JP2010038913A - 磁歪式荷重センサおよびそれを備えた移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮力および引っ張り力の両方を検出することができ、且つ、信頼性の高い磁歪式荷重センサおよびそのような磁歪式荷重センサを備えた移動体を提供する。
【解決手段】本発明による磁歪式荷重センサは、コイルと、コイルの貫通孔に挿入された荷重検出部材と、磁気回路を形成する磁気回路形成部材であって、磁気回路を形成する第１の部分および第１の部分から磁気回路よりも外側に延びるように設けられた第２の部分を有する磁気回路形成部材と、外部から印加される圧縮荷重および引っ張り荷重を荷重検出部材に伝達する荷重伝達部材と、荷重検出部材の、磁気回路形成部材に対する中心軸方向に沿った相対的な位置変化を、磁気回路形成部材の第１の部分に荷重伝達部材が接触しない範囲に制限する制限部材とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁歪効果を用いて荷重を電磁気的に検出する磁歪式荷重センサおよびそれを備えた移動体に関する。

自動二輪車や水上バイク、電動自転車等の各種移動体に用いられる荷重センサには小型化が要求される。小型の荷重センサとして、磁歪式荷重センサが実用化されている。磁歪式荷重センサは、荷重が加えられる部材の磁気特性の変化を電圧の変化に変換し、その電圧の変化に基づいて荷重を検出する。

圧縮荷重だけでなく引っ張り荷重も検出することができる磁歪式荷重センサが、特許文献１に開示されている。図２６に、特許文献１の磁歪式荷重センサ１２００を示す。荷重センサ１２００は、固定台１２０２上に設置されたホルダ１２０３内に上下動可能に配置されている。

荷重センサ１２００は、検出ロッド１２０８と、検出ロッド１２０８を磁化するためのコイル（不図示）と、これらを収容するケース１２０７とを有する。検出ロッド１２０８の上端は、ケース１２０７の上端から上方へ突出している。

ホルダ１２０３の内周面には、フランジ状のストッパ部１２０３ａが形成されており、このストッパ部１２０３ａよりも下方に荷重センサ１２００が配置されている。また、ストッパ部１２０３ａよりも上方には、ロッド１２０９が配置されている。ロッド１２０９の上端部は、ホルダ１２０３から突出しており、ジョイント１２１０と接合されている。

荷重センサ１２００は、ホルダ１２０３内の下部に設けられた第１のばね１２０５によって上方に付勢されている。また、ロッド１２０９は、ホルダ１２０３内の上部に設けられた第２のばね１２０６によって下方に付勢されており、ロッド１２０９の下端は、スペーサ１２１１を介して検出ロッド１２０８の上端に当接して検出ロッド１２０８を下方へ押圧している。

第１のばね１２０５のセット荷重Ｐ１は、第２のばね１２０６のセット荷重Ｐ２よりも大きく設定されている（つまりＰ１＞Ｐ２）。そのため、ロッド１２０９に外部荷重が印加されていない状態（無荷重状態）では、荷重センサ１２００は、図示しているように、そのケース１２０７の上面がストッパ部１２０３ａの下面に当接して静止している。従って、無荷重状態では、荷重センサ１２００の検出ロッド１２０８には第２のばね１２０６のセット荷重Ｐ２が圧縮力として作用している。

上記の構成を有する荷重センサ１２００では、第２のばね１２０６による予荷重が圧縮荷重として常に検出ロッド１２０８に与えられている。ロッド１２０９に外部から圧縮方向の荷重が加えられると、検出される圧縮荷重が増加する。一方、ロッド１２０９に外部から引っ張り方向の荷重が加えられると、検出される圧縮荷重が減少する。つまり、この荷重センサ１２００では、ロッド１２０９に外部から加えられる圧縮力は、検出ロッド１２０８に作用する圧縮荷重の増加分として検出され、ロッド１２０９に外部から加えられる引っ張り力は、検出ロッド１２０８に作用する圧縮荷重の減少分として検出される。このように、特許文献１の荷重センサ１２００は、圧縮力と引っ張り力の両方を検出することができる。

しかしながら、特許文献１の荷重センサ１２００では、予荷重を加える必要があるので、検出に使用できる荷重域が約半分になってしまうという問題があった。また、一般的に、ばねには弾性率の製造ばらつきが１０〜２０％程度存在するので、セット荷重をセンサごとに調整する必要があり、製造コスト上昇の原因となっていた。さらに、ばねのへたりに起因する予荷重の経時変化により、ゼロ点出力の変動が生じるという問題もあった。

特許文献２には、圧縮力および引っ張り力を検出することができ、且つ、予荷重を加える必要のない磁歪式荷重センサが開示されている。図２７に、特許文献２の磁歪式荷重センサ１３００を示す。

荷重センサ１３００は、コイル１３１０、磁気回路形成部材１３３０、棒状部材１３２０、２つの荷重伝達部材１３４０ａ、１３４０ｂおよびハウジング１３５０を備える。

コイル１３１０は、ボビン１３１１および導線１３１２から構成されている。ボビン１３１１の軸心には貫通孔１３１０ｈが形成されている。導線１３１２は、ボビン１３１１に巻回されている。

磁気回路形成部材１３３０は、円筒状の第１のケーシング部材１３３１と、略円盤形状の第２のケーシング部材１３３２から構成されている。第１のケーシング部材１３３１および第２のケーシング部材１３３２は、磁性材料から形成されており、荷重センサ１３００の動作時において、磁気回路として機能する。

第１のケーシング部材１３３１内に環状の弾性部材１３１９を介してコイル１３１０が挿入されている。第１のケーシング部材１３３１の端部に第２のケーシング部材１３３２が例えば圧入により結合されている。

第１のケーシング部材１３３１の一端面の中央には円形の開口部１３３１ｈが形成されており、第２のケーシング部材１３３２の中央には円形の開口部１３３２ｈが形成されている。開口部１３３１ｈおよび１３３２ｈには、それぞれスペーサＳＰが取り付けられている。

貫通孔１３１０ｈ、開口部１３３１ｈおよび１３３２ｈに円柱状の棒状部材１３２０が挿入されている。棒状部材１３２０は、磁性材料から形成されているので、荷重センサ１３００の動作時において、コイル１３１０によって磁化される。

棒状部材１３２０の一端部１３２０ａは開口部１３３２ｈから突出しており、棒状部材１３２０の他端部１３２０ｂは開口部１３３１ｈから突出している。棒状部材１３２０は、荷重伝達部材１３４０ａおよび１３４０ｂによって支持されている。

荷重伝達部材１３４０ａおよび１３４０ｂは、それぞれ円柱形状を有する。また、荷重伝達部材１３４０ａおよび１３４０ｂの一端面の中央には、それぞれ円形の凹部１３４３ａおよび１３４３ｂが形成されている。棒状部材１３２０の一端部１３２０ａが荷重伝達部材１３４０ａの凹部１３４３ａに挿入され、棒状部材１３２０と荷重伝達部材１３４０ａとが接合されている。また、棒状部材１３２０の他端部１３２０ｂが荷重伝達部材１３４０ｂの凹部１３４３ｂに挿入され、棒状部材１３２０と荷重伝達部材１３４０ｂとが接合されている。

ハウジング１３５０は、円筒状の第１のハウジング１３５１と、略円盤状の第２のハウジング１３５２とを含む。コイル１３１０、磁気回路形成部材１３３０、棒状部材１３２０および荷重伝達部材１３４０ａおよび１３４０ｂが第１のハウジング１３５１内に収容されている。第１のハウジング１３５１と第２のハウジング１３５２とは複数のボルト１３５９によって結合されている。

第１のハウジング１３５１および第２のハウジング１３５２には、弾性力を有する樹脂等からなる複数のＯリングＯ１〜Ｏ４が取り付けられている。第１のハウジング１３５１の端面の中央には、円形の開口部１３５１ｈが形成されており、荷重伝達部材１３４０ｂは、開口部１３５１ｈ内でＯリングＯ１によって支持されている。また、第２のハウジング１３５２の中央には、円形の開口部１３５２ｈが形成されており、荷重伝達部材１３４０ａは、開口部１３５２ｈ内でＯリングＯ４によって支持されている。

荷重伝達部材１３４０ａおよび１３４０ｂのそれぞれには、棒状部材１３２０の軸上で荷重センサ１３００の外方へ延びるように荷重伝達軸１３４１ａおよび１３４１ｂが一体形成されている。さらに、荷重伝達軸１３４１ａおよび１３４１ｂのそれぞれの端部には、環状部材１３４２ａおよび１３４２ｂが一体形成されている。

棒状部材１３２０の軸上で２つの環状部材１３４２ａおよび１３４２ｂの間に圧縮荷重（方向Ｊ１の荷重）が加わると、荷重伝達部材１３４０ａおよび１３４０ｂを介して棒状部材１３２０に圧縮力が作用する。また、棒状部材１３２０の軸上で２つの環状部材１３４２ａおよび１３４２ｂの間に引っ張り荷重（方向Ｊ２の荷重）が加わると、荷重伝達部材１３４０ａおよび１３４０ｂを介して棒状部材１３２０に引っ張り力が作用する。

棒状部材１３２０に圧縮力または引っ張り力が作用すると、逆磁歪効果により棒状部材１３２０の透磁率が変化し、コイル１３１０、磁気回路形成部材１３３０および棒状部材１３２０から構成されるセンサ構成部のインピーダンスが変化する。その結果、コイル１３１０に発生する誘導起電力（電圧）が変化する。この電圧変化を、周辺回路によって検出することによって、圧縮荷重および引っ張り荷重の両方を検出することができる。

上述した特許文献２の磁歪式荷重センサ１３００は、予荷重を加える必要がないので、使用可能な荷重域を広く取ることができる。

特開２００３−５７１２７号公報 国際公開第２００７／００４４７２号パンフレット

しかしながら、本願発明者の検討によれば、特許文献２の磁歪式荷重センサ１３００には、以下のような問題が発生することがわかった。

圧縮力および引っ張り力の両方を検出できる荷重センサは、ハウジングを移動体本体に据え付けない状態でも好適に使用できることが好ましい。ハウジングを移動体本体に据え付けてしまうと、荷重センサ自体が変位できないためにその用途が制限されるからである。

しかしながら、特許文献２の荷重センサ１３００では、荷重伝達部材１３４０ａおよび１３４０ｂがＯリングＯ１およびＯ４の弾性力のみによって支持されているので、荷重伝達部材１３４０ａおよび１３４０ｂによって支持されている棒状部材１３２０の磁気回路形成部材１３３０に対する相対位置が変化することがある。例えば、棒状部材１３２０の中心軸方向に移動体が移動しているときに移動体が急停止すると、環状部材１３４２ａおよび１３４２ｂを介して荷重センサ１３００の外部に連結された荷重伝達部材１３４０ａおよび１３４０ｂと棒状部材１３２０とが移動を停止するのに対し、ハウジング１３５０およびハウジング１３５０で支持されている磁気回路形成部材１３３０は慣性で移動を続ける。そのため、棒状部材１３２０の磁気回路形成部材１３３０に対する相対位置が大きく変化してしまう。棒状部材１３２０の磁気抵抗は、その部位によって多少異なるので、棒状部材１３２０の磁気回路形成部材１３３０に対する相対位置が大きく変化すると、磁気特性が変動し、センサ出力に影響を与えることがある。また、棒状部材１３２０の相対位置が極端に変化すると、荷重伝達部材１３４０ａまたは１３４０ｂが磁気回路形成部材１３３０に接触し、正確な荷重検出が妨げられることがある。

上述したように、特許文献２の磁歪式荷重センサ１３００は、圧縮力および引っ張り力を検出し得るものの、信頼性に欠ける。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮力および引っ張り力の両方を検出することができ、且つ、信頼性の高い磁歪式荷重センサおよびそのような磁歪式荷重センサを備えた移動体を提供することにある。

本発明による磁歪式荷重センサは、貫通孔を有するコイルと、前記貫通孔に挿入された荷重検出部材と、前記コイルに流れる電流により発生した磁束が通過する磁気回路を形成する磁気回路形成部材であって、磁気回路を形成する第１の部分および前記第１の部分から磁気回路よりも外側に延びるように設けられた第２の部分を有する磁気回路形成部材と、外部から印加される圧縮荷重および引っ張り荷重を前記荷重検出部材に伝達する荷重伝達部材と、前記荷重検出部材の、前記磁気回路形成部材に対する中心軸方向に沿った相対的な位置変化を、前記磁気回路形成部材の前記第１の部分に前記荷重伝達部材が接触しない範囲に制限する制限部材と、を備える。

ある好適な実施形態において、前記制限部材は、磁気回路の外側に設けられている。

ある好適な実施形態において、前記荷重検出部材または前記荷重伝達部材は、当該部材の他の部分とは外周形状の異なる異形部を有し、前記制限部材は、前記異形部を係止する係止部を有する。

ある好適な実施形態において、前記荷重検出部材の表面は、前記荷重検出部材の内部とは異なる形状磁気異方性を有する。

ある好適な実施形態において、前記荷重検出部材の表面は、前記荷重検出部材の中心軸に対して傾斜した方向に延びるストライプ状の複数の溝、前記荷重検出部材の中心軸に対して傾斜した方向に延びるストライプ状のめっきパターン、または、前記荷重検出部材の中心軸に対して傾斜した方向に延びるストライプ状の複数の磁性薄帯を有する。

ある好適な実施形態において、前記複数の溝、前記めっきパターンまたは前記複数の磁性薄帯は、前記荷重検出部材の中心軸に直交する方向と１４．２°以上６５．５°以下の角度をなす。

ある好適な実施形態において、前記荷重伝達部材は、前記荷重検出部材と回転可能に結合された結合部を含む。

ある好適な実施形態において、前記荷重検出部材の前記結合部に接触する端面、または、前記結合部の前記荷重検出部材に接触する端面は、略球面形状を有する。

ある好適な実施形態において、前記結合部は、前記荷重検出部材の一端部に当接する受け部材であり、前記荷重伝達部材は、さらに、前記受け部材を前記荷重検出部材側に付勢する弾性部材を含む。

ある好適な実施形態において、本発明による磁歪式荷重センサは、前記荷重伝達部材を前記荷重検出部材に対して回転可能に結合する逃げ機構を含む。

ある好適な実施形態において、前記逃げ機構は、前記荷重検出部材の中心軸と交差する方向に延びる棒状部材と、前記棒状部材が挿入される貫通孔を有する収容部材と、を含み、前記貫通孔の内径は、前記棒状部材の外径よりも大きく、前記棒状部材の外周面と前記収容部材の前記貫通孔の内周面との間で荷重が伝達される。

ある好適な実施形態において、本発明による磁歪式荷重センサは、前記荷重伝達部材に直接または間接に結合され、前記磁歪式荷重センサを外部と連結するための連結部材をさらに備える。

ある好適な実施形態において、前記連結部材は、球面滑り軸受けを含む。

ある好適な実施形態において、本発明による磁歪式荷重センサは、前記コイル、前記荷重検出部材および前記磁気回路形成部材を収容するハウジングをさらに備え、前記ハウジングは、前記磁気回路形成部材の前記第２の部分を保持固定する。

本発明による移動体は、上記の構成を有する磁歪式荷重センサを備える。

本発明によると、圧縮力および引っ張り力の両方を検出することができ、且つ、信頼性の高い磁歪式荷重センサが提供される。また、本発明によると、そのような磁歪式荷重センサを備えた移動体が提供される。

本発明の好適な実施形態における磁歪式荷重センサ１００を模式的に示す図である。 本発明の好適な実施形態における磁歪式荷重センサ１００を模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の好適な実施形態における磁歪式荷重センサ１００ａを模式的に示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、棒状部材の一端部と荷重伝達部材との結合構造を模式的に示す断面図である。 棒状部材の一端部と荷重伝達部材との結合構造を模式的に示す断面図である。 棒状部材の一端部と荷重伝達部材との結合構造を模式的に示す断面図である。 ハウジングの具体的な構造の一例を示す断面図である。 棒状部材の好ましい構造の一例を示す側面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、棒状部材の表面に設けられる斜め溝の断面形状の例を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、荷重（Ｎ）とセンサ感度（ΔＺ／Ｚ０）との関係を示すグラフである。（ａ）は、棒状部材の表面に斜め溝を設けない場合に対応し、（ｂ）は、棒状部材の中心軸に直交する方向とのなす角度θが３０°となるように斜め溝を設けた場合に対応する。 斜め溝が設けられていない場合の棒状部材の磁化方向を模式的に示す図である。 斜め溝が設けられている場合の棒状部材の磁化方向を模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、斜め溝の角度θ（°）とセンサ感度（ΔＺ／Ｚ０）との関係を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、棒状部材の好ましい構造の一例を示す側面図である。 本発明の好適な実施形態における磁歪式荷重センサ１００ｂを模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の好適な実施形態における磁歪式荷重センサ１００ｃを模式的に示す断面図である。 棒状部材の他端部と荷重伝達部材との結合構造を模式的に示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の好適な実施形態における磁歪式荷重センサ１００ｄを模式的に示す側面図である。 磁歪式荷重センサ１００ｄが備える第１、第２および第３の接続部材を模式的に示す斜視図である。 磁歪式荷重センサ１００ｄが備える第１、第２および第３の接続部材を模式的に示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１の接続部材、第２の接続部材および第３の接続部材と棒状部材との結合手順を説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１の接続部材、第２の接続部材および第３の接続部材と棒状部材との結合手順を説明するための図である。 磁歪式荷重センサ１００ｄが備える第１、第２および第３の接続部材を模式的に示す斜視図である。 磁歪式荷重センサ１００を用いた荷重検出回路６００の概略構成を示すブロック図である。 磁歪式荷重センサ１００ａを備えたシフト荷重検出装置７００を模式的に示す図である。 特許文献１の磁歪式荷重センサ１２００を模式的に示す断面図である。 特許文献２の磁歪式荷重センサ１３００を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

まず、図１を参照しながら、本実施形態における磁歪式荷重センサ１００の基本的な構造を説明する。荷重センサ１００は、コイルＡ、荷重検出部材Ｂ、磁気回路形成部材Ｃ、２つの荷重伝達部材Ｄａ、ＤｂおよびハウジングＥを備える。荷重伝達部材ＤａおよびハウジングＥは、後述する「制限部材」としても機能する。

荷重検出部材Ｂおよび磁気回路形成部材Ｃは、磁性材料から形成されている。これに対し、荷重伝達部材Ｄａ、ＤｂおよびハウジングＥは、非磁性材料から形成されている。

磁性材料とは、磁場中に置かれたときに磁気を帯びる性質を有する材料である。磁性材料としては、例えば、鉄系材料、鉄クロム系材料、鉄ニッケル系材料、鉄コバルト系材料、鉄ケイ素系材料、鉄アルミニウム系材料、純鉄、パーマロイまたは超磁歪材料、フェライト系ステンレス（例えばＳＵＳ４３０）が用いられる。磁性材料の磁気の帯びやすさは、透磁率によって表される。例えば、鉄の比透磁率（真空の透磁率に対する透磁率の比）は２００である。

また、非磁性材料とは、磁性材料以外の材料であり、典型的には、比透磁率が約１の材料である。非磁性材料としては、例えば、オーステナイト系ステンレス（例えばＳＵＳ３０４）、アルミニウムおよび銅が用いられ、これらの比透磁率は、１〜１．０１である。

コイルＡは、貫通孔Ａｈを有する。ここでは図示しないが、コイルＡは、複数回巻かれた導線を少なくとも含んでいる。

荷重検出部材Ｂは、棒状の形状を有する。荷重検出部材Ｂは、コイルＡの貫通孔Ａｈに挿入されている。

磁気回路形成部材Ｃは、コイルＡに流れる電流により発生した磁束が通過する磁気回路を形成する。磁気回路形成部材Ｃは、コイルＡの外周部および両端部を覆っている。磁気回路形成部材Ｃの両端面の中央には、それぞれ開口部Ｃｈが形成されており、荷重検出部材Ｂの両端部は開口部Ｃｈから突出している。

荷重伝達部材ＤａおよびＤｂは、外部から印加される圧縮荷重および引っ張り荷重を荷重検出部材Ｂに伝達する。荷重伝達部材ＤａおよびＤｂのうちの一方の荷重伝達部材Ｄａは、荷重検出部材Ｂの一端部に結合されている。また、他方の荷重伝達部材Ｄｂは、荷重検出部材Ｂの他端部に結合されている。

ハウジングＥは、コイルＡ、荷重検出部材Ｂおよび磁気回路形成部材Ｃを収容する。

荷重伝達部材ＤａおよびハウジングＥは、荷重検出部材Ｂの磁気回路形成部材Ｃに対する相対的な位置変化（より具体的には中心軸方向に沿った位置変化）を、磁気回路形成部材Ｃに荷重伝達部材Ｄａ、Ｄｂが接触しない範囲に制限する。図１に示す例では、荷重伝達部材Ｄａが他の部分とは外周形状の異なる異形部Ｄａ１を有しており、この異形部Ｄａ１がハウジングＥの一部（係止部）Ｅａによって係止されることによって、荷重検出部材Ｂの位置変化が制限される。

また、図１には示していないが、コイルＡから引き出された導線（リード線）は、磁気回路形成部材Ｃに形成された導線取り出し孔から磁気回路形成部材Ｃの外部に取り出され、発振回路、電圧検出器（あるいは電流検出器）、整流回路および増幅回路等を含む周辺回路（荷重検出回路）に接続される。

次に、荷重センサ１００の動作を説明する。図示しない周辺回路の発振回路によりリード線を介してコイルＡに交流電流が供給され、コイルＡが駆動される。このとき、コイルＡが励磁コイルとして機能し、荷重検出部材Ｂが磁化される。また、磁気回路形成部材Ｃは磁気回路として機能する。

図２に、荷重センサ１００内に形成される磁気回路を模式的に示す。図２においては、コイルＡが駆動されたときの磁界の向きが矢印によって示されている。図２からもわかるように、コイルＡが駆動されると、閉路をなすような磁束線（磁気回路）が形成される。

荷重センサ１００では、荷重伝達部材ＤａおよびＤｂが外部から印加される圧縮荷重および引っ張り荷重を荷重検出部材Ｂに伝達するので、圧縮力および引っ張り力の両方を検出することが可能になる。荷重伝達部材ＤａおよびＤｂの間に圧縮荷重が加えられると、その圧縮荷重が荷重検出部材Ｂの両端部に伝達される。これにより、荷重検出部材Ｂに圧縮力が作用する。また、荷重伝達部材ＤａおよびＤｂの間に引っ張り荷重が加えられると、その引っ張り荷重が荷重検出部材Ｂの両端部に伝達される。これにより、荷重検出部材Ｂに引っ張り力が作用する。荷重検出部材Ｂに圧縮力または引っ張り力が作用すると、逆磁歪効果により荷重検出部材Ｂの透磁率が変化し、コイルＡ、荷重検出部材Ｂおよび磁気回路形成部材Ｃの集合体（「センサ構成部」と呼ぶ。）のインピーダンスが変化する。その結果、コイルＡに発生する誘導起電力（電圧）が変化する。このとき、コイルＡは検出コイルとして機能し、コイルＡにおける電圧がリード線を介して周辺回路により検出される。検出されたコイルＡの電圧変化に基づいて荷重伝達部材ＤａおよびＤｂに加えられた荷重が検出される。

本実施形態における磁歪式荷重センサ１００では、特許文献１に開示されている荷重センサ１２００のようにばねによる予荷重を加える必要はない。そのため、使用可能な荷重域を広く取ることができる。また、予荷重を与えるためのばねのセット荷重を調整する必要がないし、ばねのへたりに起因する予荷重の経時変化によってゼロ点出力の変動が生じるという問題も発生しない。

さらに、本実施形態における荷重センサ１００は、荷重検出部材Ｂの中心軸方向に沿った位置変化（つまり磁気回路形成部材Ｃに対する相対的な位置の変化）を制限する制限部材を備えている。そのため、荷重検出部材Ｂの磁気回路形成部材Ｃに対する相対位置の大きな変化が防止されるので、センサ構成部の磁気特性の変動およびそれに伴うセンサ出力への悪影響を抑制することができる。また、荷重伝達部材ＤａおよびＤｂが磁気回路形成部材Ｃに接触することによる検出不良も防止される。従って、荷重センサ１００は、支持部材Ｅが移動体本体に据え付けられない使用態様においても、信頼性に優れている。

また、制限部材である荷重伝達部材Ｄａおよびハウジング５０は、図２からもわかるように、磁気回路の外側に設けられている。このように、制限部材を磁気回路の外側に設けることにより、センサ出力に悪影響を及ぼすことなく（つまり荷重検出部材Ｂや磁気回路形成部材Ｃに余分な応力が加えられることなく）荷重検出部材Ｂの位置変化を制限することができる。

さらに、本実施形態のように、荷重伝達部材Ｄａが異形部Ｄａ１を有し、制限部材がこの異形部Ｄａ１を係止する係止部Ｅａを有していると、比較的簡単な構成によって荷重検出部材Ｂの位置変化をより確実に制限することができる。

なお、本実施形態における磁気回路形成部材Ｃは、図２に示すように、磁気回路を形成する第１の部分Ｃａと、第１の部分Ｃａから磁気回路よりも外側に延びるように設けられた第２の部分Ｃｂとを有する。以下では、磁気回路を形成する第１の部分Ｃａを「本体部」と呼び、本体部Ｃａから外側に延びる第２の部分Ｃｂを「フランジ部」と呼ぶ。図２では、フランジ部Ｃｂにハッチングを付している。図２に示しているように、ハウジングＥは、磁気回路形成部材Ｃのフランジ部Ｃｂを保持固定する。従って、コイルＡ、荷重検出部材Ｂおよび磁気回路形成部材Ｃを含むセンサ構成部は、磁気回路の外側で支持されている。このように、センサ構成部が磁気回路の外側で支持されていると、センサ出力が振動や衝撃の影響を受けにくい。

また、磁気回路形成部材Ｃのフランジ部Ｃｂは、磁気回路の外側に位置しているので、フランジ部Ｃｂに他の部材が接触しても、センサ出力への影響は少ない。そのため、制限部材は、磁気回路形成部材Ｃの本体部Ｃａに荷重伝達部材ＤａおよびＤｂが接触しないように荷重検出部材Ｂの位置制限を行えば、信頼性を向上する効果が得られる。

続いて、制限部材を備える磁歪式荷重センサのより具体的な構造を説明する。

制限部材を備える磁歪式荷重センサの具体的な構造の一例を図３に示す。図３（ａ）および（ｂ）は、磁歪式荷重センサ１００ａを模式的に示す断面図であり、いずれも荷重センサ１００ａの中心軸を通る断面を示している。図３（ａ）に示されている断面と図３（ｂ）に示されている断面とは、互いに直交する関係にある。

図３（ａ）および（ｂ）に示す荷重センサ１００ａは、コイル１０、荷重検出部材２０、磁気回路形成部材３０、荷重伝達部材４０、４２およびハウジング５０を備えている。後述するように、ハウジング５０は、荷重伝達部材４０の一部を構成する。また、荷重伝達部材４０および４２は、制限部材としても機能する。

コイル１０は、ボビン（巻き枠）１１と、ボビン１１に巻回された導線１２とを含む。ボビン１１の軸心には貫通孔が形成されている。コイル１０からは、導線１２の一部（リード線）１２’が引き出されている。

荷重検出部材２０は、棒状形状を有し、コイル１０の貫通孔に挿入されている。以下では、荷重検出部材２０を単に棒状部材と呼ぶ。棒状部材２０は、より具体的には、略円柱状である。ただし、棒状部材２０の一端部２０ａは、棒状部材２０の他の部分とは異なる外周形状を有しており、より具体的には、他の部分よりも大きな外径を有する。つまり、棒状部材２０の一端部２０ａは、他の部分よりも外径が大きい大径部である。棒状部材２０は、磁性材料により形成されているので、荷重センサ１００ａの動作時において、コイル１０によって磁化される。

磁気回路形成部材３０は、外周面および底面を有する略円筒形状の第１ケーシング部材３１と、略円盤形状の第２ケーシング部材３２とから構成されている。第１ケーシング部材３１および第２ケーシング部材３２は、それぞれ磁性材料から形成されているので、荷重センサ１００ａの動作時において、第１ケーシング部材３１および第２ケーシング部材３２のそれぞれは磁気回路として機能する。ただし、第２ケーシング部材３２の外周部分３２ａは、磁気回路よりも外側に延びており、図２に示したフランジ部Ｃｂに相当する。

第１ケーシング部材３１内に、コイル１０が挿入されている。第１ケーシング部材３１の端部に第２ケーシング部材３２が結合されており、第１ケーシング部材３１と第２ケーシング部材３２とで包囲される空間内に、コイル１０が収容されている。第１ケーシング部材３１と第２ケーシング部材３２との結合は、例えば、圧入によって行われる。

第１ケーシング部材３１の底面の中央部には、円形の開口部が形成されている。第２ケーシング部材３２の中央部にも、円形の開口部が形成されている。棒状部材２０の一端部２０ａおよび他端部２０ｂは、これらの開口部から突出している。

荷重伝達部材４０は、ハウジング５０と、棒状部材２０の一端部（大径部）２０ａに当接する受け部材４１とから構成される。ハウジング５０は、２つの空間Ｓ１およびＳ２を有する。一方の空間Ｓ１内に、棒状部材２０の大部分、磁気回路形成部材３０および荷重伝達部材４２が収容される。また、他方の空間Ｓ２内に、棒状部材２０の一端部（大径部）２０ａおよび受け部材４１が収容される。

受け部材４１は、略円柱形状を有し、その一端面（棒状部材２０側の端面）に凹部４１ａを有する。受け部材４１の凹部４１ａは、棒状部材２０の一端部（大径部）２０ａと係合している。受け部材４１は、非磁性材料から形成されている。

ハウジング５０は、棒状部材２０の大径部２０ａの端面（受け部材４１と反対側の端面）を係止する係止部５０ａを有している。棒状部材２０の大径部２０ａは、受け部材４１とハウジング５０の係止部５０ａとによって挟み込まれており、そのことによって、棒状部材２０の一端部２０ａと荷重伝達部材４０とが結合されている。

また、棒状部材２０の一端部（大径部）２０ａは、上記の構造によって、磁気回路形成部材３０に対する相対的な位置の変化を制限されている。具体的には、磁気回路形成部材３０に（より厳密には磁気回路形成部材３０の本体部に）他の部材が接触しない範囲に大径部２０ａの位置変化が制限されている。つまり、荷重伝達部材４０を構成するハウジング５０および受け部材４１が協同的に制限部材として機能する。

荷重伝達部材４２は、略円柱形状を有し、その一端面（棒状部材２０側の端面）に凹部４２ａを有する。荷重伝達部材４２の凹部４２ａは、棒状部材２０の他端部２０ｂと嵌合している。ここでは、棒状部材２０の他端部２０ｂと荷重伝達部材４２とは、ねじ込みによって結合されており、棒状部材２０の他端部２０ｂ近傍には、ナット４３が螺着されている。なお、棒状部材２０の他端部２０ｂの荷重伝達部材４２への結合は、接着や溶接、圧入によって行ってもよいし、ピン等の結合部材を用いて行ってもよい。荷重伝達部材４２は、非磁性材料から形成されている。

荷重伝達部材４２の一端部（棒状部材２０側の端部）４２ｂは、他の部分よりも外径が大きい大径部である。ハウジング５０は、荷重伝達部材４２の大径部４２ｂを係止する係止部５０ｂを有する。また、荷重伝達部材４２は、その一部がハウジング５０の一端から外方に突出しており、その突出した部分にも大径部４２ｃを有する。ハウジング５０の一端部５０ｃは、この大径部４２ｃを係止する係止部として機能する。係止部５０ｂと大径部４２ｂとの間および係止部５０ｃと大径部４２ｃとの間にはそれぞれ所定の間隙が設けられているが、外部から荷重伝達部材４２に過大な引っ張り荷重が加えられたときには、大径部４２ｂが係止部５０ｂに当接して係止される。また、外部から荷重伝達部材４２に過大な圧縮荷重が加えられたときには、大径部４２ｃが係止部５０ｃに当接して係止される。

棒状部材２０の他端部２０ｂは、上記の構造を有する荷重伝達部材４２およびハウジング５０によって、磁気回路形成部材３０に対する相対的な位置の変化を制限されている。具体的には、磁気回路形成部材３０に（より厳密には磁気回路形成部材３０の本体部に）他の部材が接触しない範囲に他端部２０ｂの位置変化が制限されている。つまり、荷重伝達部材４２およびハウジング５０が協同的に制限部材として機能する 。

ハウジング５０は、既に述べたように、コイル１０、棒状部材２０、磁気回路形成部材３０、受け部材４１および荷重伝達部材４２を収容する。ハウジング５０は、非磁性材料から形成されている。ハウジング５０は、磁気回路形成部材３０のフランジ部（第２ケーシング部材３２の外周部分３２ａ）を挟み込むように保持固定している。第２ケーシング部材３２とハウジング５０との間には、円環状の弾性部材（パッキン）５８が設けられている。

なお、図３では、ハウジング５０を連続した１つの部材として図示しているが、実際には、ハウジング５０はそれぞれが所定の形状を有する複数の部材から構成されており、ハウジング５０を構成する複数の部材は、例えば図示しているようなボルト５９によって互いに結合されている。

荷重センサ１００ａは、さらに、荷重センサ１００ａを外部と連結するための連結部材６１および６２を備える。連結部材６１および６２は、荷重センサ１００の両端部に設けられている。

連結部材６１は、ハウジング５０に接合された荷重伝達軸６１ａと、荷重伝達軸６１ａの端部に設けられた環状部材６１ｂとを有する。つまり、連結部材６１は、荷重伝達部材４０に直接結合されている。連結部材６２は、荷重伝達部材４２に接合された荷重伝達軸６２ａと、荷重伝達軸６２ａの端部に設けられた環状部材６２ｂとを有する。つまり、連結部材６２は、荷重伝達部材４２に直接結合されている。連結部材６１のハウジング５０への接合や、連結部材６２の荷重伝達部材４２への接合は、ねじ込みや接着、溶接、圧入などによって行われる。なお、連結部材６１および６２は、荷重伝達部材４０および４２に他の部材を介して間接に結合されていてもよい。また、連結部材６１および６２を荷重伝達部材４０および４２に直接結合する場合、連結部材６１および６２は荷重伝達部材４０および４２のそれぞれと一体に形成されていてもよい。

上述したように、磁歪式荷重センサ１００ａは、棒状部材２０の中心軸方向に沿った位置変化を制限する制限部材（具体的にはハウジング５０、受け部材４１および荷重伝達部材４２）を備えている。そのため、棒状部材２０の磁気回路形成部材３０に対する相対位置の変化が制限される（つまり大きな位置変化が防止される）ので、センサ構成部の磁気特性の変動およびそれに伴うセンサ出力への悪影響を抑制することができる。また、他の部材（例えば受け部材４１や荷重伝達部材４２）が磁気回路形成部材３０に接触することによる検出不良も防止される。従って、磁歪式荷重センサ１００ａは、ハウジング５０が移動体本体に据え付けられない使用態様においても、信頼性に優れている。

本実施形態における荷重センサ１００ａは、棒状部材２０の一端部２０ａ側で位置制限を行う制限部材（ハウジング５０および受け部材４１）と、他端部２０ｂ側で位置制限を行う制限部材（荷重伝達部材４２およびハウジング５０）とを備えている。つまり、制限部材が棒状部材２０の一端部２０ａ側と他端部２０ｂ側の両方に設けられている。そのため、荷重センサ１００ａの使用時に万一棒状部材２０が折れたとしても（例えば棒状部材２０の大径部２０ａと荷重伝達部材４２の大径部４２ｂとの間や、荷重伝達部材４２の大径部４２ｂおよび４２ｃの間において折れたとしても）、折れた棒状部材２０が荷重センサ１００ａから抜け落ちることが防止される。

また、制限部材として機能する部材は、磁気回路の外側に設けられている。このように、制限部材を磁気回路の外側に設けることにより、センサ出力に悪影響を及ぼすことなく（つまり棒状部材２０や磁気回路形成部材３０に余分な応力が加えられることなく）棒状部材２０の位置変化を制限することができる。

さらに、棒状部材２０および荷重伝達部材４２がそれぞれ大径部２０ａ、４２ｂ、４２ｃを有し、制限部材であるハウジング５０がこれらの大径部２０ａ、４２ｂ、４２ｃを係止する係止部５０ａ、５０ｂ、５０ｃを有しているので、比較的簡単な構成によって棒状部材２０の位置変化をより確実に制限することができる。

また、荷重センサ１００ａでは、磁気回路形成部材３０が磁気回路よりも外側に延びるように設けられたフランジ部３２ａを有し、ハウジング５０は、このフランジ部３２ａを保持固定する。従って、コイル１０、棒状部材２０および磁気回路形成部材３０を含むセンサ構成部は、磁気回路の外側で支持されている。そのため、荷重センサ１００ａでは、センサ出力が振動や衝撃の影響を受けにくい。

さらに、荷重センサ１００ａでは、既に述べたように、棒状部材２０の一端部（大径部）２０ａは、受け部材４１とハウジング５０の係止部５０ａとによって挟み込まれており、そのことによって受け部材４１と結合されている。この構造を拡大して図４（ａ）に示す。

図４（ａ）に示すように、大径部２０ａの、受け部材４１とは反対側の端面２０ａ１は、ハウジング５０の係止部５０ａに当接し、係止されている。また、大径部２０ａの、受け部材４１側の端面２０ａ２は、略球面形状を有し、受け部材４１の凹部４１ａの底面４１ａ１と当接している。大径部２０ａの外周面２０ａ３と、凹部４１ａの内周面４１ａ２との間には、所定の間隙が設けられている。

上記の構成によって棒状部材２０の一端部２０ａと荷重伝達部材４０とが結合されていると、棒状部材２０をねじるような外力が加えられたときに、棒状部材２０が回転し得る。つまり、荷重伝達部材４０は、棒状部材２０の一端部２０ａと回転可能に結合された結合部（受け部材４１）を含む。従って、棒状部材２０にねじれ応力が加わるのが防止される。そのため、ねじれによって棒状部材２０に不可逆的なダメージや塑性変形が加えられるのを防止でき、いっそう信頼性が向上する。

図４（ａ）に例示したように、棒状部材２０の、結合部（受け部材４１）に接触する端面２０ａ２が略球面形状を有していることが好ましい。端面２０ａ２が略球面形状を有していると、端面２０ａ２と結合部との間での回転抵抗が小さくなる。

なお、棒状部材２０の両端部の少なくとも一方が、荷重伝達部材４０および／または４２に回転可能に結合されていれば、棒状部材２０へのねじれ応力の印加を防止するという効果を得ることができ、そのための具体的な構造は、図４（ａ）に例示したものに限定されるものではない。

例えば、図４（ｂ）に示すように、棒状部材２０の受け部材４１に接触する端面２０ａ２を平面状とし、その代わりに、受け部材４１の棒状部材２０に接触する端面４１ａ１が略球面形状を有していてもよい。このような構成であっても、棒状部材２０の端面２０ａ２と結合部である受け部材４１との間での回転抵抗を小さくすることができる。

あるいは、図５に示すように、棒状部材２０の一端部２０ａが大径部でなくてもよい。図５に示す棒状部材２０の一端部２０ａには、非磁性材料から形成された接続部材４８が接合されている。接続部材４８の棒状部材２０への接合は、圧入やねじ込み、接着などにより行われている。接続部材４８は、相対的に外径の小さい小径部４８ａと、相対的に外径の大きい大径部４８ｂとを有する。

接続部材４８の大径部４８ｂの、受け部材４１とは反対側の端面４８ｂ１は、ハウジング５０の係止部５０ａに当接し、係止されている。また、大径部４８ｂの、受け部材４１側の端面４８ｂ２は、受け部材４１の凹部４１ａの底面４１ａ１と当接している。大径部４８ｂの外周面４８ｂ３と、凹部４１ａの内周面４１ａ２との間には、所定の間隙が設けられている。

図５に示す例では、ハウジング５０、受け部材４１に加えて接続部材４８が荷重伝達部材４０を構成している。図５に示したように、荷重伝達部材４０を構成する接続部材４８に大径部４８ｂを設けても、棒状部材２０の位置変化を制限することができる。

また、図６に示すように、受け部材４１を棒状部材２０側に付勢する弾性部材５７を設けてもよい。弾性部材５７は、例えば皿ばねである。この弾性部材５７によって、受け部材４１は棒状部材２０の大径部２０ａに押し付けられる。この構成では、荷重伝達部材４０は、ハウジング５０と、受け部材４１と、弾性部材５７とから構成される。

図６に示した構成では、棒状部材２０をねじるような応力（トルク）が一定の大きさ以上になったときに、棒状部材２０が回転する。従って、過大なトルクによる棒状部材２０の塑性変形を防止できる。また、単に棒状部材２０を回転可能にするのではなく、受け部材４１を棒状部材２０側に付勢する弾性部材５７が設けられているので、弾性部材５７の弾性率を調整することにより、回転が始まるトルクの大きさ（リミットトルク）を正確に設定することができる。なお、図６には、棒状部材２０の受け部材４１側の端面２０ａ２が略球面形状を有している場合を例示したが、図４（ｂ）と同様に、棒状部材２０の受け部材４１側の端面２０ａ２を平面状とするとともに、受け部材４１の棒状部材２０に接触する端面４１ａ１を略球面形状としてもよい。

図７に、ハウジング５０の具体的な構造の一例を示す。図７に示すハウジング５０は、第１ハウジング部材５１および第２ハウジング部材５２と、ホルダ５３とによって構成される。第１ハウジング部材５１と第２ハウジング部材５２とは、ボルト５９によって互いに結合されている。ホルダ５３は、第１ハウジング部材５１と第２ハウジング部材５２との間に配置される。

第１ハウジング部材５１とホルダ５３とによって規定される空間Ｓ１内に、棒状部材２０の大部分、磁気回路形成部材３０および荷重伝達部材４２が収容される。また、第２ハウジング部材５２とホルダ５３とによって規定される空間Ｓ２内に、棒状部材２０の一端部（大径部）２０ａおよび受け部材４１が収容される。なお、受け部材４１を省略し、棒状部材２０の大径部２０ａのみが空間Ｓ２に収容されてもよい。その場合には、空間Ｓ２の大きさは受け部材４１を収容する場合よりも小さく設定され、第２ハウジング部材５２およびホルダ５３が荷重伝達部材４０として機能する。

図７に示すハウジング５０では、第１ハウジング部材５１とホルダ５３とが、磁気回路形成部材３０のフランジ部３２ａを挟み込み、保持固定する。また、ホルダ５３の一部や第１ハウジング部材５１の一部が、図３に示した係止部５０ａ、５０ｂ、５０ｃとして機能することによって、棒状部材２０の一端部２０ａと荷重伝達部材４０との結合や、棒状部材２０の位置変化の制限が行われる。なお、ハウジング５０の具体的な構造は、図７に例示したものに限定されるものではない。

続いて、棒状部材２０の好ましい構造を説明する。

磁性体の特性の１つとして、磁気異方性が知られている。磁気異方性とは、磁性体に磁化の容易な方向（磁化容易軸）と困難な方向（磁化困難軸）とが存在する性質をいう。棒状部材２０は、形状に由来する磁気異方性（形状磁気異方性）を有しており、その長手方向（中心軸に平行な方向）に磁化されやすい。本願発明者は、棒状部材２０の形状磁気異方性と荷重センサ１００ａのセンサ感度との関係を詳細に検討し、その結果、棒状部材２０の表面が棒状部材２０の内部とは異なる形状磁気異方性を有していると、荷重センサ１００ａの圧縮力に対する感度と引っ張り力に対する感度とを均等化し得ることを見出した。

棒状部材２０の表面に、内部とは異なる形状異方性を付与するためには、例えば、図８に示すように、棒状部材２０の表面に、棒状部材２０の中心軸に対して傾斜した方向に延びるストライプ状の複数の溝（以下では「斜め溝」と呼ぶ。）２１を設ければよい。斜め溝２１は、例えば機械加工により形成することができる。

図９（ａ）〜（ｃ）に、斜め溝２１の断面形状の例を示す。斜め溝２１の断面は、図９（ａ）に示すような三角形状であってもよいし、図９（ｂ）に示すような曲線状であってもよい。また、斜め溝２１の断面は、図９（ｃ）に示すような台形状（あるいは矩形状）であってもよい。

図１０（ａ）および（ｂ）に、斜め溝２１を設けない場合と、棒状部材２０の中心軸に直交する方向とのなす角度θ（図８参照）が３０°となるように斜め溝２１を設けた場合について、荷重とセンサ感度との関係を示す。なお、斜め溝２１としては、図９（ａ）に示したように断面が三角形状で、深さｄが０．２ｍｍ、頂角θ’が９０°のものを設けた。図１０（ａ）および（ｂ）のグラフでは、圧縮方向の荷重を正の値として示し、引っ張り方向の荷重を負の値として示している。また、ここでいうセンサ感度は、センサ構成部の初期インピーダンスＺ０に対するインピーダンス変化量ΔＺの比（ΔＺ／Ｚ０）である。

斜め溝２１を設けない場合、図１０（ａ）に示すように、圧縮方向については、荷重の増加に応じてインピーダンスが大きく変化する（ΔＺが大きく、ΔＺ／Ｚ０も大きい）が、引っ張り方向については、荷重の増加に応じてインピーダンスはそれほど大きく変化しない（ΔＺが小さく、ΔＺ／Ｚ０も小さい）。つまり、斜め溝２１を設けない場合、圧縮力に対する感度に比べ、引っ張り力に対する感度が低い。

これに対し、斜め溝２１を設けた場合、図１０（ｂ）に示すように、圧縮方向と引っ張り方向の両方について、荷重の増加に応じてインピーダンスがほぼ同程度に変化する（ΔＺが同程度であるので、ΔＺ／Ｚ０も同程度である）。つまり、斜め溝２１を設けた場合、圧縮力に対する感度と引っ張り力に対する感度とをほぼ同程度にすることができる。また、図１０（ａ）と図１０（ｂ）との比較から、センサ感度の非直線性およびヒステリシスが改善していることがわかる。

上述したように、斜め溝２１を設けることによって、圧縮感度と引っ張り感度とを均等化することができる。斜め溝２１を設けない場合に圧縮感度と引っ張り感度とが大きく異なる理由や、斜め溝２１を設けることによってこれらを均等化し得る理由は、明らかではないものの以下のように推察される。

図１１に、斜め溝２１が設けられていない場合の棒状部材２０の磁化方向の合力ベクトル２０Ｄを示す。図１１には、磁気回路における磁束の流れも示している。棒状部材２０の磁化方向の合力ベクトル２０Ｄは、図１１に示すように、棒状部材２０の中心軸に対してわずかに傾斜している。棒状部材２０が引っ張り力によって伸びると、磁化方向の合力ベクトル２０Ｄは、棒状部材２０の中心軸とのなす角度がより小さくなるように変化する。また、棒状部材２０が圧縮力によって縮むと、磁化方向の合力ベクトル２０Ｄは、棒状部材２０の中心軸とのなす角度がより大きくなるように変化する。磁化方向の合力ベクトル２０Ｄは、もともと棒状部材２０の中心軸とほぼ平行であるので、棒状部材２０に引っ張り力が加えられた場合よりも、棒状部材２０に圧縮力が加えられた場合の方が、磁化方向の合力ベクトル２０Ｄが大きく変化しやすく、磁気抵抗も大きく変化しやすい。そのため、斜め溝２１が設けられていないと、圧縮感度と引っ張り感度とに大きな差が生じ、圧縮感度に比べて引っ張り感度が低くなる。

図１２に、斜め溝２１が設けられている場合の棒状部材２０の磁化方向の合力ベクトル２０Ｄを示す。棒状部材２０の内部における磁化方向の合力ベクトル２０Ｄ１は、棒状部材２０の中心軸に対してわずかに傾斜している。これに対し、棒状部材２０の表面における磁化方向２０Ｄ２は、斜め溝２１の延びる方向と平行であり、内部における磁化方向の合力ベクトル２０Ｄ１とは異なっている。そのため、棒状部材２０全体の磁化方向の合力ベクトル２０Ｄは、内部における磁化方向の合力ベクトル２０Ｄ１と表面における磁化方向２０Ｄ２の両方によって規定されるが、磁気回路形成部材３０との位置関係上、回路の磁気抵抗は棒状部材２０の内部よりも表面の影響を受けやすいので、棒状部材２０全体の磁化方向の合力ベクトル２０Ｄは、棒状部材２０の表面における磁化方向２０Ｄ２に近いものとなる。従って、棒状部材２０の表面における磁化方向２０Ｄ２が中心軸に対して大きく傾斜するように斜め溝２１を形成すれば、棒状部材２０全体の磁化方向の合力ベクトル２０Ｄを棒状部材２０の中心軸に対して大きく傾斜させることができる。そのため、棒状部材２０に圧縮力が加えられた場合と引っ張り力が加えられた場合とで、棒状部材２０の伸び／縮みに起因する磁化方向の合力ベクトル２０Ｄの変化の大きさを同程度にすることが可能になる。

上述したように、斜め溝２１を設けることによって、圧縮感度と引っ張り感度とを均等化することができ、圧縮力および引っ張り力の両方を好適に検出することが可能になる。また、斜め溝２１の角度（中心軸に直交する方向となす角度）θを適切な範囲に設定することにより、センサ感度を高くすることができる。図１３（ａ）に、斜め溝２１の角度θとセンサ感度との関係を示す。図１３（ａ）には、センサ感度として、棒状部材２０に３００Ｎの荷重を加えたときの圧縮感度、引っ張り感度およびこれらの合計（「感度合計」）を示し、また、圧縮感度の引っ張り感度に対する比（圧縮感度／引っ張り感度）も示している。

図１３（ａ）からわかるように、圧縮感度、引っ張り感度および感度合計のいずれも、斜め溝２１の角度θが大きくなるにつれて増加し、角度θが３５°を超えると減少する。つまり、圧縮感度、引っ張り感度および感度合計のいずれも３５°付近にピークを有する。図１３（ａ）に示したグラフを、その横軸の目盛りを細分化して図１３（ｂ）に示す。圧縮力および引っ張り力の検出を好適に行う観点からは、感度合計が０．２０以上であることが好ましい。図１３（ｂ）からわかるように、斜め溝２１の角度θが１４．２°以上６５．５°以下であると、感度合計を０．２０以上にすることができる。

なお、ここでは、棒状部材２０の表面に溝２１が設けられた構造を例示したが、棒状部材２０の表面に内部と異なる形状磁気異方性を付与する手段は、溝２１に限定されるものではない。例えば、図１４（ａ）に示すように、棒状部材２０の表面に、棒状部材２０の中心軸に対して傾斜した方向に延びるストライプ状のめっきパターン２２を形成してもよい。めっきパターン２２は、複数のめっき層２２ａから構成されており、各めっき層２２ａは、棒状部材２０の中心軸に対して傾斜した方向に延びている。めっき層２２ａは、棒状部材２０の材料とは異なる磁性材料から形成されている。また、棒状部材２０を非磁性材料から形成し、その表面に磁性材料から形成されためっき層２２ａを設けてもよい。

あるいは、図１４（ｂ）に示すように、棒状部材２０の表面に、棒状部材２０の中心軸に対して傾斜した方向に延びるストライプ状の複数の磁性薄帯２３を貼付してもよい。各磁性薄帯２３は、棒状部材２０の材料とは異なる磁性材料から形成されている。また、棒状部材２０を非磁性材料から形成し、その表面に磁性材料から形成された磁性薄帯２３を貼付してもよい。

棒状部材２０の表面に、図１４（ａ）に示すようなめっきパターン２２や、図１４（ｂ）に示すような磁性薄帯２３を設けた場合にも、棒状部材２０の表面における磁化方向がめっきパターン２２や磁性薄帯２３の延びる方向と一致するので、溝２１を設けた場合と同様の効果が得られる。また、溝２１を設けた場合と同様に、めっきパターン２２や磁性薄帯２３が棒状部材２０の中心軸に直交する方向と１４．２°以上６５．５°以下の角度をなしていると、圧縮感度と引っ張り感度の合計を大きく（具体的には０．２０以上に）することができる。

上述したように、棒状部材２０の中心軸に対して傾斜した方向に延びる溝２１やめっきパターン２２、磁性薄帯２３を設けることによって棒状部材２０の表面に形状磁気異方性を付与した場合、棒状部材２０にねじれ応力が加わると、圧縮力や引っ張り力が加えられたときと同様にインピーダンスが変化してセンサ出力が変動してしまう。そのため、図４〜図６に例示したようなねじれ応力の印加を防止し得る構造は、棒状部材２０の表面に斜め溝２１などを設ける場合に特に効果が大きい。

続いて、本実施形態における磁歪式荷重センサ１００のより具体的な構造の他の例を図１５〜図２２を参照しながら説明する。

図３に示した荷重センサ１００ａでは、その両端部に連結部材６１および６２が設けられているが、必ずしも両方の端部に連結部材を設ける必要はない。また、図３に示した荷重センサ１００ａでは、棒状部材２０の両端部に荷重伝達部材４０および４２が結合されているが、必ずしも棒状部材２０の両方の端部に対応した荷重伝達部材を設ける必要はない。

図１５に示す磁歪式荷重センサ１００ｂは、その一端部にのみ連結部材６２を備えている点において、図３に示した荷重センサ１００ａと異なっている。荷重センサ１００ｂの連結部材が設けられていない方の端部（ここではハウジング５０の端部）は、移動体本体１に固定されている。この構成においては、ハウジング５０および受け部材４１は、棒状部材２０の一端部２０ａに荷重を伝達するわけではない。つまり、ハウジング５０および受け部材４１は、荷重伝達部材としては機能しない。そのため、荷重センサ１００ｂは、棒状部材２０の他端部２０ｂにのみ荷重伝達部材４２が結合されている点においても図３に示した荷重センサ１００ａと異なっている。このように、ハウジング５０が移動体本体１に据え付けられていても、荷重センサ１００ｂは圧縮力および引っ張り力を好適に検出することができる。

また、棒状部材２０の位置制限を行うための構造は、図３に例示した構造に限定されるものではない。図１６（ａ）および（ｂ）に示す磁歪式荷重センサ１００ｃでは、ハウジング５０が棒状部材２０の一端部（大径部ではない）２０ａに嵌合するような凹部５０ｂを有しており、棒状部材２０の一端部２０ａがハウジング５０に接合されることによって、位置制限が行われている。つまり、図３に示した荷重センサ１００ａでは、棒状部材２０の一端部２０ａ側ではハウジング５０および受け部材４１が協同的に制限部材として機能するのに対し、図１６に示す荷重センサ１００ｃでは、棒状部材２０の一端部２０ａ側ではハウジング５０のみが制限部材として機能する。また、ハウジング５０は、連結部材６１に印加される荷重を棒状部材２０の一端部２０ａに伝達する荷重伝達部材としても機能する。棒状部材２０の一端部２０ａのハウジング５０への接合は、例えばねじ込みや接着、圧入によって行われる。ねじ込みによって接合を行う場合、棒状部材２０の一端部２０ａに形成されるおねじ部は、他の部分と外周形状の異なる異形部であり、ハウジング５０の凹部５０ｂに形成されるめねじ部は、異形部であるおねじ部を係止する係止部である。

また、図１６に示す荷重センサ１００ｃでは、荷重伝達部材４２は、棒状部材２０の他端部２０ｂと回転可能に結合された結合部を含む。以下、この構造を図１７も参照しながらより具体的に説明する。図１７は、荷重センサ１００ｃにおける棒状部材２０の他端部２０ｂ近傍を拡大して示す図である。

棒状部材２０の他端部２０ｂは、棒状部材２０の中央部よりも大きな外径を有する大径部である。荷重センサ１００ｃの荷重伝達部材４２は、棒状部材２０の他端部（大径部）２０ｂに当接する受け部材４８と、棒状部材２０の大径部２０ｂと連結部材６２とを接続するための接続部材４４とから構成される。

接続部材４４は、その一端部で連結部材６２と結合されている。接続部材４４は、その内部に、棒状部材２０の大径部２０ｂおよび受け部材４８を収容するための空間Ｓ３を有する。

受け部材４８は、略円柱形状を有し、その一端面（棒状部材２０側の端面）に凹部４８ａを有する。受け部材４８の凹部４８ａは、棒状部材２０の大径部２０ｂと係合している。

また、接続部材４４は、棒状部材２０の大径部２０ｂの端面（受け部材４８と反対側の端面）２０ｂ１を係止する係止部４４ａを有している。棒状部材２０の大径部２０ｂは、受け部材４８と接続部材４４の係止部４４ａとによって挟み込まれており、そのことによって、棒状部材２０の大径部２０ｂと荷重伝達部材４２とが結合されている。図１７に示すように、大径部２０ｂの、受け部材４８側の端面２０ｂ２は、略球面形状を有し、受け部材４８の凹部４８ａの底面４８ａ１と当接している。大径部２０ｂの外周面２０ｂ３と、凹部４８ａの内周面４８ａ２との間には、所定の間隙が設けられている。

上記の構成によって棒状部材２０の他端部２０ｂと荷重伝達部材４２とが結合されていると、棒状部材２０をねじるような外力が加えられたときに、棒状部材２０が回転し得る。このように、荷重センサ１００ｃの荷重伝達部材４２は、棒状部材２０ａの他端部２０ｂと回転可能に結合された結合部（受け部材４８）を含む。従って、棒状部材２０にねじれ応力が加わるのが防止される。そのため、ねじれによって棒状部材２０に不可逆的なダメージや塑性変形が加えられるのを防止でき、いっそう信頼性が向上する。

なお、図１６に示した構成では、接続部材４４およびハウジング５０は、棒状部材２０の他端部２０ｂ側における制限部材としても機能する。接続部材４４は、相対的に外径が大きい２つの大径部４４ｂおよび４４ｃを含んでいる。一方の大径部４４ｂは、ハウジング５０内に位置し、ハウジング５０は、この大径部４４ｂを係止する係止部５０ｂを有する。また、他方の大径部４４ｃは、ハウジング５０の外部に位置し、ハウジング５０の一端部５０ｃは、この大径部４４ｃを係止する係止部として機能する。係止部５０ｂと大径部４４ｂとの間および係止部５０ｃと大径部４４ｃとの間にはそれぞれ所定の間隙が設けられているが、外部から荷重伝達部材４２に過大な引っ張り荷重が加えられたときには、大径部４４ｂが係止部５０ｂに当接して係止される。また、外部から荷重伝達部材４２に過大な圧縮荷重が加えられたときには、大径部４４ｃが係止部５０ｃに当接して係止される。

棒状部材２０にねじれ応力が加わるのを防止する機構、すなわち、荷重伝達部材を棒状部材２０に対して回転可能に結合する機構（「逃げ機構」と呼ぶ。）は、図４や図１７に示した構造に限定されるものではない。図１８（ａ）および（ｂ）に、逃げ機構を含む他の磁歪式荷重センサ１００ｄを示す。

荷重センサ１００ｄが備える棒状部材２０の一端部２０ａは、中央部よりも外径の大きい大径部であり、図４に示した構造と同様の構造により、荷重伝達部材４０と回転可能に結合されている。

また、棒状部材２０の他端部２０ｂは、第１の接続部材４５、第２の接続部材４６および第３の接続部材４７から構成される荷重伝達部材４２に結合されている。第１の接続部材４５、第２の接続部材４６および第３の接続部材４７の構造を図１９および図２０を参照しながらより具体的に説明する。

第１の接続部材４５は、略円柱状であり、相対的に外径の大きい大径部４５ａおよび４５ａ’と、相対的に外径の小さい小径部４５ｂとを有している。大径部４５ａには、荷重センサ１００ｄの中心軸方向に延びる孔４５ｃと、中心軸に直交する方向に延びる貫通孔４５ｄとが形成されている。孔４５ｃと貫通孔４５ｄとは、図２０に示すように途中で合流している。

第２の接続部材４６は、略円柱状であり、相対的に外径の大きい大径部４６ａと、相対的に外径の小さい小径部４６ｂとを有している。第２の接続部材４６には、荷重センサ１００ｄの中心軸方向に延びる貫通孔４６ｃが大径部４６ａおよび小径部４６ｂの両方にわたって形成されている。この貫通孔４６ｃの内周面には、棒状部材２０の他端部２０ｂに形成されたおねじ部（図１５では不図示）と螺合するめねじ部が設けられている。つまり、貫通孔４６ｃは、棒状部材２０の他端部２０ｂに螺合するねじ孔である。

第３の接続部材４７は、棒状（より具体的には略円柱状）であり、第３の接続部材４７には、荷重センサ１００ｄの中心軸方向に延びる貫通孔４７ａが形成されている。貫通孔４７ａの一部４７ａ１は、第２の接続部材４６の小径部４６ｂと嵌合する孔であり、他の部分４７ａ２は、棒状部材２０の他端部２０ｂと螺合するねじ孔である。

第１の接続部材４５、第２の接続部材４６および第３の接続部材４７と棒状部材２０とは、以下の手順で結合される。まず、図２１（ａ）に示すように、第１の接続部材４５の貫通孔４５ｄに、第３の接続部材４７が挿入される。つまり、第３の接続部材４７は、棒状部材２０の中心軸と交差する方向に延びる棒状部材であり、第１の接続部材４５は、第３の接続部材（棒状部材）４７が挿入される貫通孔４５ｄを有する収容部材である。次に、図２１（ｂ）に示すように、棒状部材２０に第２の接続部材４６を深くねじ込む。

続いて、図２２（ａ）に示すように、第３の接続部材４７のねじ孔４７ａ２に棒状部材２０をその先端が第３の接続部材４７から突出しない程度にねじ込む。その後、図２２（ｂ）に示すように、第２の接続部材４６を、その小径部４６ｂが第３の接続部材４７の孔４７ａ１と嵌合するまでねじ込む。このようにして、荷重伝達部材４２と棒状部材２０の他端部２０ｂとが結合される。第３の接続部材（棒状部材）４７の外周面４７ｂと第１の接続部材（収容部材）４５の貫通孔４５ｄの内周面４５ｄ１との間で荷重が伝達される。

ここで、第１の接続部材４５の貫通孔４５ｄの内径Ｄｉ１は、第３の接続部材４７の直径Ｄｉ２よりも所定の値だけ大きい（図２０参照）。つまり、第３の接続部材４７の外周面４７ｂと、第１の接続部材４５の貫通孔４５ｄの内周面４５ｄ１との間には所定の隙間が設けられている。従って、ねじれ応力が加えられたとき、図２３に模式的に示すように、棒状部材２０とその他端部２０ｂに螺合された第２の接続部材４６および第３の接続部材４７とは、ねじれ方向（図２３中の左右方向）に幾分回転することができる。また、棒状部材２０がねじ孔４７ａ２内で螺進または螺退することによって、棒状部材２０は第３の接続部材４７に対して回転し得る。そのため、棒状部材２０にねじれ応力が加わるのを防止するとともに、ねじれによる定常的な出力誤差の発生を防止することができる。

また、第３の接続部材４７と第１の接続部材４５との間の隙間は、図２３からもわかるように、貫通孔４５ｄのすべての半径方向について設けられている。従って、第３の接続部材４７は、ねじれ方向以外の方向（例えば図２３の上下方向）についても回転を許容されている。そのため、曲げや同軸ずれによる応力集中を回避することができ、そのような応力集中に起因したセンサ出力の変動を防止することができる。

あるいは、連結部材６１および６２の少なくとも一方が逃げ機構を有してもよい。例えば、連結部材６１および６２の環状部材６１ｂおよび６２ｂに球面滑り軸受けを設けることにより、逃げ機構を含む連結部材６１および６２が得られる。球面滑り軸受けを含む連結部材６１および６２としては、例えば、「ロッドエンド」という名称で市販されている部材を用いることができる。

（磁歪式荷重センサを用いた荷重検出回路）
図２４を参照しながら、磁歪式荷重センサを用いた荷重検出回路の構成を説明する。図２４は、磁歪式荷重センサ１００を用いた荷重検出回路６００の概略構成を示すブロック図である。なお、荷重センサ１００は、荷重センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃまたは１００ｄであってもよい。

荷重検出回路６００は、発振回路６１０、磁歪式荷重センサ１００、温度補償抵抗回路６２０、電流検出器６３０Ａ、６３０Ｂ、整流回路６５０Ａ、６５０Ｂおよび増幅回路６７０を含む。

発振回路６１０は、発振信号を磁歪式荷重センサ１００のコイルＡの一端および温度補償抵抗回路６２０の一端に与える。磁歪式荷重センサ１００は、外部からの荷重を検出する。電流検出器６３０Ａは、磁歪式荷重センサ１００のコイルＡの他端から供給される電流を電圧に変換する。電流検出器６３０Ｂは、温度補償抵抗回路６２０の他端から供給される電流を電圧に変換する。整流回路６５０Ａは、電流検出器６３０Ａから出力される電圧を整流および平滑化する。整流回路６５０Ｂは、電流検出器６３０Ｂから出力される電圧を整流および平滑化する。増幅回路６７０は、整流回路６５０Ａの出力電圧と整流回路６５０Ｂの出力電圧との差分を増幅する。

図１の荷重伝達部材ＤａおよびＤｂの間に加えられる荷重が棒状部材Ｂの両端に伝達され、荷重検出部材Ｂに圧縮力または引っ張り力が作用すると、逆磁歪効果により荷重検出部材Ｂの透磁率が変化し、コイルＡ、荷重検出部材Ｂ、磁気回路形成部材Ｃからなるセンサ構成部のインピーダンスが変化する。このインピーダンス変化に対応する出力信号が増幅回路６７０により得られる。このようにして、荷重を電磁気的に検出することができる。

荷重検出回路６００の増幅回路６７０の出力信号は制御部６８０に与えられる。制御部６８０はＣＰＵ（中央演算処理装置）およびＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等からなる。ＣＰＵは、ＲＡＭに格納された制御プログラムに従って動作する。この制御部６８０は、増幅回路６７０の出力信号に所定の演算を行い、演算結果に基づく制御信号をアクチュエータ６９０に与える。アクチュエータ６９０は、制御信号に応答して駆動力を発生する。

（磁歪式荷重センサを用いたシフト荷重検出装置）
図２５を参照しながら、磁歪式荷重センサを用いたシフト荷重検出装置の構成を説明する。図２５は、磁歪式荷重センサ１００ａを用いたシフト荷重検出装置７００を模式的に示す図である。

シフト荷重検出装置７００は、自動二輪車の内燃機関７１２近傍に設けられている。シフト荷重検出装置７００は、ギヤボックス（不図示）から突出したシフト軸７１３と、シフト軸７１３に結合されたシフトロッド７１５と、ライダーがシフトチェンジを行うためのシフトペダル７１４とを含んでいる。シフトペダル７１４は、支持軸７１４ａを中心として揺動可能に設けられており、ライダーの足（ステップ７１７によって支持されている）によって押し上げまたは押し下げられる。荷重センサ１００ａの一端部の連結部材６１がシフトペダル７１４に連結されるとともに、荷重センサ１００ａの他端部の連結部材６２がシフトロッド７１５に連結されることにより、シフトペダル７１４とシフトロッド７１５とが荷重センサ１００ａを介して連結されている。

圧縮力および引っ張り力の両方を検出し得る荷重センサ１００ａによってシフト荷重を検出することにより、シフトチェンジが確実に行われたかどうかを判定することができる。一般に、シフトチェンジが成功した時は、シフト操作の途中に荷重の減少が見られる。これに対し、シフトチェンジが失敗したときにはシフト操作を解除するまで荷重が減少しない。従って、シフト荷重を検出することにより、シフトチェンジが成功したか否かを判別することが可能になる。

なお、上述した磁歪式荷重センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃおよび１００ｄは、自動二輪車に限定されず、滑走艇、電動自転車、水上バイク、電動車椅子等の種々の輸送機器に用いられる。また、輸送機器だけでなく、移動棚等にも用いられる。つまり、磁歪式荷重センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃおよび１００ｄは、移動体全般に広く用いられる。

本発明は、自動二輪車、滑走艇、電動自転車、水上バイク、電動車椅子、移動棚等の種々の移動体における荷重の検出に有効に利用できる。

Ａ、１０ コイル
Ｂ、２０ 荷重検出部材（棒状部材）
Ｃ、３０ 磁気回路形成部材
Ｄａ、Ｄｂ、４０、４２ 荷重伝達部材
Ｅ、５０ ハウジング
４５ 第１の接続部材
４６ 第２の接続部材
４７ 第３の接続部材
５７ 弾性部材
６１、６２ 連結部材
１００、１００ａ、１００ｂ 磁歪式荷重センサ
１００ｃ、１００ｄ 磁歪式荷重センサ
６００ 荷重検出回路
７００ シフト荷重検出装置

Claims (15)

1. 貫通孔を有するコイルと、
   前記貫通孔に挿入された荷重検出部材と、
   前記コイルに流れる電流により発生した磁束が通過する磁気回路を形成する磁気回路形成部材であって、磁気回路を形成する第１の部分および前記第１の部分から磁気回路よりも外側に延びるように設けられた第２の部分を有する磁気回路形成部材と、
   外部から印加される圧縮荷重および引っ張り荷重を前記荷重検出部材に伝達する荷重伝達部材と、
   前記荷重検出部材の、前記磁気回路形成部材に対する中心軸方向に沿った相対的な位置変化を、前記磁気回路形成部材の前記第１の部分に前記荷重伝達部材が接触しない範囲に制限する制限部材と、を備える磁歪式荷重センサ。
2. 前記制限部材は、磁気回路の外側に設けられている請求項１に記載の磁歪式荷重センサ。
3. 前記荷重検出部材または前記荷重伝達部材は、当該部材の他の部分とは外周形状の異なる異形部を有し、
   前記制限部材は、前記異形部を係止する係止部を有する請求項１または２に記載の磁歪式荷重センサ。
4. 前記荷重検出部材の表面は、前記荷重検出部材の内部とは異なる形状磁気異方性を有する請求項１から３のいずれかに記載の磁歪式荷重センサ。
5. 前記荷重検出部材の表面は、前記荷重検出部材の中心軸に対して傾斜した方向に延びるストライプ状の複数の溝、前記荷重検出部材の中心軸に対して傾斜した方向に延びるストライプ状のめっきパターン、または、前記荷重検出部材の中心軸に対して傾斜した方向に延びるストライプ状の複数の磁性薄帯を有する、請求項４に記載の磁歪式荷重センサ。
6. 前記複数の溝、前記めっきパターンまたは前記複数の磁性薄帯は、前記荷重検出部材の中心軸に直交する方向と１４．２°以上６５．５°以下の角度をなす請求項５に記載の磁歪式荷重センサ。
7. 前記荷重伝達部材は、前記荷重検出部材と回転可能に結合された結合部を含む請求項１から６のいずれかに記載の磁歪式荷重センサ。
8. 前記荷重検出部材の前記結合部に接触する端面、または、前記結合部の前記荷重検出部材に接触する端面は、略球面形状を有する請求項７に記載の磁歪式荷重センサ。
9. 前記結合部は、前記荷重検出部材の一端部に当接する受け部材であり、
   前記荷重伝達部材は、さらに、前記受け部材を前記荷重検出部材側に付勢する弾性部材を含む請求項７または８に記載の磁歪式荷重センサ。
10. 前記荷重伝達部材を前記荷重検出部材に対して回転可能に結合する逃げ機構を含む請求項１から９のいずれかに記載の磁歪式荷重センサ。
11. 前記逃げ機構は、前記荷重検出部材の中心軸と交差する方向に延びる棒状部材と、前記棒状部材が挿入される貫通孔を有する収容部材と、を含み、
    前記貫通孔の内径は、前記棒状部材の外径よりも大きく、
    前記棒状部材の外周面と前記収容部材の前記貫通孔の内周面との間で荷重が伝達される請求項１０に記載の磁歪式荷重センサ。
12. 前記荷重伝達部材に直接または間接に結合され、前記磁歪式荷重センサを外部と連結するための連結部材をさらに備える請求項１から１１のいずれかに記載の磁歪式荷重センサ。
13. 前記連結部材は、球面滑り軸受けを含む請求項１２に記載の磁歪式荷重センサ。
14. 前記コイル、前記荷重検出部材および前記磁気回路形成部材を収容するハウジングをさらに備え、
    前記ハウジングは、前記磁気回路形成部材の前記第２の部分を保持固定する請求項１から１３のいずれかに記載の磁歪式荷重センサ。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の磁歪式荷重センサを備えた移動体。

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