JPS595852B2 - ストレンゲ−ジのための起歪素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ストレインゲージによって歪を測定し、これ
を変換器として歪の発生源である力を測定する場合に、
精度のよい歪を発生させるためのストレインゲージ用起
歪素子に関する。

ストレインゲージは文字通り歪を検出するためのもので
あるが、工業的には歪を発生させている力を、これによ
って測定する変換器としての用途が高い。

この場合は歪を発生させる起歪素子が高精度の変換器を
製作する上で重要な要素となる。

高精度である条件には、力と歪との関係に於いて高精度
であることは勿論、ストレインゲージで検出し易い歪の
分布が得られ、各種のストレインゲージと相性がよいこ
とが挙げられる。

従来の一般的な起歪素子として、第１図にカンチレバー
の例を示す。

カンチレバーａは一端を固定した片持ちバーで、自由端
に力（矢印）を加えることで、その作用点側の面すに引
張り歪、反対側面Ｃに圧縮歪が発生する。

基端からの距離が等しい位置での両面す。Ｃの歪の大き
さは等しい。

従って基端からの距離の等しい位置の両面に形成したス
トレインゲージに加わる歪も大きさが等しく符合が逆と
なる。

ところで一般的にストレインゲージによる変換器では、
温度誤差を少くシ、変換率を高くするために、ストレイ
ンゲージ４枚を使用してホイートストンブリッジに構成
する（第３図）。

この場合ストレインゲージに加わる歪の大きさは全て等
しいこと、および隣合うストレインゲージは互に符合が
反対であることが必要である。

即ち、第３図でｄとｅが引張り歪ならｆとｇが圧縮歪と
する。

その反対でも勿論よい。

カンチレバーでは基端からの距離が等しい表裏の二点で
の歪は等しく符合のみが逆となっているので、ｄとｅ、
ｆとｇのそれぞれ一対のストレインゲージを表裏等距離
位置に並夕１ルて形成させれば、ホイートストンブリッ
ジの条件に合致する。

こうしてカンチレバーは構造が簡単でもあるので、変換
器の起歪素子として広く使用されていた。

しかし、このカンチレバーも金属ストレインゲージの貼
付による一般的な使用方法では大した問題が起らなかっ
たが、真空蒸着その他の薄膜生成技術によるストレイン
ゲージを直接的に起歪素子に形成させる新しい方法では
不都合を生じた。

先ず第１に、ストレインゲージ形成面が表裏二面別れて
いるため、薄膜生成技術を用いて直接的に被着させる場
合、例えば蒸着する場合、表裏二面同時に処理すること
が困難という問題がある。

被着処理を片面づつ行うことになり、表裏二部のストレ
インゲージの品質が勢い均一性を欠くことになる。

また作業も途中でカンチレバーを裏返す必要があり、生
産性が悪くなる。

第２の問題点として、カンチレバーの表裏の歪みが全面
に分布していることがあげられる。

カンチレバーａの歪分布を第２図に示す。

ｈは引張り歪、ｉは圧縮歪である。

また薄膜生成技術によって生成されるストレインゲージ
の一例を示すと第４図の通りで、ｊはストレインゲージ
本体、ｋ。

ｌは電導性の良い材料で作られる電極、ｍ、ｎは引出線
である。

このストレインゲージをカンチレバーａ上に形成すると
、第２図示の如き歪分布により、電極に、１部分にも不
要な歪が加わることになる。

この種ストレインゲージでは電極部分の歪を好まない。

従ってカンチレバーはこの種ストレインゲージには不適
当である。

本発明は、上記のような問題点に鑑み、互に符合の相反
して大きさの等しい歪を一つの面上に生起させ、かつ歪
の分布が局部的に表われる薄膜生成技術によるストレイ
ンゲージに対して理想的な起歪素子を提供する。

以下図に就いて詳しく説明する。

第５図において、本発明の起歪素子は、本体１が四角柱
をなし、その一面に、長手方向に直角で、断面Ｕ字状の
切り込み２を有するものである。

この起歪素子の一端３を固定し、他端４を矢印方向に捻
ると、切り込み２の反対側面５に、第６図ｔこ示すよう
な応力が発生する。

すなわち、他端４は測定物に力が生じるとその力によっ
て回転され、これにより前記切り込み形成部分が捻られ
るようになっている。

たとえば第８図に示すように他端４近傍の側面から突起
Ｐを突出せしめ、この突起Ｐに測定物からの力Ｆを伝達
せしめたり、突起Ｐを設けることなく角柱の切込口側に
偏らせた位置に力Ｆを加えるようにする。

このようにすれば切り込み２の細くなった部分に捻り力
が作用し、第６図に示すような応力が発生するのである
。

実線で示したのは引張りの主応力線、破線で示したのは
圧縮の主応力線である。

弾性限界内であれば応力と歪は比例し、歪はこれらの主
応力線と垂直方向に、主応力線の間隔と反比例する大き
さで発生している。

即ち両端部分に大きな歪が発生する。これらの歪は切り
込み２が面５上に垂直に投影する矩形１０の中心点１１
から等距離にある部分６゜７．８，９に於いて、大きさ
が等しい。

従って投影面の４隅部分６，７，８，９に４つのストレ
インゲージ１２，１３，１４，１５を形成しく第７図）
、ホイートストンブリッジを構成することができる。

１６，１７，１８，１９および２０゜２１．２２，２３
はストレインゲージ１２，１３゜１４．１５のそれぞれ
の電極部分を示す。

このように各型は部分６，７，８，９に集中的に発生し
、こメに形成されたストレインゲージ１２．１３，１４
，１５に与えられる歪も中央部分に集中する。

内側の電極部分１６，１７，１８゜１９では全く歪が与
えられず、外側の電極部分２０．２１，２２，２３に於
いても僅かな歪が生ずるだけであり、電極部分に歪の生
ずるのを極度に嫌う薄膜生成技術によるストレインゲー
ジにとって理想的な歪分布となる。

またストレインゲージの形成が全て同一平面にあるので
、真空蒸着などの薄膜生成を直接的に行う場合、製作が
容易であると共に４つとも均一な品質とすることができ
精度が高い。

なお、上述の実症例では、投影面の４隅部分にストレイ
ンゲージを形成しているが、圧縮応力と引張応力が加わ
る部分、たとえば、部分６，８あるいは部分９，７のよ
うに対になった部分にストレインゲージを形成しこれら
両ストレインゲージ間にホイートストンブリッジ以外の
他の回路を形成することも可能である。

構造上も四角柱の一面にＵ字状の切り込みを設けただけ
の簡単なものであり、ストレインゲージを用いた力測定
の変換器として使用し易く、精度が高く、広い分野への
応用が期待できる特徴ある起歪素子である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来から一般的に用いられている起歪素子カン
チレバーの側面図、第２図はカンチレバーの歪分布図、
第３図は変換器のストレインゲージ配線図、第４図は起
歪素子へ直接ストレインゲージを形成する場合のゲージ
形状の一例を示し、第５図は本発明起歪素子の一実施例
を示す斜視図、第６図は第５図起歪素子の主応力線図、
第７図は同起歪素子上のストレインゲージ構成図、第８
図は起歪素子に測定物からの力を加えるときの状態説明
図である。 １・・・・・・本体、２・・・・・・切り込み、１２，
１３゜１４．１５・・・・・・ストレインゲージ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 四角柱の一部に四角柱の長手方向と直交する方向に
   その一側面側から反対側の側面に向って切り込みを設け
   、この切り込みが前記反対側の側面に投影する投影面の
   少くとも２つの隅近傍にストレインゲージを形成し、前
   記四角柱の長手方向における一端は固定され、その他端
   は、測定物に測定しようとする力が生じたときに、その
   力によって回転され、これにより切り込み形成部分に捻
   り力が発生されるようになっていることを特徴とするス
   トレインゲージ用起歪素子。