JPH11223565A

JPH11223565A - 荷重センサ

Info

Publication number: JPH11223565A
Application number: JP33826298A
Authority: JP
Inventors: Ritaro Sano; 理太郎佐野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1997-12-01
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 1999-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】温度変化による検出信号の温度ドリフトが少
なく精度の高い歪み検出が行え、且つ構造が単純であ
り、しかも小型で安価な荷重センサを提供すること。【解決手段】荷重によって歪む円柱状の本体部３０
と、前記本体部３０の外周表面に溶射され、前記本体部
３０の歪みに応じて磁気特性が変化する帯状の磁歪材３
２と、前記磁歪材３２の外周に配され、前記磁歪材３２
の磁気特性の変化を電気的なインピーダンスの変化に変
換するコイル３４と、前記コイル３４に接続され、温度
変化に基づく前記インピーダンスの変化を補償する温度
補償回路３８と、前記本体部３０の歪みに基づく前記イ
ンピーダンスの変化を検出し、前記本体部３０の歪みを
測定する信号処理回路４０とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷重センサに係
り、特に外力が加わって歪みを生ずることにより磁気特
性が変化する磁性材を利用した荷重センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非晶質性磁歪材の透磁率の変化を
検出することによって歪みを検出する荷重センサが種々
開発されている。例えば、特開平５−１１８９３２号公
報や特開平６−１６７６９８号公報には温度依存性を有
する非晶質性磁歪材を用いた場合であっても温度変化に
殆ど依存せず（温度ドリフトがなく）に歪みを測定する
ことができる荷重センサが開示されている。

【０００３】図８は、従来の荷重センサの構成を示す断
面図である。図８において１０は直径が１０ｍｍである
円柱状のチタン製の本体、１１は直径１８ｍｍであり本
体１０の外周部に一体的に形成された荷重による変形部
分である。１２は荷重による歪みが生じないようにした
非変形部分であり、本体１０と幅１ｍｍの溝１３を介し
て設けることによって形成してある。１４は変形部分１
１及び非変形部分１２を覆うように熱硬化性のイミド系
接着剤で２５０℃、１時間で接着した厚さ０．０３ｍｍ
のＦｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｒ系非晶質磁性合金である。

【０００４】１５は１００回コイルを巻いて形成した荷
重検出コイル、１６は荷重検出コイル１５と同構成の差
動用コイルであり、これらのコイル１５、１６は変形部
分１１及び非変形部分１２の外周上に接着した非晶質磁
性合金１４の外側にフェノール樹脂性ボビン１７を介し
て配される。１８は４８％Ｎｉ−Ｆｅ合金製のヨークで
あり、ボビン１７の外周に装着される。１９は検出回路
である。

【０００５】上記構成において、まず、本体１０に上方
又は下方から荷重を印加すると、荷重の大きさに比例し
て変形部分１１が変動し、その表面に接着された非晶質
磁性合金１４の透磁率が変化する。この透磁率変化を荷
重検出コイル１５でインダクタンスの変化として検出す
る。この出力と、非変形部分１２の外周に設けた差動用
のコイル１６との差動出力を検出回路１９で取ることに
より温度変化による温度ドリフトが解消されて、ほぼ荷
重の変化のみが得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の荷重
センサは本体１０に非晶質磁性合金１４を接着固定して
いるが、本体１０の熱膨張係数と非晶質磁性合金１４の
熱膨張係数との間には差異があるため非晶質磁性合金１
４が歪み、非晶質磁性合金１４の透磁率が変化する。荷
重がかかっている場合、温度変化による歪みに起因する
透磁率の変化と荷重による歪みに起因する透磁率の変化
とが合成され、結果としてこの合成された透磁率の変化
がインダクタンスの変化として表れる。

【０００７】このため、荷重による歪みに起因する透磁
率によるインダクタンスの変化を検出するために、荷重
を受けない差動用コイル１６を設けて温度変化による透
磁率の変化に基づくインダクタンスの変化を検出し、荷
重検出コイル１５で検出されるインダクタンスの変化か
ら温度変化による透磁率の変化に基づくインダクタンス
の変化を差し引いて荷重による透磁率の変化分に基づく
正味のイングクタンスの変化分を検出するようにしてい
る。従って、従来は差動用コイル１６を設けることが必
須となり、本質的に構造が複雑になり、しかも小型化が
できないという問題があった。

【０００８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、温度変化による検出信号の温度ドリフトが少な
く精度の高い歪み検出が行え、且つ構造が単純であり、
しかも小型で安価な荷重センサを提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、荷
重によって歪む円柱状の本体部と、前記本体部の外周表
面に配され、前記本体部の歪みに応じて磁気特性が変化
する磁性材と、前記磁性材の外周に配され、前記磁性材
の磁気特性の変化を電気的なインピーダンスの変化に変
換する変換素子と、前記変換素子に接続され、温度変化
に基づく前記インピーダンスの変化を補償する温度補償
回路と、前記本体部の歪みに基づく前記インピーダンス
の変化を検出し、前記本体部の歪みを測定する測定手段
とを具備することを特徴とする。本発明の請求項２は、
前記磁性材が前記本体部の外周表面に溶射されているこ
とを特徴とする。本発明の請求項３は、断面がコの字状
であり、前記変換素子を覆うように前記磁性材の外周に
設けられ、前記磁性材を通る磁束を閉ループとする磁気
シールドを具備することを特徴とする。本発明の請求項
４は、前記磁性材が前記本体部の両端部から離間されて
前記本体部に溶射されていることを特徴とする。本発明
の請求項５は、前記変換素子が、前記磁性材の外周に捲
回されたコイルであることを特徴とする。本発明の請求
項６は、前記本体部が、円筒状または角柱状または角筒
状であることを特徴とする。本発明の請求項７は、前記
変換素子に交流供給源によって流される電流を検出する
第１の検出手段と、前記温度補償回路に交流供給源によ
って流される電流を検出する第２の検出手段と、前記第
１の検出手段の検出結果と前記第２の検出手段の検出結
果との差に基づいて、前記本体部の歪みを測定する差動
手段とを具備することを特徴とする。本発明の請求項８
は、前記第１の検出手段が、前記変換素子に直列に接続
された抵抗によって変換された交流電圧を直流電圧に整
流する整流回路を有することを特徴とする。本発明の請
求項９は、前記第２の検出手段が、前記温度補償回路に
直列に接続された抵抗によって変換された交流電圧を直
流電圧に整流する整流回路を有することを特徴とする。
本発明の請求項１０は、直列に接続された前記変換素子
および前記温度補償回路に交流供給源によって流される
電流を検出する第１の検出手段と、零点調整用抵抗に交
流供給源によって流される電流を検出する第２の検出手
段と、前記第１の検出手段の検出結果と前記第２の検出
手段の検出結果との差に基づいて、前記本体部の歪みを
測定する差動手段とを具備することを特徴とする。本発
明の請求項１１は、前記請求項１０記載の第１の検出手
段が、前記変換素子および前記温度補償回路に直列に接
続された抵抗によって変換された交流電圧を直流電圧に
整流する整流回路を有することを特徴とする。本発明の
請求項１２は、前記請求項１０記載の第２の検出手段
が、前記零点調整用抵抗に直列に接続された抵抗によっ
て変換された交流電圧を直流電圧に整流する整流回路を
有することを特徴とする。本発明の請求項１３は、前記
変換素子、前記温度補償回路および抵抗を２組備え、前
記第１の変換素子、温度補償回路および抵抗に交流供給
源によって流される電流を検出する第１の検出手段と、
前記第２の変換素子、温度補償回路および抵抗に交流供
給源によって流される電流を検出する第２の検出手段
と、前記第１の検出手段の検出結果と前記第２の検出手
段の検出結果との差に基づいて、前記本体部の歪みを測
定する差動手段とを具備することを特徴とする。本発明
の請求項１４は、前記請求項１３記載の第１の検出手段
が、前記第１の抵抗にかかる交流電圧を直流電圧に整流
する整流回路を有することを特徴とする。本発明の請求
項１５は、前記請求項１３記載の第２の検出手段が、前
記第２の変換素子および温度補償回路にかかる交流電圧
を直流電圧に整流する整流回路を有することを特徴とす
る。本発明の請求項１６は、前記請求項１、７、１０ま
たは１３記載の温度補償回路が、温度変化によって抵抗
値が変化する素子と、該素子に並列接続され、該素子の
温度変化に対する特性を線形に補償する抵抗と、該素子
及び該抵抗に直列に接続され、温度補償回路全体の抵抗
値を調整する抵抗とからなることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施例について説明する。図１は本発明の一実施形態に
よる荷重センサの構成を示す断面図である。図１におい
て、３０は直径が、例えば２０ｍｍである、円柱状の金
型用鋼ＨＰＭ７５からなる本体部である。この本体部３
０は、図中符号Ｐ１，Ｐ２が付された矢印の方向から加
わる荷重によって歪みを生じる。なお、本体部３０の材
料は、ＳＮＣＭ材、ＳＫＤ材、Ｓ４５Ｃ等の鉄鋼材料で
も良い。

【００１１】３２は、本体部３０の外周上に形成された
円筒状の磁歪材であり、例えばＦｅ：Ｎｉ：Ｍｏ：Ｂの
合金からなり、中心軸方向の長さが本体部３０の軸方向
の長さよりも短く形成されている。この磁歪材３２は本
体部３０の上端３０ａ及び下端３０ｂから離間され、本
体部３０の外周に溶射されて一体形成されている。磁歪
材３２は本体部３０の歪みを検出するためのものであ
り、本体部３０の歪みに応じてその磁気特性（インダク
タンスと損失抵抗）が変化する。

【００１２】磁歪材３２を上端３０ａ、下端３０ｂから
離間して設けるのは、荷重センサ設置の際に本体部３０
に磁性体を取り付ける場合又は磁性体が近傍に設けられ
る場合があり、この取り付けられた磁性体又は近傍に設
けられた磁性体により漏れ磁束が発生することにより歪
み測定に誤差が生じるのを防止するためである。また、
接着剤を用いずに磁歪材３２を本体部３０に溶射するの
は、本体部３０の歪みを磁歪材３２で測定する際に、熱
膨張係数が一桁大きい接着剤の影響を受けないように
し、温度変化のみに起因する磁歪材３２の磁気特性の変
化に基づく測定誤差をなるべく減少させるためである。

【００１３】３９は、熱膨張係数が２×１０^-5程度のシ
ンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）のボビンであ
り、その内周は本体部３０にも磁歪材３２にも接触して
いない。３４はボビン３９に例えば１００回マグネット
ワイヤを巻いて形成したコイルであり、本体部３０の歪
みによる磁歪材３２の磁気特性の変化を自己のインピー
ダンス（インダクタンスと損失抵抗）の変化に変換する
ためのものである。つまり、磁気的な変化量を電気的な
変化量に変換するためのものである。このコイル３４に
は後述するように交流の電流が流される。

【００１４】３６は断面がコ字状であり、コイル３４の
周囲を覆うように本体部３０に設けられた磁気シールド
である。この磁気シールド３６は例えば軟鉄からなり、
コイル３４に電流を流した際に生じる磁束が、磁歪材３
２及び磁気シールド３６を通って閉ループとなるように
するためのものである。また、外部からコイル３４や磁
歪材３２に混入する磁気ノイズを遮断するためのもので
ある。

【００１５】３８は磁気シールド３６の内部であって、
コイル３４の近傍に配された温度補償回路である。前述
したように、本体部３０の熱膨張係数と磁歪材３２の熱
膨張係数とは異なっており、磁歪材３２を本体部３０に
溶着することによって温度変化による磁歪材３２の磁気
特性の変化を抑えるようにしているが、温度変化による
磁気特性の変化が完全にゼロとなるわけではなく依然と
して温度ドリフトが生ずる。温度補償回路３８はこの温
度ドリフトを極めて少なくするためのものである。温度
補償回路３８はコイル３４に直列に接続されている。

【００１６】４０は信号処理回路であり、図示は省略し
ているが内部に交流電圧源を備え、ケーブル４０ａによ
って温度補償回路３８と接続され、ケーブル４０ｂによ
ってコイル３４と接続されている。この信号処理回路４
０は、温度補償回路３８及びコイル３４に交流電圧を供
給するとともに、回路を流れる電流の変化を電圧に変換
し、変換後の電圧値の変化に基づいて本体部３０の歪み
を検出する。なお、図１においては、ボビン３９にコイ
ル３４を巻いた形態で説明したが、これに限らず、ボビ
ン３９を設けることなく、磁歪材３２のまわりに絶縁テ
ープを介してコイル３４を巻いた構成でも良いことはい
うまでもない。

【００１７】次に、本発明の一実施形態による荷重セン
サの電気的構成について説明する。図２は本発明の一実
施形態による荷重センサの電気的構成を示す回路図であ
り、図１中に示された部材に対応する部材には同一の符
号が付されている。図２において、５０は図１中の磁歪
材３２、コイル３４、及び温度補償回路３８の電気的に
等価な回路を示す。つまり、磁歪材３２及びコイル３４
は図２中において可変なインピーダンス５２として表さ
れ、温度補償回路３８はＮＴＣサーミスタ（Negative T
emperature Coefficient サーミスタ）５８と、温度変
化による抵抗値変化が小さく、ＮＴＣサーミスタ５８に
並列接続された抵抗５６と、ＮＴＣサーミスタ５８及び
抵抗５６による並列抵抗に直列接続された絶対値調整用
の抵抗５４とからなる。

【００１８】上記ＮＴＣサーミスタ５８は、温度上昇に
従ってその抵抗値が減少する負特性を有するサーミスタ
であり、その変化特性は温度上昇に正比例して抵抗値が
減少する訳ではなく、温度上昇に従って非線型的に抵抗
値が減少する特性を有する。このＮＴＣサーミスタ５８
はインピーダンス５２の温度変化による変化を補償する
ためのものであり、インピーダンス５２は温度上昇に伴
ってその値が上昇する特性を有するため、インピーダン
ス５２の温度変化分を補償するため負特性を有するＮＴ
Ｃサーミスタ５８が用いられる。

【００１９】ＮＴＣサーミスタ５８に並列接続された抵
抗５６は、ＮＴＣサーミスタ５８の非線型特性が線形特
性となるように補償するためのものである。つまり、Ｎ
ＴＣサーミスタ５８と抵抗５６とによる並列回路を１つ
のサーミスタとして見た場合に、このサーミスタの特性
は線形の特性を有する。温度変化によりインピーダンス
の直流抵抗分のみが変化する場合、例えば、図１中のコ
イル３４の抵抗成分の温度係数が０．４％／℃である場
合には、ＮＴＣサーミスタ５８と抵抗５６との並列回路
は温度係数を−０．４％／℃と設定するのが最良であ
る。絶対値調整用の抵抗５４は温度補償回路３８全体の
抵抗値を調整するためのものである。

【００２０】図２において、信号処理回路４０は、交流
電圧源４２、抵抗４４、整流回路４６、及び零点オフセ
ット調整回路４８を含む。上記交流電圧源４２は正弦波
の交流電圧を出力するものであり、一端がケーブル４０
ｂを介してインピーダンス５２に接続され、他端が抵抗
４４及びケーブル４０ａを介して温度補償回路３８に接
続されている。以上、交流電圧源４２、ケーブル４０
ｂ、回路５０、及び抵抗４４によって１つの閉回路が形
成される。

【００２１】上記抵抗４４は閉回路を流れる電流を電圧
に変換するものであり、その両端は整流回路４６に接続
されている。整流回路４６は抵抗４４によって変換され
た交流の電圧を整流及び平滑して直流電圧に変換するた
めのものである。この整流回路４６には零点オフセット
調整回路４８が接続されている。零点オフセット調整回
路４８は整流回路４６から出力される直流電圧にオフセ
ット電圧を加えたりオフセット電圧を差し引いて端子４
８ａへ出力する。図示は省略しているが、端子４８ａに
は端子４８ａの電圧値に基づいて本体部３０の歪みを演
算する信号処理部が接続される。この信号処理部は例え
ば端子４８ａから出力される電圧値が０［Ｖ］である場
合に、本体部５２の歪みは零であるという演算を行うた
め、上記零点オフセット調整回路４８が必要となる。

【００２２】上記構成において、交流電圧源４２から交
流電圧が出力されると、交流電流が閉回路に流れる。閉
回路を流れる電流は抵抗４４で交流の電圧に変換され、
整流回路４６において整流及び平滑が行われて直流電圧
に変換され、零点オフセット調整回路４８においてオフ
セット電圧が加えられたりオフセット電圧が差し引かれ
て図１中の本体部３０の歪みに応じた電圧値が端子４８
ａにあらわれる。

【００２３】次に、図２中に示された抵抗５４、抵抗５
６、及びＮＴＣサーミスタ５８の値の設定及び本発明の
一実施形態による荷重センサが周囲の温度に関わりなく
本体部３０にかかる荷重による歪みのみを測定すること
ができる原理について説明する。整流回路４６から出力
される直流電圧の値Ｖ_Bは（１）式で表される。

【数１】但し、Ｅ₀は交流電圧源４２から出力される交流電圧の
振幅、Ｚはインピーダンス５２の値、Ｒ_vは温度補償回
路３８の抵抗値、Ｒ_sは抵抗４４の値である。

【００２４】ここで、インピーダンス５２の値Ｚを
（２）式で表す。

【数２】ここで、Ｚ₁：常温（例えば２５℃）で本体部１に荷重がかかっ
ていない場合のインピーダンス５２の実数部Ｚ₂：常温（例えば２５℃）で本体部１に荷重がかかっ
ていない場合のインピーダンス５２の虚数部ｍ₁：荷重によるインピーダンス５２の実数部の変化率ｍ₂：荷重によるインピーダンス５２の虚数部の変化率 α₁：インピーダンス５２の実数部の温度係数 α₂：インピーダンス５２の虚数部の温度係数Ｔ：温度補償回路３８周囲の温度Ｔ₀：常温（例えば２５℃）Ｆ：本体部３０にかかる荷重ｉ：虚数単位（つまり、ｉ²＝−１）

【００２５】また、温度補償回路３８の抵抗値Ｒ_vを温
度変化を考慮に入れて（３）式に表す。

【数３】但し、Ｒ_v0は常温（例えば２５℃）における温度補償回
路３８の抵抗値であり、α_vは温度補償回路３８の温度
係数である。

【００２６】（２）、（３）式を（１）式に代入すると
（４）式となる。

【数４】

【００２７】ここで、

【数５】

【数６】とおく。

【００２８】

【数７】であるので、Ｘ₁，Ｘ₂はそれぞれ（７）式及び（８）式
に示されたように近似できる。

【数８】

【数９】

【００２９】よって、Ｘ₁＋Ｘ₂、つまり（４）式の分母
の平方根の中身は（９）式となる。

【数１０】従って、

【数１１】となる。ここで、

【数１２】であるので、テーラ−展開を（１０）式に用いて２次以
降を無視すると、

【数１３】となる。

【００３０】次に、整流回路４６から出力される直流電
圧の値Ｖ_Bが温度変化、つまり式中に表れる項（Ｔ−
Ｔ₀）に影響されない条件を求める。（１１）式から解
るように、

【数１４】である場合、項（Ｔ−Ｔ₀）が含まれる項が零となるの
で直流電圧の値Ｖ_Bが温度変化に影響を受けないことに
なる。即ち、温度補償回路３８の温度係数α_vが、

【数１５】である場合に、直流電圧の値Ｖ_Bが温度変化に影響を受
けなくなる。

【００３１】上記の式中においては温度補償回路３８の
抵抗値をＲ_vとして一括していたが、図２中に示される
ように、温度補償回路３８をなす抵抗５４、抵抗５６、
及びＮＴＣサーミスタ５８を考慮した場合であっても、
抵抗５４及び抵抗５６には温度変化による抵抗変化が小
さい抵抗を用い、抵抗５４、抵抗５６、及びＮＴＣサー
ミスタ５８を合成した温度変化特性が（１３）式を満足
するように各々を選択すれば、温度変化に影響されず本
体部３０に加わる荷重のみによる歪みを測定することが
できる。

【００３２】また、上記（１３）式を満足する場合、
（１１）式は、

【数１６】となる。この場合、図２中の端子４８ａから出力される
電圧値ｖは、零点オフセット調整回路４８によって、
（１４）式中の項

【数１７】を減算することによって、

【数１８】となり、本体部３０に加わる荷重に比例した電圧を得る
ことができる。

【００３３】図９に温度補償回路がないときの荷重に対
する出力電圧の測定値を示す。また、図１０に温度補償
回路があるときの荷重に対する出力電圧の測定値を示
す。各パラメータは次の通りである。Ｚ₁＝１００［Ω］Ｚ₂＝１０００［Ω］ｍ₁＝０．００００４［Ω／Ｎ］ｍ₂＝０．００００４［Ω／Ｎ］ α₁＝０．００４［１／Ｋ］ α₂＝０．００４［１／Ｋ］Ｒ_s＝５００［Ω］Ｅ₀＝１０［Ｖ］Ｒ_v0≒５００［Ω］ α_v≒０．００８０７３（図２で、抵抗５４は無し、抵抗５６は９１０［Ω］、
ＮＴＣサーミスタ５８は、２５℃の抵抗値が１［ｋΩ］
で、−２０から１００℃での平均のＢ定数が３３３８Ｋ
のものを使用）図９に示すように、温度補償回路がないと、温度によっ
て出力電圧に差が出てしまうが、図１０に示すように、
温度補償回路があると、温度による出力電圧のバラツキ
が抑えられる。すなわち、図９においては、０〜２５０
００（Ｎ）での出力電圧差は３（Ｖ）、温度によるバラ
ツキは１（Ｖ）程度あり、０〜２５０００（Ｎ）での出
力電圧差に対する温度によるバラツキの比は、１／３と
なるのに対して、図１０においては、０〜２５０００
（Ｎ）での出力電圧差は１．７（Ｖ）、温度によるバラ
ツキは０．０２（Ｖ）程度であり、０〜２５０００
（Ｎ）での出力電圧差に対する温度によるバラツキの比
は、１／１００となる。したがって、温度補償回路を付
加することにより、温度ドリフト率は０．１３％ＦＳ／
１０℃に改善された。

【００３４】なお、上記実施形態においては本体部３０
は円柱状の形態であったが、中央部の外径を小さくして
応力が集中しやすい形状にしてもよい。また、温度補償
回路３８は磁気シールド３６の内部であってコイル３４
の近傍に配されていたが、本体部３０や磁歪材３２に設
けられていても良く、磁気シールド３６の外部に設けら
れていても良い。さらに、磁歪材３２は、本体部３０の
外周に溶射されて一体形成されているが、本体部３０の
外周に接着されていても良い。

【００３５】次に、図１および図３、図４を参照して本
発明の他の実施形態について説明する。

【００３６】図３において、２０は図１中の磁歪材３２
及びコイル３４の電気的に等価な回路であり、一般的な
インピーダンスで表している。また、図３中の２２は図
１中に示された温度補償回路の電気的に等価な回路であ
り、温度変化によって可変な可変抵抗で表している。温
度が上昇するとインピーダンス２０が増加する。本実施
形態では、後述するように、インピーダンス２０及び温
度補償回路２２はブリッジ回路の一部をなしているた
め、温度上昇分によるインピーダンス２０の増加分を補
償するために温度補償回路２２は温度上昇に従って抵抗
分が増加する性質の素子を用いている。この素子には例
えばＰＴＣサーミスタ（Positive Temperature Coeffic
ient サーミスタ）が用いられる。

【００３７】上記ＰＴＣサーミスタは、温度上昇に従っ
てその抵抗値が増加する正特性を有するサーミスタであ
るが、その変化特性は温度上昇に正比例して抵抗値が増
加するする訳ではなく、温度上昇に従って非線形的に抵
抗値が増加する特性を有する。このＰＴＣサーミスタは
インピーダンス２０の温度変化による変化を補償するた
めのものであり、上記のようにインピーダンス２０は温
度上昇に伴ってその値が上昇する特性を有し、ブリッジ
回路が構成されているため、インピーダンス２０の温度
変化分を補償するために正特性を有するＰＴＣサーミス
タが用いられている。

【００３８】図４は温度補償回路２２の回路構成を示す
図である。図４において、８２はＰＴＣサーミスタであ
り、ＰＴＣサーミスタ８２に並列接続された抵抗８０
は、ＰＴＣサーミスタ８２の非線形特性が線形特性とな
るように補償するためのものである。つまり。ＰＴＣサ
ーミスタ８２と抵抗８０とによる並列回路を１つのサー
ミスタとして見た場合に、このサーミスタの特性は線形
の特性を有する。例えば、インピーダンス２０の抵抗成
分の温度係数が０．４％／℃である場合には、ＰＴＣサ
ーミスタ８２と抵抗８０との並列回路も温度係数が０．
４％／℃となるように設定するのが最良である。８４は
絶対値調整用の抵抗であり、温度補償回路２２全体の抵
抗値を調整するためのものである。

【００３９】図３において、信号処理回路６０は、交流
電圧源６２、抵抗６４，６６、整流回路６８，７０、及
び差動回路７２を含む。上記温度補償回路２２、インピ
ーダンス２０、抵抗６６、及び抵抗６４はブリッジ回路
をなしている。

【００４０】上記交流電圧源６２は正弦波の交流電圧を
出力するものであり、一端がケーブル６０ｃを介してブ
リッジ回路をなすインピーダンス２０と温度補償回路２
２との接続点に接続され、他端が接地されている。ま
た、上記ブリッジ回路における抵抗６４と抵抗６６との
接続点は接地されている。抵抗６４は温度補償回路２２
を流れる電流を電圧に変換するためのものであり、抵抗
６６はインピーダンス２０を流れる電流を電圧に変換す
るためのものである。従って、抵抗６４と抵抗６６とは
同一の抵抗値を有するのが好ましい。そして、抵抗６４
はケーブル６０ａを介して温度補償回路２２に接続さ
れ、かつ抵抗６６はケーブル６０ｂを介してインピーダ
ンス２０に接続されている。

【００４１】また、ブリッジ回路をなすインピーダンス
２０と抵抗６６との接続点は整流回路６８に接続され、
温度補償回路２２と抵抗６４との接続点は整流回路７０
にそれぞれ接続されている。整流回路６８，７０は入力
される交流電圧を整流して平滑して直流の電圧に変換す
るものである。整流回路６８及び整流回路７０の出力は
それぞれ差動回路７２に接続されている。差動回路７２
は入力される電圧の差を増幅して端子７２ａに出力する
ものである。

【００４２】また、図示は省略しているが、端子７２ａ
には端子７２ａの電圧値に基づいて本体部３０の歪みを
演算する信号処理部が接続される。この信号処理部は例
えば端子７２ａから出力される電圧値が０［Ｖ］である
場合に、本体部３０の歪みは零であるという演算を行う
ものである。信号処理部は予め零点が設定されており、
この信号処理部の零点に合わせるために、差動回路７２
に零点オフセット調整を行うための回路を設け、整流回
路７０から出力される直流電圧にオフセット電圧を加え
たりオフセット電圧を差し引いて、オフセット電圧が畳
重された電圧値と整流回路６８から出力される電圧値と
の差を増幅するようにしてもよい。

【００４３】上記構成において、交流電圧源６２から交
流電圧が出力されると、交流電流がブリッジ回路に流れ
る。ブリッジ回路を流れる電流の内、温度補償回路２２
を流れる電流は抵抗６４で交流の電圧に変換され、イン
ピーダンス２０を流れる電流は抵抗６６で交流の電圧に
変換される。抵抗６４及び抵抗６６で変換された電圧は
整流回路７０，６８へ各々入力される。整流回路７０，
６８では入力される電圧の整流及び平滑が行われて直流
電圧に変換され、差動増幅回路７２へ出力される。差動
増幅回路７２においては、入力された各々の直流電圧の
差が増幅されて端子７２ａへ出力される。

【００４４】図１中の本体に荷重が加わった場合には、
インピーダンス２０の値が加えられた荷重に応じて減少
する。インピーダンス２０の値が減少すると、インピー
ダンス２０を流れる電流が増加するために抵抗６６によ
って変換される電圧値が上昇する。一方、温度補償回路
２２に流れる電流は変化しないため、整流回路６８，７
０を介して差動増幅回路７２へ入力される電圧値の差
は、荷重が加えられない場合に比べ増加する。端子７２
ａにはこの増加分に応じた電圧値が出力される。端子７
２ａに接続された信号処理部は端子７２ａの電圧値の増
加分に応じて本体部３０の歪みを演算する。

【００４５】また、温度が上昇して、インピーダンス２
０の値が増加した場合は、インピーダンス２０に流れる
電流値が減少する。温度が上昇すると温度補償回路２２
の抵抗値も増加する。インピーダンス２０と温度補償回
路２２の温度係数が同一に設定されている場合には、温
度上昇に伴って減少する電流値も同一となる、従って、
差動回路７２に入力される電圧値の差が変化しないた
め、温度ドリフトが少なくなる。

【００４６】次に、図４中に示された抵抗８０、抵抗８
４、及びＰＴＣサーミスタ８２の値の設定及び本実施形
態による荷重センサが周囲の温度に関わりなく本体部３
０にかかる荷重による歪みのみを測定することができる
原理について説明する。整流回路６８から出力される直
流電圧の値Ｖ_Aは（１６）式で表される。

【数１９】但し、Ｅ₀は交流電圧源６２から出力される交流電圧の
振幅、Ｚはインピーダンス２０の値、Ｒ_sは抵抗６６の
値である。

【００４７】ここで、インピーダンス２０の値Ｚを（１
７）式で表す。

【数２０】ここで、Ｚ₁：常温（例えば２５℃）で本体部３０に荷重がかか
っていない場合のインピーダンス２０の実数部Ｚ₂：常温（例えば２５℃）で本体部３０に荷重がかか
っていない場合のインピーダンス２０の虚数部ｍ₁：荷重によるインピーダンス２０の実数部の変化率ｍ₂：荷重によるインピーダンス２０の虚数部の変化率 α₁：インピーダンス２０の実数部の温度係数 α₂：インピーダンス２０の虚数部の温度係数Ｔ：温度補償回路２２周囲の温度Ｔ₀：常温（例えば２５℃）Ｆ：本体部３０にかかる荷重ｉ：虚数単位（つまり、ｉ²＝−１）

【００４８】（１７）式を（１６）式に代入すると（１
８）式となる。

【数２１】ここで、

【数２２】

【数２３】とおく。

【００４９】

【数２４】であるので、Ｘ₁，Ｘ₂はそれぞれ（２１）式及び（２
２）式に示されたように近似できる。

【数２５】

【数２６】

【００５０】よって、Ｘ₁＋Ｘ₂、つまり（１８）式の分
母の平方根の中身は（２３）式となる。

【数２７】従って、

【数２８】となる。ここで、

【数２９】であるので、テーラー展開を（２４）式に用いて２次以
降を無視すると、

【数３０】となる。

【００５１】次に、整流回路７０から出力される直流電
圧について説明する。温度補償回路２２の抵抗値をＲ_v
とし、温度変化を考慮に入れて（２６）式に表す。

【数３１】但し、Ｒ_v0は常温（例えば２５℃）における温度補償回
路２２の抵抗値であり、α_vは温度補償回路２２の温度
係数である。

【００５２】また、抵抗６４の抵抗値をＲ_Dとすると、
整流回路７０から出力される直流電圧Ｖ_Bは（２７）式
に表される。

【数３２】ここで、

【数３３】であるので、テーラー展開を（２７）式に用いて２次以
降を無視すると、

【数３４】となる。

【００５３】次に、整流回路６８から出力される直流電
圧Ｖ_Aと整流回路７０から出力される直流電圧Ｖ_Bとの差
Ｖ＝Ｖ_A−Ｖ_Bが温度変化の影響を受けないためには、式
中に表れる項（Ｔ−Ｔ₀）が含まれる項が零となれば良
い。従って、項（Ｔ−Ｔ₀）が含まれる項が零となるた
めの条件は（２５）式及び（２８）式から、

【数３５】である。

【００５４】（２９）式〜（３１）式を用いてＲ_D、Ｒ
_v0、及びα_v各々について解くと、

【数３６】となり、Ｒ_D、Ｒ_v0、及びα_vは一意に求まる。上記の式
中においては温度補償回路２２の抵抗値をＲ_vとして一
括していたが、図４中に示されるように、温度補償回路
２２をなす抵抗８０、抵抗８４、及びＰＴＣサーミスタ
８２を考慮した場合であっても、抵抗８０及び抵抗８４
には温度変化による抵抗変化が小さい抵抗を用い、抵抗
８０、抵抗８４、及びＰＴＣサーミスタ８２を合成した
温度変化特性が（３２）式から（３４）式を満足するよ
うに各々を選択すれば、温度変化に影響されず本体部３
０に加わる荷重のみによる歪みを測定することができ
る。

【００５５】また、上記（３２）式〜（３４）式を満足
する場合、整流回路６８から出力される直流電圧Ｖ_Aと
整流回路７０から出力される直流電圧Ｖ_Bとの差Ｖ＝Ｖ_A
−Ｖ_Bは、

【数３７】となり、温度変化Ｔ−Ｔ₀の影響を受けずに本体部３０
に加わる荷重に比例した電圧を得ることができる。

【００５６】図１１に温度補償回路があるときの荷重に
対する出力電圧の測定値を示す。各パラメータは次の通
りである。Ｚ₁＝１００［Ω］Ｚ₂＝１０００［Ω］ｍ₁＝ｍ₂＝０．００００４［Ω／Ｎ］ α₁＝α₂＝０．００４［１／Ｋ］Ｅ₀＝１０［Ｖ］Ｒ_s＝Ｒ_D＝１０００［Ω］Ｒ_v0＝４８７［Ω］ α_v＝０．００６１また、図４において、抵抗８０は２７０［Ω］、抵抗８
４は３９０［Ω］、ＰＴＣサーミスタ８２は、温度特性
がＴ特性で２５℃での抵抗値が１［ｋΩ］のものを６本
並列にしたものを使用している。温度補償回路がない図
９に対して、図１１に示すように、温度補償回路がある
と、温度による出力電圧のバラツキが抑えられる。すな
わち、図９においては、０〜２５０００（Ｎ）での出力
電圧差は３（Ｖ）、温度によるバラツキは１（Ｖ）程度
あり、０〜２５０００（Ｎ）での出力電圧差に対する温
度によるバラツキの比は、１／３となるのに対して、図
１１においては、０〜２５０００（Ｎ）での出力電圧差
は３．６（Ｖ）、温度によるバラツキは０．０５（Ｖ）
程度であり、０〜２５０００（Ｎ）での出力電圧差に対
する温度によるバラツキの比は、１／７０となる。した
がって、温度補償回路を付加することにより、温度ドリ
フト率は０．１７％ＦＳ／１０℃に改善された。

【００５７】なお、上記各実施形態において、図２に示
す温度補償回路３８あるいは図３および図４に示す温度
補償回路２２の代わりに、図５に示す温度補償回路を用
いても良い。この温度補償回路においては、サーミスタ
Ｒｔと線形補償用の抵抗Ｒ２〜Ｒ７とを組み合わせたも
のを複数並列接続した線形補償部と、この線形補償部に
直列に接続した絶対値補償用の抵抗Ｒ１とから構成され
ている。そして、このように構成することにより、さら
に直線性の良い温度補償回路とすることができる。ま
た、温度上昇に従って抵抗分が増加する性質の素子は、
ＰＴＣサーミスタでなくても良く、白金測温抵抗体であ
っても良い。

【００５８】また、上記各実施形態の代わりに、図６に
示す電気回路を用いても良い。この回路は、コイル３４
のインピーダンス９１、温度補償回路９３および検出抵
抗９４の両端に交流電圧源９０が接続され、検出抵抗９
４の両端に整流回路９２が接続される一方、オフセット
分を差し引くための零点調整用抵抗９５、９７に交流電
圧源９０が接続され、零点調整用抵抗９７の両端に整流
回路９６が接続されるとともに、両整流回路９２、９６
の出力が差動増幅回路９８に入力されるようになってい
るものである。このように構成された回路を用いた荷重
センサにあっては、上記各実施形態と同様の効果、すな
わち、温度変化による検出信号の温度ドリフトが少な
く、精度の高い歪み検出を行うことができる。

【００５９】さらに、図７に示すように、コイル３４の
インピーダンス１００、１００′、温度補償回路１０
２、１０２′および検出抵抗１０４、１０４′の両端に
交流電圧源１０６が接続され、検出抵抗１０４の両端に
整流回路１０８が接続されるとともに、コイル３４のイ
ンピーダンス１００′および温度補償回路１０２′の両
端に整流回路１０９が接続され、これらの整流回路１０
８、１０９の出力を差動増幅回路１１０に入力するよう
に構成しても良い。この場合、一対のコイル３４は磁歪
材３２（図１参照）に同時に巻くようにする。このよう
に構成することにより、各整流回路１０８、１０９の出
力を重ね合わせることができるから、上記各実施形態に
比べて出力を２倍にすることができる。さらにまた、こ
れらの実施形態に示した温度補償方式は、荷重センサ以
外のコイルを使用するセンサにも適用が可能で、例え
ば、電流センサ、磁気トルクセンサ、フラックスゲート
磁気センサなどの温度補償にも有効である。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
荷重によって歪む円柱状の本体部と、前記本体部の外周
表面に配され、前記本体部の歪みに応じて磁気特性が変
化する磁性材と、前記磁性材の外周に配され、前記磁性
材の磁気特性の変化を電気的なインピーダンスの変化に
変換する変換素子と、前記変換素子に接続され、温度変
化に基づく前記インピーダンスの変化を補償する温度補
償回路と、前記本体部の歪みに基づく前記インピーダン
スの変化を検出し、前記本体部の歪みを測定する測定手
段とを設けたので、温度変化による検出信号の温度ドリ
フトを少なくすることができ、精度の高い検出を行える
という効果がある。また、前記磁性材は前記本体部の外
周表面に溶射されているので、接着剤を用いずに磁性材
を本体部に設けることができ、本体部の歪みを磁性材で
測定する際に、熱膨張係数が一桁大きい接着剤の影響を
受けないようにできて、温度変化のみに起因する磁性材
の磁気特性の変化に基づく測定誤差をなるべく減少させ
ることができる。また、断面がコの字状であり、前記検
出素子を覆うように前記磁性材の外周に設けられ、前記
磁性材を通る磁束を閉ループとする磁気シールドを設
け、また、前記磁性材は前記本体部の両端部から離間さ
れて前記本体部に溶射されているので、外部磁場に影響
されることがなく、検出精度を更に向上させることがで
きるという効果がある。また、前記変換素子は、前記磁
性材の外周に捲回されたコイルであるので、構造が単純
であり、しかも小型で安価な荷重センサが実現できると
いう効果がある。また、本発明の請求項７は、前記変換
素子に交流供給源によって流される電流を検出する第１
の検出手段と、前記温度補償回路に交流供給源によって
流される電流を検出する第２の検出手段と、前記第１の
検出手段の検出結果と前記第２の検出手段の検出結果と
の差に基づいて、前記本体部の歪みを測定する差動手段
とを備えたので、精度の高い歪み検出を行うことができ
るという効果がある。また、前記第１の検出手段は、前
記変換素子に直列に接続された抵抗によって変換された
交流電圧を直流電圧に整流する整流回路を有し、また前
記第２の検出手段は、前記温度補償回路に直列に接続さ
れた抵抗によって変換された交流電圧を直流電圧に整流
する整流回路を有しているので、小型で安価であること
を必要とされる荷重センサに用いるには極めて好適であ
るという効果がある。また、本発明の請求項１０は、直
列に接続された前記変換素子および前記温度補償回路に
交流供給源によって流される電流を検出する第１の検出
手段と、零点調整用抵抗に交流供給源によって流される
電流を検出する第２の検出手段と、前記第１の検出手段
の検出結果と前記第２の検出手段の検出結果との差に基
づいて、前記本体部の歪みを測定する差動手段とを備え
たので、高精度の歪み検出を行うことができる。また、
前記請求項１０記載の第１の検出手段は、前記変換素子
および前記温度補償回路に直列に接続された抵抗によっ
て変換された交流電圧を直流電圧に整流する整流回路を
有し、また前記請求項１０記載の第２の検出手段は、前
記零点調整用抵抗に直列に接続された抵抗によって変換
された交流電圧を直流電圧に整流する整流回路を有して
いるので、小型で安価であることを必要とされる荷重セ
ンサに用いるには極めて好適である。また、本発明の請
求項１３は、前記変換素子、前記温度補償回路および抵
抗を２組備え、前記第１の変換素子、温度補償回路およ
び抵抗に交流供給源によって流される電流を検出する第
１の検出手段と、前記第２の変換素子、温度補償回路お
よび抵抗に交流供給源によって流される電流を検出する
第２の検出手段と、前記第１の検出手段の検出結果と前
記第２の検出手段の検出結果との差に基づいて、前記本
体部の歪みを測定する差動手段とを備えているので、精
度の高い歪み検出を行うことができるとともに、出力を
倍増できる。また、前記請求項１３記載の第１の検出手
段は、前記第１の抵抗にかかる交流電圧を直流電圧に整
流する整流回路を有し、また前記請求項１３記載の第２
の検出手段は、前記第２の変換素子および温度補償回路
にかかる交流電圧を直流電圧に整流する整流回路を有し
ているので、小型で安価であることを必要とされる荷重
センサに用いるには極めて好適である。また、前記請求
項１、７、１０または１３記載の温度補償回路は、温度
変化によって抵抗値が変化する素子と、該素子に並列接
続され、該素子の温度変化に対する特性を線形に補償す
る抵抗と、該素子及び該抵抗に直列に接続され、温度補
償回路全体の抵抗値を調整する抵抗とからなるので、構
造が単純であり、しかも小型で安価であることを必要と
される荷重センサの温度補償回路として用いるには極め
て好適であるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による荷重センサの構成
を示す断面図である。

【図２】同実施形態による荷重センサの電気的構成を
示す回路図である。

【図３】本発明の他の実施形態による荷重センサの電
気的構成を示す回路図である。

【図４】温度補償回路の回路構成を示す図である。

【図５】温度補償回路の他の回路構成を示す図であ
る。

【図６】本発明の別の実施形態による荷重センサの電
気的構成を示す回路図である。

【図７】本発明のさらに別の実施形態による荷重セン
サの電気的構成を示す回路図である。

【図８】従来の荷重センサの構成を示す断面図であ
る。

【図９】温度補償回路がないときの荷重センサの出力
電圧を表す特性図である。

【図１０】図１および図２に示す実施形態において温
度補償回路を付加したときの荷重センサの出力電圧を表
す特性図である。

【図１１】図１および図３、図４に示す実施形態にお
いて温度補償回路を付加したときの荷重センサの出力電
圧を表す特性図である。

【符号の説明】

２０インピーダンス２２温度補償回路３０本体部３２磁歪材（磁性材）３４コイル（変換素子）３６磁気シールド３８温度補償回路３９ボビン４０信号処理回路（測定手段）５４抵抗５６抵抗５８ＮＴＣサーミスタ６０信号処理回路６２交流電圧源（供給源）６４抵抗６６抵抗６８整流回路７０整流回路７２差動回路（差動手段）８０抵抗８２ＰＴＣサーミスタ８４抵抗９０交流電圧源９１インピーダンス９２整流回路９３温度補償回路９４検出抵抗９５零点調整用抵抗９６整流回路９７零点調整用抵抗９８差動増幅回路１００、１００′ インピーダンス１０２、１０２′ 温度補償回路１０４、１０４′ 検出抵抗１０６交流電圧源１０８整流回路１０９整流回路１１０差動増幅回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷重によって歪む円柱状の本体部と、前記本体部の外周表面に配され、前記本体部の歪みに応
じて磁気特性が変化する磁性材と、前記磁性材の外周に配され、前記磁性材の磁気特性の変
化を電気的なインピーダンスの変化に変換する変換素子
と、前記変換素子に接続され、温度変化に基づく前記インピ
ーダンスの変化を補償する温度補償回路と、前記本体部の歪みに基づく前記インピーダンスの変化を
検出し、前記本体部の歪みを測定する測定手段とを具備
することを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】前記磁性材は前記本体部の外周表面に溶
射されていることを特徴とする請求項１記載の荷重セン
サ。
【請求項３】断面がコの字状であり、前記変換素子を
覆うように前記磁性材の外周に設けられ、前記磁性材を
通る磁束を閉ループとする磁気シールドを具備すること
を特徴とする請求項１記載の荷重センサ。
【請求項４】前記磁性材は前記本体部の両端部から離
間されて前記本体部に溶射されていることを特徴とする
請求項１記載の荷重センサ。
【請求項５】前記変換素子は、前記磁性材の外周に捲
回されたコイルであることを特徴とする請求項１記載の
荷重センサ。
【請求項６】前記本体部は、円筒状または角柱状また
は角筒状であることを特徴とする請求項１記載の荷重セ
ンサ。
【請求項７】前記変換素子に交流供給源によって流さ
れる電流を検出する第１の検出手段と、前記温度補償回路に交流供給源によって流される電流を
検出する第２の検出手段と、前記第１の検出手段の検出結果と前記第２の検出手段の
検出結果との差に基づいて、前記本体部の歪みを測定す
る差動手段とを具備することを特徴とする請求項１記載
の荷重センサ。
【請求項８】前記第１の検出手段は、前記変換素子に
直列に接続された抵抗によって変換された交流電圧を直
流電圧に整流する整流回路を有することを特徴とする請
求項７記載の荷重センサ。
【請求項９】前記第２の検出手段は、前記温度補償回
路に直列に接続された抵抗によって変換された交流電圧
を直流電圧に整流する整流回路を有することを特徴とす
る請求項７記載の荷重センサ。
【請求項１０】直列に接続された前記変換素子および
前記温度補償回路に交流供給源によって流される電流を
検出する第１の検出手段と、零点調整用抵抗に交流供給源によって流される電流を検
出する第２の検出手段と、前記第１の検出手段の検出結果と前記第２の検出手段の
検出結果との差に基づいて、前記本体部の歪みを測定す
る差動手段とを具備することを特徴とする請求項１記載
の荷重センサ。
【請求項１１】前記第１の検出手段は、前記変換素子
および前記温度補償回路に直列に接続された抵抗によっ
て変換された交流電圧を直流電圧に整流する整流回路を
有することを特徴とする請求項１０記載の荷重センサ。
【請求項１２】前記第２の検出手段は、前記零点調整
用抵抗に直列に接続された抵抗によって変換された交流
電圧を直流電圧に整流する整流回路を有することを特徴
とする請求項１０記載の荷重センサ。
【請求項１３】前記変換素子、前記温度補償回路およ
び抵抗を２組備え、前記第１の変換素子、温度補償回路
および抵抗に交流供給源によって流される電流を検出す
る第１の検出手段と、前記第２の変換素子、温度補償回路および抵抗に交流供
給源によって流される電流を検出する第２の検出手段
と、前記第１の検出手段の検出結果と前記第２の検出手段の
検出結果との差に基づいて、前記本体部の歪みを測定す
る差動手段とを具備することを特徴とする請求項１記載
の荷重センサ。
【請求項１４】前記第１の検出手段は、前記第１の抵
抗にかかる交流電圧を直流電圧に整流する整流回路を有
することを特徴とする請求項１３記載の荷重センサ。
【請求項１５】前記第２の検出手段は、前記第２の変
換素子および温度補償回路にかかる交流電圧を直流電圧
に整流する整流回路を有することを特徴とする請求項１
３記載の荷重センサ。
【請求項１６】前記温度補償回路は、温度変化によっ
て抵抗値が変化する素子と、該素子に並列接続され、該
素子の温度変化に対する特性を線形に補償する抵抗と、
該素子及び該抵抗に直列に接続され、温度補償回路全体
の抵抗値を調整する抵抗とからなることを特徴とする請
求項１、７、１０または１３記載の荷重センサ。