JP2007071724A - 変位検出装置およびこの装置を用いた荷重検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 精度の高い、かつ性能上バラツキの少ない変位検出装置および荷重検出装置を提供する。
【解決手段】 本発明の変位件検出装置は、基準部と基準部に対して相対変位する変位部のいずれか一方に固定されて、磁気を発生し磁場を形成する一個の磁石と磁石の両磁極側各々一体的に固定され磁石から発生する磁束を誘導する一対の軟磁性体とからなり一対の軟磁性体間に磁束を形成する磁気発生部と、基準部及び変位部の他方に固定されて、基準部及び変位部との相対位置の変化量に応じて磁気発生部で形成された磁束の密度の変化量を検出する磁気検出部と、を有することを特徴とする。
本発明の変位検出装置は、組み付け工程内磁石に鉄粉などのゴミの付着を防止し、さらに軟磁性体を用いて磁束の誘導を行うことから高精度を得ることができる。この高精度の変位検出装置を用いて高精度の荷重検出装置を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷重等により変位する被検出体の変位を磁束密度の変化として検出する変位検出装置及び荷重検出装置に関する。

従来技術では、お互いに極性の異なる二つの磁石を所定位置に配置して磁場を形成すると共に、磁場の極性が切り替わる付近の磁場変化を磁気検出センサーで検出し、微小な変位を検出している。永久または半永久磁石がこの磁場を形成するものとして用いられ、ホール素子や磁気抵抗素子などの磁電変換素子型検出センサーが磁気検出センサーとして用いられている。

例えば、特開平０８−１３６２０７号公報（以下、特許文献１と称する）は、磁石とこの磁石に対して相対移動可能な部材に設けられた磁気検出センサーとを備えた変位量検出装置が開示されている。

また、特開２００４−１１７１９８号公報（以下、特許文献２と称する）には、磁石と、磁気検出センサーとを用い、荷重により変位する挺子部材とで構成された荷重検出装置を開示している。
特開平０８−１３６２０７号公報 特開２００４−１１７１９８号公報

特許文献１、特許文献２に示す従来技術では２個の磁石を使用している。組み付け後に２個の磁石を形成する場合には着磁がしにくいため、通常着磁した２個の磁石を極性が異なるように組み付けることが一般的である。この場合は組み付け途中で磁石に鉄粉などのゴミが付着しやすい。このため、結果として性能の悪い製品となる確率が高くなったり、不良品が増えるといった問題が起きやすい。また、仮に組み付け後に着磁できたとしても、極性が切り替わる付近の着磁が不完全となる恐れがあり、結果として、十分な磁場強度が得られなかったり、経時的に磁場強度が低下したりしやすく、性能が劣るという問題点がある。

本発明は、上記の点に鑑み、精度の高い、かつ性能上バラツキの少ない変位検出装置および荷重検出装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段、作用、効果

本発明の変位件検出装置は、基準部と基準部に対して相対変位する変位部のいずれか一方に固定されて、磁気を発生し磁場を形成する一個の磁石と磁石の両磁極側各々一体的に固定され磁石から発生する磁束を誘導する一対の軟磁性体とからなり一対の軟磁性体間に磁束を形成する磁気発生部と、基準部及び変位部の他方に固定されて、基準部及び変位部との相対位置の変化量に応じて磁気発生部で形成された磁束の密度の変化量を検出する磁気検出部と、を有することを特徴とする。

本発明の変位検出装置は、磁気発生部を一個の磁石を用いているため組みつけが容易となる。また、一対の軟磁性体を用いているので強い磁場が得られる。

本発明の変位検出装置の磁石及び軟磁性体は板状とすることができる。これにより板状の磁石及び板状の軟磁性体を積層して容易に磁気発生部を構成することができる。

本発明の変位検出装置の軟磁性体は磁石より小さいものとするのが好ましい。さらには、磁束を形成する軟磁性体の端面が軟磁性体で挟持されている磁石の端面と同一面内にあるものとするのが好ましい。これらにより、より強い磁束を得ることができる。これにより感度が向上する。

また、本発明の変位検出装置の磁気検出部は、磁気発生部と対向する側と反対の背向側に軟磁性体からなる増感部材を有することが好ましい。

本発明の荷重検出装置は、作用する荷重により変位量が変化する変位部を持つ荷重受け体と、変位部に対向し荷重により変位しない基準部と、変位部及び基準部のいずれか一方に固定されて使用される、磁気を発生し磁場を形成する一個の磁石と磁石の両磁極側各々一体的に固定され磁石から発生する磁束を誘導する一対の軟磁性体とからなり一対の軟磁性体間に磁束を形成する磁気発生部と、基準部及び変位部の他方に固定されて使用される、基準部及び変位部との相対位置の変化量に応じて磁気発生部で形成された磁束の密度の変化量を検出する磁気検出部とからなる荷重計測部と、を有することを特徴とする。

本発明の荷重検出装置も、一個の磁石と磁石の両磁極側各々一体的に固定され磁石から発生する磁束を誘導する一対の軟磁性体とで磁気発生部を構成することで、組み付けを容易とし、組み付け工程内での鉄粉などの付着を防止し、結果として性能の良い荷重検出装置が実現できる。

本発明の変位検出装置は、磁気発生部と、磁気検出部とを有する。

磁気発生部は、一個の磁石と磁石の両磁極側各々一体的に固定される一対の軟磁性体とで構成される。磁石はＳ極およびＮ極を有する永久磁石、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系ネオジム磁石を用いることができる。また、磁石の両磁極側に一体的に固定される軟磁性体は、外部磁界を吸収および放出するもので、例えば鉄板などを用いることができる。

磁気検出部は、磁気検出センサーにより構成される。例えば、磁気検出センサーはホール素子を用いることができる。また、磁気検出部は、磁気発生部から発生する磁束を検知するために、磁気発生部の付近所定位置に配置される。

また、本発明の変位検出装置は、基準部と変位部とで構成される。基準部と変位部のいずれかの一方には磁気発生部が固定され、他方には磁気検出部が固定され使用される。このように、基準部と変位部との相対位置の変化量に応じて磁気発生部で形成された磁束の密度を磁気検出部で検出することができる。

本発明の磁気発生部の磁石及び軟磁性体は板状であり、磁気発生部は板状の磁石及び板状の軟磁性体を積層したもので構成される。また、磁気発生部を構成する軟磁性体は磁石より小さく形成されることが好ましい。磁石の両磁極側に軟磁性体を積層して固定することにより、磁石により形成している磁界が磁石のＳ極およびＮ極側に固定されている軟磁性体を介して誘導されることとなり、磁束を所定方向に集中させることができる。

磁極を形成する軟磁性体の端面は軟磁性体で挟持されている磁石の端面と同一面内にあることが好ましい。磁束がＮ極を構成している一方の軟磁性体から、Ｓ極を構成している他方の軟磁性体まで流れる。磁気検出部に対向する側の磁石の端面と軟磁性体の端面とを同一面内にあるように設置すると、軟磁性体の他端面に誘導される磁束の量が減少して、磁界が弱くなり、磁気検出部に対向した側が軟磁性体の磁束誘導により、磁界が強くなる。

また、磁気検出部は、磁気発生部と対向する側と反対の背向側に軟磁性体からなる増感部材を設けることができる。軟磁性体の磁束誘導特性により、磁気発生部から発生された磁束をさらに多く磁気検出部を通過するように誘導される。従って、磁気検出部の感度が増加され、高精度で磁気を検出することができる。

本発明の荷重検出装置は、荷重受け体と、荷重計測部とからなる。荷重受け体は、作用する荷重により変位量が変化する変位部を持つ。変位部は外部から作用する荷重により変位を引き起こすものである。例えば、変位部を起歪体で構成することができる。

荷重計測部は、変位部に対向し荷重により変位しない基準部と、変位部及び基準部のいずれか一方に固定されて使用される、磁気を発生し磁場を形成する一個の磁石と磁石の両磁極側各々一体的に固定され磁石から発生する磁束を誘導する一対の軟磁性体とからなり、一対の軟磁性体間に磁束を形成する磁気発生部と、基準部及び変位部の他方に固定されて使用される、基準部及び変位部との相対位置の変化量に応じて磁気発生部で形成された磁束の密度の変化量を検出する磁気検出部とからなる。

このように、作用する荷重に対して、基準部および変位部との相対位置の変化量が磁気強度変化に関係付けられ、磁気検出部において磁気発生部で形成された磁束の密度の変化量を検出することができ、さらに相対位置の変化量に還元することができる。すなわち、荷重を検出することができる。

本発明の荷重検出装置も、一個の磁石と磁石の両磁極側各々一体的に固定され磁石から発生する磁束を誘導する一対の軟磁性体とで磁気発生部を構成することで、組み付けを容易とし、組み付け工程内での鉄粉などの付着を防止し、結果として性能の良い変位検出装置が実現できる。

さらに、本発明の変位検出装置は、磁石の両磁極側各々一体的に配置される軟磁性体を用いるため、磁石から発生する磁束が誘導され、磁気検出部が配置される側に磁束密度が大きくなり、磁気検出部を通過する磁束密度の増加により感度が上昇する。

さらに、本発明の変位検出装置は、磁気発生部と対向する側と反対の背向側に軟磁性体からなる増感部材を用いるため、磁気発生部から発生する磁束をさらに磁気検出部を通過するように誘導することができる。すなわち、磁気検出部を通過する磁束密度の増加により感度がさらに上昇する。

このように、本発明の変位検出装置は、組み付け工程内の鉄粉などのゴミの付着を防止し、軟磁性体を用いて磁束の誘導を行うことから高精度を得ることができ、さらに、この高精度の変位検出装置を用いて高精度の荷重検出装置を実現することができる。

図１から図１０を参考して本発明の実施の形態について説明する。

まず、変位検出装置の概略構成図を図１に示した。図１から分かるように、変位検出装置は、磁気発生部１と、磁気検出部２とからなる。磁気発生部１は、一個の磁石１１と、磁石の両磁極側に一対に固定され軟磁性体として機能する一対の鉄板１２Ｎ、１２Ｓとで構成される。磁石１１及び鉄板１２Ｎ，１２Ｓは板状であり、磁気発生部１は板状の磁石１及び板状の鉄板１２を積層して形成される。磁束３１がＮ極とする鉄板１２Ｎ側からＳ極とする鉄板１２Ｓ側まで流れるようになっている。磁気検出部２はホール素子２１で構成することができる。ホール素子２１で構成された磁気検出部２は磁気発生部１と同中心軸３３に配置される（図１、図２参照）。

図２は変位検出装置の正面図（上）及び側面図（下）を示している。図２から分かるように、磁気発生部１を構成する一個の磁石１１と一対の鉄板１２Ｎ、１２Ｓは中心軸３３を中心に対称に配置されている。さらに、鉄板１２Ｎ，１２Ｓは磁石１１より小さく、磁気検出部２に対向した側に鉄板１２Ｎ，１２Ｓの端面１２１Ｎ，１２１Ｓは鉄板１２Ｎ，１２Ｓで挟持されている磁石１１の端面１１１と同一面内である。このように、磁石１１の端面１１１と鉄板１２Ｎ，１２Ｓの端面１２１Ｎ、１２１Ｓとを磁気検出部２に対向した同一面内に配置すると、鉄板１２Ｎ、１２Ｓの他の端面１２２Ｎ、１２３Ｎ、１２４Ｎ、１２２Ｓ，１２３Ｓ，１２４Ｓに誘導される磁束３１の量が減少し磁界が弱くなると同時に、磁気検出部２に対向した端面１１１の側は磁束３１が強く誘導され、磁界が強くなる。

また、本発明の変位検出装置は基準部と変位部を有する。基準部と変位部のいずれか一方に磁気発生部１が固定され、他方に磁気検出部２が固定されて使用する。このように、基準部と変位部の相対位置の変化量に応じて磁気発生部１形成された磁束３１の密度の変化量を検出することができる。図３は変位発生及び検出原理を示した。図３から分かるように、磁気発生部１を基準部とすれば、磁気検出部２は変位部となる。基準部と変位部との間の距離３５は一定とし、磁気発生部１と磁気検出部２との相対位置が変化する際、例えば磁気検出部２は中心軸３３から離れ、変位検出方向３２に沿って変位し変位量３４を生じた場合、磁気検出部２を構成するホール素子２１で磁束３１の密度変化を検出することができる。

さらに、磁気発生部１が一個の磁石１１と鉄板１２とを積層して構成されることより、磁気発生部１から形成する磁界の磁束３１の密度分布が変位検出方向３２に有利である。図４は、本発明の横（図１のＺ軸）方向変位に対する磁束密度変化率と従来方法の横（図１のＺ軸）方向変位に対する磁束密度変化率との比較を示した。図４から分かるように、鉄板１２Ｎ、１２Ｓを設けることにより、横（図１のＺ軸）方向の磁場分布が改善されている。例えば検出方向（図１のＹ軸方向）に０．４ｍｍの変位を生じたとき、横（図１のＺ軸）方向における同じ変位量の磁束密度の変化率が、従来技術に対して本発明では４０％程度低減していることが明らかである。つまり、変位検出方向３２（図１のＹ軸方向）の磁束密度が増加する一方、変位検出方向（図１のＹ軸方向）以外の方向（例えば、図１のＺ軸方向）の変位が磁束密度に影響しにくくなる。よって、所定方向の変位に対して検出精度を高めることができる。

また、本発明の変位検出装置が良い磁界分布及び広い直線性検出範囲を示している。つまり、磁気発生部１の寸法及び磁気検出部２の位置を最適化することにより、変位に対して線形性が良好な磁場分布が得られる。図５は、磁気発生部と磁気検出部間の距離により変位に対する磁束密度分布を示すものである。本実施例の磁石１１の寸法は６（Ｘ軸）×１０（Ｚ軸）×３（Ｙ軸）ｍｍで、鉄板の寸法は５×８×１ｍｍである。図５から分かるように、磁気発生部１と磁気検出部２の間の距離３５（図３に参照）は１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ間に配置すれば、±０．５〜１ｍｍ程度の検出範囲内良好な直線性を得ることができる。

また、鉄板１２の寸法や、磁石１１に対する鉄板の配置方法なども磁気発生部１の磁気特性に影響する。図６は鉄板の寸法及び配置構成と±０．５ｍｍの変位を生じたときの磁束密度変化との関係を示したものである。構成１〜構成６の寸法を表１に記載する。なお、構成１，２，４は請求項３及び４に対応したものである。構成３、５、６は比較するためのものである。図６から分かるように、鉄板１２を磁石１１の極側に固定すると、磁石１１から発生する磁束３１の密度が変化することが分かる。磁石１１より小さい鉄板１２を磁石１１の磁極側に配置すると、構成１、２、４、５のように、鉄板１２が磁石１１に配置されていない構成６に比べ、磁束密度が増加している。なお、磁石１１と同じ面積を持つ鉄板１２を配置すると、磁束密度は低下している。また、構成５は構成１と同じ大きさの鉄板１２を磁石１１の端面よりわずかに突出して配置したものであるが、鉄板１２の突出部間に磁束３１が集中するため、磁気検出部２を通過する磁束３１の密度が低下している。このように、鉄板１２の寸法および配置構成を最適化することができる。

また、鉄板１２の厚さも磁界の形成に影響を与える。図７に鉄板１２の厚みと±０．５ｍｍ変位での磁束密度変化との関係をを示した。本実施例の磁石１１の寸法は６×１０×３ｍｍで、鉄板１２の寸法は５×８ｍｍである。図７から分かるように、鉄板１２なしから厚さ１．５ｍｍまで鉄板１２の厚みを変えて測定した結果、鉄板１２が０．４ｍｍの厚の時最も磁束密度の変化が大きく、鉄板１２が配置されていない場合と比較し最大１７％向上している。鉄板１２の厚さの増加につれて磁束密度の変化が低下する。板厚が小さい方が磁束の集中度が高く、結果としてホール素子２１での磁束密度が高くなる。

さらに、磁気検出部２にホール素子２１の磁気発生部１に対向する側の背向側に軟磁性体からなる増感部材を配置することより、磁気検出部２を通過する磁束密度が引き付けられ、さらに増加する。鉄板で増感部材を構成することができる。図８は増感部材の配置を示す。中心軸３３に沿って磁気発生部１、ホール素子２１、増感部材２２の順で配置することができる。本実施例の増感部材２２を構成する軟磁性体の寸法は５×５×１．２ｍｍである。増感部材２２を配置することにより磁束密度が増加している。図９は磁気検出部での増感部材の有無による磁場強度変化を示した。図９から分かるように、増感体２２が配置されていない場合に比べ、増感体２２が配置される場合ではさらに５％増加している。

変位検出装置を用いて荷重検出装置を構成することができる。図１０は本発明の変位検出部を有する荷重検出装置の構成を示した。本発明の荷重検出装置は、荷重受け体Ａと、荷重計測部Ｂと基体Ｇとからなる。

荷重受け体Ａは、挺子４１と、バネ４２と、基部４３と、支点４４と、荷重作用点４５とから構成されることができる。なお、基部４３及びバネ４２は基体Ｇに固定される。荷重作用点４５が荷重Ｗを受け、基部４３の支点４４を介して挺子４１に受力を伝える。バネ４２の強さで受力が調整され、一定範囲内に変位を引き起こす。本実施例では基部４３、支点４４とは別にバネ４２を設けたが、バネ特性を有する弾性体により基部４３、支点４４、バネ４２を一体的に構成することもできる。

荷重計測部Ｂは、磁気発生部１と、磁気検出部２とからなる。磁気発生部１は荷重受け体１の挺子４１に固定され、変位部となる。一方、磁気検出部２は固定部２３を介して基体Ｇに固定され、基準部となる。磁気検出部２は、変位部と基準部の相対位置変化の変化量に応じて磁気発生部で形成された磁束の密度の変化量を検出する。検出された磁束密度変化は変位量を介して、荷重に反映することができる。

変位検出装置の概略構成図である。 変位検出装置の正面図（上）及び側面図（下）である。 変位検出装置において変位が発生し及び変位を検出する原理を示す図である。 本発明の横（Ｚ軸）方向変位に対する磁束密度変化率と従来方法の横（Ｚ軸）方向変位に対する磁束密度変化率との比較を示す図である。 磁気発生部と磁気検出部間との距離による変位に対する磁束密度分布を示す図である。 異なる軟磁性体の寸法及び配置構成による一定変位での磁束密度変化を示す図である。 異なる軟磁性体板材の厚さによる一定変位での磁束密度変化を示す図である。 磁気検出部に増感部材を用いた変位検出装置の正面図（上）及び側面図（下）である。 磁気検出部での増感部材の有無による磁場強度変化を示す図である。 荷重検出装置の概略構成図である。

符号の説明

１：磁気発生部 １１：磁石 １２Ｎ、１２Ｓ：鉄板
１１１：（磁気検出部に対向した）磁石端面 １１２，１１３，１１４：磁石端面
１２１Ｎ，１２１Ｓ：（磁気検出部に対向した）鉄板端面
１２２Ｎ，１２２Ｓ，１２３Ｎ，１２３Ｓ，１２４Ｎ，１２４Ｓ：（磁気検出部に対向しない）鉄板端面
２：磁気検出部 ２１：ホール素子 ２３：固定部
３１：磁束 ３２：変位検出方向（Ｙ軸方向） ３３：中心軸（Ｘ軸方向）
４１：挺子 ４２：バネ ４３：基部 ４４：支点 ４５：荷重作用点
Ａ：荷重受け体 Ｂ：荷重計測部
Ｗ：荷重 Ｇ：基体

Claims (6)

1. 基準部と該基準部に対して相対変位する変位部のいずれか一方に固定されて、磁気を発生し磁場を形成する一個の磁石と前記磁石の両磁極側各々一体的に固定され前記磁石から発生する磁束を誘導する一対の軟磁性体とからなり一対の該軟磁性体間に磁束を形成する磁気発生部と、
   前記基準部及び前記変位部の他方に固定されて、該基準部及び該変位部との相対位置の変化量に応じて前記磁気発生部で形成された該磁束の密度の変化量を検出する磁気検出部と、を有することを特徴とする変位検出装置。
2. 前記磁石及び前記軟磁性体は板状であり、前記磁気発生部は板状の該磁石及び板状の軟磁性体を積層したものである請求項１に記載の変位検出装置。
3. 前記軟磁性体は前記磁石より小さい請求項２に記載の変位検出装置。
4. 前記磁束を形成する前記軟磁性体の端面は該軟磁性体で挟持されている前記磁石の端面と同一面内にある請求項３に記載の変位検出装置。
5. 前記磁気検出部は、前記磁気発生部と対向する側と反対の背向側に軟磁性体からなる増感部材を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の変位検出装置。
6. 作用する荷重により変位量が変化する変位部を持つ荷重受け体と、
   該変位部に対向し荷重により変位しない基準部と、
   該変位部及び該基準部のいずれか一方に固定されて使用される、磁気を発生し磁場を形成する一個の磁石と前記磁石の両磁極側各々一体的に固定され前記磁石から発生する磁束を誘導する一対の軟磁性体とからなり、一対の該軟磁性体間に磁束を形成する磁気発生部と、前記基準部及び前記変位部の他方に固定されて使用される、該基準部及び該変位部との相対位置の変化量に応じて前記磁気発生部で形成された該磁束の密度の変化量を検出する磁気検出部とからなる荷重計測部と、
   を有することを特徴とする荷重検出装置。

Images