JP2566883Y2 - 軸力センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この考案は軸力センサに関し、特
に、圧電素子を用いた軸力センサに関するものである。

【０００２】

【従来技術および解決しようとする課題】一般に、軸方
向の荷重を検出する軸力センサとしては、図６に示すよ
うな軸力センサ５１が知られている。

【０００３】すなわち、この軸力センサ５１は、シャフ
ト５７の外周側に筒状をなすとともに、中央部の内径が
所定の幅だけ大径となることで薄肉部５２ａが形成され
ているセンサ部５２が位置し、このセンサ部５２の両端
部が固定用リング５４、５５で固定されている。

【０００４】また、前記センサ部５２の薄肉部５２ａに
対応する外周面には歪ゲージ５３が設けられ、前記固定
用リング５４、５５を含めた外側は塵埃等の侵入を阻止
するためのカバー５６によって覆われている。

【０００５】上記のように構成された軸力センサ５１に
おいては、シャフト５７の軸方向に作用する荷重をセン
サ部５２に配設した歪ゲージ５３によって検出するよう
になっていて、検出感度を向上させるためセンサ部５２
に薄肉部５２ａが形成されている。

【０００６】しかしながら、センサ部５２の変形量はシ
ャフト５７の変形量に依存するため、シャフト５７の径
が大きいと軸力センサ５１の出力が小さくなり、また、
シャフト５７に対して軸方向以外の方向、いわゆる他軸
方向から荷重が作用すると、センサ部５２に圧縮、引張
り歪みが作用し、これを軸荷重として検出してしまい、
軸力センサ５１としての検出精度が悪くなるという問題
点を有していた。

【０００７】この問題点を解決するものとして圧電素子
を用いた軸力センサが考えられるが、圧電素子は、周知
のように電極を取付けて機械的な力を加えて歪みを起こ
させると電圧を発生し、逆に電圧を加えると機械的に変
形するという性質を有する。

【０００８】そして、歪みを与えた場合の出力電圧は歪
みが与えられる時間に依存し、歪みの周波数が大きくな
れば出力電圧は大きくなるが、周波数が小さくなると出
力電圧も小さくなり、定常的な変化に対しては零とな
る。

【０００９】従って、動的な荷重の検出は可能である
が、静的な荷重や、ごく穏やかな変動荷重の検出が困難
であるという問題点を有していた。

【００１０】この考案は上記のような従来のもののもつ
問題点を解決したものであって、軸方向に作用する静的
な荷重や、ごく穏やかな変動荷重の検出が可能であると
ともに、他軸方向からの荷重の変化に影響されない軸力
センサを提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この考案はシャフトの外周側に配設された環状の
センサ部がその両端を所定の予荷重で拘束された軸力セ
ンサであって、前記センサ部は中央に位置する環状の中
央電極と、この中央電極の一方側に形成された作動部
と、他方側に形成された検出部とからなり、前記作動部
は中央電極とこの中央電極に対向して配設される環状の
作動部側電極との間に作動部側圧電体が積層状態で配設
され、前記作動部側電極と中央電極との間に交流電流を
印加する交流電源が接続され、一方、検出部は前記中央
電極とこの中央電極に対向して配設される環状の検出部
側電極との間に検出部側圧電体が積層状態で配設され、
前記検出部側電極と中央電極との間に測定器が接続され
ている手段を採用したものである。また、前記中央電極
が作動部側中央電極と検出部側中央電極とに分割され、
前記交流電源は作動部側電極と作動部側中央電極との間
に接続され、前記測定器は検出部側電極と検出部側中央
電極との間に接続され、また、前記作動部側圧電体、検
出部側圧電体は作動部側圧電素子、検出部側圧電素子で
あるという手段を採用したものである。

【００１２】

【作用】この考案は上記の手段を採用したことにより、
作動部側電極と検出部側電極との間に拘束方向から荷重
が加わると、その荷重により作動部側の圧電素子の伸縮
が変化し、これに伴って検出部側の圧電素子に発生する
電圧が変化する。

【００１３】そして、この検出部側の圧電素子に発生す
る電圧の変化を測定器で検出し、荷重と電圧の変化との
関係が比例関係となるように回路において増幅、フィル
タリング等の処理を行うことにより静荷重を検出するこ
とができる。

【００１４】また、この軸力センサがシャフトに配設さ
れて他軸方向から荷重が作用しても、検出部側の圧電素
子の出力電圧の違いは平均化されるため、他軸方向から
の荷重をキャンセルすることができる。

【００１５】

【実施例】以下、図面に示すこの考案の実施例について
説明する。図１、図２にはこの考案による軸力センサの
第１の実施例が示されていて、この軸力センサ１は、シ
ャフト７の外周側に環状のセンサ部２が位置し、このセ
ンサ部２の両端部が下ケース３および上ケース４を介し
てプリロードナット８、９で固定されている。

【００１６】また、前記センサ部２はその外周に位置す
る回路基板５に接続し、前記上ケース４および下ケース
３を含めた外側は塵埃等の侵入を阻止するためのカバー
６によって覆われている。

【００１７】そして、前記センサ部２は、図２に示すよ
うに、中央に位置する環状の中央電極１１と、この中央
電極１１の一方側に形成された作動部１２と、他方側に
形成された検出部１３とからなる環状の部材である。

【００１８】前記作動部１２は中央電極１１とこの中央
電極１１に対向して配設された作動部側電極１４との間
に作動部側圧電体である作動部側圧電素子１６が積層状
態で配設され、この作動部側電極１４と中央電極１１と
の間に交流電源１８から交流電流が印加されるようにな
っている。

【００１９】一方、検出部１３は前記中央電極１１とこ
の中央電極１１に対向して配設された検出部側電極１５
との間に検出部側圧電体である検出部側圧電素子１７が
積層状態で配設され、この検出部側電極１５と中央電極
１１との間に測定器１９が接続されている。

【００２０】そして、前記センサ部２は上ケース４と下
ケース３との間に配設され、プリロードナット８、９に
よって所定の予圧力ｆで拘束状態となっている。

【００２１】なお、前記作動部側圧電体、検出部側圧電
体としてはセラミックス製の作動部側圧電素子１６、検
出部側圧電素子１７の他に圧電素子と電極とが積層した
もの等が使用される。

【００２２】つぎに、上記のように構成された軸力セン
サ１の作用について以下に説明する。まず、前記センサ
部２の作動部側電極１４と中央電極１１との間に交流電
流を印加すると、前記作動部側圧電素子１６は電圧の極
性によって伸縮運動を繰り返す。

【００２３】一方、前記センサ部２の作動部側電極１４
と検出部側電極１５との間は前記プリロードナット８、
９で拘束状態となっているため、前記作動部側圧電素子
１６が伸縮運動を繰り返すと検出部側圧電素子１７もこ
れに伴って伸縮するようになり、測定器１９に電圧が発
生する。

【００２４】この状態で前記シャフト７の軸方向に荷重
Ｆが加わると、前記センサ部２の作動部側電極１４と検
出部側電極１５との間に荷重Ｆが加わって両者１４、１
５間が狭くなる。

【００２５】そして、この荷重Ｆによりセンサ部２の作
動部側電極１４と検出部側電極１５との間が狭くなる
と、作動部側圧電素子１６の伸縮量が変化し、これに伴
って検出部側圧電素子１７に発生する電圧の振幅が変化
する。

【００２６】そして、この検出部側圧電素子１７に発生
する電圧の変化を測定器１９で検出し、荷重Ｆと電圧の
変化との関係が比例関係となるように回路において増
幅、フィルタリング等の処理を行うことにより静荷重Ｆ
を検出することができる。

【００２７】また、図３に示すように、他軸方向から荷
重が作用しても、センサ部の一方側が圧縮され、他方側
が引っ張られた場合は、圧電素子の性質として圧縮され
た部分と引っ張られた部分とは逆方向に電荷が発生する
ため、トータル的に見ると圧電素子各部の電荷の違いは
算術的に平均化されるため、他軸方向からの荷重をキャ
ンセルすることができ、測定精度が向上する。

【００２８】図４、図５にはこの考案による軸力センサ
の第２の実施例が示されていて、この軸力センサ２１は
前記第１の実施例の軸力センサ１とほぼ同様であって、
同一の部材は同一の符号を使用してその詳しい説明を省
略する。

【００２９】そして、この実施例における軸力センサ２
１が前記第１の実施例における軸力センサ１と相違する
点は、図５に示すように、センサ部２２の中央電極２３
が作動部側中央電極２３ａと検出部側中央電極２３ｂと
に分割され、交流電源１８が作動部側電極１４と作動部
側中央電極２３ａとの間に接続され、測定器１９が検出
部側電極１５と検出部側中央電極２３ｂとの間に接続さ
れている点にある。

【００３０】また、この軸力センサ２１の作用、効果は
前記第１の実施例における軸力センサ１とほぼ同様であ
るためその説明は省略する。なお、歪ゲージを使用した
従来の軸力センサと比較して安価に製造することができ
ることは言うまでもないことである。

【００３１】

【考案の効果】この考案は前記のようにセンサ部を作動
部、中央電極、検出部の積層構造としたため、作動部側
電極と検出部側電極との間に拘束方向から荷重が加わる
と、その荷重により作動部側圧電素子の伸縮が変化し、
これに伴って検出部側圧電素子に発生する電圧が変化
し、この検出部側圧電素子に発生する電圧の変化を測定
器で検出することにより静荷重を検出することができ
る。

【００３２】また、他軸方向から荷重が作用しても、セ
ンサ部の一方側が圧縮され、他方側が引っ張られた場合
は、圧電素子の性質として圧縮された部分と引っ張られ
た部分とは逆方向に電荷が移動するため、トータル的に
見ると圧電素子各部の電荷の違いは算術的に平均化され
るため、他軸方向からの荷重をキャンセルすることがで
き、測定精度が向上するという優れた効果を有するもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案による軸力センサの第１の実施例を示
す概略断面図である。

【図２】この考案による軸力センサの第１の実施例にお
けるセンサ部を示す概略断面図である。

【図３】この考案による軸力センサの実施例において、
他軸方向荷重がかかった状態を示す概略断面図である。

【図４】この考案による軸力センサの第２の実施例を示
す概略断面図である。

【図５】この考案による軸力センサの第２の実施例にお
けるセンサ部を示す概略断面図である。

【図６】従来の軸力センサを示す概略断面図である。

【符号の説明】

１、２１、５１……軸力センサ ２、２２、５２……センサ部 ３……下ケース ４……上ケース ５……回路基板 ６、５６……カバー ７、５７……シャフト ８、９……プリロードナット １１、２３……中央電極 １２……作動部 １３……検出部 １４……作動部側電極 １５……検出部側電極 １６……作動部側圧電素子 １７……検出部側圧電素子 １８……交流電源 １９……測定器 ２３ａ……作動部側中央電極 ２３ｂ……検出部側中央電極 ５２ａ……薄肉部 ５３……歪ゲージ ５４、５５……固定用リング

Claims (3)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 シャフト（７）の外周側に配設された環
   状のセンサ部（２、２２）がその両端を所定の予荷重で
   拘束された軸力センサ（１、２１）であって、前記セン
   サ部（２、２２）は中央に位置する環状の中央電極（１
   １、２３）と、該中央電極（１１、２３）の一方側に形
   成された作動部（１２）と、他方側に形成された検出部
   （１３）とからなり、前記作動部（１２）は中央電極
   （１１、２３）と該中央電極（１１、２３）に対向して
   配設される環状の作動部側電極（１４）との間に作動部
   側圧電体が積層状態で配設され、前記作動部側電極（１
   ４）と中央電極（１１、２３）との間に交流電流を印加
   する交流電源（１８）が接続され、一方、検出部（１
   ３）は前記中央電極（１１、２３）と該中央電極（１
   １、２３）に対向して配設される環状の検出部側電極
   （１５）との間に検出部側圧電体が積層状態で配設さ
   れ、前記検出部側電極（１５）と中央電極（１１、２
   ３）との間に測定器（１９）が接続されていることを特
   徴とする軸力センサ。
2. 【請求項２】 前記中央電極（２３）が作動部側中央電
   極（２３ａ）と検出部側中央電極（２３ｂ）とに分割さ
   れ、前記交流電源（１８）は作動部側電極（１４）と作
   動部側中央電極（２３ａ）との間に接続され、前記測定
   器（１９）は検出部側電極（１５）と検出部側中央電極
   （２３ｂ）との間に接続されている請求項１記載の軸力
   センサ。
3. 【請求項３】 前記作動部側圧電体、検出部側圧電体は
   作動部側圧電素子（１６）、検出部側圧電素子（１７）
   である請求項１および請求項２記載の軸力センサ。