JP2009121862A - Force sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁歪素子を用いた力センサに関し、特に、ヒステリシスの影響を軽減し、かつ簡単な構成の力センサに関する。 The present invention relates to a force sensor using a magnetostrictive element, and more particularly to a force sensor having a simple structure that reduces the influence of hysteresis.
従来、磁歪素子と呼ばれる磁性合金に圧力をかけると、磁歪素子が変形することによって透磁率が変化することを利用した力センサが知られている。例えば、特許文献1には、バイアス磁界をかけて温度特性を改善した圧力センサが記載されている。特許文献2には、ホール素子を用いたホールICで磁歪素子の透磁率変化に伴う磁束変化を検出する圧力センサが記載されている。
特許文献1及び2のいずれの圧力センサも、磁歪素子等が持つヒステリシスにより、高い精度を得ることができない。特に特許文献1の場合、バイアス磁界をかけることにより温度特性及び出力特性の安定性を向上することができても、依然としてヒステリシスの問題は残る。
In any of the pressure sensors of
そこで、本発明の目的は、磁歪素子を用いた力センサにおいて、ヒステリシスの影響を低減することである。 Accordingly, an object of the present invention is to reduce the influence of hysteresis in a force sensor using a magnetostrictive element.
本発明の一つの実施態様に従う力センサ(1)は、外部からの力を受ける受圧面を有する受圧面部材(212)と、磁歪素子からなる受力部材(216)と、磁性体からなるヨーク(210)と、前記ヨーク及び前記受力部材を通る磁界を生成する磁界生成用磁石(214)と、前記磁界生成用磁石が生成する磁界の向きとは逆向きの磁界を生成する逆磁界用磁石(218)と、前記ヨーク及び前記受力部材を通る磁界の磁束を検出する磁束検出手段(220)と、を備える。そして、前記受圧面が受ける外部からの力の方向に、前記受圧面部材、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石が、前記受圧面部材、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石の順に直列に配置されている。 The force sensor (1) according to one embodiment of the present invention includes a pressure receiving surface member (212) having a pressure receiving surface that receives an external force, a force receiving member (216) made of a magnetostrictive element, and a yoke made of a magnetic material. (210), a magnetic field generating magnet (214) that generates a magnetic field that passes through the yoke and the force receiving member, and a reverse magnetic field that generates a magnetic field opposite to the direction of the magnetic field generated by the magnetic field generating magnet. A magnet (218); and magnetic flux detection means (220) for detecting magnetic flux of a magnetic field passing through the yoke and the force receiving member. And in the direction of the external force received by the pressure receiving surface, the pressure receiving surface member, the magnetic field generating magnet, the force receiving member, and the reverse magnetic field magnet are the pressure receiving surface member, the magnetic field generating magnet, The force receiving member and the reverse magnetic field magnet are arranged in series in this order.
好適な実施態様では、前記受圧面が外部からの力を受けたとき、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石は、いずれも加圧されるようにしてもよい。 In a preferred embodiment, when the pressure receiving surface receives an external force, all of the magnetic field generating magnet, the force receiving member, and the reverse magnetic field magnet may be pressurized.
好適な実施態様では、前記磁束検出手段は、ホール素子を用いたホールICであってもよい。 In a preferred embodiment, the magnetic flux detection means may be a Hall IC using a Hall element.
以下、本発明の一実施形態に係る力センサ1について、図面を参照して説明する。
Hereinafter, a
図1は、本実施形態に係る力センサ1の内部構造を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the internal structure of the
本実施形態では、流体の圧力を測定するセンサであって、特に作業機械などの作動油の油圧を測定する油圧センサを例に説明する。 In the present embodiment, a sensor that measures the pressure of a fluid and that measures the hydraulic pressure of hydraulic oil such as a working machine will be described as an example.
本実施形態に係る力センサ1は、非磁性金属(例えばステンレス)などで形成された上ケース110及び下ケース112を有する。上ケース110と下ケース112はボルト114によって結合されている。下ケース112には、作動油導入口116が設けられている。そして、下ケース112内の作動油導入口116と連通する収容部118には、円柱形状のピン120が収容されている。ピン120は、作動油導入口116に流入した作動油の圧力を受圧プレート212に伝達する。また、収容部118の壁面とピン120の側面とは密着している。収容部118の壁面に設けられた溝にOリング122が収容されていて、作動油が漏れ出さないようになっている。
The
上ケース110及び下ケース112に形成される内部の空間には、純鉄などで形成された略円筒形状のヨーク210と、ピン120から力を受ける円板形状の受圧プレート212と、ヨーク210の内部に配置された略円柱形状の永久磁石214と、ヨーク210の内部に配置された略円柱形状の磁歪素子からなる受力部材216と、ヨーク210の外側に配置された略円柱形状の永久磁石218とを有する。受圧プレート212、永久磁石214、受力部材216及び永久磁石218は、受圧プレート212が受ける力の方向に直列に並んでいる。
In the internal space formed in the
また、力センサ1は、ヨーク210の蓋体202を支持するためのガイド124を備える。ガイド124は、ボルト126によって上ケース110と結合されている。これにより、蓋体202と永久磁石218が上ケース110に対して固定される。さらに、このガイド124が固定された上ケース110がボルト114により下ケース112に固定されることにより、ヨーク210内に収容される永久磁石214及び受力部材216、並びに受圧プレート212が相互に密着するように固定される。これにより、受圧プレート212が受ける力の方向に直列に並んだ受圧プレート212、永久磁石214、受力部材216及び永久磁石218は、それぞれケース110,112内で移動しないように固定されている。
Further, the
ヨーク210は、ヨーク本体201と蓋体202とを有する。ヨーク本体201と蓋体202との接触部分にはギャップが生じないように、ヨーク本体201と蓋体202とは密着している。また、ヨーク本体201の側壁の外周面は、上ケース110の内周面と接している。
The
受圧プレート212は、ヨーク本体201の底面に設けられた、受圧プレート212より僅かに大きい円形状の孔に嵌め込まれている。受圧プレート212の下面はピン120と当接している。そして、ピン120により押されると、受圧プレート212がヨーク210に対して僅かに移動するとともに、その力を永久磁石214へ伝達する。このときにヨーク210は上下のケース110,112により固定されているので移動しない。受圧プレート212がヨーク210に対して相対的に移動するときの受圧プレート212とヨーク210との間の摩擦を極力減らすために、両者の接触部分にはグリースが塗られている。本実施形態のように受圧プレート212をヨーク210とは別体とすることにより、ピン120によって押されたときにヨーク210全体が撓むことを防止できるとともに、ピン120の加圧力を永久磁石214、受力部材216及び永久磁石218へ確実に伝達できる。
The
略円柱形状の永久磁石214は、図1に示すように作動油導入口が下になるように配置したときの天井面及び底面がそれぞれ磁極となる。永久磁石214の底面は、受圧プレート212と密着している。つまり、永久磁石214にも、受圧プレート212を介してピン120が受けた力が、底面から天井面へ向けた軸方向に加わる。永久磁石214の天井面は、移動しないように固定された受力部材216と密着しているので、永久磁石214が受圧プレート212から押圧されると、永久磁石214は軸方向へ加圧される。永久磁石214が生成する磁界(以下、主磁界と称する)の磁束は、受力部材216、ヨーク210及び受圧プレート212を通過する。
As shown in FIG. 1, the substantially cylindrical
略円柱形状の受力部材216の底面は、永久磁石214と密着している。そして、受力部材216には、受圧プレート212及び永久磁石214を介してピン120が受けた力が、底面から天井面へ向けた軸方向に加わる。受力部材216の天井面は、移動しないように固定されたヨーク210の蓋体202の下面と密着しているので、受力部材216が永久磁石214から押圧されると、受力部材216は軸方向へ加圧される。
The bottom surface of the substantially cylindrical
受力部材216は、磁歪素子で構成されるが、磁歪素子の中でも極めて磁歪が大きい超磁歪素子であってもよい。磁歪素子とは、機械的な応力が印加されると、その透磁率が変化する素子である。超磁歪素子とは、この透磁率の変化が非常に大きいものを指す。超磁歪素子としては、例えば、Tb0.34Dy0.66Fe1.88等がある。従って、受力部材216は、上述のように加圧されると透磁率が変化する。
The
略円柱形状の永久磁石218は、図1に示すように作動油導入口が下になるように配置したときの天井面及び底面がそれぞれ磁極となる。永久磁石218の磁極の向きは、永久磁石214の磁極の向きとは反対向きである。つまり、永久磁石218の底面と永久磁石214の天井面が同極となる。これにより、永久磁石218が生成する磁界は、永久磁石214が生成する磁界に対して逆向きとなる。そこで、永久磁石218が生成する磁界を、以下逆磁界と称する。永久磁石218は、上ケース110に設けられた収容空間内に収容されている。永久磁石218の底面はヨーク210の蓋体202の上面と密着している。永久磁石218の天井面は上ケース110の収容空間の内壁と接し、動かないように固定されている。そして、永久磁石218には、受圧プレート212、永久磁石214、蓋体202及び受力部材216を介してピン120が受けた力が伝達され、軸方向に加圧される。
As shown in FIG. 1, the substantially cylindrical
図2は、本実施形態に係る力センサ1の磁束の分布状態の説明図である。同図には、永久磁石214が生成する主磁界(点線矢印)、及び永久磁石218が生成する逆磁界(実線矢印)を示す。なお、同図において、永久磁石214,218の右側の領域の主磁界及び逆磁界のみ示す。同図に示すように、ホールIC220のところで、主磁界の磁束及び逆磁界の磁束が正反対の方向となっている。これにより、本実施形態に係る力センサ1は、永久磁石214、受力部材216、永久磁石218に圧力が加わったときに、後述するように、それぞれのヒステリシスを互いに弱めあうことができる。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a magnetic flux distribution state of the
図3は、ヨーク210の蓋体202を通るA−A断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA through the
同図に示すように、蓋体202と上ケース110の間には隙間が空いている。蓋体202は、中心部材203と円周部材204とから構成されている。中心部材203は円周部材204に向かう突起部203Aを有し、円周部材204も中心部材203へ向かう突起部204Aを有する。これらの突起部203A,204A同士の間には隙間が設けられている。この隙間には、ホールIC220が配置されている。
As shown in the figure, there is a gap between the
ホールIC220は、内部にホール素子を有するICである。ホールIC220は、ホール素子を通過する磁束の量を電圧として検出することができる磁束検出手段である。従って、ホールIC220は、内部のホール素子を通過する磁束の量が変化すると、出力する電圧が変化する。
The
ところで、本実施形態では、ピン120が作動油の圧力を受けると、その力が永久磁石214、受力部材216及び永久磁石218のいずれにもかかる。このとき、磁歪素子からなる受力部材216は、かかった圧力に応じてその透磁率が変化する。受力部材216の透磁率が変化すると、受力部材216を通過する磁束が変化する。本実施形態ではこの磁束の変化を検出して、受圧プレート212が受けた力を検出する。
By the way, in this embodiment, when the
すなわち、本実施形態では、図2に示したように、永久磁石214が生成する主磁界の磁束の大部分は、受力部材216、ヨーク210,及び受圧プレート212の内部を通過し、空気中に漏れることはほとんどない。そして、ヨーク210の蓋体202の隙間の部分を通過する磁束の大半がホールIC220を通過する。従って、ホールIC220は、受力部材216の透磁率の変化に伴う磁束の変化のほぼすべてを検出することができるので、圧力の変化を正確に検出することができる。これは、受圧プレート212、永久磁石214、受力部材216及びヨーク210で構成される磁気回路において、受力部材216が磁束の可変抵抗として挙動することを意味する。
That is, in this embodiment, as shown in FIG. 2, most of the magnetic flux of the main magnetic field generated by the
図4は、本実施形態に係る力センサ1を用いて測定した作動油圧とホールIC220の出力電圧との関係を示す。すなわち、図4のグラフは、作動油圧を0〜50MPaまで5MPa刻みで上昇させたときのホールIC220の出力電圧(測定値を■で示す)と、作動油圧を50〜0MPaまで5MPa刻みで下降させたときのホールIC220の出力電圧(測定値を◆で示す)とを測定した結果を示す。
FIG. 4 shows the relationship between the hydraulic pressure measured using the
なお、このときの測定条件は、(1)室温25℃、(2)評価用圧力計:重鐘型圧力計(精度±0.02%)、(3)流体:建設機械用作動油である。
Measurement conditions at this time are (1)
同図からわかるように、本実施形態では、最大ヒステリシスは±0.63%と非常に小さくなっている。これは、図2に示すように、ホールIC220の部分で、主磁界及び逆磁界の磁束が正反対の向きになっているので、主磁界を生成する永久磁石214、逆磁界を生成する永久磁石218、及び受力部材216のすべてを同時に加圧することにより、それぞれが有するヒステリシスが互いにキャンセルされるためである。
As can be seen from the figure, in this embodiment, the maximum hysteresis is very small, ± 0.63%. As shown in FIG. 2, since the magnetic fluxes of the main magnetic field and the reverse magnetic field are in opposite directions in the
本実施形態にかかる力センサによれば、ヒステリシスが大幅に低減され、高精度で力を検出することができる。 According to the force sensor according to the present embodiment, the hysteresis is greatly reduced, and the force can be detected with high accuracy.
上述した本発明の実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。 The above-described embodiments of the present invention are examples for explaining the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention only to those embodiments. Those skilled in the art can implement the present invention in various other modes without departing from the gist of the present invention.
1…力センサ
110…上ケース
112…下ケース
116…作動油導入口
201…ヨーク本体
202…蓋体
210…ヨーク
212…受圧プレート
214、218…永久磁石
216 受力部材
220…ホールIC
DESCRIPTION OF
Claims (3)
外部からの力を受ける受圧面を有する受圧面部材(212)と、
磁歪素子からなる受力部材(216)と、
磁性体からなるヨーク(210)と、
前記ヨーク及び前記受力部材を通る磁界を生成する磁界生成用磁石(214)と、
前記磁界生成用磁石が生成する磁界の向きとは逆向きの磁界を生成する逆磁界用磁石(218)と、
前記ヨーク及び前記受力部材を通る磁界の磁束を検出する磁束検出手段(220)と、を備え、
前記受圧面が受ける外部からの力の方向に、前記受圧面部材、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石が、前記受圧面部材、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石の順に直列に配置されていることを特徴とする力センサ。 A force sensor (1),
A pressure-receiving surface member (212) having a pressure-receiving surface that receives external force;
A force receiving member (216) made of a magnetostrictive element;
A yoke (210) made of a magnetic material;
A magnetic field generating magnet (214) for generating a magnetic field passing through the yoke and the force receiving member;
A reverse field magnet (218) for generating a magnetic field opposite to the direction of the magnetic field generated by the magnetic field generation magnet;
Magnetic flux detection means (220) for detecting the magnetic flux of the magnetic field passing through the yoke and the force receiving member,
In the direction of the external force received by the pressure receiving surface, the pressure receiving surface member, the magnetic field generating magnet, the force receiving member, and the reverse magnetic field magnet include the pressure receiving surface member, the magnetic field generating magnet, and the force receiving force. A force sensor, wherein a member and the reverse magnetic field magnet are arranged in series in this order.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120001622A1 (en) * | 2009-01-02 | 2012-01-05 | Klaus Manfred Steinich | Magnetorestrictive position sensor according to the propagation time principle having a magnetorestrictive detector unit for mechanical-elastic density waves |
CN104316225A (en) * | 2014-11-07 | 2015-01-28 | 山东科技大学 | Magneto-rheological elastomer pressure sensor |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06194244A (en) * | 1992-11-06 | 1994-07-15 | Toyota Motor Corp | Pressure sensor using magnetostrictive device |
JP2000266621A (en) * | 1999-03-15 | 2000-09-29 | Tdk Corp | Pressure sensor using magnetostrictive element |
JP2005037264A (en) * | 2003-07-16 | 2005-02-10 | Komatsu Ltd | Force-detecting sensor |
JP2005241567A (en) * | 2004-02-27 | 2005-09-08 | Tdk Corp | Pressure sensor |
JP2005280536A (en) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Nissin Kogyo Co Ltd | Brake fluid pressure control device for vehicle and solenoid valve |
JP2006064675A (en) * | 2004-08-30 | 2006-03-09 | Toyota Motor Corp | Magnetostriction-type pressure sensor and controller for internal combustion engine provided with the same |
-
2007
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06194244A (en) * | 1992-11-06 | 1994-07-15 | Toyota Motor Corp | Pressure sensor using magnetostrictive device |
JP2000266621A (en) * | 1999-03-15 | 2000-09-29 | Tdk Corp | Pressure sensor using magnetostrictive element |
JP2005037264A (en) * | 2003-07-16 | 2005-02-10 | Komatsu Ltd | Force-detecting sensor |
JP2005241567A (en) * | 2004-02-27 | 2005-09-08 | Tdk Corp | Pressure sensor |
JP2005280536A (en) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Nissin Kogyo Co Ltd | Brake fluid pressure control device for vehicle and solenoid valve |
JP2006064675A (en) * | 2004-08-30 | 2006-03-09 | Toyota Motor Corp | Magnetostriction-type pressure sensor and controller for internal combustion engine provided with the same |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120001622A1 (en) * | 2009-01-02 | 2012-01-05 | Klaus Manfred Steinich | Magnetorestrictive position sensor according to the propagation time principle having a magnetorestrictive detector unit for mechanical-elastic density waves |
US9816843B2 (en) * | 2009-01-02 | 2017-11-14 | Asm Automation Sensorik Messtechnik Gmbh | Magnetorestrictive position sensor according to the propagation time principle having a magnetorestrictive detector unit for mechanical-elastic density waves |
CN104316225A (en) * | 2014-11-07 | 2015-01-28 | 山东科技大学 | Magneto-rheological elastomer pressure sensor |
CN104316225B (en) * | 2014-11-07 | 2016-04-20 | 山东科技大学 | A kind of magnetic rheology elastic body pressure transducer |
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