JPS6151504A

JPS6151504A - ねじり角計

Info

Publication number: JPS6151504A
Application number: JP17240784A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ishii; 石井　泰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-21
Filing date: 1984-08-21
Publication date: 1986-03-14

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】本発明は、ひずみによる電気抵抗の変化を利用した、新
しい構造のねじり偽計に係る。

丸棒の両端に与えられた相対的ねじり角を検出する手段
としては、第１図に示すように、丸棒１の側面にストレ
ンゲージ２および３を貼りつけ、これらのストレンゲー
ジの電気抵抗変化を検出して、１に与えられたねじり歪
を検出する方式が従来から一般に行われている。

しかしながら、この従来方式では、ストレンゲージをｔ
ａ着剤を用いて丸棒に貼りつけるので、長期にわたる安
定性に欠ける。また細い棒にストレンゲージを貼りつけ
ることもできない、これは丸棒をねじるときのトルクを
小さくするためには長い棒を使用せざるをえないという
ことを意味し、小型のねじり偽計や微小トルク計の製作
を事実上不可能にしている。

本発明の目的は、上記のような従来方式の欠点を除去し
たねじり偽計を提供することにある。すなわち本発明の
ねじり偽計は、丸棒あるいは中空丸棒の周囲の表面に、
真空蒸着等により螺旋状の抵抗膜を形成することを特徴
とするもので、これによってねじり角を受ける作用棒と
して細い丸棒や細い管を使用することができ、小型のね
じり偽計や微小トルク計の実現を可能ならしめる。また
本発明においては、作用棒のひずみが、接看剤等を介さ
ず、直接に抵抗体に伝達されるので、長期にわたって特
性が安定であり、動作の信頼性も嵩い、また後述するよ
うに感度も従来方式より太きくなる。本発明のねじり鉤
針は、製作方法が容易で調整も容易であり、したがって
大量生産に適している。そのようなねじり鉤針を提供す
ることも本発明の目的の一つである。

第２図において、１１はねじり角を受ける丸棒であり、
その周囲の表面にはスパッタリング等の手法によりシリ
カ（Ｓｉ０２）　、　フルミナ（Ａ１２０３）等の絶縁
膜が形成されている。その絶ＩＩ′＋膜の上には螺旋状
の抵抗膜１２が付着している。この螺旋状抵抗膜はニク
ロムなどの金属膜か、あるいはシリコンなどの半導体の
多結晶膜等であるが、これを製作するには、まず丸棒を
回転しながら、真空蒸着等の手法により、上記のような
材質の膜を丸棒の周囲表面に一様に形成したのち、スパ
イラル力、ト１３をほどこして膜の一部をはぎとる方法
が最適である。あるいは膜の蒸着に先立ち、螺旋状に細
いテープを捲付けておき、蒸着が終ったのちにそのテー
プを除去するという方法を採ってもよい。１４および１
５は電極であって、たとえば抵抗膜との間に導電性ゴム
をはさんでバンドを締付ける構造になっている。そして
、これは必要不可欠ではないが、場合によっては防湿と
酸化防止のため丸棒全体を有機材料などの保護膜で覆う
。

いずれにせよ、丸棒の周囲の表面に螺旋状の抵抗膜を形
成することは、上記のような真空蒸着やスパッタリング
のみならず、焼付けなどの手法も含めて、今日の技術を
もってして容易になしうる。そして、従来方式では不可
能であったような、針金のように細い丸棒に対してもこ
の螺旋状抵抗膜の形成が可能であることが特徴である。

なお、ねじりを受ける作用棒として、丸棒のかわりに中
空丸棒すなわち円形断面の管を用いることもできる。ま
た作用棒として石芙ガラスなどの絶縁体でできた丸棒な
どを用いる場合には、前述したシリカやアルミナ等の絶
縁膜は不要で、丸棒の周囲表面に直接抵抗Ｈ伝を形成す
る。

いま第２図において、ねじりを受ける丸棒１１の長さを
Ｌとし、その筒端の間に相対的にθ（ラジアン）なる右
回りのねじり角が与えられると、丸砧１１の周囲表面に
おいては γ＝ｒ　θ／Ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（１）＋＋なる一様なせん断ひずみを生ずる。ここでｒは丸林１１
の半径である。したがって抵抗膜１２の材料の横弾性係
数をＧとすると、１２にはτ、＝Ｇγ、　　　　　　　
　　　　　　　　（２）なる一様なせん断応力が作用す
る。ここで抵抗１１り１２の中に、スパイラルカット１
３と一辺を平行にとった微小正方形の面素１６を考える
と、この面素に働く応力は、スパイラルカット１３の傾
き角をαとして σ＝τ　５ｉｎ２α　　　　　　　　　　　（３）なる
大きさの抵抗膜長さ方向の引張応力とそれと直角方向の
圧縮応力、および τ＝τ　ｃｏｓ　２α　　　　　　　　　　（４）なる
大きさのせん断応力とからなる。

抵抗膜１２がニクロムなどの全屈材料からなる場合は、
電極１４と１５゛の間の１２の抵抗なＲとし応力による
抵抗の変化をΔＲとすると、ΔＲは引張および圧縮応力
による膜の形状変化によって生じ、ぜん断応力はΔＲに
ほとんど寄与しない。

抵抗膜材料の縦弾性係数をＥ、ポアソン比をνとすると
、引張応力σによって長さ方向にσ／Ｅの割合だけ伸び
、同時に抵抗膜の断面積が２νσ／Ｅの割合だけ減する
から、これによる抵抗変化率、（ΔＲ／　Ｒ）ｌは（ΔＲ／Ｒ’）１ｚ（１＋２２／）　σ／Ｅ　　（５）
となる。同様に、σなる圧縮応力により断面積は（１−
ν）σ／Ｅの割合いだけ減じ、同時に長さ方向にνσ／
Ｅの割合いだけ伸びるから、これによる抵抗変化率（Δ
Ｒ／Ｒ）ｔは（ΔＲ／　Ｒ）、、　＝σ／Ｅ　　　　　　　　（６）
となる。したがって全体の抵抗変化率ΔＲ／ＲはΔＲ／
Ｒ＝２（１＋ν）σ／Ｅ＝２　（１＋ν）　にｒ　５ｉｎ２ａ／Ｅとなるが、一
般に均一等方性の物質については２（１＋ν）Ｇ＝Ｅ　
　　　　　　　　（８）なる関係があるから、これを代
入するとΔＲ／Ｒ＝　ｙ　５ｉｎ２　ｃｔ＝ｒθ　５ｉｎ２ｃｔ／Ｌ　　　　　（９）となって、
抵抗変化率ΔＲ／Ｒよりねじり角θが求められる。この
式はねじり角θが負の場合にもそのまま成立する。

ここにおいて特徴的なことは、（６）式で示したように
、本発明においては、抵抗膜の長さ方向に対して直角に
働く応力も抵抗変化に寄与することである。従来方式に
おけるように、丸棒にたとえばワイヤストレンゲージを
貼付けた場合には、ゲージの長さ方向と直角の方向に働
く応力は接着剤等に吸収されてしまい抵抗変化に寄与し
ない。

したがって抵抗変化率は（５）式に示したゲージ長さ方
向の応力による分のみになる。このことは本発明方式が
従来方式にくらべて感度が高いことを意味する。ちなみ
にポアソン比νを０．３とすると、両方式の感度の比は
１．６２５　：　１となる。

以上の解析はいくつかの仮定に基づいているが、実際に
はこれらの仮定は近似的にのみ成立つものであり、理論
と実際との違いを生ずる。その原因の第１は金属の抵抗
膜材料の比抵抗を一定とみなし、抵抗変化は応力による
抵抗膜の形状変化によってのみ生ずるとしたことである
。実際には、応力によってひずみが生ずると、金属結晶
の格子常数が変化し、比抵抗もわずかに変化する。第２
には」；記の抵抗膜の形状変化を考える際に、膜とその
下地の材料とのポアソン比が等しいと仮定した点である
が、ポアソン比は材料によって０，３の前後で種々の値
をとり、抵抗膜とその下地の絶縁膜の材料とで必ずしも
等しいわけではない。第３には、抵抗膜１２を流れる電
流が電極１４．１５の付近において一様でなくなること
を無視したことである。しかじながらこれらの影響は（
９）式を根本的に変えるものではなく、実験的に定めた
係数ｋを角度αの関数として導入して、抵抗変化率を ΔＲ／Ｒ＝ｋ（ｏ、）ｒθ／　Ｌ　　　　　　Ｃ１０）
と表すことができる。

抵抗膜１２がシリコンなどの半導体材料からなる場合に
は、個々の結晶についてはその電気的特性に異方性があ
るが、抵抗膜の中では多くの微細結晶がランダムな方向
に向いているから、全体としては均一等方性材料とみな
すことができ、ひずみによって生ずる電気抵抗変化は、
金属の抵抗膜の場合と同じく、（１０）式のように表わ
され、抵抗変化率ΔＲ／Ｒよりねじり角θが求められる
。

しかしながら、応力による半導体の抵抗変化は、金属の
場合のように抵抗体の形状変化によるのではなく、主と
して結晶格子のひずみによる比抵抗変化に起因するもの
であるから、係数ｋ（α）の意味は両°者の間で異なる
。すなわち金属膜抵抗においては、ｋ（α）は補正係数
的な意味を有し。

αが４５ｅ′に近い場合には、ｋ（α）は１に近い常数
となるが、半導体抵抗膜においては、ｋ（α）てｋ（α
）は正になったり負になったりする。

ここで本発明のねじり鉤針をトルク計として使用する場
合について説明をつけ加えておく、第２図において１１
が中空丸棒であるとし、これにＴなるトルクを与えたと
きに生ずるねじり角０（ラジアン）は、その表面の絶縁
膜や抵抗膜の厚みは十分小であるとして無視すると０＝２ＬＴ／π（ｒ”−ｒ’）　　Ｇ’　　　　　　（
１１）となる。ここでｒ２、ｒ２はそれぞれ中空丸棒１
１の外径の半分および内径の半分であり、Ｇ′は１１の
材料の横弾性係数である。これを（１０）式に代入する
と ΔＲ／　Ｒ＝　２　ｋ　　（ｃｔ　）　　ｒ　Ｔ　／　
π（ｒ÷−ｒ４）　　Ｇ’となって、抵抗変化率ΔＲ／
ＲよりトルクＴが求められる。１１が単なる丸棒である
場合には、上式において１２＝ｏとして ΔＲ／Ｒ＝２ｋ（ｃｔ）Ｔ／ｌｃｒ’Ｇ’　　　（１３
）となる。

第２図の装置のように１つの抵抗膜を用いる方式では、
抵抗膜材料としてマンガニン等抵抗温度係数の小さい材
料を用いる場合以外は、一般に抵抗膜の抵抗変化に対し
て温度補償を別途はどこす必要がある。温度変化に対す
る対策の他の一つとして、従来から２ゲージ法あるいは
４ゲージ法なと、偶数個のゲージを差動的に使用する方
法がとられている。

第４図は本発明における２ゲージ法の例である、２１は
ねじり角を受ける丸棒で、その周囲の表面には、絶縁膜
を介しであるいは表面に直接に、抵抗膜２２および２３
が螺旋の向きが互に逆になるようにして付着形成されて
いる。２４．２５．２６は導電性接着剤等で作った電極
で、それぞれリード線が付けられており、第５図に示す
回路を形成する。すなわち２２の抵抗が第５図のＲ，で
あり２３の抵抗がＲ２で、これらは外付抵抗ＲＪ、Ｒ＋
とともにブリッジを形成している。ブリッジには電源３
１より直流電圧が与えられており、ブリッジに生じた差
電圧は差動増幅器３２で増幅される。

２７はコ字型フレームで、゛丸４４２１　ハフレーム２
７を貫通し、その左端は留めねじ２８でフレームに固定
されている。

この状態において、丸棒２１の固定されていない方の右
端に、たとえば右回りにねじり角が与えられると、抵抗
膜２２の抵抗Ｒ１は増加し、抵抗膜２３の抵抗Ｒ２は減
少する。したがってＢ点の電圧はＢ点の電圧にくらべて
下り、増幅器３２の出力にねじり角に対応した電圧を生
ずる。

第４図においては、丸棒２１の一端を固定し、他端にね
じり角が与えられる静的なねじり偽計が示されているが
、たとえば動力計におけるように、回転する軸を伝達す
るトルクを計測するために、その軸のねじり角を回転中
に測定する動的なねじり偽計に本発明を適用する場合に
は、回転軸に第４図のような抵抗膜を形成し、電極２４
．２５．２６からその軸の他の場所に設けられたスリッ
プリングを介して外部の回路に接続する。

第６図は本発明における４ゲージ法の例である、４１は
ねじり角を受ける丸棒で、その周囲の表面には、絶縁膜
を介しであるいは表面に直接に、抵抗膜が付着形成され
ているが、この場合抵抗膜の螺旋は２重にな・っている
、すなわち丸棒４１の左半分に抵抗膜４２と４３′が、
右半分には抵抗膜４２と４３が前２者とは逆向の螺旋で
形成されている。４４．４４．４５，４５．４６．４６
′は電極で、それぞれリード線が接続されており、第５
図に示すように接続される。すなわちＲ，、Ｒ２、Ｒ７
、Ｒ４はそれぞれ抵抗膜４２．４３．４２．４３の抵抗
で、これら４つの抵抗はブリッジ回路を形成する。４７
はコ字型フ、レームで、丸棒４１はフレーム４７を貫通
し、その左端は留めねじ４８でフレームに固定されてい
る。

この状態において、丸＃Ｂ４１の固定されていない方の
右端に、たとえば右回りにねじり角が与え４３′ られると、抵抗膜４２の抵抗Ｒ７と　　の抵抗Ｒ６は増
加し、抵抗膜４３の抵抗Ｒ２と４２′の抵抗Ｒ７は減少
する。したがってＢ点の電圧は３２点の電圧にくらべて
下り、増幅器３２の出力にねじり角に対応した電圧を生
ずる。この４ゲージ法は、第４図の２ゲージ法にくらべ
て感度が２倍となる。

第７図は丸棒の中央に与えられたねじり角を測定する例
である。ねじり角を受ける金属丸棒５１の周囲表面には
、絶縁膜を介しであるいは直接に抵抗膜５２．５３が螺
旋の向きを同じくして付着形成されている。丸線５１の
両端はダイアフラム６０．６１に固定され、これらのダ
イアプラムはリング６２．６３によってケース５７に固
定される構造になっている。丸棒５１の中央には直角に
レバー５９がとりつけられ、それは窓５８からケースの
外に突出している。５４．５５．５６は電極で、それぞ
れからターミナル６４．６５．６６を通して外部にリー
ド線が引出されており、抵抗膜５２の抵抗をＲ２、抵抗
ＩＩり５３の抵抗をＲ４とし、Ｒ１、ＲＪを外付抵抗と
して、第５図のようなブリッジ回路を形成している。上
記のダイアフラム６０．６１は、温度が変化したとき丸
棒５１とケース５７の熱膨張の差を逃がすためのもので
ある。

ここでケース５７を固定しておいてレバー５９の先端が
紙面に垂直に下方に押されたとすると、丸棒５１の中央
においてねじり角が与えられ、抵抗膜５２の抵抗Ｒ２は
減少し、抵抗膜５３の抵抗Ｒ＋は増加する。そして増幅
器３２の出力に上記にねじり角に対応した出力をうる。

なおこのとき丸棒５１は中央部におい・てねしられると
同時に下方にたわみ、丸棒上面には圧縮応力、下面には
引張応力が作用するが、これらの応力の抵抗膜の抵抗に
対する影響は上面と下面においてほぼ相殺する。

以上の説明においては、装置への入力を丸棒５１の中央
に与えられるねじり角としたが、レバー５９の先端に与
えられる変位を入力とすれば、これは直線的な変位計と
なる。またこの変位とその変位を生ぜしめる力とは比例
するから、この装置は直線的な力変換器でもある。なお
第７図において、電極５５からターミナル６５を経て外
部にリード線をとり出すようにしたが、前述したように
ブリッジを形成した場合には、５５は電気的アース点に
なるので、丸棒５１が金属の場合にはターミナル６５や
それにつながるリード線は不要である。すなわち電極５
５のかわりにその場所に浅い穴をうがち、抵抗膜と下地
の金属とを導電性接着剤等で接続し、ケース５７全体を
電気的にアースすればよい。

以上を要するに、本発明のねじり鉤針の特徴は、ねじり
角を受ける丸棒もしくは中空丸棒の周囲表面に螺旋状の
抵抗膜を形成するところにあり、その結果従来方式には
なかったような種々の効果を生ずる。第１に、ねじり角
を受ける作用棒として細い丸棒や管を使用しうることで
、これはねじり角を与えるに要するトルクが小さくて済
むことを意味する。第２に、ねじり鉤針としての特性が
安定であり、また感度も従来方式にくらべて高いことで
ある。前者は抵抗材料を蒸着やスバ・ツタリングなどの
手法により作用棒に付着させて抵抗膜を形成し、接着剤
を使用しないことによる。また後者は、抵抗膜の長さ方
向の応力のみならず、これと直角方向の応力も抵抗変化
に寄与することによる。第３には、製作コストが安く天
敵生産に向いていることであるが、これは作用棒の表面
に一様に抵抗膜を形成したのち、スパイラルカットなど
の方法によって抵抗膜を螺旋状に仕上げるという、従来
とは異なった新しい製作方法によるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方式のねじり鉤針、第２図は本発明の一実
施例、第３図は抵抗膜の面素に働く応力、第４図は本発
明の２ゲージ法の一実施例、第５図は抵抗変化を検出す
る電気回路、第６図は本発明の４ゲージ法の一実施例、
第７図は作用棒の中央にねじり角が与えられる場合の本
発明の実施例である。ｌ−一一一丸棒、２．３−−−−ストレンゲージ、１１
−一一一ねじり角を受ける丸棒もしくは中空丸棒の作用
棒、１２−−−一螺旋状抵抗膜、１３−−−−スパイラ
ルカット、１４．１５−−−一電極、１６−−−−微小
正方形の面素、２１−−−一作用棒、２２．２３−−−
−螺旋状抵抗膜、２４．２５．２６−−−−電極、２７
−一フレーム、２８−−−一留めねじ、３１−−−一電
源、３２−−−一増幅器、４１−−一作用棒、４２．４
２’、４３．４３−−−一螺旋状抵抗膜、４４．４４．
４５．４５′、４６．４６’−−−一電極、４７−−−
−フレーム、４８−−−一留めねじ、５１−−−一作用
林、５２．５３−一一一螺旋状抵抗膜、５４．５５．５
６−−−−電極、５７−−−−ケース、５８−−一一窓
、５９−−−−レバー、６０．６１−−−−ダイアフラ
ム、６２．６３−−−−リング、６４．６５．６ローー
ーーターミナル。

Claims

【特許請求の範囲】

丸棒もしくは中空丸棒の周囲表面に、絶縁膜を介しても
しくは表面に直接に螺旋状の抵抗膜を形成し、上記の丸
棒もしくは中空丸棒にねじり角が与えられたときに生ず
る上記の抵抗膜の電気抵抗変化により上記の与えられた
ねじり角を測定することを特徴とするねじり角計。