(57)【要約】【課題】張力の作用方向に関わらず、張力変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の張力センサを提供する。【解決手段】張力センサ１０は、張力Ｆが印加される伝達部材１６と、この伝達部材１６から受ける応力に基づいて張力Ｆの変化を検出するための超磁歪部材１４（張力検出部材）を備えている。そして、これら伝達部材１６及び超磁歪部材１４を、それぞれの中心軸Ｌが一致するように配設し、且つ、該中心軸Ｌ上の固定リング３０を支点として揺動自在とすることによって、張力の作用線が、伝達部材１６及び超磁歪部材１４の中心軸Ｌと一致するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
張力が印加される伝達部材と、該伝達部材から受ける応力に基づいて前記張力の変化を検出するための張力検出部材を、それぞれの中心軸が一致するように配設し、且つ、該中心軸上の一点を支点として揺動自在とすることによって、前記張力の作用線が、前記伝達部材及び張力検出部材の中心軸と一致するようにしたことを特徴とする張力センサ。
【請求項２】
張力が印加される伝達部材と、該伝達部材から受ける応力に基づいて前記張力の変化を透磁率の変化として検出するための磁歪部材を、それぞれの中心軸が一致するように配設し、且つ、該中心軸上の一点を支点として揺動自在とすることによって、前記張力の作用線が、前記伝達部材及び磁歪部材の中心軸と一致するようにしたことを特徴とする張力センサ。
【請求項３】
請求項２において、
前記磁歪部材を略筒状に成形し、且つ、前記伝達部材を、前記磁歪部材の軸方向一端面に接触して配置された板状体及び該板状体を基端として前記磁歪部材の内側空間内を貫通して設けられた棒状体によって構成したことを特徴とする張力センサ。
【請求項４】
請求項３において、
前記磁歪部材は円筒形状からなり、且つ、前記伝達部材における前記板状体は、前記磁歪部材の軸方向一端面と同一の外径を有する円板形状からなることを特徴とする張力センサ。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかにおいて、
前記磁歪部材の軸方向に予荷重を印加可能としたことを特徴とする張力センサ。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれかにおいて、
前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする張力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、張力の変化を検出するための張力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図８に示されるような、張力の変化を検出するための張力センサが広く知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この従来公知の張力センサ１は、２本の引張りロッド２Ａ、２Ｂに固定され、且つ、センサハウジング３のセンサ室４内を摺動可能なプランジャ５と、このプランジャ５に設けられたスプリング６とセンサハウジング３との間に配設された円柱形状のビラリ効果センサ７と、を備えている（特許文献１参照。）。なお、２本の引張りロッド２Ａ、２Ｂにおける反プランジャ５側は、引張りロッドヘッド８に連結されており、この引張りロッドヘッド８には、張力センサ１を固定するための据付ボルト穴８Ａが形成されている。この張力センサ１の引張りロッドヘッド８側は、据付ボルト穴８Ａを介して据付ボルト（図示略）によって固定され、センサハウジング３に張力Ｆ１が印加される構造となっている。
【０００４】
センサハウジング３に張力Ｆ１が印加され、センサハウジング３が移動すると、ビラリ効果センサ７が軸方向の圧縮力を受ける。従って、この圧縮力に基づくビラリ効果センサ７の透磁率の変化を検出コイル（図示略）等で検出することによって、張力センサ１に印加される張力Ｆ１の変化を検出することができる。
【０００５】
【特許文献１】特表２００２−５１３４７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、この従来公知の張力センサ１において、ビラリ効果センサ７の中心軸Ｌ１に対して角度θ１だけ傾斜した方向に張力Ｆ２が印加された場合、ビラリ効果センサ７には張力Ｆ２に伴う圧縮力及びトルクが作用するため、中心軸Ｌ１方向の変形に加えて捩れが発生する。そのため、ビラリ効果センサ７において張力の変化を正確に検出することができず、検出精度が悪くなってしまうといった問題点があった。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、張力の作用方向に関わらず、張力変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の張力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の発明者は、研究の結果、張力の作用方向に関わらず、張力変化を高精度、高感度で検出することができる簡易構造の張力センサを見出した。
【０００９】
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。
【００１０】
（１）張力が印加される伝達部材と、該伝達部材から受ける応力に基づいて前記張力の変化を検出するための張力検出部材を、それぞれの中心軸が一致するように配設し、且つ、該中心軸上の一点を支点として揺動自在とすることによって、前記張力の作用線が、前記伝達部材及び張力検出部材の中心軸と一致するようにしたことを特徴とする張力センサ。
【００１１】
（２）張力が印加される伝達部材と、該伝達部材から受ける応力に基づいて前記張力の変化を透磁率の変化として検出するための磁歪部材を、それぞれの中心軸が一致するように配設し、且つ、該中心軸上の一点を支点として揺動自在とすることによって、前記張力の作用線が、前記伝達部材及び磁歪部材の中心軸と一致するようにしたことを特徴とする張力センサ。
【００１２】
（３）前記磁歪部材を略筒状に成形し、且つ、前記伝達部材を、前記磁歪部材の軸方向一端面に接触して配置された板状体及び該板状体を基端として前記磁歪部材の内側空間内を貫通して設けられた棒状体によって構成したことを特徴とする前記（２）記載の張力センサ。
【００１３】
（４）前記磁歪部材は円筒形状からなり、且つ、前記伝達部材における前記板状体は、前記磁歪部材の軸方向一端面と同一の外径を有する円板形状からなることを特徴とする前記（３）記載の張力センサ。
【００１４】
（５）前記磁歪部材の軸方向に予荷重を印加可能としたことを特徴とする前記（２）乃至（４）のいずれかに記載の張力センサ。
【００１５】
（６）前記磁歪部材を、超磁歪素子を材料とする超磁歪部材によって構成したことを特徴とする前記（２）乃至（５）のいずれかに記載の張力センサ。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る簡易構造の張力センサは、張力の作用方向に関わらず、張力変化を高精度、高感度で検出することができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１及び図２に示されるように、本発明の実施形態に係る張力センサ１０は、非磁性体からなる箱状のケース１２を備えており、このケース１２内には、図中Ｌを中心軸とする円筒形状の超磁歪部材１４と、この超磁歪部材１４の内側空間１４Ａに同軸的に配設された伝達部材１６と、この伝達部材１６の上部に配設された皿バネ１８と、超磁歪部材１４の外周を囲むように配設されたピックアップコイル２０がそれぞれ収容されている。
【００１９】
又、ケース１２の上部には、皿バネ１８を介して超磁歪部材１４の軸方向Ｌに予荷重を印加するための予荷重ネジ２２が取り付けられており、これによって超磁歪部材１４に印加する予荷重が調整可能な構造となっている。なお、予荷重ネジ２２による予荷重は、張力センサ１０の諸元に合わせて最適な値に設定される。
【００２０】
更に、予荷重ネジ２２の上部には取付リング２４が設けられており、この取付リング２４は、更にワイヤ２６を介して、超磁歪部材１４及び伝達部材１６の中心軸Ｌ上に位置し、且つ、ベース板２８に固定された固定リング３０に連結されている。即ち、ケース１２は、中心軸Ｌ上に位置する固定リング３０を支点として揺動自在な構造となっている。
【００２１】
伝達部材１６は、円板形状からなる板状体１６Ａと、棒状体１６Ｂによって構成されている。板状体１６Ａは、超磁歪部材１４の軸方向Ｌの一端面１４Ｂに接触して配置され、且つ、この一端面１４Ｂと同一の外径を有している。又、棒状体１６Ｂは、この板状体１６Ａを基端として超磁歪部材１４の内側空間１４Ａ内を貫通して設けられており、その先端部はケース１２の外部に突出されている。
【００２２】
超磁歪部材１４は、超磁歪素子を材料として用いている。ここで、「超磁歪素子」とは、希土類元素および／または特定の遷移金属などを主成分（例えば、テルビウム、ジスプロシウム、鉄など）とする粉末焼結合金あるいは単結晶合金から作られた磁歪素子をいう。この（超）磁歪素子は、外部から応力を受けて変形すると大きな透磁率（又は残留磁化量）の変化を生じる特性を有している。即ち、（超）磁歪素子が引張り力を受けて伸長すると透磁率が上がり、（超）磁歪素子が圧縮力を受けて縮小すると透磁率が下がる。
【００２３】
ピックアップコイル２０は、このような超磁歪部材１４の変形によって生じる透磁率又は残留磁化量の変化を、ピックアップコイル２０のインダクタンスの変化として検出可能である。
【００２４】
次に、張力センサ１０の作用について説明する。
【００２５】
張力センサ１０の伝達部材１６に張力Ｆが印加されると、伝達部材１６の板状体１６Ａを介して超磁歪部材１４の一端面１４Ｂに、軸方向Ｌの圧縮力が加えられる。そして、この伝達部材１６からの圧縮力によって、超磁歪部材１４に変形が生じ、超磁歪部材１４は半径方向に伸長すると共に、軸方向に収縮する。その結果、ピックアップコイル２０の内側空間に占める超磁歪部材１４の容積が変化すると共に、この超磁歪部材１４の透磁率又は残留磁化量が変化する。従って、この透磁率または残留磁化率の変化をピックアップコイル２０のインダクタンス値の変化として検出することで、伝達部材１６に印加される張力Ｆの変化を検出することができる。
【００２６】
又、図３に示されるように、張力センサ１０に、鉛直方向Ｖに対して角度θだけ傾斜した方向に張力Ｆを印加した場合であっても、ケース１２内の超磁歪部材１４及び伝達部材１６は、固定リング３０を支点として揺動自在な構造となっているため、張力Ｆの作用線は、常に、超磁歪部材１４及び伝達部材１６の中心軸Ｌと一致する。従って、張力Ｆの作用方向に関わらず、張力Ｆを中心軸Ｌ方向の圧縮力として超磁歪部材１４に伝達することができる。
【００２７】
図４に示されるように、本発明の発明者らは、鉛直方向Ｖに固定された張力センサ４０を用意した上で、鉛直方向Ｖに沿って張力Ｆを印加した場合（図４（Ａ）の比較例１）と、上記図３と同様に鉛直方向Ｖに対して角度θだけ傾斜した方向に張力Ｆを印加した場合（図４（Ｂ）の比較例２）における、張力Ｆとピックアップコイル２０のインダクタンス値Ｉとの関係についてデータを採取し、張力センサ１０との比較を行った。なお、この例では、超磁歪部材１４として、外径１０ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ６ｍｍの素子を用いると共に、鉛直方向Ｖに対する角度θは１９度に設定した。
【００２８】
その結果、図５に示されるように、張力センサ４０において角度θの方向に張力Ｆを印加した場合（比較例２）には、比較例１のように鉛直方向Ｖに沿って張力Ｆを印加した場合に比べ、張力Ｆの検出精度が著しく低下した。一方、本実施形態に係る張力センサ１０において角度θの方向に張力Ｆを印加した場合（実施例）には、比較例１と略同程度の検出精度が確保できることが確認された。
【００２９】
本発明に係る張力センサ１０によれば、張力Ｆが印加される伝達部材１６と、この伝達部材１６から受ける圧縮力（応力）に基づいて張力Ｆの変化を検出するための超磁歪部材１４（張力検出部材）を、それぞれの中心軸Ｌが一致するように配設し、且つ、該中心軸Ｌ上の固定リング３０を支点として揺動自在とすることによって、張力Ｆの作用線が、伝達部材１６及び超磁歪部材１４の中心軸Ｌと一致するようにしたため、張力Ｆの作用方向に関わらず、伝達部材１６によって、張力Ｆを中心軸Ｌ方向の圧縮力として超磁歪部材１４に伝達することができ、張力変化を高精度、高感度で検出することができる。
【００３０】
特に、略筒状の超磁歪部材１４と、この超磁歪部材１４の軸方向Ｌの一端面１４Ｂに接触して配置された板状体１６Ａ及びこの板状体１６Ａを基端として超磁歪部材１４の内側空間１４Ａ内を貫通して設けられた棒状体１６Ｂによって構成された伝達部材１６と、を有してなるため、構造が極めて簡易で、製造が容易である上に、伝達部材１６に印加される張力を、超磁歪部材１４に対して偏り無く、均一に伝達することができ、張力変化をより一層高精度、高感度で検出することができる。
【００３１】
又、超磁歪部材１４は円筒形状からなり、且つ、伝達部材１６における板状体１６Ａは、超磁歪部材１４の軸方向端面１４Ｂと同一の外径を有する円板形状からなるため、伝達部材１６に加えられる張力を、超磁歪部材１４へ効率良く伝達することができ、張力変化の検出が更に高められている。
【００３２】
更に、予荷重ネジ２２によって超磁歪部材１４の軸方向Ｌに予荷重を印加可能であるため、予荷重を張力センサ１０の諸元に合わせて調整すれば、張力検出の特性（直線性やヒステリシス特性）を最適設計することができる。
【００３３】
なお、本発明に係る張力センサは、上記実施形態に係る張力センサ１０の構造や形状等に限定されるものではなく、例えば、超磁歪部材１４は円筒形状ではなく、角筒形状等であってもよい。又、伝達部材１６の板状体１６Ａは、超磁歪部材１４の軸方向一端面１４Ｂと同一の外径を有する円板形状の部材に限定されるものではない。更に、検出感度をそれ程高める必要がない場合には、超磁歪部材１４の代わりに磁歪素子からなる磁歪部材を適用してもよく、又、所望の張力検出特性が得られる場合には、予荷重ネジ２２を取り付けなくてもよい。
【００３４】
又、伝達部材１６から受ける応力に基づいて張力Ｆの変化を検出するための張力検出部材は、（超）磁歪部材に限定されるものではなく、張力センサは、張力が印加される伝達部材と、該伝達部材から受ける応力に基づいて前記張力の変化を検出するための張力検出部材を、それぞれの中心軸が一致するように配設し、且つ、該中心軸上の一点を支点として揺動自在とすることによって、前記張力の作用線が、前記伝達部材及び張力検出部材の中心軸と一致するようにしたものであればよい。
【００３５】
従って、例えば、図６に示される張力センサ５０のように、超磁歪部材１４に代えて、略円筒形状の導電性ゴム５２を張力検出部材として適用してもよい。この導電性ゴム５２の上端及び下端には、上端電極５４Ａ及び下端電極５４Ｂが配設され、導電性ゴム５２に所定の電流が流されていると共に、電流検出手段５６によって電流値の変化が検出可能な構造となっている。
【００３６】
この張力センサ５０では、伝達部材１６に張力Ｆが印加されると、伝達部材１６の板状体１６Ａを介して導電性ゴム５２の上端に、軸方向Ｌの圧縮力が加えられる。そして、この伝達部材１６からの圧縮力によって導電性ゴム５２に変形（歪み）が生じ、この導電性ゴム５２の抵抗値が変化する。従って、図７に示されるように、この抵抗値の変化を、電流検出手段５６における電流値の変化として検出することで、伝達部材１６に印加される張力Ｆの変化を検出することができる。
【００３７】
又、張力センサ５０においても、上述の張力センサ１０と同様に、張力Ｆの作用方向に関わらず、伝達部材１６によって、張力Ｆを中心軸Ｌ方向の圧縮力として導電性ゴム５２に伝達することができ、張力変化を高精度、高感度で検出することができる。
【００３８】
なお、上記実施形態に係る張力センサ１０においては、超磁歪部材１４の透磁率の変化を検出するための検出手段としてピックアップコイル２０を適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。従って、例えば、検出手段としてＭＲ、ＧＭＲ、ＴＭＲ等の磁気抵抗効果素子やホール素子を適用し、透磁率の変化を磁気抵抗効果素子やホール素子の起電力変化として検出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る張力センサを示す概略側断面図
【図２】図１におけるII−II線に沿った概略断面図
【図３】図１における張力センサに所定方向の張力を印加した状態を示す概略側断面図
【図４】図１における張力センサとの比較例を示す概略側断面図
【図５】図１及び図４における張力センサに印加する張力とピックアップコイルのインダクタンス値との関係を示すグラフ
【図６】本発明の他の実施形態に係る張力センサを示す概略側断面図
【図７】図６における張力センサに印加する張力と、歪み率、抵抗、電流の関係を示す表
【図８】従来の張力センサを示す概略側断面図
【符号の説明】
【００４０】
Ｆ、Ｆ１、Ｆ２…張力
Ｌ、Ｌ１…中心軸
Ｉ…インダクタンス
θ、θ１…角度
１、１０、４０、５０…張力センサ
２Ａ、２Ｂ…引張りロッド
３…センサハウジング
４…センサ室
５…プランジャ
６…スプリング
７…ビラリ効果センサ
８…引張りロッドヘッド
８Ａ…据付ボルト穴
１２…ケース
１４…超磁歪部材
１４Ａ…内側空間
１４Ｂ…軸方向端面
１６…伝達部材
１６Ａ…板状体
１６Ｂ…棒状体
１８…皿バネ
２０…ピックアップコイル
２２…予荷重ネジ
２４…取付リング
２６…ワイヤ
２８…ベース板
３０…固定リング
５２…導電性ゴム
５４Ａ…上端電極
５４Ｂ…下端電極
５６…電流検出手段
【図１】
2005147771.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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