JP2015224938A - 力センサ及びそれを用いた力検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供する。
【解決手段】力センサ２は、検知部２０と、第１プレート２１及び第２プレート２２と、弾性体２３とを備える。検知部２０は、コア４と、コア４と磁気的に結合するコイル５とを有する。第１プレート２１及び第２プレート２２は、所定の検知方向の両側から検知部２０を挟むように配置される。弾性体２３は、コア４よりも弾性率の低い材料で形成され、第１プレート２１及び第２プレート２２の両者間を位置決めする。そして、検知部２０は、検知方向に沿う向きに第１プレート２１及び第２プレート２２からかかる荷重を受けるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に力センサ及び力検知装置、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に関する。

従来、ストレインゲージ（ひずみゲージ）を用いて荷重を検知するロードセル（力センサ）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に記載の従来例は、平面視で円環形状の外周固定部と、外周固定部の内側の中央に位置する荷重印加部と、外周固定部と荷重印加部とを結合する複数の起歪部とを備えている。各起歪部には、それぞれストレインゲージが貼り付けられている。各ストレインゲージは、荷重印加部に加えられた荷重を検知して電気信号に変換する。

実開平６−７４９４２号公報

しかしながら、上記従来例は、起歪部と共にストレインゲージが変形することで荷重を検知する構成となっているため、板状部材（プレート）を加工することで起歪部を設ける必要がある。このため、上記従来例では、起歪部が設計可能な厚さを有するプレートを必要とし、薄型化を図ることが困難であるという問題があった。

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を提供することを目的とする。

本発明の力センサは、磁性体で形成されるコア、及び前記コアと磁気的に結合するコイルを有する検知部と、所定の検知方向の両側から前記検知部を挟むように配置される第１プレート及び第２プレートと、前記コアよりも弾性率の低い材料で形成され、前記第１プレート及び前記第２プレートの両者間を位置決めする弾性体とを備え、前記検知部は、前記検知方向に沿う向きに前記第１プレート及び前記第２プレートからかかる荷重を受けるように構成されることを特徴とする。

この力センサにおいて、前記検知部を複数備え、前記複数の検知部は、前記検知方向と直交する平面に沿って配置されることが好ましい。

この力センサにおいて、前記複数の検知部は、前記平面における基準線に対して線対称、又は前記平面における基準点に対して点対称に配置されることが好ましい。

この力センサにおいて、前記第１プレート及び前記第２プレートは、それぞれ前記検知方向に貫通する通孔を有し、前記複数の検知部は、前記通孔の周囲に配置されることが好ましい。

この力センサにおいて、前記複数の検知部は、複数の検知位置の中から選択された２以上の検知位置に１対１に対応して配置されることが好ましい。

この力センサにおいて、前記複数の検知部の各々の有する前記コアは、前記検知方向の寸法が互いに等しいことが好ましい。

この力センサにおいて、前記第１プレート及び前記第２プレートの間に配置され、前記検知部を位置決めする構造体を備えることが好ましい。

この力センサにおいて、前記構造体は、前記検知方向に貫通する位置決め孔を有し、前記コアは、前記位置決め孔の内側に配置されることが好ましい。

この力センサにおいて、前記構造体は、回路が形成された基板であることが好ましい。

この力センサにおいて、前記第１プレート及び前記第２プレートの少なくとも一方を含む外郭と前記基板との間に配置されて、前記外郭と前記基板との間を電気的に絶縁する絶縁体を備えることが好ましい。

この力センサにおいて、前記コイルは、前記基板の何れかの層に導体をパターン形成することで構成されることが好ましい。

この力センサにおいて、前記コア及び前記コイルは、それぞれ前記コイルの通電時に開磁路を形成するように配置されることが好ましい。

この力センサにおいて、前記コア及び前記コイルは、それぞれ前記コイルの通電時に閉磁路を形成するように配置されることが好ましい。

本発明の力検知装置は、上記何れかの力センサと、前記コイルの磁気特性の変化に基づいて荷重を検知する検知回路とを備えることを特徴とする。

本発明は、第１プレートと第２プレートとで検知部を挟み、第１プレート及び第２プレートの両者間を弾性体で位置決めした構成となっている。このため、本発明では、第１プレート及び第２プレートに従来例のような起歪部を設ける加工が必要ではないので、第１プレート及び第２プレートの厚さ方向の寸法を小さくすることができる。したがって、本発明は、第１プレート及び第２プレートの厚さ方向の寸法を小さくすることで、薄型化を図ることができる。

図１Ａは、実施形態１に係る力センサ及び力検知装置を示す概略図で、図１Ｂは、実施形態１に係る力センサの平面図で、図１Ｃは、実施形態１に係る力センサの断面図である。 実施形態１に係る力検知装置における検知回路の概略図である。 図３Ａは、中空部を有するコアにおける開磁路の磁束分布を示す図で、図３Ｂは、中空部を有さないコアにおける開磁路の磁束分布を示す図である。 実施形態１に係る力センサにおいて、基板以外の構造体を用いた構成を示す断面図である。 図５Ａは、実施形態２に係る力センサの断面図で、図５Ｂは、実施形態２に係る力センサの平面図である。 図６Ａは、実施形態２に係る力センサにおける基板の一例を示す平面図である。図６Ｂは、実施形態２に係る力センサにおける基板の一例を示す平面図である。 図７Ａは、実施形態２に係る力検知装置において、各検知部を検知回路に個別に接続した一例を示す概略図で、図７Ｂは、実施形態２に係る力検知装置において、各検知部を検知回路に個別に接続した一例を示す概略図である。 実施形態２に係る力検知装置において、各検知部を検知回路に直列に接続した一例を示す概略図である。 実施形態２に係る力センサの使用例を示す概略図である。 図１０Ａは、実施形態２に係る力センサにおける検知部の配置の一例を示す平面図で、図１０Ｂは、実施形態２に係る力センサにおける検知部の配置の一例を示す平面図である。 図１１Ａは、実施形態２に係る力センサにおいて、正方形状の基板に検知部を配置した一例を示す平面図で、図１１Ｂは、実施形態２に係る力センサにおいて、平面視で半円環形状の基板に検知部を配置した一例を示す平面図で、図１１Ｃは、実施形態２に係る力センサにおいて、平面視で円環形状の基板に検知部を配置した一例を示す平面図である。 実施形態２に係る力センサにおいて、絶縁体を配置した一例を示す断面図である。 実施形態２に係る力センサにおいて、コイルを基板に形成した一例を示す平面図である。 実施形態２に係る力センサにおいて、位置決め孔の代わりに凹部を設けた一例を示す断面図である。 実施形態２に係る力センサにおいて、剛性体を配置した一例を示す断面図である。 図１６Ａは、実施形態２に係る力センサにおいて、基板以外の構造体を用いた構成を示す断面図で、図１６Ｂは、実施形態２に係る力センサにおいて、基板以外の構造体を用いた構成を示す平面図である。 図１７Ａは、実施形態２に係る力センサにおいて、基板以外の構造体を用いた他の構成を示す断面図で、図１７Ｂは、実施形態２に係る力センサにおいて、基板以外の構造体を用いた他の構成を示す平面図である。

（実施形態１）
本発明の実施形態に係る力センサ２は、図１Ａ〜図１Ｃに示すように、検知部２０と、第１プレート２１及び第２プレート２２と、弾性体２３とを備えている。検知部２０は、磁性体で形成されるコア４と、コア４と磁気的に結合するコイル５とを有する。第１プレート２１及び第２プレート２２は、所定の検知方向の両側から検知部２０を挟むように配置される。弾性体２３は、コア４よりも弾性率の低い材料で形成され、第１プレート２１及び第２プレート２２の両者間を位置決めする。そして、検知部２０は、検知方向に沿う向きに第１プレート２１及び第２プレート２２からかかる荷重を受けるように構成される。

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、力センサ２と、検知回路３とを備えている。検知回路３は、コイル５の磁気特性（インダクタンスまたはコンダクタンス）の変化に基づいて荷重を検知する。

以下、本実施形態の力センサ２及び力検知装置１について詳細に説明する。但し、以下に説明する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は下記の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。また、以下の説明では、コア４の厚さ方向（検知方向）を上下方向とし、コア４から見て第１プレート２１側を下方、第２プレート２２側を上方として説明するが、力センサ２及び力検知装置１の使用形態を限定する趣旨ではない。

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とを備えている。また、本実施形態の力センサ２は、図１Ａ〜図１Ｃに示すように、検知部２０と、第１プレート２１と、第２プレート２２と、弾性体２３と、基板（構造体）２４とを備えている。なお、図１Ｂでは、第２プレート２２及び弾性体２３の図示を省略している。

検知部２０は、図１Ａに示すように、磁性体で形成されるコア４と、コア４と磁気的に結合するコイル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形成されている。本実施形態の力センサ２では、コア４は平面視で円環状に形成されており、中空部４０を有している。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。

コイル５は、コア４の中空部４０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）を用いるのが好ましい。ここで、コア４において導線が巻き付けられる部位（図１Ｂ参照）を「取付部４１」と称する。

取付部４１は、図１Ｃに示すように、その上下方向の寸法が、コア４の他の部位の上下方向の寸法内にコイル５が収まるように設計されている。このため、本実施形態の力センサ２では、コイル５の一部がコア４の上面（または下面）よりも突出することがないので、コア４に荷重が加わってもコイル５に荷重が加わらず、コイル５の断線を防止することができる。なお、取付部４１を上記の寸法で設計するか否かは任意である。

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４０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。したがって、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いので、磁束の漏れを防ぐために強磁性体のケースを設ける必要がない。

第１プレート２１及び第２プレート２２は、何れも例えば金属材料で形成される板状の部材である。第１プレート２１は、図１Ｂに示すように、平面視で円形状に形成されている。また、図示しないが、第２プレート２２は、第１プレート２１と同様に平面視で円形状に形成されている。第１プレート２１は、図１Ｃに示すように、コア４の下面に接する形でコア４の下側に配置される。また、第２プレート２２は、図１Ｃに示すように、コア４の上面に接する形でコア４の上側に配置される。つまり、第１プレート２１及び第２プレート２２は、上下方向（検知方向）の両側からコア４を挟むように配置される。

なお、第１プレート２１及び第２プレート２２の形状は、平面視で円形状に限定されず、例えば平面視で矩形状や円環形状であってもよい。また、第１プレート２１及び第２プレート２２は、想定される荷重に耐え得る強度を有していればよい。さらに、第１プレート２１及び第２プレート２２は金属材料で形成されていなくてもよく、例えばＣＦＲＰ（Carbon-Fiber-Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）等の樹脂材料で形成されていてもよい。

弾性体２３は、例えばエポキシ樹脂やシリコーン樹脂を主成分とする接着剤である。弾性体２３は、第１プレート２１の上面の外周縁と、第２プレート２２の下面の外周縁とに接着することで、第１プレート２１及び第２プレート２２を互いに結合する。弾性体２３は、接着剤に限定されず、コア４を形成する材料よりも弾性率の低い材料で形成されていればよい。また、弾性体２３は、第１プレート２１及び第２プレート２２の両者間を位置決めする構成であればよい。

基板２４は、図１Ｃに示すように、第１プレート２１及び第２プレート２２、並びに弾性体２３で囲まれる空間内に収納されている。基板２４は、その外周縁が弾性体２３に接することで固定されている。また、基板２４は、図１Ｃに示すように平面視で円環形状に形成されており、その中央部は、コア４の径寸法よりも僅かに大きい径寸法を有する平面視で円形状の位置決め孔２４０となっている。この位置決め孔２４０にコア４が嵌まり込むことで、コア４が所定の位置に位置決めされる。言い換えれば、基板（構造体）２４は、第１プレート２１及び第２プレート２２の間に配置され、検知部２０を所定の位置に位置決めするための部材である。また、基板（構造体）２４は、上下方向（検知方向）に貫通する位置決め孔２４０を有している。そして、コア４が、位置決め孔２４０の内側に配置される。なお、位置決め孔２４０の形状は、平面視で円形状に限定されず、例えば平面視で矩形状であってもよい。つまり、位置決め孔２４０は、コア４が嵌まり込む形状であればよい。

検知回路３は、図２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とを備えている。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に加わる荷重の変化を検知するように構成されている。

共振回路５０の等価回路は、図２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との並列回路とで構成される。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の寄生容量の容量値と等価である。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。

本実施形態の力センサ２では、検知回路３は、基板２４に電子部品を実装することで構成されている。言い換えれば、基板（構造体）２４には、回路（検知回路３）が形成されている。つまり、本実施形態の力検知装置１では、力センサ２と一体に検知回路３が設けられている。なお、検知回路３は基板２４に設けられる必要はなく、基板２４とは別体で設けられていてもよい。更に、検知回路３は、例えば力センサ２の外部の基板（図示せず）に設けられていてもよい。すなわち、本実施形態の力検知装置１では、力センサ２と別体に検知回路３が設けられていてもよい。

以下、本実施形態の力センサ２及び力検知装置１の動作について説明する。先ず、外部の電源（図示せず）からコイル５に電流を供給することで、コア４が磁化され、磁路Ｍ１が形成される。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。

次に、第１プレート２１の下面に上向きに荷重（図１Ｃに示す上向きの矢印参照）が加わると、弾性体２３が撓むことにより第１プレート２１が押し上げられ、第１プレート２１を介してコア４に荷重が加わる。すると、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ため、コイル５のインダクタンスが変化する。同様に、第２プレート２２の上面に下向きに荷重（図１Ｃに示す下向きの矢印参照）が加わると、弾性体２３が撓むことにより第２プレート２２が押し下げられ、第２プレート２２を介してコア４に荷重が加わる。この場合も、荷重の大きさに応じてコイル５のインダクタンスが変化する。つまり、本実施形態の力センサ２では、コア４（検知部２０）は、上下方向（検知方向）に沿う向きに第１プレート２１及び第２プレート２２からかかる荷重を受けるように構成されている。

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。このため、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。二乗回路３２の出力信号は、温度補償回路３３により温度変動分が補正される。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、コイル５のインダクタンスの変化量からコア４に加わる荷重を演算する。つまり、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コア４に加わる荷重を検知する。

上述のように、本実施形態の力センサ２は、第１プレート２１と第２プレート２２とで検知部２０を挟み、第１プレート２１及び第２プレート２２の両者間を弾性体２３で位置決めした構成となっている。このため、本実施形態の力センサ２では、第１プレート２１及び第２プレート２２に従来例のような起歪部を設ける加工が必要ではないので、第１プレート２１及び第２プレート２２の厚さ方向の寸法を小さくすることができる。したがって、本実施形態の力センサ２は、第１プレート２１及び第２プレート２２の厚さ方向の寸法を小さくすることで、薄型化を図ることができる。また、本実施形態の力センサ２は、弾性体２３を備えている。このため、本実施形態の力センサ２は、第１プレート２１又は第２プレート２２に荷重が加わると、コア４に荷重が適正に伝わり易いので、荷重の検知精度を向上させることができる。

また、本実施形態の力センサ２では、コイル５の通電時に形成される磁路Ｍ１が閉磁路となるようにコイル５を設けているが、コイル５は、図３Ａに示すように、導線をコア４の外周に沿って巻き付けることで構成されていてもよい。この構成では、コイル５の通電時に生じる磁束は、コア４の内側のみならずコア４の外側も通る磁路Ｍ２を形成する。つまり、この構成では、磁路Ｍ２は開磁路となる。この構成では、取付部４１を設ける等してコア４を加工する必要がないので、コア４を製作し易いという利点がある。また、この構成では、コア４の外周に導線を巻き付けるだけでコイル５を製作することができるので、コイル５を製作し易いという利点がある。つまり、この構成では、コア４及びコイル５の設計が容易であることから、力センサ２の小型化や薄型化を図り易い。なお、導線をコア４の外周に沿って巻き付けることでコイル５を構成する場合は、図３Ｂに示すように、コア４は中空部４０を有していなくてもよい。

また、本実施形態の力センサ２では、基板２４を用いてコア４を位置決めしているが、例えば図４に示すように、基板２４以外の構造体２７でコア４を位置決めする構成であってもよい。なお、この構成では、第１プレート２１は、その中央部に平面視で円形状の通孔２１０が設けられている。同様に、この構成では、第２プレート２２は、その中央部に平面視で円形状の通孔２２０が設けられている。これらの通孔２１０，２２０は、例えばボルト（図示せず）の締付軸力を検知する際に、ボルトの軸部をコア４の中空部４０に通すために用いられる。また、これらの通孔２１０，２２０は、アンカー１００（図９参照）の引張り力を検知する際に、アンカー１００のテンドン（tendon）１０２Ａ（図９参照）をコア４の中空部４０に通すために用いられる。勿論、通孔２１０，２２０の形状は、平面視で円形状に限定されず、ボルトの軸部やテンドン１０２Ａを通すことが可能な形状であればよい。

構造体２７は、例えば金属材料や樹脂材料によりシート状に形成され、第１プレート２１及び第２プレート２２、並びに弾性体２３で囲まれる空間内に収納されている。構造体２７は、上記の空間の一部に弾性体２３を充填することで固定されている。また、構造体２７は、基板２４と同様に平面視で円環形状に形成されており、その中央部は平面視で円環形状の位置決め孔２７０となっている。この位置決め孔２７０にコア４が嵌まり込むことで、コア４が所定の位置に位置決めされる。なお、位置決め孔２７０の形状は、平面視で円形状に限定されず、例えば平面視で矩形状であってもよい。つまり、位置決め孔２７０は、コア４が嵌まり込む形状であればよい。

この構成では、力センサ２は基板２４を備えていない。つまり、検知回路３は、力センサ２の外部に配置されている。したがって、この構成では、構造体２７に検知回路３などの回路を設計する必要がないことから、基板２４と比較して構造体２７の厚さ方向の寸法を小さくすることができるので、力センサ２の薄型化を図ることができる。

なお、本実施形態の力センサ２では、基板２４や構造体２７を備えるか否かは任意である。すなわち、本実施形態の力センサ２は、第１プレート２１及び第２プレート２２、並びに弾性体２３によりコア４を位置決めする構造であれば、基板２４や構造体２７を設けなくてもよい。但し、基板２４や構造体２７を備える構成であれば、第１プレート２１及び第２プレート２２を加工してコア４を位置決めするための構造を設ける必要がなく、第１プレート２１及び第２プレート２２の厚さ寸法を小さくすることができるという利点がある。

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２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の磁気特性（インダクタンスまたはコンダクタンス）の変化に基づいて荷重を検知する構成であれば、その他の構成であってもよい。

（実施形態２）
本実施形態の力センサ２及び力検知装置１は、例えばグラウンドアンカー（ground anchor）工法に用いられる。ここで、グラウンドアンカー工法について簡単に説明する。例えば地山の掘削や盛土等により法面が形成される場合、法面に設けられる構造物を安定させるために、グラウンドアンカー工法が一般的に用いられている。このグラウンドアンカー工法で使用するアンカーの引張り力を検知して監視するために、実施形態１の力センサ２及び力検知装置１を用いることが考えられる。

ここで、アンカーのように大型の部材に実施形態１の力センサ２を用いる場合、大型の部材に合わせて径寸法の大きいコア４を用いる必要がある。しかしながら、コア４の厚さ方向の寸法を大きくすることなくコア４の径寸法を大きくする加工は困難であり、実施形態１の力センサ２では、コア４の厚さ方向の大型化を避けられない。そこで、大型の部材の荷重を検知する場合、力センサ２は、複数の検知部２０を備えるのが好ましい。

以下、複数の検知部２０を備える本実施形態の力センサ２及び力検知装置１について図面を用いて説明する。なお、本実施形態の力センサ２及び力検知装置１において、実施形態１と共通する構成要素については適宜説明を省略する。

本実施形態の力センサ２は、図５Ａ，図５Ｂに示すように、複数（ここでは、１２個）の検知部２０と、第１プレート２１と、第２プレート２２と、弾性体２３と、基板（構造体）２４とを備えている。また、複数の検知部２０は、上下方向（検知方向）と直交する平面に沿って配置される。なお、図５Ｂでは、第２プレート２２及び弾性体２３の図示を省略している。また、「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。

第１プレート２１は、図５Ｂに示すように平面視で正方形状に形成されている。また、図示しないが、第２プレート２２は、第１プレート２１と同様に平面視で正方形状に形成されている。第１プレート２１は、図５Ａに示すように、複数（図示では２つ）のコア４の下面に接する形で複数のコア４の下側に配置される。また、第２プレート２２は、図５Ａに示すように、複数（図示では２つ）のコア４の上面に接する形で複数のコア４の上側に配置される。つまり、第１プレート２１及び第２プレート２２は、上下方向（検知方向）の両側から複数のコア４を挟むように配置される。

第１プレート２１には、図５Ａ，図５Ｂに示すように、その中央部を上下方向（検知方向）に貫通する平面視で円形状の通孔２１０が設けられている。また、第２プレート２２には、図５Ａに示すように、その中央部を上下方向（検知方向）に貫通する平面視で円形状の通孔２２０が設けられている。勿論、通孔２１０，２２０の形状は、平面視で円形状に限定されず、ボルトの軸部やテンドン１０２Ａを通すことが可能な形状であればよい。

なお、本実施形態の力センサ２では、第１プレート２１の中央部に通孔２１０を、第２プレート２２の中央部に通孔２２０をそれぞれ設けているが、通孔２１０，２２０を設ける位置を限定する趣旨ではない。つまり、通孔２１０は、第１プレート２１を上下方向（検知方向）に貫通する形で設けられていればよく、その位置は中央部に限定されない。同様に、通孔２２０は、第２プレート２２を上下方向（検知方向）に貫通する形で設けられていればよく、その位置は中央部に限定されない。

弾性体２３は、図５Ａに示すように、第１プレート２１の上面の外周縁と、第２プレート２２の下面の外周縁とに接着することで、第１プレート２１及び第２プレート２２を互いに結合する。また、弾性体２３は、図５Ａに示すように、第１プレート２１の上面における通孔２１０の周縁と、第２プレート２２の下面における通孔２２０の周縁とに接着することで、第１プレート２１及び第２プレート２２を互いに結合する。
つまり、弾性体２３は、第１プレート２１及び第２プレート２１の両者間を位置決めする構成であればよい。

基板２４は、図５Ａに示すように、第１プレート２１及び第２プレート２２、並びに弾性体２３で囲まれる空間内に収納されている。基板２４は、図５Ｂに示すように平面視で正方形状に形成されている。また、基板２４の中央部には、通孔２１０，２２０の径寸法よりも僅かに大きい径寸法（例えば、直径１４０ｍｍ）を有する平面視で円形状の通孔２４１が設けられている。この通孔２４１は、通孔２１０，２２０と同様に、ボルトの軸部やテンドン１０２Ａを通すことが可能な形状であればよい。基板２４は、その外周縁と、通孔２４１の内周縁とがそれぞれ弾性体２３に接することで固定されている。

また、基板２４には、図５Ｂ，図６Ａに示すように、通孔２４１の周囲に複数（図示では１２個）の位置決め孔２４０が設けられている。各位置決め孔２４０は、平面視で円形状に形成され、通孔２４１の周方向に沿って等間隔に設けられている。なお、位置決め孔２４０の形状は、平面視で円形状に限定されず、例えば図６Ｂに示すように平面視で矩形状であってもよい。つまり、位置決め孔２４０は、コア４が嵌まり込む形状であればよい。

本実施形態の力センサ２では、図５Ｂに示すように、各位置決め孔２４０は、上下方向（検知方向）と直交する平面において、通孔２４１の中心を通る基準線Ｒ１に対して線対称となるように配置される。また、各位置決め孔２４０は、上下方向（検知方向）と直交する平面において、通孔２４１の中心を基準点Ｒ２として、基準点Ｒ２に対して点対称となるように配置されている。したがって、各位置決め孔２４０にそれぞれコア４を配置することで、各検知部２０も基準線Ｒ１に対して線対称となるように配置され、且つ基準点Ｒ２に対して点対称となるように配置される。また、言い換えれば、複数の検知部２０は、通孔２１０，２２０の周囲に配置されている。

本実施形態の力検知装置１では、図７Ａに示すように、各検知部２０が検知回路３に個別に電気的に接続されている。つまり、各コイル５の両端が、それぞれ検知回路３に個別に電気的に接続されている。検知回路３は、各検知部２０の出力信号のレベルの合計値に基づいて演算することで、全てのコア４に加わる荷重（すなわち、力センサ２に加わる荷重）を検知することができる。

また、検知回路３は、各検知部２０の出力信号のレベルに基づいて検知部２０毎に加わる荷重を演算することも可能である。この構成では、検知回路３は、各検知部２０に加わる荷重を比較することで、第１プレート２１又は第２プレート２２に加わる荷重の分布を検知することができる。つまり、この構成では、第１プレート２１又は第２プレート２２に均一に荷重が加わっているか否かを検知することができる。

なお、この構成では、図７Ｂに示すように、検知回路３は、コイル５を備えていない検知部２０がある場合でも荷重を検知することが可能である。したがって、この構成では、検知対象に応じて検知部２０の個数を減らすことができ、製作コストの低減を図ることができる。

また、本実施形態の力検知装置１は、図８に示すように、各検知部２０を検知回路３に直列に電気的に接続した構成であってもよい。つまり、各コイル５の直列回路の両端が、検知回路３に電気的に接続されている。この構成では、１つの検知部２０の出力信号のレベルが微小であっても、全ての検知部２０の出力信号のレベルの合計値に基づいて検知回路３が荷重を演算するので、荷重の検知精度が向上するという利点がある。また、この構成では、隣り合うコイル５の間で相互干渉が起こり難いという利点がある。

以下、本実施形態の力センサ２及び力検知装置１を用いて、グラウンドアンカー工法で用いられるアンカー１００の引張り力を検知する実施例について図９を参照して説明する。なお、図９では、検知回路３の図示を省略している。アンカー１００は、構造物Ａ１からの引張り力を地盤（図示せず）に伝達するために用いられる。アンカー１００は、引張り力を地盤に伝達させる機能を持つアンカー体（図示せず）と、アンカー１００を構造物Ａ１に結合するためのアンカー頭部１０１と、アンカー頭部１０１からの引張り力をアンカー体に伝える引張り部１０２とで構成される。

アンカー頭部１０１は、定着具であるナット１０１Ａと、構造物Ａ１の上に配置される支圧板であるアンカープレート１０１Ｂとで構成されている。アンカープレート１０１Ｂには、テンドン１０２Ａを通すことが可能な孔１０１Ｃが設けられている。引張り部１０２は、例えばＰＣ（Prestressed Concrete）鋼撚り線で構成される棒状のテンドン１０２Ａを備えている。テンドン１０２Ａの長手方向の第１端には、アンカー体が機械的に接続されている。また、テンドン１０２Ａの長手方向の第２端は、アンカープレート１０１Ｂの孔１０１Ｃ、及び本実施形態の力センサ２の通孔２１０，２２０，２４１に通された状態で、ナット１０１Ａが締め付けられている。

本実施形態の力センサ２は、ナット１０１Ａとアンカープレート１０１Ｂとで挟まれる形で配置されている。したがって、本実施形態の力検知装置１は、ナット１０１Ａが力センサ２の一面を押し下げる荷重を検知回路３が検知することで、アンカー１００の引張り力を検知することができる。

上述のように、本実施形態の力センサ２及び力検知装置１は、１つの検知部２０ではなく複数の検知部２０を用いて荷重を検知する構成となっている。したがって、本実施形態の力センサ２及び力検知装置１は、１つの検知部２０のみを備える場合と比較して、各検知部２０のコア４の径寸法を小さくすることができ、結果としてコア４の厚さ方向の寸法も小さくすることができる。したがって、本実施形態の力センサ２及び力検知装置１は、アンカー１００のような大型の部材に用いる場合でも、薄型化を図ることができる。

また、本実施形態の力センサ２では、各コア４（すなわち、複数の検知部２０の各々の有するコア４）は、厚さ方向の寸法（図５Ａの‘Ｔ１’参照）が互いに等しくなっている。このため、本実施形態の力センサ２は、各コア４の厚さ方向と直交する面が互いに揃うため、各コア４に均等に荷重がかかり易く、偏荷重が生じ難いという利点がある。なお、「等しく」とは、なお、「等しく」とは、「同一」、若しくは「ほぼ同一」を含む表現である。したがって、製造上の誤差により各コア４の厚さ方向の寸法が互いに僅かに異なるのは、許容範囲内の誤差である。なお、各コア４の厚さ方向の寸法を互いに等しくするか否かは、任意である。

また、本実施形態の力センサ２では、図５Ｂに示すように、各検知部２０を基準線Ｒ１に対して線対称となるように配置し、且つ基準点Ｒ２に対して点対称となるように配置している。このため、本実施形態の力センサ２は、各コア４が上下方向（検知方向）と直交する平面（例えば、第１プレート２１の下面や第２プレート２２の上面に平行な面）において均等に配置されるので、各コア４に均等に荷重がかかり易く、偏荷重が生じ難いという利点がある。

なお、本実施形態の力センサ２では、例えば図１０Ａに示すように、基板２４の対角線に沿って各検知部２０が配置されていてもよい。この構成でも、各検知部２０が基準線Ｒ１に対して線対称に配置され、且つ基準点Ｒ２に対して点対称に配置される。また、各検知部２０は、基準線Ｒ１に対して線対称ではあるが、基準点Ｒ２に対しては点対称ではないように配置されていてもよい。更に、各検知部２０は、基準線Ｒ１に対しては線対称ではないが、基準点Ｒ２に対して点対称となるように配置されていてもよい。

その他、各検知部２０は、例えば図１０Ｂに示すように、複数の位置決め孔２４０の何れかに選択的に配置されていてもよい。言い換えれば、複数の検知部２０は、複数の検知位置（ここでは、位置決め孔２４０）の中から選択された２以上の検知位置に１対１に対応して配置されていてもよい。また、各検知部２０は、同じく図１０Ｂに示すように、基準線Ｒ１及び基準点Ｒ２の何れに対しても非対称に配置されていてもよい。なお、図１０Ａ，図１０Ｂでは、それぞれ第２プレート２２及び弾性体２３の図示を省略している。

また、本実施形態の力センサ２では、第１プレート２１に通孔２１０、第２プレート２２に通孔２２０、基板２４に通孔２４１がそれぞれ設けられているが、通孔２１０，２２０，２４１を設けるか否かは任意である。すなわち、本実施形態の力センサ２は、例えば図１１Ａに示すように、通孔２４１を有さない平面視で正方形状の基板２４に複数（図示では９個）の検知部２０を配置した構成であってもよい。この構成では、第１プレート２１及び第２プレート２２もそれぞれ通孔２１０，２２０を有していない。

また、本実施形態の力センサ２は、平面視で正方形状の第１プレート２１及び第２プレート２２、並びに基板２４を備えているが、第１プレート２１及び第２プレート２２、並びに基板２４の形状を限定する趣旨ではない。すなわち、本実施形態の力センサ２は、例えば図１１Ｂに示すように、平面視で半円環形状の第１プレート２１及び第２プレート２２、並びに基板２４を備えていてもよい。その他、本実施形態の力センサ２は、図１１Ｃに示すように、平面視で円環形状の第１プレート２１及び第２プレート２２、並びに基板２４を備えていてもよい。なお、図１１Ａ〜図１１Ｃでは、それぞれ第２プレート２２及び弾性体２３の図示を省略している。

また、本実施形態の力センサ２は、図１２に示すように、第１プレート２１及び第２プレート２２の少なくとも一方を含む外郭と基板２４との間に配置されて、外郭と基板２４との間を電気的に絶縁する絶縁体２５を備えた構成であってもよい。図１２に示す例では、外郭は第１プレート２１である。絶縁体２５は、例えば弾性及び絶縁性を有する材料から成る接着剤である。この構成では、第１プレート２１（または第２プレート２２）と、検知回路３などの回路が設計された基板２４との間の絶縁性を向上させることができる。特に、第１プレート２１（または第２プレート２２）が金属材料で形成されている場合に有効である。したがって、この構成では、第１プレート２１（または第２プレート２２）と基板２４との間の絶縁距離を確保するためにスペーサを設ける必要がなく、また、スペーサを固定するためのボルトも不要となるので、力センサ２の大型化を回避することができる。

なお、絶縁体２５は、絶縁性を有する材料で形成された絶縁シートであってもよいし、絶縁性を有する材料で形成されて基板２４の一面に塗布されるコーティング剤であってもよい。また、第１プレート２１と基板２４との間、及び第２プレート２２と基板２４との間の両方に絶縁体２５を設けた構成であってもよい。つまり、第１プレート２１と第２プレート２２との両方が外郭であってもよい。なお、絶縁体２５を設けるか否かは任意である。例えば、本実施形態の力センサ２が、検知回路３などの回路が設計された基板２４を備えない構成であれば、絶縁体２５を設ける必要はない。

また、本実施形態の力センサ２は、図１３に示すように、基板２４の位置決め孔２４０の周方向に沿って導体をパターン形成することでコイル５を設けた構成であってもよい。コイル５は、基板２４の上面又は下面の何れかに導体をパターン形成することで構成される。また、基板２４が多層基板であれば、コイル５は、基板２４の何れかの層に導体をパターン形成することで構成される。この構成では、基板２４にコイル５が設けられているため、コア４に導線を巻き付ける必要がない。このため、コア４は、導線を巻き付けるために必要な厚さ寸法を有していなくてもよい。つまり、この構成は、コア４の薄型化を図ることができる。なお、この構成では、導線をコア４に巻き付ける必要がないため、中空部４０を有さないコア４を用いているが、中空部４０を有するコア４を用いてもよい。

なお、本実施形態の力センサ２は、基板２４に位置決め孔２４０を設けた構成であるが、図１４に示すように、位置決め孔２４０の代わりに凹部２４２を設けた構成であってもよい。凹部２４２は、図１４に示すように、基板２４の上面から下方に窪んだ形状に形成されている。なお、凹部２４２の形状は、コア４が嵌り込む形状であればよく、その開口が平面視で円形状であってもよいし他の形状であってもよい。この構成でも、凹部２４２の内側にコア４を配置することで、コア４を所定の位置に位置決めすることが可能である。なお、実施形態１の力センサ２も、位置決め孔２４０の代わりに凹部２４２を基板２４に設けた構成であってもよい。

また、本実施形態の力センサ２は、図１５に示すように、剛性体２６を上下方向（検知方向）の両側から挟むように弾性体２３を設けた構成であってもよい。剛性体２６は、例えば金属材料などの弾性体２３よりも剛性の高い材料で構成される。この構成では、剛性体２６を備えない場合と比較して、荷重に対する弾性体２３の強度を向上させることができる。なお、剛性体２６の厚さ寸法は、コア４の厚さ寸法に応じて調整可能であるのが好ましい。また、図１５に示す構成は、外側の弾性体２３に剛性体２６を設けた構成であるが、内側の弾性体２３にも剛性体２６を設けた構成であってもよい。

更に、本実施形態の力センサ２は、実施形態１の力センサ２と同様に、基板２４以外の構造体２７でコア４を位置決めする構成であってもよい（図１６Ａ，図１６Ｂ参照）。なお、図１６Ｂでは、第２プレート２２及び弾性体２３の図示を省略している。構造体２７は、第１プレート２１及び第２プレート２２、並びに弾性体２３で囲まれる空間内に収納されている。構造体２７は、上記の空間の一部に弾性体２３を充填することで固定されている。

構造体２７は、基板２４と同様に、平面視で正方形状に形成されている。構造体２７の中央部には、図１６Ｂに示すように、通孔２１０，２２０の径寸法よりも僅かに大きい径寸法（例えば、直径１４０ｍｍ）を有する平面視で円形状の通孔２７１が設けられている。この通孔２７１は、通孔２１０，２２０と同様に、ボルトの軸部やテンドン１０２Ａを通すことが可能な形状であればよい。また、構造体２７には、図１６Ｂに示すように、通孔２７１の周囲に複数（図示では１２個）の位置決め孔２７０が設けられている。各位置決め孔２７０は、平面視で円形状に形成され、通孔２７１の周方向に沿って等間隔に設けられている。なお、位置決め孔２７０の形状は、平面視で円形状に限定されず、例えば平面視で矩形状であってもよい。つまり、位置決め孔２７０は、コア４が嵌まり込む形状であればよい。

この構成では、実施形態１の力センサ２と同様に、構造体２７に検知回路３などの回路を設計する必要がないことから、基板２４と比較して構造体２７の厚さ方向の寸法を小さくすることができるので、力センサ２の薄型化を図ることができる。

更に、本実施形態の力センサ２は、図１７Ａ，図１７Ｂに示すように、構造体２７を第１プレート２１（または第２プレート２２）に一体に形成した構成であってもよい。なお、図１７Ｂでは、第２プレート２２及び弾性体２３の図示を省略している。構造体２７は、例えば溶接などの加工技術により、第１プレート２１（または第２プレート２２）と一体に形成される。この構成でも、力センサ２の薄型化を図ることができる。

なお、本実施形態の力センサ２では、実施形態１の力センサ２と同様に、基板２４や構造体２７を備えるか否かは任意である。すなわち、本実施形態の力センサ２は、第１プレート２１及び第２プレート２２、並びに弾性体２３によりコア４を位置決めする構造であれば、基板２４や構造体２７を設けなくてもよい。但し、基板２４や構造体２７を備える構成であれば、第１プレート２１及び第２プレート２２を加工してコア４を位置決めするための構造を設ける必要がなく、第１プレート２１及び第２プレート２２の厚さ寸法を小さくすることができるという利点がある。

１ 力検知装置
２ 力センサ
２０ 検知部
２１ 第１プレート
２１０ 通孔
２２ 第２プレート
２２０ 通孔
２３ 弾性体
２４ 基板（構造体）
２４０ 位置決め孔
２５ 絶縁体
２７ 構造体
２７０ 位置決め孔
３ 検知回路
４ コア
５ コイル
Ｍ１ 閉磁路
Ｍ２ 開磁路
Ｒ１ 基準線
Ｒ２ 基準点

本発明の力センサは、磁性体で形成されて中空部を有するコア、及び前記コアと磁気的に結合するコイルを有する検知部と、所定の検知方向の両側から前記検知部を挟むように配置される第１プレート及び第２プレートと、前記コアよりも弾性率の低い材料で形成され、前記第１プレート及び前記第２プレートの両者間を位置決めする弾性体とを備え、前記検知部は、前記検知方向に沿う向きに前記第１プレート及び前記第２プレートからかかる荷重を受けるように構成され、前記コアには、前記コイルを流れる電流によって生じる磁束の通る磁路が、前記中空部の周方向に沿って形成され、前記弾性体は、前記第１プレートの外周縁と、前記第２プレートの外周縁とに接着することで、前記第１プレートと前記第２プレートとによって前記検知方向の両側から挟まれるように、前記第１プレートと前記第２プレートとの間に設けられることを特徴とする。

Claims (14)

1. 磁性体で形成されるコア、及び前記コアと磁気的に結合するコイルを有する検知部と、
   所定の検知方向の両側から前記検知部を挟むように配置される第１プレート及び第２プレートと、
   前記コアよりも弾性率の低い材料で形成され、前記第１プレート及び前記第２プレートの両者間を位置決めする弾性体とを備え、
   前記検知部は、前記検知方向に沿う向きに前記第１プレート及び前記第２プレートからかかる荷重を受けるように構成されることを特徴とする力センサ。
2. 前記検知部を複数備え、
   前記複数の検知部は、前記検知方向と直交する平面に沿って配置されることを特徴とする請求項１記載の力センサ。
3. 前記複数の検知部は、前記平面における基準線に対して線対称、又は前記平面における基準点に対して点対称に配置されることを特徴とする請求項２記載の力センサ。
4. 前記第１プレート及び前記第２プレートは、それぞれ前記検知方向に貫通する通孔を有し、
   前記複数の検知部は、前記通孔の周囲に配置されることを特徴とする請求項２又は３記載の力センサ。
5. 前記複数の検知部は、複数の検知位置の中から選択された２以上の検知位置に１対１に対応して配置されることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の力センサ。
6. 前記複数の検知部の各々の有する前記コアは、前記検知方向の寸法が互いに等しいことを特徴とする請求項２乃至５の何れか１項に記載の力センサ。
7. 前記第１プレート及び前記第２プレートの間に配置され、前記検知部を位置決めする構造体を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の力センサ。
8. 前記構造体は、前記検知方向に貫通する位置決め孔を有し、
   前記コアは、前記位置決め孔の内側に配置されることを特徴とする請求項７記載の力センサ。
9. 前記構造体は、回路が形成された基板であることを特徴とする請求項７又は８記載の力センサ。
10. 前記第１プレート及び前記第２プレートの少なくとも一方を含む外郭と前記基板との間に配置されて、前記外郭と前記基板との間を電気的に絶縁する絶縁体を備えることを特徴とする請求項９記載の力センサ。
11. 前記コイルは、前記基板の何れかの層に導体をパターン形成することで構成されることを特徴とする請求項９又は１０記載の力センサ。
12. 前記コア及び前記コイルは、それぞれ前記コイルの通電時に開磁路を形成するように配置されることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の力センサ。
13. 前記コア及び前記コイルは、それぞれ前記コイルの通電時に閉磁路を形成するように配置されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の力センサ。
14. 請求項１乃至１３の何れか１項に記載の力センサと、前記コイルの磁気特性の変化に基づいて荷重を検知する検知回路とを備えることを特徴とする力検知装置。

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