JP5914827B2 - 力センサ及びそれを用いた力検知装置、並びに力検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に力センサ、より詳細には磁性体の逆磁歪効果を利用して磁性体に加わる荷重を検知する力センサ及びそれを用いた力検知装置、並びに力検知方法に関する。

従来、コイルを流れる電流によって磁化された磁性体の歪みに伴う透磁率の変化に基づいて、磁性体に加わる荷重を検知する磁歪式荷重センサが知られており、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１記載の磁歪式荷重センサは、外部からの荷重を受ける強磁性体の荷重受け部と、荷重受け部の周囲に巻き回されるコイルと、荷重受け部及びコイルを収容する強磁性体のケースとから少なくとも構成されている。また、コイルは、荷重受け部の周囲に配置された樹脂から成るボビンに収納される。

荷重受け部は、ロッド形状であり、その高さ方向の中心軸を含む軸対称な領域は、貫通されて円柱形状の中空部をなしている。荷重受け部は、中空部にワイヤやケーブル等の棒状部材を密着して挿入することにより、棒状部材の軸方向に加わる荷重を受ける。

荷重受け部に荷重が加わると、逆磁歪効果によって荷重受け部の透磁率が変化して、コイルのインダクタンスを含む回路のインピーダンスが変化する。この磁歪式荷重センサは、このインピーダンス変化に伴うコイル両端の電圧変化を測定することで、荷重受け部の中空部に挿入される棒状部材の移動に起因する荷重を検出（検知）する。

特開２００４−２２６１９６号公報

しかしながら、上記従来の磁歪式荷重センサ（力センサ）では、外部の磁場の影響を低減するために、コイルを流れる電流によって生じる磁束が外部に漏れるのを防ぐ強磁性体のケースを必要としている。このため、従来の磁歪式荷重センサでは、強磁性体のケースを設けるためのスペースが必要となり、薄型化を図ることが困難であるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みて為されており、薄型化を図ることのできる力センサ及びそれを用いた力検知装置、並びに力検知方法を提供することを目的とする。

本発明の力センサは、磁性体で形成される中空部を有するコアと、前記コアに取り付けられるコイルとを備え、前記コアには、前記中空部の周方向に沿って前記コイルの通電時に生じる磁束が通る閉磁路が形成され、前記コアは、前記閉磁路が形成される面と交差する交差方向の一面に、荷重を受ける荷重受け部を備え、前記荷重受け部は、荷重を受ける向きと反対向きに突出する突部であって、弾性を有する材料で形成される突部を、前記交差方向の一面に複数備え、前記コアの前記荷重受け部に設けられた前記複数の突部のうち、少なくとも二つの突部に荷重が加わると、逆磁歪効果により、荷重の大きさに応じて前記コアの透磁率が変化することを特徴とする。

この力センサにおいて、前記コイルに加わる荷重を避ける構造を備えることが好ましい。

この力センサにおいて、前記構造は、前記コアが、前記コイルが取り付けられる取付部において他の部位よりも前記交差方向の寸法が小さくされた構造であって、前記取付部の前記交差方向における寸法は、前記他の部位の前記交差方向における寸法内に前記コイルが収まるように設定されていることが好ましい。

この力センサにおいて、前記構造は、前記交差方向の前記荷重受け部側において前記コイルを少なくとも覆う保護部であることが好ましい。

この力センサにおいて、前記コアの一部に取り付けられるボビンを備え、前記コイルは、前記ボビンを介して前記コアに導線を巻き付けることで構成されることが好ましい。

この力センサにおいて、前記コアは、前記中空部の周方向の一部に空隙を有し、前記ボビンは、前記空隙を覆うように前記コアに取り付けられることが好ましい。

この力センサにおいて、金属材料により形成され、前記コアの少なくとも一部を覆う遮蔽部を備えることが好ましい。

本発明の力検知装置は、上記何れかの前記力センサと、前記コイルのインダクタンスの変化に基づいて前記荷重受け部に加わる荷重を検知する検知回路とを備えることを特徴とする。

本発明の力検知装置は、上記何れかの前記力センサと、前記コイルのコンダクタンスの変化に基づいて前記荷重受け部に加わる荷重を検知する検知回路とを備えることを特徴とする。

本発明の力検知方法は、上記何れかの前記力センサにおいて、前記コイルに電流を供給するステップと、前記荷重受け部に加わる前記交差方向の荷重を、前記コイルのインダクタンスの変化に基づいて検知するステップとを有することを特徴とする。

本発明の力検知方法は、上記何れかの前記力センサにおいて、前記コイルに電流を供給するステップと、前記荷重受け部に加わる前記交差方向の荷重を、前記コイルのコンダクタンスの変化に基づいて検知するステップとを有することを特徴とする。

本発明の力センサでは、コアは、中空部の周方向に沿ってコイルの通電時に生じる磁束が通る磁路（閉磁路）が形成されるように構成されている。このため、本発明の力センサでは、コアから外部への磁束の漏れが生じ難く、従来例のように強磁性体のケースを用いなくてもよい。したがって、本発明の力センサは、強磁性体のケースを設けるスペースが不要であるので、薄型化を図ることができる。

図１Ａは、本発明の実施形態に係る力検知装置の概略図で、図１Ｂは、本発明の実施形態に係る力センサの概略平面図で、図１Ｃは、図１Ｂに示す構成の概略断面図である。 図２Ａは、本発明の実施形態に係る力検知装置における検知回路の概略図で、図２Ｂは、本発明の実施形態に係る力センサにおいて、荷重受け部に加わる荷重と、コイルのインダクタンス及びコンダクタンスとの相関図である。 従来の力センサを示す概略図である。 図４Ａは、本発明の実施形態に係る力センサにおいて、突部を備えた構成の概略平面図で、図４Ｂは、図４Ａに示す構成の概略断面図である。 本発明の実施形態に係る力センサにおいて、取付部を設けずにコアに導線を巻き付けてコイルを設けた構成の概略断面図である。 本発明の実施形態に係る力センサにおいて、保護部を備えた構成の概略断面図である。 図７Ａは、本発明の実施形態に係る力センサにおいて、ボビンを備えた構成の概略平面図で、図７Ｂは、図７Ａに示す構成の概略断面図である。 図８Ａは、本発明の実施形態に係る力センサにおいて、コアが空隙を有する構成の概略平面図で、図８Ｂは、図８Ａに示す構成の概略断面図である。 図９Ａは、本発明の実施形態に係る力センサにおいて、ボビンの寸法を変更した構成の概略平面図で、図９Ｂは、図９Ａに示す構成の概略断面図である。 図１０Ａは、本発明の実施形態に係る力センサにおいて、ボビンの寸法を更に変更した構成の概略平面図で、図１０Ｂは、図１０Ａに示す構成の概略断面図である。 本発明の実施形態に係る力センサにおいて、遮蔽部を備えた構成の概略断面図である。 図１２Ａは、本発明の実施例における力検知装置の概略図で、図１２Ｂは、本発明の実施例における力検知装置の使用方法の説明図である。

本発明の実施形態に係る力センサ２は、図１Ｂ，図１Ｃに示すように、磁性体で形成される中空部４００を有するコア４と、コア４に取り付けられるコイル５とを備える。コア４には、中空部４００の周方向に沿ってコイル５の通電時に生じる磁束が通る磁路Ｍ１が形成される。そして、コア４は、磁路Ｍ１が形成される面と交差する交差方向の一面に、荷重を受ける荷重受け部４０を備える。

また、本発明の実施形態に係る力検知装置１は、図１Ａに示すように、本実施形態の力センサ２と、検知回路３とを備える。検知回路３は、コイル５のインダクタンス（又は、コンダクタンス）の変化に基づいて荷重受け部４０に加わる荷重を検知する。

また、本発明の実施形態に係る力検知方法は、本実施形態の力センサ２において、コイル５に電流を供給するステップを有する。また、本実施形態の力検知方法は、荷重受け部４０に加わる交差方向の荷重を、コイル５のインダクタンス（又は、コンダクタンス）の変化に基づいて検知するステップを有する。

以下、本発明の実施形態に係る力センサ２及びそれを用いた力検知装置１、並びに力検知方法について詳細に説明する。本実施形態の力検知装置１は、図１Ａに示すように、力センサ２と、検知回路３とを備える。

力センサ２は、図１Ｂ，図１Ｃに示すように、中空部４００を有するコア４と、コア４に取り付けられるコイル５とを備える。コア４は、例えばＮｉ（ニッケル）−Ｚｎ（亜鉛）フェライト等の磁性体により円環状に形成されている。なお、コア４は、コア４に荷重が加わると逆磁歪効果を奏する磁性体で形成されていればよい。逆磁歪効果とは、磁化されたコア４が荷重を加えられることで歪み、この歪みによりコア４の透磁率が変化する効果をいう。

コイル５は、コア４の中空部４００と外側とを交互に通るように、導線をコア４の一部に巻き付けることで構成されている。なお、導線としては、絶縁材料で被覆した銅線（例えば、エナメル線など）を用いるのが望ましい。以下の説明では、コア４において導線が巻き付けられる部位（すなわち、コイル５が取り付けられる部位）を「取付部４１」と称する。

コア４の内部には、図１Ｂに示すように、コイル５の通電時に生じる磁束が通る。このため、コア４には、中空部４００の周方向に沿った磁路（磁気回路）Ｍ１が形成される。この磁路Ｍ１は、閉磁路である。

コア４は、その厚さ方向（図１Ｃにおける上下方向）の一面（図１Ｃにおける上面）に、荷重を受ける荷重受け部４０を備える。換言すれば、コア４は、磁路Ｍ１が形成される面と交差する交差方向の一面に荷重受け部４０を備える。本実施形態の力センサ２では、コア４は、磁路Ｍ１が形成される面と直交する方向の一面に荷重受け部４０を備えている。なお、「直交」とは、完全な「直交」のみではなく、「ほぼ直交」を含む表現である。

検知回路３は、図２Ａに示すように、発振回路３０と、周期計測回路３１と、二乗回路３２と、温度補償回路３３と、信号処理回路３４とを備える。発振回路３０は、コイル５を含む共振回路５０の発振を維持するように構成されている。また、発振回路３０は、共振回路５０の共振周波数に対応する周波数で発振する発振信号を出力するように構成されている。周期計測回路３１は、発振回路３０から出力される発振信号の周期を計測し、計測した周期に対応する信号を出力するように構成されている。二乗回路３２は、周期計測回路３１から出力される信号の二乗値を演算して出力するように構成されている。温度補償回路３３は、温度補償処理により、二乗回路３２から出力される信号の温度変動を抑制するように構成されている。信号処理回路３４は、温度補償回路３３から出力される信号に基づいて、コア４の荷重受け部４０に加わる荷重の変化を検知するように構成されている。

共振回路５０の等価回路は、図２Ａに示すように、インダクタＬ１及び抵抗Ｒ１の直列回路と、キャパシタＣ１との並列回路で構成される。ここでは、インダクタＬ１のインダクタンスは、コイル５のインダクタンスと等価である。また、抵抗Ｒ１の抵抗値は、コイル５の巻線抵抗の抵抗値と等価である。また、キャパシタＣ１の容量値は、コイル５の寄生容量と等価である。すなわち、本実施形態の力検知装置１では、コイル５のみで共振回路５０を構成している。なお、共振回路５０は、コイル５と並列にキャパシタ（図示せず）を電気的に接続することで構成してもよい。この構成では、キャパシタＣ１の容量値は、コイル５の寄生容量と、コイル５と並列に接続されたキャパシタの容量値との合成容量と等価である。

ここで、本発明の実施形態に係る力検知方法について説明する。本実施形態の力検知方法は、本実施形態の力センサ２において、コイル５に電流を供給するステップを有する。また、本実施形態の力検知方法は、荷重受け部４０に加わる交差方向（ここでは、図１Ｃにおける上下方向）の荷重を、コイル５のインダクタンスの変化に基づいて検知するステップを有する。以下、本実施形態の力検知装置１の動作を説明することにより、本実施形態の力検知方法について説明する。

先ず、外部の電源（図示せず）がコイル５に電流を供給する。ここでは、検知回路３の発振回路３０がコイル５に電流を供給する。すると、コア４は、コイル５が通電することで発生する磁束により磁化される。そして、コア４には、図１Ｂに示す磁路Ｍ１が形成される。次に、コア４の荷重受け部４０に、コア４を押す向き（図１Ｃに示す矢印の向き）に荷重が加わると、逆磁歪効果により、荷重の大きさに応じてコア４の透磁率が変化する。このため、コア４の透磁率の変化に伴って、コイル５のインダクタンスが変化する。

すなわち、図２Ｂに示すように、コイル５のインダクタンスは、荷重受け部４０に加わる荷重に応じて変化する。なお、図２Ｂでは、荷重受け部４０に荷重が加わっていないときのコイル５のインダクタンスを１００％として、荷重に応じたコイル５のインダクタンスの変化量を示している。

コイル５のインダクタンスが変化すると、コイル５を含む共振回路５０の共振周波数が変化する。検知回路３では、既に述べたように、発振回路３０が共振回路５０の共振周波数に対応する周波数の発振信号を出力し、周期計測回路３１が、発振信号の周期に対応する信号を出力する。ここで、発振信号の周期は、等価回路におけるインダクタＬ１のインダクタンスとキャパシタＣ１の容量値との積の平方根で表される。そして、二乗回路３２が周期計測回路３１の出力信号の二乗値を演算して出力するため、二乗回路３２の出力信号は、コイル５のインダクタンスの変化に対して直線的に変化する。ここで、二乗回路３２の出力信号は、温度補償回路３３により温度変動分を補正されるが、温度補償回路３３の出力信号は、やはりコイル５のインダクタンスの変化に対して直線的に変化する。

そして、信号処理回路３４は、温度補償回路３３の出力信号に基づいてコイル５のインダクタンスを演算し、得られたコイル５のインダクタンスの変化量から荷重受け部４０に加わる荷重を演算する。すなわち、検知回路３は、コイル５のインダクタンスの変化に基づいてコア４の荷重受け部４０に加わる荷重を検知する。

上述のように、本実施形態の力センサ２では、コア４は、中空部４００の周方向に沿ってコイル５の通電時に生じる磁束が通る磁路Ｍ１（閉磁路）が形成されるように構成されている。このため、本実施形態の力センサ２では、コア４から外部への磁束の漏れが生じ難く、従来例のように強磁性体のケースを用いなくてもよい。したがって、本実施形態の力センサ２は、強磁性体のケースを設けるスペースが不要であるので、薄型化を図ることができる。

ところで、特開２００３−１９４６３９号公報（以下、「参考例」と称する）には、強磁性体のケースを不要とした力センサ１００が開示されている。この力センサ１００は、図３に示すように、２つの鉄心１０１と、磁歪部材１０２と、励磁コイル１０３と、検知コイル１０４とを備える。

各鉄心１０１には、その長手方向（図３における左右方向）の両端にそれぞれ鉄心脚部１０１Ａが一体に形成されている。そして、一方の鉄心１０１の各鉄心脚部１０１Ａと、他方の鉄心１０１の各鉄心脚部１０１Ａとの間には、それぞれ間隙（空隙）１０５が設けられている。磁歪部材１０２は、磁性材料により円柱状に形成され、２つの鉄心１０１に挟持されている。励磁コイル１０３は、各鉄心１０１の一方側（図３における左側）の各鉄心脚部１０１Ａの周囲に巻き回されており、交流電流を流すことで、各鉄心１０１と磁歪部材１０２とに磁束を発生させる。検知コイル１０４は、各鉄心１０１の他方側（図３における右側）の各鉄心脚部１０１Ａの周囲に巻き回されており、各鉄心１０１を通過する磁束を検知する。

以下、この力センサ１００の動作について説明する。励磁コイル１０３に交流電流を流すと、鉄心脚部１０１Ａ−間隙１０５−鉄心脚部１０１Ａを通過する磁束の磁路Ｍ２と、鉄心脚部１０１Ａ−間隙１０５−磁歪部材１０２を通過する磁束の磁路Ｍ３とが形成される。ここで、一方（図３における上方）の鉄心１０１に、磁歪部材１０２の軸方向（図３における上下方向）に押下するような荷重が加えられると、鉄心１０１を介して磁歪部材１０２に荷重が伝わり、磁歪部材１０２が圧縮される。このとき、荷重の増加に応じて、磁路Ｍ３の磁気抵抗が増加し、磁気Ｍ２の磁気抵抗が減少するので、磁路Ｍ２を通過する磁束が増加する。したがって、検知コイル１０４で検知される磁束が増加するので、誘起される電圧も増加する。この力センサ１００では、この検知コイル１０４に誘起される電圧から荷重を算出する。

この力センサ１００では、各鉄心１０１と磁歪部材１０２とを通る磁路Ｍ２，Ｍ３がそれぞれ閉磁路である。しかしながら、この力センサ１００では、磁路Ｍ２，Ｍ３が形成される面と、磁歪部材１０２が荷重を受ける方向（図３における上下方向）とが平行になっている。このため、磁路Ｍ２，Ｍ３が必要とする磁路長を確保するためには、各鉄心１０１の高さ方向（図３における上下方向）の寸法を調整する必要がある。したがって、この力センサ１００は、構造上、荷重を受ける方向において薄型化を図ることは困難である。

一方、本実施形態の力センサ２では、図１Ｂ，図１Ｃに示すように、磁路Ｍ１が形成される面と、コア４の荷重受け部４０が荷重を受ける方向（図１Ｃにおける上下方向）とが交差するようになっている。このため、磁路Ｍ１が必要とする磁路長を確保するためには、コア４の周方向の寸法を調整すればよく、コア４の厚さ方向（交差方向）の寸法は磁路Ｍ１の磁路長に依存しない。したがって、本実施形態の力センサ２は、参考例に開示されている力センサ１００と比較して、荷重を受ける方向において薄型化を図ることができる。

なお、本実施形態の力センサ２では、コア４の形状は円環状に限定されず、例えば図８Ａ等に示すように、四隅に丸まった角を有する環状であってもよい。すなわち、コア４は、中空部４００の周方向に沿ってコイル５の通電時に生じる磁束が通る磁路（閉磁路）が形成される形状であればよい。

また、本実施形態の力検知装置１では、検知回路３は、二乗回路３２及び温度補償回路３３を備えずに、周期計測回路３１から出力される信号に基づいて信号処理回路３４が荷重の変化を検知する構成であってもよい。また、図２Ａに示す検知回路３の構成は一例であり、検知回路３は、コイル５のインダクタンスの変化に基づいて荷重を検知する構成であればその他の構成であってもよい。

更に、図２Ｂに示すように、コイル５のコンダクタンスも荷重の変化に応じて変化するため、検知回路３は、コイル５のコンダクタンスの変化に基づいて荷重を検知する構成であってもよい。なお、図２Ｂでは、荷重受け部４０に荷重が加わっていないときのコイル５のコンダクタンスを１００％として、荷重に応じたコイル５のコンダクタンスの変化量を示している。この場合における本実施形態の力検知方法は、本実施形態の力センサ２において、コイル５に電流を供給するステップと、荷重受け部４０に加わる交差方向の荷重を、コイル５のコンダクタンスの変化に基づいて検知するステップとを有する。

なお、本実施形態の力センサ２では、荷重受け部４０はコア４の厚さ方向（交差方向）の一面であって、平面で構成されているが、荷重受け部４０は必ずしも平面で構成されていなくてもよい。例えば、図４Ａ，図４Ｂに示すように、荷重受け部４０は、コア４の厚さ方向（交差方向）の一面に１乃至複数の突部４２を備えた構成であってもよい。突部４２は、半球状に形成されており、荷重を受ける向きと反対向き（図４Ｂにおける上向き）に突出している。なお、突部４２の形状は、半球状に限定されず、他の形状であってもよい。また、突部４２は、例えば弾性を有する材料で形成してもよい。

ところで、例えば図５に示すように、単にコア４に導線を巻き付けるだけでコイル５を構成した場合、コア４の厚さ方向（交差方向）において、コイル５の一部が荷重受け部４０よりも突出する。この構成では、荷重受け部４０に荷重を加えると、コイル５にも荷重が加わり、コイル５が断線する虞がある。また、この構成では、荷重受け部４０には、コイル５の一部が突出する部位と、その他の部位とが存在する。このため、この構成では、荷重受け部４０に均一に荷重が加わらず、荷重を精度良く検知できない虞がある。

そこで、本実施形態の力センサ２では、コイル５に加わる荷重を避ける構造を備える構成であってもよい。本実施形態の力センサ２では、この構造は、コア４が、取付部４１において他の部位よりもコア４の厚さ方向（交差方向）の寸法が小さくされた構造である（図１Ｂ，図１Ｃ参照）。取付部４１は、図１Ｃに示すように、コア４の厚さ方向において、コイル５の寸法Ｔ２がコア４の寸法Ｔ１よりも小さくなるように構成されている。換言すれば、取付部４１の交差方向における寸法は、他の部位の交差方向における寸法内にコイル５が収まるように設定されている。このため、この構成では、コア４の厚さ方向（交差方向）において、コイル５の一部が荷重受け部４０よりも突出することがない。したがって、この構成では、コイル５に荷重が加わるのを避けることができ、コイル５の断線を防止することができる。また、この構成では、荷重受け部４０に均一に荷重が加わり易いので、荷重を精度よく検知することができる。

なお、本実施形態の力センサ２では、図６に示すように、取付部４１を備える代わりに、保護部６を備える構成であってもよい。保護部６は、例えば樹脂材料により板状に形成され、コア４の厚さ方向における両側それぞれに設置される。このため、コイル５の荷重受け部４０よりも突出する部位が、保護部６によって覆われる。すなわち、保護部６は、交差方向の荷重受け部４０側においてコイル５を少なくとも覆うように構成されている。

この構成では、保護部６を介して荷重受け部４０に荷重が加わるので、コイル５に直接荷重が加わるのを避けることができ、コイル５の断線を防止することができる。また、保護部６には、そのコイル５と対向する部位に、コイル５を避ける凹部６０が設けられている。このため、コイル５と保護部６とが直接触れ難いので、コイル５に荷重が加わるのをより避けることができる。

なお、本実施形態の力センサ２では、図７Ａ，７Ｂに示すように、コア４の一部に取り付けられるボビン７を備える構成であってもよい。そして、コイル５は、ボビン７を介してコア４に導線を巻き付けることで構成されてもよい。ボビン７は、絶縁性を有する材料（例えば樹脂材料）により形成されている。また、ボビン７は、図７Ｂに示すように、その一部（図７Ｂにおける上部）を開口した断面Ｃ字状に形成されている。ボビン７は、その開口部分を介してコア４に嵌め込むことで、コア４に取り付けられる。そして、ボビン７をコア４に取り付けた状態で、ボビン７に導線を巻き付けることでコイル５が構成される。

この構成では、ボビン７を介してコア４に導線を巻き付けてコイル５が構成されるので、ボビン７によりコア４とコイル５との短絡を防止することができる。このため、この構成では、コア４を導電性の高い材料で形成することができる。コア４は、例えば鉄やクロム、ニッケル等の金属材料で形成することができる。また、コア４は、例えばＭｎ（マンガン）−Ｚｎ（亜鉛）フェライトやパーマロイなどの合金で形成することができる。特に、コア４を合金で形成する場合には、コア４の強度を高めることができるので、強度を確保しつつ更なる薄型化を図ることができる。

また、本実施形態の力センサ２では、図８Ａ，図８Ｂに示すように、コア４は、中空部４００の周方向の一部に空隙４３を有する構成であってもよい。そして、ボビン７の代わりに、ボビン８が、空隙４３を覆うようにコア４に取り付けられる構成であってもよい。コア４は、図８Ａに示すように、その一部を切り欠くことで、平面視でＣ字状に形成されている。そして、コア４の一方の端部４４と、他方の端部４５との間には、空隙４３が設けられている。ボビン８は、絶縁性を有する材料（例えば樹脂材料）により形成されている。また、ボビン８は、図８Ａ，図８Ｂに示すように、筒状に形成されている。したがって、ボビン８は、ボビン７とは異なり、開口を有していない。ボビン８は、その中空部にコア４の各端部４４，４５が嵌り込むように、空隙４３を介してコア４に取り付けられる。

この構成では、コイル５を構成する導線を予め巻き付けたボビン８を、空隙４３を介してコア４に取り付けることができる。したがって、この構成では、コア４に導線を巻き付ける工程が不要であり、コア４に容易にコイル５を取り付けることができる。また、この構成では、磁路Ｍ１の途中に空隙４３が介在している。すなわち、この構成では、磁路Ｍ１の途中に、透磁率の小さい空気が介在するため、コイル５のインダクタンスのばらつきを低減することができる。なお、図８Ｃには、荷重受け部４０に荷重が加わっていないときのコイル５のインダクタンス（及びコンダクタンス）を１００％として、荷重に応じたコイル５のインダクタンス（及びコンダクタンス）の変化量を示している。

なお、図９Ａ，図９Ｂに示すように、ボビン８は、コア４の幅寸法Ｄ１に収まるように形成されてもよい。この場合、図９Ｂに示すように、ボビン８の中空部にコア４の各端部４４，４５が嵌まり込むように、各端部４４，４５の幅寸法Ｄ２を小さくすればよい。更に、図１０Ａ，図１０Ｂに示すように、ボビン８は、コイル５の荷重受け部４０よりも突出しないように、コア４の厚さ方向において、巻き付けたコイル５の寸法Ｔ２がコア４の寸法Ｔ１よりも小さくなるように形成されてもよい。この場合、図１０Ｂに示すように、ボビン８の中空部にコア４の各端部４４，４５が嵌まり込むように、各端部４４，４５の厚さ寸法Ｔ３を小さくすればよい。

なお、本実施形態の力センサ２では、図１１に示すように、遮蔽部９を備える構成であってもよい。遮蔽部９は、金属材料により板状に形成され、コア４の厚さ方向における両側それぞれに設置される。この構成では、遮蔽部９により外部の磁場の影響を低減することができる。ここでは、荷重を検知する対象物（例えば、ボルトなど）をコア４の中空部４００に通すために、遮蔽部９に孔９０を設けているが、必ず設ける必要はない。すなわち、対象物をコア４の中空部４００に通す必要がない場合は、遮蔽部９に孔９０を設けなくてもよい。また、遮蔽部９を設ける場合は、遮蔽部９を介してコア４とコイル５が短絡しないように、コイル５と遮蔽部９との間に一定の間隔を設けるのが望ましい。

ところで、本実施形態の力センサ２は、従来例の磁歪式荷重センサや、参考例に開示されている力センサ１００と比較して薄型化を図ることができるため、例えばワッシャの代わりに用いることが将来的に可能である。このため、本実施形態の力センサ２を用いた力検知装置１は、例えばボルトを天井や壁に締め付ける際の締付軸力の検知に用いることができる。

以下、本実施形態の力検知装置１を用いて、ボルトＢ１の締付軸力を検知する実施例について図１２を参照して説明する。なお、締付軸力とは、ナットＮ１でボルトＢ１を締め付ける際に、造営材Ａ１（例えば、壁や天井）に加わるボルトＢ１の軸方向に沿った荷重をいう（図１２Ｂ参照）。

この実施例において、力検知装置１は、図１２Ａに示すように、力センサ２と、検知回路３を実装した基板３００とをケース１０に収納して構成されている。ケース１０は、例えば樹脂材料により形成され、力センサ２を保護する半円盤状の第１ケース１０Ａと、基板３００を保護する扁平な直方体状の第２ケース１０Ｂとで構成されている。ケース１０は、外部磁場を低減するために用いる従来の強磁性体のケースとは異なり、磁路Ｍ１の形成に関与しない。したがって、ケース１０は、荷重に耐え得る強度を有していればよく、薄型に形成することができる。

第１ケース１０Ａには、ボルトＢ１の軸部Ｂ１０を通すために、平面視で円形状の通孔１０Ｃを設けている。この通孔１０Ｃと、コア４の中空部４００とをボルトＢ１の軸部Ｂ１０が通るようになっている。

以下、この実施例における力検知装置１の使用方法について説明する。先ず、ボルトＢ１を造営材Ａ１の裏側（図１２Ｂにおける下側）から通す。なお、図１２Ｂでは、ボルトＢ１の頭部の図示を省略している。次に、造営材Ａ１の表側（図１２Ｂにおける上側）に突出する軸部Ｂ１０に通孔１０Ｃ及びコア４の中空部４００を通す。そして、造営材Ａ１との間で第１ケース１０Ａを挟む形で、ナットＮ１を軸部Ｂ１０に通して締め付ける。すると、コア４の荷重受け部４０に、第１ケース１０Ａを介してボルトＢ１の締付軸力が加わる。したがって、力検知装置１は、検知回路３が荷重受け部４０に加わる荷重を検知することで、ボルトＢ１の締付軸力を検知することができる。

上述のように、本実施形態の力センサ２はワッシャの代わりに用いることができる。したがって、例えば、トンネルの天井板を吊り下げるために用いるアンカーボルト（図示せず）に本実施形態の力センサ２をワッシャとして取り付ければ、現場から離れた場所でアンカーボルトの締付軸力をモニタリングすることも可能である。

１ 力検知装置
２ 力センサ
３ 検知回路
４ コア
４０ 荷重受け部
４００ 中空部
４１ 取付部
４３ 空隙
５ コイル
６ 保護部
７，８ ボビン
９ 遮蔽部
Ｍ１ 磁路

Claims (11)

1. 磁性体で形成される中空部を有するコアと、前記コアに取り付けられるコイルとを備え、
   前記コアには、前記中空部の周方向に沿って前記コイルの通電時に生じる磁束が通る閉磁路が形成され、
   前記コアは、前記閉磁路が形成される面と交差する交差方向の一面に、荷重を受ける荷重受け部を備え、
   前記荷重受け部は、荷重を受ける向きと反対向きに突出する突部であって、弾性を有する材料で形成される突部を、前記交差方向の一面に複数備え、
   前記コアの前記荷重受け部に設けられた前記複数の突部のうち、少なくとも二つの突部に荷重が加わると、逆磁歪効果により、荷重の大きさに応じて前記コアの透磁率が変化することを特徴とする力センサ。
2. 前記コイルに加わる荷重を避ける構造を備えることを特徴とする請求項１記載の力センサ。
3. 前記構造は、前記コアが、前記コイルが取り付けられる取付部において他の部位よりも前記交差方向の寸法が小さくされた構造であって、
   前記取付部の前記交差方向における寸法は、前記他の部位の前記交差方向における寸法内に前記コイルが収まるように設定されていることを特徴とする請求項２記載の力センサ。
4. 前記構造は、前記交差方向の前記荷重受け部側において前記コイルを少なくとも覆う保護部であることを特徴とする請求項２記載の力センサ。
5. 前記コアの一部に取り付けられるボビンを備え、
   前記コイルは、前記ボビンを介して前記コアに導線を巻き付けることで構成されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の力センサ。
6. 前記コアは、前記中空部の周方向の一部に空隙を有し、
   前記ボビンは、前記空隙を覆うように前記コアに取り付けられることを特徴とする請求項５記載の力センサ。
7. 金属材料により形成され、前記コアの少なくとも一部を覆う遮蔽部を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の力センサ。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の前記力センサと、前記コイルのインダクタンスの変化に基づいて前記荷重受け部に加わる荷重を検知する検知回路とを備えることを特徴とする力検知装置。
9. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の前記力センサと、前記コイルのコンダクタンスの変化に基づいて前記荷重受け部に加わる荷重を検知する検知回路とを備えることを特徴とする力検知装置。
10. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の前記力センサにおいて、前記コイルに電流を供給するステップと、
    前記荷重受け部に加わる前記交差方向の荷重を、前記コイルのインダクタンスの変化に基づいて検知するステップとを有することを特徴とする力検知方法。
11. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の前記力センサにおいて、前記コイルに電流を供給するステップと、
    前記荷重受け部に加わる前記交差方向の荷重を、前記コイルのコンダクタンスの変化に基づいて検知するステップとを有することを特徴とする力検知方法。

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