(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
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【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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