JPH0572022A - 力学量検知器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁界の経時変化による出力変動をなくす。 【構成】 ホール素子２，３を２個用意し、一方の第二
ホール素子３をケース１３に固定する。他方の第一ホー
ル素子２は、荷重により所定量変形するスプリング１０
に付勢された電磁石１に一定間隔をあけて固定する。第
一ホール素子２の出力値を初期値と比較する。その比較
結果に基づいて電磁石１への通電量を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、家電用，産業用を問わ
ず重量，力と言つた力学量を検知するための力学量検知
器に関し、例えば、体重計，電子ばかり，車載量測定
機，ロードセル，その他あらゆる重量，力検出装置とし
て利用でき、特に、長期間温度補正を行えない状況にお
いて使用することができるものである。

【０００２】

【従来の技術】重量あるいは力を検出する装置（以後、
力学量検知器と呼称する）としては、体重計や電子ばか
りに代表される比較的小荷重を対象とした民生用力学量
検知器と、車載量測定機やプレス加工機のような比較的
大きな荷重を対象とした産業用、さらに、ロードセルに
代表される高精度の計測用などがある。

【０００３】これらの力学量検知器は、目的に応じて原
点調整や秤量幅の設定を厳密に行う必要がある。また、
使用環境温度も比較的厳密に設定される必要があり、こ
れはそれぞれの力学量検知器の取扱が専門的になること
を意味している。

【０００４】そして、力学量を電気的信号に変換する手
段としては、歪みゲージを用いるもの、平行電極板の静
電容量を検出するもの、磁性体の磁歪効果を利用したも
の、さらにホール素子やＭＲ素子等の磁気検知素子を用
い磁石の変位を捕らえるもの等、さまざまなものが上げ
られるが、その何れもが程度の差こそあれ温度の変化に
よつて誤差を生じる。

【０００５】一般に、それぞれの力学量検知器によつて
温度補正の方法は異なるが、原理的に温度補正が不可能
なものも存在する。例えば、歪ゲージ等は、アクテイブ
ゲージとダミーゲージを用いてブリツジを組むことで温
度の影響を相殺することが可能であるが、ホール素子な
どは素子そのものの温度安定性に頼らざるを得ない。

【０００６】また、長期安定性の観点から見れば、ホー
ル素子などの磁気感知式のセンサーは、素子自身の安定
性と同時に、磁気を発生する磁石の安定性等も考慮する
必要性が生じてくる。

【０００７】このような理由から磁気感知型のセンサー
は他の方式に比べ、温度安定性、長期安定性等に劣るこ
とから、あまり実用化された例を見ないのが現状であ
る。

【０００８】（先行技術）上記の如く、磁気感知型の力
学量検知器は、温度安定性と長期安定性に問題を残して
いるが、これらの問題が解決されることで比較的高精度
でかつ安価なセンサーが構成できる潜在的な可能性を有
している。

【０００９】そこで、本出願人は、特願平３−１５９３
１１号でホール素子等の２個の磁気検知素子と磁石とを
用いた力学量検知器を提案した。

【００１０】なお、ホール素子は、ＧａＡｓ（ガリウム
・ヒ素）系、ＩｎＡｓ（インジウム・ヒ素）系およびＩ
ｎＳｂ（インジウム・アンチモン）系がその代表的なも
のであり、ＭＲ（磁気抵抗）素子はこれらのホール効果
を利用した半導体磁気抵抗素子と強磁性薄膜磁気抵抗素
子とに分類れさる。

【００１１】ＧａＡｓ系ホール素子は定電圧駆動で約
０.３％／℃、定電流駆動で約０.０６％／℃、ＩｎＳｂ
系は定電圧駆動で０.２％／℃、定電流駆動で２％／
℃、ＩｎＡｓ形は定電流駆動で約０.１％／℃の温度特
性を有していることが知られている。

【００１２】また、磁気抵抗素子に関しては、半導体磁
気抵抗素子については上記ホール素子の系列に準じ、薄
膜強磁性体磁気抵抗素子の場合は約０.２％／℃程度の
温度特性を有する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、磁気感
知型力学量検知器としては、これらの磁気検知素子の温
度特性に加えて、磁界の安定性も重要な要素になる。磁
界の発生に永久磁石を用いた場合、高温下での磁界の低
下や長期間の使用による劣化等が予測され、これらに関
しては不明確な部分も多く実用化を阻む一要因となって
いる。

【００１４】本発明は、上記に鑑み、温度安定性および
長期安定性を維持することができる力学量検知器の提供
を目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明による課題解決手
段は、図１，２の如く、磁界を発生させるための電磁石
１に対して相対位置が固定された基準用第一磁気検知素
子２と、負荷荷重により前記電磁石１に対して相対位置
が変化する力学量検知用第二磁気検知素子３とを備え、
前記第一磁気検知素子２と第二磁気検知素子３とは、同
一の温度特性および出力特性を有せしめられ、前記第一
磁気検知素子２の出力初期値を記憶する記憶手段６と、
第一磁気検知素子２の出力値をその初期値と比較する経
時変化検出手段７と、この比較結果に基づいて前記初期
値の変動を相殺するよう電磁石１への通電制御を行う基
準補正手段８とが設けられたものである。

【００１６】

【作用】上記課題解決手段において、第一磁気検知素子
２と電磁石１との距離は常に一定である。

【００１７】そのため、磁界の強度は第一磁気検知素子
２に対しては常に一定であるが、経時変化により磁界の
強度が変化する。このとき、第一磁気検知素子２の出力
値を初期状態の出力値と比較して、磁界の強度が一定と
なるように電磁石１への通電量を調整する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明の力学量検知器を適用した重量セ
ンサーの模式図、図２は本発明の力学量検知器の構成
図、図３は同じくそのホール素子の駆動回路図、図４は
同じく重量センサーの動作図、図５は温度変化によるホ
ール素子の出力特性図、図６は磁界強度変化によるホー
ル素子の出力特性図である。

【００１９】本実施例の力学量検知器は、磁気検知素子
にホール素子を用い、磁気検知素子自身の温度による特
性の変化を２つの磁気検知素子を用い、人為的に相殺す
ることで温度特性の向上を図るもので、磁界を発生させ
るための電磁石１に対して相対位置が固定された基準用
第一磁気検知素子２と、負荷荷重により前記電磁石１に
対して相対位置が変化する力学量検知用第二磁気検知素
子３とを備え、前記第一磁気検知素子２と第二磁気検知
素子３とは、同一の温度特性および出力特性を有せしめ
られている。

【００２０】そして、力学量検知器は、マイクロコンピ
ユータを備え、第一磁気検知素子２と第二磁気検知素子
３との出力の差を増幅して磁界変化以外の影響を相殺す
る補正手段４と、該補正手段４からの信号を力学量検知
情報として出力する出力手段５と、前記第一磁気検知素
子２の出力初期値を記憶する記憶手段６と、第一磁気検
知素子２の出力値をその初期値と比較する経時変化検出
手段７と、この比較結果に基づいて前記初期値の変動を
相殺するよう電磁石１への通電制御を行う基準補正手段
８とが設けられている。

【００２１】まず、上記の如く構成された力学量検知器
を適用した重量センサーを図２に基づいて説明すると、
前記電磁石１は、負荷荷重により位置が一義的に変化す
るようにスプリング１０によつて付勢されたロツド１１
の一端に取付けられ、該ロツド１１に前記第一磁気検知
素子２が門形固定材１２を介して取付けられ、第一磁気
検知素子２が前記電磁石１に対して一定の間隔をおいて
対向している。そして、ロツド１１の一端側がケース１
３に内装され、他端が変位する負荷に接続されている。

【００２２】前記第二磁気検知素子３は、前記ロツド１
１とは独立してケース１３に固定されており、荷重によ
り電磁石１との相対的距離が一義的に定まる。

【００２３】また、第一磁気検知素子２および第二磁気
検知素子３は、ＧａＡｓ系ホール素子が用いられ、図３
の如く、各ホール素子２，３に、ツエナーダイオードＺ
ＤとトランジスタＴＲ１，ＴＲ２を用いて定電流を供給
したもので、それぞれはオペアンプＯＰ１およびＯＰ２
を用いて同相電圧を除去している。さらに、それぞれの
出力はオペアンプＯＰ３の作動増幅回路に入力され、両
者の発生電圧の差が重量検知情報として出力されるよう
になつている。

【００２４】ここで、ＧａＡｓタイプのホール素子は一
般に温度が高いほど同一の磁界に対して発生出力が小さ
くなり、その特性曲線は図５に示すようにＹ軸方向に平
行移動する形で変化する。したがつて、図中の温度関係
はＴ３＜Ｔ２＜Ｔ１である。Ａ１，Ａ２，Ａ３およびＢ
１，Ｂ２，Ｂ３点における温度による出力の変化量は１
℃あたりその時の出力のおよそ０.２％変化する。

【００２５】Ａ点を第一ホール素子２の出力、Ｂ点を第
二ホール素子３の出力とすると、第二ホール素子３だけ
で磁石の変位量を測定した場合、ホール素子の温度特性
そのものが温度測定誤差として現れることになる。

【００２６】そこで、Ａ点の出力とＢ点の出力の差を変
位量の測定値とすると、Ｂ点で１℃あたり０.２％の出
力変化があつてもＡ点も同方向に０.２％の出力変化が
あるため、温度による変化量が相殺することができる。
すなわち、ΔＶ₁≒ΔＶ₂≒ΔＶ₃となる。したがつて、
温度による誤差は、ホール素子を２つ使用することによ
り補正することが可能になる。

【００２７】一方、磁石の劣化による特性変化は、磁石
がホール素子から相対的に遠ざかるものと考えてよい。
それを模式的に示したのが図６である。図６は、ホール
素子の出力特性曲線が磁石の劣化により右にシフトした
状態を示したものである。温度変化によりＹ軸方向にシ
フトする場合と比較して、低出力域でのＹ軸方向への変
化幅が非常に小さくなつているのがわかる。

【００２８】これは磁界の強度分布が基本的には距離の
二乗に反比例するために起こる現象で、この現象がある
ために２つのホール素子を使用するだけでは十分な補償
が行えなくなる。具体的に示すと磁石の劣化に伴い磁界
曲線がＨ1，Ｈ2，Ｈ3と変化した場合、図中のＸａおよ
びＸｂの絶対値が近い値であればΔＸ1，ΔＸ2，ΔＸ3
の値もほぼ等しくなるが、現実には図のようにかなり違
つた値になる。このため、単にホール素子を２個使用し
てその差を比較するだけでは、初期値の変動を相殺する
ことができない。

【００２９】そこで、磁界発生を電磁石１で行い、この
ときの電磁石１への通電量を第一ホール素子２の出力に
基づいて決定することで、例えば、図６の特性曲線のＸ
軸方向のずれを電磁石への通電量を増減させることによ
り強制的に元の位置にシフトさせている。

【００３０】次に、以上の原理に基づいて作成した重量
センサーを実際に使用するとき、図４の如く、ロツド１
１に外力が働くと、スプリング１０が圧縮され、右方向
に変形する。このときロツド１１の左端にある電磁石１
もスプリングの圧縮に伴い右方向に変位し、第二ホール
素子３との相対的な距離を変化させる。一方、第一ホー
ル素子２は電磁石１の左端に固定されており、電磁石１
の変位と同時に左へ変位し相対的な距離の変動は起こら
ないようになつている。

【００３１】ロツド１１に外力がかかつていないときの
第一ホール素子２および第二ホール素子３の電磁石１に
対する相対距離をそれぞれＸ₁₂，Ｘ₂₃とする。ロツド１
１に外力Ｆが働くことにより、ΔＸだけ右方向に変位し
た場合、Ｘ₁₂はΔＸだけ増加するが、Ｘ₂₃は常に同じ距
離である。

【００３２】このとき、第一ホール素子２の周辺の磁界
は変化せず、補正手段４により第二ホール素子３と第一
ホール素子２の出力の差を計算して増幅し、出力手段５
により重量検知情報として取り出すことにより、両ホー
ル素子にかかる磁界変化以外の外乱は相殺される。

【００３３】また、第一ホール素子２の出力値は、経時
変化検出手段７により、記憶手段６に記憶された第一ホ
ール素子２の初期状態の出力値と比較される。そして、
この比較結果を電磁石１へのフイードバツク情報とし
て、基準補正手段８により電磁石１への通電量を調整
し、電磁石１の発生磁界が初期状態のときと同じになる
ようにする。

【００３４】このように、荷重の負荷によりその位置が
一意的に変化する電磁石１に対し、その相対的距離が固
定された第一磁気検知素子２の出力を用いて電磁石１へ
の通電強度を制御することで、磁界の強度を常に一定に
保ち、その一方で電磁石１の変位に伴い相対距離が一意
的に定まる第二磁気検知素子３の出力により、負荷荷重
の変化による磁界強度の変化を捕えている。

【００３５】第一磁気検知素子２と第二磁気検知素子３
の温度特性が同等であれば、第一磁気検知素子２の温度
による出力変化に伴い電磁石１への制御情報も変化する
ため、結果として磁気検知素子の温度特性を相殺し、さ
らに第一磁気検知素子２の出力を電磁石１へのフイート
バツク情報とすることにより、磁界の長期安定性を維持
することを可能にしている。

【００３６】したがつて、２つの磁気検知素子と１つの
電磁石をもつて力学量検知器を構成することにより、磁
界の強度が経時的に安定し、さらに磁気検知素子の温度
特性が相殺され、温度安定性および長期安定性の大幅な
向上が実現できる。

【００３７】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではなく、本発明の範囲内で上記実施例に多くの修
正および変更を加え得ることは勿論である。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、本発明に
よると、電磁石に対しその相対的距離が固定された第一
磁気検知素子の出力を用いて電磁石への通電量を制御す
ることで、基準となる第一磁気検知素子の出力初期値の
変動を相殺でき、磁界の強度を常に一定に保ち、磁界の
強度を経時的に安定させることができる。

【００３９】また、第一検知素子と第二検知素子の出力
の差を取り出すことにより、磁界変化以外の影響を相殺
することができ、温度に対する安定性を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の力学量検知器を適用した重量セ
ンサーの模式図である。

【図２】図２は本発明の力学量検知器の構成図である。

【図３】図３は同じくそのホール素子の駆動回路図であ
る。

【図４】図４は同じく重量センサーの動作図である。

【図５】図５は温度変化によるホール素子の出力特性図
である。

【図６】図６は磁界強度変化によるホール素子の出力特
性図である。

【符号の説明】

１ 電磁石 ２ 第一ホール素子 ３ 第二ホール素子 ６ 記憶手段 ７ 経時変化検出手段 ８ 基準補正手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁界を発生させるための電磁石に対して
   相対位置が固定された基準用第一磁気検知素子と、負荷
   荷重により前記電磁石に対して相対位置が変化する力学
   量検知用第二磁気検知素子とを備え、前記第一磁気検知
   素子と第二磁気検知素子とは、同一の温度特性および出
   力特性を有せしめられ、前記第一磁気検知素子の出力初
   期値を記憶する記憶手段と、第一磁気検知素子の出力値
   をその初期値と比較する経時変化検出手段と、この比較
   結果に基づいて前記初期値の変動を相殺するよう電磁石
   への通電制御を行う基準補正手段とが設けられたことを
   特徴とする力学量検知器。