JP2001264187A - 磁歪検出型力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁歪素子の利用効率を向上させて、感度の高
い外部応力の検出を行うことができる磁歪検出型力セン
サを提供することを目的とする。 【解決手段】 筒状に巻線が施された検出用コイル５
と、該検出用コイル５の巻線の巻幅より短い柱状の磁歪
素子６と、該磁歪素子を前記検出用コイル５の巻幅方向
において略中央に位置決めする位置決め部材７、８とを
備えた磁歪検出型力センサであって、その位置決め部材
７、８が強磁性体からなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪素子の透磁率
の変化を検出用コイルで検出することにより、磁歪素子
に作用する外部応力を測定する磁歪検出型力センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の磁歪検出型センサ１０は、例え
ば、図４に示すように、有底円筒形状のケース２０に、
ボビン４０に巻回された検出用コイル５０を挿入配置す
るとともに、ボビン内側に円柱状の磁歪素子６０を収納
し、更に、この磁歪素子６０の上側端面に当接する蓋体
３０が取り付けられている。

【０００３】そして、この磁歪検出型力センサ１０に圧
縮応力が加わると、その圧縮応力は蓋体３０を介して磁
歪素子６０に伝達され、磁歪素子６０の透磁率が変化す
る。この透磁率の変化が、検出用コイル５０にて検出さ
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
磁歪検出型力センサ１０は、ケース２０内側の底面が平
坦に形成されているため、検出用コイル５０が巻回され
たボビン４０の下端面と磁歪素子５０の下端面とがそろ
っているだけでなく、蓋体３０の下面が平坦に形成され
ているため、検出用コイル５０が巻回されたボビン４０
の上側端面と磁歪素子６０の上側端面がそろってしま
い、磁歪素子６０が検出用コイル５０の巻線幅と同じか
それよりも長くなってしまう。

【０００５】これにより、磁歪素子６０の両端面付近に
おいては、磁歪素子６０の透磁率が低いため、多くの漏
れ磁束が発生することになる。このため、磁歪素子６０
の利用効率が低下、すなわち磁歪素子６０を通る単位体
積当たりの磁束の量が減少してしまうという問題があ
る。

【０００６】そこで、本発明は、磁歪素子の端面付近に
おける漏れ磁束を少なくし、磁歪素子の利用効率を向上
させて、感度の高い外部応力の検出を行うことができる
磁歪検出型力センサを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の磁歪検出型力セ
ンサは、筒状に巻線が施された検出用コイルと、該検出
用コイルの巻線の巻幅より短い柱状の磁歪素子と、該磁
歪素子を前記検出用コイルの巻幅方向において略中央に
位置決めする位置決め部材とを備える磁歪検出型力セン
サであって、その位置決め部が磁性体からなることを特
徴とする。これにより、磁歪素子が検出用コイルの巻幅
方向において略中央に配置される。

【０００８】また、前記位置決め部材は、前記磁歪素子
の一端に当接する第１の部材と、他端に当接する第２の
部材とを含み、前記第１及び第２の部材が磁性体からな
るものである。これにより、磁歪素子は、第１及び第２
の部材で挟まれた状態で位置決めされることになる。こ
のとき、第１及び第２の部材が磁性体で構成されている
ため、磁歪素子を通る磁束の多くは、検出用コイル側に
漏れることなく透磁率の高い第１及び第２の部材を通る
ことになる。

【０００９】また、本発明の磁歪検出型力センサは、前
記第１及び第２の位置決め部材のうち少なくとも一方の
端面中央部に、前記磁歪素子が嵌る凹部が凹設されてい
るものである。磁歪素子は、通常、圧縮応力を加えるこ
とにより磁歪素子の径方向に僅かに変形するものである
ため、磁歪素子が検出用コイルやボビン等に接触して配
置されているような場合には、その変形を妨げることに
なり、そうでない場合と比較して磁束の変化が小さくな
ってしまう。このため、磁歪素子をその径方向において
略中央に位置決めすることにより、磁歪素子における磁
束変化のバラツキがなくなり、信頼性の高いセンサが構
成される。

【００１０】また、前記凹部の底面が、前記磁歪素子の
端面と等しいかそれよりも大きな平面からなり、また、
前記凹部の側面が前記底面に向かって傾斜するテーパー
面からなるものである。これにより、磁歪素子の端面
は、凹部の側面にそって底面に案内され、磁歪素子にお
ける端面と位置決め部材における凹部の底面とが面接触
するようになる。

【００１１】また、前記磁歪素子、前記検出用コイル、
前記位置決め部材を囲むフレームを備え、該フレームが
磁性体からなるものである。これにより、磁歪素子、検
出用コイル、前置決め部材の周囲に磁路が形成される。

【００１２】また、前記第１または第２の部材のうち、
少なくとも一方が前記フレームに固定されているもので
ある。これにより、フレームに固定された部材を基準に
検出用コイルと磁歪素子とが配置される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１４】図１及び図２は第１の実施の形態における
磁歪検出型力センサの概略構成を示している。

【００１５】同図に示すように、本実施の形態における
磁歪検出型力センサ１は、フェライト、鉄などの強磁性
体で構成されたコ字状の第１フレーム２と、この第１フ
レーム２の両端部においてかしめ固定される平板状の第
２フレーム３とを備えており、両フレーム２、３で囲ま
れる領域にボビン４、検出用コイル５、磁歪素子６、第
１の位置決め部材７、第２の位置決め部材８などが配置
される。

【００１６】第１の位置決め部材７は、フェライト系磁
性材料で構成された高さＴ１の円柱状の部材であり、第
１のフレーム２の底面略中央部に接着剤等を用いて貼り
付け固定されている。

【００１７】第２の位置決め部材８は、フェライト系磁
性材料で構成された高さＴ１の円柱状の部材であり、そ
の上面略中央部には磁歪素子６と略同径の円柱状の突起
８１が突設されている。この突起８１は、先端が球面状
に形成されており、その球面状の先端部が第２のフレー
ム３の中央部に設けられた円形開口部３１を貫通して測
定対象物９に当接している。

【００１８】そして、第１の位置決め部材７の上側端面
とテフロン（登録商標）シート６１を介して一端が当接
するとともに、第２の位置決め部材８の下面とテフロン
シート６２を介して他端が当接するように高さＴ０の円
柱状の磁歪素子６が配置されている。

【００１９】磁歪素子６は、希土類金属元素および鉄を
含有する磁歪材料、すなわち、磁界印加により変位が生
じる材料、また、変位を与えることにより磁界が発生す
るという逆磁歪（ビラリ効果）を有する材料で、たとえ
ばＮｉ−Ｆｅ系磁歪材料、ＲＦｅ系磁歪材料等で構成さ
れる。特に、磁歪量が極めて大きく超磁歪材料と呼ばれ
るＲＦｅ系磁歪材料で構成することが望ましい。この場
合は、極めて大きな磁気抵抗の変化、大きな出力電圧、
安定した温度特性等を有するセンサが得られる。

【００２０】また、検出用コイル５は、両端に厚さＳ１
のフランジ部４１を有する円筒状のボビン４に、通常の
エナメル被覆された適宜の太さの銅線を巻回して構成さ
れ、第１のフレーム２の底面略中央部において第１及び
第２の位置決め部材７、８と磁歪素子６の周囲を囲むよ
うに配置される。更に、この検出用コイル５の巻き幅Ｓ
０は、磁歪素子６の長さＴ０よりも長い寸法となってい
る。すなわち、磁歪素子６の長さＴ０と検出用コイル５
の巻き幅Ｓ０との関係は、下記数式１を満たすように構
成されている。

【００２１】

【数１】

【００２２】このような構成の磁歪検出型力センサ１に
おいて、測定対象物９より突起８１に圧縮応力が作用す
ると、この圧縮応力は第２の位置決め部材８とテフロン
シート６２とを介して磁歪素子６に伝達される。これに
より、磁歪素子６に歪み変位が生じ、磁歪素子６の透磁
率が変化する。このため、磁歪素子６の磁束密度が変化
し、検出用コイル５と鎖交する磁束が変化して、検出用
コイル５のインダクタンスが変化する。そして、このイ
ンダクタンスの変化から、磁歪素子６に作用した応力の
大きさを検知することができる。なお、検出用コイル５
のインダクタンス変化を検出する方法としては、検出用
コイル５に発振回路を接続し、その発振周波数を検出す
るなど、種々の方法が考えられる。

【００２３】以上説明したように本実施の形態における
磁歪検出型力センサ１によれば、検出用コイル５の巻き
幅方向における磁歪素子６の位置を、強磁性体で構成さ
れる第１及び第２の位置決め部材７、８により検出用コ
イル５の中央付近に位置決めしているため、磁歪素子６
の両端面付近における漏れ磁束が減少する。これによ
り、磁歪素子６の利用効率を向上、すなわち磁歪素子６
を通る単位体積当たりの磁束の量を増加させることがで
きる。このため、磁歪素子６として従来の技術において
説明した磁歪素子６０と同じ形状のものを用いた場合に
は、従来よりも磁束の変化が顕著に表れ、センサとして
の感度の向上を図ることできる。

【００２４】また、本実施の形態における磁歪検出型力
センサ１によれば、磁歪素子６、検出用コイル５、第１
及び第２の位置決め部材７、８を、強磁性体からなる第
１及び第２のフレーム２、３で囲って磁路を形成してい
るため、より感度の高い検出を行うことができる。好ま
しくは、磁歪素子６、検出用コイル５、第１及び第２の
位置決め部材７、８を、全て包囲するフレームを用いれ
ばよい。

【００２５】また、本実施の形態における磁歪検出型の
力センサ１によれば、第１の位置決め部材７を第１のフ
レーム２の底面略中央部に固定しているため、その位置
を基準に磁歪素子６、第２の位置決め部材８、検出用コ
イル５が巻回されたボビン４を配置することでき、組み
立てが容易になる。

【００２６】図３は本発明の第２の実施の形態における
磁歪検出型力センサの概略構成を示している。なお、第
１の実施の形態と同様の構成については、同一の図番を
付してその説明を省略する。

【００２７】同図に示すように、本実施の形態における
磁歪検出型力センサ１は、第１の実施の形態における第
１の位置決め部材７の上側端面略中央部に、第１の凹部
７２が凹設されるとともに、第２の位置決め部材８の下
面略中央部に第２の凹部８２が凹設されたものである。

【００２８】第１の凹部７２は、磁歪素子６の下側端面
と略同形状の円形平面からなる底面７２ａと、その底面
７２ａに向かって傾斜するテーパー面が全周にわたって
形成された側面７２ｂとから構成されている。

【００２９】また、第２の凹部８２は、第１の凹部７２
と同様に、磁歪素子６の上側端面と略同形状の円形平面
からなる底面８２ａと、その底面８２ａに向かって周囲
から傾斜するテーパー面が全周にわたって形成された側
面８２ｂとから構成されている。

【００３０】そして、磁歪素子６は、下側端面が第１の
位置決め部材７の上側端面にテフロンシート６１を介し
て当接するように配置されるとともに、上側端面が第２
の位置決め部材８の下面にテフロンシート６２を介して
当接するように配置される。

【００３１】このとき、第１の位置決め部材７の凹部７
２は、側面７２ｂがテーパー状に形成されているため、
この側面７２ｂに沿って磁歪素子６の下側端面が凹部７
２の底面７２ａと面接触する位置に導かれる。同様にし
て、第２の位置決め部材８の凹部８２ｂは、側面８２ｂ
がテーパー状に形成されているため、この側面８２ｂに
沿って磁歪素子６の上側端面が凹部８２の底面８２ａと
面接触する位置に導かれる。

【００３２】このように、本実施の形態によれば、磁歪
素子６が検出用コイル５を巻回したボビン４の径方向に
おいて略中央に導かれるため、ボビン４の径方向におけ
る磁歪素子６の位置決めを容易に行うことができる。こ
れにより、磁歪素子６をその側面がボビン４の内周面に
接しないように配置することができ、磁歪素子６とボビ
ン４の径方向における相対位置の変化に伴う測定誤差
や、磁歪素子６とボビン４の側面との接触による測定値
のバラツキがなくなり、信頼性の高い測定を行うことが
できる。

【００３３】なお、本実施の形態においては、第１及び
第２の位置決め部材の両方に凹部を設けた場合について
説明したが、第１及び第２の位置決め部材のうちいずれ
一方にだけ凹部を設けてもよい。この場合、磁歪素子の
径方向における位置は、凹部が設けられた側の位置決め
部材によって位置決めされることになる。

【００３４】また、本実施の形態においては、凹部の側
面が底面に対して傾斜するテーパー状に形成された場合
について説明したが、凹部の側面は底面に対して任意の
角度に設定してもよい。この場合、磁歪素子の径方向に
おける位置決めは、磁歪素子を位置決め部材の凹部に嵌
め込むことにより行われる。

【００３５】また、本実施の形態においては、第１及び
第２の位置決め部材における凹部の底面を磁歪素子の端
面と略同形状に構成した場合について説明したが、凹部
の底面は、それより大きく構成してもよく、磁歪素子の
端面全体と面接触が可能な形状及び大きさであればよ
い。

【００３６】なお、上述した各実施の形態においては、
第１及び第２の位置決め部材として円柱状の部材を用い
たが、磁歪素子の端面より大きな当接面を有する部材で
あればよく、たとえば、角柱形状や円錐台形状の部材等
が使用できる。

【００３７】また、この発明による磁歪検出型力センサ
１の用途例としては、たとえば電動モータおよびその電
源となるバッテリを搭載した電動補助自転車（アシスト
電動自転車）において、踏力トルクセンサとして使用さ
れる。この場合、センサは自転車のペダル部に取り付け
られて踏力トルクを検出し、必要に応じて電動モータよ
り補助動力を付加して坂道等の走行を容易とする。ま
た、他の用途例としては、マイコンを用いた全自動洗濯
機において、洗濯物の重量を検出する重量センサとして
使用される。そして、この場合にはセンサにより検出さ
れた洗濯物の重量に応じて洗濯時間等が自動的に設定さ
れることになる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、検出用コイルの巻き幅
方向における磁歪素子の位置を、強磁性体で構成される
位置決め部材により検出用コイルの中央付近に位置決め
しているため、磁歪素子の端面付近における漏れ磁束が
減少する。これにより、磁歪素子の利用効率を向上、す
なわち磁歪素子を通る単位体積当たりの磁束の量を増加
させることができ、センサとしての感度の向上を図るこ
とできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態における磁歪検出
型力センサの概略構成を表す上面図である。

【図２】 図１の磁歪検出型力センサの概略構成を表す
一部破断側面図である。

【図３】 本発明の第２の実施の形態における磁歪検出
型力センサの概略構成を表す一部破断側面図である。

【図４】 従来の磁歪検出型力センサの概略構成を表す
一部破断側面図である。

【符号の説明】

１ ：磁歪検出型力センサ ２ ：第１のフレーム ３ ：第２のフレーム ４ ：ボビン ５ ：検出用コイル ６ ：磁歪素子 ７ ：第１の位置決め部材 ８ ：第２の位置決め部材 ９ ：測定対称物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） (72)発明者 青木 英明 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 中西 稔 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 近藤 文剛 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒状に巻線が施された検出用コイルと、
   該検出用コイルの巻線の巻幅より短い柱状の磁歪素子
   と、該磁歪素子を前記検出用コイルの巻幅方向において
   略中央に位置決めする位置決め部材とを備える磁歪検出
   型力センサであって、該位置決め部が磁性体からなるこ
   とを特徴とする磁歪検出型力センサ。
2. 【請求項２】 前記位置決め部材は、前記磁歪素子の一
   端に当接する第１の部材と、他端に当接する第２の部材
   とを含み、前記第１及び第２の部材が磁性体からなるも
   のである請求項１記載の磁歪検出型力センサ。
3. 【請求項３】 前記第１及び第２の位置決め部材のうち
   少なくとも一方の端面中央部に、前記磁歪素子が嵌る凹
   部が凹設されている請求項２記載の磁歪検出型力セン
   サ。
4. 【請求項４】 前記凹部の底面が、前記磁歪素子の端面
   と等しいかそれよりも大きな平面からなり、また、前記
   凹部の側面が前記底面に向かって傾斜するテーパー面か
   らなるものである請求項３記載の磁歪検出型力センサ。
5. 【請求項５】 前記磁歪素子、前記検出用コイル、前記
   位置決め部材を囲むフレームを備え、該フレームが磁性
   体からなるものである請求項１ないし４のいずれかに記
   載の磁歪検出型力センサ。
6. 【請求項６】 前記第１または第２の部材のうち、少な
   くとも一方が前記フレームに固定されているものである
   請求項４記載の磁歪検出型力センサ。