(57)【要約】【課題】磁歪素子を用いた力センサにおいて、ヒステリシスの影響を低減する。【解決手段】外部からの力を受ける受圧面を有する受圧プレート２１２と、磁歪素子からなる受力部材２１６と、磁性体からなるヨーク２１０と、ヨーク２１０及び受力部材２１６を通る主磁界を生成する永久磁石２１４と、永久磁石２１４が生成する磁界の向きとは逆向きの逆磁界を生成する永久磁石２１８と、ヨーク２１０及び受力部材２１６を通る磁界の磁束を検出するホールＩＣ２２０とを備える。そして、受圧プレート２１２が受ける外部からの力の方向に、受け圧プレート２１２、永久磁石２１４、受力部材２１６及び永久磁石２１８が、この順序に直列に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
力センサ（１）であって、
外部からの力を受ける受圧面を有する受圧面部材（２１２）と、
磁歪素子からなる受力部材（２１６）と、
磁性体からなるヨーク（２１０）と、
前記ヨーク及び前記受力部材を通る磁界を生成する磁界生成用磁石（２１４）と、
前記磁界生成用磁石が生成する磁界の向きとは逆向きの磁界を生成する逆磁界用磁石（２１８）と、
前記ヨーク及び前記受力部材を通る磁界の磁束を検出する磁束検出手段（２２０）と、を備え、
前記受圧面が受ける外部からの力の方向に、前記受圧面部材、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石が、前記受圧面部材、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石の順に直列に配置されていることを特徴とする力センサ。
【請求項２】
前記受圧面が外部からの力を受けたとき、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石は、いずれも加圧されることを特徴とする請求項１記載の力センサ。
【請求項３】
前記磁束検出手段は、ホール素子を用いたホールＩＣであることを特徴とする請求項１または２に記載の力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪素子を用いた力センサに関し、特に、ヒステリシスの影響を軽減し、かつ簡単な構成の力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁歪素子と呼ばれる磁性合金に圧力をかけると、磁歪素子が変形することによって透磁率が変化することを利用した力センサが知られている。例えば、特許文献１には、バイアス磁界をかけて温度特性を改善した圧力センサが記載されている。特許文献２には、ホール素子を用いたホールＩＣで磁歪素子の透磁率変化に伴う磁束変化を検出する圧力センサが記載されている。
【特許文献１】特開２０００−２６６６２１号公報
【特許文献２】特開２００５−３７２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１及び２のいずれの圧力センサも、磁歪素子等が持つヒステリシスにより、高い精度を得ることができない。特に特許文献１の場合、バイアス磁界をかけることにより温度特性及び出力特性の安定性を向上することができても、依然としてヒステリシスの問題は残る。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、磁歪素子を用いた力センサにおいて、ヒステリシスの影響を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一つの実施態様に従う力センサ（１）は、外部からの力を受ける受圧面を有する受圧面部材（２１２）と、磁歪素子からなる受力部材（２１６）と、磁性体からなるヨーク（２１０）と、前記ヨーク及び前記受力部材を通る磁界を生成する磁界生成用磁石（２１４）と、前記磁界生成用磁石が生成する磁界の向きとは逆向きの磁界を生成する逆磁界用磁石（２１８）と、前記ヨーク及び前記受力部材を通る磁界の磁束を検出する磁束検出手段（２２０）と、を備える。そして、前記受圧面が受ける外部からの力の方向に、前記受圧面部材、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石が、前記受圧面部材、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石の順に直列に配置されている。
【０００６】
好適な実施態様では、前記受圧面が外部からの力を受けたとき、前記磁界生成用磁石、前記受力部材及び前記逆磁界用磁石は、いずれも加圧されるようにしてもよい。
【０００７】
好適な実施態様では、前記磁束検出手段は、ホール素子を用いたホールＩＣであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態に係る力センサ１について、図面を参照して説明する。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る力センサ１の内部構造を示す断面図である。
【００１０】
本実施形態では、流体の圧力を測定するセンサであって、特に作業機械などの作動油の油圧を測定する油圧センサを例に説明する。
【００１１】
本実施形態に係る力センサ１は、非磁性金属（例えばステンレス）などで形成された上ケース１１０及び下ケース１１２を有する。上ケース１１０と下ケース１１２はボルト１１４によって結合されている。下ケース１１２には、作動油導入口１１６が設けられている。そして、下ケース１１２内の作動油導入口１１６と連通する収容部１１８には、円柱形状のピン１２０が収容されている。ピン１２０は、作動油導入口１１６に流入した作動油の圧力を受圧プレート２１２に伝達する。また、収容部１１８の壁面とピン１２０の側面とは密着している。収容部１１８の壁面に設けられた溝にＯリング１２２が収容されていて、作動油が漏れ出さないようになっている。
【００１２】
上ケース１１０及び下ケース１１２に形成される内部の空間には、純鉄などで形成された略円筒形状のヨーク２１０と、ピン１２０から力を受ける円板形状の受圧プレート２１２と、ヨーク２１０の内部に配置された略円柱形状の永久磁石２１４と、ヨーク２１０の内部に配置された略円柱形状の磁歪素子からなる受力部材２１６と、ヨーク２１０の外側に配置された略円柱形状の永久磁石２１８とを有する。受圧プレート２１２、永久磁石２１４、受力部材２１６及び永久磁石２１８は、受圧プレート２１２が受ける力の方向に直列に並んでいる。
【００１３】
また、力センサ１は、ヨーク２１０の蓋体２０２を支持するためのガイド１２４を備える。ガイド１２４は、ボルト１２６によって上ケース１１０と結合されている。これにより、蓋体２０２と永久磁石２１８が上ケース１１０に対して固定される。さらに、このガイド１２４が固定された上ケース１１０がボルト１１４により下ケース１１２に固定されることにより、ヨーク２１０内に収容される永久磁石２１４及び受力部材２１６、並びに受圧プレート２１２が相互に密着するように固定される。これにより、受圧プレート２１２が受ける力の方向に直列に並んだ受圧プレート２１２、永久磁石２１４、受力部材２１６及び永久磁石２１８は、それぞれケース１１０，１１２内で移動しないように固定されている。
【００１４】
ヨーク２１０は、ヨーク本体２０１と蓋体２０２とを有する。ヨーク本体２０１と蓋体２０２との接触部分にはギャップが生じないように、ヨーク本体２０１と蓋体２０２とは密着している。また、ヨーク本体２０１の側壁の外周面は、上ケース１１０の内周面と接している。
【００１５】
受圧プレート２１２は、ヨーク本体２０１の底面に設けられた、受圧プレート２１２より僅かに大きい円形状の孔に嵌め込まれている。受圧プレート２１２の下面はピン１２０と当接している。そして、ピン１２０により押されると、受圧プレート２１２がヨーク２１０に対して僅かに移動するとともに、その力を永久磁石２１４へ伝達する。このときにヨーク２１０は上下のケース１１０，１１２により固定されているので移動しない。受圧プレート２１２がヨーク２１０に対して相対的に移動するときの受圧プレート２１２とヨーク２１０との間の摩擦を極力減らすために、両者の接触部分にはグリースが塗られている。本実施形態のように受圧プレート２１２をヨーク２１０とは別体とすることにより、ピン１２０によって押されたときにヨーク２１０全体が撓むことを防止できるとともに、ピン１２０の加圧力を永久磁石２１４、受力部材２１６及び永久磁石２１８へ確実に伝達できる。
【００１６】
略円柱形状の永久磁石２１４は、図１に示すように作動油導入口が下になるように配置したときの天井面及び底面がそれぞれ磁極となる。永久磁石２１４の底面は、受圧プレート２１２と密着している。つまり、永久磁石２１４にも、受圧プレート２１２を介してピン１２０が受けた力が、底面から天井面へ向けた軸方向に加わる。永久磁石２１４の天井面は、移動しないように固定された受力部材２１６と密着しているので、永久磁石２１４が受圧プレート２１２から押圧されると、永久磁石２１４は軸方向へ加圧される。永久磁石２１４が生成する磁界（以下、主磁界と称する）の磁束は、受力部材２１６、ヨーク２１０及び受圧プレート２１２を通過する。
【００１７】
略円柱形状の受力部材２１６の底面は、永久磁石２１４と密着している。そして、受力部材２１６には、受圧プレート２１２及び永久磁石２１４を介してピン１２０が受けた力が、底面から天井面へ向けた軸方向に加わる。受力部材２１６の天井面は、移動しないように固定されたヨーク２１０の蓋体２０２の下面と密着しているので、受力部材２１６が永久磁石２１４から押圧されると、受力部材２１６は軸方向へ加圧される。
【００１８】
受力部材２１６は、磁歪素子で構成されるが、磁歪素子の中でも極めて磁歪が大きい超磁歪素子であってもよい。磁歪素子とは、機械的な応力が印加されると、その透磁率が変化する素子である。超磁歪素子とは、この透磁率の変化が非常に大きいものを指す。超磁歪素子としては、例えば、Ｔｂ０．３４Ｄｙ０．６６Ｆｅ１．８８等がある。従って、受力部材２１６は、上述のように加圧されると透磁率が変化する。
【００１９】
略円柱形状の永久磁石２１８は、図１に示すように作動油導入口が下になるように配置したときの天井面及び底面がそれぞれ磁極となる。永久磁石２１８の磁極の向きは、永久磁石２１４の磁極の向きとは反対向きである。つまり、永久磁石２１８の底面と永久磁石２１４の天井面が同極となる。これにより、永久磁石２１８が生成する磁界は、永久磁石２１４が生成する磁界に対して逆向きとなる。そこで、永久磁石２１８が生成する磁界を、以下逆磁界と称する。永久磁石２１８は、上ケース１１０に設けられた収容空間内に収容されている。永久磁石２１８の底面はヨーク２１０の蓋体２０２の上面と密着している。永久磁石２１８の天井面は上ケース１１０の収容空間の内壁と接し、動かないように固定されている。そして、永久磁石２１８には、受圧プレート２１２、永久磁石２１４、蓋体２０２及び受力部材２１６を介してピン１２０が受けた力が伝達され、軸方向に加圧される。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る力センサ１の磁束の分布状態の説明図である。同図には、永久磁石２１４が生成する主磁界（点線矢印）、及び永久磁石２１８が生成する逆磁界（実線矢印）を示す。なお、同図において、永久磁石２１４，２１８の右側の領域の主磁界及び逆磁界のみ示す。同図に示すように、ホールＩＣ２２０のところで、主磁界の磁束及び逆磁界の磁束が正反対の方向となっている。これにより、本実施形態に係る力センサ１は、永久磁石２１４、受力部材２１６、永久磁石２１８に圧力が加わったときに、後述するように、それぞれのヒステリシスを互いに弱めあうことができる。
【００２１】
図３は、ヨーク２１０の蓋体２０２を通るＡ−Ａ断面図である。
【００２２】
同図に示すように、蓋体２０２と上ケース１１０の間には隙間が空いている。蓋体２０２は、中心部材２０３と円周部材２０４とから構成されている。中心部材２０３は円周部材２０４に向かう突起部２０３Ａを有し、円周部材２０４も中心部材２０３へ向かう突起部２０４Ａを有する。これらの突起部２０３Ａ，２０４Ａ同士の間には隙間が設けられている。この隙間には、ホールＩＣ２２０が配置されている。
【００２３】
ホールＩＣ２２０は、内部にホール素子を有するＩＣである。ホールＩＣ２２０は、ホール素子を通過する磁束の量を電圧として検出することができる磁束検出手段である。従って、ホールＩＣ２２０は、内部のホール素子を通過する磁束の量が変化すると、出力する電圧が変化する。
【００２４】
ところで、本実施形態では、ピン１２０が作動油の圧力を受けると、その力が永久磁石２１４、受力部材２１６及び永久磁石２１８のいずれにもかかる。このとき、磁歪素子からなる受力部材２１６は、かかった圧力に応じてその透磁率が変化する。受力部材２１６の透磁率が変化すると、受力部材２１６を通過する磁束が変化する。本実施形態ではこの磁束の変化を検出して、受圧プレート２１２が受けた力を検出する。
【００２５】
すなわち、本実施形態では、図２に示したように、永久磁石２１４が生成する主磁界の磁束の大部分は、受力部材２１６、ヨーク２１０，及び受圧プレート２１２の内部を通過し、空気中に漏れることはほとんどない。そして、ヨーク２１０の蓋体２０２の隙間の部分を通過する磁束の大半がホールＩＣ２２０を通過する。従って、ホールＩＣ２２０は、受力部材２１６の透磁率の変化に伴う磁束の変化のほぼすべてを検出することができるので、圧力の変化を正確に検出することができる。これは、受圧プレート２１２、永久磁石２１４、受力部材２１６及びヨーク２１０で構成される磁気回路において、受力部材２１６が磁束の可変抵抗として挙動することを意味する。
【００２６】
図４は、本実施形態に係る力センサ１を用いて測定した作動油圧とホールＩＣ２２０の出力電圧との関係を示す。すなわち、図４のグラフは、作動油圧を０〜５０ＭＰａまで５ＭＰａ刻みで上昇させたときのホールＩＣ２２０の出力電圧（測定値を■で示す）と、作動油圧を５０〜０ＭＰａまで５ＭＰａ刻みで下降させたときのホールＩＣ２２０の出力電圧（測定値を◆で示す）とを測定した結果を示す。
【００２７】
なお、このときの測定条件は、（１）室温２５℃、（２）評価用圧力計：重鐘型圧力計（精度±０．０２％）、（３）流体：建設機械用作動油である。
【００２８】
同図からわかるように、本実施形態では、最大ヒステリシスは±０．６３％と非常に小さくなっている。これは、図２に示すように、ホールＩＣ２２０の部分で、主磁界及び逆磁界の磁束が正反対の向きになっているので、主磁界を生成する永久磁石２１４、逆磁界を生成する永久磁石２１８、及び受力部材２１６のすべてを同時に加圧することにより、それぞれが有するヒステリシスが互いにキャンセルされるためである。
【００２９】
本実施形態にかかる力センサによれば、ヒステリシスが大幅に低減され、高精度で力を検出することができる。
【００３０】
上述した本発明の実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態に係る力センサ１の内部構造を示す断面図である。
【図２】本実施形態に係る力センサ１の測定原理の説明図である。
【図３】ヨーク２１０の蓋体２０２を通るＡ−Ａ断面図である。
【図４】本実施形態に係る力センサ１を用いて測定した作動油圧とホールＩＣの出力電圧との関係を示す。
【符号の説明】
【００３２】
１…力センサ
１１０…上ケース
１１２…下ケース
１１６…作動油導入口
２０１…ヨーク本体
２０２…蓋体
２１０…ヨーク
２１２…受圧プレート
２１４、２１８…永久磁石
２１６    受力部材
２２０…ホールＩＣ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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