JP6734372B2 - 力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、静荷重及び動荷重を正確に測定する、通常、材料構造試験システムにおいて用いられる力測定装置に関する。

ロードセルとしても知られる典型的な力測定装置は、印加される荷重に比例して弾性変形する荷重検知素子からなる。この変形は、さらに、荷重検知素子に接合された歪みゲージ等の感応素子の電気特性を変化させる。このような電気特性の変化は、印加される荷重と相関することができる。産業用途における力変換器は、通常、この原理を用いている。

力測定装置の感度は、物理的パラメーターにおいて測定され得る変化と、実際に印加される力の最小変化との比として定義される。より高感度であるほど、力測定装置の分解能は高くなる。力測定装置の感度は、弾性変形の機械的増幅によって、又は電圧若しくは電流のような電気特性の電気的増幅によって向上する。

力測定装置には、通常、（ａ）プルービングリングに基づくもの、及び（ｂ）歪みゲージに基づくものの２つのタイプがある。プルービングリングに基づくロードセルでは、リング形状の力検知素子の負荷軸に沿った線形弾性変形が、直接（機械的増幅なしに）測定され、印加された力を示す。力測定装置の感度は、弾性変形を測定するのに用いられる変位センサー、通常、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）の感度によって制限される。歪みゲージに基づく力測定装置では、較正された抵抗箔歪みゲージの組が、屈曲アーム上に特定のパターンで取り付けられ、圧縮歪み又は引張歪みを捉える。これらの歪みゲージは、フルホイートストンブリッジと呼ばれる電気回路を形成するように構成され、この回路の出力電圧は、荷重検知素子に印加される力と相関する。これらの従来技術のロードセルは、弾性変形も電気特性も増幅しないが、付加的な電子信号調節ボードを介して、通常、ｍＶ（ミリボルト）オーダーの出力電気信号をＶ（ボルト）まで増幅する。しかしながら、電気信号の増幅は、高い信号対雑音比につながる。これらのロードセルの、報告されているよりよい分解能は、フルスケールの約０．０２％〜０．０５％である。電気信号のこのような増幅は、アナログ／デジタル変換器、信号調節ハードウェア等のようなアナログ電子機器の使用を伴う。

本発明は、力測定装置を開示する。力測定装置は、閉輪郭荷重検知素子において対向する四分円に位置する一対のカンチレバーアームの角運動により描かれる弧上の２点間の準線形増分変位を推定することによる、負荷軸に沿った線形弾性変形の機械的増幅を伴う。これにより、力測定装置の感度、ひいては分解能が向上する。

本発明の第１の態様に係る力測定装置は、負荷軸（Ｙ軸）及び負荷軸に直角の軸（Ｘ軸）に沿って軸対称である閉輪郭荷重検知素子を備える。本装置は、四分円のうちの１つにおいて輪郭に取り付けられる第１のカンチレバーアームと、輪郭の対向する四分円において輪郭に取り付けられる第２のカンチレバーアームとを備える。第１のカンチレバーアーム及び第２のカンチレバーアームの自由端部は、輪郭の内方に位置決めされ、アームは、輪郭上の固定端部における弧に対して垂直になっている。印加される荷重により生じる変形は、双方のアームに、その固定点の周りの極微の回転をもたらし、これは、カンチレバーアームの自由端部の準線形運動につながり、負荷軸に沿った変形の機械的増幅を可能にする。

本発明の別の態様において、第１のカンチレバーアーム及び第２のカンチレバーアームは、それぞれ、Ｘ軸に対して角度α及びα＋１８０で配置され、それにより、アームの固定端部の周りの角運動は、任意の印加される荷重に対して最大になる。

本発明の別の態様において、第１のカンチレバーアームの自由端部には、リニアデジタルエンコーダーが取り付けられ、第２のカンチレバーアームの自由端部には、エンコーダースケールが取り付けられ、リニアデジタルエンコーダー及びエンコーダースケールは、平行かつ互いに対向し、アームの自由端部の動きに沿って位置するようになっている。

好ましい一態様において、圧縮荷重を受けると、第１のカンチレバーアーム及び第２のカンチレバーアームは、その固定端部の周りに反時計回りに角度−β／２だけ回り、引張荷重を受けると、カンチレバーアームは、その固定端部の周りに時計回りに角度β／２だけ回る。

別の態様において、第１のカンチレバーアーム及び第２のカンチレバーアームは、第１のカンチレバーアーム及び第２のカンチレバーアームの自由端部を通る仮想線が、輪郭の中心も通るような長さを有する。

別の態様において、印加される荷重及び対応する変形を受けると、自由端部は、仮想の弧上で準線形運動を行う。これらの準線形角運動は、仮想線の形成につながり、それにより、変形の４倍の機械的増幅が可能になる。

本発明の別の実施形態に係る力測定装置は、負荷軸及び負荷軸に直角の軸の双方に沿って軸対称である閉輪郭荷重検知素子を備える。第１のカンチレバーアーム、第２のカンチレバーアーム、第３のカンチレバーアーム、及び第４のカンチレバーアームが、輪郭において、それぞれ、Ｘ軸に対して角度α、１８０＋α、１８０−α、及び３６０−αで取り付けられる。全てのカンチレバーアームの自由端部は、輪郭の内方に向いており、アームは、輪郭上の固定端部における弧に対して垂直になっている。印加される荷重により生じる変形は、カンチレバーアームの自由端部の準線形運動に影響を与え、負荷軸に沿った変形の機械的増幅をもたらす。

好ましい一態様において、輪郭のＸ軸に対する角度αは、カンチレバーアームのそれぞれの、固定端部の周りの角運動が、任意の印加される荷重に対して最大になるように選択される。

好ましい一態様において、圧縮荷重を受けると、第１のカンチレバーアーム及び第２のカンチレバーアームは、反時計回りに回転し、第３のカンチレバーアーム及び第４のカンチレバーアームは、時計回りに回転する。引張荷重を受けると、第１のカンチレバーアーム及び第２のカンチレバーアームは、時計回りに回転し、第３のカンチレバーアーム及び第４のカンチレバーアームは、反時計回りに回転する。

以下、図面を参照する。これらの図は、本発明の可能な一実施形態を単に例示するためのものであり、本発明を限定するためのものではない。

典型的な力測定装置の概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る力測定装置の動作原理を示す図である。 第１の実施形態に基づく力測定装置の分解図である。 第１の実施形態に基づく力測定装置の別の図である。 センサー取付け機構の分解図である。 サーボ制御式材料試験システムにおける、本発明に基づくロードセルの設置及び動作を示す図である。 本発明のデジタルロードセルの精度と歪みゲージに基づくロードセルの精度との比較のグラフ図である。 本発明の第２の実施形態に係る力測定装置の動作原理を示す図である。 一対の機械的に増幅された変位を測定する機構を備える、第２の実施形態に係る力測定装置を示す図である。 一対の機械的に増幅された変位を測定する機構を備える、第２の実施形態に係る力測定装置の分解図である。

電気的増幅の原理で作用する典型的な力測定装置の概略図を図１に示す。荷重検知素子に印加される力は、素子の弾性変形をもたらし、それにより、例えば、素子に接合された歪みゲージの電気特性を変化させる。力測定装置の感度は、出力（物理的パラメーター）における測定可能な変化と、入力（印加された力）における最小変化との比として定義される。

本発明は、更に説明するように、負荷軸に沿った線形弾性変形の機械的増幅の原理で作用する力測定装置を提供する。

図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係る力測定装置の動作原理を説明する。力測定装置は、負荷軸及びこの軸に直角の軸に沿って軸対称である閉輪郭５を有する剛性荷重検知素子を備える。この実施形態によれば、負荷軸はＹ軸であり、この軸に直角の軸がＸ軸である。第１のカンチレバーアーム１は、輪郭の４つの四分円のうちの１つにおいて輪郭５に取り付けられ、第２のカンチレバーアーム２は、輪郭５の対向する四分円において輪郭に取り付けられる。アーム１、２の自由端部は、輪郭５の内方に向いており、各アームは、アーム１、２の固定端部における輪郭の弧に対して垂直になっている。アーム１、２は、Ｘ軸（負荷軸に対して直角）に対して特別に選択された角度で配置され、負荷方向に沿った同量の輪郭変位に代えて、アームの固定端部の周りの最大の角運動を受けるようになっている。

アーム１、２の自由端部は、負荷が変化すると弧を描く。輪郭寸法Ｒ＝ｍｉｎ（ａ、ｂ）及び負荷軸に沿った荷重検知素子の弾性変形δ／２（荷重Ｐに対応する）で、Ｒ≫δ／２の場合、アーム１、２の自由端部によって動く準線形増分距離Δ／２は、共線であり、Δ＝２δである。ここで、印加される荷重が、弾性変形δではなく、この機械的に増幅された変位Δ（アームの角運動によって生じる）と相関する場合、力測定装置の感度は、従来技術のプルービングリングに基づく力測定装置の２倍となる。

図２によれば、荷重検知素子は、長半径ａ及び短半径ｂを有する閉輪郭とみなされ、Ｙ方向に沿った引張撓み又は圧縮撓みによる作用を受ける。輪郭形状は、力が印加されていない場合、無変形状態を保ち、そのような輪郭は、基準としての役目を果たす。変形した輪郭は、引張撓み又は圧縮撓みを指す。大きさＰの正反対の引張−圧縮荷重を印加すると、Ｙ方向に沿った大きさδ／２の変形が生じる。剛性カンチレバーアーム１、２は、図２において、ｎ₁ｍ₁及びｎ₂ｍ₂（等しい長さである）で表されている。第１のアーム１は、ｎ₁において配置及び固定され、第２のアーム２は、ｎ₂において配置及び固定される。アームは、他方の端部ｍ₁、ｍ₂において自由に動く。アーム長さは、ｍ₁、ｍ₂を通る直線ｌ₁ｌ₂が、原点、すなわち、輪郭の中心も通るような長さである。アームｎ₁ｍ₁及びｎ₂ｍ₂は、輪郭において、それぞれ、Ｘ軸に対して角度α度及び１８０＋α度で配置される。これらのアームは、輪郭の弧に対して垂直であり、変形状態においても垂直を保つ。反復的な負荷の間、これらのアームは、それぞれｎ₁及びｎ₂の周りに回転し、それにより、自由端部ｍ₁、ｍ₂は、それぞれ弧ｒ₁及びｒ₂上を動く。負荷による可動域において、
（ａ）アームが、無荷重状態、すなわち、Ｐ＝０．０及びδ＝０において平行である。この条件下では、距離Ｌ＝ｍ₁ｍ₂＝Ｌ₀である。
（ｂ）アームが、圧縮荷重Ｐ及び変形−δ／２を受けて反時計回りに角度−β／２だけ回る。この条件下では、距離Ｌ＝ｍ₁ｍ₂＝Ｌ_c＝Ｌ₀＋Δである。
（ｃ）アームが、引張荷重Ｐ及び変形−δ／２を受けて時計回りに角度β／２だけ回る。この条件下では、距離Ｌ＝ｍ₁ｍ₂＝Ｌ_t＝Ｌ₀−Δである。

角度αは、アームの角運動β／２が、任意の印加される荷重Ｐに対して最大になるように選択される。輪郭寸法（ａ、ｂ）及びアームの長さ（Ｓ）が、Ｓ、ａ、ｂ≫δの場合、点ｍ₁、ｍ₂は、角運動β／２に対応して、直線ｌ₁ｌ₂上で準線形運動を行う。また、これは、数学的に以下のように示すことができる。

これに従うと、任意の負荷点において、直線ｌ₁ｌ₂に沿って線形化された変形は、
となる。これは、Ｙ軸に沿って印加される荷重Ｐに対応する弾性変形δ／２に関して、２点間の距離が、略２δの増分、すなわち、４倍の増幅を有するような２つの点ｍ₁、ｍ₂が存在することを意味する。

例
以下は、楕円形の閉輪郭を有する荷重検知素子に関する、負荷軸に沿った変形の機械的増幅の一例である。ａ＝55.0mm、ｂ＝50.0mm、Ｓ＝52.25mm、δ／２＝2.5×10^-5mmとすると、β／２＝0.0001°、Δ／２＝5.0×10^-5mmとなる。

この機械的に増幅された変形は、Ｙ軸に沿って印加される荷重と相関する。この相関を中心に構築された力測定装置は、従来のプルービングリングに基づくものより２倍向上した分解能を有する。

図３に、本発明に基づく２５ＫＮ容量の例示的な力測定装置の分解図を示する。力測定装置は、軸対称の閉輪郭５と、変位センサー、すなわち、デジタルエンコーダー６と、輪郭上に固定されるとともに輪郭上の固定端部の周りに自由に回転する剛性カンチレバーアーム１、２とを備える。荷重検知素子の閉輪郭５は、垂直線から等距離だけ離間した鏡像として位置する２つの半円を接続することによって形成されるような、略楕円状を呈する。第１のアーム１の自由端部には、リニアエンコーダー６が取り付けられ、第２のアーム２の自由端部には、エンコーダースケール９が取り付けられ、図３、４に示すように、エンコーダー６及びスケール９は、平行かつ互いに対向し、アームの自由端部の動きに沿って位置するようになっている。閉輪郭５は、締結具４、７を用いて、背面カバープレート３及び正面カバープレート８内に収容される。図５は、第１のカンチレバーアーム１及び第２のカンチレバーアーム２を用いるエンコーダー６及びスケール４の取付け機構の分解図を示している。

本発明に基づく力測定装置の取付け及び設置について、一般的に、BiSS-ITW社によるプラグアンドプレイＮＡＮＯシステムとして知られている、サーボ制御の電気機械式の移動式材料試験システムにおいて実例を示す。本発明に係る力測定装置２０と、頂部グリップ２２及び底部グリップ２６と、試験体２４と、アクチュエーターピストン２８と、亀裂開口変位（ＣＯＤ）ゲージ３０とを備える構成を図６に示す。

図７は、本発明に基づく装置（デジタルロードセル）を用いた力測定の精度と、歪みゲージに基づくロードセル（アナログロードセル）により得られる力測定の精度との比較のグラフ形状を示している。作表されたグラフ形状の値が、以下の表１に与えられる。

負荷軸に沿った輪郭の線形弾性変形の機械的増幅の使用と、高分解能エンコーダーによるその測定との結果、本発明に基づく力測定装置は、歪みゲージに基づくロードセルによって測定されたものより約１０倍正確な力測定の分解能を提供する。

本発明の別の実施形態において、力測定装置は、負荷軸に沿った線形弾性変形の機械的増幅の結果として、負荷軸における弾性変形に対応する２組の機械的に増幅された変位を測定することにより、測定される力に負荷軸における位置ずれを考慮するようになっている。この実施形態の背景にある原理を図８に示す。この原理に基づくロードセルの構成を図９、１０に示する。

図８は、負荷軸（Ｙ軸）及び負荷軸に直角の軸（Ｘ軸）に沿って軸対称である閉輪郭荷重検知素子１５を示している。第１のカンチレバーアーム１１、第２のカンチレバーアーム１２、第３のカンチレバーアーム１３、及び第４のカンチレバーアーム１４が、輪郭１５において、それぞれ、Ｘ軸に対して角度１８０＋α、１８０−α、及び３６０−αで取り付けられる。

第１のカンチレバーアーム１１及び第２のカンチレバーアーム１２は、カンチレバーアームの第１の対を形成し、第３のカンチレバーアーム１３及び第４のカンチレバーアーム１４は、カンチレバーアームの第２の対を形成する。第１のカンチレバーアーム１１、第２のカンチレバーアーム１２、第３のカンチレバーアーム１３、及び第４のカンチレバーアーム１４の自由端部は、輪郭１５の内方に向いており、各アームは、輪郭上の固定端部における弧に対して垂直になっている。

閉輪郭荷重検知素子は、長半径ａ及び短半径ｂを有し、Ｙ方向に沿った引張撓み又は圧縮撓みによる作用を受ける。輪郭形状は、力が印加されない場合、無変形状態を保ち、このような輪郭は、基準としての役目を果たす。変形した輪郭は、引張撓み及び圧縮撓みを指す。大きさＰの正反対の引張−圧縮荷重を印加すると、Ｙ方向に沿った大きさδ／２の変形が生じる。第１の対のカンチレバーアーム１１、１２は、ｎ₁ｍ₁及びｎ₂ｍ₂（等しい長さを有する）で表され、第２の対のカンチレバーアーム１３、１４は、それぞれ、角度１８０−α度及び３６０−α度で位置するｎ₃ｍ₃及びｎ₄ｍ₄として表される。第１のカンチレバーｎ₁ｍ₁及び第２のカンチレバーｎ₂ｍ₂の自由端部ｍ₁、ｍ₂が、閉輪郭１５の垂直撓みδ／２に対応して直線ｌ₁上で準線形運動Δ₁／２を行う際、第３のカンチレバーアーム１３及び第４のカンチレバーアーム１４の自由端部ｍ₃、ｍ₄は、直線ｌ₂上で準線形運動Δ₂／２を行う。反復的な負荷の間、第１のアーム１１及び第２のアーム１２は、自由端部ｍ₁、ｍ₂がそれぞれ弧ｒ₁、ｒ₂上を動くように、それぞれｎ₁及びｎ₂の周りに回転する。第３のアーム１３及び第４のアーム１４は、自由端部ｍ₃、ｍ₄がそれぞれ弧ｒ₃、ｒ₄上を動くように、それぞれｎ₃及びｎ₄の周りに回転する。閉輪郭が垂直にδ／２だけ圧縮されると、アームｎ₃ｍ₃及びｎ₄ｍ₄は、ｎ₃及びｎ₄の周りに時計回りに回転し、アームｎ₁ｍ₁及びｎ₂ｍ₂は、ｎ₁及びｎ₂の周りに反時計回りに回転する。ここで、これは以下のように示すことができる。

上記により導出される平均の変位は、閉輪郭１５の垂直撓みδ／２に対応する荷重Ｐに相関することができる。したがって、位置ずれした荷重に起因する読取り値の偏差を回避することができる。

輪郭形状１５が付けられた荷重検知素子におけるカンチレバーアーム１１、１２、１３、１４の取付けは、図９、１０に示されている。したがって、負荷軸に沿った機械的増幅は、向上した感度、分解能、及び精度を有するロードセルを設計するのに役立つ。

高分解能エンコーダーの使用を伴う上記実施形態に係る力測定装置の実施には、数多くの利点がある。この機構は、アナログ電子デバイスを必要としない完全にデジタルのロードセルであり、それにより、アナログ／デジタル変換器、信号調節ハードウェア等のような電子ハードウェアデバイスが排除される。

変換器応答は、輪郭形状の変化には反応するが、サイズの変化には反応しない。したがって、本発明に係る装置は、温度によるドリフトの影響を受けない。温度が装置にわたって均一であれば、輪郭形状は変化しない。したがって、力の読取り値も変化しないままである。

さらに、弾性変形の機械的増幅は、増幅された変位が、１×１０^-4度のオーダーの極微の角運動による準線形であることから、力と増幅された変位との厳密又は高度の線形関係をもたらす。

上述の記載は、本発明の好ましい実施形態を示すとともに記載している。この実施形態は、例示目的で記載されているにすぎず、当業者であれば、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、数多くの代替形態及び変更形態を実施することができることを理解すべきである。特許請求される本発明又はその均等物の範囲内に入る限り、全てのこのような変更形態及び代替形態が包含されることが意図される。

１ 第１のカンチレバーアーム
２ 第２のカンチレバーアーム
３ 背面カバープレート
４ 締結具
５ 輪郭
６ リニアエンコーダー
７ 締結具
８ 正面カバープレート
９ エンコーダースケール
１１ 第１のカンチレバーアーム
１２ 第２のカンチレバーアーム
１３ 第３のカンチレバーアーム
１４ 第４のカンチレバーアーム
１５ 閉輪郭荷重検知素子
２０ 力測定装置
２２ 頂部グリップ
２４ 試験体
２６ 底部グリップ
２８ アクチュエーターピストン
３０ 亀裂開口変位（ＣＯＤ）ゲージ

Claims (12)

1. 負荷軸及び該負荷軸に直角の軸に沿って軸対称である閉輪郭荷重検知素子と、
   輪郭の４つの四分円のうちの１つにおいて前記輪郭に取り付けられる第１のカンチレバーアーム、及び、前記輪郭の対向する四分円において取り付けられる第２のカンチレバーアームとを具備し、
   前記第１のカンチレバーアーム及び前記第２のカンチレバーアームの双方の自由端部は、前記輪郭の内方に向いており、前記第１と第２のカンチレバーアームは、前記輪郭上の固定端部における弧に対して垂直になっており、
   印加される荷重（Ｐ）により生じる変形（δ／２）が、前記第１と第２のカンチレバーアームの前記自由端部の準線形運動をもたらし、前記負荷軸に沿った前記変形の機械的増幅を可能にした力測定装置であって、
   前記第１のカンチレバーアームが角度αで配置され、前記第２のカンチレバーアームが角度α＋１８０で配置されており、それにより、前記第１と第２のカンチレバーアームの固定端部の周りの角運動が任意の印加される荷重に対して最大となるようにした力測定装置。
2. 圧縮荷重を受けると、前記第１のカンチレバーアーム及び前記第２のカンチレバーアームは、反時計回りに角度−β／２だけ回る請求項１に記載の力測定装置。
3. 引張荷重を受けると、前記第１と第２のカンチレバーアームは、時計回りに角度β／２だけ回る請求項１に記載の力測定装置。
4. 前記第１のカンチレバーアームの前記自由端部には、リニアデジタルエンコーダーが取り付けられる請求項１に記載の力測定装置。
5. 前記第２のカンチレバーアームの前記自由端部には、エンコーダースケールが取り付けられ、前記リニアデジタルエンコーダー及び前記エンコーダースケールは、平行かつ互いに対向し、前記アームの前記自由端部の動きに沿って位置するようになっている請求項４に記載の力測定装置。
6. 前記第１のカンチレバーアーム及び前記第２のカンチレバーアームは、該第１のカンチレバーアーム及び該第２のカンチレバーアームの自由端部（ｍ₁、ｍ₂）を通る仮想線（ｌ₁ｌ₂）が、前記輪郭の中心も通るような等しい長さを有する請求項１に記載の力測定装置。
7. 前記印加される荷重Ｐ及び対応する変形（δ／２）を受けると、前記アームの前記自由端部（ｍ₁、ｍ₂）は、それぞれ仮想の弧（ｒ₁、ｒ₂）における準線形運動を行い、これらの準線形角運動は、仮想線（ｌ₁ｌ₂）の形成につながり、それにより、前記変形（δ／２）の４倍の機械的増幅（Δ）が可能になる請求項６に記載の力測定装置。
8. 前記荷重検知素子の前記閉輪郭は、楕円外形を有する請求項１に記載の力測定装置。
9. 前記荷重検知素子の前記閉輪郭は、軸対称の閉輪郭外形を有する請求項１に記載の力測定装置。
10. 負荷軸及び該負荷軸に直角の軸に沿って軸対称である閉輪郭荷重検知素子と、
    第１のカンチレバーアーム、第２のカンチレバーアーム、第３のカンチレバーアーム、及び第４のカンチレバーアームは、それぞれ、Ｘ軸に対して角度α、α＋１８０、１８０−α、及び３６０−αで取り付けられ、
    前記第１のカンチレバーアーム、前記第２のカンチレバーアーム、前記第３のカンチレバーアーム、及び前記第４のカンチレバーアームの自由端部は、輪郭の内方に向いており、各アームは、前記輪郭上の固定端部における弧に対して垂直になっており、
    印加される荷重により生じる変形は、前記カンチレバーアームの前記自由端部の準線形運動に影響を与え、前記負荷軸に沿った前記変形の機械的増幅をもたらすようにした力測定装置であって、
    圧縮荷重を受けると、前記第１のカンチレバーアーム及び前記第２のカンチレバーアームが反時計回りに回転し、前記第３のカンチレバーアーム及び前記第４のカンチレバーアームが時計回りに回転するようにした力測定装置。
11. 前記輪郭のＸ軸に対する前記角度αは、前記カンチレバーアームの固定端部の周りの前記第１のカンチレバーアーム、前記第２のカンチレバーアーム、前記第３のカンチレバーアーム、及び前記第４のカンチレバーアームの角運動が、任意の印加される荷重に対して最大になるように選択される請求項１０に記載の力測定装置。
12. 引張荷重を受けると、前記第１のカンチレバーアーム及び前記第２のカンチレバーアームは、時計回りに回転し、前記第３のカンチレバーアーム及び前記第４のカンチレバーアームは反時計回りに回転する請求項１０に記載の力測定装置。