JP2005147771A - Tension sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、張力の変化を検出するための張力センサに関する。 The present invention relates to a tension sensor for detecting a change in tension.
従来、図8に示されるような、張力の変化を検出するための張力センサが広く知られている(例えば、特許文献1参照。)。 Conventionally, a tension sensor for detecting a change in tension as shown in FIG. 8 is widely known (see, for example, Patent Document 1).
この従来公知の張力センサ1は、2本の引張りロッド2A、2Bに固定され、且つ、センサハウジング3のセンサ室4内を摺動可能なプランジャ5と、このプランジャ5に設けられたスプリング6とセンサハウジング3との間に配設された円柱形状のビラリ効果センサ7と、を備えている(特許文献1参照。)。なお、2本の引張りロッド2A、2Bにおける反プランジャ5側は、引張りロッドヘッド8に連結されており、この引張りロッドヘッド8には、張力センサ1を固定するための据付ボルト穴8Aが形成されている。この張力センサ1の引張りロッドヘッド8側は、据付ボルト穴8Aを介して据付ボルト(図示略)によって固定され、センサハウジング3に張力F1が印加される構造となっている。
This conventionally known
センサハウジング3に張力F1が印加され、センサハウジング3が移動すると、ビラリ効果センサ7が軸方向の圧縮力を受ける。従って、この圧縮力に基づくビラリ効果センサ7の透磁率の変化を検出コイル(図示略)等で検出することによって、張力センサ1に印加される張力F1の変化を検出することができる。
When the tension F1 is applied to the sensor housing 3 and the sensor housing 3 moves, the billiary effect sensor 7 receives an axial compressive force. Therefore, a change in the tension F1 applied to the
しかしながら、この従来公知の張力センサ1において、ビラリ効果センサ7の中心軸L1に対して角度θ1だけ傾斜した方向に張力F2が印加された場合、ビラリ効果センサ7には張力F2に伴う圧縮力及びトルクが作用するため、中心軸L1方向の変形に加えて捩れが発生する。そのため、ビラリ効果センサ7において張力の変化を正確に検出することができず、検出精度が悪くなってしまうといった問題点があった。
However, in this conventionally known
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、張力の作用方向に関わらず、張力変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の張力センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and provides a tension sensor having a simple structure capable of detecting a change in tension with high accuracy and high sensitivity regardless of the direction of action of tension. The purpose is to do.
本発明の発明者は、研究の結果、張力の作用方向に関わらず、張力変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の張力センサを見出した。 As a result of research, the inventors of the present invention have found a tension sensor having a simple structure capable of detecting a change in tension with high accuracy and high sensitivity regardless of the direction of action of tension.
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。 That is, the above-described object can be achieved by the following present invention.
(1)張力が印加される伝達部材と、該伝達部材から受ける応力に基づいて前記張力の変化を検出するための張力検出部材を、それぞれの中心軸が一致するように配設し、且つ、該中心軸上の一点を支点として揺動自在とすることによって、前記張力の作用線が、前記伝達部材及び張力検出部材の中心軸と一致するようにしたことを特徴とする張力センサ。 (1) A transmission member to which a tension is applied and a tension detection member for detecting a change in the tension based on the stress received from the transmission member are arranged so that the respective central axes coincide with each other; and A tension sensor characterized in that the action line of tension coincides with the central axis of the transmission member and the tension detection member by making it swingable with one point on the central axis as a fulcrum.
(2)張力が印加される伝達部材と、該伝達部材から受ける応力に基づいて前記張力の変化を透磁率の変化として検出するための磁歪部材を、それぞれの中心軸が一致するように配設し、且つ、該中心軸上の一点を支点として揺動自在とすることによって、前記張力の作用線が、前記伝達部材及び磁歪部材の中心軸と一致するようにしたことを特徴とする張力センサ。 (2) A transmission member to which tension is applied, and a magnetostrictive member for detecting the change in tension as a change in permeability based on the stress received from the transmission member are arranged so that their central axes coincide. In addition, the tension sensor is characterized in that the action line of the tension coincides with the central axis of the transmission member and the magnetostrictive member by making it swingable with one point on the central axis as a fulcrum. .
(3)前記磁歪部材を略筒状に成形し、且つ、前記伝達部材を、前記磁歪部材の軸方向一端面に接触して配置された板状体及び該板状体を基端として前記磁歪部材の内側空間内を貫通して設けられた棒状体によって構成したことを特徴とする前記(2)記載の張力センサ。 (3) The magnetostrictive member is formed in a substantially cylindrical shape, and the transmission member is disposed in contact with one end surface in the axial direction of the magnetostrictive member, and the magnetostriction is based on the plate-like body. The tension sensor according to (2), wherein the tension sensor is constituted by a rod-like body provided so as to penetrate through the inner space of the member.
(4)前記磁歪部材は円筒形状からなり、且つ、前記伝達部材における前記板状体は、前記磁歪部材の軸方向一端面と同一の外径を有する円板形状からなることを特徴とする前記(3)記載の張力センサ。 (4) The magnetostrictive member has a cylindrical shape, and the plate-like body in the transmission member has a disk shape having the same outer diameter as one end surface in the axial direction of the magnetostrictive member. (3) The tension sensor described in the above.
(5)前記磁歪部材の軸方向に予荷重を印加可能としたことを特徴とする前記(2)乃至(4)のいずれかに記載の張力センサ。 (5) The tension sensor according to any one of (2) to (4), wherein a preload can be applied in an axial direction of the magnetostrictive member.
(6)前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする前記(2)乃至(5)のいずれかに記載の張力センサ。 (6) The tension sensor according to any one of (2) to (5), wherein the magnetostrictive member is a giant magnetostrictive member made of a giant magnetostrictive element.
本発明に係る簡易構造の張力センサは、張力の作用方向に関わらず、張力変化を高精度、高感度で検出することができるという優れた効果を有する。 The tension sensor having a simple structure according to the present invention has an excellent effect that a change in tension can be detected with high accuracy and high sensitivity regardless of the direction of action of tension.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1及び図2に示されるように、本発明の実施形態に係る張力センサ10は、非磁性体からなる箱状のケース12を備えており、このケース12内には、図中Lを中心軸とする円筒形状の超磁歪部材14と、この超磁歪部材14の内側空間14Aに同軸的に配設された伝達部材16と、この伝達部材16の上部に配設された皿バネ18と、超磁歪部材14の外周を囲むように配設されたピックアップコイル20がそれぞれ収容されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
又、ケース12の上部には、皿バネ18を介して超磁歪部材14の軸方向Lに予荷重を印加するための予荷重ネジ22が取り付けられており、これによって超磁歪部材14に印加する予荷重が調整可能な構造となっている。なお、予荷重ネジ22による予荷重は、張力センサ10の諸元に合わせて最適な値に設定される。
A
更に、予荷重ネジ22の上部には取付リング24が設けられており、この取付リング24は、更にワイヤ26を介して、超磁歪部材14及び伝達部材16の中心軸L上に位置し、且つ、ベース板28に固定された固定リング30に連結されている。即ち、ケース12は、中心軸L上に位置する固定リング30を支点として揺動自在な構造となっている。
Further, an
伝達部材16は、円板形状からなる板状体16Aと、棒状体16Bによって構成されている。板状体16Aは、超磁歪部材14の軸方向Lの一端面14Bに接触して配置され、且つ、この一端面14Bと同一の外径を有している。又、棒状体16Bは、この板状体16Aを基端として超磁歪部材14の内側空間14A内を貫通して設けられており、その先端部はケース12の外部に突出されている。
The
超磁歪部材14は、超磁歪素子を材料として用いている。ここで、「超磁歪素子」とは、希土類元素および/または特定の遷移金属などを主成分(例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など)とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいう。この(超)磁歪素子は、外部から応力を受けて変形すると大きな透磁率(又は残留磁化量)の変化を生じる特性を有している。即ち、(超)磁歪素子が引張り力を受けて伸長すると透磁率が上がり、(超)磁歪素子が圧縮力を受けて縮小すると透磁率が下がる。
The giant
ピックアップコイル20は、このような超磁歪部材14の変形によって生じる透磁率又は残留磁化量の変化を、ピックアップコイル20のインダクタンスの変化として検出可能である。
The
次に、張力センサ10の作用について説明する。
Next, the operation of the
張力センサ10の伝達部材16に張力Fが印加されると、伝達部材16の板状体16Aを介して超磁歪部材14の一端面14Bに、軸方向Lの圧縮力が加えられる。そして、この伝達部材16からの圧縮力によって、超磁歪部材14に変形が生じ、超磁歪部材14は半径方向に伸長すると共に、軸方向に収縮する。その結果、ピックアップコイル20の内側空間に占める超磁歪部材14の容積が変化すると共に、この超磁歪部材14の透磁率又は残留磁化量が変化する。従って、この透磁率または残留磁化率の変化をピックアップコイル20のインダクタンス値の変化として検出することで、伝達部材16に印加される張力Fの変化を検出することができる。
When the tension F is applied to the
又、図3に示されるように、張力センサ10に、鉛直方向Vに対して角度θだけ傾斜した方向に張力Fを印加した場合であっても、ケース12内の超磁歪部材14及び伝達部材16は、固定リング30を支点として揺動自在な構造となっているため、張力Fの作用線は、常に、超磁歪部材14及び伝達部材16の中心軸Lと一致する。従って、張力Fの作用方向に関わらず、張力Fを中心軸L方向の圧縮力として超磁歪部材14に伝達することができる。
Further, as shown in FIG. 3, even when the tension F is applied to the
図4に示されるように、本発明の発明者らは、鉛直方向Vに固定された張力センサ40を用意した上で、鉛直方向Vに沿って張力Fを印加した場合(図4(A)の比較例1)と、上記図3と同様に鉛直方向Vに対して角度θだけ傾斜した方向に張力Fを印加した場合(図4(B)の比較例2)における、張力Fとピックアップコイル20のインダクタンス値Iとの関係についてデータを採取し、張力センサ10との比較を行った。なお、この例では、超磁歪部材14として、外径10mm、内径6mm、長さ6mmの素子を用いると共に、鉛直方向Vに対する角度θは19度に設定した。
As shown in FIG. 4, the inventors of the present invention prepare a tension sensor 40 fixed in the vertical direction V, and then apply a tension F along the vertical direction V (FIG. 4A). The tension F and the pickup coil in the case of applying the tension F in the direction inclined by the angle θ with respect to the vertical direction V (Comparative Example 2 in FIG. 4B) as in FIG. Data on the relationship with the inductance value I of 20 was collected and compared with the
その結果、図5に示されるように、張力センサ40において角度θの方向に張力Fを印加した場合(比較例2)には、比較例1のように鉛直方向Vに沿って張力Fを印加した場合に比べ、張力Fの検出精度が著しく低下した。一方、本実施形態に係る張力センサ10において角度θの方向に張力Fを印加した場合(実施例)には、比較例1と略同程度の検出精度が確保できることが確認された。
As a result, as shown in FIG. 5, when the tension F is applied in the direction of the angle θ in the tension sensor 40 (Comparative Example 2), the tension F is applied along the vertical direction V as in Comparative Example 1. Compared with the case, the detection accuracy of the tension F was remarkably lowered. On the other hand, when the tension F was applied in the direction of the angle θ in the
本発明に係る張力センサ10によれば、張力Fが印加される伝達部材16と、この伝達部材16から受ける圧縮力(応力)に基づいて張力Fの変化を検出するための超磁歪部材14(張力検出部材)を、それぞれの中心軸Lが一致するように配設し、且つ、該中心軸L上の固定リング30を支点として揺動自在とすることによって、張力Fの作用線が、伝達部材16及び超磁歪部材14の中心軸Lと一致するようにしたため、張力Fの作用方向に関わらず、伝達部材16によって、張力Fを中心軸L方向の圧縮力として超磁歪部材14に伝達することができ、張力変化を高精度、高感度で検出することができる。
According to the
特に、略筒状の超磁歪部材14と、この超磁歪部材14の軸方向Lの一端面14Bに接触して配置された板状体16A及びこの板状体16Aを基端として超磁歪部材14の内側空間14A内を貫通して設けられた棒状体16Bによって構成された伝達部材16と、を有してなるため、構造が極めて簡易で、製造が容易である上に、伝達部材16に印加される張力を、超磁歪部材14に対して偏り無く、均一に伝達することができ、張力変化をより一層高精度、高感度で検出することができる。
In particular, the substantially cylindrical giant
又、超磁歪部材14は円筒形状からなり、且つ、伝達部材16における板状体16Aは、超磁歪部材14の軸方向端面14Bと同一の外径を有する円板形状からなるため、伝達部材16に加えられる張力を、超磁歪部材14へ効率良く伝達することができ、張力変化の検出が更に高められている。
The
更に、予荷重ネジ22によって超磁歪部材14の軸方向Lに予荷重を印加可能であるため、予荷重を張力センサ10の諸元に合わせて調整すれば、張力検出の特性(直線性やヒステリシス特性)を最適設計することができる。
Further, since the preload can be applied in the axial direction L of the
なお、本発明に係る張力センサは、上記実施形態に係る張力センサ10の構造や形状等に限定されるものではなく、例えば、超磁歪部材14は円筒形状ではなく、角筒形状等であってもよい。又、伝達部材16の板状体16Aは、超磁歪部材14の軸方向一端面14Bと同一の外径を有する円板形状の部材に限定されるものではない。更に、検出感度をそれ程高める必要がない場合には、超磁歪部材14の代わりに磁歪素子からなる磁歪部材を適用してもよく、又、所望の張力検出特性が得られる場合には、予荷重ネジ22を取り付けなくてもよい。
The tension sensor according to the present invention is not limited to the structure, shape, and the like of the
又、伝達部材16から受ける応力に基づいて張力Fの変化を検出するための張力検出部材は、(超)磁歪部材に限定されるものではなく、張力センサは、張力が印加される伝達部材と、該伝達部材から受ける応力に基づいて前記張力の変化を検出するための張力検出部材を、それぞれの中心軸が一致するように配設し、且つ、該中心軸上の一点を支点として揺動自在とすることによって、前記張力の作用線が、前記伝達部材及び張力検出部材の中心軸と一致するようにしたものであればよい。
Further, the tension detection member for detecting the change in the tension F based on the stress received from the
従って、例えば、図6に示される張力センサ50のように、超磁歪部材14に代えて、略円筒形状の導電性ゴム52を張力検出部材として適用してもよい。この導電性ゴム52の上端及び下端には、上端電極54A及び下端電極54Bが配設され、導電性ゴム52に所定の電流が流されていると共に、電流検出手段56によって電流値の変化が検出可能な構造となっている。
Therefore, for example, a substantially cylindrical conductive rubber 52 may be applied as the tension detecting member instead of the
この張力センサ50では、伝達部材16に張力Fが印加されると、伝達部材16の板状体16Aを介して導電性ゴム52の上端に、軸方向Lの圧縮力が加えられる。そして、この伝達部材16からの圧縮力によって導電性ゴム52に変形(歪み)が生じ、この導電性ゴム52の抵抗値が変化する。従って、図7に示されるように、この抵抗値の変化を、電流検出手段56における電流値の変化として検出することで、伝達部材16に印加される張力Fの変化を検出することができる。
In the
又、張力センサ50においても、上述の張力センサ10と同様に、張力Fの作用方向に関わらず、伝達部材16によって、張力Fを中心軸L方向の圧縮力として導電性ゴム52に伝達することができ、張力変化を高精度、高感度で検出することができる。
Also in the
なお、上記実施形態に係る張力センサ10においては、超磁歪部材14の透磁率の変化を検出するための検出手段としてピックアップコイル20を適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。従って、例えば、検出手段としてMR、GMR、TMR等の磁気抵抗効果素子やホール素子を適用し、透磁率の変化を磁気抵抗効果素子やホール素子の起電力変化として検出してもよい。
In the
F、F1、F2…張力
L、L1…中心軸
I…インダクタンス
θ、θ1…角度
1、10、40、50…張力センサ
2A、2B…引張りロッド
3…センサハウジング
4…センサ室
5…プランジャ
6…スプリング
7…ビラリ効果センサ
8…引張りロッドヘッド
8A…据付ボルト穴
12…ケース
14…超磁歪部材
14A…内側空間
14B…軸方向端面
16…伝達部材
16A…板状体
16B…棒状体
18…皿バネ
20…ピックアップコイル
22…予荷重ネジ
24…取付リング
26…ワイヤ
28…ベース板
30…固定リング
52…導電性ゴム
54A…上端電極
54B…下端電極
56…電流検出手段
F, F1, F2 ... tension L, L1 ... central axis I ... inductance θ, θ1 ...
Claims (6)
前記磁歪部材を略筒状に成形し、且つ、前記伝達部材を、前記磁歪部材の軸方向一端面に接触して配置された板状体及び該板状体を基端として前記磁歪部材の内側空間内を貫通して設けられた棒状体によって構成したことを特徴とする張力センサ。 In claim 2,
The magnetostrictive member is formed into a substantially cylindrical shape, and the transmission member is disposed in contact with one end surface in the axial direction of the magnetostrictive member, and the inner side of the magnetostrictive member with the plate-like body as a base end A tension sensor characterized by comprising a rod-like body provided through the space.
前記磁歪部材は円筒形状からなり、且つ、前記伝達部材における前記板状体は、前記磁歪部材の軸方向一端面と同一の外径を有する円板形状からなることを特徴とする張力センサ。 In claim 3,
The tension sensor according to claim 1, wherein the magnetostrictive member has a cylindrical shape, and the plate-like body of the transmission member has a disc shape having the same outer diameter as one axial end surface of the magnetostrictive member.
前記磁歪部材の軸方向に予荷重を印加可能としたことを特徴とする張力センサ。 In any of claims 2 to 4,
A tension sensor characterized in that a preload can be applied in the axial direction of the magnetostrictive member.
前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする張力センサ。 In any of claims 2 to 5,
A tension sensor comprising the magnetostrictive member made of a giant magnetostrictive member made of a giant magnetostrictive element.
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