JP6417957B2 - 応力センサ - Google Patents

Description

本発明は、磁性体に加わる応力をその透磁率の変化によって検出する応力センサに関する。

従来、磁性体に圧力を加えると透磁率が変化するビラリ効果を利用した、磁歪式の荷重測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の荷重測定装置は、ベース上に立設された、磁歪部材を有してなる略棒状の磁歪ロッドと、磁歪ロッドによって支持された載置台と、磁歪ロッドの伸縮による透磁率又は残留磁化量の変化を検出するための検出手段と、を有してなり、載置台に印加される荷重の変化を、磁歪ロッドの変形に基づく透磁率又は残留磁化量の変化として検出するようにしたものである。検出手段は、磁歪ロッドの外周を囲むように配設されたピックアップコイルを含み、透磁率又は残留磁化量の変化をピックアップコイルのインダクタンス値の変化として検出している。

特開２００５−２４９６５６号公報

特許文献１に記載された荷重測定装置のように、磁性体の周囲に巻かれたコイルを用いて磁性体の透磁率の変化を検出すると、必要な部品点数が多くなり、またセンサ部分の構成が大型になる。そのため、検出用のコイルを、基板に渦巻き状に形成された配線パターンにより構成し、部品点数を削減して、センサの構成を簡素化したいという要求がある。その場合、従来は、配線パターンを形成した基板を磁性体に張り付ける必要があり、応力により変形した磁性体から基板がはがれ易いため、装置の耐久性及び信頼性に問題があった。

本発明は、基板にコイルを形成する簡単な構成で、耐久性及び信頼性の高い応力センサを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、磁性体からなり、所定の方向の応力を受け、受けた応力の大きさに応じて透磁率が変化する応力受け部材と、基板及び基板に形成された渦巻き状の配線パターンにより構成されたコイルを有する検出部と、検出部を収容し、応力受け部材の応力を受けない外周面を取り囲んで設けられたモールド樹脂と、を備えた応力センサを提供する。

本発明によれば、基板にコイルを形成する簡単な構成で、耐久性及び信頼性の高い応力センサを提供することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る応力センサの斜視図である。 検出部２０の構成と接続回路を示す図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る応力センサの斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る応力センサの斜視図である。 図６（ａ）は検出部２０Ｂの平面図、図６（ｂ）は検出部２０Ｂの側面図である。 検出部２０Ｂの接続回路を示す図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る応力センサの斜視図である。 図１０（ａ）は検出部２０Ｃの平面図、図１０（ｂ）は検出部２０Ｃの側面図、図１０（ｃ）は第１の基板２８の平面図である。 検出部２０Ｃの接続回路を示す図である。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る応力センサの斜視図である。応力センサ１は、応力受け部材１０、検出部２０、及びモールド樹脂３０を含んで構成されている。本実施の形態の応力受け部材１０は、断面が略四角形の角柱状である。

応力受け部材１０は、磁性体からなり、矢印Ｃに示す方向の応力を受け、受けた応力の大きさに応じて透磁率が変化する。応力受け部材１０の材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガリウム（Ｇａ）よりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む磁性合金を用いることができる。

図２は、検出部２０の構成と接続回路を示す図である。検出部２０は、基板２１、コイル２２、及び電極２３，２４を含んで構成されている。基板２１は、ポリイミド（ＰＩ）等の電気絶縁性を有する樹脂からなる板状の基材の両面に、配線パターンが形成され、配線パターンの上にソルダーレジスト等の絶縁膜が成膜されたプリント基板である。

基板２１の表面には、渦巻き状の配線パターンが形成され、この渦巻き状の配線パターンにより、コイル２２が構成されている。コイル２２の外側の端は、電極２３につながれ、内側の端は、破線で示す基板２１の裏面のパターンを通じて、電極２４につながれている。

図１において、モールド樹脂３０は、破線で示す検出部２０を収容し、応力受け部材１０の応力を受けない外周面を取り囲んで設けられている。モールド樹脂３０は、応力受け部材１０よりも弾性が高く、モールド樹脂３０で検出部２０を支持することにより、応力受け部材１０が応力により変形しても、検出部２０が応力受け部材１０から外れてしまうことがない。

モールド樹脂３０には、例えばナイロンやポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の樹脂材料を使用することができる。モールド樹脂３０は、応力受け部材１０及び検出部２０を直接モールドするように成形してもよく、あるいは検出部２０をモールドして成形した後に応力受け部材１０をはめ込んでもよい。

図２において、発信器４０は、電極２３，２４に接続され、コイル２２に高周波信号を印加する。コイル２２に高周波信号が印加されると、コイル２２を流れる電流により、磁界が発生する。

図３は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３では、検出部２０の基板２１に形成されたコイル２２を流れる電流により発生する磁界が、矢印で示されている。基板２１は、応力受け部材１０の応力を受けない外周面１０ａに平行に配置されている。基板２１が、応力受け部材１０の応力を受けない外周面１０ａに平行に配置されているので、基板２１に形成されたコイル２２を流れる電流により発生する磁界が、最も多く応力受け部材１０を通過する。モールド樹脂３０は、非磁性体であり、コイル２２を流れる電流により発生する磁界に、影響を与えることがない。

図２において、電圧測定器５０は、電極２３と電極２４との間の電圧を測定する。応力受け部材１０に応力が加えられると、加えられた応力の大きさに応じて、応力受け部材１０の透磁率が変化する。そのため、コイル２２のインダクタンスが変化して、コイル２２の両端の電圧が変化する。電圧測定器５０を用いて、コイル２２の両端の電圧を測定することにより、応力受け部材１０の透磁率の変化を検出して、応力受け部材１０に加わる応力を検出することができる。

（第１の実施の形態の作用及び効果）
以上説明した第１の実施の形態によれば、以下のような作用及び効果が得られる。

（１）基板２１及び基板２１に形成された渦巻き状の配線パターンにより構成されたコイル２２を有する検出部２０を収容し、応力受け部材１０の応力を受けない外周面１０ａを取り囲んで設けられたモールド樹脂３０を備えているので、応力受け部材１０が応力により変形しても、コイル２２の形成された基板２１が応力受け部材１０から外れてしまうことがない。従って、基板２１にコイル２２を形成する簡単な構成で、耐久性及び信頼性の高い応力センサを提供することが可能となる。

（２）検出部２０の基板２１は、応力受け部材１０の応力を受けない外周面１０ａに平行に配置されているので、基板２１に形成されたコイル２２を流れる電流により発生する磁界が最も多く応力受け部材１０を通過する。従って、コイル２２の両端の電圧を測定することにより、応力受け部材１０の透磁率の変化を高感度に検出することができ、応力受け部材１０に加わる応力を高感度に検出することができる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る応力センサの斜視図である。応力センサ１Ａは、応力受け部材１０Ａ、検出部２０Ａ、及びモールド樹脂３０Ａを含んで構成されている。本実施の形態の応力受け部材１０Ａは、断面が円形の円柱状であり、矢印Ｄで示す円柱の軸方向の応力を受ける。モールド樹脂３０Ａは、円柱状の応力受け部材１０Ａの側面の周囲に筒状に成形されている。

破線で示す検出部２０Ａは、基板２５、コイル２２、及び電極２３，２４を含んで構成されている。基板２５の表面には、渦巻き状の配線パターンが形成され、この渦巻き状の配線パターンにより、コイル２２が構成されている。コイル２２の外側の端は、電極２３につながれ、内側の端は、図示しない基板２５の裏面のパターンを通じて、電極２４につながれている。

基板２５は、湾曲可能な柔軟性を有する程に厚さが薄く（例えば、１００μｍ以下）、可撓性を有するフレキシブル基板である。モールド樹脂３０Ａ内において、基板２５は、円柱状の応力受け部材１０Ａの側面に平行に、湾曲させて配置されている。

（第２の実施の形態の作用及び効果）
以上説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態について説明した作用及び効果と同様の作用及び効果が得られる。

さらに、応力受け部材１０Ａは、円柱状であり、円柱の軸方向に応力を受けるので、例えば断面が多角形の角柱状である場合に比べて、応力受け部材１０Ａ内に発生する応力の分布が均一化される。従って、応力受け部材１０Ａの側面に対する検出部２０Ａの位置の違いによる検出感度の違いが発生しない。そして、検出部２０Ａの基板２５は、可撓性を有するフレキシブル基板であるので、円柱状の応力受け部材１０Ａの側面に平行に、湾曲させて配置することができる。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る応力センサの斜視図である。応力センサ１Ｂは、応力受け部材１０、検出部２０Ｂ、及びモールド樹脂３０を含んで構成されている。応力受け部材１０及びモールド樹脂３０は、図１に示した第１の実施の形態に係る応力センサ１と同様の構成である。

図６（ａ）は検出部２０Ｂの平面図、図６（ｂ）は検出部２０Ｂの側面図である。図６（ｂ）に示すように、検出部２０Ｂは、板状の磁性体２６と、磁性体２６を挟んで設けられた第１の基板２１及び第２の基板２７とを含んで構成されている。磁性体２６は、例えば、応力受け部材１０と同じ材料で構成されている。第１の基板２１は、図１に示した第１の実施の形態に係る応力センサ１の検出部２０の基板２１と同じ構成である。

図６（ａ）に示すように、第２の基板２７の表面には、第１の基板２１と同様に、渦巻き状の配線パターンが形成され、この渦巻き状の配線パターンにより、コイル２２が構成されている。コイル２２の外側の端は、電極２３につながれ、内側の端は、破線で示す第２の基板２７の裏面のパターンを通じて、電極２４につながれている。

そして、磁性体２６に設けた図示しない貫通孔を通る配線を介して、第２の基板２７の電極２３（又は電極２４）と、第１の基板２１の電極２４（又は電極２３）とが、つながれている。これにより、第１の基板２１に形成されたコイル２２と、第２の基板２７に形成されたコイル２２とが、直列に接続されている。なお、２つのコイル２２，２２を、外部の配線により直列に接続してもよい。

図７は、検出部２０Ｂの接続回路を示す図である。図７では、第１の基板２１に形成されたコイル２２と、第２の基板２７に形成されたコイル２２とが、外部の配線により直列に接続されている。発信器４０は、直列に接続されたコイル２２、２２に、高周波信号を印加する。各コイル２２に高周波信号が印加されると、各コイル２２を流れる電流により、磁界が発生する。

図８は、図５のＢ−Ｂ線断面図である。図８では、各コイル２２を流れる電流により発生する磁界が、矢印で示されている。第１の基板２１に形成されたコイル２２を流れる電流により発生する磁界は、そのほとんどが、応力受け部材１０と磁性体２６とを通過する。一方、第２の基板２７に形成されたコイル２２を流れる電流により発生する磁界は、そのほとんどが、磁性体２６を通過し、応力受け部材１０を通過しない。

図７において、電圧測定器５０は、第１の基板２１の電極２４と第２の基板２７の電極２４との間の電圧（または、第１の基板２１の電極２３と第２の基板２７の電極２３との間の電圧）、即ち直列に接続された２つのコイル２２，２２の中間点の電位を測定する。応力受け部材１０に応力が加えられると、加えられた応力の大きさに応じて、応力受け部材１０の透磁率が変化する。そのため、第１の基板２１に形成されたコイル２２のインダクタンスが変化して、第１の基板２１に形成されたコイル２２の両端の電圧が変化する。一方、第２の基板２７に形成されたコイル２２のインダクタンスは変化せず、第２の基板２７に形成されたコイル２２の両端の電圧は変化しない。電圧測定器５０を用いて、２つのコイル２２，２２の中間点の電位を測定することにより、応力受け部材１０の透磁率の変化を検出して、応力受け部材１０に加わる応力を検出することができる。

なお、本実施の形態は、磁性体２６を湾曲させて形成し、基板２１及び基板２７をフレキシブル基板とすることにより、図４の第２の実施の形態で示した円柱状の応力受け部材１０Ａにも、適用することができる。

（第３の実施の形態の作用及び効果）
以上説明した第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態について説明した作用及び効果と同様の作用及び効果が得られる。

さらに、検出部２０Ｂは、板状の磁性体２６と、磁性体２６を挟んで設けられた第１の基板２１及び第２の基板２７とを有し、第１の基板２１に形成されたコイル２２と、第２の基板２７に形成されたコイル２２とが直列に接続されているので、２つのコイル２２，２２は、ほぼ等しく、温度変化や外部磁界等の外乱の影響を受ける。そのため、各コイル２２の両端の電圧の差を取ると、温度変化や外部磁界等の外乱の影響がキャンセルされる。従って、２つのコイル２２，２２の中間点の電位を測定することにより、応力受け部材１０の透磁率の変化を高精度に検出することができ、応力受け部材１０に加わる応力を高精度に検出することができる。

さらに、第１の基板２１と磁性体２６と第２の基板２７とを、厚さ方向に重ねて配置することにより、必要な設置スペースを小さくして、全体を小型化することができる。

［第４の実施の形態］
図９は、本発明の第４の実施の形態に係る応力センサの斜視図である。応力センサ１Ｃは、応力受け部材１０、検出部２０Ｃ、及びモールド樹脂３０を含んで構成されている。応力受け部材１０及びモールド樹脂３０は、図１に示した第１の実施の形態に係る応力センサ１と同様の構成である。

図１０（ａ）は検出部２０Ｃの平面図、図１０（ｂ）は検出部２０Ｃの側面図、図１０（ｃ）は第１の基板２８の平面図である。図１０（ｂ）に示すように、検出部２０Ｃは、板状の磁性体２６と、磁性体２６を挟んで設けられた第１の基板２８及び第２の基板２９とを含んで構成されている。磁性体２６は、例えば、応力受け部材１０と同じ材料で構成されている。

図１０（ｃ）に示すように、第１の基板２８の表面には、渦巻き状の配線パターンが２つ形成され、これらの渦巻き状の配線パターンにより、第１のコイル２２（Ｍ１）及び第２のコイル（Ｍ２）が構成されている。図１０（ａ）に示すように、第２の基板２９の表面には、渦巻き状の配線パターンが２つ形成され、これらの渦巻き状の配線パターンにより、第３のコイル２２（Ｒ１）及び第４のコイル（Ｒ２）が構成されている。

図１１は、検出部２０Ｃの接続回路を示す図である。本実施の形態では、第１の基板２８に形成された第１のコイル２２（Ｍ１）及び第２のコイル２２（Ｍ２）、並びに、第２の基板２９に形成された第３のコイル２２（Ｒ１）及び第４のコイル２２（Ｒ２）により、ブリッジ回路が構成されている。発信器４０は、ブリッジ回路の両端に高周波信号を印加する。電圧測定器５０は、ブリッジ回路の中間点の電位差を測定する。

第３の実施の形態において図８を用いて説明した場合と同様に、第１の基板２８に形成された第１のコイル２２（Ｍ１）及び第２のコイル２２（Ｍ２）を流れる電流により発生する磁界は、そのほとんどが、応力受け部材１０と磁性体２６とを通過する。一方、第２の基板２９に形成された第３のコイル２２（Ｒ１）及び第４のコイル２２（Ｒ２）を流れる電流により発生する磁界は、そのほとんどが、磁性体２６を通過し、応力受け部材１０を通過しない。

応力受け部材１０に応力が加わらない状態では、各コイル２２のインダクタンスは等しく、ブリッジ回路の中間点に電位差は発生しない。応力受け部材１０に応力が加えられると、加えられた応力の大きさに応じて、応力受け部材１０の透磁率が変化する。そのため、第１の基板２８に形成された第１のコイル２２（Ｍ１）及び第２のコイル２２（Ｍ２）のインダクタンスが変化して、第１のコイル２２（Ｍ１）及び第２のコイル２２（Ｍ２）の両端の電圧が変化する。一方、第２の基板２９に形成された第３のコイル２２（Ｒ１）及び第４のコイル２２（Ｒ２）のインダクタンスは変化せず、第３のコイル２２（Ｒ１）及び第４のコイル２２（Ｒ２）の両端の電圧は変化しない。従って、ブリッジ回路の中間点に電位差が発生し、電圧測定器５０を用いて中間点の電位差を測定することにより、応力受け部材１０の透磁率の変化を検出して、応力受け部材１０に加わる応力を検出することができる。

（第４の実施の形態の作用及び効果）
以上説明した第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態について説明した作用及び効果と同様の作用及び効果が得られる。

さらに、検出部２０Ｃは、板状の磁性体２６と、磁性体２６を挟んで設けられた第１の基板２８及び第２の基板２９とを有し、第１の基板２８に第１のコイル２２（Ｍ１）及び第２のコイル２２（Ｍ２）が形成され、第２の基板２９に第３のコイル（Ｒ１）及び第４のコイル（Ｒ２）が形成され、第１、第２、第３及び第４のコイル２２，２２，２２，２２によりブリッジ回路が構成されているので、各コイル２２，２２，２２，２２は、ほぼ等しく、温度変化や外部磁界等の外乱の影響を受ける。そのため、ブリッジ回路の中間点の電位差を取ると、温度変化や外部磁界等の外乱の影響がキャンセルされる。そして、ブリッジ回路により、第１の基板２８に形成された第１のコイル２２（Ｍ１）及び第２のコイル２２（Ｍ２）の両端の電圧の変化をより高精度に検出することができる。従って、応力受け部材１０の透磁率の変化をより高精度に検出することができ、応力受け部材１０に加わる応力をより高精度に検出することができる。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］磁性体からなり、所定の方向の応力を受け、受けた応力の大きさに応じて透磁率が変化する応力受け部材（１０／１０Ａ）と、基板（２１／２５／２７／２８／２９）及び基板（２１／２５／２７／２８／２９）に形成された渦巻き状の配線パターンにより構成されたコイル（２２）を有する検出部（２０／２０Ａ／２０Ｂ／２０Ｃ）と、検出部（２０／２０Ａ／２０Ｂ／２０Ｃ）を収容し、応力受け部材（１０／１０Ａ）の応力を受けない外周面を取り囲んで設けられたモールド樹脂（３０／３０Ａ）と、を備えた、応力センサ。

［２］検出部（２０／２０Ａ／２０Ｂ／２０Ｃ）の基板（２１／２５／２７／２８／２９）は、応力受け部材（１０／１０Ａ）の応力を受けない外周面に平行に配置された、応力センサ。

［３］応力受け部材（１０Ａ）は、円柱状であり、円柱の軸方向に応力を受け、検出部（２０Ａ）の基板（２５）は、可撓性を有するフレキシブル基板である、応力センサ。

［４］検出部（２０Ｂ）は、板状の磁性体（２６）と、磁性体（２６）を挟んで設けられた第１の基板（２１）及び第２の基板（２７）とを有し、第１の基板（２１）に形成されたコイル（２２）と、第２の基板（２７）に形成されたコイル（２２）とが直列に接続された、応力センサ。

［５］検出部（２０Ｃ）は、板状の磁性体（２６）と、磁性体（２６）を挟んで設けられた第１の基板（２８）及び第２の基板（２９）とを有し、第１の基板（２８）に第１及び第２のコイル（２２，２２）が形成され、第２の基板（２９）に第３及び第４のコイル（２２，２２）が形成され、第１、第２、第３及び第４のコイル（２２，２２，２２，２２）によりブリッジ回路が構成された、応力センサ。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、応力受け部材の形状は、角柱状又は円柱状に限るものではない。また、モールド樹脂は、応力受け部材の周りに均等に充填する必要はなく、検出部のコイルの形成された基板が応力受け部材から外れないような構成であればよい。

１，１Ａ，１Ｂ…応力センサ
１０，１０Ａ…応力受け部材
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…検出部
２１…基板（第１の基板）
２２…コイル
２３，２４…電極
２５…基板（フレキシブル基板）
２６…磁性体
２７，２９…第２の基板
２８…第１の基板
３０，３０Ａ…モールド樹脂
４０…発信器
５０…電圧測定器

Claims (4)

1. 磁性体からなり、所定の方向の応力を受け、受けた応力の大きさに応じて透磁率が変化する応力受け部材と、
   基板及び該基板に形成された渦巻き状の配線パターンにより構成されたコイルを有する検出部と、
   前記検出部を収容し、前記応力受け部材の応力を受けない外周面を取り囲んで設けられたモールド樹脂と、を備え、
   前記検出部は、板状の磁性体と、前記磁性体を挟んで設けられた第１及び第２の基板とを有し、
   前記第１の基板に形成されたコイルと、前記第２の基板に形成されたコイルとが直列に接続された、
   応力センサ。
2. 磁性体からなり、所定の方向の応力を受け、受けた応力の大きさに応じて透磁率が変化する応力受け部材と、
   基板及び該基板に形成された渦巻き状の配線パターンにより構成されたコイルを有する検出部と、
   前記検出部を収容し、前記応力受け部材の応力を受けない外周面を取り囲んで設けられたモールド樹脂と、を備え、
   前記検出部は、板状の磁性体と、前記磁性体を挟んで設けられた第１及び第２の基板とを有し、
   前記第１の基板に第１及び第２のコイルが形成され、
   前記第２の基板に第３及び第４のコイルが形成され、
   前記第１、第２、第３及び第４のコイルによりブリッジ回路が構成された、
   応力センサ。
3. 前記検出部の基板は、前記応力受け部材の応力を受けない外周面に平行に配置された、
   請求項１又は２に記載の応力センサ。
4. 前記応力受け部材は、円柱状であり、円柱の軸方向に応力を受け、
   前記検出部の基板は、可撓性を有するフレキシブル基板である、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の応力センサ。

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