(57)【要約】【課題】金属の状態を簡単な回路構成で精度良く検出する。【解決手段】金属の状態に応じてインダクタンスが変化するように配置される検出コイルＬと、検出コイルＬのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる発振回路２と、発振波の位相ズレを蓄積させて測定する検出回路３とを備え、該検出回路３は、発振回路２から出力される発振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発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、さらに、検出回路３は、基準時に検出した検出値を基準値として記憶すると共に、検出対象時に検出した検出値と基準値との差分を求める。【選択図】図４
2009033732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の状態を検出する金属状態検出装置であって、
金属の状態変化に応じてインダクタンスが変化するように配置される検出コイルと、
所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる発振回路と、
発振回路から出力される発振波の位相ズレを検出する検出回路とを備え、
検出回路は、
発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、
さらに、検出回路は、
金属の基準位置又は基準時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値を基準値として記憶すると共に、金属の検出対象位置又は検出対象時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値と基準値との差分を求める
ことを特徴とする金属状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の状態を検出する金属状態検出装置に関し、特に、金属の応力、疲労、損傷、欠陥、材質などの状態検出に適した金属状態検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の状態を、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金属状態検出装置が知られている。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、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、従来の金属状態検出装置では、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、この差動電圧をアンプで多段に増幅しているので、ノイズの影響を受けやすく、高精度な検出が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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金属状態検出装置は、金属の状態を検出する金属状態検出装置であって、金属の状態変化に応じてインダクタンスが変化するように配置される検出コイルと、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、検出コイルのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる発振回路と、発振回路から出力される発振波の位相ズレを検出する検出回路とを備え、検出回路は、発振回路から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、さらに、検出回路は、金属の基準位置又は基準時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値を基準値として記憶すると共に、金属の検出対象位置又は検出対象時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値と基準値との差分を求めることを特徴とする。
このようにすると、金属の状態を高精度に検出することができる。すなわち、上記のような発振回路から出力される発振波においては、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、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、蓄積された位相ズレにもとづいて金属の状態を高精度に検出できる。また、検出回路は、発振回路から出力される発振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発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に検出することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の検出を行うことができる。さらに、検出回路は、金属の基準位置又は基準時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値を基準値として記憶すると共に、金属の検出対象位置又は検出対象時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値と基準値との差分を求めるので、温度変化などの誤差要因によるインダクタンスのバラツキをキャンセルし、金属状態を高精度に検出することができる。しかも、同じ発振回路（検出コイル）に係る発振波の位相ズレを、位置又はタイミングをずらして検出し、その差分を求めるので、二つの発振回路（検出コイル）に係る発振波の位相ズレを検出して差分を求める場合に比べ、回路構成が簡略になるだけでなく、発振回路（検出コイル）のバラツキに起因する誤差を排除できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
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。
【０００７】
図１は、本発明の実施形態に係る金属状態検出装置（トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。この図に示される金属状態検出装置は、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のトルク（捻り応力）を検出するトルクセンサ１であって、本実施形態では、電動ドライバ１１に組み込まれ、電動ドライバ１１におけるねじの締め付けトルク検出を行うようになっている。
【０００８】
因みに、本実施形態に示す電動ドライバ１１は、回転軸Ｓを回転駆動させる電動モータ１２、回転軸Ｓの回転に応じてねじを締め付けるビット１３、電動モータ１２の駆動をＯＮ／ＯＦＦ操作する操作スイッチ１４、電動モータ１２の駆動を制御する制御回路１５などを備えて構成されており、制御回路１５は、例えば、操作スイッチ１４の操作に応じて電動モータ１２を駆動させつつ、トルクセンサ１の検出トルクを監視し、該検出トルクが設定トルク（予め設定される適正締め付けトルク）に達したとき、電動モータ１２の駆動を停止させる。
【０００９】
トルクセンサ１は、検出コイルＬ、発振回路２及び検出回路３を備えて構成されている。検出コイルＬは、回転軸Ｓに生じるトルクに応じてインダクタンスが変化するように配置される。例えば、本実施形態の検出コイルＬは、円筒状の空芯コイルからなり、回転軸Ｓの外周を囲み、かつ、コイル内周面が回転軸Ｓの外周面と所定の間隔を存して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。
【００１０】
発振回路２は、検出コイルＬのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレが生じるように構成される。例えば、シュミット発振回路の帰還回路２ａに検出コイルＬを配置すれば、検出コイルＬのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレが生じる発振回路２を構成することができる。
【００１１】
シュミット発振回路は、シュミットインバータＩＮＶ、シュミットＮＡＮＤゲートなどが備えるシュミットトリガ回路のヒステリシス特性を利用した発振回路であり、例えば、シュミットインバータＩＮＶと、シュミットインバータＩＮＶの入力側に接続されるコンデンサＣと、シュミットインバータＩＮＶの出力をシュミットインバータＩＮＶの入力側に帰還させる帰還回路２ａと、この帰還回路２ａに介在する抵抗要素とを備えて構成されている。
【００１２】
初期状態のシュミット発振回路では、コンデンサＣに電荷が溜まっていないため、コンデンサＣの両端の電圧は０Ｖとなっている。このとき、シュミットインバータＩＮＶは、入力側電圧ＶｉｎがＶＬ以下なので、出力がＨレベル（５Ｖ）となる。シュミットインバータＩＮＶの出力側電圧Ｖｏｕｔが５Ｖのときは、帰還回路２ａを介してシュミットインバータＩＮＶの入力側に電流が流れるので、コンデンサＣに電荷が徐々に溜まり、その両端の電圧が上昇する。そして、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧ＶｉｎがＶＨに達すると、シュミットインバータＩＮＶの出力がＬレベル（０Ｖ）に切換わる。シュミットインバータＩＮＶの出力側電圧Ｖｏｕｔが０Ｖになると、コンデンサＣが放電し、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧Ｖｉｎが徐々に降下する。そして、シュミットインバータＩＮＶの入力側電圧ＶｉｎがＶＬまで降下すると、シュミットインバータＩＮＶの出力がＨレベルに切換わる。
【００１３】
以上の動作の繰り返しにより、シュミットインバータＩＮＶの出力側から所定周波数の矩形波が得られる。そして、シュミット発振回路の発振周波数ｆ（＝１／Ｔ）は、蓄電期間ＴＨと放電期間ＴＬにより決まり、蓄電期間ＴＨと放電期間ＴＬは、コンデンサＣ及び抵抗要素の定数により決まる。したがって、抵抗要素として帰還回路２ａに検出コイルＬを配置すれば、検出コイルＬのインダクタンス変化に応じてシュミット発振回路の発振波に位相ズレを生じさせることができる。
【００１４】
なお、本発明の発振回路がシュミット発振回路に限定されないことは勿論であり、検出コイルＬのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる発振回路であれば、ＣＲ発振回路、ＬＣ発振回路、水晶発振回路などを用いてもよい。
【００１５】
検出回路３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ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、後述する位相ズレ検出処理を行う。
【００１６】
検出回路３は、発振回路２から発振される発振波の位相ズレにもとづいて回転軸Ｓのトルクを検出するにあたり、発振波の位相ズレを蓄積させて測定するように構成される。具体的には、発振回路２から出力される発振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発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを測定するようになっている。
【００１７】
このようにすると、回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することができる。すなわち、上記のような発振回路２から出力される発振波においては、回転軸Ｓのトルクに応じた軸表面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、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、蓄積された位相ズレにもとづいて回転軸Ｓのトルクを高精度に検出できる。また、検出回路３は、発振回路２から出力される発振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発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に検出することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路２の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路２の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の検出を行うことができる。
【００１８】
さらに、検出回路３は、基準時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値を基準値として記憶すると共に、検出対象時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値と基準値との差分を求めるように構成される。例えば、本実施形態では、電動ドライバ１１の操作スイッチ１４が操作された時点を基準時（０トルク時：電動モータ１２の駆動が開始される直前）として発振波の位相ズレを検出し、該検出値を基準値として記憶すると共に、電動モータ１２の駆動中を検出対象時として発振波の位相ズレを検出し、該検出値と基準値との差分を求め、これをトルク検出値として電動ドライバ１１の制御回路１５に送る。このようにすると、温度変化などの誤差要因によるインダクタンスのバラツキをキャンセルし、回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することができる。しかも、同じ発振回路２（検出コイルＬ）に係る発振波の位相ズレをタイミングをずらして検出し、その差分を求めるので、二つの発振回路２（検出コイルＬ）に係る発振波の位相ズレを検出して差分を求める場合に比べ、回路構成が簡略になるだけでなく、発振回路２（検出コイルＬ）のバラツキに起因する誤差を排除できる。
【００１９】
トルクセンサ１がトルク検出を行う回転軸Ｓの軸表面は、メッキ法により成膜された磁歪膜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、本発明のトルクセンサ１では、メッキ法により成膜された磁歪膜であっても、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回転軸（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。
【００２０】
次に、本発明における発振波の位相ズレ蓄積作用について、図２及び図３を参照して説明する。
【００２１】
図２は、発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形始端部を拡大）を示す説明図、図３は、発振波の位相ズレ蓄積作用（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発振回路２の出力波形であって、発振回路２から出力される発振波の数をカウントし、カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを測定するにあたり、発振波カウント処理における発振波のカウント数Ｎを１００と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、つまり発振波カウント処理における発振波のカウント数Ｎが少ない段階では、位相ズレがあまり蓄積されていないため、その差が明確ではないが（図２参照）、カウント数Ｎが多くなると、発振波の位相ズレが蓄積され、その差が明確になるので、位相ズレの測定が容易になることがわかる（図３参照）。
【００２２】
次に、検出回路３の具体的な検出処理手順について、図４〜図６を参照して説明する。
【００２３】
図４は、検出回路の全体的な検出処理手順を示すフローチャート、図５は、検出回路のカウント数設定処理手順を示すフローチャート、図６は、検出回路の位相ズレ検出処理手順を示すフローチャートである。図４に示すように、検出回路３は、後述するカウント数変更処理（Ｓ１）を実行しながら、制御回路１５からのスイッチ操作信号の入力を判断し（Ｓ２）、該判断結果がＹＥＳになったら、後述する位相ズレ検出処理（Ｓ３）を実行して、基準時（０トルク時）における発振波の位相ズレを検出し、該検出値を基準値として記憶する（Ｓ４）。つぎに、制御回路１５からのモータ駆動信号の入力を判断し（Ｓ５）、該判断結果がＹＥＳになったら、位相ズレ検出処理（Ｓ６）を実行して、モータ駆動中における発振波の位相ズレを検出すると共に、該検出値と基準値の差分を演算し、所定形式の信号として出力する（Ｓ７）。そして、このトルク検出処理（Ｓ６、Ｓ７）は、電動モータ１２の駆動が停止するまで繰り返される（Ｓ８）。
【００２４】
図５に示すように、カウント数変更処理は、制御回路１５などから入力されるカウント数変更信号に応じて（Ｓ１１）、発振波カウント数Ｎを変更する処理である（Ｓ１２）。また、図６に示すように、位相ズレ検出処理は、カウンタクリア処理（Ｓ２１）と、発振波カウント処理（Ｓ２２、Ｓ２３）と、測定時間読み込み処理（Ｓ２４）とを行う。カウンタクリア処理は、発振波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（Ｓ２１）。また、発振波カウント処理は、発振回路２から出力される発振波の数をカウントし（Ｓ２２）、該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（Ｓ２３）。また、測定時間読み込み処理は、発振波のカウント数がＮになったタイミングで、時間計測カウンタ値を読み込む処理である（Ｓ２４）。
【００２５】
叙述の如く構成された本実施形態によれば、回転軸Ｓのトルクを検出するトルクセンサ１であって、回転軸Ｓのトルクに応じてインダクタンスが変化するように配置される検出コイルＬと、所定の基準周波数で自律的に発振すると共に、検出コイルＬのインダクタンス変化に応じて発振波に位相ズレを生じさせる発振回路２と、発振回路２から出力される発振波の位相ズレを検出する検出回路３とを備え、検出回路３は、発振回路２から出力される複数の発振波をカウントし、該カウント数が所定数Ｎに達したか否かを判断する発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出し、さらに、検出回路３は、基準時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値を基準値として記憶すると共に、検出対象時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値と基準値との差分を求めるので、回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することができる。すなわち、上記のような発振回路２から出力される発振波においては、トルクに応じた軸表面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、発振波における位相ズレは、発振波の数だけ蓄積されるので、蓄積された位相ズレにもとづいて回転軸Ｓのトルクを高精度に検出できる。また、検出回路３は、発振回路２から出力される発振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発振波カウント処理を行い、該発振波カウント処理に要した時間にもとづいて、蓄積された発振波の位相ズレを検出するので、発振波の位相ズレ成分を安価なデジタル回路を用いて高精度に検出することができる。しかも、その分解能は、時間測定用のカウンタ速度により決まり、発振回路２の基準周波数に依存しないので、検出対象に応じて発振回路２の基準周波数を最適化しつつ、高分解能の検出を行うことができる。さらに、検出回路３は、基準時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値を基準値として記憶すると共に、検出対象時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値と基準値との差分を求めるので、温度変化などの誤差要因によるインダクタンスのバラツキをキャンセルし、回転軸Ｓのトルクを高精度に検出することができる。しかも、同じ発振回路２（検出コイルＬ）に係る発振波の位相ズレを、タイミングをずらして検出し、その差分を求めるので、二つの発振回路２（検出コイルＬ）に係る発振波の位相ズレを検出して差分を求める場合に比べ、回路構成が簡略になるだけでなく、発振回路２（検出コイルＬ）のバラツキに起因する誤差を排除できる。
【００２６】
尚、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、特許請求の範囲を逸脱しなければ、トルクセンサに限らず、金属の疲労、損傷、欠陥、材質などを検出する金属状態検出装置に適用できることは言うまでもない。また、前記実施形態では、基準時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値を基準値として記憶すると共に、検出対象時における発振波の位相ズレを検出し、該検出値と基準値との差分を求めているが、金属の基準位置における発振波の位相ズレを検出し、該検出値を基準値として記憶すると共に、金属の検出対象位置における発振波の位相ズレを検出し、該検出値と基準値との差分を求めるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る金属状態検出装置（トルクセンサ）の構成を示すブロック図である。
【図２】発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形始端部を拡大）を示す説明図である。
【図３】発振波の位相ズレ蓄積作用（検出波形終端部を拡大）を示す説明図である。
【図４】検出回路の全体的な検出処理手順を示すフローチャートである。
【図５】検出回路のカウント数設定処理手順を示すフローチャートである。
【図６】検出回路の位相ズレ検出処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２８】
１    トルクセンサ
２    発振回路
３    検出回路
１１  電動ドライバ
Ｌ    検出コイル
Ｓ    回転軸
【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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