JP2002534666A - 小さい力と変位を計測するための計測装置 - Google Patents

小さい力と変位を計測するための計測装置

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Abstract

(57)【要約】 発明の目的は、装置の本体（１）に、光源（４）と位置感応検出器（５）を備えた検出手段と、計測される力が加えられるバネ手段（２）とこのバネ手段（２）に取り付けられた遮光手段（３）を備えた感知手段とが設けられ、遮光手段はバネ手段（２）に加えられた力の影響を受けて、検出手段の検出器（５）の作用面に向かう光源（４）の光ビーム内で移動する構成の、小さい力と変位を計測するための装置にある。検出手段と感知手段が装置の本体（１）に取り付けられた共通のクランプ（８）に取り付けられていることが発明の特徴である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明の目的は、小さい力と変位を計測するための計測装置であって、装置本
体に、光源と位置感応検出器を備えた検出手段と、計測される力によって加圧さ
れるバネ手段とこのバネ手段に取り付けられた遮光手段を備えた感知手段とを設
け、その遮光手段は、バネ手段を加圧する力の影響を受けて、検出手段の光源の
光ビーム内で移動し、ビームが検出器の作用面に向けられるという構成の装置に
ある。
【０００２】 特許公報ＦＩ９６３６１２は液体・気体相の境界面に形成された薄膜の表面圧
を計測する装置を開示している。この公報から公知の装置では、位置感応検出器
が、光源と共に、計測される小さい力によるセンサの変位の検出に用いられる。
【０００３】 しかし、この公知の装置では、温度による誤差の補償が広範囲の温度で困難で
面倒である。誤差の一部はキャリブレーション手順や、例えば装置の制御エレク
トロニクス等の適当な補償対策を用いることで補正することができるが、これら
のキャリブレーションや補償手順は面倒で、作業量が多くなる。通常の微量天秤
等の他の公知の装置は、高価で場所を取り、携帯式の計測装置と考えることはで
きない。
【０００４】 本発明の目的は、計測結果に対する環境の温度の影響が非常に小さい状態で、
例えば表面張力、表面圧および小変位のような小さい力の計測に適した装置を提
供することにある。さらに、物理的寸法が小さく、携帯用であって、実験室外の
フィールドワークにも適した計測装置を提供することを目的とする。 これは、発明によれば、検出手段と感知手段が装置本体に設けられた共通のク
ランプ内に配置されることで達成される。
【０００５】 発明の好適実施例によれば、検出手段と感知手段は温度膨張率の小さい材料、
望ましくは、例えばベークライト製の共通のクランプに組み込まれる。他の好適
な代替物として、例えばセラミック材が挙げられる。この実施例では、環境の温
度が変化しても、検出手段と感知手段の相対位置は不変である。クランプがＵ形
に形成され、感知手段の光源と位置感応検出器が前記Ｕ形クランプの別々の脚に
互いに対向して位置し、感知手段の遮光手段が少なくとも部分的にこれらの脚間
の空間に位置することが望ましい。 発明によれば、検出手段は、望ましくは例えば発光ダイオードである光源と、
位置感応検出器を備える。
【０００６】 位置感応検出器はそれ自体公知の種類のもので、シリコン基板とその上に形成
された層構造からなる。最外側層は抵抗性がある、つまりアクティブＰ層である
。アクティブＰ層への入射光は光エネルギーに比例した電荷に変換される。この
電荷はＰ層を通して、層に接続された電極へ送られる。層の抵抗率が一定である
から、入射光点と電極の間の距離に反比例する光電流が電極で得られる。
【０００７】 発明の好適実施例で、光源の光ビームを感光検出器の作用エリアへ向けるため
に、光源と位置感応検出器の間に、望ましくは光源に近接して光学手段、望まし
くはレンズが配置される。光源から照射される光は可視または赤外線スペクトル
に含まれる。発明の好適な実施例では、光源から照射される光の強度が調節され
る。
【０００８】 発明によれば、加えられた力を直線移動に変換する感知手段のバネ手段が、熱
膨張率の低い材料、望ましくは、例えば石英ガラス製の板バネである。他の好適
な代替物は、例えばセラミック材料である。発明の好適な実施例で、感知手段の
このバネ手段は実質的に横向きのＵ形で、その脚を通る仮想面が垂直であり、そ
の一方の脚の端部が前記クランプに取り付けられ、他方の脚の端部に、望ましく
は平坦な遮光手段が設けられる。遮光手段は計測される力をバネ手段に伝える手
段を備える。
【０００９】 発明の好適な実施例によれば、バネ手段に設けられた遮光手段は、光源と検出
器の間で、感光検出器に向けられた、検出手段の光源の光ビームに実質的に直交
するように配置される。発明の好適な実施例で、遮光手段は、光ビームに突出す
るその縁部が、少なくとも光ビーム中に位置する部分でまっすぐで、望ましくは
加えられた力の方向に直交する形状になっている。バネ手段に加えられた計測さ
れる力の影響を受けて、遮光手段が光ビーム中を移動すると、光源から照射され
た光の一部が感知手段の感光検出器の作用面に入射する。
【００１０】 発明の別の好適実施例で、スロットまたは開口が平坦な遮光手段に設けられ、
それを通して検出器の作用面に向けられた光源の光ビームの一部が検出器に入射
する。スロットは、計測される力の影響で前記光ビーム中を移動するとき、遮光
手段の移動方向を横切るように配置されることが望ましい。発明の好適実施例で
、スロットを有する遮光手段と検出器の間に光学手段が配置され、これらの光学
手段がスロットの像を検出器の作用面に形成する。好適な実施例で、これらの光
学手段は鏡からなる。この実施例で、検出器は、望ましくは例えばＵ形クランプ
の水平部分に位置するか、または光源と同じ脚に取り付けてもよい。
【００１１】 発明の好適実施例で、検出手段と感知手段が組み込まれたクランプは、感知手
段のバネ手段をたわませる力がバネ手段に実質的に直交し、バネ手段を通る垂直
面内にあるような位置にクランプを置く適当な吊下げ手段で、装置の本体に取り
付けられる。この好適な実施例では、バネ手段の横移動を避けることができる。
【００１２】 発明の別の好適な実施例で、装置はクランプの位置を感知するために吊下げ手
段と連絡する手段を備える。 発明による装置は、望ましくは０〜２００ｍｇの計測範囲で小塊の重さを計る
のに使用でき、この計測範囲で０．１μｇの解像度が得られることが望ましい。
達成可能な解像度は使用される位置感応検出器の解像度に依存する。
【００１３】 以下、発明の好適実施例を図面で説明する。 発明による装置は、本体１に設けられたクランプ８、クランプ８に取り付けら
れ、装置の計測および制御エレクトロニクスを備えた１枚または数枚のプリント
基板７、光源４と位置感応検出器５を備えた検出手段、バネ手段２と遮光手段３
を備えた感知手段、そして図外の電源手段と、計測装置の制御および操作手段、
ディスプレイを備えている。本体１は堅い材料、望ましくは、例えば断面が矩形
で、その端部が同じ材料のプラグのような手段でしっかり閉鎖されたアルミニウ
ム・チューブで作られている。
【００１４】 検出手段は光源４と位置感応検出器５を備え、それらは、熱膨張率の小さい材
料、望ましくは、例えばベークライトで作られた、断面が実質的にＵ形のクラン
プ８に取り付けられる。クランプ８は、その脚が作動姿勢で下向きになるように
本体１に取り付けられる。光源４はクランプ８の一端の内面に取り付けられ、他
方の脚の内面に位置感応検出器５が、検出器５の作用面が光源４の光ビームに位
置するように取り付けられている。クランプ８の内面は少なくとも一部が光を反
射しないように処理されることが望ましい。
【００１５】 感知手段は、バネ手段２と、それに取り付けられた遮光手段３を備え、それら
がクランプ８に取り付けられている。バネ手段は熱膨張率の小さい可逆変形可能
な材料、例えば石英ガラスで作られている。バネ手段２の一端はクランプ８に取
り付けられ、他の遊端には、望ましくは平坦な遮光手段３が、クランプ８の脚の
間で、検出器５に向けられる光源４の光ビームへ突出するように取り付けられて
いる。平坦な遮光手段３は、光源４の光ビームの領域に水平スロット６を有し、
それは、スロット６を通る光源４の光ビームの一部が検出器５の作用面に入射す
るように、クランプ８の脚の間に位置する。発明の別実施例では、遮光手段３に
スロットが設けられず、光ビームへ突出した遮光手段３の縁部が検出器５の作用
面に入射する光を制限することになる。
【００１６】 バネ手段２の横断面は楕円形、矩形、または他の平坦な形であることが望まし
く、バネ手段２の横断面の最小寸法がバネに作用する力に平行であり、望ましく
は最大でもこの寸法に直交する寸法の半分であり、これによって、バネ手段２の
遊端の移動が装置の意図された作動姿勢で実質的に垂直になる。
【００１７】 クランプ８から遠い方の遮光手段３の縁部には、計測されるべき力が直接また
は適当なつなぎ手段を介して加えられる手段が設けられている。この目的のため
に、本体は開口を有し、これを通して遮光手段３につなぎ手段を取り付けること
ができる。発明の好適実施例では、表面張力を計測するために、感知プレートが
遮光手段３の前記下縁部から適当な吊下げ手段で吊される。
【００１８】 計測されるべき力が遮光手段３に加わると、バネ手段２がたわんで、光源４か
らの光が遮光手段３のスロット６を通して位置感応検出器５の作用面に入射する
。バネ手段２のたわみによって、スロット６を通して検出器の作用面に入射する
照明エリアの位置が変化し、同時に検出器５によって与えられる電気信号も変化
する。検出器５の出力電流が計測される力の計測結果に変換されるように、検出
器５は計測装置の計測および制御エレクトロニクスに接続されている。 そのわずかな電流消費のため、装置は蓄電池または電池作動式にもでき、電源
としての蓄電池また電池が装置の本体１内に取り付けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 発明による装置の長さ方向の側面模式図
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 装置の本体（１）に、光源（４）と位置感応検出器（５）を
    備えた検出手段と、計測される力が加えられるバネ手段（２）とこのバネ手段（
    ２）に取り付けられた遮光手段（３）を備えた感知手段とが設けられ、前記遮光
    手段はバネ手段（２）に加えられた力の影響を受けて、前記検出器（５）の作用
    面に向かう、前記検出手段の光源（４）の光ビーム内で移動する構成の、小さい
    力と変位を計測するための装置であって、検出手段と感知手段が装置の本体（１
    ）内に設けられた共通のクランプ（８）に備えられ、クランプが熱膨張率の小さ
    い材料で作られていることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 感知手段のバネ手段（２）が実質的にＵ形であり、その一方
    の脚の端部がクランプ（８）に取り付けられ、遮光手段（３）がバネ手段（２）
    の他方の脚の端部にで取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に
    よる装置。
  3. 【請求項３】 感知手段のバネ手段（２）の、加えられた力の方向での最大
    横断面寸法が、最大で、この方向に直交する横断面の寸法の半分であることを特
    徴とする請求項３による装置。
  4. 【請求項４】 感知手段のバネ手段（２）の横断面が矩形であることを特徴
    とする請求項４による装置。
  5. 【請求項５】 感知手段のバネ手段（２）の横断面が楕円形であることを特
    徴とする請求項４による装置。
  6. 【請求項６】 感知手段のバネ手段（２）が石英ガラス製であることを特徴
    とする請求項１から６のいずれかによる装置。
  7. 【請求項７】 検出手段の光源（４）から検出器（５）へ向けられた光ビー
    ムに突出する平坦な遮光手段（３）の縁部がまっすぐであり、加えられた力の方
    向に直交することを特徴とする前出の請求項のいずれかによる装置。
  8. 【請求項８】 遮光手段（３）が、遮光手段（３）の移動方向に直交するス
    ロット（６）を有し、そのスロットを通して、検出器（５）の作用面に向けられ
    た光源（４）の光ビームの一部が検出器（５）に入射することを特徴とする前出
    の請求項のいずれかによる装置。
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