JP4042404B2

JP4042404B2 - 力センサ

Info

Publication number: JP4042404B2
Application number: JP2001392083A
Authority: JP
Inventors: 智浩太田; 勝弘平田; 茂喜藤原; 宏一三谷
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP2003194639A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業用機械、民生用機械等に加わる応力、荷重、重量などの大きさを磁束の変化を検知することにより測定する力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、産業機械、民生用機械等において、その機械構成要素に印加された荷重の測定装置として、歪みゲージを用いたもの、差動トランスを用いたもの等がある。これらの方法では、歪みゲージや差動トランスに曲げ、伸び、圧縮等の物理的運動が生じることにより、歪みゲージや差動トランスが、その運動に対応した信号を出力し、その信号から印加された荷重を測定するものである。
【０００３】
例えば、歪みゲージを用いた測定装置では、機械構成要素のロードセルに歪みゲージを貼着して、ロードセルに印加される荷重の大きさを測定する。これは、ロードセルに荷重が加わると、ロードセルに設けられた歪みゲージが引き伸ばされ、もしくは圧縮されることにより、歪みゲージの抵抗値が変化し、歪みゲージ両端の電圧値が変化する。この電圧値からロードセルに印加された荷重を算出している。
【０００４】
また、差動トランスを用いた測定装置では、差動トランスは、中空円筒状のパイプの外周に１個の１次コイルと２個の２次コイルとが巻かれているとともに、そのパイプの中心を円筒状の金属芯が移動自在に形成されており、金属芯をロードセルに、パイプを機械の固定部に取り付けることにより、計測を行う。ロードセルに荷重が加わると、ロードセルの変位に対応して、金属芯がパイプ内を移動する。金属芯がパイプ内を移動することにより、２つの２次コイルに誘起される電圧に差が発生するので、その電圧差から金属芯の変位量を検知し、ロードセルに印加されている荷重を算出している。
【０００５】
しかしこのような方法では、歪みゲージ、差動トランス等のセンサが、機械的な干渉に対する耐久性が低いこと、またセンサの設けられる箇所が機械構成要素の可動部であることから、印加される荷重を正確に測定するためには、センサを設置した後で、再校正を行う必要がある。
【０００６】
この問題を解決するものとして、特開平１１−２４１９５５の荷重検出装置がある。このものでは、圧力を受けることでインダクタンスが変化する磁性体を用いており、このインダクタンスの変化に対応して変化する励磁コイルの出力電圧を検出することにより、印加された圧力の大きさを算出している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このものでは、印加された圧力に対応して磁性体のインダクタンスが変化するだけであるので、荷重検出装置が計測できる圧力値の精度は、圧力に対するインダクタンスの変化率に依存してしまう。すなわち、インダクタンスが変化しない程度の徴少な圧力が印加された場合には、その圧力の変化を検出することが不可能となってしまうことがある。
【０００８】
そこで、本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、印加された圧力を精度よく測定できる力センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の力センサは、以下の構成を備える。すなわち、
請求項１の発明では、磁性体よりなる筒体の周壁の一部に、その軸方向の全長にわたり開放される開放部が設けられたコア体と、前記コア体の内周面に固着された２つの面を有して前記コア体内に収納され、前記２つの面に印加される圧力に対応して透磁率が変化する磁歪部材と、前記コア体又は前記磁歪部材に磁束を発生自在に形成された磁束発生手段と、前記コア体又は前記磁歪部材を通過する磁束を検知自在に形成された磁束検知手段と、を備え、前記開放部の開放間隔及び前記磁歪部材の透磁率が、前記コア体に印加される圧力に対応して変化することを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記磁束検知手段は、ホール素子を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明では、請求項１又は請求項２の発明において、前記磁束発生手段は、永久磁石を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明では、請求項１乃至請求項３のいずれかの発明において、前記磁歪部材の前記２つの面は、その少なくとも一方の面が、磁性ゴムを介して前記コア体の前記内周面に固着されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明では、請求項１乃至請求項４のいずれかの発明において、前記コア体は、前記内周面における前記磁歪部材の前記２つの面が固着される位置の少なくとも一方に、断面略凸形状の突起部を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明では、請求項１乃至請求項５のいずれかの発明において、前記磁歪部材は、印加される圧力が応力集中する応力集中部が設けられたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明に係わる力センサの第１の実施の形態を、以下に説明する。本実施の形態における力センサは、図１に示すように、断面略コ字形状の２つの鉄心半体１７を有する透磁性の鉄心１６と、鉄心半体１７に挟持固定される磁性材料よりなる円柱状の磁歪部材１１と、鉄心１６に磁束を発生させる磁束発生手段としての励磁コイル１３と、鉄心１６の周壁としての鉄心脚部１７ａの周囲に巻回されて、鉄心１６を通過する磁束量を検知する磁束検知手段としての検知コイル１５と、を備えている。図１（ａ）は、鉄心１６の軸方向から見た図、図１（ｂ）は、鉄心１６の側面図である。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、鉄心半体１７は、断面略コの字形状に形成されており、一方の鉄心半体１７の凹部と、他方の鉄心半体１７の凹部とを対向させ、それぞれの鉄心脚部１７ａを揃えるとともに、鉄心１６の周壁の一部が軸方向の全長にわたって開放された開放部としての間隙１８が形成されるように組み合わせることにより、閉磁路型の鉄心１６を形成する。コア体としての鉄心１６を一つのものとしてみると、図１（ｂ）に示すように、鉄心１６は、その軸方向の全長に渡って、その周壁の一部が切り欠かれて開放部が形成されたものとなっている。
【００１７】
励磁コイル１３は、２つの鉄心半体１７の鉄心脚部１７ａに架けて巻き、検知コイル１５も同様に、２つの鉄心半体１７の鉄心脚部１７ａに架けて巻いている。
【００１８】
磁歪部材１１としては、磁歪が数十ｐｐｍ〜数千ｐｐｍを示す材料を用いている。磁歪が数十ｐｐｍを示すものとしては、Ｎｉ又はＺｎ等を添加したフェライト、純Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、等がある。また、磁歪が数千ｐｐｍを示すものとしては、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｆｅなどの合金があり、これを用いてもよい。磁歪部材１１は、その一面１１ｂが、一方の鉄心半体１７の凹部底面に固着されるとともに、他面１１ｃが、他方の鉄心半体１７の凹部底面に固着されており、２つの鉄心半体１７を組み合わせて接合することにより、挟持固定される。すなわち、磁歪部材１１の対向する２つの面１１ｂ，１１ｃが、鉄心１６の内周面に内接するよう設けられている。
【００１９】
次に、本実施の形態における力センサの動作を説明する。励磁コイル１３に交流電流を流すと、鉄心１６と磁歪部材１１とに磁束が発生する。Ｍ２は、鉄心脚部１７ａ‐間隙１８‐鉄心脚部１７ａを通過する磁束の磁路を示しており、Ｍ３は、鉄心半体１７‐磁歪部材１１‐鉄心半体１７を通過する磁束の磁路を示している。鉄心脚部１７ａに巻回された検知コイル１５は、鉄心脚部１７ａを通過する磁束により電圧が誘起される。励磁コイル１３から発生する磁束量が一定であれば、検知コイル１５で誘起される電圧は一定となる。
【００２０】
ここで、鉄心１６に、磁歪部材１１の軸線方向に押下するような圧力としての圧縮荷重Ｐが印加されると、鉄心１６を介して磁歪部材１１に圧縮荷重Ｐが伝わり、磁歪部材１１が圧縮される。圧縮された磁歪部材１１は、その磁気抵抗が増加するため透磁率が低下する。また、これと同時に、鉄心脚部１７ａ間の間隙１８の距離が小さくなるので、磁路Ｍ２の磁気抵抗が低減する。このことにより、磁路Ｍ３を通過する磁束量が減少するとともに、磁路Ｍ２を通過する磁束量が増加する。
【００２１】
すなわち、磁歪部材１１に圧縮荷重Ｐが印加されると、その圧縮荷重Ｐの増加に対応して、磁路Ｍ３の磁気抵抗が増加するとともに、磁路Ｍ２の磁気抵抗が減少するので、磁路Ｍ２を通過する磁束量が増加する。従って、検知コイル１５で検知される磁束量が増大し、誘起される電圧も増加する。その電圧値から、鉄心１６に印加された圧縮荷重Ｐを算出する。
【００２２】
また、磁歪部材１１の別の実施例として、図２に示すように形成すれば、磁歪部材１１に印加される圧縮荷重Ｐが、磁歪部材の形状加工された応力集中部に応力集中し、透磁率の変化を大きくすることができ、荷重変化に対してより精度よく電圧を誘起させることができるので、荷重の変化をより詳細に計測することが可能となる。
【００２３】
図２（ａ）は、磁歪部材１１の荷重の印加される方向に鎖交する方向に、応力集中部として孔１１ｄを設けており、この孔１１ｄの周壁に応力が集中する。また、図２（ｂ）は、鉄心１６の内周面に固着される磁歪部材１１の２つの面１１ｂ，１１ｃの直径に対して中央部１１ｅの直径を小さくしているので、この中央部１１ｅに応力集中させることができる。また、図２（ｃ）は、磁歪部材１１に荷重の印加される方向に鎖交する方向に切り欠き部１１ｆを設けており、切り欠き部１１ｆが設けられた周壁に応力集中させることが可能となる。
【００２４】
また、コア体の別の実施例として、磁歪部材１１の２つの面１１ｂ，１１ｃに固着される部分が断面略凸形状に形成された突起部を備える鉄心３８としてもよい。図３に示す実施例では、固着される部分をテーパ形状に形成したテーパ部３９ａとしている。鉄心３８は、テーパ部３９ａがそれぞれ設けられた断面略コ字形状の２つの鉄心半体３９を組み合わせて形成されている。このように形成することにより、鉄心３８を介して伝えられる圧縮荷重Ｐを、磁歪部材１１により集中させて印加することが可能となる。
【００２５】
また、コア体のさらに別の実施例として、図４に示すように、断面略コ字形状の２つの鉄心半体４１を備える鉄心４０の磁歪部材１１に固着される部分を、断面半円状の半球部４１ａとすることにより、図３に示す実施例と同様の効果を奏することが可能となる。図３と図４に示す実施例においては、コア体に突起部を設けたが、この突起部は鉄心と別体に形成し、鉄心と磁歪部材との間に挿入するようにして力センサを形成しても、同様の効果を奏することができる。
【００２６】
上記のように、本発明の力センサによれば、受圧することで磁気抵抗が変化する磁歪部材１１を備えるとともに、受圧すると空隙の大きさが変化するように鉄心半体１７を形成したことにより、圧力が印加された際に、検知コイル１５に誘起される電圧の変化分を大きくとることができるので、圧力を精度よく測定することができる。
【００２７】
（第２実施形態）
本発明に係わる力センサの第２の実施の形態について、以下に説明する。図５に示すように、本実施の形態においては、２つの鉄心半体１７を備える鉄心１６と、励磁コイル１３と、磁歪部材１１と、磁束検出手段としてのホール素子１９と、を備えて構成している。なお、第１の実施の形態と同じものには、同じ符号を付してある。
【００２８】
ホール素子１９は、シリコンを材料として形成され、鉄心半体１７を組み合わせた際に形成される隙間に挿入されて、鉄心脚部１７ａの端面から放出される磁束を受けるように設けられている。また、その材料としては、シリコン以外に、インジウム・アンチモン、又はガリウム・ヒ素等を用いることができる。
【００２９】
以上のように、磁束検知手段としてホール素子１９を用いたので、磁束検知手段を小型化することができるとともに、力センサ全体の小型化も図ることが可能となる。
【００３０】
（第３実施形態）
本発明に係わる力センサの第３の実施の形態について、以下に説明する。図６に示すように、本実施の形態においては、コア部材を断面略Ｌ字形状の鉄心半体２２を２つ備える鉄心２０とするとともに、磁束発生手段を永久磁石２１としている。なお、第１又は第２の実施の形態と同じものには、同じ符号を付してある。
【００３１】
永久磁石２１は、２つの鉄心半体２２を組み合わせる際に、両端面から挟持されるようにして固定される。また、その発生する磁界が常に一定の直流磁界となるため、検知コイル１５は磁歪部材１１の磁気抵抗の時間的変化のみ検知可能となるので、荷重の微分値を検出することができる。
【００３２】
また、別の実施例として、図７に示すように、検知コイル１５の代わりにホール素子１９を、鉄心半体２２の鉄心脚部２２ａ間の隙間に設けてもよく、この場合には、より小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００３３】
以上のように、磁束発生手段として永久磁石２１を用いたので、鉄心半体２２に磁束を発生させるための電源が不要となり、より小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００３４】
（第４実施形態）
本発明に係わる力センサの第４の実施の形態について、以下に説明する。図８に示すように、本実施の形態においては、コア部材を鉄心２３とし、鉄心２３は、断面略四角形状の側辺の一部に切り欠き部を設けるように形成された鉄心半体２４と、断面略凸形状の鉄心半体２５と、を備えるようにするとともに、コイルバネ２７と、磁束発生手段及び磁束検知手段としてのコイル２９と、を備えて構成され、鉄心半体２４と鉄心半体２５との間に間隙２６が設けられている。なお、第１乃至第３の実施の形態で説明したものと同じものには、同じ符号を付してある。図８（ａ）は、鉄心２３をその軸方向から見た図、図８（ｂ）は、鉄心２３をその上面から見た図である。
【００３５】
鉄心半体２５は、鉄心半体２４の内部に収納され、鉄心半体２５の頂点部２５ａが鉄心半体２４の内部から外部に突出自在となるよう組み合わされており、鉄心半体２４の内側面と鉄心半体２５のつば部２５ｂとの間にコイルバネ２７を設けている。なお、コイルバネ２７は、弾性力、復元力を有するものならどのようなものでもよく、例えば、板ばね、ゴム等を用いることができる。
【００３６】
磁歪部材１１は、鉄心半体２４の内側面と、鉄心半体２５のつば部２５ｂの底面との間に設けられており、コイルバネ２７により常に一定の圧力が印加されている。
【００３７】
コイル２９は、磁歪部材１１のまわりに巻回され、磁歪部材１１に磁束を発生させるとともに、磁歪部材１１を通過する磁束を検知するようにしている。磁歪部材１１で発生した磁束は、磁歪部材１１‐鉄心半体２４‐間隙２６‐鉄心半体２５という磁路Ｍ４を通過する。
【００３８】
次に、本実施の形態における力センサの動作を説明する。本実施の形態においては、磁歪部材１１にかかる圧力が、圧縮荷重である場合と、引張荷重である場合とがある。
【００３９】
まず、印加される圧力が、圧縮荷重である場合を説明する。鉄心半体２５の頂点部２５ａに圧縮荷重Ｐが印加されていない場合には、磁歪部材１１にかかる力は、コイルバネ２７からの圧力だけであり、その圧力は常に一定であるので、コイル２９で誘起される電圧も一定となる。ここで、鉄心半体２５の頂点部２５ａに圧縮荷重が印加されると、磁歪部材１１にかかる圧力が増加し、磁歪部材１１の磁気抵抗が増加するとともに、鉄心半体２４と鉄心半体２５との離間距離が大きくなるので、磁路Ｍ４全体の磁気抵抗が大きくなり、磁歪部材１１に流れる磁束が減少する。これにより、コイル２９で誘起される電圧が減少する。このとき誘起される電圧と、圧縮荷重が印加されていないときの誘起電圧とを用いることにより、印加された圧縮荷重の大きさを算出する。
【００４０】
逆に、印加される圧力が、引張荷重である場合には、鉄心半体２５の頂点部２５ａに圧力がかかるまでは、圧縮荷重Ｐが印加される場合と同じである。ここで、鉄心半体２５が引っ張られるように引張荷重Ｔが印加された場合には、磁歪部材１１にかかる力が減少するので、その磁気抵抗が小さくなるとともに、鉄心半体２４と鉄心半体２５との間の距離が小さくなるので、磁路Ｍ４全体の磁気抵抗も小さくなり、磁歪部材１１に流れる磁束が増大する。これにより、コイル２９で誘起される電圧が増加する。このとき誘起される電圧と、引張荷重Ｔが印加されていないときの誘起電圧とを用いることにより、印加された引張荷重Ｔの大きさを算出する。
【００４１】
また、別の実施例として、磁束を発生させる磁束発生手段を励磁コイル３１とし、磁束検知手段をホール素子１９としたものを、図９に示している。この場合には、ホール素子１９を鉄心半体２５のつば部２５ｂ底面と磁歪部材１１の一面１１ｂとの間に設け、鉄心半体２５から磁歪部材１１に、又はその逆向きに通過する磁束量を検出するようにしている。このようにすることで、磁束検知手段を小型化することが可能となるとともに、力センサ全体の小型化も可能となる。
【００４２】
さらに別の実施例として、図１０に示すように、磁歪部材１１のまわりに、励磁コイル１３と検知コイル１５とそれぞれ別体として巻装する構成にしてもよい。この場合に、励磁コイル１３に交流電流を流せば、検知コイル１５で誘起される電圧が、インダクタンスの変化分としてそのまま検出されるので、印加される荷重をより精度よく計測することが可能となる。
【００４３】
以上のように、磁歪部材１１に、定常的に一定の圧力を印加するコイルバネ２７を備えたので、圧縮荷重Ｐだけでなく、引張荷重Ｔに対しても、その荷重を計測することが可能となる。
【００４４】
（第５実施形態）
本発明の力センサの第５の実施の形態について、以下に説明する。図１１に示すように、本実施の形態においては、コア部材を鉄心３４とし、鉄心３４は、鉄心半体３５と鉄心半体３７とを備えたものとしている。なお、第１乃至第４の実施の形態と同じものには、同じ符号を付してある。
【００４５】
鉄心半体３５は、その側壁の一辺に切り欠き部を有する断面略四角形状で、その切り欠き部の端面をテーパ状に形成している。また、鉄心半体３７は、その頂点部３７ａからつば部３７ｂにかけての一部がテーパ状に形成されている。このようにすることで、鉄心半体３５と鉄心半体３７との対向する面同士が、引張荷重を印加された際により近接し、圧縮荷重Ｐを印加された際により離間するので、荷重を印加された際の磁気抵抗変化量がより大きくなる。
【００４６】
なお、本実施の形態では、第４の実施の形態と同様に、鉄心半体３５と鉄心半体３７との間にコイルバネ２７を設け、磁歪部材１１にかかる荷重が、引張荷重Ｔ又は圧縮荷重Ｐ、どちらの場合にも、印加された荷重を計測できるようにしている。
【００４７】
以上のように、鉄心半体３５と鉄心半体３７の形状の一部をテーパ状とすることにより、荷重を印加された際の磁気抵抗変化量をより大きくすることができるので、誘起される電圧の変化量も大きくなり、印加される荷重をより詳細に計測することが可能となる。
【００４８】
以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限らず、種々の形態で実施することができる。
【００４９】
【発明の効果】
上記のように本件発明によれば、磁性体よりなる筒体の周壁の一部に、その軸方向の全長にわたり開放される開放部が設けられたコア体と、コア体の内周面に固着された２つの面を有してコア体内に収納され、２つの面に印加される圧力に対応して透磁率が変化する磁歪部材と、コア体又は磁歪部材に磁束を発生自在に形成された磁束発生手段と、コア体又は磁歪部材を通過する磁束を検知自在に形成された磁束検知手段と、を備え、開放部の開放間隔及び磁歪部材の透磁率が、前記コア体に印加される圧力に対応して変化するので、印加される荷重値の変化に対して磁歪部材の透磁率の変化を大きくすることができ、荷重値を精度よく測定することができるという効果を奏する。
【００５０】
また、磁束検出手段に、ホール素子を有するようにすれば、小型化を図ることができるという効果を奏する。
【００５１】
また、磁束発生手段に、磁石を有するようにすれば、磁束を発生させるための電源が不要となり、より小型化、低コスト化を図ることができるという効果を奏する。
【００５２】
また、磁歪部材の２つの面は、その少なくとも一方の面が、磁性ゴムを介してコア体の内周面に固着すれば、磁性ゴムの弾性により、外力を受けたコア体の側壁の一部の開放された間隔の変位量がより大きくなるので、印加される外力に対して、磁束検知手段で検知される磁束の変化量をより大きくすることができ、印加された外力の大きさをより正確に計測することができるという効果を奏する。
【００５３】
また、コア体は、内周面における磁歪部材の２つの面が固着される位置の少なくとも一方に、断面略凸形状の突起部を有するように形成すれば、磁歪部材に働く応力をより集中させることができ、印加された外力に対して、磁束検知手段で検知される磁束の変化量をより大きくすることができるので、印加された外力の大きさをより正確に計測することができるという効果を奏する。
【００５４】
また、磁歪部材に、印加される圧力が応力集中する応力集中部を設ければ、磁歪部材に働く応力をより集中させることができ、印加された外力に対して、磁束検知手段で検知される磁束の変化量をより大きくすることができるので、印加された外力の大きさをより正確に計測することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる力センサの第１の実施の形態を示す図である
【図２】上記力センサの別の実施例を示す図である
【図３】上記力センサの別の実施例を示す図である
【図４】上記力センサの別の実施例を示す図である
【図５】本発明に係わる力センサの第２の実施の形態を示す図である
【図６】本発明に係わる力センサの第３の実施の形態を示す図である
【図７】上記力センサの別の実施例を示す図である
【図８】本発明に係わる力センサの第４の実施の形態を示す図である
【図９】上記力センサの別の実施例を示す図である
【図１０】上記力センサの別の実施例を示す図である
【図１１】本発明に係わる力センサの第５の実施の形態を示す図である
【符号の説明】
１１磁歪部材
１３励磁コイル
１５検知コイル
１６鉄心
１８間隙
１９ホール素子
２１永久磁石
２３鉄心
２６間隙
３１励磁コイル
３４鉄心
３８鉄心
３９ａテーパ部
４０鉄心
４１ａ半球部

Claims

磁性体よりなる筒体の周壁の一部に、その軸方向の全長にわたり開放される開放部が設けられたコア体と、
前記コア体の内周面に固着された２つの面を有して前記コア体内に収納され、前記２つの面に印加される圧力に対応して透磁率が変化する磁歪部材と、
前記コア体又は前記磁歪部材に磁束を発生自在に形成された磁束発生手段と、
前記コア体又は前記磁歪部材を通過する磁束を検知自在に形成された磁束検知手段と、
を備え、
前記開放部の開放間隔及び前記磁歪部材の透磁率が、前記コア体に印加される圧力に対応して変化することを特徴とする力センサ。
前記磁束検知手段は、ホール素子を有することを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
前記磁束発生手段は、永久磁石を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の力センサ。
前記磁歪部材の前記２つの面は、その少なくとも一方の面が、磁性ゴムを介して前記コア体の前記内周面に固着されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の力センサ。
前記コア体は、前記内周面における前記磁歪部材の前記２つの面が固着される位置の少なくとも一方に、断面略凸形状の突起部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の力センサ。
前記磁歪部材は、印加される圧力が応力集中する応力集中部が設けられたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の力センサ。