(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれたダイアフラム状円板の同一半径上にブリッジ接続された少なくとも一組で四個の歪ゲージを配置し、バーの他端に円錐形状の受風体の底部を連結してなることを特徴とする荷重検出装置。
【請求項２】
荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれたダイアフラム状円板の同一半径上にブリッジ接続された少なくとも一組で四個の歪ゲージを互いに直交する方向に２組配置し、バーの他端に円錐形状の受風体の底部を連結してなることを特徴とする荷重検出装置。
【請求項３】
荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれた前記ダイアフラム状円板の異った半径上にブリッジ接続された一組で四個の歪ゲージを配置、バーの他端に円錐形状の受風体の底部を連結してなることを特徴とする荷重検出装置。
【請求項４】
荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれたダイアフラム状円板の同一半径上にブリッジ接続された少なくとも一組で四個の歪ゲージを配置するとともに、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれたダイアフラム状円板の異った半径上にブリッジ接続された一組で四個の歪ゲージを前記歪ゲージとは直交する方向に配置し、バーの他端に円錐形状の受風体の底部を連結してなることを特徴とする荷重検出装置。
【請求項５】
歪ゲージおよび該歪ゲージを接続するブリッジ回路がダイアフラム状円板上に薄膜形成されていることを特徴とする請求項１，２，３および４のいずれかに記載の荷重検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流体流量や風力などにもとづく荷重変化を歪ゲージを用いて検出するのに用いる荷重検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の荷重検出装置としては、Ｘ軸およびＹ軸の二軸を含め多軸の方向の荷重検出を行うものが少ないが、これまでは多軸の方向に撓む起歪体としてのバーの歪発生部に形成した複数面に歪ゲージを貼付し、これらの歪ゲージの電位変化の検出値から、その起歪体に作用する荷重を演算によって求め、これを風速，風向データとして利用するものが、例えば、特開昭５６―６１１１号公報などに示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来の荷重検出装置にあっては、歪ゲージによる荷重の検出感度を向上させるためにバーを細くする必要があり、このバーを細くするときには軸方向荷重を受けてこれが曲折したり、二軸方向の測定値に影響を与えたりするほか、その二軸方向の荷重を正確に分離して測定できないという課題があった。
【０００４】
また、歪ゲージが測定環境に晒されているために、測定環境の雰囲気による汚染，腐食などによって歪測定の精度劣化を招き、また、耐環境性に劣るという課題があった。
【０００５】
さらに、歪ゲージの貼付が起歪体であるバーの複数の面に対して行われるために、その歪ゲージのバーに対する装着作業が繁雑となるほか、一方、複数の面に対して薄膜技術やフォトリソグラフィ技術を用いて歪ゲージを設ける技術の採用が困難であり、従って、人力による貼付作業を避けられず、荷重検出装置の大量生産化およびコストダウンに限界があるなどの課題があった。
【０００６】
この発明は、前記のような従来の課題を解決するためになされたものであり、荷重負荷の一軸方向，二軸方向および三軸方向のいずれかを独立に正確に荷重検出できると共に歪ゲージの耐環境性を改善でき、さらに大量生産かつローコストに提供できる荷重検出装置を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、請求項１の発明にかかる荷重検出装置は、荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれたダイアフラム状円板の同一半径上にブリッジ接続された少なくとも一組で四個の歪ゲージを配置し、バーの他端に円錐形状の受風体の底部を連結してなることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２の発明にかかる荷重検出装置は、荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれたダイアフラム状円板の同一半径上にブリッジ接続された少なくとも一組で四個の歪ゲージを互いに直交する方向に２組配置し、バーの他端に円錐形状の受風体の底部を連結してなることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３の発明にかかる荷重検出装置は、荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれた前記ダイアフラム状円板の異った半径上にブリッジ接続された一組で四個の歪ゲージを配置、バーの他端に円錐形状の受風体の底部を連結してなることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４の発明にかかる荷重検出装置は、荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれたダイアフラム状円板の同一半径上にブリッジ接続された少なくとも一組で四個の歪ゲージを配置するとともに、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれたダイアフラム状円板の異った半径上にブリッジ接続された一組で四個の歪ゲージを前記歪ゲージとは直交する方向に配置し、バーの他端に円錐形状の受風体の底部を連結してなることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５の発明にかかる荷重検出装置は、歪ゲージおよび該歪ゲージを接続するブリッジ回路をダイアフラム状円板上に薄膜形成したものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の一形態を図について説明するが、図１は、この発明の荷重検出装置の概略を示す断面図であり、同図において、１は、荷重負荷されるバーであり、これの一端にはダイアフラム状円板２がこれの中心部で一体に取り付けられている。
【００１４】
また、バー１を設けた側とは反対側のダイアフラム状円板２の面には荷重センサ３が配置されており、ダイアフラム状円板２の外周部には荷重センサ３を囲む閉空間５を形成するケース４が取り付けられている。
【００１５】
一方、閉空間５に臨む側のダイアフラム状円板２上面の同一半径上には、図２に示すように、荷重センサ３を構成するブリッジ接続された四個の歪ゲージＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄが配置され、また、これらと同一半径上であって、これらに対し直交する方向にブリッジ接続された四個の歪ゲージａ，ｂ，ｃ，ｄが配置されてなるとしている。
【００１６】
すなわち、これらの歪ゲージＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、ダイアフラム状円板２の、例えば、Ｘ軸方向の変形を検出する荷重センサを構成し、歪ゲージａ，ｂ，ｃ，ｄは、ダイアフラム状円板２のＹ軸方向の変形を検出する荷重センサ３を構成している。
【００１７】
なお、各荷重センサ３において、歪ゲージＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、図３に示すように、ブリッジ接続され、歪ゲージａ，ｂ，ｃ，ｄは、図４に示すように、ブリッジ接続されて、各歪ゲージＡ，Ｄの接続点およびＢ，Ｃの接続点間と、歪ゲージａ，ｄの接続点およびｂ，ｃの接続点間にそれぞれ定電圧電源Ｐが接続され、各歪ゲージＡ，Ｃの接続点およびＤ，Ｂの接続点間と、歪ゲージａ，ｃの接続点およびｄ，ｂの接続点間にそれぞれ電流計などが接続される。
【００１８】
かかる構成になる荷重検出装置にあっては、バー１に荷重が負荷されて、これが、例えば、図５に示すように、傾くことになると、ダイアフラム状円板２は、その傾きに応じて変形する。
【００１９】
このため、このダイアフラム状円板２上の２組の荷重センサを構成する各歪ゲージＡ乃至Ｄおよびａ乃至ｄがそのＸ軸方向およびＹ軸方向の非対称な変形に応じた歪を検出し、これらの歪によって各歪ゲージの抵抗の平衡バランスが崩れることになる。
【００２０】
これにより、歪ゲージＡ，Ｃの接続点およびＤ，Ｂの接続点間と、歪ゲージａ，ｃの接続点およびｄ，ｂの接続点間とに出力電圧の変化が生じる。
【００２１】
従って、これらの出力電圧の変化をＸ軸方向およびＹ軸方向の各荷重センサごとに検出することで、各方向への荷重の大きさをそれぞれ独立に、しかも簡単に計測することができる。
【００２２】
なお、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対称な変形による電圧変化は互いに相殺される。
【００２３】
これに対して、バー１が内圧を受けるなどして、図６に示すように、Ｚ軸方向の荷重を受けることがあるが、各歪ゲージＡ乃至Ｄおよびａ乃至ｄは、同一半径上にあるため、その各歪出力が相殺演算されて、そのＺ軸方向の荷重の影響なしに、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の荷重を独立して検知できる。
【００２４】
そして、各歪ゲージＡ乃至Ｄ，ａ乃至ｄは、耐食性のケース４によって閉空間５内に収められているため、周辺の大気，酸性雨，塵埃や腐食性ガス（ＳＯ2，ＮＯX）などの化学物質などに直接晒されることがないため、これらを原因とする各歪ゲージＡ乃至Ｄ，ａ乃至ｄの汚染，腐食などを生じることがなく、高温や低温の雰囲気においても耐環境性にすぐれた荷重検出を長期に亘って安全かつ確実に実施できることとなる。
【００２５】
なお、各歪ゲージＡ乃至Ｄ，ａ乃至ｄが配置される位置は、ダイアフラム状円板２上の中心から等しい半径上であればよく、各歪ゲージＡ乃至Ｄ，ａ乃至ｄの形状やサイズなどに応じてその半径の大きさは任意に選定すればよい。
【００２６】
また、前記においてはＸ，Ｙの軸方向の荷重負荷を検出する場合について述べたが、Ｘ軸またはＹ軸の一軸方向の荷重負荷を検出することも任意であるほか、Ｚ軸方向の荷重負荷をＸ軸方向，Ｙ軸方向の荷重負荷検出と同時にまたは全く独立して検出することができる。
【００２７】
この場合には、ダイアフラム状円板２上の異った半径上に、図８に示すようにブリッジ接続される四個の歪ゲージＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈを、図７に示すように２個ずつ分けて対向配置すればよい。
【００２８】
このブリッジ回路によれば、前記のＸ軸方向，Ｙ軸方向の荷重負荷の影響を受けずに、このブリッジ回路の平衡バランスの変化を検出することで、バー１に作用する軸方向（Ｚ方向）の荷重検出を行うことができる。
【００２９】
このようにして、この発明では、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向の荷重検出を独立して行うことができ、必要に応じこれらの２以上を並行して実施することも任意である。
【００３０】
そして、各歪ゲージＡ乃至Ｄ，ａ乃至ｄは、フラットな面を持つダイアフラム状円板２の一上面に設けられるため、ＩＣなどの製造で用いられる薄膜技術やフォトリソグラフィ技術を用いて、高品質かつ小形の歪ゲージＡ乃至Ｄ，ａ乃至ｄを大量に形成できるという効果が得られる。
【００３１】
また、この発明では、図９に示すように、風向・風速を計測可能なように、バー１２の他端となる先端に円錐形状の受風体１１の底部を連結するとともに、バー１２の下端には、上述のように、ダイアフラム状円板１３をこの中央部に一体に取り付けたものからなっている。
【００３２】
そして、そのバー１２を設けた側とは反対側のダイアフラム状円板１３の下面に荷重センサ１４を設けてあり、この荷重センサ１４を包むように閉空間１５を形成する耐食性のケース１６が、ダイアフラム状円板１３の外周部に取り付けられている。
【００３３】
また、荷重センサ１４は、図２に示したものと同様に、ダイアフラム状円板１３上の同一半径上には、Ｘ軸方向の荷重検出を行う歪ゲージＡ乃至Ｄと、Ｙ軸方向の荷重検出を行う歪ゲージａ乃至ｄとが、互いに直交する向きに配置され、これらがそれぞれブリッジ接続されている。
【００３４】
なお、これらの各歪ゲージＡ乃至Ｄ，ａ乃至ｄは、半導体素子の薄膜技術によって形成でき、これらを接続するブリッジ回路は、フォトリソグラフィ技術を用いて前記のように形成することは任意であり、また、受風体１１は、円錐形状であるからバー１２の中心軸に対して対称形状および重量を持つ。
【００３５】
また、各歪ゲージＡ乃至Ｄ，ａ乃至ｄをブリッジ接続した図３および図４に示したものと同様の荷重センサ１４の出力端子（同図の説明では電流計が接続されているとした）には、それぞれアンプ１７を介して荷重演算用の演算器１８および表示器１９が順に接続されている。
【００３６】
かかる構成になる荷重検出装置にあっては、受風体１１が風を受けることによってバー１２が傾動し、このバー１２の傾動に伴って、このバー１２を支持しているダイアフラム状円板１３が撓む。
【００３７】
このため、このダイアフラム状円板１３の撓みによるこれのＸ軸方向およびＹ軸方向の変形成分の歪が歪ゲージＡ乃至Ｄ，ａ乃至ｄからなる各荷重センサ１４により、ブリッジ回路の平衡バランスの変化にもとづいて検出される。
【００３８】
このブリッジ回路による荷重検出の方法は、図１，図５について説明した場合と同様である。
【００３９】
この実施の形態では、風向，風速に応じて変形するダイアフラム状円板１３の歪みを検出するものであるから、各荷重センサ１４の出力にもとづき、演算器１８が風向θをｔａｎθ＝Ｙ／Ｘから求め、風力ＦをＦ＝（Ｘ2＋Ｙ2）1/2から求めることとなる。
【００４０】
そして、この実施の形態においても、各荷重センサ１４が閉空間１５内にあって大気に晒されることがないため、大気汚染の著しい環境下でも高性能，高耐久性能を維持でき、また、動作，性能の信頼性を長期に亘って維持できる。
【００４１】
この場合において、ケース１６，バー１２，ダイアフラム状円板１３に耐食性合金を用いることで、一段と耐食性にすぐれた荷重検出装置をローコストに提供できるとともに、構造上摺動部や回動部がないため、メンテナンスフリーの風向・風速計とすることができる。
【００４２】
また、ダイアフラム状円板２，１３は、各バー１，１２の動きに対して敏感にかつ大きく変形し、これを半導体などの薄膜化した高感度の歪ゲージで検出することで、前記各バー１，１２を短くしても所期の荷重検出を高精度に行えるとともに、全体として形状の小形化を実現でき、また、共振周波数を上げて計測応答を高めることも可能となる。
【００４３】
図１０および図１１は、この発明の実施の他の形態を示し、これが図１に示すものと基本的に異なるところは、バー１の下端に、風による荷重検出感度を上げるための球状のターゲット２１を設け、閉空間５を形成するケース４Ａに取り付けたダイアフラム状円板２の中心に対してこれの同一半径上に一組で４個の流量検出のための歪ゲージＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを、２個ずつが前記中心に対して反対側に位置するように設け、さらに前記中心に対して異った半径上に、前記歪ゲージＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとは直交する向きに、一組で４個の圧力検出のための歪ゲージＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈを、２個ずつが前記中心に対して反対側に位置するように設けた点である。
【００４４】
そして、前記各歪ゲージＡ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈは、薄膜半導体にて形成され、これらをブリッジ接続するブリッジ回路はフォトリソグラフィ技術などの薄膜技術を用いて前記ダイアフラム状円板２上に形成されている。
【００４５】
従って、かかる実施の形態では流量検出用の歪ゲージＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと圧力検出用の歪ゲージＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈとが相互に直交する方向に配置され、かつそれぞれ同一半径上および異った半径上に設けるようにしたことで、流量と圧力の各検出出力の干渉が回避される。
【００４６】
また、前記歪ゲージＡ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈを薄膜半導体にて形成することで、ダイアフラム状円板２の歪検出感度を向上でき、従って、前記バー１の短縮化が図れる。
【００４７】
この結果、バー１自体の剛性を向上でき、共振周波数を高めることができ、歪に対する応答感度，応答速度が一段と向上するという効果が得られる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１および請求項２の発明によれば、荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、前記バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれた前記ダイアフラム状円板の同一半径上にブリッジ接続された少なくとも一組で四個の歪ゲージを配置するように構成したので、一軸方向または二軸方向の荷重検出を高精度に行えるとともに、荷重検出用の歪センサの耐環境性を確保可能にし、しかも、かかる効果が得られる荷重検出装置を大量生産にてローコストに提供できるという効果が得られる。
【００４９】
また、請求項３の発明によれば、荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、前記バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれた前記ダイアフラム状円板の異った半径上にブリッジ接続された一組で四個の歪ゲージを配置するように構成したので、三軸方向の荷重検出を簡単な構成にしながら他の二軸方向の荷重検出とは独立して高精度に、かつ、耐環境性を維持しながら行うことができるという効果が得られる。
【００５０】
また、請求項４の発明によれば、荷重負荷されるバーの一端にダイアフラム状円板をこれの中央部にて一体に設け、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれたダイアフラム状円板の同一半径上にブリッジ接続された少なくとも一組で四個の歪ゲージを配置するとともに、バーを設けた側とは反対側の閉空間によって囲まれた前記ダイアフラム状円板の異った半径上にブリッジ接続された一組で四個の歪ゲージを前記歪ゲージとは直交する方向に配置するように構成したので、流量と圧力の検出データの干渉を回避できるという効果が得られる。
【００５１】
また、各請求項の発明によれば、荷重負荷されるバーの他端には受風体を設けるように構成したので、風向，風速を高感度に検出できる風向，風速計を簡単な構成にて安価に提供できるという効果が得られる。
【００５２】
そして、バーを短くして剛性を高めるように構成する場合には、共振周波数を高めることができ、これにより歪に対する応答速度を向上できるという効果が得られる。
【００５３】
また、請求項５の発明によれば、歪ゲージおよび該歪ゲージを接続するブリッジ回路をダイアフラム状円板上に薄膜形成するように構成したので、歪ゲージを持った小形，軽量の荷重センサを大量かつ安価に製造できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態による荷重検出装置を示す断面図である。
【図２】図１におけるダイアフラム状円板を示す平面図である。
【図３】図２における歪ゲージのブリッジ接続図である。
【図４】図２における歪ゲージのブリッジ接続図である。
【図５】図１におけるダイアフラム状円板の変形状態を示す要部の断面図である。
【図６】図１におけるダイアフラム状円板の他の変形状態を示す要部の断面図である。
【図７】この発明における他のダイアフラム状円板を示す平面図である。
【図８】図７における歪ゲージのブリッジ接続図である。
【図９】この発明の実施の形態による荷重検出装置を示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の他の形態による荷重検出装置を示す断面図である。
【図１１】図１０におけるダイアフラム状円板を示す平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003666622.tif 000008
【図８】
0003666622.tif 000009
【図９】
0003666622.tif 000010
【図１０】
0003666622.tif 000011
【図１１】
0003666622.tif 000012