JPS604417B2 - 歪ゲージ変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は全般に力を受ける弾性部材又はビームの表面に
電気抵抗型の歪ゲージが取り付けられている、力を測定
するための歪ゲージ変換器に関する。

加えられた力による部材又はビーム中の歪は歪に比例し
てゲージの電気抵抗を変え、それにより力は電気的に測
定される。そのようなゲージは第２次大戦において使用
されるようになり、爾釆序々に改良されて来た。

それらは使い易く、ゲージ自身大層小さく、電気回路の
ゲージの出力の則使用性及びそれに伴なうデータ処理の
為のディジタル形式への変換の容易さは、その使用及び
改良された精度に対する需要を益々増大させている。そ
のような変換器の典型的な使用は秤量器中である。

勿論精度が要求されるときはいつでも数世紀にわたって
重さ測定に天秤梁型重力ばかりが使用されてきたが、一
方ばね秤りの重量測定器は従来比較的粗く不正確である
と考えられて来た。歪ゲージ変換器も勿論一般的なばね
秤りの範蟻に属し、温度、疲労、老化、クリープ等の変
化に対する感度のような慣用のばね秤りのコンテクスト
（ｃｏｎｔｅ幻）に特有の問題の全てが歪ゲージのコン
テクストにも存在する。しかし、これらの問題の多くは
大体解決されている。

例えば、温度変化を補償する為の非常に有効な方法が歪
ゲージのために考え出されている。クリープ補償、緩和
補償、湿度変化補償といったその他の問題も解決され、
あるいは大きく減少された。しかし、特に垂直力だけを
測定すべきときに未だに解決が要求されている主要な問
題の一つは荷重点感度の問題である。

勿論、コンテクストを秤量プラットフオームが平行四辺
形の片持ばり形状によって支持されるようにするときは
いつでも荷重点感度の問題を事実上除去することができ
ることが理解されよう。この形状は主として低値力歪ゲ
ージ変換器で使われ、非常に有効である（例えば米国特
許第２８６６０５９号及び第３４３９７６１号参照）。
これら引用特許の平行四辺形形状は、ゲージが非常に正
確に配置されて平行四辺形形状の２点又はそれ以上の位
置で歪を測定するならば、荷重点の変化とは独立に垂直
力成分を測定できる。実際「ゲージの位置の僅かな不一
致を電気的に補償することによりより高い精度を得るこ
とができる（例えば米国特許第３５７６１２８号参照）
。平行四辺形形状では実際は平行四辺形上の２点又はそ
れ以上の位置で曲げ歪を測定するように歪ゲージが設置
されているが、これはシステム全体の曲げモーメントが
測定されるということではない。実際歪ゲージの出力が
使用される方法は曲げモーメントの効果を相殺し、変換
器に働く垂直（期断）力の厳密な測定を与える。適切に
ゲージ化された平行四辺形型形状の主な利点は、それが
荷重点の変化とは独立に垂直力を測定できることにある
。しかし、平行四辺形形状は軽い重量には良いけれども
重い（例えば１００００ポンド及びそれ以上の）重量を
測るには適していない。

明らかにその様に大きな力に対しては低い荷重点感度を
有する巨大な平行四辺形要素が装備されるだろうが、そ
れは多くの使用に対し望ましくない大きなものとなって
しまうだろう。大きな力を測定するための増断力のみで
直接垂直力を測定するように設置されたゲージを有する
変換器は極〈普通の成功しかしていない。

戦断力は通常引張り主歪及び圧縮主歪の両方を測定する
ように歪ゲージを整合することによって測定される。普
通勢断力測定のためゲージは鱗断力測定が行なわれるべ
きビームの長手方向鞠線から４５ｏ及び１３５ｏの所に
設置される。しかしながら、曲げた力はビームの中立軸
の上では引張応力として水平に作用し、中立軸の下では
圧縮応力として水平に作用するため、駒断力測定ゲージ
が正確に中立軸に配置されないと、上記のような角度に
て鱗断力測定ゲージが曲げ歪をも測定することになる。
これは雛断力測定ゲージを中立軸上に設置することによ
って除かれる。というのはゲージをそのように位置せし
めた時、ゲージの半分は曲げ応力の上部（引張）領域に
あり、別の半分は曲げ応力の下部（圧縮）領域にあるの
で、鯛断力測定の際の曲げ応力の効果は理論的に相殺さ
れるからである。同じ結果を得る別の方法は２つの圧縮
鱗断力ゲージ及び２つの引張勢断力ゲージを使い、１つ
の引張ゲージ及び１つの圧縮ゲージを中立軸の上に置き
、他の引張ゲージ及び他の圧縮ゲージを同じ距離だけ離
して中立軸の下に置く方法である。理論的にはそのよう
な配置によりゲージに対する曲げ歪の影響を相殺するこ
とができる。曲げ応力から鱗断応力の測定を分離するた
めの、後者の両方法が記載されている先行技術の特許は
、米国特許第３５５４０２５号である。更に米国特許第
３５５４０２５号も曲げ応力の効果を除去し、又は最小
にする別の２方法を開示している。１つは基礎ビームと
基礎ビームの自由端に連結され基礎ビームの上を戻って
延びている第２のビームとを有する二重ビームを設ける
ことである。

この配置によりゲージは、それが荷重のスラスト軸と一
線になっている（又はその両側で釣合つている）点で基
礎ビームに取り付けられている。このようにしてゲージ
は鱗断力に関係した歪のみを感知し、荷重点が変化した
時、鞠断力測定を妨げる曲げモーメントの変化を生起す
るレバーアームの変化は非常に小さいのでその影響は無
視できる。曲げ歪が最４・になり灘断歪が最大になる所
で歪ゲージが作動する位置がある横断面構造を選ぶこと
により、更に改良することができる。典型的にはこれは
１ービーム形状で行なわれる。１ービームでは曲げ歪は
垂直ウェブ領域で最も高く、相対的に一様であり、従っ
て曲げに関する応力が比較的小さい位置で灘断に関する
応力を最大にするという特定の目的のために、米国特許
第３５５４０２５号では１−ビーム形状が推奨されてい
る。

勿論これは磯断歪み測定を最大にし、それにより変換器
が荷重点の変化に敏感でないようにするという基本的な
目的のためになされる。しかしながら実際は前述の測定
はその目的を達成しなかった。

米国特許第３５５４０２５号の２重（又は３重）ビーム
配置は、それが好ましくはないが重量のある部品で構成
されないとヲＥ常に重い負荷に対しては充分でない。更
に、ゲージを注意深く設置するような技術の使用及び特
定の横断面の選定は共に成功していない。真直片持ばり
のビームを使用した典型的な従釆の配置では、変換器は
通常荷重変位１／４インチ当り０．３％より大きな荷重
点感度を持っていない。一見するとそのような不感受性
はむしろ良いと思われるかも知れないが、実際１０００
０ポンドより大きな重い荷重では荷重点の不可避的変化
を１／２インチ以下に減らすのは事実上不可能である。
これは主として熱膨張と荷重変化の両方により荷重プラ
ットホームの大きさが大きく変化してしまうためである
。極端に重い力がある所ではナイフエッジの旋回が実行
不能なため、アーチ型の支持物が使用されるが、この支
持物を使うとプラットホーム（又は変換器）が曲がった
時自動的に「荷重点」適用の変化が起こる。多くの場合
その変化は１／２インチ以上である。しかし、そのよう
な変化は従来の変換器では０．６％の誤差を表わし、ば
ら物材料工業では好ましくない大きさである。政府の規
則ではより正確な精度を要求している。本発明以前では
、非常に重い重量に対して１／４インチの移動につき０
．３％より良い荷重点感度の問題を解決する歪ゲージ変
換器は不可能であった。

曲げ応力の効果を除去し、曲げ歪を最小にするために選
ばれた構造を使う従来のすでての試みは、不可避的でこ
れまで十分に認識されていない雛断力測定をゆがめる曲
げ歪と雛断歪間の相互作用を除去するか又は充分に減少
させることに成功していない。その結果荷重点感度は主
な問題のまま残っている。従って本発明の基本的な目的
は、事実上荷重点に感受しない単一片持ばりビームの歪
ゲージ変換器を提供することである。

他の目的は、従来の変換器と比べて機械的及び電気的な
複雑さを少なくして上述の事を達成することである。そ
の他の目的及びより詳細な目的は、非常に大きな力だけ
でなく小さな力をもより効果的に且つ正確に測定する変
換器を提供することである。曲げ歪と灘断歪との間には
所定の平面内で灘断歪測定をゆがめ、そして曲げ歪測定
の単なる相殺によっては消去し得ない相互作用が生ずる
という前提から本発明は出発する。

このゆがみ相互作用（ｄｉｓｔｏｍｎｇｉｎｔｅｒａｃ
ｔｉｏｎ）が一般的に存在することは以前から知られて
いた。しかし、本発明はゆがみ相互作用のこれまで観測
されていない２つの観点を利用している。これらの第１
は、所定の垂直線に沿って奥断歪測定が行なわれる位置
によって影響を受ける鱗断歪測定のゆがみ（ｄｉｓｔｏ
九ｉｏｎ）が曲げ歪測定よりも実質上小さいということ
である。

第２は、努断歪表面（即ちビームの鞠線と測定される力
の線の両方に平行な面）上でビームに取り付けられたゲ
ージに関しては曲げに起因する鯛断歪測定のゆがみが繋
断歪の変化によってほとんど影響されないので、灘断歪
表面上でなされた曲げ歪の測定は曲げに起因する鞠断歪
測定のゆがみに充分直接に比例し、灘断歪測定の広い変
化範囲に渡って敷断歪のゆがみの正確な測定を表わすた
め曲げ歪測定だけを使用し且つ鮫正することができると
いうことである。これら２つの機能は次の様に使用され
る。

物理的に曲げ歪を最小にしたり、あるいは電気的にその
測定を相殺したりする代りに、特に曲げ歪を測定してそ
れを敷断歪及び数断歪測定のゆがみの両方の測定と紙合
せる。また磯断歪表面に複数個のゲージを配置し、それ
らをゆがみと曲げ歪の符号が反対になるように電気的に
接続し、そして曲げ歪に起因する鱗断歪測定のゆがみの
値と実質的に等しく且つ逆の符号を与える曲げ歪測定の
ためパラメータを選ぶ。このようにして、例えば荷重点
を変える如く、灘断力を増加させずに曲げモーメントを
増加させるならば、全測定の曲げ歪成分はＺ増大し、そ
の結果全測定のゆがみ成分の絶対値も増大する。しかし
、これらの変化の大きさは実質的に等しく、その符号は
反対であるため、そのような荷重点の変化は全出力にお
いて何らの変化も起こさない。かくて全測定は荷重点の
変化の如何によらず荷重に比例してる。逆にもし秤量プ
ラットホーム上の重量が変化することにより灘断力が変
化すれば、曲げ歪、繋断歪及びゆがみは全て同時に且つ
直接に比例して変化するので、何らの精度の損失も生じ
ない。そのような配置を用いて６００００ポンドから１
０００００ポンドの荷重で１／４インチの荷重点移動に
対し０．０３％の荷重点不感受性を繰り返し越えること
ができた。

曲げ歪と雛断歪の間の上述した関係のために必要なパラ
メータを決定することができる種々の方法がある。

例えば、中立軸から離れた酸断歪ゲージのある所定の配
置に対し、ゲージの曲げ歪測定成分の値を数断ゆがみ因
子に等しく選定することができる。逆に曲げ歪のある与
えられた値に対し、中立軸からゲージが設置されている
所までの距離を灘断ゆがみ因子と等しく且つ逆符号の曲
げによるゲージの出力を与えるように選定することもで
きる。他の方法はゲージの値と位置を固定し、ゆがみ因
子と奥断歪測定の間の比を変えることを含んでいる。こ
れはまた横断面の構造を変えることによっても成し得る
。本発明の特徴は、従来の数断型力変換器に使われてい
るのと同じ型で同数の敷断歪ゲージ、即ち中立曲げ軸の
上下４５ｏに配置された２個のゲージ及び１３５ｏに配
置された２個のゲージだけで本発明の目的を達成できる
ことである。

しかし従来の形式との相違は、第１にゲージがホィート
スト−ン・ブリッジ回路に接続され、曲げ歪測定値を除
去するのではなくてむしろ該ブリッジの出力中に含まれ
るようになっている事であり、第２には曲げ歪測定成分
の値が鮒断歪測定のゆがみと等しく逆符号になるよう特
別に中立軸からの各ゲージの距離が選ばれていることで
ある。これをただ４個のゲージについて行なうことは実
質的な倹約である。そのようなゲージの中立軸からの距
離が選定される方法は試行錯誤で行なうことが最も便利
である。

勿論理論的に計算することができるが、そのような計算
は最も基本的な形状の他はどんな横断面に対しても極端
に難しい。試行錯誤法は困難でなく、一旦与えられた横
断面に対し正しい位置が決められると繰り返し製造する
ことは個々の鮫正を必要とすることなく可能である。本
発明によりこれら２つの歪の相互作用の有害な効果を効
率的に除去し得るので、鱒断歪の測定を曲げ歪とは別に
して行う横断面を使用する必要がないことも本発明の特
徴である。

従って所定の応用例に適している固形、円柱形、四角形
及びその他の横断面を使用することができ、曲げと数断
の間の相互作用によって生ずるいかなるゆがみも本発明
の使用により除去することができる。更に本発明は「灘
断歪面上の曲げ及び鱗断間の相互作用に関わらず、特定
の横断面を選び好ましくない荷重の効果を最小にするよ
うにゲージを配置することを可能にしている。更に本発
明のその他の特徴は、いかなる力の測定値に対しても荷
重点に感受しない非常に簡単な努断力変換器を提供する
ことである。

従って本発明の特徴ある応用例は、先行技術ではどれも
満足し得ない極端に大きな力を測定することであるが、
先行技術の平行四辺形形状の変換器が小さな力の測定の
コンテクストでは優れた荷重点不惑受性を有していたと
しても、それは製造するには複雑であり、ゲージ配置の
精度に敏感に依存しているため、本発明は小さな力の測
定においても利点を有する。そこで本発明の装壇は多く
の例において小さな力の測定に対しても適している。本
発明の他の特徴は、敷断歪と曲げ歪の測定の間の臨界的
関係をゲージの間隔ではなく角度を変えることによって
達成し得ることである。

これは、大きさの要請が所定の間隔内で必要な関係を得
ることを妨げている時に有利である。一般的特徴は好ま
しくない荷重に対する不惑受性、温度変化に対する不感
受性、信頼性、過剰の荷重に耐える能力等のような変換
器の他の実行特性のいずれも同時に損なうことなく前述
の利点を達成することである。

上に略述したように本発明は、どんなビーム型の力変換
器にも曲げ歪と敷断歪の間の相互作用があり、奥断力測
定をゆがめ、先行技術に示された曲げ歪測定の単なる電
気的又は機械的相殺によっては充分に除去し得ないとい
う前提から出発している。

｛ａ｝酸断歪測定のゆがみは、ビームの軸線に垂直な面
内の垂直軸上で敷断歪測定がなされる位置により曲げ歪
測定よりも影響を受けないことと、｛ｂ｝切断歪ゲージ
は一部曲げ歪を測定するためにビームの中立軸から離れ
た鯛断歪表面上に配置され、曲げ歪による測定の一部が
曲げによって灘断歪測定に譲起されたゆがみの符号と逆
になるように電気的に接続され、各歪ゲージによって感
知される正味の歪がそこに誘起された引張曲げ、圧縮曲
げ、斑断に関する歪及びそのゆらぎの代数和になること
とを使う。各ゲージで感知される正味の歪のうち主とし
て曲げに関する部分は、籾断に関する測定を加算的に又
は減算的に増加さすのに使われ、それでそのゆらぎを力
の広い領域に捗って充分補償し得ることがわかった。本
発明の分析に際して、電気的抵抗が実際の数断歪（ゆが
みのない毅断）に比例して変化する歪ゲージを提供する
ことがこの目的であることを考察することは有用である
。

しかしながら〜従来の装置においてはこのようなゲージ
の電気的抵抗は、ゲージが中立軸上に置かれ（あるいは
その周りに平衡され）ていてもこれを行わない。その代
り、これ等の抵抗は見掛け製断歪（上述の実際の鱗断歪
プラスゆがみ係数）に比例して変化する。このような装
置における見掛け敷断歪は荷重の作用点の変化により影
響され、このような先行技術の変換器は「荷重の作用点
に敏感」である。本発明では、ゲージは見掛け敷断歪の
変化によっても、曲げ歪の変化によっても変化されるそ
れ等の電気的な抵抗を有するように奥断歪表面上に置か
れ且つ方向づけられており、そしてゲージの正味抵抗変
化が実際の奥断歪の変化に比例して実質的に応答する。
このようにして、ゲージに結合されている電気的回路は
同じように正味抵抗変化に応答し「そして実際の灘断歪
に比例する表示度数を与える。これがビームの長手方向
の荷重点の位置に実質的に無関係に測定される力を指示
するように目盛られることができる表示度数となる。添
付図面に示されているように、本発明の典型的な具体例
は鉄道車鞠の重量測定に使われ、そこでは一対の秤量プ
ラットホーム２０が鉄道車廟の端の無蓋貨車を秤量位置
に受けて支持するように配置されている。プラットホー
ム２川ま各コーナーにて２２で示されている４つの歪ゲ
ージ変換器によってそれぞれ支えられている。変換器は
それぞれ大体円柱形をしたステンレス鋼のビーム２４か
ら成り、このビームはプラットホーム２０の各コーナー
の端部に適当に固定され、その他の端部では凹部２８に
鉄め込まれた直立ラグ２６によって支えられている。ラ
グ２６の上端はアーチ形であり、非常に重い荷重を支え
るのに適している。典型的な装置ではビーム２２は直径
が４インチであり、ラグ２６とビーム２２は１００００
０ポンドまで支えるのに適している。しかし、本発明の
有用性は多数のアームを使用している複合ビームと同様
に多数のビーム状要素を有する構造にも適用できるので
、本発明の適用は唯一の自由端を有する単一ビームに限
定されるものではない。

ビーム２４は、１対の対称に配置された円柱形の凹部３
０（第３図では唯１つだけが図示されている）を設ける
ように機械加工されておりトその間にはこの具体例では
比較的薄く、垂直に配置されている平板ウェブ３２を規
定している。

ウェブ３２の表面はビーム２２の藤線に平行な面内にあ
り、測定される力（即ち鉛直方向）にも平行であるため
、それは鱒断力に応答し、それ故ここでは「鞠断歪表面
」と呼び、「曲げ歪表面」と呼ばれる水平に配置された
表面（中立軸上にはない）とは区別される。ビーム２２
はまた歪ゲージへのりード線を収容し、保護するため、
凹部３０と連絡している中央閉口３４を設けるように機
械加工されている。

議論を容易にするため、第４図中では３８にて固定され
、４０にてその自由端に力を受けている３６で示された
ビームが簡略に表示されている。ビーム３６の中立軸は
Ｎ・Ａ，と略記された線によって示されている。ビーム
の軸線に平行で、ビームの各側面上に１つずつある垂直
面４２，４４は１対の瓢断歪表面を表わし、第３図に示
されているそれぞれの凹部３０の底にあるウェプ３２の
露出表面に相当している。歪ゲージは敦断歪表面４２及
び４４上に設燈されている。

典型的な装置では第４図に示されているように４６，４
８．５０及び５２の４個のゲ−ジを使用する。歪ゲージ
４６と４８は灘断歪表面４２上に設層される。ゲージ４
６は中立軸ｉＱから４５０の角度で誘起された梨断に起
因する引張歪Ｔｓと曲げに起因する引張歪Ｔｂを感知し
、ゲージ４８は中立軸から１３５ｏの角度で誘起された
鱗断に起因する圧縮歪Ｃｓと曲げに起因する圧縮歪Ｃｂ
とを感知する。歪ゲージ５０と６２は同機にビーム３６
の後面４４上に設置これ、ゲージ５０はゲージ４６と同
じ歪（ＴｓとＴｂ）を感知し「ゲージ５２はゲージ４８
と同じ歪（ＣｓとＣｂ）とを感知する。歪ゲージ対４６
と５０及び４８と５２はどんな場合もそれらの各敷断歪
表面上で互いにグリッドが平行になる様に直接向い合っ
て設置されている。

これは補償問題を最小にし、全ての測定が垂直な鱗断歪
表面４２及び４４上で成されているため、適用手続や温
度補償のような因子の数は最小になり、標準化ごれ得る
という利点がある。上記の歪ゲージの方向づけと組合せ
て、本発明は第６図に図示されているようなホィートス
トーン・ブリッジ回路を利用しており「そこでは歪ゲー
ジ４６，４８，５０及び５２は抵抗要素Ｒ亀〜Ｒ４のよ
うに相互に接続される。その相互接続はゲージ４６がＲ
Ｉに相当しｔゲージ４８がＲ２に、ゲージ５０がＲ３に
、ゲージ５２がＲ４にそれぞれ相当するようになってい
る。また第６図から明らかなように、本発明では端子５
８と６０を外部電力源と接続し、ブリッジ回路の出力は
端子５４と５６の間で読まれる。上記の回路は曲げ歪及
び鱗断歪測定を含み、曲げと葵断の間のゆがみ相互作用
の影響も含んでいる第６図のブリッジの出力を生ずる。

特に歪ゲージ４８と５２はＣｓとＣｂを感知し、一方歪
ゲージ４６と５０はＴｓとＴｂを感知する。従って歪ゲ
ージ抵抗の結局の変化は曲げによる変化だけでなく灘断
による端子５４と５６の間の出力の変化をも与え、曲げ
による変化は鱒断による変化と同じ方向である。しかし
曲げ灘断の間にはゆがみ相互作用があり「 この場合そ
れはブリッジの全出力に負の効果をもたらすが、測定の
曲げ歪成分の値は鯛断に対する曲げの効果によるゆがみ
因子と等しく且つ逆符号に選ばれているため、その２つ
は互いに相殺される。この場合曲げ成分が繋断成分に加
えられるため、これを補償の加算モードと呼ぶ。いくつ
かの複雑なビーム形状を有する場合でも、もし鱗断に対
する曲げの効果に起因するゆがみ因子がブリッジの全出
力に正の効果を持っていれば「同様の分析が成立する。
しかしこの条件のある時は中立軸に対しゲージの位置を
反転する必要がある。これは第７図、第８図及び第９図
に示されており、ゲージ４６と５０はＴｓとＣｂを感知
するように設置され、一方ゲージ４８と５２はＴｂとＣ
ｓを感知するように設置され、ブリッジの相互接続はゲ
ージ４６がＲ１に相当し、ゲージ４８がＲ２に、ゲージ
５０がＲ３に、ゲージ５２がＲ４にそれぞれ相当するよ
うになっている。それで曲げ歪によるブリッジの出力は
鱗断による出力から引かれ、測定の曲げ歪成分の値はこ
の場合正である曲げに起因する灘断歪測定のゆがみと正
確に等しく逆符号に選ばれる。このようにして曲げ成分
とゆがみ成分は単に互いに相殺されるだけである。曲げ
成分は鱗断成分から引かれるので、これを補償の減算モ
ードと呼ぶ。加算モ−ド又は減算モードのいずれにおい
ても、曲げ歪及び灘断歪の測定の組合せは荷重点の変化
によるブリッジの全出力の変化を実質的に減少させ且つ
事実上消滅させるように使われる。

例えば第４図を参照すると、（４０の所に）加えられた
荷重が内側（右側）に移動した時、鱗断応力と曲げ応力
の間の負の相互作用が減少する結果、測定される灘断に
関係した歪（ＴｓとＣｓ）は増大する。勿論同時に加え
られた曲げモーメントの減少のため、測定された曲げ歪
（ＴｈとＣｂ）は減少する。ゲージの中立軸から最適位
置づけにより、曲げに関係した歪の減少によるブリッジ
の全出力の減少は負のゆがみ因子の減少による全出力の
値が等しく符号が逆の増加によって相殺される。歪ゲー
ジ４６と５川ま引張敷断、ゆがみ因子及び曲げ歪の和を
感知し、歪ゲージ４８と５２は圧縮酸断、ゆがみ因子及
び曲げ歪の和を感知し、組合せによって感知される全歪
は本質的に一定のままである。従って、全ブリッジ出力
は事実上荷重点変化に不感受的である。実際以前の既知
の形状に対し１５対１以上の荷重点不惑受性の減少が達
成される。ゆがみ因子が正である場所で減算補償モード
の作用は同様で逆符号である。

そこで減算モードでは加えられた力が内側に移動すると
、曲げ歪が減少した時正のゆがみ因子は減少する。しか
し歪ゲージ４６と５０は引張製断、ゆがみ因子及び圧縮
曲げ歪の代数和を感知し、一方ゲージ４８と５２は圧縮
敷断、ゆがみ因子及び引張曲げ歪の代数和を感知し、そ
して感知された曲げ歪は感知された鞠断歪に対し減算の
関係にある。更に減算される部分の選定値は正のゆらぎ
因子に等しく逆符号である。従ってゲージによって感知
された正味の歪は同じ値のままであり、それ故変換器は
事実上荷重点の変化には不感受的である。同様に変換器
の出力に変化が生じないように荷重が外側へ移動される
ならば、勿論補足的条件が存在する。

更に本発明に従って補償された変換器は、荷重零から１
０００００ポンドの変化による雛断歪変化の広い範囲に
渉つて補償の精度に目立った損失を示さないので、灘断
の曲げに対する逆相互作用はほとんどない。

第１０図から第ｉ７図までは本発明の範囲内にある種の
形態とゲージの配置を示している。

第１０図及び第１１図は、第４図及び第７図の加算モー
ド及び減算モードについてそれぞれより実際的な方法で
ゲージを簡略に示している。第６図及び第９図のブリッ
ジが３個の抵抗に対しては一定値で定められ、唯１つの
ゲージの出力が全体の力の測定を与え得ることが理解さ
れよう。この場合、その唯１つのゲージは曲げ歪と敷断
歪の両方をゆがみ因子と共に測定するのに使われるため
、それはやはり複合ゲージと呼ばれる。勿論そのような
変換器は４個のゲージを使った具体例の好ましくない荷
重に対する不感受性という利点はなく、フリツジの出力
は４ゲージ形状の出力の１／４にすぎないだろう。しか
しそれでもそれは便利な装置であり、全性能のその様な
減少を許容できる場合は実質的な節約となる。更にプラ
ットホームの４つのコーナーで変換器を使用した装置で
は、各変換器は単一ゲージ形態であり、（使用されてい
るモード‘こより）単１ゲージは第４図又は第７図の各
位直にそれぞれ取り付けられている。この場合１つの電
気ブリッジが使われ、第４図及び第７図の形態の付加的
利点の幾つかが享受される。唯１つのプラットホームの
一端のみの両コーナーで２つの変換器の補足的敷断歪表
面上にのみ２個のゲージを使い、唯１のブリッジ内の４
個のゲージを電気的に接続した第１０図及び第１１図に
示されているような装置によってさらにいくつかのこれ
らの利点を享受することができる。空間的考慮が重要な
い〈つかの場合には、第１２図と第１３図のようにゲー
ジをビームの鞠線の長手方向の異なった位置に配置する
ことが必要になる。

ゆがみ相互作用は実質上曲げ歪に直接比例して変わるた
め、そのような長手方向の位置の変化による曲げ歪の変
化は重要ではない。これも本発明の一般的利点を示して
いる。長手方向の正確なゲージの配置は重要でないので
、中立軸からのゲージの距離にだけ注意すればよい。本
発明の主な利点は、１つの翼断歪表面上に取り付けられ
るべき全てのゲージが設置されている単一の基材上で複
合ゲージを製造できることであることが理解されよう。

そこで一旦中立軸からの適当な間隔が決定されれば、第
１０図から第１３図までに示されているような２つのゲ
ージを唯１の基材上に組立てることができ、その後は１
回の取付操作で鱗断歪表面に取り付けることができる。
これは実質的に労力の節約を表わし、また補償手続の規
格化を可能にする。更に２つのゲージがそれらの間に最
適な垂直間隔をあげて唯一の基材上に形成されると、圧
縮曲げ歪と引張曲げ歪は単に数式で加算されるだけなの
で組立体の奥断歪表面上での正確な垂直位置づけは特に
重要ではない。和が同じである限り、一方が他方よりも
中立軸から少し離れていることは重要でない。そのよう
な場合非対称垂直位置づけから生ずる唯１の不利な影響
は、好ましくない荷重に起因する誤差の多少の２次領域
中に存在している。第１４図、第１５図及び第１６図に
示されているように、唯１つのゲージは曲げ歪の望まし
い補償測定をするために通した距離だけ中立軸から離れ
た延長部６６と共に、中立軸上に設置され純粋に酸断歪
測定のために設計された部分６４を使用することができ
る。

勿論部分６６の電気抵抗（又はゲージ因子）及びその中
立軸から離れた位置は存在するゆがみ因子に関連して（
等しく且つ符号が逆に）選ばれる。同機にもし望むなら
ば部分６６に平行に「トリミング（ｔｒｉｍｍｉｎｇ）
」分路抵抗器を挿入できるように部分６６と６４の間に
電気接触又はタップを使用することができる。更に」曲
げ歪に対する感度を増大させ又は減少させるために部分
６６の別の形態及び方向づけを使用することもできる。
また、部分６４と６６を接続する必要はない。従って「
例えばゲージ６８によって圧縮製断歪を測定し、ゲージ
７川こよって引張酸断歪を測定し、ゲージ７２によって
引張の灘断歪及び曲げ歪を測定し、ゲージ７４によって
圧縮の鱗断歪及び曲げ歪を測定するために各勢断歪表面
上で別々のゲージを使用することができる。そのような
配置は唯１の基材に適用されなければ余り経済的ではな
いが「それは分路抵抗器によって個々の電気的トリミン
グを容易にするものである。第１４図から第１７図まで
の具体例では補償動作が曲げを測定するゲＷジの一部の
抵抗値に依存しているので、上記の事は第１４図から第
１７図までの具体例にのみ重要であり、第３図から第１
３図までの具体例には当てはまらない。

実際、第１４図から第１３図までの具体例ではこの依存
性のないことが第１４図から第１７図までの具体例対し
て前者の具体例の顕著な利点を表わしている。上述した
全ての説明においてブリッジの１つのアームを占めてい
る歪ゲージ要素は複合形である。

従って「たとえ唯１つのゲージが使用され、中立軸から
離れているときでも、それは曲げ歪、灘断歪及びゆがみ
因子を同時に測定するという意味で複合的である。同様
に第１４図から第１７図までに示されている昇りの形態
も同じ機能を行なうので複合的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明が使われている歪ゲージ変換器型の秤
量装置に乗った鉄道車覇の側面図である。 第２図は、第１図の秤量装置の１つの一端部を第１図の
線２一２の１つから右方に見た時の透視図である。第３
図は、本発明に従った代表的な歪ゲージ力変換器の側面
図である。第４図は、本発明に従った歪ゲージ力変換器
を簡略に表示した透視図であり、歪ゲージは単位の大き
さに対し拡大して示されている。第５図は、第４図の歪
ゲージ力変換器を簡略に表示した側面図である。第６図
は、本発明に従って接続された第４図の歪ゲ−ジ力変換
器と共に使用するのに適したホィートストーン・ブリッ
ジ型回路の簡略図である。第７図から第１７図までは、
本発明の範囲内にある様々な歪ゲージの配置及び方向づ
けを示している。Ｎ．Ａ，…中立軸、２０・・・…秤量
プラットホ−ム「２２，４６，４８，５０，５２……歪
ゲージ、２４，３６……ビーム、３２……ウエブ、４２
，４４・…。０磯断歪表面。ＦＩＧ．！ ＦＩＧ４２ ＦＩＧ．３ ＦＩＧ．４ ＦＩＧ．５ ＦＩＧ．６ ＦＩＧ．７ ＦＩＧ．８ ＦＩＧ．９ ＦＩＧ．ｌ０ ＦＩＧ．ｌｌ ＦＩＧ．ｌ２ ＦＩＧ．ｌ３ ＦＩＧ．ｌ４ ＦＩＧ．１５ ＦＩＧ．ｌ６ ＦＩＧ．ｌ７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 剪断歪表面を有するビーム状構造体と、該構造体を
   支持する手段と、該構造体の長手方向にランダムに配置
   された種々の負荷点の任意の１つにて測定すべき力を加
   える手段と、該剪断歪表面に添付された可変抵抗歪ゲー
   ジ手段とを具備し、該歪ゲージ手段が、曲げ歪の変化に
   よる剪断歪の分布によって生ずる見掛け上の剪断歪成分
   の変化によって生ずる該歪ゲージ手段の電気抵抗の変化
   の絶対値が、曲げ歪の変化によって生ずる該歪ゲージ手
   段の電気抵抗の変化の絶対値に等しくなる、該表面上の
   点の少くとも１つにて、該表面に配置されており、且つ
   、該歪ゲージ手段に生ずる正味電気抵抗変化が実際の剪
   断歪の変化に実質上正比例するように、方向付けられて
   おり、そして更に、該歪ゲージ手段に接続された電気回
   路を具備し、該電気回路が、該力が該種々の負荷点の任
   意の１つに加えられた場合、該歪ゲージ手段に生じた該
   正味抵抗変化に応答して、測定すべき該力の値を実質上
   示すことを特徴とする歪ゲージ力測定変換装置。 ２ 各々が剪断歪表面を有する複数個のビーム状構造体
   と、該構造体を支持する手段と、該構造体の長手方向に
   ランダムに配置された種々の負荷点の任意の１つにて該
   構造体の各々に測定すべき力の一部を加える手段と、該
   剪断歪表面の各々に添付された可変抵抗歪ゲージ手段と
   を具備し、該歪ゲージ手段の各々が、曲げ歪の変化によ
   る剪断歪の分布によって生ずる見掛け上の剪断歪成分の
   変化によって生ずる該歪ゲージ手段の電気抵抗の変化の
   絶対値が、曲げ歪の変化によって生ずる該歪ゲージ手段
   の電気抵抗の変化の絶対値に等しくなる、該表面上の点
   の少くとも１つにて、それぞれの剪断歪表面に配置され
   ており、且つ、該歪ゲージ手段に生ずる正味電気抵抗変
   化が実際の剪断歪の変化に実質上正比例するように、方
   向付けられており、そして更に、該歪ゲージ手段の全て
   に接続された電気回路を具備し、該電気回路が、該力の
   一部が該複数個のビーム状構造体の各々の該種々の負荷
   点の１つに加えられた場合、該歪ゲージ手段の全てに生
   じた該正味抵抗変化の全ての合計に応答し、測定すべき
   該力の値を実質上示すことを特徴とする歪ゲージ力測定
   変換装置。