JPS6216368B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は小さい荷重の測定装置に関する。荷重
の測定は最も広く用いられている測定作業の１つ
である。多くのいろいろな装置が従来このために
発明されている。最も早い天秤の形式の１つは同
等又は不等の腕の天秤の原理を利用している。こ
れらの天秤では、平衡はそれに分銅を載せ又は分
銅を移動させることによつて得られる。測定され
る質量の測定数は載せた分銅を数えるか又は分銅
の変位置に基いて決定される。

最近、いくつかの新規な物理現象が荷重の測定
に用いられている。斯かる現象は弾性変形により
生じる伸び又は回動であり、更には力の作用の結
果として生じる機械的、電気的、磁気的、光学的
などの特性の変換より生じるものである。

流行のエレクトロニツクスでは、電気的測定方
法がピエゾ抵抗現象に基いて一般に用いられてい
る。この基本により作られた歪計は数ミリグラム
から数百トンまでの範囲で荷重及びその他の力の
測定に適している。

しかしながら、前記した測定原理の実現のため
には、測定される力及び測定に用いられるパラメ
ータを平衡状態にさせ得るような機械的装置が必
要である。

平衡状態の場合に、測定される力の作用線は平
衡状態にある力の作用線から大抵偏在している。
これは例えばレバーの使用に基く天秤の場合の状
態である。しかしながら、内部の機械的応力場が
平衡を得るために装置に関する部分に生じなけれ
ばならない場合、即ち測定数が材料の特性によつ
て得られる場合には、測定される荷重及び平衡の
ために生じる応力場は特定の表面でとられる合成
力の作用線に一致しなければならない。

また、作用線が互いに交差する測定の解法は知
られている。これは２つの作用点及び支持点が一
直線上にない場合又は例えば振子を使用する場合
である。これらの装置では、測定は既知の平衡状
態を生じる既知の幾何学的形状状態及び力によつ
て可能になる。しかしながら、常には単一の力が
測定のために適用される。

また、斯かる測定の課題は測定される力の測定
数が２つ又はいくつかの力を知ることによつて決
められる時に存在する。これは例えば二点支持梁
による測定である。

上記した測定原理及び実際的解法は小さい力の
測定をも可能にする。しかしながら、技術の進歩
によつて、機械及び電気の方法の応用によつて非
常に小さい力の正確な測定の要求が起つている。

電気的方法の一般的適用は利用する荷重が材料
特性の測定可能な変形及び変質を生じるに充分な
だけ高い機械的応力を生じ得ないことによつて制
限される。その結果、測定に利用可能な力を増加
する装置が所望される。斯かる装置は変圧器にお
けるように測定装置で測定される力を増大する。
斯かる装置は例えば腕に比例して測定される力を
増大する不等腕レバーである。これは生じる力が
大きくなる程所定の境界線まで選ばれる腕の長さ
を小さくすることを意味する。

これらの形式の解法では、得られる精度は製作
公差によつて制限されるので、或る測定範囲では
正確な測定がもはや不可能である。そのほかに
も、これらの装置、系の時定数及び他の特性の使
用は不都合に変化する。

本発明は、測定される力の５〜100倍の増幅を
実現することができ、従つて正確な測定に適した
微小な力の測定装置の開発を目的とする。

本発明による課題は、少なくとも３つの測定腕
を含む２つのユニツトから成り、ユニツトの測定
腕の連結点が単一の剛性要素に取り付けた端によ
つて固定された平面の外側にあるように測定腕の
連結点が単一の剛性要素に取付けられ、また測定
腕には力計器感知体がそれぞれ組込まれている装
置によつて解決される。

本発明による装置の測定腕及び延長棒は引棒と
して適当に形成される。

測定腕は対称的又は非対称的な構成をもつこと
ができる。対称的な構成の場合には、上側ユニツ
トの測定腕は下側ユニツトの測定腕に関して180
度変位している。

好ましくは、測定される力の適用線は簡単に加
算を行なうために延長棒の幾何学的軸線と一致す
る。

装置の測定腕及び延長棒は不正確度を排除する
ために予応力を生じる調節装置を設けることがで
きる。

伸び感知抵抗体が適当である力計器感知体が測
定腕中に組込まれる。伸び感知抵抗体は半ブリツ
ジ又は全ブリツジに連結され、それにより得られ
る出力信号は測定される力に比例する。

本発明は次の考えの順序に基いている。機械的
実際面によれば、弦を水平に伸ばすためには無限
の力が必要であることは知られている。第１図
は、点Ａ及びＢで固定された弦の点Ｄに作用する
力Ｆ、角度αに依存して非常に大きな反作用力Ｒ
_aびＲ_bが関連し得ることを示している。点Ａ，Ｂ
及びＤは同一平面にあり且つ力Ｆは安定位置を生
じる。しかしながら、機械的系に常に存在する振
動は点Ｄを容易に移動させて系を不安定にするこ
とがある。

これはAB方向から偏在しているCE方向にある
点Ｃ及びＥを点Ｄに固定することによつて防止さ
れ得る。安定状態をくつがえすのを容易にするこ
の方法はCD方向及びDE方向の力によつて維持さ
れ得る。しかしながら、そうであつても、系は依
然として静的には不確実である。

共通の点Ｄを有し且つ棒又は弦をAB方向、BD
方向及びCD方向に配置した点Ａ，Ｂ及びＣの系
によつてのみ一定の静的状態が保証され得る。こ
の系は三脚として機構学で長い間知られている
（第２図参照）。それ故、弦の原理及び三脚を一緒
に応用して、棒の力を測定し且つ系の幾何学的状
態を知ることによつて確実に作用する力を決める
ことができる系を作り得る。

第２図に示した三脚の平衡状態は連結点Ｄ及び
点Ａ，Ｂ，Ｃの形成に従つて調べられ得る。本発
明による平衡は第３図に示したような２つの三脚
の相互連結によつて実現され得る。第３図に示し
た解法によれば、装置は点Ａ，Ｂ及びＣでの節点
が互いに等しい距離に配置される節点及び棒の構
造である。同様に、点Ｌ，Ｍ及びＮでの節点は円
弧に沿つて配置される。三脚棒の自由端は点S₁及
びS₂で連結される。点S₁及びS₂は延長棒に連結さ
れる。平衡状態にあるこの系に力Ｇが作用する
と、両端において点S₁及びS₂は値△１だけ偏位し
て上側ユニツトの棒が伸びると共に下側ユニツト
の棒が圧縮する。変形後、系は再び平衡状態にな
る。

系の特性（幾何学的形状、棒の力の大きさ）が
荷重Ｇの作用前に知られているならば、未知の荷
重Ｇの大きさは棒の力の変化した大きさから決め
られ得る。実際には、棒に生じる力の大きさは歪
計によつて決められる。斯かる歪計を使用する系
が第４図に示されている。ここでは簡単のために
測定腕として形成された棒の１本だけを上側及び
下側ユニツトのそれぞれに図示されている。線図
は測定腕に作られた力計器感知体１を示してい
る。加えて、全ての測定腕は系の予荷重を行なう
ために調整装置２を設けている。製作誤差、はめ
あい公差のため及び測定される力の作用線の不確
実さのために、系に若干の予荷重を発生させて前
記した不確実さを排除することが得策である。こ
の解法では、ユニツトの測定腕は節点３に連結さ
れ、その位置はねじ式調節装置で変化され得る
が、同様にねじ式調節装置２は２つのユニツトを
連結する棒に組込まれている。

本発明による装置を用いる測定は次のようにし
て行なわれる。即ち、充分な予応力をかけた後に
Ｐ＝Ｏの状態が計器感知体１に設定され、それか
ら負荷Ｇが系に加えられる。この場合、装置の棒
は伸びるか又は短かくなり、且つ計器感知体１で
測定される力と平衡する反作用力が適切な節点に
生じる。読取値のベクトル加算によつて未知の負
荷力Ｇは容易に決定され得る。

この方法で計算を容易にするために、測定すべ
き負荷力Ｇの作用線が延長棒の幾何学的軸線と一
致するように装置を構成することは得策である。
もちろん、加算はその他の場合でも行ない得る。

平衡状態が本発明による装置での力のベクトル
の間に生じることの故に、測定値は実際にベクト
ル的な加算又は減算を示す。これは負荷に比例し
て出力信号が直接に発生し得る時電圧の加算によ
つて簡単に求められ得る。

測定体に全ブリツジ又は半ブリツジを形成する
に充分な伸び感知抵抗体を使用することは得策で
ある。第５図は全ブリツジを抵抗体で形成する場
合の測定体の抵抗体Ｒの構成を示す。別個の動力
計で力の成分Ｐ_A，Ｐ_B，Ｐ_C又はＰ_L，Ｐ_M及びＰ_N
を測定することによつて、高精度の力の測定の要
求が満たされる。このため、全ブリツジが第６図
に従つて作られ、４つの抵抗体R₁，R₂，R₃及び
R₄が測定体にある。第一及び第二のユニツトの
測定セルは並列に連結され且つ２つの出力信号は
加算される。このようにして、測定される力に比
例した出力信号が得られる。

上記した点から、本発明による解法が非常に小
さい力の増力変換を任意の範囲まで許し且つこの
ようにして正確な測定ができることは明らかであ
る。また、前記した実施例でのそれぞれのユニツ
トが３つの棒を含むが、装置はより多くの測定腕
を用いて構成され得る。膜が延長棒に連結される
ユニツトとして装置に用いられるならば、無限数
の測定腕を含む構造が得られる。棒を対称形に配
置していない装置でも測定及び計算を行なうこと
ができる。結合した棒をクランプされた梁に代え
た測定装置を構成することができるが、この場合
には、生じるモーメントを考慮しなければならな
い。そのような解法の場合には、同等の強さの棒
を使用することが得策である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的考えを示す線図であ
り、第２図は通常の三脚を示す線図であり、第３
図は本発明による装置の好適な実施例の概略的線
図であり、第４図は本発明による装置の具体的実
施例の詳細図であり、第５図は測定抵抗体の配置
図であり、第６図は測定抵抗体を使用する時の測
定線図である。 １……力計器感知体、２……調節装置、３……
節点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一点で互いに連結された３つの測定腕をそれ
   ぞれ含む２つのユニツトを有し、それぞれのユニ
   ツトの測定腕の連結点S₁，S₂を延長棒に取付け且
   つ測定腕の自由端を単一の剛性要素に連結してユ
   ニツトの測定腕の連結点が剛性要素に取付けられ
   た端によつて固定された平面の外側にあり、測定
   腕には力計器感知体１がそれぞれ組込まれている
   ことを特徴とする小さい荷重の測定装置。 ２ 測定腕を引張棒として形成することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の測定装置。 ３ 延長棒を引張棒として形成することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   測定装置。 ４ 測定腕を剛性要素に結合することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれ
   か１つに記載の測定装置。 ５ クランプされた梁として測定腕を剛性要素に
   連結することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   から第３項までのいずれか１つに記載の測定装
   置。 ６ 測定腕を同等の長さの素子として形成するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の測
   定装置。 ７ 測定腕を対称的な配置で有する特許請求の範
   囲第１項から第６項までのいずれか１つに記載の
   測定装置。 ８ 下側ユニツトの測定腕に関して180度に配置
   された上側ユニツトの測定腕を有することを特徴
   とする特許請求の範囲第７項に記載の測定装置。 ９ 測定腕を非対称な配置で有することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第６項までのいず
   れか１つに記載の測定装置。 １０ ユニツトの少なくとも１つに無限数の測定
   腕を膜として形成することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の測定装置。 １１ 測定される力Ｇの作用線を延長棒の幾何学
   的軸線に一致させることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項から第１０項までのいずれか１つに記
   載の測定装置。 １２ 測定腕に調節装置２を設けたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第１１項までのい
   ずれか１つに記載の測定装置。 １３ 延長棒に調節装置２を設けたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第１２項までのい
   ずれか１つに記載の測定装置。 １４ 伸び感知低抗体を力計器感知体１として有
   する特許請求の範囲第１項に記載の測定装置。 １５ 伸び感知低抗体を半ブリツジに連結するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１４項に記載の
   測定装置。 １６ 伸び感知低抗体を全ブリツジに連結するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１４項に記載の
   測定装置。