(57)【要約】【課題】荷重が加わるときに磁歪素子が受ける過大な曲げ応力による磁歪素子表面の塑性変形を防止して出力信号の精度および出力再現性を向上させるとともに、部品点数減による低コスト化ならびに小型・軽量化を実現する磁歪式荷重センサを提供する。【解決手段】荷重受け部と収容部の底面を構成する底面部または上面を構成する上面部の少なくともいずれか一方とを一体の強磁性体から構成するとともに、コイルを荷重受け部に直接巻回する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷重を受ける強磁性体からなる荷重受け部と、この荷重受け部の周囲に巻回されるコイルと、前記荷重受け部および前記コイルを収容する強磁性体からなる収容部とを備え、コイルを流れる電流によって磁化された荷重受け部に加わる荷重に起因する歪に伴う透磁率の変化に基づいて荷重を検出する磁歪式荷重センサであって、
前記荷重受け部と前記収容部の底面を構成する底面部または上面を構成する上面部の少なくともいずれか一方とを一体に構成することを特徴とする磁歪式荷重センサ。
【請求項２】
前記荷重受け部は、前記コイルを流れる電流によって生じる磁束の磁路を構成して荷重を受感する部分の外径が、荷重を直接受ける部分の外径よりも細く形成されてなることを特徴とする請求項１記載の磁歪式荷重センサ。
【請求項３】
前記荷重受け部の前記底面部との境界がフランジ形状をなすことを特徴とする請求項１または２記載の磁歪式荷重センサ。
【請求項４】
前記荷重受け部の前記コイルと接触する表面に絶縁物質による絶縁皮膜を設けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の磁歪式荷重センサ。
【請求項５】
前記コイルの始端および終端をそれぞれ固定する二つの固定部材を前記荷重受け部および前記収容部と絶縁して設けることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の磁歪式荷重センサ。
【請求項６】
前記荷重受け部と前記底面部または前記上面部の少なくともいずれか一方とを、鍛造または切削のいずれかによって一体に構成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の磁歪式荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイルを流れる電流によって磁化された強磁性体に加わる荷重に起因する強磁性体の歪に伴う透磁率の変化に基づいて荷重を検出する磁歪式荷重センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁歪式荷重センサは、強磁性体からなる磁歪素子に荷重が加わるときの歪に応じた磁歪素子自身の透磁率変化により、その周囲に巻回されたコイルを含む交流抵抗のインピーダンス変化が生じ、このインピーダンス変化から荷重を検出するものである。この磁歪式荷重センサには、低コストであるとともに機械的な信頼性が高いという利点がある。
【０００３】
図１４は、従来の磁歪式荷重センサの一構成例を示す断面図である。同図に示す磁歪式荷重センサ７は、逆磁歪効果を有する強磁性体からなり、外部から加わる荷重を受ける磁歪素子としての荷重受け部１１と、荷重受け部１１の周囲に配置されたボビン２７に収納されたコイル１５と、これら荷重受け部１１、ボビン２７、およびコイル１５を収容する強磁性体製のケース１７とから構成されている。ケース１７は上側ケース１７ａと受け側ケース１７ｂからなる上下２分割構造を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の磁歪式荷重センサには、直線性やヒステリシス等の出力信号の精度に問題が生じる恐れがあった。
【０００５】
出力信号の精度に問題が生じる要因としては、大別して、磁歪素子自身の材料的性質に起因するものと、磁歪素子を含めたセンサ全体の構造に起因するものとを挙げることができる。
【０００６】
このうちの後者については、磁歪素子のセンサ内での固定方法（図１４に示す磁歪式荷重センサ７の場合には、荷重受け部１１の受け側ケース１７ｂに対する固定方法）が精度に対して大きな影響を及ぼすことが知られている。特に、センサに対して荷重を加えたときに、磁歪素子が倒れ等の理由によって当初固定された位置からずれを生じ、荷重を受感する部分に曲げ応力が加わる場合には、（１）曲げ応力の値、方向は再現性が乏しいため、出力の繰返し再現性を損なう、（２）磁歪素子の固定位置からのずれが大きい場合、荷重を受感する部分に降伏点以上の過大な曲げ応力が加わることによって表面が塑性変形し、磁歪素子自体の特性が変化して出力信号が恒久的に変動する、（３）荷重を除荷した際に磁歪素子がもとの固定位置に戻らない場合、荷重がゼロの時の出力が安定しなくなる、等の事象による出力信号の精度の悪化が生じることが知られている。
【０００７】
このため、磁歪式荷重センサにおける出力信号の精度の悪化を防止するためには、磁歪素子をセンサの底面または上面を構成する部材に対してどのように固定するか、コイルに対してどのように位置決めを行うか、について対策を施す必要があった。
【０００８】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、荷重が加わるときに磁歪素子が受ける過大な曲げ応力による磁歪素子表面の塑性変形を防止して出力信号の精度および出力再現性を向上させるとともに、部品点数減による低コスト化ならびに小型・軽量化を実現する磁歪式荷重センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、荷重を受ける強磁性体からなる荷重受け部と、この荷重受け部の周囲に巻回されるコイルと、前記荷重受け部および前記コイルを収容する強磁性体からなる収容部とを備え、コイルを流れる電流によって磁化された荷重受け部に加わる荷重に起因する歪に伴う透磁率の変化に基づいて荷重を検出する磁歪式荷重センサであって、前記荷重受け部と前記収容部の底面を構成する底面部または上面を構成する上面部の少なくともいずれか一方とを一体に構成することを要旨とする。
【００１０】
請求項１記載の本発明によれば、荷重受け部とコイルを収容する収容部のうちの底面部または上面部の少なくともいずれか一方とを一体に構成した磁歪式荷重センサを提供することにより、荷重によって荷重受け部に加わる曲げ応力を防止してセンサの精度および出力再現性を向上させるとともに、部品点数減による低コスト化ならびに小型・軽量化を実現することができる。
【００１１】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の磁歪式荷重センサにおいて、前記荷重受け部は、前記コイルを流れる電流によって生じる磁束の磁路を構成して荷重を受感する部分の外径が、荷重を直接受ける部分の外径よりも細く形成されてなることを要旨とする。
【００１２】
請求項２記載の本発明においては、荷重受け部のうち、コイルを流れる電流によって生じる磁束の磁路を構成する部分のうち荷重を受感する部分の外径を、荷重を直接受ける部分の外径よりも細く形成してくびれをもたせ、明示的に荷重を受感する部分を構成することにより、荷重時にくびれ部分の歪が増大し、荷重の測定精度を向上させることができる。
【００１３】
請求項３記載の本発明は、請求項１または２記載の磁歪式荷重センサにおいて、前前記荷重受け部の前記底面部との境界がフランジ形状をなすことを要旨とする。
【００１４】
請求項３記載の本発明においては、荷重受け部の底面部との境界をフランジ形状にすることで荷重受け部の補強を行い、荷重検出時の精度悪化を防止することができる。なお、ここでいう「フランジ形状」とは、段付き形状、テーパ形状、Ｒ形状等を意味する。
【００１５】
請求項４記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の磁歪式荷重センサにおいて、前記荷重受け部の前記コイルと接触する表面に絶縁物質による絶縁皮膜を設けることを要旨とする。
【００１６】
請求項４記載の本発明においては、荷重受け部とコイルとの間に絶縁皮膜を設けることで、両者が直接接触することがないような構成にする。
【００１７】
請求項５記載の本発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の磁歪式荷重センサにおいて、前記コイルの始端および終端をそれぞれ固定する二つの固定部材を前記荷重受け部および前記収容部と絶縁して設けることを要旨とする。
【００１８】
請求項５記載の本発明においては、コイルの始端および終端を固定するための固定部材が、荷重受け部および収容部から絶縁して設けられる。
【００１９】
請求項６記載の本発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の磁歪式荷重センサにおいて、前記荷重受け部と前記底面部または前記上面部の少なくともいずれか一方とを、鍛造または切削のいずれかによって一体に構成することを要旨とする。
【００２０】
請求項６記載の本発明によれば、鍛造または切削のいずれかの工法によって、荷重受け部と収容部のうちの底面部または上面部の少なくともいずれか一方とが一体の強磁性体として形成された磁歪式荷重センサを提供することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁歪式荷重センサの構成を表す断面図である。同図に示す磁歪式荷重センサ１は、外部からの荷重を受ける荷重受け部１１とセンサ設置底面ならびに上面とが一体として形成された強磁性体製の荷重検出部１３、荷重受け部１１の周囲に巻回されるコイル１５、荷重検出部１３およびコイル１５を収容する強磁性体製の円筒状の収容部であるケース１７から少なくとも構成されている。
【００２３】
荷重検出部１３は、歪によって透磁率変化を生じる逆磁歪効果を有する鉄、ニッケル、フェライト等の強磁性体から構成され、荷重受け部１１と磁歪式荷重センサ１の上下底面とが鍛造または切削のいずれかによって初めから一体として形成されている。この結果、従来の磁歪式荷重センサに比べてセンサを構成する部品の点数が少なくて済むため、低コスト化ならびに小型・軽量化を実現することができる。
【００２４】
なお、荷重検出部１３のうち、底面ならびに上面を除く荷重受け部１１は、従来の磁歪素子（ロッド）に相当するものである。荷重受け部１１の形状は、荷重を直接受けるために図１において上面より上方に突出した部分、および外周にコイル１５が巻回されて荷重を受感する部分ともに円筒状であればより好ましい。
【００２５】
荷重受け部１１の周囲に直接巻回されるコイル１５は、その巻数が、コイル１５に所定の電流を流したときに、磁束が飽和するために必要な磁界の強度を生じるように設定されている。具体的には、従来の磁歪式荷重センサと同等かそれよりも若干少ない数（従来品の３／４程度）だけ巻回されている。このように巻回されたコイル１５を流れる電流によって生じた磁束は、強磁性体製の荷重検出部１３とケース１７によって安定化される。すなわち、荷重検出部１３とケース１７は、全体で磁束の磁路を構成する。
【００２６】
本実施形態においては、コイル１５を荷重受け部１１に直接巻回する方式を採用しているため、仮に荷重検出部１３が荷重を受けてもとの固定位置からのずれを生じたとしても、コイル１５がそれに追随することになり、信号精度を安定させることができる。
【００２７】
以上の構成を有する磁歪式荷重センサ１において、荷重検出部１３はコイルを流れる電流によって磁化されており、荷重受け部１１の上端部に外部から鉛直下向き（図１の矢印方向）の荷重が加わると、逆磁歪効果によって荷重受け部１１の透磁率が変化してコイル１５のインダクタンスが変化する。その結果、コイル１５を含む交流抵抗（インピーダンス）が変化し、この変化に伴うコイル１５両端の電圧変化を磁歪式荷重センサ１に接続された電気回路で測定することにより、荷重を電磁気的に検出することができる。
【００２８】
なお、図２の断面図に示すように、荷重受け部１１のうち、磁路を構成して荷重を実際に受感する部分の外径を、磁路を構成しない部分、すなわち上面部よりも上側に突出して直接荷重を受ける部分（荷重検出部１３の上端部）の外径よりも細く形成することによってくびれを入れた磁歪式荷重センサ２を構成することもできる。この場合、くびれた部分に加わる応力は他の部分に比べて高くなるため、明示的にくびれ部分のみを荷重を受感する荷重受感部１９とすることができる。この荷重受感部１９をコイルによる磁界が安定している部位（温度、外部磁界などに対しても比較的安定した部位）に設けることにより、磁歪式荷重センサ２の出力を一段と安定させることができる。
【００２９】
また、図３の断面図に示すように、荷重検出部１３において荷重受け部１１と底面部の境界に荷重検出部１３自体を補強するためにフランジ形状をなす補強部１１１を設けた磁歪式荷重センサ３を構成することも可能である。この場合には、荷重受け部１１に加わる荷重によって底面部が剪断降伏しないように底面の厚さと荷重受け部１１の外径の比率を適宜調整することによってさらに小型化を図ることができる。なお、補強部１１１のフランジ形状として、図３に示す段付き形状以外にも、例えば複数の段付き形状（階段状）、テーパ形状、Ｒ形状などにすることも可能である。
【００３０】
上述した磁歪式荷重センサでは、コイル１５を荷重受け部１１に対して直接巻回しているが、図４の断面図に示すように、少なくとも荷重検出部１３のコイル接触部分にゴムや樹脂等の絶縁物質からなる絶縁皮膜２１をコーティング、塗装、溶射等によって設け、荷重検出部１３とコイル１５を絶縁しておくことも可能である。絶縁皮膜２１は、シリコンなどの絶縁スプレーを利用して形成してもよい。
【００３１】
以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、従来の磁歪式荷重センサにおける磁歪素子の部分（荷重受け部１１が相当）、および磁歪素子とコイルを収容する収容部のうち底面部または上面部の少なくともいずれか一方が初めから一体となっている荷重検出部と、この荷重検出部の周囲にボビンを用いずに直接巻回されるコイルとを備えた磁歪式荷重センサを構成することにより、その磁歪式荷重センサの感度が恒久的に変化しない荷重の限界値（耐荷重）を向上させ、磁歪式荷重センサの精度ならびに出力再現性を向上させることができる。また、荷重時の荷重受け部の倒れを小さくできるため、荷重を受感する部分の曲げ応力に起因する塑性変形等を防止し、コイルに対する位置決め精度を向上させ、荷重がゼロのときの出力も安定させることができる。
【００３２】
図５は、耐荷重について、理論値（荷重受け部素材の降伏点）および従来品の耐荷重との比較を表す説明図である。同図によれば、従来品の耐荷重９３は理論値９１の５０％程度であるのに対し、本実施形態に係る磁歪式荷重センサの耐荷重９５は理論値９１の７５％程度であり、耐荷重が従来品に比べて２５％程度向上していることが分かる。
【００３３】
さらに、本実施形態によれば、荷重検出部を鍛造、切削等の工法によって形成することにより、従来の磁歪式荷重センサを構成する部品（ケース、上面または底面、磁歪素子、コイル、ボビン）の点数よりも少ない点数で磁歪式荷重センサを構成することができるので、コストの低減ならびに小型・軽量化を実現することができる。具体的な概算によれば、同性能（同耐荷重）を有する従来の磁歪式荷重センサと比較して、ケース外形を従来品の６０乃至６５％程度、ケースの高さを従来品の５２乃至５７％程度小型化でき、容積は従来品の２０乃至２５％程度まで縮小できることが分かっている。
【００３４】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る磁歪式荷重センサの収容部を除く荷重検出部ならびにコイル部分（以後、この両者を合わせてコア部分と総称する）の構成を示す断面図である。同図に示す荷重検出部１３は、上記第１の実施形態の荷重検出部１３と同様に逆磁歪効果を有する強磁性体から構成されており、底面部にコイル１５の始端部、終端部を絶縁するための機構が設けられている。より具体的には、樹脂カバー２３を荷重検出部１３に対して圧入、接着、螺旋止めのいずれかによって予め設けておき、その樹脂カバー２３に対してコイルの始端部および終端部のそれぞれをはんだ付け等によって接合した二つの固定部材であるターミナル２５を圧入または接着または螺旋止めのいずれかによって設ける。ターミナル２５は、少なくとも電気伝導性を有する鉄等の材質からなる。図７は、図６に示した断面図の矢視Ａ方向の側面図である。
【００３５】
なお、図６および図７ではコア部分のみ図示し、収容部であるケースを省略しているが、これは、ターミナル２５部分を磁歪式荷重センサ外部に突出させるための開口部をケースに設ける以外には、上記第１の実施形態におけるケース１７と特段の相違を持たないためであり、ケースが不要であることを意味するものではない。
【００３６】
ターミナル２５を設ける方法としては、上記以外にも、例えば図８の断面図に示すように、二つのターミナル２５を圧入または接着した樹脂部品２３を荷重検出部１３とコイル１５の間に挿着し、この二つのターミナルに対して、コイル１３の始端部、終端部をそれぞれ接合する構成にすることも可能である。図９は、図８の矢視Ｂ方向の側面図である。
【００３７】
図８および図９においてもコア部分のみ図示しているが、上記図６および図７における説明と同様これをもって本実施形態に係る磁歪式荷重センサがケースを不要とするものでないことはいうまでもない。したがってこの場合にも、ターミナル２５を外部に突出させるための開口部がケースに設けられることになる。
【００３８】
図１０は、図８と同様のコア部分を有するとともに、荷重受感部１９（くびれ部分）ならびに複数の段付き形状を有する補強部１１１を具備した磁歪式荷重センサ４の断面図である。図１０では、上述した磁歪式荷重センサと異なりコイル１５およびケース１７の間に隙間が見られるが、この隙間の有無によって得られる効果に特段の相違が生じものでない。図１１に、図１０の矢視Ｃ方向の上面図を示す。なお、第１の実施形態と同様（図４を参照）、磁歪式荷重センサ４の荷重検出部１３とコイル１５との間に絶縁皮膜を設けることも勿論可能である。
【００３９】
以上説明した本発明の第２の実施形態が、上記第１の実施形態と同様の効果を奏するのは勿論である。
【００４０】
また、本実施形態によれば、コイルの始端および終端処理用のターミナル（端子）を直接圧入または接着または螺旋止めのいずれかによって設けることにより、出力信号の繰返し再現性をさらに改善するとともに、ヒステリシスや非直線性など、磁歪式荷重センサの精度を一段と向上させることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上述した第１および第２の実施形態においてのみ特有の効果を奏するものと理解されるべきではない。
【００４２】
図１２は、本発明の別な実施形態に係る磁歪式荷重センサの構成を表す断面図である。同図に示す磁歪式荷重センサ５は、荷重受け部１１が底面部と一体となった強磁性体により構成される。この荷重検出部１３は、上記実施形態と同様に鍛造または切削等の工法によって形成され、外部から荷重が加わったときの荷重受け部１１の倒れを防止している。コイル１５は、荷重受け部１１の周囲に配置されたベークライト、ナイロン等の樹脂からなるボビン２７に収納される。荷重検出部１３のうち荷重を直接受ける先端部を除いた部分とコイル１５、およびボビン２７は強磁性体の収容部であるケース１７に収容される。以上の構成により、上記二つの実施形態と同じく、コイル１５に対する荷重受け部１１の位置決め精度を向上させ、出力信号の安定性を高めることができる。また、不安定で過大な曲げ応力の発生を防止できる。
【００４３】
図１３は、本発明の更に別な実施形態に係る磁歪式荷重センサの構成を表す断面図である。同図に示す磁歪式荷重センサ６においては、荷重受け部１１と上面が一体となった強磁性体からなる荷重検出部１３を構成し、この荷重検出部１３の先端部を除く部分、および図１２と同様にボビン２７に収納されるコイル１５がケース１７に収容されている。この場合にも、コイル１５に対する荷重受け部１１の位置決め精度を向上させ、出力信号の安定性を高める効果を得ることができる。なお、荷重検出部１３が鍛造または切削等の工法によって形成される点についても、上記同様である。
【００４４】
以上図１２および図１３にそれぞれ示した磁歪式荷重センサ５および６についても、従来の磁歪式荷重センサに比べて部品点数を一点減らせるため、製造コストを下げるとともに、小型・軽量化することができるという効果が得られる。
【００４５】
なお、以上説明した各実施形態に係る磁歪式荷重センサは、特に、電動アシスト自転車や電動車椅子等、人力に加えて電動モータを補助駆動力として利用する小型電動移動体において、人力によって外部から加わるトルク等の荷重を検出する場合や、建築物に設けられるドアのノブに加わる人力に起因した荷重を検出する場合などに適用することにより、大きな効果を得ることができる。
【００４６】
このように、本発明は、上記第１および第２の実施形態と同様の効果を奏するさまざまな実施の形態等を含みうるものであることはいうまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、荷重が加わるときに磁歪素子が受ける過大な曲げ応力による磁歪素子表面の塑性変形を防止して出力信号の精度および出力再現性を向上させるとともに、部品点数減による低コスト化ならびに小型・軽量化を実現する磁歪式荷重センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁歪式荷重センサの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁歪式荷重センサで、荷重受感部を細くしたときの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る磁歪式荷重センサで、荷重検出部と底面部との間に補強部を設けたときの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る磁歪式荷重センサのコア部分に絶縁皮膜を設けた場合の断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る磁歪式荷重センサの耐荷重について、理論値（降伏点）および従来品との比較を表す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る磁歪式荷重センサのコア部分の構成を示す断面図である。
【図７】図６の矢視Ａ方向の側面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る磁歪式荷重センサのコア部分の別の構成を示す断面図である。
【図９】図８の矢視Ｂ方向の側面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る磁歪式荷重センサの構成例を示す断面図である。
【図１１】図１０の矢視Ｃ方向の上面図である。
【図１２】本発明の別の実施形態に係る磁歪式荷重センサの構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の更に別の実施形態に係る磁歪式荷重センサの構成を示す断面図である。
【図１４】従来の磁歪式荷重センサの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１、２、３、４、５、６、７　磁歪式荷重センサ
１１　荷重受け部
１３　荷重検出部
１５　コイル
１７　ケース
１７ａ　上側ケース
１７ｂ　受け側ケース
１９　荷重受感部
２１　絶縁皮膜
２３　樹脂カバー
２５　ターミナル
２７　ボビン
１１１　補強部
【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】
2004045047.tif 000011
【図１０】
2004045047.tif 000012
【図１１】
2004045047.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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