを
使用した場合、被測定物による応力は振動ビーム
の第１端部に加わり、センサーは振動ビームの第
２端部に安定して取り付けられる。しかしなが
ら、単一の振動ビームを使用した場合、振動ビー
ムの被取付端部の振動エネルギーが失われ、シス
テムのＱが低下し振動が減衰する。単一の振動ビ
ームにあつては、センサーの被取付端部における
力の平衡がなくなる。単一の振動ビームは、振動
してセンサーの被取付端部にモーメントを加え
る。センサーの被取付端部における減衰によるエ
ネルギーの損失を回避するために、二重端部付音
叉を形成する１対の平行した振動ビームをセンサ
ーとしてもよい。単一の振動ビームの被取付端部
を回転させようとする力によつて生じるエネルギ
ー損失（およびそれに付随するＱの低下）を最小
化するための他の方法は、大きな惰性を有する中
間重量体に柔軟部材を用いて装置に接続された単
一の振動ビームの各端部を取り付けることであ
る。しかしながら、この方法は、前記被取付端部
に加わる力および該被取付端部におけるエネルギ
ー損失を完全に除去することができず、重量測定
装置のコストを高め、サイズ、並びの装置の複雑
性を増加するものである。

二重端部付音叉型のセンサーにおいて、第１振
動ビーム上の圧電素子を用いて音叉を励振し、第
２振動ビーム上の第２圧電素子が振動ピツクアツ
プ素子として使用される。振動ビームは、各々の
第１、第２端部において一体連結される。前記１
対の振動ビームは、該１対の振動ビームの長さ、
断面および硬直性、ならびに、力測定時において
振動ビームに加わる応力によつて決定される測定
周波数で振動することとなる。各振動ビームが実
質的に同一である場合、前記１対の振動ビーム
は、同一の測定周波数で振動するが、180°位相が
ずれる。その結果、各ビームの端部において、各
ビームからの振動は互いに相殺し合い、センサー
の被取付端部にモーメントが加わるのが阻止され
る。従つて、ビームの端部における振動エネルギ
ー損失が少なくなり、１対の平行した振動ビーム
を用いた力測定装置は、単一の振動ビームを有す
るシステムより高いＱを有することとなる。

しかしながら、振動ビームを用いた従来の力測
定装置においては、高いＱを有するセンサーを製
造するのが極めて困難となる。このようにして、
１対の平行した振動ビームを用いたセンサーに関
しては、各ビームの共振周波数における差異を生
じる２つの振動ビーム間の不均衡が存在しないよ
うにするためには、製造上の許容誤差を厳格なも
のとする必要がある。特に、２つの振動ビームの
長さ、断面および硬直性が確実に均等であらねば
ならず、被測定物による応力は２つの振動ビーム
の各々の第１端部に均等に加わることが必要であ
る。そうでない場合、周波数差はＱを低下させる
発振回路のビームの二重安定作用を招くことにな
る。ある場合には振動が止むことになる。厳格な
許容誤差（ミクロン単位）を必要とするので、振
動ビームは正確な切断方法を用いて製造される。
その結果、従来の振動型重量測定装置は、例え
ば、プレス具を用いて成形または製造されるもの
ではない。

実際上、鋳造又はプレス加工により製せられる
力センサーは、単に約150〜250のＱを達成するの
みである。従つて、より高いＱを達成でき且つ低
コストで例えば鋳造又はプレス加工により作られ
る振動ビームを有するセンサーが必要である。

さらに、例えば米国特許第4215570号明細書に
開示されているような典型的な力センサーは、圧
電性の石英からなる二重端部付音叉を有する。こ
のタイプのセンサーにはいくつかの問題点があ
る。センサーの共振周波数の温度による影響を最
小化するために、センサーの正しい結晶方向が必
要となる。センサーは、写真平板エツチング又は
ダイヤモンド加工によつて製造され、比較的製造
コストの高いものとなる。さらに、石英センサー
は、大変もろく、高荷重に耐え得るものではな
い。実際上、石英センサーは、数Kgの重量を感知
するのに使用される。重いものを測定する場合、
力は前記のようにもろい石英センサーに直接加え
られない。その代わり、重量に比例するひずみ
が、レバー機構を介してセンサーに加えられる。
故に、このようなセンサーは、他の部品をいくつ
か付加する必要があり、力測定装置のコストがさ
らに高くなる。

本発明の目的は、高いＱを有する振動型力セン
サーを提供することである。

本発明の他の目的は、振動ビームの製造におい
てより高い許容誤差を可能とするセンサーを提供
することである。

本発明の他の目的は、容易且つ低コストで製造
可能な力測定装置を提供することである。

本発明の他の目的は、強固な構造を有する力測
定装置用のセンサーを提供することである。

本発明の他の目的は、レバー機構を必要とする
ことなく被測定物を振動ビームの一端に直接取り
付けることのできるセンサーを提供することであ
る。

本発明のさらに他の目的は、被測定物からの応
力が２つの振動ビームの各々に均等に加わるよう
になつた二重端部付音叉型力測定装置を提供する
ことである。

前記目的を達成するため、本発明による力測定
装置は、測定周波数で前後振動する部分を有し、
前記測定周波数で前後振動しない静止点を有し、
第１、第２端部を有する振動ビームと、 被測定物を支持する支持手段と、 前記振動ビームが振動するときの測定周波数を
決定する応力を振動ビームに加えるために、振動
ビームの第１端部を前記支持手段に連結する手段
と、 振動ビームの前記静止点に連結されて前記測定
周波数で回転する回転体とから成るものである。

本発明の他の実施例において、力測定装置は、
前記測定周波数で前後振動しない静止点を有する
各々の振動ビームの第１、第２端部で連結されて
音叉を形成する１対の平行した振動ビームを有す
る。

第１図から第３図までは、特定の測定周波数で
動作している力測定装置の好ましい実施例を示
す。この力測定装置は振動ビームを有し、該ビー
ムは、その一部が測定周波数で前後に振動し、前
記周波数において前後に振動しない静止点を有す
るとともに、第１、第２端部を有する。図示した
ように、力センサー１００は、振動ビームすなわ
ち振動線状エレメント１０２を有する。該振動ビ
ーム又は線状エレメントは、第１端部１１２と第
２端部１１３とを有する。前記振動ビーム１０２
の第２、すなわち、被取付端部は取付手段１０３
に取り付けられている。

本発明によると、被測定物を支持するための支
持手段が設けられている。本発明は、振動ビーム
が振動する測定周波数を決定する応力を振動ビー
ムに加えるため、該振動ビームの第１端部を前記
支持手段に連結るための手段を有する。図示例で
は、被測定物は、連結手段１１４を介して振動ビ
ーム１０２の第１端部１１２に連結された支持手
段１１０上に掛けられる。その結果、被測定物
は、振動ビーム１０２が励振されて振動する共振
周波数に比例する応力を振動ビーム１０２に加え
る。

本発明は、前記測定周波数において回転するよ
うに振動ビームの静止点に連結された回転体を示
す。図示例では、アーム部材１０４が振動ビーム
１０２に対して直角に延び、該アーム部材１０４
の自由端部が球状回転体１０６，１０８に取り付
けられている。第１図のアーム部材１０４は、振
動ビーム１０２の静止点１２０に前記回転体１０
６，１０８を連結している。

振動ビーム１０２に沿う適切な静止点の位置
は、前記振動ビーム１０２が振動する基本周波
数、および、被測定物を測定するために選択され
た測定周波数によつて左右される。振動ビームと
回転体との組合せ体は、その組合せ体が振動し得
る基本共振周波数を有し、該基本共振周波数は、
振動ビーム１０２の長さ、断面および硬直度、前
記回転体１０６，１０８の重量および該回転体が
静止点１２０から離隔する距離、ならびに、被測
定物によつて振動ビーム１０２に加えられる応力
によつて決まる。前記基本共振周波数において、
振動ビームの中心における前後振動が最大とな
り、静止点が振動ビームの第１、第２端部に位置
する。しかしながら、振動ビーム１０２は、前記
基本共振周波数の約２倍の周波数である第２倍音
の周波数でも振動することができる。前記基本共
振周波数の第２倍音の周波数で振動するとき、他
の静止点が振動ビーム１０２の真中に正確に位置
する。第１図から第３図までに示す実施例におい
て、振動ビーム１０２は、前記基本共振周波数の
第２倍音で振動している。故に、第１図から第３
図までの静止点１２０においては、振動ビーム１
０２の前後振動は生じない。その代わり、静止点
１２０は測定周波数で回転する。

前記振動ビーム１０２は、石英等の圧電材料か
ら成るものであつてもよい。しかしながら、好ま
しい実施例では、振動ビーム１０２を、ベリリウ
ム銅などの金属等の非圧電材料製としている。振
動ビーム１０２に圧電材料を用いない場合、振動
ビーム１０２を励振して振動させるため、該ビー
ム１０２に圧電ドライバー（図示せず）を設ける
のが好ましい。その他のフアクターをすべて一定
にした場合、ビーム１０２に加わる重量は振動ピ
ツクアツプ素子として作用する圧電レシーバーを
用いて測定可能である。というのは、ビーム１０
２の振動周波数が、ビーム１０２の第１端部１１
２に連結された支持手段１１０上の被測定物によ
つて加えられる力に比例するからである。

連結手段は、振動ビーム１０２の第１（自由）
端部を支持手段１１０に直接連結しているのが好
ましい。しかしながら、特に、典型的には１〜２
Kg以上の重量を支持することができない石英等の
もろい材料によつて振動ビーム１０２を形成した
場合、レバーを設けることによつて、振動ビーム
１０２の自由端部１１２に応力を加えることがで
きる。

第１図から第３図までに示すように、静止点に
連結された回転体は振動ビームの振動に呼応す
る。第２図および第３図は、振子状の動きを示す
が、本発明の作用を理解し易くするためかなり誇
張して示している。回転体は、振動ビーム１０２
が振動する正確な測定周波数で決定する際の主要
フアクターとなるために、振動ビーム１０２に連
結されている。ビーム１０２は、１つの相から次
の相に振動する際、静止点に連結された回転体を
該静止点を中心として前後に振子状に回転させ
る。

振動ビームの静止点に連結された回転体を使用
することにより、本発明の重量測定装置は従来の
ものに対して重大な効果をもたらす。最も重要な
ことは、振動ビームの共振周波数が振動ビームに
関するパラメーターと回転体に関するパラメータ
ーとによつて決定されるので、機械的Ｑが大幅に
上昇する。また、このシステムによつて損失する
エネルギーに対する蓄積エネルギーの比率が上昇
する。というのは、振子運動する回転体が、いか
なるエネルギーの乱高下に吸収し、且つ、内部ま
たは外部からの短期的影響によつて誘発される周
波数変化に対するセンサーの抵抗力を高めるはず
み車として作用するためである。本発明の力測定
装置は、従来の回転体を用いない鋳造又はプレス
による装置に比し、機械的Ｑにおいて桁違いの進
歩をもたらす。その他の重要な利点としては、従
来の装置と同じ機械的Ｑとなるものの、より簡単
且つ低コストで重量測定装置を製造できるよう
に、製造上の許容誤差をかなり緩和できるという
ことがある。このような許容誤差の緩和が可能な
のは、共振周波数が振子運動する回転体によつて
大きく影響される結果、振動ビーム自体がもはや
センサーの共振周波数を決定する上で重大なフア
クターとはならないという事実のためである。

本発明は、基本共振周波数のいかなる倍音すな
わち上音に関連する測定周波数（および振動静止
点）で利用可能である。例えば、第４図におい
て、振動ビーム１０２が振動する測定周波数は基
本共振周波数の第１上音である。第１上音で振動
する場合、振動ビームは、該ビームの両端部以外
の箇所に２つの静止点を有することとなる。第４
図に示すように、第１静止点１２０ａは振動ビー
ムの被取付端部側に位置し、第２静止点１２０ｂ
は振動ビームの自由端部側に位置する。第１の回
転体対１０６ａ，１０８ａは第１静止点１２０ａ
に連結され、第２の回転体対１０６ａ，１０８ａ
は第２静止点１２０ｂに連結されている。第１図
から第３図および第４図は、本発明が測定の測定
周波数に関連した静止点の数にかかわらず完全に
類似した態様で作用するということを示してい
る。振動ビーム１０２の振動の態様が特定の倍音
または上音で変化させられる場合、本発明の目的
は、前記特定の振動周波数に関連する静止点のす
べてまたはそのうちの選択されたものに連結され
た回転体を設けることによつて達成可能である。

本発明は、各ビームの第１、第２端部において
連結さされて音叉の振動歯部を形成している１対
の平行した振動ビームを有してもよく、この場
合、各ビームは、測定周波数において前後運動し
ない静止点を有する。本発明の好ましい実施例の
１つを第５図に示す。図示例において、力センサ
ー１０は２つの平行した振動ビーム１２，１４を
有する。第１、第２ビーム１２，１４は、第１、
第２端部１６，１８において連結されている。前
記センサー１０が第２倍音で振動する場合、各ビ
ームの中間静止点はその中心に位置することとな
る。

図示例において、回転体１３は第１ビーム１２
の静止点に連結され、回転体１５は静止点に連結
されている。回転体１３，１５は、アーム部材１
３ａ，１５ａを介して静止点に連結されており、
各回転体は、アーム部材１３ａ，１５ａにそれぞ
れ連結された突出部１３ｂ，１３ｃ，１５ｂ，１
５ｃを有するＨ状となつている。

本発明の１つの特徴によると、前記センサー１
０は、第１、第２振動ビームの第１、第２端部を
連結している第１、第２端部を有する。図示例に
おいて、第１端部１６は振動ビーム１２，１４の
第１（自由）端部を連結している。第２端部１８
は、第１、第２振動ビームの第２（被取付）端部
を連結している。

各端部は、該端部の振動を消すため内方突出部
を有するのが好ましい。図示例において、第１端
部１６は振動ビームの第２端部に向けて延びる突
出部３６を有し、第２端部１８は振動ビームの第
１端部に向けて延びる突出部３８を有する。重量
測定装置における振動ビームが振動するとき二重
端部付音叉の端部を連結する端部において小さい
振動が生じる。しかしながら、これらの端部に設
けた内方突出部は、端部１６，１８における望ま
しくない振動を吸収し、または消滅させることに
より、前記センサーの機械的Ｑを増加させる。

好ましい実施例において、第１、第２振動ビー
ムの第１端部を支持手段に連結している手段は、
レバーを介さず直接、前記支持手段を第１端部に
連結する。このように直接連結することにより、
石英センサーを使用する際必要となる複雑且つ高
コストのレバーシステムを不要とし、力測定装置
を構造が簡単で低コストのものとすることができ
る。支持手段に連結するための手段は、長手方向
延長部材であるのが好ましい。図示例において、
第１端部１６は、第１長手方向延長部材２２によ
つて荷重プレート３２に直接連結されている。

この好ましい実施例において、力測定装置用に
取付手段が設けられており、該装置は、第１、第
２振動ビームの減衰を最小化するため、第２端部
を前記取付手段に連結するための手段を有する。
図示例において、第２端部１８は第２長手方向延
長部材２０によつて取付プレート２４に連結され
ている。二重端部付音叉の各端部と、被測定物の
支持手段および力測定装置用取付手段との間に設
けた連結手段は、重要な機能を果す。図示例にお
いて、長手方向延長部材は、端部１６，１８から
の消滅していない振動を減衰しがちであり、取付
プレート２４および荷重プレート３２を振動して
いる音叉から隔離する。その結果、第１、第２振
動ビームにおける所望の振動の減衰が少なくな
り、センサーの機械的Ｑが増加する。さらに、取
付手段と音叉との間の隔離により、取付プレート
２４が比較的静止したものである結果生じる振動
ビームのいかなる減衰をも最小化する。

本発明の好ましい実施例において、略同じ応力
を第１、第２振動ビームに加えるために第１端部
を支持手段に連結するため、よじつた延長部が設
けられている。図示例において、第１長手方向延
長部材２２は、第１端部１６を孔３９付の荷重プ
レート３２に直接連結している。重量測定用のセ
ンサーを用いた場合、被測定物は、孔３９を介し
て荷重プレート３２に取り付けることにより、セ
ンサー１０から直接吊り下げてもよい。このよう
にして、例えば、フツクから垂下する測定皿を荷
重プレート３２に取り付けてもよい。前述のよう
に、二重端部付音叉を用いた重量測定装置におい
て、２つの振動ビームの各々の共振周波数を調和
させることが重要である。しかしながら、各ビー
ムの共振周波数は該ビームに加えられる応力量に
よつて左右されるので、被測定物によりセンサー
に加わる応力が２つの振動ビームに等しく加えら
れる必要がある。故に、第１長手方向延長部材２
２に90°のよじりを設けるのが好ましい。このよ
じりは、各ビームに加わる荷重を均等化するのに
大変効果的である。延長部材におけるよじりは、
被測定物が中心から位置ずれしたり測定皿が揺動
しているときなど、各ビーム上の力が不均等であ
るとき、第１振動ビーム１２と第２振動ビーム１
４との間の差動荷重を均等化するものである。

第２端部を取付手段に連結するための手段は、
第１、第２振動ビームに略同一の応力を加えるた
めよじられた延長部材を有するのが好ましい。図
示例において、第２長手方向延長部材２０もま
た、第１、第２振動ビーム上の差動荷重を均等化
するため90℃よじられている。

第５図で示すように、取付プレート２４は略Ｃ
字状である。取付プレートの機能は、センサーを
他の装置（図示せず）に堅固に固着することであ
る。この実施例において、センサーは、取付孔す
なわち取付プレート２４の孔を介して固着され
る。取付孔は、取付プレート２４の中心区域３０
を開口して、各振動ビームの減衰を最小化するよ
うに設けられている。また、１つの取付孔をセン
サーの長手方向軸に沿つて取付孔２４に形成し
て、不均等な応力を各振動ビームに加わるのを阻
止する。２つの振動ビームに不均等な応力が加わ
るのを回避するため、２つの取付孔より１つの取
付孔を用いるのが好ましい。取付孔２６，２８に
１対のボルトを用いて固着されている場合、被測
定物が荷重プレート３２に取り付けられる際、取
付プレート２４は移動し折曲し易くなる。

本発明は、振動ビームが前後振動するときの測
定周波数で出力信号を発生するため、振動ビーム
連結された圧電レシーバーを有するのが好まし
い。図示例において、圧電レシーバー４２が第２
振動ビーム１４上に取り付けられている。

振動ビームが金属等の非圧電材料からなる場
合、本発明は、振動ビームに連結され入力信号が
入力したとき振動する圧電ドライバーを有してい
てもよい。第５図の実施例において、圧電ドライ
バー４０は第１振動ビーム１２上に取り付けられ
ている。動作時において、パルス化した入力信号
が圧電ドライバー４０に送られ、ドライバー４０
および該ドライバー４０上に取り付けられた振動
ビーム１２を励振させる。振動ビームが共振周波
数で振動しているとき、次のパルス化した入力信
号は、振動ビーム１２が、ドライバー４０が前の
入力信号を受けたときの位置に前後振動するのと
同時に、ドライバー４０および振動ビーム１２を
励振する。二重端部付音叉型センサーにおいて、
振動ビーム１２の振動は、第２振動ビーム１４の
振動と180°位相がずれる。振動ビーム１４におけ
る振動は、該ビーム１４上に取り付けられて、該
ビーム１４の振動周波数と同じ周波数を有する出
力信号を発生する圧電レシーバー４２によつて検
知される。圧電レシーバー４２からの出力信号
は、ドライバー４０に帰還されて、システムが特
定周波数で振動する。各振動ビームが振動すると
きの共振周波数は、振動ビームおよび回転体の特
性、ならびに、被測定物によつて振動ビームに加
わる応力により、純機械的に決定される。

本発明の好ましい実施例において、マイクロコ
ンピユーター手段は、圧電レシーバーに連結され
て、出力信号に呼応して被測定物の重量を決定す
る。図示例において、取付プレート２４には、プ
リント配線板をセンサーに装着する手段としての
脚部３３，３４が設けられている。センサー１０
との干渉を回避するため、前記脚部３３，３４
は、前記プリント配線板を並列に取り付け可能な
ように折曲されている。プリント配線板は、圧電
レシーバー４２からの出力信号を感知し分析する
ため、前記マイクロコンピユーター手段を含む電
子回路を有してもよい。

典型的には、マイクロプロセツサーおよびカウ
ンターを、振動ビームが振動しているときの周波
数を測定するのに使用してもよい。好ましい方法
において、出力パルスの数は所定数に達するまで
カウントされ、振動周波数は、所定数の出力パル
スが発生中に行なわれたクロツクサイクル数に基
づいて測定可能である。変更例において、圧電レ
シーバーの出力パルス数は所定クロツクサイクル
に対してカウントされ、カウントされた出力パル
ス数は、振動ビームが振動しているときの周波数
を測定する際、マイクロプロセツサーにより使用
される。本発明のその他の実施例において、セン
サー１０の脚部３３，３４に装置されたプリント
配線板は、測定重量を表示するデイジタル表示装
置を有してもよい。前述のように、振動ビームが
振動するときの周波数は振動ビームに加わるひず
みに比例し、従つて、振動ビームが振動している
きの測定周波数はセンサー上の重量を正確に測定
するために使用可能である。マイクロコンピユー
ター手段は、被測定物が支持手段によつて支持さ
れる際、振動ビームの振動周波数における変化を
測定するのに使用され、前記変化に基づいて重量
を演算する。

本発明の好ましい実施例において、圧電レシー
バーは、振動ビームに関して測定周波数における
前後振動が最大となる最大点に連結されている。
同様に、好ましい実施例における圧電ドライバー
もまた、振動ビームの最大点に連結されることと
なる。図示例において、第５図の力測定装置は各
振動ビームの中心の静止点を有する。第２倍音が
測定周波数としてい使用されていると仮定した場
合、振動静止点は振動ビームの中心および両端部
に現われ、一方、最大振動は各振動ビームの中心
と両静止端部との間の正に真中に現われる。従つ
て、振動ビームが圧電ドライバーによつて第２倍
音周波数で励振されているとき、圧電ドライバー
が振動ビーム上の２つの最大点のうちの１つに設
けられているとした場合、該圧電ドライバーが取
り付けられた振動ビームにおいて最大振動量が誘
導される。一方、振動ビームが特定測定周波数で
振動するように励振され、圧電ドライバーが前記
測定周波数に関する静止点近くに配設されると
き、振動ビームの前後振動は比較的小さいものと
なる。

同様に、圧電レシーバーは、測定周波数として
使用される倍音または上音の波形のピーク点に設
けるのが最適である。前記測定周波数における振
動ビーム上の最大振動点に配設された場合、圧電
レシーバーは大きい前後動のため最も強い出力信
号を発生することとなる。この位置は圧電レシー
バーを配設することの他の利点は、振動ビームが
振動するものの所望の測定周波数に対応しない他
の共振周波数を除去するのに、圧電レシーバーが
役立つということである。例えば、第２倍音が測
定周波数として使用された場合、前記圧電レシー
バーは、振動ビームの全長における４分の１また
は４分の３の点に設けられる。これらの点におい
て、第３倍音周波数で生じるすべての振動の被測
定物が現われ、基本周波数または第１上音におけ
る振動は最大のものとはならない。その結果、圧
電ドライバーおよび圧電レシーバーをこのように
配設することにより、所望の測定周波数以外の周
波数を電子的に除去するのを少なくしておいて、
同一の成果を挙げることができる。

第５図の実施例において、圧電ドライバー４０
は、第１振動ビーム１２上に取り付けられ、圧電
レシーバー４２は、第２振動ビーム４４上に取り
付けられている。しかしながら、センサーの対称
性を考慮に入れた場合、前記ドライバー４０およ
びレシーバー４２の位置は逆であつてもよい。

第７図の実施例においては、長さ38mm、幅２
mm、厚さ0.55mmの１対の振動ビームを有するセン
サーにより、100Kgまでの重さが測定される。こ
の実施例により重量測定装置を前述の寸法で構成
したとき、第２倍音に関する約1.4Kzの測定周波
数を使用してもよい。しかしながら、本発明の作
用は、いかなる特定周波数に限定されず、測定周
波数としていかなる倍音または上音を用いても実
施可能である。振動ビームの静止点に連結された
回転体なしで重量測定装置を構成した場合、測定
周波数は約３〜4Kzである。

図示例において、各重り１３ｂ，１３ｃ，１５
ｂ，１５ｃは、第１図から第３図で示したような
方法で、振子状に振動する。前述のように、回転
体はセンサーの測定周波数を決定する上で重要な
素子となる。このような回転体を設けた結果、第
１、第２振動ビーム間の不調和は削減する。故
に、大幅に向上したＱが達成され、従来の二重端
部付音叉とは異なつて、振動ビームが同じ周波数
で振動するのを確実にするために厳格な製造上の
許容誤差を必要としなくなる。従来の１振動ビー
ムまたは２振動ビーム型装置において、振動ビー
ムの長さ、断面および硬直性が重要となる。しか
し、本発明にあつては、回転体についてのこれら
３つのパラメーターのいずれも重大ではない。

振動ビームにおける静止点に連結されて振子動
する回転体は、単一の振動ビームまたは二重端部
付音叉を用いて組立てられた従来のセンサーに比
べて重大な効果をもたらす。このシステムのＱが
大幅に増加するだけでなく、製造上の許容誤差が
大幅に緩和され、センサーの製造コストも大幅に
低下することができる。しかしながら、１対の振
動ビームを使用した場合、回転体同士をあまりに
も異なつたものにすることができず、また、振動
ビーム同士は互いに独立して振動するものである
が、各々の回転体間の小さい差異は、従来のセン
サーにおける振動ビーム間の差異ほど重大ではな
い。さらに、一対の振動ビームに連結された回転
体は互いに対称的とするのが好ましいが、該回転
体は様々な形状、サイズおよび角度とすることか
できる。同様に、回転体が測定周波数についての
静止点に連結されるかぎり、前記回転体の原理
は、測定周波数として使用されているいかなる倍
音または上音にも適用可能である。回転体が使用
される場合に測定周波数に影響すると思える主要
フアクターは、回転体の重さ、および、回転体と
該回転体が連結された静止点との間の距離であ
る。センサーは適度に広い範囲の許容誤差で良好
な動作を行なうが、これらのパラメーターは最高
のＱを達成できるように調節可能となつている。
実施例では、Ｈ字状の回転体が好ましい。回転体
が振子動しているとき、Ｈ字状の回転体は、空気
に接触する面積が最小となり、故に、センサーに
よるエネルギー損失が減少し、システムのＱが増
加する。また、回転体は、極端に長いものより、
比較的短くて太いものが好ましい。このようにす
ることにより、重量測定装置の測定周波数が、分
離した振動ビームに類似した形状および作用を有
する回転体の特徴的な共振周波数によつて大きく
影響されるという可能性が最小化される。回転体
についてその他の構成は、本発明の目的のうちい
くつかを達成する。例えば、静止点が膨出し、ま
たは、静止点がより重い材料でつくられた振動ビ
ームは、回転体が他の態様で設けられているのと
同一の効果を有する。

本発明の好ましい実施例において、石英などの
もろい材料はセンサーの素子構成には用いられな
い。そのかわり、センサーは適当な金属または合
金でつくられる。比較的高いＱおよび比較的小さ
いクリープ性を有するため、ベリリウム銅が好ま
しい。2014T6等の任意等級のアルミニウムはよ
り高いＱをもたらすがより高いクリープ性を有
し、7075T841の等級のアルミニウムは、より低
いクリープ性を有するが、ベリリウム銅の２〜４
倍高いクリープ性を有する。セラミツク、酸化ア
ルミニウム、軟鋼、ステンレス鋼、または、高張
力鋼などの材料を使用することもできる。このよ
うな材料を使用することにより、センサーは、強
度が高まり、より便利で低コストのものとするこ
とができる。

本発明の好ましい実施例の別の効果としては、
測定される最大荷重を制御するためにセンサーの
サイズを容易に変更できるということである。石
英などのもろい材料に代えて、コストを高くし且
つ数個の移動部品を必要とする複雑なレバーシス
テムを要さずに、支持手段に直接連結可能なより
強固な材料を用いてセンサーを構成することがで
きる。各振動ビームの寸法は、100Kgの重量を支
持可能な第７図のセンサーについて述べた。200
Kgまでの重量を支持するため、各振動ビームの幅
を２mmから４mmに倍増することにより、センサー
は容易に調整される。このようにして、同一の応
力に関して、振動ビームは２倍の重量を支持する
ことができる。しかしながら、同一の測定周波数
を使用することができるように、振動ビームの硬
直性を同一に維持するのが望ましい。振動ビーム
の硬直性は、該ビームの幅に比例する。従つて、
測定可能重量を２倍にできるように振動ビームの
幅を２倍にすることにより、振動ビームの硬直性
も２倍となる。しかしながら、硬直性は振動ビー
ムの長さの３乗に反比例する。故に、同一の測定
周波数を維持するためには、振動ビームの幅を２
倍にした場合であつても、振動ビームの長さの小
さい変化によつて相殺される。また、振動ビーム
は、前述のように長さを変化させるのに代えて厚
みを変化させてもよいが、この場合の硬直性は厚
みの２乗に比例する。このようにして、大きい力
を測定しなければならない場合であつても、力測
定装置は、特別のレバー機構を付加する必要なし
に、振動ビームに簡単な変更を加えることなく構
成される。

振動ビームの静止点に連結される回転体を用い
ることにより、センサーは低コストで容易に製造
可能となる。センサーの構成部品の製造上の許容
誤差が緩和されるため、正確な切断方法は必要で
なくなる。このようにして、センサーは酸化アル
ミニウムやセラミツク等の材料を成形したものと
することができ、または、重量測定装置はプレス
具を用いて金属半加工品から製造できる。好まし
い実施例において、センサーは金属を打ち抜くこ
とによつて成形される。センサー１０がプレス具
を用いて製造されたものである場合、該センサー
１０は焼き入れ加工によつて強度が高められる。
代替案として、センサーを機械加工によつて成形
してもよい。

本発明の好ましい実施例において、振動ビーム
は適当な非圧電材料からつくられ圧電ドライバー
に連結されるが、圧電ドライバーを不要とするよ
うに、圧電振動ビームを用いたものであつてもよ
い。

本発明の他の実施例は第６図に示されており、
この図において、第５図の実施例の構成部材に類
似したものについては同じ参照符号を付す。この
実施例において、取付プレート２４には、印刷配
線板を取付プレートに装着するための脚部が設け
られていない。また、第１長手方向延長部材２２
と第２長手方向延長部材２０とは、90°ではなく
約180°よじられている。これは第１、第２振動ビ
ームに加わる応力の不均衡を最小化するのに役立
つが、この機能は90°のよじりにした場合に比べ
てより効果的に達成される。

第７図から第９図までは力センサー１０の他の
実施例を示す。この好ましい実施例において、力
測定装置は、プレス具を用いて金属半加工品で製
造されており、前述したような効果を達成する。
前記センサー１０は、第８図に示す金属製半加工
品１３０から製造されている。図示例において、
薄い金属シートを用いてセンサー１０を製造して
いる。従つて、半加工品１３０は、ベリリウム銅
を打ち抜いた後製造してもよい。この実施例にお
いて、第１、第２振動ビーム１２，１４の厚み
は、典型的には、約2.25mmの厚みを有する第５，
６図のものよりかなり薄い0.55mmである。このよ
うにして、センサーの製造に用いられる材料のコ
ストが低下し、総コストを増加する必要なしに、
より高いＱを有するより高価な材料を使用するこ
とができる。

第７図で示すように、第１、第２振動ビーム１
２，１４の方向は第５，６図で示した第１、第２
振動ビームに対して直角となつている。各実施例
において、振動ビームの厚みが測定される方向に
振動が生じ、この方向に振動ビームを設けても動
作は変わらない。回転体１３ｂ，１５ｂは、各々
の回転体１３ｃ，１５ｃに対して平行であるとと
もに離隔しており、各々の振動ビームの平面に対
して直角となつている。この力センサーは第５，
６図に示した実施例のものと同様な性能を有す
る。回転体により、許容誤差が緩和される。例え
ば、突出部１３ｂ，１３ｃがアーム部材１３ａに
対して折曲されている箇所において回転体間にわ
ずかの不均衡があつたとしても、センサーの性能
には大きな影響は出ない。前記突出部１３ｂ，１
３ｃ，１５ｂ，１５ｃは、振子状に回転している
時の空気抵抗が最小となるように設けられてい
る。

前記回転体は、様々な形状にすることができ、
様々な方法で振動ビーム上の静止点に連結可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は、１つの静止点に連結され
た１つの回転体を有する振動ビームを示す図、第
４図は、１対の静止点に連結された１対の回転体
を有する振動ビームを示す図、第５図は、本発明
の１実施例の斜視図、第６図は、本発明の他の実
施例の斜視図、第７図は、さらに他の実施例の斜
視図、第８図は、第７図の実施例を製造するため
の金属製半加工品を示す平面図、第９図は、第７
図で示す実施例の回転体を示す端面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定周波数において前後最大振動を生ずる第
   １及び第２端部静止点間に位置する部分を有し、
   更に測定周波数において前後振動を生じない第１
   及び第２端部静止点間に内部静止点を有し、更に
   又前記第１及び第２端部静止点がそれぞれ隣接す
   る第１及び第２端部を有する振動ビームと、 被測定物を支持する支持手段と、 前記振動ビームが振動するときの測定周波数を
   決定する応力を振動ビームに加えるために、振動
   ビームの第１端部を前記支持手段に連結する手段
   と、 振動ビームの前記内部静止点に連結されて前記
   測定周波数で回転する回転体とから成ることを特
   徴とする力測定装置。 ２ 各ビームの第１及び第２端部に連結されて音
   叉を形成し、測定周波数で前後振動する部分と該
   測定周波数で前後振動しない静止点を有する１対
   の平行に配された振動ビームと、 被測定物を支持する支持手段と、 前記振動ビームが振動するときの測定周波数を
   決定する応力を振動ビームに加えるために、振動
   ビームの第１端部を前記支持手段に連結する手段
   と、 各振動ビームの前記静止点に連結されて前記測
   定周波数で回転する回転体とから成ることを特徴
   とする力測定装置。 ３ 前記振動ビームの第２端部に取り付けられた
   取付手段を有することを特徴とする請求の範囲第
   １項記載の装置。 ４ 第１、第２振動ビームの第２端部に取り付け
   られた取付手段を有することを特徴とする請求の
   範囲第２項記載の装置。 ５ 前記振動ビームの第１端部を連結するため各
   振動ビームに設けられた第１端部と、前記振動ビ
   ームの第２端部を連結するため各振動ビームに設
   けられた第２端部とを有することを特徴とする請
   求の範囲第２項記載の装置。 ６ 各端部が、該端部の振動を消すために内方突
   出する突出部を有することを特徴とする請求の範
   囲第５項記載の装置。 ７ 重量測定装置用の取付手段と、第１、第２振
   動ビームの減衰を最小化するために前記第２端部
   を前記取付手段に連結するための手段とを有する
   ことを特徴とする請求の範囲第５項記載の装置。 ８ 第１、第２振動ビームの第１端部を支持手段
   に連結するための手段が前記支持手段を前記第１
   端部に直接連結していることを特徴とする請求の
   範囲第５項記載の装置。 ９ 前記支持手段に連結するための手段が、前記
   第１、第２振動ビームに略同一の応力を加えるた
   めによじられた延長部を有することを特徴とする
   請求の範囲第８項記載の装置。 １０ 前記延長部が約90°よじられていることを
   特徴とする請求の範囲第９項記載の装置。 １１ 前記第２端部を前記取付手段に連結するた
   めの手段が、第１、第２振動ビームに略同一の応
   力を加えるためによじられていることを特徴とす
   る請求の範囲第７項記載の装置。 １２ 前記延長部が約90°よじられていることを
   特徴とする請求の範囲第１１項記載の装置。 １３ 前記振動ビームに連結されて、該振動ビー
   ムが前後振動するときの測定周波数で出力信号を
   発する圧電レシーバーを有することを特徴とする
   請求の範囲第１項記載の装置。 １４ 一方の振動ビームに連結されて、該一方の
   振動ビームが前後振動するときの測定周波数で出
   力信号を発する圧電レシーバーを有することを特
   徴とする請求の範囲第２項記載の装置。 １５ 振動ビームが非圧電材料製であり、振動ビ
   ームに連結されて、入力信号により振動する圧電
   ドライバーを有することを特徴とする請求の範囲
   第１３項記載の装置。 １６ 第１、第２振動ビームが非圧電材料製であ
   り、一方の振動ビームに連結されて、入力信号に
   より振動する圧電ドライバーを有することを特徴
   とする請求の範囲第１４項記載の装置。 １７ 圧電レシーバーは、一方の振動ビームにお
   ける前記測定周波数での前後振動が最大となる最
   大点に連結されていることを特徴とする請求の範
   囲第１４項記載の装置。 １８ 圧電ドライバーは、一方の振動ビームにお
   ける前記測定周波数での前後振動が最大となる最
   大点に連結されていることを特徴とする請求の範
   囲第１６項記載の装置。 １９ 圧電レシーバーは、他方の振動ビームにお
   ける前記測定周波数での前後振動が最大となる最
   大点に連結されていることを特徴とする請求の範
   囲第１７項記載の装置。 ２０ 前記圧電レシーバーに連結されていて、前
   記出力信号に呼応して重量を測定するマイクロコ
   ンピユーター手段を有することを特徴とする請求
   の範囲第１３項記載の装置。 ２１ 前記圧電レシーバーに連結されていて、前
   記出力信号に呼応して重量を測定するマイクロコ
   ンピユーター手段を有することを特徴とする請求
   の範囲第１４項記載の装置。 ２２ 前記１対の平行した振動ビーム、支持手
   段、前記支持手段に連結するための手段、および
   回転体が、プレス具を用いて金属製半加工品から
   つくられていることを特徴とする請求の範囲第１
   ６項記載の装置。 ２３ 前記１対の平行した振動ビーム、支持手
   段、前記支持手段に連結するための手段、および
   回転体がベリリウム銅からなることを特徴とする
   請求の範囲第１６項記載の装置。 ２４ 前記１対の平行した振動ビーム、前記支持
   手段及び前記支持手段に連結するための手段がベ
   リリウム鋼から形成されたことを特徴とする請求
   の範囲第１６項記載の装置。 ２５ 前記振動ビーム、前記支持手段、前記支持
   手段に連結するための手段および前記回転体がベ
   リリウム鋼から形成されたことを特徴とする請求
   の範囲第１５項記載の装置。 ２６ 前記振動ビーム、前記支持手段および前記
   支持手段に連結するための手段がベリリウム鋼か
   ら形成されたことを特徴とする請求の範囲第１５
   項記載の装置。 ２７ 前記１対の平行した振動ビーム、前記支持
   手段および前記支持手段に連結するための手段が
   金属プレス加工によりつくられていることを特徴
   とする請求の範囲第１６項記載の装置。 ２８ 前記振動ビーム、前記支持手段、前記支持
   手段に連結するための手段および前記回転体が金
   属プレス加工によりつくられていることを特徴と
   する請求の範囲第１５項記載の装置。 ２９ 前記振動ビーム、前記支持手段および前記
   支持手段に連結するための手段が金属プレス加工
   によりつくられていることを特徴とする請求の範
   囲第１５項記載の装置。 ３０ 圧電レシーバーが一方の振動ビームにおけ
   る前記測定周波数での前後振動が最大となる最大
   点に連結されていることを特徴とする請求の範囲
   第１６項記載の装置。 ３１ 圧電レシーバーが前記振動ビームにおける
   前記測定周波数での前後振動が最大となる最大点
   に連結されていることを特徴とする請求の範囲第
   １５項記載の装置。 ３２ 圧電レシーバーが前記振動ビームにおける
   前記測定周波数での前後振動が最大となる最大点
   に連結されていることを特徴とする請求の範囲第
   １３項記載の装置。 ３３ 圧電ドライバーが前記振動ビームにおける
   前記測定周波数での前後振動が最大となる最大点
   に連結されていることを特徴とする請求の範囲第
   １３項記載の装置。 ３４ 圧電ドライバーが前記振動ビームにおける
   前記測定周波数での前後振動が最大となる最大点
   に連結されていることを特徴とする請求の範囲第
   １５項記載の装置。 ３５ 前記１対の平行した振動ビーム、前記支持
   手段および前記支持手段に連結するための手段が
   鋳造により形成されていることを特徴とする請求
   の範囲第１６項記載の装置。 ３６ 前記１対の平行した振動ビーム、前記支持
   手段、前記支持手段に連結するための手段および
   前記回転体が鋳造により形成されていることを特
   徴とする請求の範囲第１６項記載の装置。 ３７ 前記振動ビーム、前記支持手段、前記支持
   手段に連結するための手段および前記回転体が鋳
   造により形成されていることを特徴とする請求の
   範囲第１５項記載の装置。 ３８ 前記振動ビーム、前記支持手段および前記
   支持手段に連結するための手段が鋳造により形成
   されていることを特徴とする請求の範囲第１５項
   記載の装置。 ３９ 前記１対の平行した振動ビーム、前記支持
   手段および前記支持手段に連結するための手段が
   酸化アルミニウムから形成されていることを特徴
   とする請求の範囲第１６項記載の装置。 ４０ 前記１対の平行した振動ビーム、前記支持
   手段、前記支持手段に連結するめたの手段および
   前記回転体がか酸化アルミニウムから形成されて
   いることを特徴とする請求の範囲第１６項記載の
   装置。 ４１ 前記振動ビーム、前記支持手段、前記支持
   手段に連結するための手段および前記回転体が酸
   化アルミニウムから形成されていることを特徴と
   する請求の範囲第１５項記載の装置。 ４２ 前記振動ビーム、前記支持手段および前記
   支持手段に連結するするための手段が酸化アルミ
   ニウムから形成されていることを特徴とする請求
   の範囲第１５項記載の装置。 ４３ 前記１対の平行した振動ビーム、前記支持
   手段および前記支持手段に連結するための手段が
   圧電材料から形成されていることを特徴とする請
   求の範囲第１６項記載の装置。 ４４ 前記１対の平行した振動ビーム、前記支持
   手段、前記支持手段に連結するための手段および
   前記回転手段が圧電材料から形成されていること
   を特徴とする請求の範囲第１６項記載の装置。 ４５ 前記振動ビーム、前記支持手段、前記支持
   手段に連結するための手段および前記回転体が圧
   電材料から形成されていることを特徴とする請求
   の範囲第１５項記載の装置。 ４６ 前記振動ビーム、前記支持手段および前記
   支持手段に連結するための手段が圧電材料から形
   成されていることを特徴とする請求の範囲第１５
   項記載の装置。 ４７ 各歯部の第１及び第２端部に連結されて音
   叉を形成し、測定周波数で前後振動する部分と該
   測定周波数で前後振動しない静止点を有する１対
   の平行に配された振動歯部と、 被測定物を支持する支持手段と、 前記振動歯部が振動するときの測定周波数を決
   定する応力を振動歯部に加えるために、振動歯部
   の第１端部を前記支持手段に連結する手段と、 各振動歯部の前記静止点に連結されて前記測定
   周波数で回転する回転体とから成ることを特徴と
   する力測定装置。 ４８ 測定周波数において前後最大振動を生ずる
   第１及び第２端部静止点間に位置する部分を有
   し、更に測定周波数において前後振動を生じない
   第１及び第２端部静止点間に内部静止点を有し、
   更に又前記第１及び第２端部静止点がそれぞれ隣
   接する第１及び第２端部を有する振動線状エレメ
   ントと、 被測定物を支持する支持手段と、 前記振動線状エレメントが振動するときの測定
   周波数を決定する応力を振動線状エレメントに加
   えるために、振動線状エレメントの第１端部を前
   記支持手段に連結する手段と、 振動線状エレメントの前記内部静止点に連結さ
   れて前記測定周波数で回転する回転体とから成る
   ことを特徴とする力測定装置。 ４９ 測定周波数で前後運動し、各ビームの第１
   及び第２端部に連結されて音叉を形成し、各ビー
   ムは測定周波数において前後最大振動を生ずる第
   １及び第２端部静止点間に位置する部分を有し、
   更に又前記第１及び第２端部静止点がそれぞれ隣
   接する第１及び第２端部を有する一対の平行に配
   された振動ビームと被測定物を支持する支持手段
   と、 前記振動ビームが振動するときの測定周波数を
   決定する応力を振動ビームに加えるために、振動
   ビームの第１端部を前記支持手段に連結する手段
   と、前記第１及び第２端部静止点間で１つの前記
   振動ビームの中央に連結された第１回転体と、 前記第１及び第２端部静止点間でもう１つの前
   記振動ビームの中央に連結された第２回転体から
   なることを特徴とする力測定装置。 ５０ 測定周波数で前後運動し、各ビームの第１
   及び第２端部に連結されて音叉を形成する平面を
   有し、各ビームは測定周波数において前後最大振
   動を生ずる第１及び第２端部静止点間に位置する
   部分を有し、更に又前記第１及び第２端部静止点
   がそれぞれ隣接する第１及び第２端部を有しビー
   ムの平面は平行に配され互いに向き合つている一
   対の振動ビームと、被測定物を支持する支持手段
   と、 前記振動ビームが振動するときの測定周波数を
   決定する応力を振動ビームに加えるために、振動
   ビームの第１端部を前記支持手段に連結する手段
   と、前記第１及び第２端部静止点間で１つの前記
   振動ビームの中央に連結された第１回転体と、 前記第１及び第２端部静止点間でもう１つの前
   記振動ビームの中央に連結された第２回転体から
   なることを特徴とする力測定装置。 ５１ 測定周波数で前後運動し、各ビームの第１
   及び第２端部に連結されて音叉を形成する平面を
   有し、各ビームは測定周波数において前後最大振
   動を生ずる第１及び第２端部静止点間に位置する
   部分を有し、更に又前記第１及び第２端部静止点
   がそれぞれ隣接する第１及び第２端部を有する一
   対の振動ビームが金属加工により製せられ、平行
   に且つ互いに向き合うように一対の振動ビームの
   平面が配向され、被測定物を支持する支持手段が
   金属加工により製せられ、前記振動ビームが振動
   するときの測定周波数を決定する応力を振動ビー
   ムに加えるために、振動ビームの第１端部を前記
   支持手段に連結する手段が金属加工により製せら
   れ前記第１及び第２端部静止点間で１つの前記振
   動ビームの中央に連結された第１回転体が金属加
   工により製せられ前記及び第２端部静止点間でも
   う１つの前記振動ビームの中央に連結された第２
   回転体が金属加工により製せられることを特徴と
   する力測定装置製造方法。 ５２ 測定周波数で前後運動し、各ビームの第１
   及び第２端部に連結されて音叉を形成する平面を
   有し、各ビームは測定周波数において前後最大振
   動を生ずる第１及び第２端部静止点間に位置する
   部分を有し、更に又前記第１及び第２端部静止点
   がそれぞれ隣接する第１及び第２端部を有する一
   対の振動ビームが金属加工により製せられ、平行
   に且つ互いに向き合い金属面に対し90度になるよ
   う一対の振動ビームの平面が配向され、被測定物
   を支持する支持手段が金属加工により製せられ、
   前記振動ビームが振動するときの測定周波数を決
   定する応力を振動ビームに加えるために、振動ビ
   ームの第１端部を前記支持手段に連結する手段が
   金属加工により製せられ前記第１及び第２端部静
   止点間で１つの前記振動ビームの中央に連結され
   た第１回転体が金属加工により製せられ前記第１
   及び第２端部静止点間でもう１つの前記振動ビー
   ムの中央に連結された第２回転体が金属加工によ
   り製せられることを特徴とする力測定装置製造方
   法。