JP4745897B2 - １ゲージ法によるひずみ測定回路 - Google Patents

Description

本発明は、１ゲージ法によるひずみ測定回路に関し、特に、１ゲージ法の励振電源として定電流電源を使用すると共に、切り替えスイッチを付加することにより、１ゲージ法による２線式、３線式および４線式のいずれの接続方法による測定をも可能にした１ゲージ法によるひずみ測定回路に関する。

従来のひずみ測定方法としては、例えば図５に示すようなものがある。
図５は、１ゲージ法２線式によるひずみ測定方法を原理的に説明するためのひずみ測定回路の結線図である。
同図に示すひずみ測定回路は、回路全体がホイートストンブリッジ回路（以下、単に「ブリッジ回路」と略称することがある）を構成しており、その１辺は抵抗Ｒａを有するひずみゲージ９１（センサ本体）と、２本のリード線を備えたリード線部９２とで構成され、他の３辺は、ひずみゲージ９１から離れた場所に配置されるブリッジ回路構成用抵抗素子である抵抗Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄとで、それぞれ構成されている。リード線は、１本当たり抵抗値ｒの内部抵抗を有するものとする。
電源電圧（一般に「ブリッジ電圧」と称される）Ｅは、抵抗Ｒｂと抵抗Ｒｃとの直列接続部分の両端部に印加され、測定される測定電圧ｅｏｕｔは、抵抗Ｒｃと抵抗Ｒｄとの直列接続部分の両端部から取り出されるが、その値は、ひずみゲージ９１（センサ本体）が受けるひずみ量に対応して変化するので、予め、この変化特性を把握しておくことにより、ひずみゲージ９１（センサ本体）が受けるひずみ量を測定することができる。

図６は、定電圧電源を使用した１ゲージ法２線式のひずみ測定回路の一例を示す回路図である。
同図は、図５に示す１ゲージ法２線式のひずみ測定回路に接続端子や演算増幅器が付加されてなるひずみ測定回路であるが、測定対象側（入力側）であるひずみゲージ９１（抵抗Ｒａを有する）と、中継部であるリード線部９２と、測定器側回路９３とを、それぞれ分離して示している。
なお、測定器側回路９３には、ひずみゲージ９１からのリード線を接続するための接続端子Ａ，Ｂ，Ｃが設けられている。また、演算増幅器ＩＣ１と電源Ｅとの結線部分は、定電圧源を構成している。さらに、ひずみ量を示す電圧は、差動増幅器ＩＣ２を介して測定電圧ｅｏｕｔとして出力される。
図５，図６に示す回路の結線方法では、ブリッジ回路の１辺に、ひずみゲージに接続される２本のリード線の抵抗値ｒがひずみゲージ９１の抵抗値Ｒａと直列に存在する。したがって、抵抗値（ｒ＋ｒ＝２ｒ）が、ひずみゲージ９１の抵抗値Ｒａに加算されるので、ブリッジ回路の初期不平衡値に影響を及ぼす作用がある他、リード線の抵抗値ｒが周囲温度によって変化することにより、みかけひずみが発生し、測定に誤差を生じてしまうという問題点があった。

また、ブリッジ回路が、定電圧電源によって励振されているため、仮に荷重が加わることによるひずみゲージの抵抗値Ｒａの変化により、ひずみゲージ９１を流れる電流値が変化し、このため、ブリッジ回路の出力（測定電圧ｅｏｕｔ）が、ひずみゲージ９１の抵抗値Ｒａの変化に対して直線的にならないという問題点もあった。
即ち、真のひずみ量（ε）と、実際のブリッジ出力（ｅｏ）との関係は（１）式で示される。
ε＝ｅｏ／（１−ｅｏ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
図７は、真のひずみ量（ε）と、実際のブリッジ出力（ｅｏ）との関係を示すグラフである。
同図に示される誤差は、「１ゲージ法におけるブリッジ回路の非直線性誤差」と呼ばれており、従来、この誤差が無視できない場合には、測定と同時、若しくは測定後に、（１）式に従った補正が必要であった。

図８は、１ゲージ法３線式によるひずみ測定方法を原理的に説明するためのひずみ測定回路の結線図である。 同図に示すひずみ測定回路は、図５に示す１ゲージ法２線式のひずみ測定回路の結線に加えて、ひずみゲージ９１の一端から、さらに抵抗値ｒの抵抗を有する１本のリード線が引き出され、測定電圧ｅｏｕｔは、このリード線の終端と、ブリッジ回路を形成する抵抗Ｒｂと抵抗Ｒｃとの接続点との間の電位差（電圧値）として取り出される。リード線部９４は、３本のリード線で構成される。なお、電源電圧Ｅは、抵抗Ｒｂと抵抗Ｒｃとの直列接続部分の両端部に印加される。
図９は、定電圧電源を使用した１ゲージ法３線式のひずみ測定回路の一例を示す回路図である。

図９は、図８に示すひずみ測定回路に接続端子や演算増幅器等が付加されてなる１ゲージ法３線式のひずみ測定回路の構成を示す回路図であるが、測定対象側（入力側）であるひずみゲージ９１と、中継部であるリード線部９４と、測定器側回路９３とを、それぞれ分離して示している。リード線部９４は、３本のリード線を備え、この３本のリード線は、それぞれ抵抗値ｒの内部抵抗を有する。
なお、測定器側回路９３には、ひずみゲージ９１に連結されたリード線を接続するための接続端子Ａ，Ｂ，Ｃが設けられている。また、演算増幅器ＩＣ１と電源電圧Ｅとの結線部分は、定電圧源を構成している。さらに、ひずみ量を示す電圧は、差動増幅器ＩＣ２を介して測定電圧ｅｏｕｔとして出力される。
図８，図９に示すひずみ測定回路では、ひずみゲージ９１が３本のリード線で接続され、抵抗値ｒを有するリード線の抵抗は、ブリッジ回路の１辺だけではなく、相隣る辺にも入るように接続されるため、ブリッジ回路の初期不平衡値への影響が無く、リード線の抵抗ｒの温度による影響も相殺される。しかしながら、この測定回路も定電圧電源によってブリッジ回路を励振しているため、前述の「１ゲージ法におけるブリッジ回路の非直線性」が発生し、よって補正が必要となる。

図１０は、１ゲージ法４線式によるひずみ測定方法を原理的に説明するためのひずみ測定回路の結線図である。
同図に示すひずみ測定回路は、ひずみゲージ９１の一端から、抵抗値ｒの内部抵抗を有する２本のリード線が引き出され、他端からも抵抗値ｒの内部抵抗を有する２本のリード線が引き出される。測定電圧ｅｏｕｔは、リード線部９５の４本のリード線の内の２本のリード線の終端間の電圧値として取り出される。このように、１ゲージ法４線式によるひずみ測定方法では、前述の１ゲージ法２線式や１ゲージ法３線式のひずみ測定方法とは違って、ブリッジ回路は使用されず、単にひずみゲージの出力端子間の電位差だけが測定される。また、この電位差を測定するための測定器の入力側は、一般にハイインピーダンスであり、回路電流を流させないようにしている。

図１０に示すひずみ測定回路におけるひずみの測定方法は、抵抗に一定の電流を流し、その時に抵抗の両端に発生する電位差を測定し、この測定値から前記抵抗の抵抗値を求める方式である。ひずみゲージは、基本的には抵抗値の変化を測定するものであるため、抵抗値Ｒａの抵抗を有するひずみゲージ９１に定電流電源から一定の電流Ｉを供給し、この時の、ひずみゲージ９１の両端に発生する電位差（電圧値ｅｏｕｔ）を測定することにより、抵抗値の変化＝ひずみ量を測定することが可能となる。図１０に示すひずみ測定回路では、定電流電源を使用していることにより、リード線の抵抗ｒの影響をまったく受けないという長所を有する他、ブリッジ回路を構成していないため、前述の「１ゲージ法におけるブリッジ回路の非直線性」が発生しないという長所を有している。

しかしながら、上記背景技術で述べた従来のひずみ測定回路にあっては、前述のとおり、１ゲージ法２線式、１ゲージ法３線式、１ゲージ法４線式のひずみ測定回路における基本的な結線が異なるために、これら３通りのひずみ測定回路を用意しておき、測定環境に応じて使い分ける必要があったので、使用者側における設備コストの負担が大きくなるという問題点があった。
また、前記の３通りのひずみ測定回路毎に、リード線の張り替えと共に複数のリード線を切り換える必要がある場合には、その都度、リード線の本数に対応させてひずみ測定回路を取り替えると共に、リード線を接続し直さなければならないので、使い勝手が極めて悪いという問題点があった。
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、ブリッジ回路の励振電源として定電流電源を使用することで、ブリッジ回路の非直線性誤差の発生を除去できるようにすると共に、この定電流電源を１ゲージ法における共通の電源とし、この測定回路に切り替えスイッチを付加することで、２線式、３線式および４線式の１ゲージ法によるひずみ測定回路を１つの合理的な測定回路として実現することを可能として、回路規模の縮小、コストの削減および測定の作業効率を向上し得る１ゲージ法によるひずみ測定回路を提供することを目的としている。

請求項１に記載した本発明に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路は、上述した目的を達成するために、
ひずみゲージをリード線を介して接続するための第１、第２、第３および第４の接続端子と、
前記１つの接続端子と前記リード線を介して前記ひずみゲージに供給する定電流を生成するための共通の定電流電源と、
１ゲージ法２線式および１ゲージ法３線式のひずみ測定回路を構成する場合に、前記ひずみゲージと共にホイートストンブリッジ回路を構成する少なくとも３個の抵抗素子と、
１ゲージ法４線式のひずみ測定回路を構成する電位差測定回路素子と、
外部の電圧測定回路に測定電圧を選択的に出力するための４個の出力端子と、 本回路を前記１ゲージ法２線式、前記１ゲージ法３線式または前記１ゲージ法４線式のいずれか１つのひずみ測定回路に切り替えるための複数の切り替えスイッチと、
を具備し、 １つの定電流電源を用いて前記１ゲージ法２線式と前記１ゲージ法３線式と前記１ゲージ法４線式のひずみ測定を行い得るように構成したことを特徴としている。

また、請求項２に記載した本発明に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路は、前記ひずみゲージの一端をリード線を介して前記第１の接続端子に接続し、他端を他のリード線を介して前記第２の接続端子に接続して１ゲージ法２線式の測定回路の入力側を構成し、
前記ひずみゲージの一端をリード線を介して前記第１の接続端子に接続し、他端を他のリード線を介して前記第２の接続端子に接続すると共に、さらに他端をさらに他のリード線を介して、前記第３の接続端子に接続して１ゲージ法３線式の測定回路の入力側を構成し、
前記ひずみゲージの一端を別々のリード線を介して前記第１の接続端子と前記第２の接続端子にそれぞれ接続し、前記ひずみゲージの他端をさらに別々のリード線を介して前記第３の接続端子と前記第４の接続端子にそれぞれ接続して１ゲージ法４線式の測定回路の入力側を構成したことを特徴としている。

また、請求項３に記載した本発明に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路は、電源と演算増幅器からなり定電流を第１の接続端子と前記リード線を介して前記ひずみゲージに供給する定電流電源と、
前記第１の接続端子と第１の抵抗素子との間に接続されたボルテージフォロアを構成する演算増幅器と、
前記第２の接続端子と第３の接続端子との間の電位差を演算する差動増幅器と、
前記第２の接続端子と前記第３の接続端子との間に挿入される第１のスイッチおよび前記第３の接続端子と前記第４の接続端子との間に挿入される第２のスイッチの２つが連動し、前記第２、第３および前記第４の接続端子間を同時にオンまたはオフする前記複数の切り替えスイッチのうちの一つである第１の切り替えスイッチと、
前記第２の接続端子と前記第４の接続端子との間に挿入され、前記第２の接続端子と前記第４の接続端子との間をオンまたはオフする、前記複数の切り替えスイッチのうちの他の一つである第２の切り替えスイッチと、
第１から第４までの４個の出力端子の内の前記第１および前記第３の出力端子に接続されたときは、前記外部の電圧測定回路へ出力される前記測定電圧として前記ホイートストンブリッジ回路の対角線上の接続点間の電位を出力し、前記第２および前記第４の出力端子に接続されたときは、前記リード線と前記抵抗素子とを介した前記ひずみゲージの両端間の電位差を前記測定電圧として出力する前記複数の切り替えスイッチのうちのさらに他の一つである第３の切り替えスイッチと、
前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子との接続点に接続された前記第１の出力端子と
前記第３の抵抗素子と前記差動増幅器の出力端子との接続点に接続された第２の出力端子と、
前記第２の接続端子に接続された第３の出力端子と、
前記第３の接続端子に接続された第４の出力端子と、
を具備したことを特徴としている。

また、請求項４に記載した本発明に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路は、前記第１の切り替えスイッチがオンであり、かつ前記第２の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第３の切り替えスイッチにより、前記第１および前記第３の出力端子とが選択されたときには、前記測定電圧として前記ホイートストンブリッジ回路の対角線上の接続点間の電位が選択されて、前記ひずみゲージの前記電位をリード線を介して前記第１の接続端子と前記第２の接続端子との間に受けて、１ゲージ法２線式のひずみ測定回路を構成することを特徴としている。
また、請求項５に記載した本発明に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路は、前記第１の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第２の切り替えスイッチがオンであり、かつ前記第３の切り替えスイッチにより、前記第１および前記第３の出力端子とが選択され、前記測定電圧として前記ホイートストンブリッジ回路の対角線上の接続点間の電位が選択されたときには、前記ひずみゲージの前記電位をリード線を介して前記第１の接続端子と前記第２の接続端子と前記第３の接続端子との間に受けて、１ゲージ法３線式のひずみ測定回路を構成することを特徴としている。

さらに、請求項６に記載した本発明に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路は、前記第１の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第２の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第３の切り替えスイッチにより、前記第２および前記第４の出力端子とが選択されたときには、前記測定電圧として、前記ひずみゲージの両端間の電位差を出力し得るように選択されて、１ゲージ法４線式のひずみ測定回路を構成することを特徴としている。

以上述べたように、請求項１に記載の発明によれば、ひずみゲージをリード線を介して接続するための第１、第２、第３および第４の接続端子と、
前記１つの接続端子と前記リード線を介して前記ひずみゲージに供給する定電流を生成するための共通の定電流電源と、
１ゲージ法２線式および１ゲージ法３線式のひずみ測定回路を構成する場合に、前記ひずみゲージと共にホイートストンブリッジ回路を構成する少なくとも３個の抵抗素子と、
１ゲージ法４線式のひずみ測定回路を構成する電位差測定回路素子と、
外部の電圧測定回路に測定電圧を選択的に出力するための４個の出力端子と、 本回路を前記１ゲージ法２線式、前記１ゲージ法３線式または前記１ゲージ法４線式のいずれか１つのひずみ測定回路に切り替えるための複数の切り替えスイッチと、
を具備し、 １つの定電流電源を用いて前記１ゲージ法２線式と前記１ゲージ法３線式と前記１ゲージ法４線式のひずみ測定を行い得るように構成したので、従来の測定回路のように定電流電源または定電圧電源を個別に用いるのではなく、電源は定電流電源を１個共通に使用し、２線式、３線式および４線式のすべての１ゲージ法によるひずみ測定を１つの簡単な測定回路として構成することができると共に、ブリッジ回路の非直線性誤差の発生しない測定回路を提供することができ、さらには、回路規模の縮小化、コストの削減化が可能となり、ユーザ側としては設備コストの削減および測定の作業効率を大幅に向上させ得る１ゲージ法によるひずみ測定回路を提供することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、
前記ひずみゲージの一端をリード線を介して前記第１の接続端子に接続し、他端を他のリード線を介して前記第２の接続端子に接続して１ゲージ法２線式の測定回路の入力側を構成し、
前記ひずみゲージの一端をリード線を介して前記第１の接続端子に接続し、他端を他のリード線を介して前記第２の接続端子に接続すると共に、さらに他端をさらに他のリード線を介して、前記第３の接続端子に接続して１ゲージ法３線式の測定回路の入力側を構成し、
前記ひずみゲージの一端を別々のリード線を介して前記第１の接続端子と前記第２の接続端子にそれぞれ接続し、前記ひずみゲージの他端をさらに別々のリード線を介して前記第３の接続端子と前記第４の接続端子にそれぞれ接続して１ゲージ法４線式の測定回路の入力側を構成したので、共通の第１〜第４の接続端子に１ゲージ法の２線式、３線式および４線式に応じたひずみゲージの結線ができるので、従来の測定回路のように、異なるひずみ測定回路を準備する必要がなく、作業者がひずみ測定回路を弁別して接続する必要がなく、延いては測定法とは異なったひずみ測定器を選択して測定を失敗する、といった事態が生じ得ない１ゲージ法による測定回路を提供することができる。

請求項３に記載の発明によれば、
電源と演算増幅器からなり定電流を第１の接続端子と前記リード線を介して前記ひずみゲージに供給する定電流電源と、
前記第１の接続端子と前記第１の抵抗素子との間に接続されたボルテージフォロアを構成する演算増幅器と、
前記第２の接続端子と第３の接続端子との間の電位差を演算する差動増幅器と、
前記第２の接続端子と前記第３の接続端子との間に挿入される第１のスイッチおよび前記第３の接続端子と前記第４の接続端子との間に挿入される第２のスイッチの２つが連動し、前記第２、第３および前記第４の接続端子間を同時にオンまたはオフする前記複数の切り替えスイッチのうちの一つである第１の切り替えスイッチと、
前記第２の接続端子と前記第４の接続端子との間に挿入され、前記第２の接続端子と前記第４の接続端子との間をオンまたはオフする、前記複数の切り替えスイッチのうちの他の一つである第２の切り替えスイッチと、
第１から第４までの４個の出力端子の内の前記第１および前記第３の出力端子に接続されたときは、前記外部の電圧測定回路へ出力される前記測定電圧として前記ホイートストンブリッジ回路の対角線上の接続点間の電位を出力し、前記第２および前記第４の出力端子に接続されたときは、前記リード線と前記抵抗素子とを介した前記ひずみゲージの両端間の電位差を前記測定電圧として出力する前記複数の切り替えスイッチのうちのさらに他の一つである第３の切り替えスイッチと、
前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子との接続点に接続された前記第１の出力端子と
前記第３の抵抗素子と前記差動増幅器の出力端子との接続点に接続された第２の出力端子と、
前記第２の接続端子に接続された第３の出力端子と、
前記第３の接続端子に接続された第４の出力端子と、
を具備しているので、上記請求項１に記載の発明と同様に、
電源を１個共通に使用し、２線式、３線式および４線式のすべての１ゲージ法によるひずみ測定を１つの簡単な測定回路として構成することができると共に、ブリッジ回路の非直線性誤差の発生しない測定回路を提供することができ、さらには、回路規模の縮小化、コストの削減化が可能となり、ユーザ側としては設備コストの削減および測定の作業効率を大幅に向上させ得る１ゲージ法によるひずみ測定回路を提供することができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、
前記第１の切り替えスイッチがオンであり、かつ前記第２の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第３の切り替えスイッチにより、前記第１および前記第３の出力端子とが選択されたときには、前記測定電圧として前記ホイートストンブリッジ回路の対角線上の接続点間の電位が選択されて、前記ひずみゲージの前記電位をリード線を介して前記第１の接続端子と前記第２の接続端子との間に受けて、１ゲージ法２線式のひずみ測定回路を構成することにより、上記請求項３に記載の発明の奏する効果に加え、１ゲージ法２線式の特有の効果、即ち、１ゲージ法におけるブリッジ回路の非直線性誤差の発生しない１ゲージ法によるひずみ測定回路を提供することができる。

請求項５に記載の発明によれば、前記第１の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第２の切り替えスイッチがオンであり、かつ前記第３の切り替えスイッチにより、前記第１および前記第３の出力端子とが選択され、前記測定電圧として前記ホイートストンブリッジ回路の対角線上の接続点間の電位が選択されたときには、前記ひずみゲージの前記電位をリード線を介して前記第１の接続端子と前記第２の接続端子と前記第３の接続端子との間に受けて、１ゲージ法３線式のひずみ測定回路を構成することにより、上記請求項３または４に記載の発明の奏する効果に加え、１ゲージ法３線式の特有の効果、即ち、リード線の内部抵抗による周囲の温度変化の影響は回路上キャンセルできると共に、１ゲシー法におけるブリッジ回路の非直線性誤差の発生しない１ゲージ法によるひずみ測定回路を提供することができる。

請求項６に記載の発明によれば、
前記第１の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第２の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第３の切り替えスイッチにより、前記第２および前記第４の出力端子とが選択されたときには、前記測定電圧として、前記ひずみゲージの両端間の電位差を出力し得るように選択されて、１ゲージ法４線式のひずみ測定回路を構成することにより、上記請求項３〜５のいずれか１項に記載の発明の奏する効果に加え、１ゲージ法４線式の特有の効果、即ち、リード線の抵抗値の温度変化による影響を受けず、また、ひずみゲージの接続部分やスイッチの接続部分の接触抵抗の影響も完全に排除することができ、そのため簡易型コネクタ（例えばモジュラープラグ等）の使用も可能となり、さらには、１ゲージ法におけるブリッジ回路の非直線性も発生しない１ゲージ法によるひずみ測定回路を提供することができる。

以下、本発明の１ゲージ法によるひずみ測定回路の最良の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路の構成を示す回路図である。
同図において、第１、第２、第３および第４の接続端子Ａ、Ｂ、ＣおよびＤには、入力側（図１において左側）にリード線を介してひずみゲージ１が、後述するように１ゲージ法２線式、１ゲージ法３線式および１ゲージ法４線式の結線に応じてひずみゲージが結線される。
一方、ひずみ測定器側において、第１の接続端子Ａには、定電流電源を構成する演算増幅器１Ｃ１の出力端が接続されると共に、ボルテージフォロアを構成する演算増幅器１Ｃ２の非反転入力端が接続される。演算増幅器１Ｃ１の非反転入力端には電源Ｅの正極側が接続されており、電源Ｅの負極側は、ブリッジ回路の一辺を形成する第３の抵抗素子Ｒｄに接続されている。

第２の接続端子Ｂには、第３の出力端子Ｃが接続されると共に、双極双投型の第１の切り替えスイッチＳＷ１の第１のスイッチＳＷ１ａの可動接片側と、単極単投型の第２の切り替えスイッチＳＷ２の可動接片側にそれぞれ接続され、且つ差動増幅器１Ｃ３の非反転入力端に接続されている。
第３の接続端子Ｃは、第４の出力端子ｄに接続されると共に、第１の切り替えスイッチＳＷ１を構成する第１スイッチＳＷ１ａの固定接片と、第２スイッチＳＷ１ｂの可動接片と、ブリッジ回路の一辺を形成する第３の抵抗素子Ｒｄの一端に、それぞれ接続されている。
第４の接続端子Ｄは、第１のスイッチＳＷ１の第２のスイッチＳＷ１ｂの固定接片と第２の切り替えスイッチＳＷ２の固定接片および差動増幅器１Ｃ３の反転入力端にそれぞれ接続されている。
ボルテージフォロアを構成する演算増幅器１Ｃ２の出力端と差動増幅器１Ｃ３の出力端の間には、ブリッジ回路の２辺を形成する第１の抵抗素子Ｒｂと第２の抵抗素子Ｒｃからなる直列抵抗が接続されている。この第１の抵抗素子Ｒｂと第２の抵抗素子Ｒｃとの接続点は、第１の出力端子ａに接続されている。

差動増幅器１Ｃ３の出力端子と上記第２の抵抗素子Ｒｃとの接続点は、第２の出力端子ｂに接続されている。第３および第４の出力端子ｃおよびｄは、上述した通り、第２の接続端子Ｂおよび第３の接続端子Ｃに各々接続されている。
双極双投型の第３の切り替えスイッチＳＷ３の２つの可動接片ｅと可動接片ｆは、第３の切り替えスイッチＳＷ３の第１の出力端子ａと第３の出力端子ｃに接続されるか、第２の出力端子ｂと第４の出力端子ｄに接続されるかが、選択的に行われる。
次に、ひずみゲージ１が第１〜第４の接続端子Ａ〜Ｄにどのように接続されるかにつき説明する。
１ゲージ法２線式のひずみ測定回路を形成する場合、図２に示すように、ひずみゲージ１の一端をリード線を介して第１の接続端子Ａに接続し、他端を他のリード線を介して第２の接続端子Ｂに接続する。
また、１ゲージ法３線式のひずみ測定回路を形成する場合、図３に示すように、前記ひずみゲージ１の一端をリード線を介して前記第１の接続端子Ａに接続し、他端を他のリード線を介して前記第２の接続端子Ｂに接続すると共に、さらに他端をさらに他のリード線を介して、前記第３の接続端子Ｃに接続する。

１ゲージ法４線式のひずみ測定回路を形成する場合、図４に示すように、前記ひずみゲージ１の一端を別々のリード線を介して前記第１の接続端子Ａと前記第２の接続端子Ｂにそれぞれ接続し、前記ひずみゲージ１の他端をさらに別々のリード線を介して前記第３の接続端子Ｃと前記第４の接続端子Ｄにそれぞれ接続する。
次の表１は、第１，第２および第３のスイッチＳＷ１、ＳＷ２およびＳＷ３の状態によって、前記１ゲージ法によるひずみ測定回路３が２線式、３線式および４線式の回路に切り替えられることを示した真理値表である。

第１の切り替えスイッチＳＷ１は、接続端子Ｂ−Ｃ間と接続端子Ｃ−Ｄ間に挿入され、接続端子Ｂ−Ｃ間と接続端子Ｃ−Ｄ間を同時にオン／オフする。回路を１ゲージ法２線式のひずみ測定回路とする場合、第１の切り替えスイッチＳＷ１をオンにする。また、回路を１ゲージ法３線式、または１ゲージ法４線式のひずみ測定回路とする場合、第１の切り替えスイッチＳＷ１をオフにする。
第２の切り替えスイッチＳＷ２は、接続端子Ｂ−Ｄ間に挿入され、接続端子Ｂ−Ｄ間をオン／オフする。回路を１ゲージ法３線式のひずみ測定回路とする場合、スイッチＳＷ２をオンにする。また、回路を１ゲージ法２線式、または１ゲージ法４線式のひずみ測定回路とする場合、第２の切り替えスイッチＳＷ２をオフにする。
第３の切り替えスイッチＳＷ３は、電圧値ｅｏｕｔを取り出す出力端子を選択するための切り替えスイッチであり、回路が１ゲージ法２線式または１ゲージ法３線式の場合は、ブリッジ回路によるひずみ検出電圧を検出するために、第１の出力端子ａと第３の出力端子ｃを選択する。また、回路が１ゲージ法４線式の場合は、単に定電流によるひずみゲージの電圧降下（出力端子間の電位差）を測定するために、第２の出力端子ｂと第４の出力端子ｄを選択する。

図２は、本発明の実施の形態に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路３を用いた１ゲージ法２線式のひずみ測定回路全体の結線図を示している。
この場合のスイッチの設定は、上述したように、第１の切り替えスイッチＳＷ１は、オンとし、第２の切り替えスイッチＳＷ２は、オフとし、第３の切り替えスイッチＳＷ３は、可動接片ｅは第１の出力端子ａに可動接片ｆは、第３の出力端子ｃに接続されている。
以下、図２に示す１ゲージ法２線式のひずみ測定回路の動作を説明する。
尚、Ｐ１〜Ｐ９は、回路上のポイントを示すものとする。
まず、ひずみ測定回路３により、ポイントＰ１より電圧Ｅを供給することにより、（２）式が成立する。
〔ポイントＰ５の電圧〕＝Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
また、第３の抵抗素子である内部基準抵抗Ｒｄ（抵抗値Ｒｄ）に流れる電流値Ｉの電流は、（３）式で示される。

Ｉ＝Ｅ／Ｒｄ ・・・・・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
この電流値Ｉの電流は、ポイントＰ２からポイントＰ３，ポイントＰ４，ポイントＰ５を経由するため、ひずみゲージ１に電流値Ｉの電流が流れる。つまり電圧Ｅと内部基準抵抗Ｒｄ（抵抗値Ｒｄ）により、定電流回路が形成され、リード線抵抗ｒ１（抵抗値ｒ１）およびリード線抵抗ｒ２（抵抗値ｒ２）に関係無く、ひずみゲージ１には一定の電流が流れる。
ここで、ひずみゲージ１の抵抗値をＲａ＋ΔＲａとし、第１の切り替えスイッチＳＷ１のオン抵抗値をＲＳＷ１とすると、ポイントＰ２の電圧は、（４）式で示される。
〔ポイントＰ２の電圧〕＝Ｉ（Ｒａ＋ΔＲａ＋ｒ１＋ｒ２＋Ｒｄ＋ＲＳＷ１）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
また、ポイントＰ６の電圧は（５）式、ポイントＰ７の電圧は（６）式で、それぞれ示される。
〔ポイントＰ６の電圧〕＝Ｉ（Ｒｄ＋ＲＳＷ１）・・・・・・・・（５）
〔ポイントＰ７の電圧〕＝ＩＲｄ・・・・・・・・・・・・・・・（６）
（５），（６）式より、ポイントＰ８の電圧は、（７）式で示される。

〔ポイントＰ８の電圧〕＝〔ポイントＰ６の電圧〕−〔ポイントＰ７の電圧〕 ＝ＩＲＳＷ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（７）
また、〔ポイントＰ９の電圧〕は、抵抗値の等しい抵抗Ｒｂと抵抗Ｒｃの分圧なので、（４），（７）式より、まず、
〔ポイントＰ９の電圧〕＝（〔ポイントＰ２の電圧〕−〔ポイントＰ８の電圧〕）／２＋〔ポイントＰ８の電圧〕
＝｛Ｉ（Ｒａ＋ΔＲａ＋ｒ１＋ｒ２＋Ｒｄ＋ＲＳＷ１）−ＩＲＳＷ１｝／２＋ＩＲＳＷ１
＝｛Ｉ（Ｒａ＋ΔＲａ＋ｒ１＋ｒ２＋Ｒｄ) ｝／２＋ＩＲＳＷ１
となる。

ここで、Ｒａ＝Ｒｄとすると、上記の関係より（８）式が得られる。
｛Ｉ（ΔＲａ＋ｒ１＋ｒ２＋２Ｒａ）｝／２＋ＩＲＳＷ１・・・・・・（８）
よって、出力ｅｏｕｔは、（５），（８）式より、
出力ｅｏｕｔ＝〔ポイントＰ９の電圧〕−〔ポイントＰ６の電圧〕＝｛Ｉ（ΔＲａ＋ｒ１＋ｒ２＋２Ｒａ）｝／２＋ＩＲＳＷ１−Ｉ（Ｒａ+ＲＳＷ１）となる。
ここで、（３）式より、（９）式が得られる。
出力ｅｏｕｔ＝｛Ｅ（ΔＲａ＋ｒ１＋ｒ２＋２Ｒａ）｝／２Ｒａ−(ＥＲａ）／Ｒａ
＝Ｅ（ｒ１＋ｒ２）／２Ｒａ＋ＥΔＲａ）／２Ｒａ・・・・・・（９）
以上述べたように、ひずみゲージ１と測定器（即ち、１ゲージ法によるひずみ測定回路３）とを１ゲージ法２線式のひずみ測定回路として接続するのは容易であるが、（９）式の第１項から、リード線抵抗値“ｒ１＋ｒ２”の存在により、周囲の温度変化の影響を受けるため、本結線方法は、周囲温度変化が無い場所で使用するか、もしくはリード線の温度影響を考慮に入れなくてはならない。

但し、定電流電源を使用してブリッジ回路を励振しているため、ひずみゲージを流れる電流が一定となるので、図６に示す「定電圧電源を使用した１ゲージ法２線式のひずみ測定回路」に生じるような「１ゲージ法におけるブリッジ回路の非直線性誤差」は発生しない。
図３は、本発明の実施の形態に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路３を用いた１ゲージ法３線式のひずみ測定回路全体の結線図を示している。
この場合のスイッチの設定は、上述したように、第１の切り替えスイッチＳＷ１は、オフとし、第２の切り替えスイッチＳＷ２は、オンとし、第３の切り替えスイッチＳＷ３は、可動接片ｅは第１の出力端子ａに可動接片ｆは、第３の出力端子Ｃに接続されている。
以下、図３に示す１ゲージ法３線式のひずみ測定回路の動作を説明する。
まず、ひずみ測定回路３により、ポイントＰ１より電圧Ｅを供給することにより、ポイントＰ５の電圧は（１０）式で定まる。

〔ポイントＰ５の電圧〕＝Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１０）
また、第３の抵抗素子である内部基準抵抗（抵抗値Ｒｄ）に流れる電流値Ｉの電流は、（１１）式で定まる。

Ｉ＝ Ｅ／Ｒｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１１）
この電流値Ｉの電流は、ポイントＰ２からポイントＰ３、ポイントＰ４およびポイントＰ５を経由するため、ひずみゲージ１に電流値Ｉの電流が流れる。つまり、電圧Ｅと内部基準抵抗Ｒｄにより定電流回路が形成され、リード線部２におけるリード線の抵抗値ｒ１、ｒ３とは関係無く、ひずみゲージ１には一定の電流が流れる。 ここで、ひずみゲージ１の抵抗値をＲａ＋ΔＲａとすると、ポイントＰ２の電圧は、（１２）式で定まる。 〔ポイントＰ２の電圧〕＝Ｉ（Ｒａ＋ΔＲａ＋ｒ１＋ｒ３＋Ｒｄ）・（１２）
また、ポイントＰ８の電圧は、（１３）式で定まる。
〔ポイントＰ８の電圧〕＝〔ポイントＰ６の電圧〕−〔ポイントＰ７の電圧〕
＝Ｉ（ｒ３＋Ｒａ）−Ｉ（ｒ３＋Ｒａ）＝０・・・・・・・・・・（１３）
さらに、ポイントＰ９の電圧は、抵抗値の等しいＲｂとＲｃの分圧なので、（１２）式および（１３）式より、
〔ポイントＰ９の電圧〕＝〔ポイントＰ２の電圧〕／２
＝｛Ｉ（Ｒａ＋ΔＲａ＋ｒ１＋ｒ３＋Ｒｄ）｝／２
が成立する。

ここで、（１１）式より、
〔ポイントＰ９の電圧〕＝｛Ｅ（ Ra＋ΔRa + r1 + r3 + Rd)｝／（２Ｒｄ）
となる。
また、Ra＝Rd とすると、（１４）式が成立する。
〔ポイントＰ９の電圧〕＝｛Ｅ（ΔＲａ＋ｒ１＋ｒ３＋２Ｒａ）｝／（２Ｒａ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１４）
同様に、ポイントＰ４の電圧として、（１５）式が成立する。 〔ポイントＰ４の電圧〕＝Ｉ（ｒ３＋Ｒａ）
＝｛Ｅ（ｒ３＋Ｒａ）｝／Ｒａ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１５）
よって、出力ｅｏｕｔは、（１４）式および（１５）式より、（１６）式で定まる。

出力ｅｏｕｔ＝〔ポイントＰ９の電圧〕−〔ポイントＰ４の電圧〕
＝｛Ｅ（ΔＲａ＋ｒ１＋ｒ３＋２Ｒａ）｝／（２Ｒａ）−｛Ｅ（ｒ３＋Ｒａ）｝／Ｒａ
＝Ｅ（ｒ１−ｒ３）／２Ｒａ ＋（ＥΔＲａ）／２Ｒａ・・・・・・（１６）
以上述べたように、（１６）式の第１項から、１ゲージ法３線式においては、リード線抵抗値“ｒ１−ｒ３”により、１ゲージ法２線式と比較すると、ｒ１＝ｒ３であれば、周囲の温度変化の影響はキャンセルすることができる。しかし、コネクタ部分の接触抵抗の変動等による測定誤差は排除することができない。但し、本回路も定電流電源を使用してブリッジ回路を励振しているため、「１ゲージ法におけるブリッジ回路の非直線性誤差」は発生しない。

図４は、本発明の実施の形態に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路３を用いた１ゲージ法４線式のひずみ測定回路全体の結線図を示している。
この場合のスイッチの設定は、上述したように、第１の切り替えスイッチＳＷ１はオフとし、第２の切り替えスイッチＳＷ２もオフとし、第３の切り替えスイッチＳＷ３は、可動接片ｅは、第２の出力端子ｂに、可動接片ｆは、第４の出力端子ｄに接触されている。
以下、図４に示す１ゲージ法４線式のひずみ測定回路の動作を説明する。
まず、ひずみ測定回路３により、ポイントＰ１より電圧Ｅを供給することにより、（１７）式が成立する。
〔ポイントＰ５の電圧〕＝Ｅ・・・・・・・・・・・・・・・・・（１７）
また、第３の抵抗素子としての内部基準抵抗（抵抗値Ｒｄ）に流れる電流値Ｉは、（１８）式で定まる。
Ｉ＝Ｅ／Ｒｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１８）
この電流値Ｉの電流は、ポイントＰ２からポイントＰ３、ポイントＰ４およびポイントＰ５を経由するため、ひずみゲージ１に電流値Ｉの電流が流れる。つまり電圧Ｅと内部基準抵抗Ｒｄにより定電流回路が形成され、リード線の内部抵抗値に関係無く、ひずみゲージ１には、一定の電流が流れる。

ここで、ひずみゲージ１の抵抗値をＲａ＋ΔＲａとすると、ポイントＰ６の電圧は、（１９）式で定まる。
〔ポイントＰ６の電圧〕＝Ｉ（Ｒａ＋ΔＲａ＋ｒ３＋Ｒｄ）・・・（１９）
同様に、ポイントＰ７の電圧は、（２０）式で定まる。
〔ポイントＰ７の電圧〕＝Ｉ（ｒ３＋Ｒｄ）・・・・・・・・・・（２０）
（１９）式および（２０）式により、ポイントＰ８の電圧は、
〔ポイントＰ８の電圧〕＝〔ポイントＰ６の電圧〕−〔ポイントＰ７の電圧〕
＝Ｉ（Ｒａ＋ΔＲａ＋ｒ３＋Ｒｄ）−Ｉ（ｒ３＋Ｒｄ）
＝Ｉ（Ｒａ＋ΔＲａ）となる。 ここで、（１８）式より、（２１）式が得られる。 〔ポイントＰ８の電圧〕＝（Ｅ／Ｒｄ）（Ｒａ＋ΔＲａ）・・・・（２１）
よって、出力ｅｏｕｔは、（２１）式および（１７）式より、
出力ｅｏｕｔ＝〔ポイントＰ８の電圧〕−〔ポイントＰ５の電圧〕
＝（Ｅ／Ｒｄ）（Ｒａ＋ΔＲａ）−Ｅ
として定まる。

ここで、Ｒｄ＝Ｒａ、Ｅ＝（１／２）Ｅ’とすると、（２２）式が得られる。
出力ｅｏｕｔ＝（Ｅ’ΔＲａ）／２Ｒａ・・・・・・・・・・・・（２２）
したがって、（２２）式で表されるブリッジ回路の出力にリード線の抵抗値ｒが含まれないため、抵抗値ｒの温度変化による影響を受けず、より正確な測定が可能となる。実際には、このリード線の抵抗値ｒには、ひずみゲージ１の接続部分に発生する接触抵抗も含まれるが、本回路ではこの影響も完全に排除できるため、簡易型コネクタ（例えば、モジュラープラグ等）の使用も可能となる。また、ブリッジ回路を構成しないで、定電流電源を使用しているため、「１ゲージ法におけるブリッジ回路の非直線性誤差」も発生しない。

本発明の実施の形態に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路を用いた１ゲージ法２線式のひずみ測定回路全体の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路を用いた１ゲージ法３線式のひずみ測定回路全体の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態に係る１ゲージ法によるひずみ測定回路を用いた１ゲージ法４線式のひずみ測定回路全体の構成を示す回路図である。 １ゲージ法２線式によるひずみ測定方法を原理的に説明するためのひずみ測定回路の構成を示す回路図である。 定電圧電源を使用した１ゲージ法２線式の従来のひずみ測定回路の一例を示す回路図である。 真のひずみ量（ε）と、実際のブリッジ回路の出力（ｅｏ）との関係を示すグラフである。 １ゲージ法３線式による従来のひずみ測定方法を原理的に説明するためのひずみ測定回路の結線図である。 定電圧電源を使用した１ゲージ法３線式の従来のひずみ測定回路の一例を示す回路図である。 １ゲージ法４線式によるひずみ測定方法を原理的に説明するためのひずみ測定回路の結線図である。

符号の説明

１ ひずみゲージ
２ リード線部
３ １ゲージ法によるひずみ測定回路
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ， 第１、第２、第３、第４の接続端子（入力端子）
ＩＣ１ 定電流電源を形成するための演算増幅器
ＩＣ２ ボルテージフォロアを構成する演算増幅器
ＩＣ３ 差動増幅器
ＳＷ１ 第１の切り替えスイッチ（双極双投スイッチ素子）
ＳＷ１ａ 第１スイッチ
ＳＷ１ｂ 第２スイッチ
ＳＷ２ 第２の切り替えスイッチ（単極単投スイッチ素子）
ＳＷ３ 第３の切り替えスイッチ（双極双投スイッチ素子）
ａ，ｂ，ｃ，ｄ 第１、第２、第３、第４の出力端子

Claims (6)

1. ひずみゲージをリード線を介して接続するための第１、第２、第３および第４の接続端子と、
   前記１つの接続端子と前記リード線を介して前記ひずみゲージに供給する定電流を生成するための共通の定電流電源と、
   １ゲージ法２線式および１ゲージ法３線式のひずみ測定回路を構成する場合に、前記ひずみゲージと共にホイートストンブリッジ回路を構成する少なくとも３個の抵抗素子と、
   １ゲージ法４線式のひずみ測定回路を構成する電位差測定回路素子と、
   外部の電圧測定回路に測定電圧を選択的に出力するための４個の出力端子と、 本回路を前記１ゲージ法２線式、前記１ゲージ法３線式または前記１ゲージ法４線式のいずれか１つのひずみ測定回路に切り替えるための複数の切り替えスイッチと、
   を具備し、
   １つの定電流電源を用いて前記１ゲージ法２線式と前記１ゲージ法３線式と前記１ゲージ法４線式のひずみ測定を行い得るように構成したことを特徴とする１ゲージ法によるひずみ測定回路。
2. 前記ひずみゲージの一端をリード線を介して前記第１の接続端子に接続し、他端を他のリード線を介して前記第２の接続端子に接続して１ゲージ法２線式の測定回路の入力側を構成し、
   前記ひずみゲージの一端をリード線を介して前記第１の接続端子に接続し、他端を他のリード線を介して前記第２の接続端子に接続すると共に、さらに他端をさらに他のリード線を介して、前記第３の接続端子に接続して１ゲージ法３線式の測定回路の入力側を構成し、
   前記ひずみゲージの一端を別々のリード線を介して前記第１の接続端子と前記第２の接続端子にそれぞれ接続し、前記ひずみゲージの他端をさらに別々のリード線を介して前記第３の接続端子と前記第４の接続端子にそれぞれ接続して１ゲージ法４線式の測定回路の入力側を構成することを特徴とする請求項１に記載の１ゲージ法によるひずみ測定回路。
3. 電源と演算増幅器からなり定電流を第１の接続端子と前記リード線を介して前記ひずみゲージに供給する定電流電源と、
   前記第１の接続端子と第１の抵抗素子との間に接続されたボルテージフォロアを構成する演算増幅器と、
   前記第２の接続端子と第３の接続端子との間の電位差を演算する差動増幅器と、
   前記第２の接続端子と前記第３の接続端子との間に挿入される第１のスイッチおよび前記第３の接続端子と前記第４の接続端子との間に挿入される第２のスイッチの２つが連動し、前記第２、第３および前記第４の接続端子間を同時にオンまたはオフする前記複数の切り替えスイッチのうちの一つである第１の切り替えスイッチと、
   前記第２の接続端子と前記第４の接続端子との間に挿入され、前記第２の接続端子と前記第４の接続端子との間をオンまたはオフする、前記複数の切り替えスイッチのうちの他の一つである第２の切り替えスイッチと、
   第１から第４までの４個の出力端子の内の前記第１および前記第３の出力端子に接続されたときは、前記外部の電圧測定回路へ出力される前記測定電圧として前記ホイートストンブリッジ回路の対角線上の接続点間の電位を出力し、前記第２および前記第４の出力端子に接続されたときは、前記リード線と前記抵抗素子とを介した前記ひずみゲージの両端間の電位差を前記測定電圧として出力する前記複数の切り替えスイッチのうちのさらに他の一つである第３の切り替えスイッチと、
   前記第１の抵抗素子と前記第２の抵抗素子との接続点に接続された前記第１の出力端子と
   前記第２の抵抗素子と前記差動増幅器の出力端子との接続点に接続された第２の出力端子と、
   前記第２の接続端子に接続された第３の出力端子と、
   前記第３の接続端子に接続された第４の出力端子と、
   を具備したことを特徴とする請求項１に記載の１ゲージ法によるひずみ測定回路。
4. 前記第１の切り替えスイッチがオンであり、かつ前記第２の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第３の切り替えスイッチにより、前記第１および前記第３の出力端子とが選択されたときには、前記測定電圧として前記ホイートストンブリッジ回路の対角線上の接続点間の電位が選択されて、前記ひずみゲージの前記電位をリード線を介して前記第１の接続端子と前記第２の接続端子との間に受けて、１ゲージ法２線式のひずみ測定回路を構成することを特徴とする請求項３に記載の１ゲージ法によるひずみ測定回路。
5. 前記第１の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第２の切り替えスイッチがオンであり、かつ前記第３の切り替えスイッチにより、前記第１および前記第３の出力端子とが選択され、前記測定電圧として前記ホイートストンブリッジ回路の対角線上の接続点間の電位が選択されたときには、前記ひずみゲージの前記電位をリード線を介して前記第１の接続端子と前記第２の接続端子と前記第３の接続端子との間に受けて、１ゲージ法３線式のひずみ測定回路を構成することを特徴とする請求項３または４に記載の１ゲージ法によるひずみ測定回路。
6. 前記第１の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第２の切り替えスイッチがオフであり、かつ前記第３の切り替えスイッチにより、前記第２および前記第４の出力端子とが選択されたときには、前記測定電圧として、前記ひずみゲージの両端間の電位差を出力し得るように選択されて、１ゲージ法４線式のひずみ測定回路を構成することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の１ゲージ法によるひずみ測定回路。

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