JP2005351872A - 磁歪式荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡便で且つ、低コストで製造できるとともに、大量生産された場合でも、別途部材を必要とせず、使用時における感度再現性を確保すること。
【解決手段】 コイル１１０は、コイル１１０の軸心に配置された棒状受圧部１２０の受感部１２２を励磁する。棒状受圧部１２０は、先端面１２５で荷重を受ける。ヨーク１３０は、棒状受圧部１２０の先端部１２４を突出させて、コイル１１０を囲み、受感部１２２の磁路を形成する。貫通孔１６１、テーパ部１６３は、ヨーク１３０から突出する棒状受圧部１２０の磁路外部分である先端部１２４に設けられ、先端面１２５で受けた荷重が受感部１２２に伝搬する経路を規制し、受感部１２２内での応力分布を同じ割合で再現させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷重を検出する荷重センサに関し、特に、磁歪効果によって、磁性体に作用する荷重を電磁気的に検出する磁歪式荷重センサに関する。

従来、弾性体に作用する荷重を検出する荷重センサとしては、歪ゲージ式ロードセルが知られている。歪ゲージ式ロードセルは、荷重を受けて弾性変形する弾性体の歪を検出し、この検出した歪に基づいて弾性体に作用する荷重を算出する。しかし、この歪ゲージ式ロードセルは、ゼロ補正なしに長期使用不可、或いは直接弾性体にゲージの貼り付けが必要なため、ゲージが剥がれる可能性が高く、長期使用或いは回数使用に対応できない。また、出力信号が微弱であるために信号処理回路が複雑になり、制作コストがかかる。

これに対して、近年、例えば、特許文献１に示す、逆磁歪効果を利用する磁歪式荷重センサが注目されている。

この磁歪式荷重センサは、荷重を受ける磁性体と、磁性体の周囲に配置されたコイルと、更にそのコイルを取り囲み、荷重を受ける磁性体を磁路の一部として使用する構成のヨークとからなり、受けた荷重に応じて起こる磁性体の透磁率変化をセンサのインピーダンス変化として検出することによって荷重を測定する。
特開平１１−２４１９５５号公報

ところで、特許文献１に示す従来の磁歪式荷重センサでは、磁性体に加わる荷重の方向、位置により、インピーダンスの変化量が変動することが知られている。

詳細には、磁性体が受ける荷重が斜めであったり、中心からずれている場合、検出可能な方向の荷重が分力となる。この分力は、斜めから受ける荷重の傾きの変化や、荷重負荷点の移動により変動する。これにより、磁性体でのインダクタンスが変動し、斜め荷重の傾き変化や、荷重負荷点の移動によってコイルのインピーダンス変化量の変動が生じる。

さらに、磁性体が受ける荷重が斜めであったり、中心からずれている場合、磁路内において検出したい方向以外の圧縮または引っ張りの応力がかかり、検出したい方向以外の方向で磁歪効果が生じる。この現象は、検出方向の磁歪効果を軽減させるため、検出できる荷重が小さくなる。これにより、斜め荷重の傾き変化や、荷重負荷点の移動によって、マイナスになる磁歪効果の程度が変化し、検出する磁歪効果量が減少する。

このように、磁性体が同じ大きさの力を受けた場合でも、磁性体に加わる力の向き、位置の違いによって、コイルのインピーダンスの変化量（センサの感度）が異なり、異なる荷重値として検出してしまう。

このため、インピーダンスの変化量を変動させ難くする方法、つまり、インピーダンスの変化量（センサの感度）の再現性を確保するため、磁性体に対して、常に同じ角度、同じ位置に荷重をかける方法が考えられる。

しかしながら、この方法では、磁歪式荷重センサにおけるセンサ感度の再現性を確保するために、磁歪式荷重センサとともに、磁歪式荷重センサの磁性体に荷重をかける部材を精度良く製造する必要が生じるため、その製造に手間が掛かるという問題がある。加えて、磁歪式荷重センサと、磁性体に荷重をかける部材とを精度良く配置する煩雑な作業が生じるため、大量生産に向かずコストがかさむという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡便で且つ、低コストで製造できるとともに、大量生産された場合でも、別部材を必要とせず、使用時における感度再現性を確保できる磁歪式荷重センサを提供することを目的とする。

本発明の磁歪式荷重センサは、コイルと、前記コイルの軸心に配置され、前記コイルにより励磁される磁性部を備えるとともに、一端で荷重を受ける棒状受圧部と、前記棒状受圧部の前記一端側を突出させて、前記コイルを囲み、前記磁性部とともに磁路を形成するヨークとを有し、前記棒状受圧部は、前記ヨークから突出する磁路外部分に、前記一端で受けた荷重が前記磁性部に伝搬する経路を規制し、前記磁性部内での応力分布を同じ割合で再現させる経路規制部を備える構成を採る。なお、前記磁性部とは、磁化率（χｓ）が１以上（１≦χｓ）のものをいう。

この構成によれば、棒状受圧部の一端で受けた荷重は、経路規制部によって磁性部に伝搬する経路が規制され、磁性部内での応力分布の再現性が向上するため、コイルにより磁化される磁性部内における透磁率の分布も同じ割合で再現される。よって、透磁率の分布が同じ割合で再現されることによって、透磁率の変化に左右されるセンサのインピーダンス変化量、つまり、センサの感度が変動しにくくなり、一端で受ける荷重の位置が異なったり、また、斜めに負荷された場合でも、センサの感度が変動しにくく、センサの再現性を確保することができ、荷重を正確に検出できる。

これにより、従来と異なり、センサのインピーダンス変化量の再現性を確保するために、別部材を必要とすることがない。したがって、簡便で且つ、低コストで製造できるとともに、大量生産された場合でも、使用時における感度再現性を確保できる。

以上説明したように、本発明によれば、簡便で且つ、低コストで製造できるとともに、大量生産された場合でも、別部材を必要とせず、使用時における感度再現性を確保できる。

以下、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、本発明の一実施の形態に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す概略断面図である。図１に示す磁歪式荷重センサ１００は、コイル１１０と、コイル１１０の軸心に配置され、コイル１１０により励磁される受感部（磁性部）１２２を備える棒状受圧部１２０と、棒状受圧部１２０の一端部側を突出させて、コイル１１０を囲むヨーク１３０とを有する。

コイル１１０は、電流が流れることによって受感部１２２を磁化する励磁コイルと、励磁コイルと電気的に絶縁されるとともに、磁化した受感部１２２の磁気特性の変化を検出する検出コイルとの両方の機能を有する。

図２は、本発明の一実施の形態に係る磁歪式荷重センサ１００を示す斜視図である。

図２に示すように、コイル１１０は検出コイルを兼ねる励磁コイルを有し、ボビン１１２に巻き付けることにより、棒状受圧部１２０（詳細には、受感部１２２）の周囲に所定間隔をあけて巻装された状態となっている。よって、棒状受圧部１２０とコイル１１０との間には、ギャップＧが形成されている。なお、図示しないが、コイルは、リード線１１０ａ（図２参照）を介して接続される発振回路により駆動される。また、図示しないが、コイル１１０には、リード線１１０ａを介してインピーダンス変化を検出する電子回路に接続される。

棒状受圧部１２０は、ヨーク１３０の底部を構成する平板部１３１と一体的に形成され、この平板部１３１の略中央部から略垂直に立った状態で設けられている。

なお、本実施の形態１における平板部１３１は、図２に示すように、円盤状をなすが、これに限らず、磁歪式荷重センサ１００のヨーク１３０の形状に対応するものであれば、どのような形状をなしてもよい。例えば、ヨーク１３０が角柱状であれば、矩形板状の平板部１３１となる。この棒状受圧部１２０は、平板部１３１とともにコア１５０を形成している。

この棒状受圧部１２０の一端部１２４は、ヨーク１３０の平板部１３１と対向する面、ここでは蓋部１３３の略中央部に形成された開口部１３５を挿通して外部に突出し、その端面１２５（以下、「先端面」という）で荷重を受ける。先端面１２５で受けた荷重は、棒状受圧部１２０を他端部１２６側、つまり、平板部１３１側に伝達され、受感部１２２に伝達される。以下では、ヨーク１３０から突出する棒状受圧部１２０の一端部１２４を、先端部若しくは磁路外部分という。

また、この棒状受圧部１２０において磁路外部分である先端部１２４には、棒状受圧部１２０の軸心と直交する方向に貫通する貫通孔（経路規制部）１６１と、先端面１２５に向かって狭窄するテーパ部（経路規制部）１６３が設けられている。

これら貫通孔１６１及びテーパ部１６３により、先端面１２５で受けた荷重は、受感部１２２に至るまでに、荷重の伝搬経路が規制される。

詳細には、棒状受圧部１２０に負荷される荷重は、まず、テーパ部１６３により狭窄され、棒状受圧部１２０の径よりも小さい径の先端面１２５で受け、この先端面１２５から基端部側に伝搬する。

次いで、先端面１２５が受けた荷重は、貫通孔１６１によって、貫通孔１６１の無い箇所へと伝搬されて、棒状受圧部１２０の磁路内部分に至る。つまり、荷重の伝搬経路は、テーパ部１６３及び貫通孔１６１により狭くなる。

これにより、受感部１２２では、常に同じ割合で応力が分布する、つまり、受感部１２２における応力分布の再現性の向上が図られる。

言い換えれば、棒状受圧部１２０の磁路外部分、つまり、先端部１２４は、貫通孔１６１及びテーパ部１６３を有することによって、受感部１２２における応力分布を常に一定の割合で分布させる構成を備えている。受感部１２２は、磁化率（χｓ）が１以上（１≦χｓ）の磁性体により形成され、常磁性体（０＜χｓ＜＜１）とは異なる。

この棒状受圧部１２０は、本実施の形態では、平板部１３１とともに磁性体からなる。これら棒状受圧部１２０及び平板部１３１は、例えば、鉄系、鉄クロム系、鉄ニッケル系、鉄コバルト系、純鉄、鉄ケイ素系、鉄アルミニウム系、パーマロイ材、超磁歪材料等の磁性材料が挙げられる。

また、カバー１３７も同様に磁性体（ここでは、強磁性体）からなり、カバー１３７は、平板部１３１とともにヨーク１３０となり、受感部１２２をその一部として含む磁気通路（以下、「磁路」という）を形成する。言い換えれば、このヨーク１３０は、棒状受圧部１２０の受感部１２２とともに磁路を形成している。

なお、棒状受圧部１２０は、少なくともコイル１１０にギャップＧを介して周囲を囲まれた受感部１２２を、１以上の磁化率（χｓ）を有する磁性体（詳細には磁歪材料）で形成すればよい。そして、磁路内に配置される受感部１２２に磁気が通る構成であれば、その他の部分については、非磁性体であってもよい。例えば、平板部１３１から立ち上がる棒状受圧部１２０自体を非磁性体で形成し、そして、棒状受圧部１２０においてヨーク１３０内部に配置される部分、詳細には、コイル１１０に囲まれる外周部分に磁性膜を設ける構成としてもよい。

この棒状受圧部１２０では、受ける荷重は磁路外部分（具体的には、ヨーク１３０から突出する先端部１２４）によって規制された状態で受感部１２２に伝達されるため、受感部１２２において、荷重に対する応力が常に略同じ割合で分布する。

これにより、受感部１２２における透磁率も常に略同じ割合で分布することとなる。よって、受感部１２２は、応力分布と同様に分布する透磁率を有するものとして構成されている。この受感部１２２における透磁率の分布は、磁束が透磁率の高い所を通るため、センサのインピーダンス変化量を左右する。

なお、図２では、コイル１１０の外周部分にはほぐれを防止するため、防止テープ１１０ｂが貼着されている。

ヨーク１３０は、平板部１３１とカバー１３７により形成される。

カバー１３７は、蓋部１３３と、蓋部１３３の周縁部１３３ａから略直交する方向に突出して設けられる周壁部１３６とで形成される。

このカバー１３７の周壁部１３６の開口端部１３６ａを平板部１３１の外周縁部１３１ａに接合することによって、受感部１２２の磁路が形成されている。

このように構成される磁歪式荷重センサ１００では、コイル１１０に流れる電流によって磁化された棒状受圧部１２０の先端面１２５に外部荷重Ｐ（図１参照）が印加されると、外部荷重Ｐは棒状受圧部１２０の磁路外部分を伝わり、受感部１２２に圧縮力として作用する。

この圧縮力の作用により、受感部１２２では、棒状受圧部１２０の軸方向の荷重を受けることよって生じる磁歪効果によって、透磁率が減少してセンサのインピーダンス変化が発生し、このインピーダンス変化に基づいて外部荷重Ｐを電磁気的に検出する。

詳細には、図示しない発振回路によって励磁コイルを駆動し、この励磁コイルの駆動によって棒状受圧部１２０を磁化する。この磁化された棒状受圧部１２０の先端面１２５に荷重Ｐが軸方向に作用すると、棒状受圧部１２０に対して圧縮力が働く。つまり、棒状受圧部１２０では、荷重が磁路外部分（先端部１２４）を通ることにより、受感部１２２に規制された状態で伝搬する。

受感部１２２では、磁路外部分にて伝搬経路が規制された荷重を受けることにより、その応力分布が、常に同じ割合で一定に分布する。これにより透磁率も同様に分布することとなる。よって、受感部１２２では、透磁率の変化量が常に一定の割合で生じ、これに対応してセンサのインピーダンス変化が発生する。

この受感部１２２の透磁率変化によりセンサのインピーダンス変化が生じる。このインピーダンス変化に基づく信号をリード線１１０ａを介して検出回路（例えばブリッジ回路）に出力し、この検出回路によって、荷重に応じた出力信号を得ることができる。尚、磁歪効果は、棒状受圧部１２０が超磁歪材により構成される場合、数１００〜数１０００ｐｐｍ、その他は数１０ｐｐｍ以下となる。

このような磁歪式荷重センサ１００では、斜め荷重を受けた場合や棒状受圧部１２０の中心からずれた荷重を受けた場合でも、磁路内の応力分布は再現されやすく、センサのインピーダンス変化量の変動が少ない。

よって、本実施の形態によれば、簡便で且つ、低コストで製造できるとともに、大量生産された場合でも、別部材を必要とせず、使用時における感度再現性を確保できる。

なお、本実施の形態では、棒状受圧部１２０において、先端部１２４に貫通孔１６１及びテーパ部１６３を形成することによって、棒状受圧部１２０の磁路外部分を加工したが、これに限らない。

つまり、先端面１２５で受ける荷重を、受感部１２２において常に同じ割合で応力を分布させるために、磁路外部分での荷重の伝搬経路を規制する構成であれば、棒状受圧部１２０の磁路外部分はどのように加工されてもよい。なお、以下では、端面で荷重を受ける棒状受圧部１２０において受感部１２２に伝搬する荷重の伝搬経路を規制する部分を加工部という。

また、棒状受圧部１２０がヨークから外部に突出し、荷重が負荷される部分（磁路外部分）の長さ、つまり、ヨーク１３０の蓋部１３３の上面からの長さを棒状受圧部１２０の直径と同じ長さ以上とし、このように形成された磁路外部分を加工部としてもよい。

また、突出部分に表面処理を行ったり、表面改質を行う等して、受感部１２２よりも硬度を上げて加工部を形成してもよい。さらに、荷重が負荷される側の磁路外部分に、荷重負荷方向に沿ってスリットを形成してもよい。

このように棒状受圧部１２０の磁路外部分を加工することにより、棒状受圧部１２０の磁路外部分の構造を変更してなる磁歪式荷重センサの例を、変形例として説明する。以下の変形例では、加工部を、テーパ部、貫通孔、孔部、切欠部としている。なお、図３〜図７を参照して示す各変形例は、図１及び図２でしめす磁歪式荷重センサ１００と同様の基本的構成を有し、コイルと、棒状受圧部との間に形成されるギャップＧを有する。

（変形例１）
図３は、本実施の形態の変形例１に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す図である。図３（ａ）は同磁歪式荷重センサの構成を示す概略断面図、図３（ｂ）は同磁歪式荷重センサの先端面を示す平面図である。

なお、図３に示す変形例１としての磁歪式荷重センサ２００は、図１に示す実施の形態１に対応する磁歪式荷重センサ１００と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

詳細には、磁歪式荷重センサ２００は、磁歪式荷重センサ１００の構成において、磁路外部分の構成を変更したものである。ここでは、磁歪式荷重センサ２００は、コア１５０に替えて、コア２５０を備える。つまり、磁歪式荷重センサ２００は、コイル１１０、カバー１３７及びコア２５０を有する。

コア２５０は、平板部１３１と、平板部１３１から立ち上がり、先端部２２４がヨーク１３０から外部に突出する棒状受圧部２２０とを有する。棒状受圧部２２０は、ヨーク１３０内において、周囲をコイル１１０で囲まれる部位に、実施の形態１の棒状受圧部１２０と同様の受感部１２２を備える。

そして、棒状受圧部２２０においてヨーク１３０から外部に突出する先端部２２４、つまり、磁路外部分には、４つの孔部１６５が棒状受圧部２２０の軸心を中心に直交する２辺の延長線上にそれぞれ側方に開口して設けられている。

孔部１６５は、受感部１２２における応力分布を常に一定の割合で分布させるものであり、先端面２２５で受ける荷重の伝搬経路を棒状受圧部２２０の磁路内部分に至るまでに、狭くしている。この孔部１６５によって、受感部１２２における応力分布の再現性の向上が図られる。

（変形例２）
図４は、本実施の形態の変形例２に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す概略断面図である。なお、図４に示す変形例２としての磁歪式荷重センサ３００は、図１に示す実施の形態１に対応する磁歪式荷重センサ１００と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

詳細には、磁歪式荷重センサ３００は、磁歪式荷重センサ１００の構成において、磁路外部分の構成を変更したものである。ここでは、磁歪式荷重センサ３００は、コア１５０に替えて、コア３５０を備える。つまり、磁歪式荷重センサ３００は、コイル１１０、カバー１３７及びコア３５０を有する。

コア３５０は、平板部１３１と、平板部１３１から立ち上がり、先端部３２４がヨーク１３０から外部に突出する円柱状の棒状受圧部３２０とを有する。棒状受圧部３２０は、ヨーク１３０内において、周囲をコイル１１０で囲まれる部位に、実施の形態１の棒状受圧部１２０と同様の受感部１２２を備える。

そして、棒状受圧部３２０においてヨーク１３０から外部に突出する先端部３２４、つまり、磁路外部分には、受感部１２２における応力分布を常に一定の割合で分布させる貫通孔１６７が設けられている。

貫通孔１６７は、磁路外部分に、複数（ここでは４つ）設けられ、先端面３２５側からそれぞれ軸心を通るとともに、所定間隔を空けて互い違いに交差させて配置されている。

４つの貫通孔１６７によって、先端面３２５で受けた荷重は、磁路内部分、つまり、受感部１２２に至るまでに、伝搬経路が規制される。つまり、荷重の伝搬経路は、４つの貫通孔１６７により基端部に向かって狭くなる。これにより、受感部１２２では、常に同じ割合で応力が分布する、つまり、受感部１２２における応力分布の再現性の向上が図られる。

（変形例３）
図５は、本実施の形態の変形例３に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す概略断面図である。なお、図５に示す変形例３としての磁歪式荷重センサ４００は、図１に示す実施の形態１に対応する磁歪式荷重センサ１００と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

詳細には、磁歪式荷重センサ４００は、磁歪式荷重センサ１００の構成において、磁路外部分の構成を変更したものである。ここでは、磁歪式荷重センサ４００は、コア１５０に替えて、コア４５０を備える。つまり、磁歪式荷重センサ４００は、コイル１１０、カバー１３７及びコア４５０を有する。

コア４５０は、平板部１３１と、平板部１３１から立ち上がり、先端部がヨーク１３０から外部に突出する円柱状の棒状受圧部４２０とを有する。棒状受圧部４２０は、ヨーク１３０内において、周囲をコイル１１０で囲まれる部位に、磁歪式荷重センサ１００と同様の受感部１２２を備える。

そして、棒状受圧部４２０においてヨーク１３０から外部に突出する先端部（磁路外部分）４２４には、軸方向に並ぶ複数のくびれ部１６８が設けられている。

これらくびれ部１６８は、棒状受圧部４２０の磁路外部分において、棒状受圧部４２０の直径より径が小さい部位を複数形成している。

これらくびれ部１６８によって、先端面４２５で受けた荷重は、磁路内部分、つまり、受感部１２２に至るまでの伝搬経路が規制され、ここでは、複数のくびれ部１６８により狭くなっている。

これにより、棒状受圧部４２０における磁路内部分の受感部１２２では、常に同じ割合で応力が分布する、つまり、受感部１２２における応力分布の再現性の向上が図られる。言い換えれば、磁歪式荷重センサ４００では、棒状受圧部４２０の磁路外部分である先端部４２４に、受感部１２２における応力分布を常に一定の割合で分布させるくびれ部１６８を備える構成を有する。

（変形例４）
図６は、本実施の形態の変形例４に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す概略断面図である。なお、図６に示す変形例３としての磁歪式荷重センサ５００は、図１に示す実施の形態１に対応する磁歪式荷重センサ１００と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

磁歪式荷重センサ５００は、磁歪式荷重センサ１００の構成において、ヨーク１３０から外部に突出する磁路外部分である先端部５２４を短くするとともに、貫通孔１６１を設けず、テーパ部１６３のみを構成を変更したものである。

詳細には、磁歪式荷重センサ５００は、コイル１１０、カバー１３７及びコア５５０を有する。

コア５５０は、平板部１３１と、平板部１３１から立ち上がり、先端部がヨーク１３０から外部に突出する円柱状の棒状受圧部５２０とを有する。棒状受圧部５２０は、棒状受圧部１２０と同様にヨーク１３０内において、周囲をコイル１１０で囲まれる部位に受感部１２２を備える。

そして、この棒状受圧部５２０の先端部（磁路外部分）５２４には、荷重が印加される先端面５２５に向かって狭窄するテーパ部１６３が設けられている。

このテーパ部１６３の磁路側端部は、ヨーク１３０の蓋部１３３の上面近傍に位置している。また、このテーパ部１６３は、受感部１２２における応力分布を常に一定の割合で分布させるものであり、先端面５２５で受ける荷重の伝搬経路を棒状受圧部５２０の磁路内部分に至るまでに狭くすることにより規制している。このテーパ部１６３によって、受感部１２２は、応力分布の再現性を確保できる。

（変形例５）
図７は、本実施の形態の変形例５に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す概略断面図である。なお、図７に示す変形例５としての磁歪式荷重センサ６００は、図１に示す実施の形態１に対応する磁歪式荷重センサ１００と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

詳細には、磁歪式荷重センサ６００は、磁歪式荷重センサ１００の構成において、磁路外部分の構成を変更したものである。ここでは、磁歪式荷重センサ６００は、コア１５０に替えて、コア６５０を備える。つまり、磁歪式荷重センサ６００は、コイル１１０、カバー１３７及びコア６５０を有する。

コア６５０は、平板部１３１から立ち上がり、先端部６２４がヨーク１３０から外部に突出する円柱状の棒状受圧部６２０を有する。

棒状受圧部６２０は、棒状受圧部１２０と同様に、ヨーク１３０内において、周囲をコイル１１０で囲まれる部位に受感部１２２を備える。

この棒状受圧部６２０においてヨーク１３０から外部に突出する磁路外部分（先端部）６２４の外周面には、先端面６２５から基端側に向かって延びる切欠部１６９が形成されている。なお、切欠部１６９は、直線状、円弧状等どのような形状をなしていてもよい。

この磁歪式荷重センサ６００では、切欠部１６９は複数形成され、それぞれの切欠部１６９は溝状で且つ外周面上においてそれぞれ同方向に湾曲した形状を有する。

これら切欠部１６９は、受感部１２２における応力分布を常に一定の割合で分布させるものであり、先端面６２５で受ける荷重の伝搬経路を棒状受圧部６２０の磁路内部分に至るまで狭くすることによって規制している。この切欠部１６９によって、受感部１２２は、応力分布の再現性を確保できる。

なお、図１及び図２に示す本実施の形態の磁歪式荷重センサ１００は、受感部１２２において、負荷された荷重の応力分布に再現性を確保するために、棒状受圧部１２０の磁路外部分を貫通孔１６１、テーパ部１６３等を形成する加工を施している。

この構成によって、棒状受圧部１２０の磁路外部分の長さを所定長にする必要が生じる。ヨーク１３０及びコア１５０自体を磁性体とした場合、棒状受圧部１２０の磁路外部分を長くした際には、ヨーク１３０内から磁束が漏れる原因となる場合が生じる。

磁束漏れは、外乱を受けやすくなる恐れがあるため、磁束漏れを防ぐためにヨーク１３０外に磁束漏れを防ぐ部材を設けてもよい。

この磁歪式荷重センサは、コイルと、前記コイルの軸心に配置され、前記コイルにより励磁される磁性部を備えるとともに、一端で荷重を受ける棒状受圧部と、前記棒状受圧部の前記一端側を突出させて、前記コイルを囲み、前記磁性部とともに磁路を形成するヨークとを有し、前記棒状受圧部は、前記ヨークから突出する磁路外部分に、前記一端で受けた荷重が前記磁性部に伝搬する経路を規制し、前記磁性部内での応力分布を同じ割合で再現させる経路規制部を備え、前記棒状受圧部は、前記ヨークに形成された開口部に挿通され、前記棒状受圧部の前記磁路外部分の外周には、前記開口部の開口縁と前記棒状受圧部との間のギャップに所定間隔を空けて対向する非磁性部材が設けられている構成を採る。この非磁性部材によって、開口縁と棒状受圧部との間のギャップからの磁束漏れを防止できる。この構成を変形例として図８に示す。

図８は、磁歪式荷重センサ１００の変形例の要部構成を示す図であり、図８（ａ）は磁歪式荷重センサ１００の変形例６の要部構成を示す概略側断面、図８（ｂ）は同磁歪式荷重センサ１００の変形例７の要部構成を示す概略側断面である。なお、図８において、符号Ｇは、磁歪式荷重センサ１００と同様、コイルと棒状受圧部間に形成されたギャップを示す。

図８（ａ）に示す変形例６としての磁歪式荷重センサ７００は、磁歪式荷重センサ１００の構成において、磁束漏れを防止する非磁性体リング１８０を設けてなる。

非磁性体リング１８０は、ヨーク１３０の蓋部１３３上面近傍において、棒状受圧部１２０に外嵌され、開口部１３５の環状部分の上側に配置され、磁路からの磁束漏れを防止する。つまり、非磁性体リング１８０は、ヨーク１３０の開口部１３５の環状部分から離間し、この環状部分の全体と対向する位置に配置されている。この非磁性体リング１８０は、例えば、アルミ、銅などの低抵抗率を有する金属をリング状に加工することにより形成される。

この非磁性体リング１８０は、開口部１３５（ギャップＧ）から漏れる磁束を遮断する。このリング１８０に平行な磁界をかけると、金属表面に渦電流が発生し、かけた磁界を打ち消す方向の磁界が発生する。これを用いて、ヨーク１３０上面（蓋部１３３上面）より上側に突出している棒状受圧部１２０に低抵抗な非磁性体リング１８０を嵌めることによって、リング近傍の磁界がキャンセルされ、磁束がリングより上側には流れなくなる。これにより、磁束漏れが防止できる。前記棒状受圧部１２０における非磁性体リング１８０の外嵌位置、つまり開口部１３５の環状部分からの距離（所定間隔）は、その位置に配置することによって開口部１３５から漏れる磁束をキャンセルできる位置である。

磁歪式荷重センサ７００では、非磁性体リング１８０により磁束漏れを防いだが、図８（ｂ）の変形例７に示すように、キャップ状の非磁性体を、ヨーク１３０から外部に突出する部分に被せる構成としてもよい。

図８（ｂ）に示す変形例７としての磁歪式荷重センサ８００は、コイル１１０、カバー１３７とともに、平板部１３１から円柱状の棒状受圧部８２０が立ち上がるコア８５０を有する。

磁歪式荷重センサ８００は、この棒状受圧部８２０において、開口部１３５をヨーク１３０から突出する部分に、非磁性体キャップ部１８２を被せてなる。なお、この非磁性体キャップ１８２は、例えば、アルミ、銅などの低抵抗率を有する金属をキャップ状に加工することにより形成される。

棒状受圧部８２０が内嵌する、非磁性体キャップ部１８２の平板部１３１側の端部は、開口部１３５近傍に配置される。

これにより、開口部１３５からの磁束漏れを防止、つまりは、外乱を防止して、ヨーク１３０内部の受感部１２２における応力分布に生じる再現性の向上を図ることができる。

次に、磁歪式荷重センサ１００のように、磁路内の受感部に荷重を伝達する磁路外部分を加工した場合の効果について説明する。

図９は、効果実験に用いたコアの概略構成を示す図である。図９（ａ）は、標準型のコアを有する磁歪式荷重センサ９００を示す。なお、この図９（ａ）では、磁歪式荷重センサ９００を便宜上、模式図で示す。

図９（ａ）に示す磁歪式荷重センサ９００のコア９５０は、磁歪式荷重センサ１００の構成において、平板部１３１と、棒状受圧部１２０を開口部１３５近傍で水平に切断した円柱状の棒状受圧部９２０とを有する。なお、図９ではコア９５０を便宜上ＳＴＤで示す。

また、図９（ｂ）は、磁歪式荷重センサ１００のコア１５０と同様のコアＡを示す。

また、図９（ｃ）は、磁歪式荷重センサ５００において、棒状受圧部５２０の長さを磁歪式荷重センサ１００の棒状受圧部１２０の長さと略同一にしたコアＢを示す。

この効果実験では、ヨーク１３０、コイル１１０等コア以外、詳細には、棒状受圧部においてヨークから突出する磁路外部分以外は全て同一とする。

図９（ａ）に示すコアＳＴＤ、Ａ、Ｂをそれぞれ備える磁歪式荷重センサにおいて、棒状受圧部の先端面に対して荷重を加える位置を偏心させた場合の偏心時出力と、荷重を加える角度を傾斜させた傾斜時出力を測定する。

図１０は、図９で示すコアを備える磁歪式荷重センサを用いて行う偏心試験条件を示す図である。

偏心試験は、図１０（ａ）に示すように、回転軸を中心に水平方向に回転する回転板１００１の上面に、図９に示す各コアを備えた磁歪式荷重センサ１００２を配置する。そして、図１０（ｄ）に示すように先端がアールの押し棒１００３を回転板１００１の軸心上に軸方向に移動自在に配置し、この押し棒１００３によって各コアの棒状受圧部の先端面１００５に荷重を負荷して行う。

所定のコアを備えた磁歪式荷重センサ１００２を図１０（ａ）に示すようにセットし、コアの中心部に押し棒１００３により荷重を負荷し、コアの受感部１２２のインピーダンス変化量の測定を行った（偏心試験工程１）。

この偏心試験工程１を３回繰り返し、３回のインピーダンス変化量の平均値を求め、この平均値を偏心ナシ１００％とした（偏心試験工程２）。

図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）に示すように、各コアを備えた磁歪式荷重センサ１００２毎に、その先端面において、中心部ＭからＸ離れた場所に荷重を負荷し、インピーダンスを測定した（偏心試験工程３）。

偏心試験工程３を３回繰り返し、３回のインピーダンスの変化量の平均を求めた（偏心試験工程４）。次いで、回転板１００１を矢印方向（図１０（ａ）参照）に９０度ずつ回転させ、計４方向（０度、９０度、１８０度、２７０度）での偏心した場所に荷重を負荷した際のインピーダンスの変化量を測定した。これを３回繰り返し、それぞれ４方向でのインピーダンスの平均を測定した（偏心試験工程５）。

４方向でのインピーダンス変化量の平均値に対し、更に平均値を算出した（偏心試験工程６）。

偏心試験工程２での平均値を１００％として、偏心試験工程６の平均値の割合を算出した（偏心試験工程７）。

これら偏心試験工程１から７を各コア毎に行い算出した割合を、図１２（ａ）に示した。

図１１は、図９で示すコアを備える磁歪式荷重センサを用いて行う傾斜試験条件を示す図である。

傾斜試験は、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、水平面に対して、θ角傾斜する傾斜板１０２１の上面に、図９に示す各コアを備えた磁歪式荷重センサ１００２を配置する。そして、図１１（ｃ）に示すように先端がアールの押し棒１００３を鉛直方向に移動自在に設置し、この押し棒１００３により、各コアの棒状受圧部の先端面１００５に荷重Ｗを負荷して行う。

まず、上述した偏心試験工程１から２を行い、磁歪式荷重センサ１００２に用いた各コアの平均値を傾斜ナシ１００％の値として算出した（傾斜試験工程１）。

次いで、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、コアを備えた磁歪式荷重センサ１００２をセットし、コアの中心部に押し棒１００３により荷重を負荷し、コアの受感部１２２のインピーダンス変化量の測定を行った（傾斜試験工程２）。

傾斜試験工程２を３回繰り返し、３回のインピーダンス変化量の平均値を求めた（傾斜試験工程３）。次いで、上面が傾斜する傾斜板１０２１を矢印方向（図１１（ａ）参照）に９０度ずつ回転させ、計４方向（０度、９０度、１８０度、２７０度）の位置で、傾斜工程１から２を繰り返し、それぞれの位置での荷重を負荷した際のインピーダンス変化量の平均値を測定した。（傾斜試験工程４）。

４方向でのインピーダンス変化量の平均値に対し、更に平均値を算出した（傾斜試験工程５）。

傾斜試験工程１で算出した傾斜ナシ１００平均値に対して、傾斜試験工程５の平均値の割合を算出した（傾斜試験工程６）。

これら偏心試験工程１から６を各コア毎に行い算出した割合を、図１２（ｂ）に示した。

図１２は、図９に示す各コアを用いた効果実験結果を示す図であり、図１２（ａ）は偏心試験での結果を示す図、１２（ｂ）は傾斜試験での感度結果を示す図である。図１２（ａ）では、偏心ナシで先端面の中央に荷重を負荷した場合の感度を１００％とし、図１２（ｂ）では、傾斜ナシで先端面の中央部に荷重を負荷した場合の感度を１００％としている。

図１２に示すように、偏心試験及び傾斜試験のいずれの場合においても、磁路外部分を加工したコアを用いた磁歪式荷重センサでは、標準型コアＳＴＤを用いた磁歪式荷重センサよりも受感部１２２における感度は優れている。

偏心試験では、図１２（ａ）に示すように、本実施の形態の磁歪式荷重センサ１００と同様の構成では、感度が９６．９％となっており、偏心がある場合でも、偏心ナシで先端面の中央に荷重を負荷した場合と略同様な感度を有することが判る。

また、傾斜試験では、図１２（ｂ）に示すように、標準型のコアＳＴＤを用いた磁歪式荷重センサの感度が８０．２％に対し、コアＡを用いた場合は９３％、コアＢを用いた場合は９１．４％とかなりの差が生じることが判る。

なお、本実施の形態の磁歪式荷重センサ１００及び各変形例において、磁路内部分（若しくは受感部）と磁路外部分（棒状受圧部の先端部）とを一体のものとして説明したが、これに限らず、同軸上に配置される別体としてもよい。別体とした場合の磁歪式荷重センサでも本実施の形態で説明した各磁歪式荷重センサと同様の作用効果を得ることができる。

本発明に係る磁歪式荷重センサは、コストがかからず、簡便に製造できるととともに、使用時に感度のバラツキが少ない効果を有するものとして有用である。

本発明の実施の形態に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す概略断面図 本発明の実施の形態に係る磁歪式荷重センサを示す斜視図 本実施の形態の変形例１に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す図 本実施の形態の変形例２に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す概略断面図 本実施の形態の変形例３に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す概略断面図 本実施の形態の変形例４に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す概略断面図 本実施の形態の変形例５に係る磁歪式荷重センサの要部構成を示す概略断面図 本発明の実施の形態に係る磁歪式荷重センサの変形例を示す要部構成を示す図 効果実験に用いたコアの概略構成を示す図 図９で示すコアを備える磁歪式荷重センサを用いて行う偏心試験条件を示す図 図９で示すコアを備える磁歪式荷重センサを用いて行う傾斜試験条件を示す図 図９に示す各コアを用いた効果実験結果を示す図

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ 磁歪式荷重センサ
１１０ コイル
１１２ ボビン
１２０、２２０，３２０、４２０、５２０、６２０ 棒状受圧部
１２２ 受感部
１２４、２２４、３２４、４２４、５２４、６２４ 先端部
１２５、２２５、３２５、４２５、５２５、６２５ 先端面
１３０ ヨーク
１３１ 平板部
１３５ 開口部
１３６ 周壁部
１３７ カバー
１６１ 貫通孔
１６３ テーパ部
１６５ 孔部
１６７ 貫通孔
１６８ くびれ部
１６９ 切欠部
１８０ 非磁性体リング
１８２ 非磁性体キャップ部

Claims (9)

1. コイルと、
   前記コイルの軸心に配置され、前記コイルにより励磁される磁性部を備えるとともに、一端で荷重を受ける棒状受圧部と、
   前記棒状受圧部の前記一端側を突出させて、前記コイルを囲み、前記磁性部とともに磁路を形成するヨークとを有し、
   前記棒状受圧部は、前記ヨークから突出する磁路外部分に、前記一端で受けた荷重が前記磁性部に伝搬する経路を規制し、前記磁性部内での応力分布を同じ割合で再現させる経路規制部を備えることを特徴とする磁歪式荷重センサ。
2. 前記経路規制部は、くびれ部であることを特徴とする請求項１記載の磁歪式荷重センサ。
3. 前記経路規制部は、孔部であることを特徴とする請求項１記載の磁歪式荷重センサ。
4. 前記経路規制部は、テーパ部であることを特徴とする請求項１記載の磁歪式荷重センサ。
5. 前記経路規制部は、スリットであることを特徴とする請求項１記載の磁歪式荷重センサ。
6. 前記経路規制部は、前記磁性部より硬度が高いことを特徴とする請求項１記載の磁歪式荷重センサ。
7. 前記経路規制部は切欠部であることを特徴とする請求項１記載の磁歪式荷重センサ。
8. 前記磁路外部分と前記磁性部とは別体により構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁歪式荷重センサ。
9. 前記棒状受圧部は、前記ヨークに形成された開口部に挿通され、
   前記棒状受圧部の前記磁路外部分の外周には、前記開口部と前記棒状受圧部との間のギャップに所定間隔を空けて対向する非磁性部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁歪式荷重センサ。

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