JP2000352536A - 荷重測定装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 直線性に優れた高精度の測定ができる磁歪式
及び電歪式の荷重測定装置を提供する。 【解決手段】 磁歪式では、磁歪材料１３に励磁コイル
１４及び検出コイル１５を巻装して、磁歪材料１３を励
磁手段１４、１７、１８で励磁し、その励磁電圧と検出
コイル１５を有する検出電圧出力手段の出力電圧との位
相差を位相差調整手段１６で調整して、両電圧を演算手
段１９で差動増幅し、その出力に基づいて磁歪材料１３
に作用する荷重を測定する。電歪式では、圧電素子３２
を発振回路３１で共振周波数近傍で振動させ、圧電素子
３２のインピーダンス変化を電圧に変換した検出電圧と
発振回路３１の発振出力電圧との位相差を圧電素子３２
に結合した位相差調整手段３４で調整して、両電圧を演
算手段３５で差動増幅し、その出力に基づいて圧電素子
３２に作用する荷重を測定する。
及び電歪式の荷重測定装置を提供する。 【解決手段】 磁歪式では、磁歪材料１３に励磁コイル
１４及び検出コイル１５を巻装して、磁歪材料１３を励
磁手段１４、１７、１８で励磁し、その励磁電圧と検出
コイル１５を有する検出電圧出力手段の出力電圧との位
相差を位相差調整手段１６で調整して、両電圧を演算手
段１９で差動増幅し、その出力に基づいて磁歪材料１３
に作用する荷重を測定する。電歪式では、圧電素子３２
を発振回路３１で共振周波数近傍で振動させ、圧電素子
３２のインピーダンス変化を電圧に変換した検出電圧と
発振回路３１の発振出力電圧との位相差を圧電素子３２
に結合した位相差調整手段３４で調整して、両電圧を演
算手段３５で差動増幅し、その出力に基づいて圧電素子
３２に作用する荷重を測定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性体の磁気効
果を利用する磁歪式、及び圧電素子の共振特性を利用す
る電歪式の荷重測定装置に関する。
果を利用する磁歪式、及び圧電素子の共振特性を利用す
る電歪式の荷重測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】荷重測定には、荷重による材料の歪みを
抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージなどを用いて計測
する間接的計測方式と、荷重による材料の歪みを圧電効
果や磁気効果などを利用して計測する直接的計測方式と
がある。
抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージなどを用いて計測
する間接的計測方式と、荷重による材料の歪みを圧電効
果や磁気効果などを利用して計測する直接的計測方式と
がある。
【０００３】抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージを用
いる荷重測定は、被測定物の荷重による変位をゲージに
より歪みに変換し、更に電気信号に変換して、被測定物
に作用した荷重を測定するもので、種々の起歪部構造の
ものがあるが、いずれの構造においてもゲージを被測定
物に接着剤で固定するため経年変化の影響を受けること
が懸念される。
いる荷重測定は、被測定物の荷重による変位をゲージに
より歪みに変換し、更に電気信号に変換して、被測定物
に作用した荷重を測定するもので、種々の起歪部構造の
ものがあるが、いずれの構造においてもゲージを被測定
物に接着剤で固定するため経年変化の影響を受けること
が懸念される。
【０００４】また、特にゲージ率の高い半導体歪みゲー
ジでは、誤って過負荷が加わると断線するおそれがあ
り、一方抵抗線歪みゲージでは、抵抗体の抵抗変化率が
小さいため、高感度の増幅器が必要となり、測定装置全
体が高価になると共に、ノイズの影響を受け易くなる。
更に、いずれの歪みゲージにおいても、温度や湿度の影
響を受け易いため、野外での使用の対策が要求される。
ジでは、誤って過負荷が加わると断線するおそれがあ
り、一方抵抗線歪みゲージでは、抵抗体の抵抗変化率が
小さいため、高感度の増幅器が必要となり、測定装置全
体が高価になると共に、ノイズの影響を受け易くなる。
更に、いずれの歪みゲージにおいても、温度や湿度の影
響を受け易いため、野外での使用の対策が要求される。
【０００５】また、圧電効果を利用する荷重測定は、水
晶や圧電セラミックスの結晶体に電極を取り付けて、結
晶体に機械的な力が作用したときに結晶体の表面に発生
する電荷量を測定するもので、小型で高速応答が可能な
利点がある。しかし、他方では発生電荷の漏洩が避けら
れず、静的な荷重の測定が困難であると共に、荷重によ
る発生電荷量を測定するため、温度や湿度の影響を受け
易く、野外での使用が困難である。この対策として、抵
抗、コイル、圧電素子からなる直列又は並列共振回路を
構成し、該共振回路に共振周波数近傍の正弦波電圧を印
加して、圧電素子に作用する荷重による共振回路のイン
ピーダンス変化を電圧又は電流値に変換することが行わ
れている。
晶や圧電セラミックスの結晶体に電極を取り付けて、結
晶体に機械的な力が作用したときに結晶体の表面に発生
する電荷量を測定するもので、小型で高速応答が可能な
利点がある。しかし、他方では発生電荷の漏洩が避けら
れず、静的な荷重の測定が困難であると共に、荷重によ
る発生電荷量を測定するため、温度や湿度の影響を受け
易く、野外での使用が困難である。この対策として、抵
抗、コイル、圧電素子からなる直列又は並列共振回路を
構成し、該共振回路に共振周波数近傍の正弦波電圧を印
加して、圧電素子に作用する荷重による共振回路のイン
ピーダンス変化を電圧又は電流値に変換することが行わ
れている。
【０００６】これに対し、磁気効果を利用する荷重測定
は、強磁性体の磁歪現象、この場合は強磁性体に歪みを
与えるとその磁気的特性が変化する現象を利用するもの
で、センサ部の構造が簡単で、高荷重の測定が可能であ
ると共に、温度や湿度の影響も少なく、野外の劣悪な条
件下でも適用できる利点がある。
は、強磁性体の磁歪現象、この場合は強磁性体に歪みを
与えるとその磁気的特性が変化する現象を利用するもの
で、センサ部の構造が簡単で、高荷重の測定が可能であ
ると共に、温度や湿度の影響も少なく、野外の劣悪な条
件下でも適用できる利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、磁気効
果を利用する荷重測定にあっては、強磁性体をコイルに
より励磁した状態で、強磁性体に応力が作用したときの
磁気的特性の変化を利用することから、強磁性体の磁化
特性のヒステリシスの影響を受けることになる。このた
め、従来の磁歪式の荷重測定装置では、応力−磁歪量の
直線性が悪く、充分な測定精度を得ることが困難であっ
た。
果を利用する荷重測定にあっては、強磁性体をコイルに
より励磁した状態で、強磁性体に応力が作用したときの
磁気的特性の変化を利用することから、強磁性体の磁化
特性のヒステリシスの影響を受けることになる。このた
め、従来の磁歪式の荷重測定装置では、応力−磁歪量の
直線性が悪く、充分な測定精度を得ることが困難であっ
た。
【０００８】なお、特開平４−２０４３３８号公報に
は、強磁性体（磁歪材）として炭素鋼や合金鋼を用い、
Ｎｉ、Ｃｒ等の組成の配合比を調整することにより、応
力−磁歪量のヒステリシスを小さくすることができるこ
とが開示されているが、この場合でもヒステリシスを完
全には除去することができないため、直線性に優れた高
精度の測定は期待できないものである。
は、強磁性体（磁歪材）として炭素鋼や合金鋼を用い、
Ｎｉ、Ｃｒ等の組成の配合比を調整することにより、応
力−磁歪量のヒステリシスを小さくすることができるこ
とが開示されているが、この場合でもヒステリシスを完
全には除去することができないため、直線性に優れた高
精度の測定は期待できないものである。
【０００９】同様のことは、圧電効果を利用する荷重測
定においても、圧電素子の圧電特性のヒステリシスの影
響を受けるため、従来の電歪式の荷重測定装置では充分
な測定精度を得ることが困難であった。
定においても、圧電素子の圧電特性のヒステリシスの影
響を受けるため、従来の電歪式の荷重測定装置では充分
な測定精度を得ることが困難であった。
【００１０】従って、かかる点に鑑みてなされた本発明
の目的は、直線性に優れた高精度の荷重測定ができる磁
歪式及び電歪式の荷重測定装置を提供することにある。
の目的は、直線性に優れた高精度の荷重測定ができる磁
歪式及び電歪式の荷重測定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する請求
項１に記載の荷重測定装置は、磁歪材料と、該磁歪材料
に巻装された励磁コイルを有し、該励磁コイルに正弦波
の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁手段
と、上記磁歪材料に巻装された検出コイルを有する検出
電圧出力手段と、上記励磁電圧と上記検出電圧出力手段
の出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段と、上
記励磁電圧と上記出力電圧とを差動増幅する演算手段と
を有し、上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に
作用する荷重を測定するように構成したことを特徴とす
る。
項１に記載の荷重測定装置は、磁歪材料と、該磁歪材料
に巻装された励磁コイルを有し、該励磁コイルに正弦波
の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁手段
と、上記磁歪材料に巻装された検出コイルを有する検出
電圧出力手段と、上記励磁電圧と上記検出電圧出力手段
の出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段と、上
記励磁電圧と上記出力電圧とを差動増幅する演算手段と
を有し、上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に
作用する荷重を測定するように構成したことを特徴とす
る。
【００１２】請求項１の発明によると、演算手段の出力
が荷重、換言すると応力に対して直線性を有するよう
に、励磁コイルに印加される励磁電圧と、検出コイルに
誘起される検出出力電圧との位相差を位相差調整手段で
調整した２つの電圧を差動増幅するとヒステリシスを低
減することができ、同時に励磁電圧と検出電圧出力手段
の出力電圧とを演算手段で差動増幅することで同相ノイ
ズを除去することができるので、直線性に優れた高精度
の荷重測定が可能となる。
が荷重、換言すると応力に対して直線性を有するよう
に、励磁コイルに印加される励磁電圧と、検出コイルに
誘起される検出出力電圧との位相差を位相差調整手段で
調整した２つの電圧を差動増幅するとヒステリシスを低
減することができ、同時に励磁電圧と検出電圧出力手段
の出力電圧とを演算手段で差動増幅することで同相ノイ
ズを除去することができるので、直線性に優れた高精度
の荷重測定が可能となる。
【００１３】請求項２に記載の発明は、請求項１の荷重
測定装置において、上記位相差調整手段は、上記励磁電
圧の周波数を調整するよう構成したことを特徴とする。
測定装置において、上記位相差調整手段は、上記励磁電
圧の周波数を調整するよう構成したことを特徴とする。
【００１４】請求項２の発明によると、励磁電圧の周波
数を可変とすることで、励磁手段及び検出電圧出力手段
のそれぞれのインピーダンスを変えることができ、これ
により励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧との位相
差を容易に調整することが可能となる。
数を可変とすることで、励磁手段及び検出電圧出力手段
のそれぞれのインピーダンスを変えることができ、これ
により励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧との位相
差を容易に調整することが可能となる。
【００１５】請求項３に記載の発明は、請求項１の荷重
測定装置において、上記位相差調整手段は、上記検出コ
イルに結合したコンデンサを有することを特徴とする。
測定装置において、上記位相差調整手段は、上記検出コ
イルに結合したコンデンサを有することを特徴とする。
【００１６】請求項３の発明によると、励磁電圧の周波
数が固定されている場合に、コンデンサによって検出電
圧出力手段のインピーダンスを変えることができるの
で、これにより励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧
との位相差を容易に調整することが可能となる。
数が固定されている場合に、コンデンサによって検出電
圧出力手段のインピーダンスを変えることができるの
で、これにより励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧
との位相差を容易に調整することが可能となる。
【００１７】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に
記載の荷重測定装置において、上記励磁電圧の周波数
を、上記検出電圧出力手段における共振周波数の近傍に
設定したことを特徴とする。
記載の荷重測定装置において、上記励磁電圧の周波数
を、上記検出電圧出力手段における共振周波数の近傍に
設定したことを特徴とする。
【００１８】請求項４の発明によると、励磁電圧は、検
出電圧出力手段における共振周波数の近傍の周波数で、
かつ検出出力電圧との間にヒステリシスを低減した所定
の位相差を有する周波数に設定されるので、高感度の荷
重測定が可能となる。
出電圧出力手段における共振周波数の近傍の周波数で、
かつ検出出力電圧との間にヒステリシスを低減した所定
の位相差を有する周波数に設定されるので、高感度の荷
重測定が可能となる。
【００１９】請求項５に記載の荷重測定装置は、磁歪材
料と、該磁歪材料に巻装された第１コイル及び第２コイ
ルと、これら第１コイル及び第２コイルを異なる電流通
路に接続したブリッジ回路と、該ブリッジ回路に正弦波
の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁電圧
源と、上記ブリッジ回路の両出力端に各々生じる電圧の
位相差を調整する位相差調整手段と、上記ブリッジ回路
の両出力端に生じる電圧を差動増幅する演算手段とを有
し、上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に作用
する荷重を測定するように構成したことを特徴とする。
料と、該磁歪材料に巻装された第１コイル及び第２コイ
ルと、これら第１コイル及び第２コイルを異なる電流通
路に接続したブリッジ回路と、該ブリッジ回路に正弦波
の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁電圧
源と、上記ブリッジ回路の両出力端に各々生じる電圧の
位相差を調整する位相差調整手段と、上記ブリッジ回路
の両出力端に生じる電圧を差動増幅する演算手段とを有
し、上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に作用
する荷重を測定するように構成したことを特徴とする。
【００２０】請求項５の発明によると、磁歪材料に巻装
された第１コイル及び第２コイルを異なる電流通路に接
続したブリッジ回路を構成し、そのブリッジ回路の両出
力端に生じる電圧を演算して荷重を測定するようにして
いるので、演算手段の出力が荷重に対して直線性を有す
るように、ブリッジ回路の両出力端に各々生じる電圧の
位相差を位相差調整手段で調整してヒステリシスを低減
することができ、またブリッジ回路の両出力端に生じる
電圧を演算手段で差動増幅することで同相ノイズを除去
及びコイルの温度特性を補正することができるので、直
線性に優れたより高精度の荷重測定が可能となる。
された第１コイル及び第２コイルを異なる電流通路に接
続したブリッジ回路を構成し、そのブリッジ回路の両出
力端に生じる電圧を演算して荷重を測定するようにして
いるので、演算手段の出力が荷重に対して直線性を有す
るように、ブリッジ回路の両出力端に各々生じる電圧の
位相差を位相差調整手段で調整してヒステリシスを低減
することができ、またブリッジ回路の両出力端に生じる
電圧を演算手段で差動増幅することで同相ノイズを除去
及びコイルの温度特性を補正することができるので、直
線性に優れたより高精度の荷重測定が可能となる。
【００２１】請求項６に記載の荷重測定装置は、圧電素
子と、該圧電素子をその共振周波数近傍で振動させる発
振回路と、上記圧電素子に結合され、該圧電素子のイン
ピーダンス変化を電圧に変換した検出電圧と上記発振回
路の発振出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段
と、上記検出電圧と上記発振出力電圧とを差動増幅する
演算手段とを有し、上記演算手段の出力に基づいて上記
圧電素子に作用する荷重を測定するように構成したこと
を特徴とする。
子と、該圧電素子をその共振周波数近傍で振動させる発
振回路と、上記圧電素子に結合され、該圧電素子のイン
ピーダンス変化を電圧に変換した検出電圧と上記発振回
路の発振出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段
と、上記検出電圧と上記発振出力電圧とを差動増幅する
演算手段とを有し、上記演算手段の出力に基づいて上記
圧電素子に作用する荷重を測定するように構成したこと
を特徴とする。
【００２２】請求項６の発明によると、演算手段の出力
が荷重に対して直線性を有するように、圧電素子のイン
ピーダンス変化を電圧に変換した検出電圧と発振回路の
発振出力電圧との位相差を、圧電素子に結合した位相差
調整手段により調整してヒステリシスを低減することが
できるので、直線性に優れた高精度の荷重測定が可能と
なる。
が荷重に対して直線性を有するように、圧電素子のイン
ピーダンス変化を電圧に変換した検出電圧と発振回路の
発振出力電圧との位相差を、圧電素子に結合した位相差
調整手段により調整してヒステリシスを低減することが
できるので、直線性に優れた高精度の荷重測定が可能と
なる。
【００２３】
【発明の実施の形態】（第１実施の形態）以下、本発明
による荷重測定装置の第１実施の形態について、図１乃
至図５によって説明する。
による荷重測定装置の第１実施の形態について、図１乃
至図５によって説明する。
【００２４】図１は、本発明の磁歪による測定原理を説
明するための図である。図１において、強磁性体棒１に
一定の圧縮力Ｆの下で磁界Ｈを印加したとき、長さＬが
ΔＬ縮む材料は、一定磁界の下では圧縮により磁束の強
さが減少し、圧縮の代わりに張力が働くと磁束の強さは
増加する。前者は正の磁歪と呼ばれ、後者は負の磁歪と
呼ばれる。従って、一定磁界の下での強磁性体棒１の磁
束の強さの変化を計測すれば、圧縮力、即ち荷重を測定
することが可能となる。
明するための図である。図１において、強磁性体棒１に
一定の圧縮力Ｆの下で磁界Ｈを印加したとき、長さＬが
ΔＬ縮む材料は、一定磁界の下では圧縮により磁束の強
さが減少し、圧縮の代わりに張力が働くと磁束の強さは
増加する。前者は正の磁歪と呼ばれ、後者は負の磁歪と
呼ばれる。従って、一定磁界の下での強磁性体棒１の磁
束の強さの変化を計測すれば、圧縮力、即ち荷重を測定
することが可能となる。
【００２５】図２乃至図５は、本発明による荷重測定装
置の第１実施の形態を示すもので、図２は測定回路のブ
ロック図、図３はセンサ部の模式的断面図、図４は検出
コイルの共振特性図、図５（ａ）及び（ｂ）は位相差を
有する第１実施の形態における測定結果と位相差を有し
ない場合の測定結果とを比較して示すグラフである。
置の第１実施の形態を示すもので、図２は測定回路のブ
ロック図、図３はセンサ部の模式的断面図、図４は検出
コイルの共振特性図、図５（ａ）及び（ｂ）は位相差を
有する第１実施の形態における測定結果と位相差を有し
ない場合の測定結果とを比較して示すグラフである。
【００２６】図３に示すように、センサ部１１には、外
匣１２の中央部に荷重を受ける磁歪材料１３を設ける。
この磁歪材料１３は、鉄、ニッケル、パーマロイ系ある
いは酸化物磁性材料、フェライト等の強磁性体を用いて
外形円柱状に形成され、磁歪材料１３には、励磁コイル
１４及び検出コイル１５を巻装すると共に、検出コイル
１５と並列に位相差調整用のコンデンサ１６を接続す
る。
匣１２の中央部に荷重を受ける磁歪材料１３を設ける。
この磁歪材料１３は、鉄、ニッケル、パーマロイ系ある
いは酸化物磁性材料、フェライト等の強磁性体を用いて
外形円柱状に形成され、磁歪材料１３には、励磁コイル
１４及び検出コイル１５を巻装すると共に、検出コイル
１５と並列に位相差調整用のコンデンサ１６を接続す
る。
【００２７】図２に示すように、励磁コイル１４は、抵
抗１７を介して励磁電圧源１８に接続して共振周波数近
傍の正弦波電圧Ｅ1 sinωtを印加し、これにより磁歪材
料１３を励磁して、検出コイル１５に誘導電圧を誘起さ
せる。従って、磁歪材料１３に荷重Ｆが加わると、磁歪
材料１３を通る磁束が変化するので、検出コイル１５に
は磁束の変化に比例した位相差を含む検出電圧Ｅ2 sin
(ωt±θ)が誘起される。この検出コイル１５により誘
起される検出電圧Ｅ2 sin(ωt±θ)の位相は、コンデン
サ１６により位相θを進めるか、遅らせるかによって調
整する。
抗１７を介して励磁電圧源１８に接続して共振周波数近
傍の正弦波電圧Ｅ1 sinωtを印加し、これにより磁歪材
料１３を励磁して、検出コイル１５に誘導電圧を誘起さ
せる。従って、磁歪材料１３に荷重Ｆが加わると、磁歪
材料１３を通る磁束が変化するので、検出コイル１５に
は磁束の変化に比例した位相差を含む検出電圧Ｅ2 sin
(ωt±θ)が誘起される。この検出コイル１５により誘
起される検出電圧Ｅ2 sin(ωt±θ)の位相は、コンデン
サ１６により位相θを進めるか、遅らせるかによって調
整する。
【００２８】励磁電圧源１８の正弦波電圧Ｅ1 sinωt、
及び検出コイル１５の検出電圧Ｅ2sin(ωt±θ)は演算
増幅器１９で差動増幅し、この演算増幅器１９の出力を
交流−直流変換器２０で直流に変換した後、直流増幅器
２１で増幅して荷重測定出力として出力する。
及び検出コイル１５の検出電圧Ｅ2sin(ωt±θ)は演算
増幅器１９で差動増幅し、この演算増幅器１９の出力を
交流−直流変換器２０で直流に変換した後、直流増幅器
２１で増幅して荷重測定出力として出力する。
【００２９】本実施の形態では、磁歪材料１３の直径を
６ｍｍ、励磁コイル１４の巻数を２００ターン（Ｔ）、
検出コイル１５の巻数を２０００Ｔとする。また、検出
感度を高めるため、励磁電圧源１８から励磁コイル１４
に印加する正弦波電圧の周波数ｆは、検出コイル１５と
コンデンサ１６との並列回路の共振周波数ｆ０の近傍の
周波数、例えば図４に示す共振特性において、共振周波
数ｆ０よりも若干高い周波数に設定する。更に、検出コ
イル１５に誘起される検出電圧のヒステリシスを補正す
るため、励磁コイル１４に印加する正弦波電圧に対し
て、検出コイル１５に誘起される誘導電圧が２５°遅れ
の位相差を有するように、コンデンサ１６により設定す
る。
６ｍｍ、励磁コイル１４の巻数を２００ターン（Ｔ）、
検出コイル１５の巻数を２０００Ｔとする。また、検出
感度を高めるため、励磁電圧源１８から励磁コイル１４
に印加する正弦波電圧の周波数ｆは、検出コイル１５と
コンデンサ１６との並列回路の共振周波数ｆ０の近傍の
周波数、例えば図４に示す共振特性において、共振周波
数ｆ０よりも若干高い周波数に設定する。更に、検出コ
イル１５に誘起される検出電圧のヒステリシスを補正す
るため、励磁コイル１４に印加する正弦波電圧に対し
て、検出コイル１５に誘起される誘導電圧が２５°遅れ
の位相差を有するように、コンデンサ１６により設定す
る。
【００３０】図５（ａ）は、本実施の形態において、磁
歪材料１３に作用させる荷重を１０ｋｇｆから１００ｋ
ｇｆの１サイクル分変化させたときの測定結果を、Ｘ−
Ｙレコーダで記録したグラフを示すものである。なお、
励磁コイル１４に印加する正弦波電圧と、検出コイル１
５に誘起される検出電圧との位相差は−２５°、正弦波
電圧の周波数は４０．７７２ＫＨｚの場合を示してい
る。また、図５（ｂ）は、同様の構成において、励磁コ
イル１４に印加する正弦波電圧と、検出コイル１５に誘
起される検出電圧との位相差を０°とした場合（この場
合の正弦波電圧の周波数は、２７．２３９ＫＨｚ）を示
している。
歪材料１３に作用させる荷重を１０ｋｇｆから１００ｋ
ｇｆの１サイクル分変化させたときの測定結果を、Ｘ−
Ｙレコーダで記録したグラフを示すものである。なお、
励磁コイル１４に印加する正弦波電圧と、検出コイル１
５に誘起される検出電圧との位相差は−２５°、正弦波
電圧の周波数は４０．７７２ＫＨｚの場合を示してい
る。また、図５（ｂ）は、同様の構成において、励磁コ
イル１４に印加する正弦波電圧と、検出コイル１５に誘
起される検出電圧との位相差を０°とした場合（この場
合の正弦波電圧の周波数は、２７．２３９ＫＨｚ）を示
している。
【００３１】図５（ａ）及び（ｂ）から明らかなよう
に、図５（ｂ）のように励磁コイル１４に印加する正弦
波電圧と検出コイル１５に誘起される検出電圧との間の
位相差を０°とすると、磁歪材料１３のヒステリシスの
影響が大きいのに対して、図５（ａ）のように両電圧間
に所定の位相差を持たせると、磁歪材料１３のヒステリ
シスを有効に補償でき、直線性に優れた荷重測定ができ
ることがわかる。
に、図５（ｂ）のように励磁コイル１４に印加する正弦
波電圧と検出コイル１５に誘起される検出電圧との間の
位相差を０°とすると、磁歪材料１３のヒステリシスの
影響が大きいのに対して、図５（ａ）のように両電圧間
に所定の位相差を持たせると、磁歪材料１３のヒステリ
シスを有効に補償でき、直線性に優れた荷重測定ができ
ることがわかる。
【００３２】（第２実施の形態）図６は、本発明による
荷重測定装置の第２実施の形態における測定回路のブロ
ック図を示すものである。
荷重測定装置の第２実施の形態における測定回路のブロ
ック図を示すものである。
【００３３】本実施の形態では、センサ部１１の構成は
図３と同様であるが、図３の励磁コイル１４を第１コイ
ル２４、検出コイル１５を第２コイル２５として、これ
ら第１コイル２４、並列にコンデンサＣを接続した第２
コイル２５と抵抗２６、２７とで、第１コイル２４と第
２コイル２５が異なる電流通路に配置されるようにブリ
ッジ回路を構成する。
図３と同様であるが、図３の励磁コイル１４を第１コイ
ル２４、検出コイル１５を第２コイル２５として、これ
ら第１コイル２４、並列にコンデンサＣを接続した第２
コイル２５と抵抗２６、２７とで、第１コイル２４と第
２コイル２５が異なる電流通路に配置されるようにブリ
ッジ回路を構成する。
【００３４】ブリッジ回路は、励磁電圧源１８に接続し
て所定の周波数の正弦波電圧を印加して、第１コイル２
４、第２コイル２５により磁歪材料１３を励磁する。従
って、磁歪材料１３に荷重Ｆが加わると、磁歪材料１３
を通る磁束が変化するので、その磁束の変化に比例して
第１コイル２４と第２コイル２５との間の相互インダク
タンスが変化し、ブリッジ回路の出力端子２８と２９に
生じる電圧が変化することになる。
て所定の周波数の正弦波電圧を印加して、第１コイル２
４、第２コイル２５により磁歪材料１３を励磁する。従
って、磁歪材料１３に荷重Ｆが加わると、磁歪材料１３
を通る磁束が変化するので、その磁束の変化に比例して
第１コイル２４と第２コイル２５との間の相互インダク
タンスが変化し、ブリッジ回路の出力端子２８と２９に
生じる電圧が変化することになる。
【００３５】出力端子２８の出力電圧は、演算増幅器１
９の一方の入力端子に供給し、出力端子２９の出力電圧
は、演算増幅器１９の他方の入力端子に供給して、第１
実施の形態と同様に差動増幅して、ヒステリシスを補正
すると共に、同相ノイズを除去し、この演算増幅器１９
の出力を交流−直流変換器２０で直流に変換した後、直
流増幅器２１で増幅して荷重測定出力として出力する。
９の一方の入力端子に供給し、出力端子２９の出力電圧
は、演算増幅器１９の他方の入力端子に供給して、第１
実施の形態と同様に差動増幅して、ヒステリシスを補正
すると共に、同相ノイズを除去し、この演算増幅器１９
の出力を交流−直流変換器２０で直流に変換した後、直
流増幅器２１で増幅して荷重測定出力として出力する。
【００３６】なお、本実施の形態では、検出感度を高め
るために、励磁電圧源１８からブリッジ回路に印加する
正弦波電圧の周波数を、例えば第２コイル２５とコンデ
ンサ１６との並列回路の共振周波数ｆ０の近傍の周波数
に設定する。また、磁歪材料１３のヒステリシスを補正
するため、出力端子２８に生じる電圧と出力端子２９に
生じる電圧とが所定の位相差を有するように、ブリッジ
回路に印加する正弦波電圧の周波数を設定する。
るために、励磁電圧源１８からブリッジ回路に印加する
正弦波電圧の周波数を、例えば第２コイル２５とコンデ
ンサ１６との並列回路の共振周波数ｆ０の近傍の周波数
に設定する。また、磁歪材料１３のヒステリシスを補正
するため、出力端子２８に生じる電圧と出力端子２９に
生じる電圧とが所定の位相差を有するように、ブリッジ
回路に印加する正弦波電圧の周波数を設定する。
【００３７】従って、本実施の形態においても第１実施
の形態と同様の効果が得られる他、本実施の形態ではブ
リッジ回路を構成して荷重を測定するようにしているの
で、より高精度の測定が可能となる。
の形態と同様の効果が得られる他、本実施の形態ではブ
リッジ回路を構成して荷重を測定するようにしているの
で、より高精度の測定が可能となる。
【００３８】（第３実施の形態）図７は、本発明による
荷重測定装置の第３実施の形態における測定回路の要部
のブロック図を示すものである。
荷重測定装置の第３実施の形態における測定回路の要部
のブロック図を示すものである。
【００３９】この荷重測定装置は電歪式のもので、発振
回路３１、圧電素子３２、抵抗３３、コイル３４及び演
算増幅器３５を有している。圧電素子３２は、抵抗３３
を介して発振回路３１に接続して、共振周波数近傍で振
動させる。コイル３４は、圧電素子３２と並列又は直列
（本実施の形態では直列）に接続して、圧電素子３２の
インピーダンス変化による検出電圧と発振回路３１の発
振出力電圧との位相差を調整し、これら圧電素子３２で
の検出電圧と発振回路３１の発振出力電圧とを演算増幅
器３５で差動増幅する。
回路３１、圧電素子３２、抵抗３３、コイル３４及び演
算増幅器３５を有している。圧電素子３２は、抵抗３３
を介して発振回路３１に接続して、共振周波数近傍で振
動させる。コイル３４は、圧電素子３２と並列又は直列
（本実施の形態では直列）に接続して、圧電素子３２の
インピーダンス変化による検出電圧と発振回路３１の発
振出力電圧との位相差を調整し、これら圧電素子３２で
の検出電圧と発振回路３１の発振出力電圧とを演算増幅
器３５で差動増幅する。
【００４０】本実施の形態によれば、圧電素子３２に荷
重が作用すると、周波数特性によって検出電圧が変化す
る。この検出電圧は、コイル３４により発振回路３１の
発振出力電圧に対して位相差を有し、かつ作用した荷重
に対応する信号を含んでいるので、位相差を適切に調整
して演算増幅器３５で差動増幅することにより、ヒステ
リシスを低減することができる。
重が作用すると、周波数特性によって検出電圧が変化す
る。この検出電圧は、コイル３４により発振回路３１の
発振出力電圧に対して位相差を有し、かつ作用した荷重
に対応する信号を含んでいるので、位相差を適切に調整
して演算増幅器３５で差動増幅することにより、ヒステ
リシスを低減することができる。
【００４１】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れることなく発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更
が可能である。例えば、第１及び第２実施の形態におい
て、位相差の調整は、コンデンサ１６の並列接続に限ら
ず、コイルのインダクタンスを変えても位相差を調整で
きる。また、位相差調整用素子は、第１実施の形態では
励磁コイル１４に、第２実施の形態では第１コイル２４
に接続して、位相差を調整するようにすることもでき
る。更に、上記の位相差は、各コイルの巻数、即ち、イ
ンダクタンス或いはコイル自体の持つキャパシタンス
と、励磁用電圧の周波数とを適切に設定することで、所
望の値に調整することもできる。
れることなく発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更
が可能である。例えば、第１及び第２実施の形態におい
て、位相差の調整は、コンデンサ１６の並列接続に限ら
ず、コイルのインダクタンスを変えても位相差を調整で
きる。また、位相差調整用素子は、第１実施の形態では
励磁コイル１４に、第２実施の形態では第１コイル２４
に接続して、位相差を調整するようにすることもでき
る。更に、上記の位相差は、各コイルの巻数、即ち、イ
ンダクタンス或いはコイル自体の持つキャパシタンス
と、励磁用電圧の周波数とを適切に設定することで、所
望の値に調整することもできる。
【００４２】更に、第３実施の形態では、コイル３４に
代えてコンデンサを用いて位相差を調整することもでき
る。
代えてコンデンサを用いて位相差を調整することもでき
る。
【００４３】
【発明の効果】以上説明した本発明による磁歪式の荷重
測定装置によれば、演算手段の出力が荷重に対して直線
性を有するように、励磁コイルに印加される励磁電圧
と、検出コイルに誘起される検出出力電圧との位相差を
進めるか遅らせるかによってヒステリシスを低減でき、
励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧とを差動増幅す
ることで同相ノイズを除去することができる。以上によ
り、荷重を直線性良く、高精度で測定することができ
る。
測定装置によれば、演算手段の出力が荷重に対して直線
性を有するように、励磁コイルに印加される励磁電圧
と、検出コイルに誘起される検出出力電圧との位相差を
進めるか遅らせるかによってヒステリシスを低減でき、
励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧とを差動増幅す
ることで同相ノイズを除去することができる。以上によ
り、荷重を直線性良く、高精度で測定することができ
る。
【００４４】また、磁歪材料に巻装された第１コイル及
び第２コイルを異なる電流通路に接続したブリッジ回路
とする構成においては、ブリッジ回路の両出力端に生じ
る電圧を演算して荷重を測定するようにしているので、
演算手段の出力が荷重に対して直線性を有するように、
ブリッジ回路の両出力端にそれぞれ生じる電圧の位相差
を進めるか遅らせるかによってヒステリシスを低減で
き、ブリッジ回路の両出力端に生じる電圧を差動増幅す
ることで同相ノイズの除去とコイルの温度特性の補正が
同時にできる。以上により、荷重を直線性良く、より高
精度で測定することができる。
び第２コイルを異なる電流通路に接続したブリッジ回路
とする構成においては、ブリッジ回路の両出力端に生じ
る電圧を演算して荷重を測定するようにしているので、
演算手段の出力が荷重に対して直線性を有するように、
ブリッジ回路の両出力端にそれぞれ生じる電圧の位相差
を進めるか遅らせるかによってヒステリシスを低減で
き、ブリッジ回路の両出力端に生じる電圧を差動増幅す
ることで同相ノイズの除去とコイルの温度特性の補正が
同時にできる。以上により、荷重を直線性良く、より高
精度で測定することができる。
【００４５】更に、本発明による電歪式の荷重測定装置
によれば、演算手段の出力が荷重に対して直線性を有す
るように、圧電素子に印加される発振回路の発振出力電
圧と、圧電素子のインピーダンス変化を電圧に変換した
検出電圧との位相差を進めるか遅らせるかによってヒス
テリシスを低減でき、これにより荷重を直線性良く、高
精度で測定することができる。
によれば、演算手段の出力が荷重に対して直線性を有す
るように、圧電素子に印加される発振回路の発振出力電
圧と、圧電素子のインピーダンス変化を電圧に変換した
検出電圧との位相差を進めるか遅らせるかによってヒス
テリシスを低減でき、これにより荷重を直線性良く、高
精度で測定することができる。
【図１】本発明の磁歪による測定原理を説明するための
図である。
図である。
【図２】本発明による荷重測定装置の第１実施の形態に
おける測定回路のブロック図である。
おける測定回路のブロック図である。
【図３】同じく、センサ部の模式的断面図である。
【図４】同じく、検出コイルの共振特性図である。
【図５】第１実施の形態における測定結果と位相差を有
しない場合の測定結果とを比較して示すグラフである。
しない場合の測定結果とを比較して示すグラフである。
【図６】本発明による荷重測定装置の第２実施の形態に
おける測定回路のブロック図である。
おける測定回路のブロック図である。
【図７】本発明による荷重測定装置の第３実施の形態に
おける測定回路の要部のブロック図である。
おける測定回路の要部のブロック図である。
１ 強磁性体棒 １１ センサ部 １２ 外匣 １３ 磁歪材料 １４ 励磁コイル １５ 検出コイル １６ 位相差調整用コンデンサ １７ 抵抗 １８ 励磁電圧源 １９ 演算増幅器 ２０ 交流−直流変換器 ２１ 直流増幅器 ２４ 第１コイル ２５ 第２コイル ２６ 抵抗 ２７ 抵抗 ２８ 出力端子 ２９ 出力端子 ３１ 発振回路 ３２ 圧電素子 ３３ 抵抗 ３４ コイル ３５ 演算増幅器
Claims (6)
- 【請求項１】 磁歪材料と、 該磁歪材料に巻装された励磁コイルを有し、該励磁コイ
ルに正弦波の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁す
る励磁手段と、 上記磁歪材料に巻装された検出コイルを有する検出電圧
出力手段と、 上記励磁電圧と上記検出電圧出力手段の出力電圧との位
相差を調整する位相差調整手段と、 上記励磁電圧と上記出力電圧とを差動増幅する演算手段
とを有し、 上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に作用する
荷重を測定するように構成したことを特徴とする荷重測
定装置。 - 【請求項２】 上記位相差調整手段は、 上記励磁電圧の周波数を調整するよう構成したことを特
徴とする請求項１に記載の荷重測定装置。 - 【請求項３】 上記位相差調整手段は、 上記検出コイルに結合したコンデンサを有することを特
徴とする請求項１に記載の荷重測定装置。 - 【請求項４】 上記励磁電圧の周波数を、上記検出電圧
出力手段における共振周波数の近傍に設定したことを特
徴とする請求項１〜３に記載の荷重測定装置。 - 【請求項５】 磁歪材料と、 該磁歪材料に巻装された第１コイル及び第２コイルと、 これら第１コイル及び第２コイルを異なる電流通路に接
続したブリッジ回路と、該ブリッジ回路に正弦波の励磁
電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁電圧源と、 上記ブリッジ回路の両出力端に各々生じる電圧の位相差
を調整する位相差調整手段と、 上記ブリッジ回路の両出力端に生じる電圧を差動増幅す
る演算手段とを有し、 上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に作用する
荷重を測定するよう構成したことを特徴とする荷重測定
装置。 - 【請求項６】 圧電素子と、 該圧電素子をその共振周波数近傍で振動させる発振回路
と、 上記圧電素子に結合され、該圧電素子のインピーダンス
の変化を電圧に変換した検出電圧と上記発振回路の発振
出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段と、 上記検出電圧と上記発振出力電圧とを差動増幅する演算
手段とを有し、 上記演算手段の出力に基づいて上記圧電素子に作用する
荷重を測定するように構成したことを特徴とする荷重測
定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26151899A JP4253084B2 (ja) | 1999-04-08 | 1999-09-16 | 荷重測定装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10157199 | 1999-04-08 | ||
| JP11-101571 | 1999-04-08 | ||
| JP26151899A JP4253084B2 (ja) | 1999-04-08 | 1999-09-16 | 荷重測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000352536A true JP2000352536A (ja) | 2000-12-19 |
| JP4253084B2 JP4253084B2 (ja) | 2009-04-08 |
Family
ID=26442444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26151899A Expired - Fee Related JP4253084B2 (ja) | 1999-04-08 | 1999-09-16 | 荷重測定装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4253084B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1793197A2 (en) * | 2005-12-02 | 2007-06-06 | Riken | Micro force measuring device, micro force measuring method, and surface shape measuring probe |
| JP2012510631A (ja) * | 2008-12-03 | 2012-05-10 | ローズマウント インコーポレイテッド | 磁気特性を用いた圧力測定方法および装置 |
| JP2012510632A (ja) * | 2008-12-03 | 2012-05-10 | ローズマウント インコーポレイテッド | 充填管を用いた圧力測定方法および装置 |
| KR102093697B1 (ko) * | 2018-10-01 | 2020-03-26 | 한국과학기술연구원 | 임피던스 측정을 이용한 센서 및 그 센싱방법 |
| CN116222713A (zh) * | 2023-03-21 | 2023-06-06 | 深圳艾依灵科技有限公司 | 一种环卫车称重传感器及其控制方法 |
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|---|---|---|---|---|
| JP6352321B2 (ja) * | 2016-01-29 | 2018-07-04 | 株式会社オンガエンジニアリング | 複合共振法による非接触応力測定方法及びその測定装置 |
-
1999
- 1999-09-16 JP JP26151899A patent/JP4253084B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1793197A2 (en) * | 2005-12-02 | 2007-06-06 | Riken | Micro force measuring device, micro force measuring method, and surface shape measuring probe |
| EP1793197A3 (en) * | 2005-12-02 | 2007-06-27 | Riken | Micro force measuring device, micro force measuring method, and surface shape measuring probe |
| EP1909060A3 (en) * | 2005-12-02 | 2008-04-23 | Riken | Micro force measuring device, micro force measuring method, and surface shape measuring probe |
| US7685733B2 (en) | 2005-12-02 | 2010-03-30 | Riken | Micro force measurement device, micro force measurement method, and micro surface shape measurement probe |
| JP2012510631A (ja) * | 2008-12-03 | 2012-05-10 | ローズマウント インコーポレイテッド | 磁気特性を用いた圧力測定方法および装置 |
| JP2012510632A (ja) * | 2008-12-03 | 2012-05-10 | ローズマウント インコーポレイテッド | 充填管を用いた圧力測定方法および装置 |
| KR102093697B1 (ko) * | 2018-10-01 | 2020-03-26 | 한국과학기술연구원 | 임피던스 측정을 이용한 센서 및 그 센싱방법 |
| CN116222713A (zh) * | 2023-03-21 | 2023-06-06 | 深圳艾依灵科技有限公司 | 一种环卫车称重传感器及其控制方法 |
| CN116222713B (zh) * | 2023-03-21 | 2023-09-01 | 深圳艾依灵科技有限公司 | 一种环卫车称重传感器及其控制方法 |
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| JP4253084B2 (ja) | 2009-04-08 |
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