JPH04110775A - 流体の流速及び流れ方向の三次元計測器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は拡散歪ゲージを形成したシリコン単結晶板を起
歪体上に接合した拡散型力覚セン号−を使用し、流体の
流速及び流れ方向を測定する三次元計測器に関する。

（従来の技術とその課題） 従来、流体の流速と流れ方向の三次元の測定をする方法
としては気象観測の場合等は風速計と風向計、又はこれ
らが組み合わさった複合の風向風速計等の機械的計測器
を使用していた。

しかし、このような機械的計測器には次のような問題が
ある。

１）三次元の計測を行うためには、少なくとも２種類の
計測器が必要である。

２）構造が複雑であり、従って故障等の事故が発生し易
い。

３）定期的な保守が必要である。

本発明は上述の問題を解決して、簡単な構造で、かつ機
械的に動く部分の極めて少ない三次元計測器を提供する
ことを課題とする。

（課題を達成するための手段） 上述の課題を達成するために、拡散歪ゲージを形成した
シリコン単結晶板を起歪体上に接合してなる力覚センサ
ー１０を使用した三次元計測器において、球体１と、−
ｉｔがこの球体１の一つの半径方向に固定され、他端が
前記力覚センサー１０の検出アーム１３の先端にかつこ
の検出アーム１３の延長方向と一致するように固定され
た支軸２とを設けたものである。

更に、前記力覚センサー１０を固定している取付台２３
に傾斜計２１を設けたものもある。

なお、前記支軸２の前記検出アーム１３の先端に接続す
る前記他端と前記検出アーム１３の先端との間にバラン
サー３を設け、相互に固定されている球体１、支軸２及
びバランサー３の全体の重心が前記検出アーム１３とダ
イアフラム１２の接合点Ａに来るように構成したもの、
及び前記支軸２に温度センサー２ｂが埋設したものとが
ある。

（作用） 上述のように、球体に流体から受ける力の方向と大きさ
は支軸の傾き、及び支軸の押力又は張力に分解され、更
に、支軸の傾きは力覚センサーでＸ、Ｙ方向に分解され
て出力される。

このｘ、ｙ方向の出力及び支軸の受ける押張力による力
覚センサーのＺ方向の出力により、信号処理されて、表
示又は他の機器の制御が行われる。

（実施例） 第１図は本発明の三次元計測器の断面図、第２図はこの
三次元計測器に使用する起歪体の断面図、第３図はＸ　
（Ｙ）軸方向の変形シミュレーション図、第４図はＺ軸
方向の押力（張力）の変形シミュレーション図、第５図
はＸ軸周ブリッジ回路図、第６図はＹ軸層ブリッジ回路
図、第７図はＺ軸周ブリッジ回路図である。

先ず、本発明の対象となる拡散型力覚センサーについて
、その概要を説明する。従来より知られている力覚セン
サーは三次元構造に加工された起歪体にストレインゲー
ジを貼付したものであるが、大きさや感度、更に価格の
面で充分ではない。

これを改良したものとして、シリコン単結晶板に機械的
外力を加えると結晶格子に歪みを生し、半導体中のキャ
リア数や移動度が変化して抵抗率が変わる現象、即ちピ
エゾ抵抗効果を利用して起歪体の歪みを抵抗の変化に変
換し、ブリッジ回路によって起歪体に加わる力を電気信
号に変換するものである。

拡散型力覚センサー（以下単に力覚センサーという）１
０の起歪体１１は第２図に示すように環状のダイアフラ
ム１２が形成され、ダイアフラム１２のエツジ部１２ａ
　、１２ｂの上方にゲージ抵抗１４−１〜１４−４が形
成されている。このゲージ抵抗１４−１〜１４−４は第
２図に示すように、起歪体１１の一つの直径上の一端側
から他端側に１４−１．１４−２．１４−３、■４−４
の順に配置されており、この順序はＸ軸周、Ｙ軸用、Ｚ
軸周とも同じである。又、このダイアフラム１２の中心
からダイアフラム面に垂直に検出アーム１３が延伸して
いる。この交点をＡとする。

この起歪体１１にＸ軸又はＹ軸方向のモーメントが働い
た時、又はＺ軸方向のカ（押力、又は張力）が働いた時
の変形シミュレーションを第３図、第４図に示す。

上述のブリフジ回路は第５．６．７図に示すもので、こ
の各ブリッジ回路を構成している各辺の抵抗Ｒｘ２〜Ｒ
ｘ４、Ｒｙ＋〜Ｒ）’＜、ＲＺＩ　〜Ｒ２４が外力を受
けた時に第１表に示す変化を起こす。この変化により、
Ｘ軸モーメント（Ｍｘ）、Ｙ軸モーメント（Ｍｙ）、Ｚ
軸押張力（Ｆｚ）を検出することが出来る。

実施例１ 本発明の一実施例の三次元計測器は第１図に示すように
、中空の球体１と、この球体ｌの１個所に中心に向かう
方向に一端が螺合されている剛体の支軸２と、この支軸
２の他端にバランサー３が螺合され、このバランサー３
は力覚センサー１０の検出アーム１３の先端に前記支軸
２が検出アーム１３の延長方向と一致するように螺合さ
れており、力覚センサー１０は起歪体１１の周辺部が取
付台４にねじ止め又は溶接等で固定されている。

球体１は硬質ゴムやガラス又はプラスチック等で形成さ
れており、１個所に中心に向かうねじ孔１ａが穿設され
ている。

支軸２は剛体の丸棒で形成されており、一端は前記球体
１のねじ孔１ａに螺合する雄ねじが形成され、他端はツ
バ２ａとその先端側は雄ねじが形成されている。

なお、この支軸２の中間部に温度センサー２ｂが埋設さ
れ、この温度センｆ−２ｂの所からツバ２ａ（ＩＩＩの
他端までは中心が穿孔された管軸となっている。

バランサー３は全体としてはコツプ状に有底円筒状であ
り、底の中心部に内側に突出した凹部が形成されており
、この凹部の底には前記力覚センサー１０の検出アーム
１３の先端に穿設されているねじ孔１０ａにねじで固定
するための孔３ｂと、凹部の開口端は前記支軸２のツバ
２ａ側の雄ねじと婿合する雌ねじ３ａが形成されている
。

又、円筒の開口端側は内側に肉厚となり、支軸２及び球
体１をそれぞれ螺合した状態での重心が力覚センサー１
０の前記Ａ点に来るように形成されている。

取付台４は内部には力覚センサー１０を取付ける保持部
４ａと、この保持部４ａの延長方向に設けられている取
付部４ｂと、前記保持部４ａと取付部４ｂの接合部から
外側に前記バラン＋−３を包囲するようにして上端に支
軸２が貫通する孔のあるカバ一部４ｃよりなる。

更に、このカバ一部４ｃの上面には中心軸に垂直な面に
気泡式の丸帯水準器７が取付けられており、側面の下側
（取付部４ｂに近い側）にスイッチ８が設けられて外付
装置６の動作指示をするように構成されている。

なお、この三次元計測器を手持型として使用する場合に
は、取付部４ｂを把手部として使用することが出来る。

更に、この三次元計測器には電源、増幅器、表示器等で
構成されている外付装置６が設けられており、力覚セン
サー１０の出力及び温度センサー２ｂの出力並びに力覚
センサー１０に必要な電源入力は取付部４ｂに穿設され
ている孔から導入されている。

次に上述の三次元計測器の動作について説明する。

球体１が流体により成る方向から力を受けると、球体１
は第２図に示す力覚センサー１０のダイアフラム１２の
面と検出アーム１３の中心線の交点Ａを中心とした球面
に沿って変位する。

この場合、力の方向が斜め方向の場合には支軸２には更
に押力又は張力が発生する。

これら支軸２の傾き及び押張力は力覚センサーｌＯに伝
達され、そのまま力覚センサー１０の機械的入力として
作用する。

なお、前記球体１、支軸２及びバランサー３の一体化し
た部分の重心が前記交点Ａの位置になるようにバランサ
ー３が調整されているので、流体による外力が加わらな
い状態では前記球体１、支軸２及びバランサー３の合計
重量（一定値）のみが力覚センサー１０のＺ軸方向の押
力Ｆｚとして作用しているのみであるので、この押力に
よる出力信号は外付装置６で除外処理している。

なお、この三次元計測器が傾いている状態で計測した場
合、傾き角度をφとすると、押力Ｆｚは合計重量ｘ　ｃ
ｏｓφとして検出され、計測値の誤差要因となってしま
うため、気泡式の丸型水準器７を見て支軸２が垂直にな
るように保持し、この状態でスイッチ８を押すことによ
り、外付装置６が計測を開始する。

この結果、流体による外力の内、水平方向の成分による
支軸２の傾きは力覚センサー１０でＸモーメント（Ｍｘ
）、Ｙモーメント（Ｍいに分解して出力され、垂直方向
の成分による支軸２の押張力はＺ軸押張力（Ｆｚ）とし
て出力される。

このｘ、ｙ、ｚ方向の外力による力覚センサー１０の出
力は外付装置６で計算され、表示器により表示されると
共に、必要の場合には他の接続機器を制御する。

なお、計測環境での温度によって計測値に影響を受ける
ことがあるので、温度補正を行う場合には温度センサー
２ｂの検出々力により外付装置６が補正を行う。

実施例２ 本発明の他の実施例の三次元計測器は第８図に示すよう
に、第１図の前記実施例の三次元計測器のうち、水準器
７及びスイッチ８を省略し、代わりに取付台として保持
部２３ａ、取付部２３ｂ、カフ１一部２３ｃからなる取
付台２３とし、この取付部２３ｂの内部に傾斜角検出用
力覚センサー２１ａ及び分銅２１ｂよりなる傾斜計２１
を設けたものである。

更に、外付装置２２としては三次元計測用の力覚センサ
ー１０の検出々力を傾斜計２１の傾斜角の検出々力によ
り補正して正規の流速を算出するように構成されている
。

なお、この三次元計測器の場合は、バランサー３を省略
しても良い。これは傾きによりモーメントが発生しても
、傾斜計２１の傾斜検出値を用いて除外処理が可能であ
るからである。

上述以外は前記実施例１の場合と構成及び動作とも同じ
であるので、説明は省略する。

（発明の効果） 上述のような構成の三次元計測器を使用すれば、気象観
測における風力、風向及び潮の流速、流れ方向等の計測
や、空力実験、水力実験において球体１が受ける外力の
強弱や方向が力覚センサーｌＯのＸ軸、Ｙ軸方向のモー
メントとＺ軸方向の力として作用し、これに関連する電
気抵抗が変化して各成分を出力することが可能となる。

従って、高精度で使用範囲の広い流体の流速及び流れ方
向の三次元の計測値を容易に得ることが出来る。

更に、この装置は小型で安価に製造が可能であり、又軽
量なため持ち運びが容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の三次元計測器の一実施例の断面図、第
２図はこの三次元計測器に使用する起歪体の断面図、第
３図はＸ　（Ｙ）軸方向の変形シミュレーション図、第
４図はＺ軸方向の押力（張力）の変形シミュレーション
図、第５図はＸ軸層ブリッジ回路図、第６図はＹ軸周ブ
リ・ノジ回路図、第７図はＺ軸周ブリッジ回路図、第８
図は本発明の三次元計測器の他の実施例の断面図である
。 １：球体、　　２：支軸、　２ｂ：温度セン号−３：バ
ランサー　　４：取付台、　１０：力覚センサー、　１
２：ダイアフラム、　１３：検出アーム、２１：傾斜計
、２３：取付台、　Ａ：検出アームとダイアフラムとの
接合点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）拡散歪ゲージを形成したシリコン単結晶板を起歪体
   上に接合してなる拡散型力覚センサーを使用した三次元
   計測器において、球体と、一端がこの球体の一つの半径
   方向に固定され、他端が前記力覚センサーの検出アーム
   の先端にかつこの検出アームの延長方向と一致するよう
   に固定された支軸とを設けたことを特徴とする流体の流
   速及び流れ方向の三次元計測器。 ２）拡散歪ゲージを形成したシリコン単結晶板を起歪体
   上に接合してなる拡散型力覚センサーを使用した三次元
   計測器において、球体と、一端がこの球体の一つの半径
   方向に固定され、他端が前記力覚センサーの検出アーム
   の先端にかつこの検出アームの延長方向と一致するよう
   に固定された支軸と、前記力覚センサーを固定している
   取付台に固定した傾斜計を設けたことを特徴とする流体
   の流速及び流れ方向の三次元計測器。 ３）前記支軸の前記検出アーム先端に接続する他端と前
   記検出アーム先端との間にバランサーを設け、相互に固
   定されている球体、支軸及びバランサー全体の重心が前
   記力覚センサーの検出アームとダイアフラムの接合点に
   来るように構成されたことを特徴とする第１項又は第２
   項記載の流体の流速及び流れ方向の三次元計測器。 ４）前記支軸には温度センサーが埋設されていることを
   特徴とする第１項又は第２項記載の流体の流速及び流れ
   方向の三次元計測器。