JPS61250533A

JPS61250533A - 力測定セル

Info

Publication number: JPS61250533A
Application number: JP409986A
Authority: JP
Inventors: ルドレフ　クブリ; ホルガー　レーシユマン
Original assignee: Mettler Instrumente AG
Current assignee: Mettler Instrumente AG
Priority date: 1985-04-26
Filing date: 1986-01-10
Publication date: 1986-11-07
Also published as: CH668643A5; DE3605315A1

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】〔産業上の利用分野〕この発明は、荷重によりたわむ測定機構と、測定機構の
荷重による弾性変形を容量で検出する機構とを備えた力
測定セルに関する。

〔従来の技術〕

この種の力測定セルはたとえばヨーロッパ特許出願第０
０１７５８１号により公知である。この場合の測定機構
は、２つの曲げ弾性の連結バーを介して互いに連結した
２つの曲げ剛性部材からなっており、この中一方の曲げ
剛性部材は固定であり、他方の曲げ剛性部材は荷重支持
体を形成している。両方の曲げ弾性の連結バーは測定部
材として働くとともに、二つの曲げ剛性部材の荷重によ
る相対的な運動の平行ガイドを形成している。曲げ剛性
部材には容量形変位測定器の電極の支持体を固定して、
電極が機械的な荷重を受けず、理想的な状態の下では各
測定位相において互いに平行になるようになっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、たとえこの測定機構が相当安定性があるもので
あっても、特に曲げ剛性部材を曲げ弾性゛の連接バーと
一緒に一部材から製作した場合には、この安定性は、力
を偏心状に導入する時には、すなわち測定すべき力の作
用線が荷重支持体の重心の外側をのびる際には、不十分
であることが証明されている。このような場合は、たと
えば力測定セルの荷重支持体上にコーナーに負荷がかか
る荷重皿を直接載せた秤に認められる。このようにコー
ナーに負荷をかけると、荷重支持体上に回転モーメント
が作用し、これにより測定機構がさらに変形し、この結
果測定精度が悪影響を受ける。実験により、中心に力を
導入する際にわずがな偏差があると、相当の測定誤差が
生じることが判明している。このような事情で、容量形
変位測定万式自体で得ることができる高い測定精度が完
全に利用されていない。

たとえば容量形変位測定式力測定セルについては西ドイ
ツ特許公開公報第２９２１６１４号に示されているよう
に、コーナー負荷によって生じる回転モーメントを吸収
することができる可能な限り全面的に作用する荷重支持
体の平行ガイドを、測定機構の外側に組付けることによ
って、コーナー負荷の不都合な作用を補償することは公
知である。

しかしこの種の外方の平行ガイドが、たとえば温度変化
の影響で、力測定セルの測定精度を損なうごとも知られ
ている。したがってこのような理由および付随的な出費
のために、この種の外方の平行ガイドを断念することが
技術的な開発のねらいとなる。

したがってこの発明の目的は、荷重支持体に作用する回
転モーメントに対する感性がほとんどない力測定セルを
提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的は、機械的に連結した容量形力センサを設け、
各力センサは曲げ弾性の連接バーによって互いに連結し
た曲げ剛性部材と、容量形変位測定器とで構成し、一方
の曲げ剛性部材は固定に設置するとともに、容量形変位
測定器の固定の電極機構を備え、他方の可動の曲げ剛性
部材は、連結部材を介して共通の荷重支持体と連結する
とともに、容量形変位測定器の可動の電極機構を備え、
両力センサの容量の和を測定すべき力の測定値として用
いることを特徴とするこの発明の力測定セルによって達
成する。

〔作用〕

力測定セルに荷重をかけると、２つの力センサの容置が
同じ形で変わる。カを中心に導入する場合には、容量の
変化の太きさも同一である。これに対して測定すべき力
の作用線が荷重支持体の中心カラスれ、荷重支持体に付
加的に回転モーメントが加わる場合には、付加的な容量
変化が生じる。

この作用線の変位が２つの力センサの共通の作用面内で
生じる場合には、両力センサの容量は同じように変わり
、この容量の和は測定範囲の全般にわたって一定である
。このように付加的な外方への平行ガイドによらずに、
実質的なコーナー負荷の補償が行われる。

測定すべき力の作用線が２つの力センサの共通の作用面
の外側をのびることによって生じる回転モーメントを吸
収するために、力センサはその作用面に直交する方向に
強化することができる。しかしこのような回転モーメン
トの補償を可能にするより良い解決方式は、２つ以上、
たとえば４つの機械的に連結した力センサを、力の作用
方向に直交する面内に均一に分散して設置することにあ
る。

この発明の好適な構成は、２つの力センサの曲げ剛性部
材、連接バー、連結部材および電極機構の支持体と荷重
支持体が一緒になって一構成ユニットを形成するととも
に一部材からなることを特徴とする。このような実施例
を製作するためには、全知のマイクロメカチック法が適
しており、特にこのことは、上記の構成ユニットが腐食
性材料、たとえば半導体板で形成し、この半導体板とし
て、良好な弾性の点から、単結晶シリコンを用いる場合
にいえる。このような実施例の利点は、特に２つの機械
的に接続した力センサの製作のための費用が単一の力セ
ンサの製作のためのそれと同等であるという点にある。

力センサの測定すべき力の作用方向に関する配設につい
ては、基本的には２つの実施例が可能である。力センサ
は力の方向に平行な面内に配設するか、または該方向に
直交する面内に配設する。

前者の場合には、各力センサの曲げ弾性の連結バーは、
２つの曲げ剛性部材の相対的な運動のための平行ガイド
の役目をする。後者の解決構成（こよると、力測定セル
の高さを特に低くすることがでキル。２つ以上の力セン
サを有するカ測定セルノ場合には、この力センサの測定
すべき力の作用方向における２つの異なった配設により
、企図した構成ユニット構造を考慮に入れても、種々の
点が解決される。力センサを力の方向に平行な面内に設
置する場合には、たとえばそれぞれ２つの力センサを有
する２つの同一の構成ユニットを十字状に組み合わせ、
この際各構成ユニットが共通の荷重支持体の半分を形成
するようにすることができる。もう一方の場合、すなわ
ち力センサを力の方向に直交する面に配設する場合には
、さらにすべての力センサを単一の構成ユニットに集約
するとともに一部材で製作することができる。

上述した力測定セルのユニット構成方式には、特に容量
形変位測定器の２つの実施例が適している。

第一の実施例では、電極機構の支持体として、それぞれ
力センサの曲げ剛性部材の１つと連結するとともに間隔
をおいて平行な面に設置した２つのプレート（板）を設
け、このうち少なくとも可動の曲げ剛性部材に付設する
プレートは、曲げ剛性部材と曲げ弾性の連接バーにより
囲まれているスペースに広がっている。さらに少なくと
も一万のプレートは付設の曲げ剛性部材とともに一部材
で構成することができる。電極機構は両プレートの互い
に対向する側に位置する。

力の方向に平行な面に設置した力センサを有する力測定
セルの場合には、測定すべき力が作用すると、２つのプ
レートは相互の間隔を一定に保持した状態で、その面内
を相対して変位し、この際電極機構の容量に対して作用
する電極面（の関係〕が変わる。これに対して力の方向
に直交する面に設置した力センサを有する力測定セルの
場合には、測定すべき力の作用下で、プレートの間隔ま
たは電極の間隔が変わる。

容量形変位測定器の第二の実施方式は、電極機構の支持
体として、一面内に放置するとともに互いに櫛（歯〕状
に係合し、かつ交互に力センサの曲げ剛性部材と連結し
た多数の桿を、互いに間隔をおいて設け、さらに該桿の
互いに対向する側に電極を設けることからなる。

この解決構成においては、測定すべき力の函数で変化す
る容量の変量（電極の間隔、その表面積〕に関する関係
は、変位測定器の第一の実施方式とは全く逆になる。す
なわち力センサが力の方向に平行な面内にある時には、
電極の間隔は力の函数で変化し、力センサが力の方向に
直交する面内にある時には、有効な電極表面積が力の函
数で変化する。

測定すべき力に対して有効な電極表面積の変化が標準的
である各実施例においては、単位カ当りの容量の増大値
を高めるために、それ自体は周知のように電極が各プレ
ートまたは６桿において、力の方向に交叉してのびる直
線ラスタを形成するような電極機構を選定することが望
ましい。

〔実施例〕

第１図の力測定セルは、２つの同等の力センサからなっ
ており、両者は共通の作用面に設置されているとともに
、共通の荷重支持体３によって機械的に連結されている
。

各力センサは荷重によって弾性的にたわむ測定手段を備
えており、この手段は曲げ弾性の連接バー４，５を介し
て互いに連結した曲げ剛性部材６．７からなっている。

一方の曲げ剛性部材６は固定設置しであるのに対し、他
方の曲げ剛性部材７は、連結部材８，９を介して荷重支
持体３に連結されている。すべての曲げ弾性の連接バー
と連結部材は、材料のくびれ１０からなる局部曲げ部、
し・わゆる曲げ関節部を備えている。測定すべき力Ｆが
作用すると、測定手段は弾性的にひずみ、この際曲げ弾
性の連接バー４，５は、曲げ剛性部材７の動きの平行ガ
イドとして働く。この例では両方の力センサ１，２は、
力の作用方向に平行に、しかもこれら力センサの作用面
内に伸びている。

各力センサ１，２はさらに、荷重に基づいた測定手段の
弾性変形（ひずみ〕を検出するための容量形変位測定器
を備えている。この変位測定器の電極機構の支持体とし
て、平行な面に間隔をおいて設置した２つのプレー）１
１．１２が設けである。このうち一方のプレート１１は
力センサの作用面の外側に固定設置されているとともに
固定の曲げ剛性部材６と連結されており、他方のプレー
ト１２は可動の曲げ剛性部材７と連結されているととも
に、曲げ剛性部材６，７と曲げ弾性の連接バー４，５に
より囲まれているスペースに広がっている。プレー）１
１．１２の互いに対向する側には、点線で示すように各
電極が線形ラスタを形成する電極機構１３．１４が設け
である。測定すべき力Ｆの作用で測定手段が弾性変形を
起すと、可動プレート１２が固定プレート１１に対して
相互の間隔が一定の状態で変位し、この際電極機構１３
．１４の容量に対して作用する電極面（の関係）が変わ
る。両方の力センサ１，２の容量の和が、測定すべき力
）′の測定値として用いられる。

両方の力センサ１，２の曲げ剛性部材６，７゜連接バー
４，５．連結部材８．９および可動プレート１２と、荷
重支持体３は一体になって一構成ユニットを形成してい
るとともに、一部材、特に腐食性材料製部材で形成され
ている。この構成ユニットの機械的な部分は一回の加工
工程で製作することができる。電極機構１４は別の加工
工程において、両方の力センサのプレート１２上に取付
ける。固定のプレート１１は別に製作して、固定の曲げ
剛性部材６の側部に固定する。

第２図の力測定セルは、基本的には第１図のそれと同等
の構成で、両方の力センサ２１，２２がその作用面内に
ある、または測定すべきカドの方向に直交する面内にあ
るという点で異なってＧする。

固定及び可動の曲げ剛性部材２３　、２４　、曲げ関節
部２７．２８を有する曲げ弾性の連接／ＮＪ　　２５゜
２６、可動の曲げ剛性部材２４に組込んだ、両刃センサ
の電極の支持板２９と、共通の荷重支持体３０は一部材
で製作されている。全体は両力センサ２１．２２に共通
の支持板３１上に載っており、支持板３１は対向電極を
備えている。この実施例では、図示していない電極は、
支持板２９　、３１の互いに対向する側に表面メッキで
形成されてＩ、ｓる。測定すべき力Ｆの作用で力センサ
２１，２２が弾性変形すると、第１図の実施例の場合と
は異なって、支持板２９と３１の間隔、またはこれらに
設けた電極の間隔が変わる。しかし２つの力センサ２１
．２２の容量の和は、同じように測定すべき力Ｆの測定
値として用いられる。

互いに直交する二つの作用面を有する力測定セルを形成
するために、第２図の構造において４つの機械的に連結
した力センサを設け、これらを力の作用方向に直交する
面に均等に分散して配置することができる。このような
例として、第３図は共通の荷重支持体４５に、暗示的に
示した４つの力センサ４１．４２，４３．４４を機械的
に連結した形態を示したものである。この連結は、荷重
支持体４５と該当する力センサの可動の曲げ剛性部材と
の間で作用する曲げ関節部４７．４８を有する連結部材
４６がその役目をする。この力センサの両件用面のコイ
ル４９．５０は点線で示したが、コイル４９は力センサ
対４１．４３に、コイル５０は力センサ対４２．４４に
付設しである。

四つのすべての力センサは、第３図に示すような形で、
一部材から一括して製作することができる。

対向電極を有する共通の支持体だけは同じようにこれか
ら除外する。この場合にも四つのすべての力センサ４１
〜４４の容量の和が、測定すべき力の尺度となる。

同じ方式で、共通の荷重支持板に第３図に示した手段を
有する三つまたは四つ以上の力センサを連結することが
できる。これにより力センサまたは力センサ対の作用面
の数が増え、この結果力測定セルのコーナー負荷によっ
て生ずる副作用の補償性が改良される。

第４図の力測定セルは、測定機構については第１図と同
じように構成してあり、符合する部分には同一の参照符
号がつけである。違いは容量形変位測定器の構成にある
。

ここで設けた容量形変位測定器は、電極機構の支持体と
して、それぞれ力センサの作用面に設置した複数の桿６
０．，６１を備えており、これらの桿は、互いに間隔を
おいて櫛（歯）状に係合しているとともに、交互に曲げ
剛性部材６，７に連結されている。図示してない電極は
、桿６０．６１の互いに対向する側に位置している。桿
６０，６１は第４図に示すように、曲げ剛性部材６，７
とともに一部材から形成することができ、また別に製作
した櫛の形でこの部材に固定することができる。

この力測定セルに荷重がかかると、測定すべき力Ｆに応
じて両方の変位測定器の電極の間隔が変わる。変位測定
器の全容量は、多数の単写量の並列接続により、たとえ
ばヨーロッパ特許出願第００１７５８１号の簡単な変位
測定器の場合よりも相当高い。

第４図に示した機械的に連結する４つの力センサを、力
の方向に直交する面内に均等に分散配置する力測定セル
を構成するために、第４図の構成ユニットの荷重支持体
に、荷重支持体の長さの半分にわたって伸びるとともに
この構成ユニットの製図面に直交する方向に測った材料
の厚さと同一の幅を有するスリット６２（点線で示す〕
を設けることができる。この僅かな変形により、それぞ
れ２つの力センサを有する２つの同一の構成ユニットを
十字状に組付けることができる。この場合各構成ユニッ
トは共通の荷重支持体の半分を形成する。これにより２
つの作用面に４つの力センサを有する力測定セルの製作
がきわめて簡単になる。

もちろん第４図の変位測定器の機械的な構成と容量の多
重区分の点は、第２図の力測定セルの場合にも適用する
ことができる。この適用例では、櫛状の電極支持体（桿
）は相互に橋面に直向する方向に移動するので、電極の
間隔は（第４図と同じように）変わらず、有効な電極表
面積が変わる。

このような変位測定器の場合には、６桿の電極が力の方
向に交叉してのびる直線ラスタを形成するようにすると
好適である。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の実施例を示したもので、第１図は、力
の作用方向に平行な面内に設置した二つの力センサと、
電極機構の支持体としての平行なプレートを有する力測
定セルを示す図、第２図は、力の作用方向に直交する面
内に設置した二つの力センサと、電極機構の支持体とし
ての平行なプレートを有する力測定セルを示す図、第３
図は、第２図の構成の力測定セルの４つの力センサの機
械的な連結手段の詳細図、第４図は、力の作用方向に平
行な面内に設置した２つの力センサと、電極機構の支持
体としての互いに櫛状に係合する桿列とを有する力測定
セルを示す図である。１．２，２１．２２・・・力センサ、３，３０．４５・
・・荷重支持体、４，５，２５．２６・・・連接バー、
６．７，２３．２４・・・曲げ剛性部材、８，９，３２
．４６・・・連結部材、１’　３　、１４・・・電極機
構。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）荷重により弾性的にたわむ測定機構と、測定機構
の荷重による弾性変形を容量で検出するための機構を備
えた力測定セルにおいて、機械的に連結した少なくとも
２つの容量形力センサ１、２：２１、２２を設け、各力
センサは、曲げ弾性の連接バー４、５；２５、２６によ
つて互いに連結した曲げ剛性部材６、７；２３、２４と
、容量形変位測定器とで構成し、一方の曲げ剛性部材６
；２３は固定の状態に設置するとともに、容量形変位測
定器の固定の電極機構１３を備え、他方の可動の曲げ剛
性部材７；２４は、連結部材８、９；３２、４６を介し
て共通の荷重支持体３；３０；４５と連結するとともに
、容量形変位測定器の可動の電極機構１４を備え、かつ
両方の力センサの容量の和を測定すべき力Ｆの測定値と
することを特徴とする力測定セル。
（２）４つの機械的に連結した力センサ４１〜４４を設
け、かつこれらの力センサは力の方向に直交する面内に
均一に分散配置してなることを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の力測定セル。
（３）二つのセンサ１、２；２１、２２の曲げ剛性部材
６、７；２３、２４、曲げ弾性の連接バー４、５；２５
、２６、連接部材８、９；３２；４６および電極機構１
３、１４の支持体１１、１２；２９、３１；６０、６１
と荷重支持体３；３０；４５が一体になつて一構成ユニ
ットを形成し、かつ少なくとも一部が一部材からなるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記
載の力測定セル。
（４）前記構成ユニットを、半導体板などの腐食性材料
製部材で形成することを特徴とする特許請求の範囲第３
項に記載の力測定セル。
（５）力センサ１、２を力の方向に平行な面内に設置し
、これにより各力センサの曲げ弾性の連接バー４、５が
、両曲げ剛性部材６、７の相対的な運動のための平行ガ
イドの役目をすることを特徴とする特許請求の範囲第１
項乃至第４項のいずれかに記載の力測定セル。
（６）力センサ２１、２２を力の方向に直交する面内に
設置することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第
５項のいずれかに記載の力測定セル。
（７）それぞれ二つの力センサ１、２を有する二つの同
一の構成ユニットを十字状に組み付け、かつ各構成ユニ
ットが共通の荷重支持体３の半分を形成するようにする
ことを特徴とする特許請求の範囲第２項、第３項又は第
５項のいずれかに記載の力測定セル。
（８）電極機構の支持体として、間隔をおいて平行な面
に設置するとともにそれぞれ力センサ１、２の曲げ剛性
部材６、７と連結した二つのプレート１１、１２を設け
、このうち少なくとも可動の曲げ剛性部材７に付設のプ
レート１２は、曲げ剛性部材６、７と曲げ弾性の連接バ
ー４、５により囲まれているスペースに広がつているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項のいず
れかに記載の力測定セル。
（９）電極機構の支持体として、一面内に設置するとと
もに互いに櫛状に係合しかつ交互に力センサ１、２の両
曲げ剛性部材６、７と連結した複数の桿６０、６１を、
互いに間隔をおいて設け、さらに桿の互いに対向する側
に電極を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
乃至第８項のいずれかに記載の力測定セル。
（１０）各力センサの両電極機構の電極が、各プレート
１１、１２または各桿において、力の方向に交叉しての
びる直線ラスタを形成することを特徴とする特許請求の
範囲第５項、第８項、第６項、又は第９項のいずれかに
記載の力測定セル。