JP3161133B2 - 力検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、たとえば、自動車に
おける動力伝達軸に付加する応力により透磁率が増減逆
方向に変化する磁歪材料からなる二つの部位の透磁率の
変化を検出して、その変化から付加された応力の大きさ
を非接触で検出することができるようにした力検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の力検出装置の第１従来例
としては、たとえば、特開昭５９−１８８９６８号公報
に開示されたものがある。これは、磁歪材料の部位を磁
心とし、この磁歪材料の部位の周囲に二つのトランスを
配置し、磁歪材料に応力を付加すると、その付加された
応力に応じて、磁歪材料の透磁率が変化し、この透磁率
の変化により相互インダクタンスの変化を検出すること
を応用したものであり、この相互インダクタンスの変化
により、トランスの２次コイルに誘起される誘導起電力
の変化を検出することにより、磁歪材料に付加される応
力を検出するものである。すなわち、いわば、差動トラ
ンスと同一原理によるものである。

【０００３】この二つのトランスの出力信号の信号処理
例としては、それぞれのトランスの誘導電圧（交流）を
位相検波した後に平滑し、さらに差動増幅するか、ある
いは、差動誘導起電力として得られる交流電圧を励磁電
圧に同期した信号で位相検波した後、平滑して直流電圧
に変換する方法が広く採用されている。

【０００４】また、力検出装置の第２従来例としては、
部品のばらつき要因とコストを低減させるために、コイ
ルの出力信号は小さいが、増幅器等の使用を避け、二つ
のコイルをハ−フブリツジ回路の一辺に直列に挿入した
直列インダクタンスブリツジ構成とするか、または二つ
のコイルをハ−フブリツジ構成で使用することも従来よ
り行われている。

【０００５】このハ−フブリツジで使用する場合の信号
処理の方法としては、基本的には従来から行われている
差動トランス方式と類似の方法となり、たとえば、特開
平２−１５４１２８号公報に記載されているように、ハ
−フブリツジで分圧された二つの交流信号を差動検出し
た後、位相検波し、その出力信号を平滑するか、または
特開平２−２７１２２９号公報などにより開示されてい
るように、位相検波した後、差動検出し、その出力信号
を平滑することが行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記第
１の従来例の場合のトランス方式においては、１次コイ
ルと２次コイルの二つのコイルとそれに付随する磁気ヨ
−クや巻線用ボビンからなるトランスが二つ必要であ
り、コストが高くなることに加えて、コイルの巻数、巻
線密度、ヨ−クとコイルとの組付け精度、磁歪材料検出
部位に対する配置精度などの多くの要因により、二つの
トランスの均質性を実現することが極めて困難である。

【０００７】したがって、これらの精度に起因する出力
ばらつき、特にオフセット電圧のばらつきの調整は回路
側で行う必要があるが、トランス部の温度などによって
も前記要因の係わり方が変化するため、オフセット電圧
が変動することになり、回路側での調整自体に限界があ
る。これにより、複雑な自動補正機能を盛り込んだ計測
器や頻繁にメンテナンスを行えるプラント用機器などを
除いては、一般に安価に普及できていない状況にある。

【０００８】また、前記第２従来例のハ−フブリツジ方
式の場合の基本的な回路構成としては、（１）ブリツジ
駆動周波数を決める発振回路、（２）この発振回路から
正弦波信号の生成あるいは駆動デュティ比を制御する駆
動信号制御回路、（３）この駆動信号制御回路の出力に
基づき所定電圧／電流をブリツジ回路に印加するドライ
ブ回路、（４）ブリツジの出力の増幅を行う差動増幅回
路、（５）この差動増幅回路の出力を所定位相で同期検
波する同期検波回路、（６）この同期検波回路に対して
駆動制御回路の出力を基準にした所定検波タイミング信
号を与える位相調整回路、（７）この位相調整回路の出
力信号を平滑してアナログ電圧信号に変換する平滑回
路、（８）この平滑回路の出力に所定の感度、零点など
の調整を行う調整回路、などが必要であり、検出回路全
体としての規模が大きくなり、コストが高くなるととも
に、回路の安定性、特に環境温度に対する安定性の保証
の点で問題があった。

【０００９】この発明は、このような従来の問題点を除
去するためになされたものであり、駆動信号制御回路と
位相調整回路を除去でき、簡単な構成で、環境温度に対
して安定性が向上できるとともに、リップル成分を低減
でき、平滑回路の簡略化ならびに平滑回路の平滑時定数
の低減による応答性の向上とコストの低減を可能とする
力検出装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、加えられる外力に対してほぼ可逆的に
透磁率が変化する磁歪材料と、この磁歪材料の前記可逆
的に透磁率が変化する二つの部位にそれぞれ巻装され直
列接続された二つのコイルと、この二つのコイルの両端
に相互に逆位相の方形波電圧を印加する駆動手段と、前
記二つのコイルの接続部より得られる第１の信号とこの
第１の信号を平滑して得られる第２の信号を基に前記方
形波電圧の反転タイミングに同期して（第１の信号−第
２の信号）の演算と（第２の信号−第１の信号）の演算
とを交互に行う演算回路とを備えるものとした。

【００１１】

【作用】この発明によれば、駆動手段から出力される互
いに逆位相の方形波電圧を直列に接続された二つのコイ
ルの両端に印加することにより、二つのコイルは印加電
圧の半周期ごとに方向が反転する励磁電流が流れ、この
励磁電流により、磁歪材料を励磁する。磁歪材料に外力
が加わることにより、形状異方性が生じると、磁歪材料
の透磁率が可逆的に変化し、両コイルのインピ−ダンス
がほぼ可逆的に変化し、それに応じて接続点ので電圧が
変化する。この接続点から得られる第１の信号とそれを
平滑した第２の信号を演算回路に加えて、（第１の信号
−第２の信号）と（第２の信号−第１の信号）の各演算
を駆動手段から出力される方形波電圧の反転タイミング
に同期して行うことにより、磁歪材料に加わる力に対応
した出力が得られる。

【００１２】

【実施例】以下、この発明の力検出装置の実施例につい
て図面に基づき説明する。図１はその第１の実施例の構
成を示すブロック図である。この図１において、まず、
構成から説明する。図１における１は磁歪材料からなる
か、または表面に磁歪材料からなる層を形成したシヤフ
トであり、、たとえば、自動車における駆動軸などが好
適な適用例である。

【００１３】このシヤフト１の表面には、トルクの印加
によって生じる引っ張り応力ならびに圧縮応力のそれぞ
れに対応した磁気特性の変化に感度をもたせるために、
磁気異方性を付与する手段とし、溝などの形成による形
状異方性部位１ａ、１ｂが形成されている。この形状異
方性部位１ａの位置に対応してシヤフト１の外周にコイ
ル２が巻装されている。

【００１４】同様にして、形状異方性部位１ｂの位置に
対応して、コイル３が巻装されている。両コイル２と３
は直列に接続されている。各コイル２、３の生成する磁
束が形状異方性部位１ａ、１ｂに有効に流れ、隣のコイ
ルと干渉しないように、図１には示されていないが、通
常は各コイル２、３を囲むように磁性材料からなるヨ−
クが配置される。

【００１５】また、方形波発振回路４が、磁歪材料の持
つ特性に合わせて、たとえば、１０ＫＨｚ〜５０ＫＨｚ
の領域内で最適な周波数に設定された方形波信号を発生
するようになっている。この方形波発振回路４から図２
の（ａ）に示されるようなデュティ５０％の発振出力ａ
がドライブ回路５に入力されるようになっている。

【００１６】ドライブ回路５の第１の出力端５ａから
は、デュティ５０％で図２の（ｂ）に示すロ−レベル０
［Ｖ］、ハイレベルＶｃ［Ｖ］の方形波の第１の駆動電
圧ｂが出力され、図２の（ｃ）に示すその反転信号であ
る第２の駆動電圧ｃが、第２の出力端５ｂから出力され
るようになっている。第１の駆動電圧ｂはコイル２の一
端に印加されるようになっている。第２の駆動電圧ｃは
コイル３の一端に印加されるようになっている。

【００１７】両コイル２、３の接続点からは、図２の
（ｄ）に示すコイル接続点電圧ｄが演算回路として使用
される同期型反転差動増幅回路７の反転入力端７ｂ（−
入力端）に直接入力されるようになっている。また、コ
イル接続点電圧ｄは、同時にロ−パスフイルタとしての
平滑回路６にも入力されるようになっている。平滑回路
６の出力、すなわち、図２の（ｅ）に示す平滑回路出力
ｅは同期型反転差動増幅回路７の非反転入力端７ｃ（＋
入力端）に入力されるようになっている。

【００１８】前記ドライブ回路５から出力される第１の
駆動電圧ｂ、第２の駆動電圧ｃのうちの一方、たとえ
ば、図１の例で示すように、第１の駆動電圧ｂが同期型
反転差動増幅回路７に対して同期信号入力端７ａに入力
されるようになっている。

【００１９】この同期型反転差動増幅回路７の具体的回
路構成の一例が図３に示される。ここでは、アナログス
イッチ７ｄと差動増幅回路７ｅとを主体にして構成さ
れ、アナログスイッチ７ｄは、二つの可動端子７ｄ１、
７ｄ２を有している。可動端子７ｄ１、７ｄ２は図１に
示したドライブ回路５から出力される第１の駆動電圧ｂ
により連動して切り換えるようになっている。

【００２０】可動端子７ｄ１は固定端子７ｄ３と７ｄ４
を切り換え、可動端子７ｄ２は固定端子７ｄ５と７ｄ６
とを切り換えるようになっている。固定端子７ｄ３と７
ｄ６が接続され、図１のコイル２と３との接続点のコイ
ル接続点電圧ｄが印加されるようになっている。また、
固定端子７ｄ４と７ｄ５が接続され、図１の平滑回路６
から出力される平滑回路出力ｅが印加されるようになっ
ている。

【００２１】アナログスイッチ７ｄの可動端子７ｄ１
は、抵抗Ｒ１を介して差動増幅回路７ｅの反転入力端７
ｂ１に接続されている。同様にして、可動端子７ｄ２
は、抵抗Ｒ２を介して差動増幅回路７ｅの非反転入力端
７ｃ１に接続されている。この非反転入力端７ｃ１は、
抵抗Ｒ３とコンデンサＣ１を経てア−スされている。抵
抗Ｒ３とコンデンサＣ１との接続点は前記固定端子７ｄ
５に接続され、平滑回路出力ｅが差動増幅回路７ｅの基
準電圧として印加されるようになっており、この差動増
幅回路７ｅの出力端と反転入力端間には、抵抗Ｒ４が接
続されている。かくして、同期型反転差動増幅回路７が
構成されている。

【００２２】このように、図３の同期型反転差動増幅回
路７では、アナログスイッチ７ｄに第１の駆動電圧ｂが
印加されることにより、可動端子７ｄ１が固定端子７ｄ
３と７ｄ４、可動端子７ｄ２が固定端子７ｄ５と７ｄ６
を切り換えることにより、反転入力端７ｂ１，非反転入
力端７ｃ１には、コイル接続点電圧ｄと平滑回路出力ｅ
とが交互に切り換わって入力されるようになっている。

【００２３】差動増幅回路７ｅの出力端からは、コイル
接続点電圧ｄと平滑回路出力ｅとの差動信号ｆが出力さ
れる。この差動信号ｆは図１のロ−パスフイルタとして
の平滑回路８に入力されるようになっている。

【００２４】ここで、説明を再び図１に戻す。この図１
の同期型反転差動増幅回路７の出力端、（すなわち、図
３の差動増幅回路７ｅの出力端）から出力された差動信
号ｆは上述のように、平滑回路８に入力されると、その
出力端から平滑回路出力ｇが感度零点調整回路９に入力
されるようになっている。この感度零点調整回路９は、
感度ゲインや零点の必要な調整を行う回路であり、全体
がアッセンブリされた後、最終的にばらつき調整を実施
するためのものである。

【００２５】次に、動作について説明する。方形波発振
回路４は、図２の（ａ）に示すような方形波の発振出力
ａをドライブ回路５に送出する．これにより、ドライブ
回路５は第１の出力端５ａから図２の（ｂ）に示すよう
な第１の駆動電圧ｂを発生するとともに、第２の出力端
５ｂから、図２の（ｃ）に示すような第２の駆動電圧ｃ
を発生する。 第１の駆動電圧ｂはデュティ５０％でロ
−レベル０［Ｖ］とハイレベルＶｃ［Ｖ］（たとえば、
６Ｖ）の方形波電圧であり、この第１の駆動電圧ｂはコ
イル２の一端に印加されると同時に、演算回路７の同期
信号入力端７ａ（図３ではアナログスイッチ７ｄの可動
端子７ｄ１、７ｄ２）に印加される。

【００２６】また、ドライブ回路５の第２の出力端５ｂ
から出力される第２の駆動電圧ｃは第１の駆動電圧ｂを
反転した電圧である。第２の駆動電圧ｃはコイル３の一
端に印加される。したがって、コイル２，３には、交互
に「０−Ｖｃ」間または「Ｖｃ−０」間の電圧が印加さ
れる。この印加電圧により、コイル２、３には半周期ご
とに方向が反転する電流が流れる。この電流により、コ
イル２、３から磁束が発生して、磁歪材料に流れる。つ
まり、磁歪材料によるシヤフト１の形状異方性部位１
ａ、１ｂおいては、外部から加えられる応力により透磁
率が変化し、その変化に応じてコイル２、３のインピー
タンスが変化して、コイル２と３との接続点から出力さ
れるコイル接続点電圧ｄが変化し、シヤフト１に加えら
れた応力を検出することになる。

【００２７】コイル接続点電圧ｄは、同期型反転差動増
幅回路７の反転入力端７ｂに入力さると同時に平滑回路
６に入力され、そこで平滑して、低周波数成分の平滑回
路出力ｅが同期型反転差動増幅回路７の非反転入力端７
ｃに入力され。同期型反転差動増幅回路７の同期信号入
力端７ａには、第１の駆動電圧ｂが印加されており、こ
の第１の駆動電圧ｂの反転タイミングに同期して、同期
型反転差動増幅回路７は、（コイル接続点電圧ｄ−平滑
回路出力ｅ）と（平滑回路出力ｅ−コイル接続点電圧
ｄ）の演算を交互に行い、その演算結果として差動信号
ｆを平滑回路８に出力して、そこで平滑し、アナログ電
圧に変換する。

【００２８】前記同期型反転差動増幅回路７の作動を図
３で説明すれば、平滑回路６から出力される平滑回路出
力ｅが、差動増幅回路７ｅの非反転入力端７ｃ１に、抵
抗Ｒ３を経て基準出圧として印加されており、第１の駆
動電圧ｂの反転ごとに、アナログスイッチ７ｄの可動端
子７ｄ１は固定端子７ｄ４と７ｄ４を切り換えると同時
に、可動端子７ｄ２は固定端子７ｄ５と７ｄ６を切り換
える。これにより、前記コイル接続点電圧ｄと平滑回路
出力ｅがアナログスイッチ７ｄにより交互に切り換えら
れ、抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して差動増幅回路７ｅの反転入
力端７ｂ１と非反転入力端７ｃ１に入力され、前記と同
様に、（コイル接続点電圧ｄ−平滑回路出力ｅ）と（平
滑回路出力ｅ−コイル接続点電圧ｄ）の演算を交互に行
い、差動信号ｆを図１の平滑回路８に送出する。

【００２９】図１の平滑回路８は、同期型反転差動増幅
回路７から出力される差動信号ｆが入力されると、これ
を平滑して低周波数成分を取り出して、アナログ電圧に
変換した平滑回路出力ｇを感度、零点調整回路９に出力
する。この感度、零点調整回路９は、最終出力の形態を
図５に示すトルク−出力電圧特性の傾きや、零点のばら
つきを調整する。これらのばらつきは主に磁歪材料の製
造のばらつきや、アセンブリ時のコイル対シヤフト１の
磁気異方性部位の相対位置のばらつきによるものであ
る。

【００３０】ここで、前記コイル２、３と同期型反転差
動増幅回路７の部分の動作についてさらに詳細に説明す
る。すでに述べたように、上記のコイル２、３には、半
周期ごとに方向が反転する電流が流れるようにすること
により、磁歪材料には、磁化特性曲線（以下、Ｂ−Ｈ曲
線という）の磁束Ｂが零の点を中心として左右対称な磁
束Ｂを印加して使用する状態となる。

【００３１】このため、一定電流（ひいては、一定磁
束）がバイアスされて磁歪材料が使用される場合に問題
となるＢ−Ｈ曲線の非線型性や、ヒステリシス特性を要
因として雰囲気温度の変化によって発生する感度や、対
トルクヒステリシスの変動などが緩和され、、コイル接
続点電圧ｄが安定した状態で得られる。また、コイル
２，３に対しては、見かけ上２ＶｃＰ−Ｐの電圧、すな
わち、電源電圧の２倍のピ−ク・ピ−クの電圧で励磁が
でき、検出感度を安定化できるとともに、高めることが
できる。

【００３２】さらに、この発明では、コイル２、３の印
加電圧を零〜電源電圧（定電圧電源）の方形波としてい
るから、通常の正弦波を使用した場合に問題となる波形
の歪み率や位相変動の影響を受けにくく、回路構成も極
めて簡略化できる。

【００３３】さらに、図４に信号波形を示して各部の動
作の説明をする。図４の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図２
の（ｂ）、（ｃ）に対応しており、図４の（ａ）に示す
第１の駆動電圧ｂがコイル２の一端に印加され、図４の
（ｂ）に示す第２の駆動電圧ｃは第１の駆動信号ｂを反
転してコイル３の一端に印加され、そして演算回路７の
アナログスイッチ７ｄの可動端子７ｄ１、７ｄ２を切り
換える同期信号にも、この第１の駆動電圧ｂが使用され
る。したがって、正弦波駆動の従来の場合のように、位
相調整回路や正弦波から同期信号を生成するコンパレ−
タ等の回路が不要となる。

【００３４】図４の（ａ）の第１の駆動電圧ｂをコイル
２の一端に印加し、（ｂ）の第２の駆動電圧ｃをコイル
３の一端に印加することにより、コイル２，３には図４
の（ｃ）に示すような励磁電流が流れる。この励磁電流
は、方形波の第１の駆動電圧ｂ、第２の駆動電圧ｃに対
して積分波形となる。また、コイル２と３との接続点に
現れるコイル接続点電圧ｄは図４の（ｄ）に示されるよ
うに励磁電流の微分波形で出力される。

【００３５】前記コイル接続点電圧ｄは、第１の駆動電
圧ｂと第２の駆動電圧ｃとによる印加電圧を両コイル
２、３のインピ−ダンスで分圧された値として換算でき
る。いま、磁歪材料によるシヤフト１にトルク（外部応
力）が印加されていない状態での両コイル２、３のイン
ピ−ダンスをＺとし、シヤフト１にある方向に捩じりト
ルクが印加された状態でコイル２のインピ−ダンスが
（Ｚ−ΔＺ）なる変化をした場合、コイル３のインピ−
ダンスは（Ｚ＋ΔＺ）で表わされる。

【００３６】すなわち、シヤフト１に対する形状異方性
部位１ａ、１ｂの変形により透磁率が変化することによ
り、両コイル２、３のインピ−ダンスはほぼ可逆的変化
を示す。しがって、方形波の第１の駆動電圧ｂ、第２の
駆動電圧ｃのある半周期において、コイル接続点電圧ｄ
は次の［数１］で表す信号となる。

【数１】

【００３７】また、方形波の第１の駆動電圧ｂ、第２の
駆動電圧ｃの次の半周期のコイル接続点電圧ｄは次の
［数２］で表す信号となり、これらが上記の図４の
（ｄ）に示されるものである。

【数２】

【００３８】ここで、上記と逆の信号が印加された場合
には、第１の駆動電圧ｂ、第２の駆動電圧ｃを基準とし
た前記半周期におけるコイル接続点電圧ｄは前記［数
２］で表わされる信号となり、次の半周期では、前記
［数１］で表わされる信号となる。

【００３９】このコイル接続点電圧ｄは、同期型反転差
動増幅回路７の反転入力端７ｂに直接入力さるととも
に、平滑回路６で平滑され、平滑出力ｅが同期型反転差
動増幅回路７の非反転入力端７ｃに入力され、同期型反
転差動増幅回路７は第１の駆動電圧ｂ、第２の駆動点圧
ｃのある半周期において、次の［数３］で表わされる演
算を行う。

【数３】 そして、次の半周期においては、次の［数４］で表わさ
れる演算を行う。

【数４】

【００４０】この［数３］、［数４］の演算結果とし
て、全周期を通じて基準電圧Ｖｃ／２を中点とした図４
の（ｅ）に示す信号が同期型反転差動増幅回路７から差
動信号ｆとして出力される。すなわち、次の［数５］で
表わされる信号が得られる。

【数５】 また、シヤフト１に逆トルクが印加された場合には、前
記と同様に全周期を通じて、次の［数６］で表せる信号
が同期型反転差動増幅回路７から得られ、シヤフト１に
トルクが印加されない場合には、同期型反転差動増幅回
路７の出力信号はＶｃ／２となる。

【数６】

【００４１】図４の（ｅ）の信号波形図から明らかなよ
うに、図４の（ｄ）の方形波信号の立ち上がり、立ち下
がり部、すなわち、方形波信号のエッジ部に生じる回路
の応答遅れなどに起因するスパイク状の信号と、コイル
の減衰特性に起因する振動的波形は、いずれもコイル
２、３の駆動周波数に比較して高い周波数帯の信号であ
り、信号の平滑が極めて行い易いという利点がある。つ
まり、従来の正弦波駆動の場合には、同期検波の後に全
波整流する場合においても、リップル除去用の平滑回路
としてのロ−パスフイルタのカット周波数の１００分の
１程度に設定する必要がある。したがって、応答性が制
約されることになる。

【００４２】これに対して、本実施例では、信号波形が
連続した方形波であり、リップルも小さく、信号の平滑
は主に方形波のエッジ部に同期したスパイク状の駆動周
波数よりも高い周波数成分の除去ができればよく、ロ−
パスフイルタのカットオフ周波数は信号の基本周波数近
くまで高めることが可能である。すなわち、リップルを
除去するために信号を平滑しても、応答性が大きく損な
われることがなく、応答性に優れた力検出装置を実現で
きる。

【００４３】上記から明らかなように、上記実施例で
は、磁歪材料によるシヤフト１に形成した形状異方性部
位１ａ、１ｂに対応して二つのコイル２、３を配置して
直列に接続し、両コイル２、３の両端に相互に逆相とな
る方形波の第１の駆動電圧ｂと第２の駆動電圧ｃを印加
し、両コイルの接続点より得られるコイル接続点電圧ｄ
とそれを平滑回路６で平滑した平滑回路出力ｅとを同期
型反転差動増幅回路７に入力して、第１の駆動電圧ｂの
反転タイミングに同期して（コイル接続点電圧ｄ−平滑
回路出力ｅ）の演算と（平滑回路出力ｅ−コイル接続点
電圧ｄ）の演算を交互に行って差動信号ｆを得るように
したので、簡単な回路構成にでき、応答性が改善され、
かつ環境温度などの影響も受け難くなる効果が得られ
る。

【００４４】次に、この発明の第２の実施例について説
明する。図６は第２の実施例の構成を示すブロック図で
あり、図１と同一部分には、同一符号を付すのみにとど
め、図１とは異なる部分を主体的に説明する。この図６
を図１と比較しても明らかなように、図６では図１の構
成に新たにサンプリング信号発生回路１０を設けたもの
である。

【００４５】すなわち、前記同期型反転差動増幅回路７
の出力形態の特徴を生かして、信号の平滑にサンプルホ
−ルド回路１１を使用することによって、さらに応答性
を高めるようにしたものであり、ドライブ回路５の第１
の出力端５ａから出力される第１の駆動電圧ｂが、サン
プリング信号発生回路１０に入力されるようになってい
る。このサンプリング信号発生回路１０からサンプリン
グ信号ｇがサンプルホ−ルド回路１１に入力されるよう
になっている。このサンプルホ−ルド回路１１は図１の
平滑回路８の位置に挿入されている。したがって、図６
では、図１における平滑回路８が省略されている。その
他の構成は図１と同様である。

【００４６】次に、第２の実施例の動作について説明す
る。この動作の説明に際しても、図１と同じ動作をする
部分にいては、重複説明を避ける。従来のような正弦波
駆動における同期検波の場合には、平滑回路に積分機能
が必要となるが、この発明のように、方形波駆動におい
て得られる出力波形は、とくに図４の（ｅ）の同期型反
転差動増幅回路７の出力波形において明らかなように、
出力の不安定部分は方形波の立ち上がり、立ち下がり部
に限定され、他の部位、すなわち、ピ−ク値は印加トル
クに対応した一定値で安定して保持されていることが特
徴となっている。

【００４７】図７はこの第２の実施例の動作を説明する
ための波形図であり、図７の（ａ）〜（ｅ）は図２の
（ａ）〜（ｅ）と同じであり、その部分に関連する部分
の説明は割愛する。図７の（ｂ）に示される前記方形波
による第１の駆動電圧ｂがサンプリング信号発生回路１
０に入力されると、このサンプリング信号発生回路１０
は第１の駆動電圧ｂを基準にしてその立ち上がり点、立
ち下がり点より所定の時間遅れをもって図７（ｇ）に示
すようになサンプリング信号ｇを発生してサンプルホ−
ルド回路１１に出力する。

【００４８】このサンプリング信号ｇの時間遅れの設定
の厳密さは問われず、立ち上がり点、立ち下がり点の出
力変動部位を避けることを主眼に設定される。このサン
プリング信号ｇがサンプルホ−ルド回路１１に入力され
ると、これに同期して同期型反転差動増幅回路７から出
力される図７の（ｆ）のような差動信号ｆをホ−ルド
し、更新を実行し、図７（ｈ）に示すようなサンプルホ
−ルド信号ｈすなわち、アナログ電圧を感度、零点調整
回路９に出力する。

【００４９】この実施例によれば、シヤフト１に加わる
実トルクに対して最大に見積もっても、駆動信号の半周
期分の遅れが発生するだけであり、積分機能を用いた平
滑回路に比較して、駆動周波数まで応答性を高めること
ができ、格段の高応答性が得られる利点を有する。

【００５０】なお、上記各実施例では、アナログ出力を
得るための構成を例示したが、この発明はこれに限定さ
れるものではなく、上記方形波の信号の特徴を生かせ
ば、平滑処理を一切行わず、マイクロプロセッサなどで
所定タイミングで方形波の出力の所定点の読み込みを行
うことにより、トルクの検出が可能であることは自明で
ある。また、上記各実施例では、トルク検出を例として
説明したが、トルクのみならず、磁歪方式でブリッジ回
路で検出する力検出器に広く適用可能であることはいう
までもない。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、その構成を磁歪材料の外部から加わる応力により、
可逆的に透磁率が変化する二つの部位にそれぞれコイル
を巻装し、両コイルを直列に接続して両コイルの両端に
相互に逆相となる方形波の駆動電圧を印加し、両コイル
の接続点から得られる第１の信号とそれを平滑した第２
の信号を演算回路に入力していずれか一方の方形波の駆
動電圧の反転タイミングに同期して（第１の信号−第２
の信号）と（第２の信号−第１の信号）の演算を交互に
行うことにより、応力を検出するようにしたので、ピ−
ク・ツ−・ピ−クで電源電圧の２倍近い大きな励磁電圧
がコイルに印加でき、出力感度の向上と安定化が図られ
るとともに、リップルの少ない出力が得られ、信号の平
滑を行っても応答性を損なうことがなく、高応答性がえ
られる。また、回路構成を簡略化でき、したがってコス
トの低減が可能となるとともに、雰囲気温度に対する安
定性が向上する。また、図６の実施例は上記共通の効果
に加えて、さらに駆動周波数まで応答性を高めることが
でき、極めて応答性の高い力検出装置を実現できるとい
う利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の力検出装置の第１の実施例の構成を示
すブロック図である。

【図２】図１の実施例の動作を説明するための波形図で
ある。

【図３】図１の実施例における同期反転型差動増幅回路
の具体的構成を示す回路図である。

【図４】図１の実施例の動作を詳しく説明するための回
路の各部の信号波形図である。

【図５】図１の実施例で最終的に得られるトルク対出力
電圧特性図である。

【図６】第２の実施例の構成を示すブロック図である。

【図７】図６の実施例の動作を説明するための波形図で
ある。

【符号の説明】

１ シヤフト １ａ 形状異方性部位 １ｂ 形状異方性部位 ２ コイル ３ コイル ４ 方形波発振回路 ５ ドライブ回路 ６ 平滑回路 ７ 同期型反転差動増幅回路 ７ｄ アナログスイッチ ７ｅ 差動増幅回路 ８ 平滑回路 ９ 感度、零点調整回路 １０ サンプリング信号発生回路 １１ サンプルホ−ルド回路

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加えられる外力に対してほぼ可逆的に透
   磁率が変化する磁歪材料と、この磁歪材料の前記可逆的
   に透磁率が変化する二つの部位にそれぞれ巻装され直列
   接続された二つのコイルと、この二つのコイルの両端に
   相互に逆位相の方形波電圧を印加する駆動手段と、前記
   二つのコイルの接続部より得られる第１の信号とこの第
   １の信号を平滑して得られる第２の信号を基に前記方形
   波電圧の反転タイミングに同期して（第１の信号−第２
   の信号）の演算と（第２の信号−第１の信号）の演算と
   を交互に行う演算回路とを備えたことを特徴とする力検
   出装置。
2. 【請求項２】 前記演算回路の出力は、平滑回路により
   平滑してアナログ電圧とすることを特徴とする請求項１
   記載の力検出装置。
3. 【請求項３】 前記演算回路の出力は、前記方形波電圧
   の立ち上がり、立ち下がりより所定時間遅延したサンプ
   リング信号に同期してサンプルホ−ルド回路によりサン
   プリングおよびホ−ルドすることを特徴とする請求項１
   記載の力検出装置。
4. 【請求項４】 前記演算回路は、前記駆動手段から出力
   される前記方形波電圧で直接切り換えられるアナログス
   イッチと、このアナログスイッチの切り換えごとに前記
   第１の信号と前記第２の信号を反転入力端と非反転入力
   端に交互に入力して前記（第１の信号−第２の信号）の
   演算と（第２の信号−第１の信号）の演算を行うととも
   に、前記第２の信号を基準電圧とする差動増幅回路とか
   らなることを特徴とする請求項１記載の力検出装置。