JPS6010122A - 荷重変換機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発咀は、音叉振動子を支えると共に、この音叉振動子
を一体構造に製作した荷重変換機構に関するものである
。

音叉振動子に引張り力又は圧縮荷重を加えたときに、そ
の固有振動数が変化する現象を荷重測定に利用すること
については従来から種々研究されており例えば特開昭５
４−１３３３９０号公報、特開昭５５−５１３２９号公
報などに開示されている。この音叉振動子を用いた場合
に、測定すべき荷重が正しくその軸方向に加えられれば
確かに良好な測定結果を得ることができる。しかし、音
叉振動子に捩れや曲げ応力が作用するとか、軸に直角方
向の望ましくない力が加わったような場合には、様々の
測定誤差を生じ実用上の障害になっている。また、音叉
振動子を測定機構、例えば秤に組付けるに際し、組付は
作業の差異により音叉振動子に影響する好ましくない諸
内部応力が、個々に異なるために特性が不揃いになる上
、ヒステリシスやクリープを生じ分解能が低下するなど
の現象が起る。また、機構各部の熱膨張差などに起因し
て周囲温度の変化により温度誤差が発生し易い。

、本発明の目的は、音叉振動子を用いた荷重変換機構に
おける上述の欠点をことごとく改善すると共に、組立工
数を大幅に削減し、頗る簡単な構成により均一でしかも
振動特性の極めて優れた高精度の荷重変換機構を提供す
ることにあり、その要旨は、中心軸に対称かつ平行して
設けた２枚の長板状振動片と、これらの両端部同志をそ
れぞれ結合する２個の結合部とから成り、軸方向に加え
られた荷重に応じて固有振動数が変化するように構成し
た音叉振動子を荷重変換素子とし、該荷重変換素子の軸
方向の片側は薄板状支持片を介して、支点に支持された
てこ部の一部に取り付けて力点とし、前記荷重変換素子
の他の側は他の薄板状支持片を介して基部に取り付け、
前記てこ部の一部に設けた重点を薄板状引張片を介して
荷重受部に接続し、該荷重受部に加えられた測定用引張
荷重が°てこ部を介して前記荷重変換素子に加えられる
ようにすると共に、これら全体の機構を同一部材から一
体構造として作り出したことを特徴とするものである。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図は荷重変換機構の基本的な構造を示すものであり
、音叉振動子ｌは中心軸に対称にかつ軸に平行した２枚
の長板状振動片１ａ、ｌｂと、振動片１ａ、ｌｂの両端
部同志をそれぞれ結ぶコ字形結合部２ａ、２ｂと、これ
らの振動部を軸方向の両側で支持する薄板状支持片３ａ
、３ｂとにより構成されている。なお従来においては、
このような音叉振動子１は単体として製作されていた。

持続振動発生のためには、音叉振動子ｌの片側の例えば
結合部２ｂの両側面に第１、第２の圧電素子４ａ、４ｂ
を接着や蒸着により取り付け、外部に設置した増幅器５
の出力部と入力部とにそれぞれ接続することにより、第
１の圧電素子４ａを励振用、第２の圧電素子４ｂをピッ
クアップ用として動作させ、増幅器５の利得や周波数特
性を適切に選択すると、長板状振動片１ａ、ｌｂは音叉
振動子１に加えられた荷重に対応した固有周波数で対称
的に振動するので、周波数カウンタ６により荷重値を表
示することができる。

本発明においては、この音叉振動子１を単体として製作
するのではなく、てこ部１０や基部１１などと共に同一
部材から一体構造に作り出して荷重変換機構が構成され
ている。音叉振動子１の軸方向の片側は薄板状支持片３
ａを介してこ部ｌＯの一端に接続されて力点１２が構成
され、音叉振動子１の他の側は支持片３ｂを介して基部
１１に取り付けられている。てこ部１０は基部１１に連
なる肉薄状の支点１３に支えられており、力点１２と反
対側の他端に設けられた重点１４には薄板状引張片１５
を介して荷重受部１６が吊設されている。この荷重受部
１６に加えられた測定用引張荷重Ｆは、てこ部１０を介
して音叉振動子ｌを引張るようになっている。

てこ部１０のてこ比ａ：ｂは、使用目的に応じ任意に選
定できるが、５ｋｇｒ以下の小荷重を測定するような場
合にはａ＜ｂに選ぶのが実用的である。基部１１の取付
穴１７．１８は本機構を図示しない筐体などに固定する
ためのものであり、−線で示した荷重受部１６のフック
１９は、荷重を本機構に伝える場合に必要に応じて補助
的に使用するものである。また、てこ部１０の力点１２
及び重点１４付近には、基部１１からの突出部２０．２
工が設けられ、てこ部１０との間に微少な隙間を保持す
るようになっている。

このように構成した本実施例においては、測定すべき引
張荷重Ｆが荷重受部１６に加えられると、てこ部ｌＯを
介してｂ　／　ａの倍率で、即ち（ｂ／ａ）Ｆの張力が
音叉振動子ｌに作用し、周波数カウンタ６に表示された
振動周波数により荷重Ｆを知ることができる。この際に
、荷重受部１６に加わる力Ｆが音叉振動子１の中心軸に
平行で引張片１５の中心線に沿った理想的な状態でない
場合、或いは測定荷重Ｆ以外の妨害的な力が機構の各部
に加えられた場合においても、本実施例の機構では音叉
振動子１を破損することなく、また発振状態を悪化させ
ることがないなと゛の優れた特長を有する。

例えば、測定荷重Ｆが音叉振動子１の軸線に平行せずに
機構の素材面に平行なＸ方向の分力を有する力Ｆ′とし
て荷重受部１６に加えられると、てこ部１０にも長手方
向、即ちＸ方向の分力が作用するものの、この力は支点
１３に若干の剪断応力として加えられるだけで、てこ部
１０はその長手方向に殆ど変位しないので、音叉振動子
１に影響を与えてその発振状態を変化させるようなこと
はない。荷重Ｆが音叉軸に平行な鉛直方向以外に回転力
、即ち捩りの偶力を有する場合については薄板状引張片
１５により殆ど吸収され、音叉振動子１には影響が及ば
ない。

素材面に直角なＹ方向の分力を荷重Ｆが含む場合には、
支点軸Ｚの周りに偶力Ｍを生ずる。その際に支点１３の
Ｘ方向の幅や奥行き、つまり、素材のＹ方向の厚さなど
によりその影響度が異なるものの、支点１３のＺ軸に関
する回転軸抗力により少なくとも音叉振動子１が直接こ
のようなＹ方向の分力を受ける場合に比較すれば、著し
くその影響が軽減される。また、木、実施例の機構外と
して補助的に設けたフック１９の荷重受部１６に対する
取付方法を工夫することにより、若干の改善を図ること
もできる。

次に、測定範囲以上の過大な荷重が加えられた場合の安
全作用について説明する。引張荷重が過大な場合、適切
な設計条件では主としててこ部１０の弾性的な弯曲によ
り、重点１４の近辺においててこ部１０が微少間隔で対
向した基部１１の突出部２１に先ず接触するために、必
要以上の荷重は全てこの部分で受止められて音叉振動子
１に過大な張力が加わることが防止される。過大な圧縮
荷重や変位が荷重受部１６に加えられた場合には、薄板
状引張片１５が容易に撓むことにより、てこ部１０や音
叉振動子ｌにはその力や変位が伝達されず、音叉振動子
ｌは勿論安全である。万一、誤操作や輸送時の衝撃等に
より、てこ部１０を介して音叉振動子１に過大な圧縮荷
重が加えられようとしたような場合でも、力点１２の近
傍において微少間隔を隔てた基部１１の突出部２０にて
こ部１０が先ず接触するので、それ以上の過大な圧縮荷
重が音叉振動子１に加わることはない。

このように一体構造とした荷重変換機構を実際に製作す
るには、種々の工作方法を採用し得るが、最も実用的な
方法としてはワイヤカット放電加工機により板材から切
り抜く方法が推奨できる。この場合に、圧電素子４ａ、
４ｂを除き全くの単一工程で同一板材から製作できるた
め、機構的な組立作業は圧電素子４ａ、４ｂの取付以外
に不要であり、工程が極めて単純な上に組立作業の個々
の差異による特性のばらつきや組立時に各部に発生し得
る内部歪などが一切存在しない。従って、荷重測定に際
しヒステリシスやクリープを生ずることがなく、全て均
一な特性を備えた上、分解能が極めて高いという理想的
な荷重変換機構が得られる。実際には、素材として恒弾
性重合金の板材を用い、加工後に全機構を熱処理するの
が通例なので機械加工による内部歪も全て除去され、全
体が同一材質により形成されていることから機構各部の
熱膨張率も同一であり、例えば温度が変化してもてこ比
のｂ　／　ａは常に一定比率を保つため、温度誤差も殆
ど発生しないという極めて優れた特性を兼備している。

第２図は第２の実施例を示すものであり、第１図と異な
る点はてこ部１０と基部１１が支点１３以外に、重点１
４付近で一体に形成されたばね係数の小さい偏平で環状
の圧縮ばね２２により連結されていることである。

音叉振動子ｌに例えば引張荷重５ｋｇＦを加えた場合の
伸びは約０．０１ｍｍと微少であるから、ばね係数は５
００　ｋｇｆ／ｍｍと極めて大きく、反対に圧縮ばね２
２のばね係数をできるだけ小さく、例えば５　ｋｇｆ／
ｍｍに選定することは極めて容易である。

このような条件下では、測定荷重Ｆの１％前後の微量な
力が圧縮ばね２２で吸収されるだけで殆ど全部が音叉振
動子１に伝達され、測定上例等の支障を生ずることはな
い。

一方、荷重Ｆが音叉軸に平行していない場合、特にＹ方
向の分力を含むとか、てこ部ｌＯに不本意なＹ方向の力
が加わってＺ軸の周りにモーメントＭを発生するような
場合には、圧縮ばね２２にＹ方向の剪断力が働くものの
、第２図から容易に理解できるように、Ｙ方向の力に対
する圧縮ばね２２の抗力は極めて強いから、てこ部ｌＯ
はＺ軸の周りに捩られることなく音叉振動子ｌに悪影響
が及ぶことはない。このように第２図の構成によれば、
音叉軸に平行な力だけが正確に音叉振動子１に伝達され
、その他の測定上好ましくない分力や望ましくない妨害
的な力は全て排除されて音叉振動子１には伝達されない
から、条件の悪い場合でも常に高精度の測定が可能とな
る。なお、圧縮ばね２２の中央部において、上半部２２
ａと下半部２２ｂとの間隔を微少に形成しておけば、大
きな荷重が加えられた場合にはこれらの上半分２２ａと
下半分２２ｂとが先ず接触して、音叉振動子ｌに無理が
及ばないという安全装置を兼ねさせることができる。

第３図は本発明の第３の実施例を示し、第１図、第２図
の実施例と異なる点は、支点１３が重点１４と力点１２
との中間ではなく外側に設けられていると共に、荷重受
部１６は引張片１５を介して上方に設けられ、荷重は上
方に吊り上げるようにされていることである。これらは
本質的な問題ではなく、このような変形は本発明の趣旨
を変えない範囲内で他にも種々形成できる。また、てこ
部１０と基部１１との間に圧縮ばね２３が設けられ、こ
のばね２３の効用は、第２図の場合と全く同一である。

この圧縮ばね２３は偏平環状の代りにＵ字状に形成され
ているが、要はばね係数が小さく剪断に対する効力が大
きければよいので、Ｓ字状その他の適宜の形状のものも
採用することができる。

第４図は望ましくない方向の荷重や外力に対し、第１図
の基本構成よりも抵抗力を強め誤差要因を少なくした第
３の実施例である。容易に撓み得るフレクシャ２４ａ、
２４ｂを両端に設けたリンク２４と、同様のフレクシャ
２５ａ、２５ｂを両端に設けたリンク２５は相互に平行
にかつてこ部１０と平行に配置されており、それぞれの
片側は基部１１に、他側は荷重受部１６に連なる連結棒
２６に接続されている。

この実施例では、荷重受部１６は連結棒２６と一体の剛
体であるので、変位が小さい範囲ではリンク２４．２５
の長手方向に直角、即ち音叉振動子ｌの軸に平行な方向
以外には運動が許されない。そのために測定荷重として
Ｆ′のようにＸ方向の分力を有する斜めの力が加えられ
た場合でも、Ｘ方向の分力は全てリンク２４．２５によ
り受け止められ、薄板状引張片１５や音叉振動子１には
影響が及ぶことはない。捩りの偶力が荷重受部１６に加
えられた場合にも同様にリンク２４．２５、連結棒２６
によるリンク機構で受け止められ、音叉振動子ｌに悪影
響を及ぼすことはない。

なお、荷重受部１６の一端に突起２７を設けて基部１０
との間隔を微少にしておけば、過大な引張荷重が加えら
れたときにストー／パとして機能させることができる。

以上説明したように本発明に係る荷重変換機構は、音叉
振動子をこれを支える基部やてこ部と共に一体構造とし
て、測定荷重以外の妨害的な外力の影響を除去すること
ができ、良好な測定精度が保証される。また、一体構造
として製作するので組立作業を殆ど必要としない利点も
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図はそれぞれ本発明に係
る荷重変換機構の実施例を示す構成図である。 符号１は音叉振動子、１ａ、１ｂは振動片、２ａ、２ｂ
は結合部、３ａ、３ｂは支持片、４ａ、４ｂは圧電素子
、１０はてこ部、１１は基部、１２は力点、１３は支点
、１４は重点、１５は引張片、１６は荷重受部、２０．
２１は突出部、２２．２３は圧縮ばね、２４．２５はリ
ンク、２６は連結棒である。 第２図 ｆｓ３図 ↑ 第４ｒＩＪ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　中心軸に対称かつ平行して設けた２枚の長板状振
   動片と、これらの両端部同志をそれぞれ結合する２個の
   結合部とから成り、軸方向に加えられた荷重に応じて固
   有振動数が変化するように構成した音叉振動子を荷重変
   換素子とし、該荷重変換素子の軸方向の片側は薄板状支
   持片を介して、支点に支持されたてこ部の一部に取り付
   けて力点とし、前記荷重変換素子の他の側は他の薄板状
   支持片を介して基部に取り付け、前記でこ部の一部に設
   けた重点を薄板状引張片を介して荷重受部に接続し、該
   荷重受部に加えられた測定用引張荷重がてこ部を介して
   前記荷重変換素子に加えられるようにすると共に、これ
   ら全体の機構を同一部材から一体構造として作り出した
   ことを特徴とする荷重変換機構。 ２、前記てこ部の重点に近い基部の端部と、てこ部との
   間隔を微少量とし、重点に過大な引張荷重が加えられた
   際に、前記てこ部の動きを前記端部により規制するよう
   にした特許請求の範囲第１項に記載の荷重変換機構。 ３、　前記てこ部の力点に近い基部の端部と、てこ部と
   の間隔を微少量とし、力点に過大な圧縮荷重が加えられ
   た際に、前記てこ部の動きを前記端部で規制するように
   した特許請求の範囲第１項に記載の荷重変換機構。 ４、　前記てこ部の端部付近と基部とを、これらと一体
   に形成さればね係数の小さい偏平な圧縮ばねで連結した
   特許請求の範囲第１項に記載の荷重変換機構。 ５、　両端にそれぞれフレクシャを設は互いに平行なリ
   ンクの各−吉例を前記基部に、各他方側を前記荷重受部
   と一体の連結棒に接続し、荷重受部の運動を前記荷重変
   換素子の軸と平行な方向のみに制限した特許請求の範囲
   第１項に記載の荷重変換機構。