JPH0349059B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、音叉振動子を支えると共に、この音
叉振動子を一体構造に製作した荷重変換機構に関
するものである。

音叉振動子に引張り力又は圧縮荷重を加えたと
きに、この固有振動数が変化する現象を荷重測定
に利用することについては従来から種々研究され
ており例えば特開昭54−133390号公報、特開昭55
−51329号公報などに開示されている。この音叉
振動子を用いた場合に、測定すべき荷重が正しく
その軸方向に加えられれば確かに良好な測定結果
を得ることができる。しかし、音叉振動子に捩れ
や曲げ応力が作用するとか、軸に直角方向の望ま
しくない力が加わつたような場合には、様々の測
定誤差を生じ実用上の障害になつている。また、
音叉振動子を測定機構、例えば秤に組付けるに際
し、組付け作業の差異により音叉振動子に影響す
る好ましくない諸内部応力が、個々に異なるため
に特性が不揃いになる上、ヒステリシスやクリー
プを生じ分解能が低下するなどの現象が起る。ま
た、機構各部の熱膨張差などに起因して周囲温度
の変化により温度誤差が発生し易い。

本発明の目的は、音叉振動子を用いた荷重変換
機構における上述の欠点をことごとく改善すると
共に、組立工数を大幅に削減し、頗る簡単な構成
により均一でしかも振動特性の極めて優れた高精
度の荷重変換機構を提供することにあり、その要
旨は、中心軸に対称かつ平行して設けた２枚の長
板状振動片の両端部同志をそれぞれ結合部により
結合し、軸方向に加えられた荷重に応じて固有振
動数が変化するように音叉振動子を構成した荷重
変換素子と、該荷重変換素子の軸方向に荷重を掛
けるてこ部と、該てこ部を薄肉状の支点を介して
支持する基部と、前記てこ部の力点と前記荷重変
換素子の一端とを接続する第１の薄板状支持片
と、前記荷重変換素子の他端と前記基部とを接続
する第２の薄板状支持片と、前記てこ部の重点と
薄板状引張片を介して接続した荷重受部とを板状
の同一金属部材から成る一体構造としたことを特
徴とするものである。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は荷重変換機構の基本的な構造を示すも
のであり、音叉振動子１は中心軸に対称にかつ軸
に平行した２枚の長板状振動片１ａ，１ｂと、振
動片１ａ，１ｂの両端部同志をそれぞれ結ぶコ字
形結合部２ａ，２ｂと、これらの振動部を軸方向
の両側で支持する薄板状支持片３ａ，３ｂとによ
り構成されている。なお従来においては、このよ
うな音叉振動子１は単体として製作されていた。

持続振動発生のためには、音叉振動子１の片側
の例えば結合部２ｂの両側面に第１、第２の圧電
素子４ａ，４ｂを接着や蒸着により取り付け、外
部に設置した増幅器５の出力部と入力部とにそれ
ぞれ接続することにより、第１の圧電素子４ａを
励振用、第２の圧電素子４ｂをピツクアツプ用と
して動作させ、増幅器５の利得や周波数特性を適
切に選択すると、長板状振動片１ａ，１ｂは音叉
振動子１に加えられた荷重に対応した固有周波数
で対称的に振動するので、周波数カウンタ６によ
り荷重値を表示することができる。

本発明においては、この音叉振動子１を単体と
して製作するのではなく、てこ部１０や基部１１
などと共に同一金属部材から一体構造に作り出し
て荷重変換機構が構成されている。音叉振動子１
の軸方向の片側は薄板状支持片３ａを介してこ部
１０の一端に接続されて力点１２が構成され、音
叉振動子１の他の側は支持片３ｂを介して基部１
１に取り付けられている。てこ部１０は基部１１
に連なる肉薄状の支点１３に支えられており、力
点１２と反対側の他端に設けられた重点１４には
薄板状引張片１５を介して荷重受部１６が吊設さ
れている。この荷重受部１６に加えられた測定用
引張荷重Ｆは、てこ部１０を介して音叉振動子１
を引張るようになつている。

てこ部１０のてこ比ａ：ｂは、使用目的に応じ
任意に選定できるが、５Kgｆ以下の小荷重を測定
するような場合にはａ＜ｂに選ぶのが実用的であ
る。基部１１の取付穴１７，１８は本機構を図示
しない筐体などに固定するためのものであり、破
線で示した荷重受部１６のフツク１９は、荷重を
本機構に伝える場合に必要に応じて補助的に使用
するものである。また、てこ部１０の力点１２及
び重点１４付近には、基部１１からの突出部２
０，２１が設けられ、てこ部１０との間に微少な
隙間を保持するようになつている。

このように構成した本実施例においては、測定
すべき引張荷重Ｆが荷重受部１６に加えられる
と、てこ部１０を介してｂ／ａの倍率で、即ち
（ｂ／ａ）Ｆの張力が音叉振動子１に作用し、周
波数カウンタ６に表示された振動周波数により荷
重Ｆを知ることができる。この際に、荷重受部１
６に加わる力Ｆが音叉振動子１の中心軸に平行で
引張片１５の中心線に沿つた理想的な状態でない
場合、或いは測定荷重Ｆ以外の妨害的な力が機構
の各部に加えられた場合においても、本実施例の
機構では音叉振動子１を破損することなく、また
発振状態を悪化させることがないなどの優れた特
長を有する。

例えば、測定荷重Ｆが音叉振動子１の軸線に平
行せずに機構の素材面に平行なＸ方向の分力を有
する力F′として荷重受部１６に加えられると、て
こ部１０にも長手方向、即ちＸ方向の分力が作用
するものの、この力は支点１３に若干の剪断応力
として加えられるだけで、てこ部１０はその長手
方向に殆ど変位しないので、音叉振動子１に影響
を与えてその発振状態を変化させるようなことは
ない。荷重Ｆが音叉軸に平行な鉛直方向以外に回
転力、即ち捩りの偶力を有する場合については薄
板状引張片１５により殆ど吸収され、音叉振動子
１には影響が及ばない。

素材面に直角なＹ方向の分力を荷重Ｆが含む場
合には、支点軸Ｚの周りに偶力Ｍを生ずる。その
際に支点１３のＸ方向の幅や奥行き、つまり、素
材のＹ方向の厚さなどによりその影響度が異なる
ものの、支点１３のＺ軸に関する回転軸抗力によ
り少なくとも音叉振動子１が直接このようなＹ方
向の分力を受ける場合に比較すれば、著しくその
影響が軽減される。また、本実施例の機構外とし
て補助的に設けたフツク１９の荷重受部１６に対
する取付方法を工夫することにより、若干の改善
を図ることもできる。

次に、測定範囲以上の過大な荷重が加えられた
場合の安全作用について説明する。引張荷重が過
大な場合、適切な設計条件では主としててこ部１
０の弾性的な弯曲により、重点１４の近辺におい
ててこ部１０が微少間隔で対向した基部１１の突
出部２１に先ず接触するために、必要以上の荷重
は全てこの部分で受止められて音叉振動子１に過
大な張力が加わることが防止される。過大な圧縮
荷重や変位が荷重受部１６に加えられた場合に
は、薄板状引張片１５が容易に撓むことにより、
てこ部１０や音叉振動子１にはその力や変位が伝
達されず、音叉振動子１は勿論安全である。万
一、誤操作や輪送時の衝撃等により、てこ部１０
を介して音叉振動子１に過大な圧縮荷重が加えら
れようとしたような場合でも、力点１２の近傍に
おいて微少間隔を隔てた基部１１の突出部２０に
てこ部１０が先ず接触するので、それ以上の過大
に圧縮荷重が音叉振動子１に加わることはない。

このように一体構造とした荷重変換機構を実際
に製作するには、種々の工作方法を採用し得る
が、最も実用的な方法としてはワイヤカツト放電
加工機により板材から切り抜く方法が推奨でき
る。この場合に、圧電素子４ａ，４ｂを除き全く
の単一工程で同一板材から製作できるため、機構
的な組立作業は圧電素子４ａ，４ｂの取付以外に
不要であり、工程が極めて単純な上に組立作業の
個々の差異による特性のばらつきや組立時に各部
に発生し得る内部歪などが一切存在しない。従つ
て、荷重測定に際しヒステリシスやクリープを生
ずることがなく、全て均一な特性を備えた上、分
解能が極めて高いという理想的な荷重変換機構が
得られる。実際には、素材として恒弾性率合金の
板材を用い、加工後に全機構を熱処理するのが通
例なので機械加工による内部歪も全て除去され、
全体が同一材質により形成されていることから機
構各部の熱膨張率も同一であり、例えば温度が変
化してもてこ比のｂ／ａは常に一定比率を保つた
め、温度誤差も殆ど発生しないという極めて優れ
た特性を兼備している。

第２図は第２の実施例を示すものであり、第１
図と異なる点はてこ部１０と基部１１が支点１３
以外に、重点１４付近で一体に形成されたばね係
数の小さい偏平で環状の圧縮ばね２２により連結
されていることである。

音叉振動子１に例えば引張荷重５Kgｆを加えた
場合の伸びは約0.01mmと微少であるから、ばね係
数は500Kgｆ／mmと極めて大きく、反対に圧縮ば
ね２２のばね係数をできるだけ小さく、例えば５
Kgｆ／mmに選定することは極めて容易である。こ
のような条件下では、測定荷重Ｆの１％前後の微
量な力が圧縮ばね２２で吸収されるだけで殆ど全
部が音叉振動子１に伝達され、測定上何等の支障
を生ずることはない。

一方、荷重Ｆが音叉軸に平行していない場合、
特にＹ方向の分力を含むとか、てこ部１０に不本
意なＹ方向の力が加わつてＺ軸の周りにモーメン
トＭを発生するような場合には、圧縮ばね２２に
Ｙ方向の剪断力が働くものの、第２図から容易に
理解できるように、Ｙ方向の力に対する圧縮ばね
２２の抗力は極めて強いから、てこ部１０はＺ軸
の周りに捩られることなく音叉振動子１に悪影響
が及ぶことはない。このように第２図の構成によ
れば、音叉軸に平行な力だけが正確に音叉振動子
１に伝達され、その他の測定上好ましくない分力
や望ましくない妨害的な力は全て排除されて音叉
振動子１には伝達されないから、条件の悪い場合
でも常に高精度の測定が可能となる。なお、圧縮
ばね２２の中央部において、上半部２２ａと下半
部２２ｂとの間隔を微少に形成しておけば、大き
な荷重が加えられた場合にはこれらの上半分２２
ａと下半分２２ｂとが先ず接触して、音叉振動子
１に無理が及ばないという安全装置を兼ねさせる
ことができる。

第３図は本発明の第３の実施例を示し、第１
図、第２図の実施例と異なる点は、支点１３が重
点１４と力点１２との中間ではなく外側に設けら
れていると共に、荷重受部１６は引張片１５を介
して上方に設けられ、荷重は上方に吊り上げるよ
うにされていることである。これらは本質的な問
題ではなく、このような変形は本発明の趣旨を変
えない範囲内で他にも種々形成できる。また、て
こ部１０と基部１１との間に圧縮ばね２３が設け
られ、このばね２３の効用は、第２図の場合と全
く同一である。この圧縮ばね２３は偏平環状の代
りにＵ字状に形成されているが、要はばね係数が
小さく剪断に対する効力が大きければよいので、
Ｓ字状その他の適宜の形状のものも採用すること
ができる。

第４図は望ましくない方向の荷重や外力に対
し、第１図の基本構成よりも抵抗力を強め誤差要
因を少なくした第３の実施例である。容易に撓み
得るフレクシヤ２４ａ，２４ｂを両端に設けたリ
ンク２４と、同様のフレクシヤ２５ａ，２５ｂを
両端に設けたリンク２５は相互に平行にかつてこ
部１０と平行に配置されており、それぞれの片側
は基部１１に、他側は荷重受部１６に連なる連結
棒２６に接続されている。

この実施例では、荷重受部１６は連結棒２６と
一体の剛体であるので、変位が小さい範囲ではリ
ンク２４，２５の長手方向に直角、即ち音叉振動
子１の軸に平行な方向以外には運動が許されな
い。そのために測定荷重としてF′のようにＸ方向
の分力を有する斜めの力が加えられた場合でも、
Ｘ方向の分力は全てリンク２４，２５により受け
止められ、薄板状引張片１５や音叉振動子１には
影響が及ぶことはない。捩りの偶力が荷重受部１
６に加えられた場合にも同様にリンク２４，２
５、連結棒２６によるリンク機構で受け止めら
れ、音叉振動子１に悪影響を及ぼすことはない。
なお、荷重受部１６の一端に突起２７を設けて基
部１０との間隔を微少にしておけば、過大な引張
荷重が加えられたときにストツパとして機能させ
ることができる。

以上説明したように本発明に係る荷重変換機構
は、音叉振動子をこれを支える基部やてこ部と共
に一体構造として、測定荷重以外の妨害的な外力
の影響を除去することができ、良好な測定精度が
保証される。また、一体構造として製作するので
組立作業を殆ど必要としない利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図はそれぞれ本
発明に係る荷重変換機構の実施例を示す構成図で
ある。 符号１は音叉振動子、１ａ，１ｂは振動片、２
ａ，２ｂは結合部、３ａ，３ｂは支持片、４ａ，
４ｂは圧電素子、１０はてこ部、１１は基部、１
２は力点、１３は支点、１４は重点、１５は引張
片、１６は荷重受部、２０，２１は突出部、２
２，２３は圧縮ばね、２４，２５はリンク、２６
は連結棒である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中心軸に対称かつ平行して設けた２枚の長板
   状振動片の両端部同志をそれぞれ結合部により結
   合し、軸方向に加えられた荷重に応じて固有振動
   数が変化するように音叉振動子を構成した荷重変
   換素子と、該荷重変換素子の軸方向に荷重を掛け
   るてこ部と、該てこ部を薄肉状の支点を介して支
   持する基部と、前記てこ部の力点と前記荷重変換
   素子の一端とを接続する第１の薄板状支持片と、
   前記荷重変換素子の他端と前記基部とを接続する
   第２の薄板状支持片と、前記てこ部の重点と薄板
   状引張片を介して接続した荷重受部とを板状の同
   一金属部材から成る一体構造としたことを特徴と
   する荷重変換機構。