JPS6291827A - 力検出器 - 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 本発明は測定すべき力の強さにより変化する周波数を有
する、振動バーを含む共握子と、それぞれこの振動バー
の対応する端部に固定されて測定すべき万全上記振動バ
ーに与える一対のアンカー部材と、上記共振子を囲み且
つその端部で上記アンカー部材に固定される管部材と、
かう成る力検出器に関する。

従来の技術 このような検出器は例えば米国特許第４３７２１７３号
明細書に示されている。この米国特許では共振子が光化
学的に製造されてバー状または二重音叉の形を有する薄
い水晶の板でつくられている。この共振子の利点はＱが
大きく力の印加に対する感度が大であることである。従
って正確な測定が可能である。更にその共振子の周波数
に関する情報が電子回路で処理されるから、アナログで
はなくディジタルに情報を出すことができるのであり、
このため多くの利点が得られる。

発明が解決しようとする問題 しかしながら水晶共振子を用いる関係上、この検出器は
複雑微妙となる傾向があり、そのため今日までそのよう
な検出器は実験室でのみ主として用いられているにすぎ
ない。

問題を解決するための手段 本発明の目的は上記以外の厳しい環境でも使用できる力
検出器を提供することである。

更にこの種の検出器は軸方向の力の印加に感じるばかり
でなく検出器の屈曲またはねじれを生じさせる力にも応
答する。多くの場合、力の一成分、すなわち共振バーの
軸方向（（作用する力成分が注目される。

本発明の他の目的はバーの軸の方向において高い相対的
指向性を有する上記のような力検出器を提供することで
ある。

実施例 第１図の装置は共振子１０、一対の支持体１２、管部材
１６、制御および測定回路１８および共振子１０を回路
１８に接読する導線２０かも成る。共振子１０は二重音
叉形であり、一対のバー１０１と１０２を有し、これら
の両端はそれぞれ基部１０３と１０４により接続されて
いる。

バー１０１と１０２は共振子１０の振動を維持するため
の１頂１０５を支持する。基部１０３は出力端子１０６
を支持し、この端子は電極１０５に接続すると共に導線
２０が半田づけされて共振子１０が回路１８に接続する
。それぞれの支持体１２は第１の円筒部１２１を有し、
その直径は管部材１６の内径より僅かに小さくなってお
り、これは接着剤によりその対応する端部において管部
材１６の内面に接着される。

第１の円筒部１２１は孔１２１ａを有し、この孔は管部
材１６の軸と平行に延びると共にそれを通って導線２０
が管部材１６の内部から引き出される。支持体１２のそ
れぞれは更に円筒部１２１に隣接して共振子１０を支持
するための半円筒形部分１２２を有し、基部１０３と１
０４がそれぞれ対応する部分１２２に接着されている。

支持体１２のそれぞれは更に孔１２４を有するラグ１２
３を有し、それによりカが検出器すなわち共振子１０に
加わるよってなっている。

ラグ１２３は一般に平行四辺形であり、その幅は円筒部
１２１の直径にはソ等しく、そして管部材１６の外側と
なっている。

支持体１２と基部１０３，１０４はアンカー部材を形成
し、それてより測定されるべき力がバー１０１と１０２
に加えられそしてそれらに管部材１６の端部が固定され
るよ５になっている。

管部材１６、支持体１２２よび組立のための接着剤は検
出器の精度て悪い影響を与えないように成る条件全満足
しなげればＺｉ−）ない。詳細には共振子１０は測定さ
れるべき力により与えられる応力以外の応力を受けては
ならない。それには検出器の描成要素の内の任意の要素
の流れ（Ｆｌｏｗ）あるいは膨張により生じる応力ｒ除
去するかあるいは少くとも補償する必要がある。

これら応力がどのよって生じるかを検出器の機構の原理
を示す第２図九ついて説明する。第２図において、検出
器は２個の弾性体Ｅ１とＦ２．６個の流体（Ｆｌｏｗｉ
ｎｇ　ｂｏｄｙ）　Ｆ　１．　　Ｆ　２およびＦ３、お
よび２個の剛体であるアンカーｍ材Ａ１とＡ２からなる
。弾性体Ｅ１は流体Ｆ１と直列になっており、弾性体Ｅ
２は流体Ｆ２とＦ’３に直列となっている。ＥｌとＦｌ
、′Ｆ：、より形成される分岐とＦ２．Ｆ２およびＦ６
により形成される分岐は並列とされてＡ１とＡ２に固定
される。

弾性体Ｅ１とＦ２はそれぞれ共振子１０と管部材１６の
弾性を表わしている。流体Ｆ１．Ｆ２およびＦ３はそれ
ぞれ部分１２２に共振子１０を接着する接着剤層、管部
材１６を部分１２１に接着する接着剤層および管部材１
６を形成する材料の流れ特性を表わしている。

力Ｔがアンカー部材Ａ１とＡ２に加えられる（作用力と
反作用力）と、それは２つの力Ｔ１とＴ２に分解できる
（１分力がＥｌとＦｌとからなる分岐にそして他方の分
力がＥ　２．Ｆ　２＋Ｆ３とからなる分岐に加えられる
）。

力Ｔを加えると、分力Ｔ１とＴ２は弾性体Ｅ１とＦ２に
より限定され、これら弾性体の、両分岐について必然的
に等しくなければならない伸長による変形はアンカー部
材Ａ１とＡ２に平行に加わる。

Ｆｌへの分力Ｔ１およびＦ２とＦ６への分力Ｔ２の印加
によりこれらは流れ（Ｆｌｏｗ）　、そしてＥｌ、Ｆｌ
とからなる分岐とＦ２．Ｆ２．Ｆ３とからなる分岐の伸
長が確実に生じる。Ｆｌの分力Ｔ１とＦ２とＦ６の分力
Ｔ　２’により生じる伸長が等しげればＴ１とＴ２は一
定のままである。しかしながら、Ｔ１が、Ｔ２によりＦ
２とＦ３に生じるより大きい流れをＦｌに生じさせるな
らば、両分岐の伸長が一定であるために弾性による伸長
により分岐Ｅ１．Ｆ１の伸長が増大する。云い換えると
Ｔ１が減少し、従って流れの速度におけると同様に弾性
伸長の減少が生じるのであり、この流れの速度は分岐Ｆ
２．Ｆ２゜Ｆ６の流れの速度に漸近的に近づく。その結
果、共振子１０に加わる分力Ｔ１は弾性体Ｅ１とＦ２の
抵抗の比に比例しなくなり、流体Ｆｌ、Ｆ２゜Ｆ６の抵
゛抗金付加的に作用させることになる。

力Ｔが消滅すると弾性体Ｅ１とＦ２はその休止位置にも
どろうとする。しかしながら、流れによる伸長は分岐Ｅ
ｌ、Ｆ２における方が分岐から Ｆ２．Ｆ２．Ｆ３におけるものより大であるＸ１弾性体
Ｅ２は弾性体Ｅ１の応力が除かれても応力のかかった状
態のままとなる。弾性体Ｅ２の伸長により生じる力がＥ
ｌの圧縮による力により補償されるときに平衡が回復す
る。動体Ｆ　ｌ。

Ｆ２．Ｆ３にはこのようにそれらをはじめの位置にもど
そうとする力が加わる。

第３図は上記の前提において、周波数が時間によりそし
て印加される力によりいかに変化するかを示している。

力が印加されないときの共振子の周波数をｆＯとする。

時刻ｔｏにおいて力Ｔが検出器に加わると、そのバーの
周波数は共振子の伸長により急激にｆｌに増加する。

この周波数は次に両分岐Ｅ１．ＦｉおよびＦ２．Ｆ２．
Ｆ３における同−流れ速度に対応するＦ２に時刻ｔ１で
達するまで序々に降下する。

検出器に加わる力が変化しない限り、周波数はＦ２で一
定である。時Ｊ＋ｌｔ２において力Ｔを除去すると、周
波数は急激にＦ３まで低下する。ｆＯより低いこの周波
数は、共振子が圧縮を受けていることを示す。流体Ｆ１
．Ｆ２およびＦ３の流れによりバーの周波数は漸近的に
ｆＯになる傾向を有する。

Ｆ３とＦ２の差に等しいｆＯとｆｌの差は検出器に加わ
る力Ｔに比例し、比例係数は流体の流れの現象ではなく
流体の弾性抵抗によりきまる。

このように、力が加えられあるいは除去される前と直後
の周波数を測定することにより加えられる力を測定する
ことは理論的に可能である。

しかしながら、力の印加または除去は測定を乱すダイナ
ミック反作用を発生し、その結果はじめに測定された値
は非常に正確とは云えなくなる。

他方、そのような装置では時間と共にランダム変化する
力を測定することは不可能である。

更に、周知のように、共振子のつくられる水晶板は非常
に薄いから、最大許容引張力より小さい圧縮力によりね
じれることがある。これは、もし流体Ｆ１が大、きく流
れると共振子が力Ｔの印加の停止時にねじれにより破壊
されうるということを意味する。従って流体Ｆ１は流体
Ｆ２とＦ３と同一の速度で流れるべきであり、あるいは
好ましくは流れが全くないものであるべきである。

この問題は共振子と管部材を支持体九より組立てるため
の手段並びに管の材料を適正に選ぶことにより解決でき
る。

管そしてまたは接着剤の動きは管とバーの弾性抵抗間の
比以外の比をもって管と共振子に加わる力を分布させる
ことができる。力の分布の変化は管と共振子の膨張係数
が等しくない場合には温度変化によっても生じる。カの
分布のそのような変化は温度測定回路があれば制御回路
により修正できる。しかしながら、実際には管の部材と
して共振子の材料にできるだけ近い膨張係数を有するも
のを選ぶことが最良の策である。この選択は、検出器の
動作温度範囲が広いときにはますます重要である。

このことを示すために次の特性をもつ二重水晶音叉で実
験を行った。

寸　　　法　　　　　１５Ｘ２．９Ｘ０．１７５ｍ周波
ａ　　　４７０００　Ｈｚ 伸長度　　０．４６μｔｒ＆／Ｎ 引張強さく破壊）　　　１０〜１２Ｎ 感　　　度　　　　　　２００Ｈ２／Ｎ分解能　　　　
２０００ポイント 支持体１２はＺｌｏＣＮｌ　８−８ステンレススチール
製であり、部分１２１の直径は４羽である。管部材１６
は同じ＜　ＺｌｏｏＮｌ　８−８　ステンレススチール
であり、内径４．０１ｉｉ、外径４．０６ｍｗ、長さ２
１朋である。このような管は例えばスイスのメデレツク
（Ｍｅｄｅｌｅｃ）　ｄである。

上記の要素を有する検出器は次の特性を有した。

寸　　　法　　　　　　２７　Ｘ　４．０６間引張強さ
く破壊）　　　　３ＯＮ 感　　　度　　　　　　７１］Ｈｚ／Ｎ分解能　　　　
２０００ポイント 上記のような共振子および検出器の特性の比較によれば
÷寺哨検出器の感度は６分の１に減少し測定範囲は対応
的に増大し、従って分解能はほとんど影響を受けないこ
とがわかった。

共振子と管の支持体への接着性を接着剤として、エポキ
シ接着剤、非好気性接着剤および、例えばスリーエムコ
ーポレーション（米国）のシアノリット（Ｃｙａｎｏｌ
ｉｔ）　１０１　ｐ　　２０１　ｒ　　２０２およびヘ
ンクルＫＧａＡ　（西ドイツ）のシコメット（Ｓｉｃｏ
ｍｅｔ）　４０　＋　　８５のようなシアンアクリル系
接着剤を用いて実験した。この種の接着剤は重合速度が
高いために支持体への管の接着に用いる迦とは困難であ
る。

管は石英粉末を充填したエポキシ接着剤で支持体に満足
に接着できる。エポキシ樹脂洗そのような粉末を混ぜる
ことにより樹脂の流れ出しが防止される。管をチバガイ
ギ−ＡＣ）（スイス）のアラルダイトであるエポキシ接
着剤に石英粉末を混ぜたもので支持体に接着し、共振子
をシコメット４０で支持体に接着した上記の検出器につ
いて行った実ａＫよれば、１０〜２ＣＪＨの力を検出器
に６００時間加えたときの周波数の変化は２　Ｈｚ以下
であることがわかった。７［］Ｈｚ／Ｎである検出器の
感度についてみればそのような変動は肌０３Ｎの力の印
加に相当する。そのよ５な結果は満足すべきものとみな
すことができる。

水晶と管は支持体に溶着させることもできるが、この方
法は高価につく。

アルミニウムおよびマグネシウム製の管についてもテス
トを行った。その結果はこれら材料の流れ出しの傾向が
大きいため満足すべきものではなかった。

上述のように壁厚肌０２５　ｍｙｔの管内で上述の共振
子を用いての実、験は収、縮に対する感度が６分の１に
減少したことを示している（第４図参照）。寄生的な応
力、特に引張方向に直角に加わる力に対する感度は更に
大きく減少する。検出器に加わるトルク、あるいは直角
の方向の力のような寄生的応力は管に作用する力と共振
子に作用する力の２つの力成分に分解される。このよう
に検出器が共振子を囲み支持体に固定される管内に固定
されるために、引張力向に対して直角となる方向以外の
方向に加わる応力に対する共振子の感度は著しく減少で
きる。その結果、測定軸に完全に印加力の方向全整合さ
せるだめの特別な処置は不要となる。更に水晶のまわり
に管があることから、水晶をほこりあるいは池の形の異
物から保護するに有効である。

上述の例において、感度は壁厚０．０２５ｍｍの管を用
いた場合約６分の１に低下する。第４図から明らかなよ
うにこの検出器の感度は管の壁厚が厚くなると減少する
。例えば、壁厚が２倍になると感度は２分の１になる。

前述のように、温度変化は共振子と管の膨張係数が合っ
ていないときには測定に悪い影響を与える。それ故管の
材料は注意して選ばなければならない、 ＺＩＤＣＮ　１８−８ステンレススチールの管は検出器
を周囲温度で動作させるときに、満足な結果を与えた。

極端な温度条件で使用することを目的とする検出器では
共振子とはソ同一の膨張係数を有する材料で形成した・
ｇを用いるとよい。

変形実施例として、管部材１６を水晶またはガラスでつ
くることができるが、高価となり、結果としての検出器
が脆いものとなる。

他の変更例として管部材１６をア７ノール（ＡＦ’Ｎ０
Ｒ）　（フランス）のｚ１２　Ｃ’ＮＫＤＷ　２０ステ
ンレススチールを管材料としたものがありこのスチール
の膨張係数が１３．９　ｘ　１０−７／’Ｃ（水晶：　
１３．７　Ｘ　１０−７７℃）であるから温度に対する
感度がかなり低下する。その他の誤差については必要で
あれば管部材１６の内部の基部１０３または１０４ある
いは部分１２２０表面上に配置するとよい電子回路１８
により修正が可能である。

管部材１６と支持体１２により形成されてシールしない
閉じた空間を有する検出器について実験を行なった。こ
の場合、強い汚染性雰囲気では検出器の周波数が汚染物
により変化しないように、シールされた空間内に共振子
１０を隔離するとよい。閉じたチャンバがシールされる
場合には内圧を減少させて共振子１ｏの発振条件を改善
することができる。しかしながら、周囲圧力（気圧）の
変化および閉じたチャンバの内圧の変化（例えば加熱に
よる）は検出器に寄生的な力を発生させるものであるこ
とに注意すべきである。

上述の例において、検出器が休止状態にあるときには水
晶は原理的に永久的応力を受けない。

しかしながらそうでない場合もあり、その場合（（は測
定限界が変化する。このように例えば検出器は引張力で
はなく圧縮力を測定するよう疋設計することができる。

それには管部材１６が接着される間に支持体１２に力を
加えるべきである。共振子１０は水晶であるが、圧電材
料あるいは他の材料も使用できる。

発明の効果 本発明によれば厳しい環境下でも、軸方向および他の力
にも感応し５る指向性の高い力検出器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の検出器の斜視図、第２図は第１図の検
出器の機械的特性を示す等価機能図、第３図はいくつか
の要素が流れるようになった検出器において周波数の変
化現象を示す線図、第４図り第１図の検出器の感度と管
の壁厚との関係を示す滅図である。 １０・・・共振子、１２・・・支持体、１６・・・管部
材、１８・・・制御および測定回路、２０・・・導線、
ｉｏｉ。 １０２・・・バー、１０３，１０４・・・基部、ｉｏｓ
・・・電極、１０６・・・出力端子 ｌ／２ 勺・４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定すべき力の強さにより変化する周波数を有する
   、振動バーを含む共振子と、それぞれ上記振動バーの対
   応する端部分に固定されて測定すべき力を上記振動バー
   に与える一対のアンカー部材と、上記共振子を囲み且つ
   その端部で上記アンカー部材に固定される管部材と、か
   ら成ることを特徴とする力検出器。 ２、共振子はアンカー部材に接続する端部を有する、上
   記振動バーとは逆の位相をもつて振動して二重音叉を形
   成する第２振動バーを含む特許請求の範囲第１項記載の
   力検出器。 ３、アンカー部材のそれぞれは振動バーと一体となつて
   二重音叉を形成する２個の音叉の一方に対する基部を形
   成する第１部分と、上記基部と管部材に固定されてそれ
   らに対する支持体を形成する第２部分とを含む特許請求
   の範囲第２項記載の力検出器。 ４、振動バーと基部は制御電極を固定した一定厚さをも
   つ水晶板で形成される特許請求の範囲第３項に記載の力
   検出器。 ５、管部材と二重音叉又は接着剤により支持体の対応す
   るものに接着される端部を有する、特許請求の範囲第３
   項記載の力検出器。 ６、管部材と振動バーは実質的に同一の熱膨張係数を有
   する、特許請求の範囲第１項記載の力検出器。