JP2004077317A - 荷重センサ及び荷重測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気弾性効果を有する磁性材料の、歪みによる磁気特性変化により荷重を検知する荷重センサの応答性を向上し、該荷重センサを用いた荷重測定装置の精度を向上すること。
【解決手段】荷重が加えるための柱状または筒状の荷重センサ本体部１１の表面に、磁気弾性材層をめっきによって形成し、磁性体ヨーク１２と巻線１３からなり、磁気弾性材の歪みに起因する磁気特性変化を電気的なインダクタンス変化に変換するための変換素子を荷重センサ本体部１１の側面に配置し、磁気弾性材層と磁性体ヨーク１２とで閉磁路を形成する。巻線１３には、コンデンサを並列接続してＬ−Ｃ共振回路を構成する自励発振回路となし、さらに、自励発振回路による交流信号出力の周波数を直流電圧に変換するＦ−Ｖ変換回路を接続して荷重測定装置とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷重センサ及び荷重測定装置に係り、特に荷重を、磁気弾性効果を利用して検出する、荷重センサ及び荷重測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁性材料の磁気特性、特に透磁率が外部応力によって変化する磁気弾性効果を利用した荷重センサは、既に多く開発されている。例えば、特開昭６１−１７０６２７号公報、特開平１１−２２３５６５号公報、特開平４−２０４３３８号公報に開示されているものがある。
【０００３】
特開昭６１−１７０６２７号公報に開示されている荷重検出器は、荷重によって変形する本体部の周囲に、歪み応答性に優れた軟磁性非晶質合金薄帯を巻き付け、接着剤によって貼り付けた構成になっている。この軟磁性非晶質合金薄帯の磁気特性変化によるインダクタンス変化を検出するコイルは、荷重を受ける本体部の周囲を囲むように配置されている。このような磁性材と検出コイルの配置の場合、検出コイルの発生する磁界は軟磁性非晶質合金薄帯の面内を通り、空間に発散している。つまり、開磁路を構成して軟磁性非晶質合金薄帯のインダクタンス変化を検出することになる。
【０００４】
しかし、開磁路を構成した場合、磁路に沿って磁性薄帯の端部には磁極が発生するため、磁性薄帯内部にコイルの発生する磁界とは逆向きの磁界、つまり反磁界が発生し、磁性材の実効的透磁率を大きく低下させることになる。このため、荷重が加えられたことによる磁性材の透磁率の変化が小さくなり、感度を高めることができないという問題がある。
【０００５】
また、変形を生ずる本体部に、磁性材が接着剤を介して貼りつけられているため、本体部の変形を精密に反映させられないという、根本的な問題も抱えている。特開平４−２０４３３８号公報には、この問題を解決する構成が開示されている。ここでは、荷重が加わる本体部自体を磁性材で構成し、表面の一部を硬化処理することで降伏応力を高め、広い応力範囲で磁気弾性効果の直線性を得ている。
【０００６】
しかし、この構成の場合にも、前記特開昭６１−１７０６２７号公報と同様に、インダクタンスを検出する磁気回路が開磁路を構成しているため、実効的な透磁率が低下し、本体部を構成する磁性材本来の透磁率の変化が得られないという問題がある。
【０００７】
また、前記の問題に加え、本体部に磁性材を貼り付けた構成では、本体部と磁性材の熱膨張係数の差異に起因する歪みと、荷重による歪みを区別するのが困難で、温度変化に対する荷重センサの精度補償に問題があった。
【０００８】
特開平１１−２２３５６５号公報に開示されている技術は、基本構成が前記特開昭６１−１７０６２７と同様であるが、温度補償を適切に行うことによって、温度変化に対する精度を向上させ、荷重センサの実用性を高めている。しかし、インダクタンス変化を検出する磁気回路が開磁路であることと、磁性材と本体部の固定を、接着剤を用いて行っていることから、根本的な問題解決にはなっていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の技術的な課題は、上記の従来の荷重センサにおいて、応答性を低下させている、本体部と磁気弾性効果を有する磁性材の固定方法、及び開磁路を用いた磁気回路構成に起因する、インダクタンス変化の低下を解決することにある。また、応答性が向上した荷重センサを用いることで、高精度の荷重測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記の問題点を解決するため、本体部と磁気弾性効果を有する磁性材の固定方法、及び磁気回路の構成を検討した結果なされたものである。
【００１１】
即ち、本発明は、荷重によって歪む柱状または筒状の本体部と、前記本体部の外周部に密着して設けられ前記本体部の歪みに応じて磁気特性が変化する磁気弾性材と、磁性体ヨークと前記磁性体ヨークに施された巻線からなり、前記磁性体ヨークの磁気特性変化を電気的なインダクタンス変化に変換する変換素子からなる荷重センサにおいて、前記磁性体ヨークの端部が、前記本体部に設けられた溝に嵌合することで前記磁性体ヨークと前記磁気弾性体が閉磁路を形成してなることを特徴とする荷重センサである。
【００１２】
また、本発明は、前記の荷重センサにおいて、前記磁気弾性材を、電解めっきまたは無電解めっきにより、前記本体部の少なくとも側面の一部と、前記磁性体ヨークの端部が前記本体部と接する箇所に、連続して形成してなることを特徴とする荷重センサである。
【００１３】
また、本発明は、前記の荷重センサにおいて、前記本体部の周囲に、磁束を遮蔽するシールド材を設けてなることを特徴とする荷重センサである。
【００１４】
また、本発明は、前記の荷重センサにおいて、前記磁気弾性材を前記本体部の荷重が加わる面から離れた箇所に形成してなることを特徴とする荷重センサである。
【００１５】
また、本発明は、前記の荷重センサにおいて、前記本体部は、円柱状、円筒状、角柱状または角筒状であることを特徴とする荷重センサである。
【００１６】
また、本発明は、前記の荷重センサの変換素子に、コンデンサを並列接続することでＬ−Ｃ共振回路を構成する自励発振回路と、前記自励発振回路による交流信号出力の周波数を直流電圧に変換するＦ−Ｖ変換回路とを具備することを特徴とする荷重測定装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
先ず、荷重センサの具備すべき性能は、荷重を発生させる機器の変化を時間的に遅れなく計測できることである。このためには、荷重を受ける本体部と荷重による歪みをインダクタンスの変化に変換する磁気弾性材とが強固に固定されていなければならない。強固な固定のためには、本体部と磁気弾性材との間に接着層を介すことなく、直接に密着させることが最適である。この直接にかつ強固に固定できる一方法として、磁気弾性材の本体部表面へのめっきによる形成が挙げられる。
【００１９】
めっき膜の生成には、電気めっきと無電解めっきの方式がある。どちらを選ぶかは、本体部の素材とめっきの容易さで選択できる。めっき処理前に、本体部表面を適度に粗面化することで磁気弾性材と本体部との結合強度を大きくすることができる。
【００２０】
次に、荷重によって本体部が変形する際のインダクタンスの変化を大きくし、続く検出回路の感度を向上させるためには、コイルで検出されるインダクタンス変化を大きくすることが不可欠である。磁気回路のインダクタンスは、磁性材の透磁率、磁路長、磁路断面積およびコイル巻線数で決まる。コイル巻線数は、センサの構成によって、おのずと限界がある。また、磁性材の透磁率は、材料の組成で決まる。このため、インダクタンス向上は、磁気回路を形づくる磁路長と磁路断面積に依存する。
【００２１】
式（１）はこの関係を示したものである。
Ｌ（閉磁路）＝μ_０・μ・（Ａ／ｌ）・Ｎ^２　・・・（１）
ここでは、μ_０は真空透磁率、μは磁性材の透磁率、ｌは磁路長、Ａは磁路断面積、Ｎは巻線数である。
【００２２】
式（１）において、磁気回路が開磁路になると、空気中の透磁率を考慮して、式（１）は、式（２）のようになる。
Ｌ（開磁路）＝μ_０・μ・｛Ａ／（ｌ＋μ・ｌｇ）｝・Ｎ^２　・・・（２）
ここで、ｌｇは開磁路となって磁束が通る空気中の磁路長である。
【００２３】
式（２）から、開磁路の空気中の部分がそれほど長くなくとも、磁性材の透磁率倍となるため、式（２）で与えられるインダクタンスは著しく式（１）のインダクタンスより小さくなる。
【００２４】
このことから、磁性材の透磁率特性を最大限に生かすためには、式（２）において、空気中の磁路長ｌｇを限りなく小さくすることが必要になる。つまり、閉磁路構造が磁性材の特性を最大限に生かせる構造であることが分かる。
【００２５】
また、荷重センサが利用する磁性材の透磁率変化に対するインダクタンスの変化率を見るために、式（２）を磁性材の透磁率μについて微分すると、その微分係数は式（３）になる。
Ｌ（開磁路）′＝μ_０・μ・｛Ａ／（ｌ＋μ・ｌｇ）^２｝・Ｎ^２　・・・（３）
【００２６】
式（３）から、空気中の磁路ｌｇの発生によって、微分係数が小さくなることが分かる。つまり、磁性材の透磁率が変化してもそれに対応してインダクタンスが変化しない状況になる。これがセンサのダイナミックレンジを低下させる原因である。
【００２７】
このため、本発明においては、変換素子を構成する磁性体ヨークを、めっきにて形成された磁気弾性材表面に密着固定させる方法を取った。具体的な固定法としては、本体部の側面の一部に、本体部の荷重が加わる方向に対してほぼ垂直な方向に、ほぼ平行な対向面が形成されるように凹部を形成し、前記対向面に設けた溝に、変換素子を構成する磁性体ヨークを挿入する。
【００２８】
その際、摺り合うように両者の寸法を調整することで、両者は密着固定する。以上の密着固定にて、磁性体ヨークと本体部表面の磁性材とをギャップなしに接合することで、最大のインダクタンスを検出することが可能になる。
【００２９】
また、コイルでインダクタンス変化を検出する際、磁束が閉磁路内を通るが、その閉磁路に密着する形で荷重の発生源が設置された場合、荷重の発生源が非磁性体の場合はインダクタンスに影響を与えることはないが、磁性体が荷重の発生源として密着した場合、磁束は荷重センサの閉磁路内のみならず荷重の発生源にも通ることになる。その場合には、インダクタンス変化が、荷重センサ以外の磁性体の特性変化を取りこむことになり、正確な荷重の検出を妨げる。
【００３０】
このためには、使用状況に応じて、前記本体部の周囲に、センサの周囲からの磁束を遮蔽する磁気シールド材を配置することが有効である。さらに、前記磁気弾性材を、前記本体部の荷重が加わる面から離れた箇所に形成することも有効である。
【００３１】
また、本体部の形状は、使用環境に適合させて選ぶことができる。つまり、小さな荷重の計測のためには、センサの断面積を小さくして、小さな荷重でも十分な変形を生じさせる必要がある。その場合、センサ自体の寸法が小さくなり、インダクタンス検出用コイルの設置が困難になる可能性がある。その場合には、センサ本体部を中空構造として、小さな断面積でもコイルの取付けが可能な適度な大きさの外形寸法にすれば良い。具体的には、前記本体部は、円柱状、円筒状、角柱状または角筒状とすることができる。
【００３２】
荷重の変化が磁気弾性材の歪みに起因するインダクタンス変化を引き起こすが、計測にはインダクタンス変化を電気信号に変換することが必要である。具体的には、荷重センサの変換素子へのコンデンサの並列接続によるＬ−Ｃ共振回路を構成する自励発振回路と、前記自励発振回路による交流信号出力の周波数を直流電圧に変換するＦ−Ｖ変換回路とを具備するという構成にすることで、荷重測定が可能となる。
【００３３】
【実施例】
次に、具体例に基づき、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
【００３４】
図１は、本発明の実施例に係る荷重センサの構成を示す斜視図である。図１において、１１は、荷重を受ける荷重センサ本体部で、この例では、図における上下方向に荷重を加える。また、１２は、磁性体ヨーク、１３は、インダクタンス検出用の巻線である。
【００３５】
荷重センサ本体部１１は、寸法が、図１において、縦が１０ｍｍ、横が１０ｍｍ、奥行きが１０ｍｍであり、材質は、非磁性ステンレスのＳＵＳ３０４である。この荷重センサ本体部１１の全表面に、電気めっきによって、Ｆｅ５０ｗｔ％−Ｎｉ５０ｗｔ％の高磁歪パーマロイからなる、厚みが５０μｍの磁気弾性材層を形成した。
【００３６】
図２は、磁性体ヨーク１２と巻線１３からなる変換素子２０の斜視図である。磁性体ヨーク１２は、厚みが０．２ｍｍで縦横寸法が８ｍｍ×８ｍｍの高透磁率のＰＣパーマロイを用いて作製した。巻線は、断線を避けるために、磁性体ヨーク１２に、５０μｍ厚みの耐熱性のポリイミドテープを２層巻きして絶縁層（図示せず）を形成した上に、１５０ターン巻かれている。この変換素子２０の、図２における左右方向に突出した磁性体ヨーク１２の両端部を、図１に示したように本体部に設けられた溝１４に挿入して本体部に固定し、荷重センサ１０を構成した。
【００３７】
図３は、荷重センサ１０への、自励発振回路、Ｆ−Ｖ変換回路、及び増幅回路の接続例を示すブロック図である。荷重センサの変換素子の巻線端末と自励発信回路との結線には、センサ本体部側面にガラスエポキシ板上に、電極２個を持つ端子板を両面テープにて貼り付け、ここに巻線端末を半田付けして固定し、この端子板の電極に自励発信回路への結線用リード線を半田付けすることで、信号を取り出せるようにした。
【００３８】
次に、センサの動作を説明する。精密機械強度試験機を使い、図１に置ける上下方向から荷重センサ本体部１１に荷重を加えた。精密機械強度試験機では、±２ｋｇｆの精度で荷重を制御し、目的の荷重に達したところで保持することで、その荷重に対応したセンサのインダクタンス及び検出回路の出力電圧を測定した。
【００３９】
図４は、本実施例のように、本体部の全表面に磁気弾性材層形成した場合における、検出回路の出力電圧を荷重に対して示した図である。荷重は最大４００ｋｇｆ（３９２０Ｎ）であり、検出回路の出力電圧は、２．６Ｖから３．３Ｖの範囲の電圧変化が得られた。この変化から、本発明の荷重センサの感度は１．８ｍＶ／ｋｇｆ（０．１８ｍＶ／Ｎ）となった。
【００４０】
出力電圧の安定性の目安となる電圧変動は士０．１ｍＶであるから、本発明の荷重センサを用いることによって、ダイナミックレンジ４００ｋｇｆの中で約１００ｋｇｆ（９８０Ｎ）まで測定可能であることが分かる。測定の分解能は、測定精度／ダイナミックレンジで０．０２５％となる、従って、通常使われているロードセルの約１０倍の高精度での測定が可能になる。
【００４１】
これは、荷重に対するインダクタンスの変化量が大きいことに起因している。図５は、本実施例のように、本体部の全表面に磁気弾性材層形成した場合における、インダクタンス変化を示した図である。最大荷重４００ｋｇｆに対して、センサのインダクタンスは、９７０μＨから７５０μＨまで２３％低下した。
【００４２】
前記の例では、本体部の全表面に磁気弾性材層を形成したが、次に、本体部の変換素子が配置される面にのみ、厚み５０μｍの磁気弾性材層を形成した例を示す。ここでは、磁気弾性材層は、荷重が加わる面からの稜から１００μｍ離れた位置まで形成した。また、本体部、磁性体ヨーク、及び巻線の材質、形状は前記の例と同一である。
【００４３】
図６は、本体部の表面の一部に磁気弾性材層形成した場合における、荷重とインダクタンス変化の関係を示した図である。インダクタンスの大きさは、本体部の全表面に磁気弾性材層を形成した場合に比べ、約３７％低下しているが、インダクタンス変化は、ほぼ同程度となっている。
【００４４】
次に、比較例として、磁気回路を開磁路とした場合を示す。ここでは、前記実施例で説明した、全表面に磁気弾性材層を形成した本体部と変換素子を用い、磁性体ヨークの両端部を本体部と１００μｍのギャップを置いて配置した構成とした。この構成について、荷重に対する荷重センサのインダクタンス変化を測定した。
【００４５】
図７は、比較例のインダクタンス変化を示した図である。本比較例では、本体部及び磁気弾性材層の構成は、前記実施例の場合と同一であるため、荷重による磁気弾性材層の透磁率変化は同様である。しかし、変換素子で検出されるインダクタンスは５８０μＨから５１０μＨの変化で、その低下率は１２％に留まっている。これは、本発明の結果の約１／２である。この結果から、閉磁路構造とすることで、明らかに測定のダイナミックレンジが向上する。つまり、本発明の構成を用いることによって、従来の構成では実現できない高精度の計測が可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明したように、従来とは異なりインダクタンス検出用の磁性体ヨークを磁気弾性材層と閉磁路を構成するように配置することで、従来型の荷重センサに比べ、測定のダイナミックレンジが約２倍になる荷重センサの構成が可能になった。これによって、高精度のセンサを、単純構造に由来する低価格で得られるとともに、この荷重センサを用いることで、高精度の荷重測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る荷重センサの一例の構成を示す斜視図。
【図２】磁性体ヨークと巻線からなる変換素子の斜視図
【図３】荷重センサへの、自励発振回路、Ｆ−Ｖ変換回路、及び増幅回路の接続例を示すブロック図。
【図４】本体部の全表面に磁気弾性材層形成した場合における、検出回路の出力電圧を荷重に対して示した図。
【図５】本体部の全表面に磁気弾性材層形成した場合における、インダクタンス変化を示した図。
【図６】本体部の表面の一部に磁気弾性材層形成した場合における、荷重とインダクタンス変化の関係を示した図。
【図７】比較例のインダクタンス変化を示した図。
【符号の説明】
１０　　荷重センサ
１１　　荷重センサ本体部
１２　　磁性体ヨーク
１３　　巻線
１４　　溝
２０　　変換素子

Claims (6)

1. 荷重によって歪む柱状また筒状の本体部と、前記本体部の外周部に密着して設けられ前記本体部の歪みに応じて磁気特性が変化する磁気弾性材と、磁性体ヨークと前記磁性体ヨークに施された巻線からなり、前記磁性体ヨークの磁気特性変化を電気的なインダクタンス変化に変換する変換素子からなる荷重センサにおいて、前記磁性体ヨークの端部が、前記本体部に設けられた溝に嵌合することで前記磁性体ヨークと前記磁気弾性体が閉磁路を形成してなることを特徴とする荷重センサ。
2. 請求項１に記載の荷重センサにおいて、前記磁気弾性材を、電解めっきまたは無電解めっきにより、前記本体部の少なくとも側面の一部と、前記磁性体ヨークの端部が前記本体部と接する箇所に、連続して形成してなることを特徴とする荷重センサ。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の荷重センサにおいて、前記本体部の周囲に、磁束を遮蔽するシールド材を設けてなることを特徴とする荷重センサ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の荷重センサにおいて、前記磁気弾性材を前記本体部の荷重が加わる面から離れた箇所に形成してなることを特徴とする荷重センサ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の荷重センサにおいて、前記本体部は、円柱状、円筒状、角柱状または角筒状であることを特徴とする荷重センサ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の荷重センサの変換素子に、コンデンサを並列接続することでＬ−Ｃ共振回路を構成する自励発振回路と、前記自励発振回路による交流信号出力の周波数を直流電圧に変換するＦ−Ｖ変換回路とを具備することを特徴とする荷重測定装置。

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