(57)【要約】【課題】  気温変動、外部磁場等の外乱が問題となる環境下で使用しても精度良く応力の測定が可能な磁歪式応力センサの提供。【解決手段】  軟磁性体からなる応力受け部の近傍に、交流電源により励磁電流を供給される励磁コイルを設け、応力が負荷されることにより起きる軟磁性体の透磁率の変化に伴い生じる磁束密度の変化量を、磁束密度に比例した信号を出力可能な磁気センサを用いて検出する磁歪式応力センサであって、前記磁気センサとして磁束密度の変化に対し遅延なく比例した信号を出力可能な磁気センサを用い、磁気センサの出力信号に励磁コイルに流れる励磁電流の大きさに比例する信号を乗算する回路及び／又は磁気センサの出力を励磁コイルに流れる励磁電流の振幅からなる参照信号により除算する回路を備えたことを特徴とする磁歪式応力センサである。【選択図】  図１
2005164403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性体からなる応力受け部の近傍に、交流電源により励磁電流を供給される励磁コイルを設け、応力が負荷されることにより起きる軟磁性体の透磁率の変化に伴い生じる磁束密度の変化量を、磁束密度に比例した信号を出力可能な磁気センサを用いて検出する磁歪式応力センサであって、前記磁気センサの出力信号を、励磁コイルに流れる励磁電流の振幅からなる参照信号により除算するフィルタ回路を備え、該フィルタ回路を通過した出力信号により応力を検出することを特徴とする磁歪式応力センサ。
【請求項２】
軟磁性体からなる応力受け部の近傍に、交流電源により励磁電流を供給される励磁コイルを設け、応力が負荷されることにより起きる軟磁性体の透磁率の変化に伴い生じる磁束密度の変化量を、磁束密度に比例した信号を出力可能な磁気センサを用いて検出する磁歪式応力センサであって、前記交流電源として、交流電流安定化電源を用い、前記磁気センサとして磁束密度の変化に対し遅延なく比例した信号を出力可能な磁気センサを用い、磁気センサの出力信号に励磁コイルに流れる励磁電流の大きさに比例する信号を乗算し、乗算後の信号の直流成分のみを応力センサの出力とする回路を前記フィルタ回路として用いたことを特徴とする磁歪式応力センサ。
【請求項３】
軟磁性体からなる応力受け部の近傍に、交流電源により励磁電流を供給される励磁コイルを設け、応力が負荷されることにより起きる軟磁性体の透磁率の変化に伴い生じる磁束密度の変化量を、磁束密度に比例した信号を出力可能な磁気センサを用いて検出する磁歪式応力センサであって、前記磁気センサとして磁束密度の変化に対し遅延なく比例した信号を出力可能な磁気センサを用い、磁気センサの出力信号に励磁コイルに流れる励磁電流の大きさに比例する信号を乗算し、乗算後の信号の直流成分を励磁コイルに流れる励磁電流の振幅からなる参照信号により除算する回路を備えたことを特徴とする磁歪式応力センサ
【請求項４】
磁気センサとして、磁気インピーダンスセンサを用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体に応力を加えることにより磁性体の磁気特性(透磁率)が変化する現象を利用し、磁性体に磁場を負荷し、その際に得られる磁束密度の変化量を検出して応力を測定することを特徴とする磁歪式応力センサであって、特に気温変動が大きかったり、外部磁場等の外乱が問題となるような環境でも精度良く測定可能な磁歪式応力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、建設車両、建設機器等において、各部品の動作を適切に制御したり、例えばトラックの積載重量等の確認チェックのため等、応力(引張荷重、圧縮荷重、ねじりトルク等に伴い生ずる応力)を測定しなければならない箇所が多く存在する。このような応力の測定が必要な箇所に対して、鋼材等の材料に外力を加えた際に透磁率が変化するという性質(逆磁歪効果)を利用した磁歪式応力センサが使用されている。この磁歪式応力センサは、通常磁気特性の優れた材料からなる磁歪素子を１次コイルにより励磁させる。その際応力が加わると磁歪素子の透磁率が変化し、磁束密度が変化する。その変化を２次コイルに誘起される電圧を測定することにより検出し応力を測定しようとするものである。
【０００３】
この磁歪式応力センサは、比較的小型で精度の良いものを容易に製造できるので、最近開発が活発になってきているセンサである。しかしながら、使用環境により精度に影響を受けるという問題があり、その対策が必要となっていた。
【０００４】
その課題の１つは、１次コイルに流す励磁電流の変動である。気温等の使用環境が変化すると、１次コイルに供給している電源内の素子の特性が変化したり、１次コイルのインピーダンスが変化する。その結果１次コイル内に流れる励磁電流が変動し、応力の検出精度が低下する。
【０００５】
この問題に対しては、従来は例えば非特許文献１に記載されているような交流電流安定化電源を用いることにより対応してきた。安定化電源としては、例えばファンクションジェネレータによって電圧波形を作製し、その電圧波形を入力電圧とし、励磁電流を出力する交流定電流出力回路を用いたものがある。より具体的には、励磁電流が流れる励磁コイルと直列に接続されたセンス抵抗の両端に発生する電圧が、交流定電流出力回路への入力電圧と等しくなるようにフィードバックをかける回路であり、これにより１次コイルのインピーダンスが変化しても電流振幅の変動を抑制することができる。
【０００６】
【非特許文献１】トランジスタ技術第３５巻第１号、第２３３頁
【０００７】
また、もう１つの課題は、外部磁場による変動である。磁歪式応力センサは当然の如く磁束密度を測定し、その変化量を応力に換算して応力値を求めるものである。ところが、励磁コイルによって発生した磁場ではなく、外部から磁場を受けてしまうと、その分の磁場も同時に検出してしまうため、測定した応力の精度が低下するという問題がある。
【０００８】
これに対する対策としては、励磁コイルにより発生させた磁場(励磁磁場)と外部磁場の周波数の差異に着目し、バンドパスフィルタや位相敏感検波を用いて応力センサの出力信号から励磁磁場による成分のみを抜き出す方法が行われている。
【０００９】
ここで、位相敏感検波とは、ノイズの影響を受けている出力信号に、必要とする信号と同周波数同位相の参照信号を乗算すると、必要な信号が直流成分となって取り出すことのできる検波方法で、ロックインアンプ等で広く知られている技術である。そして、この位相敏感検波を利用した荷重センサとしては、例えば特許文献１に記載されたものが出願公開されている。
【００１０】
特許文献１に記載の荷重センサは、励磁電流として、電源電圧をオンオフして出力されるパルス信号を用いて信号電圧を一定とし、かつ乗算検波によって雑音成分を小さく抑えることを特徴としている。
【００１１】
また、位相敏感検波回路を用いた例としては、他に特許文献２に記載された磁歪応力感知装置がある。この文献には、応力変動から生ずる磁束変化を検出する手段として、例えばコイルやホール素子(文献にはホール効果センサと記載)を使用した場合について記載されており、磁束を発生させるために励起手段に入力した信号によって得られた出力信号のうち、応力検出に必要な位相に関連する成分のみを検出する位相関連手段を有する構造が記載されている。従って、この位相関連手段によって応力検出に必要のないノイズ成分を除去し、精度を向上させようとするものである。
【００１２】
【特許文献１】特開平７−３２４９６７号公報
【特許文献２】特開平９−１１９８７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前記した従来の発明には次の問題がある。
非特許文献１に記載されたような交流電流安定化電源の使用により、励磁コイルに供給する電流の安定化を図ることができる。しかしながら、安定化電源の使用は、電源部分が大型化するとともに、コストアップになるという問題がある。
【００１４】
また、特許文献１に記載の乗算検波は確かにノイズ成分除去に効果的であるが、感度良く乗算検波を可能にするためには、入力信号であるパルス信号と、検出コイルから得られる出力信号の位相をほぼ一致させる必要がある。しかしながら、当然の如く励磁のパルス信号と検出コイルから得られる信号は位相がずれてしまうため、位相を合わせるための手段が別に必要となるが、その点について特許文献１には、全く言及がされていない。
【００１５】
さらに、特許文献２に記載の磁歪応力感知装置においては、コイルやホール素子から得られた出力信号のうち、参照信号と同位相成分だけでなく、90°位相のずれた成分も検出し、双方を使用することで、位相差の影響を受けない構造となっている。このような方法は、市販のロックインアンプにおいて広く用いられている手法である。しかしながら、この手段も気温、磁場の影響を受けやすいものであるとともに、回路が複雑となり非常に高価になってしまうという問題がある。
【００１６】
本発明は、以上説明した課題を解決可能とすることを目的とするものであり、気温や磁場等の外乱の影響を受けにくく、幅広い環境で精度良く荷重が測定可能であって、かつ安価に製造が可能な磁歪式応力センサを提供可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１の発明は、軟磁性体からなる応力受け部の近傍に、交流電源により励磁電流を供給される励磁コイルを設け、応力が負荷されることにより起きる軟磁性体の透磁率の変化に伴い生じる磁束密度の変化量を、磁束密度に比例した信号を出力可能な磁気センサを用いて検出する磁歪式応力センサであって、前記磁気センサの出力信号を励磁コイルに流れる励磁電流の振幅からなる参照信号により除算するフィルタ回路を備え、このフィルタ回路を通過した出力信号により応力を検出することを特徴とする磁歪式応力センサである。
【００１８】
前記した通り、交流電源から供給される励磁電流は気温の変動等により変化するため、結果として得られる磁束密度が変化し、磁気センサの出力が変化する。このように外部環境により励磁電流が変化すると、同じ荷重でも出力が変化し、測定された応力値の精度が低下する。そこで、本発明では、この問題を解決するために、励磁コイルに流れる励磁電流の振幅を参照信号とし、磁気センサの出力信号を参照信号で除算するフィルタ回路を備えたことを特徴とするものである。このフィルタ回路を備えたことにより、フィルタ回路を通過した出力信号は、軟磁性体が受けた応力に比例した大きさの信号に補正されるため、励磁電流が変動した場合(電源を原因とする変動だけでなく、励磁コイルのインピーダンスの変化による電流値の変動も含む)でも安定して高い精度を維持することができる。従って、高価な安定化電源を使用することなく、優れた応力センサを製造することができる。
【００１９】
なお、本発明において使用する軟磁性体としては、励磁磁場により遅延なくかつ磁場の強さに比例した大きさで磁化される軟磁気特性の優れた材料を用いることが好ましく、例えば鉄に45%Niを含有するパーマロイ合金や、Si、Alを適量添加して磁気特性を改善したフェライト系軟磁性ステンレス鋼(例えば特開平2-179855号に記載の鋼)等を使用することが好ましい。また、応力受け部の軟磁性体は必ずしもバルクの状態である必要はなく、常磁性体を軟磁気特性の優れた材料の薄膜で被覆したもの等、軟磁性体が応力を受ける構造であればよい。なお、軟磁性体に使用できる材料については、後述の請求項２〜４の発明においても全く同様である。
【００２０】
また、磁気センサとしては、従来から使用されているように検出コイルを用いても良く、その他にホール素子や磁気インピーダンスセンサ(詳細は特開2001-133530号等に記載)等を用いることができる。但し、これらの磁気センサは、急激に磁束密度が変化した場合、正確な測定が不可能となるため、励磁電流の波形は、磁束密度変化が急激にならないようにするために、例えば正弦波等とするのが好ましい。
【００２１】
また、前記した磁気センサのうち、特に磁気インピーダンスセンサは、検出コイル、ホール素子に比べ高感度であるため、交流電源を小型化し、応力センサの小型軽量低価格化を達成するためには、他の磁気センサに比較して有利である。
さらに、軟磁性体には、当然の如く外力が負荷されるため、保持する必要があり、そのための基体に用いる材料としては、磁場に対し大きな磁化を示さない材料が好ましく、例えば、常磁性体であるアルミナ、ABS樹脂等が好ましい。
【００２２】
次に、請求項２に記載の発明は、軟磁性体からなる応力受け部の近傍に、交流電源により励磁電流を供給される励磁コイルを設け、応力が負荷されることにより起きる軟磁性体の透磁率の変化に伴い生じる磁束密度の変化量を、磁束密度に比例した信号を出力可能な磁気センサを用いて検出する磁歪式応力センサであって、前記交流電源として、交流電流安定化電源を用い、前記磁気センサとして磁束密度の変化に対し遅延なく比例した信号を出力可能な磁気センサを用い、磁気センサの出力信号に励磁コイルに流れる励磁電流の大きさに比例する信号を乗算し、乗算後の信号の直流成分のみを応力センサの出力とする回路を前記フィルタ回路として用いたことを特徴とする磁歪式応力センサである。
【００２３】
請求項１により、磁気センサの出力信号を励磁コイルに流れる励磁電流の波形からなる参照信号により除算するフィルタ回路を備えた磁歪式応力センサを明らかにした。しかし、このフィルタ回路は、気温等によって励磁電流が変化した場合には、大きな効果を発揮するが、何らかの原因で外部から磁場を受けるような環境下では、その外部磁場も含めて磁気センサが検出してしまうため、精度向上効果が期待できない。請求項２は、外乱のうち、外部磁場の影響を安価な回路で取り除くことを可能にする磁歪式応力センサを提案するものである。以下、外部磁場の影響を皆無にできる理由について説明する。
【００２４】
請求項２では、磁気センサの出力を励磁電流の振幅の位相と合わせる必要があるため、磁気センサとして、磁束密度の変化に対し遅延なく信号を出力可能なセンサを用いる。従って、請求項１では使用可能であった検出コイルは磁束密度の変化に対し遅延なく信号を出力できないため、使用できない。それに対し、前記したホール素子、磁気インピーダンスセンサは、遅延なく信号が出力可能であるため、請求項２の発明に適用できる。なお、ここで言う「遅延なく」という意味は、わずかな遅延も許容しないという意味ではなく、外部磁場の影響を取り除くことが可能な程度に「遅延なく」という意味である。許容できる位相差については、後述する。
【００２５】
測定しようとする応力の負荷に伴う磁束密度の変化は、軟磁性体を用いているため、励磁電流と同周波数同位相の変化となる。そして、請求項２では、前記したように、磁気センサとして磁束密度の変化に遅延なく信号を出力可能なセンサを用いている。これに対し、外部環境から受ける磁場は、励磁電流とは周波数、位相共に同一となることはない。従って、励磁電流の大きさに比例する信号(勿論位相も励磁電流と同一)を取り出し、この信号と磁気センサの出力信号を乗算することによって、磁気センサ出力信号の中の励磁電流と同周波数同位相の信号を直流成分化し取り出すことにより、外部磁場の影響を完全に取り除くことができる。従って、このフィルタ回路を備えることにより、外部磁場の影響が心配となる環境でも精度良く応力を測定することができる。ここで、磁気センサの出力と励磁電流の振幅の位相は、完全に一致できれば勿論ベストであるが、外部磁場の影響を取り除くことができる程度に一致させれば良い。具体的には、位相差が45°以下、望ましくは30°以下であれば、外部磁場の影響をほぼ除去することができる。
【００２６】
なお、請求項２では、請求項１の応力センサで備えていた除算回路からなるフィルタ回路を備えることを必須としていない。従って、気温や励磁コイルのインピーダンスが変動した場合の励磁電流の変動による影響を小さく抑えるためには、交流電流安定化電源が必要となる。
【００２７】
また、励磁電流の大きさに比例する信号を取り出す方法としては、例えば励磁コイルに直列に抵抗を接続し、その抵抗の両端の電圧を使用する等の手段を選択すれば良い。
【００２８】
次に、請求項３は、請求項１と請求項２の特徴を両方共に有する磁歪式応力センサである。以下、その詳細について説明する。
請求項１では磁気センサの出力信号を、励磁コイルに流れる励磁電流の振幅からなる参照信号により除算するフィルタ回路を備えることによって、気温等により励磁電流が変動した場合や、コイルのインピーダンス変化の影響を除去することが可能になることを明らかにした。また、請求項２では、磁気センサの出力信号に励磁コイルに流れる励磁電流の大きさに比例する信号を乗算し、乗算後の信号の直流成分のみを応力センサの出力とする回路をフィルタ回路として備えることによって、外部磁場の影響が問題となる環境下でも精度良く測定可能となることを明らかにした。
【００２９】
請求項３の磁歪式応力センサは、この両方の回路を備えることによって、気温等の外部環境の変化による励磁電流の変動及び外部磁場の影響の両方を原因とするセンサ出力値の変動を除去しなければならない環境で使用しても精度良く応力を測定することができる。なお、請求項３では請求項１と同様の除算回路を備えているため、請求項２で必要とした交流電流安定化電源は必要としない。しかしながら、特に高精度の測定が要求される場合においては、使用した方が望ましいことは勿論である。また、交流電流安定化電源を用いても、気温変動が大きい場合には、励磁電流の変動を完全に除去できないこともあるので、除算回路とともに用いたセンサとすることによって、温度変動に強くかつ高精度な磁歪式応力センサを製造することができる。
【００３０】
次に、請求項４は、磁気センサとして、磁気インピーダンスセンサを用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁歪式応力センサである。本発明のような応力センサにおいては、小型軽量かつ安価に製造でき高精度であることが要求される。磁気インピーダンスセンサは、センサ自体が非常に小型化でき、非常に小さな磁束密度であっても感度良く測定可能であるため、励磁電源が小容量のものですみ、電源を安価にできるとともに省電力化及び応力センサの小型化を可能にすることができる。また、磁気インピーダンスセンサは、磁束密度の変化に対し位相が遅れることなく信号を出力することができるので、位相を合わせるための別の回路も必要なく、請求項２、３の発明に使用すると、他のセンサを用いた場合に比べ、小型軽量で優れた精度を有する応力センサを容易かつ安価に製造することができる。
【実施例１】
【００３１】
以下、本発明の特徴を実施例を示すことにより明らかにする。図１は、本発明の一実施である磁歪式応力センサの構成を示す図である。
【００３２】
同図に示す磁歪式応力センサは、基体３(アルミナ)の上に柱状の軟磁性体１(45％Ｎｉパーマロイ合金)を配設し、かつ、軟磁性体１の基体３側の端面に、磁束密度に比例した電圧出力を示す磁気センサ４(磁気インピーダンスセンサを使用)が、固定されている。軟磁性体１の周囲には、励磁コイル２が巻かれており、励磁コイル２には、交流電源５が接続されている。従って、交流電源５により励磁コイルに電流を流すことにより、柱状軟磁性体１を高さ方向に交流励磁することができる。また、励磁コイル２には、抵抗６が直列に接続されている。従って、この両端の電圧を検出することにより、励磁電流の強さに比例した電圧信号を得ることができる。そして、抵抗６の両端の電圧信号は直流化回路８により直流電圧信号化され、励磁電流の振幅に比例した参照信号として除算回路７に送られる。一方励磁された軟磁性体１の磁束密度は、磁気センサ４により検出され、その電圧出力信号も直流化回路９を通して直流電圧信号化され振幅に比例した信号となり、除算回路７に送られる。除算回路７では、磁気センサ４の直流化された出力信号を抵抗６の直流化された出力信号を用いて除算する。そして除算後の信号により、軟磁性体１に負荷された力の大きさが求められる構造となっている。
【００３３】
図１の磁歪式応力センサでは、以上説明した構造となっており、柱状の軟磁性体１の高さ方向に荷重が加わると、これにより軟磁性体１の透磁率が変化して磁束密度が変化し、磁気センサ４において出力する電圧信号の振幅が変化する。この変化量を磁気センサの出力信号として得ることにより応力を測定することができる。
【００３４】
次に図１からなる磁歪式応力センサによって気温及び励磁コイルのインピーダンス変化等の外乱によって影響を受けずに精度良く応力測定が可能になことについて詳細に説明する。
【００３５】
気温等の外部環境の変化があると、交流電源５内の素子の性能が変化し、励磁コイル内に供給される電流の大きさが変化する。また、外力の負荷により軟磁性体１の磁気特性が変化すると、励磁コイル２のインピーダンスが変化するという問題もある。この結果、単純に磁気センサの出力をそのまま応力検出に用いた場合、高い検出精度を確保することはできない。しかしながら、図１に示す本発明の磁歪式応力センサでは、磁気センサの出力をそのまま用いるのではなく、磁気センサ４の出力の振幅を、磁場を生み出す励磁電流の振幅によって除算する回路７を設けている。除算回路７を設けることにより、万が一外乱等によって励磁電流の大きさが変動した場合でも、測定したい応力に比例した出力信号を得ることができるため、外乱に関係なく精度の優れた応力検出を可能とすることができる。
【００３６】
また、図１の磁歪式応力センサでは、従来の多くの磁気応力センサのように検出コイルを用いずに、磁気センサ４として磁気インピーダンスセンサを用いている。このセンサは後述するように、極めて高感度であるため、非常に小さな励磁磁場しか必要としない。このような弱い磁場であれば、軟磁性体は磁場の強さにほぼ比例した磁束密度で磁化されるため、電源の小型化、低コスト化と検出精度の向上を図ることができる。
【００３７】
この点を明確にするために、本実施例で磁気センサ４として用いた磁気インピーダンスセンサと、後述の実施例で用いているホール素子の測定感度に関する比較を表１として示す。表１から明らかなように、両者には、感度に約150倍の差があることがわかる。表１は一例にすぎないが、一般的にも磁気インピーダンスセンサはホール素子と比較して、桁違いに磁束密度に対する感度が高いと言える。従って、磁気インピーダンスセンサを用いた場合には、ホール素子の1/100以下の励磁電流で十分であるため、応力センサの大幅な小型化を容易に達成することができる。
【００３８】
【表１】
2005164403.tif 000003
【００３９】
次に以上説明した磁歪式応力センサの測定精度向上の程度を具体的データによって説明する。図２は図１の構成からなる磁歪式応力センサの除算回路を通す前の磁気センサ４の出力と負荷した応力の関係を示したものであり、図３は除算回路７を通した出力電圧と負荷した応力の関係を示したものである。なお、地磁気等の外部磁場の影響が出力に影響しないようにするために、応力センサの向きは固定して、実験を行った。
【００４０】
図２、図３の結果から明らかなように、除算回路７を通す前の信号を応力センサの出力として用いた場合では、軟磁性体１の磁気特性の変化による励磁コイル２のインピーダンスの変動の影響を大きく受けてしまうため、安定したセンサ出力が得られないのに対し、除算回路７を通した後の出力では、応力増加時と減少時でほぼ同じ出力が得られ、精度良く測定可能となっていることがわかる。なお、本実験では、実験を簡単にするため、温度については一定の条件で実験を行ったが、温度が変動した場合も、励磁電流の変動が起き、それが出力に影響するという点で、励磁コイル２のインピーダンス変動による影響と全く同じであり、同様にその影響を小さくすることができるものである。
【実施例２】
【００４１】
次に、別の構成からなる磁歪式応力センサの実施例について説明する。図４に示す磁歪式応力センサは、励磁コイルに流す電流の大きさを気温等の外乱の影響があっても変動することなく安定化させるため、図１の磁歪式応力センサで用いていた交流電源５の代わりに、交流電流安定化電源１０を用いている。そのため、図１の磁歪式応力センサのように励磁電流の変動によるセンサ出力への影響を心配する必要がないため、図１の磁歪式応力センサのように、除算回路７は必要としない。その点を考慮して図４の磁歪式応力センサは、図１の磁歪式応力センサで用いていた除算回路７、直流化回路８、９の代わりに乗算回路１１、ローパスフィルタ回路１２を用いている。その他の構成は、図１の磁歪式応力センサと全く同一である。
【００４２】
次に図４からなる磁歪式応力センサを用いた場合において、外部磁場の影響を受ける環境下で使用した場合でも、その影響を受けずに精度良く応力測定が可能な理由について、以下に説明する。
【００４３】
交流電源により一定の周波数からなる正弦波波形の交流電流が得られる。そして、その交流電流から得られる磁束密度の変化も、軟磁気特性の優れた軟磁性体１を用いていることから、当然の如く前記交流電流と同一周波数でかつ同位相となる。それに対し、外部磁場の変化は、交流電源により供給される電流の変化とは周波数、位相共に大きく異なるものである。そこで、図４からなる磁歪式応力センサでは、磁気センサ４により得られた出力と励磁電流に比例する出力である抵抗６の両端電圧を測定した出力信号を乗算回路１１にて乗算し、さらにローパスフィルタ回路１２を通すことにより乗算した後の出力のうち、直流成分のみを得る。その結果、磁気センサ４の出力のうち、外部磁場の影響による磁束密度の変化分の出力が除去され、励磁コイル２に流れた電流によって生じた磁束密度の変化分のみを直流成分として得ることができ、その直流成分を応力センサの出力とすることにより、外部磁場の影響を除去することができる。
【００４４】
次に、図４からなる磁歪式応力センサにより外部磁場の影響を除去できることを具体的データにより、説明する。表２は、図４に示す磁歪式応力センサを用い、荷重を加えない状態にて意図的に10秒間に軟磁性体１の中心軸の向きを順番に北→西→南→西→北の順に５回変化させ、その際の応力センサの出力の変動を測定した結果を示したものである。
なお、測定は、サンプリングレート１kHzにてセンサの出力を測定し、その出力における標準偏差と平均値の比(％)を求め、その値(RSD)を表２に示した。また、比較のため、乗算回路１１を通さずに、磁気センサ４の出力をそのまま応力センサの出力とした場合の結果を通常法として表２に併記した。
【００４５】
【表２】
2005164403.tif 000004
【００４６】
図４の磁歪式応力センサで磁気センサ４として用いている磁気インピーダンスセンサは、極めて高感度であるため、非常に弱い地磁気であっても十分に検出可能である。従って、図４からなる磁歪式応力センサの向きを変化させることは、磁気インピーダンスセンサにとっては、外部磁場の影響を大きく変動させることとなるため、表２に示される通り、何らの対策も施さない場合には、軟磁性体１に負荷する荷重値を全く変化させなくても、出力の平均値に対し標準偏差で７．６％もの値の変動が生じた。このような状態では、センサの向きが変化するだけで外部磁場の影響を大きく受けることになり、到底高精度での応力検出は困難である。それに対し、図４に示すように、磁気センサ４の出力をそのまま応力センサの出力とするのではなく、乗算回路１１とローパスフィルタ回路１２を通過した出力を応力センサの出力とした場合では、RSDはわずか0.40％に減少し、磁気インピーダンスセンサのような非常に高感度のセンサを用いた場合においても、外部磁場の影響を最小限に抑えることができることが明らかとなった。
【００４７】
表２には、図４に示す磁歪式応力センサの磁気センサ４のみをホール素子に変更し、他は同じ構成とした場合における同様の実験結果についても示した。その結果は、乗算回路１１を使用した場合が0.48％、乗算回路１１を使用しない場合が0.61％と磁気インピーダンスセンサを利用した場合のような大きな差異がみられなかった。これは、ホール素子を用いた場合には、地磁気のような非常に弱い磁気では、ほとんど検出できないので、感度に合わせて励磁に用いる磁場も大きくしているため、大きな影響がみられなかったものと考えられる。従って、本発明のような乗算回路を用いる方法は、磁気センサとして非常に高感度のセンサを用いた場合でも、外部磁場の影響を除去できるという点で大きな意味を有するものである。
【００４８】
また、図４の磁歪式応力センサにおいて、交流電流安定化電源１０から供給される電流の直流成分のノイズが大きく、荷重センサ出力の精度に影響を及ぼし問題となる場合には、図５に示すように、抵抗６両端の電圧信号を乗算回路１１に入力する前にハイパスフィルタ回路Ａ１３内に通し、抵抗６両端の電圧信号から直流成分のノイズを除去しておくことが好ましい。また、同様に磁気センサ４と乗算回路１１との間にハイパスフィルタ回路Ｂ１４を配設することにより、磁気センサ４の出力のノイズを除去してから、その信号を乗算回路１１に送ることにより、応力センサによる測定精度をさらに高めることができる。
【実施例３】
【００４９】
前記した図４、図５からなる磁歪式応力センサは、図１に示す磁歪式応力センサのように除算回路を備えていないため、励磁電流の強さを安定化させるための交流電流安定化電源１０が必要となる。そこで、図６に示す磁歪式応力センサのように、乗算回路１１を通過した信号を図１の磁歪式応力センサのように、抵抗６両端の電圧を直流化回路８に通して、直流化した信号を参照信号として除算することにより、安定化電源を不要とすることもできる。除算回路７及び参照信号を得るための直流化回路８を備えている点と、電源として安定化電源を用いていない点を除けば、図６に示す磁歪式応力センサは、図４で示した磁歪式応力センサと構成は全く同一である。
【００５０】
なお、本発明において、磁気センサ４を配設する位置は、必ずしも軟磁性体の端面である必要はない。励磁コイル２内に電流を流すことにより得られた磁束密度及びその磁束密度が軟磁性体に負荷される外力によってどう変化するかという点が正確に測定できる位置であれば、その位置は他の位置でも構わないことは当然である。軟磁性体の端面以外では、例えば励磁コイル２の外周近傍が適しており、いずれにしても軟磁性体周辺が適していることは自明である。
【実施例４】
【００５１】
また、図７に示すように、軟磁性体１の周囲にヨーク１５を配設して磁気回路を形成するようにし、その回路内の適当な箇所に磁気センサ４を配設するようにしてもよい。但し、ヨークによる磁気回路を用いる場合、磁場の位相に対する磁束密度の位相の遅延が問題にならないように、ヨークが軟磁気特性に優れるよう材質に配慮が必要である。
【実施例５】
【００５２】
最後に磁気センサの出力と参照信号の位相に差異があった場合の影響について調査した別の実施例について説明する。本発明では、前記したように、２つの位相の一致する信号を乗算した場合に、必要な信号が直流成分として得られるということを利用し、磁気センサの出力と励磁電流の大きさに比例する信号を乗算することによって、外部磁場の影響を除去できることを示した。しかしながら、２つの信号の位相がずれた場合、具体的に応力の測定精度にどの程度の影響が生じるかについては明確ではない。そこで、図４に示す構成からなる磁歪式応力センサでは、基体３にアルミナを用いていたが、これに炭素鋼からなる鉄板を貼り付け、意図的に磁気センサ４の位置における磁束密度の変化が、参照信号と位相がずれるように調整(位相のずれの量は鉄板の大きさで調整)し、前記した表２に示したデータを得た際と全く同一の条件で実験を行い、外部磁場の影響RSD(％)の変化について調査した。結果を表３に示す。
【００５３】
【表３】
2005164403.tif 000005
【００５４】
表３の結果から明らかなように、位相差が大きくなるにつれて外部磁場の影響が大きくなっていくことがわかる。しかしながら、位相差は全く許容できないというわけではなく、45°以内であれば、RSDで１％以下に外部磁場の影響を抑えることができ、30°以下であれば、位相差が０°の場合に近い性能が得られることが明らかとなった。
【００５５】
以上説明したように、本発明の磁歪式応力センサでは、励磁電流の振幅あるいは励磁電流の大きさに比例する信号を参照信号として除算あるいは乗算する回路を設けることにより、気温、励磁コイルのインピーダンスの変動、外部磁場等の影響による測定精度低下の問題を解決することができる。また、特に磁気インピーダンスセンサを磁気センサとして用いた場合には、電源が小さいもので良いので、小型、軽量かつ安価な磁歪式応力センサを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の請求項１に該当する磁歪式応力センサの一実施例の構成を示す図である。
【図２】本発明の磁歪式応力センサにおける除算回路の効果を示すための比較データとして記載した図である。
【図３】本発明の磁歪式応力センサにおける除算回路の効果を示すデータを記載した図である。
【図４】本発明の請求項２に該当する磁歪式応力センサの一実施例の構成を示す図である。
【図５】図４の磁歪式応力センサに、さらにハイパスフィルタ回路を用いたセンサの構成図である。
【図６】本発明の請求項３に該当する磁歪式応力センサの一実施例の構成を示す図である。
【図７】軟磁性体の周囲にヨークを用いた磁歪式応力センサの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  軟磁性体
２  励磁コイル
３  基体
４  磁気センサ
５  交流電源
６  抵抗
７  除算回路
８、９  直流化回路
１０  交流電流安定化電源
１１  乗算回路
１２  ローパスフィルタ回路
１３、１４  ハイパスフィルタ回路
１５  ヨーク
【図１】
2005164403.tif 000006
【図２】
2005164403.tif 000007
【図３】
2005164403.tif 000008
【図４】
2005164403.tif 000009
【図５】
2005164403.tif 000010
【図６】
2005164403.tif 000011
【図７】
2005164403.tif 000012