JP2005009911A

JP2005009911A - 荷重センサ

Info

Publication number: JP2005009911A
Application number: JP2003171624A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Tsuruga; 紀久夫敦賀; Masaya Kawabe; 雅也川辺; Akihiro Iwasaki; 明裕岩崎; Koji Matsubara; 浩二松原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; NEC Tokin Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Tokin Corp
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】測定対象へ磁気的悪影響を与えることなく検出感度が低下されずに高精度に荷重測定を行うことができる簡素な構造の荷重センサを提供すること。
【解決手段】この荷重センサは、周回状の単一な閉磁路構造を持つ磁性材料による磁心（荷重が加えられることで歪む周回状の本体部１、及び本体部１の表面に成膜された磁性材料による磁性膜２から成る）とその磁心の周囲に巻線を巻回して成るコイル３とを含む検出部を有する他、コイル３にコンデンサを並列接続したＬＣ発振回路４と、荷重に対応して検出部で得られるインダクタンスの変化をＬＣ発振回路４から得られる発振周波数の変化として示す直流電圧に変換する周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５とによる検出回路を備えており、磁性膜２における対向する側面に対して直接荷重（加圧力）ｆ１，ｆ２を作用させて荷重測定が可能となっている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として外部から加えられた応力（荷重の加圧力により生じるもの）により磁気特性が変化する磁性材料の磁気弾性効果を利用した荷重センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、磁性材料の磁気特性として、外部から加えられた応力により透磁率が変化する磁気弾性効果を利用した荷重センサは、既に多くのタイプのものが開発されている。
【０００３】
このような荷重センサの一例では、荷重（その作用）によって歪む円柱状の本体部と、本体部の外周表面に溶射され、本体部の歪みに応じて磁気特性が変化する帯状の磁歪材と、磁歪材の外周に配され、磁歪材の磁気特性の変化を電気的なインピーダンスの変化に変換するコイルとを磁気シールド（ケース）でシールドして覆った要部を持ち、信号処理回路において荷重によって歪む磁歪材の磁気特性の変化をコイルにおいて電気的なインピーダンスの変化として変換したものを検出することで本体部の歪みを測定（荷重測定）するようになっている（特許文献１参照）。
【０００４】
又、荷重センサの他例では、励磁コイルの軸心に配された中実ロッド状の磁性体を含んで構成される検出部（これも磁気シールドケースで覆われた構成を持つ）を有し、励磁コイルによって磁性体を磁化させた上、荷重を作用させて磁性体を歪ませ、その歪みに応じた透磁率の変化に基づくインダクタンスの変化によって荷重を検出（原理的には特許文献１の場合と同様に、荷重によって歪む磁性体の磁気特性の変化をコイルにおいて電気的なインピーダンスの変化として変換したものを検出する場合と同様とみなさせる）する荷重検出装置を構成している（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２２３５６５号公報（要約）
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−２４１９５５号公報（要約）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１の荷重センサの場合、磁歪材と磁気シールドとの配置に際して開磁路を構成して磁歪材のインダクタンスの変化を検出することになるが、開磁路を構成したときに開磁路に沿って帯状の磁歪材の端部には磁極が発生し、帯状の磁歪材の内部にコイルが発生する磁界とは逆向きの磁界である反磁界が発生してしまい、これが磁歪材の実効的透磁率を大きく低下させることになるため、結果として荷重が加えられたときの磁歪材の透磁率の変化が小さくなってしまうことにより、検出感度を高めることができないという問題を抱えている。
【０００８】
又、特許文献２の荷重検出装置（荷重センサ）の場合においても、同様に開磁路を構成して磁性体のインダクタンスの変化を検出することになるため、特許文献１の場合と同じ理由により検出感度を高めることができないという問題を抱えている。
【０００９】
以下は、ここでの荷重によって本体部が変形する際のインダクタンスの変化を検出感度（インダクタンスの変化の大きさ）と磁気回路との関係で説明する。
【００１０】
磁気回路のインダクタンスは、一般に磁性材の透磁率，磁路長，磁路断面積，及びコイル巻線数で決まる。このうち、コイル用巻線の巻回数についてはセンサの寸法等の制約により構成面でおのずと限界があり、磁性材の透磁率は材料組成で決まるため、インダクタンスを向上させる余地は、磁気回路を形づくる磁路長と磁路断面積とで決定されるものとみなすことができる。
【００１１】
即ち、インダクタンスＬ（閉磁路）を示すＬαは、μ_０を真空透磁率，μを磁性材の比透磁率，ｌを磁路長，Ａを磁路断面積，Ｎを巻線数とした場合、Ｌα＝μ_０×（μＡＮ^２／ｌ）なる関係式１として表わされる。
【００１２】
又、この関係式１において、磁気回路が開磁路になるときの空気中の透磁率を考慮すれば、ｌｇを開磁路となって磁束が通る空気中の磁路長とした場合、インダクタンスＬ（開磁路）を示すＬβは、Ｌβ＝μ_０×｛μＡＮ^２／（１＋μ×ｌｇ）｝なる関係式２として表わされる。
【００１３】
この関係式２からは、開磁路の空気中の部分がそれ程長くなくても磁性材の透磁率倍となるため、関係式２で与えられるインダクタンスＬβは関係式１のインダクタンスＬαより著しく小さくなることが判る。このことから、磁性材の透磁率特性を最大限に活かすためには、関係式２において、空気中の磁路長ｌｇを限りなく小さくすることが必要になる。即ち、結果として磁気回路を閉磁路構造とすれば、磁性材の透磁率特性を最大限に活かせることが判る。
【００１４】
更に、荷重センサにおいて利用する磁性材の透磁率変化に対するインダクタンスの変化率を考察するために、関係式２を磁性材の比透磁率μについて微分すると、その微分係数を示すＬγは、Ｌγ＝μ_０｛ｌＡＮ^２／（１＋μｌｇ）^２｝なる関係式３として表わされる。
【００１５】
関係式３からは、空気中の磁路ｌｇの発生により微分係数が小さくなり、これによって磁性材の透磁率が変化してもそれに対応してインダクタンスが変化しない状況になることが判る。即ち、この結果が荷重センサのダイナミックレンジを低下させる原因となっているといえる。
【００１６】
以上により、従来の荷重センサにおいては、磁気回路を開磁路で構成していることに起因して検出感度が低下されてしまうという構造面での根本的な問題がある他、荷重の発生源により磁性体が密着したときに磁束が磁気回路内のみならずに荷重の発生源も通ってしまうことにより測定対象によっては磁気的に悪影響を受ける危険性があり、しかも本体部が磁性シールドケースでシールドされるという複雑な基本構造となっていることにより作製に手間がかかってコスト高になり易いという問題もある。
【００１７】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、測定対象へ磁気的な悪影響を与えることなく検出感度が低下されずに高精度に荷重測定を行うことができる簡素な構造の荷重センサを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、周回状の単一な閉磁路構造を持つ磁性材料による磁心と該磁心の周囲に巻線を巻回して成るコイルとを含んで構成される検出部を有し、該検出部に直接荷重を作用させて該検出部の歪みに応じた該磁性材料の磁気特性の変化を該コイルにおいて電気的なインダクタンスの変化として変換したものを検出することによって荷重測定が可能である荷重センサが得られる。ここでの荷重センサは、周回状の単一な閉磁路構造の磁心をコイルで磁化する構成の検出部を持つため、センサ構造を簡素に小型化できる上、インダクタンス検出用の磁心が閉磁路であることにより、測定対象へ磁気的な悪影響を与えることなく検出感度が低下されずに高精度に荷重測定を行うことができる。
【００１９】
又、本発明によれば、上記荷重センサにおいて、磁心は、荷重が加えられることで歪む周回状の本体部と、本体部の表面に成膜された磁性材料としての磁性膜とから成る荷重センサが得られる。ここでの荷重センサは、磁心を周回状の本体部の表面に磁性材料としての磁性膜を成膜した構造とすることにより、検出部の磁心局部において外部から加えられた荷重により磁気特性として特に透磁率の変化が適確に発現されることを可能にしている。
【００２０】
更に、本発明によれば、上記荷重センサにおいて、本体部は、シート状のものを所定枚数積層して成る荷重センサが得られる。ここでの荷重センサは、磁心における本体部を多層の積層構造とすることにより、本体部の作製に際しての加工が容易になり、しかも高精度に本体部を作製可能であることにより、荷重に応じて一層透磁率の変化が適確に発現されることを可能にしている。
【００２１】
加えて、本発明によれば、上記何れかの荷重センサにおいて、磁性膜は、電気メッキ又は無電界メッキにより成膜された荷重センサが得られる。ここでの荷重センサは、磁心における本体部表面上に成膜される磁性膜の形成を容易にするためのもので、本体部の表面上に電気メッキにより成膜することを基本とするが、無電界メッキにより成膜することも可能である。
【００２２】
一方、本発明によれば、上記何れか一つの荷重センサにおいて、検出部は、全体の形状が略円柱状，略円筒状，略角柱状，略角筒状の何れかである荷重センサが得られる。ここでの荷重センサは、センサ構造の要部である検出部の全体形状を幾つかの形態とできることにより、実際の使用条件下や測定対象物の形状に応じた自由度を持たせることが可能となる。
【００２３】
他方、本発明によれば、上記何れか一つの荷重センサにおいて、コイルにコンデンサを並列接続したＬＣ発振回路と、荷重に対応して検出部で得られるインダクタンスの変化をＬＣ発振回路から得られる発振周波数の変化として示す直流電圧に変換する周波数／電圧変換回路とを備えた荷重センサが得られる。ここでの荷重センサは、ＬＣ発振回路及び周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路による簡素な構成の検出回路を持ち、荷重に対応して検出部で得られるインダクタンスの変化を直流電圧における発振周波数の変化として得た上で高精度に荷重測定を行うことができる。
【００２４】
又、本発明によれば、上記荷重センサにおいて、ＬＣ発振回路はコイルを駆動し、磁性膜はコイルが発生する磁場によって磁化される荷重センサが得られる。ここでの荷重センサは、ＬＣ発振回路がコイルを駆動することで磁性膜を磁化すると共に、磁性膜に加えられた荷重に応じて発振周波数が変化する機能を有することにより、検出回路の簡素化を具現することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一つの実施の形態に係る荷重センサの基本構成を検出回路を含めて示した側面断面図である。
【００２６】
この荷重センサは、周回状の単一な閉磁路構造を持つ磁性材料による磁心とその磁心の周囲に巻線を巻回して成るコイル３とを含んで構成される検出部を有する他、検出回路として、コイル３にコンデンサを並列接続したＬＣ発振回路４と、荷重に対応して検出部で得られるインダクタンスの変化をＬＣ発振回路４から得られる発振周波数の変化として示す直流電圧に変換する周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５とを備えている。
【００２７】
このうち、磁心は、荷重が加えられることで歪む周回状の本体部１と、本体部１の表面に電気メッキ又は無電界メッキにより成膜された磁性材料としての磁性膜２とから成る。ＬＣ発振回路４は、コイル３を駆動することでコイル３が発生する磁場によって磁性膜２を磁化する働きを持つ。
【００２８】
この荷重センサの場合、検出部にあっての本体部１の表面を覆った磁性膜２における対向する側面（或いは端面）に対して図示されるような向き合う方向に直接荷重（加圧力）ｆ１，ｆ２を作用させて検出部の歪みに応じた磁性材料の磁気特性の変化をコイル３において電気的なインダクタンスの変化として変換したものを検出することにより荷重測定が可能となっているが、このときに荷重に対応して検出部で得られるインダクタンスの変化を検出回路で直流電圧における周波数の変化として得られるようにしており、これによって高精度に荷重測定を行うことができるようになっている。
【００２９】
このような荷重センサの場合、周回状の単一な閉磁路構造の磁心をコイル３で磁化する構成の検出部を持つため、センサ構造を簡素に小型化できる上、インダクタンス検出用の磁心が閉磁路であることにより、測定対象へ磁気的な悪影響を与えることなく検出感度が低下されずに高精度に荷重測定を行うことができる他、磁心を周回状の本体部１の表面に磁性材料としての磁性膜２を成膜した構造とすることにより、検出部の磁心局部において外部から加えられた荷重により磁気特性として特に透磁率の変化が適確に発現されることを可能にしている。又、磁心における本体部表面上に成膜される磁性膜２を電気メッキ又は無電界メッキにより形成するようにしているので、磁性膜２の形成が容易となり、しかもＬＣ発振回路４及び周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５による検出回路を持ち、ＬＣ発振回路４がコイル３を駆動することで磁性膜２を磁化すると共に、磁性膜２に加えられた荷重に応じて発振周波数が変化する機能を有することにより、検出回路の簡素化を具現した上、荷重に対応して検出部で得られるインダクタンスの変化を周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５で直流電圧における周波数の変化として得ることができるため、高精度にして容易に荷重測定が可能になる。
【００３０】
以下は、この荷重センサについて、製造工程を含めて図１を参照して具体的に説明する。
【００３１】
この荷重センサにおいて、荷重（応力）ｆ１，ｆ２を受ける本体部１及びその表面に成膜された磁性膜２による立方体の外形寸法は、縦が１３ｍｍ，横が１０ｍｍ，奥行きが１０ｍｍであり、本体部１の材料はＳＵＳ３０４とし、この本体部１の全表面に成膜される磁性膜２の磁性材料は電気メッキにより膜厚５０μｍでメッキされたＦｅ５０ｗｔ％（以下も同様であるように質量比を示すものとする）−Ｎｉ５０ｗｔ％の高磁歪パーマロイとしている。又、コイル３は、巻線の断線を避けるために磁性体ヨークに厚みが５０μｍの耐熱性カプトンテープを２層巻きにした上、巻線の巻回数２００として構成されている。更に、コイル３とＬＣ発振回路４との結線には、本体部１の表面を覆った磁性膜２の側面に対してガラスエポキシ板上に電極２個が設けられて成る端子板を両面テープにより貼り付けた後、この端子板上で磁性体ヨークの巻線の端部をその導電パターンの所定箇所に半田付けして一旦固定し、更に導電パターンに接続された端子電極に対してＬＣ発振回路４への結線用リード線を半田付けすることにより検出信号を取り出せるようにした。
【００３２】
尚、ここでの本体部１及び磁性膜２とコイル３とにより構成される検出部は、全体の形状が略角筒状である場合を示しているが、その他にも略円柱状，略円筒状，略角柱状の何れかの形態にすることも可能である。このようにセンサ構造の要部である検出部の全体形状を幾つかの形態とすれば、実際の使用条件下や測定対象物の形状に応じた自由度を持たせることが可能となる。
【００３３】
次に、この荷重センサの基本動作を説明する。この荷重センサの場合、パーマロイによる磁性膜２はＬＣ発振回路４で駆動されるコイル３が発生する磁場によって磁化されており、この磁化された磁性膜２に対して図１に示される方向で荷重（加圧力）ｆ１，ｆ２が作用すると磁性膜２に対して圧縮力が働き、磁気弾性効果（磁歪効果）により磁性膜２の透磁率が減少するように変化し、これに伴ってコイル３のインダクタンスが変化するため、これに応じてＬＣ発振回路４の発振周波数が変化する。ここでのＬＣ発振回路４の発振周波数は、周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路５で直流出力電圧に変換され、増幅出力される。
【００３４】
そこで、このような荷重センサについて、実際に荷重測定した結果を以下に説明する。荷重測定に際しては、精密機械強度試験機を使用した上、図１に示される荷重（加圧力）ｆ１，ｆ２の方向に従うものとし、±２ｋｇｆの精度で荷重を制御しながら目的の荷重に到達したところで保持することで、荷重センサにおける荷重（ｋｇｆ）に対応した検出回路出力電圧（Ｖ）を測定したところ、図３に示すような結果となった。
【００３５】
図３では、荷重は最大４００ｋｇｆであり、検出回路の出力電圧が３Ｖから３．７Ｖの範囲で変化しており、この変化から荷重センサの検出感度は１．８ｍＶ／ｋｇｆであり、従来の特許文献１や特許文献２の場合（それらの実測値は略図する）と比べて検出感度が格段と高感度になっていることが判る。
【００３６】
又、同様にして荷重センサにおける荷重（ｋｇｆ）に対応したインダクタンス（μＨ）の変化を測定したところ、図４に示すような結果となった。
【００３７】
図４では、非荷重０ｋｇｆ状態から最大４００ｋｇｆの荷重推移に対してインダクタンスは１０５０μＨから７３５μＨまで３０％変化し、従来の特許文献１や特許文献２の場合（それらの実測値は略図する）と比べてインダクタンスが安定して大きな変化を示していることが判る。
【００３８】
図２は、本発明の他の実施の形態に係る荷重センサの基本構成を示した外観斜視図である。
【００３９】
この荷重センサの場合、先の一つの実施の形態の場合と比べ、検出部における本体部６がシート状のものを所定枚数積層して成る点が相違しており、その他の磁心を成すように本体部６表面を覆った磁性材料による磁性膜７を有する点やコイル８を備えた点は同じである。ここでの荷重センサは、磁心における本体部６を多層の積層構造とすることにより、本体部６の作製に際しての加工が容易になり、しかも高精度に本体部６を作製可能であることにより、荷重に応じて一層透磁率の変化が適確に発現されることを可能にしている。
【００４０】
具体的に言えば、ここでの本体部６は、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ３０４のシートを周回状に加工した上でそれらを積層して成るものである。この本体部６の全表面に成膜される磁性膜７の磁性材料は電気メッキにより膜厚５０μｍでメッキされたＦｅ５０ｗｔ％−Ｎｉ５０ｗｔ％の高磁歪パーマロイであり、本体部６には先の一つの実施の形態の場合と同様にインダクタンス検出用のコイル８が備えられる。尚、ここでの本体部６及びその表面に成膜された磁性膜７による立方体の外形寸法についても、先の一つの実施の形態の場合と同様に、縦が１３ｍｍ，横が１０ｍｍ，奥行きが１０ｍｍである。
【００４１】
図５は、この荷重センサにおける荷重（ｋｇｆ）に対応したインダクタンス（μＨ）の変化を測定した結果を示したものである。
【００４２】
図５では、先の図４に示した一つの実施の形態の場合と同様にインダクタンスが安定して大きな変化を示している他、シート状の本体部６が高精度に作製可能であることにより、荷重に応じて一層透磁率の変化が適確に発現されることを示唆していることが判る。
【００４３】
【発明の効果】
以上に述べた通り、本発明の荷重センサによれば、周回状の単一な閉磁路構造を持つ磁性材料による磁心の周囲に巻線を巻回して成るコイルを備え、磁心をコイルで磁化する構成の検出部を持つため、センサ構造を簡素に小型化できる上、インダクタンス検出用の磁心が閉磁路であることにより、測定対象へ磁気的な悪影響を与えることなく検出感度が低下されずに高精度に荷重測定を行うことができるようになる。又、磁心を周回状の本体部の表面に磁性材料から成る磁性膜を成膜した構造としているため、検出部の磁心局部において外部から加えられた荷重により磁気特性として特に透磁率の変化が適確に発現されるようになる。更に、磁心における本体部表面上に成膜される磁性膜を電気メッキ又は無電界メッキにより形成するようにしているので、磁性膜の形成が容易となり、しかもＬＣ発振回路及び周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路による検出回路を持ち、ＬＣ発振回路がコイルを駆動することで磁性膜を磁化すると共に、磁性膜に加えられた荷重に応じて発振周波数が変化する機能を有することにより、検出回路の簡素化を具現した上、荷重に対応して検出部で得られるインダクタンスの変化を周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路で直流電圧における周波数の変化として得ることができるため、高精度にして容易に荷重測定を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る荷重センサの基本構成を検出回路を含めて示した側面断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る荷重センサの基本構成を示した外観斜視図である。
【図３】図１に示す荷重センサにおける荷重に対応した検出回路出力電圧を測定した結果を示したものである。
【図４】図１に示す荷重センサにおける荷重に対応したインダクタンスの変化を測定した結果を示したものである。
【図５】図２に示す荷重センサにおける荷重に対応したインダクタンスの変化を測定した結果を示したものである。
【符号の説明】
１本体部
２，７磁性膜
３，８コイル
４ＬＣ発振回路
５周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換回路
６シート状本体部
ｆ１，ｆ２荷重

Claims

周回状の単一な閉磁路構造を持つ磁性材料による磁心と該磁心の周囲に巻線を巻回して成るコイルとを含んで構成される検出部を有し、該検出部に直接荷重を作用させて該検出部の歪みに応じた該磁性材料の磁気特性の変化を該コイルにおいて電気的なインダクタンスの変化として変換したものを検出することによって荷重測定が可能であることを特徴とする荷重センサ。
請求項１記載の荷重センサにおいて、前記磁心は、荷重が加えられることで歪む周回状の本体部と、前記本体部の表面に成膜された前記磁性材料としての磁性膜とから成ることを特徴とする荷重センサ。
請求項２記載の荷重センサにおいて、前記本体部は、シート状のものを所定枚数積層して成ることを特徴とする荷重センサ。
請求項２又は３記載の荷重センサにおいて、前記磁性膜は、前記本体部の表面に電気メッキ又は無電界メッキにより成膜されたことを特徴とする荷重センサ。
請求項１〜４の何れか一つに記載の荷重センサにおいて、前記検出部は、全体の形状が略円柱状，略円筒状，略角柱状，略角筒状の何れかであることを特徴とする荷重センサ。
請求項１〜５の何れか一つに記載の荷重センサにおいて、前記コイルにコンデンサを並列接続したＬＣ発振回路と、荷重に対応して前記検出部で得られる前記インダクタンスの変化を前記ＬＣ発振回路から得られる発振周波数の変化として示す直流電圧に変換する周波数／電圧変換回路とを備えたことを特徴とする荷重センサ。
請求項６記載の荷重センサにおいて、前記ＬＣ発振回路は前記コイルを駆動し、前記磁性膜は前記コイルが発生する磁場によって磁化されることを特徴とする荷重センサ。