荷重センサ及び変位量センサ
【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荷重センサを提供する。
【解決手段】荷重センサ１は、固定側に取り付けられる基部３，及び基部３に対して弾性変形する起歪部４により両端部が支持され、印加される荷重に応じて基部３に対する相対位置が変位する可動部５を有してなる本体２と、ＶＲセンサ部１８との組み合わせで構成する。具体的には、１次コイル２０及び２次コイル２１を備えたステータコア１９を基部３側、可動コア２２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１９側のコイル２０及び２１と可動コア２２との位置関係を変化させ、１次コイル２０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】荷重センサ１は、固定側に取り付けられる基部３，及び基部３に対して弾性変形する起歪部４により両端部が支持され、印加される荷重に応じて基部３に対する相対位置が変位する可動部５を有してなる本体２と、ＶＲセンサ部１８との組み合わせで構成する。具体的には、１次コイル２０及び２次コイル２１を備えたステータコア１９を基部３側、可動コア２２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１９側のコイル２０及び２１と可動コア２２との位置関係を変化させ、１次コイル２０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、基部に対して弾性変形する起歪部により両端部が支持され、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可動部を有してなる起歪体を用い、前記荷重を検出する荷重センサ，及び何れか一方が固定側，他方が可動側に取り付けられる第１，第２コアを備えてなる変位量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、荷重を検出するセンサには様々な方式のものがある。このような荷重センサは、例えば長尺の紙やフィルム，ゴムなどを、ローラなどを介しある程度の距離に亘って搬送する場合に、搬送対象に適度なテンションを付与しながら送り出すため、ローラに係る荷重を検出する目的などに使用される。そして、一般的には、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）。
【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】
【０００３】
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。
【０００４】
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、より簡単な構成で高精度の荷重検出を行うことができる荷重センサ，及び同様の原理によって可動側の変位量を検出できる変位量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】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１記載の荷重センサは、固定側に取り付けられる基部，及びこの基部に対して弾性変形する起歪部により両端部が支持され、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可動部を有してなる起歪体と、
前記基部に配置され、ヨーク部の内周側に複数の突極部を有するステータコアと、
このステータコアにおいて、前記可動部の変位方向に沿って配置される突極部に巻装され、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、
前記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。
【０００６】
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。
【０００７】
この場合、請求項２に記載したように、前記可動部は、前記可動コアが取り付けられる可動コア取付け部と、この可動コア取付け部の両端を、前記起歪部よりも低い剛性で支持する可動側支持部とを有し、前記基部に対して、前記可動コア取付け部の両端部を、前記起歪部よりも低い剛性で支持する補助支持部を備えると良い。すなわち、起歪部は、可動部の両端部を支持しているので、可動部に対して荷重が偏った状態で印加されると、起歪部における歪み分布が偏り、可動コアがステータ側に対して傾いた状態で変位するおそれがある。
そこで、可動部において可動コア取付け部を可動側支持部で支持すると共に、その可動コア取付け部の両端部を基部に対して補助支持部で支持すれば、可動部に印加される荷重に偏りが生じた場合でも、起歪部に生じる応力歪みの偏りを、可動側支持部及び補助支持部で吸収させて、可動コアがステータ側に対し平行を維持した状態で変位するようになる。
【０００８】
また、請求項３に記載したように、前記可動部と前記基部との間に形成されて前記可動部の変位に伴い変形を生じる空間部に、前記可動部の変位量を制限する変位制限部材を配置するので、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。
また、請求項４記載の変位量センサは、ヨーク部の内周側に複数の突極部を有する第１コアと、
前記突極部に巻装され、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１次コイルが発生する磁束が通る磁気回路を前記第１コアと共に形成し、可動側と固定側との相対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第２コアとを備え、
前記２次コイルより、前記相対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。
【０００９】
斯様に構成すれば、固定側と可動側との相対位置が変化すると、第１コアに巻装されているコイルと第２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、固定側と可動側との相対変位量に相当する。したがって、２次コイルより出力される交流信号から、可動側の変位量を得ることができる。
【００１０】
この場合、請求項５に記載したように、前記第１コアに、前記可動側が直交する２軸について変位する方向に沿ってそれぞれ配置される突極部，１次コイル及び２次コイルを備えると良い。斯様に構成すれば、固定側に対して、可動側が２軸方向に変位した量が検出できるので、各軸方向に配置されている２次コイルより出力される交流信号の変化により、可動側の変位状態を２次元的に得ることができる。
【００１１】
更にこの場合、請求項６に記載したように、前記第１コアの突極部と前記第２コアとが対向する部位の形状を、それぞれ平面に形成するのが好ましい。斯様に構成すれば、第１，第２コアがそれぞれ平面で対向するようになり、可動側が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。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の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荷重を検出できるので、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。
【００１３】
請求項２記載の荷重センサによれば、可動コア取付部を可動側支持部及び補助支持部によって支持するので、可動部に印加される荷重に偏りがある場合でも可動コアをステータコアに対し平行を維持した状態で変位させることができ、荷重の検出精度を更に向上させることができる。
【００１４】
請求項３記載の荷重センサによれば、変位制限部材により、可動部に過大な荷重が印加された場合に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。
【００１５】
請求項４記載の変位量センサによれば、第１コア，第２コア間の空隙長の変化によって、可動側の微小な変位量を高精度に検出することができる。
請求項５記載の変位量センサによれば、可動側の変位状態を、２次元的に、より多様に得ることが可能となる。
【００１６】
請求項６記載の変位量センサによれば、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（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５を参照して説明する。図１は、荷重センサ１の（ａ）外観平面図，（ｂ）縦断側面図，（ｃ）底面図である。荷重センサ１の本体（起歪体）２は、横長直方体状の鋼材を切り出し加工することで形成されており、基部３，起歪部４，可動部５などを有して一体で構成されている。
図１（ｂ）に示すように、本体２の図中左右両側端には、縦長の凹部６が形成されており、その凹部６の内側には、所定の厚みを隔てて、凹部６の縦方向形成寸法と同じ長さの長穴部７が形成されている（図中の符号６，７は、凹部６，長穴部７として形成された空間を指示している）。そして、凹部６と長穴部７とを隔てている所定の厚み部分が、上記起歪部４となっている。
【００１８】
長穴部７の内側中央部からは、本体２の中心方向に向かって水平に切り込み線が入れられており、その切り込み線は、正方形状に切り出されたストッパ配置部（空間部）８の下辺部につながっている。尚、図中では、ストッパ配置部に８後述するストッパ４０を挿入した状態を示しているため、括弧付きの符号８を破線で引き出している。ストッパ配置部８の上辺部からは、更に本体２の中心方向に向かって水平に切り込み線が入れられており、その切り込み線は、弱い板バネ状の（すなわち、起歪部４よりも剛性が低い）センサ平行バネ部（補助支持部）９を形成する垂直方向の切り込み線につながっている。
【００１９】
ストッパ配置部８の上方には、所定の厚みを隔てて水平方向に切り込み線が延びることで、可動部５の一部をなし、本体２内部の中央よりやや上方に形成される可動コア取付ベース（以下、取付ベースと称す）１０を両側から支持する弱い板バネ状のカップリング部（可動側支持部）１１を形成している。取付ベース（可動コア取付部）１０は、カップリング部１１を両側の裾として、そこから上方に立ち上がる斜面を有する台形状をなすように、水平方向に切り出されている。すなわち、取付ベース１０は、その両端がカップリング部１１により水平方向（変位方向）について支持されることで可動部５の一部をなしていると共に、両端部が基部３に対してセンサ平行バネ部９により垂直方向について支持されている。
【００２０】
可動部５の中心部には、後述するＶＲ（Variable Reluctance）センサ部を構成する可動コアを取付ベース１０に固定する作業を行うための縦穴１２が形成されており、取付ベース１０には、可動コアを底面側より挿入するため、縦穴１２よりもやや径小の挿入穴１３が形成されている。可動部５の縦穴１２には、キャップ１４が上方より埋め込まれている。
【００２１】
一方、固定部３の中央には、底面側よりＶＲセンサ部を挿入してそのステータ部分を配置するためのステータ配置部１５が形成されている。そのステータ配置部１５の上端と、可動部５の取付ベース１０との間には、両者を切り離すように水平に切り出し線が入れられており、その切り出し線は、左右両側でセンサ平行バネ部９の内側上方に形成されている略半円状の空間１６につながっている。そして、センサ平行バネ部９の横幅寸法（厚み）は、起歪部４よりも十分薄くなっている。
【００２２】
以上に述べた荷重センサ１の本体２は、基部３に対して、可動部５が、起歪部４及びセンサ平行バネ部９によって支持された構造となっている。そして、基部３を底面側よりねじ止めによって固定側に固定し、可動部５には、荷重が加えられる対象物がやはりねじ止めなどにより固定される。可動部５に対して図１（ｂ）中左右方向に荷重が印加されると、その荷重に応じて起歪部４が弾性変形し、可動部５が基部３に対して左右方向に変位するようになっている。
【００２３】
ストッパ配置部８は、上記のようにして可動部５が変位した場合に、図１（ｂ）に示す縦断面形状に変形を生じる余地を残した空間であり、可動部５の最大変位量を制限するため、ストッパ配置部８に対して角柱状のストッパ（変位制限部材）４０が挿入されている。すなわち、可動部５の変位量は、可動部５がストッパ４０に側面から当接することで制限されるようになっている。
【００２４】
図１（ｃ）は、底面側のセンサカバー１７と後述する基板２４とを取り外して、本体２の内部に配置されるＶＲセンサ部（変位量検出センサ）１８をステータ側から見た状態を示している。ＶＲセンサ部１８は、ステータコア（第１コア）１９，１次コイル２０，２次コイル２１，可動コア（第２コア）２２で構成されている。ステータコア１９は、図１（ｃ）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１９ａ〜１９ｄを備えており、それらの内、可動コア２２が本体２の可動部５と共に変異する方向（図中上下方向）にある突極部１９ａ，１９ｃに、１次コイル２０ａ，２０ｃ及び２次コイル２１ａ，２１ｃがそれぞれ巻装されている。
【００２５】
可動コア２２は、概ね円柱状であり、ステータコア１９における４つの突極部１９ａ〜１９ｄに囲まれている中心部に、それらの突極部１９ａ〜１９ｄ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ベース１０の挿入穴１３に挿入された状態で、ボルトなどにより可動部５に固定されている。尚、ステータコア１９及び可動コア２２は、例えば本体２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。
【００２６】
図２は、ＶＲセンサ部１８の動作原理を説明するもので、（ａ）は１次コイル２０ａ，２０ｃ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１９及び可動コア２２を通る状態を示し、（ｂ）はその等価回路を示す。尚、図２（ａ）において可動コア２２が変位する方向は、図１（ｃ）とは９０度異なる左右方向となっている。
【００２７】
１次コイル２０ａ，２０ｃに対しては、図２（ｂ）に示すように励磁用の交流電源２３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１９及び可動コア２２を通る磁束は、ある時点で図２（ａ）に破線で示す方向となるよう、１次コイル２０ａ，２０ｃが巻装されている。
【００２８】
２次コイル２１ａ，２１ｃは、直列逆相接続となるよう巻装されており、１次コイル２０ａ，２０ｃとは、突極部１９ａと可動コア２２とのギャップδａ，突極部１９ｃと可動コア２２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２１ａより出力される交流信号をＶａとすると、２次コイル２１ｃ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。
【００２９】
そして、可動コア２２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２０ａ／２次コイル２１ａ，１次コイル２０ｃ／２次コイル２１ｃ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。尚、上述したようにストッパ４０を配置して可動部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２２が突極部１９ａ，突極部１９ｃと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。
尚、上記のようなＶＲセンサ部１８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）。
【００３０】
図１（ｂ）に示すように、ステータコア１９の下方には基板２４が配置されており、１次コイル２０，２次コイル２１の両端は、基板２４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２０，２１と外部との間における入出力信号は、基板２４および本体２に接続される図示しないケーブルを介して行われる（尚、図１（ａ）にはケーブルを本体２に接続した状態で固定するためのナットを示しており、図１（ｃ）にはケーブルを本体２に接続するための挿入穴を破線で示している）。すなわち、荷重センサ１は、本体２とＶＲセンサ部１８との組み合わせによって構成されている。
【００３１】
図３は、荷重センサ１を実際にテンションメータとして使用する場合の形態を例示しており、可動部５に取り付けられるローラ２５で支持された搬送対象物Ｃにテンションが付与されつつ搬送される場合の荷重Ｆを検出する場合を示している。
【００３２】
図４は、荷重センサ１に上述したケーブルを介して接続される信号入出力回路３１の機能ブロック図である。１次ＳＩＮ電圧発生回路３２は、図２（ｂ）に示す交流電源２３と同様に、１次コイル２０に対して交流信号（ＳＩＮ波）ＶREFを出力する。２次信号入力回路３３は、２次コイル２１より出力される信号（Ｖａ＋Ｖｃ）を増幅して、次段の同期検波回路３４に出力する。同期検波回路３４は、１次ＳＩＮ電圧発生回路３２より交流信号ＶREFが与えられ、２次信号入力回路３３より出力される信号を同期検波すると、次段の整流回路３５に出力する。整流回路３５は、２次信号入力回路３３より与えられる検波信号を整流及び平滑して、直流信号ＶOUTを出力する。
【００３３】
次に、本実施例の作用について図５も参照して説明する。図５は、荷重センサ１に荷重が印加されて、突極部１９と可動コア２２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（ａ）に示すように、信号入出力回路３１より荷重センサ１の１次コイル２０ａ，２０ｃ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５（ｂ）に示すように、２次コイル２１ａより出力される正相信号Ｖａと、２次コイル２１ｃ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５（ｃ）参照）。したがって、信号入出力回路３１より出力される信号ＶOUTもゼロレベルとなる（図５（ｆ）参照）。
【００３４】
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５（ｂ）に示すように、２次コイル２１ａ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２１ｃ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５（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５（ｄ）参照）。したがって、その成分を整流・平滑した信号ＶOUTは、ゼロレベル下回るように出力される（図５（ｆ）参照）。
【００３５】
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５（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５（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５（ｄ）参照）。したがって、その成分を整流・平滑した信号ＶOUTは、ゼロレベル上回るように出力される（図５（ｆ）参照）。
尚、実際に信号入出力回路３１より出力される信号ＶOUTは単一電源Ｖｐによるので、図５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。
【００３６】
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２２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３１より出力される信号ＶOUTに本体２の変形応力に応じた係数を乗じれば、可動部５に印加された荷重を得ることができる。その際に、信号ＶOUTをＡ／Ｄ変換したデータをマイクロコンピュータに与えて演算させ、荷重の数値（即値）を表示器等に表示させるなどしても良いことは勿論である。
【００３７】
また、本体２にセンサ平行バネ部９及びカップリング部１１がない場合を想定すると、可動部５は、その両端部が起歪部４のみで支持されている状態で変位することになる。すると、可動部５に対してモーメント等により荷重が偏った状態で印加されると、起歪部４における歪み分布にも偏りが生じて、可動部５と基部３との平行が保てなくなり、可動コア２２がステータコア１９側に対して傾いた状態で変位するおそれがある。
そこで、可動部５の取付ベース１０を、起歪部４に比べて十分に剛性が低いセンサ平行バネ部９及びカップリング部１１で支持することで、荷重の偏りにより可動部５の変位に傾きが生じた場合でも、可動コア２２と突極部１９ａ，１９ｃとが互いの対向部が平行を維持した状態で、両者間のギャップ長が変化するように作用させる。その結果、偏った荷重成分が出力信号に与える影響を打ち消すことができる。
【００３８】
以上のように本実施例によれば、荷重センサ１は、固定側に取り付けられる基部３，及び基部３に対して弾性変形する起歪部４により両端部が支持され、印加される荷重に応じて基部３に対する相対位置が変位する可動部５を有してなる本体２と、ＶＲセンサ部１８との組み合わせにより構成した。
具体的には、１次コイル２０及び２次コイル２１を備えたステータコア１９を基部３側、可動コア２２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１９側のコイル２０及び２１と可動コア２２との位置関係を変化させて、１次コイル２０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２１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。
【００３９】
すなわち、２次コイル２１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。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１８は、本体２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、起歪部４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２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。
【００４０】
そして、取付ベース１０を、基部３に対してセンサ平行バネ部９で支持すると共に、可動部５においてカップリング部１１により支持するので、可動部５に印加される荷重が偏った場合でも、可動コア２２とステータコア１９との平行状態を維持させて、荷重の検出精度を更に向上させることができる。また、可動部５の変位量を制限するストッパ４０を、起歪部４とセンサ平行バネ部９との間に形成されたストッパ配置部８に配置したので、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２が不可逆的に変形することを防止し、荷重センサ１の強度を確保して信頼性を向上させることができる。
【００４１】
尚、荷重センサ１より出力される信号に基づいて、可動部５の変位量を求めることも可能である。また、ＶＲセンサ部１８は、本体２との組み合わせによって荷重センサ１を構成するものに限らず、可動側の変位量を検出する変位量センサとして用いることもできる。その場合には、上記実施例とは逆に、ステータコア１９を可動側に取り付け（第２コア）、可動コア２２を固定側に取り付けても良く（第１コア）、要は固定側と可動側との相対変位量に応じて、ステータコア１９と可動コア２２との空隙長を変化させれば良い。
【００４２】
（第２実施例）
図６乃至図８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実施例は、ＶＲセンサ部を、変位量センサとして使用する場合の異なる実施形態を示す。図６に示すように、第２実施例のＶＲセンサ部４１は、ステータコア１９の突極部１９ｂ，１９ｄにもそれぞれ、１次コイル２０ｂ及び２次コイル２１ｂ，１次コイル２０ｄ及び２次コイル２１ｄが巻装されている。そして、これらの１次コイル２０ｂ及び２０ｄには、１次コイル２０ａ及び２０ｃと同様に正弦波信号Ｖrefを与える。
【００４３】
そして、検出ギャップδａ及びδｃが変化する変位方向をＸ方向，検出ギャップδｂ及びδｄが変化する変位方向をＹ方向として、第１実施例と同様に可動コア２２側が変位するものとすれば、可動コア２２のＸ軸方向変位量，Ｙ軸方向変位量をそれぞれ独立して得ることができる。尚、斯様に構成すると、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誤差が出るが、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。
【００４４】
図７は、第１実施例の図４相当図である。信号入出力回路４２は、２軸方向に配置されている２次コイル２１ａ，２１ｃ及び２１ｂ，２１ｄより、それぞれのセンサ出力（Ｖａ＋Ｖｃ），（Ｖｂ＋Ｖｄ）が与えられ、２次信号入力回路４３，同期検波回路４４，整流回路４５により、それらの信号を２系統で処理する。そして、整流回路４５からは、Ｘ軸方向変位量に対応する直流信号ＶOUT＿Ｘと、Ｙ軸方向変位量に対応する直流信号ＶOUT＿Ｙが出力される。
【００４５】
従って、例えば信号ＶOUT＿Ｘ，ＶOUT＿Ｙより可動コア２２のＸ軸方向変位量ｘ１，Ｙ軸方向変位量ｙ１が得られたとすれば、図８に示すように、それらによって可動コア２２の２次元的な変位状態を得ることができる。例えば、arctan（ｙ１／ｘ１）より、Ｘ軸からの変位角θを得ることも可能である。この場合も上述したように、可動コア（第１コア）２２を固定側に取り付け、ステータコア（第２コア）１９を可動側に取り付けても良い。
【００４６】
以上のように第２実施例によれば、ステータコア１９において、可動側が直交する２軸について変位する方向に沿って配置される突極部１９ａ〜１９ｄに、１次コイル２０ａ〜２０ｄ及び２次コイル２１ａ〜２１ｄを備えたので、固定側に対して、可動側が２軸方向に変位した量が検出でき、各軸方向に配置されている２次コイル２１より出力される交流信号の変化によって、可動側の変位状態を２次元的に得ることができる。
【００４７】
（第３実施例）
図９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。図９は図６相当図であり、第３実施例のＶＲセンサ部（変位量センサ）５１は、第２実施例のＶＲセンサ部４１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１９’における突極部１９ａ’〜１９ｄ’が、可動コア２２’と対向する部位の面形状が、第２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２２’が突極部１９ａ’〜１９ｄ’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１９ａ’〜１９ｄ’と可動コア２２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。
【００４８】
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１９’と可動コア２２’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、第２実施例で説明した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。
【００４９】
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。
センサ平行バネ部９，カップリング部１１やストッパ４０は、想定される荷重の大きさや荷重の偏りの有無，可動部５の最大変位量などにより、必要に応じて設ければ良い。
本体２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。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施例であり、（ａ）は荷重センサの外観平面図，（ｂ）は縦断側面図，（ｃ）は底面図
【図２】（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３】荷重センサを実際に使用する場合の形態を例示する図
【図４】信号入出力回路の機能ブロック図
【図５】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６】本発明の第２実施例を示す図２（ａ）相当図
【図７】図４相当図
【図８】可動側の２次元的な変位状態を示す座標図
【図９】本発明の第３実施例を示す図６相当図
【符号の説明】
【００５１】
図面中、１は荷重センサ、２は本体（起歪体）、３は基部、４は起歪部、５は可動部、８はストッパ配置部（空間部）、９はセンサ平行バネ部（補助支持部）、１０は取付ベース（可動コア取付部）、１１はカップリング部（可動側支持部）、１８はＶＲセンサ部（変位量センサ）、１９はステータコア（第１コア）、１９ａ〜１９ｄ突極部、２０は１次コイル、２１は２次コイル、２２は可動コア（第２コア）、４０はストッパ（変位制限部材）、４１，５１はＶＲセンサ部（変位量センサ）を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基部に対して弾性変形する起歪部により両端部が支持され、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可動部を有してなる起歪体を用い、前記荷重を検出する荷重センサ，及び何れか一方が固定側，他方が可動側に取り付けられる第１，第２コアを備えてなる変位量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、荷重を検出するセンサには様々な方式のものがある。このような荷重センサは、例えば長尺の紙やフィルム，ゴムなどを、ローラなどを介しある程度の距離に亘って搬送する場合に、搬送対象に適度なテンションを付与しながら送り出すため、ローラに係る荷重を検出する目的などに使用される。そして、一般的には、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）。
【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】
【０００３】
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。
【０００４】
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、より簡単な構成で高精度の荷重検出を行うことができる荷重センサ，及び同様の原理によって可動側の変位量を検出できる変位量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】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１記載の荷重センサは、固定側に取り付けられる基部，及びこの基部に対して弾性変形する起歪部により両端部が支持され、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可動部を有してなる起歪体と、
前記基部に配置され、ヨーク部の内周側に複数の突極部を有するステータコアと、
このステータコアにおいて、前記可動部の変位方向に沿って配置される突極部に巻装され、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、
前記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。
【０００６】
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。
【０００７】
この場合、請求項２に記載したように、前記可動部は、前記可動コアが取り付けられる可動コア取付け部と、この可動コア取付け部の両端を、前記起歪部よりも低い剛性で支持する可動側支持部とを有し、前記基部に対して、前記可動コア取付け部の両端部を、前記起歪部よりも低い剛性で支持する補助支持部を備えると良い。すなわち、起歪部は、可動部の両端部を支持しているので、可動部に対して荷重が偏った状態で印加されると、起歪部における歪み分布が偏り、可動コアがステータ側に対して傾いた状態で変位するおそれがある。
そこで、可動部において可動コア取付け部を可動側支持部で支持すると共に、その可動コア取付け部の両端部を基部に対して補助支持部で支持すれば、可動部に印加される荷重に偏りが生じた場合でも、起歪部に生じる応力歪みの偏りを、可動側支持部及び補助支持部で吸収させて、可動コアがステータ側に対し平行を維持した状態で変位するようになる。
【０００８】
また、請求項３に記載したように、前記可動部と前記基部との間に形成されて前記可動部の変位に伴い変形を生じる空間部に、前記可動部の変位量を制限する変位制限部材を配置するので、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。
また、請求項４記載の変位量センサは、ヨーク部の内周側に複数の突極部を有する第１コアと、
前記突極部に巻装され、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１次コイルが発生する磁束が通る磁気回路を前記第１コアと共に形成し、可動側と固定側との相対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第２コアとを備え、
前記２次コイルより、前記相対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。
【０００９】
斯様に構成すれば、固定側と可動側との相対位置が変化すると、第１コアに巻装されているコイルと第２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、固定側と可動側との相対変位量に相当する。したがって、２次コイルより出力される交流信号から、可動側の変位量を得ることができる。
【００１０】
この場合、請求項５に記載したように、前記第１コアに、前記可動側が直交する２軸について変位する方向に沿ってそれぞれ配置される突極部，１次コイル及び２次コイルを備えると良い。斯様に構成すれば、固定側に対して、可動側が２軸方向に変位した量が検出できるので、各軸方向に配置されている２次コイルより出力される交流信号の変化により、可動側の変位状態を２次元的に得ることができる。
【００１１】
更にこの場合、請求項６に記載したように、前記第１コアの突極部と前記第２コアとが対向する部位の形状を、それぞれ平面に形成するのが好ましい。斯様に構成すれば、第１，第２コアがそれぞれ平面で対向するようになり、可動側が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。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の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荷重を検出できるので、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。
【００１３】
請求項２記載の荷重センサによれば、可動コア取付部を可動側支持部及び補助支持部によって支持するので、可動部に印加される荷重に偏りがある場合でも可動コアをステータコアに対し平行を維持した状態で変位させることができ、荷重の検出精度を更に向上させることができる。
【００１４】
請求項３記載の荷重センサによれば、変位制限部材により、可動部に過大な荷重が印加された場合に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。
【００１５】
請求項４記載の変位量センサによれば、第１コア，第２コア間の空隙長の変化によって、可動側の微小な変位量を高精度に検出することができる。
請求項５記載の変位量センサによれば、可動側の変位状態を、２次元的に、より多様に得ることが可能となる。
【００１６】
請求項６記載の変位量センサによれば、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（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５を参照して説明する。図１は、荷重センサ１の（ａ）外観平面図，（ｂ）縦断側面図，（ｃ）底面図である。荷重センサ１の本体（起歪体）２は、横長直方体状の鋼材を切り出し加工することで形成されており、基部３，起歪部４，可動部５などを有して一体で構成されている。
図１（ｂ）に示すように、本体２の図中左右両側端には、縦長の凹部６が形成されており、その凹部６の内側には、所定の厚みを隔てて、凹部６の縦方向形成寸法と同じ長さの長穴部７が形成されている（図中の符号６，７は、凹部６，長穴部７として形成された空間を指示している）。そして、凹部６と長穴部７とを隔てている所定の厚み部分が、上記起歪部４となっている。
【００１８】
長穴部７の内側中央部からは、本体２の中心方向に向かって水平に切り込み線が入れられており、その切り込み線は、正方形状に切り出されたストッパ配置部（空間部）８の下辺部につながっている。尚、図中では、ストッパ配置部に８後述するストッパ４０を挿入した状態を示しているため、括弧付きの符号８を破線で引き出している。ストッパ配置部８の上辺部からは、更に本体２の中心方向に向かって水平に切り込み線が入れられており、その切り込み線は、弱い板バネ状の（すなわち、起歪部４よりも剛性が低い）センサ平行バネ部（補助支持部）９を形成する垂直方向の切り込み線につながっている。
【００１９】
ストッパ配置部８の上方には、所定の厚みを隔てて水平方向に切り込み線が延びることで、可動部５の一部をなし、本体２内部の中央よりやや上方に形成される可動コア取付ベース（以下、取付ベースと称す）１０を両側から支持する弱い板バネ状のカップリング部（可動側支持部）１１を形成している。取付ベース（可動コア取付部）１０は、カップリング部１１を両側の裾として、そこから上方に立ち上がる斜面を有する台形状をなすように、水平方向に切り出されている。すなわち、取付ベース１０は、その両端がカップリング部１１により水平方向（変位方向）について支持されることで可動部５の一部をなしていると共に、両端部が基部３に対してセンサ平行バネ部９により垂直方向について支持されている。
【００２０】
可動部５の中心部には、後述するＶＲ（Variable Reluctance）センサ部を構成する可動コアを取付ベース１０に固定する作業を行うための縦穴１２が形成されており、取付ベース１０には、可動コアを底面側より挿入するため、縦穴１２よりもやや径小の挿入穴１３が形成されている。可動部５の縦穴１２には、キャップ１４が上方より埋め込まれている。
【００２１】
一方、固定部３の中央には、底面側よりＶＲセンサ部を挿入してそのステータ部分を配置するためのステータ配置部１５が形成されている。そのステータ配置部１５の上端と、可動部５の取付ベース１０との間には、両者を切り離すように水平に切り出し線が入れられており、その切り出し線は、左右両側でセンサ平行バネ部９の内側上方に形成されている略半円状の空間１６につながっている。そして、センサ平行バネ部９の横幅寸法（厚み）は、起歪部４よりも十分薄くなっている。
【００２２】
以上に述べた荷重センサ１の本体２は、基部３に対して、可動部５が、起歪部４及びセンサ平行バネ部９によって支持された構造となっている。そして、基部３を底面側よりねじ止めによって固定側に固定し、可動部５には、荷重が加えられる対象物がやはりねじ止めなどにより固定される。可動部５に対して図１（ｂ）中左右方向に荷重が印加されると、その荷重に応じて起歪部４が弾性変形し、可動部５が基部３に対して左右方向に変位するようになっている。
【００２３】
ストッパ配置部８は、上記のようにして可動部５が変位した場合に、図１（ｂ）に示す縦断面形状に変形を生じる余地を残した空間であり、可動部５の最大変位量を制限するため、ストッパ配置部８に対して角柱状のストッパ（変位制限部材）４０が挿入されている。すなわち、可動部５の変位量は、可動部５がストッパ４０に側面から当接することで制限されるようになっている。
【００２４】
図１（ｃ）は、底面側のセンサカバー１７と後述する基板２４とを取り外して、本体２の内部に配置されるＶＲセンサ部（変位量検出センサ）１８をステータ側から見た状態を示している。ＶＲセンサ部１８は、ステータコア（第１コア）１９，１次コイル２０，２次コイル２１，可動コア（第２コア）２２で構成されている。ステータコア１９は、図１（ｃ）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１９ａ〜１９ｄを備えており、それらの内、可動コア２２が本体２の可動部５と共に変異する方向（図中上下方向）にある突極部１９ａ，１９ｃに、１次コイル２０ａ，２０ｃ及び２次コイル２１ａ，２１ｃがそれぞれ巻装されている。
【００２５】
可動コア２２は、概ね円柱状であり、ステータコア１９における４つの突極部１９ａ〜１９ｄに囲まれている中心部に、それらの突極部１９ａ〜１９ｄ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ベース１０の挿入穴１３に挿入された状態で、ボルトなどにより可動部５に固定されている。尚、ステータコア１９及び可動コア２２は、例えば本体２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。
【００２６】
図２は、ＶＲセンサ部１８の動作原理を説明するもので、（ａ）は１次コイル２０ａ，２０ｃ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１９及び可動コア２２を通る状態を示し、（ｂ）はその等価回路を示す。尚、図２（ａ）において可動コア２２が変位する方向は、図１（ｃ）とは９０度異なる左右方向となっている。
【００２７】
１次コイル２０ａ，２０ｃに対しては、図２（ｂ）に示すように励磁用の交流電源２３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１９及び可動コア２２を通る磁束は、ある時点で図２（ａ）に破線で示す方向となるよう、１次コイル２０ａ，２０ｃが巻装されている。
【００２８】
２次コイル２１ａ，２１ｃは、直列逆相接続となるよう巻装されており、１次コイル２０ａ，２０ｃとは、突極部１９ａと可動コア２２とのギャップδａ，突極部１９ｃと可動コア２２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２１ａより出力される交流信号をＶａとすると、２次コイル２１ｃ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。
【００２９】
そして、可動コア２２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２０ａ／２次コイル２１ａ，１次コイル２０ｃ／２次コイル２１ｃ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。尚、上述したようにストッパ４０を配置して可動部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２２が突極部１９ａ，突極部１９ｃと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。
尚、上記のようなＶＲセンサ部１８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）。
【００３０】
図１（ｂ）に示すように、ステータコア１９の下方には基板２４が配置されており、１次コイル２０，２次コイル２１の両端は、基板２４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２０，２１と外部との間における入出力信号は、基板２４および本体２に接続される図示しないケーブルを介して行われる（尚、図１（ａ）にはケーブルを本体２に接続した状態で固定するためのナットを示しており、図１（ｃ）にはケーブルを本体２に接続するための挿入穴を破線で示している）。すなわち、荷重センサ１は、本体２とＶＲセンサ部１８との組み合わせによって構成されている。
【００３１】
図３は、荷重センサ１を実際にテンションメータとして使用する場合の形態を例示しており、可動部５に取り付けられるローラ２５で支持された搬送対象物Ｃにテンションが付与されつつ搬送される場合の荷重Ｆを検出する場合を示している。
【００３２】
図４は、荷重センサ１に上述したケーブルを介して接続される信号入出力回路３１の機能ブロック図である。１次ＳＩＮ電圧発生回路３２は、図２（ｂ）に示す交流電源２３と同様に、１次コイル２０に対して交流信号（ＳＩＮ波）ＶREFを出力する。２次信号入力回路３３は、２次コイル２１より出力される信号（Ｖａ＋Ｖｃ）を増幅して、次段の同期検波回路３４に出力する。同期検波回路３４は、１次ＳＩＮ電圧発生回路３２より交流信号ＶREFが与えられ、２次信号入力回路３３より出力される信号を同期検波すると、次段の整流回路３５に出力する。整流回路３５は、２次信号入力回路３３より与えられる検波信号を整流及び平滑して、直流信号ＶOUTを出力する。
【００３３】
次に、本実施例の作用について図５も参照して説明する。図５は、荷重センサ１に荷重が印加されて、突極部１９と可動コア２２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（ａ）に示すように、信号入出力回路３１より荷重センサ１の１次コイル２０ａ，２０ｃ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５（ｂ）に示すように、２次コイル２１ａより出力される正相信号Ｖａと、２次コイル２１ｃ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５（ｃ）参照）。したがって、信号入出力回路３１より出力される信号ＶOUTもゼロレベルとなる（図５（ｆ）参照）。
【００３４】
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５（ｂ）に示すように、２次コイル２１ａ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２１ｃ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５（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５（ｄ）参照）。したがって、その成分を整流・平滑した信号ＶOUTは、ゼロレベル下回るように出力される（図５（ｆ）参照）。
【００３５】
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５（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５（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５（ｄ）参照）。したがって、その成分を整流・平滑した信号ＶOUTは、ゼロレベル上回るように出力される（図５（ｆ）参照）。
尚、実際に信号入出力回路３１より出力される信号ＶOUTは単一電源Ｖｐによるので、図５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。
【００３６】
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２２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３１より出力される信号ＶOUTに本体２の変形応力に応じた係数を乗じれば、可動部５に印加された荷重を得ることができる。その際に、信号ＶOUTをＡ／Ｄ変換したデータをマイクロコンピュータに与えて演算させ、荷重の数値（即値）を表示器等に表示させるなどしても良いことは勿論である。
【００３７】
また、本体２にセンサ平行バネ部９及びカップリング部１１がない場合を想定すると、可動部５は、その両端部が起歪部４のみで支持されている状態で変位することになる。すると、可動部５に対してモーメント等により荷重が偏った状態で印加されると、起歪部４における歪み分布にも偏りが生じて、可動部５と基部３との平行が保てなくなり、可動コア２２がステータコア１９側に対して傾いた状態で変位するおそれがある。
そこで、可動部５の取付ベース１０を、起歪部４に比べて十分に剛性が低いセンサ平行バネ部９及びカップリング部１１で支持することで、荷重の偏りにより可動部５の変位に傾きが生じた場合でも、可動コア２２と突極部１９ａ，１９ｃとが互いの対向部が平行を維持した状態で、両者間のギャップ長が変化するように作用させる。その結果、偏った荷重成分が出力信号に与える影響を打ち消すことができる。
【００３８】
以上のように本実施例によれば、荷重センサ１は、固定側に取り付けられる基部３，及び基部３に対して弾性変形する起歪部４により両端部が支持され、印加される荷重に応じて基部３に対する相対位置が変位する可動部５を有してなる本体２と、ＶＲセンサ部１８との組み合わせにより構成した。
具体的には、１次コイル２０及び２次コイル２１を備えたステータコア１９を基部３側、可動コア２２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１９側のコイル２０及び２１と可動コア２２との位置関係を変化させて、１次コイル２０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２１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。
【００３９】
すなわち、２次コイル２１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。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１８は、本体２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、起歪部４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２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。
【００４０】
そして、取付ベース１０を、基部３に対してセンサ平行バネ部９で支持すると共に、可動部５においてカップリング部１１により支持するので、可動部５に印加される荷重が偏った場合でも、可動コア２２とステータコア１９との平行状態を維持させて、荷重の検出精度を更に向上させることができる。また、可動部５の変位量を制限するストッパ４０を、起歪部４とセンサ平行バネ部９との間に形成されたストッパ配置部８に配置したので、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２が不可逆的に変形することを防止し、荷重センサ１の強度を確保して信頼性を向上させることができる。
【００４１】
尚、荷重センサ１より出力される信号に基づいて、可動部５の変位量を求めることも可能である。また、ＶＲセンサ部１８は、本体２との組み合わせによって荷重センサ１を構成するものに限らず、可動側の変位量を検出する変位量センサとして用いることもできる。その場合には、上記実施例とは逆に、ステータコア１９を可動側に取り付け（第２コア）、可動コア２２を固定側に取り付けても良く（第１コア）、要は固定側と可動側との相対変位量に応じて、ステータコア１９と可動コア２２との空隙長を変化させれば良い。
【００４２】
（第２実施例）
図６乃至図８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実施例は、ＶＲセンサ部を、変位量センサとして使用する場合の異なる実施形態を示す。図６に示すように、第２実施例のＶＲセンサ部４１は、ステータコア１９の突極部１９ｂ，１９ｄにもそれぞれ、１次コイル２０ｂ及び２次コイル２１ｂ，１次コイル２０ｄ及び２次コイル２１ｄが巻装されている。そして、これらの１次コイル２０ｂ及び２０ｄには、１次コイル２０ａ及び２０ｃと同様に正弦波信号Ｖrefを与える。
【００４３】
そして、検出ギャップδａ及びδｃが変化する変位方向をＸ方向，検出ギャップδｂ及びδｄが変化する変位方向をＹ方向として、第１実施例と同様に可動コア２２側が変位するものとすれば、可動コア２２のＸ軸方向変位量，Ｙ軸方向変位量をそれぞれ独立して得ることができる。尚、斯様に構成すると、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誤差が出るが、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。
【００４４】
図７は、第１実施例の図４相当図である。信号入出力回路４２は、２軸方向に配置されている２次コイル２１ａ，２１ｃ及び２１ｂ，２１ｄより、それぞれのセンサ出力（Ｖａ＋Ｖｃ），（Ｖｂ＋Ｖｄ）が与えられ、２次信号入力回路４３，同期検波回路４４，整流回路４５により、それらの信号を２系統で処理する。そして、整流回路４５からは、Ｘ軸方向変位量に対応する直流信号ＶOUT＿Ｘと、Ｙ軸方向変位量に対応する直流信号ＶOUT＿Ｙが出力される。
【００４５】
従って、例えば信号ＶOUT＿Ｘ，ＶOUT＿Ｙより可動コア２２のＸ軸方向変位量ｘ１，Ｙ軸方向変位量ｙ１が得られたとすれば、図８に示すように、それらによって可動コア２２の２次元的な変位状態を得ることができる。例えば、arctan（ｙ１／ｘ１）より、Ｘ軸からの変位角θを得ることも可能である。この場合も上述したように、可動コア（第１コア）２２を固定側に取り付け、ステータコア（第２コア）１９を可動側に取り付けても良い。
【００４６】
以上のように第２実施例によれば、ステータコア１９において、可動側が直交する２軸について変位する方向に沿って配置される突極部１９ａ〜１９ｄに、１次コイル２０ａ〜２０ｄ及び２次コイル２１ａ〜２１ｄを備えたので、固定側に対して、可動側が２軸方向に変位した量が検出でき、各軸方向に配置されている２次コイル２１より出力される交流信号の変化によって、可動側の変位状態を２次元的に得ることができる。
【００４７】
（第３実施例）
図９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。図９は図６相当図であり、第３実施例のＶＲセンサ部（変位量センサ）５１は、第２実施例のＶＲセンサ部４１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１９’における突極部１９ａ’〜１９ｄ’が、可動コア２２’と対向する部位の面形状が、第２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２２’が突極部１９ａ’〜１９ｄ’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１９ａ’〜１９ｄ’と可動コア２２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。
【００４８】
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１９’と可動コア２２’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、第２実施例で説明した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。
【００４９】
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。
センサ平行バネ部９，カップリング部１１やストッパ４０は、想定される荷重の大きさや荷重の偏りの有無，可動部５の最大変位量などにより、必要に応じて設ければ良い。
本体２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。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１実施例であり、（ａ）は荷重センサの外観平面図，（ｂ）は縦断側面図，（ｃ）は底面図
【図２】（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３】荷重センサを実際に使用する場合の形態を例示する図
【図４】信号入出力回路の機能ブロック図
【図５】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６】本発明の第２実施例を示す図２（ａ）相当図
【図７】図４相当図
【図８】可動側の２次元的な変位状態を示す座標図
【図９】本発明の第３実施例を示す図６相当図
【符号の説明】
【００５１】
図面中、１は荷重センサ、２は本体（起歪体）、３は基部、４は起歪部、５は可動部、８はストッパ配置部（空間部）、９はセンサ平行バネ部（補助支持部）、１０は取付ベース（可動コア取付部）、１１はカップリング部（可動側支持部）、１８はＶＲセンサ部（変位量センサ）、１９はステータコア（第１コア）、１９ａ〜１９ｄ突極部、２０は１次コイル、２１は２次コイル、２２は可動コア（第２コア）、４０はストッパ（変位制限部材）、４１，５１はＶＲセンサ部（変位量センサ）を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定側に取り付けられる基部，及びこの基部に対して弾性変形する起歪部により両端部が支持され、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可動部を有してなる起歪体と、
前記基部に配置され、ヨーク部の内周側に複数の突極部を有するステータコアと、
このステータコアにおいて、前記可動部の変位方向に沿って配置される突極部に巻装され、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、
前記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荷重センサ。
【請求項２】
前記可動部は、前記可動コアが取り付けられる可動コア取付け部と、この可動コア取付け部の両端を、前記起歪部よりも低い剛性で支持する可動側支持部とを有し、
前記基部に対して、前記可動コア取付け部の両端部を、前記起歪部よりも低い剛性で支持する補助支持部を設けたことを特徴とする請求項１記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記可動部と前記基部との間に形成されて前記可動部の変位に伴い変形を生じる空間部に、前記可動部の変位量を制限する変位制限部材を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の荷重センサ。
【請求項４】
ヨーク部の内周側に複数の突極部を有する第１コアと、
前記突極部に巻装され、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１次コイルが発生する磁束が通る磁気回路を前記第１コアと共に形成し、可動側と固定側との相対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第２コアとを備え、
前記２次コイルより、前記相対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変位量センサ。
【請求項５】
前記第１コアは、前記可動側が直交する２軸について変位する方向に沿ってそれぞれ配置される突極部，１次コイル及び２次コイルを備えていることを特徴とする請求項４記載の変位量センサ。
【請求項６】
前記第１コアの突極部と、前記第２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ていることを特徴とする請求項５記載の変位量センサ。
【請求項１】
固定側に取り付けられる基部，及びこの基部に対して弾性変形する起歪部により両端部が支持され、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可動部を有してなる起歪体と、
前記基部に配置され、ヨーク部の内周側に複数の突極部を有するステータコアと、
このステータコアにおいて、前記可動部の変位方向に沿って配置される突極部に巻装され、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、
前記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荷重センサ。
【請求項２】
前記可動部は、前記可動コアが取り付けられる可動コア取付け部と、この可動コア取付け部の両端を、前記起歪部よりも低い剛性で支持する可動側支持部とを有し、
前記基部に対して、前記可動コア取付け部の両端部を、前記起歪部よりも低い剛性で支持する補助支持部を設けたことを特徴とする請求項１記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記可動部と前記基部との間に形成されて前記可動部の変位に伴い変形を生じる空間部に、前記可動部の変位量を制限する変位制限部材を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の荷重センサ。
【請求項４】
ヨーク部の内周側に複数の突極部を有する第１コアと、
前記突極部に巻装され、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１次コイルが発生する磁束が通る磁気回路を前記第１コアと共に形成し、可動側と固定側との相対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第２コアとを備え、
前記２次コイルより、前記相対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変位量センサ。
【請求項５】
前記第１コアは、前記可動側が直交する２軸について変位する方向に沿ってそれぞれ配置される突極部，１次コイル及び２次コイルを備えていることを特徴とする請求項４記載の変位量センサ。
【請求項６】
前記第１コアの突極部と、前記第２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ていることを特徴とする請求項５記載の変位量センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１５１７７１（Ｐ２０１０−１５１７７１Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３３６３２（Ｐ２００８−３３３６３２）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００１２７９４９）株式会社エスジー (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００１２７９４９）株式会社エスジー (4)
【Ｆターム（参考）】
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