JPS61194325A - 力変換機構 - 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１例えば材料試験機における力測定、秤におけ
る重量測定、或いは力に変換し得る諸物理事の測定を精
密かつ確実に行うための力変換機構に関するものである
。

［従来の技術１ 板状、線状或いは音叉状の振動子に引張力又は圧縮力を
加えた時に、その固有振動数が変化する現象を力測定に
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、同５５−５１
３２９号公報などに開示されている。このような振動子
を用いた場合に、測定すべき力が振動子の軸方向に正し
く加えられれば良好な測定結果が得られるが、振動子に
捩れや曲げ応力が作用するとか、軸に直角方向の力が加
わったような場合には様々の測定誤差を生じ、実用上の
障害が発生する。また、振動子を秤などの力変換機構に
組付けるに際し、微妙な歪みが振動子や支持部に加わる
ことを完全に避けることができないために、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
。更には、測定機構各部の熱膨張差などに起因する温度
誤差が発生し易い上、振動子に加わる力と固有振動数の
関係は概略２次式で与えられて直線的ではないため、実
用化するためには直線誤差を補正する必要があるほか、
測定範囲をさほど大きくとれないなどの欠陥がある。

［発明の目的Ｊ 本発明の目的は、上述の欠点を全て除去すると共に、振
動子を含めた一体構造の力変換機構を製作することによ
り、力変換機構の組立作業を著しく簡素化し、頗る簡単
な構成ながら高精度かつ広範囲の力の測定ができ、しか
も加えた外力と振動子の固有振動数の間に実質的に直線
特性を持たせ得る力変換機構を提供することにある。

［発明の概要］ 上述の目的を達成するための本発明の要旨は、各頂点を
肉薄の撓み部とした菱形又は楕円状リンク機構において
、水平の対角線方向に力検出用振動子を配置し、該振動
子と直交する鉛直対角線方向に測定すべき外力を加え、
前記振動子に伝達される張力に応じて変化する前記振動
子の固有振動数を検出して加えられた外力の大きさを測
定する構成とし、前記振動子を含めた機構全体を金属部
材から一体構造として造り出したことを特徴とする力変
換機構である。

［発明の実施例］ 本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図はこの力変換機構の基本構成を示す原理図である
。ヒンジ１，２．３，４を頂点とし、相互に長、さの等
しい４本のリンク５．６．７．８を各ヒンジ１．２．３
．４間に配したパンタグラフ状の菱形機構において、ヒ
ンジ２と４を結ぶ対角線上つまり水平方向に別のリンク
９を接合し、ヒンジ３の部分で全体を支承する。そして
、ヒンジｌと３を結ぶ鉛直方向に示矢の力Ｆを加えると
、これに直角なヒンジ２と４とを結ぶ水平方向リンク９
には張力Ｈが作用することになる。

鉛直方向の力Ｆが加えられるヒンジｌにおいてリンク５
と８のなす頂角、及びヒンジ３においてリンク６と７の
なす頂角を何れも２θとすると、リンク９に作用する水
平方向の張力Ｈの大きさはＦ　ｔａｎθで与えられるか
ら、リンク９に力検出用振動子を使用することより、鉛
直方向に加えられた力Ｆを測定することができる。

第２図は４本のリンク５．６．７，８の長さが相互に異
なるため、正確な菱形から外れた場合を示している。ヒ
ンジｌと３を結ぶ鉛直線に対しリンク５．６．７．８の
なす角をそれぞれθ１、θ２、θ３、θ４とすると、鉛
直方向に加えられた力Ｆに対応して、 Ｈ＝Ｆ（ｔａｎθ１　＊　　ｔａｎθ４／　（ｔａｎθ
、　＋　ｔａｎθ４） ＋　　ｔａｎθ２・　ｔａｎθ３ ／　（ｔａｎθ２　＋　ｔａｎθ３））となり、このよ
うにリンク機構が正確な菱形から若干逸脱したとしても
、水平張力Ｈを検出するリンク９の方向が、機構に加え
られる鉛直力Ｆと直交するように構成されてさえいれば
、定性的な特性は第１図の基本形状の場合と大差がない
ので、力変換機構に用いることができる。

理解を容易にするために、機構に加えられる外力Ｆを圧
縮力、検出される水平力Ｈを張力として説明してきたが
、力Ｆが引張力の場合にはそれに対応した圧縮力Ｈがリ
ンク９において検出されることは当然である。

第３図（ａ）は本発明に係る力変換機構の具体的な構造
例を示す０通常は厚さ数ｍｍの恒弾性材料の金属板材か
ら、機構全体を例えばワイヤカット放電加工機などによ
り一体構造として剥り抜いて製作されている。リンク５
．６．７，８は両端部にそれぞれ肉薄撓み部１ｂ、２ａ
、２ｂ、３ｂ、３ａ、４ｂ、４ａ、１ａを有し、撓み部
１ａと１ｂの間のつなぎ部１ｃ、撓み部３ａと３ｂの間
のつなぎ部３Ｃと共に力変換機構の外郭を形成し、中央
の水平リンク９は例えば音叉振動子１０などの力検出用
振動子により構成されている。

音叉振動子１０は第３図（ｂ）に拡大して示すように、
相互に平行な長板状振動片１０ａ・１０ｂ、両者を結合
するコ字状接続部１１ａ・１１ｂ、これら接続部１１ａ
−１１ｂを両側で支持する支持部１２ａ＠１２ｂから成
り、片方のコ字状接続部１１ｂの両側面即ち振動片１０
＆・１０ｂの基部には圧電素子１３ａ・１３ｂが取り付
けられ、外部に設けられた増幅器１４の入出力部にそれ
ぞれ持続することにより、一定の固有振動数で持続振動
を行うようになっている。

第３図（ａ）の実際機構は第１図の原理構成とよく対応
するものであり、機構全体を下側のつなぎ部３Ｃで支承
し、上側のつなぎ部１ｃに鉛直力Ｆを加えると、中央の
水平リンク兼振動子９を構成する力検出用音叉振動子１
０には、張力Ｈ＝Ｆｔａｎθが作用するから、張力Ｈの
増大に伴い増加する振動子の固有振動数を測定すること
により、加えられた力Ｆの大きさを知ることができる。

このように製作構成された力変換機構の主な特長は次の
３点である。

（１）圧電素子１３ａ・１３ｂの取り付けを除き組立作
業が不要であるから、変換機構の製作時において振動子
ｌＯや支持部に歪みを加える虞れが無く、構造上、力の
作用線を振動子１０の軸線に正しく一致されることがで
き、振動子１０には捩れや曲げ応力が作用しない。

（２）振動子ｌＯを含めた力変換機構全体が一体構造と
して同一金属部材で構成されているから、温度が変化し
ても熱膨張差に起因する温度誤差が発生しない。

（３）測定すべき外力Ｆと検出される力Ｈとの比がｔａ
ｎθで与えられるから、測定すべき力の大小に応じて頂
角２θを適切な角度に選定することによって、使用目的
に最も適した力変換機構を容易に設計製作することがで
きる。

上述のような諸理由により、本発明機構によれば大小様
々な力を極めて簡単な機構により５常に高い精度で測定
することが可能である。

一般に、力検出用振動子に加えられる力Ｈと固有振動数
ｆとは、２次式の関係にあり直線関係にはない、音叉振
動子の場合を例にとって具体的な数値を挙げると、無負
荷時の振動子の固有振動数ｆｏを基準とし、張力Ｈを加
えた時の固有振動数ｆがｆＯの約１０％増加するまでを
力の測定範囲に選んだ場合に、力の変化と振動数の変化
の間の非直線性は約１．２％である。概念的には第４図
に示すように、振動子に加わる張力Ｈが増加するにつれ
、固有振動数ｆの増加割合が減少する。そのため、測定
すべき力に比例した力を振動子に加える通常の力変換機
構を用いた場合には、直線性の補正を必要とするほか、
振動数変化率で表した力の測定範囲をあまり大きくとる
ことは、直線性の見地から困難になる。

第３図の力変換機構において、力Ｆが測定範囲であれば
振動子ｌＯを含め機構各部の伸縮量は通常極めて微小で
あるから、機構の変形は無視できる。そのため測定範囲
内での角度θやｔａｎθは一定であり、測定すべき力Ｆ
と振動子ｌＯに加わる張力Ｈは比例するから、振動子１
０の固有振動数ｆは、測定すべき力Ｆに対し前述の数値
例及び第４図の特性図に示すように非直線的な関係にな
る。

しかしながら、鉛直力Ｆに応じて機構が弾性変形を起し
、８５図に示すように鉛直力Ｆの増大と共に角度θも増
大するような場合には、鉛直力Ｆと水平張力Ｈの間の比
例係数ｔａｎθも力Ｆの増加・に伴い増加する。その結
果、測定すべき鉛直力Ｆと振動子ｌＯの張力Ｈとの関係
は第６図に示すようになり、鉛直力Ｆが増大するほど張
力Ｈが直線的以上に増えることになる。鉛直力Ｆと振動
子ｌＯの固有振動数ｆの関係は第６図と第４図とを合成
して得られるので、適切な設計に基づけば第７図に示す
ように極めて優れた直線関係となる。

具体的な数値例を示すと、測定範囲として振動子１０の
固有振動数の変化範囲を９．５％にとり、鉛直力Ｆの増
加に応じ角度θを６６°から６７゜まで増加させた場合
の直線誤差は０．０１に止まり、振動子固有の直線誤差
が実に２桁以上も改善される。

鉛直力Ｆの増加に応じて機構の一部が弾性変形を起し、
角度θを増加させる力変換機構の具体的な構造例を第８
図と第９図に示す、第８図では、振動子１０の支持部１
２ａ°、１２ｂ′を波状にすることにより、長さ方向の
弾性係数を小さくシ、水平張力Ｈに応じて伸長し易くし
たものである。そのため、力Ｆが増加すれば菱形が偏平
となる方向に機構が変形し角度θが増加する。

第９図はリンク５と８の中間に偏平リング１５・１８を
設けてリンク５１１８の長さ方向の弾性係数を小さくし
、力Ｆの増加と共にリンク５と８に増加する圧縮力が増
えることを利用して、リンク５と８の長さを短くし角度
θが増加する構造としたものである。この場合に、機構
のと半分が偏平になり、下半分は原形のままであるが、
このような変形が実用上全く支障を生じないことは、既
に第２図について説明した通りである。

第８図、第９図の実施例のように、鉛直力Ｆの増大に伴
って機構に弾性変形を起させることにより、角度θ及び
ｔａｎθが増大するようにした本発明に係る力変換機構
は、第３図の基本的な機構について説明した前述の（１
）〜（３）の特長を全て具備するほか、直線性に関し次
のように優れた長所を兼ね備えている。

（０測定すべき鉛直力Ｆと検出される振動子１０の固有
振動数ｆとの間には実質上直線関係が得られるから、補
正無しで直線性の極めて優れた高精度の力測定ができる
ほか、同−又は類似の振動子を用いながら測定範囲即ち
振動数の変化率範囲を拡大して用いることができるため
、フルスケールつまり最大測定範囲を基準にした相対的
な零点のドリフト、分解能、再現性、ヒステリシスなど
の諸特性を改善することができる。

本発明に係る力変換機構は、これまで説明してきたよう
な菱形リンク機構以外に、楕円形の外形とすることもで
きる。第１Ｏ図に示す実施例では、菱形機構におけるリ
ンク５．６，７．８の代りに楕円リング２０を用いてい
るが、短（長）軸方向に加えられる鉛直力Ｆと直角の長
（短）軸方向に張力検出用振動子ｌＯが配置されている
ことは、前述の菱形機構の場合と同一である。鉛直力Ｆ
が加えられても機構が実質上変形しない場合には、鉛直
力Ｆに一定の比例係数を乗じた張力Ｈが振動子１０に作
用するから、変換機構としての特性は第３図で説明した
基本的な菱形変換機構の特性と殆ど同一である。

一方、楕円リング２０の厚さが薄く、鉛直力Ｆが加えら
れた際に弾性変形を起す場合には、第１１図の破線２０
”で示すように楕円が偏平に近付き、第６図に示した特
性と同様に鉛直力Ｆの増大と共に増加する比率で、鉛直
力Ｆが張力Ｈに変換されるため、弾性変形率が適切であ
れば測定すべき力Ｆと振動子１０の固有振動数ｆの間の
直線性は第７図に示すように著しく改善されることは明
らかである。第１０図に示したような楕円リング２０を
採用する場合においても、直線性の改善のため第８図或
いは第９図と類似の方法で、振動子１０の支持部１２ａ
・１２ｂや楕円リング２０の弾性係数を小さくするため
の構造を併用することは一向に差し支えない。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係る力変換機構は、一体構
造で製作されるため組立てが簡単であり、測定すべき力
を正しく振動子の軸線方向に任意の比率ｔａｎθで変換
して伝達できるため、大小様々の力を極めて正確に測定
可能なほか、弾性変形を利用すれば別設の補正無しに測
定時の直線性を著しく改善し得るなど、顕著な数々の長
所を有している。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る力変換機構の実施例を示し、第１図
、第２図は基本構成の原理図、第３図（ａ）は構造例の
側面図、（ｂ）は音叉振動子の拡大側面図、第４図、第
５図、第６図、第７図は直線性とその改善を説明するた
めの特性図、第８図、第９図は直線性を改善し得る機構
の側面図、第１０図は他の形状の構造例の側面図、第１
１図はその作動説明図である。 符号１．２，３．４はヒンジ、５．６．７．８はリンク
、９は水平リンク、１０は振動子、１０ａ、１０ｂは振
動片、１３ａ、１３ｂは圧電素子、１４は増幅器、２０
は楕円リングである。 特許出願人　　新光電子株式会社 第３図 （ｂ） 第４図 第５図 （５１弧）　０　鉛直力（五亀） 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、各頂点を肉薄の撓み部とした菱形又は楕円状リンク
   機構において、水平の対角線方向に力検出用振動子を配
   置し、該振動子と直交する鉛直対角線方向に測定すべき
   外力を加え、前記振動子に伝達される張力に応じて変化
   する前記振動子の固有振動数を検出して加えられた外力
   の大きさを測定する構成とし、前記振動子を含めた機構
   全体を金属部材から一体構造として造り出したことを特
   徴とする力変換機構。 ２、前記振動子の支持部又はリンクの何れか又は両者の
   長さ方向の弾性係数を小さくするような構造とし、測定
   すべき外力に応じて機構に弾性変形を起させ、外力と前
   記振動子の固有振動数との間に直線関係を持たせるよう
   にした特許請求の範囲第１項に記載の力変換機構。