(57)【要約】【課題】  磁歪素子は温度変化に依存して磁化特性が変化する特性を有している。これにより、外気温が変化した場合には同じ大きさの荷重を測定していても磁歪センサの検出結果が一意に定まらず、検出精度が低下する。そこで、この検出精度低下を補償することができる磁歪センサを、温度センサなどの素子等を追加使用することなく、提供することを課題とする。【解決手段】  磁歪素子の磁化特性におけるヒステリシスの除去目的で使用される電流を、例えば前記磁歪素子を加熱することで前記磁歪素子の温度を所望の一定温度にするために、及び／又は所望の温度に維持するために使用できるように制御する。この結果、前記磁歪素子への荷重の大きさを測定する際には前記磁歪素子の温度は常に略一定温度とすることができる。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定すべき荷重が作用するように配置された磁歪素子と、
該磁歪素子の周囲に配置されたコイルと、
該コイルに流す電流を制御する電流制御部と、
前記荷重の大きさに応じて変化する前記コイルのインダクタンスの変化を電気信号に変換して測定する測定部と、
該測定部で測定されたインダクタンスの変化に基づいて、前記磁歪素子に作用する前記荷重の大きさを演算する演算部と、
を備える荷重センサであって、
前記電流制御部は、
前記インダクタンスの変化を測定するために前記コイルに流す第１電流と、前記磁歪素子に対する前記荷重の非作用時に前記コイルに流す第２電流とが出力可能な様に構成されており、
かつ、前記電流制御部は、前記荷重の非作用時の前記インダクタンスの変化に基づき定まる状態パラメータが予め設定された値になる様に、前記コイルに流す前記第２電流を制御する、
ことを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
前記電流制御部は、
前記荷重の非作用時に、所定の期間が経過する毎に前記測定部の測定結果に基づいて、前記第２電流を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重センサ。
【請求項３】
前記電流制御部は、
前記荷重の非作用時に、前記状態パラメータと前記予め設定された値との差が所定の値以上となる場合には、その差の値に基づいて前記第２電流を制御する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の荷重センサ。
【請求項４】
前記電流制御部は、
前記第１電流の最大値よりも大きな最大電流値を有する前記第２電流を出力する、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の荷重センサ。
【請求項５】
前記電流制御部は、
前記磁歪素子の温度を所望の温度にするために、及び／又は所望の温度に維持するために、前記インダクタンスの変化自身を含む状態パラメータの値を使用して前記第２電流を制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の荷重センサ。
【請求項６】
前記電流制御部は、
前記状態パラメータの値を使用して、前記第２電流の出力時間の間隔、最大電流値、前記出力を継続する期間の少なくとも一つを含む制御パラメータを制御することで、前記第２電流を制御する、
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の荷重センサ。
【請求項７】
駆動用車輪と、該駆動用車輪を駆動する駆動源と、操作部を備えた車両本体と、前記操作部に加えられた操作力を検出する操作力検出部と、該操作力検出部で検出された力に基づいて、前記駆動源を駆動する駆動制御部とを有し、
前記操作力検出部は、
操作力が作用するように配置された磁歪素子と、該磁歪素子の周囲に配置されたコイルと、該コイルに流す電流を制御する電流制御部と、前記コイルのインダクタンスの変化を測定する測定部と、該測定部で測定されたインダクタンスの変化に基づいて、前記磁歪素子に作用する前記操作力の大きさを演算する演算部と、を備え、
前記電流制御部は、前記インダクタンスの変化を測定するために前記コイルに流す第１電流と、前記磁歪素子に対する前記操作力の非作用時に前記コイルに流す第２電流とが出力可能な様に構成されており、かつ、前記操作力の非作用時の前記インダクタンスの変化に基づき定まる状態パラメータが予め設定された値になる様に、前記コイルに流す前記第２電流を制御する、
ことを特徴とするパワーアシスト車。
【請求項８】
前記電流制御部は、
前記操作力の非作用時に、所定の期間が経過する毎に前記測定部の測定結果に基づいて、前記第２電流を制御する、
及び／又は、
前記操作力の非作用時に、前記状態パラメータと前記予め設定された値との差が所定の値以上となる場合には、その差の値に基づいて前記第２電流を制御する、
ことを特徴とする請求項７に記載のパワーアシスト車。
【請求項９】
前記電流制御部は、
前記第１電流の最大値よりも大きな最大電流値を有する前記第２電流を出力する、
ことを特徴とする請求項７又は８に記載のパワーアシスト車。
【請求項１０】
前記電流制御部は、
前記磁歪素子の温度を所望の温度にするために、及び／又は所望の温度に維持するために、前記インダクタンスの変化自身を含む状態パラメータの値を使用して、
前記第２電流の出力時間の間隔、最大電流値、前記出力を継続する期間の少なくとも一つを含む制御パラメータを制御することで、前記第２電流を制御する、
ことを特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載のパワーアシスト車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷重を検出する磁歪素子を用いた荷重センサの温度特性補償に関するものであり、特に、洗濯機、パワーアシスト自転車、パワーアシスト台車などに用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
荷重などを検出するセンサ（荷重センサ）として、磁歪素子を用いたセンサ（以下、磁歪センサ）が知られている。磁歪素子は荷重が加わるとその形状が変化し、その結果透磁率が変化するので、この透磁率の変化を例えば電気的変化として捉えることにより、荷重の大きさを電気的変化量として検出することができる。
【０００３】
磁歪センサは、小型軽量でありながら検出範囲が広いという特徴があるが、その一方で、荷重に対する磁化特性にヒステリシス特性が存することが知られている。このヒステリシス特性により、荷重に対して磁歪センサの検出結果が一意に定まらず、検出精度が低下する。そこで、このヒステリシスの影響を低減させて荷重を検出する方法として、磁歪素子に所定値以上のパルス状の電流（以下、インパルス電流）を印加する技術が知られている（特許文献１）。
【０００４】
また、磁歪素子は温度変化に依存して磁化特性が変化する特性（以下、温度ドリフト）が存在することも知られている。この温度ドリフトにより、外気温が変化した場合には同じ大きさの荷重を測定していても磁歪センサの検出結果が一意に定まらず、検出精度が低下する弊害が生じる。そこで、例えば、磁歪素子の検出結果に磁歪素子とは逆の温度特性を有するダイオードの検出結果を加味して外気温の変化の影響を相殺することで、温度ドリフトの低減（以下、温度補償）を行った磁歪センサが考えられている（特許文献２）。
【特許文献１】ＷＯ０１／０１８５１４
【特許文献２】特開平９−１４５４９５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、上で述べた温度補償のためにダイオードを使用する従来技術によれば、ダイオードの検出結果によって磁歪素子の検出結果における気温の影響が精度高く相殺されるためには、磁歪素子の温度特性とダイオードの温度特性の相反性が精度高く合致している必要がある。精度が低い場合には温度変化の影響を十分相殺することができない上、そのように精度高く合致させることは極めて困難である。また、かかる従来技術では、温度センサ等の素子を使用した温度補償回路などを別途搭載する必要があり、その結果、荷重検出機構のコンパクト性を損なうこととなり、さらにコストアップを招くといった欠点を有する。
【０００６】
そこで、本発明は温度センサなどの素子等を追加使用することなく、温度補償を行うことができる磁歪センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、測定すべき荷重が作用するように配置された磁歪素子と、該磁歪素子の周囲に配置されたコイルと、該コイルに流す電流を制御する電流制御部と、前記荷重の大きさに応じて変化する前記コイルのインダクタンスの変化を電気信号に変換して測定する測定部と、該測定部で測定されたインダクタンスの変化に基づいて、前記磁歪素子に作用する前記荷重の大きさを演算する演算部と、を備える荷重センサであって、前記電流制御部は、前記インダクタンスの変化を測定するために前記コイルに流す第１電流と、前記磁歪素子に対する前記荷重の非作用時に前記コイルに流す第２電流とが出力可能な様に構成されており、かつ、前記電流制御部は、前記荷重の非作用時の前記インダクタンスの変化に基づき定まる状態パラメータが予め設定された値になる様に、前記コイルに流す前記第２電流を制御する、ことを特徴とする荷重センサである。
【０００８】
前記電流制御部は、以下の様な特徴を有していてよい。
【０００９】
前記荷重の非作用時に、所定の期間が経過する毎に前記測定部の測定結果に基づいて、前記第２電流を制御する、ことを特徴とする。
【００１０】
前記荷重の非作用時に、前記状態パラメータと前記予め設定された値との差が所定の値以上となる場合には、その差の値に基づいて前記第２電流を制御する、ことを特徴とする。
【００１１】
前記第１電流の最大値よりも大きな最大電流値を有する前記第２電流を出力する、ことを特徴とする。
【００１２】
前記磁歪素子の温度を所望の温度にするために、及び／又は所望の温度に維持するために、前記インダクタンスの変化自身を含む状態パラメータの値を使用して前記第２電流を制御する、ことを特徴とする。
【００１３】
前記状態パラメータの値を使用して、前記第２電流の出力時間の間隔、最大電流値、前記出力を継続する期間の少なくとも一つを含む制御パラメータを制御することで、前記第２電流を制御する、ことを特徴とする。
【００１４】
本発明は、駆動用車輪と、該駆動用車輪を駆動する駆動源と、操作部を備えた車両本体と、前記操作部に加えられた操作力を検出する操作力検出部と、該操作力検出部で検出された力に基づいて、前記駆動源を駆動する駆動制御部とを有し、前記操作力検出部は、操作力が作用するように配置された磁歪素子と、該磁歪素子の周囲に配置されたコイルと、該コイルに流す電流を制御する電流制御部と、前記コイルのインダクタンスの変化を測定する測定部と、該測定部で測定されたインダクタンスの変化に基づいて、前記磁歪素子に作用する前記操作力の大きさを演算する演算部と、を備え、前記電流制御部は、前記インダクタンスの変化を測定するために前記コイルに流す第１電流と、前記磁歪素子に対する前記操作力の非作用時に前記コイルに流す第２電流とが出力可能な様に構成されており、かつ、前記操作力の非作用時の前記インダクタンスの変化に基づき定まる状態パラメータが予め設定された値になる様に、前記コイルに流す前記第２電流を制御する、ことを特徴とするパワーアシスト車である。
【００１５】
前記電流制御部は、以下の様な特徴を有していてよい。
【００１６】
前記操作力の非作用時に、所定の期間が経過する毎に前記測定部の測定結果に基づいて、前記第２電流を制御する、及び／又は、前記操作力の非作用時に、前記状態パラメータと前記予め設定された値との差が所定の値以上となる場合には、その差の値に基づいて前記第２電流を制御する、ことを特徴とする。
【００１７】
前記第１電流の最大値よりも大きな最大電流値を有する前記第２電流を出力する、
ことを特徴とする。
【００１８】
前記磁歪素子の温度を所望の温度にするために、及び／又は所望の温度に維持するために、前記インダクタンスの変化自身を含む状態パラメータの値を使用して、前記第２電流の出力時間の間隔、最大電流値、前記出力を継続する期間の少なくとも一つを含む制御パラメータを制御することで、前記第２電流を制御する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る荷重センサは、測定すべき荷重が作用するように配置された磁歪素子と該磁歪素子の周囲に配置されたコイルとを有し、該コイルに流す電流を制御する電流制御部によって、前記インダクタンスの変化を測定するために流す第１電流と前記磁歪素子に対する前記荷重の非作用時に流す第２電流とが出力可能な様に構成されている。さらに、本発明の荷重センサでは、該第２電流は前記磁歪素子の磁化特性におけるヒステリシス除去の目的で具備される一方、例えば前記磁歪素子を加熱することで、前記磁歪素子の温度を所望の温度にするために、及び／又は所望の温度に維持するために使用される。
【００２０】
以上により、前記磁歪素子への荷重の大きさを測定する際には前記磁歪素子の温度は常に略一定温度となり、前記磁歪素子の温度特性による当該測定の際の測定誤差を低減することができる。すなわち、温度センサなどの素子等を追加使用することなく、前記磁歪素子への荷重測定の際に前記磁歪素子の温度特性による測定誤差を低減することができる。
【００２１】
また、本発明に係る上記荷重センサを用いたパワーアシスト車においては、パワーアシスト車が使用される環境における気温に左右されることを極力低減して、パワーアシスト車の操作力検出部に作用する操作力を検出することができる。すなわち、当該パワーアシスト車においても、温度センサなどの素子等を追加使用することなく、前記操作力検出部への操作力測定の際に前記磁歪素子の温度特性による測定誤差を低減することができる。
【００２２】
なお、前記電流制御部は、前記荷重の非作用時に所定の期間が経過する毎に前記測定部の測定結果に基づいて前記第２電流を制御するように、又は、前記荷重の非作用時に前記状態パラメータと前記予め設定された値との差が所定の値以上となる場合にはその差の値に基づいて前記第２電流を制御するようにしてもよい。この結果、前記荷重センサ、パワーアシスト車が使用されている間に、前記磁歪素子の温度の補正を行うことができ、前記磁歪素子の温度を所望の温度に維持することができる。
【００２３】
本発明の意義ないし効果は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。
【００２４】
ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。
［実施形態１］
図１に実施形態１に係る磁歪センサの電気系の機能ブロック図を示す。なお、信号の流れについては、図８において併せて述べる。
【００２６】
１は磁歪センサである。磁歪センサ１中において、１４は荷重の大きさを検出するための磁歪素子１４ａを磁心とするコイル１４ｂからなる磁歪部、１１はコイル１４ｂに対して励振電流を印加する励振電流印加回路、１２は磁歪素子１４ａに強い外部磁界を加えて磁歪素子１４ａの磁化ヒステリシスを除去する目的でコイル１４ｂにインパルス電流を印加するインパルス電流印加回路、１３はセレクタで、該セレクタ１３により励振電流及びインパルス電流の何れか一方がコイル１４ｂに出力可能である。なお、インパルス電流の最大値は励振電流の最大値よりも大きく設定される。１５はコイル１４ｂのインダクタンスの変化に依存して変化する磁歪センサの出力電流を例えばシャント抵抗などを用いて電圧に変換して測定・検出する電流検出回路、１６は電流検出回路１５の出力を平滑化し直流のアナログ電圧を出力するフィルタである。
【００２７】
また、３００は物体検出センサであり、４００はマイクロコンピュータ等の処理制御部である。処理制御部４００は、励振電流印加回路１１に対して励振電流の出力の指示を行い、また、インパルス電流を所定の最大値、出力間隔で、所定の期間継続する毎に出力する様にインパルス電流印加回路に対する制御を行い、セレクタ１３へのセレクト信号の出力や、フィルタ１６から出力される測定電圧に基づいた前記磁歪素子１４ａに作用する荷重の大きさの演算などの処理、制御などを行う。
【００２８】
物体検出センサ３００は、磁歪部１４に荷重を作用させる物体の存在を検出するために設けたもので、処理制御部４００に検出信号を出力することで荷重が磁歪センサに作用しているか否かが検出可能となる。
【００２９】
フィルタ１６からの測定電圧から前記磁歪素子１４ａに作用する荷重の大きさが演算できるのは、電流検出回路１５において磁歪素子１４ａへの荷重の大きさを電気信号の形で検出していることに依る。具体的には、電流検出回路１５に入力される電流はコイル１４ｂのインダクタンスの変化に依存しているので電気的に検出可能となっている。なお、磁歪素子１４ａへの荷重によりコイル１４ｂのインダクタンスが変化するのは、荷重により磁歪素子１４ａの磁化の向きが変化し、透磁率が変化することに依る。
【００３０】
次に磁歪素子について述べる。
【００３１】
荷重に対する透磁率の変化率が大きい超磁歪素子を用いることにより、荷重の検出感度が高い磁歪センサが実現できる。従来、磁歪素子はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ系材料を使用したものが使用されていたが、最近、鉄と希土類金属(Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ等)との合金における磁歪効果が上記従来の材料に比べて100〜1000倍と極めて大きいことが見出され注目されている。よって、例えば、Ｎｉ-Ｆｅ系磁歪材料を用いるよりも、ＲＦｅ系磁歪材料を用いることが望ましい。
【００３２】
こうした材料による磁歪素子は超磁歪素子と呼ばれている。実施形態１、２において使用する磁歪素子はこの超磁歪素子である。
【００３３】
磁歪部１４の構成を図２に示す。
【００３４】
磁歪素子１４ａとコイル１４ｂはヨークの中に収められており、コイル１４ｂはボビンに巻かれて磁歪素子１４ａ周囲に配置され、励振電流とインパルス電流の両方が流れる。磁歪素子１４ａには、直径３．５[ｍｍ]、長さ６[ｍｍ]の円筒形のものを用い、ボビンの中で２つのスペーサに挟まれている。一方のスペーサに荷重が加わり、当該スペーサを介して磁歪素子に荷重が伝達される。
【００３５】
次に、磁歪素子への荷重に対するヒステリシスの影響を低減して荷重の大きさを検出する方法について述べる。
【００３６】
ヒステリシスの影響を低減しない場合には、荷重に対して測定電圧は図３に示すような特性曲線を描く。同図において、横軸は磁歪素子１４ａへの荷重の大きさ、縦軸はフィルタ１６からの測定電圧である。磁歪素子１４ａに荷重を０ｋｇｗから増加してゆくとそれに連れて測定電圧値が低下し、その後荷重を０ｋｇｗまで減じてゆくとそれに連れて測定電圧が上昇する。しかし、加重を行ってから、その後抜重を行った場合には、磁歪素子の磁化特性におけるヒステリシスの影響で、加重の際に描く特性曲線（曲線Ｃｂ）と抜重の際に描く特性曲線（曲線Ｃａ）は同図に見られるように一致しない。この結果、荷重が０ｋｇｗの時の測定電圧値に差が生じ、正確な加重検出ができなくなる。
【００３７】
そこで、コイル１４ｂにインパルス電流が印加されるようにセレクタ１３を切換えて、荷重を検出する前に、インパルス電流印加回路１２からインパルス電流をコイル１４ｂに印加して、一旦磁歪素子１４ａをコイル１４ｂの巻き方向に大きく伸ばす方向に歪ませる事を行う（以下、リフレッシュ動作）。その後、コイル１４ｂに励振電流が印加されるようにセレクタ１３を切換えて、励振電流印加回路１１から出力される励振電流をコイル１４ｂに印加して、磁歪素子１４ａに荷重が作用している時のインダクタンスの変化を検出することで、磁歪素子１４ａに作用する荷重を検出する。これにより、磁歪素子１４ａは常に一定の歪み長まで伸びた状態から、荷重によって変形し、該作用する荷重の大きさに応じた歪み長まで変形する。すなわち、ヒステリシスの影響を低減しない場合に生じたヒステリシスに起因する測定電圧のばらつきが低減される。この結果、精度の高い検出結果を得ることが出来る。
【００３８】
なお、インパルス電流の最大値は励振電流の最大値よりも大きいので、インパルス電流によって貯えられたフィルタ１６中に含まれるキャパシタ（図示せず）の電荷の影響が低減されたと考えられる状態で、コイル１４ｂに流れる励振電流に基づいた荷重検出を行う必要がある。このため、コイル１４ｂにインパルス電流を流し終えてから十分な時間が経過した所定のタイミングで、コイル１４ｂに流れる励振電流の検出を行う必要がある。一方、リフレッシュ動作を終了してから検出タイミングまでの時間が長すぎると、荷重が変動する可能性が高まるので、検出した荷重の大きさの精度が低下する惧れが高まる。そこで、上記の事を踏まえて、実験等により検出タイミングが決定される。
【００３９】
次に、磁歪素子の温度補償を行いつつ、荷重を検出する方法について述べる。
【００４０】
図４は、上述の方法でヒステリシスの影響を低減した時の各温度における磁歪センサの荷重−測定電圧特性図である。横軸は磁歪素子１４ａへの荷重の大きさであり、縦軸はフィルタ１６から出力される測定電圧である。また、磁歪素子１４ａの温度が０℃、２０℃、４０℃の場合の３曲線を掲載してある。磁歪素子は、荷重が増加すると測定電圧が下降する特性を有する一方、温度が上昇した場合には測定電圧がそれにつれて上昇する温度特性を有する。同図によると、荷重が０ｋｇｗにおいて、磁歪素子１４ａの温度が０℃の時は測定電圧は２．５[Ｖ]に、２０℃の時は３．０[Ｖ]に、４０℃の時は３．５[Ｖ]になる。
【００４１】
このことを踏まえて、磁歪素子１４ａの温度を４０℃に維持しつつ荷重を検出する事で温度補償を行う方法について図５を用いて説明する。図５の特性曲線は図４と同じである。
【００４２】
今、周囲の温度が０℃だった場合に電源を投入し、物体検出センサ３００で荷重を加える物体の存在が検出されなければ、測定電圧は２．５[Ｖ]になる。ここで、磁歪素子１４ａの温度を４０℃に上昇させるべく磁歪素子１４ａを加熱するため、温度補償の意味合いで用いられるインパルス電流（以下、検出準備用電流とも呼ぶ）を印加して磁歪素子１４ａへ外部磁界を印加する。なお、磁歪素子１４ａの温度が目標温度に早く収束するように、検出準備用電流の印加周期を許容の範囲内で短くする方が好ましい。
【００４３】
その後、磁歪素子１４ａの温度が４０℃に到達したことは、測定電圧が３．５[Ｖ]になった事で判明する。この時点で、検出準備用電流の印加周期を磁歪素子１４ａへの検出準備用電流による加熱と磁歪素子１４ａからの熱放出とが平衡する様な値に再設定し、その周期を保持しながら荷重の検出を行うことで、それ以後は磁歪素子１４ａが約４０℃の温度を維持したままの状態で測定電圧を計測することとなる。ここで、単位時間あたりの発熱量が所定の値になるように、検出準備用電流を印加する周期を設定する。この所定値は、周囲温度と磁歪素子１４ａの目標温度（４０℃）、磁歪素子１４ａを含む周囲の配置物（コイル１４ｂ等）の材質・形状、目標温度へ到達するまでの所望の時間等が決まると従属的に決まるので、事前に実験により求めることができる。
【００４４】
つまり、図５において、荷重に対して０℃の場合の温度特性曲線（曲線Ｃ１）上に沿って測定電圧が変化するのではなく、荷重に対して４０℃の温度特性曲線（曲線Ｃ２）上に沿って測定電圧値が変化する。このように、常に磁歪素子１４ａの温度を４０℃に保つことで、荷重に対して４０℃の温度特性曲線（曲線Ｃ２）上に沿って測定電圧値が変化するので、この特性曲線から荷重を算出することができる。このことから、温度ドリフトの影響を低減でき、測定精度が低下しないで済む。
【００４５】
上記では、電源を投入した際の測定電圧から、磁歪素子１４ａの温度が目標温度を維持するような検出準備用電流の印加周期を求めた。しかし、電源投入後に気温が変化した場合には、磁歪素子１４ａへの検出準備用電流による加熱と磁歪素子１４ａからの熱放出の平衡が崩れ、磁歪素子１４ａの温度を４０℃に保つことができず、測定精度が低下することになる。なお、このことへの対処する方法については、実施形態２の中で説明する。
【００４６】
本実施形態によると、以上のように荷重を検出する時に磁歪素子１４ａの温度が目標温度となるように加熱を行い、磁歪素子１４ａの温度が目標温度に到達した後はその温度を保つ様に検出準備用電流の出力制御を行うことで、磁歪素子１４ａの温度を定められた一定温度に設定し、その結果、温度ドリフトの影響を低減することができる。これにより、磁歪センサで使用される回路に温度補償のための追加機構を必要とすることなく、従前の構成のままでインパルス電流印加の周期だけを変えることで温度特性の影響を軽減できる。
［実施形態２］
図６に実施形態２に係るパワーアシスト運搬車の構成を示す。
【００４７】
同図において、パワーアシスト運搬車の前進方向は矢印の方向である。当該前進方向に対してパワーアシスト運搬車の車両本体の背面には、操作者が運搬車を移動させるため荷重（以下、操作力）を加える操作部（以下、操作ハンドル）が備えられている。また運搬車底面の四隅付近には、駆動用車輪２つと、フリーキャスター２つが備えられて、運搬車車両本体を支持している。これら各駆動用車輪は、正・逆方向に回転駆動する左右独立のモータに各々取り付けられている。
【００４８】
運搬車は、操作者が操作ハンドルを押すことで、又は引くことで、前進方向へ、又は後進方向へ進む。すなわち、駆動源である前記２つのモータが、操作ハンドルへの操作力に応じて正転または逆転するよう制御されて、運搬車本体を前進または後進させるよう構成されている。なお、当該２つのモータの出力トルク量の違いによって右方または左方へ、操作者の操作に従ってパワーアシスト動作が行うことができるが、実施形態１、２では、操作ハンドルへの操作力の大きさに応じて、２つのモータが同時に前方又は後方へ回転動作し、前進方向又は後進方向へパワーアシストする場合で説明する。
【００４９】
この操作ハンドルに加えられた操作力は、磁歪素子で構成された力センサ（以下、磁歪センサ）で検出される。この検出結果に依存して運搬車本体に内蔵された駆動制御部でトルク制御を行うことでパワーアシスト動作が実現される。磁歪センサは、操作ハンドルに内蔵されている。以下では、操作ハンドルについて説明する。
【００５０】
図７は、操作ハンドルを説明する図である。
【００５１】
操作ハンドルは“コ”の字型の形状となっており（左右対称となっている）、ハンドルバー１本との両端に接続された力伝達軸及び磁歪センサ２個が接続されている。ハンドルバーに操作力が荷重され、それぞれの力伝達軸を経て各磁歪センサへ伝達される。なお、磁歪センサには、予圧バネにより、磁歪センサに押し付ける一定の力（予圧）を発生させている。つまり、磁歪センサは荷重による分力がゼロの時にも予圧バネにより加圧されており、この結果ハンドルバーに引く力が加わった場合にも、当該引力を力センサで検出することが可能となる。すなわち、操作者がハンドルバーを押す場合には、力センサには予圧バネの力と操作力を足した力が加わり、また、操作ハンドルを引く場合には、力センサには予圧バネの力から操作力を引く力を引いた力が加わる。当該予圧バネの力の大きさが既知であれば、操作力が求まる。
【００５２】
次に、図８に実施形態１で述べた磁歪センサを使用した、本実施形態に係るパワーアシスト運搬車の電気系の機能ブロック図を示す。なお、図１と同じ符号がふられている部分の説明については、図１と同じである。
【００５３】
１０、２０は操作力検出部、第２操作力検出部であり、２個の磁歪センサ１が含まれる。なお、操作力検出部１０、第２操作力検出部２０は同じ構成である。
【００５４】
また、３０１は把持検出センサであり、物体検出センサ３００と同じ役割を果たす。把持検出センサ３０１は、ハンドルバーに操作力を及ぼす人の手などの存在を検出するために設けたもので、図７によると、操作ハンドルの左右両端部の上部に備えられており、赤外線などを用いて操作ハンドルへの把持の有無を検出する。これにより操作力が磁歪センサに作用しているか否かが検出可能となる。
【００５５】
１００、２００は駆動部、第２駆動部であり、前述の左右のモータに対応している。なお、駆動部１００、第２駆動部２００は同じ構成である。
【００５６】
当該駆動部１００中において、１０１は処理制御部４００のモータ制御信号により駆動源であるモータを制御するモータ駆動制御回路、１０２は当該モータ、１０３はモータに取り付けられている駆動用車輪である。
【００５７】
次に、パワーアシスト運搬車が操作力を検出して操作者の移動動作に対してアシスト動作する動作フローについて説明する。本実施形態では、電源投入前の気温（パワーアシスト運搬車周辺の環境温度）が０℃であり、電源投入後に気温が低下する場合で説明する。また、目標温度は４０℃に設定されている。
【００５８】
図９は当該アシスト動作に関する動作フロー図である。同図を使用して説明する。なお、操作力検出部１０、第２操作力検出部２０は構成が同じなので、操作力検出部１０についてのみ説明を行う。
【００５９】
パワーアシスト運搬車の電源を投入すると、ステップＳ１に至る。
【００６０】
ステップＳ１では、初期化処理を行う。この中で、超磁歪センサを所定の状態（４０℃）にするとともに、インパルス電流印加インターバル(Ｔ)の初期値(Ｔ０)を決定する。
【００６１】
ここで、ステップＳ１における動作フローについて図１０を使用して説明する。
【００６２】
図１０はステップＳ１における動作フロー図である。
【００６３】
まず、初期化処理を行い、モータ１０２の駆動力を０に設定するなどの処理を行う。その後、ステップＳ１−１に移行する。
【００６４】
ステップＳ１−１では、操作者が操作ハンドルを把持しているかどうか、すなわち磁歪素子４ａに操作力が作用しているかどうかを、処理制御部４００が把持検出センサ３００からの把持信号から判断する。
【００６５】
ステップＳ１−２では、処理制御部４００によって操作ハンドルに把持ありと判断された場合には、ステップＳ１-１に戻る。把持なしの時は、ステップＳ１-３へ移行する。すなわち、操作者が操作ハンドルの把持をしていない状態（＝操作力が０ｋｇｗである状態）になるまではステップＳ１-３へ移行しない。なお、例えば、この場合に処理制御部４００が赤色パイロットランプを点滅させるなどして、操作者が操作ハンドルから手を離す様に促すような処理を行ってもよい。また、ステップＳ１-３へ移行する際には、赤色パイロットランプを点灯させるなどして、操作者が操作ハンドルへ手を触れない様に促すような処理を行ってもよい。
【００６６】
ステップＳ１−３では、処理制御部４００は、励振電流印加回路１１に対して励振電流の出力を指示する。これにより、励振電流のコイル１４ｂへの印加が開始される。励振電流は、パワーアシスト運搬車の電源を切るまで、出力が継続される。なお、本実施形態では使用していないが、セレクタ１３が励振電流のコイル１４ｂへの印加を選択している場合にのみ、励振電流印加回路１１から励振電流を出力する方式でもよい。
【００６７】
以下においては、図１１の電流波形図も参照して説明を行う。なお、同図は説明上、便宜的な波形となっており、実際の波形を表すものではない。
【００６８】
同図において、横軸は時間を表し、最上部の波形はフィルタ１６から出力される測定電圧、その下が励振電流波形、次がセレクト信号波形、最下段がコイル１４ｂに流れる電流波形を表している。セレクタ１３は、セレクト信号がＬｏの時は、励振電流印加回路１１からの励振電流をコイル１４ｂに印加する様に、セレクト信号がＨｉにアサートされているときは、インパルス電流印加回路１２からのインパルス電流をコイル１４ｂに印加する様に、切換えを行う。コイル電流の波形はコイル１４ｂのインダクタンス等の影響により矩形状から鋸波状に歪んでいる。磁歪素子１４ａへの操作力が変化するとコイル１４ｂのインダクタンスが変化するので、この歪み波形がそれに応じて変化する。
【００６９】
同図において、励振電流の周波数は１６ｋＨｚ、振幅は１０ｍＡであり、測定電圧の測定タイミングはインパルス電流立ち上がり時から２０ｍｓｅｃ後である。そこで、インパルス電流印加の周期は、磁歪素子１４ａの加熱時は２０ｍｓｅｃに近い値としている。なお、振幅は１．２Ａである。
【００７０】
図１１において、時刻（１）から時刻（２）までが、ステップＳ１−３に相当する。
【００７１】
ステップＳ１−４では、処理制御部４００は、インパルス電流の最大電流値、印加時間等を設定し、インパルス電流印加回路１２に対してインパルス電流の印加を指示する。この時、処理制御部４００はセレクタ１３がインパルス電流をコイル１４ｂへ印加するようにセレクタ信号を出力する。なお、本実施形態では使用していないが、常にインパルス電流を出力する方式でもよい。
【００７２】
図１１では、時刻（２）の部分がステップＳ１−４に相当し、インパルス電流がインパルス電流印加回路１２から１パルス出力された結果（図示せず）、鋸波波形が１波長分コイル１４ｂへ印加される。その間はインパルス電流がコイル１４ｂへ印加されるように、セレクト信号はＨｉにアサートされている。
【００７３】
ステップＳ１−５では、処理制御部４００は測定電圧から初期電圧ｖ０を検出し、記憶する。ｖ０は操作力が０の時の出力なので、予め測定された結果（図４）から、環境温度が求まる。図１１では、時刻（３）の部分で初期電圧ｖ０の検出を行っている。時刻（３）の部分では測定電圧がほぼ２．５Ｖであり、環境温度は図４よりほぼ０℃と分かる。
【００７４】
ステップＳ１−６では、磁歪素子１４ａの温度を目標温度４０℃にすべく、インパルス電流を印加し、磁歪素子１４ａを加熱する。
【００７５】
ステップＳ１−７では、処理制御部４００が測定電圧ｖを検出する。
【００７６】
ステップＳ１−８では、ステップＳ１−７で測定したｖが、操作力が０ｋｇｗの時に磁歪素子１４ａの温度が４０℃である事を表す３．５Ｖであるどうかを、処理制御部４００が判断する。測定電圧ｖが３．５ＶになっていなければステップＳ１-６に戻り、磁歪素子１４ａの温度が４０℃になるまで当該ループを繰り返す。測定電圧ｖが３．５Ｖの時はステップＳ１-９へ移行する。なお、測定電圧ｖが電圧ｖｒｅｆになった場合とは、ある所定値δに対して、｜ｖｒｅｆ−ｖ｜＜δを満たしている場合も含むものとする（以下、同じ）。
【００７７】
図１１において、時刻（４）から時刻（５）周辺までが、ステップＳ１−６〜ステップＳ１−８に相当する。このステップＳ１−６〜ステップＳ１−８ループにおいて、インパルス電流の印加によって、磁歪素子１４ａが外部磁界印加により加熱される。
【００７８】
ステップＳ１−９では、目標温度と環境温度との差や磁歪部１４の構成から、磁歪部１４から単位時間当たりに環境に放出する放出熱量が決まる。また、１回のインパルス電流の印加による磁歪素子１４ａでの発熱量は磁歪素子１４ａの組成、形状等から求まるので、インパルス電流印加による発熱量と放出熱量とが等しくなるような、インパルス電流の印加インターバル時間（以下、インパルス電流印加インターバルＴ）の初期値Ｔ０を決定する。すなわち、Ｔ０時間ごとにインパルス電流を印加すれば、発熱量と放熱量が釣り合うので、環境温度が変わらなければ、磁歪素子１４ａの温度は一定に保たれる。この結果、磁歪素子１４ａへの操作力を検出する際は、常に図５の曲線Ｃ２を使用することで操作力が求まる。なお、上述の放出熱量とインパルス電流印加による発熱量は事前に実験で求めておく。
【００７９】
図１１において、時刻（６）がステップＳ１−９に相当する。なお、このステップＳ１−９で初期化処理は終了する。なお、例えば、ステップＳ１−９で処理制御部４００が赤パイロットランプから緑色パイロットランプへ点灯を変えるなどして、操作者がパワーアシスト運搬車を操作してよい様に促すような処理を行ってもよい。
【００８０】
再び図９を使用して、ステップＳ２〜ステップＳ１２における動作フローについて説明する。
【００８１】
以下においては、図１２の電流波形図も参照して説明を行う。なお、同図は説明上、便宜的な波形となっており、実際の波形を表すものではない。
【００８２】
同図において、横軸は時間を表し、最上部の波形はフィルタ１６から出力される測定電圧、その下が励振電流波形、次がセレクト信号波形、その次がコイル１４ｂに流れる電流波形、最下段が把持信号波形を表している。把持信号は、把持検出センサ３０１がハンドルバーに操作力を及ぼす人の手などの存在を検出した場合に、Ｈｉにアサートされる。他の波形の説明については、図１１の場合と同じである。
【００８３】
同図において、励振電流の周波数は１６ｋＨｚ、振幅は１０ｍＡであり、測定電圧の測定タイミングはインパルス電流立ち上がり時から２０ｍｓｅｃ後である。インパルス電流印加の振幅は１．２Ａである。
【００８４】
ステップＳ２では、インパルス電流印加インターバルＴだけ時間が経過したらステップＳ３へ移行する。図１２において、時刻（８）周辺から時刻（９）までが、ステップＳ２に相当する。
【００８５】
ステップＳ３では、処理制御部４００はインパルス電流印加回路１２に対してインパルス電流の印加を指示する。
【００８６】
ステップＳ４では、処理制御部４００は測定電圧ｖを検出し、記憶する。
【００８７】
図１２では、時刻（９）から時刻（１０）までの部分がステップＳ３からステップＳ４に相当し、インパルス電流がインパルス電流印加回路１２から１パルス出力された結果（図示せず）、鋸波波形が１波長分コイル１４ｂへ印加される。その間はインパルス電流がコイル１４ｂへ印加されるように、セレクト信号はＨｉにアサートされている。その後、セレクト信号をＬｏに切り換わり励振電流がコイル１４ｂへ印加されてから、時刻（１０）のタイミングで測定電圧を検出する。
【００８８】
ステップＳ５では、図１２の時刻（１０）のタイミングにおいて、ハンドルバーに操作力を及ぼす人の手などの物体が把持検出センサ３０１で検出されていないか、把持信号をチェックする。もし人の手などの物体が検出されればステップＳ６へ移行し、検出されていない場合はステップＳ８へ移行する。
【００８９】
ステップＳ６では、ステップＳ５で人の手などの物体が検出されたので、ハンドルバーに操作力が作用している可能性があり、図７中の２つの磁歪部１４の測定電圧値から各センサにおける操作力ｆＬ、ｆＲを演算し、演算された各操作力の和（ｆＬ＋ｆＲ）から操作者から運搬車本体への操作力Ｆが得られる。
【００９０】
ステップＳ７では、操作力Ｆに比例する駆動力をモータに発生させるべく、処理制御部４００から駆動部１００、第２駆動部２００へモータ制御信号を出力する。これによりパワーアシスト動作が実現される。なお、操作力Ｆに比例する速度を発生するように駆動力を発生することでアシスト動作を行ってもよい。
【００９１】
ステップＳ８では、ステップＳ５で人の手などの物体が検出されなかったので、安全のため即座に処理制御部４００から駆動部１００、第２駆動部２００へモータ駆動力ゼロのモータ制御信号を出力する。
【００９２】
ステップＳ９では、ステップＳ４で測定した測定電圧ｖが３．５Ｖであるかどうかを、処理制御部４００が判断する。測定電圧ｖが３．５Ｖであれば磁歪素子１４ａの温度は４０℃のまま変化が無いので、ステップＳ２へ移行しこれまで説明してきたフローを繰り返す。測定電圧ｖが３．５Ｖでなければ磁歪素子１４ａの温度は４０℃から変化しているのでステップＳ１０へすすむ。先に述べたように、本実施形態では磁歪素子１４ａの温度が４０℃から低下している場合で説明を行う。
【００９３】
なお、処理制御部４００が緑色パイロットランプから赤色パイロットランプへ点灯を変えるなどして、操作者が操作ハンドルへ手を触れない様に促すような処理を行ってもよい。また、測定電圧ｖが目標温度に対応する３．５Ｖであるかの判断の代わりに所定期間が経過する毎にステップＳ１０へ移行し、磁歪素子１４ａの温度が４０℃に維持されるようにしてもよい。
【００９４】
ステップＳ１０では、磁歪素子１４ａの温度を目標温度４０℃にすべく、インパルス電流を印加し、磁歪素子１４ａを加熱する。図１２では、時刻（１２）からインパルス波形１波形分の時間がステップＳ１０に相当する。
【００９５】
ステップＳ１１では、処理制御部４００が測定電圧ｖを検出する。図１２では、時刻（１３）がステップＳ１１に相当する。
【００９６】
ステップＳ１２では、ステップＳ１１で測定した測定電圧ｖが３．５Ｖであるかどうかを、処理制御部４００が判断する。測定電圧ｖが３．５Ｖであれば磁歪素子１４ａの温度は４０℃となったので、ステップＳ１３へ移行する。測定電圧ｖが３．５Ｖでなければ磁歪素子１４ａの温度は４０℃に達していないのでステップＳ１０へ戻り、磁歪素子１４ａの温度が４０℃になるまで当該ループを繰り返す。
【００９７】
ステップＳ１３では、ステップＳ９で測定した測定電圧ｖに応じて、インパルス電流印加インターバルＴの再設定を行う。ステップＳ９で測定電圧が３．５Ｖではないということは、磁歪センサ周辺の環境温度が低下していることを示している。よって、単位時間当たりの発熱量を増やし、その環境温度でインパルス電流印加による発熱量と放出熱量とが等しくなるようなインパルス電流印加インターバルＴを修正する必要がある（この修正後のインパルス電流印加インターバルＴをＴ’とする）。この場合に、Ｔ’＜Ｔ０である。これによって現在の環境温度にて、センサ温度が40[℃]により近い温度に保つことができる。
【００９８】
ステップＳ１３からステップＳ２へ移行し、これまで説明してきたフローを繰り返す。なお、この以降の際に、例えば処理制御部４００が赤パイロットランプから緑色パイロットランプへ点灯を変えるなどして操作者がパワーアシスト運搬車を操作してよい様に促すような処理を行ってもよい。
【００９９】
電源投入後に気温が変化した場合の対処方法について、先に述べたように本実施形態の中で説明を行ったが、この説明はパワーアシスト運搬車に限らず、実施形態１に係る磁歪センサ、及び該磁歪センサを用いた装置、機器において適用可能である。
【０１００】
本実施形態によると、実施形態１で説明した様に磁歪センサで使用される回路に温度補償のための追加機構を必要とすることなく従前の構成のままでインパルス電流印加の周期だけを変えることで温度特性の影響を軽減できる上、パワーアシスト運搬車を使用している最中に環境温度が変化した場合でも磁歪素子１４ａを加熱する熱量を可変とすることができ、精度よく操作力を検出することができる。
【０１０１】
本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】実施の形態に係る磁歪センサの電気系の機能ブロック図である。
【図２】実施の形態に係る磁歪部の構成を示す図である。
【図３】実施の形態に係る荷重に対する測定電圧を示す図である。
【図４】実施の形態に係る磁歪センサの荷重−測定電圧特性図である。
【図５】実施の形態に係る磁歪センサの荷重−測定電圧特性図である。
【図６】実施の形態に係るパワーアシスト運搬車の構成図である。
【図７】実施の形態に係る操作ハンドルを説明する図である。
【図８】実施の形態に係るパワーアシスト運搬車の電気系の機能ブロック図である。
【図９】実施の形態に係るアシスト動作に関する動作フロー図である。
【図１０】実施の形態に係るアシスト動作に関する動作フロー図である。
【図１１】実施の形態に係る電流波形図である。
【図１２】実施の形態に係る電流波形図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１  磁歪センサ
１０  操作力検出部
２０  第２操作力検出部
１１  励振電流印加回路
１２  インパルス電流印加回路
１３  セレクタ
１４  磁歪部
１４ａ  磁歪素子
１４ｂ  コイル
１５  電流検出回路
１６  フィルタ
１００  駆動部
１０１  モータ駆動制御回路
１０２  モータ
１０３  駆動用車輪
２００  第２駆動部
３００  物体検出センサ
３０１  把持検出センサ
４００  処理制御部
【図１】
2006343265.tif 000003
【図２】
2006343265.tif 000004
【図３】
2006343265.tif 000005
【図４】
2006343265.tif 000006
【図５】
2006343265.tif 000007
【図６】
2006343265.tif 000008
【図７】
2006343265.tif 000009
【図８】
2006343265.tif 000010
【図９】
2006343265.tif 000011
【図１０】
2006343265.tif 000012
【図１１】
2006343265.tif 000013
【図１２】
2006343265.tif 000014