JP4253084B2 - 荷重測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、強磁性体の磁気効果を利用する磁歪式、及び圧電素子の共振特性を利用する電歪式の荷重測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
荷重測定には、荷重による材料の歪みを抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージなどを用いて計測する間接的計測方式と、荷重による材料の歪みを圧電効果や磁気効果などを利用して計測する直接的計測方式とがある。
【0003】
抵抗線歪みゲージや半導体歪みゲージを用いる荷重測定は、被測定物の荷重による変位をゲージにより歪みに変換し、更に電気信号に変換して、被測定物に作用した荷重を測定するもので、種々の起歪部構造のものがあるが、いずれの構造においてもゲージを被測定物に接着剤で固定するため経年変化の影響を受けることが懸念される。
【0004】
また、特にゲージ率の高い半導体歪みゲージでは、誤って過負荷が加わると断線するおそれがあり、一方抵抗線歪みゲージでは、抵抗体の抵抗変化率が小さいため、高感度の増幅器が必要となり、測定装置全体が高価になると共に、ノイズの影響を受け易くなる。更に、いずれの歪みゲージにおいても、温度や湿度の影響を受け易いため、野外での使用の対策が要求される。
【0005】
また、圧電効果を利用する荷重測定は、水晶や圧電セラミックスの結晶体に電極を取り付けて、結晶体に機械的な力が作用したときに結晶体の表面に発生する電荷量を測定するもので、小型で高速応答が可能な利点がある。しかし、他方では発生電荷の漏洩が避けられず、静的な荷重の測定が困難であると共に、荷重による発生電荷量を測定するため、温度や湿度の影響を受け易く、野外での使用が困難である。この対策として、抵抗、コイル、圧電素子からなる直列又は並列共振回路を構成し、該共振回路に共振周波数近傍の正弦波電圧を印加して、圧電素子に作用する荷重による共振回路のインピーダンス変化を電圧又は電流値に変換することが行われている。
【0006】
これに対し、磁気効果を利用する荷重測定は、強磁性体の磁歪現象、この場合は強磁性体に歪みを与えるとその磁気的特性が変化する現象を利用するもので、センサ部の構造が簡単で、高荷重の測定が可能であると共に、温度や湿度の影響も少なく、野外の劣悪な条件下でも適用できる利点がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁気効果を利用する荷重測定にあっては、強磁性体をコイルにより励磁した状態で、強磁性体に応力が作用したときの磁気的特性の変化を利用することから、強磁性体の磁化特性のヒステリシスの影響を受けることになる。このため、従来の磁歪式の荷重測定装置では、応力−磁歪量の直線性が悪く、充分な測定精度を得ることが困難であった。
【0008】
なお、特開平4−204338号公報には、強磁性体(磁歪材)として炭素鋼や合金鋼を用い、Ni、Cr等の組成の配合比を調整することにより、応力−磁歪量のヒステリシスを小さくすることができることが開示されているが、この場合でもヒステリシスを完全には除去することができないため、直線性に優れた高精度の測定は期待できないものである。
【0009】
同様のことは、圧電効果を利用する荷重測定においても、圧電素子の圧電特性のヒステリシスの影響を受けるため、従来の電歪式の荷重測定装置では充分な測定精度を得ることが困難であった。
【0010】
従って、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、直線性に優れた高精度の荷重測定ができる磁歪式及び電歪式の荷重測定装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項1に記載の荷重測定装置は、磁歪材料と、該磁歪材料に巻装された励磁コイルを有し、該励磁コイルに正弦波の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁手段と、上記磁歪材料に巻装された検出コイルを有する検出電圧出力手段と、上記励磁電圧の周波数を調整することにより上記励磁電圧と上記検出電圧出力手段の出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段と、上記励磁電圧と上記出力電圧とを差動増幅する演算手段とを有し、上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に作用する荷重を測定するように構成したことを特徴とする。
【0012】
請求項1の発明によると、演算手段の出力が荷重、換言すると応力に対して直線性を有するように、励磁コイルに印加される励磁電圧と、検出コイルに誘起される検出出力電圧との位相差を位相差調整手段で調整した2つの電圧を差動増幅するとヒステリシスを低減することができ、同時に励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧とを演算手段で差動増幅することで同相ノイズを除去することができるので、直線性に優れた高精度の荷重測定が可能となる。ここで、励磁電圧の周波数を可変とすることで、励磁手段及び検出電圧出力手段のそれぞれのインピーダンスを変えることができ、これにより励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧との位相差を容易に調整することが可能となる。
【0014】
請求項2に記載の荷重測定装置は、磁歪材料と、該磁歪材料に巻装された励磁コイルを有し、該励磁コイルに正弦波の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁手段と、上記磁歪材料に巻装された検出コイルを有する検出電圧出力手段と、上記検出コイルに結合したコンデンサを有して上記励磁電圧と上記検出電圧出力手段の出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段と、上記励磁電圧と上記出力電圧とを差動増幅する演算手段とを有し、上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に作用する荷重を測定するように構成したことを特徴とする。
【0015】
請求項2の発明によると、演算手段の出力が荷重、換言すると応力に対して直線性を有するように、励磁コイルに印加される励磁電圧と、検出コイルに誘起される検出出力電圧との位相差を位相差調整手段で調整した2つの電圧を差動増幅するとヒステリシスを低減することができ、同時に励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧とを演算手段で差動増幅することで同相ノイズを除去することができるので、直線性に優れた高精度の荷重測定が可能となる。ここで、励磁電圧の周波数が固定されている場合に、コンデンサによって検出電圧出力手段のインピーダンスを変えることができるので、これにより励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧との位相差を容易に調整することが可能となる。
【0017】
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の荷重測定装置において、上記励磁電圧の周波数を、上記検出電圧出力手段における共振周波数の近傍に設定したことを特徴とする。
【0018】
請求項3の発明によると、励磁電圧は、検出電圧出力手段における共振周波数の近傍の周波数で、かつ検出出力電圧との間にヒステリシスを低減した所定の位相差を有する周波数に設定されるので、高感度の荷重測定が可能となる。
【0019】
請求項4に記載の荷重測定装置は、磁歪材料と、該磁歪材料に巻装された第1コイル及び第2コイルと、これら第1コイル及び第2コイルを異なる電流通路に接続したブリッジ回路と、該ブリッジ回路に正弦波の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁電圧源と、上記ブリッジ回路の両出力端に各々生じる電圧の位相差を調整する位相差調整手段と、上記ブリッジ回路の両出力端に生じる電圧を差動増幅する演算手段とを有し、上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に作用する荷重を測定するように構成したことを特徴とする。
【0020】
請求項4の発明によると、磁歪材料に巻装された第1コイル及び第2コイルを異なる電流通路に接続したブリッジ回路を構成し、そのブリッジ回路の両出力端に生じる電圧を演算して荷重を測定するようにしているので、演算手段の出力が荷重に対して直線性を有するように、ブリッジ回路の両出力端に各々生じる電圧の位相差を位相差調整手段で調整してヒステリシスを低減することができ、またブリッジ回路の両出力端に生じる電圧を演算手段で差動増幅することで同相ノイズを除去及びコイルの温度特性を補正することができるので、直線性に優れたより高精度の荷重測定が可能となる。
【0021】
請求項5に記載の荷重測定装置は、圧電素子と、該圧電素子をその共振周波数近傍で振動させる発振回路と、上記圧電素子に結合され、該圧電素子のインピーダンス変化を電圧に変換した検出電圧と上記発振回路の発振出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段と、上記検出電圧と上記発振出力電圧とを差動増幅する演算手段とを有し、上記演算手段の出力に基づいて上記圧電素子に作用する荷重を測定するように構成したことを特徴とする。
【0022】
請求項5の発明によると、演算手段の出力が荷重に対して直線性を有するように、圧電素子のインピーダンス変化を電圧に変換した検出電圧と発振回路の発振出力電圧との位相差を、圧電素子に結合した位相差調整手段により調整してヒステリシスを低減することができるので、直線性に優れた高精度の荷重測定が可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
(第1実施の形態)
以下、本発明による荷重測定装置の第1実施の形態について、図1乃至図5によって説明する。
【0024】
図1は、本発明の磁歪による測定原理を説明するための図である。図1において、強磁性体棒1に一定の圧縮力Fの下で磁界Hを印加したとき、長さLがΔL縮む材料は、一定磁界の下では圧縮により磁束の強さが減少し、圧縮の代わりに張力が働くと磁束の強さは増加する。前者は正の磁歪と呼ばれ、後者は負の磁歪と呼ばれる。従って、一定磁界の下での強磁性体棒1の磁束の強さの変化を計測すれば、圧縮力、即ち荷重を測定することが可能となる。
【0025】
図2乃至図5は、本発明による荷重測定装置の第1実施の形態を示すもので、図2は測定回路のブロック図、図3はセンサ部の模式的断面図、図4は検出コイルの共振特性図、図5(a)及び(b)は位相差を有する第1実施の形態における測定結果と位相差を有しない場合の測定結果とを比較して示すグラフである。
【0026】
図3に示すように、センサ部11には、外匣12の中央部に荷重を受ける磁歪材料13を設ける。この磁歪材料13は、鉄、ニッケル、パーマロイ系あるいは酸化物磁性材料、フェライト等の強磁性体を用いて外形円柱状に形成され、磁歪材料13には、励磁コイル14及び検出コイル15を巻装すると共に、検出コイル15と並列に位相差調整用のコンデンサ16を接続する。
【0027】
図2に示すように、励磁コイル14は、抵抗17を介して励磁電圧源18に接続して共振周波数近傍の正弦波電圧E1 sinωtを印加し、これにより磁歪材料13を励磁して、検出コイル15に誘導電圧を誘起させる。従って、磁歪材料13に荷重Fが加わると、磁歪材料13を通る磁束が変化するので、検出コイル15には磁束の変化に比例した位相差を含む検出電圧E2 sin(ωt±θ)が誘起される。この検出コイル15により誘起される検出電圧E2 sin(ωt±θ)の位相は、コンデンサ16により位相θを進めるか、遅らせるかによって調整する。
【0028】
励磁電圧源18の正弦波電圧E1 sinωt、及び検出コイル15の検出電圧E2 sin(ωt±θ)は演算増幅器19で差動増幅し、この演算増幅器19の出力を交流−直流変換器20で直流に変換した後、直流増幅器21で増幅して荷重測定出力として出力する。
【0029】
本実施の形態では、磁歪材料13の直径を6mm、励磁コイル14の巻数を200ターン(T)、検出コイル15の巻数を2000Tとする。また、検出感度を高めるため、励磁電圧源18から励磁コイル14に印加する正弦波電圧の周波数fは、検出コイル15とコンデンサ16との並列回路の共振周波数f0の近傍の周波数、例えば図4に示す共振特性において、共振周波数f0よりも若干高い周波数に設定する。更に、検出コイル15に誘起される検出電圧のヒステリシスを補正するため、励磁コイル14に印加する正弦波電圧に対して、検出コイル15に誘起される誘導電圧が25°遅れの位相差を有するように、コンデンサ16により設定する。
【0030】
図5(a)は、本実施の形態において、磁歪材料13に作用させる荷重を10kgfから100kgfの1サイクル分変化させたときの測定結果を、X−Yレコーダで記録したグラフを示すものである。なお、励磁コイル14に印加する正弦波電圧と、検出コイル15に誘起される検出電圧との位相差は−25°、正弦波電圧の周波数は40.772KHzの場合を示している。また、図5(b)は、同様の構成において、励磁コイル14に印加する正弦波電圧と、検出コイル15に誘起される検出電圧との位相差を0°とした場合(この場合の正弦波電圧の周波数は、27.239KHz)を示している。
【0031】
図5(a)及び(b)から明らかなように、図5(b)のように励磁コイル14に印加する正弦波電圧と検出コイル15に誘起される検出電圧との間の位相差を0°とすると、磁歪材料13のヒステリシスの影響が大きいのに対して、図5(a)のように両電圧間に所定の位相差を持たせると、磁歪材料13のヒステリシスを有効に補償でき、直線性に優れた荷重測定ができることがわかる。
【0032】
(第2実施の形態)
図6は、本発明による荷重測定装置の第2実施の形態における測定回路のブロック図を示すものである。
【0033】
本実施の形態では、センサ部11の構成は図3と同様であるが、図3の励磁コイル14を第1コイル24、検出コイル15を第2コイル25として、これら第1コイル24、並列にコンデンサCを接続した第2コイル25と抵抗26、27とで、第1コイル24と第2コイル25が異なる電流通路に配置されるようにブリッジ回路を構成する。
【0034】
ブリッジ回路は、励磁電圧源18に接続して所定の周波数の正弦波電圧を印加して、第1コイル24、第2コイル25により磁歪材料13を励磁する。従って、磁歪材料13に荷重Fが加わると、磁歪材料13を通る磁束が変化するので、その磁束の変化に比例して第1コイル24と第2コイル25との間の相互インダクタンスが変化し、ブリッジ回路の出力端子28と29に生じる電圧が変化することになる。
【0035】
出力端子28の出力電圧は、演算増幅器19の一方の入力端子に供給し、出力端子29の出力電圧は、演算増幅器19の他方の入力端子に供給して、第1実施の形態と同様に差動増幅して、ヒステリシスを補正すると共に、同相ノイズを除去し、この演算増幅器19の出力を交流−直流変換器20で直流に変換した後、直流増幅器21で増幅して荷重測定出力として出力する。
【0036】
なお、本実施の形態では、検出感度を高めるために、励磁電圧源18からブリッジ回路に印加する正弦波電圧の周波数を、例えば第2コイル25とコンデンサ16との並列回路の共振周波数f0の近傍の周波数に設定する。また、磁歪材料13のヒステリシスを補正するため、出力端子28に生じる電圧と出力端子29に生じる電圧とが所定の位相差を有するように、ブリッジ回路に印加する正弦波電圧の周波数を設定する。
【0037】
従って、本実施の形態においても第1実施の形態と同様の効果が得られる他、本実施の形態ではブリッジ回路を構成して荷重を測定するようにしているので、より高精度の測定が可能となる。
【0038】
(第3実施の形態)
図7は、本発明による荷重測定装置の第3実施の形態における測定回路の要部のブロック図を示すものである。
【0039】
この荷重測定装置は電歪式のもので、発振回路31、圧電素子32、抵抗33、コイル34及び演算増幅器35を有している。圧電素子32は、抵抗33を介して発振回路31に接続して、共振周波数近傍で振動させる。コイル34は、圧電素子32と並列又は直列(本実施の形態では直列)に接続して、圧電素子32のインピーダンス変化による検出電圧と発振回路31の発振出力電圧との位相差を調整し、これら圧電素子32での検出電圧と発振回路31の発振出力電圧とを演算増幅器35で差動増幅する。
【0040】
本実施の形態によれば、圧電素子32に荷重が作用すると、周波数特性によって検出電圧が変化する。この検出電圧は、コイル34により発振回路31の発振出力電圧に対して位相差を有し、かつ作用した荷重に対応する信号を含んでいるので、位相差を適切に調整して演算増幅器35で差動増幅することにより、ヒステリシスを低減することができる。
【0041】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、第1及び第2実施の形態において、位相差の調整は、コンデンサ16の並列接続に限らず、コイルのインダクタンスを変えても位相差を調整できる。また、位相差調整用素子は、第1実施の形態では励磁コイル14に、第2実施の形態では第1コイル24に接続して、位相差を調整するようにすることもできる。更に、上記の位相差は、各コイルの巻数、即ち、インダクタンス或いはコイル自体の持つキャパシタンスと、励磁用電圧の周波数とを適切に設定することで、所望の値に調整することもできる。
【0042】
更に、第3実施の形態では、コイル34に代えてコンデンサを用いて位相差を調整することもできる。
【0043】
【発明の効果】
以上説明した本発明による磁歪式の荷重測定装置によれば、演算手段の出力が荷重に対して直線性を有するように、励磁コイルに印加される励磁電圧と、検出コイルに誘起される検出出力電圧との位相差を進めるか遅らせるかによってヒステリシスを低減でき、励磁電圧と検出電圧出力手段の出力電圧とを差動増幅することで同相ノイズを除去することができる。以上により、荷重を直線性良く、高精度で測定することができる。
【0044】
また、磁歪材料に巻装された第1コイル及び第2コイルを異なる電流通路に接続したブリッジ回路とする構成においては、ブリッジ回路の両出力端に生じる電圧を演算して荷重を測定するようにしているので、演算手段の出力が荷重に対して直線性を有するように、ブリッジ回路の両出力端にそれぞれ生じる電圧の位相差を進めるか遅らせるかによってヒステリシスを低減でき、ブリッジ回路の両出力端に生じる電圧を差動増幅することで同相ノイズの除去とコイルの温度特性の補正が同時にできる。以上により、荷重を直線性良く、より高精度で測定することができる。
【0045】
更に、本発明による電歪式の荷重測定装置によれば、演算手段の出力が荷重に対して直線性を有するように、圧電素子に印加される発振回路の発振出力電圧と、圧電素子のインピーダンス変化を電圧に変換した検出電圧との位相差を進めるか遅らせるかによってヒステリシスを低減でき、これにより荷重を直線性良く、高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の磁歪による測定原理を説明するための図である。
【図2】本発明による荷重測定装置の第1実施の形態における測定回路のブロック図である。
【図3】同じく、センサ部の模式的断面図である。
【図4】同じく、検出コイルの共振特性図である。
【図5】第1実施の形態における測定結果と位相差を有しない場合の測定結果とを比較して示すグラフである。
【図6】本発明による荷重測定装置の第2実施の形態における測定回路のブロック図である。
【図7】本発明による荷重測定装置の第3実施の形態における測定回路の要部のブロック図である。
【符号の説明】
1 強磁性体棒
11 センサ部
12 外匣
13 磁歪材料
14 励磁コイル
15 検出コイル
16 位相差調整用コンデンサ
17 抵抗
18 励磁電圧源
19 演算増幅器
20 交流−直流変換器
21 直流増幅器
24 第1コイル
25 第2コイル
26 抵抗
27 抵抗
28 出力端子
29 出力端子
31 発振回路
32 圧電素子
33 抵抗
34 コイル
35 演算増幅器
Claims (5)
- 磁歪材料と、
該磁歪材料に巻装された励磁コイルを有し、該励磁コイルに正弦波の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁手段と、
上記磁歪材料に巻装された検出コイルを有する検出電圧出力手段と、
上記励磁電圧の周波数を調整することにより上記励磁電圧と上記検出電圧出力手段の出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段と、
上記励磁電圧と上記出力電圧とを差動増幅する演算手段とを有し、上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に作用する荷重を測定するように構成したことを特徴とする荷重測定装置。 - 磁歪材料と、
該磁歪材料に巻装された励磁コイルを有し、該励磁コイルに正弦波の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁手段と、
上記磁歪材料に巻装された検出コイルを有する検出電圧出力手段と、
上記検出コイルに結合したコンデンサを有して上記励磁電圧と上記検出電圧出力手段の出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段と、
上記励磁電圧と上記出力電圧とを差動増幅する演算手段とを有し、上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に作用する荷重を測定するように構成したことを特徴とする荷重測定装置。 - 上記励磁電圧の周波数を、上記検出電圧出力手段における共振周波数の近傍に設定したことを特徴とする請求項1又は2に記載の荷重測定装置。
- 磁歪材料と、
該磁歪材料に巻装された第1コイル及び第2コイルと、
これら第1コイル及び第2コイルを異なる電流通路に接続したブリッジ回路と、
該ブリッジ回路に正弦波の励磁電圧を印加して上記磁歪材料を励磁する励磁電圧源と、
上記ブリッジ回路の両出力端に各々生じる電圧の位相差を調整する位相差調整手段と、
上記ブリッジ回路の両出力端に生じる電圧を差動増幅する演算手段とを有し、上記演算手段の出力に基づいて上記磁歪材料に作用する荷重を測定するよう構成したことを特徴とする荷重測定装置。 - 圧電素子と、
該圧電素子をその共振周波数近傍で振動させる発振回路と、
上記圧電素子に結合され、該圧電素子のインピーダンスの変化を電圧に変換した検出電圧と上記発振回路の発振出力電圧との位相差を調整する位相差調整手段と、
上記検出電圧と上記発振出力電圧とを差動増幅する演算手段とを有し、
上記演算手段の出力に基づいて上記圧電素子に作用する荷重を測定するように構成したことを特徴とする荷重測定装置。
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