JP2004205381A

JP2004205381A - 微小荷重測定装置

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Publication number: JP2004205381A
Application number: JP2002375684A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Nagaike; 康成長池
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】簡易な構成で高精度に微小荷重を測定する。
【解決手段】長さ方向の所定位置に荷重点６が配置され、所定の弾性係数を有する梁部材３と、該梁部材３の少なくとも一端を固定支持する支持部材２と、前記梁部材３に荷重をかける前後における前記荷重点６の相対変位量を測定する変位測定手段４と、該変位測定手段４により測定された梁部材３の相対変位量と弾性係数とに基づいて荷重点６に加えられた荷重量を演算する荷重量演算手段５とを備える微小荷重測定装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微小荷重測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の微小荷重測定装置としては、第１の光学的平面を有する透明な可撓性の片持ち梁と、第２の光学的平面を有する基準部材と、荷重点が変化した際に、第１および第２の光学的平面間に生ずる干渉縞の発生間隔に基づいて、荷重点における変位量および荷重量を測定するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような構成の従来の微小荷重測定装置によれば、図５（ｂ）に示されるように、荷重点Ａが上方に変位した状態において、片持ち梁１０１の上方に設けた光源から単一の波長λからなる光Ｒを照射した場合には、片持ち梁１０１に、光源側から見て図５（ａ）に示されるような干渉縞１０６が発生する。そして、例えば、ＣＣＤ等を用いた光学的測定系によって片持ち梁１０１の上方から干渉縞１０６の発生間隔や幅等の状況を測定することにより、荷重点Ａにおける変位量および荷重を演算によって求めることが可能となる。
【０００４】
そして、このような微小荷重測定装置によれば、片持ち梁の荷重点における変位量に応じて変化する片持ち梁および基準部材に設けられた第１および第２の光学的平面に生ずる干渉縞の発生位置や状態を測定することで、荷重点における変形状態を把握できる。その結果、梁の特性から、荷重点における変位および荷重量を解析的に求めることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特公平７−１１３５８９号公報（図２等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の微小荷重測定装置には、以下の問題点がある。
第１に、変位を検出するための干渉縞の生成において、梁の光学的平面および基準部材の光学的平面の仕上げ状態が干渉縞解析による変位測定精度に大きな影響を与えるが、それぞれの光学的平面の形成および精度の維持が困難である。
第２に、基準部材に対する片持ち梁の変位量は、干渉縞の幅に対応するので、梁の変位量が大きいほど、その位置の干渉縞の幅は狭くなり、検出が困難になるという不都合がある。
第３に、梁の特性上、その変位形態は、支点から荷重点に向かうにつれて基準部材に対する片持ち梁の変位量が非線形的に増加する。このため、この非線形性が干渉縞を検出する際の誤差となるという不都合がある。
【０００７】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で高精度に微小荷重を測定することができる微小荷重測定装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、長さ方向の所定位置に荷重点が配置され、所定の弾性係数を有する梁部材と、該梁部材の少なくとも一端を固定支持する支持部材と、前記梁部材への荷重前後における前記荷重点の相対変位量を測定する変位測定手段と、該変位測定手段により測定された梁部材の相対変位量と弾性係数とに基づいて荷重点に加えられた荷重量を演算する荷重量演算手段とを備える微小荷重測定装置を提供する。
【０００９】
この発明によれば、支持部材により少なくとも一端を固定支持された梁部材の荷重点に荷重をかけることにより、荷重点には荷重方向に沿う変位が発生する。変位測定手段は、荷重をかける前後における荷重点の相対変位量を測定するので、荷重量演算手段を作動させて、梁部材の弾性係数を相対変位量に乗算することにより、荷重点に加えられた荷重量が算出されることになる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の微小荷重測定装置において、前記梁部材が、支持部材に一端を固定支持された片持ち梁部材からなり、前記荷重点が、梁部材の自由端近傍に配置されている微小荷重測定装置を提供する。
この発明によれば、荷重点における梁部材の荷重量に対する変位量を大きくすることができる。したがって、荷重量に対する感度を向上し、測定精度を高めることが可能となる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の微小荷重測定装置において、前記変位測定手段が、前記梁部材の表面のうち荷重点の荷重側とは反対側の表面に光を照射する光源と、該光源からの光のうち梁部材の表面における反射光または透過光を検出するセンサとを備える微小荷重測定装置を提供する。
この発明によれば、荷重前後において荷重点の荷重側とは反対側の表面に光源からの光を照射し、当該表面における反射光または透過光をセンサにより検出することにより、荷重をかける前後における荷重点の相対変位量を非接触で精度よく検出することが可能となる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の微小荷重測定装置において、異なる弾性係数を有する複数の梁部材が用意されている微小荷重測定装置を提供する。
この発明によれば、測定すべき荷重量の大きさに適した弾性係数を有する梁部材を選択することにより、広い範囲の荷重量に対して精度よく測定することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態に係る微小荷重測定装置について、図１を参照して説明する。
本実施形態に係る微小荷重測定装置１は、外部構造物に固定される支持部材２と、該支持部材２に一端を固定された片持ち梁部材３と、該片持ち梁部材３の自由端３ａ近傍に、その変位方向に間隔をあけて配置された変位測定手段４と、該変位測定手段４からの出力信号に基づいて荷重量を演算する荷重量演算手段５とを備えている。
【００１４】
前記支持部材２は、例えば、図示しないマグネットスタンド等の固定装置に取り付けられていて、被測定荷重の方向に応じてその姿勢を変化させた状態で、任意の外部構造物に着脱可能に固定されるようになっている。
前記片持ち梁部材３は、例えば、既知の弾性係数を有する帯板状の板バネ部材であり、その一端が前記支持部材２に固定された固定端３ｂ、他端が荷重に応じて自由に変位可能な自由端３ａとされている。また、自由端３ａの近傍には、該自由端３ａから所定の距離をあけた位置に、片持ち梁部材３の一面側から荷重を作用させる荷重点６が配置されている。
【００１５】
前記変位測定手段４は、例えば、レーザ変位計である。このレーザ変位計４は、レーザ光を発するレーザ光源（光源：図示略）と、該レーザ光源から発せられ、片持ち梁部材３の表面において反射されたレーザ光を検出するセンサ（図示略）とを備えている。レーザ光源は、片持ち梁部材３の荷重点６に対向して、荷重が加えられる側の表面とは反対側の表面に対してレーザ光を照射するように配置されている。また、センサは片持ち梁部材３からの反射光を検出可能な位置に、荷重点６に対向して配置されている。
【００１６】
前記荷重量演算手段５は、例えば、コンピュータであって、片持ち梁部材３の弾性係数を記憶するとともに、センサから出力された変位量が入力されると、この変位量に弾性係数を乗算して、荷重量を算出するようになっている。
例えば、荷重点６への荷重前の無荷重状態においては、図１（ｂ）に示されるように、片持ち梁部材３の荷重点はｈ＝ｈ０の基準位置で静止している。そして、荷重点に被測定荷重Ｗを加えると、図１（ｃ）に示されるように、安定状態においてｈ＝ｈ１となる。したがって、レーザ変位計４によって、相対変位量δｈ＝ｈ１−ｈ０が検出され、荷重量演算手段５に入力される。荷重量演算手段５は、以下の式に基づいて荷重量Ｗを演算する。記号ｋは、片持ち梁部材の弾性係数である。
【００１７】
Ｗ＝ｋ・δｈ
【００１８】
このように構成された本実施形態に係る微小荷重測定装置１によれば、簡易に精度よく測定できる荷重点６の変位量δｈに基づいて荷重量Ｗを測定するので、２つの光学的平面による干渉縞を利用する従来の方法と比較して、広い荷重範囲にわたって測定精度を向上することができるという効果がある。また、レーザ変位計４によって非接触式に測定できるので、測定誤差を低減することができる。
【００１９】
なお、上記実施形態においては、荷重点６に対して片持ち梁部材３の変位方向に対向するレーザ変位計４により相対変位量δｈを検出することとしたが、これに代えて、光ファイバセンサを用いたり、片持ち梁部材３の自由端３ａ側から自由端３ａの位置をＣＣＤカメラにより撮像して、測定された荷重前後の自由端３ａの位置から荷重点６の変位量ｈ０，ｈ１に換算したりしてもよい。また、異なる弾性係数ｋを有する複数の片持ち梁部材３を用意しておき、片持ち梁部材３を支持部材２に着脱可能に取り付けることを可能にして、荷重量Ｗに適合した片持ち梁部材３を選択的に使用できるようにしてもよい。
【００２０】
また、本実施形態では片持ち梁部材３からの反射光を検出することによって相対変位量δｈを求めたが、透過光を検出することによって求めることもできる。この場合には、変位測定手段４をレーザ光源とラインセンサとから構成し、ラインセンサを片持ち梁部材３に対してレーザ光源と対向する位置に配置する。荷重によって片持ち梁部材３が変位すると、レーザ光が片持ち梁部材３を透過する際に屈折するため、無荷重の場合とは異なるラインセンサの素子にレーザ光が入射する。このずれ量を測定することにより、片持ち梁部材３の相対変位量δｈを求めることができる。
【００２１】
次に、この発明の第２の実施形態に係る微小荷重測定装置１０について、図２を参照して説明する。
本実施形態に係る微小荷重測定装置１０は、図２（ｂ）に示されるように、第１の実施形態に係る微小荷重測定装置１が、片持ち梁部材３からなる梁部材を備えていたのに対し、両端１１ａ，１１ｂを支持部材２に固定支持された両持ち梁部材１１からなる梁部材を備えている。すなわち、本実施形態においては、梁部材は、帯板状に形成されているとともに、支持部材２によってその両端を固定支持されている。
【００２２】
また、第１の実施形態では片持ち梁部材３の自由端３ａ近傍に荷重をかける荷重点６を配置していたのに対し、本実施形態では、図２（ａ）に示されるように、両持ち梁部材１１の長さ方向の中央近傍に荷重点１２を配置している。他の点については、第１の実施形態に係る微小荷重測定装置１と同様であり、同一の符号を付して説明を簡略化する。
【００２３】
このように構成された本実施形態に係る微小荷重測定装置１０によれば、図２（ｃ）に示されるように、荷重点１２における両持ち梁部材１１の変位方向が、該荷重点１２に作用している荷重の方向と一致するので、変位を測定する際の誤差を低減することができるという効果がある。
なお、片持ち梁部材３を用いている第１の実施形態に係る微小荷重測定装置１では、荷重量Ｗに対する変位量δｈを大きく確保することができるので、荷重量Ｗに対する感度を向上することができるという利点を有している。
【００２４】
上記第２の実施形態においては、帯板状の両持ち梁部材１１を採用したが、これに代えて、図３に示されるように、十字型に形成された板バネ１３の４つの端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを支持部材２に固定したものを採用することにしてもよい。このように構成することによっても、上記第２の実施形態と同様の利点を有する。
【００２５】
次に、この発明の第３の実施形態に係る微小荷重測定装置について、図４を参照して説明する。
本実施形態に係る微小荷重測定装置２０は、図４（ｂ）に示されるように、梁部材として、厚さ方向に平行間隔をあけて延びる２枚の帯板部材２１，２２を先端において、連結部２３により連結して構成された平行板形式の片持ち梁部材２４を備えている。荷重点２５は、図４（ａ）に示されるように、自由端２４ａ近傍に配されている連結部２３である。他の点については、第１の実施形態に係る微小荷重測定装置１と同様である。符号２４ｂは固定端を示している。
【００２６】
このように構成された本実施形態に係る微小荷重測定装置２０によれば、図４（ｃ）に示されるように、荷重点２５における片持ち梁部材２４の変位方向を荷重方向と一致させることができる。したがって、変位を測定する際の誤差を低減することができるという効果がある。また、荷重量Ｗに対する荷重点２５の変位量を、両持ち梁部材１１の場合よりも大きくすることができる。したがって、測定誤差を低減しながら感度を高めることができるという効果がある。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る微小荷重測定装置によれば、簡易な方法で、測定に際しての誤差を低減しつつ、感度を向上するので、低コストに精度よく微小荷重を測定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る微小荷重測定装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は無荷重状態の正面図、（ｃ）は荷重状態の正面図をそれぞれ示している。
【図２】この発明の第２の実施形態に係る微小荷重測定装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は無荷重状態の正面図、（ｃ）は荷重状態の正面図をそれぞれ示している。
【図３】図２の微小荷重測定装置の変形例を示す平面図である。
【図４】この発明の第３の実施形態に係る微小荷重測定装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は無荷重状態の正面図、（ｃ）は荷重状態の正面図をそれぞれ示している。
【図５】従来の微小荷重測定装置を示す図であり、（ａ）は荷重状態の平面図、（ｂ）は荷重状態の正面図をそれぞれ示している。
【符号の説明】
δｈ相対変位量
Ｗ荷重量
１，１０，２０微小荷重測定装置
２支持部材
３，２４片持ち梁部材（梁部材）
３ａ，２４ａ自由端
４レーザ変位計（変位測定手段）
５荷重量演算手段
６，１２，２５荷重点
１１両持ち梁部材（梁部材）

Claims

長さ方向の所定位置に荷重点が配置され、所定の弾性係数を有する梁部材と、
該梁部材の少なくとも一端を固定支持する支持部材と、
前記梁部材に荷重をかける前後における前記荷重点の相対変位量を測定する変位測定手段と、
該変位測定手段により測定された梁部材の相対変位量と弾性係数とに基づいて荷重点に加えられた荷重量を演算する荷重量演算手段とを備える微小荷重測定装置。
前記梁部材が、支持部材に一端を固定支持された片持ち梁部材からなり、
前記荷重点が、梁部材の自由端近傍に配置されている請求項１に記載の微小荷重測定装置。
前記変位測定手段が、前記梁部材の表面のうち、荷重点の荷重側とは反対側の表面に光を照射する光源と、
該光源からの光のうち、梁部材の表面における反射光または透過光を検出するセンサとを備える請求項１または請求項２に記載の微小荷重測定装置。
異なる弾性係数を有する複数の梁部材が用意されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の微小荷重測定装置。