JPS59168330A - 静電容量式曲げモ−メント測定器 - Google Patents

静電容量式曲げモ−メント測定器

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Publication number
JPS59168330A
JPS59168330A JP4236083A JP4236083A JPS59168330A JP S59168330 A JPS59168330 A JP S59168330A JP 4236083 A JP4236083 A JP 4236083A JP 4236083 A JP4236083 A JP 4236083A JP S59168330 A JPS59168330 A JP S59168330A
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JP
Japan
Prior art keywords
bending moment
fixed
moment measuring
electrode plate
movable electrode
Prior art date
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Pending
Application number
JP4236083A
Other languages
English (en)
Inventor
Kimihiro Nakamura
公弘 中村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Fuji Electric Manufacturing Co Ltd
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Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd, Fuji Electric Manufacturing Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Priority to JP4236083A priority Critical patent/JPS59168330A/ja
Publication of JPS59168330A publication Critical patent/JPS59168330A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/106Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving electrostatic means

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】 〔発明の属する技術分野」 この発明は詳直容足式曲げモーメント測定器、特に測定
曲げモーメント以外の力、例えば集中荷重、ねじりモー
メントまたは軸力等が作用してもこれらの影響をギャン
セルしうる電極m造をもっ曲げモーメント測定器に関す
る0 〔従来技術とその問題点〕 従来、この種の測定器としてはストレインゲージ(S 
train Gage )式のものが良く知られている
0嬉1図はかかる測定器の概略を示す構造図である。
これは、支持部3に1端を固定された梁1に接着層4を
介して金属または半導体ストレインゲージ2を1対取り
付けて構成され、梁1に図の如き曲げモーメントMが作
用すると上側のゲージは伸び、下側のゲージは縮むこと
からその抵抗値が変化するので、この変化から曲げモー
メントを測定するものである。をかる測定器は構造が極
めて簡単であるため最も多く使用されている反面、次の
ような欠点を有している0 1)梁とストレインゲージとの接着が通常は有機系の接
着剤等によ−って行なわれるため、いわゆる接着剤のク
リープ現象やひ!われ等によるリラグゼーション(ゆる
み)が測定器の再現性と安定性に悪影曽を及ぼすばかり
でなく、接着層の経年変化によって長期安定性が悪く在
る。
2)接着剤の吸湿によりその絶縁抵抗が変化し1信頼性
が低下する。
3)ストレインゲージのゲージファクターやゲージ抵抗
値の温度係数が大きく、かつ個々のバラツキが大きい。
−4)ストレインゲージの抵抗変化率Δ几/Rが小さい
(′&パーセント程度)ため、感度が悪く高精度化が難
かしい。
5)ストレインゲージはその機緘的強度が小さいたΔ5
、過負荷や衝趙負狗により破損し易い。また、接N層に
塑性変形が生じ易い。
6)測定すべき曲げモーメント以外の外力、すなわちね
じりモーメント、集中荷重または軸力の影響を受は易い
〔発明の目的〕
この発明は上記の諸点に鑑みてなされたもので、測定曲
げモーメント以外の外力の影響を受は難く、しかも安定
で高精度な静電容量式曲げモーメント測定器を提供する
ことを目的とする。
〔発明の要点〕
その特徴は、各端部がそれぞれ7ランジによって密閉さ
れた中空円筒状梁内に断面が十文字形の可動電極をはざ
んで各1対の固定電極を配置してコンデンサを形成する
とともに、電極部の中心位置を固定電極の同定端から測
って梁の長さの略1/3のところにあるようにし、かつ
可動電極と固定電極の重なる部分が梁の長さの略1/3
以下となるようにして、曲げモーメント以外の外力の影
響を受けず、安定で高精度な測定ができるようにした点
にある。
〔発明の実施例〕
まず、この発明による測定原理について説明する0 第2図はこの発明の測定原理を説明するための原理図で
ある。
すなわち、同図(8)はバイブ状の梁11に曲げモーメ
ン)Mが作用する場合であり、原点0およびX、y座標
を図の如くとったとき、梁11の先端の如く表わされる
ことが知られている。なお、(1)式において、Eはヤ
ング率、■は梁の断面二次モーメント、jは梁の長さで
ある。つまり、(1)式で表わされる直線は・−系を中
心に変化することを示している。
一方、同図の)の如く、この梁11に集中荷重Wが作用
する場合の、梁の先端Pにおける中立軸の接線の方程式
Qは、 の如く表わされる・つまり、この直線は・−系を中心に
変化する。以上のことから、集中荷重Wの影響をできる
だけ少なくして曲げモーメントMを測定するた−めには
、本発明の種々の研究の結果第2図(Qの如く梁11の
内部に点Pと同様の動きをする可動電極14と、梁11
の支持部15と同様の動きをする1対の固定電極12,
13とを設け、その中心が支持部15より//3のとこ
ろにあるようにするとともに、電極部の長さは!/3以
下にすると良いことが確かめられている。このとき、固
定電極12,13と可動電極14とによってコンデンサ
が形成されるが、曲げモーメントMが作用するとその容
量C1,C2は次の如く表わされる。
なお、C1は可IIJm極14と固定電極12によって
、また、C2は可動電極14と固定電極13によってそ
れぞれ形成されるコンデンサの容量である。
ここに、bOは可動直棒と固定歇極間の間隙、εは電極
間の誘電率、Klは架の拐料によって決ま長さである。
(3) 、 (4)式から が得られ、曲げモーメン)Mを容M Ct # C2の
関数として求めることができるoしたがって、かかる構
造において集中荷重Wが鋤いても、可動電極14は上述
の如く、梁11の支持部15から!/3の点を中心にし
て対称に変位するので、静電容it C1# C2はそ
の平均距離が変わらず一定値となる。つまり、上記(5
)式が零となって集中荷重に対して不感とすることがで
きる0 次に、ねじりモーメン)Tに対して不感とする電極構造
と、その配線方法について説明する。
第3図はかかる電極構造とその配線方法を説明するため
の構造断面図である。同図からも明らかなように、可動
電極14はその断面が十文字形に形成され、その中心が
梁11の中立軸と一致する如く、図示されない梁の一端
に取り付けられる。
また、梁の他端には、該中文字形可動電極14の4枚の
電極に各1対の、計8枚の固定電極12゜13が可動電
極と所定の間隙boをもって対向配置されている。そし
て、可動電極14に対して平行に隣り合うもの同志が結
線されて、4つの端子21〜24へ接続されている。
このように構成される梁11に、同図の如くねしりモー
メントTが作用すると、可動電極14のみが点線の如く
回転する。ここで、例えば端子22について着目すると
、ここには、可動電極14と固定電極12,1.2によ
って形成される2つのコンデンサが存在するが、この回
転によってその一方は増加するのに対して他方は減少し
、しかもその和は一定である。同様のことが端子21゜
23.24についても当てはまり、結局、ねじりモーメ
ン)Tに対して見かけ上の客足変化がなく、上記(5)
式は零となってこの測定器をねじりモーメントTに対し
て不感とすることができる。
ここで、曲げモーメン)Mが第4図の如く、図の水平方
向に対してθの角度をもつ゛C作用した場合について考
える。なお、第4図はかかる場合を説明するための説明
図である。
任意方向の曲げモーメン)Mは、同図の如く水平方向成
分Myと垂直方向成分Mxとに分けて考えることかでき
る。そこで、可動電極14と端子24.23,22およ
び21との間の静電容量をそれぞれClX9C2XtC
1y、C2yとすると、Mx。
Myによる静電容量の変化は、先の(5)式と同様に、
の如く表わされ、これを合成した値Pはとなって曲げモ
ーメントMの測定が行なわれる。
また、PXとPyとの比をとれば、 となって曲げモーメン)Mのが−っている方向または角
度θを判別することも可能である。なお、上式にもとづ
いて曲げモーメン)Mおよびその方向(tanθ)を求
めるには、例えば第5図の如くする。なお、第5図はか
がる場合の例を示すブロック図である。すなわち、上述
の如き容量c1x。
C2x、C1y、C2,をセンサ311 t 312 
Lより測定し、上記(6) 、 (7)式の演算をアナ
ログ演算器321゜322にてそれぞれ行ない、これら
をそれぞれA/D変換器331,332によりディジタ
ル量に変換しり後、例えばマイクロコンピュータの如き
演算装置34にて(8) 、 (9)式の演算を行なう
ことにより求めることができる。なお、35は演算結果
を表示する表示装置である。
第6図はこの発明の実施例を示す側断面図である。同図
において、11は中空円筒状の梁、12゜13は固定電
極、14は可動電極、161p162は絶縁体、17x
p172は7ランジである。すなわち、中空円筒状の梁
11の各端部には、それぞれ7ランジ171,172が
チグ(TfG)溶接や電子ビーム溶接等の周知の溶接方
法により取り付けられており、架内を密封状態にする0
該7ランジ171にはその断面が十文字形の可動電極1
4が溶接等の手段により取り付けられる一方、7ランジ
172には絶縁体1611162を介して固定電極12
,13が可動電極14の4つの電極をそれぞれ挾むよう
に取り付けられる。可動電極14の長さJdは、梁11
の長さをjとすると、5it≦itd<!lの如く選ば
れ、また1固定電極12,13の長さはそれぞれIt/
3以下で、その中心位置は7ランジ172の側より略1
3/3のところに置かれる。このとき、可動電極14は
固定電極12,13と重なる部分よりわずかにはみ出す
如く、つまり固定電極12゜13よりΔjだけ長く形成
される。これにより、同図の左右方向に軸力が働いても
電極部の実効面積は変わらず、したがって軸力による影
響を無視することができる。絶縁体161,1.62は
、例えばマイラ、セラミックス等からなり、固定電極1
2゜13との固定はメタライズ、ネジ止め等によって金
?■) 強固に行なわれるが、蒸着等の手段によって等の金属膜
を形成するようにしてもよい。また、可動電極14と固
定電極12,13との間隙b(、は、最大曲げモーメン
トが加わったとき、平均変位Δdとの比(Δd/bo)
が0.3程度となるように設計される。この値は、上記
(5)式または(8〕式に比例する垣となるから、これ
が大きいと云うことは測定感度が大きく、シたがって高
精度の測定が可能であることを表わしている0なお、7
ランジ171゜172によって気密にされた梁ll内は
真空にするか、または乾燥空気、不活性ガスもしくはオ
イルによって満たすことにより誇電率が変化しないよう
にすることが望ましい。
第7図はこの発明の他の実施例を示す構造断面図である
。すなわち、この実施例は電極の中心位置が7ランジ1
72側から測ってl/3の位置にある点は第6図と同様
であるが、固定電極12 、13の長さが第6図の場合
より長くなっていて(第6図の場合はl/3、第7図の
場合はl/2より若干短い程度)、可動電極14と重な
る部分が略l/3となっている点が特徴である。したが
って、固定電極の自由端はその固定端よりl/2の位置
にあり、可動電極の自由端はその固定端より5/の位置
にある。なお、その他の点は第6図と同様である。
第8図は第6図および第7図に示される電極構造を、7
ランジの方向から見た断面図であり、第9図は電気的な
等価回路を示す回路図である。
すなわち、第8図に示されるものは、第3図をより具体
的にして示したもので実質的には同じものであるので、
これ以上の説明は省略する。また、第9図は第6図、第
7図に共通な等価回路図であるが、同図の破線で囲まれ
た容量値をペアにして測定することにより、それぞれの
方向の曲げモーメントを求めることができる。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば、次の如き種々の利点
を得ることができる。
l)検出部に有機系の接着剤を使用していないので、再
現性および短・長期安定性を改善することができる。
2)検出方式を“差動的な静電容量検出方式′にした\
め、温度による誤差が相殺され、温度特性が改善される
3)電極変化率(Δd/bo)を0.3程度に大きくし
た\め、感度が向上し高精度化が実現される。
4)検出部を完全な密閉構造とした−め、湿度による誘
電率の変化がない。
5)ヒステリシスが梁の材料だけで決まるため、極めて
小さくすることができる。
6)電極構造を工夫することにより、測定曲げモーメン
ト以外の集中荷重またはねじりモーメントの影響をキャ
ンセルするこkができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は曲げモーメント測定器の従来伝を示す概略図、
第2図はこの発明の測定原理を説明するための原理図、
第3図はねじりモーメントの影υを除去するための電極
構造を示す構成断面図、第4図は任意方向の曲げモーメ
ントが作用する場合を説明するための説明図、第5図は
任意方向の曲げモーメントの測定方式を示すプセツク図
、第6図はこの発明の実kL例を示す断面構造図、第7
図はこの発明の他の実施例を示す断面構造図、第8図は
第6図および第7図の電極構造を別の方向から見た断面
構造図、第9図はその眠気的な等価回路を示す回路図で
ある。 符号説明 1.11・・・・・・梁、2・・・・−・ストレインゲ
ージ、3゜15・・・・・・梁の支持部、4・・・・−
・接着層、12.13・・・・・−固定電極、14・・
・・・・可動電極、161,162・・・・・・絶縁体
、17x’y172・・・・・・7ランジ、21〜24
・・・・・・端子、311,312・・・・・・容置セ
ンサ、321゜322・・・・・・アナログ演算器、3
3te33z・・・・・・A/D変換器、34・・・・
・・ディジタル演算器、35・・・・・・表示器 代理人 弁理士 並 木 昭 夫 代理人 弁理士 松 崎    清 K l 図 第3図 9? 第4図 3 第2図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)中空円筒状の梁の各端部にそれぞれ第1゜第27ラ
    ンジを固着して該架内を密閉し、密閉された架内にその
    長さ方向に延びる4枚の電極板をその断面形状が十文字
    形となるように組み合わせ、かつその中心軸が前記梁の
    中心軸と一致するように前記第1の7ランジに固定して
    なる可動電極板と、該4枚の可動電極板の各々にこれを
    所定の間隙をもって挾み前記第2の7ランジに固定して
    なる1対の固定電極板とを配置し、該可動電極板と1対
    の固定電極板とが重なる電極部の中心が前記固定電極板
    がV置された嬉2の7ランジ側から測って梁の長さの略
    1/3のところにあるようにしてなることを特徴とする
    静電容量式曲げモーメント測定器。 2、特許請求の範囲第1項に記載の静電容量式曲げモー
    メント測定器において、前記可動電極板と固定電極板と
    が重なる電極部の長さを梁の長さの略1/3以下とする
    ことを特徴とする静電容量式曲げモーメント測定器。 3)特許請求の範囲第1項または第2項に記載の静亀容
    鼠式曲げモーメント測定器において、前記可動電極板の
    固定電極板と重なる部分が固定電極板よりや\長目に形
    成されてなることを特徴とする静電容量式曲げモーメン
    ト測定器。 4)特許請求の範囲第1項ないし、第3項のいずれかに
    記載の静電容量式曲げモーメント測定器において、前記
    密閉された架内を真空にするか、または乾燥空気、不活
    性ガスもしくはオイルを充填してなることを特徴とする
    静亀容鼠式曲げモーメント測定器。
JP4236083A 1983-03-16 1983-03-16 静電容量式曲げモ−メント測定器 Pending JPS59168330A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02502568A (ja) * 1987-03-16 1990-08-16 セトラ システムズ,インコーポレイテッド 機械的な運動増幅手段を備えたコンパクトな力トランスジューサ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02502568A (ja) * 1987-03-16 1990-08-16 セトラ システムズ,インコーポレイテッド 機械的な運動増幅手段を備えたコンパクトな力トランスジューサ

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