(57)【要約】【課題】小型化、高感度化、低コスト化、直線性改善を図り得る物理量検出用変換器を提供する。【解決手段】この荷重変換器５は、円柱状を呈する剛性大なる荷重導入部６と、この荷重導入部６との間に一定の間隔を存して、囲繞する荷重支持部７と、この荷重導入部６および荷重支持部７にその内端および外端がそれぞれ一体に連接された起歪部８とをもって基本的構成が形成されている。荷重導入部６の負荷が印加される側とは反対側に、所定深さの凹部９が形成される。これによって、荷重導入部６と起歪部８との連設部に集中する応力を緩和させる。【選択図】          図１
2004347381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状を呈し軸中心が負荷軸と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部と、所定の間隔を存して前記負荷導入部の周囲を囲繞するように形成された剛性大なる負荷支持部と、前記負荷導入部から放射方向に伸びその内端が前記負荷導入部に一体に連接されその外端が前記負荷支持部に一体に連接され、前記負荷支持部が支持された状態で前記負荷導入部に負荷軸に沿う方向に負荷が作用されたとき弾性変形する起歪部とからなり、前記起歪部に添着された検知素子によって起歪部に加わる負荷の大きさを検出する物理量検出用変換器であって、
前記負荷導入部の負荷が印加される側とは反対側から所定深さの凹部を形成し前記負荷導入部と前記起歪部との連接部に集中する応力を緩和し得るように構成したことを特徴とする物理量検出用変換器。
【請求項２】
柱状を呈し軸中心が負荷軸と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部と、所定の間隔を存して前記負荷導入部の周囲を囲繞するように形成された剛性大なる負荷支持部と、前記負荷導入部から放射方向に伸びその内端が前記負荷導入部に一体に連接されその外端が前記負荷支持部に一体に連接され、前記負荷支持部が支持された状態で前記負荷導入部に負荷軸に沿う方向に力が作用されたとき、弾性変形する起歪部とからなり、前記起歪部に添着された検知素子によって起歪部に加わる負荷の大きさを測定する物理量測定変換器であって、
前記負荷導入部の負荷が印加される側とは反対側から所定深さの凹部を形成すると共に、
前記起歪部の負荷が印加される面側とは反対側の面に断面Ｖ字形状またはＵ字形状を呈する周回溝を形成し前記負荷導入部と前記起歪部との連接部に集中する応力を緩和し得るように構成してなることを特徴とする物理量検出用変換器。
【請求項３】
前記負荷導入部は、ほぼ円柱状を呈し、前記負荷支持部は、短円筒状を呈し、前記起歪部は、ダイヤフラム状を呈することを特徴とする請求項１または２に記載の物理量検出用変換器。
【請求項４】
前記負荷導入部の負荷が印加される側の外周部には、雄ねじが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。
【請求項５】
前記起歪部の負荷が印加される側の面は、前記負荷導入部から前記負荷支持部に至るにつれて前記負荷が印加される面とは反対面側に近接するような傾斜面とされていることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。
【請求項６】
前記起歪部の負荷が印加される面側であって、前記負荷導入部寄りの部位に、断面Ｖ字形状の周回溝を形成すると共に、前記荷重支持部の前記起歪部近傍の角部を削成してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。
【請求項７】
前記検知素子は、箔ひずみゲージ、スパッタゲージ、光ファイバのうちのいずれかよりなり、前記起歪部の負荷が印加される側の面とは反対側に形成されたＶ字形溝の両側斜面部であって、前記周回溝の均等角度位置に添着されていることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。
【請求項８】
前記負荷導入部と前記起歪部と前記負荷支持部とは一端が開口されたほぼ短円筒状を呈するように一体に形成され、前記開口端を蓋体により封止することによって前記検知素子を気密状態に保持し得るように構成したことを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。
【請求項９】
起歪部は、前記負荷導入部側より見て、十文字状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の物理量検出用変換器。
【請求項１０】
起歪部は、前記負荷導入部側より見て一文字状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の物理量検出用変換器。
【請求項１１】
前記負荷導入部を荷重導入部とし、前記負荷支持部を荷重支持部とした荷重変換器として使用し得るように構成したことを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。
【請求項１２】
受圧ダイアフラムの中心部を前記負荷導入部に連接し、前記受圧ダイアフラムの周辺部を前記負荷支持部に気密に連接し、圧力変換器として使用し得るように構成にしたことを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。
【請求項１３】
前記負荷導入部を重錘側に連接し、前記負荷支持部を本体側に連接し加速度変換器として使用し得るように構成したことを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。
【請求項１４】
前記負荷導入部を、変位伝達軸とし、前記負荷支持部を本体部として、変位変換器として使用し得るように構成したことを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載の物理量検出用変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物理量検出用変換器に関し、より詳しくは、荷重変換器、圧力変換器、加速度変換器および変位変換器に適用し得る物理量検出用変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の荷重変換器や変位変換器として、ダイアフラム型と称されるものが多く用いられている。
この従来のダイアフラム型変換器１は、図１０に示されるように、柱状を呈する剛性の大きい、荷重導入部２と、その荷重導入部２の周りに一定の間隔を設けて剛性が大きな短円筒状の荷重支持部３が設けられ、上記荷重導入部２から放射方向に伸びその内端が荷重導入部２に一体に連接され、その外端が荷重支持部３に一体に連接された状態で、前記荷重導入部２に荷重軸に沿う方向に力が作用したとき、薄肉とされ弾性変形する起歪部４とから本体部が一体に形成され、起歪部４の荷重印加側とは反対側の面（図１０において下面）に、例えば、ひずみゲージＧ１〜Ｇ８（但し、Ｇ５〜Ｇ８は、図には現れていない）が８枚接着されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように構成された荷重変換器１は、荷重支持部３が不動部に固定され、荷重導入部２に、例えば圧縮荷重が加わった場合、薄肉の起歪部４と剛性の大きい、荷重導入部２との間の剛性差が大きいため、荷重導入部２と起歪部４との連接部、即ち荷重導入部２の根元部Ａに応力が集中してしまうことになる。
その応力の集中を緩和するために、荷重導入部２の根元部Ａに図１１に示すように、大きな半径Ｒの円弧部Ｃを施すことが一般的に行われている。上記円弧部Ｃの半径を大きく設定することで応力集中は、さらに緩和される。
しかしながら、根元部Ａの円弧部Ｃの円弧半径Ｒを大きくすると、ダイアフラム型の荷重変換器の最終形状において外径寸法が大きくなってしまうため、これが荷重変換器の小型化の実現を阻む要因となっていた。
【０００４】
また、図１０に示したように、平坦で薄い剛性小なるダイアフラム状の起歪部４は、その内端を剛性大なる荷重導入部２の根元部Ａと連接され、その外端をやはり剛性大なる荷重支持部３の角部Ｂに連接されているため、荷重導入部２の上端に荷重が印加された際、荷重導入部２の根元部Ａと荷重支持部３の角部Ｂに応力が集中し、現実的にひずみゲージＧ１〜Ｇ８が接着された起歪部４の面内での応力は、根元部Ａや角部Ｂにおける応力より小さい応力に応じたひずみ出力しか検出できない。即ち、図１０（ｂ）にて示される起歪部４の根元部Ａ近傍と角部Ｂ近傍の部位の応力が最大となるが、その部位の応力は、印加される荷重が小さい範囲では、直線性を示すが一定以上の応力の領域になると、直線性が極端に悪化する、例えば、荷重変換器１の材質として、ＳＵＳ６３０を用いた場合、その応力値は約４０ｋｇ／ｍｍ２程度以下に設計されるため、根元部Ａのひずみ出力の上限値は、約±２，０００×１０−６程度という低感度にとどまっていた。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、負荷導入部と起歪部との連接部の応力集中を緩和し、小型化、高感度感化、低コスト化、直線性改善を実現し、荷重変換器、圧力変換器、変位変換器あるいは加速度変換器などに広く適用し得る、物理量検出用変換器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、上記の目的を達成するために、柱状を呈し軸中心が負荷軸と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部と、所定の間隔を存して前記負荷導入部の周囲を囲繞するように形成された剛性大なる負荷支持部と、前記負荷導入部から放射方向に伸びその内端が前記負荷導入部に一体に連接されその外端が前記負荷支持部に一体に連接され、前記負荷支持部が支持された状態で前記負荷導入部に負荷軸に沿う方向に負荷が作用されたとき弾性変形する起歪部とからなり、前記起歪部に添着された検知素子によって起歪部に加わる負荷の大きさを検出する物理量検出用変換器であって、
前記負荷導入部の負荷が印加される側とは反対側から所定深さの凹部を形成し前記負荷導入部と前記起歪部との連接部に集中する応力を緩和し得るように構成したことを特徴としたものである。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、上記の目的を達成するために、柱状を呈し軸中心が負荷軸と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部と、所定の間隔を存して前記負荷導入部の周囲を囲繞するように形成された剛性大なる負荷支持部と、前記負荷導入部から放射方向に伸びその内端が前記負荷導入部に一体に連接されその外端が前記負荷支持部に一体に連接され、前記負荷支持部が支持された状態で前記負荷導入部に負荷軸に沿う方向に力が作用されたとき、弾性変形する起歪部とからなり、前記起歪部に添着された検知素子によって起歪部に加わる負荷の大きさを測定する物理量測定変換器であって、
前記負荷導入部の負荷が印加される側とは反対側から所定深さの凹部を形成すると共に、
前記起歪部の負荷が印加される面側とは反対側の面に断面Ｖ字形状またはＵ字形状を呈する周回溝を形成し前記負荷導入部と前記起歪部との連接部に集中する応力を緩和し得るように構成してなることを特徴としたものである。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２に記載のものにおいて、前記負荷導入部は、ほぼ円柱状を呈し、前記負荷支持部は、短円筒状を呈し、前記起歪部は、ダイヤフラム状を呈することを特徴としたものである。
また、請求項４に記載の発明は、上記請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載のものにおいて、前記負荷導入部の負荷が印加される側の外周部には、雄ねじが形成されていることを特徴としたものである。
また、請求項５に記載の発明は、上記請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載のものにおいて、前記起歪部の負荷が印加される側の面は、前記負荷導入部から前記負荷支持部に至るにつれて前記負荷が印加される面とは反対面側に近接するような傾斜面とされていることを特徴としたものである。
また、請求項６に記載の発明は、上記請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載のものにおいて、前記起歪部の負荷が印加される面側であって、前記負荷導入部寄りの部位に、断面Ｖ字形状の周回溝を形成すると共に、前記荷重支持部の前記起歪部近傍の角部を削成してなることを特徴としたものである。
【０００８】
また、請求項７に記載の発明は、上記請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載のものにおいて、前記検知素子は、箔ひずみゲージ、スパッタゲージ、光ファイバのうちのいずれかよりなり、前記起歪部の負荷が印加される側の面とは反対側に形成されたＶ字形溝の両側斜面部であって、前記周回溝の均等角度位置に添着されていることを特徴としたものである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載のものにおいて、前記負荷導入部と前記起歪部と前記負荷支持部とは一端が開口されたほぼ短円筒状を呈するように一体に形成され、前記開口端を蓋体により封止することによって前記検知素子を気密状態に保持し得るように構成したことを特徴としたものである。
また、請求項９に記載の発明は、請求項１または２に記載のものにおいて、起歪部は、前記負荷導入部側より見て、十文字状に形成されていることを特徴としたものである。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１または２に記載のものにおいて、起歪部は、前記負荷導入部側より見て一文字状に形成されていることを特徴としたものである。
【０００９】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載のものにおいて、前記負荷導入部を荷重導入部とし、前記負荷支持部を荷重支持部とした荷重変換器として使用し得るように構成したことを特徴としたものである。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載のものにおいて、受圧ダイアフラムの中心部を前記負荷導入部に連接し、前記受圧ダイアフラムの周辺部を前記負荷支持部に気密に連接し、圧力変換器として使用し得るように構成にしたことを特徴としたものである。
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載のものにおいて、前記負荷導入部を重錘側に連接し、前記負荷支持部を本体側に連接し加速度変換器として使用し得るように構成したことを特徴としたものである。
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載のものにおいて、前記負荷導入部を、変位伝達軸とし、前記負荷支持部を本体部として、変位変換器として使用し得るように構成したことを特徴としたものである。
【００１０】
【作用】
上記のように構成された物理量検出用変換器は、負荷導入部の負荷が印加される側とは反対側から、所定深さの凹部を形成してある。
この凹部を形成することにより、負荷導入部と起歪部との連接部に集中する応力を緩和させることができ、その結果、負荷導入部と起歪部との連接部に大きな円弧部を設けずにすみ、その分、外形寸法を小さくすることができ、延いては限られた取付スペースに設置が可能となり、使い勝手がよくなると共にコストを低減化を図ることができるようになる。
また、上記のような構成に加え、起歪部の荷重が印加される面側とは反対側の面に断面Ｖ字形状またはＵ字形状を呈する周回溝を形成してある。
このように、凹部と断面Ｖ字形状または断面Ｕ字形状の周回溝を形成することにより、負荷導入部と起歪部との連接部に集中する応力をよりよく緩和させ、併せてＶ字形状またはＵ字形状の周回溝に応力集中を起こさせることができ、負荷導入部と起歪部との連接部および起歪部と負荷支持部との連接部に近い応力値にすることができ、従って、直線性を大幅に改善すると共に高感度が実現可能となる。
また、負荷導入部の負荷が印加される側の外周部に、雄ねじを形成してある。これにより、この雄ねじを被測定対象物と連結できるようになるため、圧縮方向の負荷のみならず、引張り方向の負荷が掛かった場合もその負荷される物理量を検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図示の発明の実施の形態に基づいて、本発明の物理量検出用変換器を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る物理量検出用変換器の一例である荷重変換器の構成を模式的に示す正面中央断面図である。
図１において、５は、荷重変換器であり、例えば、材質としては、この場合、ステンレス鋼であるＳＵＳ６３０を用いて形成されている。この荷重変換器５は、円柱状を呈し、軸中心が負荷軸ｘと一致するように形成された剛性大なる負荷導入部としての荷重導入部６と、この荷重導入部６との間に所定の間隔を存してその荷重導入部６の周囲を囲繞するように形成された負荷支持部としての荷重支持部７と、荷重導入部６から放射方向に伸びその内端が荷重導入部６に一体に連接され、その外端が荷重支持部７に一体に連接され、荷重支持部７が不動部に支持された状態で荷重導入部６に沿う負荷軸ｘに方向に負荷が作用されたとき、弾性変形する薄肉の起歪部８とから形成され、特に、荷重導入部６の、荷重が印加される側とは反対側から所定の深さの凹部（この場合、直径φの円形座繰り穴）９が穿設され、この凹部９の深さは、少なくとも起歪部８に隣接する深さ近傍に至る程度であり、機能的な表現をすれば、荷重導入部６と起歪部８との連接部Ａに集中する応力を緩和し得るのに充分な深さとするが、測定容量の大きさ、起歪部８の応力、凹部９の穴径等に基づいて定めるものとする。
【００１２】
また、起歪部８の荷重が印加される面側とは反対側の面に、検知素子としてひずみゲージＧ１〜Ｇ８（但し、ひずみゲージＧ５〜Ｇ８は図面に現れない）が、接着、蒸着、スパッタリング、融着、その他の手段により添着されている。尚、ここでは、検知素子として箔または線状のひずみゲージを一例として説明するが、これに限らず、スパッタゲージ、光ファイバ、その他、起歪部のひずみを検知し、印加される荷重の大きさに対応した信号を出力するものであれば、すべて適用可能である。
このような構成よりなる荷重変換器５の動作（作用）につき説明すると、荷重支持部７側が不動部に固定され、荷重導入部６に負荷軸ｘに沿う方向、この場合、図中、下方向に圧縮力が作用したとすると、荷重は、荷重導入部６から起歪部８を介して荷重支持部７へと伝達されるが、荷重支持部７は、不動部に支持されているから、起歪部８にて、その荷重を受けて、その荷重に対応したひずみ（変形）を生じる。このひずみは、起歪部８の荷重支持部７寄りの部位に添着されたひずみゲージＧ１，Ｇ４（図には、現れていないが、これらと９０°離隔した位置に添着されたＧ５，Ｇ８）には、圧縮ひずみが生じ、荷重導入部６寄りの部位に添着されたひずみゲージＧ２，Ｇ３（図には、現れていないが、これらと９０°離隔した位置に添着されたＧ６，Ｇ７）には伸長ひずみが生じる。
【００１３】
これらのひずみゲージＧ１〜Ｇ８は、図５に示すように結線されて、ホイートストンブリッジ回路（以下、「ブリッジ回路」と略称する）が形成され、接続点ａ，ｂ間に所定電圧（通常は、２Ｖ）のブリッジ電圧ｅｉが印加されると、接続点ｃ，ｄ間からは、ひずみ量に応じた出力電圧ｅｏが得られる。
このようにして検出された物理量、即ち荷重に対応した電気量が得られるのであるが、特に前述したように、荷重変換器５のＡ部の応力集中が緩和されて、起歪部８の応力の増大がみられるので、従来の図１０に示すような荷重変換器１では得られなかった大きなひずみが得られ、広い範囲での直線性が得られる。
そして、荷重変換器５の荷重支持部６と起歪部８との連接部の応力集中が緩和され、連接部Ｂの円弧面も、極力小さなものとすることができるので、荷重変換器５全体の外径寸法を小型化させることができる。
次に、図２の（ａ），（ｂ）を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る荷重変換器１１の構成について説明する。
この第２の実施の形態は、第１の実施の形態に対し、荷重導入部６の荷重が印加される側とは反対側（即ち、図２においては、下面側から所定深さの凹部１５が穿設されている点で共通し、起歪部１４の荷重が印加される面側とは反対側の面、即ち、図２（ａ）においては、下側面に、断面Ｖ字形状のＶ溝１６が、負荷軸ｘを中心とする同心円に沿った周回溝が形成された点が相違している。
この第２の実施の形態の場合、Ｖ溝１６の両斜面部には、図２に示すように、ひずみゲージＧ１〜Ｇ４、および図には現れないが、紙面に直交する方向にも、他のひずみゲージＧ５〜Ｇ８が添着されている。
この第２の実施の形態によれば、図２（ｂ）に示されるように、起歪部１４に生じるひずみ量は、図１０に示した従来のものに対して約２倍の４，０００×１０−６ひずみとなっている上、検出された荷重−ひずみ線図から分かるように極めて直線性に優れたものとなっている。
【００１４】
これは、凹部１５とＶ溝１６とが応力の集中を緩和乃至は分散化し、出力感度の増大と非直線性の改善について寄与したものと考えられる。
従って、この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態より以上の小型化、高感度化、低コスト化、が実現可能である。
そして、より小型化されたことにより、限られた取付スペースでの設備への設置が可能となり、広く実験研究分野や産業機器分野への応用が可能である。
また、凹部１５や、Ｖ溝１６の加工は、旋削によって容易に且つ精密に機械加工ができるので、低コスト化と高精度化を実現することができる。
次に、本発明の第３の実施の形態につき、図３および図４を参照して説明する。
図３は、第３の実施の形態に係る荷重変換器１７の構成を示す図で、図４のＹ−Ｙ線矢視方向断面図、図４は、図３のＸ−Ｘ線矢視方向断面図であり、基本的構成は、図２に示したものと同じであるが、相違点の第１は、荷重導入部１８の上半部に雄ねじ１８ａを形成した点にある。
【００１５】
第２の相違点は、荷重支持部１９の側壁部に、ひずみゲージＧで形成されるブリッジ回路（図５参照）にブリッジ電源を供給したり、ブリッジ回路から検出される検出信号を取り出したりする電気ケーブルの挿通孔１９ｂを穿設してあり、この挿通孔１９ｂには、金属製スリーブ１９ｃが嵌装され且つその周囲が例えばＴＩＧ溶接により封着されている。この金属製スリーブ１９ｃの内部には気密端子１９ｄを有する雄レセプタクル１９ｅが嵌装され且つ両者の接合部はＯリング１９ｆによって封入されている点にある。気密端子１９ｄには、内外に突出するようにしてピン１９ｇ，１９ｈが気密状に植設されており、外側のピン１９ｇには、図示しないブリッジ電源およびひずみ測定器に接続された電気ケーブルが雌レセプタクルを介して接続され、内側のピン１９ｈには、リード線を介してひずみゲージＧが接続される。
第３の相違点は、荷重支持部１９の内周壁の下半部に雌ねじ１９ａが形成されている点にある。
第４の相違点は、起歪部２０の荷重が印加される側の面、即ち、図６に分かり易く、拡大して示すように、起歪部２０の上面が、荷重導入部１８から荷重支持部１９に至るにつれて荷重が印加される面とは反対面側に下降するような一定の角度αだけ傾いた傾斜面とされている点にある。尚、この傾斜面は、平面的な斜面でなく、曲面的な傾斜面であってもよい。
【００１６】
第５の相違点は、上述した荷重変換器１７の内部に形成した雌ねじ１９ａに、雌ねじ穴４４ａが形成された盲蓋４４がねじ込まれている。この盲蓋４４の上端には、フレキシブル基板４５が取付けられている。例えば、この盲蓋４４は、雌ねじ１９ａに深く螺合された後に盲蓋４４と荷重支持部１９が接合された部分の外周を、溶接またはろう付けなどの手段によって気密状態に維持されるように構成されている点にある。これにより、内部に添着されたひずみゲージＧ１〜Ｇ８を湿気から防護し、酸化の促進を抑制する効果をもたらす。
尚、この第３の実施の形態を示す図３，図４および図５より分かるように、起歪部３０の下面側に形成された断面Ｖ字形状のＶ溝２２は、負荷軸ｘを中心として仮想円に沿って周回するようにして形成されており、後述するように、この周回Ｖ溝２２の９０°間隔毎にひずみゲージＧ１〜Ｇ８が添着されている。
このように添着された、この場合８個のひずみゲージＧ１〜Ｇ８は、図５に示したようにブリッジ回路に組まれる。
即ち、起歪部２０の荷重支持部１９寄りの部位に添着されたひずみゲージＧ１，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ８は、ブリッジ回路の対向する二辺にそれぞれ同数に分配され、他方、起歪部２０の荷重導入部１８寄りの部位に添着されたひずみゲージＧ２，Ｇ３，Ｇ６，Ｇ７は、ブリッジ回路の隣接する対向二辺にそれぞれ同数に分配されて、ブリッジ結線される。
【００１７】
このブリッジ回路の入力端Ａ，Ｂ間にブリッジ電源電圧ｅｉを供給することによりＶ溝２２に添着され、印加荷重に対応してその抵抗値が変化することに伴って、不平衡となるブリッジ回路の出力端Ｃ，Ｄから荷重に対応したブリッジ出力ｅｏが得られる。
尚、図６に示す状態は、荷重導入部１８に引っ張り力（矢印方向の力）が作用したときの状態を示すものであり、この場合、起歪部２０の荷重支持部１９寄りの部位に添着されたひずみゲージＧ１とＧ４は、伸長されて抵抗値を増大し、他方、起歪部２０の荷重導入部１８寄りの部位に添着されたひずみゲージＧ２とＧ３は、圧縮されて抵抗値を減少する。
このように構成された第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様に、荷重導入部１８と起歪部２０との連接部の応力の集中は緩和され、図２（ｂ）に示すように最大±４０００×１０−６ひずみという高感度でしかも直線性が良好な状態で被測定荷重を測定することができる。
【００１８】
また、上述したように、荷重導入部１８の外周に雄ねじ１８ａを形成してあるので、圧縮荷重はもとより、引張り荷重をも測定することができる。
この場合、図３において、盲蓋４４の下面側に設けた雌ねじ４４ａに、不動部側に設けた、例えば取付ボルトを上記取付雌ねじ穴に螺合することで、荷重変換器１７を不動部側に固定することができるようになっているものとする。
また、図３に示す荷重変換器１７は、ブリッジ電源供給用のケーブルおよびブリッジ出力導出用のケーブルは、上述したように外気を遮断し得る気密端子あるいはグランド金具等を介して導出されており、且つ、荷重支持部１９の下端開口は、盲蓋４４で気密に封鎖されるため、荷重支持部１９の筒状空間部は、外気と遮断され、従ってこの筒状空間部内のＶ溝２２に添着されたひずみゲージＧ１〜Ｇ８は、外気と遮断されるため、吸湿による絶縁抵抗の低下や酸化による劣化が防止され、極めて耐久性に優れた荷重変換器とすることができる。
【００１９】
また、図６に示したように、第３の実施の形態に係る荷重変換器１７は、起歪部２０を、外周方向に向うに従って、下方に傾斜するように、形成したので、荷重支持部１９と、起歪部２０との連接部に集中する応力を緩和することができ、起歪部２０のＶ溝への応力の集中が図られ、感度の向上が実現すると共に、外形寸法の縮小化にも寄与することとなる。
図７は、本発明の第４の実施の形態を示す断面図である。
この第４の実施の形態に係る荷重変換器２３は、基本的構成をなす、荷重導入部２４、荷重支持部２５、起歪部２６、凹部２７およびＶ溝２８については、上述した第３の実施の形態に係る荷重変換器１７における荷重導入部１８、荷重支持部１９、起歪部２０、凹部２１およびＶ溝２２とそれぞれ対応しているが、新たに起歪部２６の荷重が印加される面側の荷重導入部２４寄りの部位に、断面Ｖ字形で、負荷軸ｘを中心とする仮想同心円に沿う周回溝をなす荷重印加側のＶ溝を形成した点と、荷重支持部２５の起歪部２６とが連接する角部を削成してなる面取部３０を形成した点が、相違する。
【００２０】
このような構成とすることで、荷重導入部２４と起歪部２６との連接部近傍および荷重支持部２５と起歪部２６との連接部近傍における部位の応力集中が緩和され、高感度化、コンパクト化を実現することができる。
図８（ａ），（ｂ）は、本発明の第５の実施の形態に係る荷重変換器の構成を示す図で、このうち、（ａ）は、平面図、（ｂ）は中央縦断面図である。
この第５の実施の形態に係る荷重変換器３１は、上述した第２〜第４の実施の形態に係る荷重変換器と同様に、荷重導入部３２、荷重支持部３３、凹部３５およびＶ溝３６が形成されているが、起歪部３４の形状が異なっている。
即ち、図８（ａ）にて分るように、この荷重変換器３１は、上述した第１〜第４の実施の形態に係る荷重変換器のように、ダイアフラム型を呈さず、起歪部３４の４個所に４本のビーム部３４ａ〜３４ｄが形成されるように、扇形状のくり貫き孔または座繰り穴３７ａ〜３７ｄを穿設して、いわゆる「十文字状ビーム」を呈している。
即ち、第１ビーム部３４ａと第２ビーム部３４ｂとで一本のビーム部が形成され、第３のビーム部３４ｃと第４のビーム部３４ｄとで、上述の一本のビーム部に対し９０°交差して十文字状ビームが形成されてなるものであり、このように構成することで、小型且つ低コストでありながら、より低容量で高感度な荷重変換器を提供することができる。
【００２１】
図９（ａ），（ｂ）は、第６の実施の形態に係る荷重変換器の構成を示す図で、このうち（ａ）は、平面図（ｂ）は、正面中央断面図である。
この第６の実施の形態に係る荷重変換器３７は、上述した第２〜第５の実施の形態に係る荷重変換器と同様に、荷重導入部３８、荷重支持部３９、凹部４１、Ｖ溝４２が形成されているが、起歪部４０の形状が異なっている。
即ち、図９（ａ），（ｂ）に示した荷重変換器３７は、上述した第１〜第４の実施の形態に係る荷重変換器のように、ダイアフラム型を呈さず、また、第５の実施の形態に係る荷重変換器のように、十文字状ビーム型を呈さず、起歪部４０の２個所に２本のビーム部４０ａと４０ｂとが形成されるように、半月状のくり貫き孔または座繰り穴４３ａと４３ｂを穿設して、いわゆる「一文字状ビーム」を形成するものである。
第１ビーム部４０ａと第２ビーム４０ｂとで１本のビーム部が形成されることになる。
この荷重変換器３７の場合、Ｖ溝４２の形成方法が、上述した各実施例の形態と異なり、図９（ａ）に示されるように、荷重軸ｘを中心とする周回溝ではなく、中心軸を通る直線に平行な平行溝が形成されている点が異なっている。もちろん、軸ｘを中心とする仮想円に沿った周回溝としてもよい。
【００２２】
このように構成された一文字状ビームを有する荷重変換器３７によれば、ダイヤフラム型および十文字状型のものに比べて、さらに低容量のものが容易に得られる。
尚、ビーム状の起歪部としては、十文字状、一文字状に限らず、例えばビーム部を等角度間隔で３本にしたり５本にしたりすることも可能であり、要は、荷重導入部と荷重支持部との間が複数のビーム部で等角度間隔で連接されたものとすれば、本発明を適用することができる。
尚、本発明は、上述し且つ図示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能である。
先ず、本発明に係る物理量検出用変換器として、荷重変換器を一例にして図示し且つ説明してきたが、圧力変換器、加速度変換器および変位変換器としても本発明は適用可能である。
即ち、本発明に係る物理量検出用変換器の負荷支持部側を被測定対象の不動部に連結固定し、負荷導入側を、例えば、圧力変換器のダイアフラムの中心部に直接または間接に連結したり、また加速度変換器の重鍾に直接または間接に連結固定し、さらには、変位変換器の可動子側に直接または間接に連結固定することで、それぞれ使用可能となる。
【００２３】
また、検知素子として、上述し且つ図示した実施の形態においては、ひずみゲージを代表例として説明したが、起歪部のひずみを検知し、当該ひずみに対応した信号を発生するものであれば、本発明に適用が可能であり、例えば、スパッタゲージ、溶着型ゲージ、半導体ゲージ、光ファイバなどを使用することができる。
また、負荷導入部の負荷が印加される側とは反対側に形成する凹部は、円形状の座ぐり孔の例を示したが、十文字状ビーム型や一文字状ビーム型のものなどにおいては、角形状や楕円形状などの凹部であってもよく、要は、負荷導入部と起歪部との連接部の応力集中が緩和される形状であればよい。
また、周回溝は、Ｖ字状の溝に限らず、Ｕ字状の溝であってもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳しく説明したところより明らかなように、本発明によれば、負荷導入部と起歪部との連接部の応力集中を緩和し、小型化、高感度化、低コスト化、直線性改善を実現し、荷重変換器、圧力変換器、変位変換器あるいは加速度変換器などに広く適用し得る、物理量検出用変換器を提供することができる。
即ち、特に、請求項１に記載の発明によれば、柱状を呈し軸中心が負荷軸と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部と、所定の間隔を存して前記負荷導入部の周囲を囲繞するように形成された剛性大なる負荷支持部と、前記負荷導入部から放射方向に伸びその内端が前記負荷導入部に一体に連接されその外端が前記負荷支持部に一体に連接され、前記負荷支持部が支持された状態で前記負荷導入部に負荷軸に沿う方向に負荷が作用されたとき弾性変形する起歪部とからなり、前記起歪部に添着された検知素子によって起歪部に加わる負荷の大きさを検出する物理量検出用変換器であって、
前記負荷導入部の負荷が印加される側とは反対側から所定深さの凹部を形成し前記負荷導入部と前記起歪部との連接部に集中する応力を緩和し得るように構成したので、簡単な構成で、加工も容易でありながら、従来のものに比べ大幅な小型化、高感度化を実現し得る安価な物理量検出用変換器を提供することができる。
【００２５】
また、請求項２に記載の発明によれば、柱状を呈し軸中心が負荷軸と一致するように形成された剛性大なる負荷導入部と、所定の間隔を存して前記負荷導入部の周囲を囲繞するように形成された剛性大なる負荷支持部と、前記負荷導入部から放射方向に伸びその内端が前記負荷導入部に一体に連接されその外端が前記負荷支持部に一体に連接され、前記負荷支持部が支持された状態で前記負荷導入部に負荷軸に沿う方向に力が作用されたとき、弾性変形する起歪部とからなり、前記起歪部に添着された検知素子によって起歪部に加わる負荷の大きさを測定する物理量測定変換器であって、
前記負荷導入部の負荷が印加される側とは反対側から所定深さの凹部を形成すると共に、
前記起歪部の負荷が印加される面側とは反対側の面に断面Ｖ字形状またはＵ字形状を呈する周回溝を形成し前記負荷導入部と前記起歪部との連接部に集中する応力を緩和し得るように構成したので、上記請求項１に記載の発明に対し、より、小型化、高感度化、直線性の改善を図り得る物理量検出用変換器を提供することができる。
【００２６】
また、請求項３に記載の発明によれば、前記負荷導入部は、ほぼ円柱状を呈し、前記負荷支持部は、短円筒状を呈し、前記起歪部は、ダイヤフラム状を呈する構成としたので、
従来のダイアフラム型の物理量検出用変換器に比べ、簡単な構成で、加工も容易でありながら、大幅な小型化、高感度化を実現し得る安価な物理量検出用変換器を提供することができる。
また、請求項４に記載の発明によれば、前記負荷導入部の負荷が印加される側の外周部には、雄ねじが形成しているので、雄ねじを被測定対象物と連結することができ、圧縮方向の負荷に限らず、引張り方向の負荷についても、物理量の測定が可能な物理量検出用変換器を提供することができる。
また、請求項５に記載の発明によれば、前記起歪部の負荷が印加される側の面は、前記負荷導入部から前記負荷支持部に至るにつれて前記負荷が印加される面とは反対面側に近接するような傾斜面とされているので、負荷導入部と起歪部との連接部のみならず、負荷支持部と起歪部との連接部の応力集中を緩和することができ、より一層の小型化、高感度化、直線性改善を図り得る物理量検出用変換器を提供することができる。
【００２７】
また、請求項６に記載の発明によれば、前記起歪部の負荷が印加される面側であって、前記負荷導入部寄りの部位に、断面Ｖ字形状の周回溝を形成すると共に、前記荷重支持部の前記起歪部近傍の角部を削成してなるので、特に起歪部と負荷導入部および負荷支持部との両連接部の応力集中をより効率よく緩和することができ、より一層の小型化、高感度化、直線性改善を図り得る物理量検出用変換器を提供することができる。
また、請求項７に記載の発明によれば、前記検知素子は、箔ひずみゲージ、スパッタゲージ、光ファイバのうちのいずれかよりなり、前記起歪部の負荷が印加される側の面とは反対側に形成されたＶ字形溝の両側斜面部であって、前記周回溝の均等角度位置に添着されているので、各種の検知素子を使用することができ、より広範な用途にも対応し得る物理量検出用変換器を提供することができる。
また、請求項８に記載の発明によれば、前記負荷導入部と前記起歪部と前記負荷支持部とは一端が開口されたほぼ短円筒状を呈するように一体に形成され、前記開口端を蓋体により封止することによって前記検知素子を気密状態に保持し得るように構成したので、検知素子は外気と気密に遮断されるため、特に、ひずみゲージ（半導体ゲージ）、溶射型高温ひずみゲージ、などにおいては、吸湿による絶縁低下、酸化による劣化などをほぼ確実に防止し得る物理量検出用変換器を提供することができる。
【００２８】
また、請求項９および１０に記載の発明によれば、起歪部を、十文字状および一文字状に形成したので、小型化、軽量化、低コスト化を図りながら、より低容量な物理量検出用変換器を提供することができる。
また、請求項１１〜１４に記載の発明によれば、本発明は荷重変換器はもとより、圧力変換器、加速度変換器または変位変換器などの広汎な用途の物理量検出用変換器を構成することができ、上述した請求項１〜１０に記載の構成を採用して、上述した各種効果を奏する物理量検出用変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る荷重変換器の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る荷重変換器の構成を模式的に示す断面図、（ｂ）は、同荷重変換器の荷重−ひずみ出力線図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る荷重変換器の構成を詳細に示すもので図４のＹ−Ｙ線に沿って破断した断面図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ線矢視方向断面図である。
【図５】図１〜図４、図６〜図８に示す実施の形態に適用される、ブリッジ回路を形成するひずみゲージの結線図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態を説明するための断面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る荷重変換器の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る荷重変換器の構成を模式的に示すもので、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、断面図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係る荷重変換器の構成を模式的に示すもので、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、断面図である。
【図１０】（ａ）は、従来の荷重変換器の構成を模式的に示す断面図、（ｂ）は、その荷重変換器により得られた荷重−ひずみ特性図である。
【図１１】従来の荷重変換器の問題点を説明するための断面図である。
【符号の説明】
５、１１、１７、２３、３１、３７  荷重変換器
６、１２、１８、２４、３２、３８  荷重導入部
７、１３、１９、２５、３３、３９  荷重支持部
８、１４、２０、２６、３４、４０  起歪部
９、１５、２１、２７、３５、４１  凹部
１６、２２、２８、３６、４２  Ｖ溝
１８ａ  雄ねじ
１９ａ  雌ねじ
１９ｂ  挿通孔
３０  面取部
３４ａ〜３４ｄ、４０ａ、４０ｂ  ビーム部
３７ａ〜３７ｄ、４３ａ、４３ｂ  くり貫き孔
４４  盲蓋
Ｇ１〜Ｇ８  ひずみゲージ
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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