JP3723853B2 - 荷重測定装置、及び荷重測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷重測定装置及び荷重測定方法に係り、特に、小荷重から大荷重まで広い範囲の値の荷重の測定が可能な荷重測定装置及び荷重測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造物等に作用する荷重を測定する装置としては、ロードセル(例えば、特許文献１参照)などが用いられていた。ロードセル（図示せず）は、鋼等の弾性体からなる力検出部材に歪みゲージが貼り付けられて構成されている。ロードセルで荷重を測定する場合には、力検出部材に荷重を作用させ、荷重により力検出部材が変形して生じた歪みの変化を、歪みゲージの電気抵抗値の変化として測定する。
【０００３】
次に、歪みゲージについて説明する。図１２に示すように、歪みゲージ８０は、ゲージベース８１と、抵抗部８２と、リード線８３及び８４を有して構成されている。ゲージベース８１は、紙、ポリエステル樹脂等の電気絶縁材料からなり、薄膜状に形成されている。抵抗部８２は、金属や半導体等からなり、線状又は箔状に形成されている。抵抗部８２の長さＬＧはゲージ長と呼ばれる。歪みゲージ８０は、接着剤等により被測定物の表面に貼り付けて使用される。
【０００４】
被測定物に外力が加わると、歪みゲージ８０の貼り付け位置である被測定物の表面に応力が発生し、これに伴って抵抗部８２のゲージ長ＬＧに伸び又は縮み量ΔＬが発生する。ΔＬとＬＧの比（ΔＬ／ＬＧ）を「歪み」といい、被測定物の表面に発生する「表面歪み」と等しい。金属等の抵抗は、歪みに比例して変化する。歪みゲージ８０の抵抗値をＲとし、歪みをε（＝ΔＬ／ＬＧ）とし、歪みεによる歪みゲージ８０の抵抗値の変化をΔＲとすると、下式（１）の関係が成立する。
ΔＲ／Ｒ＝Ｋ×ε ………（１）
ここに、Ｋは、比例定数であり、ゲージ率と呼ばれる。
【０００５】
また、歪みεと応力σ（荷重を作用面積で除した単位面積当たりの力。単位：Ｐａ パスカル。）との間には、下式（２）の関係が成立する。
σ＝Ｅ×ε ………（２）
ここに、Ｅ（単位：Ｐａ パスカル）は、比例定数であり、弾性係数又はヤング率と呼ばれる。
【０００６】
また、歪みゲージ８０におけるリード線８３及び８４は、金属等の導体で形成され、外部の電気回路等との接続に用いられ、上記した歪みゲージ８０の抵抗値変化を電圧値等の変化として外部に出力する。
【０００７】
なお、上記した歪みゲージ８０を４本用いて菱形状に接続し、いわゆる「ホイートストンブリッジ回路」を構成すれば、温度変化の影響の補償や、誤差の消去を行うことができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２０９１０２号公報（第１−１２頁、図１−１４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来のロードセルのような荷重測定装置においては、力検出部材を構成する弾性体は、荷重の増大につれて以下の挙動を示す。まず、図１３に示すように、応力が第１の値σp（以下、「比例限界応力」という）に達すると、上式（２）に示す歪みεと応力σの比例関係が終了し、その後は歪みεと応力σの関係が直線ではなく曲線状となる。その後さらに荷重を増すと応力が増大し、応力が第２の値σE（以下、「弾性限界応力」という）に達した後は、弾性体に生じた歪みは、荷重を除いても零に戻らず残留する。その後、荷重の増大につれて、応力は第３の値σy（以下、「降伏点応力」という）に達し、これ以降は歪みが増大し始め、最終的には破断（図１３の点Ｚを参照）に至る。
【００１０】
したがって、小荷重を精度良く計測できる力検出部材の弾性限界応力は小さいため、大荷重を作用させると、弾性限界を越え、極端な場合には力検出部材が破壊する、という問題があった。また、大荷重を計測できる力検出部材の弾性限界応力は大きいが、小荷重を作用させた場合には、発生する歪み値が小さすぎることとなり、測定値が誤差（ノイズ）に埋もれてしまい、精度良い測定が非常に困難となる、という問題があった。したがって、従来の荷重測定装置では、小荷重から大荷重までの広い範囲の値の荷重の精度良い測定を１台の装置で行うことは実際上できなかった。
【００１１】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、本発明の解決しようとする課題は、小荷重から大荷重までの広い範囲の値の荷重の精度良い測定が１台の装置で可能な荷重測定装置、及び荷重測定方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した荷重測定装置は、
弾性体からなり、一端で固定され他端が自由状態の梁状部材の略中央に荷重が載荷されるようにし、前記自由端の下方又は上方に不動部を設け、当該不動部と前記自由端との間に構造変換用間隙を設けて外力応答体を構成し、前記外力応答体の前記固定端付近の表面に歪みゲージを貼付し、
前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記自由端が前記不動部に接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記自由端が前記不動部に接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記自由端が前記不動部に接触した状態で前記梁状部材の略中央が前記不動部に接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
また、請求項２に記載した荷重測定装置は、請求項１記載の荷重測定装置において、
弾性体からなり、直線棒状に形成されたＮ（Ｎ：２以上の整数）個の直線部材を互いに平行に第１間隙を配して配置し前記Ｎ個の直線部材のうち同じ側で隣接する２個の端部どうしを（Ｎ−１）個の接合部材で交互に接合して構成される略Ｕ字状又は略Ｓ字状若しくは略波形状の外力応答体を備え、
前記直線部材のうち最も外側となる直線部材である最外直線部材を前記梁状部材としその内面の先端となる第１端の付近から前記第１端に対向する他の直線部材の端である第２端の付近へ向けて、又は前記第２端の付近から前記第１端の付近へ向けて、それぞれ突出部が突設されるとともに、前記突出部の先端付近に設けられる第１作用部と、前記第２端又は前記第１端の付近で前記第１作用部に対向する箇所に設けられる第２作用部との間に、前記構造変換用間隙として第２間隙が設けられ、
前記外力応答体の表面に歪みゲージが貼付され、
前記最外直線部材の外面の略中央の各々に同一軸上となり方向が逆となる荷重を作用させ、前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記第１作用部が前記第２作用部に接触した状態で前記最外直線部材の略中央と、隣接する直線部材が互いに接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載した荷重測定装置は、請求項２記載の荷重測定装置において、
前記荷重は圧縮荷重であり、前記荷重が前記第１荷重値未満の場合には、前記最外直線部材と、隣接する直線部材が互いに接近するように変形すること
を特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載した荷重測定装置は、請求項２記載の荷重測定装置において、
前記荷重は引張荷重であり、前記荷重が前記第１荷重値未満の場合には、前記最外直線部材と、隣接する直線部材は互いに離れるように変形すること
を特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に記載した荷重測定装置は、請求項４記載の荷重測定装置において、
前記突出部は略Ｌ字状に構成され、前記第１作用部は、前記略Ｌ字状の突出部の屈曲端部であり、
前記第２作用部は、前記第１作用部によって係止可能に設置された被係止部であること
を特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載した荷重測定装置は、請求項２記載の荷重測定装置において、
前記歪みゲージは、
前記最外直線部材と、前記最外直線部材に隣接する直線部材を接合する接合部材である最外接合部材の表面に貼付されること
を特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載した荷重測定方法は、
弾性体からなり、一端で固定され他端が自由状態の梁状部材の略中央に荷重が載荷されるようにし、前記自由端の下方又は上方に不動部を設け、当該不動部と前記自由端との間に構造変換用間隙を設けて外力応答体を構成し、前記外力応答体の前記固定端付近の表面に歪みゲージを貼付し、
前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記自由端が前記不動部に接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記自由端が前記不動部に接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記自由端が前記不動部に接触した状態で前記梁状部材の略中央が前記不動部に接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載した荷重測定装置は、請求項７記載の荷重測定方法において、
弾性体からなり、直線棒状に形成されたＮ（Ｎ：２以上の整数）個の直線部材を互いに平行に第１間隙を配して配置し前記Ｎ個の直線部材のうち同じ側で隣接する２個の端部どうしを（Ｎ−１）個の接合部材で交互に接合して構成される略Ｕ字状又は略Ｓ字状若しくは略波形状の外力応答体を用い、
前記直線部材のうち最も外側となる直線部材である最外直線部材を前記梁状部材としその内面の先端となる第１端の付近から前記第１端に対向する他の直線部材の端である第２端の付近へ向けて、又は前記第２端の付近から前記第１端の付近へ向けて、それぞれ突出部が突設されるとともに、前記突出部の先端付近に設けられる第１作用部と、前記第２端又は前記第１端の付近で前記第１作用部に対向する箇所に設けられる第２作用部との間に、前記構造変換用間隙として第２間隙が設けられ、
前記外力応答体の表面に歪みゲージが貼付され、
前記最外直線部材の外面の略中央の各々に同一軸上となり方向が逆となる荷重を作用させ、前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記第１作用部が前記第２作用部に接触した状態で前記最外直線部材の略中央と、隣接する直線部材が互いに接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。図１に示すように、この荷重測定装置１Ａは、第１直線部材１１Ａと、第２直線部材１２Ａと、接合部材１３Ａと、歪みゲージ８０と、載荷用スピンドル２３Ａ及び２４Ａを備えて構成されている。
【００２２】
第１直線部材１１Ａは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ａは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ａと第２直線部材１２Ａは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ａが配設されている。
【００２３】
また、第１直線部材１１Ａと第２直線部材１２Ａのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図１における第１直線部材１１Ａの左側の端部と、第２直線部材１２Ａの左側の端部は、接合部材１３Ａによって接合されている。接合部材１３Ａは、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ａと、第２直線部材１２Ａと、接合部材１３Ａは、全体が略Ｕ字状となる外力応答体１０Ａを構成している。
【００２４】
第２直線部材１２Ａの内面の先端となる第１端１４Ａの付近からは、第１端１４Ａに対向する直線部材である第１直線部材１１Ａの端である第２端１５Ａの付近へ向けて、突出部１６Ａが突設されている。図１の場合、第２直線部材１２Ａは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００２５】
また、突出部１６Ａの先端付近の面１７Ａは、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ａの付近で第１作用部１７Ａに対向する箇所の面１８Ａは、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａとの間には、第２間隙２０Ａが配設されている。この第２間隙２０Ａは、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００２６】
また、接合部材１３Ａの外面には、歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ａは、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【００２７】
また、第１直線部材１１Ａの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ａが形成され、この雌ネジ孔２１Ａに、載荷用スピンドル２３Ａの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第２直線部材１２Ａの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ａが形成され、この雌ネジ孔２２Ａに、載荷用スピンドル２４Ａの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ａが雌ネジ孔２１Ａにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ａが雌ネジ孔２２Ａにねじ込まれて取り付けられる。
【００２８】
次に、上記した構成の荷重測定装置１Ａを用いて荷重を測定する方法について、図１及び図２及び図３を用いて説明する。
【００２９】
まず、載荷用スピンドル２３Ａ、２４Ａの各々に、同一軸上となり方向が逆となる荷重、例えば図１ないし図３に示す圧縮荷重Ｐを作用させる。
【００３０】
この場合、圧縮荷重Ｐが小さく、圧縮荷重がある値（以下、「第１荷重値」という。）未満の値であるうちは、圧縮荷重Ｐを増加させていくと、図１に示すように、第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接近するように変形する。また、この場合、最外直線部材である第２直線部材１２Ａと、隣接する直線部材である第１直線部材１１Ａが互いに接近するように変形する。
【００３１】
その後、圧縮荷重Ｐをさらに増加させていくと、圧縮荷重Ｐが第１荷重値となったときに、変形量が第２間隙２０Ａの値と等しくなる。このため、図２に示すように、第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接触する。
【００３２】
さらにその後、圧縮荷重Ｐを第１荷重値を越えてさらに増加させていくと、図３に示すように、第１作用部１７Ａが第２作用部１８Ａに接触した状態を保ちつつ、第２直線部材１２Ａの略中央と、隣接する第１直線部材１１Ａが互いに接近するように変形する。
【００３３】
この際、歪みゲージ８０は、上記したホイートストンブリッジ回路等（図示せず）を構成しており、電源（図示せず）が接続されるとともに出力端（図示せず）が電圧計（図示せず）に接続され、歪みに対応した電圧が計測される。この電圧の変化から、歪みが算出される。
【００３４】
外力応答体１０Ａの構造は図１ないし図３のように既知であるから、あらかじめ数値計算によって、圧縮荷重Ｐと歪みとの関係を求めることができる。あるいは、値のわかっている荷重を載荷し、この場合の歪みを測定する予備試験を行ってもよい。これにより、歪みゲージ８０からの出力のみによって、圧縮荷重Ｐを測定することが可能となる。
【００３５】
次に、第１実施形態の荷重測定装置１Ａの作用原理を、図４を参照しながら説明する。
【００３６】
図１ないし図３に示す荷重測定装置１Ａにおける外力応答体１０Ａは、図１ないし図３の左端の接合部材１３Ａの略中央で切断すれば、２つの梁状部材となることがわかる。このことから、図１の状態（第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接触していない状態）の構造力学的モデルは、図４（Ａ）に示すような、いわゆる「片持ち梁」が２個、鏡対称状態で接続している、と考えることができる。すなわち、図１における第１直線部材１１Ａは、左端で固定され、右端が自由状態となっている梁の略中央に荷重Ｐが作用するような構造力学的モデル（以下、「第１構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。同様にして、第２直線部材１２Ａも、左端で固定され、右端が自由状態となっている梁の略中央点Ｃに荷重Ｐが作用するような構造力学的モデル（以下、「第１構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。
【００３７】
この場合、図４（Ａ）の片持ち梁ＡＢの固定端Ａにおける曲げモーメントＭA1は、荷重をＰとし載荷位置を梁の略中央とし固定端からの距離をａとすれば、ＭA1＝Ｐ×ａ（単位：Ｎｍ）となる。
【００３８】
これに対し、図２及び図３の状態（第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接触した後の状態）の構造力学的モデルは、図４（Ｂ）に示すような、左端が固定され、右端が単純支持された梁が２個、鏡対称状態で接続している、と考えることができる。すなわち、図２及び図３における第１直線部材１１Ａは、左端で固定され、右端が単純支持状態となっている梁の略中央点Ｃ´に荷重Ｐが作用するような構造力学的モデル（以下、「第２構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。同様にして、第２直線部材１２Ａも、左端で固定され、右端が単純支持状態となっている梁の略中央点Ｃ´に荷重Ｐが作用するような構造力学的モデル（以下、「第２構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。
【００３９】
この場合、図４（Ｂ）の「半固定・半単純支持梁」Ａ´Ｂ´の固定端Ａ´における曲げモーメントＭA2は、荷重をＰとし載荷位置を梁の略中央とし固定端からの距離をａとすれば、ＭA2＝３×Ｐ×ａ／８＝０．３７５×Ｐ×ａ（単位：Ｎｍ）となる。すなわち、この場合の固定端モーメントＭA2は、上記したＭA1の約０．４倍となっている。
【００４０】
このことから明らかなように、この荷重測定装置１Ａの外力応答体１０Ａは、第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接触する前の段階と、接触後の段階では、構造力学的モデルが異なるものへ変換され、それに伴い、固定端（図１ないし図３における図の左端）の曲げモーメントが接触前の４０％以下に減少するようになっている。歪みの値は、曲げモーメントの値に比例する。したがって、この荷重測定装置１Ａの歪みゲージ８０からの出力は、第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接触する前と後とでは、出力値が約６０％減少することになる。これは、この荷重測定装置１Ａでは、圧縮荷重Ｐの値が第１荷重値に達すると、それ以上の荷重では、歪みを測定する「感度」が０．４倍に下がる、ということを意味している。
【００４１】
このような原理により、本実施形態の荷重測定装置１Ａにおける外力応答体１０Ａの構造は、一端で固定され他端が自由状態の梁の略中央に荷重が載荷される第１構造モデルにおいて、自由端の下方又は上方に不動部を設け、この不動部と自由端との間に第２間隙２０Ａを設けた機構と略等価である。このため、荷重がある荷重値（第１荷重値）以上となると、自由端の変形量が第２間隙２０Ａの値と等しくなり、自由端が不動部に接触する。したがって、荷重が第１荷重値以上の場合には、外力応答体１０Ａの構造系が、一端で固定され他端が単純支持の梁の略中央に荷重が載荷される第２構造モデルに変換される。この場合、構造変換後の構造系の方が、固定端Ａ´付近の曲げモーメント及び歪みが、構造変換前の構造系のときよりも小さい。このため、歪み測定の感度を下げることができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。なお、図４（Ａ）の梁構造モデルにおいて、梁ＡＢの自由端Ｂのたわみが第１間隙２０Ａの値と等しくなるときの荷重Ｐが、構造モデルが第２構造モデルに変換するときの荷重Ｐとなる。また、図４（Ｂ）の第２構造モデルにおいて、測定できる荷重Ｐの最大値は、荷重Ｐによる応力が梁Ａ´Ｂ´の強度以下であるとすると、梁Ａ´Ｂ´の中央点Ｃ´のたわみが第１間隙１９Ａの値と等しくなり、梁の中央点Ｃ´の下面が下方の不動部の床に接触するときの荷重となる。
【００４２】
なお、上記した突出部１６Ａのかわりに、第１直線部材１１Ａの内面の先端である第２端１５Ａの付近から、第２端１５Ａに対向する直線部材である第２直線部材１２Ａの端である第１端１４Ａの付近へ向けて突設される突出部（図示せず）を設けてもよい。この場合には、第１直線部材１１Ａは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００４３】
この場合には、第２端１５Ａから突設される他の突出部の先端付近の面が、他の第１作用部となる。また、第１端１４Ａの付近で、前記の他の第１作用部に対向する箇所の面が、他の第２作用部となる。また、他の第１作用部と他の第２作用部との間に配される間隙が、第２間隙となる。
【００４４】
（２）第２実施形態
本発明は、上記した第１実施形態以外の他の構成によっても、実現可能である。図５は、本発明の第２実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。また、図６は、第２実施形態の荷重測定装置において載荷により第１作用部と第２作用部が互いに接触した状態を示す図である。
【００４５】
図５に示すように、この荷重測定装置１Ｂは、第１直線部材１１Ｂと、第２直線部材１２Ｂと、接合部材１３Ｂと、歪みゲージ８０と、載荷用スピンドル２３Ｂ及び２４Ｂを備えて構成されている。図１ないし図３の第１実施形態１Ａと、図５及び図６の第２実施形態１Ｂは、第１直線部材と第２直線部材、及び載荷用スピンドルの上下関係が逆になっている。
【００４６】
第１直線部材１１Ｂは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｂは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ｂと第２直線部材１２Ｂは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｂが配設されている。
【００４７】
また、第１直線部材１１Ｂと第２直線部材１２Ｂのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図５における第１直線部材１１Ｂの左側の端部と、第２直線部材１２Ｂの左側の端部は、接合部材１３Ｂによって接合されている。接合部材１３Ｂは、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ｂと、第２直線部材１２Ｂと、接合部材１３Ｂは、全体が略Ｕ字状となる外力応答体１０Ｂを構成している。
【００４８】
第２直線部材１２Ｂの内面の先端となる第１端１４Ｂの付近からは、第１端１４Ｂに対向する直線部材である第１直線部材１１Ｂの端である第２端１５Ｂの付近へ向けて、突出部１６Ｂが突設されている。この突出部１６Ｂは、略Ｌ字状に構成されている。図５の場合、第２直線部材１２Ｂは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００４９】
また、略Ｌ字状の突出部１６Ｂの先端付近は、第１直線部材１１Ｂの下部へ回り込むように図５の左側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｂとなっており、この屈曲端部１７Ｂは、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｂの付近で第１作用部１７Ｂに対向する箇所の面１８Ｂは、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｂは、第１作用部１７Ｂによって係止可能であり、第２作用部１８Ｂは、第１作用部１７Ｂに対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂとの間には、第２間隙２０Ｂが配設されている。この第２間隙２０Ｂは、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００５０】
また、接合部材１３Ｂの外面には、歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ｂは、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【００５１】
また、第１直線部材１１Ｂの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ｂが形成され、この雌ネジ孔２１Ｂに、載荷用スピンドル２３Ｂの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第２直線部材１２Ｂの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ｂが形成され、この雌ネジ孔２２Ｂに、載荷用スピンドル２４Ｂの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ｂが雌ネジ孔２１Ｂにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ｂが雌ネジ孔２２Ｂにねじ込まれて取り付けられる。
【００５２】
次に、上記した構成の荷重測定装置１Ｂを用いて荷重を測定する方法について、図５及び図６を用いて説明する。
【００５３】
まず、載荷用スピンドル２３Ｂ、２４Ｂの各々に、同一軸上となり方向が逆となる荷重、例えば図５及び図６に示す引張荷重Ｔを作用させる。
【００５４】
この場合、引張荷重Ｔが小さく、圧縮荷重がある値（以下、「第１荷重値」という。）未満の値であるうちは、引張荷重Ｔを増加させていくと、図５に示すように、第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接近するように変形する。また、この場合、最外直線部材である第２直線部材１２Ｂと、隣接する直線部材である第１直線部材１１Ｂは互いに離れるように変形する。
【００５５】
その後、圧縮荷重Ｐをさらに増加させていくと、引張荷重Ｔが第１荷重値となったときに、変形量が第２間隙２０Ｂの値と等しくなる。このため、図２に示すように、第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触する。
【００５６】
さらにその後、引張荷重Ｔを第１荷重値を越えてさらに増加させていくと、図示はしていないが、第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触した状態を保ちつつ、第２直線部材１２Ｂの略中央と、隣接する第１直線部材１１Ｂは互いに離れるように変形する。
【００５７】
この際、歪みゲージ８０は、上記したホイートストンブリッジ回路等（図示せず）を構成しており、電源（図示せず）が接続されるとともに出力端（図示せず）が電圧計（図示せず）に接続され、歪みに対応した電圧が計測される。この電圧の変化から、歪みが算出される。
【００５８】
外力応答体１０Ｂの構造は図５及び図６のように既知であるから、あらかじめ数値計算によって、引張荷重Ｔと歪みとの関係を求めることができる。あるいは、値のわかっている荷重を載荷し、この場合の歪みを測定する予備試験を行ってもよい。これにより、歪みゲージ８０からの出力のみによって、引張荷重Ｔを測定することが可能となる。
【００５９】
第２実施形態の荷重測定装置１Ｂの作用原理は、図４における荷重Ｐのかわりに、逆向き（上向き）の荷重Ｔが梁の略中央に作用するような構造力学的モデルと略等価である。したがって、曲げモーメントや歪みは、正負の符号が逆となるだけで、絶対値では、同じ挙動を示す。
【００６０】
すなわち、図５及び図６に示す荷重測定装置１Ｂにおける外力応答体１０Ｂは、図５及び図６の左端の接合部材１３Ｂの略中央で切断すれば、２つの梁状部材となることがわかる。このことから、図５の状態（第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触していない状態）の構造力学的モデルは、図４（Ｂ）に示すような、いわゆる「片持ち梁」が２個、鏡対称状態で接続している、と考えることができる。すなわち、図５における第１直線部材１１Ｂは、左端で固定され、右端が自由状態となっている梁の略中央に荷重Ｐとは逆方向の荷重Ｔ（図示せず）が作用するような構造力学的モデル（以下、「第１構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。同様にして、第２直線部材１２Ｂも、左端で固定され、右端が自由状態となっている梁の略中央に荷重Ｔ（図示せず）が作用するような構造力学的モデル（以下、「第１構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。
【００６１】
この場合、図４（Ｂ）の片持ち梁ＡＢの固定端の曲げモーメントＭA1は、荷重をＴとし載荷位置を梁の略中央とし固定端からの距離をａとすれば、ＭA1＝−Ｔ×ａ（単位：Ｎｍ）となる。
【００６２】
これに対し、図６の状態（第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触した後の状態）の構造力学的モデルは、図４（Ｂ）に示すような、左端が固定され、右端が単純支持された梁が２個、鏡対称状態で接続している、と考えることができる。すなわち、図６における第１直線部材１１Ｂは、左端で固定され、右端が単純支持状態（支点の不動部は支点の上方となり、図４（Ｂ）とは逆になる。）となっている梁の略中央に荷重Ｐとは逆方向の荷重Ｔ（図示せず）が作用するような構造力学的モデル（以下、「第２構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。同様にして、第２直線部材１２Ｂも、左端で固定され、右端が単純支持状態（支点の不動部は支点の上方となり、図４（Ｂ）とは逆になる。）となっている梁の略中央に荷重Ｔ（図示せず）が作用するような構造力学的モデル（以下、「第２構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。
【００６３】
この場合、図４（Ｂ）の「半固定・半単純支持梁」Ｂ´Ｂ´の固定端の曲げモーメントＭA2は、荷重をＴとし載荷位置を梁の略中央とし固定端からの距離をａとすれば、ＭA2＝−３×Ｔ×ａ／８＝−０．３７５×Ｔ×ａ（単位：Ｎｍ）となる。すなわち、この場合の固定端モーメントＭA2は、上記したＭA1の約０．４倍となっている。
【００６４】
このことから明らかなように、この荷重測定装置１Ｂの外力応答体１０Ｂは、第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触する前の段階と、接触後の段階では、構造力学的モデルが異なるものへ変換され、それに伴い、固定端（図５及び図６における図の左端）の曲げモーメントが接触前の４０％以下に減少するようになっている。歪みの値は、曲げモーメントの値に比例する。したがって、この荷重測定装置１Ｂの歪みゲージ８０からの出力は、第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触する前と後とでは、出力値が約６０％減少することになる。これは、この荷重測定装置１Ｂでは、引張荷重Ｔの値が第１荷重値に達すると、それ以上の荷重では、歪みを測定する「感度」が０．４倍に下がる、ということを意味している。
【００６５】
このような原理により、本実施形態の荷重測定装置１Ｂにおける外力応答体１０Ｂの構造は、一端で固定され他端が自由状態の梁の略中央に荷重が載荷される第１構造モデルにおいて、自由端の上方に不動部を設け、この不動部と自由端との間に第２間隙２０Ｂを設けた機構と略等価である。このため、荷重がある荷重値（第１荷重値）以上となると、自由端の変形量が第２間隙２０Ｂの値と等しくなり、自由端が上方の不動部に接触する。したがって、荷重が第１荷重値以上の場合には、外力応答体１０Ｂの構造系が、一端で固定され他端が単純支持の梁の略中央に荷重が載荷される第２構造モデルに変換される。この場合、構造変換後の構造系の方が、固定端付近の曲げモーメント及び歪みが、構造変換前の構造系のときよりも小さい。このため、歪み測定の感度を下げることができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。なお、図４（Ａ）の梁構造モデルにおいて、梁ＡＢの自由端Ｂのたわみが第１間隙２０Ｂの値と等しくなるときの荷重Ｐが、構造モデルが第２構造モデルに変換するときの荷重Ｐとなる。また、上記した第２構造モデルにおいて、測定できる荷重Ｔの最大値は、荷重Ｔによる応力が梁の強度以下であるとすると、梁Ａ´Ｂ´の中央点Ｃ´のたわみが第１間隙１９Ｂの値と等しくなり、梁の中央点の上面が上方の不動部の天井に接触するときの荷重となる。
【００６６】
なお、上記した突出部１６Ｂのかわりに、第１直線部材１１Ｂの内面の先端である第２端１５Ｂの付近から、第２端１５Ｂに対向する直線部材である第２直線部材１２Ｂの端である第１端１４Ｂの付近へ向けて突設される略Ｌ字状の突出部（図示せず）を設けてもよい。この場合には、第１直線部材１１Ｂは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００６７】
この場合には、第２端１５Ｂから突設される略Ｌ字状の他の突出部の先端付近から屈曲する屈曲端部が、他の第１作用部となる。また、第１端１４Ｂの付近で、前記の他の第１作用部に対向する箇所の面が、他の第２作用部となる。また、他の第１作用部と他の第２作用部との間に配される間隙が、第２間隙となる。
【００６８】
（３）第３実施形態
本発明は、上記した第１、２実施形態以外の他の構成によっても、実現可能である。図７は、本発明の第３実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【００６９】
図７に示すように、この荷重測定装置１Ｃは、第１直線部材１１Ｃと、第２直線部材１２Ｃと、接合部材１３Ｃと、歪みゲージ８０と、載荷用スピンドル２３Ｃ及び２４Ｃを備えて構成されている。図１ないし図３の第１実施形態１Ａと、図７の第３実施形態１Ｃは、第１直線部材と第２直線部材、及び載荷用スピンドルの上下関係が逆になっている。
【００７０】
第１直線部材１１Ｃは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｃは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ｃと第２直線部材１２Ｃは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｃが配設されている。
【００７１】
また、第１直線部材１１Ｃと第２直線部材１２Ｃのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図７における第１直線部材１１Ｃの左側の端部と、第２直線部材１２Ｃの左側の端部は、接合部材１３Ｃによって接合されている。接合部材１３Ｃは、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ｃと、第２直線部材１２Ｃと、接合部材１３Ｃは、全体が略Ｕ字状となる外力応答体１０Ｃを構成している。
【００７２】
第２直線部材１２Ｃの内面の先端となる第１端１４Ｃの付近からは、第１端１４Ｃに対向する直線部材である第１直線部材１１Ｃの端である第２端１５Ｃの付近へ向けて、突出部１６Ｃ１と突出部１６Ｃ２が突設されている。突出部１６Ｃ２は、略Ｌ字状に構成されている。図７の場合、第２直線部材１２Ｃは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００７３】
また、突出部１６Ｃ１の先端付近の面１７Ｃ１は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｃの付近で第１作用部１７Ｃ１に対向する箇所の面１８Ｃ１は、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ｃ１と第２作用部１８Ｃ１との間には、第２間隙２０Ｃ１が配設されている。この第２間隙２０Ｃ１は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００７４】
さらに、略Ｌ字状の突出部１６Ｃ２の先端付近は、第１直線部材１１Ｃの下部へ回り込むように図７の左側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｃ２となっており、この屈曲端部１７Ｃ２は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｃの付近で第１作用部１７Ｃ２に対向する箇所の面１８Ｃ２は、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｃ２は、第１作用部１７Ｃ２によって係止可能であり、第２作用部１８Ｃ２は、第１作用部１７Ｃ２に対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｃ２と第２作用部１８Ｃ２との間には、第２間隙２０Ｃ２が配設されている。この第２間隙２０Ｃ２は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００７５】
また、接合部材１３Ｃの外面には、歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ｃは、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【００７６】
また、第１直線部材１１Ｃの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ｃが形成され、この雌ネジ孔２１Ｃに、載荷用スピンドル２３Ｃの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第２直線部材１２Ｃの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ｃが形成され、この雌ネジ孔２２Ｃに、載荷用スピンドル２４Ｃの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ｃが雌ネジ孔２１Ｃにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ｃが雌ネジ孔２２Ｃにねじ込まれて取り付けられる。
【００７７】
上記した第３実施形態の荷重測定装置１Ｃは、第１実施形態の荷重測定装置１Ａと第２実施形態の荷重測定装置１Ｂを合体させた構成を有しており、その作用も、第１実施形態の荷重測定装置１Ａと第２実施形態の荷重測定装置１Ｂの両者の機能を併せ持っている。したがって、この第３実施形態の荷重測定装置１Ｃを用いれば、上記した第１実施形態の荷重測定装置１Ａの荷重測定方法と、第２実施形態の荷重測定装置１Ｂの荷重測定方法の両方を１台の装置で行うことができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。
【００７８】
（４）第４実施形態
本発明は、上記した第１ないし第３実施形態以外の他の構成によっても、実現可能である。図８は、本発明の第４実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【００７９】
図８に示すように、この荷重測定装置１Ｄは、第１直線部材１１Ｄと、第２直線部材１２Ｄと、第３直線部材３３Ｄと、接合部材１３Ｄ１及び１３Ｄ２と、２つの歪みゲージ８０、８０と、載荷用スピンドル２３Ｄ及び２４Ｄを備えて構成されている。
【００８０】
第１直線部材１１Ｄは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｄは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第３直線部材３３Ｄは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ｄと第２直線部材１２Ｄは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｄ１が配設されている。また、第２直線部材１２Ｄと第３直線部材３３Ｄは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｄ２が配設されている。
【００８１】
また、第１直線部材１１Ｄと第２直線部材１２Ｄのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図８における第１直線部材１１Ｄの左側の端部と、第２直線部材１２Ｄの左側の端部は、接合部材１３Ｄ１によって接合されている。接合部材１３Ｄ１は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｄと第３直線部材３３Ｄのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図８における第２直線部材１２Ｄの右側の端部と、第３直線部材３３Ｄの右側の端部は、接合部材１３Ｄ２によって接合されている。接合部材１３Ｄ２は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ｄと、第２直線部材１２Ｄと、接合部材１３Ｄ１と、第３直線部材３３Ｄと、接合部材１３Ｄ２は、全体が略Ｓ字状となる外力応答体１０Ｄを構成している。
【００８２】
第１直線部材１１Ｄの内面の先端となる第１端１４Ｄ１の付近からは、第１端１４Ｄ１に対向する直線部材である第２直線部材１２Ｄの端である第２端１５Ｄ１の付近へ向けて、突出部１６Ｄ１が突設されている。また、第３直線部材３３Ｄの内面の先端となる第１端１４Ｄ２の付近からは、第１端１４Ｄ２に対向する直線部材である第２直線部材１２Ｄの端である第２端１５Ｄ２の付近へ向けて、突出部１６Ｄ２が突設されている。図８の場合、第１直線部材１１Ｄ及び第３直線部材３３Ｄは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００８３】
また、突出部１６Ｄ１の先端付近の面１７Ｄ１は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｄ１の付近で第１作用部１７Ｄ１に対向する箇所の面１８Ｄ１は、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ｄ１と第２作用部１８Ｄ１との間には、第２間隙２０Ｄ１が配設されている。この第２間隙２０Ｄ１は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００８４】
また、突出部１６Ｄ２の先端付近の面１７Ｄ２は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｄ２の付近で第１作用部１７Ｄ２に対向する箇所の面１８Ｄ２は、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ｄ２と第２作用部１８Ｄ２との間には、第２間隙２０Ｄ２が配設されている。この第２間隙２０Ｄ２は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００８５】
また、接合部材１３Ｄ１の外面、及び接合部材１３Ｄ２の外面には、それぞれ歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ｄ１及び１３Ｄ２は、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【００８６】
また、第１直線部材１１Ｄの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ｄが形成され、この雌ネジ孔２１Ｄに、載荷用スピンドル２３Ｄの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第３直線部材３３Ｄの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ｄが形成され、この雌ネジ孔２２Ｄに、載荷用スピンドル２４Ｄの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ｄが雌ネジ孔２１Ｄにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ｄが雌ネジ孔２２Ｄにねじ込まれて取り付けられる。
【００８７】
上記した第４実施形態の荷重測定装置１Ｄは、３個の直線部材の端部を交互に接合部材で接合し、外力応答体が全体として略Ｓ字状となるように構成したものである。この第４実施形態の荷重測定装置１Ｄは、第１実施形態の荷重測定装置１Ａと同様の原理により、圧縮荷重Ｐの測定が可能となっており、圧縮荷重Ｐがある荷重値（第１荷重値）以上となると、機械的な作用（メカニズム）が働いて外力応答体１０Ｄの構造系が変換され、歪み測定の感度を下げることができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。
【００８８】
（５）第５実施形態
本発明は、上記した第１ないし第４実施形態以外の他の構成によっても、実現可能である。図９は、本発明の第５実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【００８９】
図９に示すように、この荷重測定装置１Ｅは、第１直線部材１１Ｅと、第２直線部材１２Ｅと、第３直線部材３３Ｅと、接合部材１３Ｅ１及び１３Ｅ２と、２つの歪みゲージ８０、８０と、載荷用スピンドル２３Ｅ及び２４Ｅを備えて構成されている。
【００９０】
第１直線部材１１Ｅは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｅは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第３直線部材３３Ｅは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ｅと第２直線部材１２Ｅは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｅ１が配設されている。また、第２直線部材１２Ｅと第３直線部材３３Ｅは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｅ２が配設されている。
【００９１】
また、第１直線部材１１Ｅと第２直線部材１２Ｅのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図９における第１直線部材１１Ｅの左側の端部と、第２直線部材１２Ｅの左側の端部は、接合部材１３Ｅ１によって接合されている。接合部材１３Ｅ１は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｅと第３直線部材３３Ｅのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図９における第２直線部材１２Ｅの右側の端部と、第３直線部材３３Ｅの右側の端部は、接合部材１３Ｅ２によって接合されている。接合部材１３Ｅ２は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ｅと、第２直線部材１２Ｅと、接合部材１３Ｅ１と、第３直線部材３３Ｅと、接合部材１３Ｅ２は、全体が略Ｓ字状となる外力応答体１０Ｅを構成している。
【００９２】
第２直線部材１２Ｅの内面の先端となる第１端１４Ｅ１の付近からは、第１端１４Ｅ１に対向する直線部材である第１直線部材１１Ｅの端である第２端１５Ｅ１の付近へ向けて、突出部１６Ｅ１が突設されている。突出部１６Ｅ１は、略Ｌ字状に構成されている。また、第２直線部材１２Ｅの内面の先端となる第１端１４Ｅ２の付近からは、第１端１４Ｅ２に対向する直線部材である第３直線部材３３Ｅの端である第２端１５Ｅ２の付近へ向けて、突出部１６Ｅ２が突設されている。突出部１６Ｅ２は、略Ｌ字状に構成されている。図９の場合、第１直線部材１１Ｅ及び第３直線部材３３Ｅは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００９３】
また、略Ｌ字状の突出部１６Ｅ１の先端付近は、第１直線部材１１Ｅの下部へ回り込むように図９の左側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｅ１となっており、この屈曲端部１７Ｅ１は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｅの付近で第１作用部１７Ｅ１に対向する箇所の面１８Ｅ１は、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｅ１は、第１作用部１７Ｅ１によって係止可能であり、第２作用部１８Ｅ１は、第１作用部１７Ｅ１に対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｅ１と第２作用部１８Ｅ１との間には、第２間隙２０Ｅ１が配設されている。この第２間隙２０Ｅ１は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００９４】
また、略Ｌ字状の突出部１６Ｅ２の先端付近は、第３直線部材３３Ｅの下部へ回り込むように図９の右側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｅ２となっており、この屈曲端部１７Ｅ２は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｅの付近で第１作用部１７Ｅ２に対向する箇所の面１８Ｅ２は、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｅ２は、第１作用部１７Ｅ２によって係止可能であり、第２作用部１８Ｅ２は、第１作用部１７Ｅ２に対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｅ２と第２作用部１８Ｅ２との間には、第２間隙２０Ｅ２が配設されている。この第２間隙２０Ｅ２は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００９５】
また、接合部材１３Ｅ１の外面、及び接合部材１３Ｅ２の外面には、それぞれ歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ｅ１及び１３Ｅ２は、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【００９６】
また、第１直線部材１１Ｅの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ｅが形成され、この雌ネジ孔２１Ｅに、載荷用スピンドル２３Ｅの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第３直線部材３３Ｅの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ｅが形成され、この雌ネジ孔２２Ｅに、載荷用スピンドル２４Ｅの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ｅが雌ネジ孔２１Ｅにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ｅが雌ネジ孔２２Ｅにねじ込まれて取り付けられる。
【００９７】
上記した第５実施形態の荷重測定装置１Ｅは、３個の直線部材の端部を交互に接合部材で接合し、外力応答体が全体として略Ｓ字状となるように構成したものである。この第５実施形態の荷重測定装置１Ｅは、第２実施形態の荷重測定装置１Ｂと同様の原理により、引張荷重Ｔの測定が可能となっており、引張荷重Ｔがある荷重値（第１荷重値）以上となると、機械的な作用（メカニズム）が働いて外力応答体１０Ｅの構造系が変換され、歪み測定の感度を下げることができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。
【００９８】
（６）第６実施形態
本発明は、上記した第１ないし第５実施形態以外の他の構成によっても、実現可能である。図１０は、本発明の第６実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【００９９】
図１０に示すように、この荷重測定装置１Ｆは、第１直線部材１１Ｆと、第２直線部材１２Ｆと、第３直線部材３３Ｆと、接合部材１３Ｆ１及び１３Ｆ２と、２つの歪みゲージ８０、８０と、載荷用スピンドル２３Ｆ及び２４Ｆを備えて構成されている。
【０１００】
第１直線部材１１Ｆは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｆは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第３直線部材３３Ｆは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ｆと第２直線部材１２Ｆは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｆ１が配設されている。また、第２直線部材１２Ｆと第３直線部材３３Ｆは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｆ２が配設されている。
【０１０１】
また、第１直線部材１１Ｆと第２直線部材１２Ｆのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図１０における第１直線部材１１Ｆの左側の端部と、第２直線部材１２Ｆの左側の端部は、接合部材１３Ｆ１によって接合されている。接合部材１３Ｆ１は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｆと第３直線部材３３Ｆのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図１０における第２直線部材１２Ｆの右側の端部と、第３直線部材３３Ｆの右側の端部は、接合部材１３Ｆ２によって接合されている。接合部材１３Ｆ２は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ｆと、第２直線部材１２Ｆと、接合部材１３Ｆ１と、第３直線部材３３Ｆと、接合部材１３Ｆ２は、全体が略Ｓ字状となる外力応答体１０Ｆを構成している。
【０１０２】
第２直線部材１２Ｆの内面の先端となる第１端１４Ｆ１の付近からは、第１端１４Ｆ１に対向する直線部材である第１直線部材１１Ｆの端である第２端１５Ｆ１の付近へ向けて、突出部１６Ｆ１１突出部１６Ｆ１２とが突設されている。突出部１６Ｆ１２は、略Ｌ字状に構成されている。また、第２直線部材１２Ｆの内面の先端となる第１端１４Ｆ２の付近からは、第１端１４Ｆ２に対向する直線部材である第３直線部材３３Ｆの端である第２端１５Ｆ２の付近へ向けて、突出部１６Ｆ２１と突出部１６Ｆ２２が突設されている。突出部１６Ｆ２２は、略Ｌ字状に構成されている。図１０の場合、第１直線部材１１Ｆ及び第３直線部材３３Ｆは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【０１０３】
また、突出部１６Ｆ１１の先端付近の面１７Ｆ１１は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｆ１の付近で第１作用部１７Ｆ１１に対向する箇所の面１８Ｆ１１は、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ｆ１１と第２作用部１８Ｆ１１との間には、第２間隙２０Ｆ１１が配設されている。この第２間隙２０Ｆ１１は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【０１０４】
また、略Ｌ字状の突出部１６Ｆ１２の先端付近は、第１直線部材１１Ｆの下部へ回り込むように図１０の左側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｆ１２となっており、この屈曲端部１７Ｆ１２は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｆ１の付近で第１作用部１７Ｆ１２に対向する箇所の面１８Ｆ１２は、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｆ１２は、第１作用部１７Ｆ１２によって係止可能であり、第２作用部１８Ｆ１２は、第１作用部１７Ｆ１２に対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｆ１２と第２作用部１８Ｆ１２との間には、第２間隙２０Ｆ１２が配設されている。この第２間隙２０Ｆ１２は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【０１０５】
また、突出部１６Ｆ２１の先端付近の面１７Ｆ２１は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｆ２の付近で第１作用部１７Ｆ２１に対向する箇所の面１８Ｆ２１は、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ｆ２１と第２作用部１８Ｆ２１との間には、第２間隙２０Ｆ２１が配設されている。この第２間隙２０Ｆ２１は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【０１０６】
また、略Ｌ字状の突出部１６Ｆ２２の先端付近は、第３直線部材３３Ｆの下部へ回り込むように図１０の右側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｆ２２となっており、この屈曲端部１７Ｆ２２は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｆ２の付近で第１作用部１７Ｆ２２に対向する箇所の面１８Ｆ２２は、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｆ２２は、第１作用部１７Ｆ２２によって係止可能であり、第２作用部１８Ｆ２２は、第１作用部１７Ｆ２２に対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｆ２２と第２作用部１８Ｆ２２との間には、第２間隙２０Ｆ２２が配設されている。この第２間隙２０Ｆ２２は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【０１０７】
また、接合部材１３Ｆ１の外面、及び接合部材１３Ｆ２の外面には、それぞれ歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ｆ１及び１３Ｆ２は、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【０１０８】
また、第１直線部材１１Ｆの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ｆが形成され、この雌ネジ孔２１Ｆに、載荷用スピンドル２３Ｆの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第３直線部材３３Ｆの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ｆが形成され、この雌ネジ孔２２Ｆに、載荷用スピンドル２４Ｆの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ｆが雌ネジ孔２１Ｆにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ｆが雌ネジ孔２２Ｆにねじ込まれて取り付けられる。
【０１０９】
上記した第６実施形態の荷重測定装置１Ｆは、３個の直線部材の端部を交互に接合部材で接合し、外力応答体が全体として略Ｓ字状となるように構成したものである。この第６実施形態の荷重測定装置１Ｆは、第２実施形態の荷重測定装置１Ｃと同様の原理により、圧縮荷重Ｐと引張荷重Ｔの両方の測定が可能となっており、圧縮荷重Ｐ又は引張荷重Ｔがある荷重値（第１荷重値）以上となると、機械的な作用（メカニズム）が働いて外力応答体１０Ｆの構造系が変換され、歪み測定の感度を下げることができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。
【０１１０】
なお、本発明は、上記した各実施形態に限定されるものではない。上記した各実施形態や例は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【０１１１】
例えば、上記各実施形態においては、接合部材として、弧状に形成された部材を例に挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、接合部材は隣接する２個の直線部材を接合できればよく、直線状の部材であってもよい。したがって、外力応答体全体としては、略Ｕ字状の構成のほか、略コ字状の構成であってもよい。あるいは、外力応答体全体としては、略Ｓ字状の構成のほか、隅角部が略直角状の略Ｓ字状の構成であってもよい。あるいは、外力応答体全体としては、隅角部が滑らかな略波形状の構成のほか、隅角部が略直角状の略波形状の構成であってもよい。
【０１１２】
上記した実施形態においては、外力応答体として、直線部材２個と接合部材１個により全体として略Ｕ字状となるもの、及び直線部材３個と接合部材２個により全体として略Ｓ字状となるものを例に挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、外力応答体は、他の構成、例えば、直線部材Ｎ（Ｎ：２以上の整数）個と接合部材（Ｎ−１）個により全体として略波形状となるものであってもよい。この場合には、外力応答体は、直線棒状に形成されたＮ（Ｎ：２以上の整数）個の直線部材を互いに平行に第１間隙を配して配置し、前記Ｎ個の直線部材のうち同じ側で隣接する２個の端部どうしを（Ｎ−１）個の接合部材で交互に接合して構成される略Ｕ字状又は略Ｓ字状若しくは略波形状の外力応答体となり、前記直線部材のうち最も外側となる直線部材である最外直線部材の内面の先端となる第１端の付近から前記第１端に対向する他の直線部材の端である第２端の付近へ向けて、又は前記第２端の付近から前記第１端の付近へ向けて、それぞれ突出部が突設されるとともに、前記突出部の先端付近に設けられる第１作用部と、前記第２端又は前記第１端の付近で前記第１作用部に対向する箇所に設けられる第２作用部との間に、第２間隙が設けられることとなる。
【０１１３】
また、上記各実施形態においては、荷重が載荷用スピンドルによって載荷される例について説明したが、本発明はこれには限定されず、載荷方法は、他の方法でもよい。例えば、ボルトによりスピンドルを直線部材に固定する方法でもよい。また、圧縮荷重の場合には、凹部にスピンドル状の部材を挿入するだけでも載荷は可能である。
【０１１４】
上記各実施形態により、圧縮荷重と引張荷重の測定が可能である。また、剪断力は、例えば長方形状の部材の底辺を固定し、上辺に水平力として圧縮荷重又は引張荷重を載荷すればよい。また、ねじりモーメントは、軸が回転しないように固定し軸中心線のまわりのモーメントとなるように軸の所定箇所に圧縮荷重又は引張荷重を載荷すればよい。したがって、上記各実施形態で説明した圧縮荷重測定、あるいは引張荷重測定を応用することにより、本発明の荷重測定装置又は荷重測定方法を用いて、剪断力やねじりモーメントも測定することができる。
【０１１５】
なお、上記した荷重測定装置における第１荷重値や、全体としての最大測定荷重値は、各部材の材質（強度、弾性係数など）、各部材の寸法（部材長さ、断面積、断面２次モーメントなど）、第１間隙の値、第２間隙の値、などを適宜に設定することにより、所望の値のものを得ることができる。
【０１１６】
上記した本発明の原理より、本発明は、上記した実施形態以外の構造によっても実現可能である。すなわち、図１１（Ａ）に示すように、鋼等の弾性体からなり、一端（固定端４３Ｇ）が強固な床又は壁等からなる不動部４５Ｇで固定され、他端４４Ｇが自由状態となっている曲がり梁状の梁状部材４１Ｇの略中央に圧縮荷重Ｐが載荷されるようにし、自由端４４Ｇの下方に不動部４６Ｇを設け、当該不動部４６Ｇと自由端４４Ｇとの間に構造変換用間隙４７Ｇを設けて外力応答体１０Ｇを構成し、外力応答体１０Ｇの固定端４３Ｇ付近の表面に歪みゲージ８０を貼付するように構成してもよい。このように構成すれば、荷重Ｐが第１荷重値未満の場合には自由端４４Ｇが不動部４６Ｇに接近するように変形し、圧縮荷重Ｐが第１荷重値と等しくなった場合には自由端４４Ｇが不動部４６Ｇに接触し、圧縮荷重Ｐが第１荷重値を越えた場合には自由端４４Ｇが不動部４６Ｇに接触した状態で梁状部材４１Ｇの略中央が不動部４８Ｇに接近するように変形するように構成し、歪みゲージ８０の出力から圧縮荷重Ｐの値を測定することができる。
【０１１７】
また、本発明は、上記した実施形態以外の構造によっても実現可能である。すなわち、図１１（Ｂ）に示すように、鋼等の弾性体からなり、一端（固定端４３Ｈ）が強固な床又は壁等からなる不動部４５Ｈで固定され、他端４４Ｈが自由状態となっている直線梁状の梁状部材４１Ｈの略中央に圧縮荷重Ｐが載荷されるようにし、自由端４４Ｈの下方に不動部４６Ｈを設け、当該不動部４６Ｈと自由端４４Ｈとの間に構造変換用間隙４７Ｈを設けて外力応答体１０Ｈを構成し、外力応答体１０Ｈの固定端４３Ｈ付近の表面に歪みゲージ８０を貼付するように構成してもよい。このように構成すれば、圧縮荷重Ｐが第１荷重値未満の場合には自由端４４Ｈが不動部４６Ｈに接近するように変形し、圧縮荷重Ｐが第１荷重値と等しくなった場合には自由端４４Ｈが不動部４６Ｈに接触し、圧縮荷重Ｐが第１荷重値を越えた場合には自由端４４Ｈが不動部４６Ｈに接触した状態で梁状部材４１Ｈの略中央が不動部４８Ｈに接近するように変形するように構成し、歪みゲージ８０の出力から圧縮荷重Ｐの値を測定することができる。
【０１１８】
また、本発明は、上記した実施形態以外の構造によっても実現可能である。すなわち、図１１（Ｃ）に示すように、鋼等の弾性体からなり、一端（固定端４３Ｊ）が強固な床又は壁等からなる不動部４５Ｊで固定され、他端４４Ｊが自由状態となっている曲がり梁状の梁状部材４１Ｊの略中央に引張荷重Ｔが載荷されるようにし、自由端４４Ｊの上方に不動部４６Ｊを設け、当該不動部４６Ｊと自由端４４Ｊとの間に構造変換用間隙４７Ｊを設けて外力応答体１０Ｊを構成し、外力応答体１０Ｊの固定端４３Ｊ付近の表面に歪みゲージ８０を貼付するように構成してもよい。このように構成すれば、荷重Ｔが第１荷重値未満の場合には自由端４４Ｊが不動部４６Ｊに接近するように変形し、引張荷重Ｔが第１荷重値と等しくなった場合には自由端４４Ｊが不動部４６Ｊに接触し、引張荷重Ｔが第１荷重値を越えた場合には自由端４４Ｊが不動部４６Ｊに接触した状態で梁状部材４１Ｊの略中央が不動部４８Ｊに接近するように変形するように構成し、歪みゲージ８０の出力から引張荷重Ｔの値を測定することができる。
【０１１９】
また、本発明は、上記した実施形態以外の構造によっても実現可能である。すなわち、図１１（Ｄ）に示すように、鋼等の弾性体からなり、一端（固定端４３Ｋ）が強固な床又は壁等からなる不動部４５Ｋで固定され、他端４４Ｋが自由状態となっている直線梁状の梁状部材４１Ｋの略中央に引張荷重Ｔが載荷されるようにし、自由端４４Ｋの上方に不動部４６Ｋを設け、当該不動部４６Ｋと自由端４４Ｋとの間に構造変換用間隙４７Ｋを設けて外力応答体１０Ｋを構成し、外力応答体１０Ｋの固定端４３Ｋ付近の表面に歪みゲージ８０を貼付するように構成してもよい。このように構成すれば、引張荷重Ｔが第１荷重値未満の場合には自由端４４Ｋが不動部４６Ｋに接近するように変形し、引張荷重Ｔが第１荷重値と等しくなった場合には自由端４４Ｋが不動部４６Ｋに接触し、引張荷重Ｔが第１荷重値を越えた場合には自由端４４Ｋが不動部４６Ｋに接触した状態で梁状部材４１Ｋの略中央が不動部４８Ｋに接近するように変形するように構成し、歪みゲージ８０の出力から引張荷重Ｔの値を測定することができる。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る荷重測定装置、及び荷重測定方法によれば、弾性体からなり、一端で固定され他端が自由状態の梁状部材の略中央に荷重が載荷されるようにし、自由端の下方又は上方に不動部を設け、当該不動部と自由端との間に構造変換用間隙を設けて外力応答体を構成し、外力応答体の固定端付近の表面に歪みゲージを貼付するように構成したので、荷重が第１荷重値未満の場合には自由端が不動部に接近するように変形させ、荷重が第１荷重値と等しくなった場合には自由端が不動部に接触させ、荷重が第１荷重値を越えた場合には自由端が不動部に接触した状態で梁状部材の略中央が不動部に接近するように変形させ、歪みゲージの出力から荷重の値を測定することができる。この場合、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の荷重測定装置において載荷により第１作用部と第２作用部が互いに接触した状態を示す図である。
【図３】第１実施形態の荷重測定装置において載荷により第１作用部と第２作用部が互いに接触した状態で第２直線部材の略中央と第１直線部材が互いに接近するように変形している状態を示す図である。
【図４】本発明に係る荷重測定装置の作用原理を説明する概念図である。
【図５】本発明の第２実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図６】第２実施形態の荷重測定装置において載荷により第１作用部と第２作用部が互いに接触した状態を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態である荷重測定装置における外力応答体の構成を示す図である。
【図１２】従来の歪みゲージの構成を示す図である。
【図１３】弾性体の応力と歪みの関係を示す概念図である。
【符号の説明】
１Ａ〜１Ｋ 荷重測定装置
１０Ａ〜１０Ｋ 外力応答体
１１Ａ〜１１Ｆ 第１直線部材
１２Ａ〜１２Ｆ 第２直線部材
１３Ａ〜１３Ｆ２ 接合部材
１４Ａ〜１４Ｆ２ 第１端
１５Ａ〜１５Ｆ２ 第２端
１６Ａ〜１６Ｆ２２ 突出部
１７Ａ〜１７Ｆ２２ 第１作用部
１８Ａ〜１８Ｆ２２ 第２作用部
１９Ａ〜１９Ｆ２ 第１間隙
２０Ａ〜２０Ｆ２２ 第２間隙
２１Ａ〜２１Ｆ 第１雌ネジ孔
２２Ａ〜２２Ｆ 第２雌ネジ孔
２３Ａ〜２３Ｆ 載荷用スピンドル
２４Ａ〜２４Ｆ 載荷用スピンドル
３３Ｄ〜３３Ｆ 第３直線部材
４１Ｇ〜４１Ｋ 梁状部材
４２Ｇ、４２Ｊ 直線部
４３Ｇ〜４３Ｋ 固定端
４４Ｇ〜４４Ｋ 自由端
４５Ｇ〜４５Ｋ 不動部
４６Ｇ〜４６Ｋ 不動部
４７Ｇ〜４７Ｋ 構造変換用間隙
４８Ｇ〜４８Ｋ 不動部
８０ 歪みゲージ
８１ ゲージベース
８２ 抵抗部
８３、８４ リード線
Ｐ 圧縮荷重
Ｔ 引張荷重
Ｚ 破断点
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷重測定装置及び荷重測定方法に係り、特に、小荷重から大荷重まで広い範囲の値の荷重の測定が可能な荷重測定装置及び荷重測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造物等に作用する荷重を測定する装置としては、ロードセル(例えば、特許文献１参照)などが用いられていた。ロードセル（図示せず）は、鋼等の弾性体からなる力検出部材に歪みゲージが貼り付けられて構成されている。ロードセルで荷重を測定する場合には、力検出部材に荷重を作用させ、荷重により力検出部材が変形して生じた歪みの変化を、歪みゲージの電気抵抗値の変化として測定する。
【０００３】
次に、歪みゲージについて説明する。図１２に示すように、歪みゲージ８０は、ゲージベース８１と、抵抗部８２と、リード線８３及び８４を有して構成されている。ゲージベース８１は、紙、ポリエステル樹脂等の電気絶縁材料からなり、薄膜状に形成されている。抵抗部８２は、金属や半導体等からなり、線状又は箔状に形成されている。抵抗部８２の長さＬＧはゲージ長と呼ばれる。歪みゲージ８０は、接着剤等により被測定物の表面に貼り付けて使用される。
【０００４】
被測定物に外力が加わると、歪みゲージ８０の貼り付け位置である被測定物の表面に応力が発生し、これに伴って抵抗部８２のゲージ長ＬＧに伸び又は縮み量ΔＬが発生する。ΔＬとＬＧの比（ΔＬ／ＬＧ）を「歪み」といい、被測定物の表面に発生する「表面歪み」と等しい。金属等の抵抗は、歪みに比例して変化する。歪みゲージ８０の抵抗値をＲとし、歪みをε（＝ΔＬ／ＬＧ）とし、歪みεによる歪みゲージ８０の抵抗値の変化をΔＲとすると、下式（１）の関係が成立する。
ΔＲ／Ｒ＝Ｋ×ε ………（１）
ここに、Ｋは、比例定数であり、ゲージ率と呼ばれる。
【０００５】
また、歪みεと応力σ（荷重を作用面積で除した単位面積当たりの力。単位：Ｐａ パスカル。）との間には、下式（２）の関係が成立する。
σ＝Ｅ×ε ………（２）
ここに、Ｅ（単位：Ｐａ パスカル）は、比例定数であり、弾性係数又はヤング率と呼ばれる。
【０００６】
また、歪みゲージ８０におけるリード線８３及び８４は、金属等の導体で形成され、外部の電気回路等との接続に用いられ、上記した歪みゲージ８０の抵抗値変化を電圧値等の変化として外部に出力する。
【０００７】
なお、上記した歪みゲージ８０を４本用いて菱形状に接続し、いわゆる「ホイートストンブリッジ回路」を構成すれば、温度変化の影響の補償や、誤差の消去を行うことができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２０９１０２号公報（第１−１２頁、図１−１４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来のロードセルのような荷重測定装置においては、力検出部材を構成する弾性体は、荷重の増大につれて以下の挙動を示す。まず、図１３に示すように、応力が第１の値σp（以下、「比例限界応力」という）に達すると、上式（２）に示す歪みεと応力σの比例関係が終了し、その後は歪みεと応力σの関係が直線ではなく曲線状となる。その後さらに荷重を増すと応力が増大し、応力が第２の値σE（以下、「弾性限界応力」という）に達した後は、弾性体に生じた歪みは、荷重を除いても零に戻らず残留する。その後、荷重の増大につれて、応力は第３の値σy（以下、「降伏点応力」という）に達し、これ以降は歪みが増大し始め、最終的には破断（図１３の点Ｚを参照）に至る。
【００１０】
したがって、小荷重を精度良く計測できる力検出部材の弾性限界応力は小さいため、大荷重を作用させると、弾性限界を越え、極端な場合には力検出部材が破壊する、という問題があった。また、大荷重を計測できる力検出部材の弾性限界応力は大きいが、小荷重を作用させた場合には、発生する歪み値が小さすぎることとなり、測定値が誤差（ノイズ）に埋もれてしまい、精度良い測定が非常に困難となる、という問題があった。したがって、従来の荷重測定装置では、小荷重から大荷重までの広い範囲の値の荷重の精度良い測定を１台の装置で行うことは実際上できなかった。
【００１１】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、本発明の解決しようとする課題は、小荷重から大荷重までの広い範囲の値の荷重の精度良い測定が１台の装置で可能な荷重測定装置、及び荷重測定方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した荷重測定装置は、
弾性体からなり、一端で固定され他端が自由状態の梁状部材の略中央に荷重が載荷されるようにし、前記自由端の下方又は上方に不動部を設け、当該不動部と前記自由端との間に構造変換用間隙を設けて外力応答体を構成し、前記外力応答体の前記固定端付近の表面に歪みゲージを貼付し、
前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記自由端が前記不動部に接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記自由端が前記不動部に接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記自由端が前記不動部に接触した状態で前記梁状部材の略中央が前記不動部に接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
また、請求項２に記載した荷重測定装置は、請求項１記載の荷重測定装置において、
弾性体からなり、直線棒状に形成されたＮ（Ｎ：２以上の整数）個の直線部材を互いに平行に第１間隙を配して配置し前記Ｎ個の直線部材のうち同じ側で隣接する２個の端部どうしを（Ｎ−１）個の接合部材で交互に接合して構成される略Ｕ字状又は略Ｓ字状若しくは略波形状の外力応答体を備え、
前記直線部材のうち最も外側となる直線部材である最外直線部材を前記梁状部材としその内面の先端となる第１端の付近から前記第１端に対向する他の直線部材の端である第２端の付近へ向けて、又は前記第２端の付近から前記第１端の付近へ向けて、それぞれ突出部が突設されるとともに、前記突出部の先端付近に設けられる第１作用部と、前記第２端又は前記第１端の付近で前記第１作用部に対向する箇所に設けられる第２作用部との間に、前記構造変換用間隙として第２間隙が設けられ、
前記外力応答体の表面に歪みゲージが貼付され、
前記最外直線部材の外面の略中央の各々に同一軸上となり方向が逆となる荷重を作用させ、前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記第１作用部が前記第２作用部に接触した状態で前記最外直線部材の略中央と、隣接する直線部材が互いに接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載した荷重測定装置は、請求項２記載の荷重測定装置において、
前記荷重は圧縮荷重であり、前記荷重が前記第１荷重値未満の場合には、前記最外直線部材と、隣接する直線部材が互いに接近するように変形すること
を特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載した荷重測定装置は、請求項２記載の荷重測定装置において、
前記荷重は引張荷重であり、前記荷重が前記第１荷重値未満の場合には、前記最外直線部材と、隣接する直線部材は互いに離れるように変形すること
を特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に記載した荷重測定装置は、請求項４記載の荷重測定装置において、
前記突出部は略Ｌ字状に構成され、前記第１作用部は、前記略Ｌ字状の突出部の屈曲端部であり、
前記第２作用部は、前記第１作用部によって係止可能に設置された被係止部であること
を特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載した荷重測定装置は、請求項２記載の荷重測定装置において、
前記歪みゲージは、
前記最外直線部材と、前記最外直線部材に隣接する直線部材を接合する接合部材である最外接合部材の表面に貼付されること
を特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載した荷重測定方法は、
弾性体からなり、一端で固定され他端が自由状態の梁状部材の略中央に荷重が載荷されるようにし、前記自由端の下方又は上方に不動部を設け、当該不動部と前記自由端との間に構造変換用間隙を設けて外力応答体を構成し、前記外力応答体の前記固定端付近の表面に歪みゲージを貼付し、
前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記自由端が前記不動部に接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記自由端が前記不動部に接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記自由端が前記不動部に接触した状態で前記梁状部材の略中央が前記不動部に接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載した荷重測定装置は、請求項７記載の荷重測定方法において、
弾性体からなり、直線棒状に形成されたＮ（Ｎ：２以上の整数）個の直線部材を互いに平行に第１間隙を配して配置し前記Ｎ個の直線部材のうち同じ側で隣接する２個の端部どうしを（Ｎ−１）個の接合部材で交互に接合して構成される略Ｕ字状又は略Ｓ字状若しくは略波形状の外力応答体を用い、
前記直線部材のうち最も外側となる直線部材である最外直線部材を前記梁状部材としその内面の先端となる第１端の付近から前記第１端に対向する他の直線部材の端である第２端の付近へ向けて、又は前記第２端の付近から前記第１端の付近へ向けて、それぞれ突出部が突設されるとともに、前記突出部の先端付近に設けられる第１作用部と、前記第２端又は前記第１端の付近で前記第１作用部に対向する箇所に設けられる第２作用部との間に、前記構造変換用間隙として第２間隙が設けられ、
前記外力応答体の表面に歪みゲージが貼付され、
前記最外直線部材の外面の略中央の各々に同一軸上となり方向が逆となる荷重を作用させ、前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記第１作用部が前記第２作用部に接触した状態で前記最外直線部材の略中央と、隣接する直線部材が互いに接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。図１に示すように、この荷重測定装置１Ａは、第１直線部材１１Ａと、第２直線部材１２Ａと、接合部材１３Ａと、歪みゲージ８０と、載荷用スピンドル２３Ａ及び２４Ａを備えて構成されている。
【００２２】
第１直線部材１１Ａは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ａは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ａと第２直線部材１２Ａは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ａが配設されている。
【００２３】
また、第１直線部材１１Ａと第２直線部材１２Ａのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図１における第１直線部材１１Ａの左側の端部と、第２直線部材１２Ａの左側の端部は、接合部材１３Ａによって接合されている。接合部材１３Ａは、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ａと、第２直線部材１２Ａと、接合部材１３Ａは、全体が略Ｕ字状となる外力応答体１０Ａを構成している。
【００２４】
第２直線部材１２Ａの内面の先端となる第１端１４Ａの付近からは、第１端１４Ａに対向する直線部材である第１直線部材１１Ａの端である第２端１５Ａの付近へ向けて、突出部１６Ａが突設されている。図１の場合、第２直線部材１２Ａは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００２５】
また、突出部１６Ａの先端付近の面１７Ａは、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ａの付近で第１作用部１７Ａに対向する箇所の面１８Ａは、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａとの間には、第２間隙２０Ａが配設されている。この第２間隙２０Ａは、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００２６】
また、接合部材１３Ａの外面には、歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ａは、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【００２７】
また、第１直線部材１１Ａの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ａが形成され、この雌ネジ孔２１Ａに、載荷用スピンドル２３Ａの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第２直線部材１２Ａの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ａが形成され、この雌ネジ孔２２Ａに、載荷用スピンドル２４Ａの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ａが雌ネジ孔２１Ａにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ａが雌ネジ孔２２Ａにねじ込まれて取り付けられる。
【００２８】
次に、上記した構成の荷重測定装置１Ａを用いて荷重を測定する方法について、図１及び図２及び図３を用いて説明する。
【００２９】
まず、載荷用スピンドル２３Ａ、２４Ａの各々に、同一軸上となり方向が逆となる荷重、例えば図１ないし図３に示す圧縮荷重Ｐを作用させる。
【００３０】
この場合、圧縮荷重Ｐが小さく、圧縮荷重がある値（以下、「第１荷重値」という。）未満の値であるうちは、圧縮荷重Ｐを増加させていくと、図１に示すように、第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接近するように変形する。また、この場合、最外直線部材である第２直線部材１２Ａと、隣接する直線部材である第１直線部材１１Ａが互いに接近するように変形する。
【００３１】
その後、圧縮荷重Ｐをさらに増加させていくと、圧縮荷重Ｐが第１荷重値となったときに、変形量が第２間隙２０Ａの値と等しくなる。このため、図２に示すように、第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接触する。
【００３２】
さらにその後、圧縮荷重Ｐを第１荷重値を越えてさらに増加させていくと、図３に示すように、第１作用部１７Ａが第２作用部１８Ａに接触した状態を保ちつつ、第２直線部材１２Ａの略中央と、隣接する第１直線部材１１Ａが互いに接近するように変形する。
【００３３】
この際、歪みゲージ８０は、上記したホイートストンブリッジ回路等（図示せず）を構成しており、電源（図示せず）が接続されるとともに出力端（図示せず）が電圧計（図示せず）に接続され、歪みに対応した電圧が計測される。この電圧の変化から、歪みが算出される。
【００３４】
外力応答体１０Ａの構造は図１ないし図３のように既知であるから、あらかじめ数値計算によって、圧縮荷重Ｐと歪みとの関係を求めることができる。あるいは、値のわかっている荷重を載荷し、この場合の歪みを測定する予備試験を行ってもよい。これにより、歪みゲージ８０からの出力のみによって、圧縮荷重Ｐを測定することが可能となる。
【００３５】
次に、第１実施形態の荷重測定装置１Ａの作用原理を、図４を参照しながら説明する。
【００３６】
図１ないし図３に示す荷重測定装置１Ａにおける外力応答体１０Ａは、図１ないし図３の左端の接合部材１３Ａの略中央で切断すれば、２つの梁状部材となることがわかる。このことから、図１の状態（第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接触していない状態）の構造力学的モデルは、図４（Ａ）に示すような、いわゆる「片持ち梁」が２個、鏡対称状態で接続している、と考えることができる。すなわち、図１における第１直線部材１１Ａは、左端で固定され、右端が自由状態となっている梁の略中央に荷重Ｐが作用するような構造力学的モデル（以下、「第１構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。同様にして、第２直線部材１２Ａも、左端で固定され、右端が自由状態となっている梁の略中央点Ｃに荷重Ｐが作用するような構造力学的モデル（以下、「第１構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。
【００３７】
この場合、図４（Ａ）の片持ち梁ＡＢの固定端Ａにおける曲げモーメントＭA1は、荷重をＰとし載荷位置を梁の略中央とし固定端からの距離をａとすれば、ＭA1＝Ｐ×ａ（単位：Ｎｍ）となる。
【００３８】
これに対し、図２及び図３の状態（第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接触した後の状態）の構造力学的モデルは、図４（Ｂ）に示すような、左端が固定され、右端が単純支持された梁が２個、鏡対称状態で接続している、と考えることができる。すなわち、図２及び図３における第１直線部材１１Ａは、左端で固定され、右端が単純支持状態となっている梁の略中央点Ｃ´に荷重Ｐが作用するような構造力学的モデル（以下、「第２構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。同様にして、第２直線部材１２Ａも、左端で固定され、右端が単純支持状態となっている梁の略中央点Ｃ´に荷重Ｐが作用するような構造力学的モデル（以下、「第２構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。
【００３９】
この場合、図４（Ｂ）の「半固定・半単純支持梁」Ａ´Ｂ´の固定端Ａ´における曲げモーメントＭA2は、荷重をＰとし載荷位置を梁の略中央とし固定端からの距離をａとすれば、ＭA2＝３×Ｐ×ａ／８＝０．３７５×Ｐ×ａ（単位：Ｎｍ）となる。すなわち、この場合の固定端モーメントＭA2は、上記したＭA1の約０．４倍となっている。
【００４０】
このことから明らかなように、この荷重測定装置１Ａの外力応答体１０Ａは、第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接触する前の段階と、接触後の段階では、構造力学的モデルが異なるものへ変換され、それに伴い、固定端（図１ないし図３における図の左端）の曲げモーメントが接触前の４０％以下に減少するようになっている。歪みの値は、曲げモーメントの値に比例する。したがって、この荷重測定装置１Ａの歪みゲージ８０からの出力は、第１作用部１７Ａと第２作用部１８Ａが互いに接触する前と後とでは、出力値が約６０％減少することになる。これは、この荷重測定装置１Ａでは、圧縮荷重Ｐの値が第１荷重値に達すると、それ以上の荷重では、歪みを測定する「感度」が０．４倍に下がる、ということを意味している。
【００４１】
このような原理により、本実施形態の荷重測定装置１Ａにおける外力応答体１０Ａの構造は、一端で固定され他端が自由状態の梁の略中央に荷重が載荷される第１構造モデルにおいて、自由端の下方又は上方に不動部を設け、この不動部と自由端との間に第２間隙２０Ａを設けた機構と略等価である。このため、荷重がある荷重値（第１荷重値）以上となると、自由端の変形量が第２間隙２０Ａの値と等しくなり、自由端が不動部に接触する。したがって、荷重が第１荷重値以上の場合には、外力応答体１０Ａの構造系が、一端で固定され他端が単純支持の梁の略中央に荷重が載荷される第２構造モデルに変換される。この場合、構造変換後の構造系の方が、固定端Ａ´付近の曲げモーメント及び歪みが、構造変換前の構造系のときよりも小さい。このため、歪み測定の感度を下げることができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。なお、図４（Ａ）の梁構造モデルにおいて、梁ＡＢの自由端Ｂのたわみが第１間隙２０Ａの値と等しくなるときの荷重Ｐが、構造モデルが第２構造モデルに変換するときの荷重Ｐとなる。また、図４（Ｂ）の第２構造モデルにおいて、測定できる荷重Ｐの最大値は、荷重Ｐによる応力が梁Ａ´Ｂ´の強度以下であるとすると、梁Ａ´Ｂ´の中央点Ｃ´のたわみが第１間隙１９Ａの値と等しくなり、梁の中央点Ｃ´の下面が下方の不動部の床に接触するときの荷重となる。
【００４２】
なお、上記した突出部１６Ａのかわりに、第１直線部材１１Ａの内面の先端である第２端１５Ａの付近から、第２端１５Ａに対向する直線部材である第２直線部材１２Ａの端である第１端１４Ａの付近へ向けて突設される突出部（図示せず）を設けてもよい。この場合には、第１直線部材１１Ａは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００４３】
この場合には、第２端１５Ａから突設される他の突出部の先端付近の面が、他の第１作用部となる。また、第１端１４Ａの付近で、前記の他の第１作用部に対向する箇所の面が、他の第２作用部となる。また、他の第１作用部と他の第２作用部との間に配される間隙が、第２間隙となる。
【００４４】
（２）第２実施形態
本発明は、上記した第１実施形態以外の他の構成によっても、実現可能である。図５は、本発明の第２実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。また、図６は、第２実施形態の荷重測定装置において載荷により第１作用部と第２作用部が互いに接触した状態を示す図である。
【００４５】
図５に示すように、この荷重測定装置１Ｂは、第１直線部材１１Ｂと、第２直線部材１２Ｂと、接合部材１３Ｂと、歪みゲージ８０と、載荷用スピンドル２３Ｂ及び２４Ｂを備えて構成されている。図１ないし図３の第１実施形態１Ａと、図５及び図６の第２実施形態１Ｂは、第１直線部材と第２直線部材、及び載荷用スピンドルの上下関係が逆になっている。
【００４６】
第１直線部材１１Ｂは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｂは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ｂと第２直線部材１２Ｂは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｂが配設されている。
【００４７】
また、第１直線部材１１Ｂと第２直線部材１２Ｂのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図５における第１直線部材１１Ｂの左側の端部と、第２直線部材１２Ｂの左側の端部は、接合部材１３Ｂによって接合されている。接合部材１３Ｂは、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ｂと、第２直線部材１２Ｂと、接合部材１３Ｂは、全体が略Ｕ字状となる外力応答体１０Ｂを構成している。
【００４８】
第２直線部材１２Ｂの内面の先端となる第１端１４Ｂの付近からは、第１端１４Ｂに対向する直線部材である第１直線部材１１Ｂの端である第２端１５Ｂの付近へ向けて、突出部１６Ｂが突設されている。この突出部１６Ｂは、略Ｌ字状に構成されている。図５の場合、第２直線部材１２Ｂは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００４９】
また、略Ｌ字状の突出部１６Ｂの先端付近は、第１直線部材１１Ｂの下部へ回り込むように図５の左側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｂとなっており、この屈曲端部１７Ｂは、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｂの付近で第１作用部１７Ｂに対向する箇所の面１８Ｂは、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｂは、第１作用部１７Ｂによって係止可能であり、第２作用部１８Ｂは、第１作用部１７Ｂに対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂとの間には、第２間隙２０Ｂが配設されている。この第２間隙２０Ｂは、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００５０】
また、接合部材１３Ｂの外面には、歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ｂは、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【００５１】
また、第１直線部材１１Ｂの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ｂが形成され、この雌ネジ孔２１Ｂに、載荷用スピンドル２３Ｂの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第２直線部材１２Ｂの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ｂが形成され、この雌ネジ孔２２Ｂに、載荷用スピンドル２４Ｂの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ｂが雌ネジ孔２１Ｂにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ｂが雌ネジ孔２２Ｂにねじ込まれて取り付けられる。
【００５２】
次に、上記した構成の荷重測定装置１Ｂを用いて荷重を測定する方法について、図５及び図６を用いて説明する。
【００５３】
まず、載荷用スピンドル２３Ｂ、２４Ｂの各々に、同一軸上となり方向が逆となる荷重、例えば図５及び図６に示す引張荷重Ｔを作用させる。
【００５４】
この場合、引張荷重Ｔが小さく、圧縮荷重がある値（以下、「第１荷重値」という。）未満の値であるうちは、引張荷重Ｔを増加させていくと、図５に示すように、第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接近するように変形する。また、この場合、最外直線部材である第２直線部材１２Ｂと、隣接する直線部材である第１直線部材１１Ｂは互いに離れるように変形する。
【００５５】
その後、圧縮荷重Ｐをさらに増加させていくと、引張荷重Ｔが第１荷重値となったときに、変形量が第２間隙２０Ｂの値と等しくなる。このため、図２に示すように、第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触する。
【００５６】
さらにその後、引張荷重Ｔを第１荷重値を越えてさらに増加させていくと、図示はしていないが、第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触した状態を保ちつつ、第２直線部材１２Ｂの略中央と、隣接する第１直線部材１１Ｂは互いに離れるように変形する。
【００５７】
この際、歪みゲージ８０は、上記したホイートストンブリッジ回路等（図示せず）を構成しており、電源（図示せず）が接続されるとともに出力端（図示せず）が電圧計（図示せず）に接続され、歪みに対応した電圧が計測される。この電圧の変化から、歪みが算出される。
【００５８】
外力応答体１０Ｂの構造は図５及び図６のように既知であるから、あらかじめ数値計算によって、引張荷重Ｔと歪みとの関係を求めることができる。あるいは、値のわかっている荷重を載荷し、この場合の歪みを測定する予備試験を行ってもよい。これにより、歪みゲージ８０からの出力のみによって、引張荷重Ｔを測定することが可能となる。
【００５９】
第２実施形態の荷重測定装置１Ｂの作用原理は、図４における荷重Ｐのかわりに、逆向き（上向き）の荷重Ｔが梁の略中央に作用するような構造力学的モデルと略等価である。したがって、曲げモーメントや歪みは、正負の符号が逆となるだけで、絶対値では、同じ挙動を示す。
【００６０】
すなわち、図５及び図６に示す荷重測定装置１Ｂにおける外力応答体１０Ｂは、図５及び図６の左端の接合部材１３Ｂの略中央で切断すれば、２つの梁状部材となることがわかる。このことから、図５の状態（第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触していない状態）の構造力学的モデルは、図４（Ｂ）に示すような、いわゆる「片持ち梁」が２個、鏡対称状態で接続している、と考えることができる。すなわち、図５における第１直線部材１１Ｂは、左端で固定され、右端が自由状態となっている梁の略中央に荷重Ｐとは逆方向の荷重Ｔ（図示せず）が作用するような構造力学的モデル（以下、「第１構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。同様にして、第２直線部材１２Ｂも、左端で固定され、右端が自由状態となっている梁の略中央に荷重Ｔ（図示せず）が作用するような構造力学的モデル（以下、「第１構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。
【００６１】
この場合、図４（Ｂ）の片持ち梁ＡＢの固定端の曲げモーメントＭA1は、荷重をＴとし載荷位置を梁の略中央とし固定端からの距離をａとすれば、ＭA1＝−Ｔ×ａ（単位：Ｎｍ）となる。
【００６２】
これに対し、図６の状態（第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触した後の状態）の構造力学的モデルは、図４（Ｂ）に示すような、左端が固定され、右端が単純支持された梁が２個、鏡対称状態で接続している、と考えることができる。すなわち、図６における第１直線部材１１Ｂは、左端で固定され、右端が単純支持状態（支点の不動部は支点の上方となり、図４（Ｂ）とは逆になる。）となっている梁の略中央に荷重Ｐとは逆方向の荷重Ｔ（図示せず）が作用するような構造力学的モデル（以下、「第２構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。同様にして、第２直線部材１２Ｂも、左端で固定され、右端が単純支持状態（支点の不動部は支点の上方となり、図４（Ｂ）とは逆になる。）となっている梁の略中央に荷重Ｔ（図示せず）が作用するような構造力学的モデル（以下、「第２構造モデル」という。）と略等価である、と考えられる。
【００６３】
この場合、図４（Ｂ）の「半固定・半単純支持梁」Ｂ´Ｂ´の固定端の曲げモーメントＭA2は、荷重をＴとし載荷位置を梁の略中央とし固定端からの距離をａとすれば、ＭA2＝−３×Ｔ×ａ／８＝−０．３７５×Ｔ×ａ（単位：Ｎｍ）となる。すなわち、この場合の固定端モーメントＭA2は、上記したＭA1の約０．４倍となっている。
【００６４】
このことから明らかなように、この荷重測定装置１Ｂの外力応答体１０Ｂは、第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触する前の段階と、接触後の段階では、構造力学的モデルが異なるものへ変換され、それに伴い、固定端（図５及び図６における図の左端）の曲げモーメントが接触前の４０％以下に減少するようになっている。歪みの値は、曲げモーメントの値に比例する。したがって、この荷重測定装置１Ｂの歪みゲージ８０からの出力は、第１作用部１７Ｂと第２作用部１８Ｂが互いに接触する前と後とでは、出力値が約６０％減少することになる。これは、この荷重測定装置１Ｂでは、引張荷重Ｔの値が第１荷重値に達すると、それ以上の荷重では、歪みを測定する「感度」が０．４倍に下がる、ということを意味している。
【００６５】
このような原理により、本実施形態の荷重測定装置１Ｂにおける外力応答体１０Ｂの構造は、一端で固定され他端が自由状態の梁の略中央に荷重が載荷される第１構造モデルにおいて、自由端の上方に不動部を設け、この不動部と自由端との間に第２間隙２０Ｂを設けた機構と略等価である。このため、荷重がある荷重値（第１荷重値）以上となると、自由端の変形量が第２間隙２０Ｂの値と等しくなり、自由端が上方の不動部に接触する。したがって、荷重が第１荷重値以上の場合には、外力応答体１０Ｂの構造系が、一端で固定され他端が単純支持の梁の略中央に荷重が載荷される第２構造モデルに変換される。この場合、構造変換後の構造系の方が、固定端付近の曲げモーメント及び歪みが、構造変換前の構造系のときよりも小さい。このため、歪み測定の感度を下げることができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。なお、図４（Ａ）の梁構造モデルにおいて、梁ＡＢの自由端Ｂのたわみが第１間隙２０Ｂの値と等しくなるときの荷重Ｐが、構造モデルが第２構造モデルに変換するときの荷重Ｐとなる。また、上記した第２構造モデルにおいて、測定できる荷重Ｔの最大値は、荷重Ｔによる応力が梁の強度以下であるとすると、梁Ａ´Ｂ´の中央点Ｃ´のたわみが第１間隙１９Ｂの値と等しくなり、梁の中央点の上面が上方の不動部の天井に接触するときの荷重となる。
【００６６】
なお、上記した突出部１６Ｂのかわりに、第１直線部材１１Ｂの内面の先端である第２端１５Ｂの付近から、第２端１５Ｂに対向する直線部材である第２直線部材１２Ｂの端である第１端１４Ｂの付近へ向けて突設される略Ｌ字状の突出部（図示せず）を設けてもよい。この場合には、第１直線部材１１Ｂは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００６７】
この場合には、第２端１５Ｂから突設される略Ｌ字状の他の突出部の先端付近から屈曲する屈曲端部が、他の第１作用部となる。また、第１端１４Ｂの付近で、前記の他の第１作用部に対向する箇所の面が、他の第２作用部となる。また、他の第１作用部と他の第２作用部との間に配される間隙が、第２間隙となる。
【００６８】
（３）第３実施形態
本発明は、上記した第１、２実施形態以外の他の構成によっても、実現可能である。図７は、本発明の第３実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【００６９】
図７に示すように、この荷重測定装置１Ｃは、第１直線部材１１Ｃと、第２直線部材１２Ｃと、接合部材１３Ｃと、歪みゲージ８０と、載荷用スピンドル２３Ｃ及び２４Ｃを備えて構成されている。図１ないし図３の第１実施形態１Ａと、図７の第３実施形態１Ｃは、第１直線部材と第２直線部材、及び載荷用スピンドルの上下関係が逆になっている。
【００７０】
第１直線部材１１Ｃは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｃは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ｃと第２直線部材１２Ｃは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｃが配設されている。
【００７１】
また、第１直線部材１１Ｃと第２直線部材１２Ｃのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図７における第１直線部材１１Ｃの左側の端部と、第２直線部材１２Ｃの左側の端部は、接合部材１３Ｃによって接合されている。接合部材１３Ｃは、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ｃと、第２直線部材１２Ｃと、接合部材１３Ｃは、全体が略Ｕ字状となる外力応答体１０Ｃを構成している。
【００７２】
第２直線部材１２Ｃの内面の先端となる第１端１４Ｃの付近からは、第１端１４Ｃに対向する直線部材である第１直線部材１１Ｃの端である第２端１５Ｃの付近へ向けて、突出部１６Ｃ１と突出部１６Ｃ２が突設されている。突出部１６Ｃ２は、略Ｌ字状に構成されている。図７の場合、第２直線部材１２Ｃは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００７３】
また、突出部１６Ｃ１の先端付近の面１７Ｃ１は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｃの付近で第１作用部１７Ｃ１に対向する箇所の面１８Ｃ１は、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ｃ１と第２作用部１８Ｃ１との間には、第２間隙２０Ｃ１が配設されている。この第２間隙２０Ｃ１は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００７４】
さらに、略Ｌ字状の突出部１６Ｃ２の先端付近は、第１直線部材１１Ｃの下部へ回り込むように図７の左側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｃ２となっており、この屈曲端部１７Ｃ２は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｃの付近で第１作用部１７Ｃ２に対向する箇所の面１８Ｃ２は、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｃ２は、第１作用部１７Ｃ２によって係止可能であり、第２作用部１８Ｃ２は、第１作用部１７Ｃ２に対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｃ２と第２作用部１８Ｃ２との間には、第２間隙２０Ｃ２が配設されている。この第２間隙２０Ｃ２は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００７５】
また、接合部材１３Ｃの外面には、歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ｃは、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【００７６】
また、第１直線部材１１Ｃの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ｃが形成され、この雌ネジ孔２１Ｃに、載荷用スピンドル２３Ｃの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第２直線部材１２Ｃの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ｃが形成され、この雌ネジ孔２２Ｃに、載荷用スピンドル２４Ｃの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ｃが雌ネジ孔２１Ｃにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ｃが雌ネジ孔２２Ｃにねじ込まれて取り付けられる。
【００７７】
上記した第３実施形態の荷重測定装置１Ｃは、第１実施形態の荷重測定装置１Ａと第２実施形態の荷重測定装置１Ｂを合体させた構成を有しており、その作用も、第１実施形態の荷重測定装置１Ａと第２実施形態の荷重測定装置１Ｂの両者の機能を併せ持っている。したがって、この第３実施形態の荷重測定装置１Ｃを用いれば、上記した第１実施形態の荷重測定装置１Ａの荷重測定方法と、第２実施形態の荷重測定装置１Ｂの荷重測定方法の両方を１台の装置で行うことができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。
【００７８】
（４）第４実施形態
本発明は、上記した第１ないし第３実施形態以外の他の構成によっても、実現可能である。図８は、本発明の第４実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【００７９】
図８に示すように、この荷重測定装置１Ｄは、第１直線部材１１Ｄと、第２直線部材１２Ｄと、第３直線部材３３Ｄと、接合部材１３Ｄ１及び１３Ｄ２と、２つの歪みゲージ８０、８０と、載荷用スピンドル２３Ｄ及び２４Ｄを備えて構成されている。
【００８０】
第１直線部材１１Ｄは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｄは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第３直線部材３３Ｄは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ｄと第２直線部材１２Ｄは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｄ１が配設されている。また、第２直線部材１２Ｄと第３直線部材３３Ｄは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｄ２が配設されている。
【００８１】
また、第１直線部材１１Ｄと第２直線部材１２Ｄのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図８における第１直線部材１１Ｄの左側の端部と、第２直線部材１２Ｄの左側の端部は、接合部材１３Ｄ１によって接合されている。接合部材１３Ｄ１は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｄと第３直線部材３３Ｄのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図８における第２直線部材１２Ｄの右側の端部と、第３直線部材３３Ｄの右側の端部は、接合部材１３Ｄ２によって接合されている。接合部材１３Ｄ２は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ｄと、第２直線部材１２Ｄと、接合部材１３Ｄ１と、第３直線部材３３Ｄと、接合部材１３Ｄ２は、全体が略Ｓ字状となる外力応答体１０Ｄを構成している。
【００８２】
第１直線部材１１Ｄの内面の先端となる第１端１４Ｄ１の付近からは、第１端１４Ｄ１に対向する直線部材である第２直線部材１２Ｄの端である第２端１５Ｄ１の付近へ向けて、突出部１６Ｄ１が突設されている。また、第３直線部材３３Ｄの内面の先端となる第１端１４Ｄ２の付近からは、第１端１４Ｄ２に対向する直線部材である第２直線部材１２Ｄの端である第２端１５Ｄ２の付近へ向けて、突出部１６Ｄ２が突設されている。図８の場合、第１直線部材１１Ｄ及び第３直線部材３３Ｄは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００８３】
また、突出部１６Ｄ１の先端付近の面１７Ｄ１は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｄ１の付近で第１作用部１７Ｄ１に対向する箇所の面１８Ｄ１は、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ｄ１と第２作用部１８Ｄ１との間には、第２間隙２０Ｄ１が配設されている。この第２間隙２０Ｄ１は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００８４】
また、突出部１６Ｄ２の先端付近の面１７Ｄ２は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｄ２の付近で第１作用部１７Ｄ２に対向する箇所の面１８Ｄ２は、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ｄ２と第２作用部１８Ｄ２との間には、第２間隙２０Ｄ２が配設されている。この第２間隙２０Ｄ２は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００８５】
また、接合部材１３Ｄ１の外面、及び接合部材１３Ｄ２の外面には、それぞれ歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ｄ１及び１３Ｄ２は、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【００８６】
また、第１直線部材１１Ｄの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ｄが形成され、この雌ネジ孔２１Ｄに、載荷用スピンドル２３Ｄの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第３直線部材３３Ｄの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ｄが形成され、この雌ネジ孔２２Ｄに、載荷用スピンドル２４Ｄの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ｄが雌ネジ孔２１Ｄにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ｄが雌ネジ孔２２Ｄにねじ込まれて取り付けられる。
【００８７】
上記した第４実施形態の荷重測定装置１Ｄは、３個の直線部材の端部を交互に接合部材で接合し、外力応答体が全体として略Ｓ字状となるように構成したものである。この第４実施形態の荷重測定装置１Ｄは、第１実施形態の荷重測定装置１Ａと同様の原理により、圧縮荷重Ｐの測定が可能となっており、圧縮荷重Ｐがある荷重値（第１荷重値）以上となると、機械的な作用（メカニズム）が働いて外力応答体１０Ｄの構造系が変換され、歪み測定の感度を下げることができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。
【００８８】
（５）第５実施形態
本発明は、上記した第１ないし第４実施形態以外の他の構成によっても、実現可能である。図９は、本発明の第５実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【００８９】
図９に示すように、この荷重測定装置１Ｅは、第１直線部材１１Ｅと、第２直線部材１２Ｅと、第３直線部材３３Ｅと、接合部材１３Ｅ１及び１３Ｅ２と、２つの歪みゲージ８０、８０と、載荷用スピンドル２３Ｅ及び２４Ｅを備えて構成されている。
【００９０】
第１直線部材１１Ｅは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｅは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第３直線部材３３Ｅは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ｅと第２直線部材１２Ｅは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｅ１が配設されている。また、第２直線部材１２Ｅと第３直線部材３３Ｅは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｅ２が配設されている。
【００９１】
また、第１直線部材１１Ｅと第２直線部材１２Ｅのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図９における第１直線部材１１Ｅの左側の端部と、第２直線部材１２Ｅの左側の端部は、接合部材１３Ｅ１によって接合されている。接合部材１３Ｅ１は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｅと第３直線部材３３Ｅのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図９における第２直線部材１２Ｅの右側の端部と、第３直線部材３３Ｅの右側の端部は、接合部材１３Ｅ２によって接合されている。接合部材１３Ｅ２は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ｅと、第２直線部材１２Ｅと、接合部材１３Ｅ１と、第３直線部材３３Ｅと、接合部材１３Ｅ２は、全体が略Ｓ字状となる外力応答体１０Ｅを構成している。
【００９２】
第２直線部材１２Ｅの内面の先端となる第１端１４Ｅ１の付近からは、第１端１４Ｅ１に対向する直線部材である第１直線部材１１Ｅの端である第２端１５Ｅ１の付近へ向けて、突出部１６Ｅ１が突設されている。突出部１６Ｅ１は、略Ｌ字状に構成されている。また、第２直線部材１２Ｅの内面の先端となる第１端１４Ｅ２の付近からは、第１端１４Ｅ２に対向する直線部材である第３直線部材３３Ｅの端である第２端１５Ｅ２の付近へ向けて、突出部１６Ｅ２が突設されている。突出部１６Ｅ２は、略Ｌ字状に構成されている。図９の場合、第１直線部材１１Ｅ及び第３直線部材３３Ｅは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【００９３】
また、略Ｌ字状の突出部１６Ｅ１の先端付近は、第１直線部材１１Ｅの下部へ回り込むように図９の左側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｅ１となっており、この屈曲端部１７Ｅ１は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｅの付近で第１作用部１７Ｅ１に対向する箇所の面１８Ｅ１は、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｅ１は、第１作用部１７Ｅ１によって係止可能であり、第２作用部１８Ｅ１は、第１作用部１７Ｅ１に対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｅ１と第２作用部１８Ｅ１との間には、第２間隙２０Ｅ１が配設されている。この第２間隙２０Ｅ１は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００９４】
また、略Ｌ字状の突出部１６Ｅ２の先端付近は、第３直線部材３３Ｅの下部へ回り込むように図９の右側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｅ２となっており、この屈曲端部１７Ｅ２は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｅの付近で第１作用部１７Ｅ２に対向する箇所の面１８Ｅ２は、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｅ２は、第１作用部１７Ｅ２によって係止可能であり、第２作用部１８Ｅ２は、第１作用部１７Ｅ２に対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｅ２と第２作用部１８Ｅ２との間には、第２間隙２０Ｅ２が配設されている。この第２間隙２０Ｅ２は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【００９５】
また、接合部材１３Ｅ１の外面、及び接合部材１３Ｅ２の外面には、それぞれ歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ｅ１及び１３Ｅ２は、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【００９６】
また、第１直線部材１１Ｅの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ｅが形成され、この雌ネジ孔２１Ｅに、載荷用スピンドル２３Ｅの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第３直線部材３３Ｅの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ｅが形成され、この雌ネジ孔２２Ｅに、載荷用スピンドル２４Ｅの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ｅが雌ネジ孔２１Ｅにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ｅが雌ネジ孔２２Ｅにねじ込まれて取り付けられる。
【００９７】
上記した第５実施形態の荷重測定装置１Ｅは、３個の直線部材の端部を交互に接合部材で接合し、外力応答体が全体として略Ｓ字状となるように構成したものである。この第５実施形態の荷重測定装置１Ｅは、第２実施形態の荷重測定装置１Ｂと同様の原理により、引張荷重Ｔの測定が可能となっており、引張荷重Ｔがある荷重値（第１荷重値）以上となると、機械的な作用（メカニズム）が働いて外力応答体１０Ｅの構造系が変換され、歪み測定の感度を下げることができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。
【００９８】
（６）第６実施形態
本発明は、上記した第１ないし第５実施形態以外の他の構成によっても、実現可能である。図１０は、本発明の第６実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【００９９】
図１０に示すように、この荷重測定装置１Ｆは、第１直線部材１１Ｆと、第２直線部材１２Ｆと、第３直線部材３３Ｆと、接合部材１３Ｆ１及び１３Ｆ２と、２つの歪みゲージ８０、８０と、載荷用スピンドル２３Ｆ及び２４Ｆを備えて構成されている。
【０１００】
第１直線部材１１Ｆは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｆは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。また、第３直線部材３３Ｆは、鋼等の弾性体からなり、直線棒状に形成されている。第１直線部材１１Ｆと第２直線部材１２Ｆは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｆ１が配設されている。また、第２直線部材１２Ｆと第３直線部材３３Ｆは、互いに平行となるように配置され、両者の間には第１間隙１９Ｆ２が配設されている。
【０１０１】
また、第１直線部材１１Ｆと第２直線部材１２Ｆのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図１０における第１直線部材１１Ｆの左側の端部と、第２直線部材１２Ｆの左側の端部は、接合部材１３Ｆ１によって接合されている。接合部材１３Ｆ１は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。また、第２直線部材１２Ｆと第３直線部材３３Ｆのうち、同じ側で隣接する２個の端部どうし、図１０における第２直線部材１２Ｆの右側の端部と、第３直線部材３３Ｆの右側の端部は、接合部材１３Ｆ２によって接合されている。接合部材１３Ｆ２は、鋼等の弾性体からなり、弧状に形成されている。ここに、第１直線部材１１Ｆと、第２直線部材１２Ｆと、接合部材１３Ｆ１と、第３直線部材３３Ｆと、接合部材１３Ｆ２は、全体が略Ｓ字状となる外力応答体１０Ｆを構成している。
【０１０２】
第２直線部材１２Ｆの内面の先端となる第１端１４Ｆ１の付近からは、第１端１４Ｆ１に対向する直線部材である第１直線部材１１Ｆの端である第２端１５Ｆ１の付近へ向けて、突出部１６Ｆ１１突出部１６Ｆ１２とが突設されている。突出部１６Ｆ１２は、略Ｌ字状に構成されている。また、第２直線部材１２Ｆの内面の先端となる第１端１４Ｆ２の付近からは、第１端１４Ｆ２に対向する直線部材である第３直線部材３３Ｆの端である第２端１５Ｆ２の付近へ向けて、突出部１６Ｆ２１と突出部１６Ｆ２２が突設されている。突出部１６Ｆ２２は、略Ｌ字状に構成されている。図１０の場合、第１直線部材１１Ｆ及び第３直線部材３３Ｆは、特許請求の範囲における最外直線部材及び梁状部材に相当している。
【０１０３】
また、突出部１６Ｆ１１の先端付近の面１７Ｆ１１は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｆ１の付近で第１作用部１７Ｆ１１に対向する箇所の面１８Ｆ１１は、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ｆ１１と第２作用部１８Ｆ１１との間には、第２間隙２０Ｆ１１が配設されている。この第２間隙２０Ｆ１１は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【０１０４】
また、略Ｌ字状の突出部１６Ｆ１２の先端付近は、第１直線部材１１Ｆの下部へ回り込むように図１０の左側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｆ１２となっており、この屈曲端部１７Ｆ１２は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｆ１の付近で第１作用部１７Ｆ１２に対向する箇所の面１８Ｆ１２は、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｆ１２は、第１作用部１７Ｆ１２によって係止可能であり、第２作用部１８Ｆ１２は、第１作用部１７Ｆ１２に対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｆ１２と第２作用部１８Ｆ１２との間には、第２間隙２０Ｆ１２が配設されている。この第２間隙２０Ｆ１２は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【０１０５】
また、突出部１６Ｆ２１の先端付近の面１７Ｆ２１は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｆ２の付近で第１作用部１７Ｆ２１に対向する箇所の面１８Ｆ２１は、第２作用部を構成している。第１作用部１７Ｆ２１と第２作用部１８Ｆ２１との間には、第２間隙２０Ｆ２１が配設されている。この第２間隙２０Ｆ２１は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【０１０６】
また、略Ｌ字状の突出部１６Ｆ２２の先端付近は、第３直線部材３３Ｆの下部へ回り込むように図１０の右側へ向けて略直角に屈曲した屈曲端部１７Ｆ２２となっており、この屈曲端部１７Ｆ２２は、第１作用部を構成している。また、第２端１５Ｆ２の付近で第１作用部１７Ｆ２２に対向する箇所の面１８Ｆ２２は、第２作用部を構成している。第２作用部１８Ｆ２２は、第１作用部１７Ｆ２２によって係止可能であり、第２作用部１８Ｆ２２は、第１作用部１７Ｆ２２に対して被係止部となっている。第１作用部１７Ｆ２２と第２作用部１８Ｆ２２との間には、第２間隙２０Ｆ２２が配設されている。この第２間隙２０Ｆ２２は、特許請求の範囲における構造変換用間隙に相当している。
【０１０７】
また、接合部材１３Ｆ１の外面、及び接合部材１３Ｆ２の外面には、それぞれ歪みゲージ８０が貼付されている。この場合には、接合部材１３Ｆ１及び１３Ｆ２は、特許請求の範囲における最外接合部材に相当している。歪みゲージ８０は、上記の従来例における歪みゲージと同一の構成及び作用を有している。
【０１０８】
また、第１直線部材１１Ｆの外面の略中央には、雌ネジ孔２１Ｆが形成され、この雌ネジ孔２１Ｆに、載荷用スピンドル２３Ｆの外周の雄ネジが螺合するようになっている。また、第３直線部材３３Ｆの外面の略中央には、雌ネジ孔２２Ｆが形成され、この雌ネジ孔２２Ｆに、載荷用スピンドル２４Ｆの外周の雄ネジが螺合するようになっている。このような構成により、載荷用スピンドル２３Ｆが雌ネジ孔２１Ｆにねじ込まれて取り付けられ、載荷用スピンドル２４Ｆが雌ネジ孔２２Ｆにねじ込まれて取り付けられる。
【０１０９】
上記した第６実施形態の荷重測定装置１Ｆは、３個の直線部材の端部を交互に接合部材で接合し、外力応答体が全体として略Ｓ字状となるように構成したものである。この第６実施形態の荷重測定装置１Ｆは、第２実施形態の荷重測定装置１Ｃと同様の原理により、圧縮荷重Ｐと引張荷重Ｔの両方の測定が可能となっており、圧縮荷重Ｐ又は引張荷重Ｔがある荷重値（第１荷重値）以上となると、機械的な作用（メカニズム）が働いて外力応答体１０Ｆの構造系が変換され、歪み測定の感度を下げることができ、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。
【０１１０】
なお、本発明は、上記した各実施形態に限定されるものではない。上記した各実施形態や例は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【０１１１】
例えば、上記各実施形態においては、接合部材として、弧状に形成された部材を例に挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、接合部材は隣接する２個の直線部材を接合できればよく、直線状の部材であってもよい。したがって、外力応答体全体としては、略Ｕ字状の構成のほか、略コ字状の構成であってもよい。あるいは、外力応答体全体としては、略Ｓ字状の構成のほか、隅角部が略直角状の略Ｓ字状の構成であってもよい。あるいは、外力応答体全体としては、隅角部が滑らかな略波形状の構成のほか、隅角部が略直角状の略波形状の構成であってもよい。
【０１１２】
上記した実施形態においては、外力応答体として、直線部材２個と接合部材１個により全体として略Ｕ字状となるもの、及び直線部材３個と接合部材２個により全体として略Ｓ字状となるものを例に挙げて説明したが、本発明はこれには限定されず、外力応答体は、他の構成、例えば、直線部材Ｎ（Ｎ：２以上の整数）個と接合部材（Ｎ−１）個により全体として略波形状となるものであってもよい。この場合には、外力応答体は、直線棒状に形成されたＮ（Ｎ：２以上の整数）個の直線部材を互いに平行に第１間隙を配して配置し、前記Ｎ個の直線部材のうち同じ側で隣接する２個の端部どうしを（Ｎ−１）個の接合部材で交互に接合して構成される略Ｕ字状又は略Ｓ字状若しくは略波形状の外力応答体となり、前記直線部材のうち最も外側となる直線部材である最外直線部材の内面の先端となる第１端の付近から前記第１端に対向する他の直線部材の端である第２端の付近へ向けて、又は前記第２端の付近から前記第１端の付近へ向けて、それぞれ突出部が突設されるとともに、前記突出部の先端付近に設けられる第１作用部と、前記第２端又は前記第１端の付近で前記第１作用部に対向する箇所に設けられる第２作用部との間に、第２間隙が設けられることとなる。
【０１１３】
また、上記各実施形態においては、荷重が載荷用スピンドルによって載荷される例について説明したが、本発明はこれには限定されず、載荷方法は、他の方法でもよい。例えば、ボルトによりスピンドルを直線部材に固定する方法でもよい。また、圧縮荷重の場合には、凹部にスピンドル状の部材を挿入するだけでも載荷は可能である。
【０１１４】
上記各実施形態により、圧縮荷重と引張荷重の測定が可能である。また、剪断力は、例えば長方形状の部材の底辺を固定し、上辺に水平力として圧縮荷重又は引張荷重を載荷すればよい。また、ねじりモーメントは、軸が回転しないように固定し軸中心線のまわりのモーメントとなるように軸の所定箇所に圧縮荷重又は引張荷重を載荷すればよい。したがって、上記各実施形態で説明した圧縮荷重測定、あるいは引張荷重測定を応用することにより、本発明の荷重測定装置又は荷重測定方法を用いて、剪断力やねじりモーメントも測定することができる。
【０１１５】
なお、上記した荷重測定装置における第１荷重値や、全体としての最大測定荷重値は、各部材の材質（強度、弾性係数など）、各部材の寸法（部材長さ、断面積、断面２次モーメントなど）、第１間隙の値、第２間隙の値、などを適宜に設定することにより、所望の値のものを得ることができる。
【０１１６】
上記した本発明の原理より、本発明は、上記した実施形態以外の構造によっても実現可能である。すなわち、図１１（Ａ）に示すように、鋼等の弾性体からなり、一端（固定端４３Ｇ）が強固な床又は壁等からなる不動部４５Ｇで固定され、他端４４Ｇが自由状態となっている曲がり梁状の梁状部材４１Ｇの略中央に圧縮荷重Ｐが載荷されるようにし、自由端４４Ｇの下方に不動部４６Ｇを設け、当該不動部４６Ｇと自由端４４Ｇとの間に構造変換用間隙４７Ｇを設けて外力応答体１０Ｇを構成し、外力応答体１０Ｇの固定端４３Ｇ付近の表面に歪みゲージ８０を貼付するように構成してもよい。このように構成すれば、荷重Ｐが第１荷重値未満の場合には自由端４４Ｇが不動部４６Ｇに接近するように変形し、圧縮荷重Ｐが第１荷重値と等しくなった場合には自由端４４Ｇが不動部４６Ｇに接触し、圧縮荷重Ｐが第１荷重値を越えた場合には自由端４４Ｇが不動部４６Ｇに接触した状態で梁状部材４１Ｇの略中央が不動部４８Ｇに接近するように変形するように構成し、歪みゲージ８０の出力から圧縮荷重Ｐの値を測定することができる。
【０１１７】
また、本発明は、上記した実施形態以外の構造によっても実現可能である。すなわち、図１１（Ｂ）に示すように、鋼等の弾性体からなり、一端（固定端４３Ｈ）が強固な床又は壁等からなる不動部４５Ｈで固定され、他端４４Ｈが自由状態となっている直線梁状の梁状部材４１Ｈの略中央に圧縮荷重Ｐが載荷されるようにし、自由端４４Ｈの下方に不動部４６Ｈを設け、当該不動部４６Ｈと自由端４４Ｈとの間に構造変換用間隙４７Ｈを設けて外力応答体１０Ｈを構成し、外力応答体１０Ｈの固定端４３Ｈ付近の表面に歪みゲージ８０を貼付するように構成してもよい。このように構成すれば、圧縮荷重Ｐが第１荷重値未満の場合には自由端４４Ｈが不動部４６Ｈに接近するように変形し、圧縮荷重Ｐが第１荷重値と等しくなった場合には自由端４４Ｈが不動部４６Ｈに接触し、圧縮荷重Ｐが第１荷重値を越えた場合には自由端４４Ｈが不動部４６Ｈに接触した状態で梁状部材４１Ｈの略中央が不動部４８Ｈに接近するように変形するように構成し、歪みゲージ８０の出力から圧縮荷重Ｐの値を測定することができる。
【０１１８】
また、本発明は、上記した実施形態以外の構造によっても実現可能である。すなわち、図１１（Ｃ）に示すように、鋼等の弾性体からなり、一端（固定端４３Ｊ）が強固な床又は壁等からなる不動部４５Ｊで固定され、他端４４Ｊが自由状態となっている曲がり梁状の梁状部材４１Ｊの略中央に引張荷重Ｔが載荷されるようにし、自由端４４Ｊの上方に不動部４６Ｊを設け、当該不動部４６Ｊと自由端４４Ｊとの間に構造変換用間隙４７Ｊを設けて外力応答体１０Ｊを構成し、外力応答体１０Ｊの固定端４３Ｊ付近の表面に歪みゲージ８０を貼付するように構成してもよい。このように構成すれば、荷重Ｔが第１荷重値未満の場合には自由端４４Ｊが不動部４６Ｊに接近するように変形し、引張荷重Ｔが第１荷重値と等しくなった場合には自由端４４Ｊが不動部４６Ｊに接触し、引張荷重Ｔが第１荷重値を越えた場合には自由端４４Ｊが不動部４６Ｊに接触した状態で梁状部材４１Ｊの略中央が不動部４８Ｊに接近するように変形するように構成し、歪みゲージ８０の出力から引張荷重Ｔの値を測定することができる。
【０１１９】
また、本発明は、上記した実施形態以外の構造によっても実現可能である。すなわち、図１１（Ｄ）に示すように、鋼等の弾性体からなり、一端（固定端４３Ｋ）が強固な床又は壁等からなる不動部４５Ｋで固定され、他端４４Ｋが自由状態となっている直線梁状の梁状部材４１Ｋの略中央に引張荷重Ｔが載荷されるようにし、自由端４４Ｋの上方に不動部４６Ｋを設け、当該不動部４６Ｋと自由端４４Ｋとの間に構造変換用間隙４７Ｋを設けて外力応答体１０Ｋを構成し、外力応答体１０Ｋの固定端４３Ｋ付近の表面に歪みゲージ８０を貼付するように構成してもよい。このように構成すれば、引張荷重Ｔが第１荷重値未満の場合には自由端４４Ｋが不動部４６Ｋに接近するように変形し、引張荷重Ｔが第１荷重値と等しくなった場合には自由端４４Ｋが不動部４６Ｋに接触し、引張荷重Ｔが第１荷重値を越えた場合には自由端４４Ｋが不動部４６Ｋに接触した状態で梁状部材４１Ｋの略中央が不動部４８Ｋに接近するように変形するように構成し、歪みゲージ８０の出力から引張荷重Ｔの値を測定することができる。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る荷重測定装置、及び荷重測定方法によれば、弾性体からなり、一端で固定され他端が自由状態の梁状部材の略中央に荷重が載荷されるようにし、自由端の下方又は上方に不動部を設け、当該不動部と自由端との間に構造変換用間隙を設けて外力応答体を構成し、外力応答体の固定端付近の表面に歪みゲージを貼付するように構成したので、荷重が第１荷重値未満の場合には自由端が不動部に接近するように変形させ、荷重が第１荷重値と等しくなった場合には自由端が不動部に接触させ、荷重が第１荷重値を越えた場合には自由端が不動部に接触した状態で梁状部材の略中央が不動部に接近するように変形させ、歪みゲージの出力から荷重の値を測定することができる。この場合、小荷重から大荷重まで、広いダイナミック・レンジで荷重測定を行うことができる、という利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の荷重測定装置において載荷により第１作用部と第２作用部が互いに接触した状態を示す図である。
【図３】第１実施形態の荷重測定装置において載荷により第１作用部と第２作用部が互いに接触した状態で第２直線部材の略中央と第１直線部材が互いに接近するように変形している状態を示す図である。
【図４】本発明に係る荷重測定装置の作用原理を説明する概念図である。
【図５】本発明の第２実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図６】第２実施形態の荷重測定装置において載荷により第１作用部と第２作用部が互いに接触した状態を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第４実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図９】本発明の第５実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第６実施形態である荷重測定装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態である荷重測定装置における外力応答体の構成を示す図である。
【図１２】従来の歪みゲージの構成を示す図である。
【図１３】弾性体の応力と歪みの関係を示す概念図である。
【符号の説明】
１Ａ〜１Ｋ 荷重測定装置
１０Ａ〜１０Ｋ 外力応答体
１１Ａ〜１１Ｆ 第１直線部材
１２Ａ〜１２Ｆ 第２直線部材
１３Ａ〜１３Ｆ２ 接合部材
１４Ａ〜１４Ｆ２ 第１端
１５Ａ〜１５Ｆ２ 第２端
１６Ａ〜１６Ｆ２２ 突出部
１７Ａ〜１７Ｆ２２ 第１作用部
１８Ａ〜１８Ｆ２２ 第２作用部
１９Ａ〜１９Ｆ２ 第１間隙
２０Ａ〜２０Ｆ２２ 第２間隙
２１Ａ〜２１Ｆ 第１雌ネジ孔
２２Ａ〜２２Ｆ 第２雌ネジ孔
２３Ａ〜２３Ｆ 載荷用スピンドル
２４Ａ〜２４Ｆ 載荷用スピンドル
３３Ｄ〜３３Ｆ 第３直線部材
４１Ｇ〜４１Ｋ 梁状部材
４２Ｇ、４２Ｊ 直線部
４３Ｇ〜４３Ｋ 固定端
４４Ｇ〜４４Ｋ 自由端
４５Ｇ〜４５Ｋ 不動部
４６Ｇ〜４６Ｋ 不動部
４７Ｇ〜４７Ｋ 構造変換用間隙
４８Ｇ〜４８Ｋ 不動部
８０ 歪みゲージ
８１ ゲージベース
８２ 抵抗部
８３、８４ リード線
Ｐ 圧縮荷重
Ｔ 引張荷重
Ｚ 破断点
Claims (8)
- 弾性体からなり、一端で固定され他端が自由状態の梁状部材の略中央に荷重が載荷されるようにし、前記自由端の下方又は上方に不動部を設け、当該不動部と前記自由端との間に構造変換用間隙を設けて外力応答体を構成し、前記外力応答体の前記固定端付近の表面に歪みゲージを貼付し、
前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記自由端が前記不動部に接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記自由端が前記不動部に接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記自由端が前記不動部に接触した状態で前記梁状部材の略中央が前記不動部に接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする荷重測定装置。 - 請求項１記載の荷重測定装置において、
弾性体からなり、直線棒状に形成されたＮ（Ｎ：２以上の整数）個の直線部材を互いに平行に第１間隙を配して配置し前記Ｎ個の直線部材のうち同じ側で隣接する２個の端部どうしを（Ｎ−１）個の接合部材で交互に接合して構成される略Ｕ字状又は略Ｓ字状若しくは略波形状の外力応答体を備え、
前記直線部材のうち最も外側となる直線部材である最外直線部材を前記梁状部材としその内面の先端となる第１端の付近から前記第１端に対向する他の直線部材の端である第２端の付近へ向けて、又は前記第２端の付近から前記第１端の付近へ向けて、それぞれ突出部が突設されるとともに、前記突出部の先端付近に設けられる第１作用部と、前記第２端又は前記第１端の付近で前記第１作用部に対向する箇所に設けられる第２作用部との間に、前記構造変換用間隙として第２間隙が設けられ、
前記外力応答体の表面に歪みゲージが貼付され、
前記最外直線部材の外面の略中央の各々に同一軸上となり方向が逆となる荷重を作用させ、前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記第１作用部が前記第２作用部に接触した状態で前記最外直線部材の略中央と、隣接する直線部材が互いに接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする荷重測定装置。 - 請求項２記載の荷重測定装置において、
前記荷重は圧縮荷重であり、前記荷重が前記第１荷重値未満の場合には、前記最外直線部材と、隣接する直線部材が互いに接近するように変形すること
を特徴とする荷重測定装置。 - 請求項２記載の荷重測定装置において、
前記荷重は引張荷重であり、前記荷重が前記第１荷重値未満の場合には、前記最外直線部材と、隣接する直線部材は互いに離れるように変形すること
を特徴とする荷重測定装置。 - 請求項４記載の荷重測定装置において、
前記突出部は略Ｌ字状に構成され、前記第１作用部は、前記略Ｌ字状の突出部の屈曲端部であり、
前記第２作用部は、前記第１作用部によって係止可能に設置された被係止部であること
を特徴とする荷重測定装置。 - 請求項２記載の荷重測定装置において、
前記歪みゲージは、
前記最外直線部材と、前記最外直線部材に隣接する直線部材を接合する接合部材である最外接合部材の表面に貼付されること
を特徴とする荷重測定装置。 - 弾性体からなり、一端で固定され他端が自由状態の梁状部材の略中央に荷重が載荷されるようにし、前記自由端の下方又は上方に不動部を設け、当該不動部と前記自由端との間に構造変換用間隙を設けて外力応答体を構成し、前記外力応答体の前記固定端付近の表面に歪みゲージを貼付し、
前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記自由端が前記不動部に接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記自由端が前記不動部に接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記自由端が前記不動部に接触した状態で前記梁状部材の略中央が前記不動部に接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする荷重測定方法。 - 請求項７記載の荷重測定方法において、
弾性体からなり、直線棒状に形成されたＮ（Ｎ：２以上の整数）個の直線部材を互いに平行に第１間隙を配して配置し前記Ｎ個の直線部材のうち同じ側で隣接する２個の端部どうしを（Ｎ−１）個の接合部材で交互に接合して構成される略Ｕ字状又は略Ｓ字状若しくは略波形状の外力応答体を用い、
前記直線部材のうち最も外側となる直線部材である最外直線部材を前記梁状部材としその内面の先端となる第１端の付近から前記第１端に対向する他の直線部材の端である第２端の付近へ向けて、又は前記第２端の付近から前記第１端の付近へ向けて、それぞれ突出部が突設されるとともに、前記突出部の先端付近に設けられる第１作用部と、前記第２端又は前記第１端の付近で前記第１作用部に対向する箇所に設けられる第２作用部との間に、前記構造変換用間隙として第２間隙が設けられ、
前記外力応答体の表面に歪みゲージが貼付され、
前記最外直線部材の外面の略中央の各々に同一軸上となり方向が逆となる荷重を作用させ、前記荷重が第１荷重値未満の場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接近するように変形し、前記荷重が前記第１荷重値と等しくなった場合には前記第１作用部と前記第２作用部が互いに接触し、前記荷重が前記第１荷重値を越えた場合には前記第１作用部が前記第２作用部に接触した状態で前記最外直線部材の略中央と、隣接する直線部材が互いに接近するように変形するように構成し、前記歪みゲージの出力から前記荷重の値を測定すること
を特徴とする荷重測定方法。
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