JP2003194638A - 磁歪式荷重センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 荷重を受ける荷重受け部のコイル巻回部を細
く形成して性能の向上および経済化を図り得る磁歪式荷
重センサを提供する。 【解決手段】 荷重を受ける強磁性体からなるロッド１
の周囲にコイル５を巻回し、ロッド１において受けた荷
重による透磁率の変化をコイル５で荷重として検出する
ものであって、荷重受け部を構成するロッド１の、コイ
ル５が巻回されてコイルによる磁束の磁路を形成する部
分を細径化して荷重受感部９を形成し、この荷重受感部
９がコイル５やボビン３を含む他の部分が直接接触しな
いようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷重を受ける強磁
性体からなる荷重受け部の周囲にコイルを巻回し、荷重
受け部において受けた荷重に起因する歪の変化による荷
重受け部自身の透磁率の変化をコイルで荷重として検出
する磁歪式荷重センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の磁歪式荷重センサは、図
８に示すように、荷重受け部を構成するロッド１の周囲
に樹脂などからなるボビン３を介してコイル５を巻回
し、全体的にケース７で覆って構成されている。

【０００３】このように構成される磁歪式荷重センサ
は、低コストであり、機械的信頼性が高いという利点が
あるが、出力信号の直線性やヒステリシスに問題があ
る。また、外部磁界の変化や入力電流の変化などのよう
な外部環境の変化による性能の変化が大きいということ
もある。

【０００４】また、差動方式として構成することによ
り、性能変化を低減することができるが、２つのセンサ
間で性能が同じでなければならないという前提条件が必
要であり、センサそのものの性能変化、ばらつきをでき
るだけ小さくする必要がある。更に、センサの加工時の
寸法許容差により性能差が発生し、差動方式の効果が十
分に発揮できないことも多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の磁歪式荷重センサは、出力信号の直線性やヒステリシ
スに問題があるとともに、また外部磁界の変化や入力電
流の変化などのような外部環境の変化による性能の変化
が大きいという問題もある。

【０００６】また、差動方式として構成した場合には、
２つのセンサ間で性能が同じでなければならず、センサ
そのものの性能変化、ばらつきをできるだけ小さくする
必要があるが、そのために制御回路などで補正する必要
があり、コストや手間がかかるという問題があり、更に
センサの加工時の寸法許容差により性能差が発生し、差
動方式の効果が十分に発揮できないことも多いという問
題がある。

【０００７】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、荷重を受ける荷重受け部のコ
イル巻回部を細く形成して性能の向上および経済化を図
り得る磁歪式荷重センサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の本発明は、荷重を受ける強磁性体か
らなる荷重受け部の周囲にコイルを巻回し、荷重受け部
において受けた荷重に起因する歪の変化による荷重受け
部自身の透磁率の変化をコイルで荷重として検出する磁
歪式荷重センサであって、前記荷重受け部の、前記コイ
ルが巻回されてコイルによる磁束の磁路を形成する部分
がコイルを含む他の部分に直接接触しないように細く形
成されて荷重受感部を構成することを要旨とする。

【０００９】請求項１記載の本発明にあっては、荷重受
け部の、コイルによる磁束の磁路を形成する部分が細く
形成され、コイルを含む他の部分に直接接触しないよう
になっているため、荷重受け部に対する摩擦がなくな
り、荷重に対する出力信号の直線性が向上し、ヒステリ
シスが低減し、個体間の性能のばらつきが小さくなると
ともに、荷重時に他の部位に比べて歪み量が増大し、荷
重の測定精度を向上することができる。

【００１０】また、請求項２記載の本発明は、請求項１
記載の発明において、前記荷重受感部の軸方向の長さを
前記コイルの軸方向の長さよりも短く形成することを要
旨とする。

【００１１】請求項２記載の本発明にあっては、荷重受
感部の軸方向の長さをコイルの軸方向の長さよりも短く
形成するため、この短く形成された荷重受感部にのみ磁
束が安定的に集中し、外部環境の影響を受けにくくな
り、性能のばらつきがなくなり、安定した性能を発揮す
ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る
磁歪式荷重センサの構成を示す図である。同図に示す本
実施形態の磁歪式荷重センサは、図８に示した従来の磁
歪式荷重センサにおいて荷重受け部を構成するロッド１
の、コイル５が巻回される部分を細く形成して、すなわ
ち細径化して荷重受感部９を構成している点が異なるも
のであり、その他の構成および作用は同じである。

【００１３】このように荷重受感部９を細径化すること
により、荷重受感部９とコイル５などの他の部分との接
触による摩擦を低減することができ、荷重に対する出力
信号の直線性やヒステリシスを向上することができる。

【００１４】具体的には、例えば図８に示す従来の磁歪
式荷重センサでは、荷重受感部を構成しているロッド１
はコイル５が巻回されているボビン３の内周面に接触し
ているため、磁歪式荷重センサが荷重を受けた場合に、
この接触している部分で摩擦が発生し、荷重に対する出
力信号の直線性やヒステリシスが著しく悪化することに
なる。

【００１５】これに対しては、本実施形態のようにロッ
ド１の一部に形成される荷重受感部９を細径化すること
により、荷重受感部９がボビン３の内周面に接触しない
ため、摩擦が確実にゼロとなり、従来のような摩擦によ
る問題が発生せず、荷重に対する出力信号の直線性やヒ
ステリシス特性を向上することができるものである。

【００１６】また更に、荷重受感部９を細径化すること
により、荷重受感部９に荷重がかかった場合に、この荷
重受感部９の歪み量が他の部位に比較して増大するた
め、この細径化部分を明示的に荷重受感部９とすること
ができ、その部分での摩擦を確実に０にできるため、荷
重の測定精度を向上することができる。

【００１７】図２は、本発明の他の実施形態に係る磁歪
式荷重センサの構成を示す図である。本実施形態の磁歪
式荷重センサは、同図に示すように、荷重受感部９の軸
方向の全長Ｌ１をコイル５の軸方向の全長Ｌ２よりも短
く形成したものであり、その他の構成および作用は図１
の実施形態と同じである。

【００１８】このように、ロッド１の荷重受感部９の長
さＬ１をコイル５の磁束が安定的にロッド１内で集中す
る所のみにすることにより、荷重受感部９を通過する磁
束密度を外部環境による影響を受けることなく安定化さ
せることができる。また、ロッド１の製造時の寸法許容
差による寸法差により荷重受感部９を通過する磁束密度
に差が出ないようにし、差動センサ間の性能差を減らす
ことができる。

【００１９】更に具体的に図３を参照して説明する。図
３（ａ）は図２で示した本実施形態の磁歪式荷重センサ
であって、その荷重受感部９の全長Ｌ１がコイル５の全
長Ｌ２よりも短く形成されている場合において（Ｌ１＜
Ｌ２）、外部環境の影響を受けない場合のコイル５によ
る磁束を図示し、図３（ｂ）は外部環境の影響を受けた
場合のコイル５による磁束を図示している。図３（ａ）
に示す外部環境の影響を受けない場合には、コイル５に
よる磁束はロッド１内を変化することなく整然と通過
し、勿論荷重受感部９内も乱れることなく整然と通過し
ている。一方、図３（ｂ）に示す外部環境の影響を受け
た場合には、コイル５による磁束はロッド１の両端の荷
重受感部９に入る直前で乱れているが、荷重受感部９内
では特に乱れることなく、ほとんど変化せずに図３
（ａ）と同様に整然と通過し、特に性能もほとんど変化
せず、問題がないことがわかる。これは、荷重受感部９
の全長Ｌ１をコイル５の全長Ｌ２よりも短く形成したか
らである。また、コイル５の全長Ｌ２に微小な寸法差が
あっても、影響を受けにくいこともわかる。

【００２０】これに対して、図９は荷重受感部９の全長
Ｌ１をコイル５の全長Ｌ２以上に大きくした場合（Ｌ１
≧Ｌ２）のコイル５の磁束の流れを示しているが、この
場合において外部環境の影響を受けない場合には、図９
（ａ）に示すようにコイル５による磁束は図３（ａ）の
場合と同様にロッド１内の荷重受感部９内を問題なく整
然と通過しているが、外部環境の影響を受けた場合に
は、図９（ｂ）に示すように、コイル５による磁束はロ
ッド１の両端で乱れ、この乱れが荷重受感部９内にも同
様に乱れ、特に荷重受感部９の両端において乱れて荷重
受感部９からはみ出しているものもある。この結果、図
９（ａ）に示す外部環境の影響のない状態から図９
（ｂ）に示す外部環境の影響のある状態になると、荷重
受感部９の両端部において磁束密度が小さくなって、性
能が変化することがわかる。また、図９（ｂ）に示す外
部環境の影響のある状態では、荷重受感部９の全長Ｌ１
の微小な寸法差が荷重受感部９の両端の磁束密度に影響
するため、性能に影響が出て、ばらつきの原因となって
いる。

【００２１】図４（ａ）は、上述した本実施形態の磁歪
式荷重センサの荷重に対する出力電圧を示すグラフであ
る。図４（ａ）に示すように、本実施形態のようにロッ
ド１に形成される荷重受感部９を細く、細径化すること
により、荷重に対する出力電圧の直線性を向上し、ヒス
テリシスを低減することができる。図４（ａ）では、荷
重に対する出力電圧の直線性は４．４％であり、ヒステ
リシスは２．２％である。

【００２２】これに対して、従来のようにロッド１を細
径化せずに全体にわたって同じ太さの場合には、図４
（ｂ）に示すように、荷重に対する出力信号の直線性お
よびヒステリシスは悪く、この場合の直線性は１２．０
％であり、ヒステリシスは９．３％となり、図４（ａ）
に示す本実施形態に比較してかなり悪いことがわかる。

【００２３】図５は、荷重受感部９の全長Ｌ１とコイル
５の全長Ｌ２との関係が性能（無負荷時出力、感度）の
偏差に及ぼす影響を示している図である。なお、同図に
示す標準偏差は、使用時の劣化、製造公差による寸法の
違い、磁気の影響によるばらつきをすべて含めて実験に
より求めたものである。

【００２４】図６は、本発明の別の実施形態に係る磁歪
式荷重センサの構成を示す図である。同図に示す実施形
態の磁歪式荷重センサは、ロッド１を細径化して形成さ
れる荷重受感部９１が両端部においてロッド１の通常の
太さの径からスロープを形成しながら連続的に徐々に細
径化するように形成した点が図１に示す磁歪式荷重セン
サの荷重受感部９と異なるものであり、その他の構成お
よび作用は同じである。なお、このようにスロープを持
って徐々に細径化された荷重受感部９１の場合には、こ
のスロープ部分を除いた一定径の細径部の軸方向の全長
がＬ１となり、この全長Ｌ１がコイル５の全長Ｌ２より
も短い必要がある。

【００２５】図７は、本発明の更に別の実施形態に係る
磁歪式荷重センサの構成を示す図である。同図に示す実
施形態の磁歪式荷重センサは、ロッド１を細径化して形
成される荷重受感部９３が両端部においてロッド１の通
常の太さの径から段階的に細径化するように形成した点
が図１に示す磁歪式荷重センサの荷重受感部９と異なる
ものであり、その他の構成および作用は同じである。な
お、このように段階的に細径化された荷重受感部９３の
場合にも、この段階的部分を除いた一定径の細径部の軸
方向の全長がＬ１となり、この全長Ｌ１がコイル５の全
長Ｌ２よりも短い必要がある。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
荷重受け部の磁路形成部分が細く形成され、他の部分に
直接接触しないようになっているので、荷重受け部に対
する摩擦がなくなり、荷重に対する出力信号の直線性が
向上し、ヒステリシスが低減し、個体間の性能のばらつ
きが小さくなり、荷重時に他の部位に比べて歪み量が増
大し、荷重の測定精度を向上することができるととも
に、また差動センサの性能差も低減し、温度特性を向上
させることができる。更に、電気的な制御による出力の
補正が不要または軽減できて、補正に必要な手間や時間
を低減でき、効率化、経済化を図ることができるととも
に、制御回路の簡易化および低価格化を図ることができ
る。

【００２７】また、本発明によれば、荷重受感部の軸方
向の長さをコイルの軸方向の長さよりも短く形成するの
で、この短く形成された荷重受感部にのみ磁束が安定的
に集中し、外部環境の影響を受けにくくなり、性能のば
らつきがなくなり、安定した性能を発揮することができ
る。また、差動センサ間の性能差を低減することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る磁歪式荷重センサの
構成を示す図である。

【図２】本発明の他の実施形態に係る磁歪式荷重センサ
の構成を示す図である。

【図３】図２に示す実施形態の磁歪式荷重センサの外部
環境の変化による磁束の流れを示す図である。

【図４】本実施形態の細径化した荷重受感部を有する磁
歪式荷重センサと細径化しない磁歪式荷重センサの荷重
に対する出力電圧を示すグラフである。

【図５】本実施形態の磁歪式荷重センサにおいて荷重受
感部の全長Ｌ１とコイルの全長Ｌ２との関係が性能の偏
差に及ぼす影響を示している図である。

【図６】本発明の別の実施形態に係る磁歪式荷重センサ
の構成を示す図である。

【図７】本発明の更に別の実施形態に係る磁歪式荷重セ
ンサの構成を示す図である。

【図８】従来の磁歪式荷重センサの構成を示す図であ
る。

【図９】従来の磁歪式荷重センサにおいて荷重受感部の
全長Ｌ１をコイルの全長Ｌ２以上に大きくした場合（Ｌ
１≧Ｌ２）のコイルの磁束の流れを示す図３に対応する
図である。

【符号の説明】

１ ロッド ３ ボビン ５ コイル ７ ケース ９ 荷重受感部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷重を受ける強磁性体からなる荷重受け
   部の周囲にコイルを巻回し、荷重受け部において受けた
   荷重に起因する歪の変化による荷重受け部自身の透磁率
   の変化をコイルで荷重として検出する磁歪式荷重センサ
   であって、 前記荷重受け部の、前記コイルが巻回されてコイルによ
   る磁束の磁路を形成する部分がコイルを含む他の部分に
   直接接触しないように細く形成されて荷重受感部を構成
   することを特徴とする磁歪式荷重センサ。
2. 【請求項２】 前記荷重受感部の軸方向の長さを前記コ
   イルの軸方向の長さよりも短く形成することを特徴とす
   る請求項１記載の磁歪式荷重センサ。