JP2019211350A - 磁歪式の力センサ及びセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】コアとヨークとの相対的な位置関係に依らず、コアに掛かる荷重の検知精度が低下しにくい磁歪式の力センサ及びセンサシステムを提供する。【解決手段】力センサ１は、コア２と、コイル３と、第１ヨーク４１と、第２ヨーク４２と、を備える。コア２は、軸２０を有し、軸２０に沿った荷重を受ける。コイル３は、軸２０周りに配置され、コア２と磁気的に結合する。第１ヨーク４１は、軸２０の長手方向におけるコア２の第１端にある第１磁極２１に磁気的に結合される。第２ヨーク４２は、軸２０の長手方向におけるコア２の第２端にある第２磁極２２に磁気的に結合される。コア２、第１ヨーク４１、及び第２ヨーク４２は、通電によりコイル３の発生する磁束が通る磁気回路を形成する。磁気回路は、軸２０の長手方向において第１ヨーク４１と第２ヨーク４２との間に隙間Ｇ１を有する。【選択図】図６

Description

本開示は、一般に磁歪式の力センサ及びセンサシステムに関し、より詳細には、コアに掛かる荷重を検知する磁歪式の力センサ及びセンサシステムに関する。

特許文献１には、磁性材料の逆磁歪効果を利用した荷重センサが記載されている。特許文献１に記載の荷重センサは、軸方向から荷重を受ける機械構造用鋼からなる検出対象材の周囲を、磁気特性を有する材料で構成されたヨークで囲む構造を有している。検出対象材とヨークとの間には、軸方向に間隔を空けて、外部磁界を印加する励磁コイルと検出コイルとが配設されている。この荷重センサでは、励磁コイルにより外部磁界を印加し、検出対象材に作用する荷重による逆磁歪に基づく材料特性変化を、検出コイルの自己インダクタンス変化として検出する。

特開２０００−１５５０５６号公報

特許文献１に記載の荷重センサ（磁歪式の力センサ）では、検出対象材（コア）とヨークとの相対的な位置関係が基準位置からずれると、コアを通る磁束に偏りが生じ、コアに掛かる荷重の検知精度が低下する可能性がある、という問題があった。

本開示は、コアとヨークとの相対的な位置関係に依らず、コアに掛かる荷重の検知精度が低下しにくい磁歪式の力センサ及びセンサシステムを提供する。

本開示の一態様に係る磁歪式の力センサは、コアと、コイルと、第１ヨークと、第２ヨークと、を備える。前記コアは、軸を有し、前記軸に沿った荷重を受ける。前記コイルは、前記軸周りに配置され、前記コアと磁気的に結合する。前記第１ヨークは、前記軸の長手方向における前記コアの第１端にある第１磁極に磁気的に結合される。前記第２ヨークは、前記軸の長手方向における前記コアの第２端にある第２磁極に磁気的に結合される。前記コア、前記第１ヨーク、及び前記第２ヨークは、通電により前記コイルの発生する磁束が通る磁気回路を形成する。前記磁気回路は、前記軸の長手方向において前記第１ヨークと前記第２ヨークとの間に隙間を有する。

本開示の一態様に係るセンサシステムは、上記の磁歪式の力センサを複数備える。

本開示は、コアとヨークとの相対的な位置関係に依らず、コアに掛かる荷重の検知精度が低下しにくい、という利点がある。

図１は、本開示の一実施形態に係る磁歪式の力センサの斜視図である。 図２は、同上の力センサの断面図である。 図３は、同上の力センサの分解斜視図である。 図４は、同上の力センサの検知部の概要を示すブロック図である。 図５Ａ〜図５Ｄは、それぞれ本開示の一実施形態に係るセンサシステムの概要を示すブロック図である。 図６は、同上の力センサにて形成される磁気回路の概要を示す断面図である。 図７は、比較例の力センサにて形成される磁気回路の概要を示す断面図である。 図８は、本開示の一実施形態の第１変形例に係る力センサの断面図である。 図９は、本開示の一実施形態の第２変形例に係る力センサの斜視図である。 図１０は、同上の力センサの断面図である。 図１１は、本開示の一実施形態の第３変形例に係る力センサの斜視図である。 図１２は、同上の力センサの断面図である。

（１）詳細
以下、本開示の一実施形態に係る磁歪式の力センサ１（以下、単に「力センサ」という）の構成について説明する。以下では、特に断りのない限り、筐体１０のうち一対の孔１１３（後述する）が設けられた面を筐体１０の前面とし、この面に垂直な方向を「前後方向」として説明する。また、以下では、コア２の軸２０（後述する）の長手方向を「上下方向」として説明する。つまり、図１等において、「上」、「下」、「前」、「後」の矢印で示す通りに上、下、前、後の各方向を規定する。ただし、これらの方向は力センサ１の使用方向を規定する趣旨ではない。また、図面中の各方向を示す矢印は説明のために表記しているに過ぎず、実体を伴わない。また、図２等において、ドットで表された矢印は、コア２に掛かる荷重の向きを表しており、実体を伴わない。

力センサ１は、図１〜図３に示すように、コア２と、コイル３と、第１ヨーク４１としての第１プレート５１と、第２ヨーク４２としての第２プレート５２及び磁性体６と、基板７と、を備えている。これらの部品は、いずれも筐体１０に収容されている。つまり、力センサ１は、コア２、コイル３、第１ヨーク４１、及び第２ヨーク４２を収容する筐体１０を備えている。また、力センサ１は、筐体１０に収容される基板７を更に備えている。

筐体１０は、例えば直方体状であって、ボディ１１と、カバー１２と、を有している。ボディ１１は、上面を開口した矩形箱状であって、例えば金属材料で形成されている。ボディ１１は、底壁１１１と、底壁１１１の４つの辺からそれぞれ上向きに突出する４つの側壁１１２と、で構成されている。本実施形態では、ボディ１１の底壁１１１の下面１１４は、荷重を受ける受圧面となっている。本実施形態では、ボディ１１の底壁１１１は、第２プレート５２を介してコア２に力を伝えるように配置されている。したがって、ボディ１１の底壁１１１の下面１１４に上向きの荷重が掛かると、底壁１１１及び第２プレート５２を介してコア２に荷重が掛かる。

４つの側壁１１２のうち前壁を構成する側壁１１２には、厚さ方向（前後方向）に側壁１１２を貫通する一対の円形状の孔１１３が設けられている。一対の孔１１３は、それぞれ検知部９（後述する）の入力用のコネクタと、検知部９の出力用のコネクタとを筐体１０内に通すために用いられる。なお、一対の孔１１３は、例えば後述するように複数の力センサ１を備えるセンサシステム１００を構成する場合（図５Ａ〜図５Ｄ参照）、他の力センサ１に送り配線するために用いられてもよい。

カバー１２は、例えば矩形板状であって、例えば金属材料で形成されている。本実施形態では、カバー１２の上面１２１は、荷重を受ける受圧面となっている。本実施形態では、カバー１２は、第１プレート５１を介してコア２に力を伝えるように配置されている。したがって、カバー１２の上面１２１に下向きの荷重が掛かると、カバー１２及び第１プレート５１を介してコア２に荷重が掛かる。

カバー１２には、下面から下向きに突出する段部１２２が一体に形成されている（図２参照）。段部１２２は、ボディ１１の上面の開口に嵌まり込む寸法で形成されている。段部１２２の中央部には、上向きに窪んだ平面視で矩形状の凹部１２３が設けられている。本開示でいう「平面視」は、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）から見ることをいう。凹部１２３の底面の面積は、第１プレート５１の上面の面積とほぼ同じである。したがって、凹部１２３の底面に第１プレート５１の上面が接する形で、凹部１２３に第１プレート５１が嵌め込まれている。

本実施形態では、ボディ１１とカバー１２とは、弾性体１３（図２参照）により互いに結合されている。弾性体１３は、例えばエポキシ樹脂又はシリコーン樹脂を主成分とする接着剤である。弾性体１３は、カバー１２の段部１２２がボディ１１の上面の開口に嵌め込まれた状態で、ボディ１１の上端縁と、カバー１２の下端縁とに接着することで、ボディ１１及びカバー１２を互いに結合する。弾性体１３は、接着剤に限定されず、コア２を形成する材料よりも弾性率の低い材料で形成されていて、外部から埃及び水が入らないような防塵機能及び防水機能を有していることが望ましい。

コア２は、円柱状の磁性体であって、例えば金属材料で形成されている。コア２は、単一の金属材料で形成されていてもよいし、複数の金属材料を含む合金で形成されていてもよい。コア２は、上下方向を長手方向とする軸２０を有しており、軸２０に沿った荷重を受けるように、筐体１０内に収容されている。本実施形態では、既に述べたように、コア２は、第１プレート５１を介して、カバー１２の上面１２１に掛かる下向きの荷重を受ける。また、コア２は、第２プレート５２を介して、ボディ１１の底壁１１１の下面１１４に掛かる上向きの荷重を受ける。コア２は、コア２に荷重が掛かると逆磁歪効果（いわゆるビラリ（Villari）効果）を奏する磁性体であればよい。ここでいう「逆磁歪効果」とは、磁化されたコア２が荷重を加えられることで歪み、この歪みによりコア２の磁気特性（ここでは、透磁率）が変化する効果をいう。

コイル３は、コア２の周囲に導線を配置することで構成されている。言い換えれば、コイル３は、コア２の軸２０周りに配置されており、コア２と磁気的に結合している。導線としては、例えばエナメル線など、絶縁材料で被覆した銅線を用いるのが好ましい。コイル３の導線の両端は、例えば半田付けにより、基板７に設けられた回路（ここでは、後述する測定部９１）に電気的に接続されている。したがって、コイル３は、測定部９１から電流を供給されることにより、磁束φ１を発生する。

コイル３が通電することにより、コア２には、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）に沿った磁束φ１が通る（図６参照）。

第１プレート５１は、矩形板状の磁性体であって、例えば金属材料で形成されている。第１プレート５１は、上面がカバー１２の凹部１２３の底面に接する形で、配置されている。また、第１プレート５１の下面は、コア２の上面に接している。つまり、第１プレート５１は、コア２の上面に磁気的に結合される第１ヨーク４１に相当する。

第２プレート５２は、矩形板状の磁性体であって、例えば金属材料により形成されている。第２プレート５２は、下面がボディ１１の底面に接する形で、ボディ１１に収容されている。また、第２プレート５２の上面は、コア２の下面に接している。つまり、第２プレート５２は、コア２の下面に磁気的に結合される第２ヨーク４２に相当する。

磁性体６は、円筒状であって、例えば金属材料で形成されている。磁性体６の径寸法は、コア２（コイル３を含む）の径寸法よりも大きくなっている。磁性体６は、内側にコア２及びコイル３が位置するように、第２プレート５２の凹部５２２の底面に載せ置かれている。そして、磁性体６は、接着剤を用いて第２プレート５２に接着することで、第２プレート５２に固定されている。つまり、磁性体６は、第２プレート５２に磁気的に結合されている。ここで、既に述べたように、第２プレート５２は、コア２の下面に磁気的に結合されている。したがって、磁性体６は、第２プレート５２を介して、コア２の下面に磁気的に結合されており、第２ヨーク４２に相当する。つまり、本実施形態では、第２ヨーク４２は、第２プレート５２と、磁性体６と、を含む。言い換えれば、第２ヨーク４２は、コア２の径方向（コア２の軸２０と直交する方向）において、コア２との間にコイル３が位置するように配置される磁性体６を含んでいる。

磁性体６の高さ寸法（上下方向の寸法）は、コア２の高さ寸法よりも僅かに小さくなっている。したがって、コア２及び磁性体６を同一平面（第２プレート５２の凹部５２２の底面）上に載せ置き、かつ、コア２の上面に第１プレート５１を載せ置いた状態では、第１プレート５１の下端縁と、磁性体６の上端縁との間に隙間Ｇ１が形成される。隙間Ｇ１の高さ寸法（上下方向の寸法）は、第１プレート５１の下端縁と第２プレート５２の上端縁との間の隙間の高さ寸法よりも小さい。

本実施形態では、コイル３が発生する磁束φ１は、図６に示すように、コア２の上面（第１磁極２１）、第１プレート５１（第１ヨーク４１）、隙間Ｇ１、磁性体６（第２ヨーク４２）、第２プレート５２（第２ヨーク４２）、及びコア２の下面（第２磁極２２）の順に通る。このように、コア２、第１ヨーク４１、及び第２ヨーク４２は、通電によりコイル３の発生する磁束φ１が通る磁気回路Ｍ１を形成する。そして、磁気回路Ｍ１は、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）において、第１ヨーク４１（第１プレート５１）と第２ヨーク４２（磁性体６）との間に隙間Ｇ１を有している。言い換えれば、磁気回路Ｍ１は、コア２が荷重を受ける方向（上下方向）において、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２との間に隙間Ｇ１を有している。

第２プレート５２の上面の中央部には、下向きに窪んだ平面視で円形状の位置決め凹部５２２が設けられている。位置決め凹部５２２の径寸法は、磁性体６の径寸法とほぼ同じである。したがって、位置決め凹部５２２に磁性体６を載せ置くことで、凹部５２２内に磁性体６が位置決めされる。また、凹部５２２の底面には、上向きに突出する平面視で円環状の位置決め突起５２１が設けられている。位置決め突起５２１で囲まれる円形状の領域の径寸法は、コア２の径寸法とほぼ同じである。したがって、位置決め突起５２１で囲まれる領域にコア２を載せ置くことで、この領域内にコア２が位置決めされる。

このように、本実施形態では、コア２と、第２ヨーク４２（第２プレート５２及び磁性体６）とは、相対的に位置決めされている。ここで、コア２は、第２プレート５２に対して位置決めされることにより、筐体１０内で位置決めされている。そして、第１プレート５１も、既に述べたようにカバー１２に嵌め込まれることにより、筐体１０内で位置決めされている。したがって、コア２と、第１ヨーク４１（第１プレート５１）とは、相対的に位置決めされている。つまり、コア２と、第１ヨーク４１及び第２ヨーク４２の少なくとも一方（ここでは、両方）とは、相対的に位置決めされている。

更に、磁性体６は、第２プレート５２に対して位置決めされることにより、筐体１０内で位置決めされている。また、第２プレート５２も、ボディ１１に殆ど隙間なく収容されることにより、筐体１０内で位置決めされている。つまり、第１ヨーク４１（第１プレート５１）と、第２ヨーク４２（第２プレート５２及び磁性体６）とは、コア２の軸２０に直交する平面（上下方向と直交する平面）内で相対的に位置決めされている。

基板７は、例えば矩形板状である。基板７には、電子部品が実装されている。基板７に実装された電子部品の一部は、検知部９（図４参照）を構成している。言い換えれば、基板７は、検知部９を有している。検知部９を構成する電子部品は、例えばキャパシタＣ１（図４参照）などのディスクリート部品の他、マイクロコントローラなどのＩＣ（Integrated Circuit）チップを含む。基板７の中央部には、厚さ方向（上下方向）に基板７を貫通する平面視で円形状の通孔７１が設けられている。通孔７１の径寸法は、磁性体６の径寸法よりも僅かに大きくなっている。したがって、コア２、コイル３、及び磁性体６は、基板７の通孔７１の内側に位置するようにして筐体１０に収容される（図２参照）。

本実施形態では、基板７と第２プレート５２との間には、３つのスペーサ８が配置されている。３つのスペーサ８は、いずれも円筒状であり、電気絶縁性を有する材料により形成されている。３つのスペーサ８は、例えば第２プレート５２の凹部５２２を囲むようにして、平面視で正三角形の頂点にそれぞれ位置するように第２プレート５２上に載せ置かれる。３つのスペーサ８は、基板７を支持することにより、上下方向において基板７と第２プレート５２とを互いに電気的に絶縁している。基板７と第２プレート５２との間の電気的な絶縁を確保できれば、スペーサ８の位置、形状、及び大きさは自由に設定してもよい。

検知部９は、コイル３に電気的に接続されており、コア２の磁気特性（ここでは、透磁率）の変化に伴うコイル３の電気特性（ここでは、インピーダンス）の変化に基づいて、コア２に掛かる荷重を検知する。検知部９は、図４に示すように、測定部９１と、Ａ／Ｄ変換部９２と、補正部９３と、を有している。

測定部９１は、コイル３に電流を供給することにより、コア２に掛かる荷重の変化で生じるインピーダンス変化を計測する。また、測定部９１は、計測したインピーダンス変化をアナログ電圧に変換し、変換したアナログ電圧を出力する。つまり、測定部９１の出力するアナログ電圧は、コア２に掛かる荷重に応じたアナログ信号に相当する。

Ａ／Ｄ変換部９２は、測定部９１の出力するアナログ電圧をディジタル値に変換し、変換したディジタル値を補正部９３へ出力する。つまり、検知部９は、コア２に掛かる荷重に応じたアナログ信号をディジタル信号（ディジタル値）に変換して出力するＡ／Ｄ変換部９２を有している。

補正部９３は、Ａ／Ｄ変換部９２の出力するディジタル値に対して、非直線性を補正する補正処理を実行する。補正処理を実行するために必要なパラメータは、例えば力センサ１の製造時のキャリブレーション工程において予め求めておき、メモリに記憶させておく。メモリは、例えばマイクロコントローラのＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）である。補正処理後のディジタル値（以下、「検知データ」ともいう）は、コア２に掛かる荷重の大きさに応じた値となる。このようにして、検知部９は、コイル３の電気特性の変化に基づいて、コア２に掛かる荷重を検知する。

本実施形態の力センサ１は、センサシステム１００として用いることが可能である。センサシステム１００は、図５Ａ〜図５Ｄに示すように、複数の力センサ１を備えている。図５Ａに示す例では、複数（ここでは、ｎ個）の力センサ１は、複数（ここでは、ｎ個）の対象物Ａ１，Ａ２，…，Ａｎにそれぞれ取り付けられている。ここでいう「対象物」は、力センサ１により荷重を検知する対象である。力センサ１は、対象物に掛かる荷重がコア２に掛かるように配置される。したがって、力センサ１は、コア２に掛かる荷重を検知することにより、対象物に掛かる荷重を検知することが可能である。

図５Ａに示す例では、複数の力センサ１は、それぞれ電源線及び信号線を介して収集装置２００に電気的に接続されている。図５Ａに示す例では、電源線及び信号線を１線で表している。つまり、本実施形態では、複数の力センサ１と収集装置２００とは、スター型配線により接続されている。もちろん、この場合、通信の形態によっては、複数の力センサ１と、収集装置２００とを直列に接続して使用することも可能である（図５Ｃ参照）。

収集装置２００は、例えばデータロガ（data logger）である。収集装置２００は、例えば商用電源からＡＣ／ＤＣコンバータを介して直流電圧を供給されることで動作する。複数の力センサ１は、それぞれ収集装置２００から電源線を介して直流電圧を供給されることで動作する。複数の力センサ１は、それぞれ信号線を介して検知データを出力する。収集装置２００は、複数の力センサ１から検知データを収集する。なお、センサシステム１００としては、収集装置２００を更にインターネット等のネットワークに接続することにより、収集装置２００で収集した検知データをサーバに集めることもできる。この場合、ユーザは、ネットワーク経由でサーバにアクセスすることで、力センサ１及び収集装置２００の設置場所から離れた場所において、力センサ１の検知データを確認することが可能になる。

図５Ｂに示す例では、複数の力センサ１は、それぞれ１つの対象物Ａ１の複数箇所に取り付けられている。この態様では、複数の力センサ１は、それぞれ対象物Ａ１の対応する箇所に掛かる荷重を検知する。このため、この態様では、複数の力センサ１の検知結果に基づいて、１つの対象物Ａ１に掛かる荷重の分布を把握することが可能である。もちろん、この場合も、通信の形態によっては、複数の力センサ１と、収集装置２００とを直列に接続して使用することも可能である（図５Ｄ参照）。

（２）動作
以下、本実施形態の力センサ１の動作について説明する。先ず、外部の電源からコイル３に電流を供給することで、磁気回路Ｍ１が形成される。ここでは、検知部９の測定部９１がコイル３に電流を供給する。次に、カバー１２の上面１２１に下向きの荷重が掛かると、カバー１２及び第１プレート５１を介してコア２に荷重が掛かる。同様に、ボディ１１の底壁１１１の下面１１４に上向きの荷重が掛かると、底壁１１１及び第２プレート５２を介してコア２に荷重が掛かる。すると、逆磁歪効果により、コア２に掛かる荷重の大きさに応じてコア２の磁気特性（ここでは、透磁率）が変化するため、これに伴いコイル３の電気特性（ここでは、インピーダンス）が変化する。

コイル３のインピーダンスが変化すると、測定部９１は、インピーダンス変化に応じたアナログ電圧をＡ／Ｄ変換部９２へ出力する。Ａ／Ｄ変換部９２は、入力されたアナログ電圧をディジタル値に変換し、変換したディジタル値を補正部９３へ出力する。補正部９３は、入力されたディジタル値に対して補正処理を実行する。

このように、力センサ１は、補正処理後のディジタル値（検知データ）を算出することにより、コア２に掛かる荷重を検知する。力センサ１は、例えば収集装置２００等の外部機器からの要求に応じて検知データを出力してもよいし、要求の有無に依らず定期的に外部機器へ検知データを出力してもよい。

上述のように、本実施形態の力センサ１では、磁気回路Ｍ１は、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）において第１ヨーク４１（第１プレート５１）と第２ヨーク４２（磁性体６）との間に隙間Ｇ１を有している。つまり、本実施形態では、コア２に荷重が掛かる方向において、第１ヨーク４１と第２ヨーク４２との間に隙間Ｇ１を有している。このため、本実施形態では、コア２とヨーク（第１ヨーク４１又は第２ヨーク４２）との相対的な位置関係に依らず、コア２に掛かる荷重の検知精度が低下しにくい、という利点がある。

つまり、本実施形態では、コア２とヨーク（第１ヨーク４１又は第２ヨーク４２）との相対的な位置関係がずれても、隙間Ｇ１の高さ寸法（上下方向の寸法）に偏りが生じにくい。このため、本実施形態では、隙間Ｇ１の高さ寸法に起因する磁束φ１の偏りも生じにくいことから、コア２に掛かる荷重の検知感度にばらつきが生じにくく、結果としてコア２に掛かる荷重の検知精度が低下しにくい。ここでいう「隙間Ｇ１の高さ寸法の偏り」とは、隙間Ｇ１の高さ寸法が小さい箇所と、隙間Ｇ１の高さ寸法が大きい箇所とが混在することをいう。

ここで、図２に示すコア２、第１ヨーク４１、及び第２ヨーク４２の位置をそれぞれの基準位置とする。例えば、コア２の径方向において第１プレート５１（第１ヨーク４１）が基準位置からずれたと仮定する。この場合、隙間Ｇ１の高さ寸法は変化しないことから、隙間Ｇ１の高さ寸法に偏りが生じにくく、磁束φ１の偏りも生じにくい。また、例えば、コア２の径方向において磁性体６（第２ヨーク４２）が基準位置からずれたと仮定する。この場合も、隙間Ｇ１の高さ寸法は変化しないことから、隙間Ｇ１の高さ寸法に偏りが生じにくく、磁束φ１の偏りも生じにくい。

なお、コア２に荷重が掛かる場合、隙間Ｇ１の高さ寸法は変化し得る。しかしながら、この場合、隙間Ｇ１の高さ寸法は、コア２の軸２０周りの全周にわたって均一に変化するため、やはり隙間Ｇ１の高さ寸法に偏りが生じにくく、磁束φ１の偏りも生じにくい。このように、本実施形態では、コア２とヨーク（第１ヨーク４１又は第２ヨーク４２）との相対的な位置関係のずれが生じたとしても、コア２の磁気特性に殆ど影響を与えない、という利点がある。

また、本実施形態の力センサ１では、コア２の径方向（コア２の軸２０と直交する方向）において、コア２との間にコイル３が位置するように磁性体６を配置している。以下、この態様の利点について、比較例の力センサ３００との比較を交えて説明する。比較例の力センサ３００は、図７に示すように、磁性体６を有していない点で本実施形態の力センサ１と相違する。

図７に示すように、比較例の力センサ３００では、コイル３が発生する磁束φ２は、コア２の第１磁極２１、第１プレート５１、カバー１２、ボディ１１の側壁１１２、第２プレート５２、及びコア２の第２磁極２２の順に通る。このように、比較例の力センサ３００では、筐体１０が、通電によりコイル３の発生する磁束φ２が通る磁気回路Ｍ２の一部を形成する。または、比較例の力センサ３００では、コイル３が発生する磁束φ２は、ボディ１１の側壁１１２を通らない場合、筐体１０内の空気層を通る。

このように、比較例の力センサ３００では、本実施形態の力センサ１と比較して、磁気回路Ｍ２の磁路長が長くなる。このため、比較例の力センサ３００では、本実施形態の力センサ１と比較して、磁束φ２が漏れやすく、また、渦電流損の影響を受けて損失が大きくなりやすい。したがって、比較例の力センサ３００では、本実施形態の力センサ１と比較して、コア２の磁気特性の変化に伴うコイル３の電気特性の変化が小さくなり、結果としてコア２に掛かる荷重の検知感度が低下する、という問題がある。

一方、本実施形態の力センサ１では、上述のように磁性体６を配置しているので、コイル３の発生する磁束φ１が磁性体６を通る。このため、本実施形態の力センサ１では、比較例の力センサ３００と比較して、磁気回路Ｍ１の磁路長が短くなり、磁気回路Ｍ１は殆ど閉磁路となる。したがって、本実施形態の力センサ１では、比較例の力センサ３００と比較して、磁束φ１の漏れを少なくすることができ、かつ、渦電流損の影響を受けにくいことから損失を低減することができる。結果として、本実施形態の力センサ１では、比較例の力センサ３００と比較して、コア２の磁気特性の変化に伴うコイル３の電気特性の変化が大きくなり、結果としてコア２に掛かる荷重の検知感度が向上する、という利点がある。

また、本実施形態の力センサ１では、上述のようにコア２に掛かる荷重の検知感度を向上できることから、以下の利点も享受し得る。すなわち、本実施形態の力センサ１では、フェライト等の磁性材料と比較して逆磁歪効果を奏しにくい金属材料をコア２の材料として採用しても、コア２に掛かる荷重を検知するために必要な検知感度を確保し得る。このため、本実施形態の力センサ１では、コア２にフェライト等の磁性材料を採用する場合と比較して、コア２の荷重に対する強度を向上することができる、という利点がある。また、本実施形態の力センサ１では、超磁歪素子をコア２の材料として採用せずとも、一般的な磁歪材料を用いてコア２に掛かる荷重を検知するために必要な検知感度を確保し得る。このため、本実施形態の力センサ１では、レアメタルを含む高価な超磁歪素子を採用する場合と比較して、原材料コスト、及び製造コストを低減することができる、という利点がある。

ここで、超磁歪素子とは、一般的に磁歪素子のうち変位量が特に大きい素子をいう。代表的な超磁歪素子の磁歪量としては、例えば０．１〔％〕程度である（一般的な磁歪素子の磁歪量は、約０．０００１〜０．０１〔％〕程度）。そして、超磁歪素子は、外部から応力を加えることによって透磁率が変化するが、外部から磁界を印加することによって磁歪量が変化してしまう。したがって、本実施形態では、このような特性を有する超磁歪素子を採用するよりも、一般的な磁歪素子を採用する方が好ましい。

ところで、本実施形態において、第１プレート５１、第２プレート５２、及び筐体１０には、いずれも鉄又はステンレス等の材料を用いることが好ましい。これらの部材は、外部からの力を受ける受圧部を構成する部材であるので、縦弾性係数が大きく、かつ弾性限界が高い材料を用いることが好ましい。仮に、第１プレート５１、第２プレート５２、又は筐体１０に塑性変形が生じた場合、コア２に対して力が正しく伝わらない、或いは力センサ１の特性が初期特性からずれる可能性があるため、上記のように塑性変形の生じにくい材料を用いることが好ましい。なお、力センサ１に掛かる荷重は、これらの部材の弾性変形の範囲内に収まる。また、これらの部材は、磁気回路Ｍ１の一部も構成しているので、磁性材料を用いることが好ましい。

一方、本実施形態において、磁性体６には荷重が掛からない構造となっているため、磁性体６の強度の条件は重要ではない。したがって、磁性体６は、第１プレート５１、第２プレート５２、又は筐体１０と同じ材料で形成されてもよい。また、磁性体６は、より磁束漏れの少ない磁路を形成するために、第１プレート５１、第２プレート５２、及び筐体１０よりも強磁性の材料（例えば、フェライト等）によって形成されてもよい。

（３）力センサの利用例
以下、本実施形態の力センサ１の利用例について列挙する。なお、以下に列挙する力センサ１の利用例はあくまで一例である。つまり、力センサ１は、対象物に掛かる荷重をコア２に掛かる荷重として検知することができればよく、以下に列挙する利用例に限られないことは言うまでもない。

本実施形態の力センサ１は、例えば、ボルト又はシャフトなどの締付軸力を検知することで、ボルト又はシャフトに締め付けられるナットの緩み、破断、又は腐食といった異常の有無を監視するために用いることができる。ここでいう「締付軸力」とは、ボルトに対してナットを締め付ける際に、構造物（例えば、壁又は天井など）に加わるボルトの軸方向に沿った荷重をいう。

また、力センサ１は、対象物に加えられる張力を検知する用途にも適している。具体例として、力センサ１は、ケーブルなどにより吊り下げられている物体が正常に固定されているか否かの監視、又は吊り橋ケーブルの監視などに用いることができる。

また、力センサ１は、対象物の重量を検知する用途にも適している。具体例として、力センサ１は、ボトル、バッグ、又はタンクなどの内部に納められている物体（流体を含む）の重量の検知などに用いることができる。

また、力センサ１は、対象物に加えられる圧力を検知する用途にも適している。具体例として、力センサ１は、プレス機械が対象物に加える圧力の検知、又は押出機が対象物を溶融して押し出す際の圧力の検知などに用いることができる。

また、力センサ１は、対象物に加わる荷重を検知する用途にも適している。具体例として、力センサ１は、温水便座、介護用ベッド、タッチペン、又はスイッチに加わる荷重の検知に用いることができる。

また、力センサ１は、対象物に加わる握力を検知する用途にも適している。具体例として、力センサ１は、電動ドライバ、電動歯ブラシ、パチンコのハンドル、釣竿、自動二輪車のブレーキ、又は自動二輪車のスロットルに加わる握力の検知などに用いることができる。

その他、力センサ１は、対象物に加えられる踏力を検知する用途にも適している。具体例として、力センサ１は、自動車のアクセル又はブレーキに加わる踏力の検知などに用いることができる。

（４）変形例
上述の実施形態は、本開示の様々な実施形態の一つに過ぎない。上述の実施形態は、本開示の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。以下、上述の実施形態の変形例を列挙する。以下の種々の変形例は、適宜組み合わせて適用可能である。

（４．１）第１変形例
第１変形例の力センサ１Ａは、図８に示すように、筐体１０が、第１ヨーク４１及び第２ヨーク４２の少なくとも一部と一体である点で、上述の実施形態の力センサ１と相違する。具体的には、本変形例では、筐体１０のカバー１２は、凹部１２３を有しておらず、代わりに、第１ヨーク４１である第１プレート５１と一体に形成されている。また、本変形例では、筐体１０のボディ１１の底壁１１１及び４つの側壁１１２は、第２ヨーク４２の一部である第２プレート５２と一体に形成されている。

上述のように、本変形例では、筐体１０、第１ヨーク４１、及び第２ヨーク４２がそれぞれ別体である場合と比較して、部品点数が減る。このため、本変形例では、力センサ１Ａを組み立てやすくなる、という利点がある。

（４．２）第２変形例
第２変形例の力センサ１Ｂは、図９及び図１０に示すように、突起１１５，１２４を更に備える点で、第１変形例の力センサ１Ａと相違する。突起１２４は、円柱状、円錐台状、又は表面が球面状であって、カバー１２の上面１２１の中央部から上向きに突出している。突起１２４は、カバー１２及び第１プレート５１を介して、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）においてコア２と対向しており、力センサ１Ｂの上方から下向きに掛かる荷重を受ける。つまり、突起１２４は、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）の少なくとも一端面（ここでは、カバー１２の上面１２１）から突出し、コア２に掛かる荷重を受ける。

突起１１５は、円盤状であって、ボディ１１の下面１１４の中央部から下向きに突出している。突起１１５の高さ寸法（上下方向の寸法）は、突起１２４の高さ寸法よりも小さい。突起１１５は、ボディ１１の底壁１１１及び第２プレート５２を介して、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）においてコア２と対向しており、力センサ１Ｂの下方から上向きに掛かる荷重を受ける。つまり、突起１１５は、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）の少なくとも一端面（ここでは、ボディ１１の下面１１４）から突出し、コア２に掛かる荷重を受ける。

上述のように、本変形例では、突起１１５，１２４を備えていることから、突起１１５，１２４に荷重が集中しやすい。このため、本変形例では、突起１１５，１２４を備えない場合と比較して、コア２に荷重が集中しやすく、コア２に掛かる荷重の検知精度を向上することができる、という利点がある。つまり、突起１１５，１２４を備えていない場合、カバー１２の上面１２１、又はボディ１１の底壁１１１の下面１１４に荷重が掛かるが、この場合、上面１２１又は下面１１４に均一に荷重が掛からない可能性がある。この場合、コア２において、荷重が大きく掛かる箇所と、荷重が小さく掛かる箇所とが混在することにより、コア２に掛かる荷重の検知感度にばらつきが生じやすくなる可能性がある。一方、本変形例では、上面１２１の代わりに突起１２４が、又は下面１１４の代わりに突起１１５が荷重を受けるため、コア２に荷重が集中しやすくなり、コア２に均一に荷重が掛かりやすくなる。したがって、本変形例では、コア２に掛かる荷重の検知感度にばらつきが生じにくく、結果としてコア２に掛かる荷重の検知精度を向上することができる。

（４．３）第３変形例
第３変形例の力センサ１Ｃは、図１１及び図１２に示すように、コア２が中空部２３を有している点で、上述の実施形態の力センサ１と相違する。中空部２３は、平面視で円形状であって、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）にコア２を貫通している。また、本変形例では、カバー１２及び第１プレート５１は、それぞれ中空部１２５，５１１を有している。中空部１２５は、平面視で円形状であって、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）にカバー１２を貫通している。中空部５１１は、平面視で円形状であって、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）に第１プレート５１を貫通している。

また、本変形例では、ボディ１１の底壁１１１は、中央部から上向きに突出する円筒状の筒部１１６を一体に有している。筒部１１６は、コア２の中空部２３に挿入されている。また、筒部１１６の一端（上端）は、第１プレート５１の中空部５１１に挿入されている。

そして、カバー１２の中空部１２５及びボディ１１の筒部１１６の内側空間は、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）に沿って繋がっており、挿入孔１４を構成している。挿入孔１４は、平面視で円形状であって、コア２の軸２０の長手方向（上下方向）にカバー１２、第１プレート５１、コア２、第２プレート５２、及びボディ１１の底壁１１１を貫通している。

上述のように、本変形例では、挿入孔１４（つまり、コア２の中空部２３）に対象物の一部を通すことができる。このため、本変形例では、例えばシリンダ、ボルト又はシャフト等の棒状の部位を有する対象物に掛かる荷重を検知することができる、という利点がある。

（４．４）その他の変形例
以下、上記の第１変形例〜第３変形例以外の変形例を列挙する。以下の種々の変形例は、適宜組み合わせて適用可能である。また、以下の種々の変形例のうち、上述の実施形態の力センサ１の変形例については、第１変形例〜第３変形例の力センサ１Ａ〜１Ｃにも適用可能である。

第１変形例では、筐体１０は、第１ヨーク４１（第１プレート５１）及び第２ヨーク４２（第２プレート５２）の両方と一体であるが、これに限定する趣旨ではない。例えば、筐体１０は、第１ヨーク４１及び第２ヨーク４２のいずれか一方のみと一体であってもよい。また、第１変形例において、筐体１０は、第２プレート５２のみならず、磁性体６と一体であってもよい。

第２変形例では、突起１１５，１２４は、カバー１２の上面１２１及びボディ１１の下面１１４にそれぞれ設けられているが、これに限定する趣旨ではない。例えば、突起１１５，１２４のうちいずれか一方の突起のみが設けられていてもよい。

第３変形例では、第１ヨーク４１及び第２ヨーク４２は、筐体１０と一体ではないが、第１変形例及び第２変形例と同様に、筐体１０と一体であってもよい。

上述の実施形態では、コイル３は、例えば樹脂などを用いて封止されているのが好ましい。この態様では、結露が生じた場合でも、コイル３を構成する導線に水分が付着しにくくなるので、結露の影響によるコイル３の電気特性（インダクタンス）の変化が生じにくくなる、という利点がある。

上述の実施形態では、弾性体１３自体が接着剤であるが、これに限定する趣旨ではない。例えば、弾性体１３は、両面テープなどの他の接着剤を介してボディ１１及びカバー１２の両方に接合される構成であってもよい。

上述の実施形態では、検知部９は、Ａ／Ｄ変換部９２を有しているが、これに限定する趣旨ではない。例えば、検知部９は、Ａ／Ｄ変換部９２を有さずに、測定部９１が出力するアナログ電圧に対して、補正部９３が補正処理を実行するように構成されていてもよい。また、図４に示す検知部９の構成は一例であり、検知部９は、コア２の磁気特性の変化に伴うコイル３の電気特性（インピーダンス）の変化に基づいて荷重を検知する構成であればよい。

上述の実施形態では、検知部９を有する基板７を筐体１０に収容しているが、これに限定する趣旨ではない。例えば、検知部９は、筐体１０の外側にあってもよい。この場合、コイル３の両端を、ケーブルを介して筐体１０外にある検知部９に電気的に接続すればよい。

上述の実施形態では、基板７は、通孔７１の内側にコア２及び磁性体６が位置するように筐体１０内に配置されているが、これに限定する趣旨ではない。例えば、基板７は、上述の実施形態よりも小型であれば、コア２の径方向において、コア２及び磁性体６を挟んだ両側のうちの片側に配置されていてもよい。この態様では、コア２及び磁性体６を通孔７１の内側に配置する必要がないので、基板７が通孔７１を有する必要がない。

上述の実施形態では、筐体１０は直方体状であるが、筐体１０の形状を限定する趣旨ではない。例えば、筐体１０は、円柱状であってもよいし、筐体１０の形状は、直方体状に限定されず、例えば平面視で円形状、三角形状、又は更に角の多い多角形状であってもよい。また、上述の実施形態では、筐体１０は金属材料で形成されているが、これに限定する趣旨ではない。例えば、筐体１０は、ＣＦＲＰ（Carbon-Fiber-Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）等の樹脂材料で形成されていてもよい。

上述の実施形態では、センサシステム１００は、上述の実施形態の力センサ１を複数備えているが、これに限定する趣旨ではない。例えば、センサシステム１００は、第１変形例の力センサ１Ａ、第２変形例の力センサ１Ｂ、及び第３変形例の力センサ１Ｃのいずれかの力センサを複数備えていてもよい。また、センサシステム１００は、上述の実施形態の力センサ１、第１変形例の力センサ１Ａ、第２変形例の力センサ１Ｂ、及び第３変形例の力センサ１Ｃのうちの２以上の力センサを備えていてもよい。

（まとめ）
以上述べたように、第１の態様に係る磁歪式の力センサ（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）は、コア（２）と、コイル（３）と、第１ヨーク（４１）と、第２ヨーク（４２）と、を備える。コア（２）は、軸（２０）を有し、軸（２０）に沿った荷重を受ける。コイル（３）は、軸（２０）周りに配置され、コア（２）と磁気的に結合する。第１ヨーク（４１）は、軸（２０）の長手方向におけるコア（２）の第１端にある第１磁極（２１）に磁気的に結合される。第２ヨーク（４２）は、軸（２０）の長手方向におけるコア（２）の第２端にある第２磁極（２２）に磁気的に結合される。コア（２）、第１ヨーク（４１）、及び第２ヨーク（４２）は、通電によりコイル（３）の発生する磁束（φ１）が通る磁気回路（Ｍ１）を形成する。磁気回路（Ｍ１）は、軸（２０）の長手方向において第１ヨーク（４１）と第２ヨーク（４２）との間に隙間（Ｇ１）を有する。

この態様によれば、コア（２）とヨーク（第１ヨーク（４１）又は第２ヨーク（４２））との相対的な位置関係に依らず、コア（２）に掛かる荷重の検知精度が低下しにくい、という利点がある。

第２の態様に係る磁歪式の力センサ（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）は、第１の態様において、筐体（１０）を更に備える。筐体（１０）は、コア（２）、コイル（３）、第１ヨーク（４１）、及び第２ヨーク（４２）を収容する。

この態様によれば、筐体（１０）により、筐体（１０）の外部からのノイズを遮蔽し、ノイズの影響を低減することができる、という利点がある。

第３の態様に係る磁歪式の力センサ（１Ａ，１Ｂ）では、第２の態様において、筐体（１０）は、第１ヨーク（４１）及び第２ヨーク（４２）の少なくとも一部と一体である。

この態様によれば、筐体（１０）、第１ヨーク（４１）、及び第２ヨーク（４２）がそれぞれ別体である場合と比較して、部品点数が減るので、組み立てやすくなる、という利点がある。

第４の態様に係る磁歪式の力センサ（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）は、第２又は第３の態様において、筐体（１０）に収容される基板（７）を更に備える。基板（７）は、コイル（３）の電気特性の変化に基づいて荷重を検知する検知部（９）を有する。

この態様によれば、コア（２）に掛かる荷重に応じて得られる信号を、筐体（１０）内で処理できるので、筐体（１０）の外部からのノイズの影響を小さくすることができ、荷重検知の安定化を図りやすい、という利点がある。

第５の態様に係る磁歪式の力センサ（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）では、第４の態様において、検知部（９）は、Ａ／Ｄ変換部（９２）を有する。Ａ／Ｄ変換部（９２）は、荷重に応じたアナログ信号をディジタル信号に変換して出力する。

この態様によれば、検知部（９）の出力信号がアナログ信号である場合と比較して、ノイズの影響を受けにくくなる、という利点がある。

第６の態様に係る磁歪式の力センサ（１Ｃ）では、第１〜第５のいずれかの態様において、コア（２）は、軸（２０）の長手方向にコア（２）を貫通する中空部（２３）を有する。

この態様によれば、中空部（２３）に対象物の一部を通すことができるので、例えばシリンダ、ボルト又はシャフト等の棒状の部位を有する対象物に掛かる荷重を検知することができる、という利点がある。

第７の態様に係る磁歪式の力センサ（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）では、第１〜第６のいずれかの態様において、コア（２）と、第１ヨーク（４１）及び第２ヨーク（４２）の少なくとも一方とは、相対的に位置決めされている。

この態様によれば、荷重検知のばらつきを抑制することができ、荷重検知の安定化を図りやすい、という利点がある。

第８の態様に係る磁歪式の力センサ（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）では、第７の態様において、第１ヨーク（４１）と、第２ヨーク（４２）とは、軸（２０）に直交する平面内で相対的に位置決めされている。

この態様によれば、荷重検知のばらつきを抑制することができ、荷重検知の安定化を図りやすい、という利点がある。

第９の態様に係る磁歪式の力センサ（１Ｂ）は、第１〜第８のいずれかの態様において、突起（１１５，１２４）を更に備える。突起（１１５，１２４）は、軸（２０）の長手方向の少なくとも一端面から突出し、コア（２）に掛かる荷重を受ける。

この態様によれば、突起（１１５，１２４）に荷重が集中しやすくなることから、コア（２）に荷重が集中しやすく、荷重の検知精度を向上することができる、という利点がある。

第１０の態様に係る磁歪式の力センサ（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）では、第１〜第９のいずれかの態様において、第２ヨーク（４２）は、磁性体（６）を含む。磁性体（６）は、軸（２０）と直交する方向において、コア（２）との間にコイル（３）が位置するように配置される。

この態様によれば、磁性体（６）を有さない場合と比較して、磁気回路（Ｍ１）の磁路長が短くなり、磁束（φ１）の漏れを少なくすることができるので、コア（２）に掛かる荷重の検知感度が向上する、という利点がある。

第１１の態様に係るセンサシステム（１００）は、第１〜第１０のいずれかの態様の磁歪式の力センサ（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）を複数備える。

この態様によれば、コア（２）とヨーク（第１ヨーク（４１）又は第２ヨーク（４２））との相対的な位置関係に依らず、コア（２）に掛かる荷重の検知精度が低下しにくい、という利点がある。

第２〜第１０の態様に係る構成は、磁歪式の力センサ（１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）に必須の構成ではなく、適宜省略可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 磁歪式の力センサ
２ コア
２０ 軸
２１ 第１磁極
２２ 第２磁極
２３ 中空部
３ コイル
４１ 第１ヨーク
４２ 第２ヨーク
６ 磁性体
７ 基板
９ 検知部
９２ Ａ／Ｄ変換部
１０ 筐体
１１５，１２４ 突起
１００ センサシステム
Ｇ１ 隙間
Ｍ１ 磁気回路
φ１ 磁束

Claims (11)

1. 軸を有し、前記軸に沿った荷重を受けるコアと、
   前記軸周りに配置され、前記コアと磁気的に結合するコイルと、
   前記軸の長手方向における前記コアの第１端にある第１磁極に磁気的に結合される第１ヨークと、
   前記軸の長手方向における前記コアの第２端にある第２磁極に磁気的に結合される第２ヨークと、を備え、
   前記コア、前記第１ヨーク、及び前記第２ヨークは、通電により前記コイルの発生する磁束が通る磁気回路を形成し、
   前記磁気回路は、前記軸の長手方向において前記第１ヨークと前記第２ヨークとの間に隙間を有する、
   磁歪式の力センサ。
2. 前記コア、前記コイル、前記第１ヨーク、及び前記第２ヨークを収容する筐体を更に備える、
   請求項１記載の磁歪式の力センサ。
3. 前記筐体は、前記第１ヨーク及び前記第２ヨークの少なくとも一部と一体である、
   請求項２記載の磁歪式の力センサ。
4. 前記筐体に収容される基板を更に備え、
   前記基板は、前記コイルの電気特性の変化に基づいて前記荷重を検知する検知部を有する、
   請求項２又は３に記載の磁歪式の力センサ。
5. 前記検知部は、前記荷重に応じたアナログ信号をディジタル信号に変換して出力するＡ／Ｄ変換部を有する、
   請求項４記載の磁歪式の力センサ。
6. 前記コアは、前記軸の長手方向に前記コアを貫通する中空部を有する、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁歪式の力センサ。
7. 前記コアと、前記第１ヨーク及び前記第２ヨークの少なくとも一方とは、相対的に位置決めされている、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁歪式の力センサ。
8. 前記第１ヨークと、前記第２ヨークとは、前記軸に直交する平面内で相対的に位置決めされている、
   請求項７記載の磁歪式の力センサ。
9. 前記軸の長手方向の少なくとも一端面から突出し、前記コアに掛かる荷重を受ける突起を更に備える、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の磁歪式の力センサ。
10. 前記第２ヨークは、前記軸と直交する方向において、前記コアとの間に前記コイルが位置するように配置される磁性体を含む、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁歪式の力センサ。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の磁歪式の力センサを複数備える、
    センサシステム。

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