特許 7160005 磁歪式センサ用温度検出回路、磁歪式センサ、及び磁歪式センサの温度検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-17

(45)【発行日】2022-10-25

(54)【発明の名称】磁歪式センサ用温度検出回路、磁歪式センサ、及び磁歪式センサの温度検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/12 20060101AFI20221018BHJP

   G01L 1/26 20060101ALI20221018BHJP

   G01K 7/00 20060101ALI20221018BHJP

   G01L 3/10 20060101ALI20221018BHJP

   G01L 1/00 20060101ALI20221018BHJP

【ＦＩ】

G01L1/12

G01L1/26 D

G01K7/00 381L

G01L3/10 301M

G01L1/00 K

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019164538

(22)【出願日】2019-09-10

(65)【公開番号】P2021043035

(43)【公開日】2021-03-18

【審査請求日】2021-12-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】日立金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002583

【氏名又は名称】特許業務法人平田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】杉山 雄太

(72)【発明者】

【氏名】中村 晃之

【審査官】森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】特許第６５５５０２３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２００７－１１４０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５６－８７８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第４００４４１１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】実公昭６０－４２３４８（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】特許第３４８５２８２（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ

Ｇ０１Ｋ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁歪材の周囲に設けられた検出コイル、及び前記検出コイルを交流励磁する駆動部を備え、前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与された応力を検出する磁歪式センサに用いられ、前記検出コイルの温度を検出する磁歪式センサ用温度検出回路であって、
前記駆動部が出力する交流電圧が、矩形波であり、
前記交流電圧の切り替わりに応じて前記検出コイルを流れる電流の向きが切り替わるように構成されており、
前記交流電圧が切り替わってから、前記検出コイルを流れる電流の向きが切り替わるまでの時間を検出する電流切替時間検出部と、
前記電流切替時間検出部が検出した時間を基に、前記検出コイルの温度を算出する温度算出部と、を備えた、
磁歪式センサ用温度検出回路。

【請求項2】

前記電流切替時間検出部は、前記検出コイルと直列に接続された電流検出用抵抗を有し、
前記電流検出用抵抗に流れる電流の向きを検出可能に構成されている、
請求項１に記載の磁歪式センサ用温度検出回路。

【請求項3】

前記電流切替時間検出部は、前記電流検出用抵抗の両端に接続されたコンパレータを有し、
前記コンパレータの出力を基に、前記電流検出用抵抗に流れる電流の向きを検出可能に構成されている、
請求項２に記載の磁歪式センサ用温度検出回路。

【請求項4】

前記駆動部は、矩形波信号を発振する発振器と、発振器から出力された矩形波信号から前記交流電圧を生成し出力するドライバと、を有し、
前記電流切替時間検出部は、
前記コンパレータの出力信号と、前記発振器からの前記矩形波信号とが入力され、前記コンパレータの出力信号と前記矩形波信号との排他的論理和を出力する排他的論理和回路を有し、
前記排他的論理和回路の出力を基に、前記交流電圧が切り替わってから、前記検出コイルを流れる電流の向きが切り替わるまでの時間を検出するように構成される、
請求項３に記載の磁歪式センサ用温度検出回路。

【請求項5】

前記電流切替時間検出部は、
前記排他的論理和回路の出力信号が入力されるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力電圧を基に、前記交流電圧が切り替わってから、前記検出コイルを流れる電流の向きが切り替わるまでの時間を検出する時間検出部と、を有する、
請求項４に記載の磁歪式センサ用温度検出回路。

【請求項6】

磁歪材の周囲に設けられた検出コイル、及び前記検出コイルを交流励磁する駆動部を備え、前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与された応力を検出する磁歪式センサであって、
請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁歪式センサ用温度検出回路と、
前記磁歪式センサ用温度検出回路が検出した前記検出コイルの温度を基に、検出した応力を温度補正する温度補正部と、を備えた、
磁歪式センサ。

【請求項7】

磁歪材の周囲に設けられた検出コイル、及び前記検出コイルを交流励磁する駆動部を備え、前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与された応力を検出する磁歪式センサにおいて、前記検出コイルの温度を検出する温度検出方法であって、
前記駆動部が出力する交流電圧が、矩形波であり、
前記交流電圧の切り替わりに応じて前記検出コイルを流れる電流の向きが切り替わるように構成し、
前記交流電圧が切り替わってから、前記検出コイルを流れる電流の向きが切り替わるまでの時間を検出し、
当該検出した時間を基に、前記検出コイルの温度を算出する、
磁歪式センサの温度検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁歪式センサ用温度検出回路、磁歪式センサ、及び磁歪式センサの温度検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、回転トルクや荷重等の応力が付与された際に透磁率が変化する磁歪特性を有する磁歪材を用い、応力が付与された際の磁歪材の透磁率の変化を検出コイルのインダクタンスの変化として検出することにより、磁歪材に付与された応力を検出する磁歪式センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

磁歪式センサにおいては、温度変化によって検出コイルのインピーダンスが変化し、検出精度が低下するおそれがあることが知られている。そのため、検出コイルの温度を検出し、温度補正を行うことが望まれる。検出コイルの温度を検出する方法として、例えば、検出コイルの温度検出用のセンサ（熱電対等）を設ける方法や、直流信号を用いて検出コイルの抵抗値を測定し、当該抵抗値を基に温度を算出する方法等が考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－４９１２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、検出コイルの温度検出用のセンサを設ける方法では、コストが高く磁歪式センサのセンサ部が大型化してしまうおそれがある。また、直流信号を用いて検出コイルの抵抗値を測定する方法では、磁歪式センサの検出回路とは別に温度検出用の直流回路が必要となるため、回路構成が複雑となり、また磁歪材に付与された応力の検出時に検出コイルの温度を測定することも困難になる、という課題がある。

【0006】

そこで、本発明は、低コストかつ簡易な構成で検出コイルの温度を検出でき、磁歪材に付与された応力の検出時においても検出コイルの温度を測定可能な磁歪式センサ用温度検出回路、磁歪式センサ、及び磁歪式センサの温度検出方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、上記課題を解決することを目的として、磁歪材の周囲に設けられた検出コイル、及び前記検出コイルを交流励磁する駆動部を備え、前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与された応力を検出する磁歪式センサに用いられ、前記検出コイルの温度を検出する磁歪式センサ用温度検出回路であって、前記駆動部が出力する交流電圧が、矩形波であり、前記交流電圧の切り替わりに応じて前記検出コイルを流れる電流の向きが切り替わるように構成されており、前記交流電圧が切り替わってから、前記検出コイルを流れる電流の向きが切り替わるまでの時間を検出する電流切替時間検出部と、前記電流切替時間検出部が検出した時間を基に、前記検出コイルの温度を算出する温度算出部と、を備えた、磁歪式センサ用温度検出回路を提供する。

【0008】

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、磁歪材の周囲に設けられた検出コイル、及び前記検出コイルを交流励磁する駆動部を備え、前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与された応力を検出する磁歪式センサであって、前記磁歪式センサ用温度検出回路と、前記磁歪式センサ用温度検出回路が検出した前記検出コイルの温度を基に、検出した応力を温度補正する温度補正部と、を備えた、磁歪式センサを提供する。

【0009】

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、磁歪材の周囲に設けられた検出コイル、及び前記検出コイルを交流励磁する駆動部を備え、前記検出コイルのインダクタンスの変化を基に前記磁歪材に付与された応力を検出する磁歪式センサにおいて、前記検出コイルの温度を検出する温度検出方法であって、前記駆動部が出力する交流電圧が、矩形波であり、前記交流電圧の切り替わりに応じて前記検出コイルを流れる電流の向きが切り替わるように構成し、前記交流電圧が切り替わってから、前記検出コイルを流れる電流の向きが切り替わるまでの時間を検出し、当該検出した時間を基に、前記検出コイルの温度を算出する、磁歪式センサの温度検出方法を提供する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、低コストかつ簡易な構成で検出コイルの温度を検出でき、磁歪材に付与された応力の検出時においても検出コイルの温度を測定可能な磁歪式センサ用温度検出回路、磁歪式センサ、及び磁歪式センサの温度検出方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施の形態に係る磁歪式センサ用温度検出回路を備えた磁歪式センサの検出回路のブロック図である。

【図2】（ａ），（ｂ）は、磁歪式センサ用温度検出回路の原理を説明する図である。

【図3】図１の磁歪式センサ用温度検出回路の動作を説明するタイムチャートである。

【図4】磁歪式センサの一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はフレキシブル基板の積層構造を示す断面図である。

【図5】フレキシブル基板の各配線層に形成される配線パターンの一例を示す図である。

【図6】（ａ）は磁歪式センサ用温度検出回路の変形例を示すブロック図、（ｂ）はその動作を説明するタイムチャートである。

【図7】磁歪式センサ用温度検出回路の変形例を示すブロック図である。

【図8】磁歪式センサ用温度検出回路の変形例を示すブロック図である。

【図9】（ａ），（ｂ）は、ブリッジ回路の一変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

【0013】

図１は、本実施の形態に係る磁歪式センサ用温度検出回路を備えた磁歪式センサの検出回路のブロック図である。図１に示すように、磁歪式センサの検出回路１０は、図示しない磁歪材の周囲に設けられた検出コイル１１と、検出コイル１１を交流励磁する駆動部１２と、検出コイル１１のインダクタンスの変化を基に磁歪材に付与された応力を検出する検出部１３と、本実施の形態に係る磁歪式センサ用温度検出回路１と、を備えている。

【0014】

本実施の形態では、検出回路１０は、４つの検出コイル１１をブリッジ接続したブリッジ回路１４を備えている。以下、４つの検出コイル１１のそれぞれを第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４と呼称する。ブリッジ回路１４は、第１の検出コイル１１１と第２の検出コイル１１２とを直列接続し、第３の検出コイル１１３と第４の検出コイル１１４とを直列接続し、かつ、第１及び第２の検出コイル１１１，１１２と第３及び第４の検出コイル１１３，１１４とを並列接続して構成されている。第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４は、同じ巻数とされ、略同じインピーダンスとなるように構成されている。

【0015】

駆動部１２は、ブリッジ回路１４における第１の検出コイル１１１と第３の検出コイル１１３との間の接点ａと、第２の検出コイル１１２と第４の検出コイル１１４との間の接点ｂとの間に、交流電圧を印加する。本実施の形態では、駆動部１２が出力する交流電圧Ｖｂが、矩形波であり、交流電圧Ｖｂの切り替わりに応じて第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４を流れる電流の向きが切り替わるように構成されている。

【0016】

駆動部１２は、矩形波信号Ｖｃｌｋを発振する発振器１２１と、発振器１２１から出力された矩形波信号Ｖｃｌｋから交流電圧Ｖｂを生成し出力するドライバ１２２と、を有している。ドライバ１２２は、交流電圧Ｖｂとして、絶対値の等しい正の電圧と負の電圧とが所定の周期で交互に繰り返される矩形波を生成し（図３参照）出力する。交流電圧Ｖｂの周波数は、発振器１２１から出力される矩形波信号Ｖｃｌｋの周波数と等しい。

【0017】

検出部１３は、ブリッジ回路１４における第１の検出コイル１１１と第２の検出コイル１１２との間の接点ｃと、第３の検出コイル１１３と第４の検出コイル１１４との間の接点ｄとの間の電圧を測定する。

【0018】

駆動部１２が接点ａ，ｂ間に交流電圧Ｖｂを印加すると、当該交流電圧Ｖｂにより第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４を電流が流れ、第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４が交流励磁されて磁束が発生する。第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４は応力の測定対象となる磁歪材の周囲に配置されており、第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４で発生する磁束は、磁歪材を通過する。磁歪材は応力が付与された際に透磁率が変化するため、付与される応力の状態（後述する図４，５の例では回転トルクの大きさや向き）に応じて、各検出コイル１１のインピーダンス（インダクタンス）が変化し、検出部１３で検出される電圧が変化する。検出部１３では、検出される電圧を基に、磁歪材に付与された応力を検出する。磁歪式センサの具体例及び各検出コイル１１の配置等の詳細については、後述する。なお、検出部１３で検出される電圧は交流電圧であるから、検出部１３では、同相成分を除去して差動成分のみを検出するために、接点ｃ，ｄ間の電圧を差動増幅回路で増幅し、さらに検波した信号を基に、磁歪材に付与された応力を検出するとよい。

【0019】

検出部１３で検出された検出値（磁歪材に付与された応力の検出値）は、温度補正部１５に出力される。温度補正部１５は、検出部１３から入力された検出値を、後述する磁歪式センサ用温度検出回路１で検出した検出コイル１１の温度を用いて、温度補正する。温度補正部１５で温度補正された検出値が、磁歪式センサの検出回路１０における出力となる。なお、検出部１３及び温度補正部１５は、マイクロコンピュータやパーソナルコンピュータに組み込まれており、ＣＰＵ、ソフトウェア、メモリ、インターフェイス等を適宜組み合わせて実現されている。

【0020】

（磁歪式センサ用温度検出回路１）
磁歪式センサ用温度検出回路１は、検出コイル１１の温度を検出する回路である。磁歪式センサ用温度検出回路１は、電流切替時間検出部２と、温度算出部３と、を備えている。

【0021】

電流切替時間検出部２は、ドライバ１２２から出力された交流電圧Ｖｂが正から負、あるいは負から正に切り替わってから、検出コイル１１を流れる電流Ｉｃの向きが切り替わるまでの時間を検出する。

【0022】

図２（ａ）に示すように、第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４からなるブリッジ回路１４は、インダクタ成分Ｌｓと抵抗成分Ｒｓとを直列接続した等価回路で表すことができる。ここで、説明を簡略化するためにブリッジ回路１４に直接交流電圧Ｖｂが印加された場合を考える。交流電圧Ｖｂは、絶対値の等しい正の電圧と負の電圧とを所定の周期で交互に出力する矩形波であることから、図２（ｂ）に示すように、検出コイル１１を流れる電流Ｉｃは、交流電圧Ｖｂの切り替わりに応じて、その向きが切り替わる。

【0023】

ここで、検出コイル１１が理想的なコイルである場合には、抵抗成分Ｒｓはゼロとなるため、図２（ｂ）に一点鎖線で示すように、電流Ｉｃは時間経過に対して直線的に変化する。この場合、交流電圧Ｖｂの周期（すなわちＶｃｌｋの周期）をＴｃｌｋとすると、交流電圧Ｖｂが正から負、あるいは負から正に切り替わってから、検出コイル１１を流れる電流Ｉｃの向きが切り替わるまでの時間Ｔｓ０は、下式（１）
Ｔｓ０＝Ｔｃｌｋ／４ ・・・（１）
で表される。

【0024】

しかし、実際には、検出コイル１１には抵抗成分Ｒｓが存在し、この抵抗成分Ｒｓは、検出コイル１１の温度によって変動することが知られている。例えば、検出コイル１１の温度が上昇した場合、抵抗成分Ｒｓが増加する。その結果、増加した抵抗成分Ｒｓの影響により、図２（ｂ）に実線で示すように、交流電圧Ｖｂが正から負、あるいは負から正に切り替わってから、検出コイル１１を流れる電流Ｉｃの向きが切り替わるまでの時間Ｔｓは、理想的なコイルにおける時間Ｔｓ０よりも短くなる。具体的には、時間Ｔｓは、下式（２）で表すことができる。

【数1】

【0025】

式（２）より、時間Ｔｓは、検出コイル１１の温度により変化する抵抗成分Ｒｓに応じて変化する。したがって、この時間Ｔｓ（より詳細には、Ｔｃｌｋに対するＴｓのデューティー比）を測定することにより、温度を算出することができる。式（２）より、時間Ｔｓはインダクタンス成分Ｌｓによっても変化するため、検出コイル１１としては、温度によるインダクタンス成分Ｌｓの変化がなるべく小さいものを用いることが望ましい。

【0026】

なお、矩形波信号Ｖｃｌｋの周波数を高くし、検出コイル１１（ブリッジ回路１４）の共振周波数を超えると、各部の信号の挙動が変化し正常な測定ができなくなる場合がある。そのため、矩形波信号Ｖｃｌｋの周波数は、検出コイル１１（ブリッジ回路１４）の共振周波数に対して十分に小さくなるように設定される。

【0027】

図１に戻り、本実施の形態では、電流切替時間検出部２は、検出コイル１１（ブリッジ回路１４）と直列に接続された電流検出用抵抗２１を有し、電流検出用抵抗２１に流れる電流Ｉｃの向きを検出可能に構成されている。なお、電流検出用抵抗２１は検出コイル１１（ブリッジ回路１４）と直列に接続されているため、電流検出用抵抗２１に流れる電流と検出コイル１１（ブリッジ回路１４）を流れる電流の向きは同じとなる。

【0028】

より具体的には、電流切替時間検出部２は、電流検出用抵抗２１の両端に接続されたコンパレータ２２を有し、コンパレータ２２の出力を基に、電流検出用抵抗２１に流れる電流Ｉｃの向きを検出可能に構成されている。本実施の形態では、電流検出用抵抗２１の駆動部１２側の端部をコンパレータ２２の非反転入力に接続し、電流検出用抵抗２１のブリッジ回路１４側の端部をコンパレータ２２の反転入力に接続している。これにより、コンパレータ２２は、電流Ｉｃの向きが電流検出用抵抗２１側から検出コイル１１側（ブリッジ回路１４側）であるときにハイ（１）の信号を出力し、電流Ｉｃの向きが検出コイル１１側（ブリッジ回路１４側）から電流検出用抵抗２１側であるときにロー（０）の信号を出力するように構成されている。なお、コンパレータ２２に入力される信号が小さい場合には、前段に差動増幅器等の増幅器を設けてもよい。これにより、コンパレータ２２の出力信号Ｖ１がハイかローかによって、電流Ｉｃの向きを検出することができる。

【0029】

また、電流切替時間検出部２は、コンパレータ２２の出力信号Ｖ１と、発振器１２１からの矩形波信号Ｖｃｌｋとが入力され、コンパレータ２２の出力信号Ｖ１と矩形波信号Ｖｃｌｋとの排他的論理和を出力する排他的論理和回路（以下、ＸＯＲ回路という）２３と、ＸＯＲ回路２３の出力信号Ｖ２が入力されるローパスフィルタ２４と、ローパスフィルタ２４の出力電圧Ｖｏを基に、交流電圧Ｖｂが切り替わってから、検出コイル１１を流れる電流（電流検出用抵抗２１を流れる電流）Ｉｃの向きが切り替わるまでの時間Ｔｓを検出する時間検出部２５と、を有している。

【0030】

矩形波信号Ｖｃｌｋ、交流電圧Ｖｂ、電流Ｉｃ、出力信号Ｖ１，Ｖ２のタイムチャートは、図３のようになる。図３に示すように、ドライバ１２２によって、矩形は信号Ｖｃｌｋに同期して正負が反転する矩形波の交流信号Ｖｂが生成され、交流信号Ｖｂの切り替わりに応じて、電流Ｉｃの向きが切り替わる。この際、交流信号Ｖｂの切り替わりから時間Ｔｓ遅延して、電流Ｉｃの正負が切り替わる。これに対応して、コンパレータ２２の出力電圧Ｖ１は、交流信号Ｖｂの切り替わりから時間Ｔｓ遅延してハイとローが切り替わることになる。したがって、出力信号Ｖ１と矩形波信号Ｖｃｌｋとの排他的論理和であるＸＯＲ回路２３の出力信号Ｖ２は、時間Ｔｓの間（すなわち交流信号Ｖｂの正負と電流Ｉｃの正負とが異なる期間）だけハイとなり、その以外はローとなる。

【0031】

ローパスフィルタ２４は、出力信号Ｖ２の電圧の平均化をとるためのものであり、その時定数は、矩形波信号Ｖｃｌｋの周期Ｔｃｌｋに対して十分大きくなるように設定されている。ローパスフィルタ２４の出力電圧Ｖ０（Ｖ）は、出力信号Ｖ２のハイをＶＤＤ（Ｖ）、ローを０（Ｖ）とすると、下式（３）
Ｖ０＝（Ｔｓ／Ｔｃｌｋ）×ＶＤＤ ・・・（３）
で表される。

【0032】

時間検出部２５は、マイクロコンピュータやパーソナルコンピュータに組み込まれており、ＣＰＵ、ソフトウェア、メモリ、インターフェイス等を適宜組み合わせて実現されている。時間検出部２５は、ローパスフィルタ２４の出力電圧Ｖｏを基に、上記式（３）を用いて、時間Ｔｓを検出する。

【0033】

温度算出部３は、ローパスフィルタ２４の出力電圧Ｖｏをデジタル信号に変換するアナログデジタル変換装置（以下、ＡＤＣという）と、マイクロコンピュータ、マイクロコンピュータに実装されたソフトウェア等を適時組み合わせて実現されている。温度算出部３は、時間検出部２５が検出した時間Ｔｓを基に、検出コイル１１の温度を算出する。温度算出部３は、例えば、予め設定された時間Ｔｓと検出コイル１１の温度との関係式、あるいは時間Ｔｓと検出コイル１１の温度との関係を予め求めたデータベース等を基にして、時間Ｔｓから検出コイル１１の温度を算出する。温度算出部３で算出した検出コイル１１の温度は、温度補正部１５に出力され、温度補正に用いられる。

【0034】

（磁歪式センサ）
次に、図１の磁歪式センサの検出回路１０が適用される磁歪式センサの具体例について説明する。図４は、磁歪式センサの一例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はフレキシブル基板の積層構造を示す断面図である。図５は、フレキシブル基板の各配線層に形成される配線パターンの一例を示す図である。

【0035】

図４，５に示すように、磁歪式センサ１００は、本発明の磁歪材としての回転軸１０１の周囲に取り付けられ、回転軸１０１に付与されたトルク（回転トルク）を測定するものである。

【0036】

回転軸１０１は、磁歪特性を有する材料から構成され、円柱状（棒状）に形成されている。磁歪特性を有する材料としては、例えば、ニッケル、鉄－アルミニウム合金、鉄－コバルト合金等が挙げられる。なお、回転軸１０１に用いる材料としては、圧縮時に透磁率が低下し引張時に透磁率が増加する正磁歪材料、圧縮時に透磁率が増加し引張時に透磁率が低下する負磁歪材料のどちらを用いても構わない。回転軸１０１は、例えば、パワートレイン系のトルク伝達に用いられるシャフト、あるいは車両のエンジンのトルク伝達に用いられるシャフトである。

【0037】

磁歪式センサ１００は、回転軸１０１と離間して同軸に配置されるフレキシブル基板１０２と、フレキシブル基板１０２の周囲に同軸に配置される磁性体リング１０３と、を備えている。

【0038】

磁性体リング１０３は、磁性体（強磁性体）からなり、中空円筒状に形成されている。フレキシブル基板１０２は、磁性体リング１０３の内周面に接着固定されている。磁性体リング１０３は、検出コイル１１で生じた磁束が外部に漏れて感度が低下することを抑制する役割を果たす。

【0039】

磁歪式センサ１００では、フレキシブル基板１０２と回転軸１０１との間には隙間１０４が形成され、磁歪式センサ１００が回転軸１０１に接触しないように構成されている。磁歪式センサ１００は、ハウジング等の固定部材に固定され、回転軸１０１の回転に伴って回転しないようにされる。

【0040】

図４（ｂ）に示すように、フレキシブル基板１０２は、少なくとも２層の配線層１０５を有している。ここでは、第１配線層１０５ａ、第２配線層１０５ｂ、第３配線層１０５ｃ、第４配線層１０５ｄの４層の配線層１０５を有する場合を説明するが、配線層１０５の層数はこれに限定されない。

【0041】

第１配線層１０５ａは、ポリイミドからなる第１ベース樹脂層１０６ａの表面に形成されており、第１ベース樹脂層１０６ａの裏面は接着層１０７ｂを介して第２配線層１０５ｂに接着固定されている。第１配線層１０５ａの表面には、接着層１０７ａを介してポリイミドからなる第１カバーレイ層１０８ａが設けられ、絶縁処理が施されている。

【0042】

第２配線層１０５ａは、ポリイミドからなる第２ベース樹脂層１０６ｂの表面に形成されており、第２ベース樹脂層１０６ｂの裏面には、第３配線層１０５ｃが形成されている。

【0043】

第４配線層１０５ｄは、ポリイミドからなる第３ベース樹脂層１０６ｃの裏面に形成されており、第３ベース樹脂層１０６ｃの表面は接着層１０７ｃを介して第３配線層１０５ｃに接着固定されている。第４配線層１０５ｂの表面には、接着層１０７ｄを介してポリイミドからなる第２カバーレイ層１０８ｂが設けられ、絶縁処理が施されている。

【0044】

第２カバーレイ層１０８ａには、両面テープ１０９が貼付され、この両面テープ１０９を介して、フレキシブル基板１０２が磁性体リング１０３に接着固定される。これにより、回転軸１０１側から磁性体リング１０３側にかけて、第１配線層１０５ａ、第２配線層１０５ｂ、第３配線層１０５ｃ、第４配線層１０５ｄが順次形成されることになる。

【0045】

フレキシブル基板１０２の内層となる第２配線層１０５ｂと第３配線層１０５ｃとは、圧延銅箔からなる。フレキシブル基板１０２の外層となる第１配線層１０５ａと第４配線層１０５ｄとは、電解銅箔に銅めっきを施したものからなる。詳細は後述するが、磁歪式センサ１００では、フレキシブル基板１０２にビア（スルーホール）を形成する必要があるため、外層である第１，４配線層１０５ａ，１０５ｄでは、めっきを施した構成となっている。

【0046】

（検出コイル１１の説明）
図５は、フレキシブル基板１０２の各配線層１０５に形成される配線パターンの一例を示す図である。図５では、フレキシブル基板１０２を展開して平面とした際の各配線層１０５の配線パターンを模式的に示している。

【0047】

図５に示すように、第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４は、フレキシブル基板１０２の配線層１０５に形成されている。第１及び第４の検出コイル１１１，１１４は、回転軸１０１の軸方向に対して所定角度傾斜した第１直線部１１１ａ，１１４ａを有し、第２及び第３の検出コイル１１２，１１３は、回転軸１０１の軸方向に対して第１直線部１１１ａ，１１４ａと反対方向に所定角度傾斜した第２直線部１１２ａ，１１３ａを有する。

【0048】

磁歪式センサ１００では、回転軸１０１にトルクが付与された際の透磁率の変化は軸方向に対して±４５度の方向で最も大きくなる。よって、第１直線部１１１ａ，１１４ａを軸方向に対して＋４５度傾斜するように形成し、第２直線部１１２ａ，１１３ａを軸方向に対して－４５度傾斜するように形成することで、検出感度を向上できる。

【0049】

この磁歪式センサ１００では、第１の検出コイル１１１を形成する配線層１０５と、第３の検出コイル１１３を形成する配線層１０５の配線パターンを一部入れ替え、２層の配線層１０５（第１及び第２配線層１０５ａ，１０５ｂ）にわたって第１及び第３の検出コイル１１１，１１３が形成されるように構成している。同様に、第２の検出コイル１１２を形成する配線層１０５と、第４の検出コイル１１４を形成する配線層１０５の配線パターンを一部入れ替え、２層の配線層１０５（第３及び第４配線層１０５ｃ，１０５ｄ）にわたって第２及び第４の検出コイル１１２，１１４が形成されるように構成している。配線層１０５間はビアを介して電気的に接続される。

【0050】

各検出コイル１１を２層の配線層１０５にわたって形成することで、２層の配線層１０５の特性差による影響を抑制することが可能になる。その結果、配線層１０５間の特性差に起因した測定誤差を抑制し、測定精度を向上させることが可能になる。

【0051】

本実施の形態では、第１配線層１０５ａと第３配線層１０５ｃ、および、第２配線層１０５ｂと第４配線層１０５ｄに形成される配線パターンは、略同じパターンとされる。また、第１配線層１０５ａと第３配線層１０５ｃ、および、第２配線層１０５ｂと第４配線層１０５ｄに形成される配線パターンに流れる電流は、同じ向きとなるようにされる。図５では、白抜き矢印で電流の向きを示している。また、図５では、第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４の入力側電極を符号１１１ｂ，１１２ｂ，１１３ｂ，１１４ｂ、出力側電極を符号１１１ｃ，１１２ｃ，１１３ｃ，１１４ｃで示している。また、図５における符号ａ～ｙ，Ａ～Ｙは、ビアによる接続関係を便宜的に表すものであり、同じ符号同士がビアを介して電気的に接続されていることを表している。なお、図５に示す各配線層１０５の配線パターンはあくまで一例であり、配線パターンの具体的な構造はこれに限定されるものではない。

【0052】

フレキシブルプリント基板１０２を用いた磁歪式センサ１００では、検出コイル１１の抵抗成分Ｒｓが増大するため、単純に検出コイル１１の抵抗成分Ｒｓを測定し、測定した抵抗成分Ｒｓから温度を求める方法では、検出出来ない温度範囲が生じてしまう場合がある。本実施の形態に係る磁歪式センサ用温度検出回路１のように、交流電圧Ｖｂが切り替わってから、検出コイル１１を流れる電流Ｉｃの向きが切り替わるまでの時間Ｔｓを検出し、その時間Ｔｓを基に検出コイル１１の温度を算出することで、検出コイル１１の温度を広い温度範囲で精度よく検出することが可能になり、温度補正を適切に行って高精度な測定が可能になる。

【0053】

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る磁歪式センサ用温度検出回路１では、交流電圧Ｖｂが切り替わってから、検出コイル１１を流れる電流Ｉｃの向きが切り替わるまでの時間Ｔｓを検出する電流切替時間検出部２と、電流切替時間検出部２が検出した時間Ｔｓを基に、検出コイル１１の温度を算出する温度算出部３と、を備えている。

【0054】

これにより、熱電対等の温度センサや、温度検出用の直流回路等を別途設けることなく、交流励磁用の駆動部１２の交流電圧Ｖｂを利用して、検出コイルの温度を精度よく測定することが可能になる。つまり、本実施の形態によれば、低コストかつ簡易な構成で検出コイル１１の温度を検出でき、磁歪材に付与された応力の検出時においても検出コイル１１の温度を測定可能な磁歪式センサ用温度検出回路１を実現できる。

【0055】

（変形例）
上記実施の形態では、電流検出用抵抗２１の駆動部１２側の端部をコンパレータ２２の非反転入力に接続し、電流検出用抵抗２１のブリッジ回路１４側の端部をコンパレータ２２の反転入力に接続したが、非反転入力と反転入力の接続を逆にしてもよい。この場合、図３の場合と異なりコンパレータ２２の出力信号のハイとローが反転するので、ＸＯＲ回路２３の出力信号のハイとローも反転することになる。その結果、ローパスフィルタ２４の出力電圧Ｖ０は、時間Ｔｓが短くなるほど（検出コイル１１の温度が高くなるほど）大きい値となる。よって、この場合であっても、時間検出部２５において、ローパスフィルタ２４の出力電圧Ｖ０から時間Ｔｓを検出することが可能である。

【0056】

また、上記実施の形態におけるＸＯＲ回路２３に替えて、ＮＸＯＲ回路（否定排他的論理和回路）を用いてもよい。この場合も、ローパスフィルタ２４の出力電圧Ｖ０は、時間Ｔｓが短くなるほど（検出コイル１１の温度が高くなるほど）大きい値となるので、時間検出部２５において、ローパスフィルタ２４の出力電圧Ｖ０から時間Ｔｓを検出することが可能である。なお、ＸＯＲ回路２３やＮＸＯＲ回路は、ＡＮＤ回路やＯＲ回路等の複数の論理回路を組み合わせて実現されてもよい。

【0057】

また、図６（ａ）に示すように、上記実施の形態におけるＸＯＲ回路２３に替えて、ロックインアンプ（ＬＩＡ）２６を用いることも可能である。この場合、コンパレータ２２の出力をロックインアンプ２６の入力に接続し、発振器１２１からの矩形波信号Ｖｃｌｋを、ゲート信号としてロックインアンプ２６のゲート端子Ｇに接続するとよい。ロックインアンプ２６では、ゲート信号がハイである間、入力と出力を導通させる。よって、矩形波信号Ｖｃｌｋ、コンパレータ２２の出力信号Ｖ１、ロックインアンプ２６の出力信号Ｖ３のタイムチャートは、図６（ｂ）のようになる。

【0058】

図６（ｂ）に破線Ａで囲まれた領域に示されるように、ロックインアンプ２６の出力信号Ｖ３は、Ｖｃｌｋが立ち上がる際にはハイとならないため、図３のＸＯＲ回路の出力信号Ｖ２と比較して、デューティー比が１／２になるものの、この出力信号Ｖ３を用いて時間Ｔｓを検出することが可能である。ただし、ロックインアンプ２６はコストが高いため、上記実施の形態のように、低コストなＸＯＲ回路２３を用いることがより好ましいといえる。

【0059】

さらに、上記実施の形態では言及しなかったが、コンパレータ２２は、オペアンプ（差動増幅器）を用いて構成されていてもよい。

【0060】

また、上記実施の形態では、ブリッジ回路１４と直列に１つの電流検出用抵抗２１を接続する場合を説明したが、図７に示すように、ブリッジ回路１４を挟み込むように２つの電流検出用抵抗２１ａ，２１ｂを接続してもよい。この場合、電流検出用抵抗２１ａの駆動部１２側の端部、及び電流検出用抵抗２１ｂのブリッジ回路１４側の端部を適宜な抵抗Ｒを介してコンパレータ２２の非反転入力に接続し、電流検出用抵抗２１ａのブリッジ回路１４側の端部、及び電流検出用抵抗２１ｂの接地側の端部を適宜な抵抗Ｒを介してコンパレータ２２の反転入力に接続するとよい。これにより、電流検出用抵抗２１ａ，２１ｂや抵抗Ｒの抵抗値を適宜調整することで、コンパレータ２２に入力される電圧値を適宜な範囲に調整することができる。特に、コンパレータ２２をオペアンプで構成する場合には、入力可能な電圧値が限られるため、図７のような回路構成とすることが好ましい。なお、図７では温度補正部１５を省略して示している。

【0061】

さらに、上記実施の形態ではローパスフィルタ２４を用いたが、ローパスフィルタ２４は必須ではなく、省略可能である。例えば、ＸＯＲ回路２３の出力信号Ｖ２をそのまま時間検出部２５に入力し、時間検出部２５にて出力信号Ｖ３がハイで維持される時間、すなわち時間Ｔｓを検出するように構成してもよい。

【0062】

さらにまた、上記実施の形態では、ドライバ１２２にて正負が反転する矩形波の交流信号Ｖｂを生成したが、これに限らず、例えばブリッジ回路１４の接点ａ側にローのレベルが０（Ｖ）となる矩形波信号を入力し、ブリッジ回路１４の接点ｂ側に接点ａ側に入力される矩形波信号と位相を反転した矩形波信号を入力する等、検出コイル１１（ブリッジ回路１４）に相補的な電圧を加えてもよい。具体的には、例えば図８に示すように、接点ａ，ｂにそれぞれ接続される一対のドライバ１２２を備え、接点ａに接続される一方のドライバ１２２に発振器１２１からの信号を直接入力し、接点ｂに接続される他方のドライバ１２２に発振器１２１からの信号を否定回路（ＮＯＴ回路）１２３を介して入力するように構成することができる。これにより、ドライバ１２２にて負の電圧を生成する必要がなくなるため、ドライバ１２２の回路構成をより簡易にすることができる。

【0063】

また、上記実施の形態では、４つの検出コイル１１を用いたが、使用する検出コイル１１の数はこれに限定されない。例えば、図９（ａ）に示すように、第１及び第２の検出コイル１１１，１１２を抵抗Ｒ１，Ｒ２に置き換え、第３及び第４の検出コイル１１３，１１４の２つの検出コイル１１のみを用いるようにしてもよい。同様に、第３及び第４の検出コイル１１３，１１４を抵抗に置き換え、第１及び第２の検出コイル１１１，１１２のみを使用してもよい。さらに、図９（ｂ）に示すように、第１及び第３の検出コイル１１１，１１３を抵抗Ｒ１，Ｒ３に置き換え、第２及び第４の検出コイル１１２，１１４の２つの検出コイル１１のみを用いるようにしてもよい。同様に、第２及び第４の検出コイル１１２，１１４を抵抗に置き換え、第１及び第３の検出コイル１１１，１１３のみを用いるようにしてもよい。

【0064】

さらにまた、４つの検出コイル１１を用いる場合であっても、その一部の検出コイル１１のみを磁歪材の周囲に設けてもよい。例えば、第１及び第２の検出コイル１１１，１１２のみを磁歪材の周囲に設けてもよいし、第３及び第４の検出コイル１１３，１１４のみを磁歪材の周囲に設けてもよい。また、第１及び第３の検出コイル１１１，１１３のみを磁歪材の周囲に設けてもよいし、第２及び第４の検出コイル１１２，１１４のみを磁歪材の周囲に設けてもよい。つまり、第１乃至第４の検出コイル１１１～１１４の少なくとも２つが、磁歪材の周囲に設けられていればよい。なお、磁歪材の周囲に設けない検出コイル１１は、例えば、磁歪材と別体に設けられ、外力（応力）が付与されない基準用の磁歪材の周囲に設けられてもよい。

【0065】

また、上記実施の形態では、フレキシブル基板１０２の配線層１０５に検出コイル１１を形成する場合について説明したが、これに限らず、例えば、磁歪材の周囲に設けられた環状のボビン等に絶縁電線を巻き回して検出コイル１１を形成してもよいし、磁歪材の周囲に直接絶縁電線を巻き回して検出コイル１１を形成してもよい。

【0066】

また、上記実施の形態では、トルク検出用の磁歪式センサ１００について説明したが、例えば、軸状の磁歪材の軸方向に付与された荷重を検出する荷重検出用の磁歪式センサ等にも、本発明は適用可能である。

【0067】

（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等は、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。

【0068】

［１］磁歪材（１０１）の周囲に設けられた検出コイル（１１）、及び前記検出コイル（１１）を交流励磁する駆動部（１２）を備え、前記検出コイル（１１）のインダクタンスの変化を基に前記磁歪材（１０１）に付与された応力を検出する磁歪式センサ（１００）に用いられ、前記検出コイル（１１）の温度を検出する磁歪式センサ用温度検出回路（１）であって、前記駆動部（１２）が出力する交流電圧が、矩形波であり、前記交流電圧の切り替わりに応じて前記検出コイル（１１）を流れる電流の向きが切り替わるように構成されており、前記交流電圧が切り替わってから、前記検出コイル（１１）を流れる電流の向きが切り替わるまでの時間を検出する電流切替時間検出部（２）と、前記電流切替時間検出部（２）が検出した時間を基に、前記検出コイル（１１）の温度を算出する温度算出部（３）と、を備えた、磁歪式センサ用温度検出回路（１）。

【0069】

［２］前記電流切替時間検出部（２）は、前記検出コイル（１１）と直列に接続された電流検出用抵抗（２１）を有し、前記電流検出用抵抗（２１）に流れる電流の向きを検出可能に構成されている、［１］に記載の磁歪式センサ用温度検出回路（１）。

【0070】

［３］前記電流切替時間検出部（２）は、前記電流検出用抵抗（２１）の両端に接続されたコンパレータ（２２）を有し、前記コンパレータ（２２）の出力を基に、前記電流検出用抵抗（２１）に流れる電流の向きを検出可能に構成されている、［２］に記載の磁歪式センサ用温度検出回路（１）。

【0071】

［４］前記駆動部（１２）は、矩形波信号を発振する発振器（１２１）と、発振器（１２１）から出力された矩形波信号から前記交流電圧を生成し出力するドライバ（１２２）と、を有し、前記電流切替時間検出部（２）は、前記コンパレータ（２２）の出力信号と、前記発振器（１２１）からの前記矩形波信号とが入力され、前記コンパレータ（２２）の出力信号と前記矩形波信号との排他的論理和を出力する排他的論理和回路（２３）を有し、前記排他的論理和回路（２３）の出力を基に、前記交流電圧が切り替わってから、前記検出コイル（１１）を流れる電流の向きが切り替わるまでの時間を検出するように構成される、［３］に記載の磁歪式センサ用温度検出回路（１）。

【0072】

［５］前記電流切替時間検出部（２）は、前記排他的論理和回路（２３）の出力信号が入力されるローパスフィルタ（２４）と、前記ローパスフィルタ（２４）の出力電圧を基に、前記交流電圧が切り替わってから、前記検出コイル（１１）を流れる電流の向きが切り替わるまでの時間を検出する時間検出部（２５）と、を有する、［４］に記載の磁歪式センサ用温度検出回路（１）。

【0073】

［６］磁歪材（１０１）の周囲に設けられた検出コイル（１１）、及び前記検出コイル（１１）を交流励磁する駆動部（１２）を備え、前記検出コイル（１１）のインダクタンスの変化を基に前記磁歪材（１０１）に付与された応力を検出する磁歪式センサ（１００）であって、［１］乃至［５］の何れか１項に記載の磁歪式センサ用温度検出回路（１）と、前記磁歪式センサ用温度検出回路（１）が検出した前記検出コイル（１１）の温度を基に、検出した応力を温度補正する温度補正部（１５）と、を備えた、磁歪式センサ（１００）。

【0074】

［７］磁歪材（１０１）の周囲に設けられた検出コイル（１１）、及び前記検出コイル（１１）を交流励磁する駆動部（１２）を備え、前記検出コイル（１１）のインダクタンスの変化を基に前記磁歪材（１０１）に付与された応力を検出する磁歪式センサ（１００）において、前記検出コイル（１１）の温度を検出する温度検出方法であって、前記駆動部（１２）が出力する交流電圧が、矩形波であり、前記交流電圧の切り替わりに応じて前記検出コイル（１１）を流れる電流の向きが切り替わるように構成し、前記交流電圧が切り替わってから、前記検出コイル（１１）を流れる電流の向きが切り替わるまでの時間を検出し、当該検出した時間を基に、前記検出コイル（１１）の温度を算出する、磁歪式センサの温度検出方法。

【0075】

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。また、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。

【符号の説明】

【0076】

１…磁歪式センサ用温度検出回路
２…電流切替時間検出部
２１…電流検出用抵抗
２２…コンパレータ
２３…排他的論理和回路
２４…ローパスフィルタ
２５…時間検出部
３…温度算出部
１１…検出コイル
１２…駆動部
１２１…発振器
１２２…ドライバ
１４…ブリッジ回路
１５…温度補正部
１００…磁歪式センサ
１０１…回転軸（磁歪材）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】