JP2015102507A - Force sensor, force detection device using the same and force detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般に力センサ、より詳細には磁性体の逆磁歪効果を利用して磁性体に加わる荷重を検知する力センサ及びそれを用いた力検知装置、並びに力検知方法に関する。 The present invention generally relates to a force sensor, and more particularly to a force sensor that detects a load applied to a magnetic body by utilizing the inverse magnetostriction effect of the magnetic body, a force detection device using the same, and a force detection method.
従来、コイルを流れる電流によって磁化された磁性体の歪みに伴う透磁率の変化に基づいて、磁性体に加わる荷重を検知する磁歪式荷重センサが知られており、例えば特許文献1に開示されている。特許文献1記載の磁歪式荷重センサは、外部からの荷重を受ける強磁性体の荷重受け部と、荷重受け部の周囲に巻き回されるコイルと、荷重受け部及びコイルを収容する強磁性体のケースとから少なくとも構成されている。また、コイルは、荷重受け部の周囲に配置された樹脂から成るボビンに収納される。 2. Description of the Related Art Conventionally, a magnetostrictive load sensor that detects a load applied to a magnetic body based on a change in magnetic permeability accompanying a distortion of the magnetic body magnetized by a current flowing through a coil is known. Yes. A magnetostrictive load sensor described in Patent Document 1 includes a load receiving portion of a ferromagnetic body that receives an external load, a coil that is wound around the load receiving portion, and a ferromagnetic body that houses the load receiving portion and the coil. And at least the case. Further, the coil is housed in a bobbin made of resin disposed around the load receiving portion.
荷重受け部は、ロッド形状であり、その高さ方向の中心軸を含む軸対称な領域は、貫通されて円柱形状の中空部をなしている。荷重受け部は、中空部にワイヤやケーブル等の棒状部材を密着して挿入することにより、棒状部材の軸方向に加わる荷重を受ける。 The load receiving portion has a rod shape, and an axially symmetric region including the central axis in the height direction is penetrated to form a cylindrical hollow portion. The load receiving portion receives a load applied in the axial direction of the rod-shaped member by inserting a rod-shaped member such as a wire or cable in close contact with the hollow portion.
荷重受け部に荷重が加わると、逆磁歪効果によって荷重受け部の透磁率が変化して、コイルのインダクタンスを含む回路のインピーダンスが変化する。この磁歪式荷重センサは、このインピーダンス変化に伴うコイル両端の電圧変化を測定することで、荷重受け部の中空部に挿入される棒状部材の移動に起因する荷重を検出(検知)する。 When a load is applied to the load receiving portion, the magnetic permeability of the load receiving portion changes due to the inverse magnetostrictive effect, and the impedance of the circuit including the coil inductance changes. This magnetostrictive load sensor detects (detects) a load caused by the movement of a rod-shaped member inserted into the hollow portion of the load receiving portion by measuring a voltage change at both ends of the coil accompanying this impedance change.
しかしながら、上記従来の磁歪式荷重センサ(力センサ)では、外部の磁場の影響を低減するために、コイルを流れる電流によって生じる磁束が外部に漏れるのを防ぐ強磁性体のケースを必要としている。このため、従来の磁歪式荷重センサでは、強磁性体のケースを設けるためのスペースが必要となり、薄型化を図ることが困難であるという問題があった。 However, the conventional magnetostrictive load sensor (force sensor) requires a ferromagnetic case that prevents the magnetic flux generated by the current flowing through the coil from leaking outside in order to reduce the influence of the external magnetic field. For this reason, the conventional magnetostrictive load sensor requires a space for providing a ferromagnetic case, and it is difficult to reduce the thickness.
本発明は、上記の点に鑑みて為されており、薄型化を図ることのできる力センサ及びそれを用いた力検知装置、並びに力検知方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a force sensor that can be thinned, a force detection device using the force sensor, and a force detection method.
本発明の力センサは、磁性体で形成される中空部を有するコアと、前記コアに取り付けられるコイルとを備え、前記コアには、前記中空部の周方向に沿って前記コイルの通電時に生じる磁束が通る磁路が形成され、前記コアは、前記磁路が形成される面と交差する交差方向の一面に、荷重を受ける荷重受け部を備えることを特徴とする。 The force sensor of the present invention includes a core having a hollow portion formed of a magnetic material and a coil attached to the core, and the core is generated when the coil is energized along a circumferential direction of the hollow portion. A magnetic path through which a magnetic flux passes is formed, and the core includes a load receiving portion that receives a load on one surface intersecting a surface on which the magnetic path is formed.
この力センサにおいて、前記コイルに加わる荷重を避ける構造を備えることが好ましい。 This force sensor preferably includes a structure that avoids a load applied to the coil.
この力センサにおいて、前記構造は、前記コアが、前記コイルが取り付けられる取付部において他の部位よりも前記交差方向の寸法が小さくされた構造であって、前記取付部の前記交差方向における寸法は、前記他の部位の前記交差方向における寸法内に前記コイルが収まるように設定されていることが好ましい。 In this force sensor, the structure is a structure in which the core has a smaller dimension in the intersecting direction than the other part in the attachment part to which the coil is attached, and the dimension of the attachment part in the intersecting direction is It is preferable that the coil is set so as to be within the dimension of the other part in the crossing direction.
この力センサにおいて、前記構造は、前記交差方向の前記荷重受け部側において前記コイルを少なくとも覆う保護部であることが好ましい。 In this force sensor, it is preferable that the structure is a protective portion that covers at least the coil on the load receiving portion side in the intersecting direction.
この力センサにおいて、前記コアの一部に取り付けられるボビンを備え、前記コイルは、前記ボビンを介して前記コアに導線を巻き付けることで構成されることが好ましい。 The force sensor preferably includes a bobbin attached to a part of the core, and the coil is configured by winding a conductive wire around the core via the bobbin.
この力センサにおいて、前記コアは、前記中空部の周方向の一部に空隙を有し、前記ボビンは、前記空隙を覆うように前記コアに取り付けられることが好ましい。 In this force sensor, it is preferable that the core has a gap in a part in a circumferential direction of the hollow portion, and the bobbin is attached to the core so as to cover the gap.
この力センサにおいて、金属材料により形成され、前記コアの少なくとも一部を覆う遮蔽部を備えることが好ましい。 In this force sensor, it is preferable that the force sensor includes a shielding portion that is made of a metal material and covers at least a part of the core.
本発明の力検知装置は、上記何れかの前記力センサと、前記コイルのインダクタンスの変化に基づいて前記荷重受け部に加わる荷重を検知する検知回路とを備えることを特徴とする。 A force detection device according to the present invention includes any one of the force sensors described above and a detection circuit that detects a load applied to the load receiving portion based on a change in inductance of the coil.
本発明の力検知装置は、上記何れかの前記力センサと、前記コイルのコンダクタンスの変化に基づいて前記荷重受け部に加わる荷重を検知する検知回路とを備えることを特徴とする。 A force detection device according to the present invention includes any one of the force sensors described above and a detection circuit that detects a load applied to the load receiving portion based on a change in conductance of the coil.
本発明の力検知方法は、上記何れかの前記力センサにおいて、前記コイルに電流を供給するステップと、前記荷重受け部に加わる前記交差方向の荷重を、前記コイルのインダクタンスの変化に基づいて検知するステップとを有することを特徴とする。 According to the force detection method of the present invention, in any one of the force sensors described above, the step of supplying a current to the coil and the load in the cross direction applied to the load receiving portion are detected based on a change in inductance of the coil. And a step of performing.
本発明の力検知方法は、上記何れかの前記力センサにおいて、前記コイルに電流を供給するステップと、前記荷重受け部に加わる前記交差方向の荷重を、前記コイルのコンダクタンスの変化に基づいて検知するステップとを有することを特徴とする。 According to the force detection method of the present invention, in any one of the force sensors described above, the step of supplying a current to the coil and the load in the cross direction applied to the load receiving portion are detected based on a change in conductance of the coil. And a step of performing.
本発明の力センサでは、コアは、中空部の周方向に沿ってコイルの通電時に生じる磁束が通る磁路(閉磁路)が形成されるように構成されている。このため、本発明の力センサでは、コアから外部への磁束の漏れが生じ難く、従来例のように強磁性体のケースを用いなくてもよい。したがって、本発明の力センサは、強磁性体のケースを設けるスペースが不要であるので、薄型化を図ることができる。 In the force sensor of the present invention, the core is configured such that a magnetic path (closed magnetic path) through which the magnetic flux generated when the coil is energized passes along the circumferential direction of the hollow portion. For this reason, in the force sensor of the present invention, leakage of magnetic flux from the core to the outside hardly occurs, and there is no need to use a ferromagnetic case as in the conventional example. Therefore, the force sensor of the present invention does not require a space for providing a ferromagnetic case, and thus can be reduced in thickness.
本発明の実施形態に係る力センサ2は、図1B,図1Cに示すように、磁性体で形成される中空部400を有するコア4と、コア4に取り付けられるコイル5とを備える。コア4には、中空部400の周方向に沿ってコイル5の通電時に生じる磁束が通る磁路M1が形成される。そして、コア4は、磁路M1が形成される面と交差する交差方向の一面に、荷重を受ける荷重受け部40を備える。
As shown in FIGS. 1B and 1C, the
また、本発明の実施形態に係る力検知装置1は、図1Aに示すように、本実施形態の力センサ2と、検知回路3とを備える。検知回路3は、コイル5のインダクタンス(又は、コンダクタンス)の変化に基づいて荷重受け部40に加わる荷重を検知する。
Moreover, the force detection apparatus 1 which concerns on embodiment of this invention is provided with the
また、本発明の実施形態に係る力検知方法は、本実施形態の力センサ2において、コイル5に電流を供給するステップを有する。また、本実施形態の力検知方法は、荷重受け部40に加わる交差方向の荷重を、コイル5のインダクタンス(又は、コンダクタンス)の変化に基づいて検知するステップを有する。
The force detection method according to the embodiment of the present invention includes a step of supplying a current to the
以下、本発明の実施形態に係る力センサ2及びそれを用いた力検知装置1、並びに力検知方法について詳細に説明する。本実施形態の力検知装置1は、図1Aに示すように、力センサ2と、検知回路3とを備える。
Hereinafter, a
力センサ2は、図1B,図1Cに示すように、中空部400を有するコア4と、コア4に取り付けられるコイル5とを備える。コア4は、例えばNi(ニッケル)−Zn(亜鉛)フェライト等の磁性体により円環状に形成されている。なお、コア4は、コア4に荷重が加わると逆磁歪効果を奏する磁性体で形成されていればよい。逆磁歪効果とは、磁化されたコア4が荷重を加えられることで歪み、この歪みによりコア4の透磁率が変化する効果をいう。
As shown in FIGS. 1B and 1C, the
コイル5は、コア4の中空部400と外側とを交互に通るように、導線をコア4の一部に巻き付けることで構成されている。なお、導線としては、絶縁材料で被覆した銅線(例えば、エナメル線など)を用いるのが望ましい。以下の説明では、コア4において導線が巻き付けられる部位(すなわち、コイル5が取り付けられる部位)を「取付部41」と称する。
The
コア4の内部には、図1Bに示すように、コイル5の通電時に生じる磁束が通る。このため、コア4には、中空部400の周方向に沿った磁路(磁気回路)M1が形成される。この磁路M1は、閉磁路である。
As shown in FIG. 1B, magnetic flux generated when the
コア4は、その厚さ方向(図1Cにおける上下方向)の一面(図1Cにおける上面)に、荷重を受ける荷重受け部40を備える。換言すれば、コア4は、磁路M1が形成される面と交差する交差方向の一面に荷重受け部40を備える。本実施形態の力センサ2では、コア4は、磁路M1が形成される面と直交する方向の一面に荷重受け部40を備えている。なお、「直交」とは、完全な「直交」のみではなく、「ほぼ直交」を含む表現である。
The
検知回路3は、図2Aに示すように、発振回路30と、周期計測回路31と、二乗回路32と、温度補償回路33と、信号処理回路34とを備える。発振回路30は、コイル5を含む共振回路50の発振を維持するように構成されている。また、発振回路30は、共振回路50の共振周波数に対応する周波数で発振する発振信号を出力するように構成されている。周期計測回路31は、発振回路30から出力される発振信号の周期を計測し、計測した周期に対応する信号を出力するように構成されている。二乗回路32は、周期計測回路31から出力される信号の二乗値を演算して出力するように構成されている。温度補償回路33は、温度補償処理により、二乗回路32から出力される信号の温度変動を抑制するように構成されている。信号処理回路34は、温度補償回路33から出力される信号に基づいて、コア4の荷重受け部40に加わる荷重の変化を検知するように構成されている。
As shown in FIG. 2A, the
共振回路50の等価回路は、図2Aに示すように、インダクタL1及び抵抗R1の直列回路と、キャパシタC1との並列回路で構成される。ここでは、インダクタL1のインダクタンスは、コイル5のインダクタンスと等価である。また、抵抗R1の抵抗値は、コイル5の巻線抵抗の抵抗値と等価である。また、キャパシタC1の容量値は、コイル5の寄生容量と等価である。すなわち、本実施形態の力検知装置1では、コイル5のみで共振回路50を構成している。なお、共振回路50は、コイル5と並列にキャパシタ(図示せず)を電気的に接続することで構成してもよい。この構成では、キャパシタC1の容量値は、コイル5の寄生容量と、コイル5と並列に接続されたキャパシタの容量値との合成容量と等価である。
As shown in FIG. 2A, an equivalent circuit of the
ここで、本発明の実施形態に係る力検知方法について説明する。本実施形態の力検知方法は、本実施形態の力センサ2において、コイル5に電流を供給するステップを有する。また、本実施形態の力検知方法は、荷重受け部40に加わる交差方向(ここでは、図1Cにおける上下方向)の荷重を、コイル5のインダクタンスの変化に基づいて検知するステップを有する。以下、本実施形態の力検知装置1の動作を説明することにより、本実施形態の力検知方法について説明する。
Here, the force detection method according to the embodiment of the present invention will be described. The force detection method of the present embodiment includes a step of supplying a current to the
先ず、外部の電源(図示せず)がコイル5に電流を供給する。ここでは、検知回路3の発振回路30がコイル5に電流を供給する。すると、コア4は、コイル5が通電することで発生する磁束により磁化される。そして、コア4には、図1Bに示す磁路M1が形成される。次に、コア4の荷重受け部40に、コア4を押す向き(図1Cに示す矢印の向き)に荷重が加わると、逆磁歪効果により、荷重の大きさに応じてコア4の透磁率が変化する。このため、コア4の透磁率の変化に伴って、コイル5のインダクタンスが変化する。
First, an external power source (not shown) supplies current to the
すなわち、図2Bに示すように、コイル5のインダクタンスは、荷重受け部40に加わる荷重に応じて変化する。なお、図2Bでは、荷重受け部40に荷重が加わっていないときのコイル5のインダクタンスを100%として、荷重に応じたコイル5のインダクタンスの変化量を示している。
That is, as shown in FIG. 2B, the inductance of the
コイル5のインダクタンスが変化すると、コイル5を含む共振回路50の共振周波数が変化する。検知回路3では、既に述べたように、発振回路30が共振回路50の共振周波数に対応する周波数の発振信号を出力し、周期計測回路31が、発振信号の周期に対応する信号を出力する。ここで、発振信号の周期は、等価回路におけるインダクタL1のインダクタンスとキャパシタC1の容量値との積の平方根で表される。そして、二乗回路32が周期計測回路31の出力信号の二乗値を演算して出力するため、二乗回路32の出力信号は、コイル5のインダクタンスの変化に対して直線的に変化する。ここで、二乗回路32の出力信号は、温度補償回路33により温度変動分を補正されるが、温度補償回路33の出力信号は、やはりコイル5のインダクタンスの変化に対して直線的に変化する。
When the inductance of the
そして、信号処理回路34は、温度補償回路33の出力信号に基づいてコイル5のインダクタンスを演算し、得られたコイル5のインダクタンスの変化量から荷重受け部40に加わる荷重を演算する。すなわち、検知回路3は、コイル5のインダクタンスの変化に基づいてコア4の荷重受け部40に加わる荷重を検知する。
The
上述のように、本実施形態の力センサ2では、コア4は、中空部400の周方向に沿ってコイル5の通電時に生じる磁束が通る磁路M1(閉磁路)が形成されるように構成されている。このため、本実施形態の力センサ2では、コア4から外部への磁束の漏れが生じ難く、従来例のように強磁性体のケースを用いなくてもよい。したがって、本実施形態の力センサ2は、強磁性体のケースを設けるスペースが不要であるので、薄型化を図ることができる。
As described above, in the
ところで、特開2003−194639号公報(以下、「参考例」と称する)には、強磁性体のケースを不要とした力センサ100が開示されている。この力センサ100は、図3に示すように、2つの鉄心101と、磁歪部材102と、励磁コイル103と、検知コイル104とを備える。
By the way, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-194639 (hereinafter referred to as “reference example”) discloses a
各鉄心101には、その長手方向(図3における左右方向)の両端にそれぞれ鉄心脚部101Aが一体に形成されている。そして、一方の鉄心101の各鉄心脚部101Aと、他方の鉄心101の各鉄心脚部101Aとの間には、それぞれ間隙(空隙)105が設けられている。磁歪部材102は、磁性材料により円柱状に形成され、2つの鉄心101に挟持されている。励磁コイル103は、各鉄心101の一方側(図3における左側)の各鉄心脚部101Aの周囲に巻き回されており、交流電流を流すことで、各鉄心101と磁歪部材102とに磁束を発生させる。検知コイル104は、各鉄心101の他方側(図3における右側)の各鉄心脚部101Aの周囲に巻き回されており、各鉄心101を通過する磁束を検知する。
Each
以下、この力センサ100の動作について説明する。励磁コイル103に交流電流を流すと、鉄心脚部101A−間隙105−鉄心脚部101Aを通過する磁束の磁路M2と、鉄心脚部101A−間隙105−磁歪部材102を通過する磁束の磁路M3とが形成される。ここで、一方(図3における上方)の鉄心101に、磁歪部材102の軸方向(図3における上下方向)に押下するような荷重が加えられると、鉄心101を介して磁歪部材102に荷重が伝わり、磁歪部材102が圧縮される。このとき、荷重の増加に応じて、磁路M3の磁気抵抗が増加し、磁気M2の磁気抵抗が減少するので、磁路M2を通過する磁束が増加する。したがって、検知コイル104で検知される磁束が増加するので、誘起される電圧も増加する。この力センサ100では、この検知コイル104に誘起される電圧から荷重を算出する。
Hereinafter, the operation of the
この力センサ100では、各鉄心101と磁歪部材102とを通る磁路M2,M3がそれぞれ閉磁路である。しかしながら、この力センサ100では、磁路M2,M3が形成される面と、磁歪部材102が荷重を受ける方向(図3における上下方向)とが平行になっている。このため、磁路M2,M3が必要とする磁路長を確保するためには、各鉄心101の高さ方向(図3における上下方向)の寸法を調整する必要がある。したがって、この力センサ100は、構造上、荷重を受ける方向において薄型化を図ることは困難である。
In this
一方、本実施形態の力センサ2では、図1B,図1Cに示すように、磁路M1が形成される面と、コア4の荷重受け部40が荷重を受ける方向(図1Cにおける上下方向)とが交差するようになっている。このため、磁路M1が必要とする磁路長を確保するためには、コア4の周方向の寸法を調整すればよく、コア4の厚さ方向(交差方向)の寸法は磁路M1の磁路長に依存しない。したがって、本実施形態の力センサ2は、参考例に開示されている力センサ100と比較して、荷重を受ける方向において薄型化を図ることができる。
On the other hand, in the
なお、本実施形態の力センサ2では、コア4の形状は円環状に限定されず、例えば図8A等に示すように、四隅に丸まった角を有する環状であってもよい。すなわち、コア4は、中空部400の周方向に沿ってコイル5の通電時に生じる磁束が通る磁路(閉磁路)が形成される形状であればよい。
In the
また、本実施形態の力検知装置1では、検知回路3は、二乗回路32及び温度補償回路33を備えずに、周期計測回路31から出力される信号に基づいて信号処理回路34が荷重の変化を検知する構成であってもよい。また、図2Aに示す検知回路3の構成は一例であり、検知回路3は、コイル5のインダクタンスの変化に基づいて荷重を検知する構成であればその他の構成であってもよい。
In the force detection device 1 of the present embodiment, the
更に、図2Bに示すように、コイル5のコンダクタンスも荷重の変化に応じて変化するため、検知回路3は、コイル5のコンダクタンスの変化に基づいて荷重を検知する構成であってもよい。なお、図2Bでは、荷重受け部40に荷重が加わっていないときのコイル5のコンダクタンスを100%として、荷重に応じたコイル5のコンダクタンスの変化量を示している。この場合における本実施形態の力検知方法は、本実施形態の力センサ2において、コイル5に電流を供給するステップと、荷重受け部40に加わる交差方向の荷重を、コイル5のコンダクタンスの変化に基づいて検知するステップとを有する。
Further, as shown in FIG. 2B, the conductance of the
なお、本実施形態の力センサ2では、荷重受け部40はコア4の厚さ方向(交差方向)の一面であって、平面で構成されているが、荷重受け部40は必ずしも平面で構成されていなくてもよい。例えば、図4A,図4Bに示すように、荷重受け部40は、コア4の厚さ方向(交差方向)の一面に1乃至複数の突部42を備えた構成であってもよい。突部42は、半球状に形成されており、荷重を受ける向きと反対向き(図4Bにおける上向き)に突出している。なお、突部42の形状は、半球状に限定されず、他の形状であってもよい。また、突部42は、例えば弾性を有する材料で形成してもよい。
In the
ところで、例えば図5に示すように、単にコア4に導線を巻き付けるだけでコイル5を構成した場合、コア4の厚さ方向(交差方向)において、コイル5の一部が荷重受け部40よりも突出する。この構成では、荷重受け部40に荷重を加えると、コイル5にも荷重が加わり、コイル5が断線する虞がある。また、この構成では、荷重受け部40には、コイル5の一部が突出する部位と、その他の部位とが存在する。このため、この構成では、荷重受け部40に均一に荷重が加わらず、荷重を精度良く検知できない虞がある。
By the way, for example, as shown in FIG. 5, when the
そこで、本実施形態の力センサ2では、コイル5に加わる荷重を避ける構造を備える構成であってもよい。本実施形態の力センサ2では、この構造は、コア4が、取付部41において他の部位よりもコア4の厚さ方向(交差方向)の寸法が小さくされた構造である(図1B,図1C参照)。取付部41は、図1Cに示すように、コア4の厚さ方向において、コイル5の寸法T2がコア4の寸法T1よりも小さくなるように構成されている。換言すれば、取付部41の交差方向における寸法は、他の部位の交差方向における寸法内にコイル5が収まるように設定されている。このため、この構成では、コア4の厚さ方向(交差方向)において、コイル5の一部が荷重受け部40よりも突出することがない。したがって、この構成では、コイル5に荷重が加わるのを避けることができ、コイル5の断線を防止することができる。また、この構成では、荷重受け部40に均一に荷重が加わり易いので、荷重を精度よく検知することができる。
Therefore, the
なお、本実施形態の力センサ2では、図6に示すように、取付部41を備える代わりに、保護部6を備える構成であってもよい。保護部6は、例えば樹脂材料により板状に形成され、コア4の厚さ方向における両側それぞれに設置される。このため、コイル5の荷重受け部40よりも突出する部位が、保護部6によって覆われる。すなわち、保護部6は、交差方向の荷重受け部40側においてコイル5を少なくとも覆うように構成されている。
In addition, in the
この構成では、保護部6を介して荷重受け部40に荷重が加わるので、コイル5に直接荷重が加わるのを避けることができ、コイル5の断線を防止することができる。また、保護部6には、そのコイル5と対向する部位に、コイル5を避ける凹部60が設けられている。このため、コイル5と保護部6とが直接触れ難いので、コイル5に荷重が加わるのをより避けることができる。
In this configuration, since a load is applied to the
なお、本実施形態の力センサ2では、図7A,7Bに示すように、コア4の一部に取り付けられるボビン7を備える構成であってもよい。そして、コイル5は、ボビン7を介してコア4に導線を巻き付けることで構成されてもよい。ボビン7は、絶縁性を有する材料(例えば樹脂材料)により形成されている。また、ボビン7は、図7Bに示すように、その一部(図7Bにおける上部)を開口した断面C字状に形成されている。ボビン7は、その開口部分を介してコア4に嵌め込むことで、コア4に取り付けられる。そして、ボビン7をコア4に取り付けた状態で、ボビン7に導線を巻き付けることでコイル5が構成される。
In addition, in the
この構成では、ボビン7を介してコア4に導線を巻き付けてコイル5が構成されるので、ボビン7によりコア4とコイル5との短絡を防止することができる。このため、この構成では、コア4を導電性の高い材料で形成することができる。コア4は、例えば鉄やクロム、ニッケル等の金属材料で形成することができる。また、コア4は、例えばMn(マンガン)−Zn(亜鉛)フェライトやパーマロイなどの合金で形成することができる。特に、コア4を合金で形成する場合には、コア4の強度を高めることができるので、強度を確保しつつ更なる薄型化を図ることができる。
In this configuration, since the
また、本実施形態の力センサ2では、図8A,図8Bに示すように、コア4は、中空部400の周方向の一部に空隙43を有する構成であってもよい。そして、ボビン7の代わりに、ボビン8が、空隙43を覆うようにコア4に取り付けられる構成であってもよい。コア4は、図8Aに示すように、その一部を切り欠くことで、平面視でC字状に形成されている。そして、コア4の一方の端部44と、他方の端部45との間には、空隙43が設けられている。ボビン8は、絶縁性を有する材料(例えば樹脂材料)により形成されている。また、ボビン8は、図8A,図8Bに示すように、筒状に形成されている。したがって、ボビン8は、ボビン7とは異なり、開口を有していない。ボビン8は、その中空部にコア4の各端部44,45が嵌り込むように、空隙43を介してコア4に取り付けられる。
Moreover, in the
この構成では、コイル5を構成する導線を予め巻き付けたボビン8を、空隙43を介してコア4に取り付けることができる。したがって、この構成では、コア4に導線を巻き付ける工程が不要であり、コア4に容易にコイル5を取り付けることができる。また、この構成では、磁路M1の途中に空隙43が介在している。すなわち、この構成では、磁路M1の途中に、透磁率の小さい空気が介在するため、コイル5のインダクタンスのばらつきを低減することができる。なお、図8Cには、荷重受け部40に荷重が加わっていないときのコイル5のインダクタンス(及びコンダクタンス)を100%として、荷重に応じたコイル5のインダクタンス(及びコンダクタンス)の変化量を示している。
In this configuration, the
なお、図9A,図9Bに示すように、ボビン8は、コア4の幅寸法D1に収まるように形成されてもよい。この場合、図9Bに示すように、ボビン8の中空部にコア4の各端部44,45が嵌まり込むように、各端部44,45の幅寸法D2を小さくすればよい。更に、図10A,図10Bに示すように、ボビン8は、コイル5の荷重受け部40よりも突出しないように、コア4の厚さ方向において、巻き付けたコイル5の寸法T2がコア4の寸法T1よりも小さくなるように形成されてもよい。この場合、図10Bに示すように、ボビン8の中空部にコア4の各端部44,45が嵌まり込むように、各端部44,45の厚さ寸法T3を小さくすればよい。
9A and 9B, the
なお、本実施形態の力センサ2では、図11に示すように、遮蔽部9を備える構成であってもよい。遮蔽部9は、金属材料により板状に形成され、コア4の厚さ方向における両側それぞれに設置される。この構成では、遮蔽部9により外部の磁場の影響を低減することができる。ここでは、荷重を検知する対象物(例えば、ボルトなど)をコア4の中空部400に通すために、遮蔽部9に孔90を設けているが、必ず設ける必要はない。すなわち、対象物をコア4の中空部400に通す必要がない場合は、遮蔽部9に孔90を設けなくてもよい。また、遮蔽部9を設ける場合は、遮蔽部9を介してコア4とコイル5が短絡しないように、コイル5と遮蔽部9との間に一定の間隔を設けるのが望ましい。
In addition, in the
ところで、本実施形態の力センサ2は、従来例の磁歪式荷重センサや、参考例に開示されている力センサ100と比較して薄型化を図ることができるため、例えばワッシャの代わりに用いることが将来的に可能である。このため、本実施形態の力センサ2を用いた力検知装置1は、例えばボルトを天井や壁に締め付ける際の締付軸力の検知に用いることができる。
By the way, the
以下、本実施形態の力検知装置1を用いて、ボルトB1の締付軸力を検知する実施例について図12を参照して説明する。なお、締付軸力とは、ナットN1でボルトB1を締め付ける際に、造営材A1(例えば、壁や天井)に加わるボルトB1の軸方向に沿った荷重をいう(図12B参照)。 Hereinafter, an example of detecting the tightening axial force of the bolt B1 using the force detection device 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG. The tightening axial force refers to a load along the axial direction of the bolt B1 applied to the construction material A1 (for example, a wall or a ceiling) when the bolt B1 is tightened with the nut N1 (see FIG. 12B).
この実施例において、力検知装置1は、図12Aに示すように、力センサ2と、検知回路3を実装した基板300とをケース10に収納して構成されている。ケース10は、例えば樹脂材料により形成され、力センサ2を保護する半円盤状の第1ケース10Aと、基板300を保護する扁平な直方体状の第2ケース10Bとで構成されている。ケース10は、外部磁場を低減するために用いる従来の強磁性体のケースとは異なり、磁路M1の形成に関与しない。したがって、ケース10は、荷重に耐え得る強度を有していればよく、薄型に形成することができる。
In this embodiment, the force detection device 1 is configured by housing a
第1ケース10Aには、ボルトB1の軸部B10を通すために、平面視で円形状の通孔10Cを設けている。この通孔10Cと、コア4の中空部400とをボルトB1の軸部B10が通るようになっている。
The
以下、この実施例における力検知装置1の使用方法について説明する。先ず、ボルトB1を造営材A1の裏側(図12Bにおける下側)から通す。なお、図12Bでは、ボルトB1の頭部の図示を省略している。次に、造営材A1の表側(図12Bにおける上側)に突出する軸部B10に通孔10C及びコア4の中空部400を通す。そして、造営材A1との間で第1ケース10Aを挟む形で、ナットN1を軸部B10に通して締め付ける。すると、コア4の荷重受け部40に、第1ケース10Aを介してボルトB1の締付軸力が加わる。したがって、力検知装置1は、検知回路3が荷重受け部40に加わる荷重を検知することで、ボルトB1の締付軸力を検知することができる。
Hereafter, the usage method of the force detection apparatus 1 in this Example is demonstrated. First, the bolt B1 is passed from the back side (the lower side in FIG. 12B) of the building material A1. In FIG. 12B, the head of the bolt B1 is not shown. Next, the through
上述のように、本実施形態の力センサ2はワッシャの代わりに用いることができる。したがって、例えば、トンネルの天井板を吊り下げるために用いるアンカーボルト(図示せず)に本実施形態の力センサ2をワッシャとして取り付ければ、現場から離れた場所でアンカーボルトの締付軸力をモニタリングすることも可能である。
As described above, the
1 力検知装置
2 力センサ
3 検知回路
4 コア
40 荷重受け部
400 中空部
41 取付部
43 空隙
5 コイル
6 保護部
7,8 ボビン
9 遮蔽部
M1 磁路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (11)
前記コアには、前記中空部の周方向に沿って前記コイルの通電時に生じる磁束が通る磁路が形成され、
前記コアは、前記磁路が形成される面と交差する交差方向の一面に、荷重を受ける荷重受け部を備えることを特徴とする力センサ。 A core having a hollow portion formed of a magnetic material, and a coil attached to the core,
In the core, a magnetic path through which a magnetic flux generated when the coil is energized is formed along the circumferential direction of the hollow portion,
The core is provided with a load receiving portion for receiving a load on one surface in a crossing direction intersecting a surface on which the magnetic path is formed.
前記取付部の前記交差方向における寸法は、前記他の部位の前記交差方向における寸法内に前記コイルが収まるように設定されていることを特徴とする請求項2記載の力センサ。 In the structure, the core is a structure in which the dimension in the intersecting direction is made smaller than other parts in an attachment portion to which the coil is attached,
3. The force sensor according to claim 2, wherein a dimension of the mounting portion in the intersecting direction is set so that the coil is within a dimension of the other portion in the intersecting direction.
前記コイルは、前記ボビンを介して前記コアに導線を巻き付けることで構成されることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の力センサ。 Comprising a bobbin attached to a portion of the core;
The force sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the coil is configured by winding a conducting wire around the core via the bobbin.
前記ボビンは、前記空隙を覆うように前記コアに取り付けられることを特徴とする請求項5記載の力センサ。 The core has a gap in a part of the hollow portion in the circumferential direction,
The force sensor according to claim 5, wherein the bobbin is attached to the core so as to cover the gap.
前記荷重受け部に加わる前記交差方向の荷重を、前記コイルのインダクタンスの変化に基づいて検知するステップとを有することを特徴とする力検知方法。 In the force sensor according to any one of claims 1 to 7, supplying a current to the coil;
And a step of detecting a load in the crossing direction applied to the load receiving portion based on a change in inductance of the coil.
前記荷重受け部に加わる前記交差方向の荷重を、前記コイルのコンダクタンスの変化に基づいて検知するステップとを有することを特徴とする力検知方法。 In the force sensor according to any one of claims 1 to 7, supplying a current to the coil;
And a step of detecting a load in the crossing direction applied to the load receiving portion based on a change in conductance of the coil.
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