JP5302018B2 - 多軸荷重センサ - Google Patents
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Description
そして、基本的には1軸方向に作用する荷重を検出するセンサであるため、複数軸方向に作用する荷重を検出するには複数の荷重センサを組み合わせて用いるしかなく、全体が大型化してしまうという問題があった。
前記基部に配置され、ヨーク部の内周側で互いに対向する位置に2つの突極部を有するステータコアと、前記突極部に巻装されて所定の交流信号が入力される1次コイルと、この1次コイルと共に前記突極部に巻装される2次コイルと、前記可動部に固定され、前記1次コイルが発生する磁束が通る磁気回路を前記ステータコアと共に形成し、前記可動部の変位に伴い前記突極部との間の空隙長が変化するように配置される可動コアとを備えてなるセンサ部とを備え、
前記基部は、前記起歪部の位置で区分される4つの領域の1つに、直交する2辺を備えたステータ取付部を有し、
前記可動部は、前記ステータ取付部側に延設され、前記2辺に対してそれぞれ平行となる2辺を備えた可動コア取付部を有し、
前記ステータコアを前記ステータ取付部に取り付けると共に、前記可動コアを前記可動コア取付部に取り付けて、2つのセンサ部を前記直交する2辺にそれぞれ配置し、
前記2つのセンサ部が有する2次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする。
前記各取付部に、前記センサ部を更に1つ、前記直交する2辺の何れか1辺側に配置し、
前記3つのセンサ部が有する2次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成しても良い。斯様に構成すれば、第3のセンサ部によって、可動部に対して各辺部と直交する方向に印加される荷重を検出することができる。
前記各取付部の2辺に、前記センサ部を更に2つ配置し、
前記4つのセンサ部が有する2次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成すると良い。斯様に構成すれば、可動部に印加される2軸方向の荷重を、2個を1組とする2組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができる。
前記各取付部に、前記センサ部をそれぞれ配置し、
前記6つのセンサ部が有する2次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成しても良い。斯様に構成すれば、可動部に印加される3軸方向の荷重を、3組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができる。
前記センサ部を、前記各取付部の各辺にそれぞれ配置し、
前記8つのセンサ部が有する2次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成すれば、上述した6分力のそれぞれを、2つのセンサ部の出力の組み合わせから平均して求めることができる。
請求項5記載の多軸荷重センサによれば、4つのセンサ部よって、可動部に印加される2軸方向の荷重を、2個を1組とする2組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができ、検出精度を更に向上させることができる。
請求項10記載の多軸荷重センサによれば、可動部に対して想定した以上の過大な荷重が印加された場合に、可動部が変位制限部材に当接することで起歪体が不可逆的に変形することを防止できるので、強度を確保して信頼性を向上させることができる。
請求項12記載の多軸荷重センサによれば、可動部が各辺と直交する方向に変位した場合の変位量を、スペーサの厚さ寸法によって容易に調整できる。
以下、本発明の第1実施例について図1乃至図8を参照して説明する。図2は、多軸荷重センサを構成する本体(起歪体)1の正面図、図3は同斜視図である。本体1は、正方形状の鋼材を切り出し加工することで形成されており、正方形の各辺に対応する基部2a〜2dは、固定側に取り付けられて固定される。そして、面取り加工されている4つの角部3a〜3dには、本体1をボルトなどにより取り付け固定するための取付け穴4a〜4dが形成されている。
VRセンサ部21は、ステータコア23,1次コイル24,2次コイル25,可動コア26で構成されている。また、図4は、図1(a)に示す底面側のセンサカバー27と後述する基板28とを取り外して、本体1の内部に配置されるVRセンサ部21をステータ側から見た状態を示している。
そして、可動コア26が変位してギャップδa,δcの大小関係が変化すると、1次コイル24a/2次コイル25a,1次コイル24c/2次コイル25cの磁気的結合状態,すなわち、磁気回路のリラクタンス(磁気抵抗)が変化するため、2次側の出力信号(Va+Vc)も変化することになる。また、コイル24(b,d),25(b,d)側の動作も上記と全く同様である。
尚、変位制限の調整精度が不要な場合は、上記突出部の先端が基部2に当接することで最大変位量を制限できる(変位する範囲は、両者間の空隙に相当する)。すると、ボルト30及びスペーサ33は不要となるので、構成を簡素化できる。
そして、上述したように可動部5の最大変位量を制限することで、最大に変位した場合でも、可動コア26が突極部23a〜23dと直接接触しない程度のギャップが確保されるように設定されている。
例えば、可動部5に対してX軸方向の荷重が印加された場合を想定する。この場合の荷重は、主としてY軸方向に位置する支持部6b及び8bと、支持部6d及び8dとに加わる。この時、第1支持部6b及び6dは引張り・圧縮荷重を受け、第2支持部8b及び8dは曲げ荷重を受けるが、前者の引張り・圧縮荷重に対する相対剛性に対して、後者の曲げ荷重に対する相対剛性の方がより小さくなる。
そして、ケース(A)のように可動部5に荷重が印加されておらず、ギャップ(δa=δc)である場合は、図7(b)に示すように、2次コイル25aより出力される正相信号Vaと、2次コイル25cより出力される逆相信号Vcとの振幅は等しいので、それらの合成信号(Va+Vc)はゼロになる(図7(c)参照)。したがって、信号入出力回路41より出力される信号VOUT_1もゼロレベルとなる(図7(f)参照)。
VRセンサ部21 Vout_1 Vout_2
#1 Y Z
#2 X Z
#3 Y Z
#4 X Z
#1Y=Kfy×Fy+Kmz×Mz
#3Y=Kfy×Fy−Kmz×Mz
尚、Kfy,Kmzは、荷重に対する比例係数である。これらの式より、分力Fy,モーメントMzを個別に求めれば、上記の通りになる。
尚、以上では、Z軸方向分力FzとZ軸周りモーメントMzとが重複して得られているが、何れか一方を採用しても良いし、両者の加算平均を結果として出力しても良い。そして、上記のマイクロコンピュータにより6分力成分を求めて、例えば荷重の数値(即値)を表示器等に表示させるなどする。
また、歪みゲージを接着によって取り付けるような構成部分がなく、VRセンサ部21は、本体1に対して機械的に圧入結合されるので、信頼性や耐環境性を向上させることができる。更に、支持部6及び8からなる起歪部の微小変位(微小歪み)を検出できるので、使用時の応力を、本体1をなす材料の降伏点に比較して十分低くでき、過荷重に対する余裕も大きくとることができる。
更に、可動部5の両面側に、スペーサ35を介してボルト36により固定されるストッパ34を備え、そのストッパ34の先端部が、基部2側に係るように配置して変位制限機構を構成したので、可動部5がZ軸方向に変位した場合の変位量を、スペーサ35の厚さ寸法により調整できる。
図9及び図10は本発明の第2実施例を示すものであり、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第2実施例の多軸荷重センサ51は、本体(起歪体)52と、8個のVRセンサ部21とで構成されている。本体52には、可動部5の可動コア取付部10a,10cとは異なる対角線上に位置する可動コア取付部10b,10dにも、VRセンサ部21がそれぞれ2個ずつ配置されている。そして、各VRセンサ部21との電気的接続を図るためのケーブル60は、各基部2a〜2dにおいて、2個のVRセンサ部21が配置されている位置の間に1つずつ設けられている(図9では、#4,#8に対応するケーブル60のみ示す)。
VRセンサ部21 Vout_1 Vout_2
#1 Y Z
#2 X Z
#3 Y Z
#4 X Z
#5 Y Z
#6 X Z
#7 Y Z
#8 X Z
同様に、図10(b)に示す2つの縦軸方向矢印は、VRセンサ部21(#1,#3)のZ軸成分信号を表しており、それらの加算平均[(#1Z+#3Z)/2]がZ軸方向分力Fzに比例し、それらの減算結果[#1Z−#3Z]がX軸周りのモーメントMxに比例することを示している。
図11及び図12は本発明の第3実施例を示すものであり、第2実施例と異なる部分について説明する。第3実施例の多軸荷重センサ53は、第2実施例の多軸荷重センサ51より2個のVRセンサ部21(#7,#8)を除去したもので、本体54は、それに応じて対応する取付け穴13や挿入穴15が除去されている。この場合、VRセンサ部は、必ずしも第1及び第2実施例と同様に、ステータコア23の突極部23a〜23d,1次コイル24a〜24d,2次コイル25a〜25dを全て備える必要はない。第1実施例の図5に示したように、突極部23a及び23c,1次コイル24a及び24c,2次コイル25a及び25cだけを備えたVRセンサ部21’であっても良く、この場合でも、X,Y,Zの各軸方向分力Fx,Fy,Fzの検出が可能となる。
以上のように第3実施例によれば、6つのVRセンサ部21によって、可動部5に印加される3軸方向の荷重Fz,Fy,Fzを、3組のVRセンサ部21’より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができる。
図13は本発明の第4実施例を示すものであり、第1実施例と異なる部分について説明する。第4実施例の多軸荷重センサ55は、第1実施例の多軸荷重センサ22より、2個のVRセンサ部21(#1,#2)を除去したもので、本体(起歪体)56は、それに応じて対応する取付け穴13や挿入穴15が除去されている。斯様な構成でも第3実施例と同様に、X,Y,Zの各軸方向分力Fx,Fy,Fzの検出が可能となる。
以上のように第4実施例によれば、2つのVRセンサ部21からの出力によって、各軸方向荷重Fz,Fy,Fzを求めることができる。
図14は本発明の第5実施例を示すものであり、第1実施例と異なる部分について説明する。図14は図4相当図であり、第5実施例のVRセンサ部57は、第1実施例のVRセンサ部21と同様に、可動側の変位量を2軸方向について検出するもので、ステータコア23’における突極部23a’〜23d’が、可動コア26’と対向する部位の面形状が、第1実施例のように円弧をなす曲面ではなく、平面をなすように形成されている。また、可動コア26’が突極部23a’〜23d’と対向する部分も同様に平面をなすように形成されており、突極部23a’〜23d’と可動コア26とがなす各部の検出ギャップδa〜δdは、何れも平行をなしている。
ストッパ34,スペーサ35,ボルト36より構成される変位制限手段を、基部2側に固定しても良い。
変位制限手段については、必要に応じて設ければ良い。
第3実施例において、3軸方向荷重Fz,Fy,Fzを、2個のVRセンサ部21の出力を平均して求める必要がない場合には、VRセンサ部21を3個のみ(例えば#1,#2,#5)配置すれば良い。
本体1の具体的構成も一例であり、少なくとも基部,起歪部,可動部を備えており、VRセンサ部を取り付け可能に構成されていれば、その他の詳細部分については個別の設計に応じて適宜変更して良い。
Claims (12)
- 外周部が基部として固定され、中心部に形成される可動部が前記基部に対して弾性変形する起歪部によって四方より支持され、前記可動部に対し複数軸方向に印加される荷重に応じて前記基部との相対位置が変位するように形成される起歪体と、
前記基部に配置され、ヨーク部の内周側で互いに対向する位置に2つの突極部を有するステータコアと、前記突極部に巻装されて所定の交流信号が入力される1次コイルと、この1次コイルと共に前記突極部に巻装される2次コイルと、前記可動部に固定され、前記1次コイルが発生する磁束が通る磁気回路を前記ステータコアと共に形成し、前記可動部の変位に伴い前記突極部との間の空隙長が変化するように配置される可動コアとを備えてなるセンサ部とを備え、
前記基部は、前記起歪部の位置で区分される4つの領域の1つに、直交する2辺を備えたステータ取付部を有し、
前記可動部は、前記ステータ取付部側に延設され、前記2辺に対してそれぞれ平行となる2辺を備えた可動コア取付部を有し、
前記ステータコアを前記ステータ取付部に取り付けると共に、前記可動コアを前記可動コア取付部に取り付けて、2つのセンサ部を前記直交する2辺にそれぞれ配置し、
前記2つのセンサ部が有する2次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする多軸荷重センサ。 - 前記起歪部は、第1支持部と、剛性が前記第1支持部よりも高く且つ前記基部よりも低い第2支持部とを互いに直交する状態で組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項1記載の多軸荷重センサ。
- 前記起歪部は、前記第1支持部が前記基部側に、当該基部が延設されている方向と平行に配置されると共に、前記第2支持部が前記可動部側に配置されており、前記第1支持部の中央部と前記第2支持部の先端部とが連続することでT字型に構成されていることを特徴とする請求項2記載の多軸荷重センサ。
- 前記起歪体は、前記4つの領域の他の1つに、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部に、前記センサ部を更に1つ、前記直交する2辺の何れか1辺側に配置し、
前記3つのセンサ部が有する2次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の多軸荷重センサ。 - 前記起歪体は、前記2つのセンサ部が配置されている領域の対角線上に位置する領域にも、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部の2辺に、前記センサ部を更に2つ配置し、
前記4つのセンサ部が有する2次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の多軸荷重センサ。 - 前記起歪体は、他の2つの領域で互いに平行となる辺側にも前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部に、前記センサ部をそれぞれ配置し、
前記6つのセンサ部が有する2次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項5記載の多軸荷重センサ。 - 前記センサ部は、前記ステータコアに、前記2つの突極部が配置されている方向と直交する方向にも、前記1次コイル及び前記2次コイルが巻装された2つの突極部を備えていることを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の多軸荷重センサ。
- 前記センサ部は、前記突極部と前記可動コアとが対向する部位の形状がそれぞれ平面に形成され、両者の対向面が平行をなすように配置されていることを特徴とする請求項7記載の多軸荷重センサ。
- 前記起歪体は、前記4つの領域の全てに、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記センサ部を、前記各取付部の各辺にそれぞれ配置し、
前記8つのセンサ部が有する2次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項7又は8記載の多軸荷重センサ。 - 前記起歪体に、前記可動部の変位量を制限する変位制限手段を配置したことを特徴とする請求項1乃至9の何れかに記載の多軸荷重センサ。
- 前記変位制限手段は、
前記基部と前記可動部との間に配置され、中空部を有する変位制限部材と、
前記基部側より挿入され、前記変位制限部材の中空部を貫通して先端部が前記可動部側に設けられた凹部に到達するように配置される支持部材とで構成されることを特徴とする請求項10記載の多軸荷重センサ。 - 前記変位制限手段は、前記基部,前記可動部の何れか一方の両面側に、スペーサを介して固定される変位制限部材を備え、
前記変位制限部材の先端部は、前記基部,前記可動部の他方側に係るように配置されることを特徴とする請求項10又は11記載の多軸荷重センサ。
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