(57)【要約】  金属に生じる応力を高精度に検出する。  回転軸Ｓに生じる捻り応力（トルク）を検出するトルクセンサ１であって、回転軸Ｓに対して近接配置される検出コイルＬと、該検出コイルＬに対して直列又は並列に接続されるコンデンサＣとが備えられ、検出コイルＬとコンデンサＣとからなる共振回路２に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、回転軸Ｓに生じる捻り応力を検出する。
2008081570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属に生じる応力を検出する応力センサであって、前記金属に対して近接配置される検出コイルと、該検出コイルに対して直列又は並列に接続されるコンデンサとが備えられ、前記検出コイルと前記コンデンサとからなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記金属に生じる応力を検出することを特徴とする応力センサ。
【請求項２】
前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする請求項１記載の応力センサ。
【請求項３】
前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする請求項２記載の応力センサ。
【請求項４】
一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも多くしたことを特徴とする請求項３記載の応力センサ。
【請求項５】
一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも少なくしたことを特徴とする請求項３記載の応力センサ。
【請求項６】
一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数と一致させたことを特徴とする請求項３記載の応力センサ。
【請求項７】
一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び／又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更する手段を備えることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項８】
前記検出コイルは、前記金属における検出領域及び／又は検出方向を限定するために、金属との間で閉磁路を構成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項９】
前記検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、金属との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする請求項８記載の応力センサ。
【請求項１０】
前記金属は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の応力センサ。
【請求項１１】
金属に生じる応力を検出する応力検出方法であって、前記金属に対して近接配置される検出コイルと、該検出コイルに対して直列又は並列に接続されるコンデンサとが用いられ、前記検出コイルと前記コンデンサとからなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記金属に生じる応力を検出することを特徴とする応力検出方法。
【請求項１２】
前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする請求項１１記載の応力検出方法。
【請求項１３】
前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする請求項１２記載の応力検出方法。
【請求項１４】
一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも多くしたことを特徴とする請求項１３記載の応力検出方法。
【請求項１５】
一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも少なくしたことを特徴とする請求項１３記載の応力検出方法。
【請求項１６】
一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数と一致させたことを特徴とする請求項１３記載の応力検出方法。
【請求項１７】
一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び／又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の応力検出方法。
【請求項１８】
前記検出コイルは、前記金属における検出領域及び／又は検出方向を限定するために、金属との間で閉磁路を構成することを特徴とする請求項１１〜１７のいずれかに記載の応力検出方法。
【請求項１９】
前記検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、金属との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする請求項１８記載の応力検出方法。
【請求項２０】
前記金属は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする請求項１１〜１９のいずれかに記載の応力検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属に生じる圧縮応力、引張応力、捻り応力などの応力を検出する応力センサ及び応力検出方法に関し、特に、トルクセンサ（捻り応力センサ）、引張・圧縮応力センサ、曲げ応力センサ、圧力センサ、歪みセンサ、接触センサ、金属疲労センサなどに適用し得る応力センサ及び応力検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属に生じる応力を、その金属の磁気的な特性変化（透磁率変化など）に基づいて検出する応力センサや応力検出方法が知られている。例えば、回転軸のトルク（捻り応力）を、磁歪の逆効果を利用して検出する磁歪式トルクセンサは、自動車の電動パワーステアリングシステムや電動アシスト自転車のトルクアシストシステムなどにおいて実用化されている。【０００３】
従来の磁歪式トルクセンサは、回転軸の二つの外周領域に、それぞれ＋４５°と−４５°の磁気異方性を付与すると共に、各外周領域に対向して一対の検出コイルを配置し、これらの検出コイル間に生じる差動電圧を出力するように構成される。つまり、回転軸にトルクを加えると、磁歪の逆効果により各外周領域の透磁率が背反的に変化するため、検出コイル間に差動電圧が生じ、トルクに比例した出力が得られる（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平７−８３７６９号公報
【特許文献２】特開平１１−３７８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の応力センサでは、ブリッジ回路などを用いて、検出コイル間に生じる僅かな差動電圧を検出し、この差動電圧を増幅回路で増幅しているため、ノイズの影響を受けやすく、検出精度に限界があった。【０００５】
また、従来の磁歪式トルクセンサでは、必要な検出精度を確保するために、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで±４５°の縞模様（磁気異方部）を加工する必要があるので、これらの加工が許容されない回転軸では適用が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作された本発明の応力センサは、金属に生じる応力を検出する応力センサであって、前記金属に対して近接配置される検出コイルと、該検出コイルに対して直列又は並列に接続されるコンデンサとが備えられ、前記検出コイルと前記コンデンサとからなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記金属に生じる応力を検出することを特徴とする。このような応力センサによれば、金属に生じる応力を高精度に検出することができる。すなわち、上記のような共振回路から減衰状に出力される自由振動波においては、応力による金属の磁気的な特性変化（透磁率変化など）が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、応力に応じて変化する位相ズレを高精度に検出できる。
また、前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする。このような応力センサによれば、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。しかも、応力検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、共振回路の基準共振周波数に依存しないので、検出対象に応じて共振回路の基準共振周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
また、前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする。このような応力センサによれば、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができるので、応力センサの検出精度を飛躍的に向上させることができる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも多くしたことを特徴とする。このような応力センサによれば、自由振動波の減衰が大きく、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を多くできない状況であっても、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数を多くし、要求精度を満たすことができる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも少なくしたことを特徴とする。このような応力センサによれば、自由振動波カウント処理の繰り返し時（継ぎ目）に発生する誤差（例えば、比較器性能に起因する繰り返し処理時間の変動誤差）の蓄積を抑制し、測定精度を向上させることができる。また、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数が実質的に制限されるので、一回の検出処理時間が著しく長くなることを避け、良好な応答性が得られる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数と一致させたことを特徴とする。このような応力センサによれば、要求される測定精度や応答性能に応じて、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数を設定するにあたり、自由振動波カウント処理の繰り返し回数と、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数とのバランスを均等に保ち、いずれか一方の偏った増減による測定精度の低下を防止することができる。例えば、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数に比して極端に多くした場合の如く、自由振動波カウント処理の繰り返し時（継ぎ目）に発生する測定誤差（例えば、比較器性能に起因する繰り返し処理時間の変動誤差）が蓄積されて、測定精度が低下するという問題を回避できる。また、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を、自由振動波カウント処理の繰り返し回数に比して極端に多くした場合の如く、自由振動波の振幅不足によって誤測定が発生するという問題を回避できる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び／又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更する手段を備えることを特徴とする。このような応力センサによれば、使用条件に応じて自由振動波カウント数や繰り返し回数を変更し、応力検出の検出精度や応答性能を調整することができる。
また、前記検出コイルは、前記金属における検出領域及び／又は検出方向を限定するために、金属との間で閉磁路を構成することを特徴とする。このような応力センサによれば、金属における検出領域や検出方向を限定し、応力の検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明の応力センサでは、応力に応じた自由振動波の位相ズレを、自由振動波の数だけ蓄積して検出するので、自由振動波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、金属における検出領域や検出方向を限定することにより、ＳＮ比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、磁歪式トルクセンサなどを構成する場合、検出コイル側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明による応力検出の適用が可能となる。
また、前記検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、金属との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする。このような応力センサによれば、閉磁路に生じる磁束密度を高めて、金属の磁気的な特性変化を高精度に検出することができる。
また、前記金属は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする。このような応力センサによれば、応力に応じた磁歪膜における磁歪の逆効果にもとづいて、応力を高精度に検出できるだけでなく、応力検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の応力センサでは、メッキ法により成膜された磁歪膜（例えば、ニッケルメッキ）であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材（樹脂を含む）を対象として、高精度な応力検出を行うことができる。
また、本発明の応力検出方法は、金属に生じる応力を検出する応力検出方法であって、前記金属に対して近接配置される検出コイルと、該検出コイルに対して直列又は並列に接続されるコンデンサとが用いられ、前記検出コイルと前記コンデンサとからなる共振回路に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に前記共振回路から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、前記金属に生じる応力を検出することを特徴とする。このような応力検出方法によれば、金属に生じる応力を高精度に検出することができる。すなわち、上記のような共振回路から減衰状に出力される自由振動波においては、応力による金属の磁気的な特性変化（透磁率変化など）が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、応力に応じて変化する位相ズレを高精度に検出できる。
また、前記共振回路に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出することを特徴とする。このような応力検出方法によれば、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。しかも、応力検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、共振回路の基準共振周波数に依存しないので、検出対象に応じて共振回路の基準共振周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。
また、前記自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、前記自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させることを特徴とする。このような応力検出方法によれば、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができるので、応力センサの検出精度を飛躍的に向上させることができる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも多くしたことを特徴とする。このような応力検出方法によれば、自由振動波の減衰が大きく、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を多くできない状況であっても、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数を多くし、要求精度を満たすことができる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数よりも少なくしたことを特徴とする。このような応力検出方法によれば、自由振動波カウント処理の繰り返し時（継ぎ目）に発生する誤差（例えば、比較器性能に起因する繰り返し処理時間の変動誤差）の蓄積を抑制し、測定精度を向上させることができる。また、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数が実質的に制限されるので、一回の検出処理時間が著しく長くなることを避け、良好な応答性が得られる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数と一致させたことを特徴とする。このような応力検出方法によれば、要求される測定精度や応答性能に応じて、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数を設定するにあたり、自由振動波カウント処理の繰り返し回数と、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数とのバランスを均等に保ち、いずれか一方の偏った増減による測定精度の低下を防止することができる。例えば、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数に比して極端に多くした場合の如く、自由振動波カウント処理の繰り返し時（継ぎ目）に発生する測定誤差（例えば、比較器性能に起因する繰り返し処理時間の変動誤差）が蓄積されて、測定精度が低下するという問題を回避できる。また、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を、自由振動波カウント処理の繰り返し回数に比して極端に多くした場合の如く、自由振動波の振幅不足によって誤測定が発生するという問題を回避できる。
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数、及び／又は、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更することを特徴とする。このような応力検出方法によれば、使用条件に応じて自由振動波カウント数や繰り返し回数を変更し、応力検出の検出精度や応答性能を調整することができる。
また、前記検出コイルは、前記金属における検出領域及び／又は検出方向を限定するために、金属との間で閉磁路を構成することを特徴とする。このような応力検出方法によれば、金属における検出領域や検出方向を限定し、応力の検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明の応力検出方法では、応力に応じた自由振動波の位相ズレを、自由振動波の数だけ蓄積して検出するので、自由振動波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、金属における検出領域や検出方向を限定することにより、ＳＮ比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、磁歪式トルクセンサを構成する場合、検出コイル側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸や静止軸であっても、本発明による応力検出の適用が可能となる。
また、前記検出コイルは、高透磁率材料を用いて形成され、金属との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えることを特徴とする。このような応力検出方法によれば、閉磁路に生じる磁束密度を高めて、金属の磁気的な特性変化を高精度に検出することができる。
また、前記金属は、メッキ法により成膜された磁歪膜であることを特徴とする。このような応力検出方法によれば、応力に応じた磁歪膜における磁歪の逆効果にもとづいて、応力を高精度に検出できるだけでなく、応力検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の応力検出方法では、メッキ法により成膜された磁歪膜（例えば、ニッケルメッキ）であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材（樹脂を含む）を対象として、高精度な応力検出を行うことができる。
【発明の効果】
【０００７】
以上のような本発明によれば、金属に生じる応力を高精度に検出することができる。すなわち、上記のような共振回路から減衰状に出力される自由振動波においては、応力による金属の磁気的な特性変化（透磁率変化など）が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、応力に応じて変化する位相ズレを高精度に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第一実施形態に係る応力センサ（簡易式トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。
【図２】駆動パルス信号波形（ａ点）及び共振回路の振動波形（ｂ点）を示す説明図である。
【図３】十数個目の自由振動波を拡大した説明図である。
【図４】回転軸に大きなトルクを加えたときの位相ズレを示す説明図である。
【図５】回転軸に小さなトルクを加えたときの位相ズレを示す説明図である。
【図６】自由振動波形（ｂ点）と比較器出力（ｃ点）の関係を示す説明図である。
【図７】回転軸にトルクが加えられていないときの比較器出力を示す拡大図である。
【図８】回転軸に小さなトルクが加えられたときの比較器出力を示す説明図である。
【図９】回転軸に大きなトルクが加えられたときの比較器出力を示す説明図である。
【図１０】自由振動波カウント数を５、その繰り返し回数を１０とした場合における位相ズレの増幅作用を示す説明図である。
【図１１】自由振動波カウント数を１、その繰り返し回数を１００とした場合における位相ズレの増幅作用（検出波形始端部を拡大）を示す説明図である。
【図１２】自由振動波カウント数を１、その繰り返し回数を１００とした場合における位相ズレの増幅作用（検出波形終端部を拡大）を示す説明図である。
【図１３】検出回路のトルク検出処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第二実施形態に係る応力センサ（磁歪式トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。
【図１５】検出回路におけるトルク検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１６】検出回路における設定数変更処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１７】検出回路における第一方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１８】検出回路における第二方向透磁率検出処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図１９】本発明の第三実施形態に係る応力センサ（引張・圧縮応力センサ）の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０００９】
１  トルクセンサ
２  共振回路
３  検出回路
Ｃ  コンデンサ
Ｌ  検出コイル
Ｓ  回転軸
１１  磁歪式トルクセンサ
１２、１３  共振回路
１４  検出回路
Ｃ１、Ｃ２  コンデンサ
Ｌ１、Ｌ２  検出コイル
２２  引張・圧縮応力センサ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。ただし、図面に示す波形には、実際の検出波形とシミュレーション波形が含まれる。【００１１】
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態に係る応力センサ（簡易式トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。この図に示される応力センサは、少なくとも軸表面が金属で形成される回転軸Ｓ（又は静止軸）を対象とし、該回転軸Ｓに生じるトルク（捻り応力）を検出する簡易式のトルクセンサ１であって、共振回路２及び検出回路３を備えて構成されている。なお、本実施形態のトルクセンサ１は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用してトルク検出を行う磁歪式トルクセンサであるが、トルクの極性検出機能や温度補償機能を備えていないため、簡易式と称する。【００１２】
共振回路２は、回転軸Ｓに対して近接配置される検出コイルＬに、コンデンサＣを直列又は並列に接続して構成され、検出回路３から出力される駆動信号により駆動される。検出回路３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、比較器（コンパレータ）などが内蔵された１チップマイコンを用いて構成され、ＲＯＭに書き込まれたプログラムに従い、後述する検出処理を行う。なお、検出回路３は、複数のマイコンで構成したり、一又は複数のＩＣで構成することもできる。【００１３】
検出回路３は、共振回路２に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、回転軸Ｓのトルクを検出するようになっている。すなわち、回転軸Ｓにトルクが加えられると、回転軸Ｓの磁気的な特性（透磁率など）が変化し、その変化に応じて検出コイルＬのインダクタンスが変化する。そして、検出コイルＬにおけるインダクタンスの変化は、共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレとして明確に現れる。しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、応力に応じて変化する位相ズレを高精度に検出することが可能になる。【００１４】
また、検出回路３は、共振回路２に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出するようになっている。このようにすると、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。しかも、トルク検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、共振回路２の基準共振周波数に依存しないので、検出対象に応じて共振回路２の基準共振周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。【００１５】
また、検出回路３は、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数Ｎに達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を所定回数Ｍだけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させるようになっている。このようにすると、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数Ｍを増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができるので、トルクセンサ１の検出精度を飛躍的に向上させることができる。【００１６】
一回の検出処理における自由振動波カウント処理の繰り返し回数Ｍや、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数Ｎは、トルクセンサ１の使用条件に応じて設定することができる。例えば、一回の検出処理における自由振動波カウント処理の繰り返し回数Ｍを、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数Ｎよりも多くすると、自由振動波の減衰が大きく、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数Ｎを多くできない状況であっても、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数（Ｎ×Ｍ）を多くし、要求精度を満たすことができる。【００１７】
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数Ｍを、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数Ｎよりも少なくしてもよい。このようにすると、自由振動波カウント処理の繰り返し時（継ぎ目）に発生する誤差（例えば、比較器性能に起因する繰り返し処理時間の変動誤差）の蓄積を抑制し、測定精度を向上させることができる。また、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数（Ｎ×Ｍ）が実質的に制限されるので、一回の検出処理時間が著しく長くなることを避け、良好な応答性が得られる。【００１８】
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数Ｍを、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数Ｎと一致させてもよい。このようにすると、要求される測定精度や応答性能に応じて、一回の検出処理における合計の自由振動波カウント数（Ｎ×Ｍ）を設定するにあたり、自由振動波カウント処理の繰り返し回数Ｍと、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数Ｎとのバランスを均等に保ち、いずれか一方の偏った増減による測定精度の低下を防止することができる。例えば、自由振動波カウント処理の繰り返し回数Ｍを、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数Ｎに比して極端に多くした場合の如く、自由振動波カウント処理の繰り返し時（継ぎ目）に発生する測定誤差（例えば、比較器性能に起因する繰り返し処理時間の変動誤差）が蓄積されて、測定精度が低下するという問題を回避できる。また、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数Ｎを、自由振動波カウント処理の繰り返し回数Ｍに比して極端に多くした場合の如く、自由振動波の振幅不足によって誤測定が発生するという問題を回避できる。【００１９】
本実施形態の検出コイルＬは、空芯コイルからなり、その内周が回転軸Ｓの外周と対向するように配置される。このようにすると、検出コイルＬと回転軸Ｓとの相対的な位置変化に起因する誤差の発生を抑制できるという利点がある。【００２０】
次に、トルクセンサ１の具体的な構成について説明する。【００２１】
共振回路２は、検出コイルＬにコンデンサＣを並列に接続した並列共振回路であってもよいが、検出コイルＬにコンデンサＣを直列に接続した直列共振回路であることが好ましい。このようにすると、直列共振回路の作用によって、最大でソース電圧（例えば５Ｖ）のＱ倍（例えば８倍）の電圧を検出コイルＬに印加できるので、共振回路２から振幅の大きい自由振動波を出力することができる。これにより、自由振動波カウント数を多くし、測定精度を更に高めることができるだけでなく、ノイズにも強いものとできる。しかも、振幅の大きい自由振動波は、増幅器を介さずに検出回路３に直接入力できるので、回路構成がよりシンプルになり、更なるコストダウンが可能になる。【００２２】
なお、検出コイルＬに印加される最大電圧ＶＬＭＡＸは、以下に示す式で求めることができる。ただし、ω０は共振角周波数、Ｌは検出コイルＬのインダクタンス、Ｒは検出コイルＬの抵抗、ＣはコンデンサＣのキャパシタンス、ＶＳはソース電圧、Ｑは共振回路の良好度である。【００２３】
【数１】
2008081570.tif 000003
【００２４】
検出回路３は、駆動パルス信号によって共振回路２を強制振動させるにあたり、複数の駆動パルス信号により共振回路２を強制振動させた後、駆動信号出力を停止させることができる。このようにすると、単発の駆動パルス信号で共振回路２を強制振動させる場合に比べ、強制振動波の振幅を大きくできる。特に、強制振動波の振幅が最大になるように所定の共振周波数で数発（例えば６発）の駆動パルス信号を出力すれば、駆動信号出力停止後に共振回路２から出力される自由振動波の振幅をより大きくし、測定精度を更に高めることが可能になる。
ちなみに、共振回路２を強制振動させる共振周波数ｆは、以下に示す式で求めることができる。【００２５】
【数２】
2008081570.tif 000004
【００２６】
次に、自由振動波における位相ズレの蓄積作用（増幅作用）について、図２〜図１０を参照して説明する。【００２７】
図２は、駆動パルス信号波形（ａ点）及び共振回路の振動波形（ｂ点）を示す説明図である。この図に示すように、検出回路３は、所定電圧（例えば５Ｖ）の駆動パルス信号を出力し、共振回路２を強制振動させる。このとき、所定の共振周波数で数発（例えば６発）の駆動パルス信号を出力することにより、検出コイルＬに最大電圧（例えば４０Ｖ）を印加させることができる。そして、駆動パルス信号の出力を停止した後は、共振回路２から複数の自由振動波が減衰状に出力される。【００２８】
図３は、十数個目の自由振動波を拡大した説明図、図４は、回転軸に大きなトルクを加えたときの位相ズレを示す説明図、図５は、回転軸に小さなトルクを加えたときの位相ズレを示す説明図である。これらの図に示すように、共振回路２から出力される自由振動波は、十数個目であっても検出に十分な振幅を保っている。ここで、回転軸Ｓにトルクを加えると、検出コイルＬのインダクタンスが変化し、自由振動波の位相が進む。この自由振動波の位相ズレは、強制振動波に比べて明確に現れるだけでなく、自由振動波の個数分だけ蓄積されるので、低速なカウンタでも高精度に位相ズレを測定することが可能になる。また、図４及び図５に示すように、自由振動波の位相ズレは、回転軸Ｓに作用するトルクが大きいほど大きくなるので、自由振動波の位相ズレにもとづいて、回転軸Ｓに作用するトルクを高精度に測定することが可能になる。【００２９】
図６は、自由振動波形（ｂ点）と比較器出力（ｃ点）の関係を示す説明図、図７は、回転軸にトルクが加えられていないときの比較器出力を示す拡大図、図８は、回転軸に小さなトルクが加えられたときの比較器出力を示す説明図、図９は、回転軸に大きなトルクが加えられたときの比較器出力を示す説明図である。これらの図に示すように、共振回路２から出力される自由振動波は、十数個目であっても検出に十分な振幅を保っているので、比較器によって明確な矩形波に変換することができる。ここで、回転軸Ｓにトルクを加えると、比較器出力波形の位相が進む。図８及び図９から明らかなように、この位相ズレは、自由振動波の個数が増えるほど蓄積され、測定が容易になる。【００３０】
次に、自由振動波カウント処理の繰り返しによる位相ズレの増幅作用（蓄積作用）について、図１０を参照して説明する。【００３１】
図１０は、自由振動波カウント数を５、その繰り返し回数を１０とした場合における位相ズレの増幅作用を示す説明図である。この図に示す波形は、一回の検出処理における共振回路２の出力波形であって、２発の駆動パルス信号を出力して、共振回路２を強制振動させた後、共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、カウント数が所定数５に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出するにあたり、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数５に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を１０回繰り返した場合の波形であり、上側の波形は、下側の波形よりも大きなトルクを回転軸Ｓに加えた場合を示している。この図から明らかなように、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を所定回数繰り返すと、自由振動波の位相ズレが増幅される。これにより、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、位相ズレの測定精度を飛躍的に向上させることができる。【００３２】
次に、自由振動波カウント数及びその繰り返し回数を変更した場合における位相ズレの増幅作用（蓄積作用）について、図１１及び図１２を参照して説明する。【００３３】
図１１は、自由振動波カウント数を１、その繰り返し回数を１００とした場合における位相ズレの増幅作用（検出波形始端部を拡大）を示す説明図、図１２は、自由振動波カウント数を１、その繰り返し回数を１００とした場合における位相ズレの増幅作用（検出波形終端部を拡大）を示す説明図である。これらの図に示す波形は、一回の検出処理における共振回路２の出力波形であって、１発の駆動パルス信号を出力して、共振回路２を強制振動させた後、共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、カウント数が所定数１に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出するにあたり、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数１に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を１００回繰り返した場合の波形であり、上側の波形は、回転軸Ｓにトルクを加えない場合を示し、下側の波形は、回転軸Ｓにトルクを加えた場合を示している。これらの図から明らかなように、検出波形の始端部、つまり自由振動波カウント処理の繰り返し回数が少ない段階では、位相ズレがあまり増幅されていないが（図１１参照）、自由振動波カウント処理の繰り返し回数が多くなると、自由振動波の位相ズレが増幅され、その検出が容易になることがわかる（図１２参照）。【００３４】
次に、検出回路３の具体的な検出処理手順について、図１３を参照して説明する。【００３５】
図１３は、検出回路のトルク検出処理手順を示すフローチャートである。この図に示すように、検出回路３は、まず、比較器のＲＥＦ電圧を設定した後（Ｓ１）、カウンタクリア処理（Ｓ２）と、自由振動波カウント処理（Ｓ３〜Ｓ５）と、自由振動波カウント処理の繰り返し処理（Ｓ６、Ｓ７）と、検出信号出力処理（Ｓ８、Ｓ９）とからなる検出処理を繰り返し実行する。【００３６】
カウンタクリア処理は、繰り返し回数カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である（Ｓ２）。また、自由振動波カウント処理は、強制振動波の振幅が最大になるように、共振回路２に対して所定の共振周波数で数発の駆動パルス信号を出力した後（Ｓ３）、自由振動波カウンタをクリアし（Ｓ４）、共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントすると共に、カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する処理である（Ｓ５）。また、繰り返し処理は、自由振動波のカウント数が所定数Ｎに達したタイミングで、繰り返し回数カウンタをインクリメントすると共に（Ｓ６）、繰り返し回数カウンタが所定数Ｍに達したか否かを判断し（Ｓ７）、該判断結果がＹＥＳになるまで、自由振動波カウント処理（Ｓ３〜Ｓ５）を繰り返す処理である。また、検出信号出力処理は、自由振動波カウント処理の繰り返し回数が所定数Ｍになったら、時間計測カウンタ値を読み込むと共に（Ｓ８）、読み込んだ時間計測カウンタ値を所定の検出信号形式に変換して出力する処理である（Ｓ９）。【００３７】
叙述の如く構成された本実施形態によれば、回転軸Ｓに生じる捻り応力（トルク）を検出するトルクセンサ１であって、回転軸Ｓに対して近接配置される検出コイルＬと、該検出コイルＬに対して直列又は並列に接続されるコンデンサＣとが備えられ、検出コイルＬとコンデンサＣとからなる共振回路２に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、回転軸Ｓに生じる捻り応力を検出するので、回転軸Ｓに生じる捻り応力を高精度に検出することができる。すなわち、上記のような共振回路２から減衰状に出力される自由振動波においては、捻り応力による回転軸Ｓの磁気的な特性変化（透磁率変化など）が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、捻り応力に応じて変化する位相ズレを高精度に検出できる。また、磁歪効果を利用しなくても十分な検出精度が得られるので、回転軸Ｓに溝、スリット、薄膜などを加工する必要がないばかりか、磁歪効果を利用できない圧縮応力や引張応力も高精度に検出することができる。【００３８】
また、共振回路２に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出するので、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。しかも、トルク検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、共振回路２の基準共振周波数に依存しないので、検出対象に応じて共振回路２の基準共振周波数を最適化しつつ、高分解能の応力検出を行うことができる。【００３９】
また、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させるので、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができ、その結果、トルクセンサ１の検出精度を飛躍的に向上させることができる。【００４０】
［第二実施形態］
つぎに、本発明の第二実施形態に係る応力センサ（磁歪式トルクセンサ）について、図１４〜図１８を参照して説明する。ただし、基本的な応力の検出原理は、第一実施形態と同様であるため、第一実施形態の説明を援用する。【００４１】
図１４は、本発明の第二実施形態に係る応力センサ（磁歪式トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。この図に示される磁歪式トルクセンサ１１は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸Ｓ（又は静止軸）のトルクを検出するものであり、第一共振回路１２、第二共振回路１３及び検出回路１４を備えて構成されている。第一共振回路１２は、軸表面において第一方向（例えば、＋４５°方向）の透磁率変化を検出すべく配置される第一検出コイルＬ１に、第一コンデンサＣ１を直列又は並列に接続して構成され、検出回路１４から出力される駆動信号により駆動される。第二共振回路１３は、軸表面において第二方向（例えば、−４５°方向）の透磁率変化を検出すべく配置される第二検出コイルＬ２に、第二コンデンサＣ２を直列又は並列に接続して構成され、検出回路１４から出力される駆動信号により駆動される。【００４２】
本実施形態の検出コイルＬ１、Ｌ２は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、高透磁率材料を用いて形成されコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されている。具体的には、フェライトからなるＵ字コア１２ａ、１３ａに、コイルを巻装して構成されており、Ｕ字コア１２ａ、１３ａの両端を軸表面に近接させることにより、軸表面との間で閉磁路を構成するようになっている。これにより、軸表面の限られた領域に第一方向及び第二方向の磁路を形成し、該磁路における透磁率変化を検出することが可能になる。【００４３】
検出回路１４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、比較器（コンパレータ）などが内蔵されたマイコン（１チップマイコン）を用いて構成され、ＲＯＭに書き込まれたプログラムに従って後述するトルク検出処理を行う。なお、検出回路１４は、複数のマイコンで構成したり、一又は複数のＩＣで構成することもできる。【００４４】
検出回路１４は、第一共振回路１２に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に第一共振回路１２から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、第二共振回路１３に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に第二共振回路１３から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、第一方向の透磁率と第二方向の透磁率との差分にもとづいて、回転軸Ｓのトルクを検出するトルク検出手段とを備えている。【００４５】
このようにすると、磁歪式トルクセンサ１１の検出精度を向上させることができる。つまり、上記のように構成された第一共振回路１２や第二共振回路１３から減衰状に出力される自由振動波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出できるだけでなく、その差分から回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することが可能になる。【００４６】
また、本実施形態の検出回路１４は、共振回路１２、１３に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路１２、１３から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出するようになっている。このようにすると、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。しかも、トルク検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、共振回路１２、１３の基準共振周波数に依存しないので、検出対象に応じて共振回路１２、１３の基準共振周波数を最適化しつつ、高分解能のトルク検出を行うことができる。【００４７】
また、本実施形態の検出回路１４は、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させるようになっている。このようにすると、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができるので、磁歪式トルクセンサ１１の検出精度を飛躍的に向上させることができる。【００４８】
検出回路１４には、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数Ｎや、一回の検出処理における自由振動波カウント処理の繰り返し回数Ｍを変更する設定数変更手段を設けることができる。このようにすると、使用条件に応じて自由振動波カウント数Ｎや繰り返し回数Ｍを変更し、検出精度や応答性能を調整することができる。例えば、検出精度が優先される状況では、一回の検出処理における合計カウント数（Ｎ×Ｍ）が多くなるように自由振動波カウント数Ｎや繰り返し回数Ｍを増やし、また、応答性能が優先される状況では、一回の検出処理における合計カウント数（Ｎ×Ｍ）が少なくなるように自由振動波カウント数Ｎや繰り返し回数Ｍを減らすことができる。また、自由振動波の減衰が大きく、自由振動波のカウント数Ｎを多くできない状況にあっては、自由振動波カウント数Ｎを減らし、かつ、繰り返し回数Ｍを増やすことにより、要求精度を満たすことができる。なお、自由振動波カウント数Ｎや繰り返し回数Ｍの変更は、検出回路４の内部判断で実行しても良いし、外部からの設定数変更信号にもとづいて実行するようにしても良い。【００４９】
第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２は、軸表面における検出領域及び検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成することが好ましい。つまり、本発明に係る磁歪式トルクセンサ１１では、トルクに応じた自由振動波の位相ズレを、自由振動波の数だけ蓄積して検出するので、自由振動波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、ＳＮ比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイルＬ１、Ｌ２側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸Ｓであっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。【００５０】
また、第一共振回路１２と第二共振回路１３は、相互干渉を避けるために、交互に駆動されることが好ましい。例えば、第一共振回路１２に係る自由振動波カウント処理（Ｍ回）を実行した後、第二共振回路１３に係る自由振動波カウント処理（Ｍ回）を実行し、その後、各自由振動波カウント処理に要した測定時間の差分を求めるようにする。このようにすると、相互干渉による検出精度の低下を回避することができる。しかも、第一検出コイルＬ１の検出領域と第二検出コイルＬ２の検出領域を、相互干渉を考慮することなく、任意に設定することができるので、使用条件に応じた検出領域の最適化が容易となる。なお、交互駆動とは、１回の駆動を交互に行うという意味だけでなく、上記の例に示すように、複数回（Ｍ回）の駆動を１セットとし、該１セットを交互に行うという意味が含まれる。【００５１】
磁歪式トルクセンサ１１でトルクを検出する回転軸Ｓの軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜１５であることが好ましい。例えば、回転軸Ｓの一部又は全体の領域に、ニッケル合金からなる磁歪膜１５を全周に亘ってメッキする。このようにすると、トルクに応じた磁歪膜１５における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明に係る磁歪式トルクセンサ１１では、メッキ法により成膜された磁歪膜１５であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材（樹脂を含む）を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。【００５２】
次に、検出回路１４の具体的な検出処理手順について、図１５〜図１８を参照して説明する。【００５３】
図１５に示すトルク検出処理（トルク検出手段）では、まず、初期設定（Ｓ１１：比較器の基準電圧設定、自由振動波カウント数Ｎ及び繰り返し回数Ｍの初期値設定を含む）を行った後、設定数変更処理（Ｓ１２）、第一方向透磁率検出処理（Ｓ１３：第一方向透磁率検出手段）及び第二方向透磁率検出処理（Ｓ１４：第二方向透磁率検出手段）を順番に実行する。そして、透磁率検出処理（Ｓ１３、Ｓ１４）で得られた第一方向透磁率検出値と第二方向透磁率検出値の差分を演算すると共に（Ｓ１５）、演算した差分（トルク検出値）を所定の検出信号形式に変換して出力することにより（Ｓ１６）、一回のトルク検出処理が終了する。【００５４】
図１６に示す設定数変更処理では、まず、設定数変更信号の入力を判断し（Ｓ２１）、該判断結果がＹＥＳの場合は、設定数変更信号に含まれる自由振動波カウント数及び繰り返し回数を読み取り（Ｓ２２）、これに従って自由振動波カウント数Ｎ及び繰り返し回数Ｍを変更する（Ｓ２３）。【００５５】
図１７に示す第一方向透磁率検出処理では、カウンタクリア処理（Ｓ３１）と、第一共振回路２に係る自由振動波カウント処理（Ｓ３２〜Ｓ３４）と、第一共振回路２に係る自由振動波カウント処理の繰り返し処理（Ｓ３５、Ｓ３６）と、時間測定処理（Ｓ３７）を実行する。【００５６】
カウンタクリア処理は、繰り返し回数カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である（Ｓ３１）。また、自由振動波カウント処理は、第一共振回路１２に対して所定数の駆動パルス信号を出力した後（Ｓ３２）、自由振動波カウンタをクリアし（Ｓ３３）、第一共振回路１２から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントすると共に、カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する処理である（Ｓ３４）。また、繰り返し処理は、自由振動波のカウント数が所定数Ｎに達したタイミングで、繰り返し回数カウンタをインクリメントすると共に（Ｓ３５）、繰り返し回数カウンタが所定数Ｍに達したか否かを判断し（Ｓ３６）、該判断結果がＹＥＳになるまで、自由振動波カウント処理（Ｓ３２〜Ｓ３４）を繰り返す処理である。また、時間測定処理は、自由振動波カウント処理の繰り返し回数が所定数Ｍになったら、時間計測カウンタ値（第一方向透磁率検出値）を読み込む処理である（Ｓ３７）。【００５７】
図１８に示す第二方向透磁率検出処理では、カウンタクリア処理（Ｓ４１）と、第二共振回路３に係る自由振動波カウント処理（Ｓ４２〜Ｓ４４）と、第二共振回路３に係る自由振動波カウント処理の繰り返し処理（Ｓ４５、Ｓ４６）と、時間測定処理（Ｓ４７）を実行する。【００５８】
カウンタクリア処理は、繰り返し回数カウンタ及び時間計測カウンタをクリアする処理である（Ｓ４１）。また、自由振動波カウント処理は、第二共振回路１３に対して所定数の駆動パルス信号を出力した後（Ｓ４２）、自由振動波カウンタをクリアし（Ｓ４３）、第二共振回路１３から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントすると共に、カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する処理である（Ｓ４４）。また、繰り返し処理は、自由振動波のカウント数が所定数Ｎに達したタイミングで、繰り返し回数カウンタをインクリメントすると共に（Ｓ４５）、繰り返し回数カウンタが所定数Ｍに達したか否かを判断し（Ｓ４６）、該判断結果がＹＥＳになるまで、自由振動波カウント処理（Ｓ４２〜Ｓ４４）を繰り返す処理である。また、時間測定処理は、自由振動波カウント処理の繰り返し回数が所定数Ｍになったら、時間計測カウンタ値（第二方向透磁率検出値）を読み込む処理である（Ｓ４７）。【００５９】
叙述の如く構成された本実施形態によれば、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して回転軸Ｓのトルクを検出する磁歪式トルクセンサ１１であって、軸表面において第一方向の透磁率変化を検出すべく配置される第一検出コイルＬ１と、軸表面において第一方向と交差する第二方向の透磁率変化を検出すべく配置される第二検出コイルＬ２と、第一検出コイルＬ１に対して直列又は並列に接続される第一コンデンサＣ１と、第二検出コイルＬ２に対して直列又は並列に接続される第二コンデンサＣ２と、第一検出コイルＬ１及び第一コンデンサＣ１からなる第一共振回路１２に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に第一共振回路１２から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、第一方向の透磁率変化を検出する第一方向透磁率検出手段と、第二検出コイルＬ２及び第二コンデンサＣ２からなる第二共振回路１３に対して駆動信号を出力し、該駆動信号の出力停止後に第二共振回路１３から減衰状に出力される自由振動波の位相ズレ成分にもとづいて、第二方向の透磁率変化を検出する第二方向透磁率検出手段と、第一方向の透磁率と第二方向の透磁率との差分にもとづいて、回転軸Ｓのトルクを検出するトルク検出手段とを備えるので、従来の磁歪式トルクセンサに比べ、回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することができる。つまり、上記のように構成された第一共振回路１２や第二共振回路１３から減衰状に出力される自由振動波においては、軸表面の透磁率変化が位相ズレとなって明確に現れ、しかも、自由振動波における位相ズレは、振動波の数だけ蓄積されるので、第一方向及び第二方向の透磁率変化を高精度に検出できるだけでなく、その差分から回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することが可能になる。【００６０】
また、第一方向透磁率検出手段や第二方向透磁率検出手段は、共振回路１２、１３に対して所定数の駆動信号を出力すると共に、駆動信号出力停止後に共振回路１２、１３から減衰状に出力される自由振動波の数をカウントし、該カウント数が所定数に達したか否かを判断する自由振動波カウント処理を行い、該自由振動波カウント処理に要した時間測定にもとづいて自由振動波の位相ズレ成分を検出するので、自由振動波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて測定することができる。しかも、トルク検出の分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、共振回路１２、１３の基準共振周波数に依存しないので、検出対象に応じて共振回路１２、１３の基準共振周波数を最適化しつつ、高分解能のトルク検出を行うことができる。【００６１】
また、第一方向透磁率検出手段や第二方向透磁率検出手段は、自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数が所定数に達したタイミングを基準として、自由振動波カウント処理を所定回数だけ繰り返すことにより、自由振動波の位相ズレ成分を増幅させるので、回路構成を複雑にすることなく、自由振動波カウント処理の繰り返し回数を増やすだけで、自由振動波の位相ズレ成分を任意に増幅させることができ、その結果、磁歪式トルクセンサ１１の検出精度を飛躍的に向上させることが可能になる。【００６２】
また、一回の検出処理における前記自由振動波カウント処理の繰り返し回数や、一回の自由振動波カウント処理における自由振動波のカウント数を変更できるようにしたので、使用条件に応じて自由振動波カウント数や繰り返し回数を変更し、トルク検出の検出精度や応答性能を調整することができる。【００６３】
また、第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２は、軸表面における検出領域や検出方向を限定するために、軸表面との間で閉磁路を構成するので、トルクの検出精度をさらに向上させることができる。つまり、本発明の磁歪式トルクセンサ１１では、トルクに応じた自由振動波の位相ズレを、自由振動波の数だけ蓄積して検出するので、自由振動波の位相ズレに含まれる誤差成分も蓄積されてしまうことになるが、軸表面における検出領域や検出方向を限定することにより、ＳＮ比を高めることができるので、蓄積される誤差成分を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、検出コイルＬ１、Ｌ２側で検出方向を限定することができるので、軸表面に、溝、スリット、薄膜などで縞模様を加工する必要がない。その結果、これらの加工が許容されない回転軸Ｓであっても、本発明によるトルク検出の適用が可能となる。【００６４】
また、第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２は、高透磁率材料を用いて形成され、軸表面との間で閉磁路を構成するコアと、該コアに巻装されるコイルとを備えて構成されるので、閉磁路に生じる磁束密度を高めて、軸表面の透磁率変化を高精度に検出することができる。【００６５】
また、軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜１５であるため、トルクに応じた磁歪膜１５における磁歪の逆効果にもとづいて、トルクを高精度に検出できるだけでなく、トルク検出におけるヒステリシスを抑えることができる。しかも、本発明の磁歪式トルクセンサ１１では、メッキ法により成膜された磁歪膜（例えば、ニッケルメッキ）であっても、十分な検出精度が得られるので、接着法、スパッタ法、真空蒸着法などでアモルファスなどの磁歪膜を形成する場合に比べ、大幅なコストダウンが図れるだけでなく、ニッケルメッキなどが施された既存の部材（樹脂を含む）を対象として、高精度なトルク検出を行うことができる。【００６６】
［第三実施形態］
つぎに、本発明の第三実施形態に係る応力センサ（引張・圧縮応力センサ）について、図１９を参照して説明する。ただし、第二実施形態と共通の部分については、第二実施形態と同一符号を付し、第二実施形態の説明を援用する。【００６７】
図１９は、本発明の第三実施形態に係る応力センサ（引張・圧縮応力センサ）の構成を示すブロック図である。この図に示される引張・圧縮応力センサ２１は、第二実施形態の磁歪式トルクセンサ１１と略同じ構成であるが、第一検出コイルＬ１及び第二検出コイルＬ２の配置方向が第二実施形態の磁歪式トルクセンサ１１と相違している。具体的に説明すると、引張・圧縮応力センサ２１は、軸表面に生じる磁歪の逆効果を利用して静止軸Ｓの引張応力及び圧縮応力を検出する応力センサであって、第一検出コイルＬ１は、軸表面において軸方向の透磁率変化を検出するように配置され、第二検出コイルＬ２は、軸表面において周方向の透磁率変化を検出するように配置されている。つまり、軸方向の透磁率は、引張応力及び圧縮応力に応じて背反的に変化するため、第一検出コイルＬ１によって引張応力及び圧縮応力を良好に検出することができる。また、周方向の透磁率は、引張応力及び圧縮応力に応じて殆ど変化しないため、第二検出コイルＬ２によって温度変化を検出し、第一検出コイル１の温度補償を行うことができる。【００６８】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されないことは勿論であって、金属に生じる応力を検出する応力センサや応力検出方法であれば、トルクセンサ（捻り応力センサ）や引張・圧縮応力センサに限らず、圧力センサ、歪みセンサ、接触センサ、金属疲労センサなどにも適用することができる。また、前記実施形態では、検出回路から出力される駆動信号で共振回路を直接駆動しているが、電磁誘導などにより共振回路を間接的に駆動させる検出装置でも実施することができる。例えば、検出コイルとは別個に設けられる励磁コイルを駆動し、該駆動に応じて励磁コイルから発生する交流磁界の変化を検出コイル（共振回路）で検出する応力センサや応力検出方法にも好適に用いることができる。また、前記実施形態では、一回の検出処理において自由振動波カウント処理をＭ回繰り返すが、本発明は、一回の検出処理において自由振動波カウント処理を繰り返さない応力センサや応力検出方法としても実施することができる。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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