JPH0719970A

JPH0719970A - 力センサ及び力測定装置

Info

Publication number: JPH0719970A
Application number: JP14518991A
Authority: JP
Inventors: Eiji Nakamura; 英次中村; Hiroyuki Mizutani; 博之水谷; Teruo Shimizu; 輝夫清水; Satoshi Nakamura; 中村　　聡; Kazutaka Yoshimura; 一孝吉村; Reizo Naruse; 礼三成瀬
Original assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd; Nippon Keiki Works Ltd
Current assignee: Sumitomo Light Metal Industries Ltd; Nippon Keiki Works Ltd
Priority date: 1991-05-22
Filing date: 1991-05-22
Publication date: 1995-01-20
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JP2516489B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は磁性効果を利用した荷重受部材と磁
気発生部材とを有効に組み合わせることにより、構造簡
単にして高性能な力センサと力測定装置を得ることを目
的とする。【構成】磁歪材からなる荷重受部材に磁気発生部材を
組み合わせて力センサを構成する。また、該力センサを
基本要素とする力検出部と、この検出部の検出信号を変
換する信号変換部と、この信号変換の変換信号を基に荷
重量を算出する信号処理部によって力測定装置を構成す
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁歪効果を利用した力
センサ及び力測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の力センサとして、抵抗線
の歪みを用いた抵抗線ひずみセンサ、半導体力センサ、
プレスタッグ、磁歪式トルクセンサ及び歯車式トルクセ
ンサ等がある。抵抗線ひずみセンサは、コンスタンクロ
ム、アドバンス等の材質からなるクモの糸程の細い電気
抵抗線を縦に配列し、これを両面から剥がれないような
紙でサンドイッチにしたものである。その他基板である
ベ−クライト、エポキシ、ポリイミドに抵抗エッチング
したものである。この抵抗線ひずみセンサを直接引っ張
り、圧縮の加わる物体に紙ごと貼り付けて力を加えると
このセンサが物体と一緒になって伸縮して電気抵抗が変
化する。

【０００３】水晶式ひずみセンサは、平面に切り取った
水晶に交流電圧を加えた状態で力を加えると、その交流
電圧の周波数が変化するという性質がある。この周波数
の変化量を測定して力や圧力を知ることができる。半導
体力（圧力）センサは、金属抵抗ひずみゲ−ジに比べ
て、僅かな機械的ひずみに対して極めて大きな電気抵抗
の変化（ピエゾ効果）を生じるものでゲ−ジ率が極めて
高い特性を持っている。プレスタッグは、力を直接電気
変換できるセンサである。また、ケイ素鋼板をある一定
の厚さまで重ねて積層したものに等間隔に穴をあけ、こ
の穴に交互に対角線状に互いに独立して幾重にもコイル
を巻き、その一方を入力（交流ＡＣ電源）とし、他の一
つのものを出力とするものである。磁歪トルクセンサ
は、強磁性体パイプ上に入力用励磁コイルを巻き付ける
と共に、一方の出力用コイルを軸方向の平行に幾重にも
巻き付ける。入力コイルに交流電源をつなぐと、流れる
電流に軸方向に多く磁束が発生するが、出力コイルと平
行になりコイルが磁束を切らないので電圧は発生しな
い。磁性パイプが捩れてくると磁歪現象により磁束も一
緒に捩れて、磁束は出力コイルを切ることになるので、
電磁誘導による電圧が発生する。歯車式トルクセンサは
所定距離を隔てて軸の両端に被検出歯車を２個取り付
け、その外周部に無接触式の電磁形センサを２個配置し
たもので、軸の捩れによる各センサの出力電圧波形の変
化を捕らえてトルクを測定するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】抵抗線ひずみセンサ
は、それ自体はひずみ量を測っているので、力を測るに
は力ひずみ量の変換が必要である。また、該抵抗線ひず
みセンサにより非接触で出力を取り出すには、回転トラ
ンスを必要とし、特別の工夫を要する。水晶式力センサ
や半導体力センサは、構造物の一部に使える程の大きな
ものを作れない。プレスタッグは、磁歪効果を利用して
いるが、出力の取り出しが簡単でない。磁歪式トルクセ
ンサは、コイルを２個必要とし、特にパイプの内側のコ
イルからの出力取り出しは難しく、常に回転している場
合は出力取り出しが不可能である。また歯車式トルクセ
ンサは、センサ自体が直接力を測っていないので、複雑
な信号変換を必要とする。更に、常に回転している軸の
トルクしか測れないので静止荷重は測れない。本発明
は、上述の問題点に鑑みなされたもので、その目的は磁
歪材からなる荷重受け部材に磁気発生部材を付設して力
センサを構成することにより、構造簡単にして動荷重や
静荷重を測定できる高性能な力測定装置を提供すること
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために磁歪材からなる荷重受け部材に磁気発生部
材を付設して力センサを構成する。また、この力センサ
を構成要素とする力検出部と、この検出信号を電気信号
または機械信号に変換する信号変換部と、この信号変換
部によって変換された信号を基に荷重の値を算出する信
号処理部によって力測定装置を構成する。

【０００６】

【作用】本発明の作用は以下の通りである。荷重受け部
材に荷重が加わると、該荷重受け部材の比透磁率が変化
し、磁気発生部材から発生する磁束の量が変化する。力
検出部は磁束の変化量を電気的または機械的に検出し、
信号変換部は力検出部の検出信号を電気信号または機械
信号に変換する。信号処理部は信号変換部の変換信号を
処理して荷重量を算出する。算出された荷重量は表示部
によってデジタルまたはアナログ表示されると共に、他
の制御信号として用いてもよい。

【０００７】

【実施例】次に、本発明の実施例について図１から図１
１等を参照して説明する。図１は本発明の力測定装置の
原理を示すもので、この力測定装置は本質的に磁歪効果
を利用して力を検出する力検出部１０と、力検出部１０
の検出信号を電気信号叉は機械信号に変換する信号変換
部２０と、信号変換部２０の変換信号を処理する信号処
理部３０と、信号処理部３０によって処理された処理信
号に基づいて力の量を表示する表示部４０によって構成
されている。力検出部１０は、図２に示すように磁歪物
質からなる磁歪棒１に導電線２を巻装してなる有心ソレ
ノイド３によって構成されている。磁歪効果により磁力
と力は相互作用をする。さよう磁歪棒１は力を受けると
その物質が特に透磁率μＳ（比透磁率）が変化する。こ
こで磁歪棒１の断面積Ｓ、長さｌ、コイル巻数をｎとす
ると、コイルによるインダクタンスＬは（１）式のよう
になる。

【数１】
式（１）において、Ｌは実験的に求められた係数でμｏ
＝４π×１０^-7（真空透磁率）、ａはコイルの半径、Ｌ
ｎは長岡係数と呼ばれるもので表１のようになる。

【表１】式（１）からＬの大きさはμｓに比例し、他の値はすべ
て定数である。図３に示すように、導線２にコンデンサ
４を接続すると発振回路が形成される。その発信周波数
ｆは（２）式のようになる。

【数２】（２）式のＬは磁歪棒１にかかっている力により変化す
ることになる。（２）式を（１）式に代入すると次の
（３）式が得られる。

【数３】

【０００８】図４は図２と図３に示す力センサを用いた
本発明の第１実施例による力測定装置であって、秤量装
置を構成する。即ち、はこ体５内にはソレノイド３の磁
歪棒１の一端が固定されており、磁歪棒１の他端には連
結棒６を介して被秤量物８を載置すべき秤量皿７が連設
され、力検出部１０が形成される。ソレノイド３の導線
２には信号変換部２０としての発振回路２１が接続され
ており、この発振回路２１はコンデンサ、抵抗及びトラ
ンジスタからなり、図示のように接続されている。発信
回路２１にはカウンタ３１と演算器３２からなる信号処
理部３０が接続されている。図４の秤量装置において、
ソレノイド３は発振回路２１の一部として動作する。力
検出部１０の磁歪棒１には被秤量物８と秤量皿７及び連
続棒６の合計の荷重がかかることになる。発振回路２１
の発振周波数は、前述のようにコイルのインダクタンス
Ｌで決まる。即ち、コンデンサＣ1，Ｃ2で発振回路を形
成し、その共振周波数ｆは次の（４）式のようになる。

【数４】被秤量８の重量により磁歪棒１にかかる荷重が変わる。
これにより磁歪棒１の透磁率が変わり、ひいては発振回
路２１の発振周波数が変化する。発振周波数はカウンタ
３１により測られ、その結果は演算器３２に入力され
る。演算器３２は周波数に対応する重量値は表示部４０
によって表示される。また、磁歪棒１は磁気シ−ルドの
働きをするはこ体５内に収納されている。これにより、
地磁気などの他から受ける磁気により磁歪棒１により磁
歪棒１の透磁率が変化し、重量測定に誤差が生じるのを
防いでいる。

【０００９】図５は本発明の第２実施例による力測定装
置を示すもの、本実施例においては、信号処理部３０と
して周波数−電圧変換器３３を用いるとと共に、表示部
４０として電流計４１を用いて力測定装置が構成されお
り、アナログ処理によって力の測定を行なうものであ
る。即ち、発振周波数を周波数−電圧変換器３３で直流
電圧に変換し、この直流電圧によって電流計４１を振ら
せている。

【０００１０】図６は本発明の第３実施例による力測定
装置を示すもので、磁歪棒１の側面部にＬ字状のヨ−ク
９ａを取り付けると共に、このヨ−ク９ａと所定の間隔
を置いて対向するように磁束発生部としての永久磁石１
１を介してヨ−ク９ｂを取り付け、ヨ−ク９ａと９ｂ間
に形成されるギャップ内に磁気感知部材であるホ−ル素
子１２を配設して力検出部１０を構成する。更に、信号
変換部２０としては図７に示すように、オペアンプ２２
を用いる。即ち、ホ−ル素子２２には抵抗２３，２４を
介してオペアンプ２２が接続されている。２５はホ−ル
素子１２を直線性を補足するための可変抵抗器、２６は
オペアンプ２２の感度調整用の可変抵抗器である。図６
及び図７に示す力測定装置によれば、永久磁石１１，磁
歪棒１，ヨ−ク９ａと９ｂを通して磁路が形成される。
永久磁石１１から発生する磁力線は、上記磁路を通して
通流し、ヨ−ク９ａと９ｂ間のギャップ内に磁界を作
る。この磁界は荷重に基づく磁歪棒１の透磁率の大小に
よって増減するが、この変化はホ−ル素子１２によって
取り出される。即ち、ホ−ル素子１２の抵抗値は磁界の
強弱によって変化し、図７に示すように信号変換部２０
のオペアンプ２２の出力電圧に変換される。変換された
電圧信号は信号処理部によって処理され、この処理信号
に応じて表示部において荷重の大きさとして表示され
る。

【０００１１】図８は本発明の第４実施例による力測定
装置を示すもので、本実施例においてはヨ−ク９ａと９
ｂ間のギャップの磁界の強さを機械的に検出し、この検
出信号を基に荷重の大きさを機械的に表示するものであ
る。図９にその詳細を示すが、即ち、ギャップ内には鉄
等の磁性体からなる回動子１３が配設されていると共
に、この回動子１３は軸１４を介してピポット軸受１５
ａ，１５ｂにより枢支され、これにより力検出部が形成
される。また、回動子１３には、その回動を規制する回
動規制部材であるひげぜんまい２８の一端が取り付けら
れており、ひげぜんまい２８の他端は固定されている。
回動子１３には指針２９が取り付けられており、この指
針２９の先端部近傍には目盛板４１が配置され、この目
盛板４１は表示部４０を形成する。上記構成の力測定装
置によれば、回動子１３は磁力線より力を受けて該回動
子１３は磁力線により力を受けて該回動子の長手方向が
磁力線向きになるように回動する。回動子１３は中央に
軸１４を介して支持されており、軸１４はピポット支持
されているので、軽く回転することが出来る。回動子１
３が磁力線で力を受けると軸１４を中心に回転する。回
動子１３が回転すると、ひげぜんまい２８から逆に押し
戻す力を受ける。結局、回動子１３は磁力線による力と
ひげぜんまい２８から受ける力の釣り合う角度で停止す
る。回動子１３の回動角度は磁界の強弱により決まるの
で、その回動角度から磁界の強弱ひいては荷重の大小を
知ることが出来る。回動子１３の回動角度は指針２９と
目盛り板４２から読み取られ、これにより荷重の値を読
み取ることができる。

【０００１２】図１０は本発明による力センサの応用例
を示すもので、モ−タ５０のシャフト５１の一部として
磁歪棒１を組み込み、この磁歪棒１の外周にに無接触に
導電線２を巻回してなるソレノイド３ａを形成して力検
出部１０を構成したものである。ソレノイド３ａには信
号変換部，信号処理部及び表示部を接触してシャフト５
１に加わる荷重・トルクをモ−タ５０の回転中でも測定
することができる。

【０００１３】図１１は本発明による力センサの他の応
用例を示すもので、建築物５１の柱５２の一部を磁歪材
１ａとし、この磁歪材１ａの外周に導線２を巻装して力
検出部１０を構成し、柱５２に加わる荷重を測定するも
のである。測定後はコイルを取り除いてしまえば磁歪材
１ａは単なる構造物の一部になっているだけであるの
で、劣化などの不都合は生じない。再測定の場合もコイ
ルを再度巻装するだけで済み、磁歪材そのものがセンサ
の働きをするので、ひずみゲ−ジのような別のセンサを
必要としない。

【０００１４】上記第１実施例、第２実施例、第３実施
例、第４実施例及び上記応用例に使用される磁歪棒１及
び磁歪材１ａには、磁歪材料を用いて製造された磁歪棒
１及び磁歪材１ａを用いてもよく、超磁歪材料を用いて
製造された磁歪棒１及び磁歪材１ａを用いてもよい。前
記磁歪棒１及び磁歪材１ａを製造する原材料である超磁
歪材料としては、希土類（Ｒ）−３ｄ遷移金属（Ｔ）系
金属間化合物のうちＲＴ2のラベ−ス相を用いる。具体
的には、ＲとしてはＴb.3Ｄy0.7,ＴとしてはＦeのＴｂ
0.3Ｄy0.7Ｆe2を用いるとより優れた効果が得られる
（Ｆe2は実用上はＦe1.8-1.95）。

【０００１５】

【発明の効果】本発明は、以上のごとくであって、磁歪
効果を利用した荷重受け部材とコイルや永久磁石などの
磁気発生部材とを有効に組み合わせて荷重を検出するも
のであるから、動的荷重や静的荷重を高精度に検出でき
る構造簡単にして高性能な力センサ及び力測定装置を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による力測定装置の原理を示すブロック
図。

【図２】本発明の実施例による力センサの正面図。

【図３】本発明の実施例による力センサの動作説明用の
正面図。

【図４】本発明の第１実施例による力測定装置のブロッ
ク図。

【図５】本発明の第２実施例のによる力測定装置のブロ
ック図。

【図６】本発明の実施例による力センサの正面図。

【図７】図６の力センサを用いた本発明の第３実施例に
よる力測定装置の回路図。

【図８】本発明の実施例による力センサの正面図。

【図９】図８の力センサを用いた本発明の第４実施例に
よる力測定装置の斜視図。

【図１０】本発明の力センサの応用例を示す正面図。

【図１１】本発明の力センサの他の応用例を示す正面
図。

【符号の説明】

１磁歪棒２導電線３ソレノイド５はこ体６連結棒７受け皿８被秤量物９ａヨ−ク９ｂヨ−ク１０力検出部１１永久磁石１２ホ−ル素子１３回動子２０信号変換部２１発振回路３０信号処理部３１カウンタ３２演算器４０表示部４１電流計４２目盛り板５０モ−タ５１建築物５２柱

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者清水輝夫東京都大田区南久が原１丁目13番６号株式会社日本計器製作所内 (72)発明者中村聡東京都大田区南久が原１丁目13番６号株式会社日本計器製作所内 (72)発明者吉村一孝東京都大田区南久が原１丁目13番６号株式会社日本計器製作所内 (72)発明者成瀬礼三東京都大田区南久が原１丁目13番６号株式会社日本計器製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁歪材からなる荷重受け部材に磁気発生
部材を付設して構成したことを特徴とする力センサ。
【請求項２】磁歪材からなる磁歪棒に導電線を巻装し
て構成したことを特徴とする力センサ。
【請求項３】磁歪材からなる磁歪棒に磁気発生部材を
介してヨークを取り付け、このヨークにギャップを形成
し、このギャップに磁気検出部材を配設して構成したこ
とを特徴とする力センサ。
【請求項４】磁歪材からなる荷重受け部材に磁気発生
部材を付設してなる力検出部と、この力検出部の検出信
号を電気信号または機械信号に変換する信号変換部と、
この信号変換部にて変換された信号を処理する信号処理
部によって構成したことを特徴とする力測定装置。
【請求項５】磁歪材からなる磁歪棒に導電線を巻装し
てなるソレノイドをはこ体内に収納してなる力検出部
と、この検出部の検出信号を電気信号に変換する信号変
換部と、この信号変換部の変換信号を処理して荷重の値
を算出する信号処理部と、この信号処理部により処理信
号を基に前記荷重の値を表示する表示部によって構成し
たことを特徴とする力測定装置。
【請求項６】磁歪材からなる荷重受け部材に永久磁石
を介してヨークを設けて磁路を形成し、この磁路に磁気
ギャップを形成すると共に、この磁気ギャップ内に磁気
検知部材を配設してなる力検出部と、この磁気検知部の
検出信号を電気信号または機械信号に変換する信号変換
部と、この信号変換部の変換信号を処理して前記荷重受
け部材に加わる荷重の値を算出する処理部によって構成
したことを特徴とする力測定装置。