多軸荷重センサ
【課題】より簡単な構成で高精度の荷重検出を行うことができる多軸荷重センサを提供する。
【解決手段】基部２ａ〜２ｄにより囲まれる内周部に可動部５を形成し、その可動部５を、基部２に対して弾性変形する支持部６及び８により四方より支持するように本体１を構成し、その本体１の角部３ａ，３ｃをなす直交する２辺にＶＲセンサ部２１を夫々２個ずつ配置し、これらが有する２次コイル２５より可動部５の変位量に応じて変化する交流信号を出力する。具体的には、１次コイル２４及び２次コイル２５を備えたステータコア２３を基部３側、可動コア２６を可動部５側に夫々配置し、可動部５に荷重が加わり変位が生じるとステータコア２３側のコイル２４及び２５と可動コア２６との位置関係を変化させ、１次コイル２４が発生した磁束に対して作用する磁気抵抗を変化させる。
【解決手段】基部２ａ〜２ｄにより囲まれる内周部に可動部５を形成し、その可動部５を、基部２に対して弾性変形する支持部６及び８により四方より支持するように本体１を構成し、その本体１の角部３ａ，３ｃをなす直交する２辺にＶＲセンサ部２１を夫々２個ずつ配置し、これらが有する２次コイル２５より可動部５の変位量に応じて変化する交流信号を出力する。具体的には、１次コイル２４及び２次コイル２５を備えたステータコア２３を基部３側、可動コア２６を可動部５側に夫々配置し、可動部５に荷重が加わり変位が生じるとステータコア２３側のコイル２４及び２５と可動コア２６との位置関係を変化させ、１次コイル２４が発生した磁束に対して作用する磁気抵抗を変化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動部に対し複数軸方向に印加される荷重に応じて基部との相対位置が変位するように形成される起歪体を用い、前記荷重を検出する多軸荷重センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車や航空機などの移動体を構成する部品であるタイヤなどの運動体について、運動状態を風洞試験やベンチ試験などで計測する場合には、同時に複数の軸方向に作用する荷重（例えばＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向や、各軸周りに作用するモーメント等）を測定する荷重センサが使用される。或いは、操縦者がジョイスティックを操作した場合に、ジョイスティックに作用した力を検出して操縦指令信号を出力する場合にも、同様な荷重センサが使用される。
【０００３】
従来の荷重センサは、一般に、印加される荷重に応じて起歪部に生じる局部的な歪み量を歪みゲージの抵抗値の変化として、ホイットストーンブリッジ回路により検出する構成のセンサなどが採用されることが多い（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０１８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のように構成される荷重センサには以下のような問題があった。すなわち、歪みゲージの抵抗値変化を検出するので、測定環境の温度が変化する場合には、それに応じて抵抗値を補正する必要がある。また、歪みゲージを取り付ける位置の誤差が出力誤差に直結するので、取り付け後において、最終的に得られる出力結果についても補正を行う必要がある。
そして、基本的には１軸方向に作用する荷重を検出するセンサであるため、複数軸方向に作用する荷重を検出するには複数の荷重センサを組み合わせて用いるしかなく、全体が大型化してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡単な構成で複数軸方向に作用する荷重を高精度に検出できる多軸荷重センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１記載の多軸荷重センサは、外周部が基部として固定され、中心部に形成される可動部が前記基部に対して弾性変形する起歪部によって四方より支持され、前記可動部に対し複数軸方向に印加される荷重に応じて前記基部との相対位置が変位するように形成される起歪体と、
前記基部に配置され、ヨーク部の内周側で互いに対向する位置に２つの突極部を有するステータコアと、前記突極部に巻装されて所定の交流信号が入力される１次コイルと、この１次コイルと共に前記突極部に巻装される２次コイルと、前記可動部に固定され、前記１次コイルが発生する磁束が通る磁気回路を前記ステータコアと共に形成し、前記可動部の変位に伴い前記突極部との間の空隙長が変化するように配置される可動コアとを備えてなるセンサ部とを備え、
前記基部は、前記起歪部の位置で区分される４つの領域の１つに、直交する２辺を備えたステータ取付部を有し、
前記可動部は、前記ステータ取付部側に延設され、前記２辺に対してそれぞれ平行となる２辺を備えた可動コア取付部を有し、
前記ステータコアを前記ステータ取付部に取り付けると共に、前記可動コアを前記可動コア取付部に取り付けて、２つのセンサ部を前記２辺にそれぞれ配置し、
前記２つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする。
【０００８】
斯様に構成すれば、起歪体の可動部に荷重が加わることで基部との相対位置が変化すると、ステータコアに巻装されているコイルと可動コアとの間の空隙長が変化するので、１次コイルが発生させた磁束に対して作用する磁気抵抗が変化する。その結果、２次コイルより出力される交流信号も変化するので、その信号変化は、印加された荷重に応じて可動部に生じた変位量に相当する。したがって、２次コイルより出力される交流信号から、可動部に印加された荷重の大きさを得ることができる。そして、２つのセンサ部を、起歪体の１つの角部における２辺に配置することで、可動部に対して印加される荷重を、各辺部に沿った方向に分けて検出することができる。
【０００９】
この場合、請求項２に記載したように、前記起歪部を、剛性が比較的低い第１支持部と、剛性が前記第１支持部よりも高く且つ前記基部よりも低い第２支持部とを互いに直交する状態で組み合わせて構成すると良い。斯様に構成すれば、起歪部により４か所で支持されている可動部に対し、基部の辺方向に沿って互いに異なる軸方向の荷重が印加された場合でも、その荷重に対する相対剛性がより高くなる方の支持部がある側において、応力が発生するようになる。
【００１０】
また、請求項３に記載したように、前記起歪部を、前記第１支持部を前記基部側に、当該基部が延設されている方向と平行に配置すると共に、前記第２支持部を前記可動部側に配置して、前記第１支持部の中央部と前記第２支持部の先端部とが連続することでＴ字型に構成するのが好ましい。斯様に構成すれば、上述したように、可動部に対し基部の辺方向に沿って互いに異なる軸方向の荷重が印加された場合に、その荷重の方向と直交する方向に配置されている起歪部において曲げ応力が発生するようになる。
【００１１】
この場合、請求項４に記載したように、前記起歪体に対し、前記４つの領域の他の１つに、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部に、前記センサ部を更に１つ、前記ステータコアの突極部が前記２辺と直交する方向に配置し、
前記３つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成しても良い。斯様に構成すれば、第３のセンサ部によって、可動部に対して各辺部と直交する方向に印加される荷重を検出することができる。
【００１２】
また、請求項５に記載したように、前記起歪体に対し、前記２つのセンサ部が配置されている領域の対角線上に位置する領域にも、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部の２辺に、前記センサ部を更に２つ配置し、
前記４つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成すると良い。斯様に構成すれば、可動部に印加される２軸方向の荷重を、２個を１組とする２組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができる。
【００１３】
また、請求項６に記載したように、前記起歪体において、他の２つの領域にも前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部の１辺に、前記センサ部を対称となるようにそれぞれ配置し、
前記６つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成しても良い。斯様に構成すれば、可動部に印加される３軸方向の荷重を、３組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができる。
【００１４】
また、これらの場合、請求項７に記載したように、前記センサ部に、前記ステータコアに、前記２つの突極部が配置されている方向と直交する方向にも、前記１次コイル及び前記２次コイルが券装された２つの突極部を備えると良い。斯様に構成すれば、１つのセンサ部によって２軸方向に印加された荷重を検出できるので、請求項１のようにセンサ部が２つの場合でも３軸方向の荷重を検出したり、請求項３のようにセンサ部が４つの場合には、３軸方向の荷重に加えて各軸周りのモーメントについても（計６分力）検出が可能となる。
【００１５】
また、請求項８に記載したように、前記センサ部を、前記突極部と前記可動コアとが対向する部位の形状をそれぞれ平面に形成し、両者の対向面が平行をなすように配置するのが好ましい。斯様に構成すれば、ステータコアの突極部と可動コアとの対向面が平行を維持した状態で両者間の空隙が変化するようになり、可動コアが多軸方向に変位した場合に磁気的なクロスカップリングの発生が防止される。
【００１６】
そして、請求項９に記載したように、前記起歪体における前記４つの領域の全てに、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記センサ部を、前記各取付部の各辺にそれぞれ配置し、
前記８つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成すれば、上述した６分力のそれぞれを、２つのセンサ部の出力の組み合わせから平均して求めることができる。
【００１７】
以上の場合において、請求項１０に記載したように、前記起歪体に、前記可動部の変位量を制限する変位制限手段を配置するのが好ましい。斯様に構成すれば、可動部に対して想定した以上の過大な荷重が印加された場合に、可動部が変位制限部材に当接することで起歪体が不可逆的に変形することを防止できる。
【００１８】
この場合、請求項１１に記載したように、前記変位制限手段を、前記基部と前記可動部との間に配置され、中空部を有する変位制限部材と、前記基部側より挿入され、前記変位制限部材の中空部を貫通して先端部が前記可動部側に設けられた凹部に到達するように配置される支持部材とで構成すると良い。斯様に構成すれば、可動部が各辺に沿って変位することで基部と可動部との空隙が狭まる量を、変位制限部材により制限できる。
【００１９】
また、請求項１２に記載したように、前記変位制限手段に、前記基部，前記可動部の何れか一方の両面側に、スペーサを介して固定される変位制限部材を備え、前記変位制限部材の先端部が、前記基部，前記可動部の他方側に係るように配置しても良い。斯様に構成すれば、可動部が各辺と直交する方向に変位した場合の変位量を、スペーサの厚さ寸法により調整できる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１記載の多軸荷重センサによれば、歪みゲージやブリッジ回路を使用することなく、可動部に印加された荷重を複数軸方向について検出できるので、測定環境の温度や、歪みゲージの取り付け位置に応じた補正を行う必要がなく、簡単な構成で高精度の荷重検出を行うことができる。また、センサ全体を小型化することができる。
【００２１】
請求項２記載の多軸荷重センサによれば、可動部に対し、基部の辺方向に沿って互いに異なる軸方向の荷重が印加された場合でも、その荷重に対する相対剛性がより高くなる方の支持部がある側で応力を発生させることができ、起歪体による荷重応力の発生形態を単純化して設計を容易にすることができる。
【００２２】
請求項３記載の多軸荷重センサによれば、可動部に対し基部の辺方向に沿って互いに異なる軸方向の荷重が印加された場合に、その荷重の方向と直交する方向に配置されている起歪部において曲げ応力を発生させることができるので、設計を一層容易にすることができる。
【００２３】
請求項４記載の多軸荷重センサによれば、３つのセンサ部よって、可動部に対して印加される荷重を３軸方向について検出することができる。
請求項５記載の多軸荷重センサによれば、４つのセンサ部よって、可動部に印加される２軸方向の荷重を、２個を１組とする２組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができ、検出精度を更に向上させることができる。
【００２４】
請求項６記載の多軸荷重センサによれば、６つのセンサ部によって、可動部に印加される３軸方向の荷重を、３組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができ、検出精度を向上させることができる。
【００２５】
請求項７記載の多軸荷重センサによれば、１つのセンサ部によって２軸方向に印加された荷重を検出できるので、決められた数のセンサ部でより多くの軸方向の荷重を検出することが可能となる。
【００２６】
請求項８記載の多軸荷重センサによれば、可動コアが多軸方向に変位した場合にセンサ部における磁気的なクロスカップリングの発生が防止されるので、変位量の検出精度を一層向上させることができる。
【００２７】
請求項９記載の多軸荷重センサによれば、３軸方向に印加された荷重と、各軸周りのモーメントとを、２つのセンサ部の出力の組み合わせから平均して求めることができる。
請求項１０記載の多軸荷重センサによれば、可動部に対して想定した以上の過大な荷重が印加された場合に、可動部が変位制限部材に当接することで起歪体が不可逆的に変形することを防止できるので、強度を確保して信頼性を向上させることができる。
【００２８】
請求項１１記載の多軸荷重センサによれば、可動部が各辺に沿って変位することで基部と可動部との空隙が狭まる量を、変位制限部材の厚さ寸法により調整して制限できる。
請求項１２記載の多軸荷重センサによれば、可動部が各辺と直交する方向に変位した場合の変位量を、スペーサの厚さ寸法によって容易に調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施例であり、（ａ）は多軸荷重センサの正面及び（ｂ）のＢ−Ｂ断面を１／２ずつ示す図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）は（ａ）の一部の拡大図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ｂ）の一部の拡大図
【図２】本体の正面図
【図３】本体の斜視図
【図４】ステータコアの底面図
【図５】（ａ）は１次コイルに交流信号が通電された場合に発生する磁束がステータコア及び可動コアを通る状態を示す図、（ｂ）はその等価回路図
【図６】信号入出力回路の機能ブロック図
【図７】多軸荷重センサに荷重が印加された場合の各部の信号波形図
【図８】各ＶＲセンサ部からの出力信号に基づき６分力を求めるための説明図
【図９】本発明の第２実施例を示す図１（ａ）相当図
【図１０】図８相当図
【図１１】本発明の第３実施例を示す図９相当図
【図１２】図８相当図
【図１３】本発明の第４実施例を示す図９相当図
【図１４】本発明の第５実施例を示す図４相当図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１乃至図８を参照して説明する。図２は、多軸荷重センサを構成する本体（起歪体）１の正面図、図３は同斜視図である。本体１は、正方形状の鋼材を切り出し加工することで形成されており、正方形の各辺に対応する基部２ａ〜２ｄは、固定側に取り付けられて固定される。そして、面取り加工されている４つの角部３ａ〜３ｄには、本体１をボルトなどにより取り付け固定するための取付け穴４ａ〜４ｄが形成されている。
【００３１】
各基部２ａ〜２ｄによって囲まれている本体１の中央部には、可動部５が形成されており、その可動部５は、各基部２ａ〜２ｄの中央部に形成されている第１支持部６ａ〜６ｄによって支持されている。可動部５は、中央に配置される円形部７と、その円形部７の外周部から、各基部２ａ〜２ｄに直交するように四方に延びる第２支持部８ａ〜８ｄを有している。すなわち本体１は、４か所にある第１支持部（起歪部）６ａ〜６ｄ及び可動部５の第２支持部（起歪部）８ａ〜８ｄにより、角部３ａ〜３ｄが属する４つの領域Ｚ１〜Ｚ４に区切られている。
【００３２】
各基部２ａ〜２ｄの内周側は、４つの角部３ａ〜３ｄに対応してそれぞれ直交する２辺を構成する内周辺部９ａ１及び９ｂ１，９ｂ２及び９ｃ２，９ｃ３及び９ｄ３，９ｄ４及び９ａ４を有している。そして、可動部５は、４つの第２支持部８ａ〜８ｄの間から各角部３ａ〜３ｄ側に向けて張り出すように形成され、各内周辺部９ａ１及び９ｂ１，９ｂ２及び９ｃ２，９ｃ３及び９ｄ３，９ｄ４及び９ａ４に対し、所定の空隙を以てそれぞれ平行となる２辺を有する中空正方形状の可動コア取付部１０ａ〜１０ｄを有している。
【００３３】
第１支持部６ａ〜６ｄは、各基部２ａ〜２ｄの中央部に各辺方向に沿って形成された長穴部１１ａ〜１１ｄと、可動コア取付部１０ａ〜１０ｄ並びに第２支持部８ａ〜８ｄを形成するために切り出された空間との間に残る薄い板バネ状の部材で形成されている。そして、第１支持部６の中央部が上記第２支持部８の先端部に直交してつながることで、両者は概ねＴ字型に組み合わされている。尚、第１支持部６及び第２支持部８の厚さ寸法（図面の奥行き方向寸法）は、基部２の厚さ寸法の１／３未満程度となっている。
【００３４】
可動部５の中央部は、例えばジョイスティックのような図示しない棒状の操作部材を挿入固定するための取付け穴１２が形成されている。そして、本体１の各基部２ａ〜２ｄが固定側に固定された状態で操作部材に対して荷重が印加されると、第１支持部６及び第２支持部８がその荷重に応じて弾性変形することで、可動部５の位置が変位するようになっている。尚、第１支持部６の剛性は低く、第２支持部８の剛性は第１支持部６よりも高く且つ基部２の剛性よりも低くなっている。
【００３５】
図３及び図１に示すように、本体１の角部３ａ，３ｃに対応するそれぞれの２辺部分には、後述するＶＲ（Variable Reluctance）センサ部を構成するステータコアを挿入して取付け固定するための４つの取付け穴（ステータコア取付部）１３ａ〜１３ｄが形成されている。また、それらに対応して、可動コア取付部１０ａ，１０ｃには、ＶＲセンサ部を構成する可動コアを挿入して取付け固定するための４つの取付け穴１４ａ１，１４ｂ１，１４ｃ３，１４ｄ３（図１（ａ）参照）が形成されている。更に、基部２ｂ，２ｄには、ＶＲセンサ部との電気配線を行うためのケーブルを挿入して取り付けるための挿入穴１５（図３に１５ｄのみ図示）が形成されている。
【００３６】
図１は、本体１に４個のＶＲセンサ部２１を取り付けることで多軸荷重センサ２２を構成した状態を示しており、（ａ）は正面及び（ｂ）のＢ−Ｂ断面を１／２ずつ示す図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）は（ａ）の一部の拡大図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ｂ）の一部の拡大図である。尚、図１（ａ）における左右方向をＸ軸，上下方向をＹ軸，奥行き方向をＺ軸とする。
ＶＲセンサ部２１は、ステータコア２３，１次コイル２４，２次コイル２５，可動コア２６で構成されている。また、図４は、図１（ａ）に示す底面側のセンサカバー２７と後述する基板２８とを取り外して、本体１の内部に配置されるＶＲセンサ部２１をステータ側から見た状態を示している。
【００３７】
ステータコア２３は、図４に示すように円管状をなすヨークの内周側において、９０度置きに設けられた４つの突極部２３ａ〜２３ｄを備えており、それらに１次コイル２４ａ〜２４ｄ及び２次コイル２５ａ〜２５ｄがそれぞれ巻装されている。可動コア２６は概ね円柱状であり、４つの突極部２３ａ〜２３ｄに囲まれている中心部に、それらの突極部２３ａ〜２３ｄとの間に僅かなギャップ（空隙長）を有するように挿入されており、その先端部は、上述したように取付穴１４に挿入された状態で、ボルトなどにより可動コア取付部１０（可動部５）に固定されている。尚、ステータコア２３及び可動コア２６は、例えば本体１をなす鋼材とほぼ同じ温度膨張特性の磁性体で構成されている。
【００３８】
図５は、ＶＲセンサ部２１の動作原理を説明するもので、（ａ）は１次コイル２４ａ，２４ｃに交流信号が通電された場合に発生する磁束がステータコア２３及び可動コア２６を通る状態を示し（コイル２４（ｂ，ｄ），２５（ｂ，ｄ）は省略）、（ｂ）はその等価回路を示す。１次コイル２４ａ，２４ｃに対しては、図５（ｂ）に示すように励磁用の交流電源２９より所定周波数の交流信号が与えられるが、それにより励磁されてステータコア２３及び可動コア２６を通る磁束は、ある時点で図５（ａ）に破線で示す方向となるよう、１次コイル２４ａ，２４ｃが巻装されている。
【００３９】
２次コイル２５ａ，２５ｃは、直列逆相接続となるよう巻装されており、１次コイル２４ａ，２４ｃとは、突極部２３ａと可動コア２６とのギャップδａ，突極部２３ｃと可動コア２６とのギャップδｃとを含む磁気回路を介して磁気的に結合されている。２次コイル２５ａより出力される交流信号をＶａとすると、２次コイル２５ｃより出力される交流信号Ｖｃは交流信号Ｖａの逆相となり、これらの直列出力は（Ｖａ＋Ｖｃ）である。
そして、可動コア２６が変位してギャップδａ，δｃの大小関係が変化すると、１次コイル２４ａ／２次コイル２５ａ，１次コイル２４ｃ／２次コイル２５ｃの磁気的結合状態，すなわち、磁気回路のリラクタンス（磁気抵抗）が変化するため、２次側の出力信号（Ｖａ＋Ｖｃ）も変化することになる。また、コイル２４（ｂ，ｄ），２５（ｂ，ｄ）側の動作も上記と全く同様である。
【００４０】
尚、上記のようなＶＲセンサ部２１の原理説明と同様の説明は、例えば特開昭５７−６０２１２号公報や、特開平５−５２５８８号公報などにも記載されている（但しこれらの公報では、ＶＲセンサによって回転位置を検出する場合の原理が説明されている）。また、ステータコア２３を上記のように構成すると、各軸方向について磁気的なクロスカップリングが発生することで僅かに誤差が生じるが、その影響は非常に小さく、例えば最大計測レンジの０．２％程度であるから実用上は無視することができる。
【００４１】
４個のＶＲセンサ部２１（＃１〜＃４）を本体１に取り付ける場合には、ステータコア２３の突極部２３ａ−２３ｃがなす軸、又は突極部２３ｂ−２３ｄがなす軸の何れか一方が（例えば前者とする）、基部２の辺方向に一致するようにして配置する。すると、他方の軸（後者）は、基部２の辺方向に対して直交するように配置される。
【００４２】
図１（ｄ）に示すように、ステータコア２３の下方には基板２８が配置されており、１次コイル２４，２次コイル２５の両端は、基板２８に形成されている図示しない配線パターンに接続されている。そして、これらのコイル２４，２５と外部との間における入出力信号は、基板２８に接続されるケーブル６０を介して行われる（尚、図１（ａ）にはケーブル６０を挿入穴１５に挿入した状態で固定するためのナットを示している。
【００４３】
また、可動部５と各基部２ａ〜２ｄとの間には、可動部５の最大変位量を制限するための機構が設けられている。図１（ｃ）は、可動部５のＸ軸方向変位を制限する構成部分を示しており、基部２ｃには、ボルト（支持部材，変位制限手段）３０をねじ止めするためのねじ穴３１が形成されている。可動部５の第２支持部８ｃは、第１支持部６ｃと交差して長穴部１１ｃ側に若干突出した突出部を有しており、その突出部において基部２ｃと対向する面には、上記ボルト３０の先端部を受け入れるための受入れ穴（バカ穴，凹部，変位制限手段）３２が形成されている。そして、ボルト３０は、ねじ穴３１にねじ止めされる際に、基部２ｃと上記突出部との間に配置されるリング状のスペーサ（変位制限部材，変位制限手段）３３の中空部を貫通することで、スペーサ３３を両者間に保持させる。したがって、可動部５がＸ軸方向に変位する場合の変位量は、スペーサ３３の厚さ寸法により調整・制限することができる。
【００４４】
以上のボルト３０及びスペーサ３３等で構成される変位制限手段は、その他の基部２ａ，２ｂ，２ｄにもそれぞれ設けられており、可動部５のＸ軸方向，Ｙ軸方向変位を制限するようになっている。尚、ボルト３０の径寸法と、受入れ穴３２の径寸法との差を調整することで、可動部５のＺ軸方向変位を制限することも可能である。
尚、変位制限の調整精度が不要な場合は、上記突出部の先端が基部２に当接することで最大変位量を制限できる（変位する範囲は、両者間の空隙に相当する）。すると、ボルト３０及びスペーサ３３は不要となるので、構成を簡素化できる。
【００４５】
また、図１（ｂ）及び（ｅ）には、可動部５のＺ軸方向変位をより確実に制限するための構成を示している。可動コア取付部１０ｄにおいて第２支持部８ｄに対し平行となる辺部には、矩形板状のストッパ３４が、上記スペーサ３３と同様にリング状であるスペーサ３５を介して２本のボルト３６により固定されている。その状態で、ストッパ３４の先端部は基部２ｄの一部に係るようになっている。また、本体１の背面側にも、同様の構成が配置されている。したがって、可動部５がＺ軸方向に変位する場合の変位量は、スペーサ３５の厚さ寸法により調整・制限することができる。以上のストッパ３４及びスペーサ３５等で構成される変位制限手段は、その他の可動コア取付部１０ａ，１０ｂ，１０ｃにもそれぞれ設けられており、可動部５のＺ軸方向変位を制限するようになっている。
【００４６】
この場合も、変位制限の調整精度が不要であれば、可動コア取付部１０と基部２とが対向する面の空隙寸法に応じて、可動部５の最大変位を制限できる。すなわち、Ｚ軸方向変位が大きくなると可動コア取付部１０の対向面の角が可動部５側に当接することで、最大変位量が制限される。
そして、上述したように可動部５の最大変位量を制限することで、最大に変位した場合でも、可動コア２６が突極部２３ａ〜２３ｄと直接接触しない程度のギャップが確保されるように設定されている。
【００４７】
図６は、多軸荷重センサ２２にケーブル６０を介して接続される信号入出力回路４１の機能ブロック図である。１次ＳＩＮ電圧発生回路４２は、図５（ｂ）に示す交流電源２９と同様に、１次コイル２４に対して交流信号（ＳＩＮ波）ＶREFを出力する。２次信号入力回路４３は、２次コイル２５より出力される信号（Ｖａ＋Ｖｃ），（Ｖｂ＋Ｖｄ）を増幅して、次段の同期検波回路４４に出力する。同期検波回路４４は、１次ＳＩＮ電圧発生回路４２より交流信号ＶREFが与えられ、２次信号入力回路４３より出力される信号を同期検波すると次段の整流回路４５に出力する。整流回路４５は、第１軸方向変位量に対応する直流信号ＶOUT＿１と、第２軸方向変位量に対応する直流信号ＶOUT＿２とを出力する。
【００４８】
次に、本実施例の作用について図７及び図８も参照して説明する。本体１は、基部２側が固定された状態で可動部５に対してＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の荷重が印加されると、可動部５がその荷重の大きさに応じて各軸方向に変位する。また、可動部５に対してＸ，Ｙ，Ｚの各軸周りのモーメントが印加された場合も、可動部５は変位を生じる。
例えば、可動部５に対してＸ軸方向の荷重が印加された場合を想定する。この場合の荷重は、主としてＹ軸方向に位置する支持部６ｂ及び８ｂと、支持部６ｄ及び８ｄとに加わる。この時、第１支持部６ｂ及び６ｄは引張り・圧縮荷重を受け、第２支持部８ｂ及び８ｄは曲げ荷重を受けるが、前者の引張り・圧縮荷重に対する相対剛性に対して、後者の曲げ荷重に対する相対剛性の方がより小さくなる。
【００４９】
またこの時、Ｘ軸方向に位置する支持部６ａ及び８ａと、支持部６ｃ及び８ｃとに着目すると、第１支持部６ａ及び６ｃは曲げ荷重を受け、第２支持部８ａ及び８ｃは引張り・圧縮荷重を受けることになり、相対剛性の関係が上記と逆転する。すなわち、第１支持部６ａ及び６ｃの低い相対剛性が支配的であり、これらは実質的に、荷重に対する応力の発生には関与しないと言える。結果として、Ｘ軸方向の荷重に対しては、第２支持部８ｂ及び８ｄが受ける曲げ荷重に対する応力に応じて可動部５のＸ軸方向変位が生じることになる。
【００５０】
Ｙ軸方向の荷重については、上記の説明とＸ，Ｙの関係が逆になる。そして、第１支持部６は曲げ荷重に対する剛性が極めて低いため、第１支持部６と第２支持部８との交点が回転中心となって弱いバネ効果を持つヒンジとして機能する。また、Ｚ軸方向の荷重については、４か所の支持部６及び８により荷重を均等に分担することになり、それらはいずれも上述したヒンジとして機能する。更に、Ｚ軸周りモーメントＭｚが印加されると、そのモーメント荷重はＸ軸，Ｙ軸の荷重経路を均等に経由する。
【００５１】
図７は、荷重センサ１に荷重が印加されて、突極部２３と可動コア２６とのギャップδａ，δｃの大小関係が変化した場合における、各部の信号波形を示している（図５に対応した説明である）。図７（ａ）に示すように、信号入出力回路３１より荷重センサ２２の１次コイル２４ａ，２４ｃに入力される交流信号ＶREFは、常に周波数が一定で且つ振幅の最大値が一定となっている。
そして、ケース（Ａ）のように可動部５に荷重が印加されておらず、ギャップ（δａ＝δｃ）である場合は、図７（ｂ）に示すように、２次コイル２５ａより出力される正相信号Ｖａと、２次コイル２５ｃより出力される逆相信号Ｖｃとの振幅は等しいので、それらの合成信号（Ｖａ＋Ｖｃ）はゼロになる（図７（ｃ）参照）。したがって、信号入出力回路４１より出力される信号ＶOUT＿１もゼロレベルとなる（図７（ｆ）参照）。
【００５２】
この状態から、ケース（Ｂ）のように可動部５に荷重が印加されて、両ギャップの大小関係が（δａ＞δｃ）になると、図７（ｂ）に示すように、２次コイル２５ａより出力される正相信号Ｖａの振幅はより小さく、２次コイル２５ｃより出力される逆相信号Ｖｃの振幅はより大きくなるように変化する。すると、それらの合成信号（Ｖａ＋Ｖｃ）は、逆相信号Ｖｃの振幅を僅かに小さくしたものとなり（図７（ｃ）参照）、その信号を同期検波した出力は、ゼロレベルに対して負側となる成分が抽出される（図７（ｄ）参照）。したがって、その成分を整流・平滑した信号ＶOUTは、ゼロレベルを下回るように出力される（図７（ｆ）参照）。
【００５３】
一方、ケース（Ｃ）のように、ケース（Ｂ）とは逆方向となる荷重が印加されて、両ギャップの大小関係が（δａ＜δｃ）になると、各信号の大小関係も逆転する。すなわち、図７（ｂ）に示すように、正相信号Ｖａの振幅はケース（Ａ）を基準としてより大きく、逆相信号Ｖｃの振幅はより小さくなるように変化するので、それらの合成信号（Ｖａ＋Ｖｃ）は、正相信号Ｖａの振幅を僅かに小さくしたものとなり（図７（ｃ）参照）、その信号を同期検波した出力は、ゼロレベルに対して正側となる成分が抽出される（図７（ｄ）参照）。したがって、その成分を整流・平滑した信号ＶOUT＿１は、ゼロレベル上回るように出力される（図７（ｆ）参照）。
【００５４】
尚、実際に信号入出力回路４１より出力される信号ＶOUT＿１は単一電源Ｖｐによるので、図７に示す「ゼロレベル」は、グランドレベルと電源電圧Ｖｐとの中間レベルに設定される。そして、もう１方の軸方向に沿った変位に応じて出力される合成信号（Ｖｂ＋Ｖｄ）についても、上記と同様の原理で変化する。
【００５５】
また、この場合、可動部５に印加される荷重の大きさに応じて可動コア２６が変位する特性は線形を示す。したがって、信号入出力回路４１より出力される信号ＶOUTに本体１の変形応力に応じた係数を乗じれば、可動部５の１軸方向に印加された荷重を得ることができる。そして、４つのＶＲセンサ部２１（＃１〜＃４）より出力される信号ＶOUTをＡ／Ｄ変換し、そのデータをマイクロコンピュータに与えて図８に示すように処理することで、可動部５に印加された荷重を、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の分力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、それらの各軸回りのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６分力成分にそれぞれ分けて求めることができる。
【００５６】
ＶＲセンサ部２１において、ステータコア２３の突極部２３ａ−２３ｃがなす軸を第１軸，突極部２３ｂ−２３ｄがなす軸を第２軸と称する。すると、４つのＶＲセンサ部２１（＃１〜＃４）より出力される各軸方向の出力信号Ｖout＿１，Ｖout＿２は、可動部５の変位量を以下の各軸方向について示すことになる。
ＶＲセンサ部２１ Ｖout＿１ Ｖout＿２
＃１ Ｙ Ｚ
＃２ Ｘ Ｚ
＃３ Ｙ Ｚ
＃４ Ｘ Ｚ
【００５７】
そして、図８（ａ）に示す２つの縦軸方向の太線は、ＶＲセンサ部２１（＃１，＃３）のＹ軸成分信号を表しており、それらの加算平均［（＃１Ｙ＋＃３Ｙ）／２］がＹ軸方向分力Ｆｙに比例し、それらの減算結果［＃１Ｙ−＃３Ｙ］がＺ軸周りのモーメントＭｚに比例することを示している。また、図８（ｂ）に示す２つの縦軸方向の太線は、ＶＲセンサ部２１（＃１，＃３）のＺ軸成分信号を表しており、それらの加算平均［（＃１Ｚ＋＃３Ｚ）／２］がＺ軸方向分力Ｆｚに比例し、それらの減算結果［＃１Ｚ−＃３Ｚ］がＸ軸周りのモーメントＭｘに比例することを示している。
【００５８】
例えば、ＶＲセンサ部２１（＃１，＃３）は、本体１の中心に対して対象となる位置に配置されており、Ｙ軸方向分力Ｆｙ及びＺ軸周のモーメントＭｚが印加されている場合、Ｙ軸成分信号＃１，＃３は以下のようになる。
＃１Ｙ＝Ｋｆｙ×Ｆｙ＋Ｋｍｚ×Ｍｚ
＃３Ｙ＝Ｋｆｙ×Ｆｙ−Ｋｍｚ×Ｍｚ
尚、Ｋｆｙ，Ｋｍｚは、荷重に対する比例係数である。これらの式より、分力Ｆｙ，モーメントＭｚを個別に求めれば、上記の通りになる。
【００５９】
同様に、図８（ｃ）はＶＲセンサ部２１（＃２，＃４）のＸ軸成分信号の加算平均［（＃２Ｘ＋＃４Ｘ）／２］がＸ軸方向分力Ｆｘに比例し、それらの減算結果［＃２Ｘ−＃４Ｘ］がＺ軸周りのモーメントＭｚに比例することを示し、図８（ｄ）は同Ｚ軸成分信号の加算平均［（＃２Ｚ＋＃４Ｚ）／２］がＺ軸方向分力Ｆｚに比例し、それらの減算結果［＃２Ｚ−＃４Ｚ］がＹ軸周りのモーメントＭｙに比例することを示している。
尚、以上では、Ｚ軸方向分力ＦｚとＺ軸周りモーメントＭｚとが重複して得られているが、何れか一方を採用しても良いし、両者の加算平均を結果として出力しても良い。そして、上記のマイクロコンピュータにより６分力成分を求めて、例えば荷重の数値（即値）を表示器等に表示させるなどする。
【００６０】
以上のように本実施例によれば、正方形状の４辺をなす基部２ａ〜２ｄにより囲まれる内周部に可動部５を形成し、その可動部５を、基部２に対して弾性変形する起歪部，すなわち支持部６及び８により四方より支持するように本体１を構成する。そして、本体１の角部３ａ，３ｃをなす直交する２辺にＶＲセンサ部２１をそれぞれ２個ずつ配置して、これら４つのＶＲセンサ部２１（＃１〜＃４）が有する２次コイル２５より、可動部５の変位量に応じて変化する交流信号を出力するようにした。
【００６１】
具体的には、ＶＲセンサ部２１を構成する、１次コイル２４及び２次コイル２５を備えたステータコア２３を基部３側、可動コア２６を可動部５側にそれぞれ配置し、可動部５に荷重が加わり変位が生じると、ステータコア２３側のコイル２４及び２５と可動コア２６との位置関係を変化させ、１次コイル２４に周波数及び最大振幅が一定の正弦波信号を与えて１次コイル２４が発生した磁束に対して作用する磁気抵抗を変化させ、それに応じて２次コイル２５より出力される交流信号の変化が、印加された荷重に相当するようにした。
【００６２】
すなわち、２次コイル２５より出力される交流信号（Ｖａ＋Ｖｃ）から可動部５に印加された荷重の大きさを得ることができるので、従来技術とは異なり、歪みゲージやブリッジ回路を使用することなく荷重を検出できる。したがって、測定環境の温度や、歪みゲージの取り付け位置に応じた補正を行う必要がなく、簡単な構成で高精度の荷重検出を行うことができる。そして、多軸荷重センサ２２の全体を小型化することができる。
また、歪みゲージを接着によって取り付けるような構成部分がなく、ＶＲセンサ部２１は、本体１に対して機械的に圧入結合されるので、信頼性や耐環境性を向上させることができる。更に、支持部６及び８からなる起歪部の微小変位（微小歪み）を検出できるので、使用時の応力を、本体１をなす材料の降伏点に比較して十分低くでき、過荷重に対する余裕も大きくとることができる。
【００６３】
また、基部２と可動部５との間にリング状のスペーサ３３を配置し、基部２側より挿入され、スペーサ３３の中空部を貫通して先端部が可動部５側に設けられた受入れ穴３２に到達するように配置されるボルト３３とで変位制限機構を構成したので、可動部５が各辺に沿って変位することで基部２と可動部５との空隙が狭まる量を制限し、可動部５に対して想定した以上の過大な荷重が印加された場合に、本体１が不可逆的に変形することを防止して、荷重センサ２２の強度を確保して信頼性を向上させることができる。
更に、可動部５の両面側に、スペーサ３５を介してボルト３６により固定されるストッパ３４を備え、そのストッパ３４の先端部が、基部２側に係るように配置して変位制限機構を構成したので、可動部５がＺ軸方向に変位した場合の変位量を、スペーサ３５の厚さ寸法により調整できる。
【００６４】
（第２実施例）
図９及び図１０は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施例の多軸荷重センサ５１は、本体（起歪体）５２と、８個のＶＲセンサ部２１とで構成されている。本体５２には、可動部５の可動コア取付部１０ａ，１０ｃとは異なる対角線上に位置する可動コア取付部１０ｂ，１０ｄにも、ＶＲセンサ部２１がそれぞれ２個ずつ配置されている。そして、各ＶＲセンサ部２１との電気的接続を図るためのケーブル６０は、各基部２ａ〜２ｄにおいて、２個のＶＲセンサ部２１が配置されている位置の間に１つずつ設けられている（図９では、＃４，＃８に対応するケーブル６０のみ示す）。
【００６５】
次に、第２実施例の作用について図１０も参照して説明する。８つのＶＲセンサ部２１（＃１〜＃８）より出力される各軸方向の出力信号Ｖout＿１，Ｖout＿２は、可動部５の変位量を以下の各軸方向について示すことになる。
ＶＲセンサ部２１ Ｖout＿１ Ｖout＿２
＃１ Ｙ Ｚ
＃２ Ｘ Ｚ
＃３ Ｙ Ｚ
＃４ Ｘ Ｚ
＃５ Ｙ Ｚ
＃６ Ｘ Ｚ
＃７ Ｙ Ｚ
＃８ Ｘ Ｚ
【００６６】
そして、図１０（ａ）に示す２つの縦軸方向太線は、ＶＲセンサ部２１（＃１，＃３）のＹ軸成分信号を表しており、それらの加算平均［（＃１Ｙ＋＃３Ｙ）／２］がＹ軸方向分力Ｆｙに比例し、それらの減算結果［＃１Ｙ−＃３Ｙ］がＺ軸周りのモーメントＭｚに比例することを示している。
同様に、図１０（ｂ）に示す２つの縦軸方向矢印は、ＶＲセンサ部２１（＃１，＃３）のＺ軸成分信号を表しており、それらの加算平均［（＃１Ｚ＋＃３Ｚ）／２］がＺ軸方向分力Ｆｚに比例し、それらの減算結果［＃１Ｚ−＃３Ｚ］がＸ軸周りのモーメントＭｘに比例することを示している。
【００６７】
また、図１０（ｃ）はＶＲセンサ部２１（＃２，＃４）のＸ軸成分信号の加算平均［（＃２Ｘ＋＃４Ｘ）／２］がＸ軸方向分力Ｆｘに比例し、それらの減算結果［＃２Ｘ−＃４Ｘ］がＺ軸周りのモーメントＭｚに比例することを示し、図１０（ｄ）は同Ｚ軸成分信号の加算平均［（＃２Ｚ＋＃４Ｚ）／２］がＺ軸方向分力Ｆｚに比例し、それらの減算結果［＃２Ｚ−＃４Ｚ］がＹ軸周りのモーメントＭｙに比例することを示している。
【００６８】
以上のように第２実施例によれば、本体５２における４つの角部３ａ〜３ｄを成す直交する２辺のそれぞれにＶＲセンサ部２１を配置し、それら８つのセンサ部２１が有する２次コイル２５より、可動部５の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成したので、上述した６分力のそれぞれを、２つのＶＲセンサ部２１の出力の組み合わせから平均して求めることができ、荷重の検出精度を一層向上させることができる。
【００６９】
（第３実施例）
図１１及び図１２は本発明の第３実施例を示すものであり、第２実施例と異なる部分について説明する。第３実施例の多軸荷重センサ５３は、第２実施例の多軸荷重センサ５１より２個のＶＲセンサ部２１（＃７，＃８）を除去したもので、本体５４は、それに応じて対応する取付け穴１３や挿入穴１５が除去されている。この場合、ＶＲセンサ部は、必ずしも第１及び第２実施例と同様に、ステータコア２３の突極部２３ａ〜２３ｄ，１次コイル２４ａ〜２４ｄ，２次コイル２５ａ〜２５ｄを全て備える必要はない。第１実施例の図５に示したように、突極部２３ａ及び２３ｃ，１次コイル２４ａ及び２４ｃ，２次コイル２５ａ及び２５ｃだけを備えたＶＲセンサ部２１’であっても良く、この場合でも、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向分力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出が可能となる。
【００７０】
ただし、ＶＲセンサ部２１’（＃２，＃４）をＸ軸方向の変位検出用とし、ＶＲセンサ部２１’（＃１，＃３）をＹ軸方向の変位検出用とし、ＶＲセンサ部２１’（＃５，＃６）をＺ軸方向の変位検出用とした場合、ＶＲセンサ部２１’（＃５，＃６）については、突極部２３ａ及び２３ｃに沿う軸方向が、基部２ａ，２ｃの辺方向と直交するようにしてステータコア２３を配置する。
【００７１】
次に、第３実施例の作用について図１２も参照して説明する。第３実施例の多軸荷重センサ５３では、ＶＲセンサ部２１’（＃２，＃４）が出力する信号＃２Ｘ，＃４Ｘの加算平均よりＸ軸方向分力Ｆｘを求め、ＶＲセンサ部２１’（＃１，＃３）が出力する信号＃１Ｙ，＃３Ｙの加算平均よりＹ軸方向分力Ｆｙを求め、ＶＲセンサ部２１’（＃５，＃６）が出力する信号＃５Ｚ，＃６Ｚの加算平均よりＺ軸方向分力Ｆｚを求めることができる。
以上のように第３実施例によれば、６つのＶＲセンサ部２１によって、可動部５に印加される３軸方向の荷重Ｆｚ，Ｆｙ，Ｆｚを、３組のＶＲセンサ部２１’より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができる。
【００７２】
（第４実施例）
図１３は本発明の第４実施例を示すものであり、第１実施例と異なる部分について説明する。第４実施例の多軸荷重センサ５５は、第１実施例の多軸荷重センサ２２より、２個のＶＲセンサ部２１（＃１，＃２）を除去したもので、本体（起歪体）５６は、それに応じて対応する取付け穴１３や挿入穴１５が除去されている。斯様な構成でも第３実施例と同様に、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向分力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出が可能となる。
【００７３】
次に第４実施例の作用について説明する。第４実施例では、第１実施例のように全ての分力について２つのＶＲセンサ部２１からの出力を平均して求めることはしない。したがって、Ｘ軸方向分力Ｆｘについては、ＶＲセンサ部２１（＃４）の出力Ｖout＿１：＃４Ｘのみに基づいて求め、Ｙ軸方向分力Ｆｙについては、ＶＲセンサ部２１（＃３）の出力Ｖout＿１：＃３Ｙのみに基づいて求める。そして、Ｚ軸方向分力Ｆｚについては、ＶＲセンサ部２１（＃３，＃４）の各出力Ｖout＿２：＃３Ｚ，＃４Ｚの２つが得られるので、それらの加算平均に基づいて求めるようにする。
以上のように第４実施例によれば、２つのＶＲセンサ部２１からの出力によって、各軸方向荷重Ｆｚ，Ｆｙ，Ｆｚを求めることができる。
【００７４】
（第５実施例）
図１４は本発明の第５実施例を示すものであり、第１実施例と異なる部分について説明する。図１４は図４相当図であり、第５実施例のＶＲセンサ部５７は、第１実施例のＶＲセンサ部２１と同様に、可動側の変位量を２軸方向について検出するもので、ステータコア２３’における突極部２３ａ’〜２３ｄ’が、可動コア２６’と対向する部位の面形状が、第１実施例のように円弧をなす曲面ではなく、平面をなすように形成されている。また、可動コア２６’が突極部２３ａ’〜２３ｄ’と対向する部分も同様に平面をなすように形成されており、突極部２３ａ’〜２３ｄ’と可動コア２６とがなす各部の検出ギャップδａ〜δｄは、何れも平行をなしている。
【００７５】
上記のように構成することで、検出ギャップδａ〜δｄは、ステータコア２３’と可動コア２６’との対向面が平行を維持した状態で変化するようになり、可動側が変位した場合に、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向との間における磁気的なクロスカップリングの発生が防止される。したがって、変位量の検出精度をより一層向上させることができる。
【００７６】
本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
ストッパ３４，スペーサ３５，ボルト３６より構成される変位制限手段を、基部２側に固定しても良い。
変位制限手段については、必要に応じて設ければ良い。
第３実施例において、３軸方向荷重Ｆｚ，Ｆｙ，Ｆｚを、２個のＶＲセンサ部２１の出力を平均して求める必要がない場合には、ＶＲセンサ部２１を３個のみ（例えば＃１，＃２，＃５）配置すれば良い。
本体１の具体的構成も一例であり、少なくとも基部，起歪部，可動部を備えており、ＶＲセンサ部を取り付け可能に構成されていれば、その他の詳細部分については個別の設計に応じて適宜変更して良い。
【符号の説明】
【００７７】
図面中、１は本体（起歪体）、２は基部、５は可動部、６は第１支持部（起歪部）、８は第２支持部（起歪部）、１０は可動コア取付部、１３は取付け穴（ステータコア取付部）、２１，２１’はＶＲセンサ部、２２は多軸荷重センサ、２３はステータコア、２３ａ〜２３ｄは突極部、２４は１次コイル、２５は２次コイル、２６は可動コア、３０はボルト（支持部材，変位制限手段）、３２は受入れ穴（凹部，変位制限手段）、３３はスペーサ（変位制限部材，変位制限手段）、３４はストッパ（変位制限手段）、３５はストッパ（変位制限部材，変位制限手段）、５１は多軸荷重センサ、５２は本体（起歪体）、５３は多軸荷重センサ、５４は本体（起歪体）、５５は多軸荷重センサ、５６は本体（起歪体）、５７はＶＲセンサ部を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動部に対し複数軸方向に印加される荷重に応じて基部との相対位置が変位するように形成される起歪体を用い、前記荷重を検出する多軸荷重センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車や航空機などの移動体を構成する部品であるタイヤなどの運動体について、運動状態を風洞試験やベンチ試験などで計測する場合には、同時に複数の軸方向に作用する荷重（例えばＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向や、各軸周りに作用するモーメント等）を測定する荷重センサが使用される。或いは、操縦者がジョイスティックを操作した場合に、ジョイスティックに作用した力を検出して操縦指令信号を出力する場合にも、同様な荷重センサが使用される。
【０００３】
従来の荷重センサは、一般に、印加される荷重に応じて起歪部に生じる局部的な歪み量を歪みゲージの抵抗値の変化として、ホイットストーンブリッジ回路により検出する構成のセンサなどが採用されることが多い（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０１８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のように構成される荷重センサには以下のような問題があった。すなわち、歪みゲージの抵抗値変化を検出するので、測定環境の温度が変化する場合には、それに応じて抵抗値を補正する必要がある。また、歪みゲージを取り付ける位置の誤差が出力誤差に直結するので、取り付け後において、最終的に得られる出力結果についても補正を行う必要がある。
そして、基本的には１軸方向に作用する荷重を検出するセンサであるため、複数軸方向に作用する荷重を検出するには複数の荷重センサを組み合わせて用いるしかなく、全体が大型化してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡単な構成で複数軸方向に作用する荷重を高精度に検出できる多軸荷重センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１記載の多軸荷重センサは、外周部が基部として固定され、中心部に形成される可動部が前記基部に対して弾性変形する起歪部によって四方より支持され、前記可動部に対し複数軸方向に印加される荷重に応じて前記基部との相対位置が変位するように形成される起歪体と、
前記基部に配置され、ヨーク部の内周側で互いに対向する位置に２つの突極部を有するステータコアと、前記突極部に巻装されて所定の交流信号が入力される１次コイルと、この１次コイルと共に前記突極部に巻装される２次コイルと、前記可動部に固定され、前記１次コイルが発生する磁束が通る磁気回路を前記ステータコアと共に形成し、前記可動部の変位に伴い前記突極部との間の空隙長が変化するように配置される可動コアとを備えてなるセンサ部とを備え、
前記基部は、前記起歪部の位置で区分される４つの領域の１つに、直交する２辺を備えたステータ取付部を有し、
前記可動部は、前記ステータ取付部側に延設され、前記２辺に対してそれぞれ平行となる２辺を備えた可動コア取付部を有し、
前記ステータコアを前記ステータ取付部に取り付けると共に、前記可動コアを前記可動コア取付部に取り付けて、２つのセンサ部を前記２辺にそれぞれ配置し、
前記２つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする。
【０００８】
斯様に構成すれば、起歪体の可動部に荷重が加わることで基部との相対位置が変化すると、ステータコアに巻装されているコイルと可動コアとの間の空隙長が変化するので、１次コイルが発生させた磁束に対して作用する磁気抵抗が変化する。その結果、２次コイルより出力される交流信号も変化するので、その信号変化は、印加された荷重に応じて可動部に生じた変位量に相当する。したがって、２次コイルより出力される交流信号から、可動部に印加された荷重の大きさを得ることができる。そして、２つのセンサ部を、起歪体の１つの角部における２辺に配置することで、可動部に対して印加される荷重を、各辺部に沿った方向に分けて検出することができる。
【０００９】
この場合、請求項２に記載したように、前記起歪部を、剛性が比較的低い第１支持部と、剛性が前記第１支持部よりも高く且つ前記基部よりも低い第２支持部とを互いに直交する状態で組み合わせて構成すると良い。斯様に構成すれば、起歪部により４か所で支持されている可動部に対し、基部の辺方向に沿って互いに異なる軸方向の荷重が印加された場合でも、その荷重に対する相対剛性がより高くなる方の支持部がある側において、応力が発生するようになる。
【００１０】
また、請求項３に記載したように、前記起歪部を、前記第１支持部を前記基部側に、当該基部が延設されている方向と平行に配置すると共に、前記第２支持部を前記可動部側に配置して、前記第１支持部の中央部と前記第２支持部の先端部とが連続することでＴ字型に構成するのが好ましい。斯様に構成すれば、上述したように、可動部に対し基部の辺方向に沿って互いに異なる軸方向の荷重が印加された場合に、その荷重の方向と直交する方向に配置されている起歪部において曲げ応力が発生するようになる。
【００１１】
この場合、請求項４に記載したように、前記起歪体に対し、前記４つの領域の他の１つに、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部に、前記センサ部を更に１つ、前記ステータコアの突極部が前記２辺と直交する方向に配置し、
前記３つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成しても良い。斯様に構成すれば、第３のセンサ部によって、可動部に対して各辺部と直交する方向に印加される荷重を検出することができる。
【００１２】
また、請求項５に記載したように、前記起歪体に対し、前記２つのセンサ部が配置されている領域の対角線上に位置する領域にも、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部の２辺に、前記センサ部を更に２つ配置し、
前記４つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成すると良い。斯様に構成すれば、可動部に印加される２軸方向の荷重を、２個を１組とする２組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができる。
【００１３】
また、請求項６に記載したように、前記起歪体において、他の２つの領域にも前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部の１辺に、前記センサ部を対称となるようにそれぞれ配置し、
前記６つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成しても良い。斯様に構成すれば、可動部に印加される３軸方向の荷重を、３組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができる。
【００１４】
また、これらの場合、請求項７に記載したように、前記センサ部に、前記ステータコアに、前記２つの突極部が配置されている方向と直交する方向にも、前記１次コイル及び前記２次コイルが券装された２つの突極部を備えると良い。斯様に構成すれば、１つのセンサ部によって２軸方向に印加された荷重を検出できるので、請求項１のようにセンサ部が２つの場合でも３軸方向の荷重を検出したり、請求項３のようにセンサ部が４つの場合には、３軸方向の荷重に加えて各軸周りのモーメントについても（計６分力）検出が可能となる。
【００１５】
また、請求項８に記載したように、前記センサ部を、前記突極部と前記可動コアとが対向する部位の形状をそれぞれ平面に形成し、両者の対向面が平行をなすように配置するのが好ましい。斯様に構成すれば、ステータコアの突極部と可動コアとの対向面が平行を維持した状態で両者間の空隙が変化するようになり、可動コアが多軸方向に変位した場合に磁気的なクロスカップリングの発生が防止される。
【００１６】
そして、請求項９に記載したように、前記起歪体における前記４つの領域の全てに、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記センサ部を、前記各取付部の各辺にそれぞれ配置し、
前記８つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成すれば、上述した６分力のそれぞれを、２つのセンサ部の出力の組み合わせから平均して求めることができる。
【００１７】
以上の場合において、請求項１０に記載したように、前記起歪体に、前記可動部の変位量を制限する変位制限手段を配置するのが好ましい。斯様に構成すれば、可動部に対して想定した以上の過大な荷重が印加された場合に、可動部が変位制限部材に当接することで起歪体が不可逆的に変形することを防止できる。
【００１８】
この場合、請求項１１に記載したように、前記変位制限手段を、前記基部と前記可動部との間に配置され、中空部を有する変位制限部材と、前記基部側より挿入され、前記変位制限部材の中空部を貫通して先端部が前記可動部側に設けられた凹部に到達するように配置される支持部材とで構成すると良い。斯様に構成すれば、可動部が各辺に沿って変位することで基部と可動部との空隙が狭まる量を、変位制限部材により制限できる。
【００１９】
また、請求項１２に記載したように、前記変位制限手段に、前記基部，前記可動部の何れか一方の両面側に、スペーサを介して固定される変位制限部材を備え、前記変位制限部材の先端部が、前記基部，前記可動部の他方側に係るように配置しても良い。斯様に構成すれば、可動部が各辺と直交する方向に変位した場合の変位量を、スペーサの厚さ寸法により調整できる。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１記載の多軸荷重センサによれば、歪みゲージやブリッジ回路を使用することなく、可動部に印加された荷重を複数軸方向について検出できるので、測定環境の温度や、歪みゲージの取り付け位置に応じた補正を行う必要がなく、簡単な構成で高精度の荷重検出を行うことができる。また、センサ全体を小型化することができる。
【００２１】
請求項２記載の多軸荷重センサによれば、可動部に対し、基部の辺方向に沿って互いに異なる軸方向の荷重が印加された場合でも、その荷重に対する相対剛性がより高くなる方の支持部がある側で応力を発生させることができ、起歪体による荷重応力の発生形態を単純化して設計を容易にすることができる。
【００２２】
請求項３記載の多軸荷重センサによれば、可動部に対し基部の辺方向に沿って互いに異なる軸方向の荷重が印加された場合に、その荷重の方向と直交する方向に配置されている起歪部において曲げ応力を発生させることができるので、設計を一層容易にすることができる。
【００２３】
請求項４記載の多軸荷重センサによれば、３つのセンサ部よって、可動部に対して印加される荷重を３軸方向について検出することができる。
請求項５記載の多軸荷重センサによれば、４つのセンサ部よって、可動部に印加される２軸方向の荷重を、２個を１組とする２組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができ、検出精度を更に向上させることができる。
【００２４】
請求項６記載の多軸荷重センサによれば、６つのセンサ部によって、可動部に印加される３軸方向の荷重を、３組のセンサ部より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができ、検出精度を向上させることができる。
【００２５】
請求項７記載の多軸荷重センサによれば、１つのセンサ部によって２軸方向に印加された荷重を検出できるので、決められた数のセンサ部でより多くの軸方向の荷重を検出することが可能となる。
【００２６】
請求項８記載の多軸荷重センサによれば、可動コアが多軸方向に変位した場合にセンサ部における磁気的なクロスカップリングの発生が防止されるので、変位量の検出精度を一層向上させることができる。
【００２７】
請求項９記載の多軸荷重センサによれば、３軸方向に印加された荷重と、各軸周りのモーメントとを、２つのセンサ部の出力の組み合わせから平均して求めることができる。
請求項１０記載の多軸荷重センサによれば、可動部に対して想定した以上の過大な荷重が印加された場合に、可動部が変位制限部材に当接することで起歪体が不可逆的に変形することを防止できるので、強度を確保して信頼性を向上させることができる。
【００２８】
請求項１１記載の多軸荷重センサによれば、可動部が各辺に沿って変位することで基部と可動部との空隙が狭まる量を、変位制限部材の厚さ寸法により調整して制限できる。
請求項１２記載の多軸荷重センサによれば、可動部が各辺と直交する方向に変位した場合の変位量を、スペーサの厚さ寸法によって容易に調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施例であり、（ａ）は多軸荷重センサの正面及び（ｂ）のＢ−Ｂ断面を１／２ずつ示す図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）は（ａ）の一部の拡大図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ｂ）の一部の拡大図
【図２】本体の正面図
【図３】本体の斜視図
【図４】ステータコアの底面図
【図５】（ａ）は１次コイルに交流信号が通電された場合に発生する磁束がステータコア及び可動コアを通る状態を示す図、（ｂ）はその等価回路図
【図６】信号入出力回路の機能ブロック図
【図７】多軸荷重センサに荷重が印加された場合の各部の信号波形図
【図８】各ＶＲセンサ部からの出力信号に基づき６分力を求めるための説明図
【図９】本発明の第２実施例を示す図１（ａ）相当図
【図１０】図８相当図
【図１１】本発明の第３実施例を示す図９相当図
【図１２】図８相当図
【図１３】本発明の第４実施例を示す図９相当図
【図１４】本発明の第５実施例を示す図４相当図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１乃至図８を参照して説明する。図２は、多軸荷重センサを構成する本体（起歪体）１の正面図、図３は同斜視図である。本体１は、正方形状の鋼材を切り出し加工することで形成されており、正方形の各辺に対応する基部２ａ〜２ｄは、固定側に取り付けられて固定される。そして、面取り加工されている４つの角部３ａ〜３ｄには、本体１をボルトなどにより取り付け固定するための取付け穴４ａ〜４ｄが形成されている。
【００３１】
各基部２ａ〜２ｄによって囲まれている本体１の中央部には、可動部５が形成されており、その可動部５は、各基部２ａ〜２ｄの中央部に形成されている第１支持部６ａ〜６ｄによって支持されている。可動部５は、中央に配置される円形部７と、その円形部７の外周部から、各基部２ａ〜２ｄに直交するように四方に延びる第２支持部８ａ〜８ｄを有している。すなわち本体１は、４か所にある第１支持部（起歪部）６ａ〜６ｄ及び可動部５の第２支持部（起歪部）８ａ〜８ｄにより、角部３ａ〜３ｄが属する４つの領域Ｚ１〜Ｚ４に区切られている。
【００３２】
各基部２ａ〜２ｄの内周側は、４つの角部３ａ〜３ｄに対応してそれぞれ直交する２辺を構成する内周辺部９ａ１及び９ｂ１，９ｂ２及び９ｃ２，９ｃ３及び９ｄ３，９ｄ４及び９ａ４を有している。そして、可動部５は、４つの第２支持部８ａ〜８ｄの間から各角部３ａ〜３ｄ側に向けて張り出すように形成され、各内周辺部９ａ１及び９ｂ１，９ｂ２及び９ｃ２，９ｃ３及び９ｄ３，９ｄ４及び９ａ４に対し、所定の空隙を以てそれぞれ平行となる２辺を有する中空正方形状の可動コア取付部１０ａ〜１０ｄを有している。
【００３３】
第１支持部６ａ〜６ｄは、各基部２ａ〜２ｄの中央部に各辺方向に沿って形成された長穴部１１ａ〜１１ｄと、可動コア取付部１０ａ〜１０ｄ並びに第２支持部８ａ〜８ｄを形成するために切り出された空間との間に残る薄い板バネ状の部材で形成されている。そして、第１支持部６の中央部が上記第２支持部８の先端部に直交してつながることで、両者は概ねＴ字型に組み合わされている。尚、第１支持部６及び第２支持部８の厚さ寸法（図面の奥行き方向寸法）は、基部２の厚さ寸法の１／３未満程度となっている。
【００３４】
可動部５の中央部は、例えばジョイスティックのような図示しない棒状の操作部材を挿入固定するための取付け穴１２が形成されている。そして、本体１の各基部２ａ〜２ｄが固定側に固定された状態で操作部材に対して荷重が印加されると、第１支持部６及び第２支持部８がその荷重に応じて弾性変形することで、可動部５の位置が変位するようになっている。尚、第１支持部６の剛性は低く、第２支持部８の剛性は第１支持部６よりも高く且つ基部２の剛性よりも低くなっている。
【００３５】
図３及び図１に示すように、本体１の角部３ａ，３ｃに対応するそれぞれの２辺部分には、後述するＶＲ（Variable Reluctance）センサ部を構成するステータコアを挿入して取付け固定するための４つの取付け穴（ステータコア取付部）１３ａ〜１３ｄが形成されている。また、それらに対応して、可動コア取付部１０ａ，１０ｃには、ＶＲセンサ部を構成する可動コアを挿入して取付け固定するための４つの取付け穴１４ａ１，１４ｂ１，１４ｃ３，１４ｄ３（図１（ａ）参照）が形成されている。更に、基部２ｂ，２ｄには、ＶＲセンサ部との電気配線を行うためのケーブルを挿入して取り付けるための挿入穴１５（図３に１５ｄのみ図示）が形成されている。
【００３６】
図１は、本体１に４個のＶＲセンサ部２１を取り付けることで多軸荷重センサ２２を構成した状態を示しており、（ａ）は正面及び（ｂ）のＢ−Ｂ断面を１／２ずつ示す図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）は（ａ）の一部の拡大図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ｂ）の一部の拡大図である。尚、図１（ａ）における左右方向をＸ軸，上下方向をＹ軸，奥行き方向をＺ軸とする。
ＶＲセンサ部２１は、ステータコア２３，１次コイル２４，２次コイル２５，可動コア２６で構成されている。また、図４は、図１（ａ）に示す底面側のセンサカバー２７と後述する基板２８とを取り外して、本体１の内部に配置されるＶＲセンサ部２１をステータ側から見た状態を示している。
【００３７】
ステータコア２３は、図４に示すように円管状をなすヨークの内周側において、９０度置きに設けられた４つの突極部２３ａ〜２３ｄを備えており、それらに１次コイル２４ａ〜２４ｄ及び２次コイル２５ａ〜２５ｄがそれぞれ巻装されている。可動コア２６は概ね円柱状であり、４つの突極部２３ａ〜２３ｄに囲まれている中心部に、それらの突極部２３ａ〜２３ｄとの間に僅かなギャップ（空隙長）を有するように挿入されており、その先端部は、上述したように取付穴１４に挿入された状態で、ボルトなどにより可動コア取付部１０（可動部５）に固定されている。尚、ステータコア２３及び可動コア２６は、例えば本体１をなす鋼材とほぼ同じ温度膨張特性の磁性体で構成されている。
【００３８】
図５は、ＶＲセンサ部２１の動作原理を説明するもので、（ａ）は１次コイル２４ａ，２４ｃに交流信号が通電された場合に発生する磁束がステータコア２３及び可動コア２６を通る状態を示し（コイル２４（ｂ，ｄ），２５（ｂ，ｄ）は省略）、（ｂ）はその等価回路を示す。１次コイル２４ａ，２４ｃに対しては、図５（ｂ）に示すように励磁用の交流電源２９より所定周波数の交流信号が与えられるが、それにより励磁されてステータコア２３及び可動コア２６を通る磁束は、ある時点で図５（ａ）に破線で示す方向となるよう、１次コイル２４ａ，２４ｃが巻装されている。
【００３９】
２次コイル２５ａ，２５ｃは、直列逆相接続となるよう巻装されており、１次コイル２４ａ，２４ｃとは、突極部２３ａと可動コア２６とのギャップδａ，突極部２３ｃと可動コア２６とのギャップδｃとを含む磁気回路を介して磁気的に結合されている。２次コイル２５ａより出力される交流信号をＶａとすると、２次コイル２５ｃより出力される交流信号Ｖｃは交流信号Ｖａの逆相となり、これらの直列出力は（Ｖａ＋Ｖｃ）である。
そして、可動コア２６が変位してギャップδａ，δｃの大小関係が変化すると、１次コイル２４ａ／２次コイル２５ａ，１次コイル２４ｃ／２次コイル２５ｃの磁気的結合状態，すなわち、磁気回路のリラクタンス（磁気抵抗）が変化するため、２次側の出力信号（Ｖａ＋Ｖｃ）も変化することになる。また、コイル２４（ｂ，ｄ），２５（ｂ，ｄ）側の動作も上記と全く同様である。
【００４０】
尚、上記のようなＶＲセンサ部２１の原理説明と同様の説明は、例えば特開昭５７−６０２１２号公報や、特開平５−５２５８８号公報などにも記載されている（但しこれらの公報では、ＶＲセンサによって回転位置を検出する場合の原理が説明されている）。また、ステータコア２３を上記のように構成すると、各軸方向について磁気的なクロスカップリングが発生することで僅かに誤差が生じるが、その影響は非常に小さく、例えば最大計測レンジの０．２％程度であるから実用上は無視することができる。
【００４１】
４個のＶＲセンサ部２１（＃１〜＃４）を本体１に取り付ける場合には、ステータコア２３の突極部２３ａ−２３ｃがなす軸、又は突極部２３ｂ−２３ｄがなす軸の何れか一方が（例えば前者とする）、基部２の辺方向に一致するようにして配置する。すると、他方の軸（後者）は、基部２の辺方向に対して直交するように配置される。
【００４２】
図１（ｄ）に示すように、ステータコア２３の下方には基板２８が配置されており、１次コイル２４，２次コイル２５の両端は、基板２８に形成されている図示しない配線パターンに接続されている。そして、これらのコイル２４，２５と外部との間における入出力信号は、基板２８に接続されるケーブル６０を介して行われる（尚、図１（ａ）にはケーブル６０を挿入穴１５に挿入した状態で固定するためのナットを示している。
【００４３】
また、可動部５と各基部２ａ〜２ｄとの間には、可動部５の最大変位量を制限するための機構が設けられている。図１（ｃ）は、可動部５のＸ軸方向変位を制限する構成部分を示しており、基部２ｃには、ボルト（支持部材，変位制限手段）３０をねじ止めするためのねじ穴３１が形成されている。可動部５の第２支持部８ｃは、第１支持部６ｃと交差して長穴部１１ｃ側に若干突出した突出部を有しており、その突出部において基部２ｃと対向する面には、上記ボルト３０の先端部を受け入れるための受入れ穴（バカ穴，凹部，変位制限手段）３２が形成されている。そして、ボルト３０は、ねじ穴３１にねじ止めされる際に、基部２ｃと上記突出部との間に配置されるリング状のスペーサ（変位制限部材，変位制限手段）３３の中空部を貫通することで、スペーサ３３を両者間に保持させる。したがって、可動部５がＸ軸方向に変位する場合の変位量は、スペーサ３３の厚さ寸法により調整・制限することができる。
【００４４】
以上のボルト３０及びスペーサ３３等で構成される変位制限手段は、その他の基部２ａ，２ｂ，２ｄにもそれぞれ設けられており、可動部５のＸ軸方向，Ｙ軸方向変位を制限するようになっている。尚、ボルト３０の径寸法と、受入れ穴３２の径寸法との差を調整することで、可動部５のＺ軸方向変位を制限することも可能である。
尚、変位制限の調整精度が不要な場合は、上記突出部の先端が基部２に当接することで最大変位量を制限できる（変位する範囲は、両者間の空隙に相当する）。すると、ボルト３０及びスペーサ３３は不要となるので、構成を簡素化できる。
【００４５】
また、図１（ｂ）及び（ｅ）には、可動部５のＺ軸方向変位をより確実に制限するための構成を示している。可動コア取付部１０ｄにおいて第２支持部８ｄに対し平行となる辺部には、矩形板状のストッパ３４が、上記スペーサ３３と同様にリング状であるスペーサ３５を介して２本のボルト３６により固定されている。その状態で、ストッパ３４の先端部は基部２ｄの一部に係るようになっている。また、本体１の背面側にも、同様の構成が配置されている。したがって、可動部５がＺ軸方向に変位する場合の変位量は、スペーサ３５の厚さ寸法により調整・制限することができる。以上のストッパ３４及びスペーサ３５等で構成される変位制限手段は、その他の可動コア取付部１０ａ，１０ｂ，１０ｃにもそれぞれ設けられており、可動部５のＺ軸方向変位を制限するようになっている。
【００４６】
この場合も、変位制限の調整精度が不要であれば、可動コア取付部１０と基部２とが対向する面の空隙寸法に応じて、可動部５の最大変位を制限できる。すなわち、Ｚ軸方向変位が大きくなると可動コア取付部１０の対向面の角が可動部５側に当接することで、最大変位量が制限される。
そして、上述したように可動部５の最大変位量を制限することで、最大に変位した場合でも、可動コア２６が突極部２３ａ〜２３ｄと直接接触しない程度のギャップが確保されるように設定されている。
【００４７】
図６は、多軸荷重センサ２２にケーブル６０を介して接続される信号入出力回路４１の機能ブロック図である。１次ＳＩＮ電圧発生回路４２は、図５（ｂ）に示す交流電源２９と同様に、１次コイル２４に対して交流信号（ＳＩＮ波）ＶREFを出力する。２次信号入力回路４３は、２次コイル２５より出力される信号（Ｖａ＋Ｖｃ），（Ｖｂ＋Ｖｄ）を増幅して、次段の同期検波回路４４に出力する。同期検波回路４４は、１次ＳＩＮ電圧発生回路４２より交流信号ＶREFが与えられ、２次信号入力回路４３より出力される信号を同期検波すると次段の整流回路４５に出力する。整流回路４５は、第１軸方向変位量に対応する直流信号ＶOUT＿１と、第２軸方向変位量に対応する直流信号ＶOUT＿２とを出力する。
【００４８】
次に、本実施例の作用について図７及び図８も参照して説明する。本体１は、基部２側が固定された状態で可動部５に対してＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の荷重が印加されると、可動部５がその荷重の大きさに応じて各軸方向に変位する。また、可動部５に対してＸ，Ｙ，Ｚの各軸周りのモーメントが印加された場合も、可動部５は変位を生じる。
例えば、可動部５に対してＸ軸方向の荷重が印加された場合を想定する。この場合の荷重は、主としてＹ軸方向に位置する支持部６ｂ及び８ｂと、支持部６ｄ及び８ｄとに加わる。この時、第１支持部６ｂ及び６ｄは引張り・圧縮荷重を受け、第２支持部８ｂ及び８ｄは曲げ荷重を受けるが、前者の引張り・圧縮荷重に対する相対剛性に対して、後者の曲げ荷重に対する相対剛性の方がより小さくなる。
【００４９】
またこの時、Ｘ軸方向に位置する支持部６ａ及び８ａと、支持部６ｃ及び８ｃとに着目すると、第１支持部６ａ及び６ｃは曲げ荷重を受け、第２支持部８ａ及び８ｃは引張り・圧縮荷重を受けることになり、相対剛性の関係が上記と逆転する。すなわち、第１支持部６ａ及び６ｃの低い相対剛性が支配的であり、これらは実質的に、荷重に対する応力の発生には関与しないと言える。結果として、Ｘ軸方向の荷重に対しては、第２支持部８ｂ及び８ｄが受ける曲げ荷重に対する応力に応じて可動部５のＸ軸方向変位が生じることになる。
【００５０】
Ｙ軸方向の荷重については、上記の説明とＸ，Ｙの関係が逆になる。そして、第１支持部６は曲げ荷重に対する剛性が極めて低いため、第１支持部６と第２支持部８との交点が回転中心となって弱いバネ効果を持つヒンジとして機能する。また、Ｚ軸方向の荷重については、４か所の支持部６及び８により荷重を均等に分担することになり、それらはいずれも上述したヒンジとして機能する。更に、Ｚ軸周りモーメントＭｚが印加されると、そのモーメント荷重はＸ軸，Ｙ軸の荷重経路を均等に経由する。
【００５１】
図７は、荷重センサ１に荷重が印加されて、突極部２３と可動コア２６とのギャップδａ，δｃの大小関係が変化した場合における、各部の信号波形を示している（図５に対応した説明である）。図７（ａ）に示すように、信号入出力回路３１より荷重センサ２２の１次コイル２４ａ，２４ｃに入力される交流信号ＶREFは、常に周波数が一定で且つ振幅の最大値が一定となっている。
そして、ケース（Ａ）のように可動部５に荷重が印加されておらず、ギャップ（δａ＝δｃ）である場合は、図７（ｂ）に示すように、２次コイル２５ａより出力される正相信号Ｖａと、２次コイル２５ｃより出力される逆相信号Ｖｃとの振幅は等しいので、それらの合成信号（Ｖａ＋Ｖｃ）はゼロになる（図７（ｃ）参照）。したがって、信号入出力回路４１より出力される信号ＶOUT＿１もゼロレベルとなる（図７（ｆ）参照）。
【００５２】
この状態から、ケース（Ｂ）のように可動部５に荷重が印加されて、両ギャップの大小関係が（δａ＞δｃ）になると、図７（ｂ）に示すように、２次コイル２５ａより出力される正相信号Ｖａの振幅はより小さく、２次コイル２５ｃより出力される逆相信号Ｖｃの振幅はより大きくなるように変化する。すると、それらの合成信号（Ｖａ＋Ｖｃ）は、逆相信号Ｖｃの振幅を僅かに小さくしたものとなり（図７（ｃ）参照）、その信号を同期検波した出力は、ゼロレベルに対して負側となる成分が抽出される（図７（ｄ）参照）。したがって、その成分を整流・平滑した信号ＶOUTは、ゼロレベルを下回るように出力される（図７（ｆ）参照）。
【００５３】
一方、ケース（Ｃ）のように、ケース（Ｂ）とは逆方向となる荷重が印加されて、両ギャップの大小関係が（δａ＜δｃ）になると、各信号の大小関係も逆転する。すなわち、図７（ｂ）に示すように、正相信号Ｖａの振幅はケース（Ａ）を基準としてより大きく、逆相信号Ｖｃの振幅はより小さくなるように変化するので、それらの合成信号（Ｖａ＋Ｖｃ）は、正相信号Ｖａの振幅を僅かに小さくしたものとなり（図７（ｃ）参照）、その信号を同期検波した出力は、ゼロレベルに対して正側となる成分が抽出される（図７（ｄ）参照）。したがって、その成分を整流・平滑した信号ＶOUT＿１は、ゼロレベル上回るように出力される（図７（ｆ）参照）。
【００５４】
尚、実際に信号入出力回路４１より出力される信号ＶOUT＿１は単一電源Ｖｐによるので、図７に示す「ゼロレベル」は、グランドレベルと電源電圧Ｖｐとの中間レベルに設定される。そして、もう１方の軸方向に沿った変位に応じて出力される合成信号（Ｖｂ＋Ｖｄ）についても、上記と同様の原理で変化する。
【００５５】
また、この場合、可動部５に印加される荷重の大きさに応じて可動コア２６が変位する特性は線形を示す。したがって、信号入出力回路４１より出力される信号ＶOUTに本体１の変形応力に応じた係数を乗じれば、可動部５の１軸方向に印加された荷重を得ることができる。そして、４つのＶＲセンサ部２１（＃１〜＃４）より出力される信号ＶOUTをＡ／Ｄ変換し、そのデータをマイクロコンピュータに与えて図８に示すように処理することで、可動部５に印加された荷重を、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向の分力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、それらの各軸回りのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６分力成分にそれぞれ分けて求めることができる。
【００５６】
ＶＲセンサ部２１において、ステータコア２３の突極部２３ａ−２３ｃがなす軸を第１軸，突極部２３ｂ−２３ｄがなす軸を第２軸と称する。すると、４つのＶＲセンサ部２１（＃１〜＃４）より出力される各軸方向の出力信号Ｖout＿１，Ｖout＿２は、可動部５の変位量を以下の各軸方向について示すことになる。
ＶＲセンサ部２１ Ｖout＿１ Ｖout＿２
＃１ Ｙ Ｚ
＃２ Ｘ Ｚ
＃３ Ｙ Ｚ
＃４ Ｘ Ｚ
【００５７】
そして、図８（ａ）に示す２つの縦軸方向の太線は、ＶＲセンサ部２１（＃１，＃３）のＹ軸成分信号を表しており、それらの加算平均［（＃１Ｙ＋＃３Ｙ）／２］がＹ軸方向分力Ｆｙに比例し、それらの減算結果［＃１Ｙ−＃３Ｙ］がＺ軸周りのモーメントＭｚに比例することを示している。また、図８（ｂ）に示す２つの縦軸方向の太線は、ＶＲセンサ部２１（＃１，＃３）のＺ軸成分信号を表しており、それらの加算平均［（＃１Ｚ＋＃３Ｚ）／２］がＺ軸方向分力Ｆｚに比例し、それらの減算結果［＃１Ｚ−＃３Ｚ］がＸ軸周りのモーメントＭｘに比例することを示している。
【００５８】
例えば、ＶＲセンサ部２１（＃１，＃３）は、本体１の中心に対して対象となる位置に配置されており、Ｙ軸方向分力Ｆｙ及びＺ軸周のモーメントＭｚが印加されている場合、Ｙ軸成分信号＃１，＃３は以下のようになる。
＃１Ｙ＝Ｋｆｙ×Ｆｙ＋Ｋｍｚ×Ｍｚ
＃３Ｙ＝Ｋｆｙ×Ｆｙ−Ｋｍｚ×Ｍｚ
尚、Ｋｆｙ，Ｋｍｚは、荷重に対する比例係数である。これらの式より、分力Ｆｙ，モーメントＭｚを個別に求めれば、上記の通りになる。
【００５９】
同様に、図８（ｃ）はＶＲセンサ部２１（＃２，＃４）のＸ軸成分信号の加算平均［（＃２Ｘ＋＃４Ｘ）／２］がＸ軸方向分力Ｆｘに比例し、それらの減算結果［＃２Ｘ−＃４Ｘ］がＺ軸周りのモーメントＭｚに比例することを示し、図８（ｄ）は同Ｚ軸成分信号の加算平均［（＃２Ｚ＋＃４Ｚ）／２］がＺ軸方向分力Ｆｚに比例し、それらの減算結果［＃２Ｚ−＃４Ｚ］がＹ軸周りのモーメントＭｙに比例することを示している。
尚、以上では、Ｚ軸方向分力ＦｚとＺ軸周りモーメントＭｚとが重複して得られているが、何れか一方を採用しても良いし、両者の加算平均を結果として出力しても良い。そして、上記のマイクロコンピュータにより６分力成分を求めて、例えば荷重の数値（即値）を表示器等に表示させるなどする。
【００６０】
以上のように本実施例によれば、正方形状の４辺をなす基部２ａ〜２ｄにより囲まれる内周部に可動部５を形成し、その可動部５を、基部２に対して弾性変形する起歪部，すなわち支持部６及び８により四方より支持するように本体１を構成する。そして、本体１の角部３ａ，３ｃをなす直交する２辺にＶＲセンサ部２１をそれぞれ２個ずつ配置して、これら４つのＶＲセンサ部２１（＃１〜＃４）が有する２次コイル２５より、可動部５の変位量に応じて変化する交流信号を出力するようにした。
【００６１】
具体的には、ＶＲセンサ部２１を構成する、１次コイル２４及び２次コイル２５を備えたステータコア２３を基部３側、可動コア２６を可動部５側にそれぞれ配置し、可動部５に荷重が加わり変位が生じると、ステータコア２３側のコイル２４及び２５と可動コア２６との位置関係を変化させ、１次コイル２４に周波数及び最大振幅が一定の正弦波信号を与えて１次コイル２４が発生した磁束に対して作用する磁気抵抗を変化させ、それに応じて２次コイル２５より出力される交流信号の変化が、印加された荷重に相当するようにした。
【００６２】
すなわち、２次コイル２５より出力される交流信号（Ｖａ＋Ｖｃ）から可動部５に印加された荷重の大きさを得ることができるので、従来技術とは異なり、歪みゲージやブリッジ回路を使用することなく荷重を検出できる。したがって、測定環境の温度や、歪みゲージの取り付け位置に応じた補正を行う必要がなく、簡単な構成で高精度の荷重検出を行うことができる。そして、多軸荷重センサ２２の全体を小型化することができる。
また、歪みゲージを接着によって取り付けるような構成部分がなく、ＶＲセンサ部２１は、本体１に対して機械的に圧入結合されるので、信頼性や耐環境性を向上させることができる。更に、支持部６及び８からなる起歪部の微小変位（微小歪み）を検出できるので、使用時の応力を、本体１をなす材料の降伏点に比較して十分低くでき、過荷重に対する余裕も大きくとることができる。
【００６３】
また、基部２と可動部５との間にリング状のスペーサ３３を配置し、基部２側より挿入され、スペーサ３３の中空部を貫通して先端部が可動部５側に設けられた受入れ穴３２に到達するように配置されるボルト３３とで変位制限機構を構成したので、可動部５が各辺に沿って変位することで基部２と可動部５との空隙が狭まる量を制限し、可動部５に対して想定した以上の過大な荷重が印加された場合に、本体１が不可逆的に変形することを防止して、荷重センサ２２の強度を確保して信頼性を向上させることができる。
更に、可動部５の両面側に、スペーサ３５を介してボルト３６により固定されるストッパ３４を備え、そのストッパ３４の先端部が、基部２側に係るように配置して変位制限機構を構成したので、可動部５がＺ軸方向に変位した場合の変位量を、スペーサ３５の厚さ寸法により調整できる。
【００６４】
（第２実施例）
図９及び図１０は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施例の多軸荷重センサ５１は、本体（起歪体）５２と、８個のＶＲセンサ部２１とで構成されている。本体５２には、可動部５の可動コア取付部１０ａ，１０ｃとは異なる対角線上に位置する可動コア取付部１０ｂ，１０ｄにも、ＶＲセンサ部２１がそれぞれ２個ずつ配置されている。そして、各ＶＲセンサ部２１との電気的接続を図るためのケーブル６０は、各基部２ａ〜２ｄにおいて、２個のＶＲセンサ部２１が配置されている位置の間に１つずつ設けられている（図９では、＃４，＃８に対応するケーブル６０のみ示す）。
【００６５】
次に、第２実施例の作用について図１０も参照して説明する。８つのＶＲセンサ部２１（＃１〜＃８）より出力される各軸方向の出力信号Ｖout＿１，Ｖout＿２は、可動部５の変位量を以下の各軸方向について示すことになる。
ＶＲセンサ部２１ Ｖout＿１ Ｖout＿２
＃１ Ｙ Ｚ
＃２ Ｘ Ｚ
＃３ Ｙ Ｚ
＃４ Ｘ Ｚ
＃５ Ｙ Ｚ
＃６ Ｘ Ｚ
＃７ Ｙ Ｚ
＃８ Ｘ Ｚ
【００６６】
そして、図１０（ａ）に示す２つの縦軸方向太線は、ＶＲセンサ部２１（＃１，＃３）のＹ軸成分信号を表しており、それらの加算平均［（＃１Ｙ＋＃３Ｙ）／２］がＹ軸方向分力Ｆｙに比例し、それらの減算結果［＃１Ｙ−＃３Ｙ］がＺ軸周りのモーメントＭｚに比例することを示している。
同様に、図１０（ｂ）に示す２つの縦軸方向矢印は、ＶＲセンサ部２１（＃１，＃３）のＺ軸成分信号を表しており、それらの加算平均［（＃１Ｚ＋＃３Ｚ）／２］がＺ軸方向分力Ｆｚに比例し、それらの減算結果［＃１Ｚ−＃３Ｚ］がＸ軸周りのモーメントＭｘに比例することを示している。
【００６７】
また、図１０（ｃ）はＶＲセンサ部２１（＃２，＃４）のＸ軸成分信号の加算平均［（＃２Ｘ＋＃４Ｘ）／２］がＸ軸方向分力Ｆｘに比例し、それらの減算結果［＃２Ｘ−＃４Ｘ］がＺ軸周りのモーメントＭｚに比例することを示し、図１０（ｄ）は同Ｚ軸成分信号の加算平均［（＃２Ｚ＋＃４Ｚ）／２］がＺ軸方向分力Ｆｚに比例し、それらの減算結果［＃２Ｚ−＃４Ｚ］がＹ軸周りのモーメントＭｙに比例することを示している。
【００６８】
以上のように第２実施例によれば、本体５２における４つの角部３ａ〜３ｄを成す直交する２辺のそれぞれにＶＲセンサ部２１を配置し、それら８つのセンサ部２１が有する２次コイル２５より、可動部５の変位量に応じて変化する交流信号を出力するように構成したので、上述した６分力のそれぞれを、２つのＶＲセンサ部２１の出力の組み合わせから平均して求めることができ、荷重の検出精度を一層向上させることができる。
【００６９】
（第３実施例）
図１１及び図１２は本発明の第３実施例を示すものであり、第２実施例と異なる部分について説明する。第３実施例の多軸荷重センサ５３は、第２実施例の多軸荷重センサ５１より２個のＶＲセンサ部２１（＃７，＃８）を除去したもので、本体５４は、それに応じて対応する取付け穴１３や挿入穴１５が除去されている。この場合、ＶＲセンサ部は、必ずしも第１及び第２実施例と同様に、ステータコア２３の突極部２３ａ〜２３ｄ，１次コイル２４ａ〜２４ｄ，２次コイル２５ａ〜２５ｄを全て備える必要はない。第１実施例の図５に示したように、突極部２３ａ及び２３ｃ，１次コイル２４ａ及び２４ｃ，２次コイル２５ａ及び２５ｃだけを備えたＶＲセンサ部２１’であっても良く、この場合でも、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向分力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出が可能となる。
【００７０】
ただし、ＶＲセンサ部２１’（＃２，＃４）をＸ軸方向の変位検出用とし、ＶＲセンサ部２１’（＃１，＃３）をＹ軸方向の変位検出用とし、ＶＲセンサ部２１’（＃５，＃６）をＺ軸方向の変位検出用とした場合、ＶＲセンサ部２１’（＃５，＃６）については、突極部２３ａ及び２３ｃに沿う軸方向が、基部２ａ，２ｃの辺方向と直交するようにしてステータコア２３を配置する。
【００７１】
次に、第３実施例の作用について図１２も参照して説明する。第３実施例の多軸荷重センサ５３では、ＶＲセンサ部２１’（＃２，＃４）が出力する信号＃２Ｘ，＃４Ｘの加算平均よりＸ軸方向分力Ｆｘを求め、ＶＲセンサ部２１’（＃１，＃３）が出力する信号＃１Ｙ，＃３Ｙの加算平均よりＹ軸方向分力Ｆｙを求め、ＶＲセンサ部２１’（＃５，＃６）が出力する信号＃５Ｚ，＃６Ｚの加算平均よりＺ軸方向分力Ｆｚを求めることができる。
以上のように第３実施例によれば、６つのＶＲセンサ部２１によって、可動部５に印加される３軸方向の荷重Ｆｚ，Ｆｙ，Ｆｚを、３組のＶＲセンサ部２１’より出力される交流信号の平均からそれぞれ求めることができる。
【００７２】
（第４実施例）
図１３は本発明の第４実施例を示すものであり、第１実施例と異なる部分について説明する。第４実施例の多軸荷重センサ５５は、第１実施例の多軸荷重センサ２２より、２個のＶＲセンサ部２１（＃１，＃２）を除去したもので、本体（起歪体）５６は、それに応じて対応する取付け穴１３や挿入穴１５が除去されている。斯様な構成でも第３実施例と同様に、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向分力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出が可能となる。
【００７３】
次に第４実施例の作用について説明する。第４実施例では、第１実施例のように全ての分力について２つのＶＲセンサ部２１からの出力を平均して求めることはしない。したがって、Ｘ軸方向分力Ｆｘについては、ＶＲセンサ部２１（＃４）の出力Ｖout＿１：＃４Ｘのみに基づいて求め、Ｙ軸方向分力Ｆｙについては、ＶＲセンサ部２１（＃３）の出力Ｖout＿１：＃３Ｙのみに基づいて求める。そして、Ｚ軸方向分力Ｆｚについては、ＶＲセンサ部２１（＃３，＃４）の各出力Ｖout＿２：＃３Ｚ，＃４Ｚの２つが得られるので、それらの加算平均に基づいて求めるようにする。
以上のように第４実施例によれば、２つのＶＲセンサ部２１からの出力によって、各軸方向荷重Ｆｚ，Ｆｙ，Ｆｚを求めることができる。
【００７４】
（第５実施例）
図１４は本発明の第５実施例を示すものであり、第１実施例と異なる部分について説明する。図１４は図４相当図であり、第５実施例のＶＲセンサ部５７は、第１実施例のＶＲセンサ部２１と同様に、可動側の変位量を２軸方向について検出するもので、ステータコア２３’における突極部２３ａ’〜２３ｄ’が、可動コア２６’と対向する部位の面形状が、第１実施例のように円弧をなす曲面ではなく、平面をなすように形成されている。また、可動コア２６’が突極部２３ａ’〜２３ｄ’と対向する部分も同様に平面をなすように形成されており、突極部２３ａ’〜２３ｄ’と可動コア２６とがなす各部の検出ギャップδａ〜δｄは、何れも平行をなしている。
【００７５】
上記のように構成することで、検出ギャップδａ〜δｄは、ステータコア２３’と可動コア２６’との対向面が平行を維持した状態で変化するようになり、可動側が変位した場合に、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向との間における磁気的なクロスカップリングの発生が防止される。したがって、変位量の検出精度をより一層向上させることができる。
【００７６】
本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
ストッパ３４，スペーサ３５，ボルト３６より構成される変位制限手段を、基部２側に固定しても良い。
変位制限手段については、必要に応じて設ければ良い。
第３実施例において、３軸方向荷重Ｆｚ，Ｆｙ，Ｆｚを、２個のＶＲセンサ部２１の出力を平均して求める必要がない場合には、ＶＲセンサ部２１を３個のみ（例えば＃１，＃２，＃５）配置すれば良い。
本体１の具体的構成も一例であり、少なくとも基部，起歪部，可動部を備えており、ＶＲセンサ部を取り付け可能に構成されていれば、その他の詳細部分については個別の設計に応じて適宜変更して良い。
【符号の説明】
【００７７】
図面中、１は本体（起歪体）、２は基部、５は可動部、６は第１支持部（起歪部）、８は第２支持部（起歪部）、１０は可動コア取付部、１３は取付け穴（ステータコア取付部）、２１，２１’はＶＲセンサ部、２２は多軸荷重センサ、２３はステータコア、２３ａ〜２３ｄは突極部、２４は１次コイル、２５は２次コイル、２６は可動コア、３０はボルト（支持部材，変位制限手段）、３２は受入れ穴（凹部，変位制限手段）、３３はスペーサ（変位制限部材，変位制限手段）、３４はストッパ（変位制限手段）、３５はストッパ（変位制限部材，変位制限手段）、５１は多軸荷重センサ、５２は本体（起歪体）、５３は多軸荷重センサ、５４は本体（起歪体）、５５は多軸荷重センサ、５６は本体（起歪体）、５７はＶＲセンサ部を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周部が基部として固定され、中心部に形成される可動部が前記基部に対して弾性変形する起歪部によって四方より支持され、前記可動部に対し複数軸方向に印加される荷重に応じて前記基部との相対位置が変位するように形成される起歪体と、
前記基部に配置され、ヨーク部の内周側で互いに対向する位置に２つの突極部を有するステータコアと、前記突極部に巻装されて所定の交流信号が入力される１次コイルと、この１次コイルと共に前記突極部に巻装される２次コイルと、前記可動部に固定され、前記１次コイルが発生する磁束が通る磁気回路を前記ステータコアと共に形成し、前記可動部の変位に伴い前記突極部との間の空隙長が変化するように配置される可動コアとを備えてなるセンサ部とを備え、
前記基部は、前記起歪部の位置で区分される４つの領域の１つに、直交する２辺を備えたステータ取付部を有し、
前記可動部は、前記ステータ取付部側に延設され、前記２辺に対してそれぞれ平行となる２辺を備えた可動コア取付部を有し、
前記ステータコアを前記ステータ取付部に取り付けると共に、前記可動コアを前記可動コア取付部に取り付けて、２つのセンサ部を前記２辺にそれぞれ配置し、
前記２つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする多軸荷重センサ。
【請求項２】
前記起歪部は、剛性が比較的低い第１支持部と、剛性が前記第１支持部よりも高く且つ前記基部よりも低い第２支持部とを互いに直交する状態で組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１記載の多軸荷重センサ。
【請求項３】
前記起歪部は、前記第１支持部が前記基部側に、当該基部が延設されている方向と平行に配置されると共に、前記第２支持部が前記可動部側に配置されており、前記第１支持部の中央部と前記第２支持部の先端部とが連続することでＴ字型に構成されていることを特徴とする請求項２記載の多軸荷重センサ。
【請求項４】
前記起歪体は、前記４つの領域の他の１つに、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部に、前記センサ部を更に１つ、前記ステータコアの突極部が前記２辺と直交する方向に配置し、
前記３つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の多軸荷重センサ。
【請求項５】
前記起歪体は、前記２つのセンサ部が配置されている領域の対角線上に位置する領域にも、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部の２辺に、前記センサ部を更に２つ配置し、
前記４つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の多軸荷重センサ。
【請求項６】
前記起歪体は、他の２つの領域にも前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部の１辺に、前記センサ部を対称となるようにそれぞれ配置し、
前記６つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項５記載の多軸荷重センサ。
【請求項７】
前記センサ部は、前記ステータコアに、前記２つの突極部が配置されている方向と直交する方向にも、前記１次コイル及び前記２次コイルが巻装された２つの突極部を備えていることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の多軸荷重センサ。
【請求項８】
前記センサ部は、前記突極部と前記可動コアとが対向する部位の形状がそれぞれ平面に形成され、両者の対向面が平行をなすように配置されていることを特徴とする請求項７記載の多軸荷重センサ。
【請求項９】
前記起歪体は、前記４つの領域の全てに、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記センサ部を、前記各取付部の各辺にそれぞれ配置し、
前記８つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項７又は８記載の多軸荷重センサ。
【請求項１０】
前記起歪体に、前記可動部の変位量を制限する変位制限手段を配置したことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の多軸荷重センサ。
【請求項１１】
前記変位制限手段は、
前記基部と前記可動部との間に配置され、中空部を有する変位制限部材と、
前記基部側より挿入され、前記変位制限部材の中空部を貫通して先端部が前記可動部側に設けられた凹部に到達するように配置される支持部材とで構成されることを特徴とする請求項１０記載の多軸荷重センサ。
【請求項１２】
前記変位制限手段は、前記基部，前記可動部の何れか一方の両面側に、スペーサを介して固定される変位制限部材を備え、
前記変位制限部材の先端部は、前記基部，前記可動部の他方側に係るように配置されることを特徴とする請求項１０又は１１記載の多軸荷重センサ。
【請求項１】
外周部が基部として固定され、中心部に形成される可動部が前記基部に対して弾性変形する起歪部によって四方より支持され、前記可動部に対し複数軸方向に印加される荷重に応じて前記基部との相対位置が変位するように形成される起歪体と、
前記基部に配置され、ヨーク部の内周側で互いに対向する位置に２つの突極部を有するステータコアと、前記突極部に巻装されて所定の交流信号が入力される１次コイルと、この１次コイルと共に前記突極部に巻装される２次コイルと、前記可動部に固定され、前記１次コイルが発生する磁束が通る磁気回路を前記ステータコアと共に形成し、前記可動部の変位に伴い前記突極部との間の空隙長が変化するように配置される可動コアとを備えてなるセンサ部とを備え、
前記基部は、前記起歪部の位置で区分される４つの領域の１つに、直交する２辺を備えたステータ取付部を有し、
前記可動部は、前記ステータ取付部側に延設され、前記２辺に対してそれぞれ平行となる２辺を備えた可動コア取付部を有し、
前記ステータコアを前記ステータ取付部に取り付けると共に、前記可動コアを前記可動コア取付部に取り付けて、２つのセンサ部を前記２辺にそれぞれ配置し、
前記２つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする多軸荷重センサ。
【請求項２】
前記起歪部は、剛性が比較的低い第１支持部と、剛性が前記第１支持部よりも高く且つ前記基部よりも低い第２支持部とを互いに直交する状態で組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１記載の多軸荷重センサ。
【請求項３】
前記起歪部は、前記第１支持部が前記基部側に、当該基部が延設されている方向と平行に配置されると共に、前記第２支持部が前記可動部側に配置されており、前記第１支持部の中央部と前記第２支持部の先端部とが連続することでＴ字型に構成されていることを特徴とする請求項２記載の多軸荷重センサ。
【請求項４】
前記起歪体は、前記４つの領域の他の１つに、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部に、前記センサ部を更に１つ、前記ステータコアの突極部が前記２辺と直交する方向に配置し、
前記３つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の多軸荷重センサ。
【請求項５】
前記起歪体は、前記２つのセンサ部が配置されている領域の対角線上に位置する領域にも、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部の２辺に、前記センサ部を更に２つ配置し、
前記４つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の多軸荷重センサ。
【請求項６】
前記起歪体は、他の２つの領域にも前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記各取付部の１辺に、前記センサ部を対称となるようにそれぞれ配置し、
前記６つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項５記載の多軸荷重センサ。
【請求項７】
前記センサ部は、前記ステータコアに、前記２つの突極部が配置されている方向と直交する方向にも、前記１次コイル及び前記２次コイルが巻装された２つの突極部を備えていることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の多軸荷重センサ。
【請求項８】
前記センサ部は、前記突極部と前記可動コアとが対向する部位の形状がそれぞれ平面に形成され、両者の対向面が平行をなすように配置されていることを特徴とする請求項７記載の多軸荷重センサ。
【請求項９】
前記起歪体は、前記４つの領域の全てに、前記ステータ取付部及び前記可動コア取付部を備え、
前記センサ部を、前記各取付部の各辺にそれぞれ配置し、
前記８つのセンサ部が有する２次コイルより、前記可動部の変位量に応じて変化する交流信号を出力することを特徴とする請求項７又は８記載の多軸荷重センサ。
【請求項１０】
前記起歪体に、前記可動部の変位量を制限する変位制限手段を配置したことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の多軸荷重センサ。
【請求項１１】
前記変位制限手段は、
前記基部と前記可動部との間に配置され、中空部を有する変位制限部材と、
前記基部側より挿入され、前記変位制限部材の中空部を貫通して先端部が前記可動部側に設けられた凹部に到達するように配置される支持部材とで構成されることを特徴とする請求項１０記載の多軸荷重センサ。
【請求項１２】
前記変位制限手段は、前記基部，前記可動部の何れか一方の両面側に、スペーサを介して固定される変位制限部材を備え、
前記変位制限部材の先端部は、前記基部，前記可動部の他方側に係るように配置されることを特徴とする請求項１０又は１１記載の多軸荷重センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−１６９５６４（Ｐ２０１０−１６９５６４Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２９８５（Ｐ２００９−１２９８５）
【出願日】平成２１年１月２３日（２００９．１．２３）
【出願人】（３９００２９１９３）エヌエスディ株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２３日（２００９．１．２３）
【出願人】（３９００２９１９３）エヌエスディ株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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