JP4636691B2 - 小さい力と変位を計測するための計測装置 - Google Patents

Description

【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、光源と光位置センサ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、光位置センサが、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、感知手段の光源と光位置センサが前記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、光位置センサを備える。
【０００６】
光位置センサ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、光源と光位置センサの間に、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光位置センサ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と光位置センサ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と光位置センサ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、他方の脚の内面に光位置センサ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を通して光位置センサ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

Claims (7)

1. 装置の本体（１）に、光源（４）と光位置センサ（５）を備えた検出手段と、計測される力が加えられる実質的にＵ形のバネ手段（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、前記光位置センサ（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、前記バネ手段（２）の一方の脚の端部が前記クランプ（８）に取り付けられ、前記遮光手段（３）が前記バネ手段（２）の他方の脚の端部に取り付けられ、前記クランプが、前記検出手段と前記感知手段との相対位置が熱変化に対して不変となる小ささの熱膨張率を持つ材料で作られていることを特徴とする装置。
2. 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１による装置。
3. 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１による装置。
4. 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２または３による装置。
5. 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４のいずれかによる装置。
6. 検出手段の光源（４）から光位置センサ（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請求項１から５のいずれかによる装置。
7. 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、光位置センサ（５）の作用面に向けられた光源（４）の光ビームの一部が光位置センサ（５）に入射す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。

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